Leitfaden zum Experimentellen Design für Studierende und Lehrende

Experimentelles Design für Studierende

Experimentelles Design ist eine zentrale Methode in Fächern wie Biologie, Chemie, Physik, Psychologie und Sozialwissenschaften. Es hilft uns herauszufinden, wie verschiedene Faktoren unser Untersuchungsobjekt beeinflussen – seien es Pflanzen, Chemikalien, physikalische Gesetze, menschliches Verhalten oder die Funktionsweise der Gesellschaft. Im Grunde ist es eine Möglichkeit, Experimente durchzuführen, um Ideen zu testen, zu beobachten, was passiert, und unsere Ergebnisse zu interpretieren. Es ist äußerst wichtig für Studierende und Forschende, die große wissenschaftliche Fragen beantworten und die Welt besser verstehen wollen. Experimentelle Designfähigkeiten können in verschiedenen Situationen eingesetzt werden, von der Problemlösung bis zur Datenanalyse; sie sind weitreichend und können häufig auch außerhalb des Unterrichts angewendet werden. Die Vermittlung dieser Fähigkeiten ist ein sehr wichtiger Bestandteil des naturwissenschaftlichen Unterrichts, wird aber oft vernachlässigt, wenn man sich auf die Vermittlung der Inhalte konzentriert. Als Lehrende in den Naturwissenschaften haben wir alle gesehen, wie sich praktische Arbeit auf das Engagement und das Verständnis der Studierenden auswirkt. Aufgrund der zeitlichen Beschränkungen im Lehrplan kann jedoch die Zeit, die die Studierenden für die Entwicklung dieser experimentellen Forschungsdesigns und Ermittlungsfähigkeiten benötigen, knapp werden. Zu oft erhalten sie ein „Rezept“, das ihnen die Eigenverantwortung für ihre praktische Arbeit verwehrt. Schon in jungen Jahren beginnen sie, über die Welt um sie herum nachzudenken. Sie stellen Fragen und nutzen Beobachtungen und Beweise, um diese zu beantworten. Schüler haben oft intelligente, interessante und überprüfbare Fragen, die sie gerne stellen. Als Pädagogen sollten wir darauf hinwirken, diese Fragen zu fördern und so ihre natürliche Neugier auf die Welt um sie herum zu fördern.

Das Unterrichten der Versuchsplanung und die Möglichkeit, dass Schüler eigene Fragen und Hypothesen entwickeln, braucht Zeit. Diese Materialien wurden entwickelt, um den Prozess zu unterstützen und zu strukturieren, damit sich Lehrkräfte auf die Verbesserung der Kernideen der Versuchsplanung konzentrieren können. Schüler selbst Fragen stellen, Hypothesen formulieren und eigene Untersuchungen planen und durchführen zu lassen, ist eine wertvolle Erfahrung für sie. Dies führt zu mehr Eigenverantwortung für ihre Arbeit. Wenn Schüler die experimentelle Methode für ihre eigenen Fragen anwenden, reflektieren sie, wie Wissenschaftler im Laufe der Geschichte zu ihrem Verständnis des Universums gelangt sind.

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Was sind die Schritte des experimentellen Designs?

Der Einstieg in die wissenschaftliche Entdeckungsreise beginnt mit der Beherrschung der Schritte des experimentellen Designs. Dieser grundlegende Prozess ist unerlässlich für die Formulierung von Experimenten, die zuverlässige und aufschlussreiche Ergebnisse liefern, und führt Forschende und Studierende gleichermaßen durch die detaillierte Planung, das experimentelle Forschungsdesign und die Durchführung ihrer Studien. Mithilfe einer Vorlage für experimentelles Design können Teilnehmer die Integrität und Gültigkeit ihrer Ergebnisse sicherstellen. Ob durch die Planung eines wissenschaftlichen Experiments oder die Durchführung experimenteller Designaktivitäten – Ziel ist es, ein tiefes Verständnis der Grundlagen zu fördern: Wie sollten Experimente gestaltet werden? Was sind die 7 Schritte des experimentellen Designs? Wie können Sie Ihr eigenes Experiment entwerfen?

Dies ist eine Untersuchung der sieben wichtigsten Schritte der experimentellen Methode, der Ideen für experimentelles Design und der Möglichkeiten zur Integration von Versuchsplanungen. Schülerprojekte können von ergänzenden Arbeitsblättern stark profitieren. Wir stellen außerdem Ressourcen wie Arbeitsblätter zur Verfügung, die auf eine effektive Vermittlung experimenteller Planung abzielen. Wir tauchen ein in die wesentlichen Schritte der Versuchsplanung und geben Lernenden die Werkzeuge an die Hand, um ihrer wissenschaftlichen Neugier nachzugehen.

1. Frage

Dies ist ein zentraler Bestandteil der wissenschaftlichen Methode und des experimentellen Designprozesses. Schülerinnen und Schüler entwickeln gerne Fragen. Das Formulieren von Fragen ist eine tiefgründige und bedeutungsvolle Tätigkeit, die Schülern Eigenverantwortung für ihre Arbeit vermittelt. Ein Mindmap-Storyboard ist eine hervorragende Möglichkeit, Schülerinnen und Schüler dazu zu bringen, über die Visualisierung ihrer Forschungsfrage nachzudenken.

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Bitten Sie die Schüler, sich Fragen zum Universum zu überlegen, die sie beantworten möchten, oder lassen Sie sie über Fragen zu einem bestimmten Thema nachdenken. Alle Fragen sind gute Fragen, aber manche sind leichter zu überprüfen als andere.

2. Hypothese

Eine Hypothese ist eine fundierte Vermutung. Sie sollte eine wissenschaftlich überprüfbare Aussage sein. Überprüfen Sie am Ende des Experiments, ob die Schlussfolgerung die Hypothese stützt oder nicht.

Die Formulierung guter Hypothesen kann für Schülerinnen und Schüler eine Herausforderung sein. Wichtig ist, sich daran zu erinnern, dass eine Hypothese keine Forschungsfrage, sondern eine überprüfbare Aussage ist . Eine Möglichkeit, eine Hypothese zu formulieren, ist die Formulierung als „Wenn…, dann…“-Aussage. Dies ist sicherlich nicht die einzige oder beste Methode, eine Hypothese zu formulieren, kann aber für Schülerinnen und Schüler zu Beginn eine sehr einfache Formel sein.

Eine „Wenn…, dann…“-Anweisung erfordert, dass die Schüler zunächst die Variablen identifizieren. Dies kann die Reihenfolge ändern, in der sie die einzelnen Schritte des visuellen Organizers absolvieren. Nach der Identifizierung der abhängigen und unabhängigen Variablen nimmt die Hypothese die Form an: „ Wenn [Änderung der unabhängigen Variable], dann [Änderung der abhängigen Variable].

Wenn beispielsweise in einem Experiment die Wirkung von Koffein auf die Reaktionszeit untersucht wird, wäre die unabhängige Variable die Koffeinmenge und die abhängige Variable die Reaktionszeit. Die „Wenn-Dann“-Hypothese könnte lauten: Erhöht man die Koffeinmenge, verkürzt sich die Reaktionszeit.

3. Erklärung der Hypothese

Wie bist du zu dieser Hypothese gekommen? Was ist der wissenschaftliche Hintergrund deiner Hypothese? Je nach Alter und Fähigkeit nutzen die Schüler ihr Vorwissen, um ihre Hypothesenwahl zu begründen, oder recherchieren alternativ in Büchern oder im Internet. Dies bietet sich auch an, mit den Schülern zu besprechen, was eine zuverlässige Quelle ist.

Beispielsweise können Studierende auf frühere Studien verweisen, die die wachheitssteigernde Wirkung von Koffein belegen, um ihre Hypothese zu begründen, dass die Einnahme von Koffein die Reaktionszeit verkürzt.

4. Vorhersage

Die Vorhersage unterscheidet sich geringfügig von der Hypothese. Eine Hypothese ist eine überprüfbare Aussage, während die Vorhersage eher experimenteller Natur ist. Bei der Entdeckung der DNA-Struktur ging die Hypothese davon aus, dass DNA eine helikale Struktur hat. Die Vorhersage war, dass das Röntgenbeugungsmuster der DNA eine X-Form aufweisen würde.

Die Schüler sollten eine Vorhersage formulieren, die ein konkretes, messbares Ergebnis basierend auf ihrer Hypothese darstellt. Anstatt nur zu behaupten, dass „Koffein die Reaktionszeit verkürzt“, könnten die Schüler vorhersagen, dass „das Trinken von zwei Dosen Limonade (90 mg Koffein) die durchschnittliche Reaktionszeit um 50 Millisekunden verkürzt, verglichen mit dem Trinken von keinem Koffein.“

5. Identifizierung von Variablen

Unten sehen Sie ein Beispiel für ein Diskussions-Storyboard, mit dem Sie Ihre Schüler dazu bringen können, über Variablen im experimentellen Design zu sprechen.

