ΤΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ ΣΕ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ: ΤΑ ΝΟΗΤΙΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ ΜΑΘΗΤΩΝ ΤΟΥ ΛΥΚΕΙΟΥ ΚΑΙ ΦΟΙΤΗΤΩΝ ΤΟΥ ΠΤΔΕ

Transcript

1 ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΚΟΥΝΤΟΥΡΙΩΤΗΣ ΤΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ ΣΕ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ: ΤΑ ΝΟΗΤΙΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ ΜΑΘΗΤΩΝ ΤΟΥ ΛΥΚΕΙΟΥ ΚΑΙ ΦΟΙΤΗΤΩΝ ΤΟΥ ΠΤΔΕ Μεταπτυχιακή Εργασία Ειδίκευσης που υποβλήθηκε στο πλαίσιο του Προγράμματος Μεταπτυχιακών Σπουδών «Επιστήμες της Αγωγής» του Παιδαγωγικού Τμήματος Δημοτικής Εκπαίδευσης του Δημοκρίτειου Πανεπιστημίου Θράκης Αλεξανδρούπολη, χειμερινό εξάμηνο 2006

2 GEORGIOS KOUNTOURIOTIS ELECTRIC CURRENT IN A MICROSCOPIC LEVEL: MENTAL MODELS OF STUDENTS OF AGES 16 TO 18 AND FUTURE TEACHERS OF ELEMENTARY SCHOOLS Postgraduate Specialization Thesis which was submitted in the framework of the Postgraduate Studies Program Sciences of Education of the Teachers Training Department of the Democritus University of Thrace Alexandroupoli, spring semester of

3 Επιβλέπων στην εργασία αυτή ήταν ο κ. Παύλος Μίχας Αναπληρωτής Καθηγητής του Παιδαγωγικού Τμήματος Δημοτικής Εκπαίδευσης του Δημοκρίτειου Πανεπιστημίου Θράκης. Στην εξεταστική επιτροπή συμμετείχαν οι: κ. Παύλος Μίχας Αναπληρωτής Καθηγητής κ. Γεώργιος Παπαγεωργίου Καθηγητής κ. Χαράλαμπος Σακονίδης Αναπληρωτής Καθηγητής όλοι μέλη ΔΕΠ στο ΠΤΔΕ του ΔΠΘ 3

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ...4 ΠΡΟΛΟΓΟΣ...5 ABSTRACT...6 KEY WORDS...6 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ...7 ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑΣ...10 Σχετικά με τα νοητικά μοντέλα...10 Σχετικά με τα ηλεκτρικά κυκλώματα...12 Σχετικά με τη δομή των αγωγών και την αγωγιμότητα...18 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΕΠ ΚΑΙ ΤΩΝ ΕΕ...20 ΕΞΗΓΗΣΗ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑΣ...21 ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΤΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ...23 Σχετικά με τα μικροσκοπικά μοντέλα της ύλης...23 Σχετικά με το ρόλο των επιφανειακών φορτίων...26 Σχετικά με τα Αναλυτικά Προγράμματα και τα σχολικά βιβλία...30 Παρουσίαση αποτελεσμάτων μαθητών...32 Παρουσίαση αποτελεσμάτων φοιτητών...53 ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...77 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...81 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α Το πρωτόκολλο της συνέντευξης των μαθητών και τα σχήματα...85 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β Οι απαντήσεις των μαθητών...91 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ Οι ερωτήσεις και απαντήσεις των φοιτητών ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Δ Αποσπάσματα Αναλυτικών Προγραμμάτων ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ε Αποσπάσματα βιβλίων ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΣΤ Άδειες για τη διεξαγωγή της έρευνας

5 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η εργασία αυτή οφείλει πολλά στον επιβλέποντα καθηγητή κ. Π. Μίχα για την υπόδειξη του θέματος, τη βοήθεια και την καθοδήγηση του σε όλη τη διάρκεια της συγγραφής. Από τη θέση αυτή θα ήθελα να τον ευχαριστήσω. Θα ήθελα να ευχαριστήσω ακόμη τα υποκείμενα της έρευνας δηλαδή τους φοιτητές που συμμετείχαν απαντώντας πρόθυμα στα ερωτηματολόγια και τους μαθητές που πήραν μέρος στις συνεντεύξεις δαπανώντας μέρος του χρόνου τους. Και βέβαια, τους γονείς τους για την άδεια που μου έδωσαν ώστε τα παιδιά τους να πάρουν μέρος στην έρευνα. Η οργάνωση των συνεντεύξεων δεν θα ήταν δυνατή χωρίς τη βοήθεια των συναδέλφων εκπαιδευτικών κλάδου ΠΕ04 Φυσικών, ενός Λυκείου του Νομού Καβάλας που μου παραχώρησαν την αίθουσα του εργαστηρίου των φυσικών επιστημών του σχολείου τους. Δυστυχώς, για δεοντολογικούς λόγους που έχουν να κάνουν με την ανωνυμία των υποκειμένων της έρευνας δεν μπορώ να αναφέρω τα ονόματά τους. Θα ήθελα επίσης να πω ευχαριστώ προς όλους τους καθηγητές μου στο Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών γιατί οι συζητήσεις που είχαμε σε όλη τη διετή διάρκεια των σπουδών μου, ήταν για μένα πηγή γόνιμου προβληματισμού για τα θέματα της εκπαίδευσης και την εκπαιδευτική ερευνητική πρακτική. Τέλος, επειδή καθόλη τη διάρκεια των σπουδών μου είχα εκπαιδευτική άδεια από το Υπουργείο Παιδείας που με βοήθησε να αφοσιωθώ στη μελέτη μου, στον φορέα αυτό εκφράζω επίσης τις ευχαριστίες μου. 5

6 ABSTRACT In this dissertation, I present the findings of a qualitative research study which had three goals. The first one was to gather alternative ideas and describe mental models of Greek students of upper secondary education and perspective teachers of Greek elementary schools about electric current especially in the microscopic level. The second one was to collect the descriptions of the corresponding scientific models from textbooks of tertiary education. The third one was to gather the references to the subject of the Greek National Curriculum of elementary and secondary education and of the textbooks used in Greek schools. The final objectives were to judge and comment on the simplifications and omissions of school science models for the subject and to find differences, if they exist, between what is being taught and what is being learned by the students. Electric current Microscopic level Mental models Students alternative ideas KEY WORDS 6

7 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ Σύμφωνα με την εποικοδομητική προσέγγιση για την μάθηση, οι μαθητές ενεργά κατασκευάζουν τη γνώση ξεκινώντας από αυτό το οποίο ήδη γνωρίζουν (Piaget) και η κοινωνική και πολιτισμική διάσταση σ αυτή τη διαδικασία είναι σημαντικές. (Vygotsky) Αυτό που ήδη γνωρίζουν οι μαθητές αποτελεί ένα εναλλακτικό εννοιολογικό πλαίσιο το οποίο περιορίζει τη σκέψη τους και μερικές φορές δρα ως εμπόδιο στην εκμάθηση των επιστημονικών μοντέλων. Είναι γνωστή η συμβουλή του Aussubel προς τους δασκάλους «εξακριβώστε τι γνωρίζει ήδη ο μαθητευόμενος κα διδάξτε ανάλογα.» Τα νοητικά μοντέλα των μαθητών είναι λειτουργικές αναπαραστάσεις μέσω των οποίων οι μαθητές κατανοούν και αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον τους. (Greca & Moreira, 2001) Πριν την τυπική διδασκαλία αλλά και μετά από αυτή οι μαθητές κατασκευάζουν νοητικά μοντέλα για να κατανοήσουν το περιβάλλον τους. Συνήθως τα μοντέλα αυτά δεν ταυτίζονται με τα επιστημονικά και το ζητούμενο για τη διδασκαλία είναι να τα αλλάξει. Η εννοιολογική κατανόηση (σε αντίθεση με την μηχανιστική μάθηση) μπορεί να επιτευχθεί μόνο όταν ο μαθητευόμενος είναι σε θέση να συσχετίσει τη νέα γνώση με την υπάρχουσα. Αυτό δεν είναι δυνατό όταν ο μαθητής δεν διαθέτει τις κατάλληλες εννοιολογικές δομές. Προκύπτει έτσι το φαινόμενο οι εναλλακτικές ιδέες των μαθητών να μην αλλάζουν εύκολα και να «αντιστέκονται» στην προσπάθειες των δασκάλων να τις αντιμετωπίσουν. Η επιστημονική γνώση αποτελεί ένα έγκυρο σώμα γνώσεων που διαφέρει από εποχή σε εποχή ή καλύτερα από Παράδειγμα σε Παράδειγμα (με την κατά Kuhn έννοια) και αντλεί τη νομιμοποίησή του από την ικανότητά του να αντιστέκεται στη διάψευση (άποψη που οφείλουμε στον Popper) αλλά και από το κύρος αυτών που το υποστηρίζουν. (άποψη των Kuhn και Feyraband) Η σχολική επιστήμη είναι ένα σώμα γνώσεων που προκύπτει απλοποιώντας την επιστημονική γνώση έτσι ώστε να μπορεί να κατανοηθεί από τους μαθητές. 7

