Πρόβλεψη και Πραγµατοποίηση Απλών Αντιδράσεων Οξειδοαναγωγής µε τη Χρήση Applets και Εφαρµογή στο Σχολικό Εργαστήριο Παπανούσκας Μιχάλης Καθηγητής Χηµείας, 1 ο Γενικό Λύκειο Καρδίτσας papanouskas@gmail.com ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η εργασία αυτή αποτελεί µια διδακτική παρέµβαση που πραγµατοποιήθηκε σε µαθητές της Α Λυκείου στο πλαίσιο της διδασκαλίας των µεταθετικών αντιδράσεων. Η θεωρητική προσέγγιση που προτείνεται από το σχολικό βιβλίο, ελέγχεται κατ αρχήν ως προς την ουσιαστική και πρακτική πρόσληψη από τους µαθητές, ενώ στη συνέχεια επιχειρείται η δηµιουργία γνωστικής σύγκρουσης, από την οποία προκύπτει αφενός η αντίφαση των πρακτικοβιωµατικών ιδεών µε τις παρατηρήσεις και αφετέρου η διαδικασία της εννοιολογικής αλλαγής, τα αποτελέσµατα της οποίας επιβεβαιώνονται µε πειραµατικό έργο. Η παρέµβαση περιλαµβάνει σε πρώτη φάση, την καταγραφή των αντιλήψεων των µαθητών σχετικά µε την επίδραση ενός µη οξειδωτικού οξέος σε συγκεκριµένα µέταλλα. Ακολουθεί η εφαρµογή των applets που περιλαµβάνουν τις αντίστοιχες προσοµοιώσεις. οι µαθητές προχωρούν σε έλεγχο των ιδεών τους και, τέλος, πραγµατοποιούν τις προτεινόµενες αντιδράσεις σε περιβάλλον σχολικού εργαστηρίου. Η όλη δραστηριότητα υποστηρίζεται από δύο φύλλα εργασίας και πραγµατοποιείται στη διάρκεια µιας διδακτικής ώρας. Οι µαθητές ελέγχουν οι ίδιοι την ακρίβεια των προβλέψεών τους, και επαληθεύουν τη νέα γνώση στο πραγµατικό εργαστηριακό περιβάλλον. ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙ ΙΑ: Οξειδοαναγωγή, applets, εργαστήριο ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η εισαγωγή των µαθητών στις µεταθετικές αντιδράσεις ακολουθεί, σύµφωνα µε το αναλυτικό πρόγραµµα, την παρουσίαση της έννοιας του αριθµού οξείδωσης. Η έκφραση του αναλυτικού προγράµµατος στο σχολικό βιβλίο χηµείας της Α Λυκείου συνδέει την πραγµατοποίηση µιας µεταθετικής αντίδρασης µε τη σειρά δραστικότητας των στοιχείων, την οποία καλούνται οι µαθητές να αποστηθίσουν (Λιοδάκης κ.α., 2002). Ωστόσο, η αντίληψη των µαθητών για τα πραγµατικά οξειδοαναγωγικά φαινόµενα, συχνά διαφέρει από τη θεωρητική προσέγγιση. Η κατ αρχήν ανίχνευση των πρακτικοβιωµατικών αντιλήψεων των µαθητών αποτελεί µέρος της διδακτικής παρέµβασης (Κώτσης, 2006α). ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ Ως πλαίσιο της εποικοδοµητικής προσέγγισης, χρησιµοποιείται αυτό, όπως έχει διατυπωθεί από τους Driver και Oldhan, και περιλαµβάνει πέντε φάσεις (Κόκκοτας, 1998). Στην πρώτη φάση, τη φάση του προσανατολισµού, επιχειρείται πρόκληση του ενδιαφέροντος των µαθητών γι αυτό που πρόκειται να ακολουθήσει. Οι µαθητές ενηµερώνονται για το θέµα που θα µελετήσουν, τις δραστηριότητες που θα αναπτυχθούν και µε ποιο τρόπο θα εργασθούν. Στη δεύτερη φάση της ανάδειξης των ιδεών, οι µαθητές εκφράζουν προφορικά ή γραπτά τις ιδέες τους. Το βήµα αυτό είναι σηµαντικό αφενός επειδή αποτελεί έναυσµα για τη δηµιουργία διαλόγου, και αφετέρου επειδή καθιστά το δάσκαλο κοινωνό της σκέψης των µαθητών, ώστε να επιλέξει τις κατάλληλες διδακτικές στρατηγικές. Στη φάση της αναδόµησης των ιδεών, οι µαθητές οδηγούνται στον έλεγχο των απόψεών τους, µε σκοπό να υιοθετήσουν απόψεις συµβατές µε το επιστηµονικό πρότυπο. Οι µαθητές ενθαρρύνονται να πειραµατισθούν και να διερευνήσουν τη λειτουργικότητα των απόψεων που έχουν διατυπώσει. Αυτή η έµπρακτη διερεύνηση των ιδεών τους θα τους οδηγήσει είτε στην επιβεβαίωση, οπότε οι ιδέες αυτές ισχυροποιούνται, είτε θα τους οδηγήσει σε γνωστική σύγκρουση. Κ. Γλέζου & Ν. Τζιµόπουλος (Επιµ.), Πρακτικά Εργασιών 6 ου Πανελλήνιου Συνεδρίου των Εκπαιδευτικών για τις ΤΠΕ «Αξιοποίηση των Τεχνολογιών της Πληροφορίας και της Επικοινωνίας στη ιδακτική Πράξη», σ. 1-5 Σύρος, 6-8 Μαΐου 2011
2 6 ο Πανελλήνιο Συνέδριο των Εκπαιδευτικών για τις ΤΠΕ Ακολουθεί η φάση της εφαρµογής των ιδεών, στην οποία οι µαθητές εφαρµόζουν τη νέα γνώση σε πραγµατικές καταστάσεις και στις δραστηριότητες που πραγµατοποιήθηκαν σε προηγούµενες φάσεις και οδήγησαν σε γνωστική σύγκρουση. Έτσι, η υιοθέτηση της νέας γνώσης γίνεται ευκολότερα. Τέλος, η φάση της ανασκόπησης, αποτελεί µεταγνωστικό στάδιο, στο οποίο επιχειρείται σύγκριση των προηγούµενων ιδεών µε αυτές που αποκτήθηκαν. ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ Ειδικά στις επιδράσεις µη οξειδωτικών οξέων σε µέταλλα, µερικές από τις πρακτικοβιωµατικές αντιλήψεις φέρουν το οξύ, αποκλειστικά υπεύθυνο για την πραγµατοποίηση της αντίδρασης. Οι µαθητές προσεγγίζουν το φαινόµενο της οξειδοαναγωγής, έχοντας υπόψη ότι τα µέταλλα είναι τα στοιχεία που διαβρώνονται από τα οξέα. Η πραγµατοποίηση της αντίδρασης (διάβρωσης) εξαρτάται από το οξύ που χρησιµοποιείται. Αν µια τέτοια αντίδραση δεν πραγµατοποιηθεί, τότε υπαίτιος θεωρείται το οξύ που χαρακτηρίζεται ως ασθενές, και δεν έχει τη δύναµη να αντιδράσει µε το µέταλλο (Barke et al., 2009). Ακόµη, θεωρούν ότι τα ανοιχτόχρωµα µέταλλα είναι αυτά που προσβάλλονται από τα οξέα ενώ τα σκουρόχρωµα είναι ανθεκτικά. Η ιδέα αυτή υπάρχει ακόµη και στην ακριβώς αντίστροφη διατύπωση. Στην παρούσα παρέµβαση επιχειρείται η αποτύπωση των εναλλακτικών ιδεών από τους ίδιους τους µαθητές, και η εν συνεχεία επιβεβαίωση ή η δηµιουργία γνωστικής σύγκρουσης µέσω των applets. Στη συνέχεια ενισχύεται και εµπεδώνεται η νέα γνώση µε την πραγµατοποίηση της εργαστηριακής δραστηριότητας σε πραγµατικό εργαστηριακό περιβάλλον. Στόχοι της διδακτικής παρέµβασης είναι: Να κατανοήσουν οι µαθητές ότι η πραγµατοποίηση µιας απλής αντίδρασης οξειδοαναγωγής εξαρτάται από τη σχετική δραστικότητα των στοιχείων που µετέχουν σ αυτή. Να είναι σε θέση να προβλέπουν την αντίδραση ενός µετάλλου µε ένα µη οξειδωτικό οξύ, χρησιµοποιώντας επιστηµονικά ορθή προσέγγιση. Να εξοικειωθούν µε την επιστηµολογική µέθοδο του εποικοδοµητισµού, και τη χρήση της διαψευσιµότητας. Η προτεινόµενη διδακτική παρέµβαση στηρίζεται σε δύο φύλλα εργασίας στα οποία διερευνώνται οι παράµετροι για το φαινόµενο των απλών αντιδράσεων οξειδοαναγωγής, µε βάση το σχήµα πρόβλεψη πειραµατικός έλεγχος γνωστική σύγκρουση επαλήθευση εξήγηση, και αξιοποιεί τις εναλλακτικές ιδέες των µαθητών ως συνιστώσα της εποικοδοµητικής προσέγγισης. Επιπλέον, εισάγει τον µαθητή στη διαδικασία της σχεδίασης και εκτέλεσης πειράµατος σε πραγµατικές συνθήκες µε στόχο τη διερεύνηση των αρχικών υποθέσεων (Κώτσης, 2006β). Στην πρώτη φάση δίνονται στους µαθητές αριθµηµένα δείγµατα µετάλλων τα οποία δεν κατονοµάζονται. Οι µαθητές αφήνονται λίγο χρόνο να περιεργασθούν τα δείγµατα και ακολούθως καλούνται να προβλέψουν και να δηλώσουν στο 1 ο φύλλο εργασίας ποια από τα δείγµατα πιστεύουν ότι θα αντιδρούσαν µε υδροχλωρικό οξύ. Στο φύλλο εργασίας καλούνται να δώσουν µια σύντοµη εξήγηση για την πρόβλεψή τους. Στους µαθητές δίνονται εξηγήσεις, ότι µπορούν να γράψουν οποιαδήποτε αιτιολόγηση για την αντίδραση ή όχι του µετάλλου µε το οξύ, όπως για παράδειγµα, το χρώµα του η υφή του, η αίσθηση του βάρους του, η στιβαρότητά του και οτιδήποτε άλλο θεωρούν ότι εξηγεί την πρόβλεψή τους. Ακόµη, γίνεται ειδική αναφορά, πως αν αναγνωρίσουν το είδος του µετάλλου, µπορούν να χρησιµοποιήσουν στην εξήγησή τους τη σειρά δραστικότητας. Στη φάση αυτή δεν γίνεται συζήτηση για το ποιες απόψεις είναι σωστές ή λανθασµένες. Αυτή η κρίση θα προκύψει αργότερα µε την εφαρµογή των λογισµικών. Προβλέπεται, ότι είναι πιθανό να υπάρξουν λανθασµένες εκτιµήσεις, απόρροια των εναλλακτικών ιδεών (Freemantle, 1995). Στη συνέχεια εφαρµόζονται τα applets και οι µαθητές προσπαθούν να αντιστοιχίσουν τα µέταλλα που παρουσιάζονται στις προσοµοιώσεις µε τα δείγµατα. Οι προσοµοιώσεις παρουσιάζονται από τον εκπαιδευτικό µε τη χρήση Η/Υ και video projector. Στο διαδίκτυο υπάρχει πλήθος προσοµοιώσεων για το σκοπό αυτό. Στη συγκεκριµένη παρέµβαση χρησιµοποιήθηκαν οι προσοµοιώσεις από τη σελίδα http://www.chem.iastate.edu/group/greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/redox/home.html. Οι µαθητές ολοκληρώνουν το πρώτο φύλλο εργασίας, συµπληρώνοντας τον αριθµό του δείγµατος που θεωρούν ότι αντιστοιχεί στο µέταλλο της προσοµοίωσης. www.e-diktyo.eu
«Αξιοποίηση των Τεχνολογιών της Πληροφορίας και της Επικοινωνίας στη ιδακτική Πράξη» 3 Είναι πολύ σηµαντικό να εξηγηθεί στους µαθητές, ότι δεν θα πρέπει να κάνουν καµία διόρθωση στο πρώτο φύλλο εργασίας. Αυτό θα το διατηρήσουν στη θέση τους και θα χρησιµοποιηθεί ως αναφορά σε σχέση µε τα ευρήµατα που θα προκύψουν από τη συνέχεια της δραστηριότητας. Τέλος γίνεται αποκάλυψη των δειγµάτων, οι µαθητές αντιστοιχούν το όνοµα κάθε µετάλλου µε τον αριθµό του δείγµατος, ώστε να αναφέρονται τώρα στο δείγµατα των µετάλλων µε τα πραγµατικά τους ονόµατα, και ακολούθως αναπτύσσεται συζήτηση για τη δράση των µη οξειδωτικών οξέων στα µέταλλα. Στην επόµενη φάση, διανέµεται το δεύτερο φύλλο εργασίας, στο οποίο περιγράφεται αναλυτικά η διαδικασία της εργαστηριακής άσκησης, και οι µαθητές πραγµατοποιούν τις πειραµατικές δραστηριότητες στο περιβάλλον του εργαστηρίου. Η πραγµατοποίηση αυτής της εργαστηριακής δραστηριότητας θεωρείται απαραίτητη, αφού αποτελεί αναπόσπαστο µέρος της εποικοδοµητικής διδασκαλίας (Βλάχος, 2004) και έχει σκοπό αφενός την εξοικείωση των µαθητών µε το περιβάλλον του εργαστηρίου και την τήρηση συγκεκριµένων οδηγιών, και αφετέρου την εµπέδωση στην πράξη της γνώσης και της εµπειρίας που απέκτησαν από το εικονικό εργαστήριο και τις προσοµοιώσεις (Papanouskas & Kotoulas, 2004). Ακόµη, στο δεύτερο φύλλο εργασίας επισηµαίνεται η προσεκτική παρατήρηση, ως προς την ένταση, των αντιδράσεων που πραγµατοποιούνται, προκειµένου να εξαχθούν συµπεράσµατα για τη σχετική δραστικότητα των µετάλλων. Οι µαθητές έχοντας συµπληρώσει τα δύο φύλλα εργασίας είναι πλέον σε θέση να συγκρίνουν τις αρχικές τους προβλέψεις µε τα πραγµατικά ευρήµατα και να αξιολογήσουν τις ερµηνείες που έδωσαν, ως προς την εγκυρότητά τους. Η παρέµβαση ολοκληρώνεται στη διάρκεια µιας διδακτικής ώρας. Ο χρόνος αυτός κρίθηκε και αποδείχθηκε επαρκής για την ανάπτυξη της δραστηριότητας, για την τελική συζήτηση και τον έλεγχο των στόχων. Στο σηµείο αυτό καλούνται να αντιπαραβάλλουν τη δική τους τελική κατάταξη της δραστικότητας των µετάλλων µε αυτή που υπάρχει στο σχολικό βιβλίο, ώστε να κατανοήσουν τον επιστηµονικά αποδεκτό τρόπο προσέγγισης των φαινοµένων. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η εφαρµογή της διδακτικής παρέµβασης βασίζεται στις αρχές του εποικοδοµητισµού και της διαψευσιµότητας. Οι µαθητές εισάγονται σ αυτή την επιστηµολογική µεθοδολογία και µε την εφαρµογή της εργαστηριακής δραστηριότητας, εµπεδώνουν τη νέα γνώση. Τα αποτελέσµατα της εφαρµογής, ενθαρρύνουν το µελλοντικό ερευνητή να διευρύνει τη µελέτη και καταγραφή των πρακτικοβιωµατικών αντιλήψεων των µαθητών, και στο ευρύτερο πεδίο των µεταθετικών αντιδράσεων, πέραν της επίδρασης µη οξειδωτικών οξέων σε µέταλλα. Ακόµη, συµβάλλει στη συζήτηση για την ανάπτυξη κατάλληλων λογισµικών ή τον εµπλουτισµό και συµπλήρωση υφιστάµενων, όπως το Iridium, µε κατεύθυνση τη δηµιουργία πληρέστερης και ακριβέστερης εικονικής εποπτείας. Ο συνδυασµός του εικονικού πειράµατος µε την πραγµατική διεξαγωγή του, αποδεικνύεται σκόπιµος και αποδοτικός, δεδοµένου ότι τα περισσότερα σχολικά εργαστήρια των Λυκείων διαθέτουν τα µέσα που απαιτούνται για παρόµοιες παρεµβάσεις. ΑΝΑΦΟΡΕΣ Barke, H., Hazari, A., Yitbarek, S., (2009), Addressing Perceptions in Chemical Education. Στο Misconceptions in Chemistry, p 209-217, εκδόσεις Springer. Freemantle, M., (1995), Chemistry in action. 2 η έκδοση. Εκδότης Thomson Learning. Papanouskas, M., Kotoulas, V., (2004), Students Attitude Toward the Lesson of Chemistry. The Role of Laboratory Chemistry Teaching, European Educational Research Association (EERA), European Conference on Educational Research (ECER2004), στη σελίδα http://brs.leeds.ac.uk/~beiwww/beia/ecer2004.htm Βλάχος, Ι., (2004), Εκπαίδευση στις Φυσικές Επιστήµες. Η Πρόταση της Εποικοδόµησης, Αθήνα, Εκδόσεις Γρηγόρη Κόκκοτας, Π., (1998), Σύγχρονες Προσεγγίσεις στη ιδασκαλία των Φυσικών Επιστηµών. Η Επιστηµονική Προσέγγιση της ιδασκαλίας και της Μάθησης, Αθήνα, Εκδόσεις Γρηγόρη. Κώτσης, Κ., (2006α), Η ιαχρονική Αναγκαιότητα Επιστηµονικής Έρευνας των Εναλλακτικών Ιδεών των Μαθητών σε Έννοιες των Φυσικών Επιστηµών. Επιστηµονική Επετηρίδα Παιδαγωγικού Τµήµατος.Ε., Πανεπιστήµιο Ιωαννίνων, 19, σσ. 47-59. www.epyna.eu
4 6 ο Πανελλήνιο Συνέδριο των Εκπαιδευτικών για τις ΤΠΕ Κώτσης, Κ., (2006β), Η σηµασία απόκτησης δεξιοτήτων και εκπαίδευσης των µαθητών στις διαδικασίες της επιστηµονικής µεθόδου των φυσικών επιστηµών. Επιστηµονική Επετηρίδα Παιδαγωγικού Τµήµατος.Ε., Πανεπιστήµιο Ιωαννίνων, 19, σσ. 61-72. Λιοδάκης, Σ., Γάκης,., Θεοδωρόπουλος,., Θεοδωρόπουλος, Π., Κάλλης, Α., (2002), Χηµεία Α Τάξης Ενιαίου Λυκείου, ΟΕ Β, Αθήνα: εκδόσεις ΟΕ Β. ΠΡΟΒΛΕΨΗ ΚΑΙ ΠΡΑΓΜΑΤΟΠΟΙΗΣΗ ΑΠΛΩΝ ΑΝΤΙ ΡΑΣΕΩΝ ΟΞΕΙ ΟΑΝΑΓΩΓΗΣ ΕΠΑΛΗΘΕΥΣΗ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ APPLETS KAI ΤΟΥ ΣΧΟΛΙΚΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ 1 Ο ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Στη θέση εργασίας που βρίσκεσαι είναι τοποθετηµένα τέσσερα δείγµατα µετάλλων. Τα δείγµατα είναι αριθµηµένα από το 1 έως το 4, ενώ το είδος τους δεν αναφέρεται. Προσπάθησε να µαντέψεις ποιο από τα τέσσερα µέταλλα θα αντιδράσει µε διάλυµα υδροχλωρικού οξέος (HCl). Σηµείωσε τις προβλέψεις σου µε στον παρακάτω πίνακα. ιάλυµα HCl Αντιδρά εν αντιδρά Μέταλλο 1 Μέταλλο 2 Μέταλλο 3 Μέταλλο 4 Στις σειρές που ακολουθούν δώσε µια εξήγηση για τις επιλογές σου, όπως στο παράδειγµα που ακολουθεί: το µέταλλο Α αντιδρά (ή δεν αντιδρά) µε το HCl γιατί είναι ανοιχτόχρωµο (ή σκουρόχρωµο) 1. 2. 3. 4. Παρακολούθησε τώρα την προσοµοίωση και συµπλήρωσε τον παρακάτω πίνακα, σηµειώνοντας στη δεύτερη σειρά µε τις περιπτώσεις που παρατήρησες αντίδραση του µετάλλου µε το υδροχλωρικό οξύ. Στην τρίτη σειρά σηµείωσε τον αριθµό του δείγµατος που θεωρείς ότι ταυτίζεται µε το αντίστοιχο µέταλλο της προσοµοίωσης. Μέταλλο προσοµοίωσης Cu Fe Mg Pb είγµα µετάλλου www.e-diktyo.eu
«Αξιοποίηση των Τεχνολογιών της Πληροφορίας και της Επικοινωνίας στη ιδακτική Πράξη» 5 Σχήµα 1: το πρώτο φύλλο εργασίας ΠΡΟΒΛΕΨΗ ΚΑΙ ΠΡΑΓΜΑΤΟΠΟΙΗΣΗ ΑΠΛΩΝ ΑΝΤΙ ΡΑΣΕΩΝ ΟΞΕΙ ΟΑΝΑΓΩΓΗΣ ΕΠΑΛΗΘΕΥΣΗ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΤΩΝ APPLETS KAI ΤΟΥ ΣΧΟΛΙΚΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ 2 Ο ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Θα εκτελέσεις τώρα τις αντιδράσεις των µετάλλων που σου δόθηκαν µε υδροχλωρικό οξύ σε πραγµατικό περιβάλλον. Υπενθυµίζεται ότι το διάλυµα HCl είναι επικίνδυνο και πρέπει να το χειριζόµαστε µε πολλή προσοχή. ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΑ ΟΡΓΑΝΑ ΚΑΙ ΥΛΙΚΑ Στήριγµα δοκιµαστικών σωλήνων Τέσσερις δοκιµαστικοί σωλήνες Προστατευτικά γυαλιά ιάλυµα HCl 1Μ είγµατα µετάλλων Cu, Fe, Mg, Pb ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ Σε ένα στήριγµα δοκιµαστικών σωλήνων τοποθετούµε τέσσερις καθαρούς δοκιµαστικούς σωλήνες και προσθέτουµε σε όλους περίπου 5 ml διαλύµατος υδροχλωρικού οξέος (HCl) 1 Μ (περίπου 5 cm ύψος στο σωλήνα). Στη συνέχεια προσθέτουµε σε κάθε σωλήνα το δείγµα του µετάλλου όπως στον πίνακα που ακολουθεί, και σηµειώνουµε σε ποιο σωλήνα παρατηρούµε αντίδραση και σε ποιον όχι. 1 ος σωλήνας 2 ος σωλήνας 3 ος σωλήνας 4 ος σωλήνας Cu Fe Mg Pb Παρατηρείς ότι κάποιες αντιδράσεις είναι πιο έντονες και κάποιες λιγότερο. Αυτό οφείλεται στη διαφορετική ηλεκτροθετικότητα των µετάλλων. Προσπάθησε να κατατάξεις τα µέταλλα κατά σειρά δραστικότητας, στον πίνακα που ακολουθεί: περισσότερο δραστικό λιγότερο δραστικό www.epyna.eu
6 6 ο Πανελλήνιο Συνέδριο των Εκπαιδευτικών για τις ΤΠΕ Σχήµα 2: Το δεύτερο φύλλο εργασίας www.e-diktyo.eu