Φυσικά και Χημικά φαινόμενα: Ερμηνείες μαθητών Στ Δημοτικού με βάση τη σωματιδιακή θεωρία της ύλης

ΓΚΑΒΑΚΗ ΛΑΜΠΡΙΑΝΑ Φυσικά και Χημικά φαινόμενα: Ερμηνείες μαθητών Στ Δημοτικού με βάση τη σωματιδιακή θεωρία της ύλης Μεταπτυχιακή Εργασία Ειδίκευσης που υποβλήθηκε στο πλαίσιο του Προγράμματος Μεταπτυχιακών Σπουδών «Επιστήμες της Αγωγής» του Παιδαγωγικού Τμήματος Δημοτικής Εκπαίδευσης του Δημοκρίτειου Πανεπιστημίου Θράκης Αλεξανδρούπολη, εαρινό εξάμηνο 2006

ΓΚΑΒΑΚΗ ΛΑΜΠΡΙΑΝΑ Φυσικά και Χημικά φαινόμενα: Ερμηνείες μαθητών Στ Δημοτικού με βάση τη σωματιδιακή θεωρία της ύλης Μεταπτυχιακή Εργασία Ειδίκευσης που υποβλήθηκε στο πλαίσιο του Προγράμματος Μεταπτυχιακών Σπουδών «Επιστήμες της Αγωγής» του Παιδαγωγικού Τμήματος Δημοτικής Εκπαίδευσης του Δημοκρίτειου Πανεπιστημίου Θράκης Αλεξανδρούπολη, εαρινό εξάμηνο 2006 2

GKAVAKI LAMPRIANA Physical and chemical phenomena: Interpretations of 6 th grade students based on the particle theory of matter Dissertation Submitted for the Master s degree on the Sciences of Education of the Primary Education Department at Democritus University of Thrace Alexandroupolis, 2006 3

ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Κος Παπαγεωργίου Γεώργιος, Καθηγητής ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ Κος Παπαγεωργίου Γεώργιος, Καθηγητής Κος Μίχας Παύλος, Αναπληρωτής Καθηγητής Κος Σακονίδης Χαράλαμπος, Αναπληρωτής Καθηγητής 4

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Πρόλογος... 6 Περίληψη και λέξεις κλειδιά. 7 Abstract and Key Words 8 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ.. 9 2. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ.. 11 2.1. Οι ιδέες των μαθητών για την ύλη. 11 2.2. Οι ιδέες των μαθητών για την έννοια της χημικής αλλαγής.. 21 3. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΤΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ... 41 4. ΑΝΑΛΥΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ 45 4.1. Γενική κατηγοριοποίηση των απαντήσεων των μαθητών στην τάξη παρέμβασης.... 45 4.2. Γενική κατηγοριοποίηση των απαντήσεων των μαθητών στην τάξη ελέγχου... 85 4.3. Μετακινήσεις των μαθητών στα μοντέλα.. 125 4.4. Μετακινήσεις των μαθητών στο φυσικό και στα χημικά φαινόμενα. 131 4.5. Συσχετισμοί ανάμεσα στις μετακινήσεις των μαθητών στα μοντέλα και στις μετακινήσεις τους στα φαινόμενα...... 147 5. ΣΥΖΗΤΗΣΗ.... 159 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 165 Α) Ξενόγλωσση...... 165 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ... 173 1. Πρωτόκολλο συνέντευξης.. 173 2. Διδακτική παρέμβαση. 183 3. Μοντέλα μαθητών (Τάξη Παρέμβασης). 201 4. Μοντέλα μαθητών (Τάξη ελέγχου). 213 5

Πρόλογος Η εργασία αυτή πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια των απαιτήσεων του Προγράμματος Μεταπτυχιακών Σπουδών «Επιστήμες της Αγωγής» του Παιδαγωγικού Τμήματος Δημοτικής Εκπαίδευσης του Δημοκρίτειου Πανεπιστημίου Θράκης. Πριν ξεκινήσει η ανάπτυξη του θέματος θα ήθελα να ευχαριστήσω τους ανθρώπους που συνέβαλαν στη διεκπεραίωση της εργασίας αυτής. Πολύ σημαντική ήταν η συμβολή του επιβλέποντα καθηγητή κ. Γ. Παπαγεωργίου, Καθηγητή του Παιδαγωγικού Τμήματος Δημοτικής Εκπαίδευσης του Δημοκρίτειου Πανεπιστημίου Θράκης, τον οποίο και ευχαριστώ θερμά. Η βοήθεια και η καθοδήγησή του καθ όλη τη διάρκεια της εκπόνησης της εργασίας ήταν πολύτιμη. Θα ήθελα ακόμη να ευχαριστήσω το διευθυντή του 4 ου Δημοτικού Σχολείου Αλεξανδρούπολης, για τη διευκόλυνση που μου παρείχε στην πραγματοποίηση του ερευνητικού μέρους της εργασίας μου. Τέλος, ευχαριστώ θερμά τους εκπαιδευτικούς και τους μαθητές των δύο τμημάτων της Στ τάξης του 4 ου Δημοτικού Σχολείου Αλεξανδρούπολης για τη συμβολή τους στο εμπειρικό μέρος της εργασίας. Αλεξανδρούπολη, Μάιος 2006 Γκαβάκη Λαμπριάνα 6

Περίληψη Στο ερευνητικό μέρος της παρούσας εργασίας διερευνήθηκε εάν και κατά πόσο μια σειρά μαθημάτων, όπου γίνεται χρήση της σωματιδιακής θεωρίας, μπορεί να βοηθήσει στη βελτίωση της αντίληψης των μαθητών για τη δομή της ύλης και την ερμηνεία των χημικών και φυσικών φαινόμενων. Για τη συλλογή των δεδομένων χρησιμοποιήθηκε η συνέντευξη κλινικού τύπου, η οποία έλαβε χώρα πριν και μετά τη διδακτική παρέμβαση. Η διδακτική παρέμβαση πραγματοποιήθηκε μόνο στη μία από τις δύο σχολικές τάξεις που συμμετείχαν στην έρευνα. Η ποιοτική ανάλυση των δεδομένων της έρευνας έδειξε ότι αρχικά οι μαθητές απέδιδαν στα σωματίδια τις αλλαγές και τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα των ουσιών από τις οποίες προέρχονται. Μετά την παρέμβαση, οι απόψεις τους για τη δομή της ύλης βελτιώθηκαν σημαντικά. Βελτίωση παρατηρήθηκε και στην ερμηνεία του φυσικού φαινόμενου από την πλειοψηφία των μαθητών, ανάλογη ωστόσο πρόοδος δεν παρατηρείται στην κατανόηση και ερμηνεία των χημικών φαινόμενων. Τα παραπάνω μας οδηγούν στο συμπέρασμα ότι η μετακίνησή των μαθητών προς πιο εξελιγμένα σωματιδιακά μοντέλα σχετίζεται άμεσα με τη βελτίωση που παρουσιάζουν στην ερμηνεία των φυσικών φαινόμενων. Το ίδιο δε φαίνεται να ισχύει για τα χημικά φαινόμενα, ωστόσο παρατηρείται σύνδεση ανάμεσα στη μετακίνηση των μαθητών προς το σωματιδιακό μοντέλο C τα σωματίδια είναι η ουσία, οι ιδιότητες της ύλης είναι συλλογικές - και στην καλύτερη κατανόηση και ερμηνεία τους. Λέξεις Κλειδιά: Εναλλακτικές ιδέες, Σωματιδιακή θεωρία, Δομή της ύλης, Φυσική αλλαγή, Χημική αλλαγή 7

Summary The main purpose of this study was to investigate whether a series of lessons, using the particle theory can improve the understanding of the students about the structure of matter and the explanation of chemical and physical phenomena. The clinical interview was used for the collection of the data. It took place before and after an instructional intervention in one of the two 6th grade classes of a Greek primary school that participated in the study. The data analysis showed that the intervention improved the students understanding of the structure of matter and the explanation of physical phenomena. However, it didn t manage to improve, to the same extent, the understanding of the chemical phenomena. Consequently, the progress of the students to more scientific particle models is directly related to the better understanding of the physical phenomena. The same relation does not hold true for the chemical phenomena. Nevertheless, there is a connection between the movement of students towards the particle model C, where particles are the substance and the properties of state are collective, and the better comprehension of chemical phenomena. Key words: Alternative ideas, Particle theory, Structure of matter, Physical change, Chemical change 8

1. Εισαγωγή Η Χημεία που διδάσκεται στο σχολείο παρέχει στους μαθητές γνώσεις, οι οποίες θα τους βοηθήσουν στην ερμηνεία και κατανόηση καταστάσεων που συμβαίνουν καθημερινά γύρω τους, π.χ. η ρύπανση του αέρα από τις εξατμίσεις των αυτοκινήτων και τα φουγάρα των εργοστασίων. Όταν κυκλοφορούν αυτοκίνητα, χημικές αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα ανάμεσα στα μόρια του αέρα και της καύσιμης ύλης. Καινούρια μόρια σχηματίζονται, τα οποία σκορπίζονται σε μεγάλες περιοχές και μπορούν ν' αντιδράσουν με τα μόρια των οργανισμών, μερικές φορές επικίνδυνα. Η έννοιες, λοιπόν, της ύλης και των δομικών της στοιχείων, των ατόμων και των μορίων, καθώς και η έννοια της χημικής αντίδρασης πρέπει να αποτελούν μέρος του νοητικού εξοπλισμού κάθε μαθητή έως τη στιγμή που θα τελειώσει το σχολείο. Κι αυτό γιατί αποτελούν έννοιες-κλειδιά, οι οποίες θα τους βοηθήσουν να σχηματίσουν μια γενική εικόνα για όσα συμβαίνουν γύρω τους και ταυτόχρονα παρέχουν τη βάση για περαιτέρω έρευνα σχετικά με τις λεπτομέρειες. Ωστόσο έρευνες αλλά και η εμπειρία δείχνουν ότι πολλοί μαθητές δυσκολεύονται να κατανοήσουν αυτές τις έννοιες (Andersson, 1990). Πρόσφατες μελέτες μάλιστα έχουν δείξει ότι οι μαθητές, όχι μόνο έχουν αναπτύξει απόψεις για την ύλη και τις αλλαγές της πριν έρθουν στο σχολείο, οι οποίες διαφέρουν αρκετά από τις επιστημονικά αποδεκτές, αλλά ότι αυτές οι απόψεις είναι ιδιαίτερα «επίμονες». Oι ιδέες αυτές των μαθητών, τις οποίες η επιστημονική κοινότητα συνηθίζει να αποκαλεί «εναλλακτικές», προεπιστημονικές», «παρανοήσεις» κ.α., είναι πολύ ανθεκτικές στη διδασκαλία και δεν αλλάζουν εύκολα (Andersson, 1990 Al-Kunifed et al., 1993 Gayle, 2001 Calik-Ayas, 2005). Αυτό ωστόσο δεν είναι πάντα αρνητικό αν δεχθεί κανείς ότι η 9

