Design Experimental para Estudantes
O planejamento experimental é um método fundamental usado em disciplinas como biologia, química, física, psicologia e ciências sociais. Ele nos ajuda a descobrir como diferentes fatores afetam o que estamos estudando, sejam plantas, substâncias químicas, leis da física, comportamento humano ou como a sociedade funciona. Basicamente, é uma maneira de montar experimentos para que possamos testar ideias, ver o que acontece e dar sentido aos nossos resultados. É extremamente importante para estudantes e pesquisadores que desejam responder a grandes questões científicas e compreender melhor o mundo. Habilidades de planejamento experimental podem ser aplicadas em situações que vão da resolução de problemas à análise de dados; elas são abrangentes e frequentemente podem ser aplicadas fora da sala de aula. O ensino dessas habilidades é uma parte muito importante do ensino de ciências, mas frequentemente é negligenciado quando se concentra no ensino do conteúdo. Como educadores científicos, todos nós já vimos os benefícios que o trabalho prático traz para o engajamento e a compreensão dos alunos. No entanto, com as restrições de tempo impostas pelo currículo, o tempo necessário para que os alunos desenvolvam esse planejamento de pesquisa experimental e habilidades investigativas pode ser reduzido. Muitas vezes, recebem uma "receita" a seguir, o que os impede de assumir a responsabilidade pelo seu trabalho prático. Desde muito cedo, começam a refletir sobre o mundo ao seu redor. Fazem perguntas e, em seguida, usam observações e evidências para respondê-las. Os alunos tendem a ter perguntas inteligentes, interessantes e testáveis, que adoram fazer. Como educadores, devemos trabalhar para incentivar essas perguntas e, por sua vez, nutrir essa curiosidade natural pelo mundo ao seu redor.
Ensinar o planejamento de experimentos e permitir que os alunos desenvolvam suas próprias perguntas e hipóteses leva tempo. Estes materiais foram criados para estruturar e estruturar o processo, permitindo que os professores se concentrem em aprimorar as ideias-chave do planejamento experimental. Permitir que os alunos façam suas próprias perguntas, escrevam suas próprias hipóteses e planejem e realizem suas próprias investigações é uma experiência valiosa para eles. Isso fará com que os alunos se sintam mais responsáveis por seu trabalho. Ao aplicar o método experimental para suas próprias perguntas, os alunos refletem sobre como os cientistas historicamente compreenderam o funcionamento do universo.
Dê uma olhada nas páginas para impressão e nos modelos de planilhas abaixo!
Quais são as etapas do design experimental?
Embarcar na jornada da descoberta científica começa com o domínio das etapas do planejamento experimental. Esse processo fundamental é essencial para a formulação de experimentos que produzam resultados confiáveis e perspicazes, orientando pesquisadores e estudantes no planejamento detalhado, no planejamento da pesquisa experimental e na execução de seus estudos. Ao utilizar um modelo de planejamento experimental, os participantes podem garantir a integridade e a validade de suas descobertas. Seja projetando um experimento científico ou participando de atividades de planejamento experimental, o objetivo é promover uma compreensão profunda dos fundamentos: como os experimentos devem ser planejados? Quais são as 7 etapas do planejamento experimental? Como você pode planejar seu próprio experimento?
Esta é uma exploração das sete principais etapas do método experimental, ideias de planejamento experimental e maneiras de integrar o planejamento de experimentos. Os projetos dos alunos podem se beneficiar muito de planilhas suplementares, e também forneceremos recursos como planilhas destinadas a ensinar planejamento experimental de forma eficaz. Vamos nos aprofundar nas etapas essenciais que sustentam o processo de planejamento de um experimento, equipando os alunos com as ferramentas para explorar sua curiosidade científica.
1. Pergunta
Esta é uma parte fundamental do método científico e do processo de design experimental. Os alunos gostam de formular perguntas. Formular perguntas é uma atividade profunda e significativa que pode dar aos alunos a responsabilidade pelo seu trabalho. Uma ótima maneira de fazer os alunos pensarem em como visualizar sua pergunta de pesquisa é usar um storyboard de mapa mental.
Peça aos alunos que pensem em perguntas que queiram responder sobre o universo ou peça que pensem em perguntas que tenham sobre um tópico específico. Todas as perguntas são boas, mas algumas são mais fáceis de testar do que outras.
2. Hipótese
Uma hipótese é conhecida como um palpite fundamentado. Uma hipótese deve ser uma afirmação que possa ser testada cientificamente. Ao final do experimento, analise novamente para verificar se a conclusão corrobora a hipótese ou não.
Formular boas hipóteses pode ser desafiador para os alunos. É importante lembrar que a hipótese não é uma questão de pesquisa, mas sim uma afirmação testável . Uma maneira de formular uma hipótese é formulá-la como uma afirmação do tipo "se... então...". Esta certamente não é a única nem a melhor maneira de formular uma hipótese, mas pode ser uma fórmula muito fácil para os alunos usarem ao começar.
Uma declaração "se... então..." exige que os alunos identifiquem as variáveis primeiro, e isso pode alterar a ordem em que concluem as etapas do organizador visual. Após identificar as variáveis dependentes e independentes, a hipótese assume a forma se [mudança na variável independente], então [mudança na variável dependente].
Por exemplo, se um experimento estivesse buscando o efeito da cafeína no tempo de reação, a variável independente seria a quantidade de cafeína e a variável dependente seria o tempo de reação. A hipótese "se, então" poderia ser: se você aumentar a quantidade de cafeína ingerida, o tempo de reação diminuirá.
3. Explicação da Hipótese
O que o levou a essa hipótese? Qual é o embasamento científico por trás da sua hipótese? Dependendo da idade e da capacidade, os alunos usam seus conhecimentos prévios para explicar por que escolheram suas hipóteses ou, alternativamente, pesquisam em livros ou na internet. Este também pode ser um bom momento para discutir com os alunos o que é uma fonte confiável.
Por exemplo, os alunos podem consultar estudos anteriores que mostram os efeitos da cafeína no estado de alerta para explicar por que eles acreditam que a ingestão de cafeína reduzirá o tempo de reação.
4. Previsão
A previsão é ligeiramente diferente da hipótese. Uma hipótese é uma afirmação testável, enquanto a previsão é mais específica ao experimento. Na descoberta da estrutura do DNA, a hipótese propôs que o DNA tem uma estrutura helicoidal. A previsão era que o padrão de difração de raios X do DNA teria a forma de um X.
Os alunos devem formular uma previsão que represente um resultado específico e mensurável com base em suas hipóteses. Em vez de simplesmente afirmar que "a cafeína diminuirá o tempo de reação", os alunos podem prever que "beber 2 latas de refrigerante (90 mg de cafeína) reduzirá o tempo médio de reação em 50 milissegundos em comparação com não beber cafeína".
5. Identificação de Variáveis
Abaixo está um exemplo de um Storyboard de Discussão que pode ser usado para fazer seus alunos falarem sobre variáveis no design experimental.
Os três tipos de variáveis que você precisará discutir com seus alunos são variáveis dependentes, independentes e controladas . Para simplificar, chame-as de "o que você vai medir", "o que você vai mudar" e "o que você vai manter". Com alunos mais avançados, você deve incentivá-los a usar o vocabulário correto.
Variáveis dependentes são o que é medido ou observado pelo cientista. Essas medições serão frequentemente repetidas, pois medições repetidas tornam seus dados mais confiáveis.
As variáveis independentes são variáveis que os cientistas decidem alterar para verificar o efeito que elas têm na variável dependente. Apenas uma é escolhida porque seria difícil descobrir qual variável está causando qualquer alteração observada.
