Πανεπιστήμιο Δυτικής Μακεδονίας Μεταπτυχιακό Πρόγραμμα Σπουδών «Εκπαίδευση στις Φυσικές Επιστήμες, το Περιβάλλον και την Τεχνολογία» ΕΝΕΡΓΕΙΑ Διδακτικά μετασχηματισμένο περιεχόμενο* ΕΦΠΤ3. Αξιολόγηση και ένταξη διδακτικού υλικού κλασικών και τεχνολογιών της πληροφορίας και των επικοινωνιών στην εκπαίδευση ΦΕ/Π ΕΦΠΤ2. Ανάπτυξη και οικοδόμηση της γνώσης στις Φυσικές Επιστήμες Άννα Σπύρτου *Μέρος της διδακτορικής διατριβής με τίτλο: «Μελέτη εποικοδομητικής στρατηγικής για την εκπαίδευση των δασκάλων στις Φυσικές Επιστήμες», (2002)
H ΠΕΡΙΟΧΗ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ: ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΟ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ, ΔΙΔΑΚΤΙΚΟΙ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΕΣ ΑΠΟΨΕΙΣ 1.1 Το περιεχόμενο της ενέργειας 1.2 Η διαπραγμάτευση του περιεχομένου της ενέργειας στην τριτοβάθμια εκπαίδευση 1.2.1 Ορισμοί για την έννοια της ενέργειας 1.2.2 Ανάλυση περιεχομένου πέντε «ενεργειακών» εννοιών 1.3 Διδακτικοί μετασχηματισμοί του περιεχομένου της ενέργειας 1.3.1 Διδακτικοί μετασχηματισμοί του ορισμού της ενέργειας 1.3.2 Διδακτικοί μετασχηματισμοί πέντε χαρακτηριστικών της ενέργειας 1.4 Συμπεράσματα 1.5 Οι απόψεις των μαθητών/τριών και των δασκάλων στο περιεχόμενο της ενέργειας 1.5.1 Η σημασία της έννοιας της ενέργειας για τους/τις μαθητές/τριες και τους/τις δασκάλους/ες 1.5.2 Οι απόψεις των μαθητών/τριών και των δασκάλων για το έργο, τη θερμότητα, τη δύναμη 1.5.3 Οι απόψεις των μαθητών/τριών και των δασκάλων για πέντε χαρακτηριστικά της ενέργειας 1.5.4 Συμπεράσματα ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ :ΑΝΤΙΠΡΟΣΩΠΕΥΤΙΚΕΣ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΦΥΛΛΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ
H ΠΕΡΙΟΧΗ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ: ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΟ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ, ΔΙΔΑΚΤΙΚΟΙ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ, ΚΑΙ ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΕΣ ΑΠΟΨΕΙΣ 1.1 Το περιεχόμενο της ενέργειας Οι φυσικοί επινόησαν την έννοια της ενέργειας για να περιγράψουν και να ερμηνεύσουν τις ποικίλες αλλαγές που συντελούνται γύρω μας. Θερμικά, ηλεκτρικά, μαγνητικά, φωτεινά και μηχανικά φαινόμενα, στα μέσα του 19 ου αιώνα, ενσωματώθηκαν με την έννοια της ενέργειας σε μια ενιαία εννοιολογική δομή. Η θεμελιώδης θέση της ενέργειας στην επιστήμη της Φυσικής απορρέει κυρίως από τον ενοποιητικό της ρόλο, αφού όλα τα φυσικά φαινόμενα συνδέονται μεταξύ τους μ ένα δίκτυο ενεργειακών μετατροπών, (Harman 1994, σελ. 2). Η ενέργεια είναι μια βασική επιστημονική έννοια σε όλες τις φυσικές επιστήμες, (Φυσική, Χημεία, Βιολογία). Ειδικότερα, στα βιβλία της Φυσικής συναντάται σε κάθε κεφάλαιό της. Στη Μηχανική αναπτύσσεται η αρχή διατήρησής της μηχανικής ενέργειας, οι μετατροπές της δυναμικής σε κινητική ενέργεια κι αντίστροφα, η σχέση της με το μηχανικό έργο. Στον Ηλεκτρισμό/Ηλεκτρομαγνητισμό