8 Είναι ο ενδιάμεσος που αναμένεται να οδηγήσει τους μαθητές στην επιστημονική γνώση ή έστω στην προσέγγισή της. Ένα από τα ζητούμενα της Εκπαίδευσης στις Φυσικές Επιστήμες είναι ακριβώς να βρεθεί αυτό το επιθυμητό επίπεδο απλοποίησης αυτής της γνώσης. Δυστυχώς, αυτό είναι δύσκολο να βρεθεί και απαιτεί εμπειρική έρευνα σε κάθε γνωστικό αντικείμενο που θα δικαιώσει ή θα απορρίψει επιλογές μετά την δοκιμή και την αξιολόγησή τους στην πράξη. Τα παραπάνω μας οδηγούν στο συμπέρασμα ότι για μια αποτελεσματική διδασκαλία ο δάσκαλος πρέπει να γνωρίζει τα επιστημονικά μοντέλα, τα εννοιολογικά μοντέλα που περιλαμβάνονται στα Αναλυτικά Προγράμματα και τα νοητικά μοντέλα των μαθητών για τα αντικείμενα που πρόκειται να διδάξει. Αυτό θα του επιτρέψει να σχεδιάσει διδακτικές παρεμβάσεις που θα αποτελέσουν τη σκαλωσιά (όρος δανεισμένος από τη Vygotskian οπτική) πάνω στην οποία θα στηριχθούν οι μαθητές για να οδηγηθούν (τελικά) στα επιστημονικά μοντέλα. Επίσης, ιδιαίτερα σημαντικό φαίνεται να είναι για το δάσκαλο το σχήμα εξέλιξης των νοητικών μοντέλων των μαθητών. Στο σημείο αυτό πρέπει να σημειώσουμε ότι υπάρχει μια τάση σύγκλισης δύο ξεχωριστών μέχρι πριν λίγα χρόνια επιστημονικών κλάδων, της Εκπαίδευσης στις Φυσικές Επιστήμες από τη μια και της Γνωσιακής Αναπτυξιακής Ψυχολογίας από την άλλη. Η Εκπαίδευση στις Φυσικές Επιστήμες ξεκίνησε να μελετά τις εναλλακτικές ιδέες των μαθητών για διάφορα θέματα (Driver, Guesne & Tiberghien, 1985) και σε διάφορα επίπεδα και στην συνέχεια πέρασε και σε έρευνες που προσπαθούν να αποτυπώσουν και το σχήμα εξέλιξης των ιδεών των μαθητών. Η Γνωσιακή Αναπτυξιακή Ψυχολογία που μελετούσε αρχικά τη δημιουργία και εξέλιξη των νοητικών δομών γενικά πέρασε σε έρευνες που μελετούν την εξέλιξη ειδικευμένων περιοχών γνώσης όπως naive physics, naïve biology κτλ. (Βοσνιάδου, 1998) Το ερευνητικό πρόβλημα της εργασίας αυτής είναι η καταγραφή των μοντέλων που υπάρχουν για το ηλεκτρικό ρεύμα σε μικροσκοπικό επίπεδο. Άρα, στόχοι 8

9 της παρούσας εργασίας είναι από τη μια η καταγραφή των ιδεών ή και των νοητικών μοντέλων για το ηλεκτρικό ρεύμα σε μικροσκοπικό επίπεδο μαθητών του Λυκείου και φοιτητών του Παιδαγωγικού Τμήματος Αλεξανδρούπολης και από την άλλη η καταγραφή των εννοιολογικών μοντέλων για το θέμα που συναντάμε στα σχολικά και πανεπιστημιακά βιβλία. Η σύγκριση των μοντέλων αυτών θα μπορούσε να οδηγήσει στην δημιουργία καλύτερου εκπαιδευτικού υλικού. Επιπλέον, θα ήταν επιθυμητό να διαφανεί αν είναι δυνατό ο τρόπος εξέλιξής των νοητικών μοντέλων των μαθητών μέσα βέβαια από τους περιορισμούς μιας διατμηματικής έρευνας. Ειδικά για την αποτύπωση της εξέλιξης ιδανικότερο θα ήταν να σχεδιαστεί μια διαχρονική έρευνα που θα μελετήσει τις ατομικές τροχιές εξέλιξης (learning pathways) των μαθητευόμενων, (Duit, Goldberg & Niedderer, 1992) όμως αυτό λόγω περιορισμών χρόνου δεν ήταν δυνατό. Δουλεύοντας μέσα στο πλαίσιο της εποικοδόμησης για την διδασκαλία και τη μάθηση στην εργασία αυτή γίνεται προσπάθεια να αποτυπωθούν τα παραπάνω νοητικά μοντέλα μέσω συνεντεύξεων κλινικού τύπου, στις οποίες θα δοθεί ευκαιρία στους μαθητές να χειριστούν ηλεκτρικά κυκλώματα και να εξηγήσουν (με λεκτικές περιγραφές και σχήματα) το τι πιστεύουν ότι γίνεται στο εσωτερικό τους αλληλεπιδρώντας με τον ερευνητή που τους παίρνει συνέντευξη. Επίσης κατά τη διάρκεια της συνέντευξης θα χρησιμοποιηθεί το σχήμα πρόβλεψη, παρατήρηση, εξήγηση. Η ανάγκη για μια τέτοια έρευνα συνεπικουρείται εκτός από τα παραπάνω και από το γεγονός ότι αν και υπάρχουν πάρα πολλές έρευνες για το ηλεκτρικό ρεύμα ελάχιστες αναφέρονται στο μικροσκοπικό επίπεδο. Αρκετές από τις ερωτήσεις της έρευνας τίθενται για πρώτη φορά ειδικά στο επίπεδο του Λυκείου. 9

10 ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑΣ Σχετικά με τα νοητικά μοντέλα Ένας από τους τρόπους με τους οποίους η γνωστική ψυχολογία συμβάλει στην κατανόηση της μάθησης και της διδασκαλίας είναι μέσω της μελέτης των αναπαραστάσεων της ανθρώπινης γνώσης. Η αναπαράσταση των γνώσεων στο νου μπορεί να γίνει με διάφορους τρόπους. Μπορούμε να διακρίνουμε: (α) τις προτασιακές αναπαραστάσεις (β) τις νοητικές εικόνες και (γ) τα νοητικά μοντέλα (Βοσνιάδου, 1998). Οι προτασιακές αναπαραστάσεις είναι αφηρημένες (δεν σχετίζονται δηλαδή με δεδομένη μορφή αντίληψης π.χ. οπτική, ακουστική απτική κτλ) σχηματίζονται από σύμβολα παρόμοια με τη γλώσσα και έχουν ορισμένη σύνταξη. Οι νοητικές εικόνες είναι αναπαραστάσεις απεικόνισης και άρα στενά συνδεδεμένες με την οπτική αντίληψη. Πολλοί γνωστικοί ψυχολόγοι θεωρούν ότι δεν μπορούν να υπάρχουν ανεξάρτητα από κάποιες προτασιακές αναπαραστάσεις που τις ερμηνεύουν, όμως δέχονται ότι αποτελούν ένα ξεχωριστό τύπο αναπαράστασης. Ένα νοητικό μοντέλο είναι μια εσωτερική αναλογική αναπαράσταση κάποιων καταστάσεων ή διαδικασιών. Η αναπαράσταση αυτή διατηρεί τη δομή αυτών που αναπαριστά. Ο ρόλος του είναι να βοηθά το άτομο όταν προσπαθεί να καταλάβει το λόγο ή όταν προσπαθεί να εξηγήσει και να προβλέψει το φυσικό κόσμο. Τα νοητικά μοντέλα προέρχονται από την εξέλιξη της ικανότητας της αντίληψης σε οργανισμούς με νευρικό σύστημα. Οι άνθρωποι δεν αντιλαμβάνονται τον κόσμο άμεσα αλλά μέσα από μια νοητική του αναπαράσταση, αφού η αντίληψη προϋποθέτει την κατασκευή νοητικών μοντέλων. Άρα η αντίληψη οποιασδήποτε κατάστασης καθορίζεται από τα νοητικά μοντέλα που μπορούμε να κατασκευάσουμε. (Johnson Laird, 1983) 10

11 Σύμφωνα με τον Johnson Laird η ικανότητα ενός ατόμου να επηρεάσει, να ελέγξει ή να προβλέψει ένα φυσικό φαινόμενο, τα οποία είναι η βάση της κατανόησης του, προκύπτουν από την κατασκευή λειτουργικών νοητικών μοντέλων. Όταν ένα άτομο αντιμετωπίζει μια κατάσταση, όλα τα στοιχεία που έχουν επιλεγεί για να την ερμηνεύσουν και οι συλλαμβανόμενες ή φανταστικές σχέσεις μεταξύ τους αποτελούν την εσωτερική αναπαράσταση που είναι ένα δομικό ανάλογο της πραγματικότητας όπως γίνεται αντιληπτή, έτσι ώστε να λειτουργεί ως υποκατάστατο αυτής της πραγματικότητας. Από το χειρισμό αυτού του υποκατάστατου προκύπτουν ιδιότητες και σχέσεις που δεν είναι φανερές και οι οποίες μπορούν να διαβαστούν με ευθύ τρόπο, διευκολύνοντας την παραγωγή προβλέψεων (Greca & Moreira 2001). Ο Norman (1983) κατέταξε τα νοητικά μοντέλα σε τέσσερεις κατηγορίες: το σύστημα στόχος, δηλαδή το σύστημα που ο μαθητευόμενος προσπαθεί να μελετήσει, το εννοιολογικό μοντέλο αυτού του συστήματος, δηλαδή μια κατάλληλη αναπαράσταση του συστήματος στόχου, το νοητικό μοντέλο του χρήστη για το σύστημα στόχο και η εννοιολογική αναπαράσταση των επιστημόνων για το σύστημα στόχο. Το σύστημα στόχος είναι αυτό που αναπαρίσταται και μπορεί να είναι οποιοδήποτε φυσικό σύστημα ή να είναι το ίδιο ένα μοντέλο. Οι άλλες τρεις κατηγορίες είναι στην ουσία διαφορετικοί τρόποι με τους οποίους αναπαρίσταται το σύστημα στόχος. Τα νοητικά μοντέλα μπορούν επίσης να ταξινομηθούν σε φυσικά τα οποία αναπαριστούν τον φυσικό κόσμο πραγματικό ή φανταστικό και εννοιολογικά τα οποία είναι νοητικές κατασκευές εννοιών, μοντέλων και αφαιρετικών διαδικασιών (Johnson-Laird, 1983). Τα νοητικά μοντέλα εξυπηρετούν τους εξής στόχους: παρέχουν εξηγήσεις και δικαιολογήσεις, βοηθούν τη λειτουργία της μνήμης και βοηθούν στην πρόβλεψη της συμπεριφοράς των φυσικών συστημάτων. 11

