variabler & fair testing; undervisning i hjärtat av vetenskapliga experiment

undervisning i variabel testning till studenter

även om detta inte är den mest ‘roliga’ vetenskapsartikeln att täcka, täcker den en av de viktigaste aspekterna av vetenskapsundervisning som måste åtgärdas om du ska se till att din klass inte är förstår exakt hur den vetenskapliga metoden faktiskt fungerar. Oavsett om du undervisar vetenskap till primära barn, gymnasieelever, förskolebarn eller studenter, är din förmåga att förmedla vikten och skickligheten hos ganska testvariabler avgörande för att eleverna tar sina första steg in i den vetenskapliga världen. Vi har undervisat den vetenskapliga metoden i en science incursions i flera år i skolor, och under dessa besök har vi ofta funnit att människor begär en enkel översikt över hur lärare kan undervisa vetenskaplig metodik i sina egna klassrum oavsett vad scenariot faktiskt är.

i klartext, de flesta av den vetenskapliga metoden kokar helt enkelt ner till en forskare förmåga att identifiera en fråga som de vill ställa, där de kan använda kontroller för att ändra bara en aspekt av en given situation så att mätningar kan göras och en giltig slutsats kan dras. Detta innebär vanligtvis en steg för steg-process, igen på vanligt språk:

1. identifiera vad som händer i en given situation (temperatur, fuktighet, ljusnivåer, växthöjd etc). Vi kommer att kalla dessa villkor från och med nu.
2. Bestäm om något av ovanstående villkor kan ändras alls. Från och med nu kallar vi förändring ‘varierande’.
3. om ett av villkoren kan varieras, kan du noggrant mäta detta tillstånd (t.ex. temperatur)?
4. Bestäm om resten av förhållandena kan kontrolleras (t.ex. lägg allt i ett växthus?). Om så är fallet, fortsätt vidare. Om inte, tror du att det är viktigt eller att sätta på ett annat sätt – skulle dina resultat vara öppna för någon som säger att ditt experiment gjordes dåligt eftersom det var något annat som påverkar ditt experiment som du borde ha tagit hänsyn till?
5. att veta att du exakt kan ändra ett tillstånd och mäta det medan du kontrollerar allt annat, finns det något om situationen där du vill ta reda på det? Vad jag menar med detta är, kan du skapa ett experiment där du kan ändra ett mätbart tillstånd för att se om det har någon effekt på ett annat mätbart tillstånd i experimentet (t.ex. påverkas växthöjden av temperaturen)?
6. gör en förutsägelse baserad på din förkunskaper om hur du tror att varierande detta tillstånd kommer att påverka det andra tillståndet (t.ex. kanske kanske du tror att växthöjden ökar när du ökar temperaturen).
7. kör experimentet, varigenom en situations förhållanden aldrig förändras alls (t.ex. anläggningen stannar vid samma temperatur i 2 veckor) och kör samtidigt en annan situation där ett av villkoren ändras över samma givna tidsram och du mäter påverkan (t.ex. mäts växthöjden regelbundet varje gång du ökar temperaturen i ett experiment och gör det inte i ett annat experiment).
8. registrera resultaten exakt varje gång du gör experimentet. Förhoppningsvis replikerar du din studie många gånger för att bli av med eventuella misstag du kan ha gjort.
9. dra en slutsats baserat på dina resultat
10. Skriv upp experimentet så att någon annan kan reproducera vad du gjorde med dina instruktioner och se om de också ger samma resultat.

nu efter att ha förklarat ovanstående för dina elever och låta dem vänja sig vid tanken kan du börja introducera vetenskapligt språk. Ändra ordet ” villkor “till” variabel “för en början och markera att ordet variabel kommer från ordet” variera”, dvs att ändra. Detta indikerar ganska mycket vad vi försöker göra på många sätt! Så när studenten kommer till grepp om att du har variabler i ett experiment är det dags att introducera typerna av variabler utan att förvirra dem. Personligen har jag funnit det lättare att fråga följande:

• vad varierade vi varje gång i experimentet?
• vad mätte vi i hopp om att se ett annat resultat efter att ha varierat experimentet?
• vilka andra saker kontrollerade vi i vårt experiment?

i exemplet ovan kommer eleverna snabbt att identifiera att du ändrade temperaturen varje gång och att vi hoppades se en förändring i växthöjden, med allt annat kvar konstant i växthuset. Nu är det dags att sätta upp en lista i styrelsen för ovanstående frågor utom den här gången ger vi dem deras vetenskapliga namn:

• den oberoende variabeln är den vi varierade varje gång i experimentet.
• den beroende variabeln var den som vi mätte i hopp om att se en resultatförändring som svar på att ändra den oberoende variabeln.
• de kontrollerade variablerna var de andra variablerna vi kontrollerade under experimentet.

bara en liten upprepning och nu kan eleverna se var du kommer ifrån. Du är nästan där! Be eleverna ta reda på om de är nöjda med hur experimentet gick. De kommer naturligtvis att säga ja / nej / kanske / inte säker men du kan omformulera genom att fråga direkt ” var experimentet rättvist eller inte?”. Barnen har en inneboende uppfattning om vad som är rättvist eller inte, du måste bara se dem argumentera på lekplatsen över att vända! Allt du behöver göra är att få dem att utvärdera experimentet och ta reda på om hur du körde experimentet gjorde det möjligt för dig att testa frågan du tog upp, dvs ‘påverkar temperaturen växttillväxten?’. Här kan du ställa dem en mängd frågor:

• mätte vi noggrant temperaturen? Var det något som kunde leda till ett fel här?
• mätte vi noggrant växthöjden? Var det något som kunde leda till ett fel här också?
• kontrollerade vi noggrant de andra variablerna? Var det något som kunde leda till ett fel här?
• var det något annat i experimentreplikationerna som gav ett resultat som kunde anses orättvist?

det här är en bra tid nu att diskutera varför du fick eleverna att köra experimentet flera gånger. Varför? För att få en genomsnittlig läsning över experimenten för att minska experimentellt fel. Vid denna tidpunkt har du mer eller mindre spikat det! Genom att låta eleverna följa sekvensen för att identifiera och kontrollera variabler och noggrant mäta resultatet, samtidigt som du ställer frågor om huruvida experimentet är rättvist eller inte, kommer du att gå långt för att ställa in den tankegång som behövs för att köra något experiment i någon disciplin. Vad du faktiskt undervisar är experimentell design, En kritisk tänkande process som aldrig bör hoppas över innan du kör ett experiment i den verkliga världen. Ett bra scenario att posera för studenter om värdena för god experimentell design är detta: tänk om du spenderade 3 år och tusentals dollar på en viss studie bara för att ta reda på i slutet att ditt experiment var felaktigt från början. Du skulle vara mer än upprörd!

Slutligen måste du nämna att poängen med att skriva upp experimentet är så att någon annan kan upprepa hur du körde det och kontrollera om de får samma resultat. I vetenskapligt tal skapar du ett falsifierbart och repeterbart experiment. Med andra ord, gör du bara saker eller kan någon testa giltigheten av dina påståenden? Detta påminner mig om ett mycket berömt citat!

” ingen mängd experiment kan någonsin bevisa mig rätt; ett enda experiment kan bevisa mig fel.”Albert Einstein

naturligtvis är det dags att förstärka konceptet genom att posera ett helt nytt experiment och vägleda dem genom att identifiera variabla typer, rättvisa tester och slutligen utvärdera vad de gjorde. Om du upprepar denna övning tillräckligt många gånger kommer en forskares tankeprocesser att vara inblandade i dina elever och hela processen med hur forskare arbetar kommer att vara mindre av ett mysterium. De kommer då att kunna identifiera variabler snabbt i ett visst experiment och ställa en testbar fråga som ger ett giltigt resultat som kan upprepas av någon annan. Det är definitivt värt att chatta med studenter om hur de kan tillämpa den vetenskapliga processen i sina egna liv;

• Vad är det bästa förhållandet mellan ingredienser att använda i en chokladkaka?
• vilket schampo ger mitt hår mest styrka?
• vilken gräsmatta är bäst att använda?
• vilken oktannivå ger den bästa bränsleekonomin i en bil?

för de allra flesta situationer du tittar på finns det ofta ett sätt att vetenskapligt kontrollera vad som faktiskt händer. I huvudsak säger den vetenskapliga metoden ‘ om jag har situationen X, Y, Z … vad skulle hända med Z om jag varierar X och kontrollerar Y … och hur kan jag testa detta rättvist för att spela in ett giltigt svar som är reproducerbart och testbart av någon annan?’

om du följer allt detta och börjar tillämpa det i ditt klassrum, kan barnens sinnen bara växa som resultat. Det var själva tillkomsten av den vetenskapliga metoden som verkligen påskyndade civilisationen för att producera vårt nuvarande sätt att leva. Att förstå hur forskare arbetar är en mycket viktig uppgift för alla lärare att ingjuta i våra elever oavsett om de är akademiskt begåvad eller inte. Tyvärr riskerar det inte att skapa en generation med brist på förståelse för vetenskapliga processer som snabbt kan leda till allmän misstro och till och med fiendskap mot de människor som arbetar hårt för att använda verifierbara bevis för att förbättra våra liv. Förutom som, skulle inte vara bara bra att ha kompetens att räkna ut varför saker händer hela tiden? Låter som en plan för mig!

Glad undervisning,

Ben