μάθηση επιστημονικών εννοιών είναι μια ενεργής διαδικασία κατασκευής και ανακατασκευής της γνώσης και εξαρτάται άμεσα από την προηγούμενη γνώση (Al- Kunifed et al., 1993). Υπάρχει απόλυτη ομοφωνία ανάμεσα σε εκπαιδευτικούς φυσικών επιστημών και ερευνητές ότι οι μαθητές και οι δάσκαλοι των αμερικάνικων γυμνασίων θεωρούν τη χημεία ως ένα από τα πιο δύσκολα μαθήματα του σχολικού προγράμματος. Αυτή η δυσκολία αποδίδεται στους ακόλουθους παράγοντες: (1) Στην παρουσία τόσο από μέρους των εκπαιδευτικών όσο και των μαθητών των προεπιστημονικών ιδεών, (2) Στην έλλειψη ενοποίησης των νέων εννοιών με τις ήδη υπάρχουσες, (3) Στη σύγκρουση ανάμεσα στην προηγούμενη και στη νέα χημική γνώση, (4) Στο γεγονός ότι οι μαθητές δεν μπορούν να εφαρμόσουν τη μαθηματική λογική σε χημικές καταστάσεις, (5) Και τέλος στο γεγονός ότι οι μαθητές δεν μπορούν να αναγνωρίσουν τους χημικούς όρους και δυσκολεύονται να εφαρμόσουν τις γνώσεις χημείας που αποκτούν (Al-Kunifed et al., 1993). 10

2. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ 2.1 Οι ιδέες των μαθητών για την ύλη Η σημασία της της δομής της ύλης τόσο σε μακροσκοπικό όσο και σε μικροσκοπικό επίπεδο σε συνδυασμό με το γεγονός ότι, σύμφωνα με σχετικές έρευνες, τα αποτελέσματα των διδακτικών προσπαθειών είναι σχετικά φτωχά, κάνουν τις ιδέες των μαθητών για την ύλη μια σημαντική προς διερεύνηση περιοχή (Andersson, 1990). Στη συνέχεια, λοιπόν, παρατίθενται αρχικά τα σημεία των ερευνών που αφορούν κυρίως στο μακροσκοπικό και έπειτα στο μικροσκοπικό επίπεδο. Ακολουθούν αναφορές για τις απόψεις των μαθητών για τις τρεις καταστάσεις της ύλης. Τέλος, παρατίθενται τα συνολικά αποτελέσματα τεσσάρων ερευνών, οι οποίες κατά τη διάρκεια της παρέμβασης που πραγματοποίησαν, χρησιμοποίησαν τη σωματιδιακή θεωρία της ύλης. Ένα δύσκολο σημείο για πολλούς μαθητές αποτελεί η διάκριση ανάμεσα στην ύλη και στο αντικείμενο. Πολλοί μαθητές δε γνωρίζουν την έννοια «ύλη» ως επιστημονικό όρο και άλλοι την ερμηνεύουν διαισθητικά, βασισμένοι δηλ. σε αντιλήψεις των αισθήσεων (π.χ. «Ύλη είναι ό, τι βλέπουμε και αισθανόμαστε»). Τέτοιου είδους διαισθητικοί ορισμοί δε βοηθούν τους μαθητές να κάνουν σαφή διάκριση ανάμεσα σε παραδείγματα ύλης και μη ύλης. Πιο συγκεκριμένα, οι περισσότεροι μαθητές δεν είναι ξεκάθαροι για τη διάκριση ανάμεσα στα αέρια και στις διάφορες μορφές ενέργειας. Γι' αυτούς ο κόσμος αποτελείται από στερεά, υγρά και διάφορα είδη εφήμερων «πραγμάτων», όπως αέρια και μορφές ενέργειας. Μάλιστα για τις μορφές ενέργειας εξηγούν επιπλέον ότι πρόκειται για «διαφορετικές μορφές ύλης» (Lee et al., 1993). Οι Krnel et al. (1998), κάνοντας μια καταγραφή και ανάλυση των ερευνών 11

που σχετίζονται με την ανάπτυξη της έννοιας της ύλης, προχώρησαν ακόμα περισσότερο την παραπάνω διάκριση σε μια προσπάθεια να διαπιστώσουν αν οι μαθητές είναι σε θέση να διακρίνουν την ύλη από το αντικείμενο. Όπως φάνηκε η διαδικασία δυσκόλεψε ιδιαίτερα τους μαθητές εξαιτίας της έλλειψης διάκρισης ανάμεσα στις εντατικές ιδιότητες της ύλης (ουσίας) - ιδιότητες που δεν εξαρτώνται από την ποσότητα (χρώμα, σημείο τήξης, θερμοκρασία) - και στις εκτατικές ιδιότητες των αντικειμένων - ιδιότητες που εξαρτώνται από την ποσότητα (μέγεθος, όγκος, πυκνότητα)-. Σε δραστηριότητες που αφορούσαν τον ορισμό και την ταξινόμηση αντικειμένων και ουσιών, τα παιδιά, ανεξάρτητα από την ηλικία τους, έλαβαν ως κριτήριο και τη λειτουργία. Στα παιδιά μικρότερης ηλικίας το κριτήριο θα μπορούσε να οριστεί ως δράση (π.χ. μπορεί να λυγίσει, παράγει ήχο), ενώ τα μεγαλύτερα παιδιά σκέφτηκαν πιο περίπλοκες ενέργειες, όπως λειτουργία που δείχνει ότι ένα αντικείμενο θεωρείται παράδειγμα μιας μεγαλύτερης ομάδας (π.χ. φαγητά, ποτά, δομικά υλικά, υλικά τέχνης κ.α.). Τα παραπάνω δείχνουν, σύμφωνα με τους ερευνητές, ότι για τα περισσότερα παιδιά μέχρι 10 χρονών, η διάκριση ανάμεσα στο αντικείμενο και την ύλη δεν είναι ξεκάθαρη. Περιγράφουν ιδιότητες χωρίς να είναι ξεκάθαρο αν εστιάζουν στην ουσία ή στο αντικείμενο. Σε μικροσκοπικό επίπεδο, σύμφωνα με την Pfundt (1981), μαθητές ηλικίας 15 ετών που συμμετείχαν στην έρευνά της αντιλαμβάνονται τα άτομα σαν τον τελικό σύνδεσμο σε μια διαδικασία διαίρεσης και όχι ως πρωταρχικό δομικό στοιχείο της ύλης. Αφού η διαίρεση είναι κατά κάποιον τρόπο αυθαίρετη, τα άτομα, σκέφτηκαν οι μαθητές, θα μπορούσαν να ποικίλλουν στο σχήμα, να είναι π.χ. τετράγωνα ή ορθογώνια και να μην έχουν κενό ανάμεσά τους. Η Pfundt κατέληξε στο συμπέρασμα ότι πολλοί λίγοι μαθητές πιστεύουν ότι η ύλη αποτελείται από σωματίδια. Γι' αυτό θεωρεί πως είναι φυσικό οι μαθητές να αντιλαμβάνονται την ύλη συνεχόμενη και να προβάλουν κάποια παρατηρήσιμα χαρακτηριστικά της πάνω στα άτομα και στα μόρια από τα οποία αυτή αποτελείται (π.χ. «Ο φώσφορος είναι 12

κίτρινος, άρα και τα άτομα του φωσφόρου είναι κίτρινα») (Andersson, 1990). Την αντίληψη των μαθητών ηλικίας 14-16 ετών για τη συνέχεια της ύλης συναντούμε και σε έρευνα των Griffiths και Preston (1992). Μάλιστα κάποιοι απ τους μαθητές της παραπάνω έρευνας πιστεύουν ότι τα μόρια του νερού κρατιούνται μαζί από «κάτι» που βρίσκεται έξω από τα ίδια τα μόρια (Τan & Treagust, 1999). Άλλες έρευνες καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι μικρότερης ηλικίας μαθητές (12-14 ετών) έχουν την έμφυτη τάση να αντιμετωπίζουν τα άτομα και τα μόρια ως ταυτόσημα μέσα στις ουσίες (Andersson, 1990). Επίσης, οι απόψεις των μαθητών ηλικίας 11 ετών για τα σωματίδια αυτά βασίζονται σε παρατηρήσιμες ιδιότητες των ουσιών. Έχουν την πεποίθηση ότι τα μόρια βρίσκονται μέσα στις ουσίες κι όχι ότι οι ουσίες αποτελούνται από μόρια. Επίσης, οι μαθητές έχουν την άποψη ότι υπάρχει και κάτι άλλο ανάμεσα στα μόρια αντίθετα από την επιστημονική άποψη ότι υπάρχει κενός χώρος ανάμεσά τους. Άλλοι πάλι μαθητές θεωρούν ότι ανάμεσα στα μόρια μιας ουσίας υπάρχει η ίδια η ουσία. Αλλά και σχετικά με το μέγεθος των μορίων υπάρχει παρανόηση, καθώς τα θεωρούσαν συγκρίσιμα σε διαστάσεις με άλλα μικροσκοπικά αντικείμενα που γνωρίζουν. Η συνεχής κίνηση των μορίων προκαλεί, επίσης, σύγχυση στους μαθητές, οι οποίοι πιστεύουν ότι τα μόρια είναι ακίνητα, κυρίως στα στερεά αντικείμενα, όπου καμία κίνηση της ουσίας δεν είναι ορατή (Lee et al., 1993). Η παραπάνω έρευνα αποτυπώνει επίσης την τάση των μαθητών ηλικίας 11 ετών να προβάλουν παρατηρήσιμες ιδιότητες της ύλης πάνω στα σωματίδιά. Στην πλειοψηφία τους περιγράφουν τις τρεις καταστάσεις της ύλης ως εξής: «Τα στερεά σώματα είναι σκληρά και βαριά, τα υγρά σώματα είναι υγρά και ρευστά και τα αέρια σώματα είναι αόρατα και ελαφριά». Στη συνέχεια, τις ιδιότητες αυτές τις αποδίδουν και στο μικρόκοσμο των σωματιδίων. Θεωρούν δηλ. ότι και τα ίδια τα σωματίδια αλλάζουν κατά την αλλαγή κατάστασης της ύλης. (Π.χ. «Ο πάγος είναι 13

κρύος... τα μόρια του πάγου θα είναι πιο κρύα απ αυτά του νερού» ή «Τα μόρια στον πάγο είναι σκληρά και παγωμένα»). Επιπλέον, δυσκολεύονταν να δώσουν επιστημονικές εξηγήσεις για την κίνηση και τη διάταξή των σωματιδίων (Lee et al., 1993). Σε έρευνα των Haidar και Abraham (1998) σχετικά με το πως κάποιοι μαθητές του γυμνασίου αντιλαμβάνονται και απεικονίζουν τα σωματίδια στη στερεή, στην υγρή και στην αέρια κατάσταση, φάνηκε ότι τα παιδιά αποδίδουν με διαφορετικά σχήματα τα σωματίδια των διαφορετικών καταστάσεων. Απεικονίζουν τα αέρια μόρια στρογγυλά, τα μόρια των υγρών ουσιών να έχουν ακανόνιστα σχήματα ενώ τα μόρια των στερεών ουσιών παρουσιάζονται σαν κύβοι (Krnel et al., 1998). Σε παρόμοια έρευνα οι Griffiths και Preston (1992) και οι Pereira και Pestana (1991) παρατήρησαν σε ζωγραφιές των μαθητών (13-15 ετών) που συμμετείχαν στην έρευνά τους, ότι το μέγεθος των μορίων διαφοροποιούνταν ανάλογα με την κατάσταση της ύλης στην οποία αυτά βρίσκονταν. Παρουσιάζουν τα μόρια στη στερεή κατάσταση ως τα μεγαλύτερα, σε αντίθεση με τα μόρια στην αέρια κατάσταση που θεωρούνται τα μικρότερα (Krnel et al., 1998). Σχετικά με το πώς αναπτύσσονται οι τρεις καταστάσεις της ύλης στους μαθητές, φάνηκε πως τα υγρά είναι ευκολότερο να εννοιοποιηθούν σαν ύλη από τα στερεά γιατί έχουν συγκεκριμένες ιδιότητες και πολύ συχνά καθορίζονται από τη δράση τους (κυλάνε, χύνονται). Επιπλέον, τα υγρά στη βιβλιογραφία ορίζονται ως οι ουσίες που «τρέχουν» και μοιάζουν με το πρωτότυπο όλων των υγρών, το νερό. Έτσι, η ταξινόμησή τους σε ομάδα είναι ευκολότερη. Αντίθετα, τα στερεά είναι πολύ διαφορετικά μεταξύ τους για να μπορέσουν τα παιδιά να βρουν κάτι κοινό και να τα ταξινομήσουν (Krnel et al., 1998). Τα παιδιά αντιμετωπίζουν μεγαλύτερη δυσκολία να εννοιοποιήσουν τα 14

αέρια, καθώς τα αντιληπτά στοιχεία για την ανίχνευση και αναγνώριση των αερίων είναι λιγότερα απ ότι στα υγρά. Παρόλο που τα παιδιά γνωρίζουν κάποιες ιδιότητες του αέρα, τον αντιλαμβάνονται μόνο όταν αυτός κινείται ή φυσάει και δεν τον συγκρίνουν με τα άλλα αέρια. Τα αέρια, σύμφωνα με έρευνα των Andersson και Renstrom (1981) σε μαθητές δημοτικού σχολείου και πρώτων τάξεων γυμνασίου, θεωρούνται επικίνδυνα και εύφλεκτα από τους μαθητές. Άποψη η οποία ωστόσο δεν ισχύει για τον αέρα, τον οποίο όχι μόνο δεν ορίζουν ως αέριο αλλά τον θεωρούν και σημαντικό για τη ζωή (Andersson, 1990). Αντίθετα, σε ότι αφορά στο πέρασμα από μια συνεχόμενη ουσία στη σωματιδιακή δομή της, η υγρή και η αέρια κατάσταση διευκολύνουν τους μαθητές σε σχέση με μια ουσία που βρίσκεται στη στερεή κατάσταση. Το παραπάνω εύρημα αποδεικνύεται από το γεγονός ότι μαθητές ηλικίας από 7 έως 10 ετών αντιμετώπισαν το νερό ως σωματιδιακή ουσία, τόσο σε μακροσκοπικό όσο και σε μικροσκοπικό επίπεδο. Με τον ίδιο τρόπο αντιμετώπισαν και ένα μπαλόνι γεμάτο ήλιο, το οποίο επίσης θεώρησαν ότι περιέχει σωματιδιακή ύλη (Nakhleh & Samarapungavan, 1999). Δυσκολία στην κατανόηση της αέριας κατάστασης των ουσιών συναντά κανείς στη συμπίεση των αερίων. Μαθητές ηλικίας 11 ετών φαίνονται να θεωρούν ότι ο αέρας κινείται όπως το νερό απ' το ένα μέρος στο άλλο και διανέμεται έτσι ακανόνιστα. Στην προσπάθειά τους να εξηγήσουν γιατί τα αέρια συμπιέζονται και τα υγρά όχι, εστιάζουν την προσοχή τους σε παρατηρήσιμες ιδιότητες του νερού και του αέρα (Lee et al., 1993). Με το ίδιο θέμα ασχολήθηκαν και οι Andersson & Eliasson (1988), στην έρευνα των οποίων η πλειοψηφία των μαθητών ηλικίας 13 ετών προέβλεψαν ότι ο αέρας που υπάρχει μέσα σε μια σύριγγα είναι ασυμπίεστος (Andersson, 1990). Σε ότι αφορά τις ιδέες των μαθητών ηλικίας 11 ετών για τις αλλαγές 15

κατάστασης της ύλης, τα ευρήματα δείχνουν ότι δυσκολεύονται να κατανοήσουν τη διατήρηση της ύλης κατά την τήξη ή την πήξη («Όταν ο πάγος γίνεται νερό είναι ελαφρύτερος») αλλά και κατά την εξάτμιση, το βρασμό ή τη συμπύκνωση, αλλαγές που αφορούν αόρατα αέρια. Θεωρούν ότι οι ουσίες που εξατμίζονται, εξαφανίζονται, ενώ αυτές που συμπυκνώνονται, δημιουργούνται απ' το πουθενά. Η πιο δύσκολη προς κατανόηση έννοια ήταν η διατήρηση της μάζας των αόρατων ατμών στον αέρα, κυρίως εξαιτίας της αποτυχίας των μαθητών να κατανοήσουν την ύπαρξη υδρατμών (Lee et al., 1993). Δυσκολία στη διατήρηση της μάζας, σε υδατικό όμως διάλυμα, συναντούμε και σε έρευνα των Driver et al. (1984) σε μαθητές ηλικίας από 9 έως 14 ετών, οι οποίοι είχαν την άποψη ότι η μάζα ενός διαλύματος ζάχαρης θα είναι μικρότερη από τη μάζα της ζάχαρης και του νερού ξεχωριστά. Θεώρησαν δηλ. ότι η ζάχαρη εξαφανίζεται μέσα στο νερό (Barker & Millar, 1999). Ο Andersson (1990) διαπίστωσε ότι η πλειοψηφία των μαθητών ηλικίας 12-15 ετών είναι σε θέση να κατανοήσουν τη μετατροπή του νερού από τη στερεή στην υγρή κατάσταση, ωστόσο δυσκολεύονται να γενικεύσουν εντελώς το φαινόμενο αυτό σε άλλες ουσίες. Π.χ. στην περίπτωση του κεριού που λιώνει, πιστεύουν ότι θα δημιουργηθεί νερό. Παρόμοιες εξηγήσεις έδωσαν και οι μαθητές ηλικίας 9 ετών στην έρευνα του Krnel (1994b). Π.χ. «Όταν λιώνει βούτυρο, σχηματίζεται νερό ή παρόμοια ουσία» (Krnel et al., 1998). Σε έρευνα των Papageorgiou και Johnson (2005) σε μαθητές ηλικίας 10-11 ετών, κάποιοι από αυτούς έκαναν επίσης λόγο για μετατροπή του κεριού σε νερό κατά την τήξη του. Οι μαθητές αυτοί, ωστόσο, σύμφωνα με τους δύο ερευνητές, φάνηκαν να χρησιμοποιούν τον όρο «νερό» με την έννοια της πρωτότυπης ουσίας παρά σαν μία συγκεκριμένη ουσία. Ένας μαθητής μάλιστα είπε: «Είναι κάτι σαν νερό μμμ είναι νερό». 16

Διερευνώντας την έννοια της διάλυσης, διαπιστώθηκε ότι ακόμα και μαθητές λυκείου δεν κατανοούν τη διατήρηση της ύλης, αφού γι' αυτούς διάλυση σημαίνει εξαφάνιση. Μάλιστα, κάποιοι μαθητές έχουν την άποψη ότι κατά τη διαδικασία της διάλυσής της στο νερό, η ζάχαρη βυθίζεται στον πάτο του ποτηριού (Lee et al., 1993). Στη βιβλιογραφία συναντούμε, επίσης, την άποψη ότι τα σωματίδια ζάχαρης είτε επιπλέουν, είτε βυθίζονται στον πάτο του κύπελου αντί να ανακατευτούν ομοιόμορφα με το νερό. Στις απαντήσεις άλλων μαθητών γίνεται αντιληπτή η πεποίθησή τους ότι η ζάχαρη αλλάζει χημικά σε μια νέα ουσία ή ότι σπάει στα ιόντα ή τα στοιχεία της. Άλλες ιδέες που συναντούμε είναι ότι η ζάχαρη υφίσταται μια αλλαγή φάσης, δηλ. λιώνει ή εξατμίζεται ή απορροφάται από το νερό (Abraham et al., 1994). Αντίθετα με τα παραπάνω, άλλες έρευνες δείχνουν ότι οι μαθητές είναι σε θέση να αντιληφθούν ότι η ζάχαρη εξακολουθεί να υπάρχει μέσα στο νερό και δεν έχει εξαφανιστεί εντελώς. Ιδιαίτερα σημαντικό εύρημα της πρόσφατης βιβλιογραφίας αποτελεί το γεγονός ότι μαθητές ηλικίας 10-11 ετών αντιλαμβάνονται τη διάλυση της ζάχαρης σαν διαίρεση των κόκκων ζάχαρης σε μικρότερα κομμάτια, τα οποία αναμειγνύονται με το νερό. Μάλιστα, μετά από παρέμβαση η οποία περιλάμβανε στοιχεία της σωματιδιακής θεωρίας, οι ίδιοι μαθητές εξήγησαν τη διάλυση της ζάχαρης στο νερό σαν μία διαδικασία, όπου σωματίδια ενός κόκκου ζάχαρης χωρίζονται και αναμειγνύονται με τα σωματίδια του νερού (Papageorgiou & Johnson, 2005). Οι έρευνες των Αυ et al. (1993) και Rosen & Rozin (1993) έδειξαν ότι μαθητές πολύ μικρότερης ηλικίας (3-7 ετών) πιστεύουν ότι πολύ μικρά αόρατα σωματίδια μπορεί να υπάρχουν σε υδατικά διαλύματα και ότι ιδιότητες του διαλύματος, όπως γεύση και ποσιμότητα, μπορούν να επηρεαστούν απ' αυτά τα σωματίδια (Nakhleh & Samarapungavan, 1999). Μάλιστα οι Αυ et al. (1993), μετά 17

από μια σειρά τριών ερευνών κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι τα παιδιά της παραπάνω ηλικίας φαίνεται να πιστεύουν ότι η ζάχαρη εξακολουθεί να είναι παρούσα και μετά τη διάλυσή της, αν και αόρατη, και ότι ορισμένες ιδιότητες του διαλύματος της ζάχαρης, όπως γεύση και βάρος, οφείλονται στην αόρατη ζάχαρη. Πολλά παιδιά έδειξαν να πιστεύουν ότι η ζάχαρη είναι αόρατη, γιατί έσπασε σε πολύ μικρά κομματάκια. Κι άλλες έρευνες ωστόσο έδειξαν ότι οι μαθητές εύκολα μπορούν να αντιληφθούν ότι η ζάχαρη αποτελείται από ελάχιστα σωματίδια. Για τους περισσότερους όμως από αυτούς τα σωματίδια αυτά διαθέτουν τις παρατηρήσιμες ιδιότητες των κόκκων ζάχαρης στη γεύση και στο χρώμα και ποικίλλουν σε σχήμα και μέγεθος (Nakhleh & Samarapungavan, 1999). Ένα πολύ σημαντικό συμπέρασμα, στο οποίο κατέληξαν οι Lee et al. (1993), ήταν ότι μετά από μια σειρά μαθημάτων που περιλάμβαναν τα κεφάλαια «Μοντέλα της ύλης» (1 η χρονιά) και «Ύλη και μόρια» (2 η χρονιά) και εφαρμόστηκαν στους μαθητές των μεγάλων τάξεων του δημοτικού σχολείου που συμμετείχαν στην έρευνά τους, το 50% αυτών κατόρθωσαν να βελτιώσουν τις προηγούμενες ιδέες τους και να κατανοήσουν σημαντικά σημεία της σωματιδιακής θεωρίας. Επιπλέον, οι ερευνητές καταλήγουν ότι αυτές οι έννοιες δεν ξεπερνούν το επίπεδο των περισσότερων μαθητών της ηλικίας αυτής. Έπειτα από έρευνα σε μαθητές γυμνασίου ηλικίας 11-14 ετών, οι οποίοι παρακολούθησαν μια διδακτική παρέμβαση με χρήση της σωματιδιακής θεωρίας της ύλης, ο Johnson (1998) δημιούργησε τέσσερα σωματιδιακά μοντέλα, όπου ενέταξε τους μαθητές που συμμετείχαν στην έρευνά του σύμφωνα με τις αντιλήψεις τους για την ύλη και τα σωματίδια από τα οποία αυτή αποτελείται. Τα μοντέλα αυτά είναι τα ακόλουθα: Μοντέλο Χ: Συνεχόμενη ουσία 18

Οι σωματιδιακές ιδέες δεν έχουν κανένα νόημα. Στα σχέδια των παιδιών τα σωματίδια είναι ανύπαρκτα. Μοντέλο Α: Σωματίδια μέσα στη συνεχόμενη ουσία. Σωματίδια ζωγραφίζονται, αλλά η ουσία θεωρείται ότι είναι ανάμεσα στα σωματίδια. Τα σωματίδια είναι επιπρόσθετα της ουσίας. Μοντέλο Β: Τα σωματίδια είvαι η ουσία, αλλά με μακροσκοπικό χαρακτήρα. Σωματίδια ζωγραφίζονται και θεωρούνται ότι είναι η ουσία. Δεν υπάρχει τίποτα ανάμεσα στα σωματίδια. Ξεχωριστά σωματίδια θεωρούνται να έχουν την ίδια ποιότητα με το μακροσκοπικό δείγμα - στην κυριολεξία αποτελούν κομμάτια απ' αυτό. Π.χ. Η ουσία θείο είναι κίτρινη, άρα και τα σωματίδια είναι κίτρινα. Μοντέλο C: Τα σωματίδια είvαι η ουσία, οι ιδιότητες της κατάστασης είναι συλλογικές. Σωματίδια ζωγραφίζονται και θεωρούνται ότι είναι η ουσία. Οι ιδιότητες της κατάστασης αντιμετωπίζονται σαν συλλογικές ιδιότητες των σωματιδίων. Π.χ. Η διαφορά ανάμεσα στην υγρή και στην αέρια κατάσταση είναι η διάταξη των σωματιδίων. Η μεγάλη απόσταση ανάμεσα στα σωματίδια σημαίνει αέρια κατάσταση, ενώ η μικρότερη απόσταση ανάμεσά τους είναι η υγρή κατάσταση. Σύμφωνα με τις απαντήσεις που συγκέντρωσε ο ερευνητής από τις συνεντεύξεις οι οποίες έπονταν των μαθημάτων, η πλειοψηφία των μαθητών άλλαξε στον τρόπο σκέψης της για τη σωματιδιακή φύση της ύλης. Μάλιστα, ένας μεγάλος αριθμός μαθητών μετακινήθηκε στο επιστημονικά αποδεκτό μοντέλο C. Ακόμα και για τους μαθητές, οι οποίοι παρέμειναν στο ίδιο μοντέλο, ο ερευνητής διαπίστωσε σημαντικές αλλαγές στον τρόπο σκέψης τους. Για παράδειγμα, για ένα μαθητή, ο οποίος παρέμεινε στο μοντέλο Α, τα σωματίδια φάνηκαν να αποκτούν μια αυξανόμενη σημασία στις απαντήσεις του. Αρχικά ο μαθητής δεν έκανε καμία συσχέτιση ανάμεσα στα σωματίδια και στην ουσία. Στις επόμενες συνεντεύξεις, παρόλο που η ζάχαρη και το νερό εξακολουθούν να βρίσκονται ανάμεσα στα 19

σωματίδια, τώρα υπάρχει σχέση ανάμεσα στα σωματίδια και την ουσία, με την έννοια ότι τα σωματίδια είναι «σαν» την ουσία. Ο Leisten (1999) διερεύνησε την επίδραση που θα είχαν σε μαθητές μεγάλων τάξεων του δημοτικού σχολείου δυο ακολουθίες μαθημάτων συνολικής διάρκειας οχτώ ωρών για τη σωματιδιακή φύση της ύλης. Τα αποτελέσματα της παραπάνω έρευνας ήταν ιδιαίτερα ενθαρρυντικά καθώς έδειξαν πως πολλοί μαθητές χρησιμοποιούν με άνεση μοριακούς όρους και παρακολουθώντας τα μαθήματα η κατανόηση των προς διδασκαλία εννοιών βελτιώθηκε σημαντικά (Skamp, 1999). Σε ανάλογα συμπεράσματα για τη σημασία των σωματιδιακών ιδεών οδηγήθηκαν και οι Papageorgiou και Johnson (2005), έπειτα από έρευνά τους σε μαθητές ηλικίας 10-11 ετών. Η σωματιδιακή θεωρία χρησιμοποιήθηκε για τη διδασκαλία των εννοιών της αλλαγής κατάστασης και της διάλυσης στους μαθητές της μίας εκ των δύο τάξεων που συμμετείχαν στην έρευνα. Οι μαθητές αυτοί φαίνεται πως ωφελήθηκαν από την παραπάνω θεωρία αφού, σε όλες σχεδόν τις ερωτήσεις που τους τέθηκαν, χρησιμοποίησαν και σωματιδιακές ιδέες στις εξηγήσεις τους, πράγμα το οποίο παρατηρήθηκε, σε μικρότερο βέβαια βαθμό, ακόμα και από μαθητές που ανήκαν στο σωματιδιακό μοντέλο Α. 20

2.2 Οι ιδέες των μαθητών για την έννοια της χημικής αλλαγής Τα τελευταία χρόνια έχουν πραγματοποιηθεί μια σειρά ερευνών με σκοπό να διαπιστώσουν το βαθμό της έννοιας της χημικής αλλαγής από τους μαθητές. Πριν φτάσουμε στα συμπεράσματα στα οποία κατέληξαν αυτές οι έρευνες, θα γίνει μια αναφορά στον ορισμό της παραπάνω έννοιας. Με τον όρο χημική αλλαγή -μακροσκοπικά- εννοούνται οι μεταβολές κατά τις οποίες από ορισμένες αρχικές ουσίες έχουμε τη δημιουργία νέας ή νέων χημικών ουσιών με διαφορετικές φυσικές και χημικές ιδιότητες από τις αρχικές ουσίες. Μικροσκοπικά αυτό σημαίνει ότι τα άτομα των αρχικών ουσιών ανακατανέμονται για να δημιουργήσουν νέες ουσίες. Όπως φαίνεται και από τον ορισμό της, η έννοια της χημικής αλλαγής είναι ιδιαίτερα περίπλοκη στην κατανόησή της από τους μαθητές. Πολλοί ερευνητές προσπάθησαν να κατηγοριοποιήσουν τις απαντήσεις των μαθητών, που συμμετείχαν στην έρευνά τους, ώστε να είναι σε θέση να καταλάβουν το επίπεδο στο οποίο αυτοί βρίσκονται. Ο Andersson (1986) ασχολήθηκε με μια σειρά από έρευνες, οι οποίες ήταν οι πρώτες που διερεύνησαν το θέμα της χημικής αλλαγής. Οι έρευνες αυτές αφορούσαν το ηλικιακό διάστημα μεταξύ 10 και 15 ετών σε μαθητές που είχαν διδαχθεί και σε άλλους που δεν είχαν διδαχθεί χημεία. Συγκεκριμένα επεξεργάστηκε τις έρευνες των Αnderssοn & Renstrom (1981), Shollum (1982), Pfundt (1982), Meheut, Saltiel & Tiberghien (1983) και Andersson & Renstrom (1983a, 1983b). Επειδή οι έρευνες αυτές δεν έκαναν καμιά αναφορά η μια στην άλλη και εξαιτίας της σημασίας τους για τη διδασκαλία του μαθήματος της χημείας, ο Andersson προσπάθησε να τις συνθέσει, κατηγοριοποιώντας τις απαντήσεις των μαθητών. Κατέληξε στο συμπέρασμα ότι βάση των εξηγήσεων των μαθητών αναφορικά με το «τι είναι χημική αλλαγή», μπορούν να δημιουργηθούν πέντε κατηγορίες και να 21

εξαχθούν κάποια συμπεράσματα για το επίπεδο στο οποίο αυτοί βρίσκονται. Οι κατηγορίες και τα συμπεράσματα που σχετίζονται με την καθεμία συνοψίζονται στα ακόλουθα: 1) Είναι ακριβώς έτσι. Στην κατηγορία αυτή μπήκαν οι μαθητές, οι οποίοι δεν αιτιολόγησαν τις απαντήσεις τους. Τέτοιου είδους απαντήσεις είναι συνήθως ενδείξεις ότι η έννοια της χημικής αλλαγής δεν έχει γίνει κατανοητή. 2) Μετατόπιση. Μια ουσία εμφανίζεται σε δοσμένο σημείο γιατί μετατοπίστηκε εκεί. Π.χ. Οι σταγόνες νερού στο τραπέζι προέρχονται από το βρεγμένο σφουγγάρι. Οι μαθητές που εντάχθηκαν σ' αυτήν την κατηγορία θεωρούν ότι στο μακρόκοσμο δεν αλλάζουν οι ιδιότητες των ουσιών, μόνο μετατοπίζεται η αρχική ουσία ενώ στο μικρόκοσμο τα άτομα και τα μόρια σχηματίζουν επίχρισμα, χωρίζουν, αναμειγνύονται κ.λ.π. 3) Τροποποίηση. Αυτό που φαίνεται να είναι μια νέα ουσία είναι στην πραγματικότητα η ίδια ουσία όπως και πριν αλλά έχει αλλάξει μορφή. Π.χ. Τα ροκανίδια που ήταν ξύλο και τροποποιήθηκαν από το πριόνισμα. Στην κατηγορία αυτή οι μαθητές πιστεύουν ότι στο μακρόκοσμο κάποιες ιδιότητες των ουσιών αλλάζουν και άλλες όχι, ενώ και στο μικρόκοσμο τα άτομα των ουσιών αλλάζουν σχήμα, μέγεθος, χρώμα, κ.λ.π. 4) Μεταστοιχείωση. Μια δοσμένη ουσία μεταμορφώνεται σε μια νέα. Π.χ. Το σίδερο γίνεται άνθρακας. Οι μαθητές που τοποθετήθηκαν σ' αυτήν την κατηγορία θεωρούν ότι στο μικρόκοσμο η αρχική ουσία αλλάζει σε μια εντελώς νέα ουσία (π. χ. «Το σίδερο γίνεται άνθρακας», «Το πετρέλαιο γίνεται ενέργεια») αλλά και τα άτομα μεταστοιχειώνονται επίσης. (π. χ. «Ο σίδηρος γίνεται άνθρακας και τα άτομα καίγονται»). 5) Χημική αλληλεπίδραση. Στην τελευταία κατηγορία κατατάχθηκαν οι απαντήσεις των λίγων εκείνων μαθητών, οι οποίες έγιναν αποδεκτές από τους 22

καθηγητές χημείας, αφού συμφωνούσαν με τις επιστημονικά αποδεκτές απόψεις. Οι μαθητές της κατηγορίας αυτής έχουν την άποψη ότι στο μακρόκοσμο οι αρχικές ουσίες παύουν να υπάρχουν και νέες ουσίες σχηματίζονται (π. χ. «Άνθρακας και οξυγόνο μας δίνουν μονοξείδιο του άνθρακα») αλλά στο μικρόκοσμο η ατομική ταυτότητα των ουσιών διατηρείται, δηλαδή αυτό που αλλάζει είναι ο τρόπος με τον οποίο συνδυάζονται τα άτομα. Σε κατηγοριοποίηση των απαντήσεων των μαθητών που συμμετείχαν στην έρευνά τους οδηγήθηκαν και οι Ahtee & Varjola (1998), οι οποίες ζήτησαν από μαθητές διαφόρων ηλικιών - Α, Β' γυμνασίου, Α λυκείου και φοιτητές στο πρώτο έτος του τμήματος Χημείας στο Πανεπιστήμιο - να εξηγήσουν με δικά τους λόγια τον ορισμό της χημικής αντίδρασης. Δημιούργησαν τις ακόλουθες πέντε κατηγορίες συγκρίνοντας τις ομοιότητες και τις διαφορές στις απαντήσεις των ερωτώμενων μαθητών. (Α) Καμία κατανόηση. Εδώ τοποθετήθηκαν οι απαντήσεις που δε σχετίζονταν με την ερώτηση, η επανάληψη του δοσμένου ορισμού και οι σοβαρά λανθασμένες απαντήσεις. (Β) Κάποια γνώση. Στην κατηγορία αυτή καταχωρήθηκαν απαντήσεις που περιλάμβαναν παραδείγματα χωρίς εξήγηση και λανθασμένες χημικές αντιδράσεις. (C) Κατανόηση αλλά η απάντηση περιέχει λάθη. Εδώ οι απαντήσεις περιείχαν τουλάχιστον ένα από τα στοιχεία της έγκυρης απάντησης* αλλά με λάθη. (D) Μερική κατανόηση. Στην κατηγορία αυτή οι απαντήσεις περιέχουν τουλάχιστον ένα από τα στοιχεία της έγκυρης απάντησης*. * Ο όρος «έγκυρη απάντηση» περιλαμβάνει: α) αναδιοργάνωση των σχετιζόμενων ατόμων, β) σπάσιμο και ανασχηματισμός δεσμών, γ) αλλαγή στις φυσικές και χημικές ιδιότητες. 23

