Projektowanie eksperymentów jest kluczową metodą stosowaną w przedmiotach takich jak biologia, chemia, fizyka, psychologia i nauki społeczne. Pomaga nam zrozumieć, jak różne czynniki wpływają na to, co badamy, niezależnie od tego, czy są to rośliny, chemikalia, prawa fizyczne, ludzkie zachowanie czy funkcjonowanie społeczeństwa. Zasadniczo jest to sposób na skonfigurowanie eksperymentów, abyśmy mogli przetestować pomysły, zobaczyć, co się stanie i nadać sens naszym wynikom. Jest to niezwykle ważne dla studentów i badaczy, którzy chcą odpowiedzieć na ważne pytania naukowe i lepiej zrozumieć świat. Umiejętności projektowania eksperymentalnego można zastosować w różnych sytuacjach, od rozwiązywania problemów po analizę danych; mają one szeroki zasięg i często można je stosować poza salą lekcyjną. Nauczanie tych umiejętności jest bardzo ważną częścią nauczania przedmiotów ścisłych i przyrodniczych, ale często jest pomijane, gdy koncentrujemy się na nauczaniu treści. Jako nauczyciele przedmiotów ścisłych wszyscy widzieliśmy korzyści, jakie praktyczna praca przynosi dla zaangażowania i zrozumienia uczniów. Jednakże ze względu na ograniczenia czasowe nałożone na program nauczania czas potrzebny studentom na opracowanie projektów badań eksperymentalnych i umiejętności badawczych może zostać ograniczony. Zbyt często dostają „przepis” do wykonania, który nie pozwala im przejąć odpowiedzialności za swoją praktyczną pracę. Już od najmłodszych lat zaczynają myśleć o otaczającym ich świecie. Zadają pytania, a następnie wykorzystują obserwacje i dowody, aby na nie odpowiedzieć. Uczniowie mają zazwyczaj inteligentne, interesujące i sprawdzalne pytania, które uwielbiają zadawać. Jako pedagodzy powinniśmy pracować nad zachęcaniem do zadawania takich pytań, a co za tym idzie, pielęgnowaniem naturalnej ciekawości otaczającego ich świata.
Nauczanie projektowania eksperymentów i pozwalanie uczniom na formułowanie własnych pytań i hipotez wymaga czasu. Materiały te stworzono w celu ustrukturyzowania i ustrukturyzowania procesu, aby umożliwić nauczycielom skupienie się na ulepszaniu kluczowych pomysłów w projektowaniu eksperymentów. Umożliwienie uczniom zadawania własnych pytań, stawiania własnych hipotez, planowania i przeprowadzania własnych badań jest dla nich cennym doświadczeniem. Dzięki temu uczniowie będą mieli większą odpowiedzialność za swoją pracę. Kiedy uczniowie stosują metodę eksperymentalną w odpowiedzi na własne pytania, zastanawiają się nad historycznym sposobem, w jaki naukowcy doszli do zrozumienia, jak działa wszechświat.
Przyjrzyj się poniższym stronom i szablonom arkuszy do druku!
Wyruszenie w podróż odkryć naukowych rozpoczyna się od opanowania etapów projektowania eksperymentalnego. Ten podstawowy proces jest niezbędny do formułowania eksperymentów, które dają wiarygodne i wnikliwe wyniki, prowadząc badaczy i studentów przez szczegółowe planowanie, projektowanie badań eksperymentalnych i realizację badań. Wykorzystując szablon projektu eksperymentu, uczestnicy mogą zapewnić integralność i ważność swoich ustaleń. Niezależnie od tego, czy chodzi o projektowanie eksperymentu naukowego, czy o angażowanie się w działania związane z projektowaniem eksperymentów, celem jest pogłębienie zrozumienia podstaw: Jak należy projektować eksperymenty? Jakie jest 7 etapów projektowania eksperymentalnego? Jak zaprojektować własny eksperyment?
