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Design Sperimentale

Insegnare Agli Studenti il ​​Design of Experiments

Per Oliver Smith

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Design sperimentale per gli studenti


La scienza è una miscela di conoscenze e abilità storicamente accumulate. Queste abilità pratiche vanno dalla risoluzione dei problemi all'analisi dei dati; sono di vasta portata e possono essere frequentemente applicati al di fuori della classe. L'insegnamento di queste abilità è una parte molto importante dell'educazione scientifica, ma viene spesso trascurato quando focalizzato sull'insegnamento del contenuto. Come educatori di scienze, abbiamo visto tutti i benefici del lavoro pratico per l'impegno e la comprensione degli studenti. Tuttavia, con i vincoli di tempo posti nel curriculum, il tempo necessario agli studenti per sviluppare queste abilità investigative può essere ridotto. Troppo spesso diamo agli studenti una "ricetta" da seguire, che non consente agli studenti di assumere la proprietà del loro lavoro pratico. Fin dalla tenera età, gli studenti iniziano a pensare al mondo che li circonda. Pongono domande, quindi usano le osservazioni e le prove per rispondere. Gli studenti tendono ad avere domande intelligenti, interessanti e verificabili che amano porre. Come educatori, dovremmo lavorare per incoraggiare queste domande e, a sua volta, coltivare questa naturale curiosità nel mondo che li circonda.

Insegnare la progettazione di esperimenti e lasciare che gli studenti sviluppino le proprie domande e ipotesi richiede tempo. Questi materiali sono stati creati per impalcare e strutturare il processo per consentire agli insegnanti di concentrarsi sul miglioramento delle idee chiave nella progettazione sperimentale. Permettere agli studenti di porre le proprie domande, scrivere le proprie ipotesi, pianificare e svolgere le proprie indagini è un'esperienza preziosa per loro. Ciò porterà gli studenti ad avere più proprietà del proprio lavoro. Quando gli studenti eseguono il metodo sperimentale per le proprie domande, riflettono su come gli scienziati hanno storicamente capito come funziona l'universo.



Design an Experiment  

Dai un'occhiata alle pagine stampabili e ai modelli di fogli di lavoro qui sotto!

Fasi di progettazione sperimentale

1. Domanda

Questa è una parte fondamentale del metodo scientifico e del processo di progettazione sperimentale. Agli studenti piace fare domande. La formulazione di domande è un'attività profonda e significativa che può dare agli studenti la proprietà sul proprio lavoro. Un ottimo modo per indurre gli studenti a pensare di visualizzare le loro domande è usare uno storyboard della mappa mentale.




Design an Experiment  

Chiedi agli studenti di pensare a qualsiasi domanda a cui vogliono rispondere sull'universo o di far loro pensare a domande che hanno su un particolare argomento. Tutte le domande sono buone domande, ma alcune sono più facili da testare rispetto ad altre.


2. Ipotesi

Un'ipotesi è conosciuta come un'ipotesi colta. Un'ipotesi dovrebbe essere un'affermazione che può essere verificata scientificamente. Alla fine dell'esperimento, guarda indietro per vedere se la conclusione supporta o no l'ipotesi. Formare buone ipotesi può essere difficile da comprendere per gli studenti. È importante ricordare che l' ipotesi non è una domanda, è un'affermazione verificabile .

Un modo di formare un'ipotesi è formarla come un'affermazione "se ... allora ...". Questo certamente non è l'unico o il modo migliore per formulare un'ipotesi, ma può essere una formula molto semplice da usare per gli studenti al primo avvio. Un'istruzione "if ... then ..." richiede che gli studenti identifichino prima le variabili e ciò potrebbe cambiare l'ordine in cui completano le fasi dell'organizzatore visivo.

Dopo aver identificato le variabili, l'ipotesi assume quindi la forma se [modifica in variabile indipendente], quindi [modifica in variabile dipendente]. Ad esempio, se un esperimento stesse cercando l'effetto della caffeina sul tempo di reazione, la variabile indipendente sarebbe la quantità di caffeina e la variabile dipendente sarebbe il tempo di reazione. L'ipotesi "if, then" potrebbe essere: Se aumenti 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 dietro la tua ipotesi? A seconda dell'età e delle capacità, gli studenti usano le loro conoscenze pregresse per spiegare perché hanno scelto le loro ipotesi o, in alternativa, la ricerca usando libri o Internet. Questo potrebbe anche essere un buon momento per discutere con gli studenti quale sia una fonte affidabile.


