Kokeellinen suunnittelu on keskeinen menetelmä, jota käytetään esimerkiksi biologiassa, kemiassa, fysiikassa, psykologiassa ja yhteiskuntatieteissä. Se auttaa meitä selvittämään, miten eri tekijät vaikuttavat opiskelemaamme asiaan, olipa kyse sitten kasveista, kemikaaleista, fysiikan laeista, ihmisen käyttäytymisestä tai yhteiskunnan toiminnasta. Pohjimmiltaan se on tapa järjestää kokeita, jotta voimme testata ideoita, nähdä, mitä tapahtuu, ja ymmärtää tuloksiamme. Se on erittäin tärkeää opiskelijoille ja tutkijoille, jotka haluavat vastata suuriin tieteen kysymyksiin ja ymmärtää maailmaa paremmin. Kokeellisen suunnittelun taitoja voidaan soveltaa tilanteissa ongelmanratkaisusta data-analyysiin; ne ovat laaja-alaisia ja niitä voidaan usein soveltaa luokkahuoneen ulkopuolella. Näiden taitojen opettaminen on erittäin tärkeä osa tiedekasvatusta, mutta se usein unohdetaan, kun keskitytään sisällön opettamiseen. Tiedekasvattajina olemme kaikki nähneet käytännön työn hyödyt oppilaiden sitoutumiselle ja ymmärrykselle. Opetussuunnitelman aikarajoitusten vuoksi oppilaiden tarvitsema aika näiden kokeellisen tutkimussuunnittelun ja tutkintataitojen kehittämiseen voi kuitenkin jäädä vähiin. Liian usein he saavat "reseptin", jota seurata, mikä ei anna heille mahdollisuutta ottaa vastuuta käytännön työstään. Hyvin nuoresta iästä lähtien he alkavat miettiä ympäröivää maailmaa. He esittävät kysymyksiä ja käyttävät sitten havaintoja ja todisteita vastatakseen niihin. Oppilailla on usein älykkäitä, mielenkiintoisia ja testattavia kysymyksiä, joita he mielellään kysyvät. Kouluttajina meidän tulisi pyrkiä kannustamaan näitä kysymyksiä ja samalla vaalimaan tätä luonnollista uteliaisuutta ympäröivää maailmaa kohtaan.
Kokeiden suunnittelun opettaminen ja oppilaiden omien kysymysten ja hypoteesien kehittäminen vie aikaa. Nämä materiaalit on luotu tukemaan ja jäsentämään prosessia, jotta opettajat voivat keskittyä kokeellisen suunnittelun keskeisten ideoiden parantamiseen. Oppilaiden omien kysymysten esittäminen, omien hypoteesien kirjoittaminen sekä omien tutkimusten suunnittelu ja toteuttaminen on heille arvokas kokemus. Tämä johtaa siihen, että oppilaat ottavat enemmän vastuuta työstään. Kun oppilaat soveltavat kokeellista menetelmää omiin kysymyksiinsä, he pohtivat, miten tiedemiehet ovat historiallisesti tulleet ymmärtämään maailmankaikkeuden toimintaa.
(Tämä aloittaa 2 viikon ilmainen kokeiluversio - ei tarvita luottokorttia)
Katso alla olevia tulostettavaa sivua ja laskentataulukon malleja!
Tieteellisen löydön matkalle lähtö alkaa kokeellisen suunnittelun vaiheiden hallitsemisesta. Tämä perustavanlaatuinen prosessi on välttämätön luotettavia ja oivaltavia tuloksia tuottavien kokeiden muotoilemiseksi, ja se ohjaa sekä tutkijoita että opiskelijoita yksityiskohtaisen suunnittelun, kokeellisen tutkimussuunnittelun ja tutkimusten toteutuksen läpi. Hyödyntämällä kokeellisen suunnittelun mallia osallistujat voivat varmistaa havaintojensa eheyden ja pätevyyden. Olipa kyse sitten tieteellisen kokeen suunnittelusta tai kokeellisen suunnittelun aktiviteetteihin osallistumisesta, tavoitteena on edistää syvällistä ymmärrystä perusasioista: Miten kokeet tulisi suunnitella? Mitkä ovat kokeellisen suunnittelun seitsemän vaihetta? Miten voit suunnitella oman kokeesi?
Tämä on tutkimus seitsemästä keskeisestä kokeellisen menetelmän vaiheesta, kokeellisen suunnittelun ideoista ja tavoista integroida kokeiden suunnittelu. Opiskelijoiden projektit voivat hyötyä suuresti lisätyöarkeista, ja tarjoamme myös resursseja, kuten työarkkeja, joiden tarkoituksena on opettaa kokeellista suunnittelua tehokkaasti. Sukelletaanpa kokeen suunnitteluprosessin perustana oleviin olennaisiin vaiheisiin ja annetaan oppijoille työkalut tieteellisen uteliaisuuden tutkimiseen.
Tämä on keskeinen osa tieteellistä menetelmää ja kokeellista suunnitteluprosessia. Opiskelijat nauttivat kysymysten keksimisestä. Kysymysten muotoileminen on syvällinen ja merkityksellinen toiminta, joka voi antaa oppilaille omistajuuden työstään. Erinomainen tapa saada oppilaat miettimään, miten tutkimuskysymyksensä visualisoidaan, on käyttää miellekarttakuvakäsikirjoitusta.
(Tämä aloittaa 2 viikon ilmainen kokeiluversio - ei tarvita luottokorttia)
(Tämä aloittaa 2 viikon ilmainen kokeiluversio - ei tarvita luottokorttia)
(Tämä aloittaa 2 viikon ilmainen kokeiluversio - ei tarvita luottokorttia)
Pyydä oppilaita miettimään maailmankaikkeutta koskevia kysymyksiä, joihin he haluavat vastata, tai pyydä heitä miettimään kysymyksiä, joita heillä on tietystä aiheesta. Kaikki kysymykset ovat hyviä kysymyksiä, mutta joitakin on helpompi testata kuin toisia.
Hypoteesia kutsutaan tietoon perustuvaksi arvaukseksi. Hypoteesin tulisi olla väite, jota voidaan testata tieteellisesti. Kokeen lopussa tarkastellaan taaksepäin, tukeeko johtopäätös hypoteesia vai ei.
Hyvien hypoteesien muodostaminen voi olla opiskelijoille haastavaa ymmärtää. On tärkeää muistaa, että hypoteesi ei ole tutkimuskysymys, vaan testattava lause . Yksi tapa muodostaa hypoteesi on muotoilla se "jos... niin..." -lauseena. Tämä ei todellakaan ole ainoa tai paras tapa muodostaa hypoteesi, mutta se voi olla erittäin helppo kaava opiskelijoille käytettäväksi alussa.
”Jos... niin...” -lauseke edellyttää, että oppilaat tunnistavat ensin muuttujat, ja tämä voi muuttaa järjestystä, jossa he suorittavat visuaalisen organisoinnin vaiheet. Kun riippuvat ja riippumattomat muuttujat on tunnistettu, hypoteesi on muotoa jos [muutos riippumattomassa muuttujassa], niin [muutos riippuvassa muuttujassa].
Jos esimerkiksi kokeessa etsittäisiin kofeiinin vaikutusta reaktioaikaan, riippumaton muuttuja olisi kofeiinin määrä ja riippuva muuttuja reaktioaika. "Jos, niin" -hypoteesi voisi olla: Jos lisäät nautitun kofeiinin määrää, reaktioaika lyhenee.
Mikä johti sinut tähän hypoteesiin? Mikä on hypoteesisi tieteellinen tausta? Iästä ja kyvyistä riippuen oppilaat voivat käyttää aiempaa tietämystään selittääkseen, miksi he ovat valinneet hypoteesinsa, tai vaihtoehtoisesti he voivat tehdä tutkimusta kirjojen tai internetin avulla. Tämä voi myös olla hyvä tilaisuus keskustella oppilaiden kanssa siitä, mikä on luotettava lähde.
Oppilaat voivat esimerkiksi viitata aiempiin kofeiinin valppautta parantaviin tutkimuksiin selittääkseen, miksi heidän oletuksensa on, että kofeiinin saanti hidastaa reaktioaikaa.
Ennuste eroaa hieman hypoteesista. Hypoteesi on testattavissa oleva väite, kun taas ennuste on kokeellisempi. DNA:n rakenteen löytämisessä hypoteesi esitti, että DNA:lla on kierteinen rakenne. Ennusteen mukaan DNA:n röntgendiffraktiokuvio olisi X-kirjaimen muotoinen.
Oppilaiden tulisi muotoilla ennuste, joka on spesifinen ja mitattavissa oleva tulos hypoteesinsa perusteella. Sen sijaan, että oppilaat vain toteaisivat "kofeiini hidastaa reaktioaikaa", he voisivat ennustaa, että "kahden tölkin limsan (90 mg kofeiinia) juominen lyhentää keskimääräistä reaktioaikaa 50 millisekunnilla verrattuna siihen, että kofeiinia ei juota ollenkaan".