Jest to eksploracja siedmiu kluczowych etapów metod eksperymentalnych, pomysłów na projekty eksperymentów i sposobów integracji projektowania eksperymentów. Projekty studenckie mogą w dużym stopniu skorzystać z dodatkowych arkuszy ćwiczeń, a my zapewnimy również zasoby, takie jak arkusze ćwiczeń, których celem jest skuteczne nauczanie projektowania eksperymentalnego. Przyjrzyjmy się zasadniczym etapom leżącym u podstaw procesu projektowania eksperymentu, wyposażając uczniów w narzędzia umożliwiające odkrywanie ich naukowej ciekawości.
Jest to kluczowa część metody naukowej i procesu projektowania eksperymentu. Uczniowie chętnie zadają pytania. Formułowanie pytań to dogłębna i znacząca czynność, która może dać uczniom poczucie odpowiedzialności za swoją pracę. Świetnym sposobem na nakłonienie uczniów do zastanowienia się nad tym, jak zwizualizować swoje pytanie badawcze, jest użycie scenorysu z mapą myśli.
Poproś uczniów, aby zastanowili się nad pytaniami, na które chcą odpowiedzieć na temat wszechświata, lub poproś ich, aby zastanowili się nad pytaniami, które mają na określony temat. Wszystkie pytania są dobre, ale niektóre są łatwiejsze do przetestowania niż inne.
Hipoteza nazywana jest wyuczonym przypuszczeniem. Hipoteza powinna być stwierdzeniem, które można sprawdzić naukowo. Na koniec eksperymentu spójrz wstecz, aby sprawdzić, czy wniosek potwierdza hipotezę, czy nie.
Tworzenie dobrych hipotez może być dla uczniów trudne do zrozumienia. Należy pamiętać, że hipoteza nie jest pytaniem badawczym, lecz stwierdzeniem, które można sprawdzić . Jednym ze sposobów formułowania hipotezy jest sformułowanie jej w formie stwierdzenia „jeśli… to…”. Z pewnością nie jest to jedyny ani najlepszy sposób na sformułowanie hipotezy, ale może być bardzo łatwym wzorem do wykorzystania przez uczniów, gdy zaczynają.
Stwierdzenie „jeśli… to…” wymaga od uczniów zidentyfikowania najpierw zmiennych, co może zmienić kolejność, w jakiej realizują etapy organizatora wizualnego. Po zidentyfikowaniu zmiennych zależnych i niezależnych hipoteza przyjmuje postać jeżeli [zmiana zmiennej niezależnej], to [zmiana zmiennej zależnej].
Na przykład, jeśli w eksperymencie szukano wpływu kofeiny na czas reakcji, zmienną niezależną byłaby ilość kofeiny, a zmienną zależną byłby czas reakcji. Hipoteza „jeśli, to” mogłaby brzmieć: jeśli zwiększysz ilość przyjmowanej kofeiny, czas reakcji ulegnie skróceniu.
Co doprowadziło Cię do tej hipotezy? Jakie jest podłoże naukowe Twojej hipotezy? W zależności od wieku i umiejętności uczniowie wykorzystują swoją wcześniejszą wiedzę, aby wyjaśnić, dlaczego wybrali swoje hipotezy, lub alternatywnie, szukają informacji, korzystając z książek lub Internetu. Może to być również dobry moment, aby omówić z uczniami, czym jest wiarygodne źródło.
Na przykład uczniowie mogą odwoływać się do wcześniejszych badań wykazujących wpływ kofeiny na czujność, aby wyjaśnić, dlaczego stawiają hipotezę, że spożycie kofeiny skróci czas reakcji.
Przewidywania różnią się nieco od hipotezy. Hipoteza to stwierdzenie, które można przetestować, podczas gdy przewidywanie jest bardziej specyficzne dla eksperymentu. Podczas odkrycia struktury DNA wysunięto hipotezę, że DNA ma strukturę helikalną. Przewidywano, że wzór dyfrakcji promieni rentgenowskich DNA będzie miał kształt X.
Uczniowie powinni sformułować prognozę będącą konkretnym, mierzalnym wynikiem w oparciu o postawioną przez siebie hipotezę. Zamiast po prostu stwierdzać, że „kofeina skróci czas reakcji”, uczniowie mogą przewidzieć, że „wypicie 2 puszek napoju gazowanego (90 mg kofeiny) skróci średni czas reakcji o 50 milisekund w porównaniu do picia bez kofeiny”.
Poniżej znajduje się przykład scenorysu dyskusyjnego, którego można użyć, aby zachęcić uczniów do dyskusji na temat zmiennych w projektowaniu eksperymentu.
Trzy typy zmiennych, które będziesz musiał omówić ze swoimi uczniami, to zmienne zależne, niezależne i kontrolowane . Aby to uprościć, nazywaj je „co będziesz mierzyć”, „co zmienisz” i „co zamierzasz zachować bez zmian”. W przypadku bardziej zaawansowanych uczniów należy zachęcać ich do używania prawidłowego słownictwa.
Zmienne zależne to to, co mierzy lub obserwuje naukowiec. Pomiary te będą często powtarzane, ponieważ powtarzanie pomiarów zwiększa wiarygodność danych.
Zmienne niezależne to zmienne, które naukowcy decydują się zmienić, aby zobaczyć, jaki wpływ ma to na zmienną zależną. Wybiera się tylko jedną, ponieważ trudno byłoby ustalić, która zmienna powoduje zaobserwowaną zmianę.
Zmienne kontrolowane to wielkości lub czynniki, które naukowcy chcą zachować bez zmian przez cały czas trwania eksperymentu. Są kontrolowane tak, aby pozostały stałe, aby nie wpływać na zmienną zależną. Kontrolowanie ich pozwala naukowcom zobaczyć, jak zmienna niezależna wpływa na zmienną zależną w grupie eksperymentalnej.
Użyj tego przykładu poniżej na swoich lekcjach lub usuń odpowiedzi i ustaw je jako ćwiczenie do wykonania przez uczniów w Storyboard That.
| Jak temperatura wpływa na ilość cukru rozpuszczalnego w wodzie | |
|---|---|
| Niezależna zmienna | Temperatura wody
(Zakres 5 różnych próbek w temperaturach 10°C, 20°C, 30°C, 40°C i 50°C) |
| Zmienna zależna | Ilość cukru, którą można rozpuścić w wodzie, mierzona w łyżeczkach do herbaty. |
| Zmienne kontrolowane |
|
Ostatecznie musi to podpisać odpowiedzialna osoba dorosła, ale ważne jest, aby uczniowie zastanowili się, w jaki sposób zapewnią sobie bezpieczeństwo. W tej części uczniowie powinni zidentyfikować potencjalne ryzyko, a następnie wyjaśnić, w jaki sposób zamierzają zminimalizować ryzyko. Zadaniem pomagającym uczniom rozwinąć te umiejętności jest nakłonienie ich do identyfikowania ryzyka i zarządzania nim w różnych sytuacjach. Korzystając z poniższej scenorysu, poproś uczniów, aby wypełnili drugą kolumnę wykresu T, pytając: „Co to jest ryzyko?”, a następnie wyjaśniając, w jaki sposób mogą zarządzać tym ryzykiem. Ten scenorys można również wyświetlić do dyskusji w klasie.
W tej części uczniowie wypiszą listę materiałów potrzebnych do przeprowadzenia eksperymentów, w tym wszelki sprzęt zabezpieczający, który wskazali jako potrzebny w części dotyczącej oceny ryzyka. To świetna okazja, aby porozmawiać ze studentami na temat wyboru narzędzi odpowiednich do wykonywanej pracy. Do pomiaru szerokości włosów użyjesz innego narzędzia niż do pomiaru szerokości boiska do piłki nożnej!
Ważne jest, aby porozmawiać z uczniami na temat odtwarzalności. Powinni napisać procedurę, która umożliwiłaby łatwe odtworzenie ich metody eksperymentalnej przez innego naukowca. Najłatwiejszym i najbardziej zwięzłym sposobem, w jaki uczniowie mogą to zrobić, jest sporządzenie numerowanej listy instrukcji. Przydatnym zajęciem może być poproszenie uczniów o wyjaśnienie, jak przygotować filiżankę herbaty lub kanapkę. Odegraj cały proces, wskazując kroki, które pominęli.
