Experimentálny dizajn je kľúčovou metódou používanou 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, vidieť, čo sa stane, a dať zmysel našim výsledkom. Je to mimoriadne dôležité pre študentov a výskumníkov, ktorí chcú odpovedať na veľké otázky vo vede a lepšie porozumieť svetu. Zručnosti experimentálneho dizajnu možno uplatniť v situáciách od riešenia problémov až po analýzu údajov; majú široký dosah a často sa dajú použiť aj mimo triedy. Výučba týchto zručností je veľmi dôležitou súčasťou prírodovedného vzdelávania, ale často sa prehliada, keď sa zameriava na vyučovanie obsahu. Ako pedagógovia vedy sme všetci videli, aké výhody má praktická práca pre zapojenie a porozumenie študentov. S časovými obmedzeniami kladenými na učebné osnovy sa však čas potrebný na to, aby si študenti rozvinuli tieto vyšetrovacie zručnosti, skrátil. Príliš často dostanú „recept“, ktorý majú nasledovať, čo im neumožňuje prevziať zodpovednosť za svoju praktickú prácu. Už od útleho veku začínajú premýšľať o svete okolo seba. Kladú otázky a potom používajú pozorovania a dôkazy, aby na ne odpovedali. Študenti majú tendenciu mať inteligentné, zaujímavé a testovateľné otázky, ktoré radi kladú. Ako pedagógovia by sme mali pracovať na podpore týchto otázok a na oplátku aj na pestovaní tejto prirodzenej zvedavosti vo svete okolo nich.
Naučiť sa navrhovať experimenty a nechať študentov, aby si vytvorili svoje vlastné otázky a hypotézy, si vyžaduje čas. Tieto materiály boli vytvorené na lešenie a štruktúrovanie procesu, aby umožnili učiteľom zamerať sa na zlepšenie kľúčových myšlienok v experimentálnom dizajne. Umožniť študentom klásť si vlastné otázky, písať vlastné hypotézy a plánovať a vykonávať vlastné skúmania je pre nich cennou skúsenosťou. To povedie k tomu, že študenti budú viac vlastniť svoju prácu. Keď študenti vykonávajú experimentálnu metódu pre svoje vlastné otázky, uvažujú o tom, ako vedci historicky pochopili, ako vesmír funguje.
(Spustí sa 2-týždňová bezplatná skúšobná skúška - nie je potrebná kreditná karta)
Pozrite si nižšie uvedené stránky a šablóny pracovných hárkov vhodné pre tlač!
Vydanie sa na cestu vedeckého objavovania začína zvládnutím krokov experimentálneho dizajnu. Tento základný proces je nevyhnutný pre formulovanie experimentov, ktoré prinášajú spoľahlivé a dômyselné výsledky a vedú výskumníkov aj študentov pri podrobnom plánovaní a realizácii ich štúdií. Využitím šablóny experimentálneho dizajnu môžu účastníci zabezpečiť integritu a platnosť svojich zistení. Či už je to prostredníctvom navrhovania vedeckého experimentu alebo zapájania sa do aktivít experimentálneho dizajnu, cieľom je podporiť hlboké pochopenie základov: Ako by mali byť experimenty navrhnuté? Akých je 7 krokov experimentálneho dizajnu? Ako môžete navrhnúť svoj vlastný experiment?
Toto je skúmanie siedmich kľúčových krokov experimentálnej metódy, nápadov na experimentálny dizajn a spôsobov integrácie dizajnu experimentov. Študentské projekty môžu mať veľký úžitok z doplnkových pracovných listov a poskytneme aj zdroje, ako sú pracovné listy zamerané na efektívne vyučovanie experimentálneho dizajnu. Poďme sa ponoriť do základných etáp, ktoré sú základom procesu navrhovania experimentu, vybavíme študentov nástrojmi na preskúmanie ich vedeckej zvedavosti.
