Gids Voor Experimenteel Ontwerp Voor Studenten en Docenten

Experimenteel ontwerp voor studenten

Experimenteel ontwerp is een belangrijke methode die wordt gebruikt in vakken zoals biologie, scheikunde, natuurkunde, psychologie en sociale wetenschappen. Het helpt ons te begrijpen hoe verschillende factoren van invloed zijn op wat we bestuderen, of het nu gaat om planten, chemicaliën, natuurkundige wetten, menselijk gedrag of hoe de maatschappij functioneert. In feite is het een manier om experimenten op te zetten, zodat we ideeën kunnen testen, kunnen zien wat er gebeurt en onze resultaten kunnen begrijpen. Het is superbelangrijk voor studenten en onderzoekers die grote vragen in de wetenschap willen beantwoorden en de wereld beter willen begrijpen. Experimentele ontwerpvaardigheden kunnen worden toegepast in situaties variërend van probleemoplossing tot data-analyse; ze zijn breed toepasbaar en kunnen vaak ook buiten de klas worden toegepast. Het aanleren van deze vaardigheden is een zeer belangrijk onderdeel van wetenschapsonderwijs, maar wordt vaak over het hoofd gezien wanneer de focus ligt op het lesgeven van de inhoud. Als wetenschapsdocenten hebben we allemaal de voordelen gezien die praktisch werk heeft voor de betrokkenheid en het begrip van studenten. Door de tijdsbeperkingen van het curriculum kan de tijd die studenten nodig hebben om deze experimentele onderzoeksontwerp- en onderzoeksvaardigheden te ontwikkelen, echter snel worden ingeperkt. Te vaak krijgen ze een 'recept' om te volgen, waardoor ze geen verantwoordelijkheid kunnen nemen voor hun praktische werk. Al op zeer jonge leeftijd beginnen ze na te denken over de wereld om hen heen. Ze stellen vragen en gebruiken vervolgens observaties en bewijs om die te beantwoorden. Leerlingen hebben vaak intelligente, interessante en toetsbare vragen die ze graag stellen. Als docenten zouden we eraan moeten werken om deze vragen te stimuleren en op onze beurt deze natuurlijke nieuwsgierigheid naar de wereld om hen heen te voeden.

Het onderwijzen van het ontwerpen van experimenten en het laten ontwikkelen van eigen vragen en hypothesen door leerlingen kost tijd. Deze materialen zijn ontwikkeld om het proces te ondersteunen en te structureren, zodat docenten zich kunnen richten op het verbeteren van de belangrijkste ideeën in experimenteel ontwerp. Leerlingen de mogelijkheid geven om hun eigen vragen te stellen, hun eigen hypothesen te formuleren en hun eigen onderzoek te plannen en uit te voeren, is een waardevolle ervaring voor hen. Dit zal ertoe leiden dat leerlingen meer verantwoordelijkheid voor hun werk krijgen. Wanneer leerlingen de experimentele methode toepassen op hun eigen vragen, reflecteren ze op hoe wetenschappers historisch gezien hun begrip van het universum hebben ontwikkeld.

Meer opties

Pas dit voorbeeld aan

Start Free Trial

Bekijk hieronder de printervriendelijke pagina's en werkbladsjablonen!

Wat zijn de stappen van experimenteel ontwerp?

Het begin van de reis van wetenschappelijke ontdekking begint met het beheersen van de stappen in experimenteel ontwerp. Dit fundamentele proces is essentieel voor het formuleren van experimenten die betrouwbare en inzichtelijke resultaten opleveren en begeleidt zowel onderzoekers als studenten door de gedetailleerde planning, het experimentele onderzoeksontwerp en de uitvoering van hun studies. Door gebruik te maken van een experimenteel ontwerpsjabloon kunnen deelnemers de integriteit en validiteit van hun bevindingen garanderen. Of het nu gaat om het ontwerpen van een wetenschappelijk experiment of het uitvoeren van experimentele ontwerpactiviteiten, het doel is om een diepgaand begrip van de basisprincipes te bevorderen: Hoe moeten experimenten worden ontworpen? Wat zijn de 7 experimentele ontwerpstappen? Hoe kun je je eigen experiment ontwerpen?

Dit is een verkenning van de zeven belangrijkste stappen in de experimentele methode, ideeën voor experimenteel ontwerp en manieren om experimenteel ontwerp te integreren. Studentenprojecten kunnen veel baat hebben bij aanvullende werkbladen en we zullen ook hulpmiddelen zoals werkbladen aanbieden die gericht zijn op het effectief onderwijzen van experimenteel ontwerp. Laten we dieper ingaan op de essentiële stappen die ten grondslag liggen aan het proces van het ontwerpen van een experiment, en leerlingen de tools geven om hun wetenschappelijke nieuwsgierigheid te verkennen.

1. Vraag

Dit is een belangrijk onderdeel van de wetenschappelijke methode en het experimentele ontwerpproces. Leerlingen vinden het leuk om vragen te bedenken. Het formuleren van vragen is een diepgaande en betekenisvolle activiteit die leerlingen eigenaarschap over hun werk kan geven. Een goede manier om leerlingen te laten nadenken over hoe ze hun onderzoeksvraag kunnen visualiseren, is door een mindmap-storyboard te gebruiken.

Kopieer dit Storyboard

Kopieer dit Storyboard

Kopieer dit Storyboard

Laat leerlingen nadenken over vragen die ze over het heelal willen beantwoorden, of laat ze nadenken over vragen die ze over een bepaald onderwerp hebben. Alle vragen zijn goede vragen, maar sommige zijn makkelijker te testen dan andere.

2. Hypothese

Een hypothese staat bekend als een gefundeerde gok. Een hypothese moet een stelling zijn die wetenschappelijk kan worden getoetst. Kijk aan het einde van het experiment terug om te zien of de conclusie de hypothese ondersteunt of niet.

Het formuleren van goede hypothesen kan een uitdaging zijn voor studenten. Het is belangrijk om te onthouden dat een hypothese geen onderzoeksvraag is, maar een toetsbare stelling . Een manier om een hypothese te formuleren is door deze te formuleren als een "als... dan..."-stelling. Dit is zeker niet de enige of beste manier om een hypothese te formuleren, maar het kan een zeer eenvoudige formule zijn voor studenten om te gebruiken in het begin.

Een "als... dan..."-stelling vereist dat leerlingen eerst de variabelen identificeren, en dat kan de volgorde veranderen waarin ze de stappen van de visuele organizer doorlopen. Nadat de afhankelijke en onafhankelijke variabelen zijn geïdentificeerd, neemt de hypothese de vorm aan van: als [verandering in onafhankelijke variabele], dan [verandering in afhankelijke variabele].

Stel bijvoorbeeld dat een experiment het effect van cafeïne op de reactietijd onderzoekt, dan is de onafhankelijke variabele de hoeveelheid cafeïne en de afhankelijke variabele de reactietijd. De "als, dan"-hypothese zou kunnen zijn: als je de hoeveelheid cafeïne verhoogt, zal de reactietijd afnemen.

3. Uitleg van de hypothese

Wat bracht je tot deze hypothese? Wat is de wetenschappelijke achtergrond achter je hypothese? Afhankelijk van leeftijd en niveau gebruiken leerlingen hun voorkennis om uit te leggen waarom ze hun hypothese hebben gekozen, of doen ze onderzoek in boeken of op internet. Dit kan ook een goed moment zijn om met leerlingen te bespreken wat een betrouwbare bron is.

Studenten kunnen bijvoorbeeld verwijzen naar eerdere onderzoeken waaruit blijkt dat cafeïne een positief effect heeft op de alertheid, om uit te leggen waarom ze veronderstellen dat cafeïne-inname de reactietijd verkort.

4. Voorspelling

De voorspelling wijkt iets af van de hypothese. Een hypothese is een toetsbare bewering, terwijl de voorspelling specifieker is voor het experiment. Bij de ontdekking van de structuur van DNA stelde de hypothese dat DNA een helixstructuur heeft. De voorspelling was dat het röntgendiffractiepatroon van DNA een X-vorm zou hebben.

Leerlingen moeten een voorspelling formuleren die een specifieke, meetbare uitkomst is op basis van hun hypothese. In plaats van alleen te stellen dat "cafeïne de reactietijd verkort", zouden leerlingen kunnen voorspellen dat "het drinken van 2 blikjes frisdrank (90 mg cafeïne) de gemiddelde reactietijd met 50 milliseconden verkort in vergelijking met het drinken van geen cafeïne."

5. Identificatie van variabelen

Hieronder ziet u een voorbeeld van een discussiestoryboard. U kunt dit gebruiken om uw studenten te laten praten over variabelen in een experimenteel ontwerp.

Meer opties

Pas dit voorbeeld aan

Meer opties

Pas dit voorbeeld aan

6. Risicobeoordeling

Uiteindelijk moet dit worden goedgekeurd door een verantwoordelijke volwassene, maar het is belangrijk om leerlingen te laten nadenken over hoe ze zichzelf veilig kunnen houden. In dit onderdeel moeten leerlingen potentiële risico's identificeren en vervolgens uitleggen hoe ze die gaan minimaliseren. Een activiteit om leerlingen te helpen deze vaardigheden te ontwikkelen, is hen risico's in verschillende situaties te laten identificeren en beheersen. Gebruik het onderstaande storyboard en laat leerlingen de tweede kolom van de T-kaart invullen door te zeggen: "Wat is risico?", en vervolgens uit te leggen hoe ze dat risico zouden kunnen beheersen. Dit storyboard kan ook worden geprojecteerd voor een discussie in de klas.

Meer opties

Pas dit voorbeeld aan

7. Materialen

In dit onderdeel maken leerlingen een lijst van de materialen die ze nodig hebben voor de experimenten, inclusief eventuele veiligheidsuitrusting die ze in de risicobeoordeling als noodzakelijk hebben aangemerkt. Dit is een goed moment om met leerlingen te praten over het kiezen van geschikt gereedschap voor de klus. Je gaat een ander gereedschap gebruiken om de breedte van een haar te meten dan om de breedte van een voetbalveld te meten!

8. Algemeen plan en diagram

Het is belangrijk om met leerlingen over reproduceerbaarheid te praten. Ze moeten een procedure schrijven waarmee hun experimentele methode gemakkelijk door een andere wetenschapper kan worden gereproduceerd. De gemakkelijkste en meest beknopte manier voor leerlingen om dit te doen, is door een genummerde lijst met instructies te maken. Een nuttige activiteit hierbij zou kunnen zijn om leerlingen te laten uitleggen hoe ze een kop thee of een broodje maken. Speel het proces na en wijs op eventuele gemiste stappen.

Voor leerlingen die Engels als tweede taal leren en studenten die moeite hebben met geschreven Engels, kunnen studenten de stappen van hun experiment visueel beschrijven met behulp van Storyboard That.

Niet elk experiment heeft een diagram nodig, maar sommige plannen zullen aanzienlijk verbeteren door er een toe te voegen. Laat leerlingen zich concentreren op het maken van duidelijke en gemakkelijk te begrijpen diagrammen die de experimentele groep illustreren.

Een procedure om bijvoorbeeld het effect van zonlicht op plantengroei te testen met behulp van een volledig gerandomiseerd ontwerp zou het volgende kunnen omvatten:

1. Selecteer 10 vergelijkbare zaailingen van dezelfde leeftijd en variëteit
2. Bereid 2 identieke trays voor met hetzelfde grondmengsel
3. Plaats 5 planten in elke tray; label één set met 'zonlicht' en één set met 'schaduw'.
4. Plaats de zonnebak bij een raam op het zuiden en de schaduwbak in een donkere kast.
5. Geef beide bakken om de 2 dagen 50 ml water.
6. Na 3 weken de planten verwijderen en de hoogte in cm meten

9. Experiment uitvoeren

Zodra hun procedure is goedgekeurd, moeten de studenten hun geplande experiment zorgvuldig uitvoeren volgens hun schriftelijke instructies. Naarmate de gegevens worden verzameld, moeten de studenten de ruwe resultaten ordenen in tabellen, grafieken, foto's of tekeningen. Dit zorgt voor een duidelijke documentatie voor het analyseren van trends.

Enkele best practices voor gegevensverzameling zijn:

• Kwantitatieve gegevens numeriek vastleggen met eenheden
• Noteer kwalitatieve observaties met gedetailleerde beschrijvingen
• Leg de opstelling vast met illustraties of foto's
• Schrijf observaties van onverwachte gebeurtenissen
• Identificeer data-outliers en bronnen van fouten

Bij het experiment over plantengroei kunnen leerlingen bijvoorbeeld het volgende vastleggen: