Diseño experimental para estudiantes
El diseño experimental es un método clave en asignaturas como biología, química, física, psicología y ciencias sociales. Nos ayuda a comprender cómo los diferentes factores afectan lo que estudiamos, ya sean plantas, sustancias químicas, leyes físicas, comportamiento humano o el funcionamiento de la sociedad. Básicamente, es una forma de preparar experimentos para probar ideas, observar qué sucede y comprender los resultados. Es fundamental para estudiantes e investigadores que desean responder a grandes preguntas científicas y comprender mejor el mundo. Las habilidades de diseño experimental se pueden aplicar en situaciones que van desde la resolución de problemas hasta el análisis de datos; tienen un amplio alcance y se aplican con frecuencia fuera del aula. La enseñanza de estas habilidades es fundamental en la educación científica, pero a menudo se pasa por alto cuando se centra en la enseñanza del contenido. Como educadores científicos, todos hemos visto los beneficios del trabajo práctico para la participación y la comprensión del alumnado. Sin embargo, debido a las limitaciones de tiempo impuestas por el currículo, el tiempo que los estudiantes necesitan para desarrollar estas habilidades de diseño de investigación experimental e investigación puede verse limitado. Con demasiada frecuencia se les impone una "receta" que no les permite asumir la responsabilidad de su trabajo práctico. Desde muy pequeños, empiezan a reflexionar sobre el mundo que los rodea. Se hacen preguntas y luego usan observaciones y evidencias para responderlas. Los estudiantes suelen tener preguntas inteligentes, interesantes y comprobables que les encanta hacer. Como educadores, deberíamos trabajar para fomentar estas preguntas y, a su vez, fomentar esta curiosidad natural por el mundo que los rodea.
Enseñar el diseño de experimentos y permitir que los estudiantes desarrollen sus propias preguntas e hipótesis requiere tiempo. Estos materiales se han creado para estructurar el proceso y permitir que los docentes se centren en mejorar las ideas clave del diseño experimental. Permitir que los estudiantes formulen sus propias preguntas, formulen sus propias hipótesis y planifiquen y lleven a cabo sus propias investigaciones es una experiencia valiosa. Esto les permitirá asumir un mayor control de su trabajo. Al aplicar el método experimental a sus propias preguntas, reflexionan sobre cómo los científicos han llegado a comprender históricamente el funcionamiento del universo.
¡Eche un vistazo a las páginas para imprimir y las plantillas de hojas de trabajo que aparecen a continuación!
¿Cuáles son los pasos del diseño experimental?
Embarcarse en el viaje del descubrimiento científico comienza con el dominio de los pasos del diseño experimental. Este proceso fundamental es esencial para formular experimentos que produzcan resultados fiables y profundos, guiando tanto a investigadores como a estudiantes a través de la planificación detallada, el diseño de la investigación experimental y la ejecución de sus estudios. Al utilizar una plantilla de diseño experimental, los participantes pueden garantizar la integridad y validez de sus hallazgos. Ya sea mediante el diseño de un experimento científico o participando en actividades de diseño experimental, el objetivo es fomentar una comprensión profunda de los fundamentos: ¿Cómo deben diseñarse los experimentos? ¿Cuáles son los 7 pasos del diseño experimental? ¿Cómo puedes diseñar tu propio experimento?
Esta es una exploración de los siete pasos clave del método experimental, ideas de diseño experimental y maneras de integrar el diseño de experimentos. Los proyectos estudiantiles se benefician enormemente de las hojas de trabajo complementarias. También proporcionaremos recursos como hojas de trabajo para enseñar diseño experimental de forma eficaz. Profundicemos en las etapas esenciales que sustentan el proceso de diseño de un experimento, dotando a los estudiantes de las herramientas necesarias para explorar su curiosidad científica.
1. Pregunta
Esta es una parte clave del método científico y del proceso de diseño experimental. Los estudiantes disfrutan formulando preguntas. Formular preguntas es una actividad profunda y significativa que puede brindarles responsabilidad sobre su trabajo. Una excelente manera de que los estudiantes piensen en cómo visualizar su pregunta de investigación es usar un mapa mental.