Toto je kľúčová časť vedeckej metódy a procesu experimentálneho dizajnu. Študenti radi vymýšľajú otázky. Formulovanie otázok je hlboká a zmysluplná činnosť, ktorá môže študentom poskytnúť zodpovednosť za ich prácu. Skvelý spôsob, ako prinútiť študentov, aby premýšľali o tom, ako vizualizovať svoje otázky, je pomocou storyboardu myšlienkovej mapy.
(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, na ktoré chcú odpovedať o vesmíre, alebo ich povedzte, aby premýšľali o otázkach, ktoré majú na konkrétnu tému. Všetky otázky sú dobré, ale niektoré sa testujú ľahšie ako iné.
Hypotéza je známa ako kvalifikovaný odhad. Hypotéza by mala byť tvrdením, ktoré možno vedecky testovať. Na konci experimentu sa pozrite späť, aby ste zistili, či záver podporuje hypotézu alebo nie.
Vytváranie dobrých hypotéz môže byť pre študentov náročné na pochopenie. Je dôležité si uvedomiť, že hypotéza nie je otázka, je to testovateľné tvrdenie . Jedným zo spôsobov, ako vytvoriť hypotézu, je vytvoriť ju ako vyhlásenie „ak... potom...“. Toto určite nie je jediný alebo najlepší spôsob, ako vytvoriť hypotézu, ale môže to byť veľmi jednoduchý vzorec, ktorý môžu študenti použiť, keď začínajú.
Výrok „ak... potom...“ vyžaduje, aby študenti najskôr identifikovali premenné, čo môže zmeniť poradie, v ktorom dokončia fázy vizuálneho organizátora. Po identifikácii premenných má hypotéza tvar if [zmena nezávislej premennej], potom [zmena závislej premennej].
Napríklad, ak by experiment hľadal účinok kofeínu na reakčný čas, nezávislou premennou by bolo množstvo kofeínu a závislou premennou by bol reakčný čas. Hypotéza „ak, potom“ by mohla znieť: Ak zvýšite množstvo prijatého kofeínu, reakčný čas sa zníži.
Čo vás viedlo k tejto hypotéze? Aké je vedecké pozadie vašej hypotézy? V závislosti od veku a schopností študenti používajú svoje predchádzajúce znalosti na vysvetlenie, prečo si zvolili svoje hypotézy, alebo prípadne na výskum pomocou kníh alebo internetu. Môže to byť tiež vhodný čas na diskusiu so študentmi o tom, čo je spoľahlivý zdroj.
Študenti sa môžu napríklad odvolávať na predchádzajúce štúdie ukazujúce účinky kofeínu na bdelosť, aby vysvetlili, prečo predpokladajú, že príjem kofeínu zníži reakčný čas.
Predpoveď sa mierne líši od hypotézy. Hypotéza je testovateľné tvrdenie, zatiaľ čo predpoveď je špecifickejšia pre experiment. Pri objave štruktúry DNA hypotéza navrhovala, že DNA má špirálovitú štruktúru. Predpoveď bola, že röntgenový difrakčný obrazec DNA bude mať tvar X.
Študenti by mali na základe ich hypotézy sformulovať predpoveď, ktorá je konkrétnym, merateľným výsledkom. Skôr než len konštatovanie „kofeín zníži reakčný čas“, študenti by 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 scenára, ktorý možno použiť na to, aby vaši študenti hovorili o premenných v experimentálnom dizajne.
(Spustí sa 2-týždňová bezplatná skúšobná skúška - nie je potrebná kreditná karta)
Tri typy premenných, o ktorých budete musieť diskutovať so svojimi študentmi, sú závislé, nezávislé a kontrolované premenné. Aby to bolo jednoduché, označte ich ako „čo budete merať“, „čo zmeníte“ a „čo ponecháte rovnaké“. Pokročilejších študentov by ste mali povzbudiť, aby používali správnu slovnú zásobu.
Závislé premenné sú to, čo meria alebo pozoruje vedec. Tieto merania sa budú často opakovať, pretože opakované merania zvyšujú spoľahlivosť údajov.
