Guide til Eksperimentelt Design for Studerende og Undervisere

Eksperimentelt design for studerende

Eksperimentelt design er en nøglemetode, der anvendes i fag som biologi, kemi, fysik, psykologi og samfundsvidenskab. Det hjælper os med at finde ud af, hvordan forskellige faktorer påvirker det, vi studerer, uanset om det er planter, kemikalier, fysiske love, menneskelig adfærd eller hvordan samfundet fungerer. Grundlæggende er det en måde at opsætte eksperimenter på, så vi kan teste ideer, se, hvad der sker, og give mening til vores resultater. Det er super vigtigt for studerende og forskere, der ønsker at besvare store spørgsmål inden for videnskab og forstå verden bedre. Eksperimentelle designfærdigheder kan anvendes i situationer lige fra problemløsning til dataanalyse; de ​​er vidtrækkende og kan ofte anvendes uden for klasseværelset. Undervisningen i disse færdigheder er en meget vigtig del af naturvidenskabelig uddannelse, men overses ofte, når der fokuseres på at undervise i indholdet. Som naturvidenskabelige undervisere har vi alle set fordelene ved praktisk arbejde for elevernes engagement og forståelse. Men med de tidsbegrænsninger, der er pålagt pensum, kan den tid, som eleverne har brug for til at udvikle disse eksperimentelle forskningsdesign- og undersøgelsesfærdigheder, blive presset ud. Alt for ofte får de en 'opskrift' at følge, hvilket ikke giver dem mulighed for at tage ejerskab over deres praktiske arbejde. Fra en meget ung alder begynder de at tænke på verden omkring dem. De stiller spørgsmål og bruger derefter observationer og beviser til at besvare dem. Eleverne har en tendens til at have intelligente, interessante og testbare spørgsmål, som de elsker at stille. Som undervisere bør vi arbejde hen imod at fremme disse spørgsmål og dermed pleje denne naturlige nysgerrighed i verden omkring dem.

Det tager tid at undervise i design af eksperimenter og lade eleverne udvikle deres egne spørgsmål og hypoteser. Disse materialer er blevet skabt for at understøtte og strukturere processen, så lærerne kan fokusere på at forbedre de centrale ideer i eksperimentelt design. At give eleverne mulighed for at stille deres egne spørgsmål, skrive deres egne hypoteser og planlægge og udføre deres egne undersøgelser er en værdifuld oplevelse for dem. Dette vil føre til, at eleverne får mere ejerskab over deres arbejde. Når eleverne udfører den eksperimentelle metode til deres egne spørgsmål, reflekterer de over, hvordan forskere historisk set er kommet til at forstå, hvordan universet fungerer.

Flere muligheder

Kopier Dette Storyboard

Start Free Trial

Se de printervenlige sider og arbejdsarkskabeloner nedenfor!

Hvad er trinnene i eksperimentelt design?

At begive sig ud på en videnskabelig opdagelsesrejse begynder med at mestre eksperimentelle designtrin. Denne grundlæggende proces er afgørende for at formulere eksperimenter, der giver pålidelige og indsigtsfulde resultater, og som vejleder både forskere og studerende gennem detaljeret planlægning, eksperimentelt forskningsdesign og udførelse af deres studier. Ved at udnytte en skabelon for eksperimentelt design kan deltagerne sikre integriteten og gyldigheden af ​​deres resultater. Uanset om det er ved at designe et videnskabeligt eksperiment eller deltage i eksperimentelle designaktiviteter, er målet at fremme en dyb forståelse af de grundlæggende principper: Hvordan skal eksperimenter designes? Hvad er de 7 eksperimentelle designtrin? Hvordan kan du designe dit eget eksperiment?

Dette er en udforskning af de syv centrale trin i den eksperimentelle metode, ideer til eksperimentelt design og måder at integrere design af eksperimenter på. Studenterprojekter kan drage stor fordel af supplerende arbejdsark, og vi vil også tilbyde ressourcer såsom arbejdsark, der sigter mod at undervise effektivt i eksperimentelt design. Lad os dykke ned i de væsentlige faser, der understøtter processen med at designe et eksperiment, og udstyre eleverne med værktøjerne til at udforske deres videnskabelige nysgerrighed.

1. Spørgsmål

Dette er en central del af den videnskabelige metode og den eksperimentelle designproces. Eleverne nyder at komme med spørgsmål. Formulering af spørgsmål er en dybdegående og meningsfuld aktivitet, der kan give eleverne ejerskab over deres arbejde. En god måde at få eleverne til at tænke over, hvordan de kan visualisere deres forskningsspørgsmål, er ved at bruge et mindmap-storyboard.

Kopier Dette Storyboard

Kopier Dette Storyboard

Kopier Dette Storyboard

Bed eleverne om at tænke på spørgsmål, de gerne vil have svar på om universet, eller få dem til at tænke over spørgsmål, de har om et bestemt emne. Alle spørgsmål er gode spørgsmål, men nogle er lettere at teste end andre.

2. Hypotese

En hypotese er kendt som et kvalificeret gæt. En hypotese bør være en påstand, der kan testes videnskabeligt. Ved afslutningen af ​​eksperimentet skal man se tilbage for at se, om konklusionen understøtter hypotesen eller ej.

Det kan være udfordrende for eleverne at danne gode hypoteser. Det er vigtigt at huske, at hypotesen ikke er et forskningsspørgsmål, men en testbar påstand . En måde at danne en hypotese på er at formulere den som en "hvis... så..."-påstand. Dette er bestemt ikke den eneste eller bedste måde at danne en hypotese på, men det kan være en meget nem formel for eleverne at bruge, når de lige er startet.

