DIDAKTIČNI PRIPOMOČEK ZA POUČEVANJE IN PREVERJANJE RAZUMEVANJA KONCEPTA ENERGIJE

PEDAGOŠKA FAKULTETA

Poučevanje

Predmetno poučevanje fizika-matematika

VIDA JUREČIČ

DIDAKTIČNI PRIPOMOČEK ZA POUČEVANJE IN PREVERJANJE RAZUMEVANJA KONCEPTA ENERGIJE

MAGISTRSKO DELO

LJUBLJANA, 2020

PEDAGOŠKA FAKULTETA

Poučevanje

Predmetno poučevanje fizika-matematika

VIDA JUREČIČ

DIDAKTIČNI PRIPOMOČEK ZA POUČEVANJE IN PREVERJANJE RAZUMEVANJA KONCEPTA ENERGIJE

Didactic Instrument to Teach and Assess the Understanding of the Concept of Energy

MAGISTRSKO DELO

Mentorica: red. prof. dr. Mojca Čepič

Somentorica: viš. pred. dr. Ana Gostinčar Blagotinšek

LJUBLJANA, 2020

I

Posebej se zahvaljujem mentorici red. prof. dr. Mojci Čepič in somentorici viš. pred. dr. Ani Gostinčar Blagotinšek za usmerjanje pri izdelavi magistrskega dela.

II

III

predstavlja težave. Ker jo lahko le posredno opazujemo preko lastnosti teles, ki se spremenijo ob prejeti ali oddani energiji, je učencem težko predstavljiva. Nekateri osnovnošolski učbeniki prikažejo pretvarjanje energije z energijskimi diagrami ali stolpci, večinoma pa energijske procese le besedno opišejo. Zdi se, da bi bila vizualizacija pretvarjanja energije iz ene oblike v drugo in prenosa energije med telesi dobrodošla kot didaktični pripomoček, še posebej, če bi bil pripomoček uporaben za vizualizacije energijskih procesov v različnih fizikalnih problemih.

Glavni cilj raziskave je rešiti ta problem in oblikovati didaktični pripomoček za poučevanje energijskih konceptov v osnovni šoli. V magistrskem delu so predstavljeni didaktični pripomoček, ki omogoča vizualizacijo energijskih procesov, predlog načina poučevanja energije s tem didaktičnim pripomočkom, natančna navodila zanj in zbirka predlaganih primerov, ki učenca vodijo k razumevanju vse težjih energijskih konceptov.

Izvedena je bila evalvacijska raziskava kot multipla študija primera na priložnostnem namenskem vzorcu, ki je zajemal osnovnošolca in srednješolko. Uporabljena je bila deskriptivna metoda.

Namen raziskave je bil pridobiti informacije o razumljivosti opisov in navodil, časovni zahtevnosti izvedbe ter uporabnosti predstavljenega didaktičnega pripomočka, ki so omogočale izboljšati izbor primerov.

Ugotovila sem, da morajo biti opisi opazovanih pojavov in navodil natančni. Smiselno je, da se med seboj ločijo po tipu pisave. Izvedba posameznih primerov je mogoča v času ene šolske ure.

Didaktičen pripomoček je enostaven za uporabo in izdelavo. Ob uporabi didaktičnega pripomočka učenci aktivno razmišljajo in sodelujejo ter hkrati ponavljajo in utrjujejo znanje.

Njegova uporaba pozitivno vpliva na predstave, razumevanje in izražanje učencev, saj ozavešča razlike med oblikami energije, pretvarjanjem in prenosi energije. Slabost didaktičnega pripomočka je, da z njim ne moremo prikazati negativne energije, ki pa se ji z ustrezno izbiro koordinatenga izhodišča v osnovni šoli lahko izognemo. Didaktični pripomoček konkretizira abstraktnost koncepta energije in olajša usvajanje osnovnih učnih ciljev pri obravnavi energije.

KLJUČNE BESEDE: pretvarjanje energije, prenos energije, didaktični pripomoček, fizika v osnovni šoli

IV

Energy is one of the most difficult physical concepts that occurs everywhere in physics and often causes problems for students. Since it can only be observed indirectly through the properties of bodies that change when energy is received or transmitted, it is a difficult concept to understand.

In some primary school textbooks transformations of energy are represented by energy diagrams or bar charts, but usually they only describe energy processes with words. It seems that visualization of transformation and transfer of energy between objects would be welcome as a methodical instrument, especially if the instrument would be useful for visualizing energy processes in various physical problems.

Therefore, the main objective of the research is to design such methodical instrument for teaching energy concepts in primary schools. The master thesis presents an instrument that enables the visualization of energy processes, a proposal for teaching energy with this instrument, detailed instructions for its use, and a collection of suggested examples that guide students to understand more and more difficult energy concepts.

An evaluation study was carried out as a multiple case study on a random purpose sample including a primary and secondary school student. A descriptive method was used. The purpose of the study was to obtain information about the comprehensibility of the descriptions and instructions, the time complexity of the implementation and the usefulness of the presented methodical instrument, thus improving the collection of examples.

I found that the descriptions of the observed phenomena and instructions should be accurate and different fonts should be used for different parts. The implementaiton of one example is possible during a regular school lesson. The instrument is easy to use and to assemble. With the help of this instrument the pupils think and participate actively and at the same time repeat and consolidate their knowledge. Its use has a positive effect on the students perception, understanding and expressions, as it raises awareness of the differences between different forms, transformations and transfers of energy. Its disadvantage, however, is that it does not allow to show negative energy, which can be avoided in the lower secondary school by appropriate choice of coordinate system. The instrument however visualize the abstract nature of the concept of energy and facilitates the acquisition of basic learning goals in teaching energy concepts.

KEYWORDS: energy transformation, energy transfer, didactic instrument, physics in primary school

V

2 TEORETIČNI DEL ... 3

2.1 ENERGIJA ... 3

2.1.1 Povezava med energijo in delom ... 3

2.1.2 Obravnava dela in energije v učbenikih ... 4

2.2 REPREZENTACIJE ENERGIJE ... 7

2.2.1 Stolpični diagrami ... 8

2.2.2 Tortni diagrami ... 9

2.2.3 Reprezentacije energijskih procesov v učbenikih ... 9

2.2.4 Reprezentaciji ohranjanja in prenosa energije ... 9

2.3 VPLIV UČITELJA NA RAZUMEVANJE UČENCEV... 11

2.3.1 Izražanje ... 11

2.3.2 Način poučevanja ... 13

3 RAZVOJ IN OPIS DIDAKTIČNEGA PRIPOMOČKA ZA VIZUALIZACIJO ENERGIJSKIH PROCESOV ... 15

3.1 OPIS DIDAKTIČNEGA PRIPOMOČKA ZA VIZUALIZACIJO ENERGIJSKIH PROCESOV ... 15

3.1.1 Opis vloge potrebščin didaktičnega pripomočka za vizualizacijo energijskih procesov ... 16

3.1.2 Zgledi uporabe didaktičnega pripomočka za vizualizacijo energijskih procesov ... 19

3.1.3 Od razmisleka do prikaza ... 38

3.1.4 Pravila prikaza ... 41

3.2 OBLIKOVANJE ZBIRKE PRIMEROV ... 42

3.2.1 Opis oblikovanja prve verzije Zbirke primerov ... 42

3.2.2 Zbirka primerov (prva verzija) ... 46

3.2.3 Možnosti uporabe didaktičnega pripomočka za vizualizacijo energijskih procesov in Zbirke primerov ... 52

4 EMPIRIČNI DEL ... 53

4.1 OPREDELITEV RAZISKOVALNEGA PROBLEMA ... 53

4.2 CILJI RAZISKAVE ... 53

4.3 METODA IN RAZISKOVALNI PRISTOP ... 53

4.3.1 Vzorec ... 53

4.3.2 Postopek zbiranja podatkov ... 54

VI

4.4.1 Evalvacija primerov v prvi verziji Zbirke primerov ... 56

4.4.2 Razumljivost opisov, navodil in časovna zahtevnost prve verzije Zbirke primerov 58 4.4.3 Prednosti in pomanjkljivosti didaktičnega pripomočka za vizualizacijo energijskih procesov ... 61

5 ZAKLJUČEK ... 63

6 LITERATURA ... 64

7 PRILOGE ... 67

Priloga 1: Iztočnice za opazovanje ... 67

Priloga 2: Okvirna vprašanja za intervjuja ... 68

Priloga 3: Prepisa zapiskov med opazovanjem in kodiranje ... 70

Priloga 4: Prepisa intervjujev in kodiranje ... 74

Priloga 5: Oblikovanje kategorij ... 80

Priloga 6: Definiranje kategorij ... 84

Priloga 7: ZBIRKA PRIMEROV (navodila) ... 87

Priloga 8: ZBIRKA PRIMEROV ... 101

Kazalo slik

Slika 2: Prikazovanje dveh hkratnih prenosov energije ... 60

Kazalo tabel

Tabela 2: Fizikalni pomeni potrebščin in dejanj pri uporabi VEP-a ... 18

Tabela 3: Legenda za oznake oblik energij na kockah pri zgledih in v Zbirki primerov ... 20

Tabela 4: Primeri energijskih procesov v osnovnošolskih učbenikih ... 42

1

1 UVOD

Energija je abstrakten koncept, ki ga je posledično težko vpeljati in obravnavati na razumljiv oziroma predstavljiv način (Čepič, 2017a; Lehrman, 1973; Jewett, 2008a; Scherr, Close, McKagan in Vokos, 2012). Ker je koncept energije prisoten na vseh področjih fizike in pri drugih predmetih, ga je treba razumeti in ustrezno uporabljati (Jewett, 2008a). Avtorji različnih učbenikov se poslužujejo različnih opredelitev energije, nekateri pa se opredelitvi izognejo. Lehrman izpostavlja, da se energija še vedno neustrezno opredeljuje, in sicer kot zmožnost opravljanja dela (Lehrman, 1973). Zato v teoretičnem delu predstavljam, kako se v učbenikih na različnih stopnjah izobraževanja opredeljuje energijo, povezavo med delom in energijo in vrstni red njune vpeljave.

