Experimentálny dizajn je kľúčová metóda používaná v predmetoch ako biológia, chémia, fyzika, psychológia a spoločenské vedy. Pomáha nám zistiť, ako rôzne faktory ovplyvňujú to, čo študujeme, či už ide o rastliny, chemikálie, fyzikálne zákony, ľudské správanie alebo fungovanie spoločnosti. V podstate je to spôsob, ako nastaviť experimenty, aby sme mohli testovať nápady, sledovať, čo sa stane, a pochopiť naše výsledky. Je to mimoriadne dôležité pre študentov a výskumníkov, ktorí chcú odpovedať na dôležité otázky vo vede a lepšie pochopiť svet. Zručnosti experimentálneho dizajnu sa dajú uplatniť v situáciách od riešenia problémov až po analýzu údajov; majú široký dosah a často sa dajú uplatniť aj mimo triedy. Výučba týchto zručností je veľmi dôležitou súčasťou vedeckého vzdelávania, ale často sa prehliada, keď sa zameriava na výučbu obsahu. Ako pedagógovia prírodných vied sme všetci videli výhody, ktoré praktická práca prináša pre zapojenie a porozumenie študentov. Avšak s časovými obmedzeniami v učebných osnovách sa čas potrebný na to, aby študenti rozvíjali tieto zručnosti v oblasti experimentálneho výskumu a vyšetrovania, môže vyčerpať. Príliš často dostávajú „recept“, ktorý musia dodržiavať, čo im neumožňuje prevziať zodpovednosť za svoju praktickú prácu. Už od útleho veku začínajú premýšľať o svete okolo seba. Kladú si otázky a potom na ne používajú pozorovania a dôkazy, aby na ne odpovedali. Študenti majú tendenciu klásť inteligentné, zaujímavé a overiteľné otázky, ktoré radi kladú. Ako pedagógovia by sme sa mali snažiť podporovať tieto otázky a následne rozvíjať túto prirodzenú zvedavosť o svete okolo nich.
Výučba návrhu experimentov a umožnenie študentom rozvíjať si vlastné otázky a hypotézy si vyžaduje čas. Tieto materiály boli vytvorené s cieľom podporiť a štruktúrovať proces, aby sa učitelia mohli sústrediť na zlepšenie kľúčových myšlienok v návrhu experimentov. Umožniť študentom klásť si vlastné otázky, písať si vlastné hypotézy a plánovať a vykonávať vlastné výskumy je pre nich cennou skúsenosťou. To povedie k tomu, že študenti budú mať väčšiu zodpovednosť za svoju prácu. Keď študenti aplikujú experimentálnu metódu na svoje vlastné otázky, zamýšľajú sa nad tým, ako vedci historicky chápali fungovanie vesmíru.
(Spustí sa 2-týždňová bezplatná skúšobná skúška - nie je potrebná kreditná karta)
Pozrite si nižšie uvedené stránky a šablóny pracovných listov vhodné na tlač!
Vydanie sa na cestu vedeckého objavovania začína zvládnutím krokov experimentálneho návrhu. Tento základný proces je nevyhnutný pre formulovanie experimentov, ktoré prinášajú spoľahlivé a prehľadné výsledky, a sprevádza výskumníkov aj študentov podrobným plánovaním, návrhom experimentálneho výskumu a realizáciou ich štúdií. Využitím šablóny experimentálneho návrhu si účastníci môžu zabezpečiť integritu a platnosť svojich zistení. Či už ide o navrhovanie vedeckého experimentu alebo zapojenie sa do aktivít experimentálneho návrhu, cieľom je podporiť hlboké pochopenie základných princípov: Ako by mali byť experimenty navrhované? Akých je 7 krokov experimentálneho návrhu? Ako si môžete navrhnúť vlastný experiment?
Toto je preskúmanie siedmich kľúčových krokov experimentálnej metódy, nápadov na návrh experimentov a spôsobov integrácie návrhu experimentov. Študentské projekty môžu výrazne profitovať z doplnkových pracovných listov a poskytneme aj zdroje, ako sú pracovné listy zamerané na efektívnu výučbu návrhu experimentov. Poďme sa ponoriť do základných fáz, ktoré sú základom procesu navrhovania experimentu, a vybaviť študentov nástrojmi na preskúmanie ich vedeckej zvedavosti.
