Guide de Conception Expérimentale Pour les Étudiants et les Enseignants

Conception expérimentale pour les étudiants

La conception expérimentale est une méthode essentielle utilisée dans des matières comme la biologie, la chimie, la physique, la psychologie et les sciences sociales. Elle nous aide à comprendre comment différents facteurs influencent ce que nous étudions, qu'il s'agisse des plantes, des produits chimiques, des lois physiques, du comportement humain ou du fonctionnement de la société. En résumé, il s'agit d'un moyen de mettre en place des expériences pour tester des idées, observer le déroulement des expériences et donner du sens à nos résultats. C'est un outil essentiel pour les étudiants et les chercheurs qui souhaitent répondre à de grandes questions scientifiques et mieux comprendre le monde. Les compétences en conception expérimentale peuvent être appliquées dans des situations allant de la résolution de problèmes à l'analyse de données ; elles ont une portée étendue et peuvent souvent être appliquées en dehors des cours. L'enseignement de ces compétences est un élément essentiel de l'enseignement des sciences, mais il est souvent négligé lorsqu'on se concentre sur l'enseignement du contenu. En tant qu'enseignants en sciences, nous avons tous constaté les avantages des travaux pratiques pour l'engagement et la compréhension des élèves. Cependant, les contraintes de temps imposées par le programme peuvent compromettre le temps nécessaire aux élèves pour développer ces compétences en conception de recherche expérimentale et en investigation. Trop souvent, on leur impose une « recette » à suivre, ce qui les empêche de s'approprier leurs travaux pratiques. Dès leur plus jeune âge, ils commencent à réfléchir au monde qui les entoure. Ils posent des questions, puis s'appuient sur des observations et des preuves pour y répondre. Les élèves ont tendance à poser des questions intelligentes, intéressantes et vérifiables qu'ils aiment poser. En tant qu'éducateurs, nous devons nous efforcer d'encourager ces questions et, par conséquent, de nourrir cette curiosité naturelle pour le monde qui les entoure.

Enseigner la conception d'expériences et laisser les élèves développer leurs propres questions et hypothèses prend du temps. Ces supports ont été créés pour structurer le processus et permettre aux enseignants de se concentrer sur l'amélioration des idées clés de la conception expérimentale. Permettre aux élèves de poser leurs propres questions, d'écrire leurs propres hypothèses, de planifier et de mener leurs propres investigations est une expérience enrichissante. Cela leur permettra de mieux s'approprier leur travail. En appliquant la méthode expérimentale à leurs propres questions, les élèves réfléchissent à la manière dont les scientifiques ont historiquement compris le fonctionnement de l'univers.

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Quelles sont les étapes de la conception expérimentale ?

Se lancer dans la découverte scientifique commence par la maîtrise des étapes de la conception expérimentale. Ce processus fondamental est essentiel pour concevoir des expériences produisant des résultats fiables et pertinents, guidant chercheurs et étudiants tout au long de la planification détaillée, de la conception expérimentale et de la réalisation de leurs études. En s'appuyant sur un modèle de conception expérimentale, les participants peuvent garantir l'intégrité et la validité de leurs résultats. Qu'il s'agisse de concevoir une expérience scientifique ou de participer à des activités de conception expérimentale, l'objectif est de favoriser une compréhension approfondie des fondamentaux : comment concevoir les expériences ? Quelles sont les 7 étapes de la conception expérimentale ? Comment concevoir sa propre expérience ?

Il s'agit d'une exploration des sept étapes clés de la méthode expérimentale, des concepts de conception expérimentale et des façons d'intégrer la conception d'expériences. Les projets des élèves peuvent grandement bénéficier de fiches d'exercices complémentaires, et nous fournirons également des ressources telles que des fiches d'exercices visant à enseigner efficacement la conception expérimentale. Plongeons dans les étapes essentielles qui sous-tendent le processus de conception d'une expérience, en fournissant aux apprenants les outils nécessaires pour explorer leur curiosité scientifique.

1. Question

Il s'agit d'un élément clé de la méthode scientifique et du processus de conception expérimentale. Les élèves aiment formuler des questions. Formuler des questions est une activité riche et significative qui permet aux élèves de s'approprier leur travail. Un excellent moyen d'inciter les élèves à visualiser leur question de recherche est d'utiliser un storyboard sous forme de carte mentale.

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Demandez aux élèves de réfléchir à des questions sur l'univers auxquelles ils souhaitent répondre, ou à des questions sur un sujet particulier. Toutes les questions sont bonnes, mais certaines sont plus faciles à tester que d'autres.

2. Hypothèse

Une hypothèse est une supposition éclairée. Une hypothèse doit être une affirmation pouvant être testée scientifiquement. À la fin de l'expérience, vérifiez si la conclusion corrobore l'hypothèse.

Formuler de bonnes hypothèses peut être difficile à comprendre pour les étudiants. Il est important de se rappeler qu'une hypothèse n'est pas une question de recherche, mais une affirmation testable . Une façon de formuler une hypothèse est de la formuler sous la forme « si… alors… ». Ce n'est certainement pas la seule ni la meilleure façon de formuler une hypothèse, mais c'est une formule très simple à utiliser pour les étudiants débutants.

Une affirmation « si… alors… » exige des élèves qu'ils identifient d'abord les variables, ce qui peut modifier l'ordre dans lequel ils complètent les étapes de l'organisateur visuel. Après avoir identifié les variables dépendantes et indépendantes, l'hypothèse prend la forme : si [variation de la variable indépendante], alors [variation de la variable dépendante].

Par exemple, si une expérience cherchait à évaluer l'effet de la caféine sur le temps de réaction, la variable indépendante serait la quantité de caféine et la variable dépendante le temps de réaction. L'hypothèse « si, alors » pourrait être : si l'on augmente la quantité de caféine consommée, le temps de réaction diminuera.

3. Explication de l'hypothèse

Qu'est-ce qui vous a conduit à cette hypothèse ? Quel est le contexte scientifique qui la sous-tend ? Selon l'âge et les capacités des élèves, ceux-ci s'appuient sur leurs connaissances préalables pour expliquer leur choix d'hypothèses, ou effectuent des recherches dans des livres ou sur Internet. Ce pourrait également être l'occasion de discuter avec eux de ce qu'est une source fiable.

Par exemple, les étudiants peuvent faire référence à des études antérieures montrant les effets de la caféine sur la vigilance pour expliquer pourquoi ils émettent l’hypothèse que la consommation de caféine réduira le temps de réaction.

4. Prédiction

La prédiction diffère légèrement de l'hypothèse. Une hypothèse est une affirmation testable, tandis que la prédiction est plus spécifique à l'expérience. Lors de la découverte de la structure de l'ADN, l'hypothèse proposait une structure hélicoïdale. La prédiction était que le diagramme de diffraction des rayons X de l'ADN aurait la forme d'un X.

Les élèves doivent formuler une prédiction qui correspond à un résultat spécifique et mesurable, basée sur leur hypothèse. Plutôt que de simplement affirmer que « la caféine réduira le temps de réaction », les élèves pourraient prédire que « boire deux canettes de soda (90 mg de caféine) réduira le temps de réaction moyen de 50 millisecondes par rapport à une consommation sans caféine ».

5. Identification des variables

Vous trouverez ci-dessous un exemple de storyboard de discussion qui peut être utilisé pour amener vos élèves à parler des variables dans la conception expérimentale.

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6. Évaluation des risques

Ce document doit être approuvé par un adulte responsable, mais il est important d'amener les élèves à réfléchir à la manière de se protéger. Dans cette partie, les élèves doivent identifier les risques potentiels et expliquer comment les minimiser. Une activité pour les aider à développer ces compétences consiste à les amener à identifier et à gérer les risques dans différentes situations. À l'aide du storyboard ci-dessous, demandez aux élèves de compléter la deuxième colonne du tableau en T en demandant « Qu'est-ce qu'un risque ? », puis en expliquant comment ils pourraient le gérer. Ce storyboard peut également être projeté pour une discussion en classe.

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7. Matériaux

Dans cette section, les élèves dresseront la liste du matériel nécessaire aux expériences, y compris les équipements de sécurité indiqués dans la section « Évaluation des risques ». C'est le moment idéal pour discuter avec les élèves du choix d'outils adaptés à leur tâche. Vous utiliserez un outil différent pour mesurer la largeur d'un cheveu et celle d'un terrain de football !

8. Plan général et schéma

Il est important d'aborder la question de la reproductibilité avec les élèves. Ils doivent rédiger une procédure permettant à un autre scientifique de reproduire facilement leur méthode expérimentale. La méthode la plus simple et la plus concise consiste à dresser une liste numérotée d'instructions. Une activité utile pourrait consister à leur demander d'expliquer comment préparer une tasse de thé ou un sandwich. Reproduisez le processus en soulignant les étapes oubliées.

Pour les apprenants de l'anglais et les étudiants qui ont des difficultés avec l'anglais écrit, les étudiants peuvent décrire visuellement les étapes de leur expérience à l'aide de Storyboard That.

Toutes les expériences ne nécessitent pas de diagramme, mais certains plans seront grandement améliorés par leur inclusion. Demandez aux élèves de s'efforcer de produire des diagrammes clairs et faciles à comprendre illustrant le groupe expérimental.

Par exemple, une procédure visant à tester l’effet de la lumière du soleil sur la croissance des plantes en utilisant une conception entièrement randomisée pourrait détailler :

1. Sélectionnez 10 plants similaires du même âge et de la même variété
2. Préparez 2 plateaux identiques avec le même mélange de terre
3. Placez 5 plantes dans chaque plateau ; étiquetez un ensemble « soleil » et un ensemble « ombre »
4. Placez le bac à lumière du soleil près d'une fenêtre orientée au sud et le bac à ombre dans un placard sombre.
5. Arrosez les deux plateaux avec 50 ml d'eau tous les 2 jours
6. Après 3 semaines, retirez les plantes et mesurez les hauteurs en cm

9. Réaliser l'expérience

Une fois leur procédure approuvée, les élèves doivent réaliser soigneusement l'expérience prévue, en suivant leurs instructions écrites. Au fur et à mesure de la collecte des données, ils doivent organiser les résultats bruts sous forme de tableaux, de graphiques, de photos ou de dessins. Cela permet de créer une documentation claire pour l'analyse des tendances.

Voici quelques bonnes pratiques en matière de collecte de données :

• Enregistrer les données quantitatives numériquement avec des unités
• Notez les observations qualitatives avec des descriptions détaillées
• Capturer la configuration à travers des illustrations ou des photos
• Écrire des observations sur des événements inattendus
• Identifier les valeurs aberrantes et les sources d'erreur des données

Par exemple, dans l’expérience de croissance des plantes, les élèves pourraient noter :