Exploring the Art of Experimental Design: En Steg-för-steg-guide för Studenter och Lärare

Experimentell design för studenter

Experimentell design är en nyckelmetod som används i ämnen som biologi, kemi, fysik, psykologi och samhällsvetenskap. Det hjälper oss att ta reda på hur olika faktorer påverkar det vi studerar, oavsett om det är växter, kemikalier, fysiska lagar, mänskligt beteende eller hur samhället fungerar. I grund och botten är det ett sätt att sätta upp experiment så att vi kan testa idéer, se vad som händer och förstå våra resultat. Det är superviktigt för studenter och forskare som vill svara på stora frågor inom naturvetenskap och förstå världen bättre. Experimentell designfärdighet kan tillämpas i situationer som sträcker sig från problemlösning till dataanalys; de är breda och kan ofta användas utanför klassrummet. Undervisningen i dessa färdigheter är en mycket viktig del av naturvetenskaplig utbildning, men förbises ofta när man fokuserar på att lära ut innehållet. Som vetenskapspedagoger har vi alla sett fördelarna med praktiskt arbete för elevernas engagemang och förståelse. Men med de tidsbegränsningar som läggs på läroplanen, kan den tid som behövs för eleverna att utveckla dessa experimentella forskningsdesign och undersökande färdigheter pressas ut. Alltför ofta får de ett "recept" att följa, vilket inte tillåter dem att ta ägarskap över sitt praktiska arbete. Från en mycket ung ålder börjar de tänka på världen omkring dem. De ställer frågor och använder sedan observationer och bevis för att besvara dem. Elever tenderar att ha intelligenta, intressanta och testbara frågor som de älskar att ställa. Som utbildare bör vi arbeta för att uppmuntra dessa frågor och i sin tur vårda denna naturliga nyfikenhet i världen omkring dem.

Att lära ut design av experiment och låta eleverna utveckla sina egna frågor och hypoteser tar tid. Dessa material har skapats för att bygga upp och strukturera processen så att lärare kan fokusera på att förbättra nyckelidéerna i experimentell design. Att låta eleverna ställa sina egna frågor, skriva sina egna hypoteser och planera och genomföra sina egna undersökningar är en värdefull erfarenhet för dem. Detta kommer att leda till att eleverna får mer egenansvar för sitt arbete. När eleverna utför den experimentella metoden för sina egna frågor reflekterar de över hur forskare historiskt sett har kommit att förstå hur universum fungerar.

Fler alternativ

Kopiera Denna Storyboard

Start Free Trial

Ta en titt på de utskriftsvänliga sidorna och kalkylbladsmallarna nedan!

Vilka är stegen i experimentell design?

Att ge sig ut på den vetenskapliga upptäcktsresan börjar med att bemästra experimentella designsteg. Denna grundläggande process är avgörande för att formulera experiment som ger tillförlitliga och insiktsfulla resultat, vägleder både forskare och studenter genom detaljerad planering, experimentell forskningsdesign och genomförande av sina studier. Genom att använda en experimentell designmall kan deltagarna säkerställa integriteten och giltigheten av sina resultat. Oavsett om det är genom att designa ett vetenskapligt experiment eller engagera sig i experimentell designaktiviteter, är syftet att främja en djup förståelse för grunderna: Hur ska experiment utformas? Vilka är de 7 experimentella designstegen? Hur kan du designa ditt eget experiment?

Detta är en utforskning av de sju viktiga experimentella metodstegen, experimentella designidéer och sätt att integrera design av experiment. Studentprojekt kan dra stor nytta av kompletterande arbetsblad och vi kommer också att tillhandahålla resurser som arbetsblad som syftar till att lära ut experimentell design effektivt. Låt oss dyka in i de väsentliga stadierna som ligger till grund för processen att designa ett experiment, och utrusta eleverna med verktygen för att utforska sin vetenskapliga nyfikenhet.

1. Fråga

Detta är en viktig del av den vetenskapliga metoden och den experimentella designprocessen. Eleverna tycker om att ställa frågor. Att formulera frågor är en djup och meningsfull aktivitet som kan ge eleverna äganderätt över sitt arbete. Ett bra sätt att få eleverna att tänka på hur de ska visualisera sin forskningsfråga är att använda en tankekarta storyboard.

Kopiera Denna Storyboard

Kopiera Denna Storyboard

Kopiera Denna Storyboard

Be eleverna tänka på frågor de vill besvara om universum eller få dem att tänka på frågor de har om ett visst ämne. Alla frågor är bra frågor, men vissa är lättare att testa än andra.

2. Hypotes

En hypotes är känd som en utbildad gissning. En hypotes bör vara ett påstående som kan testas vetenskapligt. I slutet av experimentet, titta tillbaka för att se om slutsatsen stöder hypotesen eller inte.

Att skapa bra hypoteser kan vara en utmaning för eleverna att förstå. Det är viktigt att komma ihåg att hypotesen inte är en forskningsfråga, det är ett testbart påstående . Ett sätt att forma en hypotes är att forma den som ett "om... då..."-påstående. Detta är verkligen inte det enda eller bästa sättet att bilda en hypotes, men det kan vara en mycket enkel formel för elever att använda när de börjar.

En "om... då..."-sats kräver att eleverna identifierar variablerna först, och det kan ändra ordningen i vilken de slutför stadierna i den visuella organisatören. Efter att ha identifierat de beroende och oberoende variablerna tar hypotesen formen om [ändring i oberoende variabel], sedan [ändring i beroende variabel].

Till exempel, om ett experiment letade efter effekten av koffein på reaktionstiden, skulle den oberoende variabeln vara mängden koffein och den beroende variabeln skulle vara reaktionstiden. "Om, då"-hypotesen kan vara: Om du ökar mängden koffein som tas, kommer reaktionstiden att minska.

3. Förklaring av hypotesen

Vad ledde dig till denna hypotes? Vilken är den vetenskapliga bakgrunden bakom din hypotes? Beroende på ålder och förmåga använder eleverna sina förkunskaper för att förklara varför de har valt sina hypoteser, alternativt forskar med hjälp av böcker eller internet. Detta kan också vara ett bra tillfälle att diskutera med eleverna vad en pålitlig källa är.

Elever kan till exempel referera till tidigare studier som visar koffeins vakenhetseffekter för att förklara varför de antar att koffeinintag kommer att minska reaktionstiden.

4. Förutsägelse

Förutsägelsen skiljer sig något från hypotesen. En hypotes är ett testbart uttalande, medan förutsägelsen är mer specifik för experimentet. I upptäckten av DNA:s struktur föreslog hypotesen att DNA har en spiralformad struktur. Förutsägelsen var att röntgendiffraktionsmönstret för DNA skulle vara en X-form.

Eleverna bör formulera en förutsägelse som är ett specifikt, mätbart resultat baserat på deras hypotes. I stället för att bara säga "koffein kommer att minska reaktionstiden", kan eleverna förutsäga att "att dricka två burkar läsk (90 mg koffein) kommer att minska den genomsnittliga reaktionstiden med 50 millisekunder jämfört med att dricka inget koffein."

5. Identifiering av variabler

Nedan är ett exempel på en Discussion Storyboard som kan användas för att få dina elever att prata om variabler i experimentell design.

Fler alternativ

Kopiera Denna Storyboard

Fler alternativ

Kopiera Denna Storyboard

6. Riskbedömning

I slutändan måste detta undertecknas av en ansvarig vuxen, men det är viktigt att få eleverna att tänka på hur de ska skydda sig själva. I den här delen ska eleverna identifiera potentiella risker och sedan förklara hur de ska minimera riskerna. En aktivitet för att hjälpa eleverna att utveckla dessa färdigheter är att få dem att identifiera och hantera risker i olika situationer. Använd storyboarden nedan och få eleverna att slutföra den andra kolumnen i T-diagrammet genom att säga "Vad är risk?", och sedan förklara hur de kunde hantera den risken. Denna storyboard kan också projiceras för en klassdiskussion.

Fler alternativ

Kopiera Denna Storyboard

7. Material

I det här avsnittet kommer eleverna att lista det material de behöver för experimenten, inklusive all säkerhetsutrustning som de har markerat att de behöver i avsnittet om riskbedömning. Det här är ett bra tillfälle att prata med studenter om att välja verktyg som är lämpliga för jobbet. Du kommer att använda ett annat verktyg för att mäta bredden på ett hårstrå än att mäta bredden på en fotbollsplan!

8. Översiktsplan och diagram

Det är viktigt att prata med eleverna om reproducerbarhet. De bör skriva en procedur som gör att deras experimentella metod lätt kan reproduceras av en annan vetenskapsman. Det enklaste och mest kortfattade sättet för eleverna att göra detta är att göra en numrerad lista med instruktioner. En användbar aktivitet här kan vara att få eleverna att förklara hur man gör en kopp te eller en smörgås. Utför processen och peka på eventuella steg de har missat.

För engelska språkinlärare och elever som kämpar med skriftlig engelska kan eleverna beskriva stegen i sitt experiment visuellt med hjälp av Storyboard That.

Inte varje experiment behöver ett diagram, men vissa planer kommer att förbättras avsevärt genom att inkludera ett. Låt eleverna fokusera på att ta fram tydliga och lättförståeliga diagram som illustrerar experimentgruppen.

Till exempel, en procedur för att testa effekten av solljus på växttillväxt med helt randomiserad design kan detaljera:

1. Välj 10 liknande plantor av samma ålder och sort
2. Förbered 2 identiska brickor med samma jordblandning
3. Placera 5 plantor i varje bricka; märk en uppsättning "solljus" och en uppsättning "skugga"
4. Placera solljusbrickan vid ett fönster i söderläge och skugga bricka i en mörk garderob
5. Vattna båda brickorna med 50 ml vatten varannan dag
6. Efter 3 veckor, ta bort plantor och mät höjder i cm

9. Genomför experiment

När deras procedur har godkänts bör eleverna noggrant utföra sitt planerade experiment, följa deras skriftliga instruktioner. När data samlas in bör eleverna organisera de råa resultaten i tabeller, grafer, foton eller ritningar. Detta skapar tydlig dokumentation för att analysera trender.

Några bästa metoder för datainsamling inkluderar:

• Registrera kvantitativa data numeriskt med enheter
• Notera kvalitativa observationer med detaljerade beskrivningar
• Fånga inställd genom illustrationer eller foton
• Skriv observationer av oväntade händelser
• Identifiera avvikande data och felkällor

Till exempel, i växttillväxtexperimentet kunde eleverna spela in: