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Conception Expérimentale

Enseigner aux Élèves la Conception des Expériences

Par Oliver Smith

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La science est un mélange de connaissances et de compétences accumulées historiquement. Ces compétences pratiques vont de la résolution de problèmes à l'analyse de données; ils sont vastes et peuvent souvent être appliqués en dehors de la classe. L'enseignement de ces compétences est une partie très importante de l'enseignement des sciences, mais est souvent négligé par l'enseignement du contenu. En tant qu'éducateurs scientifiques, nous avons tous constaté les avantages des étudiants qui effectuent un travail pratique sur l'engagement et la compréhension. Cependant, avec les contraintes de temps imposées au programme, le temps nécessaire aux étudiants pour développer ces compétences d’enquête peut être réduit au minimum. Trop souvent, nous donnons aux étudiants une "recette" à suivre, qui ne leur permet pas de s'approprier leur travail pratique. Les élèves très jeunes commencent à penser au monde qui les entoure. Ils posent des questions, puis utilisent des observations et des preuves pour y répondre. Les étudiants ont tendance à poser des questions intelligentes, intéressantes et vérifiables. En tant qu’éducateurs, nous devrions nous efforcer d’encourager ces questions et, partant, nourrir cette curiosité naturelle du monde qui les entoure.

Enseigner la conception d'expériences et laisser les étudiants développer leurs propres questions et hypothèses prend du temps. Ces matériels ont été créés pour structurer et structurer le processus afin de permettre aux enseignants de se concentrer sur l'amélioration des idées clés en matière de conception expérimentale. Permettre aux étudiants de poser leurs propres questions, d'écrire leurs propres hypothèses, de planifier et de mener leurs propres enquêtes est une expérience enrichissante pour vos étudiants. Cela conduira les étudiants à s'approprier davantage leur travail. Lorsque les élèves appliquent la méthode expérimentale à leurs propres questions, ils réfléchissent à la façon dont les scientifiques ont compris comment fonctionne l'univers.


Experimental Design
Experimental Design

Exemple

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Design an Experiment  

Jetez un coup d’œil aux pages imprimables et aux modèles de feuilles de travail ci-dessous!

Processus de conception expérimentale

1. question

C'est un élément clé de la méthode scientifique et du processus de conception expérimentale. Les étudiants aiment poser des questions. Formuler des questions est une activité profonde et significative qui permet aux étudiants de s'approprier leur travail. Un excellent moyen d'inciter les élèves à visualiser leurs questions consiste à utiliser un story-board.







Design an Experiment  

Demandez aux élèves de penser aux questions auxquelles ils veulent répondre au sujet de l'univers ou demandez-leur de réfléchir aux questions qu'ils ont sur un sujet particulier. Toutes les questions sont de bonnes questions, mais certaines sont plus faciles à tester que d’autres.


2. l'hypothèse

Une hypothèse est connue comme une supposition éclairée. Une hypothèse doit être une affirmation pouvant être testée scientifiquement. À la fin de l'expérience, regardez en arrière pour voir si la conclusion corrobore l'hypothèse ou non. Formuler de bonnes hypothèses peut être difficile à comprendre pour les étudiants. Il est important de se rappeler que l' hypothèse n'est pas une question, mais une affirmation testable .

Une façon de formuler une hypothèse est de la formuler sous la forme d’une déclaration «si… alors…». Ce n'est certainement pas le seul ni le meilleur moyen de formuler une hypothèse, mais peut être une formule très facile à utiliser pour les étudiants lorsqu'ils débutent. Une déclaration «si… alors…» exige que les étudiants identifient d'abord les variables, ce qui peut modifier l'ordre dans lequel ils terminent les étapes de l'organisateur visuel.

Après avoir identifié les variables, l'hypothèse prend alors la forme si [changement de variable indépendante], puis [changement de variable dépendante]. Par exemple, si une expérience cherchait l'effet de la caféine sur le temps de réaction, la variable indépendante serait la quantité de caféine et la variable dépendante le temps de réaction. L’hypothèse «si, alors» pourrait être la suivante: si vous augmentez la quantité de caféine consommée, le temps de réaction diminuera.


3. Explication de l'hypothèse

Qu'est-ce qui vous a amené à cette hypothèse? Quel est le fond scientifique derrière votre hypothèse? En fonction de leur âge et de leurs capacités, les élèves utilisent leurs connaissances antérieures pour expliquer pourquoi ils ont choisi leurs hypothèses, ou alternativement, effectuent des recherches à l'aide de livres ou d'Internet. Cela pourrait également être un bon moment pour discuter avec les étudiants de ce qu’est une source fiable.


4. Prédiction

La prédiction est légèrement différente de l'hypothèse. Une hypothèse est une déclaration testable, alors que la prédiction est plus spécifique à l'expérience. Dans la découverte de la structure de l'ADN, l'hypothèse a proposé que l'ADN ait une structure en hélice. La prédiction était que le schéma de diffraction des rayons X de l'ADN serait une forme en X.


5. Identification des variables

Vous trouverez ci-dessous un exemple de Storyboard de discussion pouvant être utilisé pour amener vos étudiants à parler de variables dans le design expérimental.


Discussion Storyboard - Experimental Design
Discussion Storyboard - Experimental Design

Exemple

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Les trois types de variables dont vous aurez besoin pour discuter avec vos élèves sont des variables dépendantes, indépendantes et contrôlées . Pour rester aussi simple, appelez-les «ce que vous allez mesurer», «ce que vous allez changer» et «ce que vous allez garder». Avec des étudiants plus avancés, encouragez-les à utiliser le bon vocabulaire.

Les variables dépendantes sont ce qui est mesuré ou observé par le scientifique. Ces mesures seront souvent répétées, car ces mesures rendent vos données plus fiables.

La variable indépendante est une variable que les scientifiques décident de modifier pour voir son effet sur la variable dépendante. Un seul est choisi car il serait difficile de déterminer quelle variable est à l'origine du changement observé.

Les variables contrôlées sont des quantités ou des facteurs pour lesquels les scientifiques souhaitent rester les mêmes tout au long de l'expérience. Ils sont contrôlés pour rester constants afin de ne pas affecter la variable dépendante. Leur contrôle permet aux scientifiques de voir comment la variable indépendante affecte la variable dépendante.

Utilisez cet exemple ci-dessous dans vos leçons ou supprimez les réponses et définissez-les comme une activité à compléter par les élèves dans Storyboard That.

Comment la température affecte la quantité de sucre pouvant être dissoute dans l'eau
Variable indépendante La température de l'eau
(Plage 5 échantillons différents à 10 ° C, 20 ° C, 30 ° C, 40 ° C et 50 ° C)
Variable dépendante La quantité de sucre qui peut être dissoute dans l'eau, mesurée en cuillères à café.
Variables contrôlées
  • Volume d'eau (500 ml - mesuré à l'aide d'une éprouvette graduée)
  • Type d'eau (obtenez l'eau du même robinet)
  • Que l'eau soit agitée ou non
  • Type de sucre
  • Granulométrie du sucre


Identifying Variables
Identifying Variables

Exemple

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6. Évaluation des risques

En fin de compte, cela doit être signé par un adulte responsable, mais il est important de faire réfléchir les étudiants à la manière dont ils se protègent. Dans cette partie, les élèves devraient identifier les risques potentiels, puis expliquer comment ils vont les minimiser. Une activité pour aider les élèves à développer ces compétences consiste à les amener à identifier et à gérer les risques dans différentes situations. À l'aide du scénario ci-dessous, demandez aux élèves de compléter la deuxième colonne du diagramme en T en disant «Qu'est-ce que le risque?», Puis en expliquant comment ils pourraient gérer ce risque. Ce scénario pourrait également être projeté pour une discussion en classe.


Risk Assessment
Risk Assessment

Exemple

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7. Matériaux

Dans cette section, les élèves répertorieront le matériel dont ils ont besoin pour les expériences, y compris tout équipement de sécurité dont ils ont souligné la nécessité dans la section d'évaluation des risques. C’est le moment idéal pour discuter avec les étudiants de la sélection d’outils adaptés à leur travail. Vous allez utiliser un outil différent pour mesurer la largeur d'un cheveu que pour mesurer la largeur d'un terrain de football!


8. Plan général et diagramme

Il est important de parler aux étudiants de la reproductibilité. Ils devraient rédiger une procédure qui permettrait à un autre scientifique de reproduire facilement leur méthode expérimentale. Pour ce faire, le moyen le plus simple et le plus simple consiste à dresser une liste d'instructions numérotée. Une activité utile pourrait être d’amener les élèves à expliquer comment préparer une tasse de thé ou un sandwich. Interprétez le processus en indiquant les étapes manquées.

Pour les apprenants d'anglais et les étudiants qui ont des difficultés avec l'anglais écrit, les étudiants peuvent décrire visuellement les étapes de leur expérience à l'aide de Storyboard That.