12 Μεταξύ της προσέγγισης στα νοητικά μοντέλα των Johnson-Laird και Norman υπάρχουν ομοιότητες και διαφορές. Π.χ. και οι δύο πιστεύουν ότι τα νοητικά μοντέλα των ατόμων δεν είναι πλήρη και ότι η χρήση που τους γίνεται από τα άτομα είναι περιορισμένη. Στις διαφορές των δύο προσεγγίσεων να σημειώσουμε ότι ο Norman χρησιμοποιεί παραδείγματα κυρίως από τις φυσικές επιστήμες ενώ η προσέγγιση του Johnson-Laird είναι γενικότερη. Επίσης μια σημαντική διαφορά βρίσκεται στη σταθερότητα των νοητικών μοντέλων. Για τον Johnson-Laird τα νοητικά μοντέλα είναι μεταβατικά, ενώ για τον Norman είναι σχετικώς σταθερά και μπορούν να διατηρηθούν για σχετικά μεγάλες χρονικές περιόδους. Τα νοητικά μοντέλα όπως γίνεται αντιληπτό από την παραπάνω ανάλυση είναι δύσκολο να αποτυπωθούν γιατί: είναι μοναδικά για κάθε παρατηρητή και γιατί οι παρατηρητές δρουν πολλές φορές ασυνεπώς ως προς τα «πιστεύω» τους (Coll & Treagust, 2001) Σχετικά με τα ηλεκτρικά κυκλώματα Είναι γνωστό ότι υπάρχει πλούσια βιβλιογραφία που αφορά τις αντιλήψεις των μαθητών για τα ηλεκτρικά κυκλώματα ήδη από την εποχή που ξεκίνησαν οι έρευνες των εναλλακτικών αντιλήψεων την δεκαετία του 80. Αναφέρω για παράδειγμα τις έρευνες των Osborne (1981) και Shipstone (1984) την κριτική των σχετικών ερευνών από την Tiberghien (1983) και για την Ελληνική πραγματικότητα την έρευνα των Κουμαρά, Ψύλλου, Βαλασιάδη & Ευαγγελινού (1990). Στις έρευνες αυτές κυριάρχησαν θέματα σχετικά (α) με τη διαφοροποίηση εννοιών όπως ηλεκτρικό ρεύμα, ενέργεια, τάση, (β) την αναγνώριση της ανάγκης για κλειστό κύκλωμα για να μπορεί να κυκλοφορεί το ρεύμα και (γ) τα αποτελέσματα της ηλεκτρικής αντίστασης στο ρεύμα. Σε έρευνες που ακολούθησαν αυτές τις πρώτες έρευνες διερευνήθηκαν και θέματα όπως η αναγνώριση της διπολικότητας των μπαταριών και των λαμπών, η 12

13 διατήρηση ή μη του ρεύματος, τα μοντέλα κυκλοφορίας του ρεύματος και η φύση του ρεύματος. O Shipstone (1984) αναφέρει στο βιβλίο των Driver, R., & Guesne, E., & Tiberghien, A. (1985) ότι βρέθηκαν στους μαθητές τα εξής μοντέλα για τον τρόπο κυκλοφορίας του ρεύματος: Το μονοπολικό μοντέλο (The unipolar model): Σύμφωνα με αυτό η φορά του ρεύματος είναι μονοπολική, δηλαδή το ρεύμα κατευθύνεται από τον ένα πόλο της πηγής προς τη λάμπα. Δεν υπάρχει ρεύμα στη διαδρομή επιστροφής, επομένως μόνο ο ένας ακροδέκτης της πηγής θεωρείται ενεργός. Αρκεί λοιπόν ένα μόνο καλώδιο για να ανάψει η λάμπα πράγμα που σημαίνει πως τα παιδιά επιδέχονται την ύπαρξη και λειτουργία του ανοιχτού κυκλώματος. Το άλλο καλώδιο θεωρούν ότι χρησιμεύει είτε για λόγους ασφαλείας είτε ως καταλύτης. Το μοντέλο εξασθένισης του ρεύματος (The attenuation model): Η περίπτωση αυτή που θεωρείται και η πιο διαδεδομένη απεικονίζει το ρεύμα να ρέει στο κύκλωμα προς μια κατεύθυνση. Ξεκινώντας λοιπόν από τον ένα πόλο και κατά τη διέλευσή του μέσα από τη λάμπα, ένα μέρος του ρεύματος καταναλώνεται σ αυτήν μιας και τα παιδιά συνειδητοποιούν πως η αντίσταση αποτελεί εμπόδιο στην κίνηση του ρεύματος. Συνεπώς θεωρούν ότι το ρεύμα που επιστρέφει στη μπαταρία είναι λιγότερο και συνεπώς όσα περισσότερα στοιχεία σε σειρά παρεμβάλλονται στη διαδρομή του ρεύματος, τόσο λιγότερο ρεύμα φτάνει στην μπαταρία και μάλιστα κάθε προηγούμενο στοιχείο δίνει περισσότερο ρεύμα. Το μοντέλο των συγκρουόμενων ρευμάτων (The clashing currents model): Εδώ τα παιδιά νιώθουν την αναγκαιότητα της ύπαρξης ενός κλειστού κυκλώματος και ισχυρίζονται πως η λάμπα ανάβει μόνο όταν συγκρουστούν τα δύο ρεύματα από τους δύο πόλους της μπαταρίας. Άρα λοιπόν η φωτοβολία της λάμπας αποτελεί το αποτέλεσμα της σύγκρουσης των δύο ρευμάτων που διαβιβάζεται από την πηγή στον καταναλωτή μέσω δύο ρευμάτων. 13

14 Μεριστικό μοντέλο (The sharing model): Η αντίληψη στο μοντέλο αυτό είναι ότι σε ένα κύκλωμα που αποτελείται από έναν αριθμό ίδιων στοιχείων σε σειρά, το ρεύμα θα διαμοιραστεί εξίσου ανάμεσά τους. Στην περίπτωση που έχουμε μια σειρά από n λάμπες ίδιου τύπου, οι λάμπες θα έχουν τελικά την ίδια λαμπρότητα αλλά το ρεύμα που θα διαρρέει την κάθε λάμπα θα είναι μοιρασμένο κατά n φορές του αρχικού με αποτέλεσμα να θεωρούν ότι το ρεύμα δεν διατηρείται σταθερό. Το επιστημονικό μοντέλο (Scientific model): Το μοντέλο αυτό έχουν οι μαθητές που θεωρούν ότι το ρεύμα κινείται κατά μια κατεύθυνση και διατηρείται. Όμως υπάρχουν πολύ λιγότερες έρευνες για το τι πιστεύουν οι μαθητές για το ηλεκτρικό ρεύμα σε μικροσκοπικό επίπεδο. Ειδικά για τη σχέση μικροσκοπικής ερμηνείας και φαινομένων παρατηρούμενων μακροσκοπικά αναφέρω την έρευνα των Eylon & Ganiel (1990) που αναφέρεται στις μικροσκοπικές διεργασίες κυκλωμάτων σε μεταβατική κατάσταση. Στην έρευνα αυτή αναδείχθηκε η αδυναμία μαθητών, που είχαν διδαχθεί ηλεκτρισμό σε στοιχειώδες επίπεδο, να συνδέσουν τις μικροσκοπικές έννοιες (κίνηση ηλεκτρονίων, δυνάμεις που δέχονται) με τις μακροσκοπικές παραμέτρους. (ρεύμα, τάση, αντίσταση) Οι συγγραφείς θεωρούν ότι για μια πλήρη κατανόηση των ηλεκτρικών κυκλωμάτων οι μαθητές θα πρέπει να μπορούν (α) να κάνουν ποσοτικούς υπολογισμούς με χρήση μαθηματικών σχέσεων (π.χ. επίλυση κυκλωμάτων με χρήση του νόμου του Ohm ή των κανόνων Kirchhoff) (β) να κατανοούν τις λειτουργικές σχέσεις σε ένα κύκλωμα και (π.χ. να μπορούν να εξηγήσουν τι θα συμβεί σε ένα κύκλωμα αν αυξήσουμε την τιμή μιας αντίστασης ή αφαιρέσουμε μια λάμπα) (γ) να συνδέουν τη μικροσκοπική με τη μακροσκοπική προσέγγιση. (π.χ. την κίνηση των ηλεκτρονίων με τη διατήρηση της έντασης του ρεύματος.) Σημαντικά ευρήματα της έρευνας αυτής είναι ότι οι μαθητές χρησιμοποιούν αδόκιμους τρόπους γενίκευσης των κανόνων, σειριακό τρόπο σκέψης, αδυναμία να αντιληφθούν ότι οι αλλαγές σε στοιχεία του κυκλώματος επηρεάζουν όλο το κύκλωμα και όχι μόνο την περιοχή γύρω από τη θέση της αλλαγής. 14

15 Έρευνα των Stocklmayer & Treagust (1996) εστιάζει στις εικόνες και μεταφορές που χρησιμοποιούν αρχάριοι και προχωρημένοι όταν σκέφτονται τα ηλεκτρικά φαινόμενα. Στην έρευνα αυτή βρέθηκε ότι τα παιδιά έχουν μια αόριστη και φοβισμένη στάση απέναντι στον ηλεκτρισμό. Όταν συναντήσουν τον ηλεκτρισμό στην τυπική τους εκπαίδευση τότε απαιτείται να κατανοήσουν ένα μηχανιστικό μοντέλο για το ρεύμα όπου τα ηλεκτρόνια είναι σκληρά μπαλάκια που κινούνται μέσα σε τούνελ (καλώδια). Το ίδιο αυτό μοντέλο φαίνεται να χρησιμοποιούν και οι περισσότεροι δάσκαλοι. Οι ειδικοί όμως (ηλεκτρολόγοι, ηλεκτρολόγοι μηχανικοί, και καθηγητές πανεπιστημίου με αντικείμενα τη φυσική και την ηλεκτρολογία) φαίνεται να θεωρούν τον ηλεκτρισμό ως ένα φαινόμενο πεδίου που μπορεί να μας αποδώσει χρήσιμη ενέργεια. Επίσης οι παραπάνω ειδικοί θεωρούν ως πιο χρήσιμο το μοντέλο του πεδίου από το μηχανιστικό μοντέλο των κινούμενων ηλεκτρονίων. Σε έρευνα του Kibble (1999) βρέθηκε ότι μεταξύ φοιτητών υποψηφίων δασκάλων κυρίαρχη ήταν η άποψη ότι το ηλεκτρικό ρεύμα στο εσωτερικό ενός καλωδίου είναι κάτι σαν κύμα ή σπινθήρας ενώ άλλες απόψεις που εκφράστηκαν λένε ότι το ηλεκτρικό ρεύμα είναι κινούμενα φορτία ή συνδεμένα άτομα ενώ ένα σημαντικό ποσοστό αντί να περιγράψει το ηλεκτρικό ρεύμα περιέγραψε το εσωτερικό του καλωδίου. Στην ίδια έρευνα παρόμοιες απαντήσεις βρέθηκαν και μεταξύ μαθητών ηλικίας 9 έως 11 ετών. Σε έρευνα των Borges και Gilbert (1999) που έγινε σε μαθητές ηλικίας 15 έως 17 ετών, καθηγητές φυσικής, ηλεκτρολόγους μηχανικούς και επαγγελματίες ηλεκτρολόγους (εμπειρικούς, χωρίς τυπική εκπαίδευση), βρέθηκαν τα εξής νοητικά μοντέλα: (α) το ηλεκτρικό ρεύμα ως ροή, (β) το ηλεκτρικό ρεύμα ως συγκρουόμενα ρεύματα, (γ) το ηλεκτρικό ρεύμα ως κινούμενα φορτία και (δ) το ηλεκτρικό ρεύμα ως φαινόμενο πεδίου. Τα υποκείμενα που θεωρούσαν ότι το ηλεκτρικό ρεύμα είναι κάποιου είδους ροή, χρησιμοποιούσαν τους όρους ενέργεια και ρεύμα ή ηλεκτρισμός σαν συνώνυμα, και θεωρούσαν τη μπαταρία σαν ένα παθητικό δοχείο στο οποίο αποθηκεύεται ο ηλεκτρισμός. Το ρεύμα γι 15

16 αυτούς κινείται γρήγορα και ξοδεύεται στις λάμπες. Τα υποκείμενα που θεωρούσαν το ηλεκτρικό ρεύμα σαν συγκρουόμενα ρεύματα δέχονται ότι το ρεύμα ρέει και από τους δύο πόλους μιας μπαταρίας κατευθυνόμενο προς τις λάμπες όπου οι δύο ροές συγκρούονται και παράγουν φως και θερμότητα, δεν κάνουν διάκριση μεταξύ ρεύματος και ενέργειας τα οποία θεωρούν ότι δεν διατηρούνται και θεωρούν ότι πρέπει να υπάρχει κλειστό κύκλωμα για να ανάψει μια λάμπα. Έχουν την τάση να δίνουν εξηγήσεις που περιλαμβάνουν χρονικές αλληλουχίες. Τα υποκείμενα που θεωρούσαν το ηλεκτρικό ρεύμα ως κινούμενα φορτία, θεωρούσαν την μπαταρία ως μια ενεργό πηγή ηλεκτρισμού, που παράγει ενέργεια που δίδεται στα φορτία μέσω χημικής αντίδρασης. Η διπολικότητα των στοιχείων του κυκλώματος και η ανάγκη για κλειστό κύκλωμα ώστε να κυκλοφορεί το ρεύμα ήταν για τα υποκείμενα αυτά φανερή. Χρησιμοποιούσαν εξηγήσεις που περιλάμβαναν χρονικές αλληλουχίες και έδιναν έμφαση στη λειτουργία κάθε στοιχείου κυκλώματος μεμονωμένα. Θεωρούσαν ότι γίνονταν μετασχηματισμοί ενέργειας στο κύκλωμα και ότι το ρεύμα διατηρείται. Τέλος, τα υποκείμενα που θεώρησαν τον ηλεκτρισμό σαν ένα φαινόμενο πεδίου βρέθηκε ότι ασπάζονταν τις εξής απόψεις: Διέκριναν ως διαφορετικά το ρεύμα και την ενέργεια, το ρεύμα θεωρούνταν ως κίνηση ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων κάτω από την επίδραση διαφοράς δυναμικού. Το ρεύμα κυκλοφορεί μόνο σε κλειστά κυκλώματα, η διπολικότητα των στοιχείων κυκλώματος αναγνωρίζεται, η μπαταρία διατηρεί μια διαφορά δυναμικού η οποία δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο. Το πεδίο αυτό υποχρεώνει τα φορτία να κινηθούν μέσα στους αγωγούς. Τα ίδια υποκείμενα αναφέρθηκαν και σε ενεργειακούς μετασχηματισμούς που συμβαίνουν μέσα στο κύκλωμα, αν και στις εξηγήσεις τους προτιμούσαν να αναφέρονται σε ηλεκτρικά πεδία που δρουν στα φορτία. Το κύκλωμα το αντιλαμβάνονταν ως σύστημα του οποίου τα μέρη αλληλεπιδρούν και όταν γίνεται μια αλλαγή, μια ηλεκτρική διαταραχή διαδίδεται μέσα στο κύκλωμα αποκαθιστώντας μια νέα ισορροπία. Στην έρευνα αυτή βρέθηκε επίσης ότι η μη διαφοροποίηση ρεύματος και ενέργειας, η μη διατήρηση του ρεύματος και οι 16

17 εναλλακτικές απόψεις για το πώς κυκλοφορεί το ρεύμα μέσα σε ένα κύκλωμα συνδέονται με τα λιγότερο ανεπτυγμένα μοντέλα του ηλεκτρικού ρεύματος. Επίσης οι ιδέες αυτές φάνηκε ότι δεν σχετίζονται με την πρακτική ικανότητα για τη σωστή σύνδεση των κυκλωμάτων. Τα δύο πρώτα μοντέλα που αναφέρθηκαν δηλαδή το ηλεκτρικό ρεύμα ως ροή και το μοντέλο των συγκρουόμενων ρευμάτων βρέθηκε ότι προκύπτουν από την καθημερινή επαφή με τον ηλεκτρισμό, (είτε ως καταναλωτές είτε ως πρακτικοί επαγγελματίες), ενώ τα άλλα δύο φαίνεται να είναι αποτέλεσμα της διδασκαλίας του ηλεκτρισμού τουλάχιστο στο επίπεδο της δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης. Στο θέμα της εξέλιξης των μοντέλων παρατηρήθηκε μια τάση μετάβασης από τα πιο απλοϊκά μοντέλα στα πιο επιστημονικά σαν αποτέλεσμα της διδασκαλίας. Επίσης οι συγγραφείς σε ότι αφορά τον τρόπο της εξέλιξης, θεωρούν ότι τα μοντέλα εξελίσσονται με αλλαγές στο πεδίο εφαρμογής και τα όρια του μοντέλου, με διαφοροποίηση των βασικών εννοιών και την υιοθέτηση ενός πλουσιότερου λεξιλογίου, με μετατόπιση από ποιοτικά σε ποσοτικά μοντέλα, με την εισαγωγή νέων οντοτήτων όπως των μικροσκοπικών και με αλλαγές στη μορφή των εξηγήσεων από περιγραφικές σε εξηγήσεις που περιλαμβάνουν και αιτιακούς μηχανισμούς. Σε έρευνά τους οι Stocklmayer and Treagust (1994) γράφουν ότι η ορολογία των εγχειριδίων (αγγλοσαξονικών χωρών) εμμένει σε περιγραφές των ηλεκτρονίων ως μπάλες τύπου μπιλιάρδου που σπρώχνουν η μία την άλλη και κίνηση του ηλεκτρικού ρεύματος ως «ρευστού». Οι Chabay & Sherwood (2006), έχουν προτείνει ένα διαφορετικό τρόπο διδασκαλίας του ηλεκτρισμού και του μαγνητισμού που επιμένει στον κεντρικό ρόλο του ηλεκτρικού πεδίου σε όλα τα ηλεκτρικά φαινόμενα και το συνδέει με το μικροσκοπικό μοντέλο της ύλης. Η πρόταση τους αυτή έχει δοκιμαστεί σε Πανεπιστήμια των Ηνωμένων Πολιτειών μέσω του εγχειριδίου τους Electric and Magnetic Interactions (1995) και νεότερων εκδόσεων του. Όπως βρήκαν οι Engelhardt and Beichmer (2004) φοιτητές που έμαθαν μέσω αυτού του εγχειριδίου και διδακτικής μεθόδου τα πήγαν καλύτερα από άλλους στο τεστ με 17

18 όνομα DIRECT που δημιούργησαν με σκοπό να ανιχνεύσουν την κατανόηση των κυκλωμάτων συνεχούς ρεύματος. Οι φοιτητές αυτοί τα πήγαν καλύτερα από τους φοιτητές που χρησιμοποίησαν τη μέθοδο της L McDermott Physics by Inquiry ενώ και οι δυο ομάδες τα πήγαν καλύτερα από φοιτητές που χρησιμοποίησαν κάποια άλλη μέθοδο και μάλιστα ανεξάρτητα με το αν η διδασκαλία χρησιμοποιούσε διαφορικό λογισμό ή μόνο άλγεβρα. Ένα από τα κεντρικά σημεία της προσέγγισης των Chabay & Sherwood είναι η ενοποίηση στατικού και δυναμικού ηλεκτρισμού με μελέτη και απεικόνιση των ηλεκτρικών πεδίων απλών κυκλωμάτων. Σχετικά με τη δομή των αγωγών και την αγωγιμότητα Όταν εξετάζουμε τις απόψεις των μαθητών για το ρεύμα σε μικροσκοπικό επίπεδο, είναι λογικό αυτές να επηρεάζονται και από τις απόψεις που έχουν για τη δομή των αγωγών σε μικροσκοπικό επίπεδο. Υπάρχουν από την πλευρά της διδακτικής της Χημείας έρευνες που μελετούν τόσο τις απόψεις των μαθητών για τους δεσμούς γενικότερα και το μεταλλικό δεσμό πιο συγκεκριμένα όσο και για την αγωγιμότητα των μετάλλων. Όπως η μέχρι τώρα έρευνα έχει δείξει (Liu & Lesniak, 2005), η μικροσκοπική δομή της ύλης δύσκολα γίνεται κατανοητή από τους μαθητές ακόμη και του Λυκείου. Σε έρευνα του ο Taber (2002) βρήκε ότι οι μαθητές στην αρχή της εκπαίδευσής τους στο Κολλέγιο, (αντιστοιχεί περίπου στο Λύκειο) είχαν συνήθως για τους δεσμούς στα μέταλλα μια από τις εξής απόψεις: (α) ότι δεν υπάρχει δεσμός στα μέταλλα ή ότι δεν υπάρχει κανονικός δεσμός, (β) ότι υπάρχει δεσμός ιοντικός ή ομοιοπολικός ή τέλος, (γ) ότι υπάρχει δεσμός που είναι η θάλασσα των ηλεκτρονίων. Σε έρευνά του ο Jose Maria de Posada (1997) βρήκε ότι μαθητές της 10 ης 11 ης και 12 ης τάξης στην ερώτηση ποια είναι η φύση του ηλεκτρικού ρεύματος στα μέταλλα έδωσαν τις εξής απαντήσεις: (α) το ηλεκτρικό ρεύμα είναι ενέργεια (β) 18

19 τα ηλεκτρόνια άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα (γ) το ηλεκτρικό ρεύμα παράγεται από την κίνηση σωματιδίων (ατόμων ή άλλων που δεν διευκρινίζονται) (δ) η ροή των ηλεκτρονίων είναι το ηλεκτρικό ρεύμα. Μεταξύ των διαφορετικών τάξεων υπήρχαν μεγαλύτερες διαφορές μεταξύ 10 ης τάξης και των υπολοίπων ενώ οι διαφορές μεταξύ 11 ης και 12 ης τάξης ήταν μικρότερες. Ένα εύρημα που πρέπει να προσεχθεί είναι ότι πολλοί περισσότεροι μαθητές της 10 ης τάξης δέχονται την ατομική δομή της ύλης για τα αέρια παρά για τα στερεά, ενώ από την επόμενη τάξη και μετά, η διαφορά αυτή των αντιλήψεων για τις δύο καταστάσεις της ύλης εξαφανίζεται. Οι Wittmann, Steinberg και Redish (2002), αναφέρονται σε τρία διαφορετικά μοντέλα αγωγιμότητας. Το μακροσκοπικό μοντέλο που περιγράφει την αγωγιμότητα με μακροσκοπικές μεταβλητές όπως το ρεύμα και η τάση. Το μοντέλο των ελευθέρων ηλεκτρονίων που κινούνται διαμέσου ενός σταθερού ατομικού κρυστάλλου. Το μοντέλο των ενεργειακών ζωνών και των απεντοπισμένων ηλεκτρονίων που είναι κβαντομηχανικό. 19

20 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΕΠ ΚΑΙ ΤΩΝ ΕΕ Το ερευνητικό πρόβλημα που διατυπώθηκε στην Εισαγωγή, δηλαδή ποια μοντέλα υπάρχουν για το ηλεκτρικό ρεύμα σε μικροσκοπικό επίπεδο, αναλύεται στα εξής ερευνητικά ερωτήματα: o o o Ποια είναι τα εννοιολογικά (επιστημονικά) μοντέλα για το ηλεκτρικό ρεύμα σε μικροσκοπικό επίπεδο; Ποια τα εννοιολογικά μοντέλα σύμφωνα με το Αναλυτικό Πρόγραμμα και τα σχολικά βιβλία Φυσικής και Χημείας και τι γράφουν τα βιβλία σχετικά με το θέμα; Ποια σχετικά νοητικά μοντέλα μπορούμε να βρούμε σε μαθητές του Γενικού Λυκείου και ποια σε φοιτητές του Παιδαγωγικού Τμήματος Αλεξανδρούπολης; 20

21 ΕΞΗΓΗΣΗ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑΣ Πρόκειται για μια έρευνα διατμηματική. Τον πληθυσμό στόχο αποτέλεσαν (α) όλοι οι μαθητές των Λυκείων του Ν. Καβάλας και (β) οι δευτεροετείς φοιτητές του ΠΤΔΕ του ΔΠΘ. Η έρευνα αυτή διεξάχθηκε σε ένα εποικοδομιστικό πλαίσιο. Σύμφωνα με την κατηγοριοποίηση των Duit, Niedderer, και Goldberg, (1991) στη διάσταση του πότε και με ποια συχνότητα η έρευνα είναι μια έρευνα μαθησιακής κατάστασης (Learning state study, LSS) ενώ μονάδες μελέτης είναι οι μαθητές ή φοιτητές ατομικά. Η διάρκεια της έρευνας στους μαθητές ήταν 30 με 35 λεπτά, ενώ στους φοιτητές διήρκεσε πέντε εβδομάδες. Το φυσικό πλαίσιο στο οποίο διεξάχθηκε η έρευνα ήταν ένα ελεγχόμενο εργαστηριακό περιβάλλον όπου είχαμε κλινικού τύπου συνεντεύξεις, του τύπου που εκτεταμένα χρησιμοποίησε ο Piaget. Επειδή εκείνο που ενδιαφέρει είναι κυρίως η καταγραφή των απόψεων και όχι η γενίκευση των ποσοστών, η επιλογή του δείγματος δεν έγινε με αυστηρά τυχαίο τρόπο, αν και αντιπροσωπεύονται (για το Λύκειο) όλες οι τάξεις και τα δύο φύλα. Σημειώνεται ότι η αξία των συμπερασμάτων μιας τέτοιας έρευνας δεν βρίσκεται στη δυνατότητα γενίκευσης τους σε ευρεία τμήματα μαθητών ή φοιτητών αλλά η δυνατότητα μεταφοράς τους σε ανάλογα πλαίσια και η δυνατότητά τους να δικαιολογήσουν τις επιλογές που κάνουμε όταν αποφασίζουμε το τι θα διδάξουμε και με πιο τρόπο. Το πρώτο δείγμα της έρευνας ήταν 18 μαθητές από ένα Λύκειο του Ν. Καβάλας, όπου επιλέχθηκαν με τη βοήθεια των καθηγητών τους 6 μαθητές από κάθε τάξη ώστε να αντιπροσωπεύονται τρία επίπεδα επίδοσης στο μάθημα της Φυσικής (χαμηλό, μέσο και υψηλό) ισότιμα. Επίσης ισότιμα αντιπροσωπεύτηκαν στο δείγμα τα αγόρια και τα κορίτσια. Οι μαθητές της Α Λυκείου είχαν γνώσεις ηλεκτρισμού και δομής της ύλης μόνο από προηγούμενες τάξεις. Οι μαθητές της Β Λυκείου είχαν τελειώσει το κεφάλαιο του συνεχούς ηλεκτρικού ρεύματος περίπου είκοσι μέρες πριν. Βεβαίως, είναι γνωστό ότι στην τάξη αυτή και στα 21

22 πλαίσια των μαθημάτων της Φυσικής Γενικής Παιδείας αλλά και της Φυσικής Κατεύθυνσης οι μαθητές διδάσκονται κεφάλαια του Ηλεκτρισμού σ όλη τη διάρκεια της χρονιάς. Οι μαθητές της Γ Λυκείου δεν είχαν διδαχθεί για το συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα μέσα στη χρονιά, είχαν όμως διδαχθεί θέματα δομής της ύλης. Το ερευνητικό εργαλείο που χρησιμοποιήθηκε για τους μαθητές ήταν η ημιδομημένη συνέντευξη κλινικού τύπου. Οι μαθητές είχαν τη δυνατότητα να χειριστούν υλικά (καλώδια, μπαταρίες και λαμπάκια για να φτιάξουν κυκλώματα) και να σχεδιάσουν αυτό που νομίζουν ότι συμβαίνει μέσα στα κυκλώματα. Στη συνέντευξη χρησιμοποιήθηκε το σχήμα πρόβλεψηπαρατήρηση-εξήγηση. Το ερευνητικό πρωτόκολλο δίνεται στο Παράρτημα Α. Το δεύτερο δείγμα ήταν 20 φοιτητές του ΠΤΔΕ του ΔΠΘ που επέλεξαν το μάθημα Εργαστήρια Ηλεκτρισμού στο 2 ο έτος σπουδών τους. Οι φοιτητές αυτοί είχαν διδαχθεί δύο σχετικά μαθήματα στο Παιδαγωγικό Τμήμα, το μάθημα Αρχές Φυσικής και το μάθημα Αρχές Χημείας. Στα πλαίσια του μαθήματος Αρχές Φυσικής διδάσκονται θέματα ηλεκτρισμού χωρίς αναφορές στο μικροσκοπικό επίπεδο. Χρησιμοποιείται η σειρά μαθημάτων της McDermott Physics by Inquiry που επιμένει στην περιγραφή και ερμηνεία των φαινομένων του ηλεκτρισμού σε μακροσκοπικό επίπεδο. Στα πλαίσια του μαθήματος Αρχές Χημείας διδάχθηκαν θέματα δομής της ύλης. Το ερευνητικό εργαλείο που χρησιμοποιήθηκε στους φοιτητές ήταν γραπτά ερωτηματολόγια με ερωτήσεις κυρίως ανοικτού τύπου που τους έδωσαν τη δυνατότητα να αναπτύξουν τις ιδέες τους και να σχεδιάσουν εικόνες που είχαν στο μυαλό τους για το ηλεκτρικό ρεύμα. Το σύνολο των ερωτήσεων καθώς και οι απαντήσεις των φοιτητών βρίσκονται στο Παράρτημα Γ. 22

23 ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΤΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Σχετικά με τα μικροσκοπικά μοντέλα της ύλης Σε βιβλία Φυσικής Στερεάς Κατάστασης δίνονται διάφορα μοντέλα στερεών. Παρακάτω περιγράφονται τα μοντέλα όπως τα αναφέρει ο Οικονόμου (Οικονόμου, 1990) Βασικές παραδοχές Για την μελέτη της κίνησης των αποσπασμένων από τα άτομα ηλεκτρονίων, τα ιόντα θεωρούνται ακίνητα. (προσέγγιση των Born Oppenheimer ή αδιαβατική προσέγγιση) Κάθε ηλεκτρόνιο κινείται ανεξάρτητα από τα υπόλοιπα (προσέγγιση ανεξάρτητων σωματίων) Η κίνηση των ιόντων ενός στερεού διέπεται από το νόμο του Hooke (αρμονική προσέγγιση) Τα κρυσταλλικά στερεά έχουν περιοδική δομή. Οι απλοποιητικές παραδοχές του μοντέλου Jellium (MJ) Δέχεται ότι κατά τον σχηματισμό του στερεού, τα εξωτερικά ηλεκτρόνια κάθε ατόμου αποκολλώνται πλήρως από αυτό και περιφέρονται ελεύθερα σε όλο το στερεό, ενώ, αντίθετα, τα υπόλοιπα ηλεκτρόνια παραμένουν προσκολλημένα στο αντίστοιχο άτομο πλήρως ανεπηρέαστα από την παρουσία των υπολοίπων ατόμων. Δέχεται ότι τα ιόντα έχουν πολτοποιηθεί ώστε να σχηματίσουν ένα ομοιογενές και ισότροπο υπόβαθρο (του οποίου, προφανώς, η μέση πυκνότητα μάζας και ηλεκτρικού φορτίου ισούται με τις αντίστοιχες μέσες ιοντικές πυκνότητες του στερεού) 23

24 Επιτυχίες Το μοντέλο αυτό παρά τις δραστικές απλουστεύσεις του και παρ όλο το γεγονός ότι δεν περιέχει ελεύθερες προσαρμόσιμες παραμέτρους, περιγράφει ικανοποιητικά τα απλά μέταλλα όχι μόνο σε ποιοτικό αλλά ακόμη και σε ημιποσοτικό επίπεδο. Για τα μεταβατικά μέταλλα, τις σπάνιες γαίες και τα ακτίνια εμφανίζονται σημαντικές ποσοτικές αποκλίσεις. Αντιθέτως το μοντέλο αυτό αποτυγχάνει ακόμη και σε ποιοτικό επίπεδο ως προς τις περισσότερες ιδιότητες των ημιαγωγών και των μονωτών. Έτσι το MJ πρέπει να θεωρηθεί όχι ως ένα γενικό μοντέλο για τα στερεά, αλλά ως ένα μοντέλο για τα απλά μέταλλα, που αναπαράγει τις βασικές τους ιδιότητες. Τροποποιημένο μοντέλο ελευθέρων ηλεκτρονίων Κάθε ιόν είναι μια σφαίρα ακτίνας r c Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να εισχωρήσουν στο εσωτερικό των ιόντων, αλλά καλύπτουν ομοιόμορφα τον χώρο μεταξύ των ιόντων. Μέθοδος LCAO Η κεντρική ιδέα της μεθόδου LCAO είναι να προσπαθήσει κανείς να εκφράσει τη ζητούμενη κυματοσυνάρτηση του ηλεκτρονίου μέσω ατομικών τροχιακών που θεωρούνται γνωστά από την ατομική φυσική. Το κλασσικό μοντέλο αγωγιμότητας Drude Πρόκειται για ένα κλασσικό μοντέλο (διατυπώθηκε από τον Drude πριν την διατύπωση της κβαντομηχανικής) το οποίο εξηγεί την αγωγιμότητα των μετάλλων και βασίζεται στις παρακάτω παραδοχές: (Pollack & Stamp,2002) Το μέταλλο συμπεριφέρεται σαν άδειο κουτί που περιέχει ένα αέριο ελευθέρων ηλεκτρονίων. Το αέριο των ελευθέρων ηλεκτρονίων αποτελείται από τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στοιβάδας των ατόμων. Τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται ως κλασσικά σωματίδια με ενέργειες που καθορίζονται από τη θερμοκρασία του μετάλλου. Οι συγκρούσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων είναι 24

25 στιγμιαίες και οδηγούν στη διασπορά τους. Μεταξύ των συγκρούσεων οι άλλες αλληλεπιδράσεις αγνοούνται. Κατά την απουσία ηλεκτρικού πεδίου τα ηλεκτρόνια μετακινούνται τυχαία χωρίς προτιμητέα κατεύθυνση και η μέση συνολική ταχύτητα τους είναι μηδέν. Αν όμως εφαρμοστεί ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, τότε δημιουργείται ένα ηλεκτρικό ρεύμα γιατί τώρα τα ηλεκτρόνια κινούνται κάτω από ένα συνδυασμό ενός τυχαίου περιπάτου (random walk) και μιας αργής μετακίνησης σε κατεύθυνση αντίθετη αυτής του εξωτερικού πεδίου. (λόγω του αρνητικού φορτίου των ηλεκτρονίων) Υπάρχουν επίσης αλληλεπιδράσεις με ιόντα του κρυστάλλου που προκαλούν την αντίσταση. Το μοντέλο αυτό εξηγεί την αγωγιμότητα των μετάλλων αλλά όχι των ημιαγωγών. Το κβαντομηχανικό μοντέλο αγωγιμότητας Στη βιβλιογραφία αναφέρεται ως μοντέλο των ενεργειακών ζωνών. Εδώ τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται ως κβαντομηχανικά και όχι ως κλασσικά σωματίδια. Στο μοντέλο Drude η θερμική ταχύτητα υ th των ηλεκτρονίων υπολογίζεται από το θεώρημα ισοκατανομής 1 3 mυ 2 th = 2 2 kt όπου m η μάζα του ηλεκτρονίου, k η σταθερά του Boltzmann και Τ η θερμοκρασία. Στο μοντέλο των ζωνών που είναι κβαντομηχανικό, λόγω της απαγορευτικής αρχής του Pauli τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν στάθμες με ταχύτητες από 0 έως την ταχύτητα Fermi υ F. Η ταχύτητα αυτή είναι πολύ μεγαλύτερη από την κλασσική τιμή και αντιστοιχεί σε μια μέση ελεύθερη διαδρομή επίσης πολύ μεγαλύτερη. Το ηλεκτρικό ρεύμα έρχεται σε σταθερή κατάσταση μέσω της αλληλεπίδρασης των ηλεκτρονίων με τα φωνόνια (ανταλλαγή ενέργειας με τα ιόντα του κρυστάλλου) Το μοντέλο αυτό εξηγεί την αγωγιμότητα των στερεών γενικά. Η διαφορά μεταξύ αγωγών και μονωτών δεν αποδίδεται στην απουσία αδέσμευτων ηλεκτρονίων στους μονωτές, αλλά στους 25

26 περιορισμούς που επιβάλλει η απαγορευτική αρχή του Pauli. Όταν μια ενεργειακή ζώνη είναι κατειλλημένη, κανένα ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να αλλάξει την κινητική του κατάσταση αφού δεν έχει που να πάει. Το ενεργειακό χάσμα μεταξύ των ζωνών στους μονωτές είναι μεγάλο κάτι που πρακτικά σημαίνει ότι δεν μπορεί να το ξεπεράσει υπολογίσιμος αριθμός ηλεκτρονίων. Το ενεργειακό χάσμα στους ημιαγωγούς είναι μικρότερο και επιτρέπει σε ένα μεγαλύτερο και υπολογίσιμο αριθμό ηλεκτρονίων να το ξεπεράσουν και να φθάσουν στη ζώνη αγωγιμότητας. Επιπλέον, η αύξηση της θερμοκρασίας επιτρέπει σε περισσότερα ηλεκτρόνια να μεταπηδήσουν στη ζώνη αγωγιμότητας και έτσι αυξάνεται και η αγωγιμότητα του ημιαγωγού. Τα ηλεκτρόνια που έφυγαν από τη ζώνη σθένους, δημιουργούν κενές στάθμες που επιτρέπουν σε άλλα ηλεκτρόνια της ζώνης σθένους να τις καταλάβουν και να συνεισφέρουν επίσης στην αγωγιμότητα. Η κίνησή τους περιγράφεται μέσω της μετακίνησης των κενών θέσεων, των «οπών». (Τραχανάς, 1986) Σχετικά με το ρόλο των επιφανειακών φορτίων Σε όλα τα σχολικά βιβλία Φυσικής και στα περισσότερα πανεπιστημιακά εγχειρίδια στο κεφάλαιο του δυναμικού ηλεκτρισμού γίνεται μια αόριστη μόνο αναφορά στο ηλεκτρικό πεδίο που κινεί τα ηλεκτρόνια. Παραμένει ασαφές το ποιος προκαλεί αυτό το πεδίο και δεν γίνεται καμία προσπάθεια απεικόνισής του. Τα ηλεκτρικά πεδία μπορούν να δημιουργηθούν μόνο από κατανομή ηλεκτρικών φορτίων στο χώρο ή από χρονικά μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο. Στα κυκλώματα σταθερού ρεύματος δεν υπάρχει μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο, άρα το αίτιο του πεδίου θα είναι κάποια κατανομή φορτίου. Όπως αναφέρει ο Κουμαράς (1989), τρεις είναι οι πιθανές θέσεις για αυτά τα φορτία. Είτε βρίσκονται μακριά από το κομμάτι του αγωγού, π.χ. στη μπαταρία, είτε μέσα στον αγωγό, είτε στην επιφάνεια του αγωγού. Η πρώτη υπόθεση πρέπει να αποκλειστεί γιατί τότε δεν είναι δυνατό τα φορτία που είναι μακριά από τον 26

27 αγωγό να δημιουργήσουν ηλεκτρικό πεδίο που θα οδηγήσει τα φορτία σε μια καμπή του αγωγού. Η δεύτερη υπόθεση, ότι τα φορτία είναι μέσα στον αγωγό πρέπει επίσης να αποκλειστεί γιατί σε ισότροπο αγωγό που διαρρέεται από σταθερό ρεύμα η απόκλιση της πυκνότητας ρεύματος είναι μηδέν, J = 0 και λόγω του νόμου του Ohm J = σ E προκύπτει και E = 0, οπότε λόγω του νόμου του Gauss E = ρ / ε 0, συμπεραίνουμε ότι ρ=0 δηλαδή η πυκνότητα (του συνολικού) φορτίου μέσα σε ισότροπο αγωγό που διαρρέεται από σταθερό ρεύμα είναι μηδέν. Η σχέση J = 0 που χρησιμοποιήσαμε παραπάνω, προκύπτει από την αρχή διατήρησης του φορτίου (Παπαδημητράκη-Χλίχλια & Τσουκαλάς, 1987) ως εξής: J ds = 0, λόγω του θεωρήματος Gauss όμως S S J ds = Jdτ άρα J = 0 Μετά από τα παραπάνω, γίνεται κατανοητό ότι t τα φορτία μπορούν να βρίσκονται μόνο στην επιφάνεια του αγωγού. Το ερώτημα τώρα είναι ποια είναι η κατανομή αυτών των επιφανειακών φορτίων που δημιουργεί το ζητούμενο ηλεκτρικό πεδίο που έχει διεύθυνση παράλληλη στον άξονα του αγωγού. Ο Κουμαράς (1989) αναφέρει ότι το θέμα έχει μελετηθεί από τους ερευνητές Schaefer, Sommerfeld και Jefimenko. Η απάντηση που δίνεται εξαρτάται από τη γεωμετρία των αγωγών του κυκλώματος και μπορεί να δοθεί σε κλειστή (αναλυτική) μορφή μόνο για λίγες απλές περιπτώσεις. Σύμφωνα με τον Preyer, (Preyer, 2000) οι περιπτώσεις αυτές είναι: ο ευθύγραμμος απείρου μήκους αγωγός, ή τα ομοαξονικά καλώδια, τα πεπερασμένου μήκους ομοαξονικά καλώδια, οι κυκλικοί βρόχοι, η σφαιρική μπαταρία και το τετραγωνισμένο πηνίο ή δαχτυλίδι μέσα σε μαγνητικό πεδίο. Όπως αναφέρουν οι Chabay & Sherwood (Chabay & Sherwood, 1995) μελετώντας ποιοτικά το απλό κύκλωμα του Σχήματος 1 πρέπει κοντά στον αρνητικό πόλο της μπαταρίας να έχουμε αρνητικό επιφανειακό φορτίο και κοντά στο θετικό πόλο της μπαταρίας να έχουμε θετικό επιφανειακό φορτίο. Προφανώς, κατά μήκος του καλωδίου από τον αρνητικό πόλο της μπαταρίας μέχρι τον θετικό, πρέπει να έχουμε 27

28 επιφανειακή πυκνότητα αρνητικού φορτίου που ελαττώνεται μέχρι μηδενισμού και πέραν του σημείου μηδενισμού επιφανειακή πυκνότητα θετικού φορτίου που αυξάνεται μέχρι το θετικό πόλο της μπαταρίας. Η περιγραφή αυτή βέβαια είναι μια μάλλον χονδροειδής προσέγγιση της πραγματικής κατανομής φορτίου. Π.χ. στις στροφές πρέπει να υπάρχει κάποια επιπλέον ποσότητα φορτίου. Η κατανομή αυτή δημιουργείται με την αποκατάσταση του πεδίου που γίνεται με την ταχύτητα του φωτός μέσω μικρών μετατοπίσεων φορτίου. + - Ένταση ηλεκτρικού πεδίου Τα χ ύτ η τα διολίσθησης ηλεκτρονίων Σχήμα 1 Στο κύκλωμα του Σχήματος 2 ο αγωγός που συνδέει τους πόλους της μπαταρίας είναι από το ίδιο υλικό, υπάρχει όμως διαφορά στο πάχος του σύρματος. Εκεί όπου το πάχος του σύρματος είναι μικρότερο προκειμένου να ισχύει η διατήρηση του ρεύματος θα πρέπει τα ηλεκτρόνια να κινούνται ταχύτερα δηλαδή να είναι μεγαλύτερη η ταχύτητα διολίσθησης άρα θα πρέπει να είναι και μεγαλύτερη η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου στο στενό τμήμα του αγωγού. 28

29 + - Ένταση ηλεκτρικού πεδίου Τα χ ύτη τα διολίσθησης ηλεκτρονίων Σχήμα 2 Στο κύκλωμα του Σχήματος 3 ένα κομμάτι από το χάλκινο καλώδιο έχει αντικατασταθεί από γραφίτη με την ίδια διατομή. Στο γραφίτη ο αριθμός των ελευθέρων ηλεκτρονίων ανά μονάδα όγκου είναι αρκετά μικρότερος άρα για να έχουμε τη διατήρηση του ρεύματος πρέπει η ταχύτητα διολίσθησης των ηλεκτρονίων να είναι μεγαλύτερη στο γραφίτη που σημαίνει ότι αντίστοιχα είναι μεγαλύτερη και η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου. Στην επιφάνεια επαφής μεταξύ των δύο υλικών συγκεντρώνονται φορτία κατά τη διάρκεια της μεταβατικής κατάστασης μέχρι το κύκλωμα να διαρρέεται από σταθερό ρεύμα και τα φορτία αυτά είναι κυρίως υπεύθυνα για το ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται μέσα στο γραφίτη. + - Γραφίτης Χαλκός Ένταση ηλεκτρικού πεδίου Τα χ ύτη τα διολίσθησης ηλεκτρονίων Σχήμα 3 29

30 Σύμφωνα με τον Jackson (Jackson, 1996) τρεις είναι οι ρόλοι των επιφανειακών φορτίων: συμμετέχουν στη δημιουργία του εσωτερικού ηλεκτρικού πεδίου που προκαλεί τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος μέσα στα αγώγιμα στοιχεία του κυκλώματος, παίρνουν μέρος στη διατήρηση του δυναμικού μέσα στο κύκλωμα, ειδικά στα στοιχεία που ακολουθούν το νόμο του Ohm και τέλος, παρέχουν το ηλεκτρικό πεδίο στο χώρο έξω από τους αγωγούς. Σχετικά με τα Αναλυτικά Προγράμματα και τα σχολικά βιβλία Σε ότι αφορά το σκέλος της μελέτης του Ενιαίου Πλαισίου Προγραμμάτων Σπουδών των Αναλυτικών Προγραμμάτων και των σχολικών βιβλίων έχω να επισημάνω τα εξής: Στο ενιαίο διαθεματικό πρόγραμμα σπουδών της υποχρεωτικής εκπαίδευσης βλέπουμε μια μεγαλύτερη έμφαση στη μικροσκοπική δομή της ύλης σε σχέση με το προηγούμενο πρόγραμμα σπουδών. Αναφέρεται ως γενικός στόχος να μπορούν οι μαθητές να χρησιμοποιούν το μοντέλο δομής της ύλης για την ερμηνεία όλων των ηλεκτρικών φαινομένων. Το ενιαίο διαθεματικό πρόγραμμα σπουδών στο αντίστοιχο αναλυτικό πρόγραμμα σπουδών του Γυμνασίου για το κεφάλαιο του ηλεκτρισμού προβλέπει τη διδασκαλία του μόνο στη Γ Γυμνασίου και για 20 διδακτικές ώρες, ενώ το προηγούμενο πρόγραμμα σπουδών προέβλεπε τη διδασκαλία ενοτήτων του ηλεκτρισμού και στη Β Γυμνασίου και στη Γ Γυμνασίου για περισσότερες συνολικά ώρες. Στόχοι σχετιζόμενοι με το ηλεκτρικό ρεύμα σε μικροσκοπικό επίπεδο που αναφέρονται στο Διαθεματικό Αναλυτικό Πρόγραμμα της Φυσικής Γ Γυμνασίου είναι: να χρησιμοποιούν οι μαθητές απλό μικροσκοπικό μοντέλο για να ερμηνεύουν την αντίσταση των μεταλλικών αγωγών και να εξηγούν το φαινόμενο Joule συνδυάζοντάς το με το ήδη γνωστό τους μικροσκοπικό μοντέλο της δομής του μεταλλικού αγωγού και της μικροσκοπικής προέλευσης της θερμοκρασίας. 30