Nezávislá premenná je premenná, ktorú sa vedci rozhodnú zmeniť, aby zistili, aký vplyv má na závislú premennú. Vyberie sa len jedna, pretože by bolo ťažké zistiť, ktorá premenná spôsobuje akúkoľvek zmenu, ktorú pozorujete.
Kontrolované premenné sú veličiny alebo faktory, ktoré vedci chcú počas experimentu zachovať. Sú riadené tak, aby zostali konštantné, aby neovplyvňovali závislú premennú. Ich kontrola umožňuje vedcom vidieť, ako nezávislá premenná ovplyvňuje závislú premennú.
Použite tento príklad nižšie vo svojich lekciách alebo odstráňte odpovede a nastavte to ako aktivitu, ktorú majú študenti dokončiť na Storyboard That.
| Ako teplota ovplyvňuje množstvo cukru, ktoré je možné 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 je možné rozpustiť vo vode, merané v čajových lyžičkách. |
| Riadené premenné |
|
(Spustí sa 2-týždňová bezplatná skúšobná skúška - nie je potrebná kreditná karta)
Nakoniec to musí podpísať zodpovedná dospelá osoba, ale je dôležité, aby študenti premýšľali o tom, ako sa budú udržiavať v bezpečí. V tejto časti by študenti mali identifikovať potenciálne riziká a potom vysvetliť, ako budú riziko minimalizovať. Činnosť, ktorá má pomôcť študentom rozvíjať tieto zručnosti, je prinútiť ich identifikovať a riadiť riziká v rôznych situáciách. Pomocou scenára nižšie povedzte študentom, aby vyplnili druhý stĺpec T-grafu: „Čo je to riziko?“ a potom vysvetlite, ako môžu toto riziko zvládnuť. Tento storyboard možno 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 ako potrebné označili v časti hodnotenia rizík. Toto je skvelý čas porozprávať sa so študentmi o výbere nástrojov, ktoré sú vhodné pre 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 ich experimentálnu metódu jednoducho reprodukovať iným vedcom. Najjednoduchší a najvýstižnejší spôsob, ako to môžu študenti urobiť, je vytvoriť očíslovaný zoznam pokynov. Užitočnou aktivitou tu môže byť, aby študenti vysvetlili, ako pripraviť šálku čaju alebo sendvič. Uskutočnite proces a upozornite na všetky kroky, ktoré zmeškali.
Pre študentov anglického jazyka a študentov, ktorí zápasia s písanou angličtinou, môžu študenti vizuálne opísať kroky svojho experimentu pomocou Storyboard That.
Nie každý experiment bude potrebovať diagram, ale niektoré plány sa jeho zahrnutím výrazne vylepšia. Nechajte študentov zamerať sa na vytváranie jasných a ľahko pochopiteľných diagramov.
Napríklad postup na testovanie vplyvu slnečného žiarenia na rast rastlín by mohol podrobne uviesť:
Akonáhle je ich postup schválený, študenti by mali starostlivo vykonať plánovaný experiment podľa ich písomných pokynov. Počas zhromažďovania údajov by študenti mali usporiadať nespracované výsledky do tabuliek, grafov, fotografií alebo nákresov. To vytvára prehľadnú dokumentáciu na analýzu trendov.
Niektoré osvedčené postupy zhromažďovania údajov zahŕňajú:
Napríklad v experimente s rastom rastlín mohli študenti zaznamenať:
| Skupina | Slnečné svetlo | Slnečné svetlo | Slnečné svetlo | Odtieň | Odtieň |
|---|---|---|---|---|---|
| ID rastliny | 1 | 2 | 3 | 1 | 2 |
| Výška štartu | 5 cm | 4 cm | 5 cm | 6 cm | 4 cm |
| Výška konca | 18 cm | 17 cm | 19 cm | 9 cm | 8 cm |
Tiež by vizuálne alebo písomne opísali pozorovania, ako je zmena farby listov alebo smerové ohýbanie.