W przypadku osób uczących się języka angielskiego i uczniów, którzy mają problemy z pisanym językiem angielskim, uczniowie mogą wizualnie opisać etapy eksperymentu za pomocą Storyboard That.
Nie każdy eksperyment będzie potrzebował diagramu, ale niektóre plany zostaną znacznie ulepszone, jeśli dołączysz go. Niech uczniowie skupią się na tworzeniu jasnych i łatwych do zrozumienia diagramów ilustrujących grupę eksperymentalną.
Na przykład procedura badania wpływu światła słonecznego na wzrost roślin z wykorzystaniem całkowicie losowego projektu może zawierać szczegółowe informacje:
Po zatwierdzeniu procedury uczniowie powinni dokładnie przeprowadzić zaplanowany eksperyment, postępując zgodnie z pisemnymi instrukcjami. W miarę gromadzenia danych uczniowie powinni porządkować surowe wyniki w formie tabel, wykresów, zdjęć lub rysunków. Tworzy to przejrzystą dokumentację do analizy trendów.
Niektóre najlepsze praktyki w zakresie gromadzenia danych obejmują:
Na przykład w eksperymencie dotyczącym wzrostu roślin uczniowie mogą zarejestrować:
| Grupa | Światło słoneczne | Światło słoneczne | Światło słoneczne | Cień | Cień |
|---|---|---|---|---|---|
| Identyfikator rośliny | 1 | 2 | 3 | 1 | 2 |
| Wysokość początkowa | 5cm | 4cm | 5cm | 6cm | 4cm |
| Wysokość końcowa | 18cm | 17cm | 19cm | 9cm | 8cm |
Opisywaliby także obserwacje, takie jak zmiana koloru liści lub wyginanie kierunkowe, wizualnie lub pisemnie.
Bardzo ważne jest, aby uczniowie ćwiczyli bezpieczne procedury naukowe. Do eksperymentowania wymagany jest nadzór osoby dorosłej oraz właściwa ocena ryzyka.
Dobrze udokumentowane gromadzenie danych pozwala na głębszą analizę po zakończeniu eksperymentu w celu ustalenia, czy hipotezy i przewidywania potwierdziły się.
Korzystanie z organizatorów wizualnych to skuteczny sposób, aby zachęcić uczniów do pracy w klasie jako naukowcy.
Istnieje wiele sposobów wykorzystania narzędzi do planowania badań do tworzenia szkieletów i strukturyzacji pracy uczniów podczas ich pracy naukowej. Uczniowie mogą ukończyć etap planowania w Storyboard That korzystając z pól tekstowych i diagramów, lub możesz je wydrukować i poprosić uczniów o ich ręczne uzupełnienie. Innym świetnym sposobem na ich wykorzystanie jest wyświetlenie arkusza planowania na tablicy interaktywnej i wspólne zastanowienie się, jak uzupełnić materiały dotyczące planowania. Wyświetl go na ekranie i poproś uczniów, aby zapisali swoje odpowiedzi na karteczkach samoprzylepnych i umieścili swoje pomysły we właściwej części dokumentu dotyczącego planowania.
Bardzo młodzi uczniowie mogą jeszcze zacząć myśleć jak naukowcy! Mają mnóstwo pytań na temat otaczającego ich świata i możesz zacząć je zapisywać na mapie myśli. Czasami możesz nawet zacząć „badać” te pytania poprzez zabawę.
