Em formação

2.6: Experimentos Científicos - Biologia


Vendo pontos

As manchas na língua dessa criança são um sinal precoce de deficiência de vitamina C, também chamada de escorbuto. Esse distúrbio, que pode ser fatal, é incomum hoje porque os alimentos ricos em vitamina C estão relativamente disponíveis. Eles incluem tomates, pimentas e frutas cítricas, como laranjas, limões e limas. No entanto, o escorbuto era um problema bem conhecido nos navios da Marinha no século XVIII. Foi dito que o escorbuto causou mais mortes na frota britânica do que as armas francesas e espanholas. Naquela época, a causa do escorbuto era desconhecida e as vitaminas ainda não haviam sido descobertas. Evidências anedóticas sugerem que comer frutas cítricas pode curar o escorbuto. No entanto, ninguém sabia ao certo até 1747, quando um médico naval escocês chamado John Lind fez um experimento para testar a ideia. O experimento de Lind foi um dos primeiros experimentos clínicos na história da medicina.

O que é um experimento?

Um experimentar é um tipo especial de investigação científica realizada sob condições controladas. Como todas as investigações, um experimento gera evidências para testar uma hipótese. Mas, ao contrário de alguns outros tipos de investigação, um experimento envolve a manipulação de alguns fatores em um sistema para ver como isso afeta o resultado. Idealmente, os experimentos também envolvem o controle de tantos outros fatores quanto possível, a fim de isolar a causa dos resultados experimentais.

Um experimento geralmente testa como uma determinada variável é afetada por alguma outra variável específica. A variável afetada é chamada de variável dependente, ou variável de resultado. A variável que afeta a variável dependente é chamada de independente variável. Também é chamada de variável manipulada porque é a variável que é manipulada pelo pesquisador. Quaisquer outras variáveis ​​(variável de controle) que também podem afetar a variável dependente são mantidos constantes, de modo que os efeitos da variável independente sozinhas são medidos.

Experiência de escorbuto de Lind

Lind começou seu experimento com escorbuto a bordo de um navio britânico depois que ele ficou no mar por dois meses e os marinheiros começaram a mostrar sinais de escorbuto. Ele escolheu um grupo de 12 marinheiros com escorbuto e dividiu o grupo em 6 pares. Todos os 12 marinheiros receberam a mesma dieta, mas cada dupla também recebeu um suplemento diário diferente para a dieta (Tabela ( PageIndex {1} )).

Tabela ( PageIndex {1} ): Experiência de escorbuto de Lind
Par de assuntosDiário Suplemento à dieta recebida por este par
11 litro de cidra
25 gotas de ácido sulfúrico
36 colheres de vinagre
41 xícara de água do mar
52 laranjas e 1 limão
6pasta picante e um copo de água de cevada

O experimento de Lind terminou depois de apenas cinco dias, quando as frutas cítricas frescas acabaram para o par 5. No entanto, os dois marinheiros neste par já haviam se recuperado totalmente ou melhorado muito. Os velejadores da dupla 1 (recebendo o litro de sidra) também apresentaram alguma melhora, mas os marinheiros das outras duplas não apresentaram nenhuma melhora.

Você pode identificar as variáveis ​​independentes e dependentes no experimento de Lind? A variável independente é o suplemento diário recebido pelos pares. A variável dependente é a melhora / não melhora dos sintomas do escorbuto. Os resultados de Lind apoiaram a cura das frutas cítricas para o escorbuto, que logo foi adotada pela marinha britânica com bons resultados. No entanto, o fato de que o escorbuto é causado por uma deficiência de vitamina C não foi descoberto até quase 200 anos depois.

Amostragem

O experimento com escorbuto de Lind incluiu apenas 12 indivíduos. Esta é uma amostra muito pequena para os padrões científicos modernos. o amostra em um experimento ou outra investigação consiste nos indivíduos ou eventos que são realmente estudados. Raramente inclui toda a população, porque isso provavelmente seria impraticável ou mesmo impossível.

Existem dois tipos de erros que podem ocorrer ao estudar uma amostra em vez de toda a população: erro de chance e viés.

  • Um erro de chance ocorre se a amostra for muito pequena. Quanto menor for a amostra, maior será a chance de ela não representar de maneira justa toda a população. O erro de chance é mitigado usando uma amostra maior.
  • O viés ocorre se a amostra não for selecionada aleatoriamente em relação a uma variável do estudo. Este problema é atenuado pelo cuidado de escolher uma amostra aleatória.

Um experimento confiável deve ser projetado para minimizar essas duas fontes potenciais de erro. Você pode ver como as fontes de erro foram abordadas em outro experimento marcante: o famoso ensaio de Jonas Salk de 1953 com sua vacina contra a poliomielite recém-desenvolvida. O experimento massivo de Salk foi chamado de "o maior experimento de saúde pública da história".

Experiência de vacina contra poliomielite de Salk

Imagine uma epidemia nacional de uma doença contagiosa semelhante à gripe que ataca principalmente crianças e frequentemente causa paralisia. Foi exatamente o que aconteceu nos EUA durante a primeira metade do século XX. A partir do início dos anos 1900, houve ciclos repetidos de epidemias de pólio, e cada um parecia ser mais forte do que o anterior. Muitas crianças acabaram com suporte de vida nos chamados "pulmões de ferro" (veja a foto abaixo) porque seus músculos respiratórios estavam paralisados ​​pela doença.

A poliomielite é causada por um vírus e ainda não há cura para esta doença potencialmente devastadora. Felizmente, agora pode ser evitado com vacinas. A primeira vacina contra a poliomielite foi descoberta por Jonas Salk em 1952. Depois de testar a vacina em si mesmo e em seus familiares para avaliar sua segurança, Salk empreendeu um experimento nacional para testar a eficácia da vacina usando mais de um milhão de crianças em idade escolar como sujeitos. É difícil imaginar um teste nacional de uma vacina experimental usando crianças como "cobaias". Isso nunca aconteceria hoje. No entanto, em 1953, a pólio atingiu tanto o medo nos corações dos pais que eles aceitaram a palavra de Salk de que a vacina era segura e permitiu que seus filhos participassem do estudo.