Alla on esimerkki keskustelukuvakäsikirjoituksesta, jota voidaan käyttää saadaksesi oppilaasi keskustelemaan kokeellisen suunnittelun muuttujista.
(Tämä aloittaa 2 viikon ilmainen kokeiluversio - ei tarvita luottokorttia)
Kolme muuttujatyyppiä, joista sinun on keskusteltava oppilaidesi kanssa, ovat riippuvaiset, riippumattomat ja kontrolloidut muuttujat. Yksinkertaisuuden vuoksi voit viitata näihin termeillä "mitä aiot mitata", "mitä aiot muuttaa" ja "mitä aiot pitää samana". Edistyneempien oppilaiden kanssa sinun tulisi kannustaa heitä käyttämään oikeaa sanastoa.
Riippuvat muuttujat ovat sitä, mitä tiedemies mittaa tai havaitsee. Näitä mittauksia toistetaan usein, koska toistuvat mittaukset tekevät datasta luotettavampaa.
Riippumattomat muuttujat ovat muuttujia, joita tutkijat päättävät muuttaa nähdäkseen, miten se vaikuttaa riippuvaan muuttujaan. Vain yksi muuttuja valitaan, koska olisi vaikea selvittää, mikä muuttuja aiheuttaa havaitsemasi muutoksen.
Kontrolloitavat muuttujat ovat suureita tai tekijöitä, joiden tiedemiehet haluavat pysyvän samoina koko kokeen ajan. Ne kontrolloidaan pysymään vakioina, jotta ne eivät vaikuta riippuvaan muuttujaan. Näiden kontrollointi antaa tutkijoille mahdollisuuden nähdä, miten riippumaton muuttuja vaikuttaa riippuvaan muuttujaan koeryhmässä.
Käytä alla olevaa esimerkkiä oppitunneillasi tai poista vastaukset ja aseta se tehtäväksi, jonka oppilaat voivat suorittaa Storyboard That -sivustolla.
| Miten lämpötila vaikuttaa veteen liukenevan sokerin määrään | |
|---|---|
| Riippumaton muuttuja | Veden lämpötila
(Viisi eri näytettä lämpötiloissa 10 °C, 20 °C, 30 °C, 40 °C ja 50 °C) |
| Riippuva muuttuja | Veteen liuenneen sokerin määrä teelusikoina mitattuna. |
| Ohjatut muuttujat |
|
(Tämä aloittaa 2 viikon ilmainen kokeiluversio - ei tarvita luottokorttia)
Viime kädessä tämän on saatava vastuullisen aikuisen hyväksyntä, mutta on tärkeää saada oppilaat miettimään, miten he pitävät itsensä turvassa. Tässä osiossa oppilaiden tulee tunnistaa mahdolliset riskit ja sitten selittää, miten he aikovat minimoida riskin. Yksi aktiviteetti, joka auttaa oppilaita kehittämään näitä taitoja, on saada heidät tunnistamaan ja hallitsemaan riskejä eri tilanteissa. Käytä alla olevaa kuvakäsikirjoitusta ja pyydä oppilaita täyttämään T-kaavion toinen sarake sanomalla "Mikä on riski?" ja selittämällä sitten, miten he voisivat hallita kyseistä riskiä. Tämä kuvakäsikirjoitus voidaan myös heijastaa luokkakeskustelua varten.
(Tämä aloittaa 2 viikon ilmainen kokeiluversio - ei tarvita luottokorttia)
Tässä osiossa oppilaat listaavat kokeissa tarvitsemansa materiaalit, mukaan lukien riskinarviointiosiossa tarpeellisiksi korostetut turvavarusteet. Tämä on loistava tilaisuus keskustella oppilaiden kanssa työhön sopivien työkalujen valitsemisesta. Tulet käyttämään eri työkalua hiusten leveyden mittaamiseen kuin jalkapallokentän leveyden mittaamiseen!
On tärkeää keskustella oppilaiden kanssa toistettavuudesta. Heidän tulisi laatia menetelmä, jonka avulla toinen tiedemies voi helposti toistaa heidän kokeellisen menetelmänsä. Helpoin ja ytimekkäin tapa oppilaille tehdä tämä on laatia numeroitu ohjeluettelo. Hyödyllinen aktiviteetti tässä voisi olla pyytää oppilaita selittämään, miten valmistetaan kuppi teetä tai voileipää. Näytelkää prosessi ja osoittakaa kaikki vaiheet, jotka he ovat unohtaneet.
Englannin kielen oppijoille ja opiskelijoille, joilla on vaikeuksia kirjoitetun englannin kanssa, opiskelijat voivat kuvailla kokeensa vaiheet visuaalisesti Storyboard That avulla.
