RAZUMEVANJE AGREGATNIH STANJ VODE TER PROCESOV ZMRZOVANJA IN SUBLIMACIJE VODE PRI

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI PEDAGOŠKA FAKULTETA Poučevanje, Predmetno poučevanje

Valerija Tompa

RAZUMEVANJE AGREGATNIH STANJ VODE TER PROCESOV ZMRZOVANJA IN SUBLIMACIJE VODE PRI

UČENCIH SEDMEGA RAZREDA OSNOVNE ŠOLE

Magistrsko delo

Ljubljana, 2019

(2)

UNIVERZA V LJUBLJANI PEDAGOŠKA FAKULTETA Poučevanje, Predmetno poučevanje

Valerija Tompa

RAZUMEVANJE AGREGATNIH STANJ VODE TER PROCESOV ZMRZOVANJA IN SUBLIMACIJE VODE PRI

UČENCIH SEDMEGA RAZREDA OSNOVNE ŠOLE

Magistrsko delo

Mentor: prof. dr. Saša A. Glažar

Ljubljana, 2019

(3)

i

ZAHVALA

Mentorju prof. dr. Saši Glažarju bi se rada zelo lepo zahvalila za vse nasvete, pomoč, potrpežljivost, podporo in spodbudo pri nastajanju magistrskega dela. Pri njegovem oblikovanju so mi s svojimi nasveti pomagali še izr. prof. dr. Janez Vogrinc, izr. prof. dr.

Iztok Devetak in asist. Mira Metljak, za kar se jim najlepše zahvaljujem.

Rada bi se zahvalila tudi učiteljici naravoslovja in učencem sedmega razreda osnovne šole, ki so s sodelovanjem v raziskavi prispevali k pridobitvi pomembnih rezultatov na področju napačnih razumevanj agregatnih stanj vode, nekaterih prehodov med njimi ter procesiranja informacij pri skupinah uspešnih in neuspešnih učencev.

Iz srca hvala mojim dragim prijateljem, prijateljicam in družinskim članom, ki so me ves čas spodbujali in podpirali pri nastajanju magistrskega dela.

(4)

ii

POVZETEK

Kemijski pojmi so zaradi kompleksnosti predstavitve na treh različnih ravneh, tj. na makroskopski, submikroskopski in simbolni ravni ter zaradi želje po enostavnejši predstavitvi naravoslovnih procesov, težavni za razumevanje. Pri poučevanju kemijskih pojmov je zato smiselna uporaba ustrezno oblikovanih vizualizacijskih sredstev na vseh treh ravneh predstavitve. Razumevanje povezave med vsemi tremi ravnmi predstavitve kemijskih pojmov vodi do ustrezno oblikovanega razumevanja določenega kemijskega pojma, kar vpliva na uspešnost reševanja naravoslovnih problemov. Reševanje problemskih nalog je mogoče spremljati s pomočjo očesnega sledilca, ki omogoča pridobivanje podatkov o kognitivnih procesih posameznika oziroma skupine. V teoretičnem delu magistrskega dela je predstavljena vsebina, vezana na: poučevanje kemijskih pojmov na trojni ravni predstavitve;

obravnavo agregatnih stanj snovi in delčne zgradbe snovi po vertikali izobraževanja;

raziskave na področju razumevanja agregatnih stanj snovi in prehodov med njimi; vlogo reprezentacij na področju kemijskega izobraževanja ter procesiranje informacij in proučevanje kognitivnih procesov pri reševanju problemov. Empirični del magistrskega dela zajema raziskavo, v katero je bilo vključenih 30 učencev sedmega razreda osnovne šole. S pomočjo štirih avtentičnih problemskih nalog, ki so vključevale makroskopske in submikroskopske predstavitve, je bilo mogoče ugotoviti: 1) napačna razumevanja 3D dinamičnih submikroskopskih predstavitev agregatnih stanj vode in zmrzovanja vode ter procesa sublimacije vode na makroskopski in submikroskopski ravni; 2) kako uspešni in neuspešni učenci procesirajo informacije pri reševanju avtentičnih problemskih nalog; 3) na kateri ravni predstavitve uspešni in neuspešni učenci utemeljujejo izbiro 3D dinamičnih submikroskopskih predstavitev in proces sublimacije vode. Naloge so bile med reševanjem predvajane na računalniku v obliki zaslonskih slik, pri tem pa so bili spremljani očesni premiki učencev z očesnim sledilcem. Testator je sproti zapisoval njihove odgovore. Zbrani podatki so bili kvantitativno obdelani v programski opremi SPSS ter z vsebinsko analizo odgovorov učencev. Rezultati raziskave so pokazali, da učenci znajo izbrati 3D dinamične submikropredstavitve agregatnih stanj vode, vendar imajo težave pri podajanju njihovih utemeljitev. Najbolje so utemeljevali tekoče (20,00 %), najslabše pa trdno agregatno stanje (10,00 %). Najpogostejše napačno razumevanje trdnega agregatnega stanja je bilo vezano na razporeditev delcev (46,66 %), tekočega agregatnega stanja na gibanje delcev (60,00 %) in plinastega stanja na število delcev (23,33 %). Pri procesu zmrzovanja vode je 23,33 % učencev izbralo ustrezno submikropredstavitev procesa zmrzovanja vode, pri čemer jih je 13,33 % podalo ustrezno utemeljitev. 19,99 % učencev je sklepalo na makroskopske lastnosti snovi iz submikropredstavitve procesa zmrzovanja. Učenci so najslabše utemeljevali proces sublimacije vode, saj je bilo pri tem uspešnih zgolj 6,66 % učencev. 29,97 % učencev je povezovalo proces nastanka slane z zmrzovanjem vode. Utemeljitve izbire submikropredstavitev agregatnih stanj vode so bile pri uspešnih in neuspešnih učencih večinoma podane na dveh ravneh, in sicer na makroskopski in submikroskopski ravni, medtem ko pri zmrzovanju vode na makroskopski ravni. Pri procesu sublimacije vode je največ neuspešnih učencev podalo odgovor na makroskopski ravni, uspešna učenca pa na makroskopski in submikroskopski ravni. Ugotovitve raziskave z očesnim sledilcem so pokazale tudi, da so imeli uspešni in neuspešni učenci težave pri določanju ključnih informacij za submikropredstavitev trdnega agregatnega stanja, saj sta jim bili dve interesni področji pomembni pri reševanju naloge. Neuspešni učenci so imeli težave pri procesiranju informacij pri nalogi, vezani na zmrzovanje vode. Ugotovljene težave pri procesiranju informacij ter raznolika napačna razumevanja agregatnih stanj vode in prehodov med njimi bodo v pomoč učiteljem naravoslovja, saj bodo lahko s spremembo svojega načina

(5)

iii

poučevanja vplivali na odpravo oziroma preprečitev nastanka napačnih razumevanj ter na izboljšanje procesiranja informacij s pomočjo reševanja raznolikih problemskih nalog.

Ključne besede: napačna razumevanja, 3D dinamične submikroskopske predstavitve, agregatna stanja vode, sublimacija vode, zmrzovanje vode, sedmi razred osnovne šole, očesni sledilec.

(6)

iv

ABSTRACT

Chemical concepts are difficult to understand due to their complexity of representation on three different levels (e.g. macroscopic, submicroscopic, and symbolic level) and willingness to simplify the presentation of science processes. While teaching chemical concepts, it is reasonable to use properly designed visualization tools at all three levels of representation.

The understanding of the link between all three levels of representation of chemical concepts leads to the development of an adequate understanding of the certain chemical concept which influences the successfulness of solving science problems. Problem tasks solving could be monitored by eye tracking that enables recruiting data about individual's or group's cognitive processes. In the theoretical part of the master's thesis topics are presented which are linked to teaching chemical concepts on triple level of representation, learning states of matter and particulate nature through the vertical of education, research in the field of understanding of states of matter and changing states between them, the role of representations in the field of chemical education, and information processing and studying cognitive processes while problem-solving. The empirical part of the master's thesis involves the research which included 30 students in the seventh grade of primary school. Based on four authentic problem tasks including macroscopic and submicroscopic representations, the following could be determined: 1) misconceptions of 3D dynamic submicrorepresentations of states of water and the freezing of water and the process of sublimation of water on the macroscopic and submicroscopic levels of representation; 2) how successfully and unsuccessfully students process the information between authentic problem tasks solving; 3) on which level of representation the successful and unsuccessful students justify the selection of 3D dynamic submicrorepresentations and the process of sublimation of water. While solving, the tasks were displayed on the computer in the form of screen images and the eye movements were monitored by eye tracking. An individual who tested the students was simultaneously writing down their answers. The collected data were analyzed quantitatively in the SPSS program and with the content analysis of students' answers. The results of the research showed that students can select 3D dynamic submicrorepresentations of states of water. However, they have issues in writing down the justifications of their selection. They justified the best the liquid state (20.00%) and the worst the solid state (10.00%). The most common misconception of the solid state was linked to particle arrangement (46.66%), of liquid state to particle movement (60.00%) and of gaseous state to a number of particles (23.33%). 23.33%

of students selected the appropriate submicrorepresentation for the freezing of water and 13.33% of them wrote down the right justification of its selection. 19.99 % of students made a conclusion related to macroscopic properties of matter based on submicrorepresentation of the process of freezing. The students were the least successful in justifying the process of sublimation of water: only 6.66% of them were successful. 29.97% of students were connecting the process of forming a frost with the freezing of water. Successful and unsuccessful students' justifications of the selected submicrorepresentations of states of water were mostly given on two levels (e.g. macroscopic and submicroscopic level) while for the freezing of water on the macroscopic level. Most unsuccessful students wrote down the answer for the process of sublimation of water on the macroscopic level and both successful students on the macroscopic and submicroscopic levels. The research findings of eye tracking also showed that successful and unsuccessful students have issues in defining key information for the submicrorepresentation of the solid state of matter since two areas of interest were important for them while solving the task. Unsuccessful students had issues with information processing for the task related to the freezing of water. Shown difficulties in information processing and different misconceptions of states of water and changing states between them will be helpful for science teachers who could contribute to elimination or prevention of

(7)

v

misconceptions and better information processing between different problem tasks solving by changing their teaching method.

Keywords: misconceptions, 3D dynamic submicrorepresentations, states of water, sublimation of water, freezing of water, seventh grade of primary school, eye tracking.

(8)

vi

KAZALO VSEBINE

1 UVOD ... 1 2 TEORETIČNA IZHODIŠČA ... 2 POUČEVANJE KEMIJSKIH POJMOV NA TROJNI RAVNI PREDSTAVITVE .. 2 2.1

OBRAVNAVA AGREGATNIH STANJ SNOVI IN DELČNE ZGRADBE SNOVI 2.2

PO VERTIKALI IZOBRAŽEVANJA ... 5 RAZISKAVE NA PODROČJU RAZUMEVANJA AGREGATNIH STANJ SNOVI 2.3

IN PREHODOV MED NJIMI ... 6 VLOGA REPREZENTACIJ NA PODROČJU KEMIJSKEGA IZOBRAŽEVANJA 2.4

9

PROCESIRANJE INFORMACIJ IN PROUČEVANJE KOGNITIVNIH 2.5

PROCESOV PRI REŠEVANJU PROBLEMOV... 11 3 RAZISKOVALNI PROBLEM, CILJI IN RAZISKOVALNA VPRAŠANJA ... 14 RAZISKOVALNI PROBLEM ... 14 3.1

CILJI ... 14 3.2

RAZISKOVALNA VPRAŠANJA ... 14 3.3

4 METODA DELA IN RAZISKOVALNI PRISTOP ... 16 VZOREC ... 16 4.1

MERSKI INŠTRUMENT ... 16 4.2

MERITVE OČESNEGA SLEDILCA ... 19 4.3

OPIS POSTOPKA ZBIRANJA PODATKOV ... 20 4.4

POSTOPKI OBDELAVE PODATKOV ... 20 4.5

5 REZULTATI Z DISKUSIJO ... 21 NALOGE 1.5, 2.5 IN 3.5 ... 21 5.1

NALOGA 1.5 ... 21 5.1.1

NALOGA 2.5 ... 22 5.1.2

NALOGA 3.5 ... 23 5.1.3

NALOGE 1.6, 2.6 IN 3.6 ... 24 5.2

NALOGA 1.6 ... 24 5.2.1

NALOGA 2.6 ... 25 5.2.2

NALOGA 3.6 ... 26 5.2.3

NALOGE 4.1, 4.2 IN 4.3 ... 26 5.3

NALOGA 4.1 ... 27 5.3.1

NALOGA 4.2 ... 28 5.3.2

NALOGA 4.3 ... 28 5.3.3

NALOGI 6.1 IN 6.2 ... 29 5.4

NALOGA 6.1 ... 29 5.4.1

NALOGA 6.2 ... 30 5.4.2

PREGLED REŠEVANJA NALOG Z UTEMELJITVAMI IN IZBIRO ... 31 5.5

NAPAČNA RAZUMEVANJA AGREGATNIH STANJ VODE TER ... 33 5.6

PROCESOV SUBLIMACIJE IN ZMRZOVANJA VODE ... 33 NAPAČNA RAZUMEVANJA TRDNEGA AGREGATNEGA STANJA 5.6.1

VODE 33

NAPAČNA RAZUMEVANJA TEKOČEGA AGREGATNEGA STANJA 5.6.2

VODE 34

NAPAČNA RAZUMEVANJA PLINASTEGA AGREGATNEGA STANJA 5.6.3

VODE 37

NAPAČNA RAZUMEVANJA SUBLIMACIJE VODE ... 38 5.6.4

NAPAČNA RAZUMEVANJA ZMRZOVANJA VODE ... 41 5.6.5

(9)

vii

DISKUSIJA O NAPAČNIH RAZUMEVANJIH AGREGATNIH STANJ 5.6.6

VODE TER PROCESOV ZMRZOVANJA IN SUBLIMACIJE VODE ... 42 DISKUSIJA O UTEMELJITVAH IZBIRE 3D DINAMIČNIH SMR 5.6.7

AGREGATNIH STANJ VODE IN PROCESA ZMRZOVANJA VODE TER O UTEMELJEVANJU PROCESA SUBLIMACIJE VODE ... 43

INTERPRETACIJA REZULTATOV RAZISKAVE, VEZANIH NA OČESNI 5.7

SLEDILEC ... 46 DISKUSIJA O REZULTATIH RAZISKAVE, POVEZANIH Z OČESNIM 5.7.1

SLEDILCEM ... 52 6 SKLEP ... 56 7 LITERATURA ... 59

(10)

viii

KAZALO TABEL

Tabela 1: Pregled učnih ciljev vsebinskih sklopov v učnih načrtih pri predmetih spoznavanje

naravoslovja, naravoslovje in tehnika ter naravoslovje. ... 6

Tabela 2: Specifikacijska tabela dela preizkusa znanja. ... 18

Tabela 3: Pregled vrednosti absolutnih in relativnih frekvenc pravilnega in napačnega odgovora pri nalogi 1.5. ... 22

Tabela 6: Pregled vrednosti absolutnih in relativnih frekvenc pravilnih in napačnih odgovorov pri nalogi 1.6. ... 25

Tabela 9: Pregled vrednosti absolutnih in relativnih frekvenc posameznih kategorij odgovorov pri nalogi 4.1. ... 27

Tabela 11: Pregled vrednosti absolutnih in relativnih frekvenc posameznih kategorij odgovorov pri nalogi 4.3. ... 28

Tabela 14: Napačna razumevanja trdnega agregatnega stanja vode. ... 33

Tabela 15: Napačna razumevanja tekočega agregatnega stanja vode. ... 35

Tabela 16: Napačna razumevanja plinastega agregatnega stanja vode. ... 37

Tabela 17: Napačna razumevanja nastanka slane. ... 38

Tabela 18: Napačna razumevanja, vezana na agregatna stanja, značilna za sublimacijo vode. ... 38

Tabela 19: Napačna razumevanja, vezana na razlago prehoda med agregatnimi stanji pri sublimaciji vode. ... 39

Tabela 20: Napačna razumevanja, vezana na zmrzovanje vode. ... 41

Tabela 21: Povprečne absolutne in relativne vrednosti TFD in FC na posameznih interesnih področjih v nalogi, vezani na trdno agregatno stanje vode. ... 47

Tabela 22: Povprečne absolutne in relativne vrednosti TFD in FC na posameznih interesnih področjih v nalogi, vezani na tekoče agregatno stanje vode. ... 47

Tabela 23: Povprečne absolutne in relativne vrednosti TFD in FC na posameznih interesnih področjih v nalogi, vezani na plinasto agregatno stanje vode. ... 48

Tabela 24: Povprečne absolutne in relativne vrednosti TFD in FC na posameznih interesnih področjih v nalogi, vezani na sublimacijo vode. ... 49

Tabela 25: Povprečne absolutne in relativne vrednosti TFD in FC na posameznih interesnih področjih v nalogi, vezani na zmrzovanje vode. ... 50

Tabela 26: Spearmanovi korelacijski koeficienti med absolutnimi in relativnimi vrednostmi TFD in FC na SMR agregatnih stanj vode, sublimacije in zmrzovanja vode. ... 54

(11)

ix

KAZALO SLIK

Slika 1: Johnstonov model oziroma trikotnik trojne narave kemijskega pojma (Johnstone,

1991). ... 2

Slika 2: Nadgrajen Johnstonov model (Ferk Savec in Vrtačnik, 2007). ... 3

Slika 3: Mahaffyjev model tetraedričnega pristopa k poučevanju in učenju kemije (Mahaffy, 2004). ... 3

Slika 4: Rastoči trikotnik (prirejeno po Chittleborough, 2014). ... 4

Slika 5: Rastoča ledena gora (prirejeno po Chittleborough, 2014). ... 4

Slika 6: Model soodvisnosti treh ravni predstavitve naravoslovnih pojmov (prav tam, 2005). 4 Slika 7: Paiviov model dvojne kodne teorije (Wu idr., 2001). ... 10

Slika 8: Primer toplotnega zemljevida (Ferk Savec idr., 2016). ... 12

Slika 9: Naloga 1.5. ... 21

Slika 10: Naloga 2.5. ... 22

Slika 11: Naloga 3.5. ... 23

Slika 12: Naloga 1.6. ... 24

Slika 13: Naloga 2.6. ... 25

Slika 14: Naloga 3.6. ... 26

Slika 15: Naloge 4.1, 4.2 in 4.3. ... 27

Slika 16: Nalogi 6.1 in 6.2. ... 29

Slika 17: Toplotni zemljevid uspešnih učencev. ... 51

Slika 18: Toplotni zemljevid neuspešnih učencev. ... 52

(12)

x

KAZALO GRAFOV

Graf 1: Pregled reševanja nalog, vezanih na izbiro 3D dinamičnih SMR. ... 31 Graf 2: Pregled reševanja nalog, vezanih na podajanje utemeljitev... 32 Graf 3: Pregled ravni podanih utemeljitev pri agregatnih stanjih vode in zmrzovanju vode za neuspešne učence. ... 44 Graf 4: Pregled ravni podanih utemeljitev pri agregatnih stanjih vode in zmrzovanju vode za uspešne učence. ... 44

(13)

1

1 UVOD

Učna vsebina naravoslovnih predmetov je abstraktna za učenje in poučevanje. Izzivi sodobnega naravoslovnega izobraževanja so med drugim vezani tudi na oblikovanje ustreznega razumevanja naravoslovnih pojmov in procesov na submikroskopski ravni predstavitve, oblikovanje razlag pojmov na submikroskopski ravni ter na uspešnost pri reševanju avtentičnih problemskih nalog. Med reševanjem tovrstnih nalog je mogoče spremljati posameznikovo procesiranje informacij s pomočjo očesnega sledilca, ki omogoča sledenje očesnim premikom in pridobitev informacij o njegovih kognitivnih procesih (npr. o hitrosti, načinu reševanja določene naloge, času osredotočenosti na določena interesna področja naloge itd.).

V teoretičnem delu magistrskega dela je predstavljeno poučevanje kemijskih pojmov na treh ravneh predstavitve, ki predstavlja osnovo za oblikovanje ustreznega razumevanja kemijskih pojmov. Predstavljena je obravnava agregatnih stanj snovi in delčne zgradbe snovi po vertikali izobraževanja. Opisan je potek kognitivnih procesov med učenjem in reševanjem problemskih nalog v povezavi z očesnim sledilcem. Predstavljeni so tudi rezultati raziskav, vezanih na razumevanje agregatnih stanj snovi, predvsem vode in prehodov med njimi ter pomen uporabe reprezentacij in razvitosti reprezentacijskih kompetenc na področju kemijskega izobraževanja.

Raziskovalni del magistrskega dela se nanaša na razumevanje 3D dinamičnih submikroskopskih predstavitev agregatnih stanj vode in procesa zmrzovanja vode na submikroskopski ravni ter procesa sublimacije vode na makroskopski in submikroskopski ravni pri učencih sedmega razreda. Poleg navedenega se osredotoča tudi na način procesiranja informacij uspešnih in neuspešnih učencev pri posamezni avtentični problemski nalogi ter na raven podanih utemeljitev izbranih submikroskopskih predstavitev.

Pridobljeni rezultati raziskave bodo glede na ugotovljena napačna razumevanja učencev ter težave pri procesiranju informacij med reševanjem avtentičnih problemskih nalog pomembni predvsem pri načrtovanju nadaljnega poučevanja obravnavanih vsebin.

(14)

2

2 TEORETIČNA IZHODIŠČA

POUČEVANJE KEMIJSKIH POJMOV NA TROJNI RAVNI 2.1

PREDSTAVITVE

Kemijski pojmi so kompleksni za učenje in poučevanje, pri čemer je pomembna njihova ustrezna predstavitev in razvijanje razumevanja na treh ravneh, tj. na makroskopski, submikroskopski in simbolni ravni. Kompleksnost kemijskih pojmov je vezana tudi na težje razumevanje naravoslovnih procesov in na njihovo poenostavljeno predstavitev, kar lahko pri učencih vodi do oblikovanja napačnih razumevanj (Devetak, 2012).

Pri poučevanju kemijskih pojmov na vseh treh ravneh predstavitve je zelo pomembna uporaba vizualizacijskih sredstev. Makroskopsko raven je mogoče ponazoriti s pomočjo eksperimentov, slik in fotografij. Submikroskopska raven je lahko predstavljena z 2D in 3D stacionarnimi oziroma dinamičnimi submikroskopskimi predstavitvami (SMR), medtem ko simbolna raven s kemijskimi simboli in formulami ter drugimi predstavitvami (Devetak, 2012; Trumbo, 1999; Wu, Krajcik in Soloway, 2001).

Johnstone (1982) je predlagal, da bi moralo biti kemijsko znanje sestavljeno vsaj iz treh različnih ravni, ki so medsebojno povezane. V kasnejših delih je medsebojno povezavo vseh treh ravni kemijskega pojma ponazoril s trikotnikom, ki prikazuje soodvisnost makroskopske, submikroskopske in simbolne ravni kemijskega pojma. S trikotnikom trojne narave kemijskega pojma (slika 1), ki ga imenujemo tudi Johnstonov model, je poudaril pomen submikroskopske ravni za boljše razumevanje kemijskih pojmov (Johnstone 1989, 1993, 2000, v Taber, 2013).

Slika 1: Johnstonov model oziroma trikotnik trojne narave kemijskega pojma (Johnstone, 1991).

Johnstonov model je predstavljal osnovo za oblikovanje preostalih modelov z dodajanjem elementov, ki predstavljajo še nekatere druge dimenzije učenja kemijskih pojmov. Nadgrajen Johnstonov model (slika 2) ponazarja pomembnost uporabe vizualizacijskih elementov pri predstavitvi kemijskih pojmov na vseh treh ravneh predstavitve (Ferk Savec in Vrtačnik, 2007). Mahaffyjev model (slika 3) vključuje še četrto dimenzijo (človeški faktor), ki vpliva na učenje in poučevanje kemijskih pojmov ter daje modelu tetraedrično obliko (Mahaffy, 2004).

(15)

3

Slika 2:Nadgrajen Johnstonov model (Ferk Savec in Vrtačnik, 2007).

Slika 3:Mahaffyjev model tetraedričnega pristopa k poučevanju in učenju kemije (Mahaffy, 2004).

Vizualizacijska sredstva predstavljajo pomembno motivacijsko sredstvo na področju poučevanja (Olakanmi, 2015; Sarabando, Cravino in Soares, 2016). Ustreznost uporabe in oblikovanja vizualizacijskih sredstev (reprezentacij) vplivata na ustrezno razumevanje pojma v realnem življenju (Tasker, 2005; Tversky, 2001).

Na osnovi Johnstonovega modela in konstruktivistične teorije sta bila oblikovana tudi modela (Chittleborough, 2014), ki podajata razvoj mentalnih modelov kemijskih pojmov v obliki rastočega trikotnika in ledene gore (sliki 4 in 5). Model rastočega trikotnika (slika 4) temelji na tem, da je z večanjem površine trikotnika razumevanje kompleksnejših ravni predstavitve pojmov (submikroskopske in simbolne ravni) po vertikali izobraževanja ustreznejše.

Model ledene gore (slika 5) vključuje vse tri ravni predstavitve ravno tako kot model rastočega trikotnika. V primeru oblikovanja ustreznega razumevanja pojma na submikroskopski ravni (stopnja II), se horizontalna črta pomakne navzdol (pri čemer se poveča površina sivega trikotnika). Površina sivega trikotnika je največja takrat, ko je razvito ustrezno razumevanje (povezovanje) vseh treh ravni predstavitve (stopnja III), ravno tako kot ledena gora, ki se dviga najvišje iznad morske gladine. Ta prikaz imenujemo tudi rastoča ledena gora.

Učni načrti so v skladu s konstruktivistično teorijo oblikovani spiralno, kar omogoča gradnjo novega znanja na predhodno usvojenem znanju (prav tam, 2014).

(16)

4

Slika 4: Rastoči trikotnik (prirejeno po Chittleborough, 2014).

Slika 5: Rastoča ledena gora (prirejeno po Chittleborough, 2014).

Neustrezno razumevanje povezave med vsemi tremi ravnmi predstavitve lahko vodi do napačnih razumevanj. Pri poučevanju kemijskih pojmov naj zato učitelji izhajajo iz makroskopske ravni predstavitve, ki jo dopolnjujejo z ostalima dvema ravnema glede na razvitost abstraktnega mišljenja in predznanje učencev. Povezovanje vseh treh ravni predstavitve kemijskih pojmov je pomembno pri oblikovanju mentalnega modela naravoslovnega (kemijskega pojma), kar prikazuje model soodvisnosti treh ravni naravoslovnih pojmov oziroma model STRP (slika 6) (Devetak, 2005).

Slika 6: Model soodvisnosti treh ravni predstavitve naravoslovnih pojmov (prav tam, 2005).

Mentalni model je definiran kot miselna predstavitev (ustrezna oziroma napačna), ki si jo posameznik oblikuje pri kognitivni dejavnosti med interakcijo z objektom. Ustrezna uporaba vizualizacijskih sredstev vpliva na oblikovanje ustreznega razumevanja (mentalnega modela) povezave med vsemi tremi ravnmi predstavitve kemijskega pojma (Devetak, 2012).

Nerazumevanje ene izmed ravni vpliva tudi na razumevanje ostalih (Özmen, 2013). Glede na rezultate raziskav (Bunce in Gabel, 2002; Eskilsson in Hellden, 2003; Georgiadou in Tsaparlis, 2000; Wu idr., 2001) je pomembno, da se učitelji pri razlagi pojmov osredotočajo

(17)

5

ne le na simbolno raven predstavitve, temveč tudi na makroskopsko in submikroskopsko raven, ki sta pri poučevanju največkrat zapostavljeni. Učitelji lahko s predstavitvijo sprememb na makroskopski ravni ali s pomočjo ustrezno zasnovanega eksperimentalnega dela izboljšajo razumevanje naravoslovnega pojava na submikroskopski ravni (Devetak, 2012).

Tudi v slovenskem učnem gradivu (učbeniki) so najpogostejše predstavitve na simbolni ravni.

Predstavitve na vseh treh ravneh hkrati so redke (prav tam, 2012). Pri oblikovanju ustreznega razumevanja kemijskega pojma na vseh treh ravneh predstavitve je pomemben tudi posameznikov interes za učenje določene učne vsebine (Morrison in Chein, 2010; Woolfolk, 2002). Učna vsebina mora biti zasnovana tako, da povečuje interes za učenje kemije, stimulira višje kognitivne stopnje in razvija raziskovalni pristop (oblikovanje raziskovalnih vprašanj in načrta raziskave, izbira ustreznih inštrumentov, razumevanje pridobljenih rezultatov in oblikovanje zaključkov) (Marks, Bertram in Eilks, 2008). Med učnim procesom je potrebno poskrbeti za motivacijo, saj ima ta pomemben vpliv na kognitivne procese med učenjem in posledično tudi na učne dosežke (Juriševič, 2006).

Razumevanje povezave med vsemi tremi ravnmi predstavitve vpliva na uspešnost reševanja naravoslovnih nalog oziroma problemov (Herga, Glažar in Dinevski, 2015; Taber, 2013).

Uspešnost njihovega reševanja je odvisna od predznanja, izkušenj, razumevanja znanih primerov vsebinskega področja in od učiteljevega načina poučevanja naravoslovnih pojmov (Avramiotis in Tsaparlis, 2013; Devetak, 2012; Rahayu in Kita, 2010; Treagust, Chittleborough in Mamiala, 2003; Wu idr., 2001). Pri razvijanju strategij za reševanje problemov in oblikovanju kakovostnejšega znanja s področja naravoslovja ima pomembno vlogo uporaba raznolikih vizualizacijskih pristopov (Chuang in Liu, 2011; Johnstone, 1982).

Pri njihovi uporabi je pomembno, da učitelji pri učencih razvijajo reprezentacijske kompetence, saj imajo lahko ti težave pri prepoznavanju temeljnih lastnosti predstavitev in posledično tudi pri reševanju problemov (Rapp in Kurby, 2008).

OBRAVNAVA AGREGATNIH STANJ SNOVI IN DELČNE 2.2

ZGRADBE SNOVI PO VERTIKALI IZOBRAŽEVANJA

Izbrana, specifična vsebina posameznih učnih načrtov se po vertikali izobraževanja nadgrajuje z dopolnitvami učnih ciljev in standardov znanja.

Pri pregledu učnih načrtov predmetov spoznavanje okolja, naravoslovje in tehnika ter naravoslovje (od prvega do sedmega razreda osnovne šole) je mogoče zaslediti učne cilje, vezane na obravnavo kemijskih pojmov, povezanih z agregatnimi stanji snovi (vode) in delčno naravo snovi. Tabela 1 podaja obravnavane vsebinske sklope (po vertikali izobraževanja) pri posameznih predmetih ter pripadajoče učne cilje, vezane na omenjena kemijska pojma.

(18)

6

Tabela 1: Pregled učnih ciljev vsebinskih sklopov v učnih načrtih pri predmetih spoznavanje naravoslovja, naravoslovje in tehnika ter naravoslovje.

Predmet Razred Vsebinski sklop Učni cilj Spoznavanje

okolja 2. Snovi

 »razlikujejo različna agregatna stanja vode« (Kolar, Krnel in Velkavrh, 2011, str. 8)

Naravoslovje

in tehnika 5. Snovi v naravi

 »opisati agregatna stanja vode in pojasniti njihove lastnosti« (Vodopivec, Papotnik, Gostinčar Blagotinšek, Skribe Dimec in Balon, 2011, str. 8)

Naravoslovje 6. Snovi

 »opredelijo pojem snovi in spoznajo, da so snovi zgrajene iz delcev/gradnikov«

(Skvarč idr., 2011, str. 9)

 »razumejo razlike med porazdelitvijo delcev/gradnikov snovi v posameznem

agregatnem stanju in iz

submikroskopskega prikaza zgradbe snovi sklepajo na agregatno stanje« (prav tam, 2011, str. 9)

Naravoslovje 7. Snovi

 »spoznajo, da so kemijski elementi sestavljeni iz ene vrste atomov, v spojinah pa so povezani med seboj atomi več elementov« (prav tam, 2011, str. 9)

Iz tabele je razvidno, da se učenci v drugem razredu seznanijo z agregatnimi stanji vode in razlikujejo med njimi na makroskopski ravni. V petem razredu svoje znanje nadgradijo z opisovanjem in določanjem njihovih lastnosti na makroskopski ravni. V šestem razredu spoznajo delčno zgradbo snovi, pri čemer se seznanijo z osnovnimi gradniki snovi ter porazdelitvijo delcev v posameznem agregatnem stanju snovi. Pri agregatnih stanjih snovi povezujejo makroskopsko in submikroskopsko raven njihove predstavitve. V sedmem razredu spoznajo razlike med pojmoma element in spojina.

RAZISKAVE NA PODROČJU RAZUMEVANJA AGREGATNIH 2.3

STANJ SNOVI IN PREHODOV MED NJIMI

Raziskave (Adadan in Savasci, 2011; de Berg, 2012; Kern, Wood, Roehrig in Nyachwaya, 2010) so pokazale, da imajo učenci težave pri opisovanju pojavov na makroskopski ravni predstavitve in oblikovanju njihove razlage na submikroskopski ravni. Podobnosti in razlike med omenjenima ravnema so ključne za učenje in razumevanje kemijskih pojmov (Sirhan, 2007).

Razumevanje pojma delec ima ključno vlogo pri razumevanju submikroskopskih predstavitev snovi (Riaz, 2004). Učenci, stari med 12 in 13 let, menijo, da delec predstavlja manjšo količino snovi (npr. kapljico vode) (Boz, 2006). Številni raziskovalci trdijo, da ima predstavitev interakcije med delci pomembno vlogo pri razumevanju opazovanega naravoslovnega procesa.

Slovenski učenci se v šestem razredu pri predmetu naravoslovje seznanijo z interakcijo med delci preko enostavnih submikroskopskih predstavitev agregatnih stanj snovi in njihovih sprememb (Devetak, 2012; Skvarč idr., 2011). Učitelji lahko interakcijo med delci predstavijo s pomočjo računalniške tehnologije (Bunce in Gabel, 2002), kar pripomore k izboljšanju

(19)

7

vizualizacijskih sposobnosti na submikroskopski ravni (Kelly in Jones, 2007). Vizualizacijski pristopi pripomorejo k ustreznejšemu razumevanju pojmov in s tem k zmanjšanju napačnih razumevanj pojmov (Wu idr., 2001), vendar je potrebno učence seznaniti s pomanjkljivostmi uporabljenih vizualizacijskih sredstev (Abell in Roth, 1995). Uporaba vizualizacijskih sredstev je pomembna pri obravnavi delčne zgradbe snovi, agregatnih stanj snovi in prehodov med njimi, saj imajo učenci težave pri razumevanju njihovih submikroskopskih predstavitev (Bahor, 2016; Devetak, Vogrinc in Glažar, 2009; Kind, 2004; Özmen, 2013; Tompa, 2016).

Najpogostejše napačno razumevanje kemijskega pojma agregatna stanja snovi na submikroskopski ravni se nanaša na poimenovanje zgradbe snovi na osnovi kontinuirnega in statičnega modela. Učenci namreč menijo, da med delci ni praznega prostora (Devetak, 2012).

Raziskava (Özmen, 2013) je potrdila, da so tradicionalne učne strategije manj uspešne pri oblikovanju ustreznega razumevanja pojma agregatna stanja snovi oziroma delčne narave snovi pri učencih. Učitelji pri tovrstnih pristopih za prikazovanje delcev (atomov, ionov in molekul) uporabljajo predvsem statične pristope in ponazarjajo delce s pikami ali krogi.

Učenci, stari od 12 do 13 let, imajo težave pri razumevanju razporeditve delcev v plinastem in trdnem agregatnem stanju snovi ter pri razumevanju gibanja delcev v posameznem agregatnem stanju (Boz, 2006). Učenci, stari 12 let, imajo razvita napačna razumevanja trdnega in tekočega agregatnega stanja snovi ter pri določanju velikosti delcev v vseh agregatnih stanjih. Delci v trdnem agregatnem stanju so po njihovem mnenju večji kot delci v plinastem oziroma tekočem stanju (Tatar, 2013).

Devetak (2005) je ugotovil, da slovenski učenci najustrezneje razumejo plinasto agregatno stanje snovi, najmanj ustrezno pa trdno agregatno stanje. M. P. Pereira in M. E. M. Pestana (1991) sta prišli do drugačnih ugotovitev, saj so bili učenci in dijaki, stari med 13 in 17 let, najbolj uspešni (71,0 %) pri prepoznavanju razporeditve delcev v trdnem agregatnem stanju snovi, medtem ko najmanj pri izbiri submikroskopske predstavitve tekočega agregatnega stanja (58,0 %). M. Bahor (2016) je ugotovila, da več kot 89,9 % učencev sedmega razreda izbere ustrezno submikroskopsko predstavitev za posamezno agregatno stanje vode. V raziskavi (Slapničar, Tompa idr., 2017) je bilo ugotovljeno, da učenci sedmega razreda osnovne šole najbolje utemeljujejo izbiro 3D dinamičnega SMR tekočega agregatnega stanja vode (19,4 %). Slapničar, Devetak idr. (2017) so prišli do ugotovitve, da je vseh pet učencev sedmega razreda osnovne šole, ki so sodelovali v kvalitativni raziskavi, izbralo ustrezen 3D dinamičen SMR trdnega, tekočega in plinastega agregatnega stanja vode, vendar nobeden izmed njih ni podal popolnoma ustreznih utemeljitev izbire. Te naj bi vključevale tako lastnosti gibanja kot tudi porazdelitve delcev. Največ delno pravilnih utemeljitev (večina utemeljitve je zapisana pravilno), vezanih na gibanje oziroma porazdelitev delcev, je bilo podanih pri tekočem agregatnem stanju (4/5 učencev), nekoliko manj pri trdnem (3/5 učencev), najmanj pa pri plinastem agregatnem stanju (2/5 učencev). Učenci, ki so podali delno pravilen odgovor pri nalogah, vezanih na trdno in tekoče agregatno stanje vode, so navedli zgolj primerjavo hitrosti gibanja delcev na vseh treh submikroskopskih predstavitvah.

Pri nalogi, vezani na plinasto agregatno stanje, sta učenca, ki sta odgovorila delno pravilno, zapisala, da se molekule gibljejo prosto oziroma najhitreje. Najpogostejša so bila ravno napačna razumevanja plinastega stanja, pri čemer so učenci trdili, da: (1) so molekule redke;

(2) so delci lahki in se lahko zmešajo z zrakom oziroma (3) da se molekule med seboj zaletavajo.

Rezultati raziskave (Slapničar, Tompa idr., 2017), v kateri je sodelovalo 31 učencev sedmega razreda osnovne šole, je pokazala, da so napačna razumevanja agregatnih stanj vode vezana tako na gibanje kot tudi porazdelitev delcev. Najpogostejša napačna razumevanja trdnega

(20)

8

agregatnega stanja vode so bila vezana na to, da se delci ne premikajo (29,0 %) oziroma, da se delci "premikajo" okoli svoje osi (12,9 %). Napačna razumevanja, vezana na sklepanje na makroskopske lastnosti trdne snovi na osnovi SMR (gibanje snovi) oziroma makroskopskih lastnosti trdne snovi delcev, razporeditev delcev v trdnem agregatnem stanju in število delcev so bila zelo redka, saj so se pojavljala pri 6,5 % učencev oziroma manj. 16,1 % učencev je imelo razvita napačna razumevanja, vezana na pripisovanje makroskopskih lastnosti snovi na podlagi SMR (voda v tekočem agregatnem stanju se premika). 9,7 % učencev je menilo, da se delci v tekočini gibljejo prosto. 19,4 % učencev je sklepalo na makroskopske lastnosti plina na osnovi SMR (gibanje snovi) oziroma je imelo težave pri razumevanju števila delcev v plinastem stanju.

Ugotovitve raziskave (Slapničar, Tompa idr., 2017) se skladajo z ugotovitvami raziskave (Pereira in Pestana, 1991), ki je pokazala, da imajo učenci težave pri razumevanju submikroskopske ravni predstavitve pri razlagi agregatnih stanj vode. 13-letniki so trdne snovi, tekočine in pline predstavili na makroskopski ravni, pri čemer so narisali kozarce, v katerih so označili gladino vode (tekoče agregatno stanje) oziroma so narisali kocke ledu (trdno agregatno stanje) in oblake (plinasto agregatno stanje). 39,0 % 13- in 14-letnikov je bilo mnenja, da se velikost delcev veča od trdnega, tekočega do plinastega agregatnega stanja vode. Kind (2004) meni, da so agregatna stanja snovi največkrat razložena na primeru vode, kar posledično vpliva na težave pri prenosu znanja na podobne primere.

Učenci imajo težave tudi pri razumevanju sprememb agregatnih stanj, saj menijo, da se pri tem spremenijo količina delcev in lastnosti delcev snovi, kar kaže na pripisovanje makroskopskih lastnosti snovi delcem. Pri segrevanju oziroma ohlajevanju snovi naj bi se segreli ali ohladili tudi delci snovi (Lee, Eichinger, Anderson, Berkheimer in Blakeslee, 1993). Do podobnih ugotovitev so prišli tudi v drugih raziskavah, saj so npr. učenci molekule v ledu poimenovali kot trdne molekule, medtem ko molekule v vodi kot tekoče molekule (Boz, 2006; Johnson, 1998; Lee idr., 1993; Tsitsipis, Stamovlasis in Papageorgiou, 2010). Po mnenju učencev naj bi se molekule vode zaradi sprememb agregatnih stanj razširile, skrčile, stalile oziroma izparele (Lee idr., 1993). Pri procesu zmrzovanja vode naj bi delci zmrznili oziroma se strdili, pri tem pa bi bile molekule vode trdne ali tekoče (Chiu, Chiu in Ho, 2002;

Özalp in Kahveci, 2015; Slapničar, Devetak idr., 2017; Tsitsipis idr., 2010; Tsitsipis, Stamovlasis in Papageorgiou, 2011). Pri avtentični problemski nalogi, vezani na zmrzovanje vode, je le 25,8 % učencev sedmega razreda izbralo ustrezno 3D dinamično SMR tega procesa. Največ napačnih razumevanj je bilo vezanih na to, da je na zgornjem delu submikroskopske predstavitve prikazan zrak kot makroskopski pojem in ne molekule vode, ki so razvidne iz 3D dinamičnega SMR (Slapničar, Tompa idr., 2017). Ti učenci razumejo proces zmrzovanja vode zgolj na makroskopski ravni. Do podobnih ugotovitev je prišel tudi Boz (2006), ki je ugotovil, da učenci, stari od 12 do 13 let, razumejo spremembe agregatnih stanj snovi le na makroskopski ravni.

Treagust idr. (2010) so ugotovili, da so le redki učenci iz 7. in 8. razreda sposobna razložiti spremembe agregatnih stanj snovi s pomočjo kinetične delčne teorije. Glede na rezultate raziskav je smiselno, da učitelji spodbujajo učence k oblikovanju odgovorov, vezanih na spremembe agregatnih stanj na submikroskopski ravni predstavitve (Boz, 2006).

Ugotovitve predhodno predstavljenih raziskav so pokazale, da imajo učenci razvita napačna razumevanja agregatnih stanj snovi in prehodov med njimi. Pri poučevanju je smiselno vključiti poskuse, s katerimi pripomoremo k izboljšanju njihovega razumevanja. To lahko dosežemo s pomočjo poskusa, pri katerem gibanje in razporeditev delcev v posameznem

(21)

9

agregatnem stanju predstavimo z ustreznim premikanjem kroglic v škatli. Z igro vlog lahko učenci predstavijo razporeditev in gibanje delcev v vseh agregatnih stanjih.

Prehode med njimi lahko predstavimo s pomočjo didaktičnih iger, preprostih modelov ter računalniških animacij, s čimer vplivamo na razumevanje agregatnih stanj snovi in prehodov med njimi (Pozderec Intihar in Glažar, 2011). Poleg navedenega je potrebno pri poučevanju agregatnih stanj snovi in prehodov med njimi upoštevati razvitost vizualizacijskih sposobnosti učencev in sposobnost formalnega mišljenja (Devetak, 2012).

Z odpravo nastalih napačnih razumevanj učitelji vplivajo na oblikovanje ustreznih mentalnih modelov kemijskih pojmov (Devetak idr., 2009; Stains in Talanquer, 2008). Chandrasegaran, Treagust in Mocerino (2007) menijo, da so učenčeve napačne ideje o pojmih pogosto odporne na ponovno razlago, saj lahko tudi po njej razvijejo le omejeno razumevanje pojmov. Mulford in Robinson (2002) trdita, da učenci zelo težko sprejmejo informacije, ki se ne ujemajo z obstoječim mentalnim modelom določenega pojma. To je povezano s teorijami kognitivne psihologije, ki pravijo, da učenci ne sprejemajo informacij, ki jih ne morejo povezati in integrirati v prej obstoječo kognitivno strukturo kot relevantnih (Osborne in Wittrock, 1985).

Posledica so slabša, nepopolna oziroma napačna razumevanja pojmov (Nakhleh, 1992).

Pogosto so napačna razumevanja kemijskih pojmov posledica napačno oblikovanih mentalnih modelov pri začetnem šolanju oziroma življenjskih situacijah. Napačna razumevanja pojmov vplivajo tudi na oblikovanje ustreznosti mentalnih modelov pojmov pri nadaljnjem šolanju (Lemma, 2013). Mnoga napačna razumevanja so posledica specifične terminologije kemijskega jezika pri obravnavi abstraktnih kemijskih pojmov, med katere sodita tudi pojma snov in delec (Barke, Hazari in Yitbarek, 2009).

Pri ugotavljanju ustreznosti razumevanja kemijskih pojmov se lahko uporablja: testiranje pojmov v učnem načrtu (Bunce in Gabel, 2002), dvodelne naloge izbirnega tipa z enim možnim odgovorom, pri katerih prvi del naloge vključuje izbiro odgovora, drugi del pa njegovo utemeljitev (Chandrasegaran idr., 2007) in risbe kot vizualizacijske predstavitve določenega pojma oziroma procesa na ravni delcev (Kern idr., 2010).

Za preprečevanje nastanka napačnih razumevanj je ključno spodbujanje interesa za učenje kemije. Uporaba različnih načinov poučevanja lahko vpliva na to, da tisti učenci, ki jih kemija ne zanima, spoznajo, da je ta pomemben del našega življenja. Enega izmed načinov poučevanja predstavlja učenje v kontekstu (Parchmann, Blonder in Broman, 2017), ki se osredotoča na pomen kemije v zgodovini in moderni družbi (Milanovic in Trivic, 2017), umetnosti (Potočnik in Devetak, 2018), industriji (Marion idr., 2017), itd.

VLOGA REPREZENTACIJ NA PODROČJU KEMIJSKEGA 2.4

IZOBRAŽEVANJA

Reprezentacije predstavljajo uporaben inštrument pri proučevanju učenja in poučevanja kemijskih vsebin (Kozma, Chin, Russell in Marx, 2000), saj omogočajo povezavo med vsemi tremi ravnmi predstavitve pojmov (Barke in Engida, 2001). Za ustrezno razumevanje reprezentacij je potrebno imeti določeno kemijsko znanje in razvite sposobnosti prostorske vizualizacije (Kozma in Russell, 1997). Paivio (1986) je z dvojno teorijo kodiranja predstavil pomen kognitivnih povezav pri kemijskih reprezentacijah med pojmovnim in vizualnim reprezentacijskim sistemom, ki so vključene v t.i. Paiviov model dvojne kodne teorije (slika 7). Pri prvi povezavi se pojmovni dražljaj, ki ga poda določen zunanji vir, razloži z individualno oblikovano verbalno reprezentacijo. Druga povezava vključuje sprejet vizualni dražljaj iz zunanjega vira ter posameznikovo vizualno reprezentacijo. Tretja povezava je

(22)

10

oblikovana s pomočjo verbalne in vizualne reprezentacije ter omogoča razvoj ustrezne mentalne predstave posameznika. Vizualni in pojmovni sistem sta med seboj ločena, vendar obenem medsebojno povezana. Informacija, ki je bila obdelana v enem izmed sistemov, sproži aktivnost v drugem sistemu, kar vpliva na boljše pomnenje kot v primeru, če bi bila obdelana zgolj v enem izmed sistemov.

Slika 7: Paiviov model dvojne kodne teorije (Wu idr., 2001).

Uporaba reprezentacij, imenovanih dinamične oziroma animirane submikroskopske predstavitve, vpliva na boljše razumevanje: (1) kemijskih pojmov v primerjavi s podajanjem s frontalno učno obliko ob uporabi učbenikov (Falvo, Urban in Suits, 2011; Limniou, Papadopoulos in Whitehead, 2009; Stern, Barnea in Shauli, 2008), (2) delčne narave snovi (Olakanmi, 2015) ter (3) gibanja delcev snovi in njihovega vpliva na lastnosti snovi (Sanger, 2000; Bunce in Gabel, 2002). Glede na rezultate raziskav (Sanger in Phelps, 2000; Yang, Andr in Greenbowe, 2003) so tovrstne reprezentacije veliko bolj primerne kot statične submikroskopske predstavitve, saj pozitivno vplivajo na razumevanje pojmov (Barak in Dori, 2005; Yezierski in Birk, 2006). Uporaba animiranih predstavitev in razlaga njihovih lastnosti (npr. barva, velikost) mora biti skrbno načrtovana, saj so te kompleksne za razumevanje (Falvo, 2008). Animacije lahko povzročijo tudi napačna razumevanja (Martin in Tversky, 2003), saj so učeči velikokrat mnenja, da barve in oblike vizualizacijskih elementov prikazujejo realno stanje, čeprav so običajno simbolične. Molekule so lahko npr.

predstavljene z različnimi, poljubno izbranimi oziroma dogovorjenimi barvami kroglic (Tasker, 2005).

Večina kompleksnih animacij lahko dokaj hitro preobremeni delovni spomin, ki je ključnega pomena pri procesiranju informacij (Sweller, 2004). Zato je pomembno, da pri razlagi animacij učitelji upoštevajo predznanje učencev in da njihovo pozornost preusmerjajo na temeljne lastnosti animacij (Mayer in Chandler, 2001). Ustrezno pripravljene animacije namreč vplivajo na doseganje želenega znanja (Mayer, 2003; Sweller, 1999). Za predstavitev posameznega pojma se lahko uporabi več reprezentacij, pri čemer je potrebno upoštevati posameznikove spretnosti in izkušnje z njihovo uporabo. Na začetku je najbolje uporabiti zgolj eno reprezentacijo, nato pa postopno povečevati njihovo število. Pri učenju z več reprezentacijami je pomembna razlaga povezave med njimi (Ainsworth, 2008).

(23)

11

PROCESIRANJE INFORMACIJ IN PROUČEVANJE 2.5

KOGNITIVNIH PROCESOV PRI REŠEVANJU PROBLEMOV

Več kot 80 % informacij je sprejetih in sprocesiranih preko vidnega kanala, kar pomeni, da je uporaba različnih vizualizacijskih sredstev pomembna pri oblikovanju strategij reševanja problemov (Chuang in Liu, 2011; Johnstone, 1982). Procesiranje informacij se prične s sprejemanjem informacij preko čutil, čemur sledi zbiranje informacij. Zbrane informacije so obdelane v delovnem spominu s pomočjo informacij, ki so bile predhodno shranjene v dolgoročnem spominu. Zmogljivost delovnega spomina je zelo pomembna pri fleksibilnosti kognitivnih procesov in hitrosti prenosa informacije v dolgoročni spomin (Baddeley, 2000;

Cowan, 2010; Dietrich, 2004).

Pri poučevanju kemije ima pomembno vlogo proučevanje kognitivnih procesov posameznika pri reševanju problemov. Pri reševanju realnih kemijskih problemov posameznik uporabi že oblikovan mentalni model v dolgoročnem spominu (Morrison in Chein, 2010; Woolfolk, 2002) ter nove informacije v delovnem spominu (Baddeley in Logie, 1999; Cowan, 1999).

Delovni spomin omogoča preusmerjanje pozornosti na relevantne informacije in zapostavljanje irelevantnih informacij za rešitev določenega problema (Baddeley, 2003;

Dietrich, 2004).

Kognitivne procese učencev je mogoče spremljati posredno pri reševanju problemov in drugih aktivnosti (hitrost in način reševanja). Eno izmed najbolj uporabljenih tehnik raziskovanja, s katero je mogoče neposredno proučevati kognitivne procese pri reševanju problemov, predstavlja sledenje očem z analizo posnetkov (ang. eye tracking), ki so pridobljeni z očesnim sledilcem. Očesni sledilec je naprava, ki omogoča sledenje očesnim premikom. Očesni premiki so tesno povezani s kognitivnimi procesi posameznika, pri čemer očesni sledilec omogoča njihovo objektivnejše spremljanje (Anderson, 2007; Rayner, 1998, 2009).

S pomočjo analize video dokumentacije, pridobljene z očesnim sledilcem, se lahko določi smer posameznikovega pogleda in točka v prostoru, ki ji je posameznik namenil svojo vizualno pozornost (Duchowski, 2007).

Očesni premiki dajo informacije o razporeditvi pozornosti preko sprejetih dražljajev. Premiki oči so večinoma sestavljeni iz hitrih rotacij očesnega zrkla (sakad) iz enega na drugo mesto oziroma med zaporednima fiksacijama ter iz obdobij relativnega mirovanja, pri katerih je pogled usmerjen na izbrano mesto v prostoru (fiksacij). V obdobju mirovanja poteka obdelava videnega v možganih (prav tam, 2007). Pri fiksacijah je mogoče določiti čas njihovega trajanja in njihovo število. Čas trajanja fiksacije (cca. 200–300 ms) je čas, v katerem je pogled usmerjen na točno določeno točko znotraj interesnega področja oziroma se nanaša na potek kognitivnih procesov, povezanih z informacijo, na katero je bil fiksiran pogled (Duchowski, 2002; Henderson, 2007; Just in Carpenter, 1976). Vzorec očesnih premikov posameznika je odvisen od težavnosti nalog, kar pomeni, da je čas trajanja fiksacij daljši pri zahtevnejših nalogah (Hang Vu, Tu in Duerrschmid, 2016). Skupni čas trajanja fiksacij (vsota trajanja fiksacij znotraj določenega interesnega področja) pomeni, koliko časa so posamezniki v celoti namenili fiksirani informaciji (Just in Carpenter, 1980; Rayner, 1998). Vsota vseh časov fiksacij znotraj določenega področja se uporablja za primerjavo porazdelitve pozornosti med določenimi lokacijami (Mello-Thoms, Nodine in Kundel, 2002). Daljši čas fiksacij pomeni težave pri določanju informacij proučevanega objekta oziroma več vloženega truda pri procesiranju informacij (Holmqvist idr., 2011; Rayner, 1998). Fiksacije, ki so skoncentrirane na manjše področje, predstavljajo bolj osredotočeno in učinkovito iskanje informacij (Cowen, Ball in Delin, 2002).

(24)

12

Število fiksacij pove, kolikokrat v celoti je bil pogled usmerjen na določeno interesno področje (Duchowski, 2002; Henderson, 2007; Just in Carpenter, 1976). Število fiksacij in čas njihovega trajanja dajeta informacije o tem, katero interesno področje je za posameznika najbolj zanimivo (Chuang in Liu, 2011). Število fiksacij je povezano s tem, koliko informacij lahko posameznik naenkrat procesira. Manjše število fiksacij na pomembno področje za rešitev problema v primerjavi s skupnim številom fiksacij pomeni manjšo učinkovitost iskanja informacij. Večje število skupnih fiksacij pomeni manj učinkovito iskanje določenih informacij (Goldberg in Kotval, 1999), medtem ko večje število fiksacij na določeno mesto pomeni njegovo večjo pomembnost od preostalih mest. Število fiksacij je linearno povezano s časom fiksacij. Dlje časa kot gledamo na določeno interesno področje, večje je število fiksacij na njem. Povezava med skupnim časom fiksacij in številom fiksacij ni enoznačna, ker imajo lahko nekateri posamezniki daljši čas trajanja fiksacij na določenem interesnem področju (Poole in Ball, 2005).

Poleg časa trajanja fiksacij in števila fiksacij je mogoče opredeliti tudi, kakšna je gostota fiksacij in sakad, s pomočjo katerih se lahko določi območje posameznikovega največjega interesa (Chuang in Liu, 2011). Gostoto fiksacij je mogoče prikazati s pomočjo toplotnega zemljevida (ang. heat map) (slika 8), pri čemer rdeča barva označuje največjo (največje število fiksacij in območja največjega interesa), rumena srednjo in zelena barva najmanjšo gostoto fiksacij (najmanjše število fiksacij in območja najmanjšega interesa) (Ferk Savec, Hrast, Devetak in Torkar, 2016).

Slika 8: Primer toplotnega zemljevida (Ferk Savec idr., 2016).

Testiranje z očesnim sledilcem je bilo uporabljeno v različnih študijah o reševanju problemov (Lai idr., 2013). Meritve očesnega sledilca dajejo vpogled v reševanje problemov pri uspešnih in neuspešnih posameznikih (Hegarty, Meier in Monk, 1995). Uspešnejši posamezniki več časa namenijo izbiri pravilnega odgovora kot določanju neustreznih odgovorov, kar je ravno obratno kot pri neuspešnih posameznikih (Tsai, Hou, Lai, Liu in Yang, 2011). Izboljšanje uspešnosti reševanja problemov je mogoče doseči s pomočjo uporabe vizualnih usmerjevalcev v učnem materialu, ki skrbijo za preusmerjanje učenčeve pozornosti na ustrezno mesto (Jamet, 2013).

Očesni sledilec je mogoče uporabiti tudi za ugotavljanje učenčevih strategij reševanja in za usmerjanje njegove pozornosti pri reševanju nalog izbirnega tipa. Učenci praviloma več časa namenijo izbiranju pravilnega odgovora kot določanju neustreznih odgovorov. Uspešnejši posamezniki porabijo več časa za določanje pomembnih kot nepomembnih dejavnikov za rešitev problemske naloge. Neuspešni posamezniki porabijo več časa za opazovanje

(25)

13

nepomembnih dejavnikov, saj imajo težave pri zagotovitvi pozornosti med samim reševanjem nalog (Meng-Jung, Huei-Tse, Meng-Lung, Wan-Yi in Fang-Ying, 2011). Poleg tega se neuspešni učenci bolj osredotočajo na makroskopske kot submikroskopske predstavitve (Cook, Wiebe in Carter, 2008).

Uporaba očesnega sledilca predstavlja uspešno metodo za proučevanje procesiranja informacij pri uporabi različnih vizualizacijskih sredstev (Ferk Savec idr., 2016; Hinze idr., 2013; Stieff, Hegarty in Deslongchamps, 2011). Torkar, Veldin, Glažar in Podlesek (2018) so prišli do ugotovitve, da se uspešni posamezniki (pravilna izbira 3D dinamičnega SMR in utemeljitev izbire) največ časa osredotočajo na pravilno submikroskopsko predstavitev, manj časa pa na napačno submikroskopsko predstavitev.

Uspešni učenci sedmega razreda, ki so izbrali ustrezen 3D dinamičen SMR procesa zmrzovanja vode, so prav tako v povprečju veliko več časa namenili področju ustrezne predstavitve kot neustreznih predstavitev. Neuspešni učenci so v povprečju dlje časa fiksirali pogled na področje napačne submikroskopske predstavitve, ki jih je večina izmed njih tudi izbrala (Slapničar, Tompa idr., 2017).

Pri raziskavah v kemijskem izobraževanju je značilna uporaba manjših vzorcev pri metodi očesnega sledilca, kar poleg kompleksnosti analize pridobljenih podatkov predstavlja tudi omejitev pri interpretaciji rezultatov raziskav (Dogusoy in Cagiltay, 2009).

(26)

14

3 RAZISKOVALNI PROBLEM, CILJI IN RAZISKOVALNA VPRAŠANJA

RAZISKOVALNI PROBLEM 3.1

Uporaba vizualizacijskih sredstev (reprezentacij) ima ključno vlogo pri oblikovanju ustreznega razumevanja kemijskih pojmov na vseh treh ravneh predstavitve. Ob ustrezni uporabi reprezentacij, imenovanih 3D dinamične SMR, te doprinesejo k razvoju ustreznega razumevanja kemijskih pojmov na submikroskopski ravni.

Pri proučevanju procesiranja informacij med reševanjem avtentičnih problemskih nalog, ki vključujejo 3D dinamične SMR, ima pomembno vlogo spremljanje očesnih premikov z očesnim sledilcem. S pomočjo meritev, vezanih na očesne premike, je mogoče določiti, kakšni sta hitrost procesiranja informacij in osredotočenost na določena interesna področja naloge pri uspešnih in neuspešnih učencih.

Raziskovalni problem je ugotoviti razumevanje 3D dinamičnih SMR agregatnih stanj vode in procesa zmrzovanja vode ter sublimacije vode na makroskopski in submikroskopski ravni pri učencih sedmega razreda osnovne šole.

Z raziskavo bo ugotovljeno tudi, kako uspešni in neuspešni učenci procesirajo informacije pri reševanju avtentičnih problemskih nalog, vezanih na agregatna stanja vode ter procesa zmrzovanja in sublimacije vode, oziroma na kateri ravni predstavitve kemijskih pojmov podajajo utemeljitve pri navedenih nalogah.

CILJI 3.2

Prvi cilj je ugotoviti, v kolikšni meri imajo učenci sedmega razreda razvito ustrezno razumevanje pojmov agregatna stanja vode in zmrzovanja vode na submikroskopski ravni ter sublimacije vode na makroskopski in submikroskopski ravni.

Drugi cilj je ugotoviti, kako se uspešni in neuspešni učenci razlikujejo med seboj pri procesiranju informacij oziroma razbiranju ključnih informacij iz 3D dinamičnih SMR med reševanjem nalog, vezanih na agregatna stanja vode ter procesa sublimacije in zmrzovanje vode.

Tretji cilj je ugotoviti, kakšna je pri reševanju avtentične problemske naloge, vezane na proces zmrzovanja vode, pri skupinah uspešnih in neuspešnih učencev porazdelitev gostote fiksacij na posameznih interesnih področjih.

RAZISKOVALNA VPRAŠANJA 3.3

1. Ali imajo učenci sedmega razreda osnovne šole razvita napačna razumevanja 3D dinamičnih SMR agregatnih stanj vode ter procesa zmrzovanja vode, in v primeru če jih imajo, kakšna so?

2. Na kateri ravni predstavitve kemijskih pojmov uspešni in neuspešni učenci sedmega razreda osnovne šole utemeljujejo izbiro 3D dinamičnih SMR agregatnih stanj vode ter procesa zmrzovanja vode?

(27)

15

3. Ali imajo učenci sedmega razreda osnovne šole razvita napačna razumevanja razlage procesa sublimacije vode na osnovi fotografij in 3D dinamične SMR, in v primeru če jih imajo, kakšna so?

4. Na kateri ravni predstavitve kemijskih pojmov (makroskopski, submikroskopski) uspešni in neuspešni učenci sedmega razreda osnovne šole utemeljujejo proces sublimacije vode?

5. Ali se med uspešnimi in neuspešnimi učenci sedmega razreda osnovne šole pojavljajo razlike v hitrosti procesiranja informacij pri reševanju avtentičnih problemskih nalog, vezanih na agregatna stanja vode ter procesa sublimacije in zmrzovanja vode?

6. Kakšna je povezanost med absolutnimi in relativnimi vrednostmi skupnega časa fiksacij in števila fiksacij na vseh 3D dinamičnih SMR agregatnih stanj vode, sublimacije in zmrzovanja vode pri uspešnih in neuspešnih učencih?

(28)

16

4 METODA DELA IN RAZISKOVALNI PRISTOP

V empirični raziskavi so bili uporabljeni kvantitativni raziskovalni pristop ter deskriptivna in kavzalna neeksperimentalna metoda pedagoškega raziskovanja.

VZOREC 4.1

Izmed 55-ih učencev sedmega razreda osnovne šole iz osrednjeslovenske regije, ki so reševali preizkus predznanja, je bilo izbranih 54,55 % učencev (30 učencev - 18 učencev in 12 učenk:

M = 12,23 let, SD = 0,43 let) z različnimi dosežki na preizkusu predznanja s področja naravoslovja (povprečna ocena - M = 3,20, SD = 1,10) za reševanje avtentičnih problemskih nalog ob uporabi očesnega sledilca. V neslučajnostni in namenski vzorec raziskave je bila zajeta mešana urbana populacija. Za sodelovanje udeležencev v raziskavi so bila pridobljena soglasja staršev, učiteljice naravoslovja in vodstva osnovne šole.

MERSKI INŠTRUMENT 4.2

Pred pričetkom raziskave so učenci sedmega razreda osnovne šole reševali preizkus predznanja, sestavljen iz 10 avtentičnih problemskih nalog s področja agregatnih stanj snovi (vode) in prehodov med njimi. Po njihovem ovrednotenju je bil izbran vzorec učencev za sodelovanje v nadaljnjem delu raziskave, v katerem je bil kot merski inštrument uporabljen preizkus znanja, ki so ga oblikovali trije visokošolski učitelji oktobra leta 2014.

Novembra leta 2015 je bila na Pedagoški fakulteti Univerze v Ljubljani izvedena pilotska raziskava ustreznosti problemskih nalog, v kateri je sodelovalo 8 učencev, 2 dijaka in 8 učiteljev na osnovni in srednji šoli. Učitelji so reševali preizkus znanja med predvajanjem zaslonskih slik nalog in sproti podajali komentarje, ki so bili posneti z avdiovizualnim sredstvom in kasneje transkribirani. Rešili so tudi anketni vprašalnik, ki je zajemal vprašanja, zastavljena na petstopenjski Likertovi lestvici, s katerimi je bilo mogoče podati mnenje o: (1) razumevanju navodil in vprašanj pri posamezni nalogi, (2) težavnosti nalog, (3)

»diskriminativnosti nalog« (ločevanje med učenci in dijaki z boljšim in slabšim znanjem naravoslovja) in (4) zanimivosti nalog za učence in dijake. Učenci in dijaka so rešili preizkus znanja, ki je bil nato tudi ovrednoten. Naloge so bile popravljene glede na komentarje in priporočila učiteljev ter odgovore učencev in dijakov.

Vsebinska veljavnost je bila določena s pregledom operativnih učnih ciljev v učnih načrtih za predmet naravoslovje. Ekonomičnost preizkusa znanja se kaže v njegovi dolžini (kratek) in hitrem ovrednotenju, saj vsebuje naloge kratkih odgovorov in dvodelne naloge izbirnega tipa (obrazložitev izbire 3D dinamičnih SMR v prvem delu izbirne naloge). Za naloge, obravnavane v raziskavi, je bila določena občutljivost merskega instrumenta v obliki indeksov težavnosti nalog. Preostale merske karakteristike preizkusa znanja (diskriminativnost, objektivnost in zanesljivost) niso vključene, ker v raziskavi ni bil uporabljen celoten preizkus znanja.

Preizkus znanja je sestavljen iz 10 avtentičnih problemskih nalog, ki preverjajo razumevanje:

agregatnih stanj vode (1. - 3. naloga), sublimacije vode (4. naloga), taljenja ledu (5. naloga), zmrzovanja vode (6. naloga), stiskanja zraka v tlačilki (7. naloga), dogajanja med odpiranjem steklenice mineralne vode (8. naloga), ovenitve rastline šmarne hrušice (9. naloga) in procesa raztapljanja sladkorja (10. naloga) na makroskopski in submikroskopski ravni. Naloge so bile

(29)

17

oblikovane v obliki več zaslonskih slik, ki so se med reševanjem preizkusa znanja predvajale na računalniškem zaslonu v powerpoint predstavitvi.

Vsaka naloga je bila razdeljena na naslednja interesna področja (IP): (1) besedilo naloge, (2) ponazoritev agregatnih stanj vode in procesov na makroskopski ravni (fotografije), (3) 3D dinamične SMR in (4) problemska vprašanja, ki se nanašajo na makroskopsko, submikroskopsko raven oziroma povezovanje obeh ravni.

Vse naloge so sestavljene iz večjega števila podnalog. Na koncu vsake izmed nalog so udeleženci podali oceno njihove zanimivosti (1 - prav nič zanimiva, 5 - izjemno zanimiva) in težavnosti (1 - zelo lahka, 5 - zelo težka) na petstopenjski lestvici.

V raziskavo magistrskega dela so bile vključene tri naloge, ki preverjajo razumevanje agregatnih stanj (1.–3. naloga) ter po ena naloga, ki preverja razumevanje sublimacije (4.

naloga) oziroma zmrzovanja vode (6. naloga) na makroskopski in submikroskopski ravni.

Naloge, vezane na agregatna stanja vode in proces zmrzovanja vode, zajemajo podnalogi z izbiro in utemeljitvijo izbire 3D dinamičnega SMR. Naloga, vezana na sublimacijo vode, vključuje tri podnaloge z vprašanji, ki preverjajo razumevanje navedenega procesa.

Za naloge, ki so bile vključene v raziskavo, je bila narejena specifikacijska tabela (tabela 2), v kateri so navedeni indeksi težavnosti nalog (It), vsebina, preverjani naravoslovni pojmi in raven njihove predstavitve, vrsta naloge in kognitivna stopnja po tristopenjski modificirani Bloomovi taksonomiji (1. stopnja - znanje, 2. stopnja - razumevanje in 3. stopnja - uporaba).

(30)

18

Tabela 2: Specifikacijska tabela dela preizkusa znanja.

Naloga/

naloge (It)

Preverjana vsebina

Preverjani naravoslovni pojmi in raven njihove predstavitve

Vrsta nalog(e)

Kognitivna stopnja 1.5

(0,95) 2.5 (0,90)

3.5 (0,95)

Trdne snovi Tekočine

Plini

 trdno agregatno stanje vode

 tekoče agregatno stanje vode

 plinasto agregatno stanje vode

 porazdelitev in gibanje delcev

 povezava med makroskopsko in submikroskopsko ravnjo (fotografije in 3D dinamične SMR agregatnih stanj)

naloge izbirnega tipa (izbira

SMR)

2. stopnja

1.6 (0,10)

2.6 (0,20)

3.6 (0,13)

Trdne snovi

Tekočine

Plini

 trdno agregatno stanje vode

 (manjša) medsebojna oddaljenost delcev

 nihanje, vibriranje delcev

 urejena zgradba snovi

 medsebojna povezanost delcev

 tekoče agregatno stanje vode

 (najmanjša) medsebojna oddaljenost delcev

 neurejena razporeditev delcev

 (večja) hitrost gibanja delcev

 plinasto agregatno stanje vode

 prosto gibanje delcev

 (največja) medsebojna oddaljenost delcev

 (največja) hitrost gibanja delcev

 submikroskopska raven

naloge kratkih odgovorov (utemeljitev izbire SMR)

3. stopnja

4.1 (0,53)

Nastanek slane

 sublimacija vode

 povezava med makroskopsko in submikroskopsko ravnjo

predstavitve procesa sublimacije vode (fotografije in 3D

dinamična SMR sublimacije vode)

naloga kratkih odgovorov

1. stopnja

4.2 (0,30)

Nastanek slane

 trdno in plinasto agregatno stanje vode

dinamičen SMR sublimacije vode)

2. stopnja

(31)

19 Naloga/

naloge (I_t)

Preverjana vsebina

 Preverjani naravoslovni pojmi in raven njihove predstavitve

Vrsta naloge

Kognitivna stopnja 4.3

(0,07)

Nastanek slane

 trdno in plinasto agregatno stanje vode

 porazdelitev in gibanje delcev pri procesu sublimacije

dinamičen SMR sublimacije vode)

3. stopnja

6.1 (0,15)

Zmrzovanje  zmrzovanje vode

 trdno, tekoče in plinasto agregatno stanje vode

 porazdelitev in gibanje delcev

 povezava med makroskopsko in submikroskopsko ravnjo procesa zmrzovanja vode (fotografija in 3D dinamični SMR)

naloga izbirnega tipa (izbira

SMR)

2. stopnja

6.2 (0,13)

Zmrzovanje  zmrzovanje vode

 nihanje, vibriranje delcev v trdnem agregatnem stanju vode

 porazdelitvi delcev v trdnem in tekočem agregatnem stanju vode (ločevanje)

 submikroskopska raven

naloga kratkih odgovorov (utemeljitev izbire SMR)

3. stopnja

Iz tabele 2 je razvidno, da so indeksi težavnosti pri vseh izbirnih nalogah, razen pri nalogi 6.1 z zmrzovanjem vode večji od 0,60. To pomeni, da so naloge prelahke (Gregory, 1992). Pri nalogah z utemeljitvami bi morali biti indeksi težavnosti med 0,50 in 0,80 (prav tam, 1992), vendar so pri vseh nalogah, razen pri nalogi 4.1 veliko manjši, kar pomeni, da so naloge pretežke. Iz rezultatov sledi, da imajo učenci ustrezno vizualno predstavitev razporeditve in gibanja delcev v posameznih agregatnih stanjih, vendar svoje izbire ne znajo utemeljiti.

MERITVE OČESNEGA SLEDILCA 4.3

Med reševanjem problemskih nalog so bili očesni premiki na desnem očesu (monokularno zbiranje podatkov s sledenjem odsevu roženice in zenice) zasledovani z očesnim sledilcem Eye Link 1000 (35 mm leče, horizontalna orientacija) pri frekvenci vzorčenja očesnih premikov 500 Hz. Določeni so bili časi trajanja določenih očesnih premikov (fiksacije, sakade) in njihovo število ter velikost zenice in lokacija pogleda udeleženca na posameznem IP.