31 Στο Ενιαίο Λύκειο, το Πρόγραμμα Σπουδών Φυσικής προβλέπει τη διδασκαλία των ηλεκτρικών φαινομένων στη Β τάξη στα πλαίσια της Φυσικής Γενικής Παιδείας και συγκεκριμένων ενοτήτων στη Φυσική Κατεύθυνσης της ίδιας τάξης. Από τη μελέτη του Προγράμματος Σπουδών προέκυψε ότι δεν αναφέρονται στόχοι σχετικοί με το μικροσκοπικό επίπεδο του ηλεκτρικού ρεύματος. Στα βιβλία του Δημοτικού σε ότι αφορά το ηλεκτρικό ρεύμα δεν υπάρχουν ουσιαστικές αλλαγές στο περιεχόμενο. Και στο παλιό και στο νέο υπάρχουν αναφορές στη μικροσκοπική δομή των αγωγών και εξηγείται η αγωγιμότητα των μεταλλικών αγωγών με βάση το μοντέλο των ελευθέρων ηλεκτρονίων. Τα ισχύοντα βιβλία του Γυμνασίου (Αντωνίου et al, 2002) που έχουν γραφεί με βάση το προηγούμενο πρόγραμμα σπουδών και όχι το διαθεματικό, κάνουν μια καλή και αρκετά λεπτομερή περιγραφή του μικροσκοπικού μοντέλου και της εξήγησης της αγωγιμότητας των μετάλλων. Δυστυχώς, το κεφάλαιο της δομής της ύλης είναι τελευταίο στο βιβλίο της Β Γυμνασίου και σε πολλά σχολεία δεν επαρκεί ο χρόνος για να διδαχθεί. Το ίδιο ισχύει και για την εξήγηση της αγωγιμότητας των ημιαγωγών στο κεφάλαιο της ηλεκτρονικής της Γ Γυμνασίου. Το πρώτο ελληνικό σχολικό εγχειρίδιο Φυσικής Λυκείου στο οποίο περιγράφονται οι δύο κινήσεις που κάνουν τα ηλεκτρόνια (θερμική και λόγω του ηλεκτρικού πεδίου) σε ένα μεταλλικό ρευματοφόρο αγωγό και η ταχύτητα αποκατάστασης του πεδίου είναι το βιβλίο Φυσικής των Δαπόντε, Κασσέτα και Μουρίκη της Β Λυκείου σε διαδοχικές εκδόσεις από το 1985 και μετά. Στα βιβλία Φυσικής του Λυκείου που είναι σε χρήση σήμερα, Φυσική Β Λυκείου (Αλεξάκης et al, 2002) αναφέρονται μικροσκοπικές εξηγήσεις για την αγωγιμότητα των μετάλλων, το ηλεκτρικό ρεύμα, την προέλευση της αντίστασης, την εξάρτηση της αντίστασης από το υλικό, τη θερμοκρασία, το μήκος και τη διατομή του αγωγού και για το φαινόμενο joule. Περιγράφονται οι 31

32 κινήσεις των ηλεκτρονίων στους μεταλλικούς αγωγούς και η εύρεση της σχέσης έντασης ρεύματος και ταχύτητας διολίσθησης (σχέση μακροσκοπικών και μικροσκοπικών μεγεθών) δίνεται ως άσκηση. Γενικά οι αναφορές σχετικά με το ηλεκτρικό ρεύμα σε μικροσκοπικό επίπεδο είναι περιορισμένες και δεν τονίζεται ο ρόλος του ηλεκτρικού πεδίου ούτε ο τρόπος δημιουργίας του. Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι σε αντίθεση με παλαιότερα βιβλία Χημείας στα εγκεκριμένα βιβλία Χημείας του Ενιαίου Λυκείου (Λιοδάκης et al, 2002) σε καμία τάξη δεν γίνεται αναφορά στο μεταλλικό δεσμό γιατί κάτι τέτοιο δεν απαιτείται και από το αναλυτικό πρόγραμμα σπουδών Χημείας του Ενιαίου Λυκείου. Παρουσίαση αποτελεσμάτων μαθητών Οι συνεντεύξεις των μαθητών απομαγνητοφωνήθηκαν και οι απαντήσεις τους περιέχονται στο Παράρτημα Β. Στους παρακάτω πίνακες φαίνονται οι ερωτήσεις που τέθηκαν στους μαθητές και μια κατηγοριοποίηση των απαντήσεών τους. Τι σας έρχεται στο μυαλό όταν ακούτε τον όρο ηλεκτρισμός; Απαντήσεις μαθητών Πρίζες, ηλεκτρικές συσκευές ηλεκτροπληξία, μπαταρία, καθημερινή χρήση, θέρμανση, τηλεόραση. Ηλεκτρικό ρεύμα, ενέργεια, μορφή ενέργειας χρήσιμη. Θερμότητα, φως, όλα γίνονται με τον ηλεκτρισμό. Ηλεκτρόνια που έχουν συγκεκριμένη φορά και δημιουργούν το ηλεκτρικό ρεύμα. Η πρώτη κατηγορία απαντήσεων επικεντρώνεται στις συσκευές που παρέχουν ή χρησιμοποιούν το ηλεκτρικό ρεύμα στην καθημερινή ζωή. Οι μαθητές που έδωσαν τη δεύτερη κατηγορία απαντήσεων μάλλον θεωρούν τους όρους 32

33 ηλεκτρικό ρεύμα και ενέργεια ως συνώνυμους του ηλεκτρισμού. Η τρίτη κατηγορία απαντήσεων επικεντρώνεται σε κάποια γενικά αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος. Τέλος, η τέταρτη κατηγορία απαντήσεων αφορά σύνδεση του όρου ηλεκτρισμός με κάποια μικροσκοπική εικόνα για το ρεύμα. Άξιο για σχολιασμό είναι το γεγονός ότι ο ηλεκτρισμός για τους μαθητές συνδέεται μόνο με το ηλεκτρικό ρεύμα (δυναμικός ηλεκτρισμός) ενώ η επιστημονική γλώσσα της Φυσικής συμπεριλαμβάνει και τα φαινόμενα του στατικού ηλεκτρισμού. Αναφύεται λοιπόν το γνωστό πρόβλημα της διαφοροποίησης στο νόημα λέξεων που χρησιμοποιούνται και στην καθημερινή ζωή αλλά και στην επιστήμη. (Sutton, 2002) Τι σας έρχεται στο μυαλό όταν ακούτε τον όρο ηλεκτρικό ρεύμα; Χρησιμότητα στην καθημερινή ζωή και σχετικές εικόνες. Απαντήσεις μαθητών Σύνδεση ή ταύτιση με την ενέργεια και τη δύναμη. Αποθήκη ενέργειας που μπορεί να βγει με το πάτημα ενός διακόπτη. Κίνηση ηλεκτρονίων. Οι μαθητές συνδέουν το ηλεκτρικό ρεύμα: με εφαρμογές της ηλεκτρικής ενέργειας, με την ενέργεια και τη δύναμη, με αποθήκευση ενέργειας και τέλος με την κίνηση των ηλεκτρονίων. Τι σας έρχεται στο μυαλό όταν ακούτε τον όρο ηλεκτρική ενέργεια; Απαντήσεις μαθητών Είναι το ίδιο με το ηλεκτρικό ρεύμα. Χρήσιμη ενέργεια που μετατρέπεται. Τα εργοστάσια παράγουν ενέργεια που την διοχετεύουμε ως 33

34 ηλεκτρικό ρεύμα. Ενέργεια που παράγεται από το ρεύμα. Ενέργεια που παράγεται από την υδροηλεκτρική ενέργεια και την ηλιακή ενέργεια. Στην ερώτηση αυτή βλέπουμε τους μαθητές να ταυτίζουν την ηλεκτρική ενέργεια με το ηλεκτρικό ρεύμα, να εστιάζουν στις δυνατότητες μετατροπής και τη χρησιμότητα της ηλεκτρικής ενέργειας και σε τρόπους παραγωγής της. Σύνδεσε τη μπαταρία, το λαμπάκι και τα καλώδια ώστε να ανάψει το λαμπάκι. Στη συνέχεια σύνδεσε ένα λαμπάκι ακόμα. Με ποιους τρόπους μπορείς να το κάνεις; Τι προβλέπεις για τη φωτοβολία της αρχικής λάμπας; Πρόβλεψη ότι θα χρειαστούν δύο καλώδια Πραγματοποιούν τη Απαντήσεις μαθητών σύνδεση. Αδυναμία πρόβλεψης του αριθμού των καλωδίων που θα χρειαστούν. Πραγματοποιούν τη σύνδεση. Πρόβλεψη ότι θα χρειαστούν δύο καλώδια Πραγματοποιεί σύνδεση με τον ίδιο πόλο. Τα καταφέρνει με βοήθεια. Στη συνέχεια σύνδεσε ένα λαμπάκι ακόμα. Με ποιους τρόπους μπορείς να το κάνεις; Απαντήσεις μαθητών Πρόβλεψη ότι θα χρειαστούν δύο καλώδια και πραγματοποιεί παράλληλη σύνδεση μόνο ή σε σειρά σύνδεση μόνο. Πρόβλεψη ότι θα χρειαστούν δύο καλώδια και πραγματοποιεί παράλληλη και σε σειρά σύνδεση. 34