Toutes les expériences n’auront pas besoin d’un diagramme, mais certains plans seront grandement améliorés. Demandez aux élèves de produire des diagrammes clairs et faciles à comprendre.


9. Effectuer l'expérience

Les élèves suivent ensuite leur plan et réalisent l'expérience. Il est important que les élèves recueillent leurs résultats de manière significative et facile à comprendre. Les données sont souvent enregistrées dans un tableau, mais peuvent également être réalisées avec des photographies, des dessins d'observations ou une combinaison des deux. Il peut être utile de demander aux élèves de noter les difficultés et problèmes qu’ils ont rencontrés lors de la réalisation de l’expérience. Cela pourrait aider plus tard à évaluer leur méthode expérimentale.


Il est important de mentionner que toutes les expériences conçues par les étudiants doivent être soigneusement évaluées par l'adulte responsable avant de laisser les étudiants effectuer leurs travaux pratiques.


Après avoir terminé la procédure de l’expérience, les élèves analysent les données, tirent des conclusions puis partagent leurs résultats. Selon le niveau de l'étudiant, il peut s'agir d'un rapport de laboratoire officiel, de graphiques, d'une discussion en classe ou autre.


Exemples complétés







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Ressources et exemples

Utiliser des organisateurs visuels est un moyen efficace de faire travailler vos étudiants en tant que scientifiques dans la classe.

Il existe de nombreuses façons d’utiliser ces outils de planification d’investigation pour structurer et structurer le travail des étudiants en tant que scientifiques. Les élèves peuvent effectuer la planification sur le Storyboard That utilisant les zones de texte et les diagrammes, ou les imprimer et les demander aux élèves de les compléter à la main. Une autre façon de les utiliser est de projeter la feuille de planification sur un tableau blanc interactif et de déterminer comment compléter les documents de planification en groupe. Projetez-le sur un écran et demandez aux élèves de noter leurs réponses sur des notes autocollantes et de mettre leurs idées dans la bonne section du document de planification.

Les très jeunes apprenants peuvent toujours commencer à penser en tant que scientifiques! Ils ont beaucoup de questions sur le monde qui les entoure et vous pouvez commencer à les noter dans une carte mentale. Parfois, vous pouvez même commencer à «enquêter» sur ces questions par le jeu.

La ressource de base est destinée aux élèves du primaire ou à ceux qui ont besoin de plus d’aide. Il est conçu pour suivre exactement le même processus que les ressources plus importantes, mais légèrement facilité. La principale différence entre les deux ressources réside dans les détails auxquels les étudiants doivent réfléchir et dans le vocabulaire technique utilisé. Par exemple, il est important que les étudiants identifient des variables lors de la conception de leurs enquêtes. Dans la version supérieure, les étudiants doivent non seulement identifier les variables, mais aussi formuler d'autres commentaires, tels que la façon dont ils vont mesurer la variable dépendante. Outre la différence d'échafaudage entre les deux niveaux de ressources, vous voudrez peut-être différencier davantage par la manière dont les apprenants sont pris en charge par les enseignants et les assistants présents dans la salle.

Les étudiants pourraient également être encouragés à rendre leur plan expérimental plus facile à comprendre en utilisant des graphiques, ce qui pourrait également être utilisé pour soutenir les ELL.







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Évaluation

Les élèves doivent être évalués sur leurs compétences d'enquête scientifique en même temps que l'évaluation de leurs connaissances. Cela permettra non seulement aux étudiants de se concentrer sur le développement de leurs compétences, mais leur permettra également d’utiliser les informations d’évaluation de manière formelle pour les aider à améliorer leurs compétences en sciences. À l'aide de Quick Rubric , un cadre d'évaluation rapide et facile peut être créé et partagé avec les étudiants afin qu'ils sachent réussir à chaque étape. En plus de fournir une évaluation formative qui stimulera l'apprentissage, elle peut également être utilisée pour évaluer le travail des élèves à la fin d'une enquête et pour fixer des objectifs pour la prochaine tentative de planification de leur propre enquête. Les rubriques ont été rédigées de manière à permettre aux étudiants d’y accéder facilement. De cette façon, ils peuvent être partagés avec les étudiants pendant le processus de planification afin que les étudiants sachent à quoi ressemble un bon plan expérimental.




Ressources imprimables

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Feuilles de travail supplémentaires

Si vous souhaitez ajouter des projets supplémentaires ou continuer à personnaliser les feuilles de calcul, consultez les pages de modèle que nous avons compilées pour vous ci-dessous. Chaque fiche de travail peut être copiée et adaptée à vos projets ou à vos étudiants!



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