(Ε) Τέλεια κατανόηση. Οι απαντήσεις της κατηγορίας αυτής περιλαμβάνουν: α) αναδιοργάνωση των σχετιζόμενων ατόμων, β) σπάσιμο και ανασχηματισμός δεσμών, γ) αλλαγές στις φυσικές και χημικές ιδιότητες. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το 1/3 των μαθητών του γυμνασίου ανήκαν στην κατηγορία (Α). Στην κατηγορία (Β) βρέθηκαν οι απαντήσεις των μισών μαθητών του γυμνασίου, αρκετών μαθητών λυκείου και λίγων πρωτοετών φοιτητών, οι οποίοι έγραψαν μια χημική εξίσωση, αλλά απέτυχαν να εξηγήσουν τι συνέβαινε στις ουσίες της αντίδρασης. Στην τρίτη κατηγορία βρέθηκαν κυρίως μαθητές λυκείου και πρωτοετείς φοιτητές. Στην κατηγορία της μερικής τοποθετήθηκαν στην πλειοψηφία τους οι απαντήσεις των φοιτητών, ενώ στην τελευταία κατηγορία της τέλειας ανήκαν μόνο ελάχιστες απαντήσεις των μαθητών λυκείου και των φοιτητών. Από τα παραπάνω φαίνεται καθαρά ότι η έννοια της χημικής αντίδρασης δεν είναι τόσο εύκολο να εξηγηθεί και να περιγραφεί ακόμα και από μαθητές που την έχουν διδαχθεί. Το πιο εντυπωσιακό στοιχείο είναι το χαμηλό επίπεδο των πρωτοετών φοιτητών στο τμήμα Χημείας - απαντήσεις τους τοποθετήθηκαν ακόμα και στην (Α) κατηγορία της μη -. Αυτό δείχνει ότι ακόμα και μαθητές που έχουν τελειώσει τις δυο πρώτες βαθμίδες εκπαίδευσης και με ενδιαφέρον να φοιτήσουν σε τμήματα θετικών επιστημών, έχουν σοβαρά κενά και ελλείψεις σε βασικές έννοιες χημείας, τις οποίες έχουν επανειλημμένα διδαχθεί. Σύμφωνα με τους ερευνητές, μια αποδεκτή απάντηση σχετικά με την έννοια της χημικής αντίδρασης περιλαμβάνει την εξήγηση ότι δεσμοί σπάνε και νέοι δεσμοί ανασχηματίζονται. Οι Brosnan & Reynolds (2001) προχώρησαν σε μια διαφορετική κατηγοριοποίηση, η οποία έδινε βαρύτητα στις μακροσκοπικές και μικροσκοπικές διαφορές ανάμεσα σε μαθητές τριών διαφορετικών ηλικιακών ομάδων (11-12 ετών, 24

13-15 ετών και 16-17 ετών). Μάλιστα, οι συγκεκριμένοι ερευνητές έκαναν χρήση ενός προγράμματος διδασκαλίας, το οποίο χρησιμοποιούσε προτάσεις παραγόμενες από ηλεκτρονικό υπολογιστή για να εξηγήσει στα παιδιά τέσσερις καθημερινές αλλαγές σε υλικά (καύση κεριού, τήξη πάγου, σκουριά σε καρφί, διάλυση ζάχαρης σε νερό). Ζήτησαν από τους μαθητές να τους «βοηθήσουν» ν' αποφασίσουν ποιες προτάσεις «είχαν νόημα» ώστε να τις κρατήσουν και ποιες «δεν είχαν νόημα» ώστε να τις απομακρύνουν. Χρησιμοποίησαν τους παραπάνω χαρακτηρισμούς και όχι το «σωστό» ή «λάθος», γιατί δεν τους ενδιέφερε να διαπιστώσουν την επιστημονική γνώση ή άγνοια των μαθητών για καθένα από τα τέσσερα φαινόμενα. Αυτό που τους ενδιέφερε να μάθουν ήταν αν υπήρχαν τύποι εξηγήσεων απoδεκτoί από τους μαθητές για διαφορετικά φαινόμενα και, αν ναι, ποιού επιπέδου. Τα επίπεδα στα οποία οι δυο ερευνητές τοποθέτησαν τους μαθητές σύμφωνα με τις επιλογές τους είναι τρία, το μακροσκοπικό («macro»), το μικροσκοπικό («micro») και το εντός μικροσκοπικού επιπέδου επίπεδο («within micro»). (1) «Μακροσκοπικό» επίπεδο («macro»): Εδώ τοποθετήθηκαν οι μαθητές που δεν έκαναν κανένα διαχωρισμό ανάμεσα σε ουσίες, μόρια και άτομα. Στο επίπεδο αυτό ανήκουν κυρίως μαθητές ηλικίας 11-12 ετών. Αγνοούν τους όρους «μόρια» και «άτομα» και δέχονται και χρησιμοποιούν πανομοιότυπους όρους για να περιγράψουν αλλαγές. Π. χ. χρησιμοποιούν τη λέξη «αυτό» για όλες τις περιπτώσεις, ανεξάρτητα αν στην πρόταση αναφέρονταν οι λέξεις μόριο, άτομο ή ουσία. Ωστόσο ένας μικρός αριθμός αυτών των μαθητών έδειχνε να βρίσκεται σε αρχικό στάδιο στο μικροσκοπικό επίπεδο. (2) «Μικροσκοπικό» επίπεδο («micro»): Οι μαθητές του επιπέδου αυτού διαφοροποιούν τις έννοιες ουσία και σωματίδια, αλλά δείχνουν να μην μπορούν να τις διακρίνουν στο μικροεπίπεδο. Είναι μαθητές ηλικίας 13-15 ετών που έχουν 25

διδαχθεί χημεία για δύο χρόνια, γι' αυτό και οι απαντήσεις τους είναι πιθανό να εμπεριέχουν επιστημονική ορολογία. Δέχονται προτάσεις που περιγράφουν αλλαγές στο ατομικό επίπεδο, οι οποίες είναι δυνατό να συμβούν μόνο στο μοριακό επίπεδο. Σε αυθόρμητά σχόλιά τους χρησιμοποιούσαν τους όρους άτομα και μόρια εναλλακτικά. Βέβαια και μικρότερης αλλά και μεγαλύτερης ηλικίας μαθητές βρέθηκαν σ' αυτήν την κατηγορία. (3) «Εντός μικροσκοπικού επιπέδου» επίπεδο («within micro»): Στο τρίτο επίπεδο τοποθετήθηκαν οι μαθητές των οποίων οι επιλεγμένες προτάσεις και τα σχόλια παρέχουν αποδείξεις για μια σωστή κατανόηση σύμφωνα με την επιστημονική άποψη των διαφορών ανάμεσα στα άτομα, στα μόρια και στις ουσίες. Είναι μαθητές ηλικίας 16-17 ετών. Διαχωρίζουν και σχολιάζουν τη χρήση μορίων και ατόμων στις προτάσεις. Η ετοιμότητά τους προς τους όρους αυτούς είναι ενδεικτικό της ύπαρξης ενός θεωρητικού υποβάθρου. Η κατηγοριοποίηση που ακολουθεί έγινε από τον Johnson (2002) σε σχέση με το επίπεδο της έννοιας της χημικής αλλαγής από μαθητές ηλικίας 11 έως 14 ετών. Οι κατηγορίες που σχημάτισε από τις απαντήσεις των μαθητών είναι τρεις και αναλύονται παρακάτω: «Κατηγορία Α»: Ο μαθητής δε δείχνει να αντιλαμβάνεται τη χημική αλλαγή ως φαινόμενο, γι αυτό και δεν κατανοεί πώς μπορεί αυτό να συμβαίνει. «Κατηγορία Β»: Ο μαθητής αντιλαμβάνεται τι «υποτίθεται ότι είναι» η χημική αλλαγή αλλά ακόμα δυσκολεύεται να συμβιβαστεί με την έννοια αυτή. Επιπλέον, χρειάζεται να κατανοήσει πλήρως το πώς ακριβώς αυτή συμβαίνει. «Κατηγορία C»: Ο μαθητής φαίνεται να έχει αντιληφθεί πλήρως την ιδέα της χημικής αλλαγής σαν αλλαγή ουσίας και έχει κατανοήσει βασικά σημεία του πως μπορεί αυτή να συμβεί. 26

Οι Solsona et al. (2003) διεξήγαγαν την έρευνά τους σε μαθητές ηλικίας 17 και 18 ετών. Αφού ανέλυσαν τα ερευνητικά δεδομένα, οι ερευνητές κατηγοριοποίησαν τις απαντήσεις των μαθητών και ανέπτυξαν τέσσερα εννοιολογικά προφίλ για τη χημική αλλαγή: το ασυνάρτητο (incoherent), το αφελές (kitchen), το μηχανικό (meccano) και το διαδραστικό (interactive). Οι μαθητές οι οποίοι ανήκουν στο ασυνάρτητο (incoherent) προφίλ, δεν μπορούν να εξηγήσουν τη χημική αλλαγή, δεν αιτιολογούν τα παραδείγματα που χρησιμοποιούν, δε χρησιμοποιούν ξεκάθαρη ορολογία και η σφαιρική συνοχή του κειμένου είναι ανύπαρκτη. Στις εργασίες που ανήκουν στο αφελές (kitchen) προφίλ, οι ερευνητές παρατήρησαν ότι ο λόγος των μαθητών αφορά κυρίως τα φαινόμενα και η χημική αλλαγή περιγράφεται ως φυσική αλλαγή ή αλλαγή ιδιοτήτων. Ακόμη, τα παραδείγματα είναι εμπειρικά και το επίπεδο εξήγησης μακροσκοπικό, ενώ και το κείμενο έχει αδύναμη σφαιρική συνοχή. Οι μαθητές, οι οποίοι τοποθετήθηκαν στο μηχανικό (meccano) προφίλ, εξηγούν μικροσκοπικά την αλλαγή αλλά δε δίνουν προσοχή στα φαινόμενα. Αντιμετωπίζουν την αλλαγή στο επίπεδο της εσωτερικής δομής και χρησιμοποιούν θεωρητικά παραδείγματα. Στις εργασίες τους παρατηρείται αδυναμία στη σφαιρική συνοχή του κειμένου. Στις εργασίες που ανήκουν στο διαδραστικό (interactive) προφίλ, οι ερευνητές παρατήρησαν ότι η χημική αλλαγή σημαίνει αλλαγή στις ουσίες και υπάρχει συναφής και ισόρροπη σχέση ανάμεσα στο μακροσκοπικό και μικροσκοπικό επίπεδο. Τα παραδείγματα που χρησιμοποιούνται είναι θεωρητικά και γενικά χρησιμοποιείται το επιστημονικά αποδεκτό μοντέλο για τη χημική αλλαγή. Η συνάφεια του κειμένου είναι σφαιρική. Η ανάλυση των αποτελεσμάτων δείχνει ότι οι περισσότεροι μαθητές, ακόμα 27

και αυτής της ηλικίας (17-18 ετών), κατανέμονται σχεδόν ισόποσα ανάμεσα στα τρία πρώτα προφίλ. Μάλιστα, υπερτερούν το ασυνάρτητο (incoherent) και το μηχανικό (meccano) προφίλ με 33% έναντι του αφελούς (kitchen) προφίλ (25%). Στο διαδραστικό προφίλ ανήκει μόνο το 8% των μαθητών. Οι παραπάνω έρευνες που ασχολήθηκαν με τις κατηγοριοποιήσεις παρουσιάζουν αρκετές διαφορές κι αυτό οφείλεται σε πολλούς λόγους. Καταρχήν κάθε έρευνα ασχολήθηκε με διαφορετική ηλικία μαθητών και μάλιστα κάποιες διερεύνησαν ταυτόχρονα διαφορετικές ηλικιακές ομάδες. Ιδιαίτερη περίπτωση πρέπει να θεωρηθεί η έρευνα του Andersson (1993), ο οποίος κατηγοριοποίησε τις απαντήσεις των μαθητών προηγούμενων ερευνών. Στις έρευνες των Ahtee & Varjola (1998) και Brosnan & Reynolds (2001) παρατηρούνται κάποιες διαφορές, κυρίως στην ηλικία του γυμνασίου. Αυτό ίσως συμβαίνει γιατί οι δυο ομάδες ερευνητών προσέγγισαν την κατανόηση της έννοια της χημικής αλλαγής με διαφορετικό τρόπο. Οι πρώτες ζήτησαν απ' τους μαθητές να περιγράψουν την έννοια της χημικής αλλαγής γραπτά, πράγμα το οποίο πιθανά δυσκόλεψε τους μαθητές λόγω της πολυπλοκότητας της παραπάνω έννοιας. Επιπλέον, μόνο οι γραπτές απαντήσεις δεν προσφέρουν μια σε βάθος κατανόηση των αντιλήψεων των μαθητών, όπως μπορούν να δώσουν οι κλινικές συνεντεύξεις (Lee et al., 1993, Stavridou & Solomonidou, 1998). Απ' την άλλη οι δεύτεροι, παρόλο που έδιναν έτοιμες προτάσεις μέσω Η/Υ, ζητούσαν απ' τον καθένα απ' τους μαθητές να εξηγήσει προφορικά τους λόγους που τον οδήγησαν σ' αυτήν της επιλογή και να δώσει τη δική του εξήγηση για το φαινόμενο που περιγράφονταν. Υπήρχε, δηλαδή, καλύτερη κατανόηση του επιπέδου στο οποίο βρίσκονταν ο μαθητής. Επιπλέον, οι Ahtee & Varjola (1998) επεδίωκαν να διαπιστώσουν πως μαθητές διαφορετικών ηλικιών κατανοούν την έννοια της χημικής αλλαγής, ενώ οι Brosnan & Reynolds (2001) ήθελαν να μάθουν αν υπάρχουν τύποι εξηγήσεων 28

αποδεκτοί απ' τους μαθητές και σε ποια επίπεδα ανήκουν αυτοί. Οι Solsona et al. (2003), που ασχολήθηκαν μόνο με μαθητές ηλικίας 17-18 ετών, συμφώνησαν με τις Ahtee & Varjola (1998) για το επίπεδο στο οποίο αυτοί βρίσκονταν (αδυναμία της χημικής αλλαγής, σύγχυση ανάμεσα στο μακροσκοπικό και στο μικροσκοπικό επίπεδο). Αντίθετα, οι Brosnan & Reynolds (2001), τους μαθητές αυτής της ηλικίας τους κατέταξαν στο υψηλότερο επίπεδο («within micro»). Αυτό ίσως συνέβη για το λόγο που προαναφέρθηκε, αφού και οι Solsona et al. (2003) στήριξαν την κατηγοριοποίησή τους σε δυο γραπτές εργασίες. Κάποια γενικότερα συμπεράσματα σχετικά με την κατανόηση της έννοιας της χημικής αλλαγής, τα οποία μπορούν να εξαχθούν από τις προαναφερθείσες έρευνες αλλά κι από άλλες, των οποίων οι ερευνητές δεν προχώρησαν σε κατηγοριοποιήσεις των απαντήσεων των μαθητών, συνοψίζονται παρακάτω. Στη βιβλιογραφία μπορεί να παρατηρήσει κανείς ότι η πλειοψηφία των μαθητών αντιμετωπίζει δυσκολίες με τον όρο «ουσία». Μπερδεύουν τις έννοιες που σχετίζονταν με τις καθημερινές τους παρατηρήσεις στον πραγματικό κόσμο με τις θεωρητικές έννοιες που χρειάζονταν για τις εξηγήσεις τους. Ακόμη, όπως φαίνεται, οι μαθητές του γυμνασίου χρησιμοποιούν τις έννοιες «άτομο», «μόριο» και «ουσία» εναλλακτικά (Ahtee & Varjola, 1998). Την ίδια παρατήρηση έκαναν και οι Brosnan & Reynolds (2001) με τη διαφορά ότι οι μαθητές γυμνασίου της δικής τους έρευνας xρησιμoπoιoύσαν χωρίς διαχωρισμό μόνο τις έννοιες «άτομο» και «μόριο». Σύγχυση μεταξύ των παραπάνω δύο όρων παρατηρήθηκε και από φοιτητές ενός τμήματος χημείας σε έρευνα που πραγματοποίησε η Gayle (2000). Για παράδειγμα, ενόσω περιέγραφαν μικροσκοπικά φαινόμενα, φοιτητές, οι οποίοι, κατά τα άλλα, φαίνονταν να γνωρίζουν άπταιστα χημεία, χρησιμοποιούσαν τον όρο «μόριο», όταν φαίνονταν ότι εννοούν «άτομο» και το αντίστροφο. 29

Αναφορικά με την έννοια της «χημικής αλλαγής», οι μαθητές φαίνονται να δυσκολεύονται να μεταθέσουν την επιστημονική έννοια του όρου στην καθημερινή πραγματικότητα. Επίσης, απ ότι φαίνεται αντιλαμβάνονται την έννοια της χημικής αλλαγής σε τρία διαφορετικά στάδια. Το πρώτο στάδιο σχετίζεται με τη φαινομενολογία της αλλαγής, το δεύτερο με τον αριθμό των αρχικών προϊόντων ή με το σχηματισμό νέων προϊόντων και το τρίτο με τη δομή της ύλης. Γίνεται φανερό ότι υπάρχει μια σημαντική έλλειψη στην οικοδόμηση της έννοιας της ουσίας εξαιτίας της οποίας ένας σημαντικός αριθμός μαθητών δυσκολεύονται ν' αναγνωρίσουν τις χημικές αντιδράσεις, όταν τις συναντούν. Αυτό συμβαίνει είτε επειδή οι μαθητές δε γνωρίζουν πότε σχηματίζεται ένα νέο προϊόν, είτε επειδή χρησιμοποιούν κριτήρια κοινής λογικής για την αναγνώριση των νέων προϊόντων. Για τον ίδιο λόγο, άλλοι μαθητές κάνουν ανεπαρκείς συνδέσεις ανάμεσα σε φαινομενολογικές αλλαγές (μακροσκοπικό επίπεδο) και στη δομή της ύλης (μικροσκοπικό επίπεδο). Τα παραπάνω δείχνουν ότι για την οικοδόμηση της έννοιας της χημικής αλλαγής είναι απαραίτητη η προηγούμενη οικοδόμηση της έννοιας της ουσίας (Stavridou & Solomonidou, 1998). Τα προαναφερθέντα ευρήματα υποστηρίζει και η έρευνα του Johnson (2000), ο οποίος κατέληξε, μετά την τρίχρονη έρευνά του σε μαθητές 11-14 ετών, στο συμπέρασμα ότι δεν μπορούμε να υποθέτουμε πως τα παιδιά γνωρίζουν την έννοια της ουσίας, τουλάχιστον όχι με το επιστημονικό της νόημα. Άρα, υποστηρίζει πως δεν υπάρχει τρόπος ν' αναγνωρίσουν τη χημική αλλαγή. Την άποψη αυτή επιβεβαιώνει και η Vogelezang (1987), η οποία θεωρεί την κατανόηση της έννοιας της ουσίας ως προαπαιτούμενο για να αντιληφθεί ο μαθητής την έννοια της χημικής αλλαγής. Όπως χαρακτηριστικά λέει «δύσκολα κανείς μπορεί να αναγνωρίσει τι είναι αλλαγή της ουσίας, αν δεν ξέρει εξαρχής τι σημαίνει ουσία!» (Johnson, 2000). Για να γίνει κατανοητό τι συμβαίνει κατά τη διάρκεια της χημικής αλλαγής, ο 30