Kaikki kokeet eivät tarvitse kaaviota, mutta jotkut suunnitelmat paranevat huomattavasti sisällyttämällä sellaisen. Pyydä oppilaita keskittymään selkeiden ja helposti ymmärrettävien kaavioiden tuottamiseen, jotka havainnollistavat koeryhmää.
Esimerkiksi menetelmä, jolla testataan auringonvalon vaikutusta kasvien kasvuun täysin satunnaistettua suunnittelua käyttäen, voisi sisältää seuraavat tiedot:
Kun menetelmä on hyväksytty, oppilaiden tulee suorittaa suunniteltu kokeensa huolellisesti kirjallisten ohjeiden mukaisesti. Kun tietoa kerätään, oppilaiden tulee järjestää raakatulokset taulukoihin, kuvaajiin, valokuviin tai piirustuksiin. Tämä luo selkeän dokumentaation trendien analysointia varten.
Joitakin parhaita käytäntöjä tiedonkeruuseen ovat:
Esimerkiksi kasvien kasvatuskokeessa oppilaat voisivat kirjata muistiin:
| Ryhmä | Auringonvalo | Auringonvalo | Auringonvalo | Varjostin | Varjostin |
|---|---|---|---|---|---|
| Kasvin tunnus | 1 | 2 | 3 | 1 | 2 |
| Aloituskorkeus | 5 cm | 4 cm | 5 cm | 6 cm | 4 cm |
| Päätykorkeus | 18 cm | 17 cm | 19 cm | 9 cm | 8 cm |
He kuvailisivat myös havaintoja, kuten lehtien värinmuutosta tai suuntaa taipumista, visuaalisesti tai kirjallisesti.
On erittäin tärkeää, että oppilaat harjoittelevat turvallisia tieteellisiä menetelmiä. Kokeiluihin tarvitaan aikuisen valvontaa ja asianmukaista riskinarviointia.
Hyvin dokumentoitu tiedonkeruu mahdollistaa syvällisemmän analyysin kokeen päätyttyä sen selvittämiseksi, pitivätkö hypoteesit ja ennusteet paikkansa.
(Tämä aloittaa 2 viikon ilmainen kokeiluversio - ei tarvita luottokorttia)
(Tämä aloittaa 2 viikon ilmainen kokeiluversio - ei tarvita luottokorttia)
Visuaalisten järjestäjien käyttö on tehokas tapa saada oppilaasi työskentelemään tieteilijöinä luokkahuoneessa.
Näitä tutkimussuunnittelutyökaluja voi käyttää monella tapaa oppilaiden työn tukemiseen ja jäsentämiseen heidän työskennellessään tiedemiehinä. Oppilaat voivat suorittaa suunnitteluvaiheen Storyboard That -palvelussa käyttämällä tekstilaatikoita ja kaavioita tai voit tulostaa ne ja antaa oppilaiden täyttää ne käsin. Toinen hyvä tapa käyttää niitä on heijastaa suunnitteluarkki interaktiiviselle taululle ja käydä ryhmänä läpi, miten suunnittelumateriaalit täytetään. Heijasta se näytölle ja pyydä oppilaita kirjoittamaan vastauksensa tarralapuille ja laittamaan ideansa oikeaan osioon suunnitteluasiakirjassa.
Jo hyvin pienet oppijat voivat alkaa ajatella tiedemiehinä! Heillä on paljon kysymyksiä ympäröivästä maailmasta, ja voit alkaa kirjoittaa niitä muistiin miellekarttaan. Joskus voit jopa alkaa "tutkia" näitä kysymyksiä leikin avulla.
Perusmateriaali on tarkoitettu alakoululaisille tai oppilaille, jotka tarvitsevat enemmän tukea. Se on suunniteltu noudattamaan täsmälleen samaa prosessia kuin korkeamman tason materiaalit, mutta hieman helpommin toteutettuna. Keskeinen ero näiden kahden materiaalin välillä on yksityiskohdat, joita oppilaiden on pohdittava, ja käytetty tekninen sanasto. Esimerkiksi on tärkeää, että oppilaat tunnistavat muuttujat suunnitellessaan tutkimuksiaan. Korkeammassa versiossa oppilaiden ei tarvitse ainoastaan tunnistaa muuttujia, vaan myös esittää muita kommentteja, kuten miten he aikovat mitata riippuvaa muuttujaa tai käyttää täysin satunnaistettua suunnittelua. Resurssitason välisten erojen lisäksi kannattaa ehkä erotella ne tarkemmin sillä, miten opettajat ja avustajat tukevat oppijoita luokassa.
Opiskelijoita voitaisiin myös kannustaa tekemään kokeellisesta suunnitelmastaan helpommin ymmärrettävää käyttämällä grafiikkaa, ja tätä voitaisiin käyttää myös englantia toisena kielenä opiskelun tukena.
(Tämä aloittaa 2 viikon ilmainen kokeiluversio - ei tarvita luottokorttia)
(Tämä aloittaa 2 viikon ilmainen kokeiluversio - ei tarvita luottokorttia)
Oppilaiden luonnontieteellisen tutkimuksen taitoja on arvioitava heidän tietämyksensä arvioinnin ohella. Tämä ei ainoastaan anna oppilaille mahdollisuutta keskittyä taitojensa kehittämiseen, vaan myös antaa heille mahdollisuuden käyttää arviointitietojaan tavalla, joka auttaa heitä parantamaan luonnontieteellisiä taitojaan. Quick Rubric avulla voit luoda nopean ja helpon arviointikehyksen ja jakaa sen oppilaiden kanssa, jotta he tietävät, miten menestyä jokaisessa vaiheessa. Sen lisäksi, että se tarjoaa formatiivista arviointia, joka edistää oppimista, sitä voidaan käyttää myös oppilaiden työn arviointiin tutkimuksen lopussa ja tavoitteiden asettamiseen, kun he seuraavan kerran yrittävät suunnitella omaa tutkimustaan. Arviointityökalut on kirjoitettu siten, että oppilaat löytävät ne helposti. Tällä tavoin ne voidaan jakaa oppilaiden kanssa heidän työskennellessään suunnitteluprosessin läpi, jotta oppilaat tietävät, miltä hyvä kokeellinen suunnittelu näyttää.
(Tämä aloittaa 2 viikon ilmainen kokeiluversio - ei tarvita luottokorttia)
(Tämä aloittaa 2 viikon ilmainen kokeiluversio - ei tarvita luottokorttia)
(Tämä aloittaa 2 viikon ilmainen kokeiluversio - ei tarvita luottokorttia)
Jos haluat lisätä projekteja tai jatkaa työarkkien mukauttamista, tutustu useisiin alla oleviin mallipohjiin, jotka olemme koonneet sinulle. Jokainen työarkki voidaan kopioida ja räätälöidä projekteihisi tai oppilaillesi! Opiskelijoita voidaan myös kannustaa luomaan omia, jos he haluavat yrittää järjestää tietoa helposti ymmärrettävällä tavalla.
Yleisiä kokeellisia suunnittelutyökaluja ja tekniikoita, joita opiskelijat voivat käyttää, ovat satunnaistehtävä, kontrolliryhmät, sokkouttaminen, replikointi ja tilastollinen analyysi. Opiskelijat voivat myös käyttää havainnointitutkimuksia, tutkimuksia ja kokeita luonnollisilla tai näennäiskokeellisilla suunnitelmilla. He voivat myös käyttää datan visualisointityökaluja tulosten analysointiin ja esittämiseen.
Kokeellinen suunnittelu auttaa opiskelijoita kehittämään kriittisen ajattelun taitoja rohkaisemalla heitä ajattelemaan systemaattisesti ja loogisesti tieteellisiä ongelmia. Se vaatii oppilaita analysoimaan tietoja, tunnistamaan malleja ja tekemään johtopäätöksiä todisteiden perusteella. Se auttaa myös opiskelijoita kehittämään ongelmanratkaisutaitoja tarjoamalla mahdollisuuksia suunnitella ja suorittaa kokeita hypoteesien testaamiseksi.
Kokeellista suunnittelua voidaan käyttää todellisten ongelmien ratkaisemiseen tunnistamalla muuttujia, jotka vaikuttavat tiettyyn ongelmaan, ja testaamalla interventioita nähdäkseen, ovatko ne tehokkaita ongelman ratkaisemisessa. Kokeellisella suunnittelulla voidaan esimerkiksi testata uusien lääkehoitojen tehokkuutta tai arvioida sosiaalisten toimenpiteiden vaikutusta köyhyyden vähentämiseen tai koulutustulosten parantamiseen.
Yleisiä kokeellisen suunnittelun sudenkuoppia, joita opiskelijoiden tulisi välttää, ovat muuttujien hallinnan epäonnistuminen, puolueellisten näytteiden käyttäminen, anekdoottisiin todisteisiin luottaminen ja riippuvien muuttujien tarkka mittaaminen. Opiskelijoiden tulee myös huomioida kokeita tehdessään eettiset näkökohdat, kuten tietoisen suostumuksen saaminen ja tutkittavien yksityisyyden suojaaminen.