Pida a los estudiantes que piensen en preguntas que quieran responder sobre el universo o que piensen en preguntas que tengan sobre un tema en particular. Todas las preguntas son buenas, pero algunas son más fáciles de evaluar que otras.
2. Hipótesis
Una hipótesis se conoce como una conjetura fundamentada. Una hipótesis debe ser una afirmación que pueda comprobarse científicamente. Al final del experimento, revise si la conclusión respalda la hipótesis o no.
Formular buenas hipótesis puede ser difícil de comprender para los estudiantes. Es importante recordar que la hipótesis no es una pregunta de investigación, sino una afirmación comprobable . Una forma de formularla es con un enunciado tipo "si... entonces...". Esta no es la única ni la mejor manera de formular una hipótesis, pero puede ser una fórmula muy fácil de usar para los estudiantes al comenzar.
Una afirmación tipo "si... entonces..." requiere que los estudiantes identifiquen primero las variables, lo que puede cambiar el orden en que completan las etapas del organizador visual. Tras identificar las variables dependientes e independientes, la hipótesis se formula así: si [cambio en la variable independiente], entonces [cambio en la variable dependiente].
Por ejemplo, si un experimento buscara el efecto de la cafeína en el tiempo de reacción, la variable independiente sería la cantidad de cafeína y la variable dependiente, el tiempo de reacción. La hipótesis "si, entonces" podría ser: si se aumenta la cantidad de cafeína consumida, el tiempo de reacción disminuirá.
3. Explicación de la hipótesis
¿Qué te llevó a esta hipótesis? ¿Cuál es el fundamento científico de tu hipótesis? Dependiendo de la edad y la capacidad, los estudiantes usan sus conocimientos previos para explicar por qué eligieron sus hipótesis o, alternativamente, investigan en libros o internet. Este también podría ser un buen momento para hablar con los estudiantes sobre qué es una fuente confiable.
Por ejemplo, los estudiantes pueden hacer referencia a estudios previos que muestran los efectos de la cafeína sobre el estado de alerta para explicar por qué plantean la hipótesis de que la ingesta de cafeína reducirá el tiempo de reacción.
4. Predicción
La predicción difiere ligeramente de la hipótesis. Una hipótesis es una afirmación comprobable, mientras que la predicción es más específica del experimento. En el descubrimiento de la estructura del ADN, la hipótesis propuso que este tiene una estructura helicoidal. La predicción fue que el patrón de difracción de rayos X del ADN tendría forma de X.
Los estudiantes deben formular una predicción que represente un resultado específico y medible basado en su hipótesis. En lugar de simplemente afirmar que "la cafeína reducirá el tiempo de reacción", podrían predecir que "beber dos latas de refresco (90 mg de cafeína) reducirá el tiempo de reacción promedio en 50 milisegundos en comparación con no beber cafeína".
5. Identificación de variables
A continuación se muestra un ejemplo de un guión gráfico de discusión que se puede utilizar para que los estudiantes hablen sobre las variables en el diseño experimental.
Los tres tipos de variables que deberá discutir con sus estudiantes son las variables dependientes, independientes y controladas . Para simplificar, llámelas «lo que va a medir», «lo que va a cambiar» y «lo que va a mantener igual». Con estudiantes más avanzados, anímelos a usar el vocabulario correcto.
Las variables dependientes son lo que mide u observa el científico. Estas mediciones suelen repetirse, ya que la repetición de mediciones aumenta la fiabilidad de los datos.
Las variables independientes son variables que los científicos deciden modificar para ver su efecto sobre la variable dependiente. Solo se elige una, ya que sería difícil determinar qué variable causa el cambio observado.
Las variables controladas son cantidades o factores que los científicos desean que se mantengan constantes durante todo el experimento. Se controlan para que permanezcan constantes y no afecten a la variable dependiente. Controlarlas permite a los científicos observar cómo la variable independiente afecta a la variable dependiente dentro del grupo experimental.
Utilice este ejemplo a continuación en sus lecciones o elimine las respuestas y configúrelo como una actividad para que los estudiantes la completen en Storyboard That.
| Cómo afecta la temperatura la cantidad de azúcar que se puede disolver en el agua | |
|---|---|
| Variable independiente | Temperatura del agua
(Rango de 5 muestras diferentes a 10°C, 20°C, 30°C, 40°C y 50°C) |
| Variable dependiente | La cantidad de azúcar que se puede disolver en el agua, medida en cucharaditas. |
| Variables controladas |
|
6. Evaluación de riesgos
En última instancia, esto debe ser aprobado por un adulto responsable, pero es importante que los estudiantes piensen en cómo se mantendrán seguros. En esta parte, deben identificar los riesgos potenciales y luego explicar cómo los minimizarán. Una actividad para ayudar a los estudiantes a desarrollar estas habilidades es que identifiquen y gestionen los riesgos en diferentes situaciones. Usando el guion gráfico a continuación, pida a los estudiantes que completen la segunda columna de la tabla T diciendo "¿Qué es el riesgo?" y luego explicando cómo podrían gestionarlo. Este guion gráfico también podría proyectarse para una discusión en clase.
7. Materiales
En esta sección, los estudiantes enumerarán los materiales necesarios para los experimentos, incluyendo cualquier equipo de seguridad que hayan señalado como necesario en la sección de evaluación de riesgos. Este es un buen momento para hablar con los estudiantes sobre cómo elegir las herramientas adecuadas para el trabajo. ¡Van a usar una herramienta diferente para medir el ancho de un cabello que para medir el ancho de un campo de fútbol!
8. Planta general y diagrama
Es importante hablar con los estudiantes sobre la reproducibilidad. Deben escribir un procedimiento que permita que su método experimental sea reproducido fácilmente por otro científico. La manera más fácil y concisa de hacerlo es crear una lista numerada de instrucciones. Una actividad útil podría ser pedirles que expliquen cómo preparar una taza de té o un sándwich. Representa el proceso, señalando cualquier paso que hayan omitido.
Para los estudiantes que están aprendiendo inglés y aquellos que tienen dificultades con el inglés escrito, pueden describir los pasos de su experimento visualmente usando Storyboard That.
No todos los experimentos necesitarán un diagrama, pero algunos planes mejorarán considerablemente al incluir uno. Pida a los estudiantes que se concentren en producir diagramas claros y fáciles de entender que ilustren al grupo experimental.
Por ejemplo, un procedimiento para probar el efecto de la luz solar en el crecimiento de las plantas utilizando un diseño completamente aleatorio podría detallar:
- Seleccione 10 plántulas similares de la misma edad y variedad.
- Prepare 2 bandejas idénticas con la misma mezcla de tierra.
- Coloque 5 plantas en cada bandeja; etiquete un conjunto como "luz solar" y el otro como "sombra".
- Coloque la bandeja de luz solar junto a una ventana orientada al sur y la bandeja de sombra en un armario oscuro.
- Riega ambas bandejas con 50 ml de agua cada 2 días.
- Después de 3 semanas, retire las plantas y mida las alturas en cm.
9. Realizar el experimento
Una vez aprobado el procedimiento, los estudiantes deben llevar a cabo cuidadosamente el experimento planificado, siguiendo las instrucciones escritas. A medida que se recopilan los datos, deben organizar los resultados en tablas, gráficos, fotos o dibujos. Esto crea una documentación clara para el análisis de tendencias.
Algunas de las mejores prácticas para la recopilación de datos incluyen:
- Registrar datos cuantitativos numéricamente con unidades
- Anote las observaciones cualitativas con descripciones detalladas
- Captura la configuración a través de ilustraciones o fotografías.
- Escribe observaciones de eventos inesperados.
- Identificar valores atípicos de datos y fuentes de error
Por ejemplo, en el experimento de crecimiento de las plantas, los estudiantes podrían registrar:
| Grupo | Luz del sol | Luz del sol | Luz del sol | Sombra | Sombra |
|---|---|---|---|---|---|
| Identificación de la planta | 1 | 2 | 3 | 1 | 2 |
| Altura inicial | 5 centímetros | 4 centímetros | 5 centímetros | 6 centímetros | 4 centímetros |
| Altura final | 18 centímetros | 17 centímetros | 19 centímetros | 9 centímetros | 8 centímetros |
También describirían observaciones como el cambio de color de las hojas o la curvatura direccional de forma visual o por escrito.
Es fundamental que los estudiantes practiquen procedimientos científicos seguros. Se requiere la supervisión de un adulto para la experimentación, así como una evaluación de riesgos adecuada.
La recopilación de datos bien documentados permite un análisis más profundo una vez finalizado el experimento para determinar si se cumplieron las hipótesis y predicciones.
Ejemplos completados
Recursos y ejemplos de diseño experimental
El uso de organizadores visuales es una forma eficaz de lograr que sus estudiantes trabajen como científicos en el aula.
Hay muchas maneras de usar estas herramientas de planificación de investigación para estructurar el trabajo de los estudiantes mientras trabajan como científicos. Los estudiantes pueden completar la etapa de planificación en Storyboard That usando los cuadros de texto y diagramas, o pueden imprimirlos y pedirles que los completen a mano. Otra excelente manera de usarlas es proyectar la hoja de planificación en una pizarra interactiva y trabajar en grupo para completar los materiales de planificación. Proyéctenla en una pantalla y pídanles que escriban sus respuestas en notas adhesivas y coloquen sus ideas en la sección correcta del documento de planificación.
Los estudiantes más pequeños aún pueden empezar a pensar como científicos. Tienen muchísimas preguntas sobre el mundo que los rodea y puedes empezar a anotarlas en un mapa mental. A veces, incluso puedes empezar a investigar estas preguntas jugando.
El recurso básico está dirigido a estudiantes de primaria o que necesitan más apoyo. Está diseñado para seguir exactamente el mismo proceso que los recursos de nivel superior, pero simplificado. La diferencia clave entre ambos recursos reside en los detalles que los estudiantes deben considerar y el vocabulario técnico utilizado. Por ejemplo, es importante que los estudiantes identifiquen las variables al diseñar sus investigaciones. En la versión de nivel superior, los estudiantes no solo deben identificar las variables, sino también hacer otros comentarios, como cómo medirán la variable dependiente o si utilizarán un diseño completamente aleatorizado. Además de la diferencia en el andamiaje entre los dos niveles de recursos, es posible que desee diferenciar aún más el apoyo que reciben los estudiantes por parte de los profesores y asistentes en el aula.
También se podría alentar a los estudiantes a hacer que su plan experimental sea más fácil de entender mediante el uso de gráficos, y esto también podría usarse para apoyar a los estudiantes ELL.
Estrategias de evaluación eficaces para el diseño experimental en educación
Los estudiantes necesitan ser evaluados en sus habilidades de indagación científica junto con la evaluación de sus conocimientos. Esto no solo les permitirá enfocarse en desarrollar sus habilidades, sino que también les permitirá usar la información de su evaluación de una manera que los ayude a mejorar sus habilidades científicas. Usando Quick Rubric , puedes crear un marco de evaluación rápido y fácil y compartirlo con los estudiantes para que sepan cómo tener éxito en cada etapa. Además de proporcionar una evaluación formativa que impulsará el aprendizaje, esto también puede usarse para evaluar el trabajo de los estudiantes al final de una investigación y establecer objetivos para la próxima vez que intenten planificar su propia investigación. Las rúbricas han sido escritas de una manera que permite a los estudiantes acceder a ellas fácilmente. De esta manera, pueden compartirse con los estudiantes mientras trabajan en el proceso de planificación para que los estudiantes sepan cómo es un buen diseño experimental.
Recursos imprimibles
Actividades relacionadas
Hojas de trabajo adicionales
Si quieres añadir proyectos adicionales o seguir personalizando las hojas de trabajo, consulta las plantillas que hemos recopilado a continuación. ¡Cada hoja de trabajo se puede copiar y adaptar a tus proyectos o alumnos! También puedes animar a los alumnos a crear las suyas propias si quieren organizar la información de forma fácil de entender.
- Hojas de trabajo de laboratorio
- Hojas de trabajo para debates
- Hojas de trabajo de lista de verificación
Cómo Enseñar a los Estudiantes el Diseño de Experimentos
Fomentar el cuestionamiento y la curiosidad.
Fomente una cultura de indagación animando a los estudiantes a hacer preguntas sobre el mundo que les rodea.
Formular hipótesis comprobables.
Enseñar a los estudiantes cómo desarrollar hipótesis que puedan probarse científicamente. Ayúdelos a entender la diferencia entre una hipótesis y una pregunta.
Proporcionar antecedentes científicos.
Ayude a los estudiantes a comprender los principios y conceptos científicos relevantes para sus hipótesis. Anímelos a basarse en conocimientos previos o realizar investigaciones para respaldar sus hipótesis.
Identificar variables
Enseñe a los estudiantes sobre los tres tipos de variables (dependientes, independientes y controladas) y cómo se relacionan con el diseño experimental. Enfatice la importancia de controlar las variables y medir con precisión la variable dependiente.
Planificar y diagramar el experimento.
Guíe a los estudiantes en el desarrollo de un procedimiento experimental claro y reproducible. Anímelos a crear un plan paso a paso o use diagramas visuales para ilustrar el proceso.
Llevar a cabo el experimento y analizar los datos.
Apoye a los estudiantes mientras realizan el experimento de acuerdo con su plan. Guíelos en la recopilación de datos de manera significativa y organizada. Ayúdelos a analizar los datos y sacar conclusiones basadas en sus hallazgos.
Preguntas frecuentes sobre diseño experimental para estudiantes
¿Cuáles son algunas herramientas y técnicas comunes de diseño experimental que los estudiantes pueden usar?
Las herramientas y técnicas comunes de diseño experimental que los estudiantes pueden usar incluyen asignación aleatoria, grupos de control, enmascaramiento, replicación y análisis estadístico. Los estudiantes también pueden utilizar estudios de observación, encuestas y experimentos con diseños naturales o cuasi-experimentales. También pueden usar herramientas de visualización de datos para analizar y presentar sus resultados.
¿Cómo puede el diseño experimental ayudar a los estudiantes a desarrollar habilidades de pensamiento crítico?
El diseño experimental ayuda a los estudiantes a desarrollar habilidades de pensamiento crítico animándolos a pensar sistemática y lógicamente sobre problemas científicos. Requiere que los estudiantes analicen datos, identifiquen patrones y saquen conclusiones basadas en evidencia. También ayuda a los estudiantes a desarrollar habilidades para resolver problemas al brindar oportunidades para diseñar y realizar experimentos para probar hipótesis.
¿Cómo se puede utilizar el diseño experimental para abordar problemas del mundo real?
El diseño experimental se puede utilizar para abordar problemas del mundo real identificando variables que contribuyen a un problema en particular y probando intervenciones para ver si son efectivas para abordar el problema. Por ejemplo, el diseño experimental se puede utilizar para probar la eficacia de nuevos tratamientos médicos o para evaluar el impacto de las intervenciones sociales en la reducción de la pobreza o la mejora de los resultados educativos.
¿Cuáles son algunos errores comunes de diseño experimental que los estudiantes deben evitar?
Las trampas comunes del diseño experimental que los estudiantes deben evitar incluyen no controlar las variables, usar muestras sesgadas, confiar en evidencia anecdótica y no medir las variables dependientes con precisión. Los estudiantes también deben ser conscientes de las consideraciones éticas al realizar experimentos, como obtener el consentimiento informado y proteger la privacidad de los sujetos de investigación.
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