μαθητής πρέπει να «δει» την ουσία σαν μια οντότητα, η οποία μπορεί να αλλάξει από τη μία κατάσταση στην άλλη και μπορεί να οριστεί από τις ιδιότητές της. Εκτός από τη σημασία της έννοιας της ουσίας, ένα ακόμη στοιχείο που μπορεί να βοηθήσει τους μαθητές να κατανοήσουν την έννοια της χημικής αλλαγής είναι η σωματιδιακή θεωρία. Σε έρευνά του για την εξήγηση της χημικής αλλαγής, ο Johnson (2002) κατέληξε στο συμπέρασμα ότι πρόοδο ως προς την κατανόηση της παραπάνω έννοιας έδειξαν οι μαθητές οι οποίοι προηγουμένως είχαν κατανοήσει πλήρως τη σωματιδιακή θεωρία. Για τους μαθητές δηλ. οι οποίοι μετακινήθηκαν προς το σωματιδιακό μοντέλο C, όπου οι ιδιότητες της ύλης είναι συλλογικές, οι ιδέες των ατόμων και των δεσμών άρχισαν να ισχυροποιούνται. Τα παραπάνω δείχνουν ότι η σωματιδιακή θεωρία φαίνεται να έπαιξε ένα σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη των νέων ιδεών για τους μαθητές αυτούς. Δυσκολία στην κατανόηση της έννοιας της χημικής αλλαγής με ισορροπημένο τρόπο, δηλ. σχετίζοντας το μακροσκοπικό και το μικροσκοπικό νόημα αυτής της έννοιας, βρίσκουμε και αλλού στη βιβλιογραφία, ακόμα κι από μαθητές μεγαλύτερης ηλικίας (17-18 ετών) (Solsona et al., 2003). Επιπλέον, οι μαθητές συχνά χρησιμοποιούν τον όρο «χημική αλλαγή» για να περιγράψουν μια φυσική μεταμόρφωση, η οποία αφορά κυρίως στην τροποποίηση του χρώματος μιας ουσίας. Τείνουν να καθορίζουν μια χημική αντίδραση από ασυνήθιστα και απρόσμενα γεγονότα, όπως ο αναβρασμός, η έκρηξη ή η αλλαγή χρώματος. Όπως φαίνεται, δεν είναι σε θέση να διαφοροποιήσουν τις φυσικές από τις χημικές αλλαγές (Calik & Ayas, 2005). Η τάση των μαθητών να χρησιμοποιούν τους όρους φυσική και χημική αλλαγή εναλλακτικά προέκυψε και από τις απαντήσεις των μαθητών ηλικίας 13-14 ετών που συμμετείχαν σε έρευνα των Calik και Ayas (2005). Επιπλέον, στις απαντήσεις μαθητών αλλά και καθηγητών χημείας της παραπάνω έρευνας, έγιναν 31

αναφορές στη μη αναστρεψιμότητα που χαρακτηρίζει τη χημική αλλαγή. Ωστόσο σε άλλο σημείο της έρευνας οι ίδιοι ισχυρίστηκαν ότι η ύλη δεν αλλάζει ιδιότητες. Η απάντησή αυτή δείχνει την πεποίθηση, τόσο κάποιων μαθητών όσο και κάποιων καθηγητών, ότι οι ιδιότητες της ύλης δεν αλλάζουν κατά τη διάρκεια της χημικής αλλαγής. Έρευνα η οποία ασχολήθηκε με την κατανόηση της έννοιας της χημικής αντίδρασης σε μαθητές 16-18 ετών κατέληξε στο συμπέρασμα ότι, παρόλο που σημειώθηκε κάποια πρόοδος στην κατανόηση της παραπάνω έννοιας, θεμελιώδεις παρανοήσεις παρέμειναν. Σημαντική δυσκολία που επισημάνθηκε από την έρευνα είναι η τάση πολλών μαθητών να βλέπουν τις διαδικασίες αλληλεπίδρασης σαν αντικείμενα. Έτσι, π.χ. η μεταφορά ενέργειας γίνεται αντιληπτή σαν υλική ουσία που πρέπει να τοποθετηθεί κάπου. Τις διαδικασίες αλληλεπίδρασης που αναπτύσσονται ανάμεσα στα σωματίδια των χημικών δεσμών, οι μαθητές τις βλέπουν σαν φυσικούς συνδέσμους ανάμεσα στα σωματίδια (Boo & Watson, 2001). Δυσκολίες των μαθητών να εκτιμήσουν τη δυναμική και τη σωματιδιακή πλευρά των χημικών αντιδράσεων έδειξε και η έρευνα των Ben-Zvi, Eylan και Silberstein (1982, 1987). Οι μαθητές ηλικίας 15 ετών που συμμετείχαν στην έρευνα, έδειξαν ν αντιλαμβάνονται τη χημική αντίδραση σαν μια διαδικασία πρόσθεσης και συγκόλλησης αντιδρώντων για να σχηματίσουν προϊόντα, παρά σαν μια διαδικασία κατά τη διάρκεια της οποίας δεσμοί σπάνε και άλλοι δεσμοί σχηματίζονται με την εμπλοκή πολλών σωματιδίων (Boo, 1998). Αλλά και μαθητές μεγαλύτερης ηλικίας (17-19 ετών), παρόλο που είχαν διδαχθεί έννοιες σχετικές με το σπάσιμο δεσμών και τη δημιουργία άλλων μαζί με τις σχετικές αλλαγές ενέργειας, απέτυχαν να επικαλεστούν τις ιδέες αυτές στις επεξηγήσεις τους. Για την πλειοψηφία των μαθητών ο χημικός δεσμός γίνεται αντιληπτός σαν μια φυσική οντότητα (Boo, 1998). 32

Επιπλέον, έρευνα σε μαθητές ηλικίας 16-18 ετών έδειξε τη δυσκολία τους να αντιληφθούν ότι η ενέργεια απελευθερώνεται κατά το σχηματισμό και όχι κατά το σπάσιμο των δεσμών. Θεωρούν δηλ. οι μαθητές ότι οι δεσμοί ή τα μόρια «αποθηκεύουν» ενέργεια, η οποία απελευθερώνεται όταν οι δεσμοί σπάνε, ίσως με τον ίδιο τρόπο που το περιεχόμενο ενός αυγού απελευθερώνεται, όταν σπάει το τσόφλι του (Barker & Millar, 2000). Παρανοήσεις σχετικές με τη διαδικασία του δεσμού έκαναν την εμφάνισή τους και σε έρευνα της Gayle (2000) σε φοιτητές χημείας. Οι παρανοήσεις αυτές αφορούσαν σε λανθασμένες εξηγήσεις για φαινόμενα σχετικά με δεσμούς ή λανθασμένες εξηγήσεις για το λόγο για τον οποίο συμβαίνει ένας δεσμός. Ο Johnstone (1991) ασχολήθηκε γενικά με τον τρόπο της έννοιας της χημικής αλλαγής και περιέγραψε τρία επίπεδα κατανόησής της. Το πρώτο είναι το μακροσκοπικό επίπεδο, το οποίο ασχολείται με τα οπτικά και αισθητηριακά φαινόμενα, π.χ. η διάλυση του αλατιού στο νερό. Το δεύτερο είναι το μικροσκοπικό επίπεδο, το οποίο ασχολείται με τα σωματίδια, π.χ. η διάσπαση του ιονικού δεσμού του αλατιού από τα μόρια νερού. Το τρίτο είναι το συμβολικό επίπεδο, το οποίο αναπαριστά την ύλη σε σχέση με το χημικό τύπο και τις χημικές εξισώσεις. Οι μαθητές βρίσκουν δύσκολη τη μεταφορά από το ένα επίπεδο στο άλλο, πράγμα το οποίο συχνά δεν αντιλαμβάνονται οι καθηγητές χημείας και δε δίνουν επαρκή προσοχή στην εξήγηση αυτής της μεταφοράς (Dori & Hameiri, 2003). Για το λόγο αυτό, οι Solomonidou και Stavridou (2001), προσεγγίζοντας την έννοια της χημικής ισορροπίας σε μαθητές ηλικίας 17-18 ετών, δημιούργησαν ένα λογισμικό το οποίο σχεδιάστηκε για να τους βοηθήσει να αναπτύξουν πολλαπλές νοητικές αναπαραστάσεις αναφορικά με τα τρία επίπεδα των επιστημονικών εννοιών που αναφέρθηκαν παραπάνω και να συνδέσουν κατάλληλα αυτές τις αναπαραστάσεις. 33

Με την καλύτερη κατανόηση και σύνδεση των μακροσκοπικών, μικροσκοπικών και συμβολικών αναπαραστάσεων της έννοιας της χημικής αλλαγής ασχολήθηκαν και οι Ardac και Akaygun (2005). Οι μαθητές, οι οποίοι διδάχθηκαν την παραπάνω έννοια με χρήση δυναμικών οπτικών μέσων (πολυμέσα), κέρδισαν περισσότερα σε επίπεδο σε σχέση με εκείνους, η διδασκαλία των οποίων περιείχε στατικά οπτικά μέσα (διαφάνειες). Μάλιστα, οι μαθητές, οι οποίοι έκαναν χρήση πολυμέσων σε ατομικό επίπεδο, τοποθετήθηκαν κατά ένα ποσοστό 75% στην κατηγορία του «συνεπούς χρήστη», καθώς οι μοριακές τους αναπαραστάσεις διατήρησαν καθ όλη τη διάρκεια του τεστ το σωματιδιακό τους χαρακτήρα. Τη σημασία που έχουν για μια πιο σύνθετη κατανόηση της χημείας οι αλληλεπιδράσεις και οι διαχωρισμοί μεταξύ του μικροσκοπικού, του μακροσκοπικού και του συμβολικού επιπέδου τονίζουν στην έρευνά τους και οι Calik και Ayas (2005). Επιπλέον, καταλήγουν ότι ένα μεγάλο μέρος του δείγματος που συμμετείχε στην έρευνά τους δυσκολεύονταν να απεικονίσει νοερά τα γεγονότα σε μικροσκοπικό και συμβολικό επίπεδο. Το ρόλο των μικροσκοπικών και συμβολικών αναπαραστάσεων στη διδασκαλία της χημείας διερεύνησαν και οι Treagust et al. (2003) σε μαθητές ηλικίας 16 ετών. Η ανάλυση των δεδομένων έδειξε ότι, παρά τις προσπάθειες του δασκάλου, ο ρόλος των παραπάνω αναπαραστάσεων μπορεί και να μη γίνει κατανοητός από τους μαθητές. Ωστόσο η οικειότητα με το σκοπό του κάθε επιπέδου αναπαράστασης μπορεί να δώσει ώθηση στην κατανόηση του μαθητή και στην ικανότητά του να εξηγεί μια έννοια. Για τον Koch (1995) ωστόσο, η αλλαγή από ένα αφηρημένο και συμβολικό σε ένα χειροπιαστό και όλο νόημα επίπεδο αποτελεί μια δύσκολη διαδικασία. Θεωρεί πως οι μαθητές πρέπει πρώτα να κατανοήσουν τον τρόπο να μετατρέπουν ένα σύμβολο στην πληροφορία που αυτό αντιπροσωπεύει 34