RAZUMEVANJA KEMIJSKIH POJMOV NA SUBMIKROSKOPSKI RAVNI IN SPOSOBNOST VIZUALIZACIJE PRI DIJAKIH, STARIH 16
LET
16-YEAR-OLD STUDENTS' UNDERSTANDING OF CHEMICAL CONCEPTS AT SUBMICROSCOPIC LEVEL AND VISUALISATION ABILITIES
Iztok DEVETAK in Saša A. GLAŽAR Univerza v Ljubljani, Pedagoška fakulteta
iztok.devetak@pef.uni-lj.si
Povzetek: Submikropredstavitve so lahko učiteljevo učinkovito orodje za odkrivanje napačnih in nepopolnih razumevanj kemijskih pojmov in povezav med njimi na vseh treh ravneh kemijskih pojmov, t. i. makroskopski, submikroskopski in simbolni ravni. Številne raziskave kažejo, da vplivajo na uspešnost dijakov pri reševanju nalog na ravni delcev številni dejavniki. Pri tem naj bi imeli pomembno vlogo tudi posameznikova sposobnost vizualizacije in formalno-logičnega mišljenja.
Glavni cilj študije je ugotoviti, kako so dijakove sposobnosti vizualizacije povezane z uspehom pri reševanju nalog, ki vsebujejo 2-D submikropredstavitve in kako je sposobnost formalno-logičnega mišljenja povezana z dijakovim uspehom pri reševanju tovrstnih nalog. V vzorec je bilo vključenih 386 dijakov splošnih gimnazij v Sloveniji, starih v povprečju 16,3 let. Reševali so preizkus znanja izbranih kemijskih pojmov in tri teste sposobnosti. Rezultati kažejo, da je uspešnost dijakov pri reševanju nalog, ki zajemajo le submikroskopsko raven kemijskih pojmov, odvisna predvsem od njihove sposobnosti formalno-logičnega mišljenja in manj od sposobnosti hitrosti zaznavanja in prostorske predstavljivosti. Vsebinska analiza reševanja nalog kaže številna napačna razumevanja sveta delcev snovi tudi pri dijakih, ki so se že štiri leta kemijsko izobraževali. Iz tega sledi, da bi kazalo v večji meri uvrstiti submikropredstavitve v izobraževalni proces in jih povezati z makropojavi in simbolnimi zapisi na osnovnošolski in srednješolski ravni.
Ključne besede: STRP model, submikroskopska raven kemijskih pojmov, vizualizacijske in formalno-logične sposobnosti.
TEORETIČNI UVOD
Učenje naravoslovnih pojmov naj bi na prvi stopnji temeljilo na opazovanju določenega naravoslovnega procesa, kar pomeni, da naravni proces zaznamo s čutili. Na drugi stopnji je potrebno opažanja razložiti s teorijami, ki temeljijo na delčni zgradbi snovi in so v danem trenutku na določeni stopnji izobraževanja znanstveno neoporečne. Na tretji stopnji razumevanje kemijskega pojma, submikroraven, prevedemo v ustrezne simbole, ki zajemajo kemijske simbole, formule in enačbe, matematične enačbe, različne shematske ter grafične predstavitve in drugo. Ta raven omogoča enostavnejšo interpretacijo stanja in medsebojno komunikacijo med tistimi, ki simbolni jezik poznajo. Poučevanje naravoslovja predvsem z vidika simbolne ravni brez povezovanja z ostalima dvema lahko povzroča nastanek ali poglobitev že oblikovanih napačnih razumevanj, če ti simboli niso pravilno interpretirani in integrirani v obstoječo mrežo znanja.
Prvi je sistematično podal zveze med omenjenimi tremi ravnmi kemijskega pojma leta 1982 Alex Johnstone. Predstavil je t. i. trikotnik treh ravni kemijskih pojmov, ki so ga kasneje nekateri avtorji (Chittleborough et al., 2002) poskušali preoblikovati na različne načine, da bi celoviteje prikazali povezave med tremi ravnmi naravoslovnih pojmov. Na osnovi analize različnih objavljenih modelov je bil oblikovan t. i. STRP (Soodvisnost treh ravni pojmov) model (Devetak, 2005), ki dosedanje modele nadgradi (Shema 1) z upoštevanjem različnih teorij učenja, kot so Paiviova dvojna kodna teorija (1986; navedeno po Wu et al., 2001), Mayerjev SOI model smiselnega učenja (Mayer, 1996), ki ga je nadgradil Johnstone (Johnstone, 1999) in Devetak (2005), in kognitivna teorija multimedijskega učenja (Moreno in Mayer, 2000). Paivio je poudaril, da se znanje formira s povezavo dveh kompleksnih sistemov, pojmovnega in vizualizacijskega.
Oba sistema sta strukturno in funkcionalno neodvisna, a hkrati tesno povezana. Informacija, ki nastane v enem sistemu in sproži v drugem neko aktivnost, je ustrezneje skladiščena v dolgotrajnem spominu kot tista, ki je bila obdelana le v enem sistemu. Dražljaji, ki sprožijo aktivnosti v obeh sistemih, zmanjšajo kognitivni pritisk na delovni spomin posameznika v procesu učenja, kar poveča kapaciteto učenja. To pomeni, da so vizualizacijski elementi bistveni pri verbalnem posredovanju informacij (Wu et al., 2001). V razlago te teorije je že integriran tudi Mayerjev SOI model smiselnega učenja (Mayer, 1996), ki v ospredje postavi izbor relevantnih informacij iz okolja (S - Selection), njihovo organizacijo v smiselno celoto (O – Organization) in integracijo te celote v že obstoječe znanje skladiščeno v dolgotrajnem spominu (I – Integration). Ne nazadnje je potrebno poudariti pomen kognitivna teorija multimedijskega učenja (Moreno in Mayer, 2000), ki izpostavlja pomen učinkovitih, vendar enostavnih vizualnih elementov v procesu učenja, ki pomagajo učencu usmerjati pozornost na specifične, vendar pomembne sestavine učne vsebine, tako da učinkovito pomagajo vzpostavljati povezave med njenimi posameznimi deli in s tem zgradijo ustrezen mentalni model, ki je sposoben vgraditi novo pridobljeno znanje v nadaljnjem procesu učenja.
V STRP modelu so med seboj povezane tri ravni kemijskega pojma, makro- (konkretna, senzorno- eksperimentalna) raven, submikro- (abstraktna, delčna) raven ter simbolna (abstraktna kemijsko- matematična) raven. Makro- in submikroraven sta dejanski ravni, ki ju označujejo procesi v naravi in ju je mogoče na osnovi pojava opisati. Simbolna raven je produkt človekove dejavnosti raziskovanja makro- in submikroravni in je nastala na osnovi logičnih poenostavitev opisov s pomočjo različnih znakov, povezanih v smiselne zveze. Vse tri ravni se morajo v procesu učenja smiselno prekrivati, da se lahko v dolgotrajnem spominu posameznika oblikuje ustrezni mentalni model nekega pojava. Ustrezno prekrivanje vseh treh ravni mora zagotoviti izobraževalni proces. Vsi mediji (učitelj, učbeniki, IKT viri …), ki posredujejo informacije učencu, morajo imeti na razpolago dovolj različnih vizualizacijskih elementov, ki povezujejo vse ravni pojma in s tem osmislijo njihovo abstraktnost.
Shema 1: Model soodvisnosti treh ravni naravoslovnega pojma – STRP model (Devetak, 2005).
Veliko naravoslovnih in še posebej kemijskih pojmov je abstraktnih in nima v makroskopskem svetu zaznavnih primerov. Prav zaradi tega so pojmi, kot so atom, elektron, spojina, element, molekula idr. za učence težko razumljivi in jih niso sposobni miselno povezati v ustrezen mentalni model. Ker učitelji kemije po navadi istočasno govorijo o makroskopskih spremembah pri kemijski reakciji, omenjajo delce, ki pri tem sodelujejo in zapišejo enačbo reakcije, večina učencev ostane na makropodročju STRP modela.
Učitelji se med tem po navadi ne zavedajo zahtevnosti prehodov med ravnmi, ki jih morajo učenci doseči pri spoznavanju novih pojmov (Johnstone, 1991). Johnstone (2000) navaja, da submikroraven kemije na eni strani omogoča intelektualne izzive, ko kemik poskuša razložiti makropojav, na drugi strani pa je to šibka stran tistih, ki se s predstavljenimi pojmi prvič srečajo.
Učenci se okoli dvanajstega leta starosti prvič srečajo s svetom delcev snovi, spoznavati pričnejo interakcije med njimi in od njih se pričakuje, da bodo sposobni razumeti razlage makropojava na submikroskopski ravni (Harrison in Treagust, 2002). V šestdesetih letih prejšnjega stoletja se je zato razvila teorija, da mora učitelj nek pojav predstaviti na vseh treh ravneh tako, da se ena raven navezuje na drugo.
Po mnenju Johnstona (2000) povzroča tovrstno poučevanje in učenje kemije pri učencih, dijakih in celo študentih preobremenitev delovnega spomina in s tem nerazumevanje pojmov. Delovni spomin je prostor, v katerem pride do interakcije med zunanjo informacijo, ki pride iz okolja, in informacijami, že spravljenimi v dolgotrajnem spominu. To omogoča nastanek razumevanja novega pojma, ki se shrani v dolgotrajni spomin ali pa uporabi pri nadaljnjem delu.
Na drugi strani pa številni raziskovalci poudarjajo, da trojna narava naravoslovnega pojma ni sama po sebi tako zapletena, da je učenci ali dijaki ne bi mogli razumeti, pomembneje je, kako jo učitelj predstavi.
Razlaga pojma se največkrat omeji le na najbolj abstraktni del, simbolno raven, ustreznih povezav med ostalima dvema ravnema pa učitelji ne vzpostavijo (Lythcott, 1990; Laverty in McGarvey, 1991;
Williamson in Abraham, 1995; Harrison in Treagust, 1996; Smith in Metz, 1996; Acquistapace, 1997;
Bradley et al., 1998; Gabel, 1999; Lee, 1999; Sanger, 2000; Wu et al., 2001; Treagust et al., 2001; Bunce in Gabel, 2002; Chittleborough et al., 2002; Eskilsson in Hellden, 2003). Tak način poučevanja vodi učence v učenje brez razumevanja. Spominsko znanje tako ni dovolj, saj le memoriziranje kemijskih simbolov, formul in enačb brez ustreznega razumevanja ne bi smel biti glavni cilj poučevanja kemije (Barke in Engida, 2001), hkrati pa tovrstno poučevanje kemije učence ne spodbudi k njenemu učenju, saj ne vidijo uporabnosti kemijskega znanja.
Ker je večina naravoslovnih in še posebej kemijskih pojmov abstraktnih, so za njihovo razlago zato primerne različne vizualizacijske metode. Te si lahko predstavljamo kot metafore, analogije, modele ali teoretične konstrukte, ki jih opišejo različni simboli in so namenjeni pojasnjevanju realnega sveta. Ti simboli so izpeljani iz fenomenoloških analogij realnega sveta (Hoffman in Laszlo, 1991, navedeno po Wu et. al., 2001), kar lahko pri učencih, dijakih ali študentih zopet spodbudi nastanek napačnih razumevanj, če niso ustrezno predstavljeni.
Reprezentacije v naravoslovju obsegajo tako nazorne predstavitve na makroravni (slike, skice, fotografije, filmske izseke in drugo) kot tudi submikropredstavitve (SMR) sveta delcev (2-D ali 3-D stacionarne ter 2- D ali 3-D dinamične submikroreprezentacije) in simbolne zapise ter predstavitve (matematične formule, simbolni kemijski jezik, diagrami in drugo) (Trumbo, 1999; Wu et al., 2001; Devetak, 2005).
Osnova oblikovanja SMR je model atoma, ki je največkrat predstavljen kot krogla. Povezave atomov ali ionov med seboj lahko podamo s pomočjo SMR tako, da 3-D model molekule ali kristalne strukture snovi preslikamo na papir v 2-D ali pri zahtevnejših predstavitvah tudi v 3-D statično sliko. Statično sliko lahko z računalniškimi programi animiramo in oblikujemo v dinamično animacijo, ki v končni fazi lahko postane interaktivna. SMR so tako analogni modeli nekega delca elementa ali spojine (Harrison in Treagust, 1998) oz. kar analogije delcev (Thiele in Treagust 1994; Gabel, 1998). SMR so za učence na vseh ravneh šolanja, skladno z Mayerjevo teorijo (1993), pomembna komponenta procesa učenja. Mayerjeva teorija namreč poudarja razlagalno moč ilustracije, ki usmerja pozornost učenca na »določene specifične elemente, ki mu omogočajo gradnjo miselnih povezav med elementi« (str. 267) in s tem spodbujajo »smiselno učenje, ki je osnova strategiji reševanja problemov« (str. 267), (navedeno po Bunce in Gabel, 2002).
NAMEN IN CILJI ŠTUDIJE
S pregledom literature je mogoče ugotoviti, da številni raziskovalci poudarjajo, da so submikropredstavitve pomembna komponenta pri seznanjanju učencev z ne samo kemijskimi, ampak tudi nekaterimi fizikalnimi in biološkimi pojmi ter da nekateri dejavniki vplivajo na učenčevo razumevanje pojmov. Učitelji naj bi povezali vse tri ravni kemijskih pojmov in omogočili učencem čim boljši razvoj ustreznega mentalnega modela naravoslovnih pojmov. V Sloveniji še ni bilo opravljenih raziskav, s katerimi bi osvetlili povezave različnih učenčevih sposobnosti z reševanjem nalog, ki vsebujejo submikroskopsko komponento kemijskega pojma. S pomočjo diagnostičnih inštrumentov, ki zajemajo naloge na različnih ravneh STRP modela, je mogoče ugotoviti raven učenčevega razumevanja kemijskih vsebin. V nadaljnjem preučevanju tovrstne problematike se lahko te izsledke vključi v zasnovo ustreznih metodično-didaktičnih pristopov, ki bi omogočili izrazitejši razvoj ustreznega razumevanja kemijskih, pa tudi širše naravoslovnih pojmov.
Glede na namen in cilje raziskave lahko postavimo dve raziskovalni vprašanji:
(1) Ali so dijakove sposobnosti vizualizacije povezane z uspehom pri reševanju 2-D nalog, ki vrednotijo razumevanje kemijskih pojavov na submikroravni STRP modela?
(2) Ali so sposobnosti formalno-logičnega mišljenja povezane z dijakovim uspehom pri reševanju nalog, ki zajemajo submikroskopsko raven izbranih kemijskih pojmov?
METODA DELA Opis vzorca
Skupno je v raziskavi sodelovalo 386 dijakov (60,6 % dijakinj; 39,4 % dijakov) drugega letnika splošnih gimnazij. Raziskava je potekala v aprilu šolskega leta 2002/03. Vzorec glavne študije znaša 5,5 % celotne populacije 7033 dijakov drugih letnikov v Sloveniji tega šolskega leta. V povprečju so bili dijaki stari 16,28 let (SD = 5,7 meseca). Izbrani vzorec je bil dokaj homogen glede na starost in izobrazbo staršev ter heterogen glede na druge spremenljivke (lokacija bivališča, šolski uspeh ...).
Zbiranje in obdelava podatkov
Študija sodi med neeksperimentalne deskriptivne študije. Pri zbiranju kvantitativnih podatkov so bili uporabljeni preizkus znanja ter testi in vprašalniki: (1) preizkus naravoslovnega znanja (PNZ); (2) test formalno-logičnega mišljenja (TOLT); (3) testa sposobnosti vizualizacije – hitrosti percepcije »Vzorci«
(VZ) in prostorske predstavljivosti »Rotacije« (RO).
Preizkus naravoslovnega znanja (PNZ) je tipa papir - svinčnik. Izbrane so bile štiri vsebine, ki so za poznavanje kemijskih vsebin naravoslovja bistvene, in sicer: čiste snovi in zmesi, kemijska reakcija, raztopine ter kisline, baze in soli. Končna oblika PNZ je obsegala 19 nalog, od tega 7 nalog izbirnega tipa, 10 nalog odprtega tipa in 2 nalogi povezovanja ter 1 nalogo kombiniranega (izbirni – odprti) tipa. Tri naloge izbirnega tipa in pet nalog odprtega tipa so od dijakov zahtevale, da svoje odgovore na kratko utemeljijo. PNZ je bil razdeljen na štiri sklope, ki so od testiranca zahtevali ustrezno povezovanje vseh treh ravni kemijskih pojmov. Naloge so zahtevale od testiranca lahko le uporabo submikroravni kemijskega pojma (PNZsm), povezavo submikroravni s simbolno (PNZsm-si), povezavo makro- s submikroravnjo (PNZma-sm) in povezavo vseh treh ravni, tako makro-, submikro- kot simbolne (PNZma-sm-si).
Glede na pilotsko študijo je bi PNZ optimiziran, tako da je bilo izločenih 7 nalog, ki so bile za dijake v pilotski raziskavi pretežke glede na indeks težavnosti (od 0,03 do 0,22). Naloge so bile v testu razporejene glede na indeks težavnosti (od lažjih k težjim) in vsebinsko (od zajete le ene ravni kemijskega pojma, do povezav vseh treh ravni STRP modela in vseh vsebin) kategorijo. Indeksi diskriminativnosti posameznih nalog so statistično pomembni (p < 0,01), čeprav so nekateri nekoliko nizki. Cronbach α koeficient notranje konsistence znaša 0,80. Oba kriterija kažeta na ustreznost celotnega PNZ. PNZ ima dobro vsebinsko veljavnost, saj so trije strokovnjaki (področje kemijskega izobraževanja in kemije) potrdili, da meri dijakovo znanje na vseh treh ravneh naravoslovnih pojmov izbranih za testiranje. PNZ je pregledalo in ocenilo pet neodvisnih strokovnjakov s področja kemije in kemijskega izobraževanja. Podali so mnenja in pripombe, ki so bile s posameznim strokovnjakom prediskutirane in ustrezno vnesene v končno obliko PNZ. PNZ so dijaki reševali 60 minut. Preizkus znanja je bil sestavljen specifično za to študijo.
