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Design Sperimentale

Insegnare Agli Studenti il ​​Design of Experiments

Per Oliver Smith

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La scienza è una miscela di conoscenze e abilità accumulate storicamente. Queste competenze pratiche vanno dalla soluzione dei problemi all'analisi dei dati; sono di ampia portata e possono essere applicati frequentemente al di fuori della classe. L'insegnamento di queste abilità è una parte molto importante dell'educazione scientifica, ma è spesso trascurato dall'insegnamento del contenuto. Come educatori scientifici, abbiamo visto tutti i benefici degli studenti che svolgono un lavoro pratico sul coinvolgimento e la comprensione. Tuttavia, con i vincoli temporali posti nel curriculum, il tempo necessario agli studenti per sviluppare queste capacità investigative può essere spremuto. Troppo spesso diamo agli studenti una "ricetta" da seguire, che non consente agli studenti di prendere possesso del loro lavoro pratico. Gli studenti fin da piccoli iniziano a pensare al mondo che li circonda. Fanno domande e poi usano osservazioni e prove per rispondere. Gli studenti tendono ad avere domande intelligenti, interessanti e verificabili che amano chiedere. Noi come educatori dovremmo lavorare per incoraggiare queste domande e, a sua volta, nutrire questa curiosità naturale nel mondo che li circonda.

Insegnare la progettazione di esperimenti e permettere agli studenti di sviluppare le proprie domande e ipotesi richiede tempo. Questi materiali sono stati creati per impalcare e strutturare il processo per consentire agli insegnanti di concentrarsi sul miglioramento delle idee chiave nel design sperimentale. Permettere agli studenti di porre le proprie domande, scrivere le proprie ipotesi, pianificare e svolgere le proprie indagini è un'esperienza preziosa per i tuoi studenti. Ciò porterà gli studenti ad avere più proprietà del loro lavoro. Quando gli studenti eseguono il metodo sperimentale per le proprie domande, riflettono su come gli scienziati hanno storicamente capito come funziona l'universo.


Experimental Design
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Design an Experiment  

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Processo di progettazione sperimentale

1. Domanda

Questa è una parte fondamentale del metodo scientifico e del processo di progettazione sperimentale. Gli studenti si divertono a fare domande. Formulare domande è un'attività profonda e significativa che può dare agli studenti la proprietà sul loro lavoro. Un ottimo modo per convincere gli studenti a pensare di visualizzare le loro domande è usare uno storyboard della mappa mentale.







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Chiedi agli studenti di pensare a qualsiasi domanda a cui vogliono rispondere sull'universo o indurli a pensare alle domande che hanno su un particolare argomento. Tutte le domande sono buone domande, ma alcune sono più facili da testare quelle degli altri.


2. Ipotesi

Un'ipotesi è nota come ipotesi plausibile. Un'ipotesi dovrebbe essere una dichiarazione che può essere testata scientificamente. Alla fine dell'esperimento, guarda indietro per vedere se la conclusione supporta l'ipotesi o no. Formare buone ipotesi può essere difficile da comprendere per gli studenti. È importante ricordare che l' ipotesi non è una domanda, è un'affermazione testabile .

Un modo per formulare un'ipotesi è formarlo come una dichiarazione "se ... allora ...". Questo certamente non è l'unico o il modo migliore per formulare un'ipotesi, ma può essere una formula molto semplice da usare per gli studenti al momento del primo avvio. Una dichiarazione "se ... allora ..." richiede agli studenti di identificare prima le variabili, e questo può cambiare l'ordine in cui completano le fasi dell'organizzatore visivo.

Dopo aver identificato le variabili, l'ipotesi assume la forma se [cambia in variabile indipendente], quindi [modifica in variabile dipendente]. Ad esempio, se un esperimento stava cercando l'effetto della caffeina sul tempo di reazione, la variabile indipendente sarebbe la quantità di caffeina e la variabile dipendente sarebbe il tempo di reazione. L'ipotesi "if, then" potrebbe essere: se aumenti la quantità di caffeina assunta, allora il tempo di reazione diminuirà.


3. Spiegazione dell'ipotesi

Cosa ti ha portato a questa ipotesi? Qual è lo sfondo scientifico dietro la tua ipotesi? A seconda dell'età e delle abilità, gli studenti usano le loro conoscenze pregresse per spiegare perché hanno scelto le loro ipotesi o, in alternativa, per la ricerca usando libri o Internet. Questo potrebbe anche essere un buon momento per discutere con gli studenti che cos'è una fonte affidabile.


4. Previsione

La previsione è leggermente diversa dall'ipotesi. Un'ipotesi è un'affermazione testabile, mentre la previsione è più specifica dell'esperimento. Nella scoperta della struttura del DNA, l'ipotesi ha proposto che il DNA abbia una struttura elicoidale. La previsione era che il modello di diffrazione dei raggi X del DNA sarebbe una forma a X.


5. Identificazione delle variabili

Di seguito è riportato un esempio di uno storyboard di discussione che può essere utilizzato per convincere i tuoi studenti a parlare di variabili nella progettazione sperimentale.


Discussion Storyboard - Experimental Design
Discussion Storyboard - Experimental Design

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I tre tipi di variabili che dovrai discutere con i tuoi studenti sono variabili dipendenti, indipendenti e controllate . Per mantenere questo semplice, fai riferimento a questi come "ciò che stai per misurare", "ciò che cambierai" e "ciò che manterrai uguale". Con studenti più avanzati dovresti incoraggiarli a usare il vocabolario corretto.

Le variabili dipendenti sono ciò che viene misurato o osservato dallo scienziato. Queste misurazioni verranno spesso ripetute perché le misurazioni ripetute rendono i dati più affidabili.

La variabile indipendente è una variabile che gli scienziati decidono di cambiare per vedere quale effetto ha sulla variabile dipendente. Viene scelto solo uno perché sarebbe difficile capire quale variabile stia causando qualsiasi modifica osservata.

Le variabili controllate sono quantità o fattori che gli scienziati vogliono rimanere gli stessi durante l'esperimento. Sono controllati per rimanere costanti, in modo da non influenzare la variabile dipendente. Il controllo di questi consente agli scienziati di vedere come la variabile indipendente influisce sulla variabile dipendente.

Utilizza questo esempio di seguito nelle tue lezioni o elimina le risposte e impostalo come attività da completare per gli studenti su Storyboard That.

Come la temperatura influisce sulla quantità di zucchero che può essere sciolta in acqua
Variabile indipendente Temperatura dell'acqua
(Portare 5 campioni diversi a 10 ° C, 20 ° C, 30 ° C, 40 ° C e 50 ° C)
Variabile dipendente La quantità di zucchero che può essere sciolta nell'acqua, misurata in cucchiaini.
Variabili controllate
  • Volume d'acqua (500 mL - misurato usando un cilindro graduato)
  • Tipo di acqua (prelevare l'acqua dallo stesso rubinetto)
  • Se l'acqua è mescolata o no
  • Tipo di zucchero
  • Granulometria dello zucchero


Identifying Variables
Identifying Variables

Esempio

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6. Valutazione del rischio

Alla fine, questo deve essere firmato da un adulto responsabile, ma è importante che gli studenti pensino a come proteggersi. In questa parte, gli studenti dovrebbero identificare i potenziali rischi e quindi spiegare come stanno andando a minimizzare il rischio. Un'attività per aiutare gli studenti a sviluppare queste abilità è quella di indurli a identificare e gestire i rischi in diverse situazioni. Usando lo storyboard qui sotto, chiedi agli studenti di completare la seconda colonna del T-chart dicendo "Che cos'è il rischio?", Quindi spiegando come potrebbero gestire quel rischio. Questo storyboard potrebbe anche essere proiettato per una discussione di classe.


Risk Assessment
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7. Materiali

In questa sezione, gli studenti elencheranno i materiali di cui hanno bisogno per gli esperimenti, incluse tutte le attrezzature di sicurezza che hanno evidenziato come necessarie nella sezione di valutazione del rischio. È un ottimo momento per parlare agli studenti sulla scelta di strumenti adatti al lavoro. Utilizzerai uno strumento diverso per misurare la larghezza di un capello piuttosto che misurare la larghezza di un campo da calcio!


8. Piano generale e diagramma

È importante parlare agli studenti della riproducibilità. Dovrebbero scrivere una procedura che permetta al loro metodo sperimentale di essere riprodotto facilmente da un altro scienziato. Il modo più semplice e conciso per farlo è creare un elenco numerato di istruzioni. Un'attività utile qui potrebbe essere quella di convincere gli studenti a spiegare come preparare una tazza di tè o un panino. Attua il processo, sottolineando tutti i passaggi che hanno perso.

Per gli studenti di lingua inglese e gli studenti che hanno difficoltà con l'inglese scritto, gli studenti possono descrivere visivamente i passaggi del loro esperimento utilizzando Storyboard That.

Non tutti gli esperimenti avranno bisogno di un diagramma, ma alcuni piani saranno notevolmente migliorati includendone uno. Chiedi agli studenti di concentrarsi sulla produzione di diagrammi chiari e di facile comprensione.


9. Esegui l'esperimento

Gli studenti seguono quindi il loro piano ed eseguono l'esperimento. È importante che gli studenti raccolgano i loro risultati in modo significativo e facilmente comprensibile. I dati sono spesso registrati in una tabella, ma potrebbero anche essere fatti con fotografie, disegni di osservazioni o una combinazione. Potrebbe essere utile che gli studenti annotino le difficoltà e i problemi che hanno avuto durante lo svolgimento dell'esperimento. Questo potrebbe aiutare in seguito a valutare il loro metodo sperimentale.


È importante ricordare che qualsiasi esperimento di progettazione degli studenti dovrebbe essere valutato accuratamente dal rischio da parte dell'adulto responsabile prima di consentire a qualsiasi studente di svolgere il proprio lavoro pratico.


Dopo aver completato la procedura dell'esperimento, gli studenti analizzano i dati, traggono conclusioni e condividono i loro risultati. A seconda del livello dello studente, questo potrebbe essere un rapporto di laboratorio formale, grafici, discussioni in classe o altro.


Esempi completati







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Risorse ed esempi

Usare gli organizzatori visivi è un modo efficace per far lavorare gli studenti come scienziati in classe.

Ci sono molti modi per usare questi strumenti di pianificazione investigativa per impalcare e strutturare il lavoro degli studenti mentre lavorano come scienziati. Gli studenti possono completare la pianificazione su Storyboard That utilizzando le caselle di testo e i diagrammi oppure puoi stamparli e farli completare a mano dagli studenti. Un altro ottimo modo per utilizzarli è progettare il foglio di pianificazione su una lavagna interattiva e lavorare su come completare i materiali di pianificazione come gruppo. Proiettalo su uno schermo e chiedi agli studenti di scrivere le loro risposte su bigliettini e inserire le loro idee nella sezione corretta del documento di pianificazione.

Gli studenti molto giovani possono ancora iniziare a pensare come scienziati! Hanno un sacco di domande sul mondo che li circonda e puoi iniziare a prenderne nota in una mappa mentale. A volte puoi persino iniziare a "investigare" queste domande attraverso il gioco.

La risorsa di base è pensata per studenti o studenti elementari che hanno bisogno di maggiore supporto. È progettato per seguire esattamente lo stesso processo delle risorse più elevate, ma reso leggermente più semplice. La differenza fondamentale tra le due risorse sono i dettagli a cui gli studenti devono riflettere e il vocabolario tecnico utilizzato. Ad esempio, è importante che gli studenti identifichino le variabili quando stanno progettando le loro indagini. Nella versione più alta, gli studenti non devono solo identificare le variabili, ma anche fare altri commenti, come ad esempio come misurare la variabile dipendente. Oltre alla differenza di impalcatura tra i due livelli di risorse, potresti voler differenziare ulteriormente il modo in cui gli studenti sono supportati da insegnanti e assistenti nella stanza.

Gli studenti potrebbero anche essere incoraggiati a rendere il loro piano sperimentale più facile da capire usando la grafica, e questo potrebbe anche essere usato per supportare gli ELL.







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Valutazione

Gli studenti devono essere valutati in base alle loro capacità di indagine scientifica e alla valutazione delle loro conoscenze. Ciò consentirà non solo agli studenti di concentrarsi sullo sviluppo delle loro competenze, ma permetterà anche a loro di utilizzare le loro informazioni di valutazione in modo strutturato per aiutarli a migliorare le loro abilità scientifiche. Usando Quick Rubric , un quadro di valutazione semplice e veloce può essere creato e condiviso con gli studenti in modo che sappiano come avere successo in ogni fase. Oltre a fornire una valutazione formativa che guiderà l'apprendimento, questo può anche essere usato per valutare il lavoro degli studenti alla fine di un'indagine e fissare obiettivi per quando tenteranno di pianificare la propria indagine. Le rubriche sono state scritte in modo da consentire agli studenti di accedervi facilmente. In questo modo possono essere condivisi con gli studenti mentre stanno lavorando attraverso il processo di pianificazione in modo che gli studenti sappiano a cosa assomiglia un buon progetto sperimentale.




Risorse stampabili

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Fogli di lavoro aggiuntivi

Se stai cercando di aggiungere altri progetti o continuare a personalizzare i fogli di lavoro, dai un'occhiata a diverse pagine di modelli che abbiamo compilato per te qui sotto. Ogni foglio di lavoro può essere copiato e adattato ai tuoi progetti o studenti!



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