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6. Risikobewertung

Dies muss letztendlich von einem verantwortlichen Erwachsenen unterschrieben werden. Es ist jedoch wichtig, die Schüler zum Nachdenken über ihre eigene Sicherheit anzuregen. In diesem Teil sollen die Schüler potenzielle Risiken identifizieren und anschließend erklären, wie sie diese minimieren. Eine Aktivität, die Schüler dabei unterstützt, diese Fähigkeiten zu entwickeln, besteht darin, sie Risiken in verschiedenen Situationen erkennen und bewältigen zu lassen. Mithilfe des unten stehenden Storyboards sollen die Schüler die zweite Spalte des T-Charts ausfüllen, indem sie fragen: „Was ist Risiko?“ und anschließend erklären, wie sie dieses Risiko bewältigen können. Dieses Storyboard kann auch für eine Klassendiskussion projiziert werden.

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7. Materialien

In diesem Abschnitt listen die Schüler die Materialien auf, die sie für die Experimente benötigen, einschließlich der Sicherheitsausrüstung, die sie im Abschnitt zur Risikobewertung als notwendig markiert haben. Dies ist ein guter Zeitpunkt, um mit den Schülern über die Auswahl geeigneter Werkzeuge zu sprechen. Zum Messen der Breite eines Haares wird ein anderes Werkzeug benötigt als zum Messen der Breite eines Fußballfeldes!

8. Allgemeiner Plan und Diagramm

Es ist wichtig, mit den Schülern über Reproduzierbarkeit zu sprechen. Sie sollten eine Vorgehensweise formulieren, die es anderen Wissenschaftlern ermöglicht, ihre experimentelle Methode problemlos zu reproduzieren. Am einfachsten und prägnantesten gelingt dies durch eine nummerierte Anleitung. Eine hilfreiche Aktivität könnte darin bestehen, die Schüler zu bitten, die Zubereitung einer Tasse Tee oder eines Sandwiches zu erklären. Spielen Sie den Vorgang nach und weisen Sie auf fehlende Schritte hin.

Englischlernende und Schüler, die mit dem geschriebenen Englisch Schwierigkeiten haben, können die Schritte ihres Experiments mithilfe von Storyboard That visuell beschreiben.

Nicht jedes Experiment benötigt ein Diagramm, aber manche Pläne werden dadurch deutlich verbessert. Konzentrieren Sie die Schüler darauf, klare und leicht verständliche Diagramme zu erstellen, die die Versuchsgruppe veranschaulichen.

Ein Verfahren zum Testen der Wirkung von Sonnenlicht auf das Pflanzenwachstum unter Verwendung eines vollständig randomisierten Designs könnte beispielsweise Folgendes detailliert beschreiben:

1. Wählen Sie 10 ähnliche Setzlinge gleichen Alters und gleicher Sorte aus
2. Bereiten Sie 2 identische Schalen mit der gleichen Bodenmischung vor
3. Platzieren Sie 5 Pflanzen in jedem Tablett; beschriften Sie ein Set mit „Sonnenlicht“ und ein Set mit „Schatten“.
4. Positionieren Sie die Sonnenwanne an einem Südfenster und die Schattenwanne in einem dunklen Schrank.
5. Beide Schalen alle 2 Tage mit 50 ml Wasser gießen
6. Nach 3 Wochen Pflanzen entfernen und Höhe in cm messen

9. Experiment durchführen

Sobald das Verfahren genehmigt ist, sollten die Schüler das geplante Experiment sorgfältig und gemäß den schriftlichen Anweisungen durchführen. Während der Datenerfassung sollten die Schüler die Rohergebnisse in Tabellen, Grafiken, Fotos oder Zeichnungen ordnen. Dies schafft eine übersichtliche Dokumentation für die Trendanalyse.

Zu den Best Practices für die Datenerfassung gehören:

• Quantitative Daten numerisch mit Einheiten erfassen
• Notieren Sie qualitative Beobachtungen mit detaillierten Beschreibungen
• Aufnahme durch Illustrationen oder Fotos
• Schreiben Sie Beobachtungen unerwarteter Ereignisse
• Identifizieren Sie Datenausreißer und Fehlerquellen

Im Pflanzenwachstumsexperiment könnten die Schüler beispielsweise Folgendes aufzeichnen: