Guide Till Experimentell Design för Studenter och Lärare

Experimentell design för studenter

Experimentell design är en viktig metod som används i ämnen som biologi, kemi, fysik, psykologi och samhällsvetenskap. Den hjälper oss att förstå hur olika faktorer påverkar det vi studerar, oavsett om det är växter, kemikalier, fysikaliska 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 vetenskapen och förstå världen bättre. Experimentell design kan tillämpas i situationer som sträcker sig från problemlösning till dataanalys; de är omfattande och kan ofta tillämpas utanför klassrummet. Undervisningen i dessa färdigheter är en mycket viktig del av naturvetenskaplig utbildning, men förbises ofta när den fokuserar på att undervisa i innehållet. Som naturvetenskapslärare har vi alla sett fördelarna som praktiskt arbete har för elevernas engagemang och förståelse. Men med de tidsbegränsningar som finns i läroplanen kan den tid som behövs för att eleverna ska utveckla dessa experimentella forskningsdesign- och undersökningsfärdigheter bli knapp. Alltför ofta får de ett "recept" att följa, vilket inte tillåter dem att ta ansvar för sitt praktiska arbete. Redan från en mycket ung ålder börjar de tänka på världen omkring sig. 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 lärare bör vi arbeta för att uppmuntra dessa frågor och i sin tur vårda denna naturliga nyfikenhet på världen omkring dem.

Att undervisa i experimentdesign och låta eleverna utveckla sina egna frågor och hypoteser tar tid. Dessa material har skapats för att stödja och strukturera processen så att lärarna kan fokusera på att förbättra de viktigaste idéerna i experimentdesignen. 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 ägarskap över sitt arbete. När eleverna använder 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 arbetsbladsmallarna nedan!

Vilka är stegen i experimentell design?

Att påbörja en vetenskaplig upptäcktsresa börjar med att bemästra stegen i experimentell design. Denna grundläggande process är avgörande för att formulera experiment som ger tillförlitliga och insiktsfulla resultat, och vägleder både forskare och studenter genom detaljerad planering, experimentell forskningsdesign och genomförande av sina studier. Genom att använda en mall för experimentell design kan deltagarna säkerställa integriteten och giltigheten i sina resultat. Oavsett om det är genom att utforma ett vetenskapligt experiment eller genom att delta i experimentell design, är målet att främja en djup förståelse av grunderna: Hur bör experiment utformas? Vilka är de 7 stegen i experimentell design? Hur kan du designa ditt eget experiment?

Detta är en utforskning av de sju viktigaste stegen i experimentell metod, idéer för experimentell design och sätt att integrera experimentdesign. Studentprojekt kan dra stor nytta av kompletterande arbetsblad och vi kommer också att tillhandahålla resurser som arbetsblad som syftar till att effektivt undervisa i experimentell design. Låt oss dyka in i de viktigaste stegen 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 komma på frågor. Att formulera frågor är en djupgående och meningsfull aktivitet som kan ge eleverna ägarskap över sitt arbete. Ett bra sätt att få eleverna att tänka på hur de ska visualisera sin forskningsfråga är att använda en mindmap-storyboard.

Kopiera Denna Storyboard

Kopiera Denna Storyboard

Kopiera Denna Storyboard

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

Ett "om... då..."-uttryck kräver att eleverna först identifierar variablerna, och det kan ändra den ordning i vilken de slutför stegen i den visuella organisatören. Efter att ha identifierat de beroende och oberoende variablerna tar hypotesen formen om [förändring i oberoende variabel], då [förändring i beroende variabel].

Om ett experiment till exempel undersökte effekten av koffein på reaktionstiden, skulle den oberoende variabeln vara mängden koffein och den beroende variabeln vara reaktionstiden. "Om, då"-hypotesen skulle kunna vara: Om du ökar mängden koffein som intas, kommer reaktionstiden att minska.

3. Förklaring av hypotesen

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

Till exempel kan eleverna hänvisa till tidigare studier som visar koffeins effekter på vakenhet 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 påstående, medan förutsägelsen är mer specifik för experimentet. I upptäckten av DNA:s struktur föreslog hypotesen att DNA har en spiralformad struktur. Förutsägelsen var att DNA:ts röntgendiffraktionsmönster skulle ha en X-form.

Eleverna ska formulera en förutsägelse som är ett specifikt, mätbart utfall baserat på deras hypotes. Istället för att bara säga "koffein minskar reaktionstiden" kan eleverna förutsäga att "att dricka 2 burkar läsk (90 mg koffein) minskar den genomsnittliga reaktionstiden med 50 millisekunder jämfört med att inte dricka koffein alls".

5. Identifiering av variabler

Nedan följer ett exempel på en diskussionsstoryboard 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 godkännas av en ansvarsfull vuxen, men det är viktigt att få eleverna att tänka på hur de ska hålla sig säkra. I den här delen ska eleverna identifiera potentiella risker och sedan förklara hur de ska minimera risken. En aktivitet som hjälper eleverna att utveckla dessa färdigheter är att få dem att identifiera och hantera risker i olika situationer. Använd storyboarden nedan och låt eleverna fylla i den andra kolumnen i T-diagrammet genom att säga "Vad är risk?" och sedan förklara hur de kan hantera den risken. Denna storyboard kan också användas för en klassdiskussion.

Fler alternativ

Kopiera Denna Storyboard

7. Material

I det här avsnittet listar eleverna de material de behöver för experimenten, inklusive all säkerhetsutrustning som de har markerat som nödvändig i riskbedömningsavsnittet. Det här är ett bra tillfälle att prata med eleverna om att välja verktyg som är lämpliga för jobbet. Ni ska använda ett annat verktyg för att mäta bredden på ett hårstrå än för 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 enkelt kan reproduceras av en annan forskare. Det enklaste och mest koncisa sättet för eleverna att göra detta är genom att skapa 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. Spela upp processen och peka ut eventuella steg de har missat.

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

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

Till exempel skulle en procedur för att testa effekten av solljus på växttillväxt med hjälp av helt randomiserad design kunna beskriva följande:

1. Välj 10 liknande plantor av samma ålder och sort
2. Förbered två 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 söderläge fönster och skuggbrickan i en mörk garderob
5. Vattna båda brickorna med 50 ml vatten varannan dag
6. Efter 3 veckor, ta bort växterna och mät höjden i cm

9. Utför experimentet

När deras procedur är godkänd ska eleverna noggrant utföra sitt planerade experiment och följa deras skriftliga instruktioner. Allt eftersom data samlas in ska eleverna organisera rådata 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 uppsättningar genom illustrationer eller foton
• Skriv observationer av oväntade händelser
• Identifiera dataavvikelser och felkällor

Till exempel, i växttillväxtexperimentet kan eleverna registrera: