Univerzitet u Nišu Prirodno matematički fakultet Departman za hemiju Usvajanje i primena koncepta čestične prirode materije kod učenika osnovnoškolskog uzrasta - Master rad - Mentor: Prof. dr Tatjana Anđelković Kandidat: Jelena Sazdanović Niš, 14.
Zahvaljujem se mentoru prof. dr Tatjani Anđelković, koja je prihvatila saradnju i pomogla pri definisanju teme za izradu Master rada, na ličnom interesovanju, nizu korisnih saveta i sugestija i formiranju konačne verzije master rada. Veliko Vam hvala na ukazanom poverenju, strpljenju i razumevanju! Takođe se zahvaljujem Osnovnoj školi Kralj Petar I u Nišu, a posebno nastavnici Slađani Jović, koji su omogućili da eksperimentalni deo rada izvedem u njuhovoj školi. Srdačno se zahvaljujem svojim roditeljima, bratu, voljenoj osobi i prijateljima koji su bili uz mene tokom studiranja, zahvaljujem se na neizmernoj ljubavi, pomoći, podršci i razumevanju ISKRENO VAM HVALA!
Редни број, РБР: Идентификациони број, ИБР: Тип документације, ТД: Тип записа, ТЗ: Врста рада, ВР: Аутор, АУ: Ментор, МН: Наслов рада, НР: Језик публикације, ЈП: Језик извода, ЈИ: Земља публиковања, ЗП: Уже географско подручје, УГП: монографска текстуални/графички мастер рад Јелена Саздановић Татјана Анђелковић Усвајање и примена концепта честичне природе материје код ученика основношколског узраста српски енглески Република Србија Србија Година, ГО: 14. Издавач, ИЗ: ауторски репринт Место и адреса, МА: Ниш, Вишеградска 33 Физички опис рада, ФО: (поглавља, страна, цитата, табела, слика, графика) Научна област, НО: Научна дисциплина, НД: Предметна одредница/кључне речи, ПО: 43 странe / 6 поглавља / 16 слика и графика / 13 референци Хемија Методика наставе хемије УДК: 371.212.5 : 573.3 концепт честичне природе материје, заблуде код ученика, дијагностички тест Чува се, ЧУ: Важна напомена, ВН: Извод, ИЗ: Датум прихватања теме, ДП: Датум одбране, ДО: Чланови комисије, : Председник: Члан: Члан: Члан, ментор: библиотека Експериментални део рада рађен је у ОШ Краљ Петар I у Нишу Предмет истраживања овог мастер рада је уочавање ученичких заблуда и прогрешно развијених концепата о честичној природи материје. Тестирање ученика помоћу дијагностичког теста изведено је у три одељења шестог, седмог и осмог разреда. Тест је конципиран тако да садржи честе недоумице и заблуде ученика које настају приликом савладавања концепта честичне природе материје. Истраживање нам је потврдило да ученици немају исправну концепцију о честицама и да појам честице није добро усвојен и конципиран у њиховом знању.
Accession number, ANO: Identification number, INO: Document type, DT: Type of record, TR: Contents code, CC: Author, AU: Mentor, MN: Title, TI: Language of text, LT: Language of abstract, LA: Country of publication, CP: Locality of publication, LP: monograph Textual/graphic Final work Jelena Sazdanović Tatjana Anđelković Introduction and application of the concept of particulate nature of matter on primary school students Serbian English Republic of Serbia Serbia Publication year, PY: 14 Publisher, PB: author s reprint Publication place, PP: Niš, Višegradska 33 Physical description, PD: (chapters/pages/ref./tables/pictures/graphs/ appendixes) Scientific field, SF: Scientific discipline, SD: Subject/Key words, S/KW: 43 pages / 6 chapters / 16 paintings and prints / 3 quotes / 13 references Chemistry Teaching methodology in chemistry UC 371.212.5 : 573.3 Holding data, HD: particle concept of matter, student s misconceptions, diagnostic test library Note, N: The experimental part of the work was done in the elementary school "Kralj Petar I" in Nis Abstract, AB: Accepted by the Scientific Board on, ASB: Defended on, DE: The subject of this master thesis is the identification of students' misconceptions and incorrectly developed concepts of the particulate nature of matter. Testing students by diagnostic test was conducted in three classes of the sixth, seventh and eighth grades. The test is designed to contain all the doubts and misconceptions that arise druring learning the concept of particulate matter. The research has confirmed that students do not have the correct conception of particles and particle concept is not well conceived and adopted in their knowledge. Defended Board, DB: President: Member: Member, Mentor:
SADRŽAJ 1. Uvod... 6 2. Teorijski deo... 8 2.1. Usvajanje hemijskih koncepata i pojmova... 9 2.1.1. Učenički predkoncepti... 9 2.1.2. Česte zablude i pogrešno usvojeni koncepti u nastavi hemije... 10 2.1.3. Učenički koncepti i naučni jezik... 12 2.1.4. Efektivne strategije za nastavu i učenje... 13 2.2. Uvođenje pojma čestica materije u nastavi hemije i fizike u... 15 2.2.1. Najmanje čestice materije i mentalni modeli... 16 2.2.2 Preoblikovane i nepreoblikovane čestice... 16 2.2.3 Prenošenje svojsta materije na čestice... 17 2.2.4. Usvajanje koncepta praznog prostora materije... 18 2.2.5. Čestica kao generički izraz za deo materije ili za atom/jon/molekul... 19 3. Cilj i hipoteza istraživanja... 3.1. Nastavne jedinice koje uvode koncept čestične građe materije... 21 3.2. Postavka dijagnostičkog testa o razumevanju koncepta čestične prirode materije... 22 3.3. Uzorak učenika na kome je izvršeno testiranje... 26 3.4. Obrada rezultata dijagnostičkog testa... 28 4. Rezultati i diskusija... 35 4.1. Preporuke za način uvođenja i interpretaciju koncepta čestične... 37 5. Zaključak... 6. Literatuta... 42
1. Uvod 6
Kod većine učenika osnovnoškolskog uzrasta primećujemo da određene hemijske pojmove i koncepte shvataju pogrešno ili da su ih usvojili i primenili na pogrešan način. Najčešće zablude i pogrešna shvatanja vezana su za koncept čestične prirode materije. Učenici uglavnom pogrešno prihvataju koncept najmanje čestice i generalizuju ga i koriste kao izraz za deo materije (čestice šećera, čestice sumpora...) ali i kao izraz za atom/jon/molekul. Učenici često atom hlora u žargonu nazovu samo hlorom, ili ne shvataju razliku kada ih upitamo od čega se sastoji HCl ili H2O? Cilj ovog master rada je da ukažemo na te učeničke zablude i pogrešno usvojene koncepte i da damo sugestije i preporuke za njihovo savlađivanje. Metodičko istraživanje ovog master rada izvedeno je u tri odeljenja i to, u po jedno odeljenje šestog, sedmog i osmog razreda. Želeli smo vidimo kakvu koncepciju o prirodi čestica imaju učenici koji još uvek ne pohađaju nastavu hemije, ali koji su o česticama nešto čuli iz drugih predmeta. Zatim, kakvu koncepciju imaju učenici koji počinju da izučavaju hemiju i učenici koji su pojam čestice i ostale osnovne pojmove iz hemije već savladali. Definisali smo dijagnostički test koji sadrži sve nedoumice i zablude učenika koje nastaju prilikom savladavanja koncepta čestične prirode materije. Istraživanje nam je potvrdilo da učenici nemaju ispravnu koncepciju o česticama i da pojam čestice nije dobro usvojen i koncipiran u njihovom znanju. 7
2. Teorijski deo 8
2.1. Usvajanje hemijskih koncepata i pojmova Pogrešna shvatanja i zablude se ne primećuju samo kod dece i učenika, nego su čak i naučnici i filozofi kroz istoriju mnoge stvari shvatali pogrešno. Praćenje promene tj. sazrevanje nekih teorija tokom razvoja nauke može biti od velike koristi u razmatranju načina na koji deca mogu da usvoje neku ideju tj. koncept. Ideje koje deca razvijaju bez ikakvog prethodnog predznanja o nekoj tematici nisu pogrešne i mogu se opisati kao alternativne i originalne, odnosno da predstavljaju neku vrstu predkoncepata. Svaki nastavnik prirodnih nauka bi trebalo da zna to, jer mu to može pomoći u prezentovanju i uvođenju novih pojmova kod dece. Međutim, čak i danas mogu da postoje neka pogrešna shavatanja kod dece, upravo zbog neodgovarajućih metoda nastave, odnosno pogrešno koncipirane logičko-metodičke strukture, koje predstavljaju jednim imenom zablude u usvajanju koncepata u školskom, formalnom obrazovanju. Neodgovarajuće metode nastave se mogu sprečiti usavršavanjem i ukazivanjem na pojavu ovog problema. Trebalo bi pronaći što više tih predkoncepata i zabluda načinjenih u školi i ukazati na njihovu pojavu nastavnicima. Takođe je važno naći dobra rešenja i strategije za unapređenje predavanja: alternativne strategije za tradicionalni pristup, rad sa očiglednim i jasnim laboratorijskim ogledima, veće korišćenje strukturnih modela ili metoda baziranih na novim tehnologijama itd. 2.1.1. Učenički predkoncepti Samostalno razvijeni koncepti kod učenika često se ne poklapaju sa današnjim modernim naučnim konceptima. Učenici do svojih sopstvenih ideja uglavnom dolaze posmatranjem - recimo, kada učenici razgovaraju o sagorevanju, kažu da ''nešto'' nestaje i opažaju da je preostali pepeo lakši od početnog materijala, tako su oni na osnovu posmatranja došli do logičkih zaključaka. Zbog ovoga ne možemo opisati njihove zaključke kao netačne već kao: izvorne prednaučne ideje; ili alternativne ideje. Uobičajeno je da se prođe kroz nekoliko predkoncepata u početnim fazama učenja osnovnog, srednjeg i višeg nivoa hemije. Dva opšta primera učeničkih predkoncepata su: Sunce se okreće oko Zemlje i bara je isušena uz pomoć sunčevih zraka. Sunce i Zemlja. Najčešće dečije prvo iskustvo sa Suncem praćeno je komentarima njihove porodice i suseda: ''Pogledaj, Sunce će izaći ujutru, u podne će biti na svojoj najvišoj tački i uveče će zaći.'' Posmatranja vezana za izlazak i zalazak Sunca, kao i za njegov sopstveni ciklus dovode učenike do ideje da ''Sunce kruži oko Zemlje''. Grčki filozofi razvijali su svoje ideje pre 00 godina. Ptolomej je mislio da je Zemlja centar svega i smatao je da se ''Sunce okreće oko Zemlje''. Krajem 16.veka Nikola Kopernik je nakon posmatranja kretanja planeta, 9
došao do svoje heliocentrične teorije: Zemlja je jedna od mnogih Sunčevih planeta, kao i te planete, Zemlja se okreće određenom putanjom oko Sunca i takođe se okreće oko svoje ose.''[1] S obzirom na tadašnju crkvu i postojanje inkvizicije, može se zamisliti kako su ljudi shvatili tu Ptolomejevu teorija. Crkva je želela da drže ljude u neznanju da je Zemlja centar univerzuma. Deca i adolescenti često, preko svojih sopstvenih posmatranja, dolaze do sličnih ideja kao što je i Ptolomej, a onda nastavnici koriste adekvatne metode i nastavna sredstva, kao što je recimo planetarijum, da bi ubedili decu da zaborave na svoje originalne ideje i prihvate da se Zemlja okreće oko Sunca. Vrlo je važno da mladi ljudi imaju priliku da iskažu i upoređuju svoje ideje. Tek nakon što dete shvati da njegova ideja nije dobra, treba mu se pružiti novi pogled na dati problem. Deca treba da znaju da je njihova teorija sasvim uobičajena i da su čak i naučnici u prošlosti verovali da se ''Sunce okreće oko Zemlje''. Predavanja korišćenjem modela kao što je planetarijum bi trebalo da pokažu deci pravu istinu o rotaciji Zemlje. Bare i sunčevi zraci. U razgovoru sa osnovcima u pogledu nestajanja bara po sunčanom danu, očigledno je da oni veruju da sunčevi zraci ''upijaju vodu'', da ''voda nestaje''. Mnogi nastavnici priznaju da su im takva objašnjenja ''simpatična'' i često se ne zamaraju da ih ispravljaju ili razgovaraju o tome: oni dozvoljavaju deci da zadrže svoje ''teorije o sunčevim zracima'' i njihovu ideju o ''nestajanje vode''. Ako, sa druge strane, nastavnici sprovedu oglede koji pokazuju isparavanje vode i kondenzaciju vodene pare u tečnu vodu, može se započeti naučni pogled na ovu temu. Ako takođe uvedemo ideju o česticama kao i o povećanju kretanja čestica vode usled toplote, deca će mnogo bolje shvatiti da se čestice vode mešaju sa česticama vazduha i stoga ostaju u vazduhu. Ona će, dalje, razumeti da su kretanje čestica i difuzija energetski bogatih čestica odgovorni za isparavanje vode. To će takođe voditi decu ka logičkom shvatanju o konzervaciji mase za kasnije lekcije i shvatanje hemijskih reakcija, naročito u pogledu sagorevanja. Neophodno je, međutim, da učenici mogu izraziti svoje sopstvene ideje o ''nestajanju vode'' pre nego što usvoje naučne koncepte. Da bi bili ubeđeni u naučne koncepte trebali bi demonstrirati ili samostalno uraditi oglede i uporediti ih sa svojim viđenjima. Sledeći ovu diskusiju, nakon više iskustva sa isparavanjem i kondenzacijom vode, učenici mogu shvatiti konceptualnu promenu. 2.1.2. Česte zablude i pogrešno usvojeni koncepti u nastavi hemije Kada se učenici suoče sa temom koja je mnogo teža, pojavljuju se različiti tipovi problema: zablude nastale pri usvajanju pojma u okviru školskog obrazovanja. Uprkos kompetentnim i kvalifikovanim nastavnicima, uglavnom pitanja ostaju otvorena i problemi nisu zaista rešeni i u potpunosti razumljivi. Nekoliko primera bi trebalo ovo da ilustruju. Sastav soli. Čuveni primer zabluda učenika nastalih u školi nastaje iz Arenijusove teorije disocijacije. 1884. godine, on je rekao da se ''molekuli soli nalaze u čvrstim solima kao najmanje čestice i razlažu se na jone rastvaranjem u vodi''. Kasnije, sa stvaranjem koncepta elektrona, nastaju zablude da ''atomi molekula soli formiraju jone putem razmene elektrona''. 10
Danas, se zna da ne postoje molekuli soli, postoje samo joni - čak i kada je so u čvrstom stanju. Rastvaranjem čvrstih soli, molekuli vode okružuju jone, a hidratizovani joni nisu povezani, već se kreću neometano u rastvoru soli. Neverovatno je da se čak i danas u literatiri može naći sledeća konstatacija: ''natrijum hlorid se sastoji od atoma natrijuma i hlora. Svaki atom hlora uzima po jedan elektron iz atoma natrijuma tako da atom hlora postaje negativno naelektrisan, a atom natrijuma postaje pozitivno naelektrisan''. Takođe u nastavnim temama o hemijskim vezama, uglavnom se obrađuju veze elektronskih parova i samo ukratko jonske veze. Rezultat toga je da učenici nemaju naučno korektne i precizne ideje o jonima u jonskoj rešetci. Vezano za pitanje o tome koje se čestice nalaze u mineralnoj vodi koja sadrži kalcijum hlorid, mnogi učenici odgovaraju Cl-Ca-Cl molekuli. U ovom slučaju, zablude su nastale tokom predavanja. Ovakve zablude čak nastaju ako se o jonima, prilikom učenja teme elektrolize soli, nije učilo na pravi način. Hemijske reakcije. U hemiji se uglavnom odvajaju hemijske reakcije od fizičkih procesa. Stvaranje sulfida metala iz elemenata oslobađanjem energije je opisano u svakom slučaju kao hemijska reakcija. Nasuprot tome, rastvaranje supstance u vodi se često vezuje za ''fizički proces'' zbog toga što se materija ''u stvari ne menja'', rastvorena supstanca može se povratiti u svoje prvobitno stanje putem procesa ''fizičkog'' razdvajanja. Ako uzmemo natrijum hidroksid i rastvorimo ga u malo vode, nastaje bezbojni rastvor i oslobađa se toplota; rastvor provodi elektricitet i visoke je ph vrednosti. Neki učenici posmatraju ovaj rastvor kao novi materijal, a stvaranje toplote pokazuje da je reakcija egzotermna. Iz ovog primera možemo videti da nema nikakvog smisla razdvajati transformaciju materije na ''hemijske'' i "fizičke'' procese. Ako rutinski nastavimo da primenjujemo koncept hemijske/fizičke promene materije, automatski će se javljati školski načinjene zablude bazirane na tim tradicionalnim konceptima u školi. Sastav vode. ''Voda se sastoji od vodonika i kiseonika - ova i slične tvrdnje se često čuju o jedinjenjima, koja očigledno ''sadrže'' određene elemente. Ovakvi izrazi su nastali iz vremena kada je bilo uobičajeno analiziranje i pronalaženje elemenata koji ulaze u sastav određenih jedinjenja. Oni sa iskustvom znaju na šta se ovde misli, dok oni koji tek uče mogu doći do zablude, tačnije do školski načinjenih zabluda. Nakon toga, ako smo svesni predstave o ''atomima'' i ''jonima'' kao najmanjim česticama materije, mogu se proširiti ove tvrdnje, da jedinjenja ''sadrže'' posebne atome ili jone, da jedan molekul vode sadrži dva H atoma i jedan O atom koji su povezani i raspoređeni u određenu prostornu strukturu. Ali sama rečenica ''voda sadrži vodonik i kiseonik'' će razviti školski načinjene zablude. 11
2.1.3. Učenički koncepti i naučni jezik Nastavnici treba da budu svesni da novostečene ideje nisu održive zauvek i da se mogu izmeniti. Takođe bi trebali da znaju da su učenici pomalo nesigurni kada sa nekim diskutuju o novostečenim naučnim konceptima - oni će uglavnom koristiti reči iz svakodnevnog govora. Zbog toga je dobro da učenici razgovaraju o svojim idejama i razmišljanjima sa ljudima iz svog okruženja i da pri tome što više koriste odgovarajuće stručne termine i izraze jer će im to pomoći da razviju svoje jezičke sposobnosti, postanu kompetentniji i razviju svoje kritičko razmišljanje. Mnoge školski načinjene zablude nastaju zbog postojanja problema sa određenom terminologijom i naučnim jezikom, naročito uključujući susptance, čestice i hemijske simbole koji nisu jasno definisani i razgraničeni. Ako je neutralizacija opisana jednačinom, HCl + NaOH NaCl + H2O, onda učenici teško prihvataju model koji podrazumeva jone kao najmanje čestice. Kada bismo postavili pitanje učenicima, na kojoj reakciji nautralizacije je ovo bazirano, kao odgovor bismo mogli očekivati mentalni model H-Cl molekula i Na-OH molekula. Ako diskutujemo o vrsti jona kod hlorovodonične kiseline i rastvora natrijum hidroksida, i ako ih jasno skiciramo na papir, učenici bi verovatno razvili pravilno razmišljanje o tim modelima, što će im omogućiti da prethodnu reakciju predstave jednačinom uz pomoć simbola jona. Naučnik Johnstone [2] je razjasnio ovu povezanost (slika 1.): ''Postoje tri vrste razmišljanja: makro - opipljivo, submikro - atomsko i molekularno, i reprezentativno - korišćenje simbola i matematike. Pogrešno je uvođenje ideje učenicima preko sve tri vrste istovremeno. Ovde leži poreklo mnogih zabluda. Iskusni hemičar može održati balans između ove tri vrste, ali ne i učenik ''. Makro : ono što možeš videti, osetiti, dotaći Submikro : atomi, joni, molekuli, hemijske strukture Reprezentativno : simboli, formule, jednačine, molaritet, tabele i grafici Slika 1. Hemijski trougao konstruisan od strane Johnstona [2] Teško je čak i u srednjim školama napraviti prelaz sa mikroskopskog nivoa direktno na reprezentativni nivo. Ovo, ponovo, vodi do školski načinjenih zabluda, učenici mešaju supstance na mikroskopskom nivou sa česticama na submikroskopskom nivou: ''hlorovodonična kiselina daje jedan proton, umesto da ''jedan H3O + (aq) jon daje jedan proton'', ''kiseonik uzima dva elektrona'', umesto da ''jedan atom O uzima dva elektrona''. Sa jedne strane, učenici ne vide bilo kakvu povezanost između ova dva načina prikaza, dok im je sa druge strane ostavljeno da sami shvate koji mentalni model mogu odabrati u pogledu razmišljanja na submikroskopskom nivou. 12
2.1.4. Efektivne strategije za nastavu i učenje ''Svaka nastava bi trebala otpočeti sa iskustvima učenika - svako novo iskustvo učenika je potpomognuto uz pomoć postojećih koncepata''. ''Bez ukidanja zabluda nije moguće doći do naučno održivih koncepata''. ''Lekcije se ne bi trebale predavati da neznanje zamene znanjem već bi trebalo da postoji jedan set znanja koji zamenjuje drugi. Hemijsko obrazovanje bi trebalo biti most između učeničkih predkoncepata i današnjih modernih naučnih koncepata''.[3] Ovo nam potvrđuje da nastavnici ne bi trebali da pretpostavljaju da učenici ulaze u učionice bez znanja ili bilo kakvih ideja. Čas na kome učenici nemaju mogućnost da se uključe i iskažu svoje ideje i koncepte, dovodi do toga da učenici jedva prate gradivo koje se obrađuje na času. Novostečene informacije će postepeno biti zaboravljene, jer učenici teže da povrate njihove stare i proverene koncepte. Danas, nastavnici i pedagozi se slažu da treba biti svestan postojanja neke ideje kod učenika pre nego što mu se ''uspešno povežu njegovi predkoncepti sa novim naučnim konceptima''. Zato je jedan od značajnih ciljeva dozvoliti učenicima da izraze njihove sopstvene ideje u toku časa ili kao pokušaj uvođenja nove materije u lekciji, dozvoliti im da budu svesni sa nesaglasnostima vezanim za njihove ideje i nova naučna objašnjenja. Samo kada učenik shvati da njegova ideja nije dobra i sam shvati da ne čini nikakav napredak sa svojim trenutnim znanjem, prihvatiće nove informacije dobijene od nastavnika i time izgraditi svoju novu kognitivnu strukturu. Za nastavni proces je važno uzeti u obzir učeničke razvojne faze prema: učeničkim postojećim odstupanjima unutar sopstvenih objašnjenja; nedoslednosti između predkoncepata i naučnih koncepata; odstupanjima između preliminarnih i ispravnih objašnjenja eksperimantalnih fenomena; mogućnostima uklanjanja zabluda; mogućnostima konstruisanja prihvatljivih i veštih objašnjenja. Naročito treba uzeti u razmatranje da, u pogledu konstruktivnih teorija, jedino je moguća promena sa predkoncepata na naučne koncepte ako: je pojedincima data šansa da konstruišu sopstvene metoda za učenje, svaki učenik može da dobije šansu da aktivno uči samostalno, ''konceptualni razvoj'' može da se podudara sa Piagetovom asimilacijom, ili čak ''konceptualne promene'' mogu da se podudaraju sa Piagetovom akomodacijom.[4] Ako učenik ne veruje da ''sunčevi zraci apsorbuju baru'', on tada može, koristeći model čestične materije sa idejom kretanja čestica, uspešno razviti naučni koncept o isparavanju vode. To je konceptualni razvoj. Treba i dalje drugog učenika uveriti da ''sunčevi zraci isušuju baru'', jer možda zbog učenja o tome u osnovnoj školi, on neće želeti da se odrekne svoje ideje. Čak iako su lekcije o modelu čestice materije verodostojne i logične, neizvesno je da li će ih učenik usvojiti ili menjati ga naspram predhodne ideje tj. ''sposobnosti sunčeve apsorbcije''. Ako nastavnik pomogne u razumevanju naučnih koncepata kroz uvođenje pokretnih čestica, onda učenik mora da napravi ogroman korak ka prevazilaženju svojih starih ideja: konceptualna promena traba da razvije njegovu kognitivnu strukturu. Da bi došlo do ovog napretka, od 13
presudnog značaja je da učenici izvedu svoje sopstvene eksperimente i nacrtaju skice prema modelu čestične materije i pokretljivih čestica. Barker i Oetken [5] se u svom projektu slažu da se trebaju ispitati predkoncepti i školski načinjene zablude, ali i da ih treba uvesti u predavanja da bi učenje i razumevanje hemije bilo mnogo bolje i lakše. U toku poslednjih -30 godina nastavnici i dalje primećuju skoro iste zablude učenika i pretpostavljaju da se te lekcije u školi ne menjaju i ne unapređuju mnogo. Ako mislimo da se o predkonceptima i školski načinjenim zabludama treba razmatrati na časovima hemije, onda treba reći da postoje dve hipoteze koje na to utiču: 1. Trebalo bi diskutovati o zabludama i zatim preći na naučna objašnjenja, 2. Ili se najpre daje naučni koncept pa ih zatim učenici upoređuju sa sopstvenim zabludama. Oetken i Petermann [6] koristili su prvu hipotezu za svoje istraživanje u pogledu predkoncepata za sagorevanje: ''Nešto odlazi u vazduh, neke stvari nestaju''. U njihovim predavanjima oni su pokazali sagorevanje ćumura i diskutovali o konceptima kao što je: ''ćumur nestaje, ostaje malo pepela''. Zatim su koristili jednu uobičajnu zabludu učenika: mali komadići ćumura su sipani u veliki okrugli balon, vazduh je zamenjen kiseonikom, balon je čvrsto zatvoren i izmerena je ukupna masa na analitičkoj vagi. Zagrevanjem uglja, delići sagorevaju i to se dešava sve dok ima još uglja u balonu. Celokupni sadržaj se ponovo meri, pri čemu vaga pokazuje istu masu kao i pre sagorevanja. Radeći na ovim zabludama učenik vidi da mora da postoji reakcija ugljenika sa kiseonikom da bi se formirao drugi nevidljiv gas. Nakon testiranja gasa testom sa krečnom vodom može se zaključiti da je taj gas ugljen-dioksid. Predstavljajući najpre zablude i zatim predstavljanjem naučnog koncepta učenicima se omogućuje da sami uporede i istraže šta je pogrešno u tvrdnjama kao što su ''nešto nestaje'' ili ''sagorevanje uništava materiju, masa je manja nego pre''. Uvođenje predkoncepata u predavanjima dovodi do unapređenja učenje i razumevanje hemije; poređenjem zabluda sa naučnim konceptima učenici će moći da shvate koncept sagorevanja. Barke, Doerfler i Knoop [7] su planirali predavanja prema drugoj hipotezi za starije učenike koji bi trebali da razumeju kiseline, baze i neutralizaciju. Umesto korišćenja uobičajene jednačine ''HCl + NaOH NaCl + H2O'', uvode se H + (aq) joni za rastvor kiseline i OH - (aq) joni za rastvore baze, pa je jonska jednačina formiranja molekula vode objašnjena: ''H + (aq) joni + OH - (aq) joni H2O molekuli''. Kasnije se videlo da, ukoliko se govori o procesu neutralizacije, neki drugi učenici misle na ''formiranje soli'' zbog toga što je ''NaCl proizvod te neutralizacije''. Učenici su diskutovali o ovoj ideji i došli do rezultata da se ne formiraju bilo kakve čvrste soli ovom neutralizacijom i da Na + (aq) joni i Cl - (aq) joni ne reguju međusobno nego ostaju slobodni u rastvoru. Dakle, učenicima su najpre uvedene naučne ideje neke nove teme i zatim su suočeni sa poznatim zabludama. Upoređivanjem naučne ideje i zabluda učenici mogu bolje razumeti nedavno stečene naučne koncepte. 14
2.2. Uvođenje pojma čestica materije u nastavi hemije i fizike u osnovnoškolskim razredima Ciljevi i zadaci nastave hemije U Službenom glasniku RS Prosvetni glasnik br. 9 od 21. jula 06. god. tačno su definisani ciljevi i zadaci nastave hemije za osnovnu školu. [8] Ciljevi nastave hemije za osnovnu školu su: razvijanje funkcionalne hemijske pismenosti; razumevanje promena i pojava u prirodi na osnovu znanja hemijskih pojmova, teorija, modela i zakona; razumevanje sposobnosti komuniciranja korišćenjem hemijskih termina, hemijskih simbola, formula i jednačina; razvijanje sposobnosti za izvođenje jednostavnih hemijskih istraživanja; razvijanje sposobnosti za rešavanje teorijskih i eksperimentalnih problema; razvijanje logičkog i apstraktnog mišljenja i kritičkog stava u mišljenju; razvijanje sposobnosti za traženje i korišćenje relevantnih informacija u različitim izvorima (udžbenik, naučno popularni članci, internet); razvijanje svesti o važnosti odgovornog odnosa prema životnoj sredini, odgovarajućeg i racionalnog korišćenja i odlaganja različitih supstanci u svakodnevnom životu; razvijanje radoznalosti, potrebe za saznanjem o svojstvima supstanci u okruženju i pozitivnog stava prema učenju hemije; razvijanje svesti o sopstvenim znanjima i sposobnostima i daljoj profesionalnoj orijentaciji. Zadaci nastave hemije za osnovnu školu su: omogućavanje učenicima da razumeju predmet izučavanja hemije i naučni metod kojim se u hemiji dolazi do saznanja; omogućavanje učenicima da sagledaju značaj hemije u svakodnevnom životu, za razvoj različitih tehnologija i razvoj društva uopšte; osposobljavanje učenika da se koriste hemijskim jezikom: da znaju hemijsku terminologiju i da razumeju kvalitativno i kvantitativno značenje hemijskih simbola, formula i jednačina; stvaranje nastavnih situacija u kojima će učenici do saznanja o svojstvima supstanci i njihovim promenama dolaziti na osnovu demonstracionih ogleda ili ogleda koje samostalno izvode, razvijajući pri tome analitičko mišljenje i kritički stav u mišljenju; stvaranje nastavnih situacija u kojima će učenici razvijati eksperimentalne veštine, pravilno i bezbedno, po sebe i druge, rukovati laboratorijskim priborom, posuđem i supstancama; osposobljavanje učenika za izvođenje jednostavnih istraživanja; stvaranje situacija u kojima će učenici primenjivati teorijsko znanje i eksperimentalno iskustvo za rešavanje teorijskih i eksperimentalnih problema; stvaranje situacija u kojima će učenici primenjivati znanje hemije za tumačenje pojava i promena u realnom okruženju; omogućavanje učenicima da kroz jednostavna istraživanja razumeju kvantitativni aspekt hemijskih promena i njegovu praktičnu primenu. 15
2.2.1. Najmanje čestice materije i mentalni modeli ''Voda nema čestice; čestice magnezijuma nestaju sagorevanjem i preostaje samo pepeo; čestice šećera nestaju kada se šećer rastvori u vodi - voda samo dobija sladak ukus''. Ove tvrdnje su donete od strane učenika nakon nekoliko sati proučavanja lekcija koje su svakog profesora terale da se zapita šta je pošlo naopako u njegovom predavanju o najmanjim česticama. Uvođenje koncepta čestice jeste i uvek će biti teško i ne može biti savladano za nekoliko školskih časova. Početnici kreću polako i sa mnogim pitanjima, koja nastaju pri formiranju njihovih prvih koncepata o česticama i njihovom uređenja. Čak i ako je model čestice materije uveden i dobro razvijen u lekcijama hemije, nikada ne treba pretpostaviti da deca prihvataju ovaj koncept i primenjuju ga na bilo koju vrstu materije. Učenici imaju problem sa razmišljanjem, jer, u jednom kontekstu čestice postoje dok u drugom ne. 2.2.2 Preoblikovane i nepreoblikovane čestice ''U kristalima leda postoje čestice, kada se led otopi, te čestice nestaju; čestice šećera postoje u kristalu šećera, ali ne i u rastvoru šećera; čestice benzina postoje u tečnom benzinu, kada benzin ispari, one su uništene''. Čak iako deca prihvate čestice materije tokom diskusije, uvek se javljaju poteškoće: koncept čestice nije konstantno korišćen. Helga Pfundt [9] je demonstrirala rastvaranje kristala plavog bakarnog sulfata u vodi i nakon predavanja učenicima o konceptima čestice u lekcijama iz hemije, dovela je u pitanje njihove ideje (videti sliku 2.). Pfundt je napravila razliku između postojećih odgovora u pogledu neprekidnog i isprekidanog koncepta. Kada su čestice najpre stvorene u procesu rastvaranja a zatim se tokom procesa kristalizacije, te čestice ponovo spajaju čineći neisprekidani materijal, one se nazivaju ''nepreoblikovane čestice'': mogu da se pojavljuju i da nestaju. U drugim slučajevima one postoje sve vreme i nazivaju se ''preoblikovane čestice''. Pfundt dovodi u pitanje dva modela za kristale soli (videti sliku 2.): gornji model gleda ka neisprekidano građenom kristalu; donji model gleda ka isprekidanom kristalu načinjenom od čestica. Ponuđeno je tri modela i upoređeni su sa analogijom za proces rastvaranja (od vrha ka dnu): 1. bez bilo kakvih čestica (''kao što se kap mastila razlije po vodi''). 2. putem rastvaranja čestica u rastvoru. 3. putem razdvajanja postojećih čestica. Rezultat pokazuje da učenici u 7. i 8. razredu uglavnom odabiraju odgovore prema neisprekidanom konceptu ili razmišljanjem da čestice mogu biti stvorene rastvaranjem kristala. Samo nekolicina studenata dosledno odabira modele metala za preoblikovane čestice i dosledno raspravlja o konceptu čestice materije. 16
Slika 2. Pitanja bazirana na konceptu čestica za proces rastvaranja 2.2.3 Prenošenje svojsta materije na čestice ''Čestice sumpora su žute; čestice šećera su slatke; voda je tečna i sadrži tečne čestice; čestice leda su čvrste; čestice ugljenika sagorevaju prilikom roštiljanja, isparavaju u vidu dima i pretvaraju se u pepeo; najmanje čestice bakra su najmanji mogući delovi bakra''. Ovakve i slične tvrdnje se mogu očekivati od dece nakon što najpre nauče o konceptima čestica ali im fale jezičke veštine za adekvatno opisivanje. Oni mešaju pojmove iz makroskopskog područija materije kao što su boja, gustina, tačka topljenja ili rastvorljivosti, i iz mikroskopskog područija najmanjih čestica kao što su veličina ili masa čestice. Teško je izbeći mešanje terminologije takvog nivoa kada postoji problem o najmanjoj čestici koji je proizašao iz pitanja o podeli delova materije: ''da li je moguća beskrajna podela delova bakra''? Ako je odgovor na kraju ove diskusije da postoje ograničenja, onda rezultat uglavnom pokazuje najmanji mogući delić materije. Poznato je da su dijamant i grafit različite supstance sa dramatično različitim osobinama (videti sliku 3.), ali su sastavljene od istih tipova čestica, čestica ugljenika. Trebalo bi prestati sa prenošenjem karakteristika materijala na najmanje čestice. Čestice ugljenika ne mogu biti istovremeno ''crne'' i ''bezbojne''; nemaju istovremeno dve ''različite gustine''! 17
Slika 3. Dijamant i grafit: osobine i hemijska struktura Prirodno ne mogu se kriviti učenici ako, nakon njihovog prvog suočavanja sa modelom čestice materije, vezuju određene boje sa određenim česticama - naročito ako koriste strukture molekula u kome su zelene sfere korišćene za atom hlora, žute sfere za atome sumpora i crne sfere za atome ugljenika. Ne bismo trebali biti iznenađeni njihovim idejama, takve zablude su uglavnom stvorene u školi! 2.2.4. Usvajanje koncepta praznog prostora materije ''Prostor između čestica ne može biti prazan, nešto se tu mora nalaziti; ne mogu zamisliti da ne postoji ništa; ako ne postoji vazduh, mora postojati vakuum, i ja stvarno ne mogu zamisliti to; nešto mora postojati, ne postoji mesto u kome ne postoji apsolutno ništa; svemir ne može biti izgrađen ni iz čega; nešto tu mora postojati (Barke, H.01). U iscrtanom modelu koji pokazuje strukturu materije, Pfundt [9] (videti odeljak 2.2.2) je odredila da deca imaju tendenciju da biraju kvadrat ili kocku kao model za čestice umesto uobičajene sfere. Kada su upitana za razlog tome odgovor je bio da modeli ''moraju da se uklapaju na takav način da budu povezani jedni s drugima bez međuprostora''. [10] Ako uzmemo za primer sfere one imaju praznine koje, po mišljenu dece, ne bi trebale biti tu. ''Prazan prostor'' u zamislima učenika vodi ka prednosti kocke u odnosu na sfere! Novick i Nussbaum [11] su izvršili testiranje u vezi sa shvatanjem čestica i uvideli da kada je reč o gasovima, većina učenika u SAD-u smatra da se vazduh i druge materije mogu naći između čestica gasa (videti sliku 4.). Slika 4. Empirijski podaci o praznini užasa od strane Novick-a i Nussbaum-a [10] 18
Drugi empirijski podaci su ustanovljeni korišćenjem kratkih eksperimenata - jedan eksperiment je izveden korišćenjem butan gasa. Vršena su ispitivanja u vezi sa prostorom između čestica butana. Samo 50 % učenika stikliraju opciju ''prazno'' ili ''ništa''. To znači da druga polovina učenika pretpostavlja da su prostori između čestica ispunjeni butanom, vazduhom ili drugom materijom. 2.2.5. Čestica kao generički izraz za deo materije ili za atom/jon/molekul Često se mogu čuti sledeće konstatacije: Čestice jona formiraju određene strukture preko magneta na staklenim pločama'', ''najmanje čestice vode su atomi vodonika i atomi kiseonika'', ''čestice hlorovodonika sadrže hlor i vodonik''. [12] Izraz za čestice je suviše neadekvatan za većinu ljudi. U svakodnevnom govoru, on predstavlja ime za mali deo materije: opiljci gvožđa mogu takođe biti nazvani kao čestice gvožđa, kristali šećera u prahu su takođe poznati kao čestice šećera, mali kristali sumpora kao čestice sumpora: tako da se ne može zameriti učenicima za korišćenje sinonima u terminologiji čestica. Sa druge strane, raznolikost termina se povećava vrlo malo u odnosu na česticu nakon što je uveden pojam atoma. Neočekivano su atomi H i O postali ''najmanje čestice vode'', a u realnosti su atomi čak i manje jedinice od povezanih molekula. Zbog ovoga učenici dolaze do pogrešnih zaključka da vodonik i kiseonik nestaju kada voda isparava. Ukoliko je poznat termin ''atom'' i ako se termin ''atom hlora'' skrati terminom ''hlor'' što se često dešava među ljudima koji koriste laboratorijski žargon, moguće je da se tada donesu tvrdnje kao što su ''hlor i vodonik su sadržani u česticama hlorovodonika''. 19
3. Cilj i hipoteza istraživanja
3.1. Nastavne jedinice koje uvode koncept čestične građe materije Gradivo hemije u osnovnoj školi organizovano je tako da se u sedmom razredu uče osnovni pojmovi iz opšte hemije, a sadržaj u ovom razredu je organizovan u okviru pet nastavnih celina: Prva nastavna celina: Hemija i njen značaj Druga nastavna celina: Osnovni hemijski pojmovi Treća nastavna celina: Struktura supstance Četvrta nastavna celina: Homogene smeše-rastvori Peta nastavna celina: Hemijske reakcije i izračunavanje Koncept čestične građe materije uvodi se u trećoj nastavoj celini: Struktura supstance, pri obradi nastavih tema: Atom i struktura atoma. Nastavne jedinice u kojima se prvi put sreće pojam čestice su: Atom i građa atoma. Jezgro atoma. Atomski i maseni broj. Elektornski omotač. U okviru ove teme učenici bi trebalo da razumeju koje čestice izgrađuju atom, svojstva tih čestica (naelektrisanje, masa, veličina) i svojstva atoma u celini. Učenici sada mogu da definišu hemijski element sa aspekta gradivnih čestica svi atomi hemijskog element imaju isti broj protona. Pojam čestice obrađuje se i u sledećoj nastavoj temi: Osnovne čestice koje izgrađuju supstance: atomi, molekuli i joni. Nastavne jedinice koje obrađuju ovaj pojam su: Molekul. Građenje molekula elemenata i jedninjenja. Atomske, molekulske i jonske kristalne rešetke. U okviru ove teme od učenika se očekuje da nauče koje tri osnovne vrste čestica izgrađuju elemente i jedinjenja. Trebalo bi povezati čestičnu strukturu supstance i agregatno stanje koje ona ima pod normalnim uslovima sa svojstvima supstance u određenom agregatnom stanju. Čestice gasova su molekuli (H2, N2, Cl2, CO2, SO2), osim plemenitih gasova čije su izgrađivačke čestice atomi. Čestice tečnosti su uvek molekuli (H2O, Br2, etanol, heksan, aceton), a čvrstih supstanci mogu biti atomi (grafit, gvožđe), molekuli (šećer, jod) i joni (natrijum-hlorid). Kada su u pitanju čvrste supstance učenicima bi trebalo objasniti da se kristalne i amorfne supstance razlikuju po uređenosti čestica koje ih izgrađuju. Analizirajući udžbenike hemije za sedmi razred osnovne škole, od autora dr Ljiljane Mandić, dr Jasmine Korolije, Dejana Danilovića, koje izdanje zavod da udžbenike Beograd, 09. i hemije za sedmi razred osnovne škole, od autora Miomira Ranđelovića i Mirjane Marković, BIGZ-ovo izdanje (Beogradski izdavačko-grafički zavod), 13., nismo uočili rečenice koje su lose formulisane ili su dvosmislene i dovode do zabune učenika. To su, recimo, rečenice u kojima se atom hlora u žargonu nazove samo hlorom; ili kada za najmanje čestice vode kazemo da su to atomi vodonika i atomi kiseonika; ili da čestice hlorovodonika sadrže hlor i vodonik itd. Gradivo hemije za osmi razred organizovano je u devet nastavnih celina tako da se u prve četiri obrađuje neorganska hemija a u ostale pet organska hemija. S obzirom da se osnovni hemijski pojmovi a među njima i koncept čestične materije obrađuje u sedmom razredu, u osmom razredu ne nalazimo mesta na kojima se uvodi pojam čestice. U nastavi fizike za šesti razred, uočavamo sledeće: u udžbeniku koji izdaje BIGZ (Beogradski izdavačko-grafički zavod) postoji dodatni sadržaj o čestičnom sastavu tela. 21
U ovom sadržaju govori se o česticama tela, molekulima, međučestičnom prostoru, agregatnim stanjima kao i o sitnijim česticama od onih od kojih su izgrađeni molekuli o atomima. Analizirajući udžbenik koji izdaje Zavod za udžbenike, primećujemo da ovog dodatnog sadržaja nema i da se u 6.razredu, koncept čestice ne obrađuje. U sedmom razredu se koncept čestične materije obrađuje u okviru redovne nastave i to u lekciji Čestični sastav supstancije: molekuli i njihovo haotično kretanje. Unutrašnja energija i temperatura. U ovoj lekciji učenici se posdećaju o čestičnom sastavu tela, o tome da se tela sastoje od molekula i atoma; da su molekuli najsitnije čestice koje zadržavaju osobine tela i da se molekuli i atomu nalaze u stalnom kretanju i uče o Braunovom ili haotičnom kretanju čestica. BIGZ-ovo izdanje udžbenika za sedmi razred daje dodatni sadržaj o agregatnom stanju. U osmom razredu pojam čestice sreće se pri obradi nastavne jedinice Oscilatorno kretanje, kada se ono definiše kao proces prenošenja oscilacija od jedne na druge čestice date sredine. Zatim se u nastavnoj temi Električno polje, u nastavnoj jedinici Naelektrisanje tela i uzajamno delovanje naelektrisanih tela govori o naelektrisanju tela i proširuje znanje učenika o građi supstance i proučavaju se čestice od kojih su izgrađeni atomi elektroni, protoni i neutroni, i kakvu ulogu oni imaju u naelektrisanju tela. Pojam čestica spominje se i u nastavoj temi Električna struja, gde su upravo čestice slobodni nosioci naelektrisanja tj. električne struje. Kod metala su to elektroni, u gasu su elektroni i joni, a kod elektrolita su joni katjoni i anjoni. Na kraju se, u poslednjoj nastavnoj temi Elementi atomske i nuklearno fizike, obrađuje Struktura atoma, elementarne čestice, građa atoma, atomsko jezgro i radioaktivnost kao i radioaktivne čestice. 3.2. Postavka dijagnostičkog testa o razumevanju koncepta čestične prirode materije U cilju potpunijeg sagledavanja učeničkih koncepata o čestičnoj prirodi materije, definisan je dijagnostički test, koncipiran tako da fokusira i prati česte nedoumice i zablude učenika u usvajanju koncepata čestične materije. Testiranje je izvedeno u Osnovnoj školi Kralj Petar I u Nišu, u tri odeljenja šestog, sedmog i osmog razreda. Izbor odeljenja je vršen metodom slučajnog uzorka. U cilju uočavanja i shvatanja koncepta vakuuma, tj. odsustva čestica kod učenika osnovnoškolskog uzrasta definisali smo prva dva pitanja koja će nam pokazati da li su učenici na pravi način usvojili pojam vakuuma i koje su njihove nedoumice u vezi sa ovim pojmom. Da li se zagrevanjem broj čestica povećava ili se zagrevanjem one šire, uvećavaju, pokazaće nam četvrto pitanje. Na osnovu toga, uočićemo kakvu koncepciju o kretanju čestica imaju učenici. U pogledu neisprekidanog i isprekidanog koncepta tj. nepreoblikovanih čestica koje mogu da se pojavljuju i da nestaju, i u pogledu preoblikovanih čestica koje postoje sve vreme, definisali smo peto pitanje koje će nam otkriti kakvu koncepciju imaju učenici po pitanju postojanja čestica. 22
Da bi uočili da li učenici na pravi način povezuju pojmove iz mikroskopskog područija materije sa pojmovima iz makroskopskog područija najmanjih čestica i kakvu koncepciju imaju o strukturi supstance i njenom agregatnom stanju, definisali smo poslednja dva pitanja. Analiziranjem rezultata ovog testa, uvidećemo koliko učenici razumeju koncept čestične prirode materije. Dijagnostički test ''Čestice materije'' Dragi učenici, ovaj test nije namenjen ocenjivanju, potpuno je anoniman i njegova svrha je naučno istraživanje. Iz ovih razloga nadamo se da će vaši odgovori biti iskreni i opušteni, baš onako kako vi zamišljate ovaj pojam. Unapred hvala! 1. Zaokružite jedno od ponuđenih slova da bi dovršili rečenicu: Na slici, u posudi, prikazane su čestice vazduha. Prostor između čestica ispunjen je: (a) vazduhom. (b) zagađivačima. (c) kiseonikom. (d) ničim, nema nikakve materije. (e) vodenom parom. (i) prašinom. (g) drugom nevidljivom supstancom. 2. Epruveta za testiranje je ispunjena butan gasom i zatvorena zapušačem. Na slici, čestice butana su obeležene tačkama (slika ispod). Objasnite zašto su čestice podjednako raspoređene? Zaokružite svoj odgovor: (a) Zbog toga što postoje druge čestice u prostoru između čestica butana. (b) Zato što postoji vazduh u prostoru između čestica. (c) Zato što se nalazi butan gas u prostoru između čestica. (d) Zato što postoji odbojna sila koja ih održava odvojenim. (e) Zato što se čestice kreću nasumično, bez ikakvog reda. 3. Kristal leda je izgrađen od čestica vode. Nacrtajte model koji prikazuje kako su raspoređene čestice vode u kristalu leda. 23
4. Balon je prikačen za posudu koja je ispunjena vazduhom ( slika 1 ). Posuda se zagreva. Balon se naduvao ( slika 2 ). 4.1 Zašto se naduvao balon? Koji efekat ima zagrevanje na čestice vazduha u posudi? Označite svoj odgovor: (a) Čestice vazduha se šire i postaju veće. (b) Zagrevanjem, povećava se broj čestica. (c) Rastojanje između čestica se uvećava i čestice se kreću brže. (d) Čestice vazduha se kreću iz posude u balon kako bi pobegle od toplote. 4.2 Nacrtajte, na slici 2., kako vi zamišljate da su se čestice vazduha rasporedile nakon zagrevanja. 5. Koja slika prikazuje mali kristal šećera rasvoren u vodi? Označite svoj odgovor. (a) Kristal šećera se rastvara sve više i više, i šećer se meša sa vodom. (b) Kristal šećera se deli na veliki broj malenih čestica šećera. Te čestice se mešaju sa vodom. 24
(c) Kristal šećera je izgrađen od bezbroj malenih čestica šećera. U vodi, kristali šećera se dele na te čestice. Čestice šećera i čestice vode se ravnomerno mešaju. Objasnite svoj odgovor: 6. Ako stavimo kocku leda na zagrejanu površinu, možemo videti da voda može imati tri agregatna stanja: čvrsto, tečno i gasovito. Koji od sledećih crteža kocke leda na zagrejanoj površini se najviše poklapa sa tvojom slikom? Napisati razlog svog izbora: 25
7. Obeležite sve odgovore koji su tačni po vašem mišljenu: (a) U kocki leda čestice vode su čvrste, u vodi su tečne, u pari su gasovite. (b) U vodi, čestice vode su plave - u pari,one su nevidljive. (c) Čestice vode su bezbojne. (d) Čestice vode se kreću. U pari one se kreću brzo, u vodi polako, u ledu veoma sporo. (e) Čestice vode se kreću u vodi i pari, ali ne kreću se u kocki leda. 3.3. Uzorak učenika koji su učestvovali u testiranju U testiranju je učestvovalo ukupno 73 učenika i to 27 učenika šetog razreda, 24 učenika sedmog i 22 učenika osmog razreda. Od toga, 34 učenika bilo je ženskog pola, dok je ostalih 39 učenika bilo muškog. Opšti uspeh učenika šestog razreda bio je sledeći: od ukupno 27 učenika odeljenja VI3, sedam njih bilo je odličnih; šest vrlodobrih; jedan učenik bio je dovoljan; dok su ostala trinaest učenika bila nedovoljna. Opšti uspeh učenika iz predmeta fizike bio je 3,26, dok uspeh iz hemije ovde izostaje jer se radi o šestom razredu u kome se ne uči hemija. Lekcije koje su iz predmeta fizike do trenutka puštanja testa obrađivane jesu: Upoznavanje učenika sa programom fizike. Prirodne nauke. Materija; Fizika kao prirodna nauka i metode kojima se ona služi (posmatranje, merenje, ogled...); Kretanje u svakodnevnom životu. Relativnost kretanja; Pojmovi i veličine kojima se opisuje kretanje. (putanja, put, vreme, brzina...); Ravnomerno pravolinijsko kretanje. Brzina ravnomernog kretanja; Zavisnost pređenog puta od vremena kod ravnomerno pravolinijskog kretanja; Uzajamno delovanje tela u neposrednom dodiru i posledice takvog delovanja. Sila; Elastično delovanje; Delovanje pri trenju; Otpor sredine; Električno delovanje. Magnetno delovanje; Sila zemljine teže. (težina tela); Merenje sile dinamometrom; Fizičke veličine i njihove jedinice. Međunarodni sistem jedinica; Merenje dužine; Određivanje površine; Merenje i određivanje zapremine; Merenje vremena; Pojam srednje vrednosti merene veličine i greške pri merenju; Merenje, merila i instrumenti; Inertnost tela. Zakon inercije ( I. Njutnov zakon mehanike); Masa tela na osnovu pojma o inertnosti i uzajamnom delovanju tela; Masa i težina kao različiti pojmovi; Merenje mase. Jedinica mase; Gustina tela; Određivanje gustine čvrstih tela; Određivanje gustine tečnosti merenjem njene mase i zapremine. Opšti uspeh učenika sedmog razreda bio je: od 24 učenika VII3 razreda, osam učenika je odličnih, devet je vrlodobrih, tri učenika su dobra, jedan je dovoljan, jedan učenik je sa jednom negativnom ocenom i dva učenika su ostala neocenjena. Opšti uspeh učenika sedmog razreda iz predmeta fizike je 3,43, a iz predmeta hemije je 3,73. Lekcije koje su obrađivane do trenutka puštanja testa iz predmeta fizike su: Sila kao uzrok promene brzine tela. Pojam ubrzanja; Uspostavljanje veze između sile,mase tela i ubrzanja. Drugi Njutnov zakon; Ravnomerno promenljivo pravolinijsko kretanje. Intezitet, pravac i smer brzine i ubrzanja; Trenutna i srednja brzina; Zavisnost brzine i puta od vremena pri 26
ravnomerno promenljivom pravolinijskom kretanju; Grafičko predstavljanje zavisnosti brzine od vremena pri ravnomerno pravolinijskom kretanju; Grafičko predstavljanje zavisnosti brzine od vremena pri ravnomerno promenljivom pravolinijskom kretanju; Međusobno delovanje dva tela- sile akcije i reakcije. Treći Njutnov zakon. Primeri; Ubrzanje pri kretanju tela pod dejstvom sile teže. Galilejev ogled; Slobodno padanje tela, bestežinsko stanje; Hitac naviše i hitac naniže; Sile trenja (trenje mirovanja, klizanja i kotrljanja). Kretanje tela pod uticajem sile trenja; Sila otpora sredine; Delovanje dve sile na telo duž istog pravca; Pojam i vrste ravnoteže; Poluga, moment sile. Ravnoteža poluge i njena primena; Sila potiska u tečnosti i gasu. Arhimedov zakon i njegova primena; Plivanje i tonjenje tela; Mehanički rad. Rad sile teže i sile trenja; Kvalitativno uvođenje pojma mehaničke energije; Kinetička i potencijalna energija tela. Gravitaciona potencijalna energija tela; Veza između mehaničke energije i izvršenog rada. Zakon održanja mehaničke energije. A iz predmeta hemije su: Predmet izučavanja hemije. Hemija u sklopu prirodnih nauka i njena primena; Materija i supstanca; Osnovna fizička i hemijska svojstva supstanci; Fizičke i hemijske promene supstanci; Čiste supstance: elementi i jedinjenja; Smeše; Razdvajanje sastojaka smeše (dekantovanje, ce-đenje, destilacija); Atom; Hemijski simboli; Građa atoma; Atomski i maseni broj; Izotopi; Relativna atomska masa; Elektronski omotač; Periodni sistem elemenata; Hemijska veza; Molekul. Hemijske formule; Kovalentna veza; Građenje molekula elemenata i jedinjenja; Valenca elemenata sa kovalentnom vezom; Jonska veza; Valenca elemenata sa jonskom vezom; Atomske, molekulske i jonske kristalne rešetke; Relativna molekulska masa; Rastvori. Rastvorljivost; Procentni sadržaj rastvora; Voda. Značaj vode za živi svet; Vodeni rastvori u prirodi. Opšti uspeh učenika osmog razreda je: od 22 učenika VIII1 razreda, devet učenika bilo je odličnih, dvanaest je vrlodobrih i samo jedan učenik je nedovoljan. Opšti uspeh učenika osmog razreda iz predmeta fizike je 3,77, a iz predmeta hemije je 3,73. Lekcije koje su do trenutka pustanja testa obrađivanje iz predmeta fizike su: Oscilatorno kretanje. Amplituda, period i frekvencija; Oscilovanje kuglice klatna. Zakon održanja mehaničke energije pri oscilovanju tela; Talasno kretanje. Osnovni parametri kojima se opisuje talasno kretanje; Zvuk. Karakteristike zvuka. Zvučna rezonancija; Svetlost. Pravolinijsko prostiranje svetlosti. Senka i polusenka. Pomračenje Sunca i Meseca; Zakon odbijanja svetlosti. Ravna ogledala. Osobine lika kod ravnih ogledala; Sferna ogledala i geometrijska konstrukcija likova kod sfernih ogledala; Brzina svetlosti u različitim prozračnim sredinama. Indeks prelamanja svetlosti. Zakon prelamanja svetlosti; Totalna refleksija. Prelamanje svetlosti kroz prizmu; Prelamanje svetlosti kroz sočiva. Geometrijska konstrukcija likova kod sočiva; Optička jačina sočiva i uvećanje. Optički instrumenti; Naelektrisanje tela. Količina naelektrisanja. Zakon održavanja naelektrisanja. Provodnici i izolatori; Električna sila. Kulonov zakon; Električno polje. Elektrostatička indukcija; Električni potencijal i napon, rad u električnom polju ; Električne pojave u atmosferi; Električna struja. Provodnici, poluprovodnici i izolatori; Električna struja u tečnostima i gasovima; Jačina električne struje. Delovanje električne struje; Izvori električne struje.; Elektromotorna sila. Merenje jačine električne struje i napona; Eletrična otpornost provodnika; Omov zakon za deo strujnog kola i za celo strujno kolo; Otpornici. Vezivanje otpornika; Rad i snaga električne struje. Džulov zakon; Stalni magneti. Magnetno polje Zemlje; Magnetno polje strujnog provodnika; Delovanje magnetnog polja na provodnik sa strujom. 27
broj učenika ( % ) broj učenika ( % ) A iz predmeta hemije su: Zastupljenost nemetala u prirodi i njihova osnovna fizička svojstva; Vodonik, njegova svojstva i primena; Kiseonik, njegova svojstva i primena; Sumpor, njegova svojstva, primena i najvažnija jedinjenja; Azot, njegova svojstva, primena i najvažnija jedinjenja; Ugljenik, njegova svojstva, primena i najvažnija jedinjenja; Zastupljenost metala u prirodi i njihova osnovna fizička svojstva; Kalcijum. Kalcijum-oksid i kalcijum-hidroksid, svojstva i primena; Gvožđe, aluminijum, bakar svojstva na kojima se zasniva primena ovih metala; Korozija metala. Gvožđe(III)-oksid, aluminijum-oksid. Legure koje se najčešće primenjuju (bronza, mesing, čelik, duraluminijum, silumini); Soli. Formule i nazivi soli. Dobijanje soli; Fizička svojstva soli (agregatno stanje, rastvorljivost). Hemijske reakcije soli (reakcije sa kiselinama, bazama i solima); Primena soli; Elektrolitička disocijacija kiselina, hidroksida i soli; Mera kiselosti rastvora ph skala; Svojstva atoma ugljenika. Mnogobrojnost organskih jedinjenja. Opšta svojstva organskih jedinjenja, razlike u odnosu na neorganska jedinjenja; Elementarni sastav, podela i fizička svojstva ugljovodonika; Zasićeni ugljovodonici (alkani ); Nezasićeni ugljovodonici (alkeni i alkini); Hemijska svojstva ugljovodonika (sagorevanje, supstitucija, adicija); Nafta, zemni gas izvori ugljenikovih jedinjenja i energije; Polimeri; Alkoholi; Karboksilne kiseline; Više masne kiseline; Estri; Masti i ulja. 3.4. Obrada rezultata dijagnostičkog testa Rezultati testiranja učenika, koje je obavljeno 08.04.14.godine u Osnovnoj školi "Kralj Petar I" u Nišu, prikazani su na slikama 5 13: 1. pitanje - Na postavljeno pitanje '' šta se nalazi između čestica''. Odgovor pod D je tačan, 28% učenika osmog razreda, 15% sedmog razreda i 8,7% šestog razreda je odabralo taj odgovor. A B C D E I G vazduh zagađivači kiseonik ništa vodena para prašina nevidljiva supstanca 30 10 0 ( a ) ( b ) 36 28 28 4 4 0 0 A B C D E F G 30 30 15 10 10 5 5 5 0 A B C D E I G ponuđeni odgovori ponuđeni odgovori 28
broj učenika ( % ) broj učenika ( % ) broj učenika ( % ) broj učenika ( % ) 50 30 10 0 ( c ) 47.8 21.7 17.4 4.35 8.7 8.7 4.35 A B C D E I G ponuđeni odgovori Slika 5. Histogramski prikaz dobijenih rezultata testiranja učenika osmog (a), sedmog (b) i šestog razreda (c) 2. pitanje - Na postavljeno pitanje ''zašto su čestice butana raspoređene podjednako?'' Tačan odgovor je pod E : ''čestice se kreću nasumično, bez ikakvog reda'', 4% učenika osmog razreda, 5% učenika sedmog i 13,4 učenika šestog razreda je odabralo taj odgovor. A B C D E čestice vazduh butan odbojna sila kretanje ( a ) ( b ) 30 32 30 25 25 30 10 16 24 24 4 10 15 5 0 A B C D E ponuđeni odgovori 0 A B C D E ponuđeni odgovori ( c ) 30 17.4 17.4 30.44 26.09 13.04 10 0 A B C D E ponuđeni odgovori Slika 6. Histogramski prikaz dobijenih rezultata testiranja učenika osmog (a), sedmog (b) i šestog razreda (c) 29
broj učenika ( % ) broj učenika ( % ) 3. pitanje - Na postavljeno pitanje da nacrtaju model koji prikazuje kako su raspoređene čestice vode u kristalu leda, učenici su ovako odgovarali: A B C D Ništa nisu nacrtali ( a ) 50 30 10 0 44 12 4 A B C D ponuđeni odgovori Slika 7. Histogramski prikaz dobijenih rezultata testiranja učenika osmog razreda A B C D E Ništa nisu nacrtali ( b ) 30 10 10 10 0 A B C D E ponuđeni odgovori Slika 8. Histogramski prikaz dobijenih rezultata testiranja učenika sedmog razreda 30
broj učenika ( % ) broj učenika ( % ) broj učenika ( % ) broj učenika ( % ) A B C Ništa nisu nacrtali ( c ) 80 60.87 60 26.09 13.04 0 A B C ponuđeni odgovori Slika 9. Histogramski prikaz dobijenih rezultata testiranja učenika šestog razreda 4. pitanje - pokazuje da balon postaje veći ako se zagreva zatvorena posuda sa vazduhom. Pitanje se tiče tumačenja uvećanja zapremine čestica vazduha, tačan odovor je C: '' rastojanja između čestica se uvećavaju i čestice se brže kreću'', 8% osmog, 15% učenika sedmog I 8,7% učenika šestog razreda je to odabralo. 15 10 5 0 A B C D E povečava se čestice se čestice izlaze iz čestice se šire ništa broj čestica brže kreću boce 6.4 ( a ) ( b ) 8 8 A B C D ponuđeni odgovori 50 30 10 0 13.04 ( c ) 30.44 8.7 50 30 10 A B C D ponuđeni odgovori 0 47.8 25 10 15 A B C D ponuđeni odgovori Slika 10. Histogramski prikaz dobijenih rezultata testiranja učenika osmog (a), sedmog (b) i šestog razreda (c) 50 31
broj učenika ( % ) broj učenika ( % ) broj učenika ( % ) 5. pitanje - prikazuje tri vrste mentalnih modela koji objašnjavaju proces rastvaranja šećera u vodi: % učenika osmog, 55% učenika sedmog i 34,78% učenika šestog razreda je odgovorilo tačno pod C. A B C Kristal šećera se rastvara sve više i više, i meša se sa vodom. Kristal šećera se deli na manje čestice šećera koje se mešaju sa vodom. Kristal šećera se je izgrađen od bezbroj malih čestica šećera, u vodi, kristal se deli na te čestice koje se mešaju sa česticama vode. ( a ) ( b ) 30 10 0 28 A B C ponuđeni odgovori 60 50 30 10 0 55 35 10 A B C ponuđeni odgovori ( c ) 60 50 30 10 0 56.52 34.78 8.7 A B C ponuđeni odgovori Slika 11. Histogramski prikaz dobijenih rezultata testiranja učenika osmog (a), sedmog (b) i šestog razreda (c) 32
broj učenika ( % ) broj učenika ( % ) broj učenika ( % ) 6. pitanje - daje četiri nacrtana modela prema agregatnom stanju materije - čvrstom, tečnom i gasovitom: 32% učenika osmog razreda, 15% učenika sedmog i 26,09% učenika šestog razreda je označilo tačan odgovor pod D. A B C D Sva stanja materije su prikazana bez ikakvih čestica. Jedino para sadrži čestice vode. Vode i para sadrže čestice vode. Led, voda i para sadrže člestice vode. 30 10 0 ( a ) ( b ) 32 24 8 A B C D 60 60 50 25 30 15 5 10 0 A B C D ponuđeni odgovori ponuđeni odgovori ( c ) 50 30 10 0 43.48 26.09 13.04 17.4 A B C D ponuđeni odgovori Slika 12. Histogramski prikaz dobijenih rezultata testiranja učenika osmog (a), sedmog (b) i šestog razreda (c) 33
broj učenika ( % ) broj učenika ( % ) broj učenika ( % ) 7. pitanje - pokazuje pet odgovora vezanih za osobine čestica vode: tačne odgovore pod C i D je označilo 84% i % učenika osmog razreda, 85% i 25% učenika sedmog i 43,48 i 17,4% učenika šestog razreda. A B C D E U vodi, Čestice Čestice vode se čestice vode vode su kreću u sva tri su plave boje. bezbojene. agregatna stanja. U kocki leda čestice su čvrste, u vodi su tečne. Čestice vode se ne kreću u kocki leda. ( a ) ( b ) 100 80 60 48 12 84 48 100 80 60 75 15 85 25 55 0 A B C D E ponuđeni odgovori 0 A B C D E ponuđeni odgovori ( c ) 60 50 30 10 0 52.17 52.17 43.48 21.7 17.4 A B C D E ponuđeni odgovori Slika 13. Histogramski prikaz dobijenih rezultata testiranja učenika osmog (a), sedmog (b) i šestog razreda (c) 34
4. Rezultati i diskusija 35
Analizirajući odgovore koje su učenici dali prilikom rešavanja testa "čestice materije", mogu se uočiti koncepcije koje učenici imaju o česticama: Većina učenika šestog, sedmog i osmog razreda smatra da je prostor između čestica ispunjen vazduhom odnosno pojam vakuuma nije dobro usvojen i koncipiran u njihovom znanju. Ovde postoji koleracija sa literaturnim podacima izvedeni zaključci u ovom master radu su slični zaključcima do kojih su došli i autori Novick i Nussbaum [11] koji su takođe vršili testiranje u vezi sa shvatanjem čestica. Testirani učenici u istraživanju Novick-a i Nussbaum-a takođe smatraju da se vazduh ili neke druge materije mogu naći između čestica. Na drugo postovljeno pitanje zasto su čestice butana raspoređene podjednako u nacrtanoj epruveti, učenici smatraju da postoji neka odbojna sila koja ih drži odvojenim, ili da opet postoji vazduh ili neki drugi gasovi u prostoru između tih čestica. Kada je od učenika zatraženo da nactraju model koji pokazuje kako su raspoređene čestice vode u kristalu leda, niko od učenika nije nacrtao odgovarajuću kristalnu strukturu. Uglavnom su učenici crtali običnu kocku u kojoj su ucrtavali neke tačkice koje su po njima oslikavale čestice vode; ili su nactrali metalnu atomsku kristalnu rešetku sa atomima, katjonima i elektronima koji grade kristalnu rešetku metala u obliku kocke. Ovakav odgovor bio je zastupljen u sedmom razredu kada se i uče atomske, molekulske i jonske kristalne rešetke. Na četvrto postavljeno pitanje kakav efekat ima zagrevanje na čestice vazduha koje se nalaze u posudi prikazanoj na slici, i učenici šestog, sednom i osmog razreda smatraju da čestice izlaze iz boce kako bi pobegle od toplote. Na postavljeno pitanje da objasne kako se rastvara kristal šećera u vodi učenici šestog razreda smartaju da se kristal šećera deli na manje čestice šećera koje se mešaju sa vodom, dok učenici sedmog i osmog razreda su tačno odogovorili da je kristal šećera izgrađen od bezbroj malih čestica šećera i da se u vodi, kristal deli na te čestice koje se mešaju sa česticama vode. Šesto pitanje daje četiri nacrtana modela prema agregatnom stanju materije - čvrstom, tečnom i gasovitom. Učenici osmog razreda su uglavom odgovarali kako se zagrevanjem kocka leda topi, pretvara u vodu koja isparava i ne ostaje nista, dok učenici sedmog razreda smatraju da nakon topljenja leda i isparavanja vode, u vazduhu ostaju čestice. Učenici šestog razreda misle da se led topi i nastaju čestice vode koje isparavaju i ostaju u vazduhu.. Samo mali procenat učenika je dalo isparavan odgovor. Sedmo pitanje koje je bilo vezano za osobine čestica vode, učenici osmog i sedmog razreda su uglavom tačno odgovorili da su čestice vode bezbojne i da se čestice vode ne kreću u kocki leda, dok učenici šestog razreda smartaju da u kocki leda čestice su čvrste, u vodi su tečne, da u vodi, čestice vode su plave boje ili da se čestice vode kreću u sva tri agregatna stanja. 36
4.1. Preporuke za način uvođenja i interpretaciju koncepta čestične prirode materije Proučavanje nauke, a naročito hemije, uključuje mnoštvo apstraktnih objašnjenja kako bi se razumeli principi i fenomeni u pogledu termina atomske ili molekulske strukture i dinamike. Međutim, većina učenika tokom osnovne i srednje škole pa čak i na početku fakulteta i dalje prave prelaz sa konkretno-operativnog na formalno-operativni način razmišljanja. Učenik sa konkretno-operativnim načinom razmišljanja razmišlja u pravcu konkretnog uočavanja i direktnog iskustva. Učenik sa formalno-operativnim načinom razmišljanja može razumno shvatiti apstraktne koncepte i mogućnosti o stvarima koje se ne mogu direktno uočiti niti direktno iskusiti. Na primer, učenik može napraviti razliku u osobinama između tečnosti, gasova i čvrstih materija. Čvrste materije imaju strogo definisane oblike i zapreminu. Tečnosti imaju definisanu zapreminu ali su tečne i mogu uzeti oblik posude u kojoj se nalaze. Uzorak gasa ne samo što može uzeti oblik svoje posude već se takođe može proširiti ili skupiti u posude različitih veličina. Ovo je uočljivo i može biti proučeno direktnim eksperimentom. Ali objašnjenje razlike u pogledu strukture i kretanja pojedinačnih molekula čvrstih supstanci, tečnosti i gasova, međutim, zahteva od učenika da zamisle nešto što ne može videti. Učenicima se može pomoći da razviju ove neuočljive slike ukoliko ih mogu uporediti sa nečim uočljivim sa čime su upoznati. Takođe je tačno da '' slika vredi hiljadu reči '' i gledanje slike će stvoriti dugotrajniji utisak od jednostavnog slušanja i čitanja reči. Slika ili aktivnost će dati učeniku nešto što će zapamtiti mnogo lakše i što će moći da poveže sa konceptom za kasnije podsećanje. Može se napraviti analogija između podmikroskopske strukture materije u čvrstom stanju i vojne formacije u kojoj svaki vojnik ima tačno određenu poziciju i tačno određeno rastojanje između svakog para vojnika kao što je prikazano na slici 14. Slika 14. Analogija molekula u čvrstom stanju i vojne formacije Ovo je uporedivo sa pozicijama i tačno definisanom prostoru između čestica, kao što su molekuli, kod materije u čvrstom stanju. 37