O experimento de Salk foi muito bem planejado. Primeiro, incluiu duas amostras aleatórias muito grandes de crianças - 600.000 no grupo de tratamento, chamado de Grupo experimental, e 600.000 no grupo não tratado, chamado de grupo de controle. O uso de amostras muito grandes e aleatórias reduziu o potencial de erro aleatório e viés no experimento. As crianças do grupo experimental foram injetadas com a vacina experimental da pólio. As crianças do grupo controle foram injetadas com uma solução salina inofensiva (água salgada). A injeção de solução salina foi um placebo. UMA placebo é um tratamento "falso" que, na verdade, não tem efeito sobre a saúde. É incluído em testes de vacinas e outros tratamentos médicos, de forma que os indivíduos não saibam em qual grupo (controle ou experimental) foram colocados. O uso de um placebo ajuda os pesquisadores a controlar o efeito placebo. Esta é uma reação de base psicológica a um tratamento que ocorre apenas porque o sujeito é tratado, mesmo que o tratamento não tenha nenhum efeito real.

Experimentos em que um placebo é usado geralmente são experimentos cegos porque os sujeitos são "cegos" para seu grupo experimental. Isso ajuda a evitar preconceitos no experimento. Muitas vezes, mesmo os pesquisadores não sabem quais sujeitos estão em cada grupo. Este tipo de experimento é chamado de experimento duplo-cego porque tanto os sujeitos quanto os pesquisadores são "cegos" para os sujeitos de cada grupo. O teste da vacina de Salk foi um experimento duplo-cego, e os experimentos duplo-cegos são agora considerados o padrão ouro de testes clínicos de vacinas, drogas terapêuticas e outros tratamentos médicos.

A vacina contra a poliomielite de Salk provou ser um grande sucesso. A análise dos dados de seu estudo revelou que a vacina era de 80 a 90 por cento eficaz na prevenção da poliomielite. Quase da noite para o dia, Salk foi saudado como um herói nacional. Ele apareceu na capa de Tempo revista e foi convidado para a Casa Branca. Em poucos anos, milhões de crianças receberam a vacina contra a poliomielite. Em 1961, a incidência da poliomielite nos EUA foi reduzida em 96 por cento.

Limites de Experimentação

Experimentos bem feitos são geralmente as investigações científicas mais rigorosas e confiáveis. No entanto, sua característica marcante de manipular variáveis ​​para testar resultados não é possível, prático ou ético em todas as investigações. Como resultado, muitas ideias não podem ser testadas por meio de experimentação. Por exemplo, os experimentos não podem ser usados ​​para testar ideias sobre o que nossos ancestrais comiam há milhões de anos ou como o tabagismo a longo prazo contribui para o câncer de pulmão. No caso de nossos ancestrais, é impossível estudá-los diretamente. Os pesquisadores devem confiar em evidências indiretas, como observações detalhadas de seus dentes fossilizados. No caso do fumo, não é ético expor seres humanos à fumaça prejudicial do cigarro. Em vez disso, os pesquisadores podem usar grandes estudos observacionais de pessoas que já são fumantes, com não fumantes como controles, para procurar correlações entre hábitos de fumar e câncer de pulmão.

Matéria: Biologia Humana nas Notícias

Lind empreendeu seu experimento para testar os efeitos das frutas cítricas sobre o escorbuto em uma época em que os marinheiros morriam aos milhares por causa dessa doença nutricional enquanto ele explorava o mundo. Os exploradores de hoje são astronautas no espaço e sua nutrição também é crucial para o sucesso de suas missões. No entanto, manter uma boa nutrição em astronautas no espaço pode ser um desafio. Um problema é que os astronautas tendem a comer menos enquanto estão no espaço. Eles não apenas estão muito ocupados em suas missões, mas também podem se cansar das rações espaciais de comida. O ambiente do espaço é outro problema. Fatores como microgravidade e maior exposição à radiação podem ter efeitos importantes na saúde humana e requerem ajustes nutricionais para ajudar a neutralizá-los. Uma nova maneira de estudar nutrição e saúde de astronautas é fornecida pelos astronautas gêmeos idênticos Scott e Mark Kelly, (Figura ( PageIndex {3} )).

Os Kellys são os primeiros astronautas gêmeos idênticos, mas os estudos com gêmeos não são novidade. Os cientistas têm usado gêmeos idênticos (homozigóticos) como sujeitos de pesquisa por muitas décadas. Gêmeos idênticos têm os mesmos genes, portanto, qualquer diferença entre eles geralmente pode ser atribuída a influências ambientais, e não a causas genéticas. Mark Kelly passou quase um ano inteiro na Estação Espacial Internacional (ISS) entre 2015 e 2016, enquanto seu gêmeo, Scott Kelly, permaneceu no solo, servindo como controle do experimento. Você deve ter notado muita cobertura da mídia sobre o retorno de Mark Kelly à Terra em março de 2016, porque sua permanência contínua no espaço foi a mais longa de qualquer astronauta americano na época. A NASA está aprendendo muito sobre os efeitos das viagens espaciais de longo prazo no corpo humano, medindo e comparando indicadores nutricionais e outros dados de saúde dos gêmeos.

Análise

  1. Como os experimentos diferem de outros tipos de investigações científicas?
  2. Identifique as variáveis ​​independentes e dependentes no ensaio de vacina contra poliomielite de Salk em todo o país.
  3. Compare e contraste erro de chance e viés na amostragem. Como cada tipo de erro pode ser minimizado?
  4. Qual é o efeito placebo? Explique como o projeto experimental de Salk o controlou.
  5. Preencher os espaços. A variável _____________ é manipulada para ver os efeitos na variável ___________.
  6. Verdadeiro ou falso. Em estudos de gêmeos idênticos, a variável independente é sua genética.
  7. Verdadeiro ou falso. Os experimentos não podem ser feitos em humanos.
  8. Verdadeiro ou falso. Tamanhos de amostra maiores geralmente são melhores do que os menores em experimentos científicos.
  9. Responda às seguintes perguntas sobre o experimento com escorbuto de Lind.
    1. Por que você acha que era importante que as dietas dos marinheiros fossem todas iguais, exceto o suplemento diário?
    2. Você pode pensar em alguns fatores além da dieta que poderiam ter sido potencialmente diferentes entre os marinheiros e que podem ter afetado o resultado do experimento?
    3. Por que você acha que os marinheiros que beberam cidra tiveram alguma melhora nos sintomas do escorbuto?
  10. Explique por que os experimentos duplo-cegos são considerados mais rigorosos do que os experimentos cegos regulares.
  11. Por que estudos usando gêmeos idênticos são tão úteis?
  12. Você acha que é necessário incluir um placebo (como uma injeção de solução salina em um experimento de teste de drogas) em experimentos que usam animais? Por que ou por que não?

Explore mais

Assista a esta divertida palestra TED, na qual a bioquímica Kary Mullis fala sobre o experimento como a base da ciência moderna.

Confira este vídeo para saber mais sobre como conduzir experimentos científicos:


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    Três hipóteses famosas e como elas foram testadas

    Salmão Coho (Oncorhynchus kisutch) são peixes incríveis. Nativos do noroeste do Pacífico, eles começam suas vidas em riachos de água doce e depois se mudam para o oceano aberto. Mas quando um salmão Coho atinge a idade reprodutiva, ele retorna ao curso d'água em que nasceu, às vezes viajando 400 milhas (644 quilômetros) para chegar lá.

    Digite o falecido Arthur Davis Hasler. Enquanto ecologista e biólogo da Universidade de Wisconsin, ele ficou intrigado com a questão de como essas criaturas encontram seus riachos domésticos. E em 1960, ele usou um princípio básico da ciência - a hipótese - para descobrir.

    Então, o que é uma hipótese? Uma hipótese é uma explicação experimental e testável para um fenômeno observado na natureza. As hipóteses são estreitas em escopo - ao contrário das teorias, que cobrem uma ampla gama de fenômenos observáveis ​​e se baseiam em muitas linhas de evidência diferentes. Enquanto isso, uma previsão é um resultado que você esperaria obter se sua hipótese ou teoria fosse precisa.

    Então, de volta a 1960 e Hasler e aqueles salmões. Uma ideia não verificada era que o salmão Coho usava a visão para localizar seus riachos domésticos. Hasler decidiu testar essa noção (ou hipótese). Primeiro, ele reuniu vários peixes que já haviam retornado aos seus riachos nativos. Em seguida, ele vendou alguns dos cativos - mas não todos eles - antes de despejar seu salmão em um trecho distante de água. Se a hipótese da visão estivesse correta, então Hasler poderia esperar que menos peixes vendados voltassem aos seus riachos de origem.

    As coisas não funcionaram dessa maneira. Os peixes sem vendas voltaram no mesmo ritmo que seus colegas vendados. (Outros experimentos demonstraram que o olfato, e não a visão, é a chave para a capacidade de acomodação da espécie.)

    Embora a hipótese da venda dos olhos de Hasler tenha sido refutada, outras se saíram melhor. Hoje, estamos examinando três dos experimentos mais conhecidos da história - e as hipóteses que eles testaram.

    Ivan Pavlov e seus cães (1903-1935)

    A hipótese: Se os cães são suscetíveis a respostas condicionadas (babando), então um cachorro que é regularmente exposto ao mesmo estímulo neutro (metrônomo / sino) antes de receber comida irá associar isso estímulo neutro com o ato de comer. Eventualmente, o cão deve começar a babar a uma taxa previsível quando encontra o referido estímulo - mesmo antes de qualquer alimento real ser oferecido.

    O experimento: Vencedor do Prêmio Nobel e crítico franco do comunismo soviético, Ivan Pavlov é sinônimo de melhor amigo do homem. Em 1903, o cientista nascido na Rússia deu início a uma série de experimentos de décadas envolvendo cães e respostas condicionadas.

    Ofereça um prato de comida a um cachorro faminto e ele salivará. Neste contexto, o estímulo (a comida) irá desencadear automaticamente uma resposta particular (a baba). O último é uma reação inata e não aprendida ao primeiro.

    Em contraste, o som rítmico de um metrônomo ou sino é um estímulo neutro. Para um cão, o ruído não tem nenhum significado inerente e, se o animal nunca o ouviu antes, o som não provocará uma reação instintiva. Mas ver comida com certeza vai.

    Então, quando Pavlov e seus assistentes de laboratório tocaram o som do metrônomo / sino antes das sessões de alimentação, os pesquisadores condicionado cães de teste para vincular mentalmente metrônomos / sinos com a hora das refeições. Devido à exposição repetida, o ruído por si só começou a dar água na boca dos cães antes eles receberam comida.

    De acordo com & quotIvan Pavlov: A Russian Life in Science & quot do biógrafo Daniel P. Todes, a grande inovação de Pavlov aqui foi a descoberta de que ele podia quantificar a reação de cada cão medindo a quantidade de saliva que gerava. Cada canino previsivelmente babou em seu próprio ritmo consistente quando encontrou uma pista personalizada (e artificial) relacionada à comida.

    Pavlov e seus assistentes também usaram respostas condicionadas para examinar outras hipóteses sobre a fisiologia animal. Em um experimento notável, um cão foi testado em sua habilidade de ver as horas. Este cão em particular sempre recebia comida quando ouvia um clique do metrônomo a uma taxa de 60 golpes por minuto. Mas nunca conseguiu comida depois de ouvir uma batida mais lenta, de 40 batidas por minuto. Vejam só, o animal de Pavlov começou a salivar em resposta ao ritmo mais rápido - mas não o mais lento. Tão claramente, ele poderia diferenciar as duas batidas rítmicas.

    O veredito: Com o condicionamento certo - e muita paciência - você pode fazer um cão faminto responder a estímulos neutros salivando na hora de uma forma previsível e quantificável cientificamente.

    Prismas radiantes de Isaac Newton (1665)

    A hipótese: Se a luz do sol branca é uma mistura de todas as cores no espectro visível - e estas viajam em comprimentos de onda variados - então cada cor refratará em um ângulo diferente quando um feixe de luz do sol passar por um prisma de vidro.

    Os experimentos: A cor era um mistério científico antes do surgimento de Isaac Newton. Durante o verão de 1665, ele começou a fazer experiências com prismas de vidro na segurança de uma sala escura em Cambridge, Inglaterra.

    Ele cortou um buraco circular de um quarto de polegada (0,63 centímetros) em uma das venezianas da janela, permitindo que um único feixe de luz do sol entrasse no local. Quando Newton ergueu um prisma para este raio, uma mancha oblonga de luz multicolorida foi projetada na parede oposta.

    Continha camadas segregadas de luz vermelha, laranja, amarela, verde, azul, índigo e violeta. De cima para baixo, esse remendo media 13,5 polegadas (33,65 centímetros) de altura, mas tinha apenas 2,6 polegadas (6,6 centímetros) de largura.

    Newton deduziu que essas cores vibrantes estavam se escondendo dentro da própria luz do sol, mas o prisma as dobrou (ou "refratou") em ângulos diferentes, o que separou as cores.

    Ainda assim, ele não tinha 100 por cento de certeza. Então Newton replicou o experimento com uma pequena mudança. Desta vez, ele pegou um segundo prisma e o fez interceptar o fragmento de luz semelhante ao arco-íris. Assim que as cores refratadas entraram no novo prisma, elas se recombinaram em um raio de sol branco circular. Em outras palavras, Newton pegou um raio de luz branca, quebrou-o em um monte de cores diferentes e depois o remontou. Que truque de festa legal!

    O veredito: A luz solar é realmente uma mistura de todas as cores do arco-íris - e sim, elas podem ser separadas individualmente por meio da refração da luz.

    Revealing Starfish, de Robert Paine (1963-1969)

    A hipótese: Se os predadores limitam as populações dos organismos que atacam, então esperamos que as espécies de presas se tornem mais comuns após a erradicação de um grande predador.

    O experimento: Conheça Pisaster ochraceus, também conhecida como estrela do mar roxa (ou estrela do mar roxa, se preferir).

    Usando um estômago extensível, a criatura se alimenta de mexilhões, lapas, cracas, caracóis e outras vítimas infelizes. Em algumas rochas à beira-mar (e piscinas naturais) ao longo da costa do estado de Washington, esta estrela do mar é o predador do ápice.

    O animal fez de Robert Paine uma celebridade científica. Ecologista de profissão, Paine era fascinado pelos papéis ambientais dos principais predadores. Em junho de 1963, ele deu início a uma experiência ambiciosa ao longo da baía de Mukkaw, no estado de Washington. Por anos a fio, Paine manteve uma seção rochosa dessa costa completamente livre de estrelas do mar.

    Foi trabalho duro. Paine tinha de arrancar regularmente estrelas do mar rebeldes do afloramento de & quothis & quot - às vezes com um pé-de-cabra. Então ele os jogaria no oceano.

    Antes do experimento, Paine observou 15 espécies diferentes de animais e algas habitando a área que decidiu testar. Em junho de 1964 - um ano após o início de sua eliminação de estrelas do mar - esse número caiu para oito.

    Sem ser controlada pelas estrelas roxas do mar, a população de cracas disparou. Posteriormente, foram substituídos por mexilhões da Califórnia, que passaram a dominar o terreno. Ancorando-se em grande número em rochas, os mexilhões superaram outras formas de vida. Isso tornou o afloramento inabitável para a maioria dos ex-residentes: até mesmo esponjas, anêmonas e algas - organismos que Pisaster ochraceus não come - foram largamente despejados.

    Todas essas espécies continuaram a prosperar em outro pedaço de costa que Paine deixou intacto. Experimentos posteriores o convenceram de que Pisaster ochraceus é uma "espécie-chave", uma criatura que exerce influência desproporcional sobre seu ambiente. Elimine a pedra angular e todo o sistema ficará desordenado.

    O veredito: Os predadores do Apex não afetam apenas os animais que caçam. A remoção de um predador de topo desencadeia uma reação em cadeia que pode transformar fundamentalmente um ecossistema inteiro.


    Experimentos ciêntificos

    Patrick leciona Biologia AP há 14 anos e é o vencedor de vários prêmios de ensino.

    A experimentação é a quarta etapa do método científico. Experimentos ciêntificos são necessários para testar hipóteses e formar conclusões precisas com base em resultados do mundo real. Todos os ramos da ciência conduzem experimentos.

    A ciência trata de testar hipóteses e verificar se estão certas ou erradas. Não importa o que você faça quando projeta um experimento, não importa se você está usando o equipamento mais caro do mundo se não tiver um bom design. Os principais elementos de uma boa experiência são: você precisa ter um grupo de controle. Dois, você precisa ter um tamanho de amostra grande e três você precisa fazer experimentos cegos se estiver trabalhando com pessoas.

    Deixe-me ver a primeira coisa sobre o que significa ter um grupo de controle. Posso, posso sugerir que talvez eu vá testá-lo em uma hipótese de que a melhor maneira de ir de San Jose a San Francisco é dirigir pela Highway 101 em vez de dirigir, digamos, pelas City Streets ou Highway 280. Bem, em Para fazer isso, preciso fazer uma comparação. Então, vamos supor que direi bem, Rodovia 101, é uma rodovia, as ruas da cidade não são a rodovia 280, mas também uma rodovia. Então, uma vez dirigirei na Highway 101 e na outra vez dirigirei 280, 280 sendo meu grupo de controle que utilizo para comparar meus resultados.

    Agora, você precisa ter cuidado para que, ao fazer isso, planeje seu experimento de forma que tenha apenas uma variável, você não terá um monte delas. O que isso significa? Bem, vamos supor que eu dirija na Highway 101, digamos, 6h da manhã, enquanto dirijo na 280 às 9h da manhã. Você pode perceber, ei, 6:00 da manhã quase ninguém nas ruas enquanto às 9:00 da manhã isso é no meio da hora do rush. E isso adicionou outra dimensão, isso adicionou outra variável chamada tempo em vez de apenas qual rota estou tomando. Portanto, o que devo fazer é dirigir na Rodovia 101, digamos, às 9h e na Rodovia 280 também às 9h.

    Agora, isso leva à próxima coisa sobre um grande tamanho de amostra. Você pode achar que isso é meio difícil. Como vou dirigir os dois ao mesmo tempo? Bem, é por isso que eu precisaria dirigi-lo várias vezes. Ao dirigir várias vezes, também evito fazer, encontrando alguns problemas. Uma vez, quando eu estava dirigindo na autoestrada, vi um carro a cerca de trinta metros à minha frente começar a desviar um pouco para a direita e achei aquilo estranho. De repente, ele bateu no ombro, ficou assim e se virou. Ele chicoteou tão rápido que capotou e realmente foi bastante impressionante, mas ele capotou várias vezes, acabou no meio da estrada em chamas. Isso tornou as coisas um pouco mais lentas. Portanto, por ter um tamanho de amostra grande, digamos que você está dirigindo na Rodovia 101, digamos 2 semanas consecutivas, posso eliminar os efeitos aleatórios que posso ter. Um dia seja mais lento ou mais rápido que o outro. E então eu dirijo na Rodovia 280, digamos 2 semanas e novamente terei a média dos resultados.

    Agora, alguns de vocês podem estar dizendo: “Ei, por que não manda seu amigo dirigir 280 enquanto eu dirijo 101?” Bem, isso volta ao que seu grupo de controle é. Lembre-se de que é diferente apenas por uma variável e se eu tiver apenas a mim versus outra pessoa. Talvez meu amigo seja um piloto legal muito cauteloso enquanto vivo minhas fantasias de carros de corrida em minha minivan a 95 milhas por hora. Então isso pode influenciá-lo.

    Agora, às vezes você pode contornar isso tendo um grande grupo. Digamos que 20 pessoas dirigem 101 e 20 pessoas dirigem 280. Nem todos em um ônibus, em carros separados. O melhor experimento, é claro, seria aquele em que você tem um grande grupo de pessoas dirigindo pela Rodovia 101 por algumas semanas e um grande grupo de pessoas dirigindo pela Rodovia 280 novamente por algumas semanas e então você calcula a média dos resultados.

    Agora, o que quero dizer com experimento cego. Sempre que você está trabalhando com pessoas, precisa ter o que chamamos de experimento cego. E isso não significa que você comece a cutucá-los nos olhos com varas pontiagudas. Isso significa que você deve evitar que eles saibam se eles estão no grupo de controle ou no seu grupo experimental. Por que é que? Bem, seu cérebro controla seu corpo, mas sua mente controla seu cérebro. E isso pode causar alguns resultados realmente bizarros. Os cientistas descobriram há algum tempo que você poderia dar doce a alguém, mas se você os convencer de que é realmente um remédio, a mente deles fará com que o cérebro mantenha o sistema imunológico em alta velocidade e eles realmente ficarão melhores. Isso é chamado de efeito Placebo. Isso foi bem demonstrado para mim por alguns de meus alunos de biologia de AP há vários anos. Eles fizeram um projeto de pesquisa onde fizeram experiências com um grupo de alunos de Stamford. E o que eles disseram aos alunos é que eles estão observando os efeitos que o álcool teve em suas habilidades motoras e humor mental e coisas assim. O que os alunos de Stamford não perceberam é que estavam recebendo cerveja sem álcool. Agora, meus alunos tinham dois filhos que, alguns alunos de Stamford, que eram seus amigos, contaram a piada e agiram como se estivessem bêbados. Todos acabaram se sentindo bêbados e, na verdade, uma das crianças foi flagrada dizendo: Este é o ônibus mais rápido que eu já peguei. Isso explica por que você realmente precisa ter cuidado com o efeito Placebo.

    Agora, às vezes você também precisa fazer o que é chamado de experimento duplo-cego. É aí que o pesquisador também não sabe se uma pessoa está no grupo de controle ou variável até que ela termine de fazer todas as análises dos dados. Agora, por que você faria isso, você pergunta. Bem, imagine que você é um pesquisador de câncer e trabalhou por 10 anos para encontrar uma cura para o câncer. Agora que você finalmente está fazendo o experimento, está obtendo os resultados. Se você sabe quem está obtendo sua cura versus quem não está, você pode acidentalmente [IB] não acidentalmente, influenciar ou enviesar sua análise ou enviesar os resultados porque se você estiver certo, você ganhará muito dinheiro, se estiver errado você não.


    Atividade prática Projeto de Engenharia de Biodomes: Lições 2-6

    Nota: estimativa. O custo varia de acordo com a quantidade e o tipo de materiais disponibilizados aos alunos para projetar e construir seus modelos de biomas.

    Dependência de atividade: Nenhum

    Áreas temáticas: Biologia, Ciências da Vida, Ciência e Tecnologia

    Expectativas de desempenho do NGSS:

    Uma olhadela

    Esta atividade está dividida em 7 partes.

    Expectativas de desempenho do NGSS:

    Currículo nesta unidade

    As unidades servem como guias para um determinado conteúdo ou área de assunto. Aninhadas nas unidades estão as aulas (em roxo) e atividades práticas (em azul).

    Observe que nem todas as aulas e atividades existirão em uma unidade e, em vez disso, podem existir como currículo "independente".

    • Biodomes
      • Ambientes e ecossistemas
        • Densidade populacional: quanto espaço você tem?
        • Biodomes são ecossistemas projetados: um mini mundo
          • Projeto de Design de Engenharia de Biodomes: Lições 2-6
          • Vá com o fluxo de energia
            • Energia obtida? Spinning a Food Web
            • Projeto de Design de Engenharia de Biodomes: Lições 2-6
            • Plantando pensamentos
              • Ciclos das plantas: fotossíntese e transpiração
              • Projeto de Design de Engenharia de Biodomes: Lições 2-6
              • Sistemas de Classificação: Animais e Engenharia
                • Biomimética: designs naturais
                • Projeto de Design de Engenharia de Biodomes: Lições 2-6
                • Limpando com Decompositores
                  • Projeto de Design de Engenharia de Biodomes: Lições 2-6

                  Boletim Informativo da TE

                  Resumo

                  Os alunos criam biodiomas usando o Processo de Projeto de Engenharia

                  Conexão de Engenharia

                  Todos os dias, os engenheiros adaptam os projetos existentes de moradias, estruturas e cidades para que funcionem de maneira ideal em ambientes e ecossistemas específicos. Para fazer isso, os engenheiros aplicam sua compreensão do ambiente específico e da biosfera, junto com o conceito de ecossistemas para informar seus projetos e moldar o ambiente construído pelo homem. Os engenheiros empregam as etapas cíclicas do processo de projeto de engenharia para fazer um brainstorming, projetar, prototipar e criar criativamente nosso mundo feito pelo homem.

                  Objetivos de aprendizado

                  Após esta atividade, os alunos devem ser capazes de:

                  • Defina um biodome e nomeie suas características importantes.
                  • Use o processo de projeto de engenharia para criar um biodoma modelo de um ambiente específico.
                  • Descreva como os engenheiros usam sua compreensão da biosfera, ecossistemas e interações da comunidade para projetar nosso ambiente construído pelo homem.

                  Padrões Educacionais

                  Cada Ensino de Engenharia a aula ou atividade está correlacionada a um ou mais padrões educacionais de ciência, tecnologia, engenharia ou matemática (STEM) do ensino fundamental e médio.

                  Todos os mais de 100.000 padrões K-12 STEM cobertos em Ensino de Engenharia são coletados, mantidos e embalados pelo Rede de Padrões de Conquista (ASN), um projeto de D2L (www.achievementstandards.org).

                  No ASN, os padrões são estruturados hierarquicamente: primeiro pela fonte por exemplo., por estado dentro da fonte por tipo por exemplo., ciências ou matemática dentro de tipo por subtipo, depois por série, etc.

                  NGSS: Next Generation Science Standards - Science

                  3-5-ETS1-1. Defina um problema de projeto simples que reflita uma necessidade ou desejo que inclua critérios específicos de sucesso e restrições de materiais, tempo ou custo. (3ª a 5ª série)

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                  5-LS2-1. Desenvolva um modelo para descrever o movimento da matéria entre plantas, animais, decompositores e o meio ambiente. (5ª série)

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                  As explicações científicas descrevem os mecanismos dos eventos naturais.

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                  A matéria circula entre o ar e o solo e entre as plantas, animais e micróbios à medida que esses organismos vivem e morrem. Os organismos obtêm gases e água do meio ambiente e liberam resíduos (gases, líquidos ou sólidos) de volta para o meio ambiente.

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                  Associação Internacional de Educadores de Tecnologia e Engenharia - Tecnologia
                  • Os alunos desenvolverão uma compreensão do papel da solução de problemas, pesquisa e desenvolvimento, invenção e inovação e experimentação na solução de problemas. (Séries K - 12) Mais detalhes

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                  Padrões Estaduais
                  Colorado - Ciência
                  • Crie e avalie modelos do fluxo de componentes ou recursos não vivos através de um ecossistema (Grau 4) Mais detalhes

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                  Materials List

                  Each group needs: (Most items are available at hardware or garden center stores.)

                  Para que toda a classe compartilhe:

                  • masking tape
                  • duct tape
                  • glue (preferred: hot glue sticks with glue guns)
                  • tesoura
                  • exacto knives (if teacher cuts the plastic bottles)
                  • butterfly nets and/or jars and paper cups (to catch and hold insects and worms)
                  • drill (to make a hole in plastic bottle lids)
                  • agua

                  Worksheets and Attachments

                  More Curriculum Like This

                  As students learn about the creation of biodomes, they are introduced to the steps of the engineering design process, including guidelines for brainstorming. They learn how engineers are involved in the design and construction of biodomes and use brainstorming to come up with ideas for possible biod.

                  Students explore the biosphere and its associated environments and ecosystems in the context of creating a model ecosystem, learning along the way about the animals and resources. This lesson is part of a series of six lessons in which students use their growing understanding of various environments.

                  Students learn about population density within environments and ecosystems. They determine the density of a population and think about why population density and distribution information is useful to engineers for city planning and design as well as for resource allocation.

                  Students are introduced to the classification of animals and animal interactions. This lesson is part of a series of six lessons in which students use their growing understanding of various environments and the engineering design process, to design and create their own model biodome ecosystems.

                  Pre-Req Knowledge

                  Some knowledge about environments and ecosystems, as introduced in Lesson 1 of the Biodomes unit.

                  Introduction/Motivation

                  Let's see what you know about different environments. Can anyone name an example of an environment? (Possible answers: Tropical rain forest, desert, other forest types [such as deciduous or coniferous], grassland prairie and arctic tundra.) All of these environments and ecossistemas are part of our biosphere. The biosphere is the part of the Earth's atmosphere that supports life and includes both living (biotic) and nonliving (abiotic) things. It includes all the plants, animals, weather and climate. So, what happens when we have too many organisms in one environment? It may get too crowded! We call the number of organisms in a particular environment its population. Populations are made up of all the members of a species living in the same place at the same time. We learn about population numbers, or population density, to help us understand how much of resources (such as food, water and air) are available for each individual organism in an environment. Engineers need to know about the population density and how it is distributed so they can design areas for cities, parks, roadways, and even water systems so enough is available for a community to drink and use.

                  If you were able to design an environment, what would it look like? Would it have plants and animals in it? Which ones? How would you decide how many plants and animals you would put in your environment? Would you also live in your environment? How would you get the right amounts of air, water and food for each of your plants and animals? Well, engineers actually design artificial environments that consider all of these things. These environments are called biodomes. UMA biodome é um modelo that is designed to represent a particular environment and the community of organisms that live there. Biodomes are used to study ecosystems and attempt to model how living and nonliving things interact in those natural environments. The goal of a biodome is to create an environment that has enough resources for every plant and animal, creating a balance or equilibrium. Engineers come up with all sorts of cool designs using the engineering design process and eventually they settle on one to create.

                  Biosphere 2 in Arizona, USA.

                  Who knows something about the engineering design process? It is the set of steps that engineers take when they develop a new or improved product. Can you think of some of the steps an engineer may need to complete when designing something? Well, first they have to have a problem or a need. Then, they brainstorm creative ideas and solutions to that problem or need. Next they select the most promising idea, and draw or communicate the idea to others. Finally, they build a model of the design and evaluate whether or not that design is successful.

                  Who would like to become and engineer, learn more about environments, and create a biodome? Here is our challenge for this project:

                  Countries from all over the world have started a new project to create the best biodome yet! This new biodome will represent all the different climates and landscapes on the globe. The organizing committee has asked engineers from all different countries, including you, to help them in the design process. They request that you create a small-scale version – or prototype — of your design. Your design must only include one climate and landscape. When all the designs are done, one of them will be selected as the winner, to be built. So, it is time to put on your engineering hats and start thinking about how to make the best biodome. First thing to do is brainstorm your ideas and then make a drawing. Você está pronto?

                  Procedimento

                  • This activity can be conducted as either a very structured or open-ended design. For a more structured lesson, direct the students to build model biodomes as described in Figure 1. Otherwise, provide students with a variety of materials and set them loose to design a biodome structure of their own imagination (see Figure 2).
                  • Gather materials and make enough copies of the Biodomes Engineering Design Project Workbook: Lessons 2-6, one per team (staple the pages together to make workbooks).

                  Figure 1. Steps to build a simple model biodome using two, 2-liter plastic bottles.

                  Part 1: Designing Your Biodome (for Biodomes unit, Lesson 2)

                  1. Divide the class into engineering teams of two to four students each.
                  2. Give each group a Biodomes Engineering Design Project Workbook: Lessons 2-6.
                  3. Have students decide on a name for their engineering design team (and record it on the first page of their workbook).
                  4. Instruct the students to brainstorm ideas on what a biodome would contain for a given environment. (Provide teams with an environment, perhaps the local environment.)
                  5. After the students have brainstormed their ideas and shared a few with the class, have them pick one of their ideas from which they will build their team's model biodome.
                  6. Next, have students draw a picture of their biodome design in the space provided in their workbooks. (Note: For a simple biodome structure, follow the Figure 1 instructions, have students design uniform biodomes, and provide them with a variety of materials, soils and seeds for the interior. For a more open-ended project, instruct the teams to creatively design their own biodome structures and materials [see Figure 2].)

                  Figure 2. Students are creative in their open-ended model biodome designs.

                  Part 2: Building Your Biodome Structure (for Biodomes unit, Lesson 2)

                  1. During this class period, provide each group with the supplies they need to build the structure of their designed biodome.
                  2. Provide time for the students to build their biodome structures. Remind them that they need a tight seal on their biodome, so that it becomes a completely contained mini-environment (use tape or hot glue, preserving the ability to open/close the biodome for future steps).
                  3. Have students answer the questions in Part 2 of the workbook. Remind them that engineers often encounter challenges many times during the engineering design process, before they achieve a finished product.

                  Part 3: Energy Flow in Your Biodome (for Biodomes unit, Lesson 3)

                  1. Instruct students to sit together with the members of their engineering design teams.
                  2. In their workbooks, have students explain their biodome environment and make a list of the organisms that could be found if their biodome was built on a larger scale.
                  3. Next, have students draw one or more food chains or food webs to show the flow of energy through their biodome environment. Have them consider the relationships of the food sources and consumers in their individual biodomes.
                  4. Have several student teams share their food chains or food webs with the class. Discuss the flow of energy through each of their model biodomes.
                  5. Engage the students in a class discussion about their biodomes. Questions: From where does the energy to sustain your biodomes originally come? (Answer: The sun.) How will you make sure that sunlight gets into your biodome? Where are the air and water sources for your biodomes?

                  Part 4: Plants in Your Biodome (for Biodomes unit, Lesson 4)

                  1. Instruct students to sit together with the members of their engineering design teams.
                  2. Discuss basic plant needs with the students (food, water and energy from the sun).
                  3. Have students place soil, sand, rocks, ponds, or earth features into their biodomes, according to their designs.
                  4. Next, have students plant several seeds in the soil of their biodomes.
                  5. Remind students to record in their workbooks what they are adding to their biodomes.
                  6. Next, have students water their biodome and seal it up tightly.
                  7. Ask students to review their food chain drawings and the plants they placed inside their biodomes. Will these plants support their food chains? If not, what changes will they need to make to their food chains? Tell them that engineers often have to make adjustments to their projects as they learn new information or change their materials (in this case, seeds) from their original design.

                  Part 5: Animals in Your Biodome (for Biodomes unit, Lesson 5)

                  1. Instruct students to sit together with the members of their engineering design teams.
                  2. In their workbooks, have student record observations of what happened to their biodome since they last added something.
                  3. Inform the students that today they will collect animals from outdoors to place into their biodomes. Before they go outside to collect the animals, they need to plan what kind of animals they can have inside.
                  4. Make a list on the board of possible animals (insects) that the students may find to put in their biodome. (Ideas: grasshoppers, crickets, snails, ants, flies, moths, box elder bugs, June bugs, water bugs. Worms will be added in the decomposition activity, Part 6.) Also make a list of food sources that those animals require.
                  5. Ask the students what kinds of problems they might have in picking which animals to put inside the biodome. Explain that they do not want the animals to be eaten by the other animals in the biodome. If this happens, all the animals would die once their food source is gone. Also explain that engineers are often limited by the materials that are available to them. In this case, the students are limited to the animals they can find outside their classroom, mostly insects.
                  6. After giving instructions on outdoor policies, give the students some time go outside with nets and jars to collect insects for their biodomes.
                  7. Returning to class, ask the students to place their insects/animals into their biodomes and observe what they see.
                  8. Have students add water, if needed, to their biodome and seal it up tightly.

                  Part 6: Decomposers in Your Biodome (for Biodomes unit, Lesson 6)

                  1. Instruct students to sit together with the members of their engineering design teams.
                  2. In their workbooks, have student record observations of what happened to their biodome since they last added something.
                  3. Inform the students that today they will collect worms from outdoors to place into their biodomes. The worms help to break down animal and plant wastes into more useful soil and nutrients.
                  4. Ask the students what kind of problems they see with putting animals and plants into a biodome. Lead them to realize that it is very difficult for humans to make a safe atmosphere for all the different types of plants and animals and that often some of the plants and animals die in their new locations. While the idea of biodomes is a very popular one, there have not been many successes. Engineers work with biologists and other scientists to try their best to design environments in which the animals can live as if they were in nature.
                  5. After giving instructions on outdoor policies, give the students some time to go outside to with jars or paper cups to collect worms for their biodomes.
                  6. Returning to class, ask the students to place their worms into their biodomes and observe what they see.
                  7. Have students add water, if needed, to their biodome and seal it up tightly.

                  Part 7: Review & Evaluation (after completion of the model biodomes)

                  1. Instruct students to sit together with the members of their engineering design teams.
                  2. In their workbooks, have student record observations of what happened to their biodome since they last added something.
                  3. Have them answer the review and evaluation questions in their workbooks.
                  4. Exhibit the completed model biodomes, along with the completed team workbooks in the school library, display cases or at parents' night.

                  Vocabulary/Definitions

                  biodome: A human-made, closed environment containing plants and animals existing in equilibrium.

                  brainstorming: A technique of solving specific problems, stimulating creative thinking and developing new ideas by unrestrained and spontaneous discussion.

                  ecosystem: A functional unit consisting of all the living organisms (plants, animals and microbes) in a given area, and all the nonliving physical and chemical factors of their environment, linked together through nutrient cycling and energy flow. An ecosystem can be of any size — a log, pond, field, forest or the Earth's biosphere — but it always functions as a whole unit.

                  engineer: A person who applies scientific and mathematical principles to creative and practical ends such as the design, manufacture and operation of efficient and economical structures, machines, processes and systems.

                  engineering design process: The design, build and test loop used by engineers. The steps of the design process include: 1) Define the problem, 2) Come up with ideas (brainstorming), 3) Select the most promising design, 4) Communicate the design, 5) Create and test the design, and 6) Evaluate and revise the design.

                  model: (noun) A representation of something, sometimes on a smaller scale. (verb) To simulate, make or construct something to help visualize or learn about something else (as the living human body, a process or an ecosystem) that cannot be directly observed or experimented upon.

                  prototype: A first attempt or early model of a new product or creation. May be revised many times.

                  Avaliação

                  Discussion Questions: Solicit, integrate and summarize student responses.

                  • What is an environment? What types of things does an environment include? Can you think of any artificial environments?
                  • Are you familiar with the engineering design process? Can you name any steps in the engineering design process?

                  Avaliação Integrada de Atividades

                  Workbook: Have students follow along with the activity using the Biodomes Engineering Design Project Workbook: Lessons 2-6. Ask the student teams to complete the questions in the workbook after they have finished each part of creating the biodome. After students have finished the workbook questions, have them compare answers with their peers. Review their answers to gauge their mastery of the subject.

                  Re-Engineering: Ask student teams to brainstorm to come up with many ideas on how they could improve their biodomes. Have them sketch the most promising ideas.

                  Show and Tell: Have student groups show off their biodomes to the rest of the class. Have them explain: 1) how they developed their design, 2) the best part of their design, 3) what could go wrong with it, and 4) what could be fixed or improved in future models. Remind students that engineers go through the design-build-redesign process many times before they are satisfied with a finished product.

                  Engineering Poster: Using the knowledge they learned in the biodomes lessons and activities, have student engineering teams each create a poster to present their best design for a biodome of a particular environment. Ask them to title their posters with an engineering company name that they invent, such as, Eco Engineering Corporation.

                  Making Sense: Have students reflect on the science concepts they explored and/or the science and engineering skills they used by completing the Making Sense Assessment.

                  Problemas de segurança

                  • Warn students to be careful when cutting plastic bottles. Or, depending on the ability of the students, cut the plastic bottles in advance of the activity.
                  • Set up a hot glue gun station that either the teacher or a classroom assistant supervises. Do not hand out hot glue guns unless students are able to use them responsibly and safely.
                  • Be aware of any student allergies to insects, grasses, etc.
                  • Warn students not to try to capture potentially dangerous insects, such as bees, wasps or spiders.
                  • Be sure to monitor students when they are outdoors.

                  Dicas de soluções de problemas

                  Limit the materials that students are permitted to use to create their biodomes, otherwise, the biodomes tend to become large and resource demanding. This approach mirrors the real world, in which engineers are usually given size, budget and/or resource limitations. One way to limit size is to set a maximum footprint area, such as one square meter or one square foot.

                  To give the seeds more time to grow, consider swapping the order of Parts 3 and 4, so the seeds are planted earlier in the model biodome development process.

                  For Part 5, if insects are not available outside (due to the weather or other limitations), consider purchasing a small supply of crickets or snails (often free since they usually have too many) from a pet store, or potato bugs from a science lab. Note that snails and aquarium plants should not go down the drain or into a nearby stream as both are nasty invasive species. Instead, explain to the students that you'll find a home for them, and then either return them to a suitable aquarium elsewhere or destroy them.

                  Activity Extensions

                  Have students conduct research to find out what types of construction methods have been used in real biodomes. See if they can find any details on how these design ideas were reached.

                  Have students make a bar graph representing the class' biodome diversity.

                  Have students make a bar chart of the animals and plants they included in their biodomes. Gather all class data and make a class chart as a demonstration. From the data, ask the students how biodome engineers make sure they gather an appropriate sample of plants, animals and decomposers. (Point out that most of students probably gathered the easiest animals and plants to find. What would happen if biodome engineers did this? Would it be a good representation of life?) Then, ask the students to do this for their own biodomes.

                  Have students research real-world biodomes and find out what animals, birds and fish are inside. How do biodome managers control how the animals come into contact with each other in order to maintain healthy populations of both predators and prey?


                  Assista o vídeo: PRACTICA DE LABORATORIO BIOLOGIA BASICA 1 OSMOSIS Y DIFUSION EN PAPAS (Janeiro 2022).