Progettazione sperimentale per studenti
La progettazione sperimentale è un metodo chiave utilizzato in materie come biologia, chimica, fisica, psicologia e scienze sociali. Ci aiuta a capire come diversi fattori influenzano ciò che stiamo studiando, che si tratti di piante, sostanze chimiche, leggi fisiche, comportamento umano o del funzionamento della società. In sostanza, è un modo per impostare esperimenti in modo da poter testare idee, vedere cosa succede e dare un senso ai nostri risultati. È estremamente importante per studenti e ricercatori che desiderano rispondere a grandi domande scientifiche e comprendere meglio il mondo. Le competenze di progettazione sperimentale possono essere applicate in situazioni che vanno dalla risoluzione di problemi all'analisi dei dati; sono di vasta portata e possono essere spesso applicate anche al di fuori della classe. L'insegnamento di queste competenze è una parte molto importante dell'educazione scientifica, ma viene spesso trascurato quando ci si concentra sull'insegnamento dei contenuti. Come educatori scientifici, abbiamo tutti visto i benefici del lavoro pratico per il coinvolgimento e la comprensione degli studenti. Tuttavia, con i limiti di tempo imposti dal curriculum, il tempo necessario agli studenti per sviluppare queste capacità di progettazione e indagine sperimentale può essere ridotto. Troppo spesso ricevono una "ricetta" da seguire, che non permette loro di assumersi la responsabilità del proprio lavoro pratico. Fin da piccolissimi, iniziano a pensare al mondo che li circonda. Si pongono domande e poi usano osservazioni e prove per rispondere. Gli studenti tendono ad avere domande intelligenti, interessanti e verificabili che amano porre. Come educatori, dovremmo impegnarci per incoraggiare queste domande e, a nostra volta, coltivare questa naturale curiosità per il mondo che li circonda.
Insegnare la progettazione degli esperimenti e lasciare che gli studenti sviluppino le proprie domande e ipotesi richiede tempo. Questi materiali sono stati creati per supportare e strutturare il processo, consentendo agli insegnanti di concentrarsi sul miglioramento delle idee chiave nella progettazione degli esperimenti. Permettere agli studenti di porre le proprie domande, scrivere le proprie ipotesi e pianificare e condurre le proprie indagini è un'esperienza preziosa per loro. Questo porterà gli studenti ad avere una maggiore responsabilità del proprio lavoro. Quando gli studenti applicano il metodo sperimentale alle proprie domande, riflettono su come gli scienziati sono storicamente giunti a comprendere il funzionamento dell'universo.
Date un'occhiata alle pagine stampabili e ai modelli di fogli di lavoro qui sotto!
Quali sono le fasi della progettazione sperimentale?
Intraprendere il viaggio della scoperta scientifica inizia con la padronanza delle fasi della progettazione sperimentale. Questo processo fondamentale è essenziale per formulare esperimenti che producano risultati affidabili e approfonditi, guidando ricercatori e studenti attraverso la pianificazione dettagliata, la progettazione della ricerca sperimentale e l'esecuzione dei loro studi. Sfruttando un modello di progettazione sperimentale, i partecipanti possono garantire l'integrità e la validità dei loro risultati. Che si tratti di progettare un esperimento scientifico o di impegnarsi in attività di progettazione sperimentale, l'obiettivo è promuovere una profonda comprensione dei fondamenti: come dovrebbero essere progettati gli esperimenti? Quali sono le 7 fasi della progettazione sperimentale? Come si può progettare un esperimento?
Questo articolo esplora i sette passaggi chiave del metodo sperimentale, le idee per la progettazione sperimentale e i modi per integrare la progettazione degli esperimenti. I progetti degli studenti possono trarre grande beneficio dai fogli di lavoro supplementari e forniremo anche risorse come fogli di lavoro mirati a insegnare efficacemente la progettazione sperimentale. Approfondiamo le fasi essenziali che sostengono il processo di progettazione di un esperimento, fornendo agli studenti gli strumenti per esplorare la loro curiosità scientifica.
1. Domanda
Questo è un aspetto fondamentale del metodo scientifico e del processo di progettazione sperimentale. Gli studenti si divertono a formulare domande. Formulare domande è un'attività profonda e significativa che può dare agli studenti la possibilità di avere la responsabilità del proprio lavoro. Un ottimo modo per stimolare gli studenti a visualizzare il quesito di ricerca è utilizzare uno storyboard con mappa mentale.
Chiedete agli studenti di pensare a qualsiasi domanda sull'universo a cui vogliano rispondere o di riflettere su domande che hanno su un argomento specifico. Tutte le domande sono valide, ma alcune sono più facili da verificare di altre.
2. Ipotesi
Un'ipotesi è nota come "supposizione ragionata". Un'ipotesi dovrebbe essere un'affermazione che può essere verificata scientificamente. Alla fine dell'esperimento, si può verificare se la conclusione supporta o meno l'ipotesi.
Formulare buone ipotesi può essere difficile da comprendere per gli studenti. È importante ricordare che l' ipotesi non è un quesito di ricerca, ma un'affermazione verificabile . Un modo per formulare un'ipotesi è formularla come un'affermazione "se... allora...". Questo non è certamente l'unico né il modo migliore per formulare un'ipotesi, ma può essere una formula molto semplice da usare per gli studenti all'inizio.
Un'affermazione del tipo "se... allora..." richiede agli studenti di identificare prima le variabili, e questo potrebbe modificare l'ordine in cui completano le fasi dell'organizzatore visivo. Dopo aver identificato le variabili dipendenti e indipendenti, l'ipotesi assume la forma se [variazione della variabile indipendente], allora [variazione della variabile dipendente].
Ad esempio, se un esperimento mirasse a valutare l'effetto della caffeina sul tempo di reazione, la variabile indipendente sarebbe la quantità di caffeina assunta e la variabile dipendente il tempo di reazione. L'ipotesi "se, allora" potrebbe essere: se si aumenta la quantità di caffeina assunta, il tempo di reazione diminuirà.
3. Spiegazione dell'ipotesi
Cosa ti ha portato a questa ipotesi? Qual è il background scientifico alla base della tua ipotesi? A seconda dell'età e delle capacità, gli studenti usano le loro conoscenze pregresse per spiegare perché hanno scelto le loro ipotesi, oppure, in alternativa, effettuano ricerche su libri o internet. Questo potrebbe anche essere un buon momento per discutere con gli studenti di cosa si intende per fonte attendibile.
Ad esempio, gli studenti potrebbero fare riferimento a studi precedenti che dimostrano gli effetti della caffeina sulla lucidità mentale per spiegare perché, secondo loro, l'assunzione di caffeina riduce il tempo di reazione.
4. Previsione
La previsione è leggermente diversa dall'ipotesi. Un'ipotesi è un'affermazione verificabile, mentre la previsione è più specifica per l'esperimento. Nella scoperta della struttura del DNA, l'ipotesi proponeva che il DNA avesse una struttura elicoidale. La previsione era che il modello di diffrazione dei raggi X del DNA avrebbe avuto una forma a X.
Gli studenti dovrebbero formulare una previsione che rappresenti un risultato specifico e misurabile basato sulla loro ipotesi. Invece di affermare semplicemente "la caffeina riduce il tempo di reazione", gli studenti potrebbero prevedere che "bere 2 lattine di soda (90 mg di caffeina) ridurrà il tempo di reazione medio di 50 millisecondi rispetto a non assumere caffeina".
5. Identificazione delle variabili
Di seguito è riportato un esempio di storyboard di discussione che può essere utilizzato per far parlare i tuoi studenti delle variabili nella progettazione sperimentale.
I tre tipi di variabili che dovrete discutere con i vostri studenti sono variabili dipendenti, indipendenti e controllate . Per semplificare, chiamatele "cosa misurerete", "cosa cambierete" e "cosa manterrete invariato". Con gli studenti più avanzati, dovreste incoraggiarli a usare il vocabolario corretto.
Le variabili dipendenti sono ciò che viene misurato o osservato dallo scienziato. Queste misurazioni saranno spesso ripetute, perché misurazioni ripetute rendono i dati più affidabili.
Le variabili indipendenti sono variabili che gli scienziati decidono di modificare per vedere quale effetto abbiano sulla variabile dipendente. Ne viene scelta solo una perché sarebbe difficile capire quale variabile stia causando il cambiamento osservato.
Le variabili controllate sono grandezze o fattori che gli scienziati desiderano rimangano invariati per tutta la durata dell'esperimento. Vengono controllate in modo che rimangano costanti, in modo da non influenzare la variabile dipendente. Il controllo di queste variabili permette agli scienziati di osservare come la variabile indipendente influenza la variabile dipendente all'interno del gruppo sperimentale.
Utilizza questo esempio qui sotto nelle tue lezioni oppure elimina le risposte e impostalo come attività che gli studenti dovranno completare su Storyboard That.
| Come la temperatura influenza la quantità di zucchero che può essere sciolto nell'acqua | |
|---|---|
| Variabile indipendente | Temperatura dell'acqua
(Intervallo 5 campioni diversi a 10°C, 20°C, 30°C, 40°C e 50°C) |
| Variabile dipendente | La quantità di zucchero che può essere sciolta nell'acqua, misurata in cucchiaini. |
| Variabili controllate |
|
6. Valutazione del rischio
In definitiva, questo documento deve essere firmato da un adulto responsabile, ma è importante che gli studenti riflettano su come proteggersi. In questa parte, gli studenti dovrebbero identificare i potenziali rischi e poi spiegare come intendono minimizzarli. Un'attività per aiutare gli studenti a sviluppare queste competenze è quella di far loro identificare e gestire i rischi in diverse situazioni. Utilizzando lo storyboard qui sotto, fate completare agli studenti la seconda colonna della T-chart chiedendo "Cos'è il rischio?", quindi spiegando come potrebbero gestirlo. Questo storyboard potrebbe anche essere proiettato per una discussione in classe.
7. Materiali
In questa sezione, gli studenti elencheranno i materiali necessari per gli esperimenti, inclusi eventuali dispositivi di sicurezza che hanno evidenziato come necessari nella sezione di valutazione dei rischi. Questo è un ottimo momento per discutere con gli studenti sulla scelta degli strumenti adatti al lavoro. Userete uno strumento diverso per misurare la larghezza di un capello rispetto a quello per misurare la larghezza di un campo da calcio!
8. Piano generale e diagramma
È importante parlare agli studenti di riproducibilità. Dovrebbero scrivere una procedura che consenta a un altro scienziato di riprodurre facilmente il loro metodo sperimentale. Il modo più semplice e conciso per farlo è creare un elenco numerato di istruzioni. Un'attività utile in questo caso potrebbe essere quella di chiedere agli studenti di spiegare come preparare una tazza di tè o un panino. Simulare il processo, sottolineando i passaggi che hanno saltato.
Per gli studenti di inglese e per gli studenti che hanno difficoltà con la lingua scritta, è possibile descrivere visivamente i passaggi del loro esperimento utilizzando Storyboard That.
Non tutti gli esperimenti richiederanno un diagramma, ma alcuni piani saranno notevolmente migliorati includendone uno. Fate in modo che gli studenti si concentrino sulla produzione di diagrammi chiari e facili da capire che illustrino il gruppo sperimentale.
Ad esempio, una procedura per testare l'effetto della luce solare sulla crescita delle piante utilizzando un design completamente randomizzato potrebbe descrivere in dettaglio:
- Seleziona 10 piantine simili della stessa età e varietà
- Preparare 2 vassoi identici con la stessa miscela di terreno
- Disporre 5 piante in ogni vassoio; etichettare un set "luce solare" e un set "ombra"
- Posizionare il vassoio per la luce solare vicino a una finestra esposta a sud e il vassoio per l'ombra in un armadio buio
- Annaffiare entrambi i vassoi con 50 ml di acqua ogni 2 giorni
- Dopo 3 settimane, rimuovere le piante e misurarne l'altezza in cm
9. Eseguire l'esperimento
Una volta approvata la procedura, gli studenti dovranno eseguire attentamente l'esperimento pianificato, seguendo le istruzioni scritte. Man mano che i dati vengono raccolti, gli studenti dovranno organizzare i risultati grezzi in tabelle, grafici, foto o disegni. Questo creerà una documentazione chiara per l'analisi delle tendenze.
Alcune buone pratiche per la raccolta dei dati includono:
- Registrare i dati quantitativi numericamente con le unità
- Nota osservazioni qualitative con descrizioni dettagliate
- Cattura l'impostazione tramite illustrazioni o foto
- Scrivi osservazioni di eventi inaspettati
- Identificare i dati anomali e le fonti di errore
Ad esempio, nell'esperimento sulla crescita delle piante, gli studenti potrebbero registrare:
| Gruppo | Luce solare | Luce solare | Luce solare | Ombra | Ombra |
|---|---|---|---|---|---|
| Identificazione della pianta | 1 | 2 | 3 | 1 | 2 |
| Altezza di partenza | 5 centimetri | 4 centimetri | 5 centimetri | 6 centimetri | 4 centimetri |
| Altezza finale | 18 centimetri | 17 centimetri | 19 centimetri | 9 centimetri | 8 centimetri |
Descrivevano anche osservazioni come il cambiamento di colore delle foglie o la loro curvatura direzionale, visivamente o per iscritto.
È fondamentale che gli studenti adottino procedure scientifiche sicure. La sperimentazione richiede la supervisione di un adulto, oltre a un'adeguata valutazione dei rischi.
Una raccolta dati ben documentata consente un'analisi più approfondita dopo il completamento dell'esperimento per determinare se le ipotesi e le previsioni sono state supportate.
Esempi completati
Risorse ed esempi di progettazione sperimentale
Utilizzare organizzatori visivi è un modo efficace per far sì che i tuoi studenti lavorino come scienziati in classe.
Esistono molti modi per utilizzare questi strumenti di pianificazione delle indagini per supportare e strutturare il lavoro degli studenti mentre lavorano come scienziati. Gli studenti possono completare la fase di pianificazione su Storyboard That utilizzando le caselle di testo e i diagrammi, oppure è possibile stamparli e farli compilare a mano. Un altro ottimo modo per utilizzarli è proiettare il foglio di pianificazione su una lavagna interattiva e lavorare in gruppo su come completare i materiali di pianificazione. Proiettatelo su uno schermo e chiedete agli studenti di scrivere le loro risposte su post-it e di inserire le loro idee nella sezione corretta del documento di pianificazione.
Anche i più piccoli possono iniziare a pensare come scienziati! Hanno un sacco di domande sul mondo che li circonda e puoi iniziare ad annotarle in una mappa mentale. A volte puoi persino iniziare a "investigare" queste domande giocando.
La risorsa di base è pensata per gli studenti delle elementari o per gli studenti che necessitano di maggiore supporto. È progettata per seguire esattamente lo stesso processo delle risorse più avanzate, ma leggermente semplificate. La differenza principale tra le due risorse risiede nei dettagli a cui gli studenti devono pensare e nel vocabolario tecnico utilizzato. Ad esempio, è importante che gli studenti identifichino le variabili quando progettano le loro indagini. Nella versione più avanzata, gli studenti non devono solo identificare le variabili, ma anche fare altri commenti, ad esempio come misureranno la variabile dipendente o come utilizzeranno un disegno completamente randomizzato. Oltre alla differenza di supporto tra i due livelli di risorse, potrebbe essere opportuno differenziare ulteriormente il modo in cui gli studenti vengono supportati da insegnanti e assistenti in aula.
Si potrebbero anche incoraggiare gli studenti a rendere più comprensibile il loro piano sperimentale mediante l'uso di grafici, il che potrebbe essere utilizzato anche per supportare gli studenti di inglese come seconda lingua.
Strategie di valutazione efficaci per la progettazione sperimentale in ambito educativo
Gli studenti devono essere valutati sulle loro capacità di indagine scientifica, oltre che sulle loro conoscenze. Questo non solo permetterà agli studenti di concentrarsi sullo sviluppo delle proprie competenze, ma permetterà loro anche di utilizzare le informazioni di valutazione in un modo che li aiuterà a migliorare le proprie competenze scientifiche. Utilizzando Quick Rubric , è possibile creare un quadro di valutazione rapido e semplice e condividerlo con gli studenti in modo che sappiano come avere successo in ogni fase. Oltre a fornire una valutazione formativa che stimolerà l'apprendimento, questa può anche essere utilizzata per valutare il lavoro degli studenti al termine di un'indagine e definire obiettivi per il successivo tentativo di pianificazione della propria indagine. Le rubriche sono state scritte in modo da consentire agli studenti di accedervi facilmente. In questo modo possono essere condivise con gli studenti durante il processo di pianificazione, in modo che sappiano come si presenta un buon disegno sperimentale.
Risorse stampabili
Attività correlate
Fogli di lavoro aggiuntivi
Se desideri aggiungere altri progetti o continuare a personalizzare i fogli di lavoro, dai un'occhiata alle diverse pagine modello che abbiamo raccolto per te qui sotto. Ogni foglio di lavoro può essere copiato e adattato ai tuoi progetti o ai tuoi studenti! Puoi anche incoraggiare gli studenti a crearne di propri se desiderano provare a organizzare le informazioni in modo semplice e intuitivo.
Come Insegnare Agli Studenti la Progettazione Degli Esperimenti
Incoraggia le domande e la curiosità
Promuovi una cultura della ricerca incoraggiando gli studenti a porre domande sul mondo che li circonda.
Formulare ipotesi verificabili
Insegna agli studenti come sviluppare ipotesi che possono essere verificate scientificamente. Aiutali a capire la differenza tra un'ipotesi e una domanda.
Fornire un background scientifico
Aiuta gli studenti a comprendere i principi e i concetti scientifici rilevanti per le loro ipotesi. Incoraggiali ad attingere a conoscenze precedenti o a condurre ricerche per supportare le loro ipotesi.
Identificare le variabili
Insegna agli studenti i tre tipi di variabili (dipendenti, indipendenti e controllate) e come si relazionano al progetto sperimentale. Sottolineare l'importanza di controllare le variabili e misurare accuratamente la variabile dipendente.
Pianificare e tracciare un diagramma dell'esperimento
Guida gli studenti nello sviluppo di una procedura sperimentale chiara e riproducibile. Incoraggiali a creare un piano dettagliato o utilizzare diagrammi visivi per illustrare il processo.
Eseguire l'esperimento e analizzare i dati
Sostieni gli studenti mentre conducono l'esperimento secondo il loro piano. Guidali nella raccolta dei dati in modo significativo e organizzato. Assistili nell'analisi dei dati e nel trarre conclusioni sulla base delle loro scoperte.
Domande frequenti sulla progettazione sperimentale per gli studenti
Quali sono alcuni strumenti e tecniche di progettazione sperimentale comuni che gli studenti possono utilizzare?
Gli strumenti e le tecniche di progettazione sperimentale comuni che gli studenti possono utilizzare includono l'assegnazione casuale, i gruppi di controllo, l'accecamento, la replica e l'analisi statistica. Gli studenti possono anche utilizzare studi osservativi, sondaggi ed esperimenti con disegni naturali o quasi sperimentali. Possono anche utilizzare strumenti di visualizzazione dei dati per analizzare e presentare i loro risultati.
In che modo il design sperimentale può aiutare gli studenti a sviluppare capacità di pensiero critico?
La progettazione sperimentale aiuta gli studenti a sviluppare capacità di pensiero critico incoraggiandoli a pensare in modo sistematico e logico ai problemi scientifici. Richiede agli studenti di analizzare i dati, identificare modelli e trarre conclusioni basate su prove. Aiuta anche gli studenti a sviluppare capacità di problem solving fornendo opportunità per progettare e condurre esperimenti per verificare ipotesi.
In che modo il design sperimentale può essere utilizzato per affrontare i problemi del mondo reale?
La progettazione sperimentale può essere utilizzata per affrontare i problemi del mondo reale identificando le variabili che contribuiscono a un particolare problema e testando gli interventi per vedere se sono efficaci nell'affrontare il problema. Ad esempio, il disegno sperimentale può essere utilizzato per testare l'efficacia di nuovi trattamenti medici o per valutare l'impatto degli interventi sociali sulla riduzione della povertà o sul miglioramento dei risultati scolastici.
Quali sono alcune insidie comuni della progettazione sperimentale che gli studenti dovrebbero evitare?
Le insidie comuni del progetto sperimentale che gli studenti dovrebbero evitare includono il mancato controllo delle variabili, l'utilizzo di campioni distorti, l'affidamento a prove aneddotiche e la mancata misurazione accurata delle variabili dipendenti. Gli studenti dovrebbero anche essere consapevoli delle considerazioni etiche quando conducono esperimenti, come ottenere il consenso informato e proteggere la privacy dei soggetti di ricerca.
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