variabler & fair testing; undervisning i hjertet af videnskabseksperimenter

undervisning i variabel test til studerende

selvom dette ikke er den mest ‘sjove’ videnskabsartikel, der skal dækkes, dækker den et af de vigtigste aspekter af videnskabsundervisning, der skal løses, hvis du vil sikre, at din klasse er i stand til at forstår nøjagtigt, hvordan den videnskabelige metode faktisk fungerer. Uanset om du underviser i videnskab til primære børn, sekundære studerende, førskolebørn eller bachelorstuderende, er din evne til at formidle vigtigheden og evnen til at teste variabler retfærdigt afgørende for eleverne, der tager deres første skridt ind i den videnskabelige verden. Vi har undervist i den videnskabelige metode i en videnskabsangreb i flere år i skolerne, og under disse besøg har vi ofte fundet ud af, at folk anmoder om et simpelt overblik over, hvordan lærere kan undervise i videnskabelig metode i deres egne klasseværelser, uanset hvad scenariet faktisk er.

på almindeligt sprog koger det meste af den videnskabelige metode simpelthen ned til en forskers evne til at identificere et spørgsmål, som de vil stille, hvor de kan bruge kontroller til kun at ændre et aspekt af en given situation, så målinger kan tages, og der kan drages en gyldig konklusion. Dette involverer typisk en trinvis proces, igen i almindeligt sprog:

1. Identificer, hvad der foregår i en given situation (temperatur, fugtighed, lysniveauer, plantehøjde osv.). Vi kalder disse betingelser fra nu af.
2. Find ud af, om nogen af ovenstående betingelser overhovedet kan ændres. Fra nu af kalder vi skiftende ‘varierende’.
3. hvis en af betingelserne kan varieres, kan du præcist måle denne betingelse (f.eks. temperatur)?
4. Bestem, om resten af betingelserne kan kontrolleres (f.eks. sæt alt i et drivhus?). Hvis ja, fortsæt videre. Hvis ikke, tror du det betyder noget eller at sætte på en anden måde – ville dine resultater være åbne for nogen, der siger, at dit eksperiment blev udført dårligt, da der var noget andet, der påvirker dit eksperiment, som du burde have taget hensyn til?
5. at vide, at du nøjagtigt kan ændre en tilstand og måle den, mens du kontrollerer alt andet, er der noget ved den situation, hvor du gerne vil finde ud af om? Hvad jeg mener med dette er, kan du oprette et eksperiment, hvor du kan ændre en målbar tilstand for at se, om det har nogen effekt på en anden målbar tilstand af eksperimentet (f.eks. påvirkes plantehøjden af temperaturen)?
6. lav en forudsigelse baseret på din forudgående viden om, hvordan du tror at variere denne tilstand vil påvirke den anden tilstand (f.eks. måske tror du måske, at plantehøjden stiger, når du øger temperaturen).
7. Kør eksperimentet, hvorved en situations forhold aldrig ændres overhovedet (f.eks. 2 uger) og samtidig køre en anden situation, hvor en af betingelserne ændres over den samme givne tidsramme, og du måler påvirkningerne (f.eks. måles plantehøjden regelmæssigt hver gang du øger temperaturen i et eksperiment og ikke gør det i et andet eksperiment).
8. optag resultaterne nøjagtigt, hver gang du udfører eksperimentet. Forhåbentlig gentager du dit studie mange gange for at slippe af med eventuelle fejl, du måtte have lavet.
9. Tegn en konklusion baseret på dine resultater
10. skriv eksperimentet op, så en anden kan gengive det, du gjorde ved hjælp af dine instruktioner, og se, om de også giver det samme resultat.

nu efter at have forklaret ovenstående til dine elever og lade dem vænne sig til ideen, kan du begynde at introducere videnskabeligt sprog. Skift ordet” betingelse “til” variabel “til en start og fremhæve, at ordet variabel kommer fra ordet” variere ” dvs.at ændre. Dette indikerer stort set, hvad vi forsøger at gøre på mange måder! Så når den studerende først har taget fat på, at du har variabler i et eksperiment, er det tid til at introducere typerne af variabler uden at forvirre dem. Personligt har jeg fundet det lettere at spørge følgende:

• hvad varierede vi hver gang i eksperimentet?
• hvad målte vi i håb om at se et andet resultat efter at have varieret eksperimentet?
• hvilke andre ting kontrollerede vi i vores eksperiment?

i ovenstående eksempel vil de studerende hurtigt identificere, at du ændrede temperaturen hver gang, og at vi håbede på at se en ændring i plantehøjden, hvor alt andet forbliver konstant i drivhuset. Nu er det tid til at lægge en liste på tavlen over ovenstående spørgsmål, undtagen denne gang giver vi dem deres videnskabelige navne:

• den uafhængige variabel er den, vi varierede hver gang i eksperimentet.
• den afhængige variabel var den, som vi målte i håb om at se en resultatændring som reaktion på ændring af den uafhængige variabel.
• de kontrollerede variabler var de andre variabler, vi kontrollerede under eksperimentet.

bare en lille gentagelse, og nu kan eleverne se, hvor du kommer fra. Du er der næsten! Bed eleverne om at finde ud af, om de er tilfredse med, hvordan eksperimentet gik. De vil selvfølgelig sige ja / nej / måske / ikke sikker, men du kan re-sætning ved at spørge direkte “var eksperimentet retfærdigt eller ej?”. Børn har en iboende ide om, hvad der er retfærdigt eller ej, du skal bare se dem argumentere på legepladsen over at skifte! Alt hvad du skal gøre er at få dem til at evaluere eksperimentet og finde ud af, om den måde, du kørte eksperimentet på, gjorde det muligt for dig at teste det spørgsmål, du rejste, dvs. ‘påvirker temperaturen plantevæksten?’. Her kan du stille dem en række spørgsmål:

• har vi målt temperaturen nøjagtigt? Var der noget, der kunne føre til en fejl her?
• målte vi plantehøjden nøjagtigt? Var der noget, der også kunne føre til en fejl her?
• kontrollerede vi nøjagtigt de andre variabler? Var der noget, der kunne føre til en fejl her?
• var der noget andet i eksperimentreplikationerne, der gav et resultat, der kunne betragtes som uretfærdigt?

dette er et godt tidspunkt nu at diskutere, hvorfor du fik eleverne til at køre eksperimentet flere gange. Hvorfor? At få en gennemsnitlig læsning på tværs af eksperimenterne for at reducere eksperimentel fejl. På dette tidspunkt har du mere eller mindre spikret det! Ved at få eleverne til at følge sekvensen for at identificere og kontrollere variabler og nøjagtigt måle resultatet, alt sammen mens du stiller spørgsmål om, hvorvidt eksperimentet er retfærdigt eller ej, vil du gå langt for at oprette den tankegang, der er nødvendig for at køre ethvert eksperiment i enhver disciplin. Hvad du faktisk underviser er eksperimentelt design, En kritisk tænkningsproces, der aldrig bør springes over, før du kører et eksperiment i den virkelige verden. Et godt scenarie at stille til studerende om værdierne ved godt eksperimentelt design er dette: forestil dig, hvis du brugte 3 år og tusinder af dollars på en bestemt undersøgelse kun for at finde ud af i slutningen, at dit eksperiment var mangelfuldt fra starten. Du ville være mere end ked af det!

endelig skal du nævne, at pointen med at skrive eksperimentet er, så en anden kan gentage den måde, du kørte det på, og kontrollere, om de får de samme resultater. I scientific speak skaber du et falsificerbart og gentageligt eksperiment. Med andre ord, gør du bare ting op, eller kan nogen teste gyldigheden af dine krav? Dette minder mig om et meget berømt citat!

“ingen mængde eksperimenter kan nogensinde bevise mig rigtigt; et enkelt eksperiment kan bevise mig forkert.”Albert Einstein

selvfølgelig er det nu tid til at styrke konceptet ved at stille et helt nyt eksperiment og lede dem gennem at identificere variabeltyperne, fair test og endelig evaluere, hvad de gjorde. Hvis du gentager denne øvelse nok gange, vil en forskers tankeprocesser blive indgroet i dine elever, og hele processen med, hvordan forskere arbejder, vil være mindre af et mysterium. De vil derefter være i stand til hurtigt at identificere variabler i et givet eksperiment og stille et testbart spørgsmål, der giver et gyldigt resultat, der kan gentages af en anden. Det er bestemt værd at chatte med studerende om, hvordan de kunne anvende den videnskabelige proces i deres eget liv;

• Hvad er det bedste forhold mellem ingredienser at bruge i en chokoladekage?
• hvilken shampoo giver mit hår mest styrke?
• hvilken græsgødning er bedst at bruge?
• hvilket oktanniveau giver den bedste brændstoføkonomi i en bil?

i langt de fleste situationer, du kigger på, er der ofte en måde at videnskabeligt kontrollere, hvad der rent faktisk foregår. I det væsentlige siger den videnskabelige metode ‘ hvis jeg har en situation med H, Y, å… hvad ville der ske med å, hvis jeg varierer H og kontrollerer Y…og hvordan kan jeg retfærdigt teste dette for at registrere et gyldigt svar, der er reproducerbart og testbart af en anden?’

hvis du følger alt dette og begynder at anvende det i dit klasseværelse, kan børnenes sind kun vokse som resultat. Det var selve fremkomsten af den videnskabelige metode, der virkelig accelererede civilisationen for at producere vores nuværende livsstil. At forstå, hvordan forskere arbejder, er en meget vigtig opgave for alle lærere at indgyde vores studerende, uanset om de er akademisk begavede eller ej. Desværre risikerer det ikke at skabe en generation med manglende forståelse for videnskabelige processer, der hurtigt kan skabe offentlig mistillid og endda fjendskab mod de meget mennesker, der bruger hårdt arbejde for at bruge verificerbare beviser for at forbedre vores liv. Udover hvilket, ville det ikke være bare dejligt at have evnerne til at finde ud af, hvorfor ting sker hele tiden? Lyder som en plan for mig!

glad undervisning,

Ben