Variáveis controladas são grandezas ou fatores que os cientistas desejam que permaneçam constantes ao longo do experimento. Elas são controladas para permanecerem constantes, de modo a não afetar a variável dependente. Controlá-las permite que os cientistas vejam como a variável independente afeta a variável dependente dentro do grupo experimental.
Use o exemplo abaixo em suas aulas ou exclua as respostas e defina-o como uma atividade para os alunos completarem no Storyboard That.
| Como a temperatura afeta a quantidade de açúcar que pode ser dissolvida na água | |
|---|---|
| Variável Independente | Temperatura da água
(Intervalo de 5 amostras diferentes a 10°C, 20°C, 30°C, 40°C e 50°C) |
| Variável Dependente | A quantidade de açúcar que pode ser dissolvida na água, medida em colheres de chá. |
| Variáveis Controladas |
|
6. Avaliação de Risco
Em última análise, isso deve ser aprovado por um adulto responsável, mas é importante fazer com que os alunos pensem em como se manterão seguros. Nesta parte, os alunos devem identificar os riscos potenciais e, em seguida, explicar como irão minimizá-los. Uma atividade para ajudar os alunos a desenvolver essas habilidades é fazê-los identificar e gerenciar riscos em diferentes situações. Usando o storyboard abaixo, peça aos alunos que completem a segunda coluna do gráfico T perguntando "O que é risco?" e, em seguida, explicando como poderiam gerenciar esse risco. Este storyboard também pode ser projetado para uma discussão em sala de aula.
7. Materiais
Nesta seção, os alunos listarão os materiais necessários para os experimentos, incluindo quaisquer equipamentos de segurança que tenham destacado como necessários na seção de avaliação de riscos. Este é um ótimo momento para conversar com os alunos sobre a escolha de ferramentas adequadas para o trabalho. Você usará uma ferramenta diferente para medir a largura de um fio de cabelo do que para medir a largura de um campo de futebol!
8. Planta Geral e Diagrama
É importante conversar com os alunos sobre reprodutibilidade. Eles devem escrever um procedimento que permita que seu método experimental seja facilmente reproduzido por outro cientista. A maneira mais fácil e concisa de os alunos fazerem isso é elaborar uma lista numerada de instruções. Uma atividade útil aqui pode ser pedir que os alunos expliquem como fazer uma xícara de chá ou um sanduíche. Encene o processo, apontando quaisquer etapas que tenham esquecido.
Para alunos que estão aprendendo inglês e que têm dificuldades com o inglês escrito, os alunos podem descrever as etapas do experimento visualmente usando Storyboard That.
Nem todo experimento precisará de um diagrama, mas alguns planos serão bastante aprimorados com a inclusão de um. Peça aos alunos que se concentrem em produzir diagramas claros e fáceis de entender que ilustrem o grupo experimental.
Por exemplo, um procedimento para testar o efeito da luz solar no crescimento das plantas utilizando um delineamento inteiramente casualizado poderia detalhar:
- Selecione 10 mudas semelhantes da mesma idade e variedade
- Prepare 2 bandejas idênticas com a mesma mistura de solo
- Coloque 5 plantas em cada bandeja; rotule um conjunto como "luz solar" e o outro como "sombra".
- Posicione a bandeja de luz solar perto de uma janela voltada para o sul e a bandeja de sombra em um armário escuro
- Regue ambas as bandejas com 50 mL de água a cada 2 dias
- Após 3 semanas, remova as plantas e meça as alturas em cm
9. Realizar experimento
Após a aprovação do procedimento, os alunos devem executar cuidadosamente o experimento planejado, seguindo as instruções escritas. À medida que os dados são coletados, os alunos devem organizar os resultados brutos em tabelas, gráficos, fotos ou desenhos. Isso cria uma documentação clara para a análise de tendências.
Algumas práticas recomendadas para coleta de dados incluem:
- Registre dados quantitativos numericamente com unidades
- Observe observações qualitativas com descrições detalhadas
- Captura de configuração por meio de ilustrações ou fotos
- Escreva observações de eventos inesperados
- Identificar dados discrepantes e fontes de erro
Por exemplo, no experimento de crescimento da planta, os alunos podem registrar:
| Grupo | Luz solar | Luz solar | Luz solar | Sombra | Sombra |
|---|---|---|---|---|---|
| Identificação da planta | 1 | 2 | 3 | 1 | 2 |
| Altura inicial | 5 cm | 4 cm | 5 cm | 6 cm | 4 cm |
| Altura final | 18 cm | 17 cm | 19 cm | 9 cm | 8 cm |
Eles também descreveriam observações como mudança de cor das folhas ou curvatura direcional visualmente ou por escrito.
É crucial que os alunos pratiquem procedimentos científicos seguros. A supervisão de um adulto é necessária para a experimentação, juntamente com uma avaliação de risco adequada.
A coleta de dados bem documentada permite uma análise mais profunda após a conclusão do experimento para determinar se as hipóteses e previsões foram confirmadas.
Exemplos concluídos
Recursos e Exemplos de Design Experimental
Usar organizadores visuais é uma maneira eficaz de fazer com que seus alunos trabalhem como cientistas na sala de aula.
Há muitas maneiras de usar essas ferramentas de planejamento de investigação para estruturar e estruturar o trabalho dos alunos enquanto eles trabalham como cientistas. Os alunos podem concluir a etapa de planejamento no Storyboard That usando as caixas de texto e diagramas, ou você pode imprimi-los e pedir que os alunos os completem à mão. Outra ótima maneira de usá-los é projetar a folha de planejamento em uma lousa interativa e trabalhar como preencher os materiais de planejamento em grupo. Projete-a em uma tela e peça aos alunos que escrevam suas respostas em post-its e coloquem suas ideias na seção correta do documento de planejamento.
Alunos muito jovens ainda podem começar a pensar como cientistas! Eles têm muitas perguntas sobre o mundo ao seu redor, e você pode começar a anotá-las em um mapa mental. Às vezes, você pode até começar a "investigar" essas perguntas brincando.
O recurso básico é destinado a alunos do ensino fundamental ou que precisam de mais suporte. Ele foi projetado para seguir exatamente o mesmo processo dos recursos avançados, porém com um pouco mais de facilidade. A principal diferença entre os dois recursos são os detalhes que os alunos precisam considerar e o vocabulário técnico utilizado. Por exemplo, é importante que os alunos identifiquem as variáveis ao planejar suas investigações. Na versão avançada, os alunos não apenas precisam identificar as variáveis, mas também fazer outros comentários, como, por exemplo, como irão medir a variável dependente ou utilizar um delineamento inteiramente casualizado. Além da diferença na estrutura entre os dois níveis de recursos, você pode querer diferenciar ainda mais pela forma como os alunos são apoiados por professores e assistentes em sala de aula.
Os alunos também podem ser incentivados a tornar seu plano experimental mais fácil de entender usando gráficos, e isso também pode ser usado para dar suporte aos ELLs.
Estratégias eficazes de avaliação para design experimental em educação
Os alunos precisam ser avaliados em suas habilidades de investigação científica, juntamente com a avaliação de seus conhecimentos. Isso não só permitirá que os alunos se concentrem no desenvolvimento de suas habilidades, mas também permitirá que usem as informações da avaliação de uma forma que os ajudará a melhorar suas habilidades científicas. Usando Quick Rubric , você pode criar uma estrutura de avaliação rápida e fácil e compartilhá-la com os alunos para que eles saibam como ter sucesso em cada etapa. Além de fornecer uma avaliação formativa que impulsionará o aprendizado, isso também pode ser usado para avaliar o trabalho do aluno no final de uma investigação e definir metas para quando eles tentarem planejar sua própria investigação. As rubricas foram escritas de forma a permitir que os alunos as acessem facilmente. Dessa forma, elas podem ser compartilhadas com os alunos enquanto eles trabalham no processo de planejamento, para que os alunos saibam como é um bom projeto experimental.
Recursos para impressão
Atividades relacionadas
Planilhas adicionais
Se você deseja adicionar projetos adicionais ou continuar personalizando suas planilhas, confira abaixo os diversos modelos de páginas que compilamos para você. Cada planilha pode ser copiada e adaptada aos seus projetos ou alunos! Os alunos também podem ser incentivados a criar as suas próprias, caso queiram tentar organizar as informações de uma forma fácil de entender.
Como Ensinar aos Alunos o Design de Experimentos
Estimule o questionamento e a curiosidade
Promova uma cultura de investigação, incentivando os alunos a fazerem perguntas sobre o mundo ao seu redor.
Formule hipóteses testáveis
Ensine os alunos a desenvolver hipóteses que possam ser testadas cientificamente. Ajude-os a entender a diferença entre uma hipótese e uma pergunta.
Fornecer embasamento científico
Ajude os alunos a entender os princípios e conceitos científicos relevantes para suas hipóteses. Incentive-os a recorrer a conhecimentos prévios ou a realizar pesquisas para apoiar suas hipóteses.
Identificar variáveis
Ensine os alunos sobre os três tipos de variáveis (dependentes, independentes e controladas) e como elas se relacionam com o planejamento experimental. Enfatize a importância de controlar as variáveis e medir a variável dependente com precisão.
Planejar e diagramar o experimento
Orientar os alunos no desenvolvimento de um procedimento experimental claro e reprodutível. Incentive-os a criar um plano passo a passo ou usar diagramas visuais para ilustrar o processo.
Faça o experimento e analise os dados
Apoie os alunos enquanto conduzem o experimento de acordo com seu plano. Oriente-os na coleta de dados de maneira significativa e organizada. Ajude-os a analisar os dados e tirar conclusões com base em suas descobertas.
Perguntas frequentes sobre design experimental para estudantes
Quais são algumas ferramentas e técnicas comuns de design experimental que os alunos podem usar?
As ferramentas e técnicas comuns de design experimental que os alunos podem usar incluem atribuição aleatória, grupos de controle, cegueira, replicação e análise estatística. Os alunos também podem usar estudos observacionais, pesquisas e experimentos com projetos naturais ou quase-experimentais. Eles também podem usar ferramentas de visualização de dados para analisar e apresentar seus resultados.
Como o design experimental pode ajudar os alunos a desenvolver habilidades de pensamento crítico?
O design experimental ajuda os alunos a desenvolver habilidades de pensamento crítico, incentivando-os a pensar sistemática e logicamente sobre problemas científicos. Exige que os alunos analisem dados, identifiquem padrões e tirem conclusões com base em evidências. Também ajuda os alunos a desenvolver habilidades de resolução de problemas, oferecendo oportunidades para projetar e conduzir experimentos para testar hipóteses.
Como o design experimental pode ser usado para resolver problemas do mundo real?
O design experimental pode ser usado para abordar problemas do mundo real, identificando variáveis que contribuem para um determinado problema e testando intervenções para ver se são eficazes na resolução do problema. Por exemplo, o desenho experimental pode ser usado para testar a eficácia de novos tratamentos médicos ou para avaliar o impacto de intervenções sociais na redução da pobreza ou na melhoria dos resultados educacionais.
Quais são algumas armadilhas comuns de design experimental que os alunos devem evitar?
As armadilhas comuns de design experimental que os alunos devem evitar incluem não controlar variáveis, usar amostras tendenciosas, confiar em evidências anedóticas e não medir variáveis dependentes com precisão. Os alunos também devem estar cientes das considerações éticas ao conduzir experimentos, como obter consentimento informado e proteger a privacidade dos sujeitos da pesquisa.
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