PROVJERA KONCEPTUALNOG RAZUMIJEVANJA ELEKTROMAGNETIZMA CSEM TESTOM KOD STUDENATA TEHNIČKIH FAKULTETA NA SVEUČILIŠTU U OSIJEKU

Transcription

1 SVEUČILIŠTE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU ODJEL ZA FIZIKU SANJA GANZBERGER PROVJERA KONCEPTUALNOG RAZUMIJEVANJA ELEKTROMAGNETIZMA CSEM TESTOM KOD STUDENATA TEHNIČKIH FAKULTETA NA SVEUČILIŠTU U OSIJEKU Diplomski rad Osijek, 2012

2 SVEUČILIŠTE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU ODJEL ZA FIZIKU SANJA GANZBERGER PROVJERA KONCEPTUALNOG RAZUMIJEVANJA ELEKTROMAGNETIZMA CSEM TESTOM KOD STUDENATA TEHNIČKIH FAKULTETA NA SVEUČILIŠTU U OSIJEKU Diplomski rad predloţen Odjelu za fiziku Sveučilišta J. J. Strossmayera u Osijeku radi stjecanja zvanja magistra edukacije fizike i informatike Osijek, 2012 i

3 "Ovaj diplomski rad je izraďen u Osijeku pod vodstvom prof. dr. sc. Vanje Radolića i dr. sc. Ţeljke Mioković u sklopu Sveučilišnog diplomskog studija fizike i informatike na Odjelu za fiziku Sveučilišta Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku". ii

4 SADRŢAJ : 1. UVOD TEORIJSKI DIO Edukacijski konstruktivizam Pretkoncepcije u elektricitetu i magnetizmu Identifikacija pretkoncepcija pomoću konceptualnih testova Parametri statističke analize EKSPERIMENTALNI DIO REZULTATI I RASPRAVA ZAKLJUČAK LITERATURA ŢIVOTOPIS DODATAK... 33

5 Sveučilište J. J. Strossmayera u Osijeku Odjel za fiziku Diplomski rad PROVJERA KONCEPTUALNOG RAZUMIJEVANJA ELEKTROMAGNETIZMA CSEM TESTOM KOD STUDENATA TEHNIČKIH FAKULTETA NA SVEUČILIŠTU U OSIJEKU SANJA GANZBERGER Saţetak Istraţivanje konceptualnog razumijevanja elektriciteta i magnetizma provedeno je na populaciji studenta tehničkih fakulteta Sveučilišta u Osijeku. Kao dijagnostički instrument korišten je općepoznati američki CSEM test višestrukog izbora pomoću kojeg se moţe provjeriti razumijevanje nekih temeljnih fizikalnih koncepata iz elektriciteta i magnetizma te dijagnosticirati poteškoće koje učenici/studenti imaju pri njihovom usvajanju. Dobiveni rezultati su analizirani statističkim postupcima u okviru klasične test-teorije kojima je odreďena pouzdanost i diskriminacija cjelokupnog testa kao i odnos pojedinih zadataka prema cjelokupnom testu. Srednja uspješnost rješavanja CSEM testa je u dobrom slaganju kako s izvornim istraţivanjem tako i s ranije provedenim testiranjem studenata u Hrvatskoj. Izračunati statistički parametri pokazuju da se test moţe primjenjivati kao dijagnostički alat za procjenu razumijevanja temeljnih fizikalnih koncepata u elektromagnetizmu. Identificirane su i neke studentske pretkoncepcije povezane s poteškoćama u razumijevanju pojedinih koncepata unutar konceptualnog područja elektromagnetske indukcije te primjene Newtonovih zakona u kontekstu elektromagnetizma. (46 stranica, 12 slika, 1 tablica, 12 literaturnih navoda) Rad je pohranjen u knjiţnici Odjela za fiziku Ključne riječi: CSEM test / Elektricitet i magnetizam / Pretkoncepcije Mentor: prof. dr. sc. Vanja Radolić Sumentor: dr. sc. Ţeljka Mioković Ocjenjivači: prof. dr. sc. Ramir Ristić mr. sc. Slavko Petrinšak Rad prihvaćen: 27. veljače 2012.

6 J. J. Strossmayer University in Osijek Bachelor of Science Thesis Department of Physics UNDERSTANDING OF CONCEPTS IN ELECTRICITY AND MAGNETISM AMONG STUDENTS OF TECHNICAL FACULTIES AT UNIVERSITY IN OSIJEK SANJA GANZBERGER Abstract The research of conceptual understanding of electricity and magnetism was conducted on the population of students studying on the technical faculties at the University of Osijek. As a diagnostic instrument, a well known multiple choice CSEM test was used. With the help of this test we can study the understanding of some basic physical concepts of electricity and magnetism and also diagnose the difficulties that pupils/students have during their acquisition. The obtained results were analysed by statistical procedures within the framework of classical test-theory which define the reliability and discrimination of the test as a whole, as well as relation of individual items towards the whole test. The average efficacy of solving the CSEM test is in accordance with the original research as well as with the earlier testing of students in Croatia. The calculated statistical parameters show that the test can be applied as a diagnostic tool for the assessment of basic physical concepts in electromagnetism. Some of the students' misconceptions were also identified. These misconceptions were related to the difficulties in understanding of individual concepts within the conceptual field of electromagnetic induction and the appliance of Newton's laws in the context of electromagnetism. (46 pages, 12 figures, 1 table, 12 references) Thesis deposited in Department of Physics library Keywords: CSEM test / Electricity and magnetism / Misconception Supervisor: Vanja Radolić, PhD, Associate Professor Co-supervisor: Ţeljka Mioković, PhD Reviewers: Ramir Ristić, PhD, Associate Professor Slavko Petrinšak, MSc Thesis accepted: 27th of February 2012

7 1. UVOD Istraţivanja u području edukacijske fizike, unazad dvadesetak godina, pokazala su da učenici/studenti već prije nego što započnu izučavati fiziku imaju neke spoznaje o ponašanju fizikalnih sustava u prirodi. Te učeničke ideje, koje se nazivaju i pretkoncepcijama ili miskoncepcijama, se često znatno razlikuju od prihvaćenih znanstvenih koncepata, a učenici/ studenti ih se prilično teško rješavaju. U procesu poučavanja fizike prisutne pretkoncepcije negativno utječe na usvajanje znanstveno utemeljenih koncepata. Stoga bi kroz nastavu fizike studenti trebali unaprijediti svoje razumijevanje znanstvenog procesa, kao što su poboljšanje sposobnosti kvantitativnog rješavanja problemskih zadataka, poboljšanje vještina pri eksperimentiranju, poboljšanje razumijevanja fizikalnih koncepata te vještina logičkog razmišljanja. U današnje vrijeme razvijeni su konceptualni testovi koji se koriste kao dijagnostički instrumenti za procjenu studentskih znanja i konceptualnog razumijevanja sadrţaja iz različitih područja fizike kako u tradicionalnim (predavačkim) tako i u naprednim (interaktivnim) oblicima nastavnog procesa te u različitim stupnjevima obrazovanja. Istraţivanja pretkoncepcija u elektricitetu i magnetizmu [1, 2] pokazuju da studenti često imaju poteškoća pri razumijevanju pojava u ovim područjima, jer ih je, zbog njihove apstraktne prirode, prilično teško vizualizirati, a njihov matematički opis moţe biti prilično sloţen (npr. ideja električnog, magnetskog polja i elektrostatskog potencijala). Stoga područje elektromagnetizma pruţa brojne izazove kako nastavnicima pri poučavanju tako i učenicima/studentima pri učenju ovih fizikalnih sadrţaja. Za razliku od sadrţaja iz mehanike, konceptualno razumijevanje elektriciteta i magnetizma kod učenika/studenta je puno manje istraţivano, jer je osmišljavanje kvalitetnog dijagnostičkog instrumenta za mjerenje razumijevanja ovih koncepata zahtjevniji zadatak u odnosu na procjenu konceptualnog razumijevanja mehanike. Naime, područje elektromagnetizma je vrlo široko konceptualno područje, a ono uključuje i studentsko razumijevanje koncepata iz mehanike kao što su sila, gibanje i energija. Isto tako u području elektromagnetizma većini studenta nisu razumljive elektromagnetske pojave (terminologija, definicije fizikalnih veličina i fizikalne zakonitosti meďu njima), pa time i koncepti koji leţe u njihovoj pozadini. Ovo pitanje (ne)iskustva s pojavama nasuprot formalizmu (formalizam uključuje matematički izraţene koncepte, zakone i relacije) je vaţno u elektricitetu i magnetizmu, jer tradicionalni načini poučavanja naglašavaju formalizam u odnosu na objašnjenje koncepata elektromagnetskih pojava. Zbog toga je pri 1

8 procjeni konceptualnog razumijevanja elektromagnetizma vrlo bitno odlučiti treba li staviti naglasak na razumijevanje elektromagnetskih pojava ili je dovoljno samo poznavanje matematičkog formalizma. U ovom je radu opisana provedba CSEM testa kod studenata Preddiplomskog i Stručnog studija elektrotehnike i računarstva Elektrotehničkog fakulteta (ETF), Preddiplomskog studija prehrambene tehnologije Prehrambeno-tehnološkog fakulteta (PTF), Preddiplomskog studija graďevinarstva na GraĎevinskom fakultetu (GF), te Preddiplomskog studija fizike na Odjelu za fiziku (OF) Sveučilišta Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku. Provjereno je razumijevanje nekih temeljnih fizikalnih koncepata iz elektriciteta i magnetizma te su identificirane najčešće studentske pretkoncepcije povezane s poteškoćama u razumijevanju pojedinih konceptualnih područja. 2

9 2. TEORIJSKI DIO 2.1. Edukacijski konstruktivizam Ţivimo u društvu visoke tehnologije i kako bi se uspješno funkcioniralo u takvom društvu učenici / studenti bi trebali postići prirodoznanstvenu pismenost što podrazumijeva uspješno učenje fizike. Pokazalo se da prirodoznanstvenu pismenost ne moţemo postići tradicionalnom nastavom, u kojoj je profesor središnja figura, a učenici pasivni slušači i promatrači. Brojni rezultati pokazuju da na taj način svega do 20% učenika uspije razviti način mišljenja potreban za kakvo takvo razumijevanje fizike, dok je za preostalih oko 80% učenika, fizika nerazumljiva i dosadna, a učenje fizike beskorisno i izvor mnogih frustracija [3]. Zbog takvih rezultata često se nameće pitanje Moţemo li tradicionalnom nastavom izgraditi prirodoznanstvenu pismenost kod učenika / studenta? Rješenje za ovo pitanje je u edukacijskom konstruktivizmu. Edukacijski konstruktivizam je filozofski pravac čije se učenje temelji na pretpostavci da razmišljajući o našim iskustvima, mi izgraďujemo vlastito mišljenje o svijetu u kojem ţivimo. Bitna je razlika spram tradicionalnog pristupa nastavi u tome što se učenik stavlja u prvi plan. On u nastavnom procesu nije pasivan slušač nego igra aktivnu ulogu, tako da se omogućuje istinski proces učenja. Ozračje u učionici treba biti tako da omogućuje konstruktivno razmišljanje, osobno stvaranje ideja i koordiniranu raspravu u kojoj se razmjenjuju mišljenja. Najbolji način da se to ostvari jest da se fizikalni sadrţaji daju u obliku problemskih situacija u kojim učenici aktivno sudjeluju. Sredinom XX. stoljeća se uvidjelo da se tradicionalnim načinom poučavanja ne moţe doći do kvalitetne prirodoznanstvene pismenosti, pa dolazi do velikog zaokreta u metodici nastave fizike. Javlja se ideja o nuţnosti interakcije u učenju i poučavanju, a prvi korak u tom smjeru je načinio švicarski psiholog Jean Piaget u svojoj teoriji kognitivnog razvoja. Sljedeći je korak bila spoznaja da veliku ulogu u učenju imaju učeničke intuitivne ideje. Treći korak je pojava edukacijskog konstruktivizma, koji povezuje Piagetove ideje i problematiku pretkoncepcija te ih povezuje s postignućima filozofije prirodnih znanosti. Njegove su ideje na velika vrata uvedene u edukaciju prirodnih znanosti i matematike, godine u velikim američkim projektima o nastavi fizike, kemije, biologije i matematike. Za daljnji razvoj tog područja bitne su njegove konstruktivističke ideje o naglašenoj konstruktivnoj ulozi svijesti u stvaranju i interpretaciji iskustva [3]. Prema Piagetu je najvaţnije da je za kognitivni rast 3

10 pojedinca bitno njegovo aktivno mentalno sudjelovanje u razrješavanju predočenih problemskih situacija. Piagetove ideje su najviše utjecale na metodičare fizike, zbog toga što je često koristio pitanja i testove s fizikalnom problematikom. Glavni pojam Piagetove teorije je mentalna struktura [4]. To je mentalni sustav koji organizira funkcioniranje osobe u okruţenju. Mentalnom strukturom pojedinca je odreďeno i njegovo ukupno znanje. Znamo da se ponašanje i znanje ljudi tijekom vremena mijenja, pa su tako i mentalne strukture podloţne promjenama. Prema Piagetovim idejama, čovjek nije u stanju uočiti stvari i pojave sve dok njegov svijet ne razvije strukturu koja mu to omogućava. Mentalne strukture razvijaju se kada je čovjek u meďudjelovanju s okolinom i one omogućuju svakom djetetu da od samog roďenja meďudjeluje s okolinom. Kako dijete reagira na nova iskustva i informacije u tom meďudjelovanju, Piaget uvodi dva različita tipa reakcije i u skladu s njima i dva različita procesa razvijanja mentalnih struktura: asimilacija i akomodacija [4]. Osoba asimilira (usvaja) nove podatke, iskustvo ili informaciju u skladu sa postojećim mentalnim sklopom, a da se sami mentalni sklop uočljivo ne promijeni. Tako nešto se dogaďa i u procesu učenja. Učenik asimulira novu informaciju, daje joj značenje u skladu s njemu već poznatim mišljenjem i ta informacija se lagano uklopi u njegovu mentalnu strukturu. Akomodacija je proces usklaďivanja mentalne strukture sa iskustvom ili informacijom koju osoba nije u stanju objasniti na temelju postojeće osobne mentalne strukture. Na taj način dijete izgraďuje nove mentalne strukture i prilagoďuje se novim situacijama. Ukupni proces prilagodbe i dogradnje mentalnih struktura, koje uključuje i asimilaciju i akomodaciju, naziva se samoregulacija [4]. Najčešći segment Piagetove teorije kognitivnog razvoja jest podjela ukupnoga kognitivnog razvoja osobe na četiri stadija [4]: 1. stadij psihomotoričkog razvoja (0 2 godine), 2. predoperacijski stadij (2-7), 3. stadij razvitka konkretnih operacija (7 11), 4. stadij razvitka formalnih (apstraktnih) operacija (od 11 godina nadalje) U stadiju psihomotoričkog razvoja razvijaju se refleksi i osnovne navike. TakoĎer razvija se i postiţe svijest o postojanju materijalnih objekata i pomoću pronalaţenja simbola za različite 4

11 objekte u neposrednoj blizini počinje se razvijati govor. Taj stadij nije posebno značajan za nastavnike fizike. U predoperacijskom stadiju, različita iskustva pokušavaju se spojiti u jednu cjelinu i svako dijete stvara svoj osobni svijet te se razvijaju simbolične igre. U tom stadiju dijete stvara i razvija svoja mišljenja koje je još kruto jer ono nije sposobno ureďivati podatke iz stečenog iskustva. U stadiju razvoja konkretnih operacija, dijete je u stanju izvoditi konkretne misaone operacije. Većina djece u toj razini razvitka je u stanju intuitivno primjenjivati jednostavne zakone očuvanja i misliti kauzalno (imati svoje stajalište), ali samo ako su te mentalne operacije odnose na konkretne objekte i procese (s kojima je to dijete u neposrednom kontaktu). Bitne značajke mentalnih struktura djeteta koje je doseglo, ali ne i preraslo razinu konkretnih misaonih operacija [4]: a) reverzibilnost (dijete je sposobno mentalno obrnuti redoslijed konkretnog fizikalnog procesa i vratiti situaciju iz konačnih u početne uvjete), b) uključivanje očuvanja (dijete intuitivno usvaja jednostavne zakone očuvanja (očuvanja količine tvari, obujma, teţine tijela) za neke konkretne situacije), c) ureďivanje u serijski redoslijed (dijete je u stanju urediti skup konkretnih objekata ili podataka u serijski redoslijed). U stadiju formalnih (apstraktnih) operacija dijete je u stanju razmišljati apstraktno i rabiti logiku u razmišljanju. Piaget opisuje ovaj stadij pomoću općih operacijskih shema, a to su: fokusiranje na vaţne varijable i parametre, formuliranje hipoteza, upotreba propozicijske logike, kombinatorno razmišljanje, utvrďivanje funkcionalne ovisnosti i primjena proporcionalnosti u pronalaţenju meďusobne ovisnosti različitih veličina. Vrlo vaţni pojmovi u konstruktivističkom pristupu učenju i nastavi jesu pretkoncepcije i konceptualna promjena [3]. No, najprije ćemo nešto reći o fizikalnim konceptima. Koncepti su svojevrsni konstrukti u ljudskoj svijesti koji nam omogućavaju da smanjimo kompleksnost svijeta oko nas. Da nemamo koncepte cijeli svijet bi za nas bio samo jedan veliki prostor koji sadrţi veliki broj raznih objekata koje ne bismo bili u stanju razlikovati. Oni obuhvaćaju pravilnosti, uzroke i veze meďu objektima, dogaďajima i drugim konceptima. Svaki je koncept uključen u beskrajnu mreţu relacija. Zbog kompleksnosti koncepata njihovo je usvajanje dug proces koji nema završetka. Koncepti se nikada ne razviju do konačnog, završnog oblika, niti u 5

12 svijesti osobe niti u korpusu znanja znanosti. U fizici su mnogi primjeri za to: masa, elektron, elementarni električni naboj, itd., pa čak i neki elementarni koncepti kao što je teţina danas nemaju konsenzualnu definiciju. Koncepti mogu imati mnogostruka značenja i mogu se upotrebljavati u različite svrhe. Isti koncept moţe značiti jedno unutar jednog konteksta, a nešto prilično različito unutar drugog konteksta [3]. Učenici i prije učenja fizike u školi već imaju odreďene ideje o mnogim fizikalnim konceptima koje stvaraju na temelju percipiranja pojava u svojem okruţenju, na temelju informacija i podataka koje dobivaju kroz komunikaciju u svom okruţenju. Pokazalo se da su te učeničke ideje uglavnom neodgovarajuće unutar fizikalnog konteksta. Učenik nije prazna ploča već o fizikalnim pojavama ima odreďene intuitivne ideje koje su kompleksne. Te intuitivne učeničke ideje najčešće nazivamo pretkoncepcijama, a koriste se i termini: pogrešne ideje (miskoncepcije), intuitivne ideje, alternativne ideje, dječja znanost, itd [3]. Dakle, sve ideje, predodţbe, koncepte, modele koje učenici stvaraju tijekom svog ţivota i koji nisu u skladu s fizikalnim idejama i konceptima u fizici nazivano pretkoncepcijama ili miskoncepcijama. Neke od karakteristika pretkoncepcija su da one nisu nelogične, nego se temelje na pretpostavkama. Učenici često rabe neprecizan jezik i neprecizne termine. Pretkoncepcije su tvrdokorne i vrlo ih je teško promijeniti. Pretkoncepcije čine barijeru u procesu učenja fizike u školi te je za proces učenja u školi potrebno identificirati pretkoncepcije i potom ispraviti. Nastava fizike treba učenicima omogućiti spoznaju fizikalnih ideja, omogućiti im mijenjanje njihove predodţbe koje učenici stvaraju za lakše razumijevanje pojava i objašnjavanje različitih situacija. Ta se promjena, koju mora pruţati nastava fizike, nikako ne moţe poučiti ili prenijeti njima na osnovu tuďih iskustava, priča iz povijesti, raznih teorija i formula. Pretkoncepcije učenici posjeduju već i prije učenja fizike, pa se učenici i prije nego što počnu slušati fiziku susreću u svakodnevnom ţivotu sa sadrţajem koji ima nudi nastava fizika, bilo promatrajući, bilo kroz priču ili neko drugo iskustvo. Oni će se postavljati prema tim novim sadrţajima u skladu sa svojim pretkoncepcijama. Učenik ne odbacuje svoje koncepte koje imaju središnju ulogu u njegovom mišljenju dok ne uvidi da oni nisu funkcionalni. Stoga, svaki nastavnik mora pruţiti učeniku neke nove ideje koje će učeniku biti razumljivije, djelovati uvjerljivo, biti čvrste i detaljne. Nastavnik treba otkrivati pretkoncepcije koje učenici imaju, jer tako otkrivamo temelje na kojima oni grade svoju spoznaju, pa i pristup koji ih vodi u rješavanju problema. Detektirajući pretkoncepcije, nastavnik dobiva sliku kroz koju učenici doţivljavaju svijet, te na osnovu nje 6

13 odreďuje kojim metodama i intenzitetom treba djelovati u nastavnom procesu da bi se konstruirala slika koja će im omogućiti realno shvaćanje svijeta. Pretkoncepcije moramo prvo detektirati. Postoji više pristupa, a najjednostavniji je razgovor. Stvarajući atmosferu u kojoj će se voditi ravnopravni razgovor izmeďu nastavnika i učenika, stvorit će se kod učenika osjećaj slobode, te će bez straha iznositi svoje misli, ideje i stavove. U tom obliku nastave, nastavnik postaje sudionik koji ciljanim pitanjima ili demonstracijom istraţuje učeničke pretkoncepcije. Nastavnik treba koristiti prikladne metode koje će omogućiti uklanjanje učeničkih pretkoncepcija. Te metode ovise o učestalosti, porijeklu i otpornosti pretkoncepcija. Današnja nastava trebala bi imati naglasak na interaktivnosti i trebala bi se suprotstavljati pretkoncepcijama. Pretkoncepcije su ignorirane tradicionalnim oblikom nastave jer nastavnici barataju s gotovim znanjima, nastojeći ih prenijeti učenicima. Nova znanja koja učenik dobiva u tom procesu najčešće su izloţena bez iskustva o njihovoj primjeni. Rezultati takvog učenja fizike očituju se u konstrukciji učeničkih modela u kojima i dalje prevladavaju njihove intuitivne ideje, odnosno pretkoncepcije Pretkoncepcije u elektricitetu i magnetizmu Studenti imaju dosta pretkoncepcija u fizici, pa čak i na polju mehanike, koje je mnogo intuitivnije i razumljivije nego područje elektriciteta i magnetizma. U ovom diplomskom radu pokušat ću predstaviti neka od istraţivanja koja su označena kao vrlo vaţna, a odnose se na pretkoncepcije o elektricitetu i magnetizmu. a) Raspodjela naboja na vodičima i izolatorima Učenici, pa i studenti, ne uočavaju bitnu razliku izmeďu vodiča i izolatora, tj. smatraju da će se naboj jednako ponašati na svakom od njih. Smatraju da ako naelektriziramo jedan kraj staklenog štapa da će se naboj proširiti po cijelom štapu isto kao kada naelektriziramo metalni štap. TakoĎer, studenti ne znaju objasniti pojavu nabijanja plastičnog štapa trljanjem, te daju npr. objašnjenje da su trljanjem svi elektroni prešli na štap, a protoni na krpu. Iako se podučavanje elektrostatike dobrim dijelom zasniva na uporabi elektroskopa, često je slučaj da učenici i studenti ne razumiju funkcioniranje elektroskopa, počevši već od najosnovnijeg pitanja što se dogodi s nabojem kad ga se stavi na pločicu elektroskopa, te zašto to izaziva otklon kazaljke. 7

14 b) Coulombov zakon Mnogi studenti imaju poteškoću s razumijevanjem Coulombovog zakona. Pretkoncepcija vezana za Coulombov zakon ista je kao i pretkoncepcija vezana uz treći Newtonov zakon. Kako većina učenika pri razmatranju interakcije dvaju tijela koristi neku vrstu principa dominacije, odnosno da će tijelo veće mase djelovati jačom silom ili da tijelo koje izaziva gibanje drugog tijela djeluje jačom silom, tako će isto zaključiti kako električno meďudjelovanje dvaju naboja najčešće simetrično, tj. tijelo s većim nabojem djelovat će jačom silom od tijela s manjim nabojem. c) Električno polje Koncept električnog polja za učenike i studente je vrlo kompliciran i teţak. Učenici teško prihvaćaju i slabo razumiju koncept električnog polja. Najčešći problem kod električnog polja je to što nedovoljno razlikuju polje od sile, te ponekad izjednačavaju ta dva koncepta. Učenici često imaju problema s razvijanjem zaključaka baziranim na električnom polju zbog toga što pribjegavaju jednostavnom zaključivanju. Npr. smatraju da oko izolatora nema električnog polja budući da se u izolatoru naboji ne mogu gibati. Njima je najčešće prihvatljivo to da električno polje postoji samo ako izaziva neki efekt odnosno gibanje. TakoĎer, često smatraju da je električna struja uzrok nastajanja električnog polja u vodičima u kojima teče struja, a ona je zapravo posljedica postojanja električnog polja. Opisivanje električnog polja pomoću silnica stvara učenicima/studentima još jednu poteškoću. Smatraju da se po silnicama gibaju električni naboji, odnosno da su silnice putanje po kojima se gibaju naboji u električnom polju, pa na naboj koji nije na silnicama neće djelovati električna sila. Učenici smatraju da su silnice realne i da ih ima neki konačan broj. d) Magnetska sila i magnetsko polje Kod magnetske sile javlja se isti problem i iste pretkoncepcije kao i u mehanici. Većina učenika smatra da će veći magnet jače privlačiti nego manji. Kada je riječ o Lorentzovoj sili, učenici uvijek očekuju magnetsku silu na naboj u magnetskom polju bez obzira giba li se naboj ili ne, a dodatan problem je i kod samog odreďivanja smjera Lorentzove sile. Većina učenika smatra da je brzina nabijene čestice koja se giba magnetskim poljem uvijek okomita na smjer polja, odnosno, smatraju da su v, B i F uvijek okomiti u odnosu jedan prema drugom po pravilu lijeve ili desne ruke. Poteškoće vezane za ovu tvrdnju su uzrokovane činjenicom da se većina problema u elektromagnetizmu povezuje s nabijenim česticama čiji je početni smjer okomit na smjer magnetskog polja. To moţe navesti učenike na krivu generalizaciju da je putanja nabijene čestice u magnetskom polju uvijek kruţna. To su pokazali i rezultati jednog istraţivanja gdje su 8

15 60 % učenika smatralo da putanja nabijene čestice u magnetskom polju uvijek kruţna [1]. TakoĎer, pretkoncepcija je i u činjenici da učenici nastoje poistovjetiti električna i magnetska polja, tj. povezuju električne naboje i polove magneta. Kada je riječ o magnetskom polju tada učenici najčešće imaju problem u razumijevanju meďudjelovanja električnog naboja i magnetskog polja. Ukazuje da puno učenika smatra da je magnetski pol električni nabijen te da magneti djeluju sa statičkim nabojima (N pol privlači negativne naboje, a S pol privlači pozitivne naboje). Ne leţi im ni ideja da je magnetsko polje stvoreno gibanjem električnih naboja, dok se u slučaju električnog polja, naboji ne moraju nuţno gibati da bi stvorili električno polje. e) Faradayev zakon Učenici imaju problema u odreďivanju smjera inducirane ems odnosno smjera inducirane struje (zapravo s razumijevanjem značenja znaka - iz Lenzovog pravila). Glavni uzrok poteškoća povezan je s nejasnim označivanjem. Istraţivanjem relevantnih udţbenika navodi se da je rečenica poput inducirana struja se opire svom izvoru nejasna [2]. Učenici vrlo lako mogu shvatiti ovu izjavu netočno. Npr., protiviti se izmjeni moţe se, ali i ne mora shvatiti kao biti u suprotnom smjeru. TakoĎer, imaju problema i s razumijevanjem pojave samoindukcije kao posebnim slučajem Faradayeve indukcije. Učenici smatraju da je induktivnost L svojstvo struje ili polja, a ne svojstvo same zavojnice Identifikacija pretkoncepcija pomoću konceptualnih testova U prvoj fazi edukacijskih istraţivanja osnovna tehnika za identifikaciju pretkoncepcija bili su intervjui i testovi s pitanjima otvorenog tipa (bez unaprijed ponuďenih odgovora; od ispitanika se zahtijeva da samostalno formuliraju odgovor na postavljeno pitanje ili problem, te daju obrazloţenje odgovora). Prednost testova otvorenog tipa pred intervjuima je manja vremenska zahtjevnost, te manji utjecaj istraţivača na odgovore, a osnovni nedostatak je u činjenici da je analiza i interpretacija odgovora često teška, s obzirom na to da su odgovori ponekad nedorečeni, dvosmisleni ili neobrazloţeni, a nema mogućnosti da se dodatnim pitanjima razjasni što je ispitanik mislio reći svojim odgovorom. Intervjui i testovi otvorenog tipa pokazali su da su učeničke ideje o nekim fizikalnim pojavama, dobivene u istraţivanjima na uzorcima učenika i studenata iz različitih zemalja i edukacijskih sustava, različitih dobi i stupnjeva učenja fizike, zapanjujuće slične. To je bio i razlog što se pristupilo konstrukciji pisanih testova u kojima su kao odgovori ponuďene najčešće 9

16 alternativne koncepcije prepoznate u intervjuima (testovi višestrukog izbora). Najznačajniji takvi testovi su: 1. Mechanics Diagnostics Test (MDT) [5]. 2. Force Concept Inventory (FCI) [6]. 3. Mechanics Baseline Test (MBT) [7]. 4. Conceptual Survey in Electricity and Magnetism (CSEM) [8]. Edukacijska istraţivanja u fizici promijenila su stavove o učenju i poučavanju fizike, a rezultati istraţivanja se mogu ukratko saţeti u tri točke: 1. Tradicionalna predavačka nastava nije dovoljno učinkovita za većinu učenika; tom vrstom nastave ne uočavaju se učeničke pretkoncepcije, jer su učenici pretvoreni u pasivne promatrače i slušače. 2. Učenici ne dolaze na nastavu bez ideje o promatranom fizikalnom problemu. Njihova iskustva iz svakodnevnog ţivota, njihove ideje o promatranom fizikalnom problemu suprotstavljaju se stvarnom znanstvenom objašnjenju te oteţavaju učenje fizike. 3. Moguće je razviti nastavne kurikulume utemeljene na rezultatima istraţivanja koji pomaţe učenicima da kroz aktivno sudjelovanje u nastavi promijene svoje pretkoncepcije Parametri statističke analize Kako su pri provedbi CSEM-testa studenti bili podijeljeni u 6 skupina tako postoji i 6 skupina statističkih podataka: ETF-E, ETF-R, ETF-St, PTF, GF i OF. Jedan od čestih primijenjenih postupaka pri analizi testova višestrukog izbora je klasična test-teorija [9] koja uključuje analizu pojedinog zadatka i analizu testa kao cjeline. Ovakvom statističkom analizom odreďuje se pouzdanost i diskriminacija testa (parametri KR-20 (r test ) i -Ferguson ( )) kao i odnos pojedinih zadataka prema cjelokupnom testu (point-biserijalni koeficijenti (r pbk ), indeks lakoće (p) i teţine (q) zadatka te indeks diskriminacije zadatka (D)). Na ovaj način mogu se identificirati problematični zadaci. N1 Lakoća pojedinog zadatka, p odreďena je iz omjera p N, gdje je N 1 broj studenata koji točno riješili pojedini zadatak i N ukupni broj studenata koji su pisali test. Moguće vrijednosti indeksa lakoće je izmeďu 0 i 1. Što je veća vrijednost indeksa lakoće zadatka to je veći postotak studenata točno riješio zadatak, te se zadatak smatra lakšim za čitavu skupinu 10

17 studenata koji su pisali test. Prihvatljive vrijednosti lakoća svakog zadatka su u području 0,3 p 0,9, što uključuje i optimalnu vrijednost od 0,5. MeĎutim, kako bi se lakše identificirali teški zadaci u testu, pogodnije je odrediti indeks teţine zadatka, q, kao omjer broja studenata koji su netočno riješili zadatak u odnosu na ukupan broja studenata koji su pisali test, te q * preskalirane teţine zadataka [10]. Teţine zadataka bile su preskalirane tako da je od udjela netočnih rješenja (koji moţe imati vrijednosti izmeďu 0 i 1) oduzeto 0,5. Na taj način su, zadacima koji su imali riješenost iznad 50% (lakši zadaci), pridijeljene vrijednosti indeksa teţine izmeďu -0,5 i 0, a oni riješenosti ispod 50% (teţi zadaci) dobili su vrijednosti indeksa teţine od 0 do 0,5. Prema tome, moguće vrijednosti q * preskaliranih teţina zadataka su izmeďu -0,5 i 0,5. Iz grafičkog prikaza raspodjela preskaliranih teţina zadataka moguće je odrediti teţe zadatke, odnosno teţa konceptualna područja. Indeks teţine zadatka značajno ovisi o skupini studenata koji pišu test. Naime, iako različite skupine studenata pišu isti test, indeksi teţine zadataka mogu biti različiti za svaku skupinu studenata. Indeks diskriminacije zadatka D mjeri diskriminacijsku sposobnost pojedinog zadatka u testu, a smisao mu je da moţe razlikovati studente koji su naučili nastavne sadrţaje obuhvaćene testom (uspješni studenti) od studenata koji ih nisu naučili (neuspješni studenti). Praktički to znači da će zadatak s visokim indeksom diskriminacije, uspješni studenti, redovito, riješiti točno, dok će studenti sa slabijem razumijevanjem, isti zadatak, riješiti pogrešno. Indeks diskriminacije zadatka D izračunava se tako da se najprije rangiraju studenti prema postignutom uspjehu na testu i pritom se odabere 27% najboljih (gornja skupina, N U ) i 27% najlošijih (donja skupina, N L ). Za svaki zadatak izračuna se broj studenata u gornjoj i donjoj skupini koji su točno riješili svaki pojedini zadatak. Indeks diskriminacije zadatka D izračunava se prema relaciji D N U 27% najboljih L 27% najlošijih N U N N L /2, a moguće vrijednosti mogu biti izmeďu -1 i 1. Dobar zadatak u testu je onaj kod kojeg je D 0,3. Zadaci koji imaju indeks diskriminacije 0 D 0,3 nisu nuţno loši, ali bi većina zadataka u testu trebala imati visoke indekse diskriminacije kako bi se zajamčilo sposobnost testa da razlikuje uspješne od neuspješnih studenata. Isto tako, teţina zadatka značajno utječe na indeks diskriminacije pojedinog zadatka. Nizak indeks diskriminacije pojavljuje se i kada je zadatak preteţak (visok indeks teţine zadatka) i prelagan (nizak indeks teţine zadatka). Point-biserijalni koeficijent r pbk (ponekad se naziva indeks pouzdanosti svakog zadatka) je mjera kvalitete pojedinog zadatka u odnosu na cijeli test, a definira se kao korelacija izmeďu uspjeha studenata u rješavanju pojedinog zadatka i uspjeha na cijelom testu. Koeficijent 11

18 korelacije izmeďu grupe dihotomnih varijabli ( uspjeh rješavanja pojedinog zadatka) i grupe kontinuiranih varijabli (ukupan uspjeh rješavanja cijelog testa) odreďuje se prema relaciji X X 1 0 rpbk P 1 P, gdje je 1 X X srednja vrijednost ukupnog uspjeha studenata koji su točno riješili zadatak, X 0 srednja vrijednost ukupnog uspjeha studenata koji su netočno riješili zadatak, X standardna devijacija ukupnog uspjeha svih studenata na testu, a P indeks teţine zadatka. Vrijednosti point-biserijalnog koeficijenta mogu biti u području [-1,1]. Ako je neki zadatak visoko pozitivno koreliran s cijelim testom, to znači da su studenti koji su postigli visok uspjeh na cijelom testu, vjerojatno, točno riješili i taj zadatak, a netočno su ga riješili studenti s niskim ukupnim uspjehom na cijelom testu. Negativna vrijednost point-biserijalnog koeficijenta pokazuje da su studenti s niskim ukupnim uspjehom na testu, najvjerojatnije, točno riješili odreďeni zadatak što znači da je taj zadatak u testu ima nedostatke. U idealnom slučaju, uspjesi pri rješavanju svakog zadatka u testu trebali bi biti visoko korelirani s uspjehom rješavanja cijelog testa. MeĎutim, to je često nemoguće ostvariti, osobito ako test sadrţi velik broj zadataka. Stoga se, kao mjera pouzdanosti pojedinog zadatka u testu, smatra point-biserijalni koeficijent koji zadovoljava uvjet: r pbk 0,2, prema tome, ako je 0 r pbk 0,19 zadatak je nezadovoljavajući za test; 0,20 r pbk 0,39 dobar zadatak; 0,40 r pbk 0,59 vrlo dobar zadatak; r pbk 0,60 izvrstan zadatak [11]. Jedan od načina provjere je li u testu veći broj zadataka zadovoljava uvjet r pbk 0,2 je izračunavanje srednje vrijednosti point-biserijalnih koeficijenata svih zadataka. Budući da je, ponekad, teško kontrolirati svaki zadatak u testu, osobito u slučaju velikog broja zadataka, često se kao pokazatelji sloţenosti (teţine) i diskriminacije snage testa koriste srednje vrijednosti indeksa lakoće P i indeksa diskriminacije D svih zadataka u testu. Za razliku od point-biserijalnih koeficijenata kojima se odreďuje pouzdanost svakog zadatka u testu u odnosu na cijeli test, pouzdanost cijelog testa je pokazatelj konzistentnosti testa da reproducira isti uspjeh pod istim uvjetima, tj. ukoliko je test pouzdan, njegovo ponavljanje pod istim uvjetima dat će pribliţno (s malom slučajnom pogreškom) iste rezultate. Standardni način za izračunavanje pouzdanosti testa je korištenjem Kuder-Richardsonove formule (KR-20)[12], r test K K 1 1 K i 1 P i 1 2 x P i (1), 12

19 gdje je K broj zadataka, P i teţina pojedinog zadatka, a 2 x varijanca testa. Moguće vrijednosti indeksa pouzdanosti testa su u području [0,1], a pritom se smatra da je test pouzdan ako je r test 0,7 za odreďeni broj zadataka (r test ovisi o broju zadataka u testu). Drugi statistički parameter za procjenu cijelog testa je -Ferguson koji mjeri diskriminacijsku snagu cijelog testa. Točnije, on istraţuje koliko široko su ukupni uspjesi svih studenta odreďene skupine raspodijeljeni po svim mogućim područjima, a izračunava se prema relaciji 2 2 N f i 2 2 N N K 1 (2), gdje je N broj studenata u ispitivanoj skupini, K broj zadataka u testu, a f i broj studenata s i-tim ukupnim uspjehom. Općenito, test ima dobru diskriminacijsku snagu izmeďu studenata ako je δ 0,9. 13

20 3. EKSPERIMENTALNI DIO Istraţivanje smo proveli uz pomoć CSEM (Conceptual Survey of Electricity and Magnetism) testa [8] koji je konceptualni test iz elektriciteta i magnetizma i predstavlja vaţan korak naprijed u procesu procjene učeničkih znanja i vještina. CSEM test je test višestrukog izbora koji se sastoji od 32 zadatka općepoznati je dijagnostički instrument pomoću kojeg se moţe provjeriti razumijevanje nekih temeljnih fizikalnih koncepata iz elektriciteta i magnetizma te dijagnosticirati poteškoće koje učenici/studenti imaju pri njihovom usvajanju. Područje elektriciteta i magnetizma sadrţi mnogo manjih konceptnih područja koji ne moraju nuţno biti jednako teški studentima. Usporedba i procjena teškoće usvajanja gradiva u tim područjima je nuţna za daljnje poboljšanje nastavnog procesa. Prema izvornoj podjeli, 32 zadatka CSEM testa su prilično neravnomjerno rasporeďena u 11 konceptualnih područja. Tako se neki zadaci nalaze u nekoliko konceptualnih područja čime je analiza rezultata testa prilično oteţana. Stoga je naknadno predloţena preraspodjela zadataka u 6 konceptualnih područja [10], pri čemu se svako područje sastoji od pribliţno jednakog broja zadataka. Novostvorena konceptualna područja su: a) Električni naboj i sila ENS ; (1, 2, 3, 5, 6, 8) b) Električno polje i sila EPS ; (9, 12, 13, 14, 15) c) Električni potencijal i rad EPR ; (11, 16, 17, 18, 19, 20) d) Magnetsko polje i sila MPS ; (21, 22, 23, 25, 26, 28) e) Elektromagnetska indukcija EMI ; (29, 30, 31, 32) f) Newtonovi zakoni u elektromagnetskom kontekstu NZ u EM (4, 7, 10, 24, 27) Istraţivanje je provedeno na kraju prvog semestra akademske godine 2010./11., a sudjelovalo je ukupno 594 studenata prve godine Preddiplomskog studija elektrotehnike i računarstva, prve godine Stručnog studija Elektrotehničkog fakulteta u Osijeku, a kao kontrolna skupina studenti prve godine Prehrambeno-tehnološkog i GraĎevinskog fakulteta te Odjela za fiziku u Osijeku. Studenti koji su obuhvaćeni ovim istraţivanjem podijeljeni su u nekoliko skupina: 14

21 studenti Preddiplomskog studija elektrotehnike (ETF-E, 88 studenata) studenti Preddiplomskog studija računarstva (ETF-R, 98 studenta) studenti Stručnog studija elektrotehnike i automatike (ETF-St, 184 studenta) studenti Preddiplomskog studija Prehrambeno-tehnološkog fakulteta (PTF, 120 studenata) studenti GraĎevinskog fakulteta (GF, 77 studenata) Studenti Odjela za fiziku ( OF, 27 studenata) Testiranje studenata svih skupina Elektrotehničkog fakulteta u Osijeku provedeno je na kraju prvog semestra, odnosno nakon odraďene nastave (predavanja, auditorne i laboratorijske vjeţbe) iz kolegija Osnove elektrotehnike I. Studenti Prehrambeno-tehnološkog fakulteta u Osijeku, takoďer, su testirani po završetku prvog semestra, ali nakon odraďene nastave iz kolegija Tehnička fizika, koji uglavnom obuhvaća područje mehanike, a u okviru kojeg nije obraďivano područje elektromagnetizma. Stoga, CSEM-test predstavlja post-test za sve ispitivane skupine studenata Elektrotehničkog fakulteta, dok je ovaj test neka vrsta pred-testa za studente Prehrambeno-tehnološkog fakulteta. Sve ispitivane skupine studenata pisale su test u istom tjednu. Studenti su pisali test 45 minuta i pri tome su bili upozoreni da izbjegavaju prepisivanje i pogaďanje odgovora; da nastoje da njihovi odgovori odraţavaju njihovo osobno mišljenje, te da ne ostavljaju pitanja neodgovorena budući da u slučaju pogrešnih odgovora nema negativnih bodova. Preddiplomski studij elektrotehnike i računarstva na Elektrotehničkom fakultetu u Osijeku traje 6 semestara, a nakon završetka studija polaznici stječu naziv prvostupnika. Prvostupnici mogu izravno upisati Diplomski studij, koji traje 4 semestra, nakon kojeg stječu naziv magistar struke. S druge strane, stručni studij na Elektrotehničkom fakultetu u Osijeku traje 6 semestara nakon kojeg studenti stječu naziv inţenjer elektrotehnike. Tijekom prvog semestra studenti prve godine preddiplomskog i stručnog studija Elektrotehničkog fakulteta sadrţaje iz elektromagnetizma ne izučavaju u okviru kolegija Fizika 1, nego u kolegiju Osnove elektrotehnike 1. Program kolegija Osnove elektrotehnike 1 obuhvaća fizikalne osnove elektrotehnike, a studente poučavaju inţenjeri elektrotehnike, a ne fizičari. Kolegij Fizika 1 na Preddiplomskom studiju i Fizika na Stručnom studiju obuhvaća područje mehanike i topline, dok se sadrţaji iz elektromagnetizma djelomično izučavaju u okviru kolegija Fizika 2 u drugom semestru prve godine Preddiplomskog studija. Studenti prve godine Preddiplomskog studija prehrambene tehnologije na Prehrambeno-tehnološkom fakultetu, takoďer, ne izučavaju sadrţaje 15

22 iz elektromagnetizma u okviru kolegija Tehnička fizika, pa ovi studenti predstavljaju kontrolnu skupinu studenata, a njihovo znanje i konceptualno razumijevanje elektriciteta i magnetizma temelji se metodama poučavanja fizike tijekom srednjoškolskog obrazovanja. Rezultati istraţivanja studenata osječkog sveučilišta pomoću CSEM testa usporeďeni su s rezultatima sličnih istraţivanja provedenih meďu studentima fizike Prirodoslovno-matematičkog fakulteta (PMF) u Zagrebu i velikog broja studenata koji su obuhvaćeni kolegijima iz opće fizike na američkim sveučilištima [8,10]. Testiranje CSEM testom provedeno je kao post-test za 84 studenta (35 inţenjerski smjer, 49 profesorski smjer) PMF-a u Zagrebu na kraju prve godine studija u kojoj je u kolegijima opće fizike obuhvaćeno područje mehanike te elektriciteta i magnetizma. Na američkim sveučilištima u evaluaciji je sudjelovalo više od 1000 studenata, a CSEM test je primijenjen kao pred- i post-test. 16

23 4. REZULTATI I RASPRAVA Uspješnost rješavanja CSEM testa izraţena je u postotcima u obliku aritmetičke srednje vrijednosti x i N x i, standardnom devijacijom x N i 1 x i N x 2 i standardnom pogreškom x N te rasponom dobivenih rezultata. Raspodjela uspjeha po postotnim razredima pri rješavanju CSEM testa za sve ispitivane skupine studenata Elektrotehničkog, Prehrambeno-tehnološkog fakulteta i GraĎevinskog fakulteta te Odjela za fiziku Sveučilišta u Osijeku na kraju prvog semestra ak. god /11. prikazana je na slici 1., dok su u tablici 1., dani statistički podaci o uspješnosti rješavanja testa. Tablica.1. Uspješnost rješavanja CSEM testa po skupinama ispitivanih studenata Elektrotehničkog (ETF-E, -R, -St), Prehrambeno-tehnološkog (PTF), Građevinsko fakulteta (GF) te Odjela za fiziku Sveučilišta u Osijeku (OF). Skupine studenata N Srednja vrijednost, % Standardna devijacija, % min - max, % ETF-E 88 post-test 50,5 19,3 12,5 87,5 ETF-R 98 post-test 59,3 10,8 15,6 75,0 ETF-St 184 post-test 62,1 13,3 18,8 78,1 PTF 120 pred-test 21,0 6,3 6,3 37,5 GF 77 pred-test 21,7 7,5 9,4 40,6 OF 27 post-test 38,3 18,9 15,6 65,6 ukupno ,4 18,8 38,3 68,5 Ukupan uspjeh svih ispitivanih studenata osječkog sveučilišta je 45,4% što je u vrlo dobrom slaganju s ukupnim uspjehom studenata Prirodoslovno-matematičkog fakulteta u Zagrebu (48%) i studenata američkih sveučilišta (47%). MeĎutim, ako se usporede samo rezultati post-testova tada srednji uspjeh studenata ETF-a u Osijeku iznosi 57% što je značajno bolji uspjeh od američkih i studenata PMF-a u Zagrebu. Ovi rezultati pokazuju da su studenti elektrotehnike i računarstva, izučavajući fizikalne osnove elektrotehnike, dobro usvojili temeljne koncepte iz elektriciteta i magnetizma. S druge strane, za studente prehrambene tehnologije uspjeh pri rješavanju CSEM-testa kao pred-testa bio je vrlo slab (21%), odnosno tek nešto viši 17

24 od granice slučajnog izbora (20%). Ovakav rezultat pred-testa je djelomično očekivan budući da studentima nisu bliske elektromagnetske pojave te fizikalne zakoni i relacije, a postoje i teškoće koje su uzrokovane nerazumijevanjem temeljnih mehaničkih koncepata koji su izučavani u prvom semestru u okviru kolegija Tehnička fizika. Uspjeh GraĎevinskog fakulteta je bio 21,7% što je takoďer nešto viši od granice slučajnog izbora. Slika 1. Raspodjela uspjeha po postotnim razredima pri rješavanju CSEM testa za sve ispitivane skupine studenata Elektrotehničkog, Prehrambeno-tehnološkog i Građevinsko fakulteta te Odjela za fiziku Sveučilišta u Osijeku Raspodjela uspjeha po konceptualnim područjima pri rješavanju CSEM testa (Slika 2), pokazuje da su studenti ETF-a (66% -R, 58% -E, 70% -St) uspješnije rješavali zadatke iz područja koja obuhvaćaju sadrţaje iz elektriciteta (ENS, EPS, EPR), nego ona koja se odnose na magnetizam (MPS, EMI, NZ u EM) (51% -R, 45% -E, 49% - St). Pritom su najslabiji uspjeh postigli u konceptualnom području o elektromagnetskoj indukciji (45% -R, 37% -E, 43% - St) što ukazuje na nedovoljno razumijevanje koncepta induciranog napona uslijed promjene magnetskog toka kao i formalizma koji uključuje poznavanje vektorskog produkta te grafičku interpretaciju magnetskog polja. S druge strane, uočava se da su studenti ETF-a prilično dobro usvojili koncepte iz elektriciteta kao što su električno polje i potencijal, te interpretaciju ekvipotencijalnih ploha i silnica električnog polja budući da su u ovom konceptualnom području postigli najbolji uspjeh (75%-R, 63%-E, 66%-St). 18

25 Slika 2. Raspodjela uspjeha po konceptualnim područjima pri rješavanju CSEM testa za sve ispitivane skupine studenata Elektrotehničkog, Prehrambeno-tehnološkog i Građevinsko fakulteta te Odjela za fiziku Sveučilišta u Osijeku Konceptualno područje ENS U ovom području proučava se razumijevanje studenata o električnom naboju i sili. Zadaci ispituju znanje o raspodjeli naboja na vodičima i izolatorima, primjeni Coulombovog zakona te primjeni superpozicije za električnu silu. U području električnog naboja i sile, vidimo da su za studente Elektrotehničkog fakulteta pitanja 1. i 2. bili najteţa (za 1. q * =0,20, što je 70% netočnih odgovora, a za 2. q * =0,38, što je 88% netočnih odgovora). U tim pitanjima se ispitivalo kako će se raspodijeliti naboj na kugli kada je kugla izolator, a kako kada je kugla vodič. To je jedna od najčešćih učeničkih/studentskih pretkoncepcija gdje učenici/studenti ne uočavaju bitnu razliku izmeďu vodiča i izolatora, tj. smatraju da će se naboj jednako ponašati na svakom od njih. Smatraju da ako naelektriziramo jedan kraj staklenog štapa da će se naboj proširiti po cijelom štapu isto kao kada naelektriziramo metalni šap. Najlakša pitanja iz tog područja su im 3. i 8. (za 3. q * = - 0,44, što je 94% točnih odgovora, a za 8. q * = - 0,42, što je 92% točnih odgovora). Pitanje u kojima su morali znati kolika je sila na nabijenu česticu. Za studente Prehrambeno tehnološkog i GraĎevinskog fakulteta sva pitanja su bila dosta teška, no najbolje odgovoreno pitanje u ovom konceptualnom području je 1. pitanje (PTF: q * = 0,03, što je 48% točnih odgovora, GT: q * =0,01, što je 49% točnih odgovora). Za studente Odjela za fiziku najteţe pitanje u ovom konceptualnom području bilo je 5. pitanje (q * = 0,13, što je 63% netočnih odgovora). U 5. pitanju traţilo se kolika će sila biti na nabijenu česticu +4Q ako se udaljenost izmeďu čestica Q i +4Q tri puta poveća. Ovdje studenti nisu uvidjeli da trebaju primijeniti 19

26 proporcionalnost sile o naboju i obrnutu proporcionalnost sile o kvadratu udaljenosti. Najlakše je bilo 1. i 3. pitanje (za 1. q * = -0,20, što je 70% točnih odgovora, a za 3. q * = -0,31, što je 81% točnih odgovora). Slika 3. Raspodjela uspjeha unutar konceptualnog područja ENS za sve ispitivane skupine studenata Elektrotehničkog, Prehrambeno-tehnološkog i Građevinsko fakulteta te Odjela za fiziku Sveučilišta u Osijeku Konceptualno područje EPS U ovom području proučava se razumijevanje električnog polja i sile. Zadaci ispituju znanje o sili koju proizvodi električno polje, superpoziciju električnih polja te učinak induciranog naboja na električno polje. U području električnog polja i sile za Elektrotehnički fakultet bilo je najlakše 12. pitanje gdje se ispitivalo poznavanje sile u homogenom električnom polju (q * = - 0,32, što je 82% točnih odgovora). Najteţe pitanje u tom konceptualnom području im je 14. pitanje (q * =0,37, što je 87% netočnih odgovora). U tom pitanju dobili su prikaz dvaju naboja gdje se jedan naboj +q nalazi u sfernoj metalnoj kugli, a drugi +Q izvan kugle. Morali su znati odabrati ispravan opis rezultantnih električnih sila na svaki naboj. Za testirane studente Prehrambeno-tehnološkog i GraĎevinskog fakulteta, 12. pitanje je bilo najlakše pitanje u tom području (PTF q * = 0,01, što je 49% točnih odgovora, GF q * = -0,05, što je 55% točnih odgovora). Sva ostala pitanja u tom području za njih si bila teška. Studentima Odjela za fiziku je isto kao i studentima Elektrotehničkog fakulteta najlakše bilo riješiti 12. pitanje (q * = -0,24, što je 74% točnih odgovora), a najteţe 14. pitanje (q * = 0,35, što je 85% netočnih odgovora). 20

27 Slika 4. Raspodjela uspjeha unutar konceptualnog područja EPS za sve ispitivane skupine studenata Elektrotehničkog, Prehrambeno-tehnološkog i Građevinsko fakulteta te Odjela za fiziku Sveučilišta u Osijeku Konceptualno područje EPR U ovom području proučava se razumijevanje električnog potencijala i rada. Zadaci takoďer ispituju razumijevanje potencijala preko ekvipotencijalnih ploha. U konceptualnom području električni potencijal i rad, najteţe je bilo 20. pitanje (q * =0,38, što je 88% netočnih odgovora). U tom pitanju su dobili pozitivno nabijenu česticu koja miruje u prostoru u kojem postoji električni potencijal opisan ekvipotencijalnim linijama, te su morali izabrati par strelica koje najbolje opisuju relativne iznose i smjerove električne sile, koja djeluje na nabijenu česticu u danim poloţajima. Najlakše pitanje iz tog područja je 17. pitanje (q * = - 0,34, što je 16% netočnih odgovora). U tom pitanju su morali znati kako se meďusobno odnose iznosi rada potrebnog za premještanje naboja. Dobro su usvojili da je razlika potencijala U izmeďu dviju točaka jednaka radu koji je potrebno uloţiti da bi se jedinični naboj premjestio iz jedne točke električnog polja E u drugu. Za studente Prehrambeno-tehnološkog i GraĎevinskog fakulteta u ovom konceptualnom području sva su pitanja bila teška. Za studente Odjela za fiziku najlakše je bilo 16. pitanje (q * = 0,02, što je 48% točnih odgovora). Tu su studenti trebali odabrati odgovor koji najbolje opisuje buduće gibanje elektrona koji je postavljen na x os i koji u toj točki ima električni potencijal +10 V. U ovom pitanju studenti Odjela za fiziku su znali da u ovom pitanju nema dovoljno podataka za odreďivanje smjera gibanja elektron, odnosno bilo je potrebno znati smjer ekvipotencijalnih ploha što nije dano u zadatku. Najteţe im je bilo 20. pitanje (q * = 0,43, što je 93% netočnih odgovora). 21

28 Slika 5. Raspodjela uspjeha unutar konceptualnog područja EPR za sve ispitivane skupine studenata Elektrotehničkog, Prehrambeno-tehnološkog i Građevinsko fakulteta te Odjela za fiziku Sveučilišta u Osijeku Konceptualno područje MPS U ovom području proučava se razumijevanje Lorentzove sile, gibanje nabijene čestice u magnetskom polju, Amperove sile, magnetno djelovanje električne struje, magnetno polje strujne petlje. U konceptualnom području magnetsko polje i sila, studentima ETF-a su najteţa pitanja bila 25. i 28. (za 25. q * =0,34, što je 84% netočnih odgovora, a za 28. q * = 0,25, što je 75% netočnih odgovora). U 25. pitanju su trebali poredati iznos jakosti sile (od najjače do najslabije) kojom polje djeluje na naboj u gibanju. U tom pitanju im je bilo dosta teško prepoznati da se radi o Lorentzovoj sili, te da je sila najmanja (jednaka nuli) onda kada se smjer brzine nabijene čestice podudara sa smjerom silnica magnetskog polja, odnosno da je sila najveća kada je smjer brzine nabijene čestice okomit na smjer silnica magnetskog polja. U 28. pitanju trebali su odrediti smjer magnetskog polja u točki P koja se nalazi na pola puta izmeďu dviju strujnih petlji. To je trebalo odrediti pomoću pravila desnog vijka, gdje savijeni prsti pokazuju smjer struje, a ispruţeni palac smjer magnetskog polja. Najlakše pitanje u području magnetskog polja i sile je 26. pitanje (za 26. q * = - 0,31, što je 19% netočnih odgovora). U njemu su studenti trebali odrediti smjer magnetskog polja u točki A i B oko ravnog vodiča. U ovom pitanju je puno njih znalo da treba koristiti pravilo desne ruke, gdje savijeni prsti pokazuju smjer magnetskog polja, a palac smjer struje u ravnom vodiču. Za studente PTF-a i GF-a u ovom konceptualnom području sva pitanja su im bila teška. Studenti OF-a su najlakše riješili 26. pitanje (q * = -0,09, što je 59% točnih odgovora). Najteţa pitanje su bila 22. i 28. pitanje (za 22. q * = 0,43, što je 93% netočnih 22

29 odgovora, a za 28 q * = 0,31, što je 81% netočnih odgovora). U 22. pitanju studenti su trebali odrediti kamo je usmjereno magnetsko polja u kojem se nalazi elektron i giba se duţ naznačene putanje zbog magnetske sile uzrokovane magnetskim poljem. U ovom pitanju studenti nisu prepoznali upotrebu pravila lijeve ruke za odreďivanje smjera Lorentzove sile na nabijenu česticu u magnetskom polju. Slika 6. Raspodjela uspjeha unutar konceptualnog područja MPS za sve ispitivane skupine studenata Elektrotehničkog, Prehrambeno-tehnološkog i Građevinsko fakulteta te Odjela za fiziku Sveučilišta u Osijeku Konceptualno područje EMI U ovom području proučava se razumijevanje elektromagnetske indukcije. Zadaci ispituju znanje o Faradayevom zakonu preko vremenske promjene toka magnetskog polja. U području elektromagnetske indukcije najteţa pitanja studentima ETF-a su bila 29. i 30. pitanje (za 29. q * =0,41, što je 91% netočnih odgovora, a za 30. q * =0,28, što je 78% netočnih odgovora). U 29. pitanju su studenti trebali odabrati u kojim danim slučajevima će ţarulja svijetliti. Studenti znaju da će magnetsko polje u pokretu (zbog magneta koji se kreće) i ţarulja u pokretu u nepomičnom magnetskom polju stvoriti induciranu struju (paljenje ţarulje), ali studenti ne uočavaju smanjenje petlje kao promjenu magnetskog toka odnosno da rotiranje vodiča u ravnini okomitoj na magnetsko polje ne mijenja magnetski tok. U 30. pitanju trebali su prepoznati u kojem od tri ponuďena slučaja će se inducirati struje. Čini se da studenti razumiju da ţičani vodič proizvodi magnetsko polje, ali nisu sigurni kada će gibanje pravokutne petlje inducirati struju. Najtočnije riješen zadatak u ovom podučju bilo je 31. pitanje (q * =-0,21, što je 71% točnih odgovora). U ovom konceptualnom području nije bilo laganih pitanja za studente Prehrambeno- tehnološkog, 23

30 GraĎevinskog fakulteta, te Odjela za fiziku. Sva pitanja koja spadaju u ovo područje su studentima bila meďu teţim pitanjima. Slika 7. Raspodjela uspjeha unutar konceptualnog područja EMI za sve ispitivane skupine studenata Elektrotehničkog, Prehrambeno-tehnološkog i Građevinsko fakulteta te Odjela za fiziku Sveučilišta u Osijeku Konceptualno područje NZ U EM U ovom području proučava se razumijevanje i primjena Newtonovih zakona u elektromagnetskom kontekstu. U području Newtonovih zakona u elektromagnetizmu najteţa su bila 7. i 27. pitanje (za 7. q * =0,37, što je 87% netočnih odgovora, a za 27. q * =0,45, što je 95% netočnih odgovora). U 7. pitanju studenti su trebali izabrati par vektora koji prikazuju ispravan odnos električne sile na A (koja potječe od B) i električne sile na B (koja potječe od A). Prema odgovorima se vidi da velik broj studenata smatra da čestica s većom količinom naboja djeluje većom silom i iz toga se vidi da studenti općenito ne koriste treći Newtonov zakon u elektromagnetizmu. U 27. pitanju trebali su odabrati odgovor koji najbolje opisuje rezultantnu silu dvaju magneta na pozitivno nabijenu česticu. To je još jedno pitanje pomoću kojeg se vidjelo da je studentima teško upotrijebiti treći Newtonov zakon u elektromagnetizmu. Deseto pitanje za studente Elektrotehničkog fakulteta je bilo lagano (q * =-0,26, što je 76% točnih odgovora). U ovom pitanju studenti su prepoznali da u homogenom električnom polju djeluje stalna električna sila, a kad na neko tijelo (naboj) djeluje stalna sila tada se to tijelo giba jednoliko ubrzano. I u ovom konceptualnom području nije bilo laganih pitanja za studente Prehrambeno- tehnološkog i GraĎevinskog fakulteta dok su studenti Odjela za fiziku najbolje 24

31 riješili 10. pitanje (q * =0,02, što je 48% točnih odgovora), dok su im ostala pitanja bila teška. Tako je u 24. pitanju trebalo usporediti sile kojima dvije ţice djeluju jedna na drugu, ako u ţici I teče struja i, a u ţici II teče struja 3i. Ni u ovom zadatku studenti Odjela za fiziku nisu prepoznali treći Newtonov zakon. Slika 8. Raspodjela uspjeha unutar konceptualnog područja NZ u EM za sve ispitivane skupine studenata Elektrotehničkog, Prehrambeno-tehnološkog i Građevinsko fakulteta te Odjela za fiziku Sveučilišta u Osijeku Postojanje dobre korelacije izmeďu pojedinačnih zadataka i cijelog testa potvrďena je, kod studenata ETF-a, izračunatim srednjim vrijednostima point-biserijalnih koeficijenata: ETF-E - r pbk = 0,40, ETF-R - r pbk = 0,32, ETF-St - r pbk = 0,37,. Srednji indeks diskriminacije zadatka za studente preddiplomskog studija ETF-a iznosi =0,39 i obuhvaća interval 0,42 D 0,56, a za studente ETF-St je = 0,33 uz interval 0,46 D 0,90 što nam govori da ovaj test za Elektrotehnički fakultet nije bio toliko teţak i ovaj test je sposoban razlikovatiuspješne od neuspješnih studenata. 25

32 Slika 9. Reskalirani indeks težine, q *, indeks diskriminacije zadataka, D i point-biserijalni koeficijenti, r pbk - za svaki pojedinačni zadatak unutar opisanih konceptualnih područja za studente Elektrotehničkog fakulteta u Osijeku. Na slici 10.a. i 10b. vidimo nezadovoljavajuću korelaciju pojedinih zadataka i cjelovitog testa koja je uočena kod studenata PTF-a i GF-a. Izračunata srednja vrijednost point-biserijalnog koeficijenata za PTF je r pbk = 0,15, za GT je r pbk =0,19. Za studente PTF-a srednji indeks diskriminacije zadataka iznosi = 0,12, a za GF iznosi = 0,18 što je 0,30 i pokazuje da su za ove studente gotovo svi zadaci u testu bili preteški te da se testom ne mogu razdvojiti bolji od lošijih studenata. To nam govori da studenti Prehrambeno tehnološkog i GraĎevinskog fakulteta nisu usvojili gradivo elektriciteta i magnetizma. To je i očekivani rezultat jer budući da studentima nisu bliske elektromagnetske pojave te fizikalne zakoni i relacije, a postoje i teškoće koje su uzrokovane nerazumijevanjem temeljnih mehaničkih koncepata koji su izučavani. 26

33 Slika 10. a. Reskalirani indeks težine, q *, indeks diskriminacije zadataka, D i point-biserijalni koeficijenti, r pbk - za svaki pojedinačni zadatak unutar opisanih konceptualnih područja za studente Prehrambeno tehnološkog fakulteta Slika 10. b. Reskalirani indeks težine, q *, indeks diskriminacije zadataka, D i point-biserijalni koeficijenti, r pbk - za svaki pojedinačni zadatak unutar opisanih konceptualnih područja za studente Građevinskog fakulteta Postojanje dobre korelacije izmeďu kvalitete rješavanja pojedinačnih zadataka i cijelog testa potvrďena je, kod studenata Odjela za fiziku, izračunatom srednjom vrijednosti pointbiserijalnog koeficijenata koja iznosi r pbk = 0,40. Izračunati point-biserijalni koeficijenti nalaze se u intervalu -0,23 r pbk 0,81 što nam govori da je većina zadataka primjerena istraţivanoj populaciji odnosno da je pouzdanost tih pojedinačnih zadataka u odnosu na test kao cjelinu na zadovoljavajućoj razini. Srednji indeks diskriminacije zadatka iznosi = 0,48, što je 0,30 i 27

34 pokazuje nam da ovaj test moţe razlikovati studente koji su razumjeli nastavne sadrţaje obuhvaćene testom od studenata koji ih nisu razumjeli.. Slika 11. Reskalirani indeks težine, q *, indeks diskriminacije zadataka, D i point-biserijalni koeficijenti, r pbk - za svaki pojedinačni zadatak unutar opisanih konceptualnih područja za studente Odjela za fiziku u Osijeku Usporedba teţina zadataka po konceptualnim područjima CSEM testa za hrvatske i američke studente, prikazane na slikama 12.a. i 12.b.. otkriva da za studente ETF-a u Osijeku, većina (4 od 6) područja ima negativnu srednju reskaliranu teţinu što znači da je u njima bilo više od 50% točnih odgovora, dok, za studente PMF-a zagrebačkog sveučilišta i američke studente većina (5 od 6) područja ima pozitivne teţine, odnosno dano je manje od 50% točnih odgovora (slika 12. a.). Slika 12. a) Usporedba reskaliranih težina zadataka po konceptualnim područjima CSEM testa za hrvatske i američke studente koji su CSEM test pisali nakon odslušane nastave iz elektromagnetizma (posttest). 28

35 Raspodjela srednjih reskaliranih teţina zadataka po konceptualnim područjima, za studente PTF-a i GF-a, kod kojih je CSEM test primijenjen kao pred-test, je vrlo slična rezultatima pred-testa američkih studenata (slika 12.b.). Uz to, srednje reskalirane teţine svih konceptualnih područja (osim ENS!) su pribliţno q * 0,30 što odgovara razini pogaďanja (slučajnog odabira točnog odgovora) za test višestrukog izbora s 5 ponuďenih odgovora kako za studente PTF-a tako i za studente GF-a osječkog sveučilišta dok su za američke studente problematična konceptualna područja EPR, MPS i EMI. Slika 12.b. Usporedba reskaliranih težina zadataka po konceptualnim područjima CSEM testa za hrvatske i američke studente koji su CSEM test pisali prije (američki) odnosno bez odslušane nastave (hrvatski) iz elektromagnetizma. 29