V težnji po predstavljanju abstraktnega pojma R. E. Scherr, Close, McKagan idr. (2012) ugotavljajo, da so se izoblikovali trije načini obravnave enegije, in sicer kot snov, kot dražljaj in kot vrednost vertikalne lege na energijski skali ter opozarjajo, da se je pri izbiri reprezentacije energije potrebno zavedati prednosti in slabosti posameznih obravnav. Duit (1987) pravi, da je za razumevanje energijskih konceptov potrebna obravnava energije kot snovi (prim. Brewe 2011; Scherr, Close, McKagan idr., 2012). V poglavju Reprezentacije energije predstavljam dve klasični reprezentaciji energije s stolpičnimi diagrami in tortnimi diagrami ter dve reprezentaciji, ki omogočata ponazoriti tudi prenose energije.

Ker na razumevanje in usvajanje učnih ciljev vpliva tudi učitelj s svojim izražanjem in njegov način poučevanja, je eno poglavje namenjeno pravilni rabi jezika in izpostavlja nekatere elemente poučevanja, ki imajo pozitiven vpliv na razumevanje učencev.

Namen magistrske naloge je bil predstaviti didaktični pripomoček za vizualizacijo energijskih procesov, predstaviti možnosti njegove uporabe pri pouku in sestaviti Zbirko primerov, ki učence vodijo do ustreznih prikazov vse bolj kompleksnih energijskih procesov ter preverjajo njihovo razumevanje energijskih konceptov. Podrobno so opisane vloge potrebščin za ta didaktični pripomoček. Njegova uporaba je nato ilustrirana z zgledi različnih energijskih procesov. Prikazano je tudi stopnjevanje zahtevnosti prikazov. Zbirka primerov se v izhodišču nanaša na primere iz osnovnošolskih učbenikov, da se tako bolj približa poučevanju v osnovni šoli. Opisan je postopek oblikovanja Zbirke primerov in predstavljenih je nekaj možnosti uporabe Zbirke primerov pri pouku. Zbirka primerov vključuje navodila za prikaze opazovanih pojavov, opise prikazov in zaporedje fotografij, ki prikazujejo ključne korake v prikazu.

V empiričnem delu je predstavljena evalvacijska raziskava kot multipla študija primera na dveh učencih. Uporabljena je bila deskriptivna metoda. Namen raziskave je bil izboljšati izbor primerov s preizkusom izbora primerov na dveh učencih in ugotoviti prednosti ter pomanjkljivosti predstavljenega didaktičnega pripomočka. Na podlagi rezultatov raziskave so bila dopolnjena navodila za izbor primerov, v zbirko primerov pa je bilo dodanih nekaj novih primerov. Zbirka primerov se v prilogi nahaja v dveh različicah, in sicer z zbranimi navodili v eni prilogi in v združeni obliki s sprotnimi opisi in fotografijami prikazov v drugi prilogi.

2

3

2 TEORETIČNI DEL 2.1 ENERGIJA

Energija je abstrakten in zato zahteven koncept za poučevanje. To kažejo mnoge razprave o načinu vpeljave ter o sami obravnavi energije (Čepič, 2017a; Lehrman, 1973; Jewett, 2008a;

Scherr, Close, McKagan idr., 2012). Je eden izmed ključnih fizikalnih konceptov, ki je prisoten v mehaniki, termodinamiki, elektromagnetizmu, moderni fiziki in drugod. Pojavi se tudi v biologiji, kemiji, astronomiji, geologiji, a tudi ekonomiji, medicini, agronomiji in še marsikje.

Ker energija povezuje toliko različnih področij med seboj, se lahko uporablja za reševanje mnogih problemov. Zato lahko trdimo, da je energija pomemben koncept, ki ga morajo učenci učinkovito usvojiti (Jewett, 2008a).

Energija je fizikalna količina, ki je ne moremo neposredno izmeriti, ampak jo lahko le izračunamo iz izmerjenih lastnosti reči po dogovorjenih izrazih. Izmeriti moramo nekaj različnih lastnosti reči, saj so te povezane z različnimi oblikami energije (Čepič, 2017a; Hribar idr., 2000; Lehrman, 1973; Strnad, 2003). M. Čepič (2017a) po predlogu Janeza Ferbarja uporablja »reč« kot nadpomenko za delec, predmet, rastlino, žival in človeka. Vsaka reč ima energijo, ki je odvisna od njenih lastnosti. Lahko ima kinetično, potencialno, prožnostno, notranjo, kemično, električno, magnetno ali jedrsko energijo. Seznamu energij bi lahko dodali še energije različnih valovanj, kot so svetloba, zvok in valovi na vodni gladini. Reči lahko energijo prejmejo ali oddajo preko mehanskega dela, toplote, električnega dela ali preko valovanj.

Energijo reči se lahko spremeni s prejetim ali oddanim delom¹ in prejeto ali oddano toploto.

Spremembo vseh oblik energije (desna stran enačbe (1)) reči podaja energijski zakon (Čepič, 2017a):

𝐴 + 𝑄 = ∆𝑊 (1)

Prenosa energije preko toplote med dvema rečema z različnima temperaturama se ne da preprečiti, saj poteka tudi v praznem prostoru preko sevanja. Zato lahko izmenjavo toplote zanemarimo le, kadar procesi trajajo zelo kratek čas (Čepič, 2017a).

2.1.1 Povezava med energijo in delom

Delo in energija sta pomembna in nerazdružljiva fizikalna pojma pri poučevanju fizikalnih vsebin (Čepič, 2017a). Čeprav je energija količina, ki ima enako enoto kot delo, delo samo ne more povsem opredeliti energije (Lehrman, 1973). Že Lehrman (1973) opozarja, da se je bolje izogniti definiranju novega pojma, kot pa ga neustrezno definirati. V osmih od dvanajstih srednješolskih učbenikov, ki jih je pregledal, je bila energija definirana kot zmožnost opravljati delo, ostali pa so se definiciji izognili. Izrazi za izračun različnih oblik energije temeljijo na predpostavki, da se energija ohranja, medtem ko se pri delu, ki ga opravlja reč, del energije

»izgubi«. Da se zmožnost opravljanja dela ob vsaki pretvorbi energije v drugo obliko

1 Pod delo vključujemo mehansko in električno delo.

4

zmanjšuje, ni v skladu s to predpostavko. Predlaga, da bi bilo zato energijo bolje definirati z delom in toploto hkrati.

V osnovni šoli se mehansko delo obravnava v poenostavljeni obliki in je kot prenos energije med dvema telesoma prisotno le, če med njima obstaja interakcija, ki jo lahko opišemo s silo, katere prijemališče se premika, in je običajno vzporedna s premikom svojega prijemališča (Čepič, 2017a). Učbeniki in drugi prispevki pa pogosto enačijo premik prijemališča sile s premikom dela telesa ali s premikom težišča telesa (Čepič, 2017a; Jewett, 2008a), kar pa velja le za toga telesa. Zaradi pogostih površnih obravnav mehanskega dela ga učenci zlahka zamenjujejo s fizičnim telesnim naporom. Naloge v povezavi z delom so pogosto le računske in hkrati ne preverjajo predstav učencev. Tako se pogosto prezre pogoj, da se je ob opravljenem delu prenesla tudi energija (Čepič, 2017a).

Če se reči spremeni ena ali več oblik energije, še ne pomeni, da je reč prejela ali oddala delo.

Na primer, telo se pod vplivom sile lahko premakne ali pospeši, ne da bi se ob tem prenesla energija. Treba je preveriti, ali obstaja tudi akter, torej vzrok sile, kateremu se je spremenila celotna energija, in predznak ter velikost te spremembe (Čepič, 2017a; prim. Jewett, 2008b).

Izmenjava energije z mehanskim delom vedno poteka med dvema rečema. Eni reči se energija poveča (zmanjša) ravno za toliko, za kolikor se drugi energija zmanjša (poveča) (Čepič, 2017a).

Zato M. Čepič (2017a) predlaga uporabo sledeče definicije: »Mehansko delo A imenujemo prenos energije iz enega telesa na drugega preko sil med njima« (str. 57).

2.1.2 Obravnava dela in energije v učbenikih

Zaradi različnih mnenj o definiranju energije, so v nadaljevanju predstavljene obravnave dela in energije v osnovnošolskih, srednješolskih in univerzitetnih učbenikih. Osredotočila sem se na definiranje energije, navedbo povezave dela z energijo in redosled njune vpeljave.

2.1.2.1 Osnovnošolski učbeniki

V pregled so vključeni naslednji štirje slovenski osnovnošolski učbeniki različnih avtorjev:

- Fizika, narava, življenje 1 (Ambrožič idr., 2000) - Moja prva fizika 2 (Beznec idr., 2013)

- Zakaj se dogaja? 9 (Demšar, Juričić, Kožuh in Mlakar, 2014) - Fizika+ 9 (Maroševič, Gojkošek, Černoša in Grašič Slevec, 2015)

Ambrožič idr. (2000) delo in energijo obravnavajo že v učbeniku za osmi razred devetletne osnovne šole, medtem ko ju ostali avtorji obravnavajo v učbeniku za deveti razred (Beznec idr., 2013; Demšar idr., 2014; Maroševič idr., 2015). Vsi pregledani učbeniki obravnavajo delo pred energijo in s tem sledijo zaporedju učnih ciljev v učnem načrtu za fiziko (Verovnik, 2011).

Ambrožič idr. (2000) že v uvodu omenijo, da sta delo in energija povezana, vendar ne navedejo, kakšna je ta povezava. Dva učbenika pred delom obravnavata energijske vire, ampak ne opredelita, kaj je energija (Beznec idr., 2013; Maroševič idr., 2015). Delo opredelijo kot produkt sile in poti pod ustreznimi pogoji (Ambrožič idr., 2000; Beznec idr., 2013; Demšar idr., 2014; Maroševič idr., 2015). Beznec idr. (2013) ob tem še navajajo, da je za opravljanje

5

da se telesu zaradi prejetega ali oddanega dela spremenijo njegove lastnosti.

Ambrožič idr. (2000) in Maroševič idr. (2015) pri obravnavi energije navajajo, da je za opravljanja dela potrebna energija. Maroševič idr. (2015) dodajajo, da lahko telo, ki ima več energije, opravi več dela. Demšar idr. (2014) energijo opredelijo kot zmožnost za opravljanje dela in dodajajo, da jo je težko razložiti in razumeti na preprost način, ker se pojavlja v različnih oblikah in povzroča različne pojave. V nadaljevanju navedejo, da se energija z delom prenese na druga telesa. Ambrožič idr. (2000) energijo med drugim opredelijo kot zalogo dela.

Delo opredelijo tudi kot način prenosa energije med telesi. Pri energijskih pretvorbah dodajo, da lahko energija prehaja od enega telesa na drugo tudi s toploto. Ambrožič idr. navajajo:

»Delo in toplota pomenita energijo, ki prehaja med različnimi telesi« (str. 138). Maroševič idr.

(2015) že med obravnavo energije omenijo, da se lahko energija telesa spremeni tudi zaradi prejetega ali oddanega dela. V nadaljevanju toploto opredelijo kot način prenosa energije brez dela. Beznec idr. (2013) oddajanje in prejemanje toplote povežejo s spremembo notranje energije in je ne opredelijo kot način prenosa energije.

Če povzamemo. Vsi pregledani osnovnošolski učbeniki pred energijo obravnavajo delo in le eden pred obravnavo omeni, da je delo povezano z energijo. Trije učbeniki navajajo, da je za opravljanje dela potrebna energija, ampak le eden izmed njih to omeni že med obravnavo dela. Skoraj vsi učbeniki navedejo ali vsaj nakažejo, da je delo način prenosa energije. Dva učbenika energije ne opredelita, preostala dva pa jo opredelita kot zalogo dela oziroma kot merilo za zmožnost opravljati delo in v nadaljevanju energijo povežeta hkrati z delom in toploto.

2.1.2.2 Srednješolski učbeniki

Pregledanih je bilo pet slovenskih srednješolskih učbenikov:

- Mehanika in toplota (Hribar idr., 2000)

- Energija, toplota, nihanje in valovanje (Kladnik in Kodba, 2016) - Fizika za srednje šole, 2. del (Kuščer, Moljk, Kranjc in Peternelj, 2000) - Fizika 2 (Mohorič in Babič, 2015)

- Mala fizika 1, Mehanika, toplota (Strnad, 2003)

Hribar idr. (2000) v uvodu poglavja pravijo, da telesa, ki imajo energijo, lahko opravijo delo.

Nadaljujejo, da je to lahko osnova za opredelitev in izračune energije teles, ampak da kasneje energija ni neposredno povezana z delom. Mohorič in Babič (2015) za energijo v uvodu pravita: »Energija opiše zmožnost telesa, da spreminja stanje svoje okolice z izmenjevanjem dela ali toplote« (str. 7). Ostali trije učbeniki nimajo uvoda v poglavje o delu in energiji (Kladnik in Kodba, 2016; Kuščer idr., 2000; Strnad, 2003). Nekateri avtorji delo obravnavajo pred energijo (Hribar idr., 2000; Kladnik in Kodba, 2016; Mohorič in Babič, 2015). Kuščer idr. (2000) in Strnad (2003) izpeljejo izraz za izrek o kinetični energiji ter hkrati vpeljejo delo in kinetično energijo. Večina avtorjev le navaja razlago izraza za izračun dela, a ne navede povezave med delom in energijo (Hribar idr., 2000; Kladnik in Kodba, 2016; Kuščer idr., 2000; Strnad, 2003).

Mohorič in Babič (2015) delo opredelita kot prenos energije in mehansko energijo kot zalogo dela. Različne oblike energije avtorji izpeljajo iz dela različnih sil (Hribar idr., 2000; Kladnik in

6

Kodba, 2016; Kuščer idr., 2000; Mohorič in Babič, 2015; Strnad, 2003). Kladnik in Kodba (2016) in Kuščer idr. (2000) energije ne opredelijo. Kuščer idr. (2000) le prožnostno energijo napete vzmeti imenujejo zaloga dela vzmeti. Hribar idr. (2000) energijo opredelijo kot fizikalno količino, ki se izračuna na predpisani način in ima nekatere značilne lastnosti. Strnad (2003) opredeli energijo kot abstraktno količino, ki si je ne moremo dobro nazorno predstavljati in jo lahko le izračunamo.

Večina srednješolskih učbenikov torej obravnava delo pred energijo, dva pa hkrati vpeljeta delo in kinetično energijo. Dva učbenika pred obravnavo navedeta povezavo med delom in energijo ter delno opredelita energijo že v uvodu poglavja. Le en učbenik ob razlagi izraza za izračun dela opredeli delo kot prenos energije. Trije učbeniki energijo opredelijo, vendar le eden izmed njih poveže energijo z delom in toploto hkrati in delo opredeli kot zalogo mehanske energije. Ostala dva jo opredelita kot abstraktno količino, ki se jo lahko izračuna.

2.1.2.3 Univerzitetni učbeniki

Pregledana sta bila dva slovenska univerzitetna učbenika:

- Osnove fizike. Mehanika, termodinamika in molekularna fizika (Peternelj in Kranjc, 2014)

- Fizika. Del 1, Mehanika, toplota (Strnad, 2016)

Delo in kinetična energija sta vpeljana hkrati preko izpeljave izraza za izrek o kinetični energiji.

Delo kot prenos energije med dvemi telesi ni izpostavljeno. Energija v splošnem pomenu ni opredeljena (Peternelj in Kranjc, 2014; Strnad, 2016). Strnad (2016) navaja, da notranje energije telesa v splošnem ne moremo imeti za zalogo dela. Za kinetično, potencialno in prožnostno energijo, pa pravi, da jih smemo obravnavati kot zalogo dela. Peternelj in Kranjc (2014) kinetično energijo opredelita kot zalogo dela, ki ga lahko prejme okolica, ko se delec ustavi. V nadaljevanju toploto opredelita kot notranjo energijo, ki jo je telo oddalo okolici, ne da bi opravilo delo.

Oba slovenska univerzitetna učbenika sočasno vpeljeta delo in energijo. V enem so oblike mehanske energije so opredeljene kot zaloga dela, v drugem je tako opredeljena le kinetična energija. Energija v splošnem ni opredeljena. Delo kot prenos energije pa je posredno opredeljeno v enem učbeniku med obravnavo toplote.

2.1.2.4 Tuji univerzitetni učbeniki

Predstavljene so ugotovitve iz sledečih tujih univerzitetnih učbenikov:

- College physics: explore and apply (Etkina, Planinšič in Van Heuvelen, 2018) - Fundamentals of physics (Halliday, Resnick in Walker, 2005)

- Conceptual physical science (Hewitt, Suchocki in Hewitt, 2004) - College physics (Vuille in Serway, 2009)

- Sears and Zemansky's university physics: with modern physics (Young in Freedman, 2004)

Najprej je predstavljen koncept energije in nato koncept dela, kateremu večinoma sledijo tudi izpeljave izrazov za izračune različnih oblik energije (Etkina idr., 2018; Halliday idr., 2005;

7

izpostavijo, da je delo prenos energije (Hewitt idr., 2004; Young in Freedman, 2004). E. Etkina idr. (2018) in Halliday idr. (2005) omenijo, da je delo eden izmed mehanizmov za prenos energije, vendar ostalih mehanizmov ob obravnavi dela ne navedejo. Halliday idr. (2005) in Vuille in Serway (2009) delo opredelijo kot prenos energije zaradi delovanja sile. E. Etkina idr.

(2018) energijo vpeljejo kot lastnost sistema, opišejo različne oblike energije ter izhajajo iz tega, da delo sile na sistem spremeni njegovo energijo in šele potem definirajo izraz za izračun dela. Halliday idr. (2005) navajajo, da je energija skalarna količina, ki je povezana s stanjem enega ali več teles. Hewitt idr. (2004) opredelijo energijo kot abstraktno snov, ki je ne vidimo, vohamo in večine njenih oblik ne začutimo, dokler se energija ne pretvarja iz ene oblike v drugo ali prenaša. Vuille in Serway (2009) najprej predstavita energijo kot enega izmed najpomembnejših konceptov pri fiziki in navajata, da se energija nahaja povsod okoli nas ter da je lahko v različnih oblikah. Potencialno energijo, pod katero prištevajo prožnostno potencialno in gravitacijsko potencialno energijo, nekateri avtorji opredelijo kot energijo, ki ima potencial opravljati delo (Hewitt idr., 2004; Vuille in Serway, 2009). Hewitt idr. (2004) k potencialni energiji prištevajo tudi kemično energijo. Young in Freedman (2004) v uvodu opredelita energijo kot količino, ki se lahko pretvarja iz ene oblike v drugo in ne more nastati oziroma se uničiti.

Vsi pregledani tuji učbeniki pred delom vpeljejo koncept energije in jo ob tem tudi na nek način opredelijo. Trije učbeniki delo opredelijo kot prenos energije in dva celo dodata, da gre za prenos energije ob delovanju sile. V dveh učbenikih določene oblike energije opredelijo kot zaloge dela. V splošnem energijo opredelijo s stanjem oziroma lastnostjo telesa ali kot abstraktno količino, ki se pretvarja iz ene oblike v drugo.

Po pregledu sodobnejših slovenskih in tujih učbenikov je očitno, da še vedno ni konsenza o obravnavi energije in dela v poučevanju fizike. Razvidno je, da se tuji univerzitetni učbeniki nagibajo k vpeljavi energije pred delom. Opredelitve energije in dela se razlikujejo na vseh stopnjah izobraževanja. Energija se še vedno velikokrat opredeli kot zmožnost opravljanja dela. Kljub temu pa mnogi avtorji dodajo, da to velja le za mehansko energijo.

2.2 REPREZENTACIJE ENERGIJE

R. E. Scherr, Close, McKagan idr. (2012) navajajo, da so reprezentacije ključnega pomena pri razumevanju fizikalnih konceptov ter da so uporabne tudi kot aktivnost, ki omogoča konstrukcijo novega znanja. Hkrati opozarjajo, da lahko napačna izbira reprezentacije ustvari tudi napačne predstave. Izbira reprezentacije je odvisna od načina obravnave, vsak način obravnave pa ima svoje prednosti in slabosti.

R. E. Scherr, Close, McKagan idr. (2012) razmišljajo, da se energija lahko obravnava na tri načine, in sicer kot snov (angl. quasimaterial substance), kot dražljaj (angl. stimulus to action) ali kot vrednost vertikalne lege (angl. vertical location).

Energija kot snov predstavi objekte kot posode, v katerih lahko hranimo tekočo snov oziroma energijo. Prednost obravnave energije kot snovi je pri usvajanju pojmov ohranitve, prenosa in pretvarjanja energije. Hkrati pa ima energija lahko negativno vrednost, kar si ni mogoče

8

predstavljati s snovjo. Ker ima energija nekatere lastnosti snovi, moramo posebej poudariti, da se predmetu, ki prejme energijo, masa in volumen ne spremenita. Na dodatnem izobraževanju so učitelji predlagali sledečo rešitev, in sicer da je povečanje ene oblike energije objekta podobno vodi, ki se spremeni v čaj. Ob tem se lastnosti pijače spremenijo, njena količina pa ne. Avtorji opozarjajo, da nas napačen premislek lahko napelje, da gorivo JE energija, namesto, da gorivo IMA energijo in jo lahko odda. Zato je potrebno poudariti, da gorivo NI energija, saj se ne pretvori v drugo obliko goriva, ampak se porabi (Scherr, Close, McKagan idr., 2012).

Glavna razlika med energijo kot dražljajem namesto snovi je, da ni v objektih, ampak deluje na njih. Energija je kot vzrok za neko dejanje in njen učinek se pokaže na objektih. Njeno delovanje je podobno delovanju sile. Tak način obravnave podpira razlago, da potrebujemo energijo za ohranjanje aktivnosti, da energija omogoča opravljati delo ter podpira povezavo med energijo ter silami. Slabost takšne obravnave je, da ne loči dobro med silami in energijo ter s tem zanemarja ohranitev energije, saj se sila ne ohranja, ampak lahko nekaj časa deluje in potem izgine. Takšna obravnava se avtorjem ne zdi ustrezna (Scherr, Close, McKagan idr., 2012).

Energija kot set vertikalnih leg temelji na enakem konceptu kot gravitacijska potencialna energija, ki se povečuje z (dejansko) višino (Scherr, Close, McKagan idr., 2012). R. E. Scherr, Close, McKagan idr. (2012) navajajo, da večina učbenikov za fiziko z energijo na ordinatni osi grafično prikazuje energijo kot set vertikalnih leg. Višja lega na grafu pomeni večjo energijo objekta. Na primer elektron preide »na« višje energijsko stanje. Takšna obravnava podpira idejo, da objekt mora prejeti delo, da se mu poveča mehanska energija in je konsistentna s prvim zakonom termodinamike.

Duit (1987) pravi, da obravnava energije kot snovi omogoča abstrakten koncept energije približati učencem in je ob vpeljavi energije v osnovni šoli praktično neizogibna. Ker učenci še niso zmožni usvojiti povsem abstraktnih konceptov, je konkretizacija energije kot snovi primerna. Tudi Brewe (2011) navaja, da obravnava energije kot snovi pozitivno pripomore k razumevanju energijskih konceptov, še posebej ohranitve in prenosa energije. R. E. Scherr, Close, McKagan idr. (2012) navajajo, da je verjetno celo potrebno energijo obravnavati kot snov, da lahko sprejmemo dejstvo, da se energija ohranja. Prednosti so, da se snov lahko shranjuje, prenaša, je aditivna količina in se ohranja. Slabost pa je, da si s snovjo ne moremo predstavljati negativne energije.

V nadaljevanju sta predstavljeni dve klasični reprezentaciji energije, in sicer stolpični in tortni diagrami.

2.2.1 Stolpični diagrami

Stolpični diagram lahko prikazuje količino posamezne energije s stolpcem in njegovo višino.

Višji stolpec pomeni več energije. Pri podrobnejši obravnavi ima lahko vsaka energija svoj stolpec. Ohranitev energije prikazuje stolpec celotne energije, ki je lahko dodan posameznim oblikam energije. Prednost stolpičnih diagramov je, da lahko prikažejo tudi negativno energijo. Animirani stolpci procese ponazarjajo bolje kot statični stolpci. Prikazujejo oblike

9

morejo pa eksplicitno prikazati prenosa energije med objekti (Brewe, 2011).

2.2.2 Tortni diagrami

Tortni diagram prikazuje ohranitev energije s svojo konstantno velikostjo. Ponazarja energijo v različnih oblikah in ne v objektu oziroma sistemu objektov. Različne oblike energije predstavljajo različni krožni izseki. Pretvarjanje ene oblike energije v drugo je ponazorjeno s spremenjenimi krožnimi izseki. Energija, ki jo sistem prejme ali odda se lahko prikaže s spremenjeno velikostjo kroga (Brewe, 2011).

R. E. Scherr, Close, McKagan idr. (2012) ugotavljajo, da klasične reprezentacije energije v obliki stolpičnih in tortnih diagramov deloma podpirajo obravnavo energije kot snovi, omogočajo prikaz ohranitve energije, ne morejo pa eksplicitno prikazati prenosa energije med objekti. Brewe (2011) predlaga, da je bolje uporabiti več različnih reprezentacij, za odpravo napačnih predstav o energijskih procesih pa je v razpravo nujno vključiti učence.

2.2.3 Reprezentacije energijskih procesov v učbenikih

Poglejmo si, kakšna je ponazoritev pretvarjanja in prenosa energije v osnovnošolskih učbenikih. Demšar idr. (2014) in Maroševič idr. (2015) več pojavov ponazorijo s prikazi energijskih procesov. Demšar idr. (2014) prikažejo energijo kot kapljevino v čaši in te prikaze energijskih procesov imenujejo energijski diagrami. Maroševič idr. (2015) prikazujejo pretvorbe in prenose energije s stolpičnimi diagrami. En stolpični prikaz za padanje kamna so v učbenik vključili tudi Ambrožič idr. (2000). Beznec idr. (2013) vse energijske procese le besedno opisujejo.

Mohorič in Babič (2015) v svojem srednješolskem učbeniku prikažeta en zgled pretvarjanja energije s stolpičnimi diagrami. Halliday idr. (2005) in E. Etkina idr. (2018) v univerzitetnih učbenikih ponazorijo pretvarjanje energije in prenose energije s stolpičnimi diagrami.

Nekateri učbeniki energijske procese tudi ponazorijo s stolpičnimi ali energijskimi diagrami, veliko učbenikov pa jih večinoma le opisuje.

2.2.4 Reprezentaciji ohranjanja in prenosa energije

V sklopu projekta The Energy Project so na univerzi Seattle Pacific predlagali dve reprezentaciji energije, ki energijo obravnavata kot snov, da lahko prikažeta ohranitev, prenos in pretvarjanje energije ter energijo kot lastnost objekta. Razvili so dve aktivnosti za sprotno preverjanje² znanja pri obravnavi energije, ki sta predstavljeni v nadaljevanju. Ti dve reprezentaciji energije omogočata podrobneje modelirati dinamiko energijskih procesov tudi za bolj kompleksne fizikalne pojave in spodbujata aktivnost učencev (Scherr, Close, Close in Vokos, 2012).

2 Sprotno preverjanje A. Tomić (2003) opredeli kot preverjanje, ki daje učitelju povratno informacijo o uspešnosti poučevanja že med učno uro.

10 2.2.4.1 Energijsko gledališče

Energijsko gledališče (angl. Energy Theater) je aktivnost, pri kateri vsaka oseba predstavlja enoto energije in eno obliko energije hkrati. S premikanjem med različnimi lokacijami, ki predstavljajo različna objekte in so označene na tleh, skupina oseb prikaže prenos ter pretvarjanje med oblikami energije za obravnavan pojav. Svojo obliko energije lahko osebe na primer prikazujejo z držanjem znakov nad svojimi glavami ali pa z obešenimi barvnimi karticami okoli vratu. Oseba dobro prikazuje ohranitev energije, saj se ne more iznenada pojaviti ali izginiti. Kot prednosti navajajo učenje ob gibanju, sodelovanje z drugimi in vpogled v energijski proces z zornega kota enote energije. Slabost te aktivnosti je, da pri večjem številu oseb postane situacija nepregledna. Po odigranem scenariju so sodelujoči povabljeni, da narišejo diagrame in ponazorijo, kaj se je dogajalo z energijo med scenarijem. Pri risanju se držijo sledečih dogovorov. Na listu se označijo področja oziroma lokacije, ki predstavljajo objekte, vsako enoto energije označijo z eno črko in vsaka oblika energije ima svojo črko.

Prenose in pretvarjanje energij ponazorijo s puščicami, ki so različnih barv. Različne barve puščic predstavljajo različne energijske procese. Puščice, ki prečkajo meje objektov ponazarjajo prenose energij. Zaporedje energijskih procesov ponazarjajo števila ob puščicah (Scherr, Close, Close idr., 2012). Energijsko gledališče deluje v skladu s principom izkustvenega učenja po Davidu Kolbu. Osebe najprej aktivno eksperimentirajo in načrtujejo prikaz. Ob tem pridobijo konkretno izkušnjo z energijskimi procesi. Potem se lahko skupine zamenjajo in energijske procese opazujejo. Na koncu pa sledi abstraktna konceptualizacija z ustvarjanjem diagrama (Marentič-Požarnik, 2003; prim. Scherr, Close, Close idr., 2012).

2.2.4.2 Energijske kocke

Prikaz energije z energijskimi kockami je podoben Feynmanovem opisu energije, ki je ohranitev energije razložil s štetjem otroških kock (Feynman, Leighton in Sands, 1969, v Scherr, Close, Close idr., 2012).Energijske kocke (angl. Energy cubes) so pomanjšana različica gledališča, kjer osebe zamenjajo »energijske kocke«. Kocke ohranjajo svojo identiteto (ostajajo kocke) in tako ena kocka prikazuje enoto energije. Različne lokacije (objekti) so narisane na list papirja, različne ploskve kocke pa so različno označene, da predstavljajo različne oblike energije. S premikanjem kock z enega objekta na drugega, se prikaže prenos energije, z obračanjem kock pa pretvarjanje energije iz ene oblike v drugo. Prednost te reprezentacije je, da kocke naredijo prikaz preglednejši, ker so manjše od oseb, ter se lahko izvaja tudi z manjšim številom udeležencev. Njena slabost pa je, da osebe niso neposredno vključene v prikaz kot pri energijskem gledališču (Scherr, Close, Close idr., 2012). Prednost energijskih kock je tudi, da ne potrebujemo risanja diagramov po aktivnosti, ampak lahko fotografiramo posamezne korake prikaza.

11

2.3 VPLIV UČITELJA NA RAZUMEVANJE UČENCEV

Razumevanje učenca je v veliki meri odvisno od učiteljevega izražanja in načina poučevanja.

2.3.1 Izražanje

Učenci zavedno in nezavedno ponavljajo za učiteljem. Zato je pomembno, da se učitelj pravilno izraža ter uporablja ustrezen besednjak, saj lahko v nasprotnem povzroči še večje nerazumevanje učencev (Jewett, 2008c). Čepič (2017b) prav tako navaja, da lahko z doslednim upoštevanjem dogovorov ter natančno rabo jezika energijske procese strokovno korektno obravnavamo tudi v osnovni šoli.

Pri opisovanju dogajanja moramo biti konkretni. Identificirati je treba oblike energije, ki se pretvarjajo iz ene oblike v drugo. Če gre za prenos energije preko dela, moramo povedati, kdo ali kaj povzroča silo ter identificirati reč, na katero deluje sila (Čepič, 2017b; Jewett, 2008c).

Ni vseeno ali govorimo o notranji energiji ali samo o energiji (Čepič, 2017b). Jewett (2008c) opozarja, da se moramo izogibati nepopolnim izjavam. Na primer »opravljeno je bilo delo« in

»sila vzmeti je opravila delo«. V obeh primerih manjka sistem enega ali večih objektov, ki je delo prejel, v prvem primeru pa manjka tudi sila, ki je opravila delo. Povedati moramo, katera sila je opravila delo in imenovati sistem, ki je delo prejelo ali oddalo. Natančnejši opis prenosa energije pri nihanju klade, ki je z vzmetjo povezana s steno, je sledeč: »Energija se je prenesla z vzmeti na klado preko dela sile vzmeti na klado.« Ne uporabljamo besed »sprememba« in

»prenos« za pretvarjanje energije, saj se energija ne prenese/spremeni, ampak pretvori iz ene oblike v drugo (Jewett, 2008c).

M. Čepič (2017b) za lažje razumevanje loči sinonima »premikanje« in »gibanje«. Premikanje uporabi pri premiku težišča telesa, gibanje pa v bolj splošnem pomenu, na primer za vrtenje celotne reči, premikanje posameznih delov ali za spremembo lege reči. Ljudi in naprave, ki nekaj počnejo, imenujemo akterji, njihova dejanja pa akcije. Pri vpeljavi novih izrazov je pomembno le, da se natančno opredeli, kaj vse obsega akter. Na primer, da človek obsega tudi obute čevlje, ne pa tudi nahrbtnik, ki ga nosi.

Jewett tudi (2008c) opozarja, da je zavajajoče reči, da je potencialna energija enaka nič na dnu klanca. Predlaga, da je bolje reči, da je potencialna energija nič za konfiguracijo sistema, v katerem je avto na dnu klanca.

2.3.1.1 Toplota

V termodinamiki je najbolj napačno uporabljena beseda toplota. V fiziki je toplota eden izmed mehanizmov za prenos energije. Pri izražanju je treba paziti, da se ne prenaša toplota, ampak energija. Primer neustreznega izražanja je: »Energija se sprošča v obliki toplote.« Takšna izjava namreč enači toploto z notranjo energijo. Če toploto definiramo kot proces, preko katerega se prenese energija, je napačna tudi uporaba naslednjih besednih zvez: »prenos toplote«, »tok toplote« in »povišanje toplote«. Ne moremo spremeniti splošne rabe besede toplota v družbi, lahko pa stremimo k tem, da bi vsaj del populacije (učenci) pravilno uporabljali besedo (Jewett, 2008c).

12

Pomembno je ustrezno uporabljati izraza »razlika« in »sprememba« temperature. Razlika temperature je povezana s krajem in pomeni, da je v istem trenutku temperatura na dveh različnih krajih različna. Sprememba temperature pa opisuje lastnost istega telesa ali kraja ob različnih časih (Čepič, 2018).

Učenci pogosto mislijo, da je vsaka sprememba temperature povezana z dovedeno ali odvedeno toploto, saj na primer drsenje kolesa po podlagi povzroči povečanje notranje energije kolesa in podlage (Čepič, 2018). M. Čepič (2017a) zato poudarja: »Toploto Q imenujemo prenos energije iz kraja A z višjo temperaturo v kraj B z nižjo temperaturo, če se energija prenaša med različnima rečema« (str. 57).

2.3.1.2 Delo sile trenja

Jewett (2008a) opozarja, da se pri delu sile trenja pogosto zanemari, da premik klade ni enak premiku vseh stičnih točk klade s podlago, na katere deluje trenje. Treba bi bilo upoštevati tudi deformacijo kladine stične površine (prim. Bauman, 1992). Jewett (2008a) nadaljuje, da učence lahko zmoti, da delo sile trenja sedaj računamo z dolžino poti, ki jo opravi objekt, namesto s premikom objekta. Na primer, na krivi poti se lahko dolžina poti precej razlikuje od premika objekta. Predlaga, da je produkt sile trenja in dolžine poti, na kateri deluje trenje, bolje enačiti s spremembo mehanske energije sistema, kot pa z delom sile trenja. Za toliko kot se zmanjša mehanska energija, se poveča notranja energija sistema. To notranjo energijo si delita objekt in podlaga, po kateri drsi objekt, ker se ob tem oba segrejeta. Čeprav dobimo na koncu matematično enak račun, pa Jewett meni, da ta način ne povzroča dodatne zmedenosti. M. Čepič (2018) izhaja iz definicije dela kot prenosa energije med dvema telesoma preko sil in pravi, da pri drsenju klade po podlagi sila trenja omogoči pretvorbo dela kinetične energije klade v notranjo energijo klade in prenos preostalega dela kinetične energije preko sil na podlago, kateri se poveča notranja energija. Nadaljuje pa, da nimamo mehanizmov, s katerimi bi izračunali, kako se razporedi notranja energija med klado in podlago, lahko pa njuno končno temperaturo izmerimo z infrardečo kamero.

2.3.1.3 Izguba energije

V nekaterih učbenikih najdemo izraz izguba energije, kar lahko zmede učence, saj so po drugi strani prej prebrali, da se energija niti ne ustvari niti ne uniči. Zato je težko razumeti, da se lahko izgubi. Da ostanemo konsistenti, se je bolje izogniti »izgubam« v celoti in raje govoriti le o prenosu in pretvorbah energije (Jewett, 2008c).

Uporaba izraza »izguba energije« v osnovnošolskih učbenikih je sledeča. Demšar idr. (2014) in Maroševič idr. (2015) omenjajo izgubo energije, Ambrožič idr. (2000) je v tem učbeniku ne obravnavajo, Beznec idr. (2013) pa ne omenjajo izgub energije, ampak le pretvorbo energije v notranjo energijo. Demšar idr. (2014) dodajo, da o izgubah govorimo, kadar se del energije telesa ne pretvori v želeno obliko. V vseh pregledanih srednješolskih učbenikih »izguba energije« ni omenjena (Hribar idr., 2000; Kladnik in Kodba, 2016; Kuščer idr., 2000; Mohorič in Babič, 2015; Strnad, 2003).

13

2.3.2 Način poučevanja

V nadaljevanju so opisani nekateri elementi poučevanja, ki pozitivno vplivajo na razumevanje učencev.

Preverjanje je dejavnost, ki se mora odvijati v vseh etapah učnega procesa. Glede na funkcijo preverjanje ločimo na formativno oziroma sprotno in sumativno preverjanje. S sprotnim preverjanjem se pridobi povratna informacija o uspešnosti poučevanja in učenja že med učno uro. Uspešnost se presoja glede na napredovanje učencev pri obravnavi učnih vsebin, utrjevanju in ponavljanju (Tomić, 2003; prim. Marentič-Požarnik, 2003). B. Marentič-Požarnik (2003) dodaja, da učitelj išče vzroke za neuspešnost v načinu obravnave in ga prilagodi. Po potrebi učencem ponudi pripomočke in posameznim učencem dodatno pomoč. Po Williamu sprotno preverjanje doseže svoj namen, če so na voljo primeren način za preverjanje trenutnih učenčevih dosežkov, natančno opredeljeni cilji in način za ugotavljanje vrzeli ter če učenec pridobi povratno informacijo, kako naj vrzel zapolni, in jo nato uporabi pri svojem učenju (William, 1998, v Marentič-Požarnik, 2003).

Jewett (2008d) pravi, da z obravnavo vsakodnevnih primerov povečamo motiviranost učencev za učenje. B. Marentič-Požarnik (2003) navaja, da učenci z notranjo motivacijo izkažejo boljše in globlje razumevanje naučenih konceptov. Na učno motivacijo, ki je lahko notranja ali zunanja, vplivajo tudi učitelj in vrstniki med skupinskim delom.

Problemske situacije učenca aktivirajo za ustvarjalno, razmišljujoče in delujoče učenje, za katerega je značilno ločevanje, primerjanje, poglabljanje in posploševanje. Pri tem poudarek ni na rezultatu, temveč na procesu (Strmčnik, 1995). Strmčnik (2001) poudarja naj učitelj znotraj razredov upošteva posameznikove zmožnosti, potrebe in želje s prilagojenimi učnimi cilji, vsebinami, učnimi oblikami in metodami, kar doseže z notranjo diferenciacijo in individualizacijo.

B. Marentič-Požarnik (2003) navaja, da vedno več raziskav potrjuje, da je aktivno učenje kakovostno učenje. »Učenje je uspešnejše, če poteka s samostojnim iskanjem in razmišljanjem, s smiselnim dialogom v skupini, s postavljanjem in preizkušanjem hipotez, tj.

učenje, ki človeka miselno in čustveno aktivira, ... « (Marentič-Požarnik, 2003, str. 12). A.

Tomić (2003) navaja, da morajo učenci ponavljati in obnavljati naučene vsebine, da si naučena dejstva shranijo v dolgoročni spomin. Aktivno učenje tudi olajša in izboljša zapomnitev novih dejstev (Marentič-Požarnik, 2003).

Walter in Marks opredelita izkustveno učenje kot zaporedje dogodkov z učnimi cilji, v katere so učenci aktivno vključeni in izpostavljata, da se učenci najbolje naučijo, če nekaj sami naredijo (Walter in Marks, 1981, v Marentič-Požarnik, 2003). B. Marentič-Požarnik (2003) navaja izkustveno učenje kot obliko učenja, ki poskuša povezati neposredno izkušnjo, opazovanje, spoznavanje in ravnanje. Izkustveno učenje se ne omejuje le na posredovanje abstraktnih pojmov, ampak v učenje stalno vključuje sprotne izkušnje ali pa jih opominja na pretekle izkušnje. Med osrednje metode izkustvenega učenja B. Marentič-Požarnik (2003) prišteva: »simulacije, igranje vlog in socialne igre, strukturirane naloge, skupinsko interakcijo in telesno gibanje ter sproščanje« (str. 125). Med podporne metode prišteva: »opazovanje

14

procesa, čas za razmislek, fantaziranje in vizualizacija, terenske izkušnje, ekskurzije, metoda primerov, metoda projektov in uporaba avdiovizualnih sredstev.« (Marentič-Požarnik, 2003, str. 125). Za uspešnost izkustvenega učenja B. Marentič-Požarnik (2003) pravi, da je za uspešnost izkustvenega učenja temeljno kakovostno vodenje, pomagajo pa tudi pripomočki.

Jereb in Jug (1987) pravita, da moramo pripraviti posebno vrsto pripomočkov za tiste učne cilje, za katere vizualna zaznava ni mogoča, in z njimi konkretizirati abstraktne pojave.

Da povzamemo. Učenci si bolj učinkovito zapomnijo in razumejo nove koncepte, če so med poukom aktivni in notranje motivirani, če je vključeno sprotno preverjanja znanja z ustreznimi povratnimi informacijami, če obravnavajo vsakdanje primere, če se učijo iz izkušenj, če so cilji prilagojeni njihovim zmožnostim in če pridobijo izkušnje s kakšnim pripomočkom.

15

3 RAZVOJ IN OPIS DIDAKTIČNEGA PRIPOMOČKA ZA VIZUALIZACIJO ENERGIJSKIH PROCESOV

Osnovno idejo o energijskih kockah (Scherr, Close, Close idr., 2012) sta M. Čepič in A.

Gostinčar Blagotinšek dodelali tako, da sta risanje lokacij oziroma objektov nadomestili z barvnimi listi ter dodali kartončke, ki imajo vlogo mostov, objekte lahko povezujejo med seboj in označujejo načine prenosa energije. V nadaljevanju sledijo podroben opis didaktičnega pripomočka, ponazoritev njegove uporabe s fotografiranimi zgledi in postopek sestave Zbirke primerov, ki učence sistematično vodi do poglabljanja znanja o energiji in usvajanja vse težjih energijskih konceptov.

3.1 OPIS DIDAKTIČNEGA PRIPOMOČKA ZA VIZUALIZACIJO ENERGIJSKIH PROCESOV

Didaktični pripomoček za vizualizacijo energijskih procesov (v nadaljevanju VEP) omogoča ponazarjanje fizikalnih pojavov z energijskega stališča. Namenjen je prikazu pretvarjanja energije iz ene oblike v drugo ter prenosa energije med opazovanimi telesi oziroma opazovanim telesom in okolico. Nudi vpogled v energijska stanja opazovanih teles med opazovanim pojavom ter ozavešča podobnosti in razlike med različnimi energijskimi koncepti.

Za energijski prikaz fizikalnih pojavov potrebujemo:

 A4 liste ali kartone različnih barv

 lesene kocke s stranskim robom 1–2 cm

 nalepke s stranico, ki je po dolžini enaka robu kocke

 pravokotne kartončke (mostove) treh različnih barv dimenzije 4 cm x 10 cm

 pisalo

Slika 1: Potrebščine za vizualizacijo energijskih procesov

16

Število potrebščin, ki jih potrebujemo za prikaz, je odvisno od fizikalnega pojava in podrobnosti, ki jih želimo ponazoriti. Tabela 1 prikazuje število potrebščin za eno dejavnost (2.

stolpec) in za celo šolsko uro (3. stolpec). Več kot tri fizikalne pojave ni smiselno obravnavati v eni šolski uri.

Tabela 1: Predlagano število potrebščin za eno skupino

Število za prikaz enega pojava

Število za prikaze treh različnih pojavov A4 listi ali kartoni različnih

barv 2–5 (5 različnih barv) 10–15 (vsaj 5 različnih

barv)

Lesene kocke 20–30³ 20–30

Nalepke 40–150⁴ 40–150

Pravokotni kartončki

(mostovi) 1–3 (3 različne barve) 1–5 (3 različne barve)

Pisalo 1 1

3.1.1 Opis vloge potrebščin didaktičnega pripomočka za vizualizacijo energijskih procesov

Z zgoraj navedenimi potrebščinami želimo prikazati pretvarjanje in prenose energije med opazovanim fizikalnim pojavom. V prikazu ima vsaka potrebščina svojo vlogo. Opredeliti moramo telesa, ki jih bomo opazovali, njihovo energijo in prenose energije med njimi. Želimo ponazoriti ohranitev energije ter ločiti med različnimi oblikami energije ter načini prenosa le- te.

Predmete in ljudi, ki jih opazujemo, imenujemo opazovana telesa. Dogovorimo se, da okolica zajema vse razen opazovanih teles. A4 listi različnih barv predstavljajo različna opazovana telesa. Dodamo še eno barvo za okolico, kadar jo želimo vključiti v prikaz. Zato potrebujemo toliko A4 listov različnih barv kot je opazovanih teles skupaj z okolico. Vsak A4 list tudi poimenujemo tako, da nanj s pisalom napišemo katero telo ali okolico ponazarja.

Opazovano telo ima svojo energijo, ki se mu med opazovanim pojavom lahko spreminja.

Količino celotne energije opazovanega telesa ponazorimo s številom kock na pripadajočem A4 listu. Ena kocka predstavlja eno enoto energije. Čim več kock je postavljenih na opazovano

3 Pogosto ne potrebujemo 30 kock za prikaz enega fizikalnega pojava. Toliko kock potrebujemo le za kompleksnejše prikaze. Za bolj preproste primere je 20 kock dovolj.

4 Število nalepk je odvisno od števila oblik energije, ki se pojavijo v obravnavi fizikalnega pojava, in od števila uporabljenih kock. Vsaka kocka ima praviloma vsaj dve nalepki. V Zbirki primerov so kocke opremljene z največ petimi oblikami energije hkrati.

17

energije. Zato ima vsaka kocka na različnih ploskvah nalepke s simboli za različne oblike energije. Nalepke z različnimi simboli torej ponazarjajo različne oblike energije. Ena enota energije lahko hkrati predstavlja le eno obliko energije. Katero obliko predstavlja, je odvisno od postavitve kocke, in sicer zgornja ploskev kocke kaže trenutno obliko enote energije. Kocko lahko obračamo le znotraj opazovanega telesa ali v okolici. Z obračanjem kocke se zgornja ploskev spreminja in tako ponazori pretvarjanje enote energije iz ene oblike v drugo.

Opazovanim telesom bomo pripisali energijo v sledečih oblikah⁵:

 Kinetična energija (𝑊_𝑘) je energija, ki jo imajo gibajoča se telesa. Čim večja je hitrost telesa, tem večja je njegova kinetična energija.

 Potencialna energije (𝑊_𝑝) je energija, ki jo pripišemo telesu, ker se nahaja v Zemljinem gravitacijskem polju⁶. Čim dlje od površja Zemlje je telo, tem večjo potencialno energijo ima.

 Prožnostna energija (𝑊_𝑝𝑟) je energija, ki jo imajo napeta ali stisnjena prožna telesa. To so telesa, ki se po deformaciji povrnejo v prvotno obliko. Čim večja je deformacija telesa, tem večja je prožnostna energija telesa.

 Notranja termična energija (𝑊_𝑛,𝑡) je vsota kinetične energije gradnikov telesa, ki jo imajo zaradi svojega termičnega gibanja. Čim višja je temperature telesa, tem večja je njegova notranja termična energija.

 Notranja kemična energija (𝑊_𝑛,𝑘) je energija, ki je vezana v gorivih in hrani ter se ob kemijskih reakcijah lahko sprosti oziroma pretvori v drugo obliko energije. Prejeta energija se lahko veže v notranjo kemično energijo, na primer pri polnjenju akumulatorjev in baterij.

 Električna energija⁷ (𝑊_𝑒) je energija, ki jo imajo sestavine električnih krogov zaradi naboja. V računih, ki jih prejemajo gospodinstva je električno delo poimenovano kot električna energija.

S premikanjem kock iz enega opazovanega telesa na drugega ali v okolico ponazorimo prenos energije. Kocke lahko premikamo z enega A4 lista na drugega le preko mosta oziroma pravokotnega kartončka, ki ju povezuje med seboj. Mostovi ponazarjajo mehanizme za prenos energije. Potrebujemo tri različne barve mostov za razlikovanje med tremi različnimi načini prenosa energije, in sicer z mehanskim delom, električnim delom in toploto⁸. Mostove tudi poimenujemo z ustreznimi simboli.

5 Navedene so poenostavljene definicije oblik energij, ki se uporabljajo pri prikazih v Zbirki primerov.

6 Na tem mestu se zavedam, da je potencialna energija zaradi gravitacijskega privlaka Zemlje smiselna le za sistem Zemlja-telo, a v osnovni šoli ob prvi vpeljavi koncepta potencialne energije običajno sistem, ki vključuje tudi Zemljo, vključimo s težnim pospeškom, ki ga brez Zemlje ne bi bilo. Na ta način ob prvi seznanitvi učenci še vedno lahko obravnavajo potencialno energijo kot lastnost telesa, kot v osnovnošolskih učbenikih, natančni obravnavi sistemske potencialne energije pa se posvetijo v višjih stopnjah izobraževanja.

7 V splošnem je električna energija energija prostora, v katerem se nahaja električno polje, vendar se ta definicija ne uporablja v osnovni šoli.

8 K toploti štejemo tudi energijo svetlobe.

18 Obravnavamo sledeče prenose energije:

 Mehansko delo (𝐴) je prenos energije med dvema telesoma zaradi sil med njima. Pri tem se enemu izmed teles energija poveča za prejeto mehansko delo, drugemu pa se energija prav za toliko zmanjša. Sila je opravila mehansko delo, če se je njeno prijemališče premaknilo in premik prijemališča sile ni bil pravokoten na smer delovanja sile.

 Električno delo (𝐴_𝑒) je mehanizem, pri katerem električni tok omogoči prenos energije iz oddaljene elektrarne, baterije ali sončne celice zaradi razlike električnih potencialov.

Razlika električnih potencialov se pri elektrarnah pojavi zaradi prejetega mehanskega dela, pri baterijah zaradi sprememb kemijskega potenciala ali notranje kemične energije, pri sončnih celicah pa zaradi prejete toplote s sevanjem.

 Toplota (𝑄) je prenos energije med dvema telesoma zaradi razlike temperature med njima. Pri tem se enemu izmed teles poveča energija za prejeto toploto, drugemu pa se prav za toliko energija zmanjša.

S prikazom ozaveščamo ohranitev energije, tako da med prikazom ne spreminjamo števila uporabljenih kock. Kocke lahko med prikazom premikamo z enega A4 lista na drugega le preko mostov in tako prikažemo prenos energije med opazovanima telesoma, obračamo pa le znotraj A4 listov, s čimer prikažemo pretvarjanje ene oblike energije telesa v drugo.

»Izgubo« energije opazovanega telesa ponazorimo s prenosom energije na drugo opazovano telo ali v okolico.

V Tabela 2 je se nahaja povzetek vlog potrebščin za VEP.

Tabela 2: Fizikalni pomeni potrebščin in dejanj pri uporabi VEP-a

Potrebščine in dejanja Fizikalni pomen

A4 listi ali karton Opazovano telo ali okolica

Kocka Enota energije

Nalepka ali napis na stranski ploskvi

kocke Oblika energije

3 mostovi različnih barv Mehanizmi za prenos energije med telesi:

mehansko delo, električno delo in toplota

Obrat kocke Pretvorba enote energije iz ene oblike v drugo

Premik kocke preko mostu Prenos enote energije iz enega telesa na drugega

19

3.1.2 Zgledi uporabe didaktičnega pripomočka za vizualizacijo energijskih procesov

V nadaljevanju je predstavljena uporaba VEP-a na šestih različnih fizikalnih pojavih. Ti so izbrani tako, da omogočajo prikaz pretvarjanja energije ali prenosa energije preko mehanskega dela, toplote ali električnega dela. V zgledih so ponazoritve vseh treh navedenih načinov prenosa energije. Energijski procesi se lahko odvijajo zaporedoma ali sočasno.

Različni energijski procesi so najprej predstavljeni posamezno, potem pa tudi v kombinaciji z drugimi. Za ustrezen prikaz je potrebno ločiti med različnimi energijskimi procesi in natančno poznati ter razumeti opazovani fizikalni pojav. Zato sta ob vsakem zgledu tudi opis fizikalnega pojava in pojasnitev fotografiranih korakov v prikazu.

Zgled 1 vključuje eno opazovano telo. Predstavlja pretvarjanje ene oblike energije opazovanega telesa v drugo med gibanjem žoge v navpični smeri pod vplivom teže.

Zgled 2 prikazuje žensko, ki dviguje žogo, in prosti pad žoge. Vključuje dve opazovani telesi in interakcijo med njima. Prikazuje prenos energije iz enega opazovanega telesa na drugega preko mehanskega dela ter pretvarjanje energije znotraj opazovanega telesa po prejetem delu.

Zgled 3 prikazuje gorenje sveče. Predstavlja opazovano telo, ki oddaja energijo v okolico preko toplotnega toka. Ta zgled prikazuje hkratno pretvarjanje energije v opazovanem telesu in prenos energije v okolico.

Zgled 4 prikazuje zaviranje kolesa. Vključuje dve opazovani telesi in okolico. Obravnava vpliv trenja in prikazuje predlog razporeditve kock ob prisotnosti trenja. Vključuje pretvarjanje energije, mehansko delo in toploto.

Zgled 5 obravnava dva načina vključitve elektrarne v prikaz. Prikazuje žarnico, ki sveti. Vsebuje električno delo v kombinaciji s toploto in mehanskim delom ter pretvarjanje energije.

Zgled 6 je primer fizikalnega pojava z naraščajočo kompleksnostjo. Prikazuje izstrelitev puščice z lokom. Prikazane so tri različice. Vključuje štiri opazovana telesa in lahko vključuje tudi okolico. V težji različici obravnava poleg trenja tudi zračni upor.

Prikazi zgledov so ponazorjeni s fotografijami⁹ v dveh stolpcih, kar omogoča lažje sledenje spremembam na fotografijah. Njihovo zaporedje je določeno s številko na levi strani fotografije. Za večjo preglednost so pri zgledih in v Zbirki primerov uporabljene barvne oznake za različne oblike energije. Legenda se nahaja v Tabela 3Error! Reference source not found..

Barvne oznake za samo uporabo VEP-a niso potrebne, lahko pa se po želji uporabijo za večjo nazornost.

9 Med opisi prikazov se namesto »fotografija« uporablja izraz »slika«.

20

Tabela 3: Legenda za oznake oblik energij na kockah pri zgledih in v Zbirki primerov

Oznaka na

kocki Oblika energije Oznaka na

kocki Oblika energije

Kinetična energija Notranja termična energija

Potencialna energija Notranja kemična energija

Prožnostna energija Električna energija

21

Ponazorjeno je pretvarjanje ene oblike energije žoge v drugo med njenim gibanjem navzgor in navzdol pod vplivom teže, pri čemer smo zanemarili zračni upor.

Privzamemo, da sta začetna in končna višina žoge enaki ter da ima žoga na tej višini potencialno energijo nič. Žoga je edino opazovano telo. Na začetku ima samo kinetično energijo. Obe kocki sta obrnjeni tako, da je ploskev s kinetično energijo na vrhu.

1

Žoga se navzgor giblje enakomerno pojemajoče.

Čim višje je žoga, tem manjša je njena hitrost. Z višino se torej kinetična energija žoge pretvarja v njeno potencialno energijo. Pretvorbo enote energije iz kinetične v potencialno obliko

prikažemo s takšnim obratom ene kocke, da ima po obratu njena zgornja ploskev simbol za potencialno energijo.

2

V najvišji točki, ki jo žoga doseže, sta hitrost žoge in posledično njena kinetična energija enaki nič.

Torej se je vsa kinetična energija pretvorila v potencialno. Potem začne žoga prosto padati.

3

Žoga se navzdol giblje enakomerno pospešeno.

Čim nižje je žoga, tem večja je njena hitrost. Med prostim padom se žogi potencialna energija pretvarja v kinetično.

4

Na končni oziroma začetni višini ima žoga le kinetično energijo. Končno energijsko stanje žoge je enako začetnemu.

Celotna energija žoge se med opazovanim pojavom ohranja.

Slike 1–3: Gibanje žoge navzgor.

Slike 3–5: Prosti pad žoge.

5

22 Zgled 2: Dvigovanje in prosti pad žoge

Ponazorjen je prenos energije preko mehanskega dela med enakomernim dvigovanjem žoge in pretvarjanje energije med prostim padom žoge.

Opazovani pojav: Oseba enakomerno dviguje žogo od tal in žoga potem prosto pade na tla.

Privzamemo, da je potencialna energija žoge enaka nič, ko je žoga na tleh. V našem primeru je ženska dvigovala žogo. Opazovani telesi sta ženska in žoga. Pri prikazu zanemarimo zračni upor. Kinetična energija žoge med dviganjem žoge v prikaz ni vključena, ker ženska žogo dviguje enakomerno in se kinetična energija žoge med dviganjem ne spreminja.

Ženska opravlja delo, saj na žogo deluje s silo, katere prijemališče se premakne vzdolž smeri sile. Del ženskine notranje kemične energije se preko dela sile roke na žogo pretvarja v potencialno energijo žoge. Ženski se torej zmanjšuje notranja kemična energija, žogi pa se povečuje potencialna energija. Prenos energije med žensko in žogo ponazorimo z mostom

»A«, ki predstavlja mehansko delo. Čez most prestavljamo po eno kocko naenkrat in jo znotraj žoge obnemo tako, da zgornja ploskev kocke predstavlja obliko energije, ki se je žogi po prejetemu delu povečala. Postopen prenos energije ponazarjajo slike od 1 do 5.

Pri prostem padu žoge, ženska več ne opravlja dela. Zato odstranimo most med opazovanima telesoma. Ženski po dogovoru pustimo enoto energije, s čimer nakažemo, da je ženska po opravljenem delu še vedno živa (slika 6). Žogi se potencialna energija med padanjem pretvarja v kinetično (slike 6–8). Slika 8 prikazuje energijo žoge tik preden se dotakne tal. Pretvarjanje energije prikažemo z obračanjem kock kot je razloženo pri Zgledu 1.

Skupna energija ženske in žoge se med opazovanim pojavom ohranja.

Slike 1–5: Ženska enakomerno dviguje žogo.

Slike 6–8: Prosti pad žoge.

23

1 5

2 6

3 7

4 8

24 Zgled 3: Gorenje sveče

Ponazorjena sta hkratno pretvarjanje energije v sveči in oddajanje toplote okolici med njenim gorenjem.

Sveča je vir energije, ki svojo notranjo kemično energijo pretvarja v notranjo termično energijo, ko je prižgana. Slika 1 prikazuje svečo tik za tem, ko smo jo prižgali in ji s tem povečali njeno notranjo termično energijo. Prižgana sveča ima visoko temperaturo, zaradi katere se začne taliti in njena notranja kemična energija se pri tem pretvarja v notranjo termično (slika 2).

Sveča hkrati oddaja toploto v okolico. To prikažemo s premikom ene kocke iz sveče v okolico čez most »Q«, ki ponazarja toploto. Pri prenosu notranje termične energije s toploto, se prenešena energija ne pretvori v drugo obliko. Zato prenešene kocke v okolici ne obračamo (sliki 3 in 4). Slike 5–7 prikazujejo gorenje sveče, pri stalni temperaturi sveče. Na prikazu je to ponazorjeno tako, da se hkrati ena enota notranje kemične energije sveče pretvori v notranjo termično in ena enota notranje termične energije iz sveče prenese v okolico.

Slika 1: Sveča tik za tem, ko jo prižgemo.

Slika 2: Sveča gori in pretvarja svojo notranjo kemično energijo v notranjo termično energijo.

Sliki 3 in 4: Sveča gori in oddaja svojo notranjo termično energijo preko toplote v okolico.

Slike 5–7: Sveča gori ter hkrati pretvarja notranjo kemično energijo v notranjo termično in oddaja toploto v okolico.

25

1 5

2 6

3 7

4

26 Zgled 4: Zaviranje s kolesom

Ponazorjen je vpliv trenja med zaviranjem s kolesom. Prikaz vključuje mehansko delo, toploto in pretvarjanje energije.

Kolo se pelje s stalno hitrostjo po ravni cesti. Na začetku ima samo kinetično energijo (slika 1). Če na hitro stisnemo zavore, se kolesi prenehata vrteti in začneta drseti po cesti. Med kolesi in cesto se pojavi trenje, ki povroči, da se segrejeta tako kolesi kot del ceste, ki je v stiku z njima (slike 2–5). Sila trenja namreč deloma opravlja delo, saj se del kinetične energije preko sile trenja prenese na cesto in se cesti poveča notranja termična energija. Hkrati pa sila trenja omogoča pretvorbo dela kinetične energije kolesa v notranjo termično energijo kolesa.

Za ponazoritev vpliva trenja mora imeti opazovano telo (kolo) vsaj dve enoti kinetične energije. Eno enoto kinetične energije preko mostu »A« prenesemo na podlago (cesto) ali v okolico (slika 2 ali 4), kjer jo z obratom kocke pretvorimo v enoto notranje termične energije (slika 3 ali 5). Drugo enoto kinetične energije opazovanega telesa (kolesa) z obratom kocke pretvorimo v njegovo notranjo termično energijo (slika 3 ali 5).

Vsa kinetična energija kolesa se med zaviranjem pretvori v skupno notranjo termično energijo kolesa in ceste. Ne moremo predvideti, kako se bo ta notranja termična energija razporedila med kolo in cesto. Zato se lahko dogovorimo, da enote notranje energije enakomerno razporedimo med njiju (slika 5) ter s tem ozaveščamo, da trenje hkrati segreva opazovano telo in podlago.

Ko se kolo ustavi (slika 5), se začneta kolo in cesta ohlajati z odajanjem toplote v okolico.

Oblika energije se energiji pri prenosu preko toplote ne spremeni (slike 6–8). Okolica torej prejme notranjo termično energijo, ki se razporedi po njej.

Slika 1: Kolo se pelje enakomerno in ima kinetično energijo.

Slike 2–5: Kolo zavira in drsi po cesti. Kolesu in cesti se povečuje notranja termična energija zaradi trenja.

Slika 5: Kolo se ustavi in nima več kinetične energije.

Slike 6–8: Kolo in cesta oddata presežek notranje energije preko toplote v okolico.

Slika 9: Kolo in cesta imata začetno temperaturo. Med opazovanimi telesi in okolico se energija ne izmenjuje več.

27

1 6

2 7

3 8

4 9

5