Je dôležité, aby si študenti precvičili bezpečné vedecké postupy. Na experimentovanie je potrebný dohľad dospelej osoby spolu s náležitým hodnotením rizika.
Dobre zdokumentovaný zber údajov umožňuje hlbšiu analýzu po dokončení experimentu s cieľom určiť, či boli hypotézy a predpovede podporované.
(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 organizátorov je efektívny spôsob, ako prinútiť študentov pracovať ako vedci v triede.
Existuje mnoho spôsobov, ako použiť tieto nástroje na plánovanie vyšetrovania na lešenie a štruktúrovanie práce študentov, keď pracujú ako vedci. Študenti môžu dokončiť fázu plánovania na Storyboard That pomocou textových polí a diagramov, alebo si ich môžete vytlačiť a nechať študentov, aby ich dokončili ručne. Ďalším skvelým spôsobom, ako ich použiť, je premietnuť plánovací hárok na interaktívnu tabuľu a pracovať na tom, ako dokončiť plánovacie materiály ako skupina. Premietnite ho na obrazovku a požiadajte študentov, aby napísali svoje odpovede na lepiace papieriky a svoje nápady vložili do správnej časti plánovacieho dokumentu.
Veľmi mladí študenti môžu stále začať myslieť ako vedci! Majú veľa otázok o svete okolo nich a môžete si ich začať zapisovať do myšlienkovej mapy. Niekedy môžete dokonca začať „skúmať“ tieto otázky prostredníctvom hry.
Nadačný zdroj je určený pre žiakov základných škôl alebo študentov, ktorí potrebujú väčšiu podporu. Je navrhnutý tak, aby sledoval presne rovnaký proces ako vyššie zdroje, je však o niečo jednoduchší. Kľúčovým rozdielom medzi týmito dvoma zdrojmi sú detaily, o ktorých musia študenti premýšľať, a použitá technická slovná zásoba. Napríklad je dôležité, aby študenti pri navrhovaní svojich výskumov identifikovali premenné. Vo vyššej verzii musia študenti nielen identifikovať premenné, ale uviesť aj ďalšie poznámky, napríklad ako budú merať závislú premennú. Rovnako ako rozdiel v lešení medzi dvoma úrovňami zdrojov, možno budete chcieť ďalej rozlišovať podľa toho, ako sú študenti podporovaní učiteľmi a asistentmi v miestnosti.
Študenti by mohli byť tiež povzbudzovaní, aby zjednodušili pochopenie svojho experimentálneho plánu pomocou grafiky, a to by sa mohlo použiť aj na podporu ELL.
(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 na základe ich vedeckých zručností spolu s hodnotením ich vedomostí. Nielenže to umožní študentom sústrediť sa na rozvoj svojich zručností, ale tiež im to umožní využívať informácie z hodnotenia spôsobom, ktorý im pomôže zlepšiť ich vedecké zručnosti. Pomocou Quick Rubric môžete vytvoriť rýchly a jednoduchý rámec hodnotenia a zdieľať ho so študentmi, aby vedeli, ako uspieť v každej fáze. Okrem poskytovania formatívneho hodnotenia, ktoré bude stimulovať učenie, sa dá použiť aj na hodnotenie práce študentov na konci vyšetrovania a stanovenie cieľov, keď sa budú najbližšie pokúšať naplánovať svoje vlastné vyšetrovanie. Rubriky boli napísané tak, aby k nim študenti mali jednoduchý prístup. Týmto spôsobom ich možno zdieľať so študentmi, keď pracujú v procese plánovania, aby študenti vedeli, ako vyzerá dobrý experimentálny dizajn.
(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 stránok šablón, ktoré sme pre vás zostavili nižšie. Každý pracovný list je možné skopírovať a prispôsobiť vašim projektom alebo študentom! Študenti môžu byť tiež vyzvaní, aby si vytvorili svoje vlastné, ak si chcú vyskúšať organizovanie informácií 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.