4. Previsione

La previsione è leggermente diversa dall'ipotesi. Un'ipotesi è un'affermazione verificabile, mentre la previsione è più specifica dell'esperimento. Nella scoperta della struttura del DNA, l'ipotesi ha proposto che il DNA abbia una struttura elicoidale. La previsione era che il modello di diffrazione dei raggi X del DNA sarebbe una forma a X.


5. Identificazione delle variabili

Di seguito è riportato un esempio di Storyboard di discussione che può essere utilizzato per indurre gli studenti a parlare delle variabili nella progettazione sperimentale.



Design an Experiment  

I tre tipi di variabili che dovrai discutere con i tuoi studenti sono variabili dipendenti, indipendenti e controllate . Per semplificare questo, fai riferimento a questi come "cosa misurerai", "cosa cambierai" e "cosa manterrai lo stesso". Con studenti più avanzati, dovresti incoraggiarli a usare il vocabolario corretto.

Le variabili dipendenti sono ciò che viene misurato o osservato dallo scienziato. Queste misurazioni vengono spesso ripetute perché misurazioni ripetute rendono i dati più affidabili.

La variabile indipendente è una variabile che gli scienziati decidono di modificare per vedere quale effetto ha sulla variabile dipendente. Ne viene scelto solo uno perché sarebbe difficile capire quale variabile sta causando qualsiasi cambiamento tu osservi.

Le variabili controllate sono quantità o fattori che gli scienziati vogliono rimanere invariati durante l'esperimento. Sono controllati per rimanere costanti, in modo da non influenzare la variabile dipendente. Il controllo di questi consente agli scienziati di vedere come la variabile indipendente influisce sulla variabile dipendente.

Usa questo esempio di seguito nelle tue lezioni o elimina le risposte e impostale come attività da completare per gli studenti su Storyboard That.

In che modo la temperatura influisce sulla quantità di zucchero che può essere sciolta in acqua
Variabile indipendente Temperatura dell'acqua
(Range 5 diversi campioni a 10 ° C, 20 ° C, 30 ° C, 40 ° C e 50 ° C)
Variabile dipendente La quantità di zucchero che può essere dissolta nell'acqua, misurata in cucchiaini da tè.
Variabili controllate
  • Volume d'acqua (500 ml - misurato con un cilindro graduato)
  • Tipo di acqua (preleva l'acqua dallo stesso rubinetto)
  • Se l'acqua viene agitata o no
  • Tipo di zucchero
  • Granulometria dello zucchero



Design an Experiment  

6. Valutazione del rischio

In definitiva, questo deve essere firmato da un adulto responsabile, ma è importante indurre gli studenti a pensare a come si manterranno al sicuro. In questa parte, gli studenti dovrebbero identificare i rischi potenziali e quindi spiegare come minimizzeranno il rischio. Un'attività per aiutare gli studenti a sviluppare queste abilità è quella di indurli a identificare e gestire i rischi in diverse situazioni. Usando lo storyboard di seguito, fai in modo che gli studenti completino la seconda colonna della T-chart dicendo "Cos'è il rischio?", Quindi spiegando come potrebbero gestirlo. Questo storyboard potrebbe anche essere proiettato per una discussione di classe.



Design an Experiment  

7. Materiali

In questa sezione, gli studenti elencheranno i materiali di cui hanno bisogno per gli esperimenti, comprese le attrezzature di sicurezza che hanno evidenziato come necessarie nella sezione di valutazione del rischio. È un ottimo momento per parlare con gli studenti della scelta degli strumenti adatti al lavoro. Utilizzerai uno strumento diverso per misurare la larghezza di un capello che per misurare la larghezza di un campo di calcio!


8. Piano generale e diagramma

È importante parlare con gli studenti della riproducibilità. Dovrebbero scrivere una procedura che consenta di riprodurre facilmente il loro metodo sperimentale da un altro scienziato. Il modo più semplice e conciso per gli studenti è quello di creare un elenco numerato di istruzioni. Un'attività utile qui potrebbe essere quella di indurre gli studenti a spiegare come preparare una tazza di tè o un panino. Attuare il processo, sottolineando tutti i passaggi che hanno perso.

Per gli studenti di lingua inglese e gli studenti che lottano con l'inglese scritto, gli studenti possono descrivere visivamente i passaggi del loro esperimento usando Storyboard That.

Non tutti gli esperimenti avranno bisogno di un diagramma, ma alcuni piani saranno notevolmente migliorati includendone uno. Chiedi agli studenti di concentrarsi sulla produzione di diagrammi chiari e di facile comprensione.