V prispevku bodo podani le rezultati analize nalog, ki so uvrščene na submikroraven kemijskih pojmov (1., 2., 3., 7. in 14. naloga). Glede na Bloomove kognitivne kategorije sodijo obravnavane naloge v kategorijo razumevanja in uporabe znanja.
Za ugotavljanje stopnje razvitosti formalno-logičnega mišljenja je bil uporabljen Test logičnega mišljenja (Test Of Logical Thinking - TOLT) (Tobin in Capie, 1981). Test temelji na Piagetovi teoriji razvoja mišljenja. Test je bil zasnovan na osnovi kliničnega intervjuja, ki ga je Piaget razvil za ugotavljanje intelektualne razvitosti posameznika. TOLT sta Tobin in Capie (1981) razvila z namenom skrajšati čas ugotavljanja stopnje formalnega mišljenja posameznikov in racionalizirati pridobivanje podatkov ter njihovo obdelavo (Valanides, 1998).
Test sestavlja osem nalog izbirnega tipa, vsaka s podnalogo izbirnega tipa, kjer mora testiranec svoj odgovor na zastavljeno vprašanje pravilno utemeljiti. Pri zadnjih dveh nalogah odprtega tipa mora testiranec napisati vse kombinacije spremenljivk, ki jih naloga zahteva, da dobi točko. Vprašanja so strukturirana tako, da po dve vprašanji testirata posamezno področje: (1) proporcionalno mišljenje – sposobnost razumevanja numeričnih odnosov v naravoslovju; (2) sposobnost identifikacije spremenljivk in konstant, kar je pomembno pri eksperimentalnem delu; (3) verjetnostno mišljenje – sposobnost napovedi rezultatov poskusov in njihove ponovljivosti; (4) korelacijsko mišljenje – sposobnost identifikacije in potrditve relacij med spremenljivkami, kar je pomembno tudi v procesu reševanja
problemov, in (5) kombinatorno mišljenje – sposobnost napovedi kombinacij različnih spremenljivk. Vse te miselne sposobnosti imajo velik pomen v učenju naravoslovnih pojmov in so sestavni del formalnega mišljenja (Linn, 1981).
Testiranci na TOLT-u lahko dosežejo največ 10 točk. Če testiranec doseže 0 ali 1 točko, je mogoče napovedati, da je na stopnji konkretnega kognitivnega razvoja. Če doseže 2 ali 3 točke, kaže na prehodno stopnjo kognitivnega razvoja in le tisti testiranci, ki dosežejo 4 ali več točk, imajo razvito formalno-logično mišljenje. Za določitev navedenih stopenj kognitivnega razvoja posameznika s pomočjo doseženih točk na TOLT-u so bile uporabljene Piagetove stopnje razvoja mišljenja, ki jih je ugotovil s pomočjo kliničnih intervjujev (Valanides, 1998).
Tobin in Capie (1981) sta navedla visoko stopnjo veljavnosti TOLT-a, saj meri iste sposobnosti formalnega mišljenja kot Piagetovi klinični intervjuji. Korelacija med podatki, pridobljenimi z obema inštrumentoma, je visoka (r = 0,80). Cronbach α za celoten test znaša 0,85 in nakazuje dokaj visoko notranjo konsistentnost testa. Avtorja navajata velike stopnje korelacije z visoko statistično pomembnostjo TOLT-a in različnih naravoslovnih (r = 0,49) ter vizualizacijskih (r = 0,61) testov (Tobin, Capie, 1981).
Dijaki so test reševali po navodilih, prevedenih iz originala, 38 minut. Odgovore so pisali na list za odgovore. Test je bil uporabljen s pisnim dovoljenjem enega od avtorjev, profesorja Kennetha Tobina iz Graduate Center of City, z Univerze v New Yorku.
Test hitrosti percepcije »Vzorci« (VZ) je del testne baterije Vida Pogačnika in temelji na Cattell-Hornovi teoriji sposobnosti. Namenjen je merjenju točnosti in hitrosti zaznavanja. Test obsega 6 primerov za vajo in 36 nalog, natisnjen je obojestransko na enem listu formata A4. V vsaki nalogi je na levi strani vzorec, na desni pa so štirje drugi, vendar podobni vzorci, med katerimi je le eden popolnoma enak vzorcu na levi.
Testiranec ga mora čim hitreje najti in ga jasno označiti. Testiranci beležijo odgovore direktno na testni list. VZ je test hitrosti, katerega čas reševanja je omejen na 4,5 minute. Zanesljivost testa znaša 0,86, veljavnost pa določajo korelacije z drugimi testi perceptivnega faktorja (Pogačnik, 1998). Test je bil za namene raziskave odkupljen od Centra za psihodiagnostična sredstva v Ljubljani.
Test prostorske predstavljivosti »Rotacije« (RO) je prav tako kot predhodni test del testne baterije Vida Pogačnika. Namenjen je merjenju spacialnega faktorja, torej sposobnosti miselnih rotacij vizualnih elementov in s tem mentalnih prostorskih sposobnosti. Test obsega 15 primerov za vajo in 90 nalog, natisnjen je obojestransko na enem listu formata A4. Pri vsaki nalogi je na levi strani vzorec, na desni pa so trije drugi, med katerimi mora testiranec ugotoviti, kateri so le zasukani v ravnini, in jih obkroži. Tiste vzorce, ki prikazujejo drug objekt ali pogled levega s hrbtne strani tako, da ga s sukanjem v ravnini ne moremo izenačiti z vzorcem na levi, pa testiranec prekriža. Testiranec mora v vsaki vrstici odgovorov označiti vse odgovore. Testiranci beležijo odgovore direktno na testni list. RO je test hitrosti, katerega čas reševanja je omejen na 6 minut. Zanesljivost testa znaša 0,94, veljavnost pa kažejo statistično pomembne in dokaj visoke korelacije z drugimi specialnimi testi določanja vizualizacijskih sposobnosti (Pogačnik, 2000). Test je bil za namene raziskave odkupljen od Centra za psihodiagnostična sredstva v Ljubljani.
Dijaki so bili glede na vizualizacijske sposobnosti razdeljeni v tri skupine: (1) v skupino 1 (slabe vizualizacijske sposobnosti) so bili razvrščeni dijaki, ki so dosegli manj kot M - 1 SD točk; (2) v skupino 2 (povprečne vizualizacijske sposobnosti) tisti, ki so dosegli med M - 1 SD in M + 1 SD točk; ter (3) v skupino 3 (nadpovprečne sposobnosti vizualizacije) tisti, ki so dosegli nad M + 1 SD vseh točk na testih vizualizacijskih sposobnosti (VZ in RO).
Na srednjih šolah je testiranje potekalo skupno tri šolske ure (135 min). Najprej so dijaki dve šolski uri reševali PNZ in 36 minut TOLT. Čez povprečno pet dni je bilo z istimi dijaki izpeljano testiranje s preostalimi testi sposobnosti (RO in VZ). Na izbranih srednjih šolah so bili vsi inštrumenti aplicirani skupinsko in v standardnih pogojih. Dijaki so vse teste in vprašalnike reševali v učilnicah, kjer je bilo zagotovljeno individualno okolje, v katerem je lahko vsak dijak sam in nemoteno reševal teste ter izpolnjeval vprašalnike. Predhodno so bila pridobljena pisna dovoljenja staršev dijakov, ki so bili vključeni v raziskavo, ter privoljenja vodstva šol in učiteljev kemije za sodelovanje v raziskavi. Vsak dijak je tudi podpisal izjavo, da želi prostovoljno sodelovati v študiji. Testiranje je potekalo v testnih skupinah od 12 do 33 dijakov, odvisno od velikosti učilnice. Aplikacija psiholoških testov (RO in VZ) ter analiza in interpretacija rezultatov je bila opravljena s pomočjo psihologa, kar zahteva Kodeks poklicne etike psihologov Slovenije v poglavju Uporaba in varovanje psihodiagnostičnih sredstev.
Vsi podatki izbirnega in povezovalnega tipa nalog ter naloge odprtih odgovorov preizkusa naravoslovnega znanja (PNZ) ter rešitve nalog testov sposobnosti (TOLT, RO, VZ) so bili s pomočjo ustreznih statističnih metod obdelani. TOLT, RO in VZ je ovrednotil psiholog s pomočjo izdelanih šablon in vnesel surove podatke v ustrezno oblikovane računalniške datoteke v programu Excel for Windows in jih statistično obdelal v programskem paketu SPSS 11.0.0 for Windows skladno s cilji študije. Opisna statistika (srednje vrednosti in mere razpršenosti) je bila uporabljena za določitev osnovnih parametrov uspeha reševanja nalog na ravni delcev. Za prikaz napak pri reševanju posameznih nalog so bile podane frekvenčne vrednosti v odstotkih. Za določitev razlik med spoloma v uspehu pri reševanju nalog na ravni delcev je bil uporabljen t-preizkus. Pearsonovi korelacijski koeficienti so bili določeni za prikaz povezav med uspehom na PNZ in neodvisnimi spremenljivkami. Enosmerna analiza variance (ANOVA) je bila uporabljena za določitev vpliva sposobnosti formalnega mišljenja in vizualizacije na uspešnost reševanja nalog na ravni delcev. Pred uporabo ANOVA je biti izveden tudi test homogenosti varianc. Za vse uporabljene preizkuse je bila določena statistična pomembnosti na 5 % ravni tveganja.
REZULTATI Z RAZPRAVO
Rezultati uspeha na celotnem preizkusu znanja kažejo, da imajo dijaki podpovprečno razumevanje kemijskih pojmov na ravneh, ki jih definira STRP model. Tako je mogoče ugotoviti, da so dijaki v povprečju dosegli le 21,21 točk (SD = 6,47) od skupnih 43,5 točk (48,8 % povprečni uspeh). Koeficienta asimetrije (0,036) in sploščenosti (-0,089) kažeta na normalno distribucijo podatkov, kar omogoča nadaljnjo statistično analizo brez predhodne normalizacije podatkov. V nadaljevanju bodo interpretirani le podatki, ki zajemajo naloge, ki so preverjale le submikroskopsko raven kemijskih pojmov.
Dijaki so pri reševanju nalog, ki zajemajo le submikroskopsko komponento STRP modela (PNZsm), v povprečju dosegli 5,96 točk (SD = 2,08) od možnih devetih točk. To kaže, da je bil povprečni uspeh 66,2
%, uspeh pri reševanju teh nalog je bil glede na standardno deviacijo dokaj heterogen.
Vpliv vizualizacijskih sposobnosti na reševanje nalog na ravni delcev
V povprečju so dijaki na testu hitrosti percepcije (VZ) dosegli 24,96 točk (SD = 4,98), kar znaša v povprečju 69,3 % vseh možnih točk. Povezava med uspehom pri reševanju PNZsm nalog in s sposobnostmi hitrosti percepcije ni statistično pomembna (r = 0,092; 2p = 0,070).
Dijake je mogoče razdeliti v tri skupine glede na sposobnosti hitrosti zaznavanja, in sicer v: skupino 1 (slabe sposobnosti hitrosti percepcije) sodi 11,2 % v vzorec zajetih dijakov, skupino 2 (povprečne sposobnosti hitrosti percepcije) 73,6 % dijakov in skupino 3 (nadpovprečne sposobnosti hitrosti percepcije) le 15,0 % dijakov.
V nadaljevanju je bila izvedena enosmerna analiza variance za prikaz odvisnosti uspeha na preizkusu znanja od sposobnosti dijakove hitrosti percepcije. Rezultati kažejo, da so razlike med dijaki z različnimi sposobnostmi hitrosti zaznavanja statistično nepomembne (F(2, 383) = 0,536, p = 0,585), kar je pokazala že korelacija med tema dvema spremenljivkama.
Povzeti je mogoče, da so dijaki ne glede na njihovo sposobnost hitrosti zaznavanja lahko uspešni pri reševanju nalog, ki posegajo na submikroskopsko raven kemijskih pojmov.
V povprečju so dijaki na testu prostorskih predstavljivosti (RO) dosegli 49,07 točk (SD = 18,14), kar znaša v povprečju 54,5 % vseh možnih točk. Korelacija med uspehom pri reševanju nalog na ravni delcev in sposobnostmi prostorske predstavljivosti je sicer statistično pomembna, vendar zelo nizka (r = 0,115; 2p
= 0,024). Prostorska predstavljivost tako pojasni le 1,32 % variance uspeha pri reševanju PNZsm nalog.
Dijake je mogoče razdeliti, podobno kot pri sposobnostih hitrosti percepcije, v tri skupine glede na sposobnosti hitrosti zaznavanja, in sicer v: skupino 1 (slabe sposobnosti prostorske predstavljivosti) sodi 16,4 % v vzorec zajetih dijakov, skupino 2 (povprečne sposobnosti prostorske predstavljivosti) 66,8 % dijakov in skupino 3 (nadpovprečne sposobnosti prostorske predstavljivosti) 16,9 % dijakov.
Podobno kot pri sposobnosti hitrosti percepcije je bila izvedena enosmerna analiza variance za prikaz odvisnosti uspeha pri reševanju PNZsm nalog od sposobnosti prostorske predstavljivosti. Rezultati
ANOVA kažejo, da so razlike med dijaki z različnimi sposobnostmi prostorske predstavljivosti statistično pomembni (F(2, 382) = 3,409, p = 0,034). Post hoc analiza z uporabo Tukey HSD testa kaže, da so razlike v uspešnosti reševanja nalog na submikroravni statistično pomembne (p = 0,044) med dijaki, ki sodijo v skupino 1 (slabe vizualizacijske sposobnosti) glede razvitosti sposobnosti hitrosti percepcije (M = 5,38, SD
= 2,16) in skupino 3 (nadpovprečne vizualizacijske sposobnosti) (M = 6,26; SD = 1,82). Razlike med povprečnimi vrednostmi v uspehu na PNZsm med skupino dijakov s slabo razvitimi sposobnostmi hitrosti percepcije (Skupina 1) in tistimi s povprečno razvitimi (Skupina 2) statistično niso pomembne (p = 0,054).
Raven tveganja je komajda presežena (za 0,4 %), saj trditev ne velja le za 5,4 % celotne populacije dijakov.
Manjše razlike v odvisnosti uspeha na PNZsm in razvitostjo prostorske predstavljivosti se kažejo med dijaki, ki imajo povprečno (Skupina 2) in nadpovprečno (Skupina 3) razvite sposobnosti prostorske predstavljivosti. Razlika med skupinama prav tako ni statistično pomembna (p = 0,760), raven tveganja pa je za razliko od prejšnje primerjave močno presežena. Večji vpliv na uspeh pri reševanju nalog na ravni delcev ima dijakova sposobnost prostorske predstavljivosti. Vendar glede na to, da so razlike v razumevanju submikropredstavitev statistično pomembne le med dijaki s podpovprečno in nadpovprečno razvitimi sposobnostmi prostorske predstavljivosti, je mogoče sklepati, da večina dijakov submikropredstavitve razume v taki meri, da so glede na sposobnosti vizualizacije lahko uspešni pri razumevanju kemijskih pojmov na ravni delcev.
Testa vizualizacijskih sposobnosti kažeta na povprečno razvitost prostorske predstavljivosti testiranih dijakov (55 % vseh možnih točk) in nekoliko večjo razvitost sposobnosti hitrosti zaznavanja (69% vseh možnih točk). Podobno ugotavlja tudi avtor testov, ki je norme testov oblikoval na osnovi rezultatov testiranja gimnazijcev (Pogačnik, 1998).
Višjo in prav tako statistično pomembno korelacijo (r = 0,472; p < 0,01) med doseženim rezultatom na testu »Rotacije« in celotnim uspehom na testu kemijske vizualizacije je pri slovenskih dijakih in študentih v raziskavi dokazala Ferkova s sodelavci (2003). Korelacijski koeficient je večji, ker naloge v testu kemijske vizualizacije (manipulacija z različnimi modeli in predstavitvami – npr. stereokemična formula molekul) zahtevajo večje sposobnosti vizualizacije kot naloge PNZ. Bistveno šibkejšo povezanost uspeha na testu kemijske vizualizacije in uspehom na testu »Vzorci« je dokazala tudi Ferkova s sodelavci (2003). Prav tako so drugi raziskovalci dokazali bolj ali manj pozitivne in statistično pomembne povezave med uspehom pri kemiji in sposobnostjo prostorske vizualizacije (Talley, 1973; Pribyl in Bodner, 1987; Carter et al., 1987;
Yang et al., 2003). Treagust s sodelavci (2001) navaja, da pridejo vizualizacijske sposobnosti posameznika do večjega izraza šele, kadar mora miselno manipulirati s 3-D objekti. To so potrdili tudi rezultati te raziskave, saj so vsi objekti v PNZ vrste 2-D. Prav tako Gabelova s sodelavci (1987) ni dokazala povezave med vizualizacijskimi sposobnosti študentov in uspehom na testu znanja, kjer so naloge zajemale submikroskopsko raven kemijskih pojmov. Zaključiti je mogoče z ugotovitvami Wu in Shahova (2003), ki v pregledu raziskav odvisnosti kemijskega znanja od prostorsko-vizualizacijskih sposobnosti ugotavljata, da ni dokazanih visokih in statistično pomembnih korelacij med tema dvema spremenljivkama.
Raziskovalki navajata, da je pri slabšem predznanju otrok uspeh pri reševanju testa bolj odvisen od faktorja predznanja kot od prostorsko-vizualizacijskih sposobnosti. Predvidevata tudi, da bi utegnila imeti statistično pomembna korelacija med vizualizacijskimi sposobnostmi in reševanjem kemijskih problemov vzrok v splošnem kognitivnem faktorju. Podobno sta tudi Keig in Rubba (1993) zaključila, da sposobnost dijakov za prehode med različnimi ravnmi kemijskih pojmov ni pomembna njihova sposobnost prostorske vizualizacije, ampak je uspeh odvisen le od kognitivnega faktorja. Miyake s sodelavci (2001) namreč poudarja, da so vizualizacijske sposobnosti le del tega faktorja (navedeno po Wu in Shah, 2003).
Vpliv sposobnosti formalnega mišljenja na reševanje nalog na ravni delcev
Na osnovi predstavljenih ugotovitev je smiselno študirati vpliv sposobnosti formalno-logičnega mišljenja na uspeh pri reševanju kemijskih problemov, ki zajemajo submikroskopsko raven STRP modela. Za določanje razvitosti formalno-logičnega mišljenja v vzorec zajetih dijakov je bil uporabljen TOLT. V povprečju so dijaki na TOLT-u dosegli 6,44 točk (SD = 2,43) od skupno desetih. Povprečno so tako dosegli 64 % vseh možnih točk. Glede na razvitost mišljenja so bili dijaki razdeljeni v tri skupine. V prvo skupino sodijo dijaki, ki so na ravni konkretnega mišljenja (2,4 % dijakov), v drugo tisti, ki kažejo prehodno stopnjo kognitivnega razvoja (11,4 % dijakov), in v tretjo dijaki, ki so že dosegli stopnjo formalno-logičnega mišljenja (86,2 % dijakov).
Pearsonov korelacijski koeficient kaže, da je srednje močna povezanost med uspehom dijakov pri reševanju nalog na ravni delcev in njihovimi sposobnostmi formalnega mišljenja (r = 0,473; 2p = 0,000). Z razvitostjo formalnega mišljenja je v povprečju mogoče razložiti 22,4 % variance uspeha pri reševanju nalog, ki zajemajo le submikroskopsko komponento STRP modela.
Nadaljnja analiza odvisnosti uspeha pri reševanju nalog na ravni delcev od sposobnosti formalno- logičnega mišljenja, na osnovi enosmerne analize variance kaže, da so razlike med skupinami dijakov z različno razvitimi sposobnostmi formalnega mišljenja statistično pomembne (F(2, 383) = 22,72, p = 0,000). Post hoc analiza z uporabo Tukey HSD testa kaže, da so razlike v uspešnosti reševanja nalog na submikroravni statistično pomembne (p = 0,000) med dijaki na konkretni stopnji razvoja mišljenja (M = 3,40, SD = 1,71) in razvitimi sposobnostmi formalno-logičnega mišljenja (M = 6,24; SD = 2,00). Podobno se kažejo statistično pomembne razlike v uspehu na PNZsm (p = 0,000) med dijaki druge (M = 4,53; SD = 1,87) in tretje skupine. Med dijaki na konkretni in prehodni ravni razvoja mišljenja ni statistično pomembnih razlik v uspehu pri reševanju tovrstnih nalog (p = 0,234).
Williamsonova in Abraham (1995) navajata dosežke njunih testirancev: v povprečju so dosegli glede na raziskovalno skupino 6,46 oz. 7,29 točk na TOLT-u, kar tudi kaže, da imajo testiranci v povprečju razvito formalno-logično mišljenje. O nekoliko slabše razvitih sposobnostih formalno-logičnega mišljenja sta poročala Noh in Scharmann (1997), saj navajata, da je le še 1 % korejskih srednješolcev povprečne starosti 16,8 let na stopnji konkretnih operacij, kar 30 % na prehodni stopnji razvoja in 69 % jih ima razvito formalno-logično mišljenje. Haidar in Abraham (1991) navajata rezultate svoje raziskave, v kateri so sedemnajstletniki dosegli povprečno le 4,54 točk na TOLT-u, kar kriterij testa določa, da sodijo dijaki v skupino z razvitim formalno-logičnim mišljenjem, čeprav so povprečni rezultati testa bistveno slabši v primerjavi z drugimi študijami. Barkerjeva (2004) navaja ugotovitve Hayesa ter Piageta in Inhelderja, ki pravijo, da petnajstletniki in starejši srednješolci ne glede na to, da uporabljajo logično mišljenje na drugih področjih, kot je recimo matematika, ne kažejo teh sposobnosti pri reševanju kemijskih problemov. Pri reševanju teh problemov uporabljajo naivni pogled na zgradbo snovi in le makroskopsko komponento kemijskih pojmov, kar vodi k napačnim rešitvam problemov. Razlago za slabše rezultate na PNZsm bi lahko našli prav v tej postavki, saj je mogoče sklepati, da bi morali dijaki glede na razvitost formalno- logičnega mišljenja doseči boljše rezultate.
Vpliv spola na reševanje nalog na ravni delcev
Analiza rezultatov kaže, da so dijaki (M = 6,34; SD = 2,04) statistično pomembno uspešnejši pri reševanju nalog na ravni delcev kot dijakinje (M = 5,74; SD = 2,09); t(384) = -2,813, p = 0,005). Buncova in Gabelova (2002) navajata, da dosežejo dekleta nižje rezultate kot fantje na predtestu. Po aplikaciji določene učne strategije, pri kateri so uporabljene submikropredstavitve, razlike v znanju med spoloma niso bile več statistično pomembne. Iz tega izhaja dejstvo, da bi boljši uspeh pri reševanju nalog na PNZsm dosegle tudi dijakinje, če bi učitelji v večji meri uporabljali submikropredstavitve predvsem pri podajanju nove učne vsebine in ne le pri preverjanju in ocenjevanju znanja.
Vsebinska analiza reševanje nalog na ravni delcev
Na osnovi vsebinske analize reševanja nalog, ki sodijo v kategorijo nalog, ki zajemajo le submikroraven kemijskih pojmov (Priloga 1), je mogoče ugotoviti številna napačna in nepopolna razumevanja povezana z uporabo STRP modela. Iz besednih zapisov dijakov je mogoče razbrati precej nepravilnih oz. neustreznih ali nepopolnih opisov naravoslovnih pojavov, ki jih je potrebno razumeti za pravilno rešitev zastavljenega problema. Učitelji tovrstnim opisom pri pouku velikokrat ne posvečajo velike pozornosti ali jih spregledajo in zato ostanejo nekorigirani. Tak način izražanja se nato nadgrajuje do take mere, da ga učenec, dijak ali študent ne more več korigirati in ostane v posameznikovem dolgotrajnem spominu.
Iz Grafa 1 je mogoče povzeti, da največ težav dijakom povzročala sedma naloga (Priloga 1), kjer je bilo potrebno narisati submikropredstavitev za ustrezno ponazoritev končnega stanja pri kemijski reakciji med klorom in vodikom na ravni delcev. Ostale naloge je pravilno rešila več kot polovica testirancev, vse so bile na ravni branja submikropredstavitev in ne risanja, pri čemer so dijaki uspešnejši.
72,1 27,9
65,2 33,3 1,5
64,5 32,1 3,4
25,2 70,1 4,7
57,1 36,1 6,1
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
odstotek dijakov
1. naloga 2. naloga 3. naloga 7. naloga 14. naloga
prav napačno ali nepopolno ni odgovora
Graf 1: Uspešnost dijakov pri reševanju posamezne naloge, ki zajema le pojme na submikroravni.
Pri prvi nalogi (Priloga 1) izbirnega tipa, so morali dijaki med ponujenimi submikropredstavitvami čistih snovi in zmesi izbrati dve, ki ponazarjata čisto snov.
72,1 % dijakov je nalogo pravilno rešilo – izbrana oba pravilna odgovora med petimi možnimi.
Najuspešnejši so bili pri izbiranju odgovora d (97,3 % pravilnih odgovorov), kjer so bile prikazane dvoatomne molekule elementa. Za kar 23,0 % manj uspešni so bili pri ugotavljanju, da tudi shema e prikazuje čisto snov, v kateri so prikazane molekule spojine. Iz tega je mogoče sklepati, da kar 25,7 % dijakov iz modelov na ravni delcev ne prepozna spojine kot čisto snov. Ugotovitev, da imajo dijaki težave pri razumevanju pojma čista snov, podkrepi še podatek, da je kot predstavitev čiste snovi kar 27,9 % dijakov izbralo submikropredstavitev c, kjer je prikazana zmes dveh elementov.
Pri drugi nalogi (Priloga 1), ki je bila tudi izbirnega tipa z enim pravilnim odgovorom, so morali dijaki izbrati submikropredstavitev, ki prikazuje zmes dveh spojin.
Podobno kot pri prvi nalogi je mogoče ugotoviti, da kar 30,2 % testiranih dijakov ne prepozna submikropredstavitve zmesi dveh spojin. Naloga je za razliko od prve združila submikropredstavitev pojmov spojina in zmes, tako da je bila naloga nekoliko zahtevnejša. Uspešno jo je rešilo 65,2 % dijakov.
Nekateri dijaki so izbrali več odgovorov, zato je odstotek pravilnih odgovorov (D) poleg drugih odgovorov za 4,6 % večji. Dijaki so kot pravilen odgovor z več kot 13 % izbrali tudi napačni shemi C in E, ki sta prikazovali zmes elementa in spojine. Med 4 in 10 % dijakov pa je izbralo tudi submikropredstavitvi, ki sta prikazovali zmes enoatomnega in dvoatomnega elementa. 2,5 % testirancev je izbralo kot možno kombinacijo odgovorov C, D in E, kar nakazuje, da ti dijaki ne ločijo med submikropredstavitvami spojine in elementa. Menijo, da ponazarja spojino vsaka molekula ne glede na to, ali so v njej vezani enaki ali različni atomi. Dijaki namreč menijo, da predstavlja element le posamezni atom, ne pa tudi več enakih atomov, vezanih v molekulo elementa. Iz tega je mogoče sklepati, da ti dijaki povezujejo molekule s spojinami, atome pa z elementi.
Pri tretji nalogi (Priloga 1) so morali dijaki ugotoviti, katera submikropredstavitev podaja stanje na koncu kemijske reakcije med delci dveh elementov, podanih na začetni shemi. Skoraj 65 % testirancev je iz sheme razbralo, da snovi med seboj nista reagirali v ustreznem množinskem razmerju, zato so po končani reakciji v zmesi poleg molekul produkta tudi atomi nezreagiranega reaktanta, ki je bil v prebitku.
Več kot 24 % dijakov je kot pravilen odgovor izbralo submikropredstavitev B. V shemi B so bili delci podobni molekulam vode, kar je dijake verjetno zavedlo, da so izbrali ta odgovor kot pravilen, saj so jim bili ti delci najbolj znani. Dijaki bi morali sklepati, da ta rešitev ni pravilna, ker molekule vode nastanejo pri reakciji molekul kisika in vodika. Submikropredstavitev zmesi reaktantov pred potekom reakcije ne ustreza submikropredstavitvi molekul kisika in vodika. Poleg navedenega se tudi število atomov posameznih
elementov na shemah reaktantov in produktov ne ujema. Iz tega sledi, da dijaki pri reševanju iščejo submikropredstavitve molekul snovi, ki jih poznajo in jih poskušajo uporabiti tudi v primerih, ko rešitvi ne ustrezajo. To kaže tudi na to, da dijaki pri reševanju naloge ne preberejo dovolj natančno besedila in ne razmislijo o možnih rešitvah.
Iz utemeljitve odgovorov je mogoče ugotoviti, da je večina dijakov, ki so pravilno izbrali submikropredstavitev, tudi pri razlagi svojih odločitev uporabilo submikroraven kemijskih pojmov, saj je okoli 50 % dijakov svoj odgovor utemeljilo na ravni delcev. Več kot 25 % dijakov pa utemeljitve ni zapisalo, ker niso vajeni utemeljevati svojih odgovorov pri nalogah izbirnega tipa.
Dijaki so najpogosteje utemeljili napačne odgovore z opisom, da shema ne upošteva zakona o ohranitvi mase pri kemijski reakciji (53,2 % za odgovor B; 40,7 % za odgovor C in 38,7 % za odgovor D). Pogosto so dijaki utemeljili svoj izbor odgovora s trditvijo, da shema prikazuje reakcijsko zmes, ko reakcija po mnenju dijakov poteče »pravilno« (38,5 % za odgovor A; 17,2 % za odgovor C in 11,3 % za odgovor D).
Nekoliko manj pogosto so dijaki utemeljili neustrezno submikropredstavitev s trditvijo, da shema prikazuje reakcijsko zmes, če reakcija ne poteče do konca (23,8 % za odgovor A in 15,9 % za odgovor D).
Pri sedmi nalogi (Priloga 1) so morali dijaki narisati submikropredstavitev produktov kemijske reakcije med vodikom in klorom in pomen delcev podati v legendi z ustreznimi formulami ali imeni. Kemijska reakcija ni zahtevna, saj se z njo srečajo že v osnovni šoli, vendar je le 18,4 % dijakov pravilno narisalo submikropredstavitev produktov reakcije.
Le nekoliko manj (17,9 %) dijakov je sicer pravilno narisalo molekule vodikovega klorida, vendar ni upoštevalo podatkov v nalogi, da naj v submikropredstavitvi dijaki predstavijo molekule produkta, ki nastanejo iz dveh molekul vodika in dveh molekul klora. Narisali so le dve namesto štirih molekul vodikovega klorida. Kar 38,0 % dijakov je prav tako narisalo le dve molekuli vodikovega klorida, vendar je poleg tega pri risanju storilo še kakšno drugo napako. To kaže na površnost pri branju besedila naloge ali na nerazumevanje pomena množinskega razmerja pri kemijski reakciji. Poleg že omenjenih napak je skupno kar 34,3 % dijakov narisalo enako velika atoma vodika in klora v molekuli vodikovega klorida (Slika 1).
Slika 1: Neupoštevanje velikosti atomov vodika in klora v vodikovem kloridu.
Ugotoviti je mogoče, da je 10,3 % dijakov sicer pravilno narisalo submikropredstavitev produktov kemijske reakcije, le velikosti atomov niso upoštevali. Poleg te napake je kar 15,9 % testirancev narisalo le dve molekuli produkta, torej je združilo obe že omenjeni napaki.
Poleg že opisanih napak so se v več kot 2 % pojavljale različne napake v submikropredstavitvah dijakov.
3,9 % dijakov je narisalo submikropredstavitev ustrezno, vendar je nakazalo urejeno strukturo nastalega plina vodikovega klorida. Vzrok za tako submikropredstavitev je lahko praktični, saj je risanje vseh molekul na isti način hitrejše. 3,7 % dijakov je v shemo narisalo tako modele molekul reaktantov kot produktov, torej je poskušala prikazati celotno kemijsko reakcijo (Slika 2).
Slika 2: Ustrezna narisana submikropredstavitev nastanka štirih molekul vodikovega klorida, kjer so prikazani tudi reaktanti, kar naloga ni zahtevala.
Isto napako je storilo še dodatnih 1,7 % dijakov, vendar so narisali napačno število molekul vodikovega klorida. Ker so dijaki navajeni na pisanje kemijskih enačb, so si z risanjem shem molekul reaktantov verjetno pomagali narisati sheme molekul produktov. 3,4 % dijakov je narisalo molekule vodikovega klorida kot triatomno molekulo z dvema atomoma vodika in enim atomom klora (Slika 3). Tak model molekule vodikovega klorida je lahko posledica dokaj pogostega poudarjanja zgradbe molekule vode.
Dijaki, ki ne poznajo molekule vodikovega klorida kot dvoatomne molekule, povzamejo zgradbo triatomne molekule vode tudi za molekulo vodikovega klorida.
Slika 3: Submikropredstavitev molekul vodikovega klorida, ki spominjajo na molekule vode.
2 % dijakov je poleg pravilne submikropredstavitve narisalo tudi dodatno molekulo klora, kot da bi klor bil v prebitku ter pet molekul vodikovega klorida. Vse ostale napake, ki se nanašajo na napačno narisane molekule produkta, na njihovo napačno število ali so poleg teh napak dodane še druge, sicer pravilne informacije (simboli elementov, oznaka kemijske vezi med atomoma v vodikovem kloridu) oz. napake (označeni naboji na shemi, kot da bi vodikov klorid sestavljali ioni) se pojavljajo v manj kot 2 % vseh narisanih submikropredstavitvah, tako da podrobno niso predstavljene. Vseh tovrstnih napak je naredilo skupno 26,5 % v vzorec zajetih dijakov.
Pri vrednotenju zahtevane legende so se upoštevale pravilne kombinacije sheme delca in njegovega simbolnega zapisa ali imena (zapisano ime delca ali ime elementa oz. spojine). V primeru, da je bila narisana shema delca, ki ga v submikropredstavitvi ni bilo potrebno risati (molekula vodika ali klora), se pri vrednotenju legende ta zapis ni upošteval.
Tabela 1: Najpogostejši zapisi legende (ustrezni zapisi so označeni z debelim tiskom).
1. del: Zapis celotne legende %
Ob atomu vodika / klora zapisan simbol vodika / klora. 27,7 Ob atomu vodika / klora zapisano ime elementa – vodik / klor. 20,1 Ob molekuli vodika / klora zapisana formula molekule vodika / klora. 4,2 Ob atomu vodika / klora zapisana formula molekule vodika / klora. 3,4 Ob atomu vodika / klora zapisan simbol vodika / klora ter ob molekuli vodikovega
klorida zapisana formula vodikovega klorida. 3,4
Ob atomu vodika / klora zapisano atom vodika ali vodikov atom / atom klora ali
klorov atom. 2,7
Ob molekuli vodika / klora zapisano molekula vodika / molekula klora. 2,7 Ob molekuli vodika / klora zapisano ime elementa – vodik / klor. 2,5 Ob atomu vodika / klora zapisan simbol vodika / klora in ime elementa – vodik / klor. 2,0
2. del: Zapis posameznih elementov legende %
Ob atomu klora zapisan simbol klora. 38,7
Ob atomu vodika zapisan simbol vodika. 36,8
Ob atomu vodika zapisano ime elementa – vodik. 28,2
Ob atomu klora zapisano ime elementa – klor. 27,5
Ob atomu vodika zapisano atom vodika ali vodikov atom. 22,5 Ob molekuli vodikovega klorida zapisana formula vodikovega klorida. 10,8 Ob molekuli vodika zapisana formula molekule vodika. 8,8
Ob molekuli klora zapisana formula molekule klora. 7,6
Ob molekuli vodika zapisano ime elementa – vodik. 6,9
Ob atomu vodika zapisana formula vodika. 6,1
Ob atomu klora zapisana formula klora. 4,9
Ob atomu klora zapisano atom klora ali klorov atom. 4,2
Ob molekuli vodika zapisano molekula vodika. 3,9
Ob molekuli klora zapisano molekula klora. 3,7
Ob molekuli klora zapisano ime elementa – klor. 3,7
Ob molekuli vodika zapisan simbol elementa. 2,5
Ob molekuli klora zapisan simbol elementa. 2,2
Ob atomu vodika zapisano molekula vodika. 2,0
Ob atomu klora zapisano molekula klora. 2,0
Iz Tabele 1 je mogoče povzeti, da je kar 20,7 % dijakov več pravilno zapisalo legendo delcev, ki so jih uporabili v svoji shemi, kot je pravilno zasnovalo svojo submikropredstavitev vodikovega klorida. To pomeni, da je najenostavnejši zapis legende (ob modelu atoma elementa zapisan simbol elementa) uporabilo 27,7 % testirancev. V več kot 20 % primerov zapisov legend so dijaki poleg sheme atoma vodika in klora zapisali tudi imena obeh elementov. V le 2,7 % primerov je mogoče zaslediti ob shemi atoma posameznega elementa tudi pravo ime (atom vodika oz. klora) ali ob narisani molekuli vodikovega klorida njeno ime (molekula vodikovega klorida). Pri analizi posameznih elementov legende (Tabela 1; 2.
del), v kombinaciji z različnimi zapisi simbolov ali formul in njihovih imen pa je mogoče ugotoviti, da so dijaki najpogosteje (v 38,7 % primerov) narisali atom klora, h kateremu so pripisali njegov kemijski simbol, podobno velja za vodik (38,8 %). Ti rezultati kažejo na dokaj močan vpliv simbolnih zapisov tudi v primerih, kjer je mogoče z besedo zapisati ime delca in naloga simbolnega zapisa sploh ne zahteva. Več kot 25 % dijakov je v legendi ob atomu elementa zapisalo njegovo ime (vodik – 28,2 %; klor - 27,5 %). Le 22,5 % dijakov pa je pravilno ob shemi atoma vodika zapisalo ime delca, medtem ko je za klor to storilo le 4,2 % dijakov. V večini ostalih primerov so dijaki narisali delec in zapisali njegovo ime, vendar v nalogi ta delec ni bil zahtevan ali pa je bila kombinacija narisanega delca ter pripisanega imena ali simbola elementa napačna. Skupno je 48,2 % dijakov utemeljitev svoje submikropredstavitve podalo na ravni delcev.
Povzeti, je mogoče, da je največ dijakov (29,4 %) bolj ali manj natančno opisalo dogajanje pri kemijski reakciji med molekulo vodika in molekulo klora, pri kateri nastane molekula vodikovega klorida. 21,3 % dijakov je utemeljilo svoj odgovor kar s pravilno ali napačno enačbo kemijske reakcije. Dijaki so zapisali enačbo reakcije zato, ker so pri kemiji najbolj navajeni simbolnih zapisov.
Štirinajsta naloga (Priloga 1) je bila povezovalnega tipa in je zahtevala, da na osnovi treh submikropredstavitev raztopin elektrolitov dijaki odgovorijo na tri vprašanja. Dijaki so morali ugotoviti, katera shema ponazarja: (1) vodno raztopino kisline, (2) baze in (3) soli. Na osnovi legende delcev v podanih submikropredstavitvah so lahko sklepali kaj predstavljajo tri podane vodne raztopine (Priloga 1).
Posamezne dele naloge je pravilno rešilo okoli 65 % dijakov. Pri celotni nalogi pa je bilo uspešnih 57 % testirancev. Okoli 6 % dijakov naloge ni reševalo. Med 12 in 15 % dijakov (primerjava treh podanih submikropredstavitev) je pripisalo napačno shemo posameznemu vprašanju. Iz približno enakega deleža napačnih odgovorov na posamezna vprašanja je mogoče sklepati, da so dijaki odgovarjali na vprašanja z ugibanjem. To kaže, da skupno več kot 26 % dijakov ne razlikuje vodnih raztopin elektrolitov na ravni delcev in da ne prepozna submikropredstavitve elektrolita na osnovi delcev (oksonijev ali hidroksidni ion), ki jih shema podaja, ker ne razumejo nastanka oksonijevih ali hidroksidnih ionov iz molekul vode.
ZAKLJUČKI S SMERNICAMI UPORABE V IZOBRAŽEVALNEM PROCESU
Zaključiti je mogoče, da je uspeh dijakov pri reševanju nalog na ravni delcev predvsem odvisen od razvitosti formalno-logičnega mišljenja in manj od sposobnosti prostorske vizualizacije. Pri tem ima zanemarljivo vlogo predvsem hitrost zaznavanja, ki je ena od faktorjev sposobnosti vizualizacije.
Uspešnosti reševanja nalog na submikroskopski ravni je bolj povezana z drugim faktorjem sposobnosti vizualizacije, in sicer s sposobnostjo prostorske predstavljivosti. Na osnovi tega je mogoče sklepati, da so dijaki uspešni pri reševanju nalog, ki zajemajo 2-D submikropredstavitve tudi, če nimajo nadpovprečno razvitih sposobnosti vizualizacije. Po drugi strani pa je uspeh dijakov pri reševanju tovrstnih nalog povezan z njihovimi sposobnostmi formalno-logičnega mišljenja, vendar so dijaki v obdobju adolescence v povprečju že dosegli tako raven razvitosti mišljenja, da so sposobni razumeti abstraktno submikroskopsko raven kemijskih pojmov.
Rezultati kažejo tudi, da so pri reševanju tovrstnih nalog uspešnejši fantje, zato bi kazalo poudariti predvsem potrebo po natančnejšem spremljanju napredovanja v znanju deklet. Za uporabo submikropredstavitev v izobraževalnem procesu bi to vrzel med spoloma lahko zmanjšali, saj raziskave kažejo (Bunce in Gabel, 2002), da z ustreznimi pristopi lahko zmanjšamo to razliko.
Z uporabo nalog, ki zajemajo submikroskopsko raven pojmov, je mogoče učinkovito identificirati napačna in nepopolna razumevanja dijakov. Rezultati vsebinske analize reševanja nalog namreč kažejo, da imajo dijaki pri preučevanih vsebinah učnega načrta po štirih letih kemijskega izobraževanja še vedno številna in tudi na intervencijo zelo odporna napačna razumevanja. S pomočjo ustrezno zasnovanih in strokovno neoporečnih nalog lahko učitelji preverijo ali učenci in dijaki obravnavane pojme in povezave med njimi ustrezno razumejo in jih znajo na novih primerih uporabiti.
Odgovori dijakov kažejo na to, da poznajo imena osnovnih pojmov, npr. valenčni elektroni, vezi, polarnost, ravnotežje, pogosto pa ne razumejo njihovega pomena. Te pojme nato pogosto uporabljajo tudi za razlage kamor ne sodijo. Pouk kemije v srednjih šolah pogosto temelji le na reprodukciji pojmov, ne da bi dijaki razumeli njihov pomen. Poleg tega pa učitelji ne zagotovijo dijakom pogojev, da bi utrdili znanje do take mere, da bi lahko ustrezno razložili svojo odločitev pri reševanju nekega problema. Druga težava dijakov se kaže pri upoštevanju velikost atomskega in ionskega radija pri shematskem predstavljanju delcev snovi. Prav zato bi morali učitelji tako v osnovni kot v srednji šoli učence in dijake bolj opozarjati na pomen atomskega oz. ionskega radija. To bi lahko učitelji dosegli prav z uporabo submikropredstavitev. V prvi stopnji uporabe submikropredstavitev naj bi učence ali dijake učitelji z branjem shem opozarjali na vse podrobnosti, ki jih je mogoče iz submikropredstavitve razbrati. S tem bi omogočili pravilno strukturiranje znanja o submikrosvetu delcev snovi v dolgotrajnem spominu učenca oz. dijaka. Branju bi sledilo risanje shem, kjer naj bi učenci ali dijaki poskušali s pomočjo informacij, ki bi jih priklicali iz dolgotrajnega spomina, predstaviti čim bolj ustrezno sliko submikrosveta nekega zanje novega pojava.
Rezultati analize zapisa legende kažejo, da dijaki nimajo izoblikovanih povezav med makroskopskim in submikroskopskim svetom, saj nenehno zamenjujejo obe ravni pojma. Vseeno jim je, ali zapišejo, da so narisali, recimo vodik, molekulo ali atom vodika. V primeru, da je dijak narisal molekulo vodika, je potrebno kot razlago sheme zapisati molekula ali še bolje shema modela molekule vodika, kar pa se niti v enem primeru analiziranih legend ni pojavilo. Iz ugotovljenega je mogoče sklepati, da bi z uporabo nalog, kjer bi morali snovati lastne submikropredstavitve in pri tem v legendi natančno ponazoriti svoje odločitve, učenci in dijaki ustrezneje povezali vse tri ravni kemijskih pojmov.
Vse preveč se pri kemiji v šoli poudarja pomen simbolnih zapisov, enostavnega in pravilno oblikovanega besednega opisa kemijske spremembe pa dijaki velikokrat niso sposobni zapisati. Iz tega sledi, da ne moremo biti zadovoljni z razvitostjo celostne naravoslovne (kemijske) pismenosti dijakov, saj imajo dijaki v dolgotrajnem spominu spravljene le informacije enega dela naravoslovne pismenosti (simbolni kemijski jezik), ki ga želijo na vseh področjih kemijske komunikacije, velikokrat tudi brez smisla, uporabiti. Učitelji bi torej morali izoblikovati take izobraževalne strategije, da od dijakov ne bi zahtevali le učenja enačb na pamet, ampak bi poskušali poleg osmišljanja simbolnih zapisov nakazati tudi pomen besednega izražanja pri opisu kemijskih pojavov.
Na koncu je potrebno poudariti, da morajo biti učitelji sami usposobljeni za uporabo submikropredstavitev, in njihovo povezovanje z makroskopsko in simbolno ravnjo kemijskih sprememb.
Brez tega lahko njihova uporaba vodi v napačno zasnovan didaktični material, kar vpliva na oblikovanje odpornih napačnih razumevanj naravoslovnih pojmov pri učencih, dijakih in študentih.
LITERATURA
ACQUISTAPACE, V. L. (1997). Chemistry Illustratrated. The Science Teacher, 64 (4), 29–31.
BARKE, H.-D., ENGIDA, T. (2001). Structural Chemistry and Spatial Ability in Different Cultures. Chemistry Education: Research and Practice in Europe, 2 (3), 227–239.
BARKER, V. (2004). Beyond Appearances: Students’ Misconceptions about Basic Chemical Ideas. A report prepared for the Royal Society of Chemistry, [dostopno na svetovnem spletu:
http://www.chemsoc.org/networks/ learnnet/miscon.htm (30. 10. 2004)]
BRADLEY, J. D., BRAND, M., GERRANS, G. G. (1998). Stages of Development in Student`s Concepts about Macroscopic Properties and Microscopic Structure of Matter: An Analysis of Data form South African Secondary Schools. South African Journal of Chemistry, 51 (2), 85–93.
BUNCE, D. M., GABEL, D. (2002). Differential Effects in the Achievement of Males and Females of Teaching the Particulate Nature of Chemistry. Journal of Research in Science Teaching, 39 (10), 911–972.
CARTER, C. S., LaRUSSA, M. A., BODNER, G. M. (1987). A Study of Two Measures of Spatial Ability as Predictors of Success in Different Levels of General Chemistry. Journal of Research in Science Teaching, 19 (7), 697–710.
CHITTLEBOROUGH, G. D., TREAGUST, D. F., MOCERINO, M. (2002). Constraints to the Development of First Year University Students` Mental Models of Chemical Phenomena. Teaching and Learning Forum 2002,
Focusing on the Student, [dostopno na svetovnem spletu:
http://www.ecu.edu.au/conferences/tlf/2002/pub/docs/ Chittleborough.pdf (30. 1. 2004)]
DEVETAK, I. (2005). Pojasnjevanje latentnega prostora razumevanje submikroreprezentacij v naravoslovju.
Doktorska disertacija, Univerza v Ljubljani, Pedagoška fakulteta, Ljubljana.
ESKILSSON, O., HELLDEN, G. (2003). A Longitudinal Study on 10-12-year-olds` Conceptions of the Transformations of Matter. Chemistry Education: Research and Practice in Europe, 4 (3), 291–304, [dostopno na svetovnem spletu: http://www.uoi.gr/cerp/2003_October/pdf/05Eskilsson.pdf (16. 9. 2003)]
FERK, V., VRTAČNIK, M., BLEJEC, A., GRIL, A. (2003). Students` Understanding of Molecular Structure Representations. International Journal of Science Education, 25 (10), 1227–1245.
GABEL, D. (1998). The Complexity of Chemistry and Implications for Teaching. V: B. J. Frazer, K. J. Tobin (ur.) International Handbook of Science Education, Dordrech: Kluwer Academic Publish, 233–248.
GABEL, D. (1999). Improving Teaching and Learning through Chemistry Education Research: A Look to the Future. Journal of Chemical Education, 76 (4), 548–554.
GABEL, D., SAMUEL, K. V., HUMM, D. (1987). Understanding the Particulate Nature of Matter. Journal of Chemical Education, 64 (8), 695–697.
HAIDAR, A. H., ABRAHAM, M. R. (1991). A Comparison of Applied and Theoretical Knowledge of Concepts Based on the Particulate Nature of Matter. Journal of Research in Science Teaching, 28 (10), 919–938.
HARRISON, A. G., TREAGUST, D. F. (1996). Secondary Students´ Mental Models of Atoms and Molecules:
Implications for Teaching Chemistry. Science Education, 80 (5), 509–534.
HARRISON, A. G., TREAGUST, D. F. (1998). Modelling in Science Lessons: Are There Better Ways to Learn With Models?. School Science and Mathematics, 98 (8), 420–429.
HARRISON, A. G., TREAGUST, D. F. (2002). The Particulate Nature of Matter: Challenges in Understanding the Submicroscopic World. V: Gilbert, J. K. (ur.), Chemical Education: Towards Research – Based Practice, Netherlands:
Kluwer Academic Publishers, 189–212.
JOHNSTONE, A. H. (1991). Why is Science Difficult to Learn? Things are Seldom What They Seem. Journal of Computer Assisted Learning, 7 (2), 75–83.
JOHNSTONE, A. H. (1999). The Nature of Chemistry. Education in Chemistry, 36 (2), 45–47.
JOHNSTONE, A. H. (2000). Teaching of Chemistry – Logical of Psychological?. Chemistry Education: Research and Practice in Europe, 1 (1), 9–15.
KEIG, P. F., RUBBA, P. A. (1993). Translation of Representations of Structure of Matter and its Relationship to Reasoning, Gender, Spatial Reasoning, and Specific Prior Knowledge. Journal of Research in Science Teaching, 30 (8), 883–903.
LAVERTY, D. T., McGARVEY, E. B. (1991). A "Constructivist" Approach to Learning. Education in Chemistry, 28 (4), 99–102.
LEE, K.-W. L. (1999). A Comparison of University Lecturers´ and Pre-service Teachers´ Understanding of a Chemical Reaction at the Particulate Level. Journal of Chemical Education, 76 (7), 1008–1012.
LINN, M., C. (1981). Theoretical and Practical Significance of Formal Reasoning. Journal of Research in Science Teaching, 19 (9), 727–742.
LYTHCOTT, J. (1990). Problem Solving and Requisite Knowledge of Chemistry. Journal of Chemical Education, 67 (3), 248–252.
MAYER, R. E. (1996). Learning strategies for making sense out of expository text: The SOI model for guiding three cognitive processes in knowledge construction. Educational Psychology Review, 8 (4), 357–371.
MORENO, R., MAYER, R. E. (2000). A Learner-Centered Approach to Multimedia Explanations: Deriving Instructional Design Principles from Cognitive Theory. Interactive Multimedia Electronic Journal of Computer – Enhanced Learning. 2, [dostopno na svetovnem spletu: http://imej.wfu.edu/articles/2000/2/05/index.asp, (30.
7. 2007)].
NOH, T., SCHARMANN, L. C. (1997). Instructional Influence of a Molecular-Level Pictorial Presentation of Matter on Students´ Conceptions and Problem Solving Ability. Journal of Research in Science Teaching, 34 (2), 199–217.
POGAČNIK, V. (1998). Test hitrosti percepcije “Vzorci”, Priročnik. Center za psihodiagnostična sredstva, d. o .o, Ljubljana.
POGAČNIK, V. (2000). Osebna izkaznica testa – Spacialni test Rotacije, Center za psihodiagnostična sredstva, d. o.
o, Ljubljana.
PRIBYL, J. R., BODNER, G. M. (1987). Spatial Ability and Its Role in Organic Chemistry: A Study of Four Organic Courses. Journal of Research in Science Teaching, 24 (3), 229–240.
SANGER, M. J. (2000). Using Particulate Drawings to Determine and improve Students´ Conceptions of Pure Substances and Mixtures. Journal of Chemical Education, 77 (6), 762–766.