Toto je kľúčová súčasť vedeckej metódy a procesu návrhu experimentu. Študenti si radi vymýšľajú otázky. Formulovanie otázok je hlboká a zmysluplná aktivita, ktorá môže študentom dať zodpovednosť za ich prácu. Skvelým spôsobom, ako prinútiť študentov premýšľať o tom, ako si vizualizovať svoju výskumnú otázku, je použitie myšlienkovej mapy v podobe storyboardu.
(Spustí sa 2-týždňová bezplatná skúšobná skúška - nie je potrebná kreditná karta)
(Spustí sa 2-týždňová bezplatná skúšobná skúška - nie je potrebná kreditná karta)
(Spustí sa 2-týždňová bezplatná skúšobná skúška - nie je potrebná kreditná karta)
Požiadajte študentov, aby premýšľali o akýchkoľvek otázkach o vesmíre, na ktoré chcú odpovedať, alebo ich požiadajte, aby premýšľali o otázkach, ktoré majú o konkrétnej téme. Všetky otázky sú dobré otázky, ale niektoré sa ľahšie testujú ako iné.
Hypotéza je známa ako podložený odhad. Hypotéza by mala byť tvrdenie, ktoré sa dá vedecky overiť. Na konci experimentu sa spätne pozrite, či záver hypotézu podporuje alebo nie.
Formulovanie dobrých hypotéz môže byť pre študentov náročné na pochopenie. Je dôležité pamätať na to, že hypotéza nie je výskumná otázka, ale overiteľné tvrdenie . Jedným zo spôsobov, ako formulovať hypotézu, je formulovať ju ako tvrdenie „ak... potom...“. Toto určite nie je jediný ani najlepší spôsob, ako formulovať hypotézu, ale môže to byť veľmi jednoduchý vzorec, ktorý môžu študenti použiť na začiatku.
Príkaz „ak... potom...“ vyžaduje, aby študenti najprv identifikovali premenné, čo môže zmeniť poradie, v akom dokončia fázy vizuálneho organizéra. Po identifikácii závislých a nezávislých premenných hypotéza nadobudne tvar ak [zmena nezávislej premennej], potom [zmena závislej premennej].
Napríklad, ak by experiment skúmal vplyv kofeínu na reakčný čas, nezávislou premennou by bolo množstvo kofeínu a závislou premennou by bol reakčný čas. Hypotéza „ak, potom“ by mohla zneť: Ak zvýšite množstvo prijatého kofeínu, reakčný čas sa skráti.
Čo vás viedlo k tejto hypotéze? Aké je vedecké pozadie vašej hypotézy? V závislosti od veku a schopností študenti použijú svoje predchádzajúce vedomosti na vysvetlenie, prečo si zvolili svoje hypotézy, alebo alternatívne vykonajú výskum pomocou kníh či internetu. Toto by tiež mohla byť vhodná príležitosť na diskusiu so študentmi o tom, čo je spoľahlivý zdroj.
Napríklad študenti sa môžu odvolať na predchádzajúce štúdie, ktoré preukazujú účinky kofeínu na bdelosť, aby vysvetlili, prečo predpokladajú, že príjem kofeínu skráti reakčný čas.
Predpoveď sa mierne líši od hypotézy. Hypotéza je testovateľné tvrdenie, zatiaľ čo predpoveď je špecifickejšia pre experiment. Pri objave štruktúry DNA hypotéza predpokladala, že DNA má helikálnu štruktúru. Predpoveď bola, že röntgenový difrakčný obrazec DNA bude mať tvar X.
Študenti by mali sformulovať predpoveď, ktorá je konkrétnym, merateľným výsledkom založeným na ich hypotéze. Namiesto toho, aby len tvrdili, že „kofeín skráti reakčný čas“, by študenti mohli predpovedať, že „vypitie 2 plechoviek sódy (90 mg kofeínu) skráti priemerný reakčný čas o 50 milisekúnd v porovnaní s pitím bez kofeínu“.
Nižšie je uvedený príklad diskusného storyboardu, ktorý môžete použiť na to, aby ste svojich študentov prinútili hovoriť o premenných v experimentálnom dizajne.
(Spustí sa 2-týždňová bezplatná skúšobná skúška - nie je potrebná kreditná karta)
Tri typy premenných, ktoré budete musieť so svojimi študentmi prediskutovať, sú závislé, nezávislé a riadené premenné. Pre zjednodušenie ich označujte ako „čo budete merať“, „čo budete meniť“ a „čo ponecháte rovnaké“. Pokročilejších študentov by ste mali povzbudzovať k používaniu správnej slovnej zásoby.
Závislé premenné sú to, čo vedec meria alebo pozoruje. Tieto merania sa často opakujú, pretože opakované merania zvyšujú spoľahlivosť údajov.
Nezávislé premenné sú premenné, ktoré sa vedci rozhodnú zmeniť, aby zistili, aký vplyv to má na závislú premennú. Vyberá sa iba jedna premenná, pretože by bolo ťažké zistiť, ktorá premenná spôsobuje akúkoľvek pozorovanú zmenu.
Riadené premenné sú veličiny alebo faktory, ktoré vedci chcú udržať počas celého experimentu rovnaké. Sú riadené tak, aby zostali konštantné, a neovplyvňovali závislú premennú. Ich riadenie umožňuje vedcom vidieť, ako nezávislá premenná ovplyvňuje závislú premennú v rámci experimentálnej skupiny.
Použite tento príklad nižšie vo svojich lekciách alebo odpovede vymažte a nastavte ich ako aktivitu, ktorú majú študenti dokončiť na Storyboard That.
| Ako teplota ovplyvňuje množstvo cukru, ktoré sa môže rozpustiť vo vode | |
|---|---|
| Nezávislá premenná | Teplota vody
(Rozsah 5 rôznych vzoriek pri 10 °C, 20 °C, 30 °C, 40 °C a 50 °C) |
| Závislá premenná | Množstvo cukru, ktoré sa môže rozpustiť vo vode, merané v čajových lyžičkách. |
| Riadené premenné |
|
(Spustí sa 2-týždňová bezplatná skúšobná skúška - nie je potrebná kreditná karta)
Toto musí nakoniec schváliť zodpovedná dospelá osoba, ale je dôležité, aby študenti premýšľali o tom, ako sa budú chrániť. V tejto časti by mali študenti identifikovať potenciálne riziká a potom vysvetliť, ako ich minimalizujú. Aktivitou, ktorá študentom pomôže rozvíjať tieto zručnosti, je naučiť ich identifikovať a riadiť riziká v rôznych situáciách. Pomocou nižšie uvedeného storyboardu požiadajte študentov, aby vyplnili druhý stĺpec T-diagramu slovami „Čo je riziko?“ a potom vysvetlili, ako by toto riziko mohli riadiť. Tento storyboard by sa dal premietnuť aj do diskusie v triede.
(Spustí sa 2-týždňová bezplatná skúšobná skúška - nie je potrebná kreditná karta)
V tejto časti študenti uvedú zoznam materiálov, ktoré potrebujú na experimenty, vrátane akéhokoľvek bezpečnostného vybavenia, ktoré označili ako potrebné v časti o hodnotení rizík. Toto je skvelý čas porozprávať sa so študentmi o výbere nástrojov, ktoré sú vhodné na danú prácu. Na meranie šírky vlasu použijete iný nástroj ako na meranie šírky futbalového ihriska!
Je dôležité hovoriť so študentmi o reprodukovateľnosti. Mali by napísať postup, ktorý by umožnil, aby ich experimentálnu metódu mohol ľahko reprodukovať iný vedec. Najjednoduchší a najvýstižnejší spôsob, ako to študenti môžu urobiť, je vytvoriť očíslovaný zoznam pokynov. Užitočnou aktivitou by mohlo byť, keby študenti vysvetlili, ako si pripraviť šálku čaju alebo sendvič. Zahrajte si postup a poukážte na všetky kroky, ktoré vynechali.
Pre študentov anglického jazyka a študentov, ktorí majú problémy s písanou angličtinou, môžu študenti vizuálne opísať kroky svojho experimentu pomocou Storyboard That.
Nie každý experiment bude vyžadovať diagram, ale niektoré plány sa výrazne zlepšia, ak ho zahrnú. Nechajte študentov zamerať sa na vytváranie jasných a ľahko zrozumiteľných diagramov, ktoré ilustrujú experimentálnu skupinu.
Napríklad postup na testovanie vplyvu slnečného žiarenia na rast rastlín s použitím úplne randomizovaného dizajnu by mohol podrobne popísať:
Po schválení postupu by študenti mali starostlivo vykonať plánovaný experiment podľa písomných pokynov. Počas zhromažďovania údajov by mali študenti usporiadať nespracované výsledky do tabuliek, grafov, fotografií alebo kresieb. Vytvorí sa tak prehľadná dokumentácia pre analýzu trendov.
Medzi osvedčené postupy zberu údajov patria:
Napríklad v experimente s rastom rastlín by študenti mohli zaznamenať:
| Skupina | Slnečné svetlo | Slnečné svetlo | Slnečné svetlo | Tieň | Tieň |
|---|---|---|---|---|---|
| ID závodu | 1 | 2 | 3 | 1 | 2 |
| Počiatočná výška | 5 cm | 4 cm | 5 cm | 6 cm | 4 cm |
| Koncová výška | 18 cm | 17 cm | 19 cm | 9 cm | 8 cm |
Vizuálne alebo písomne by tiež opísali pozorovania, ako je zmena farby listov alebo smerové ohýbanie.
Je nevyhnutné, aby študenti praktizovali bezpečné vedecké postupy. Pri experimentovaní je potrebný dohľad dospelej osoby spolu s riadnym posúdením rizika.
Dobre zdokumentovaný zber údajov umožňuje hlbšiu analýzu po ukončení experimentu s cieľom určiť, či boli hypotézy a predpovede podporené.
(Spustí sa 2-týždňová bezplatná skúšobná skúška - nie je potrebná kreditná karta)
(Spustí sa 2-týždňová bezplatná skúšobná skúška - nie je potrebná kreditná karta)
Používanie vizuálnych organizérov je efektívny spôsob, ako prinútiť svojich študentov pracovať v triede ako vedci.
Existuje mnoho spôsobov, ako využiť tieto nástroje na plánovanie výskumu na podporu a štruktúrovanie práce študentov počas ich vedeckej práce. Študenti môžu dokončiť fázu plánovania na Storyboard That pomocou textových polí a diagramov, alebo si ich môžete vytlačiť a nechať ich vyplniť ručne. Ďalším skvelým spôsobom, ako ich použiť, je premietnuť plánovací hárok na interaktívnu tabuľu a v skupine prepracovať, ako vyplniť plánovacie materiály. Premietajte ho na obrazovku a nechajte študentov napísať svoje odpovede na lepiace papieriky a vložiť svoje nápady do správnej časti plánovacieho dokumentu.
Veľmi malí študenti môžu ešte začať myslieť ako vedci! Majú množstvo otázok o svete okolo seba a vy si ich môžete začať zapisovať do myšlienkovej mapy. Niekedy môžete dokonca začať tieto otázky „skúmať“ prostredníctvom hry.
Základný zdroj je určený pre žiakov základných škôl alebo žiakov, ktorí potrebujú viac podpory. Je navrhnutý tak, aby sa riadil presne rovnakým postupom ako zdroje vyššej úrovne, ale je o niečo jednoduchší. Kľúčový rozdiel medzi týmito dvoma zdrojmi spočíva v detailoch, ktoré musia žiaci zvážiť, a v použitej technickej terminológii. Napríklad je dôležité, aby žiaci identifikovali premenné pri navrhovaní svojich výskumov. Vo vyššej verzii žiaci nielenže musia identifikovať premenné, ale musia uviesť aj ďalšie komentáre, napríklad ako budú merať závislú premennú alebo ako použijú úplne randomizovaný dizajn. Okrem rozdielu v podpore medzi týmito dvoma úrovňami zdrojov možno budete chcieť ďalej rozlišovať podľa toho, ako sú žiaci podporovaní učiteľmi a asistentmi v triede.
Študentov by tiež bolo možné povzbudiť, aby si svoj experimentálny plán uľahčili pochopenie pomocou grafiky, čo by sa dalo použiť aj na podporu výučby angličtiny ako druhého jazyka.
(Spustí sa 2-týždňová bezplatná skúšobná skúška - nie je potrebná kreditná karta)
(Spustí sa 2-týždňová bezplatná skúšobná skúška - nie je potrebná kreditná karta)
Študenti musia byť hodnotení aj na základe svojich vedeckých zručností, ako aj na základe hodnotenia svojich vedomostí. To im nielen umožní sústrediť sa na rozvoj svojich zručností, ale tiež im to umožní využiť informácie z hodnotenia spôsobom, ktorý im pomôže zlepšiť si vedecké zručnosti. Pomocou funkcie Quick Rubric môžete vytvoriť rýchly a jednoduchý hodnotiaci rámec a zdieľať ho so študentmi, aby vedeli, ako uspieť v každej fáze. Okrem formatívneho hodnotenia, ktoré bude viesť k učeniu, sa toto hodnotenie môže použiť aj na hodnotenie študentskej práce na konci výskumu a stanovenie cieľov pre ich ďalší pokus o plánovanie vlastného výskumu. Rubriky boli napísané tak, aby k nim študenti mali ľahký prístup. Týmto spôsobom ich možno zdieľať so študentmi počas procesu plánovania, aby vedeli, ako vyzerá dobrý experimentálny návrh.
(Spustí sa 2-týždňová bezplatná skúšobná skúška - nie je potrebná kreditná karta)
(Spustí sa 2-týždňová bezplatná skúšobná skúška - nie je potrebná kreditná karta)
(Spustí sa 2-týždňová bezplatná skúšobná skúška - nie je potrebná kreditná karta)
Ak chcete pridať ďalšie projekty alebo pokračovať v prispôsobovaní pracovných hárkov, pozrite si niekoľko šablón, ktoré sme pre vás zostavili nižšie. Každý pracovný hárok je možné skopírovať a prispôsobiť vašim projektom alebo študentom! Študentov môžete tiež povzbudiť k vytvoreniu vlastných, ak si chcú vyskúšať usporiadať informácie ľahko zrozumiteľným spôsobom.
Bežné nástroje a techniky experimentálneho dizajnu, ktoré môžu študenti použiť, zahŕňajú náhodné priraďovanie, kontrolné skupiny, oslepovanie, replikáciu a štatistickú analýzu. Študenti môžu využiť aj pozorovacie štúdie, prieskumy a experimenty s prírodnými alebo kvázi experimentálnymi návrhmi. Môžu tiež použiť nástroje na vizualizáciu údajov na analýzu a prezentáciu svojich výsledkov.
Experimentálny dizajn pomáha študentom rozvíjať schopnosti kritického myslenia tým, že ich povzbudzuje, aby systematicky a logicky premýšľali o vedeckých problémoch. Vyžaduje, aby študenti analyzovali údaje, identifikovali vzory a vyvodzovali závery na základe dôkazov. Pomáha tiež študentom rozvíjať zručnosti pri riešení problémov tým, že poskytuje príležitosti na navrhovanie a vykonávanie experimentov na testovanie hypotéz.
Experimentálny dizajn sa môže použiť na riešenie problémov v reálnom svete identifikáciou premenných, ktoré prispievajú ku konkrétnemu problému a testovaním zásahov, aby sa zistilo, či sú účinné pri riešení problému. Experimentálny dizajn možno použiť napríklad na testovanie účinnosti nových liečebných postupov alebo na hodnotenie vplyvu sociálnych intervencií na znižovanie chudoby alebo zlepšovanie výsledkov vzdelávania.
Bežné úskalia experimentálneho dizajnu, ktorým by sa študenti mali vyhnúť, zahŕňajú zlyhanie pri kontrole premenných, používanie skreslených vzoriek, spoliehanie sa na neoficiálne dôkazy a neschopnosť presne zmerať závislé premenné. Študenti by si mali byť vedomí aj etických úvah pri vykonávaní experimentov, ako je získanie informovaného súhlasu a ochrana súkromia subjektov výskumu.