9. Esegui esperimento

Gli studenti seguono quindi il loro piano ed eseguono l'esperimento. È importante che gli studenti raccolgano i loro risultati in modo significativo e di facile comprensione. I dati sono spesso registrati in una tabella, ma potrebbero anche essere fatti con fotografie, disegni di osservazioni o una combinazione. Può essere utile che gli studenti scrivano eventuali difficoltà e problemi che hanno avuto durante l'esecuzione dell'esperimento. Questo potrebbe aiutare in seguito con la valutazione del loro metodo sperimentale.

È importante ricordare che tutti gli esperimenti che gli studenti progettano dovrebbero essere accuratamente valutati dal rischio dall'adulto responsabile prima di consentire a qualsiasi studente di svolgere il proprio lavoro pratico.


Dopo aver completato la procedura dell'esperimento, gli studenti analizzano i dati, traggono conclusioni e quindi condividono i loro risultati. A seconda del livello dello studente, potrebbe trattarsi di un rapporto di laboratorio formale, grafici, discussioni in classe o altri metodi.


Esempi completati




Design an Experiment  

Risorse ed esempi di progettazione sperimentale

L'uso degli organizzatori visivi è un modo efficace per far lavorare i tuoi studenti come scienziati in classe.

Esistono molti modi per utilizzare questi strumenti di pianificazione delle indagini per impilare 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 fare in modo che gli studenti li completino manualmente. Un altro ottimo modo per usarli è proiettare il foglio di pianificazione su una lavagna interattiva e lavorare su come completare i materiali di pianificazione come gruppo. Proiettalo su uno schermo e chiedi agli studenti di scrivere le loro risposte su foglietti adesivi e di inserire le loro idee nella sezione corretta del documento di pianificazione.

Gli studenti molto giovani possono ancora iniziare a pensare come scienziati! Hanno un sacco di domande sul mondo che li circonda e puoi iniziare a prenderne nota in una mappa mentale. A volte puoi persino iniziare a "investigare" queste domande attraverso il gioco.

La risorsa di base è destinata a studenti elementari o studenti che necessitano di maggiore supporto. È progettato per seguire esattamente lo stesso processo delle risorse più elevate, ma è leggermente più semplice. La differenza chiave tra le due risorse sono i dettagli a cui gli studenti sono tenuti a pensare e il vocabolario tecnico utilizzato. Ad esempio, è importante che gli studenti identifichino le variabili quando progettano le loro indagini. Nella versione superiore, gli studenti non devono solo identificare le variabili, ma anche fare altri commenti, come il modo in cui misureranno la variabile dipendente. Oltre alla differenza di impalcature tra i due livelli di risorse, potresti voler differenziare ulteriormente il modo in cui gli studenti sono supportati da insegnanti e assistenti nella stanza.

Gli studenti potrebbero anche essere incoraggiati a rendere più comprensibile il loro piano sperimentale usando la grafica, e questo potrebbe anche essere usato per supportare ELL.




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Valutazione

Gli studenti devono essere valutati in base alle loro capacità di indagine scientifica insieme alla valutazione delle loro conoscenze. Ciò non solo consentirà agli studenti di concentrarsi sullo sviluppo delle loro capacità, ma consentirà anche loro di utilizzare le informazioni di valutazione in un modo che li aiuterà a migliorare le loro abilità scientifiche. Usando Quick Rubric , puoi creare un framework di valutazione semplice e rapido e condividerlo con gli studenti in modo che sappiano come avere successo in ogni fase. Oltre a fornire una valutazione formativa che guiderà l'apprendimento, questo può anche essere usato per valutare il lavoro degli studenti al termine di un'indagine e fissare obiettivi per il prossimo tentativo di pianificare la propria indagine. Le rubriche sono state scritte in modo da consentire agli studenti di accedervi facilmente. In questo modo possono essere condivisi con gli studenti mentre stanno lavorando attraverso il processo di pianificazione in modo che gli studenti sappiano che aspetto ha un buon disegno sperimentale.




Risorse stampabili

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Fogli di lavoro aggiuntivi

Se stai cercando di aggiungere altri progetti o continuare a personalizzare i fogli di lavoro, dai un'occhiata a diverse pagine di modelli che abbiamo compilato per te di seguito. Ogni foglio di lavoro può essere copiato e adattato ai tuoi progetti o studenti! Gli studenti possono anche essere incoraggiati a crearne di propri se vogliono provare a organizzare le informazioni in modo facile da capire.



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