En "hvis... så..."-udsagn kræver, at eleverne først identificerer variablerne, og det kan ændre den rækkefølge, de gennemfører faserne i den visuelle organisator. Efter at have identificeret de afhængige og uafhængige variabler, tager hypotesen formen " hvis [ændring i uafhængig variabel], så [ændring i afhængig variabel].

Hvis et eksperiment for eksempel undersøgte effekten af ​​koffein på reaktionstiden, ville den uafhængige variabel være mængden af ​​koffein, og den afhængige variabel ville være reaktionstiden. "Hvis, så"-hypotesen kunne være: Hvis du øger mængden af ​​koffein, der indtages, vil reaktionstiden falde.

3. Forklaring af hypotesen

Hvad førte dig til denne hypotese? Hvad er den videnskabelige baggrund for din hypotese? Afhængigt af alder og evner bruger eleverne deres forudgående viden til at forklare, hvorfor de har valgt deres hypoteser, eller alternativt research ved hjælp af bøger eller internettet. Dette kunne også være et godt tidspunkt at diskutere med eleverne, hvad en pålidelig kilde er.

For eksempel kan eleverne henvise til tidligere undersøgelser, der viser koffeins effekt på årvågenhed, for at forklare, hvorfor de antager, at koffeinindtag vil reducere reaktionstiden.

4. Forudsigelse

Forudsigelsen er en smule anderledes end hypotesen. En hypotese er en testbar påstand, hvorimod forudsigelsen er mere specifik for eksperimentet. I opdagelsen af ​​DNA's struktur foreslog hypotesen, at DNA har en spiralformet struktur. Forudsigelsen var, at DNA's røntgendiffraktionsmønster ville have en X-form.

Eleverne skal formulere en forudsigelse, der er et specifikt, målbart resultat baseret på deres hypotese. I stedet for blot at sige "koffein vil reducere reaktionstiden", kan eleverne forudsige, at "at drikke 2 dåser sodavand (90 mg koffein) vil reducere den gennemsnitlige reaktionstid med 50 millisekunder sammenlignet med ikke at drikke koffein".

5. Identifikation af variabler

Nedenfor er et eksempel på et diskussionsstoryboard, der kan bruges til at få dine elever til at tale om variabler i eksperimentelt design.

Flere muligheder

Kopier Dette Storyboard

Flere muligheder

Kopier Dette Storyboard

6. Risikovurdering

I sidste ende skal dette godkendes af en ansvarlig voksen, men det er vigtigt at få eleverne til at tænke over, hvordan de vil holde sig sikre. I denne del skal eleverne identificere potentielle risici og derefter forklare, hvordan de vil minimere risikoen. En aktivitet, der kan hjælpe eleverne med at udvikle disse færdigheder, er at få dem til at identificere og håndtere risici i forskellige situationer. Brug storyboardet nedenfor til at få eleverne til at udfylde den anden kolonne i T-diagrammet ved at sige "Hvad er risiko?" og derefter forklare, hvordan de kan håndtere denne risiko. Dette storyboard kan også bruges til en klassediskussion.

Flere muligheder

Kopier Dette Storyboard

7. Materialer

I dette afsnit skal eleverne liste de materialer, de skal bruge til eksperimenterne, inklusive eventuelt sikkerhedsudstyr, som de har fremhævet som nødvendigt i risikovurderingsafsnittet. Dette er et godt tidspunkt at tale med eleverne om at vælge værktøj, der er egnet til jobbet. I skal bruge et andet værktøj til at måle bredden af ​​et hår end til at måle bredden af ​​en fodboldbane!

8. Generel plan og diagram

Det er vigtigt at tale med eleverne om reproducerbarhed. De bør skrive en procedure, der gør det muligt for en anden videnskabsmand nemt at reproducere deres eksperimentelle metode. Den nemmeste og mest præcise måde for eleverne at gøre dette på er ved at lave en nummereret liste med instruktioner. En nyttig aktivitet her kunne være at få eleverne til at forklare, hvordan man laver en kop te eller en sandwich. Udfør processen og påpeg eventuelle trin, de har overset.

For engelsksprogede elever og studerende, der kæmper med skriftlig engelsk, kan eleverne beskrive trinene i deres eksperiment visuelt ved hjælp af Storyboard That.

Ikke alle eksperimenter kræver et diagram, men nogle planer vil blive betydeligt forbedret ved at inkludere et. Lad eleverne fokusere på at lave klare og letforståelige diagrammer, der illustrerer forsøgsgruppen.

For eksempel kunne en procedure til at teste effekten af ​​sollys på plantevækst ved hjælp af et fuldstændigt randomiseret design beskrive følgende:

1. Vælg 10 lignende frøplanter af samme alder og sort
2. Forbered 2 identiske bakker med den samme jordblanding
3. Placer 5 planter i hver bakke; mærk ét sæt med "sollys" og ét sæt med "skygge"
4. Placer bakken med sollys ved et sydvendt vindue, og bakken med skygge i et mørkt skab
5. Vand begge bakker med 50 ml vand hver anden dag
6. Efter 3 uger fjernes planterne, og højden måles i cm.

9. Udfør eksperimentet

Når deres procedure er godkendt, skal eleverne omhyggeligt udføre deres planlagte eksperiment i henhold til deres skriftlige instruktioner. Efterhånden som data indsamles, skal eleverne organisere de rå resultater i tabeller, grafer, fotos eller tegninger. Dette skaber tydelig dokumentation til analyse af tendenser.

Nogle bedste fremgangsmåder for dataindsamling omfatter:

• Registrer kvantitative data numerisk med enheder
• Bemærk kvalitative observationer med detaljerede beskrivelser
• Opsætning af optagelser via illustrationer eller fotos
• Skriv observationer af uventede begivenheder
• Identificer dataafvigelser og fejlkilder

For eksempel kan eleverne i plantevæksteksperimentet registrere: