HĽADANIE, ANALÝZA A MOŽNOSTI ODSTRAŇOVANIA CHYBNÝCH PREDSTÁV VO FYZIKÁLNOM VZDELÁVANÍ NA TECHNICKÝCH UNIVERZITÁCH Peter Hockicko Katedra fyziky, Elektrotechnická fakulta, Žilinská univerzita v Žiline Ivana Rochovská Inštitút Juraja Páleša v Levoči, Pedagogická fakulta, Katolícka univerzita v Ružomberku Abstrakt: Mnohokrát sa pri rozhovoroch so študentami v rámci vysokoškolského základného kurzu z fyziky stretávame nie s newtonovskými predstavami, ale s tzv. aristotelovským chápaním fungovania sveta. V prvom rade je potrebné dané predstavy najskôr detekovať, analyzovať ich spolu so študentami a na základe experimentov a výsledkov z nich vyplývajúcich poopraviť chybné predstavy o fungovaní sveta okolo nás. Predkladaný príspevok sa zaoberá analýzou predstáv študentov na začiatku semestra a na konci po zhliadnutí videoexperimentov, prináša prvé výsledky z testovania predstáv študentov a naznačuje možnosti korigovania chybných predstáv. Kľúčové slová: testovanie predstáv študentov, miskoncepcie, videopríklady, Úvod Čo spôsobuje sila pôsobiaca na guľôčku, pohyb alebo zmenu pohybu? Čím bude väčšia sila pôsobiaca na guľôčku, tým bude vyššia jej rýchlosť alebo zmena rýchlosti? Aristotelova alebo Newtonova predstava chápania sveta je tá správna? Väčšina študentov má svoju predstavu. O tom, či je správna alebo nie, dá sa jednoducho presvedčiť experimentom. Aby sme však dokázali odstraňovať chybné predstavy, je potrebné ich najskôr nájsť, diskutovať spolu so študentami, prečo si to myslia a následne ponúknuť študentom experiment, ktorý potvrdí alebo vyvráti ich predstavu. Niekedy nie je možné pre krátkosť času realizovať experimenty na prednáškach, a preto ako vhodná alternatíva sa javia videoexperimenty, ktoré má učiteľ vopred pripravené a po analýze problému ich prezentuje študentom. (Aj v tomto prípade realizácia skutočného experimentu je ničím nezameniteľná, hlavne, keď aktérmi samotného experimentu sú učiaci sa študenti.) Obrazové fyzikálne úlohy korešpondujúce s reálnym životom sú pre študentov motivujúcim prvkom a pomáhajú rozvíjať jeho kreativitu (Chovancová, 2007, 2013, Baník 2008). Moderné interaktívne metódy s využitím učebných pomôcok vo forme multimediálneho DVD vo výuke (Krišťák a kol., 2013), či projektové vyučovanie, kde sa na vyučovaní vo vzájomnej interakcii aktívne podieľajú učiteľ i žiaci (Valovičová a kol., 2012), zvyšujú efektívnosť vyučovacieho procesu a pomáhajú vo vytváraní správneho obrazu o reálne fungujúcom svete. Mnohí pedagógovia a vedeckí pracovníci považujú za potrebné začať s motiváciou k prírodovednému vzdelávaniu už v predprimárnom a primárnom vzdelávaní (Rochovská, 2012). Kým v predprimárnom vzdelávaní ide o osvojovanie základov prírodovednej gramotnosti, od primárneho vzdelávania sa táto kompetencia u žiakov už systematicky rozvíja (Kopáčová, 2012). Ak sa nerozvinú základy prírodovednej gramotnosti v tomto období, majú žiaci ťažkosti pri riešení prírodovedných úloh na vyšších stupňoch škôl, prípadne vo vysokoškolskom štúdiu. Množstvo výskumov dnes potvrdzuje, že študenti nedisponujú dostatočnou úrovňou prírodovednej gramotnosti. Medzinárodná štúdia PISA prezentuje, že úroveň prírodovednej gramotnosti slovenských žiakov na konci povinnej školskej dochádzky je podpriemerná (Rochovská, 2012). Na to, aby sme odhalili, ktoré javy študenti chápu nesprávne, bol na začiatku semestra pripravený pre test, kde sme študentom položili niekoľko otázok (v prílohe). Následne boli vytvorené dve skupiny študentov, pričom prvá (kontrolná) realizovala semester štandardným spôsobom (povinné 126
výpočtové cvičenia realizované numerickým rátaním príkladov) a druhá (experimentálna) realizovala semester neštandardným spôsobom (miesto numerických cvičení študenti používali videoanalýzy v počítačovej miestnosti), pričom prednášky boli nepovinné a voľne prístupné pre obe skupiny. Na konci semestra bol realizovaný post test. Videoanalýzy reálnych dejov Pre lepšie pochopenie fungovania javov okolo nás a ich fyzikálnu analýzu bola vytvorená sada videoexperimentov (Hockicko a kol., 2011). Dané videá boli v priebehu semestra analyzované kontrolnou skupinou využitím programu Tracker. Jedna z úloh, ktorá robila študentom problémy pri správnej interpretácii, znela: Zvislo nahor vyhodíme loptu. Zakreslite všetky sily, ktoré na loptu pôsobia, keď 1) lopta letí zvislo nahor, 2) lopta je v najvyššej polohe a keď 3) lopta padá nadol (odpor vzduchu zanedbajte). Pomôcť opraviť chybné predstavy študentov pri analýze síl pôsobiacich na pohybujúcu sa loptu pomohol program Tracker a analýza videozáznamu vyhodenej lopty v jednotlivých časových intervaloch (30 fps). Obr. 1: Pracovné okno programu Tracker a grafy časových závislosti y ovej zložky zrýchlenia, hybnosti a rýchlosti. Ak si študenti uvedomia, že sila pôsobiaca na loptu súvisí so zmenou hybnosti, je možné z časovej závislosti hybnosti na čase určovať veľkosť sily v každom okamihu pohybujúcej sa lopty. Z časovej závislosti zrýchlenia študenti zase vidia, kedy odchádza k nárastu zrýchlenia, a teda aj pôsobiacej sily na loptu. Spôsob, ktorý si študent zvolí pre zodpovedanie nastolenej otázky, je na ňom samotnom, či už je to cez analýzu zmeny hybnosti alebo zrýchlenia na čase. 127
Testovanie predstáv študentov Na začiatku bol vytvorený test (časť v prílohe), ktorý bol kombináciou viacerých testov (FCI, test prírodovednej gramotnosti OECD). (Keďže FCI testy nie sú voľne prístupné (ale dajú sa zohnať na požiadanie autorského kolektívu), v ďalšej časti príspevku ich neuvádzame.) Zo škály 12 otázok, ktoré obsahoval pre test aj post test vyberáme niektoré pre ďalšiu analýzu (celé znenie úloh aj s obrazovým podkladom je v prílohe): Úloha7: Vyznačte, ktorý pracovník využil pri zdvíhaní nákladu (rovnakej hmotnosti) menšiu silu. Svoju odpoveď zdôvodnite. Ako vyplynulo z odpovedí študentov: druhý robotník použil menšiu silu, lebo použil kladku takto odpovedalo v pre teste takmer 94 % (z 97 opýtaných) študentov študujúcich v prvom ročníku v letnom semestri na Stavebnej fakulte a v zimnom semestri na Fakulte prevádzky, ekonomiky, dopravy a spojov Žilinskej univerzity. Len 6% z opýtaných študentov experimentálnej skupiny odpovedalo na danú otázku správne. Úloha 9: Ako by sa dieťa s dospelým mohli pohojdať na hojdačke znázornenej na obrázku? Napíšte alebo načrtnite a zdôvodnite svoje riešenie. Úloha 10: Na hojdačke sedia dieťa (menšej hmotnosti) s dospelým (väčšej hmotnosti). Údaje o hmotnosti osôb a dĺžke ramien sú naznačené na obrázku. Zostane hojdačka v rovnováhe, alebo niektoré rameno klesne? Ak áno, ktoré? Svoju odpoveď zdôvodnite. Ako vyplynulo z odpovedí študentov, niektorí z nich si ešte pamätajú hojdanie z detských čias a na základe ich doterajších životných skúseností správne posúdili, kde treba dotyčné osoby usadiť, aby sa mohli pohojdať: na otázku 9 správne odpovedalo 78 % (kontrolná) a 88 % (experimentálna skupina) študentov. Avšak, ako sa ukázalo pri riešení úlohy č. 10, daná životná skúsenosť už bola nepostačujúca na vyriešenie daného problému a pre správne vyriešenie bolo potrebné použiť matematiku a znalosti z fyziky preto bol aj percentuálny podiel správnych odpovedí nižší (20 (54) %). Úloha 11: V ktorom prípade pri premiestňovaní skrine po podložke využijeme menšiu silu? Na danú otázku na začiatku semestra odpovedali správne len 3% opýtaných v experimentálnej skupine (0 % v kontrolnej). Úloha 12: Kto vynakladá väčšiu silu pri ťahaní saní do kopca, dieťa alebo dospelý? Svoju odpoveď zdôvodnite? Prečo dospelý? Lebo rozráža vzduch, robí koľaje, je ťažší aj takéto odpovede sa našli pri vysvetleniach študentov. Správne na túto otázku na začiatku semestra odpovedalo len 35 (39) % študentov. V priebehu semestra boli s kontrolnou skupinou realizované videoanalýzy, s niektorými aj PhET simulácie, boli pripravené videoexperimenty k niektorým otázkam, ktoré boli prezentované na prednáškach (budú zverejnené aj na www). Na konci semestra bol uskutočnený ten istý pos test a pre porovnanie výsledky kontrolnej aj experimentálnej skupiny sú uverejnené v tabuľke. Tab 1: percentuálna úspešnosť študentov v pre a post testoch. Otázka č./ percent. úspešnosť [%] 5 6 7 8 9 10 11 12 celk. Pre test (kontrolná skupina) 87,23 40,43 0,00 92,98 78,46 20,00 0,00 35,38 37,33 Post test (kontrolná skupina) 96,49 47,37 7,02 93,85 94,74 47,37 8,77 50,88 40,64 Pre test (experimentálna skupina) 95,52 53,73 5,97 92,54 88,06 53,73 2,99 38,81 40,17 Post test (experimentálna skupina) 95,59 64,71 30,88 92,65 100,00 82,35 48,53 62,12 64,39 128
Ak možno z tabuľky 1 vidieť, na konci semestra nastal percentuálny nárast aj v kontrolnej aj v experimentálnej skupine v porovnaní s pre testom na začiatku semestra. Avšak porovnaním samotných výsledkov kontrolnej a experimentálnej skupiny pre jednotlivé otázky možno konštatovať, že vyšší percentuálny nárast nastal v experimentálnej skupine vo väčšine otázok. Celkovo možno úspešnosť pre a post testu v kontrolnej a experimentálnej skupine zhodnotiť nasledovne: 37% (pre test), 41% (post test kontrolná skupina), 40% (pre test), 64% (post test experimentálna skupina). Záver Ako poukazujú prvé výsledky nášho prieskumu, videoanalýzy a videoexperimenty výraznejšie vplývajú na vedomostnú úroveň študentov v porovnaní s tradičným spôsobom riešenia numerických úloh. V budúcnosti však bude potrebné zamyslieť sa aj nad otázkami, kde nárast v kontrolnej skupine bol vyšší v porovnaní s experimentálnou skupinou. Na fixovanie nadobudnutých vedomostí študentov odporúčame poskytnúť im ďalšie nešpecifické úlohy, v ktorých by mohli tieto vedomosti ďalej uplatniť pri riešení úloh z bežného života, a tak si rozvíjať prírodovednú gramotnosť, predovšetkým z aspektu pochopenia úlohy vedy a technológie v spoločnosti. Poďakovanie Táto práca bola podporovaná Slovenskou grantovou agentúrou KEGA na základe zmluvy č. 002KU 4/2011 a 035ŽU 4/2012. Literatúra [1] BANÍK, I. a kol. 2008. Fyzika netradične 2. 3.vyd. Bratislava: STU Bratislava, 2008. 411 s. ISBN 978 80 227 2962 8 [2] HESTENES, D. WELLS, M. SWACKHAMER, G. 1992. Force Concept Inventory. In: The Physics Teacher, Vol. 30, March 1992, 141 158. ISSN 0031 921X [3] HOCKICKO, P. KÚDELČÍK, J. JAMNICKÝ, I. 2011. Základy fyziky elektronický materiál k videoanalýze fyzikálnych dejov. Žilina: Žilinská univerzita, ISBN 978 80 554 0431 8 dostupné na:<http://fyzika. uniza.sk/sk/zaklady> [4] CHOVANCOVÁ, M. 2007. Fyzika v obrazových úlohách. 1.vyd. Bratislava: Príroda, 2007. 120 s. ISBN 978 80 07 01573 9 [5] CHOVANCOVÁ, M 2013. Popularization of Physics and Motivational Pictorial Task. In: International Journal of Education and Research, Vol. 1 No. 5. ISSN: 2201 6333 [6] KOPÁČOVÁ, J. 2012. Kompetencie študentov učiteľstva pre primárne vzdelávanie na vyučovanie prírodovedy. In: Prídavková, A. Klimovič, J. (eds.) Komplexnosť a integrita v predprimárnej, primárnej a špeciálnej edukácii. Prešov: Prešovská univerzita v Prešove, 2012, 643 647. ISBN 978 80 555 0664 7 [7] KRIŠŤÁK, Ľ. NĚMEC, M. STEBILA, J. DANIHELOVÁ, Z. 2013. Interactive P&E Method in Teaching Physics at Secondary Schools. In: Journal of Technology and Information Education, Vol. 5, No. 1, pp. 42 49. ISSN 1803 537X [8] KROŠŇÁKOVÁ, P. (ed.) 2008. Prírodné vedy. Úlohy 2006. Bratislava: Štátny pedagogický ústav, 2008. ISBN 978 80 89225 42 2 [9] KRUPOVÁ, I. 2009. Rozvíjanie prírodovednej gramotnosti žiakov 1. stupňa ZŠ s využívaním metód riadeného objavovania. In: Pedagogika, Vol. LIX 2009, No. 3, pp. 259 268. ISSN 0031 3815 129
[10] ROCHOVSKÁ, I. 2012. Formovanie prírodovednej gramotnosti študentov odboru predškolská a elementárna pedagogika. Ružomberok: Verbum, 2012. 267 s. ISBN 978 80 8084 859 0 [11] VALOVIČOVÁ, Ľ. JAKABOVÁ, S. a kol. 2012. Prírodovedné vzdelávanie formou projektového vyučovania. Nitra : FPV UKF v Nitre, 2012. 193 s. ISBN 978 80 558 0149 0 [12] web PhET: http://phet.colorado.edu/ [13] program Tracker: http://www.cabrillo.edu/~dbrown/tracker [14] videopríklady: http://hockicko.uniza.sk/priklady/videopriklady.htm Adresa autorov Doc. PaedDr. Peter Hockicko, PhD. Katedra fyziky, Elektrotechnická fakulta, Žilinská univerzita Univerzitná 8215/1 010 26 Žilina E mail: hockicko@fyzika.uniza.sk http://hockicko.uniza.sk, http://duef.uniza.sk PaedDr. Ivana Rochovská, PhD. Inštitút Juraja Páleša v Levoči, Pedagogická fakulta, Katolícka univerzita v Ružomberku Bottova 15 054 01 Levoča E mail: ivana.rochovska@ku.sk, ikrupova@gmail.com http://www.ijp.sk/sk/ Príloha: (prvé 4 otázky z testu sú na žiadosť autorov FCI testov vynechané) 5) Nasledujúce grafy znázorňujú priemernú rýchlosť vetra v priebehu roka na štyroch rôznych miestach. Ktorý z grafov predstavuje najvhodnejšie miesto na vybudovanie veternej elektrárne? (Krošňáková, 2008, s. 35). 6) Čím je vietor silnejší, tým rýchlejšie sa listy vrtule veternej elektrárne otáčajú a tým viac elektrickej energie sa vyrobí. V reálnom prostredí však neexistuje priama súvislosť medzi rýchlosťou vetra a elektrickou energiou. Nižšie sú uvedené štyri podmienky, za ktorých v reálnom prostredí prebieha výroba elektriny pomocou vetra. Listy vrtule sa začnú otáčať, keď rýchlosť vetra dosiahne hodnotu V1. Z bezpečnostných dôvodov sa rýchlosť otáčania listov vrtule nebude zvyšovať, ak rýchlosť vetra dosiahne hodnotu vyššiu ako V2. Výroba elektrickej energie dosahuje maximum (W), keď je rýchlosť vetra V2. 130
Listy vrtule sa prestanú otáčať, keď rýchlosť vetra dosiahne hodnotu V3. Ktorý z nasledujúcich grafov najlepšie vyjadruje vzťah medzi rýchlosťou vetra a elektrickou energiou vyrobenou za daných podmienok? (Krošňáková, 2008, s. 35, 36). 7) Vyznačte, ktorý pracovník využil pri zdvíhaní nákladu (rovnakej hmotnosti) menšiu silu. Svoju odpoveď zdôvodnite. (Rochovská, 2012, s. 262). A. B 8) Ktorý bezbariérový prístup ku dverám by ste si vybrali, aby ste vyšli s pôsobením menšej sily? (Rochovská, 2012, s. 263). A. B. 9) Ako by sa dieťa s dospelým mohli pohojdať na hojdačke znázornenej na obrázku? Napíšte alebo načrtnite a zdôvodnite svoje riešenie. (Rochovská, 2012, s. 263). 131
10) Na hojdačke sedia dieťa (menšej hmotnosti) s dospelým (väčšej hmotnosti). Údaje o hmotnosti osôb a dĺžke ramien sú naznačené na obrázku. Zostane hojdačka v rovnováhe, alebo niektoré rameno klesne? Ak áno, ktoré? Svoju odpoveď zdôvodnite. (Rochovská, 2012, s. 263). 11) V ktorom prípade pri premiestňovaní skrine po podložke využijeme menšiu silu? (Rochovská, 2012, s. 263). A. B. C. 12) Kto vynakladá väčšiu silu pri ťahaní saní do kopca, dieťa alebo dospelý? Svoju odpoveď zdôvodnite? (Rochovská, 2012, s. 263). 132