Zasoby fundacji są przeznaczone dla uczniów szkół podstawowych lub studentów potrzebujących większego wsparcia. Został zaprojektowany tak, aby przebiegał dokładnie według tego samego procesu, co wyższe zasoby, ale jest nieco łatwiejszy. Kluczową różnicą między tymi dwoma zasobami są szczegóły, nad którymi uczniowie muszą się zastanowić, oraz użyte słownictwo techniczne. Na przykład ważne jest, aby uczniowie podczas projektowania swoich badań identyfikowali zmienne. W wyższej wersji uczniowie muszą nie tylko zidentyfikować zmienne, ale także zgłosić inne uwagi, na przykład dotyczące sposobu pomiaru zmiennej zależnej lub wykorzystania całkowicie losowego projektu. Oprócz różnicy w rusztowaniu pomiędzy dwoma poziomami zasobów, możesz chcieć jeszcze bardziej rozróżnić sposób, w jaki uczniowie są wspierani przez nauczycieli i asystentów w klasie.
Można także zachęcać uczniów, aby ułatwiali zrozumienie planu eksperymentu za pomocą grafiki, co można również wykorzystać do wspierania ELL.
Oprócz oceny wiedzy należy oceniać uczniów pod kątem umiejętności badania przedmiotów ścisłych. Pozwoli to uczniom nie tylko skoncentrować się na rozwijaniu swoich umiejętności, ale także pozwoli im wykorzystać informacje uzyskane na podstawie ocen w sposób, który pomoże im doskonalić umiejętności naukowe. Korzystając z Quick Rubric , możesz stworzyć szybki i łatwy schemat oceniania i udostępnić go uczniom, aby wiedzieli, jak odnieść sukces na każdym etapie. Oprócz zapewniania oceniania kształtującego, które będzie motorem uczenia się, można je również wykorzystać do oceny pracy uczniów na koniec śledztwa i ustalenia celów na następną próbę zaplanowania własnego śledztwa. Rubryki zostały napisane w taki sposób, aby umożliwić studentom łatwy dostęp do nich. W ten sposób można je udostępniać uczniom podczas pracy nad procesem planowania, aby uczniowie wiedzieli, jak wygląda dobry projekt eksperymentu.
Jeśli chcesz dodać dodatkowe projekty lub nadal dostosowywać arkusze, przejrzyj kilka stron z szablonami, które dla Ciebie przygotowaliśmy poniżej. Każdy arkusz można skopiować i dostosować do swoich projektów lub uczniów! Można także zachęcać uczniów do tworzenia własnych, jeśli chcą uporządkować informacje w łatwy do zrozumienia sposób.
Typowe narzędzia i techniki projektowania eksperymentów, z których mogą korzystać uczniowie, obejmują losowe przydzielanie, grupy kontrolne, zaślepianie, replikację i analizę statystyczną. Studenci mogą również korzystać z badań obserwacyjnych, ankiet i eksperymentów z projektami naturalnymi lub quasi-eksperymentalnymi. Mogą również korzystać z narzędzi do wizualizacji danych w celu analizy i prezentacji wyników.
Projekt eksperymentalny pomaga uczniom rozwijać umiejętności krytycznego myślenia, zachęcając ich do systematycznego i logicznego myślenia o problemach naukowych. Wymaga od uczniów analizy danych, identyfikowania wzorców i wyciągania wniosków na podstawie dowodów. Pomaga również uczniom rozwijać umiejętności rozwiązywania problemów, zapewniając możliwości projektowania i przeprowadzania eksperymentów w celu sprawdzenia hipotez.
Projekt eksperymentalny może być wykorzystany do rozwiązywania rzeczywistych problemów poprzez identyfikację zmiennych, które przyczyniają się do konkretnego problemu i testowanie interwencji, aby sprawdzić, czy są one skuteczne w rozwiązywaniu problemu. Na przykład projekt eksperymentalny może być wykorzystany do testowania skuteczności nowych metod leczenia lub do oceny wpływu interwencji społecznych na zmniejszenie ubóstwa lub poprawę wyników edukacyjnych.
Typowe pułapki podczas projektowania eksperymentów, których studenci powinni unikać, obejmują brak kontroli zmiennych, stosowanie stronniczych próbek, poleganie na anegdotycznych dowodach i brak dokładnego pomiaru zmiennych zależnych. Studenci powinni również być świadomi kwestii etycznych podczas przeprowadzania eksperymentów, takich jak uzyskiwanie świadomej zgody i ochrona prywatności uczestników badań.