μελετάται η ενέργεια φορτισμένου σώματος, πυκνωτή, μαγνητικού πεδίου και η χρησιμοποίησή της από τους σταθμούς ηλεκτρικής ισχύος. Στη Θερμοδυναμική το περιεχόμενο της ενέργειας διδάσκεται με τον 1 o και το 2 ο Θερμοδυναμικό Νόμο. Στην Κυματική μελετούμε τις αρμονικές ταλαντώσεις, με τις μετατροπές της δυναμικής ενέργειας σε κινητική και αντιστρόφως. Ακόμη, το περιεχόμενό της γίνεται αντικείμενο μελέτης στην Κβαντική θεωρία του φωτός. Τέλος, στο κεφάλαιο της Πυρηνικής, η έννοια της ενέργειας υπάρχει στο περιεχόμενο των πυρηνικών αντιδράσεων. Η ενέργεια είναι μια έννοια αφηρημένη, ασύλληπτη και πολυσήμαντη. Έτσι από τη μια είναι δυσκολότερη ως έννοια για τους/τις μαθητευόμενους/ες (μαθητές/τριες και τους/τις φοιτητές/τριες), από την άλλη η γνώση της είναι απαραίτητη, αφού σχετίζεται με έντονα κοινωνικά προβλήματα όπως, για παράδειγμα, με το γνωστό θέμα της ενεργειακής κρίσης. Είναι προφανές λοιπόν ότι το ενδιαφέρον για τη διδασκαλία και τη μάθηση της ενέργειας είναι έντονο. Αυτό διεθνώς φαίνεται με τα πολλά και ποικίλα προγράμματα διδασκαλίας που έχουν αναπτυχθεί ειδικά για την ενέργεια, (Duit 1985, Trumper 1990, Watts 1983). Η διδασκαλία της θεωρείται αναγκαία από το Δημοτικό, για να μπορέσει ο/η μαθητής/τρια να δομήσει σιγά-σιγά τη σύνθετη και σημαντική αυτή έννοια. Ήδη έχουν δημοσιευτεί προτάσεις κι έχει αναπτυχθεί μια έντονη 1
συζήτηση, σχετικά με το ποιο περιεχόμενο της ενέργειας είναι κατάλληλο για το Δημοτικό, πώς θα μπορούσε να διαμορφωθεί η δομή αυτού του περιεχομένου, κ.λπ. (Ward 1983). Η ενέργεια χρησιμοποιείται καθημερινά στη ζωή μας σε πολλές περιπτώσεις, στο λογαριασμό της Δ.Ε.Η., στις συσκευασίες των φαγητών, στις διαφημίσεις προϊόντων, π.χ. των απορρυπαντικών, των τροφίμων, κ.α.. Συνέπεια της καθημερινής χρήσης της είναι το γεγονός ότι οι μαθητευόμενοι/ες διαμορφώνουν απόψεις διαφορετικές από την επιστημονικά αποδεκτή. Η ενέργεια είναι μια πολύπλοκη φυσική έννοια. Έχει επισημανθεί ότι η συστηματική διερεύνηση της διδασκαλίας και μάθησης πολύπλοκων φυσικών εννοιών προϋποθέτει, μεταξύ άλλων, την ανάλυση του περιεχομένου των εννοιών αυτών στο επίπεδο της επιστήμης, την ανάλυση των σχολικών εγχειριδίων, την καταγραφή και ανάλυση των απόψεων των μαθητών/τριών για τις διάφορες έννοιες (Καριώτογλου 1990). Στην εργασία αυτή γίνεται συγκριτική ανάλυση τριών βιβλίων της τριτοβάθμιας εκπαίδευσης τα οποία είναι ευρέως γνωστά τόσο στο διεθνή χώρο όσο και στη χώρα μας, (Feynman et al. 1989, Halliday & Resnick, 1976, Yavorsky & Pinsky 1975). Η συγκριτική ανάλυση αναφέρεται στις φυσικές ενότητες της Μηχανικής, της Θερμοδυναμικής και του Ηλεκτρισμού, γιατί τα περιεχόμενά τους καταλαμβάνουν το μεγαλύτερο μέρος του αναλυτικού προγράμματος της Φυσικής, τουλάχιστον στις δύο πρώτες βαθμίδες της εκπαίδευσης. Αναλύεται και συγκρίνεται ο τρόπος που παρουσιάζεται για πρώτη φορά η έννοια της ενέργειας, σε κάθε βιβλίο. Προκύπτουν τα πρώτα γενικά συμπεράσματα για τη φύση της έννοιας της ενέργειας. Η μελέτη προχωρά ειδικότερα στον τρόπο με τον οποίο εισάγονται η κινητική, η δυναμική και η εσωτερική ενέργεια, η θερμότητα και το έργο. Μέσα από αυτή τη μελέτη αναδεικνύονται τα βασικά χαρακτηριστικά των πέντε εννοιών. Η συγκριτική ανάλυση στην εισαγωγική προσέγγιση της ενέργειας ανέδειξε τα κοινά και μη στοιχεία που χαρακτηρίζουν τα τρία εγχειρίδια. Επιπλέον γίνεται επισκόπηση της βιβλιογραφίας, για να αναζητηθούν οι κυρίαρχοι τρόποι με τους οποίους διδάσκεται η ενέργεια καθώς και τα προβλήματα που σχετίζονται με το περιεχόμενό της. Στο περιεχόμενο της ενέργειας αναγνωρίζονται πέντε χαρακτηριστικά της, η «μετατροπή», η «μεταφορά», η «αποθήκευση», η «διατήρηση» και η «υποβάθμιση», τα οποία θεωρείται ότι είναι στενά εξαρτώμενα μεταξύ τους. Αυτό σημαίνει ότι η διδασκαλία του περιεχομένου της ενέργειας θα μπορούσε να θεωρηθεί ελλιπής, αν αγνοηθεί ένα από αυτά. Ακόμη, σ έναν μεγάλο αριθμό ερευνών έχουν καταγραφεί ασάφειες και παραπλανητικοί όροι σε φημισμένα σχολικά εγχειρίδια. Η διάκριση της εσωτερικής ενέργειας από τη θερμότητα, (Summers 2
1983), ο ακριβής ορισμός της αποθήκευσης της ενέργειας, (Beynon 1990), ο προσδιορισμός της έννοιας του συστήματος για τη μελέτη των ενεργειακών ανταλλαγών, (Huis & Berg 1993), είναι από τα χαρακτηριστικότερα προβλήματα που έχουν καταγραφεί. Όσον αφορά την τρίτη προϋπόθεση, έχουν δημοσιευτεί πολλές έρευνες σχετικές με την καταγραφή και την ανάλυση των εναλλακτικών απόψεων για την ενέργεια. Ωστόσο, οι περισσότερες από αυτές επικεντρώνονται σε μαθητές/τριες της δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης. Τ αποτελέσματα των ερευνών έδειξαν ότι οι μαθητές/τριες, και οι εκπαιδευτικοί έχουν εναλλακτικές απόψεις για την ενέργεια οι οποίες μοιάζουν αρκετά μεταξύ τους. Έτσι, στην εργασία αυτή, η επισκόπηση της βιβλιογραφίας, αναπτύσσεται σε δύο κατευθύνσεις: η πρώτη αφορά το νόημα που αποδίδουν οι μαθητές/τριες και οι δάσκαλοι/ες στην έννοια της ενέργειας και η δεύτερη αφορά τις εναλλακτικές απόψεις που έχουν για τη μετατροπή, τη μεταφορά, την αποθήκευση, τη διατήρηση και την υποβάθμιση της ενέργειας. 1.2 Η διαπραγμάτευση του περιεχομένου της ενέργειας στην τριτοβάθμια εκπαίδευση 1.2.1 Ορισμοί για την έννοια της ενέργειας Η πρώτη ερώτηση που καθοδήγησε την ανάλυση των τριών εγχειριδίων είναι η ακόλουθη: Εισάγεται η ενέργεια με τον ίδιο τρόπο στα τρία βιβλία; Για παράδειγμα, με τις ίδιες σχέσεις, τους ίδιους ορισμούς, τα ίδια φυσικά φαινόμενα; Στο βιβλίο του Feynman, η ενέργεια εισάγεται ως μια αφηρημένη αριθμητική ποσότητα. Είναι ένας αριθμός. Ισχύει γι αυτήν ένα μαθηματικό αξίωμα, ο νόμος διατήρησής της. Η ενέργεια δεν νοείται χωρίς τη διατήρησή της. Ο νόμος διατήρησης της ενέργειας είναι το βασικό εργαλείο με το οποίο γίνεται η μελέτη του περιεχομένου της. Οι μορφές της, για παράδειγμα, εισάγονται με βάση το νόμο αυτό. Στην περίπτωση εισαγωγής της κινητικής ενέργειας, γίνεται η ερώτηση: «Πού πήγε η δυναμική ενέργεια στο κατώτερο σημείο του εκκρεμούς;». Στο βιβλίο των Yavorsky - Pinsky, εισάγεται η έννοια της ολικής ενέργειας ενός σώματος, με τον τύπο E = m c 2, όπου m η σχετικιστική του μάζα και c η ταχύτητα του φωτός, έχοντας υπόψη ότι το σώμα είναι μονωμένο από εξωτερικές επιδράσεις. Επισημαίνεται ότι η ενέργεια δεν έχει μια και μοναδική τιμή, αλλά η τιμή της εξαρτάται από το σύστημα αναφοράς που 3
χρησιμοποιείται, για τη μέτρηση της ταχύτητας του σώματος. Είναι ευνόητο ότι στο δεύτερο βιβλίο η θεωρία της σχετικότητας βρίσκεται στα πρώτα κεφάλαια του περιεχομένου του. Στο βιβλίο των Halliday - Resnick, πρώτα ορίζεται το έργο και στη συνέχεια, εισάγεται μέσα από αυτό, η κινητική ενέργεια με τον τύπο, ( W 1 2 mu 2 2 1 2 mu 2 1 ). Σαν πρώτο στοιχείο για την ενέργεια μπορεί να θεωρηθεί η διατύπωση του θεωρήματος έργου-ενέργειας, όπου διακρίνεται η σχέση του έργου με την ενέργεια, (W=ΔΚ). Γενικά, το κείμενο του τρίτου βιβλίου στρέφει την προσοχή του, στα πρώτα του βήματα, γύρω από τη σχέση των εννοιών του έργου, της δύναμης και της κινητικής ενέργειας. Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η έννοια της ενέργειας στα βιβλία του Feynman και των Yavorsky-Pinsky εισάγεται ως πρωταρχική έννοια. Στο βιβλίο των Halliday-Resnick είναι παράγωγη έννοια του έργου. Βασικό κοινό των τριών βιβλίων είναι το γεγονός ότι η ενέργεια θεωρείται μια αφηρημένη έννοια κι όχι μια αντικειμενικά υπαρκτή οντότητα. Ωστόσο, η εισαγωγή της είναι δυνατό να γίνει σε διαφορετικά επίπεδα αφαίρεσης. Το πιο αφηρημένο επίπεδο αντιστοιχεί στην προσέγγιση του Feynman, (η ενέργεια ως αριθμός), ακολουθεί η προσέγγιση των Yavorsky-Pinsky περισσότερο συγκεκριμένη αλλά αρκετά θεωρητική, (η ενέργεια σχετίζεται άμεσα με τη μάζα ενός σώματος) και έπεται η προσέγγιση των Halliday-Resnick, όπου η ενέργεια δεν είναι πρωταρχική έννοια και η παρουσίασή της γίνεται σταδιακά. 1.2.2 Ανάλυση περιεχομένου πέντε «ενεργειακών» εννοιών Η μελέτη των κειμένων των τριών βιβλίων προχώρησε με βάση την ερώτηση: Ανάμεσα στην ποικιλία των μορφών της ενέργειας, τις οποίες συναντούμε στις τρεις συγκεκριμένες φυσικές ενότητες, υπάρχουν ορισμένες που κυριαρχούν, κι αν ναι, με ποια σειρά παρουσιάζονται; Ποια είναι τα βασικά χαρακτηριστικά τους; Διαπιστώθηκε, ότι στις τρεις ενότητες της Φυσικής, τη Μηχανική, τη Θερμοδυναμική και τον Ηλεκτρισμό, παρόλο που γίνεται αναφορά σε διάφορες μορφές ενέργειας, τρεις είναι αυτές στις οποίες επικεντρώνεται η προσοχή της μελέτης: η κινητική, η δυναμική και η εσωτερική ενέργεια. Επιπλέον, αναδεικνύονται ως κυρίαρχες «ενεργειακές» έννοιες, το έργο και η θερμότητα. Ωστόσο, οι πέντε συγκεκριμένες «ενεργειακές» έννοιες αντιμετωπίζονται διαφορετικά στην κάθε φυσική ενότητα και σε κάθε βιβλίο. Στον πίνακα (1), δίνεται μία ενιαία εικόνα της δομής του περιεχομένου της ενέργειας, σχετικά με την εισαγωγή των πέντε «ενεργειακών» εννοιών. Παρατηρούμε ότι σε 4
κάθε εγχειρίδιο οι πέντε «ενεργειακές» έννοιες εισάγονται με διαφορετική σειρά για παράδειγμα, στο πρώτο εγχειρίδιο εισάγεται αρχικά η δυναμική ενέργεια, στο δεύτερο η κινητική ενέργεια και στο τρίτο η έννοια του έργου. Από τη συγκριτική ανάλυση προκύπτουν οι ακόλουθες βασικές διαπιστώσεις: α) Κινητική και Δυναμική ενέργεια Όσον αφορά την κινητική ενέργεια, παρατηρούμε ότι εισάγεται στα δύο πρώτα βήματα της μελέτης και των τριών βιβλίων. Αντιθέτως, η δυναμική ενέργεια εισάγεται τρίτη στη σειρά της μελέτης του 2 ου και του 3 ου βιβλίου. Αξιόλογα στοιχεία χαρακτηρίζουν τον τρόπο με τον οποίο τα τρία βιβλία διαπραγματεύονται την κινητική και τη δυναμική ενέργεια. Στην κινητική ενέργεια αντιστοιχεί ένας τύπος, 1 mu 2, ενώ η δυναμική στερείται τη μοναδικότητα του ενός που να την περιγράφει. Για 2 παράδειγμα, στο 1 ο βιβλίο στην ενότητα του Ηλεκτρισμού, αναφέρεται ότι η ηλεκτροστατική ενέργεια είναι η δυναμική ενέργεια στον ηλεκτρισμό και υπολογίζεται η ενέργεια οκτώ διαφορετικών περιπτώσεων ενδεικτικά αναφέρουμε την ενέργεια σε σύστημα φορτίων ( U q q i j allpairs ), σε ομοιογενή σφαιρική κατανομή φορτίου, ( 4 r ij U 2 3 Q ) και την 5 4 a 1 ενέργεια συνεχούς κατανομής φορτίου, ( U dv ). 2 Η εισαγωγή της δυναμικής ενέργειας και στα τρία βιβλία φαίνεται να έχει δυσκολίες. Στο 1 ο εγχειρίδιο εισάγεται με τη μελέτη της λειτουργίας μιας αντιστρεπτής μηχανής, δηλαδή μιας ιδανικής μηχανής. Έτσι, για να μελετηθεί η περίπτωση αυτή, γίνεται αναλυτική περιγραφή για τη συνεχή κίνηση, την αντιστρεπτή και τη μη αντιστρεπτή μηχανή. Στα δύο άλλα εγχειρίδια, ο ορισμός των συντηρητικών δυνάμεων προηγείται της εισαγωγής της δυναμικής ενέργειας. Για παράδειγμα, στο 2 ο βιβλίο, καταρχήν υπολογίζεται το έργο: της εξωτερικής δύναμης, που χρειάζεται ν ασκηθεί πάνω σ ένα ελατήριο για να συσπειρωθεί κατά l = x2 - x1, ( ( W el W ext 2 2 x1 x2 k k ), 2 2 x k 2 2 2 2 x1 k 2 ) και της αντίστοιχης ελαστικής δύναμης του ελατηρίου, 5
Πίνακας 1: Ενιαία εικόνα της δομής του περιεχομένου της ενέργειας σχετικά με την εισαγωγή των πέντε κυρίαρχων «ενεργειακών» εννοιών. «ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ» ΕΝΝΟΙΕΣ ΕΓΧΕΙΡΙΔΙΟ Δυναμική Κινητική Θερμότητα Έργο Εσωτερική 1 Ο ενέργεια ενέργεια ενέργεια (FEYNMAN) ΕΓΧΕΙΡΙΔΙΟ Κινητική Έργο Δυναμική Εσωτερική Θερμότητα 2 Ο ενέργεια ενέργεια ενέργεια (YAV. - PIN.) ΕΓΧΕΙΡΙΔΙΟ Έργο Κινητική Δυναμική Θερμότητα Εσωτερική 3 Ο ενέργεια ενέργεια ενέργεια (HAL. RES.) της δύναμης Coulomb που ασκείται σε φορτίο q2 για τη μετακίνηση του από μία θέση 1 σε μία θέση 2, όπου η απόστασή του στη θέση 1 από το φορτίο q1 είναι r1 και στη θέση 2, είναι r2 ( W coul q1 q2 q1 q2 4 r 4 r 1 2 ) της βαρυτικής δύναμης, ( W grav G m r 1 2 1 2 ). 1 m G m r 2 m Επισημαίνεται ότι το έργο των συγκεκριμένων δυνάμεων καθορίζεται από το αρχικό και τελικό σημείο της τροχιάς που διαγράφει το σώμα κι όχι από το σχήμα της. Αυτή η ιδιότητα που παρουσιάζουν οι τρεις δυνάμεις είναι χαρακτηριστική. Γενικά, δυνάμεις που το έργο τους δεν εξαρτάται από τη διαδρομή της κίνησης, αλλά μόνο από το αρχικό και το τελικό σημείο της, ονομάζονται συντηρητικές δυνάμεις. Ακολουθεί ο ορισμός της δυναμικής ενέργειας: «Τώρα θα παρουσιάσουμε την έννοια της δυναμικής ενέργειας U αλληλοεπιδρώντων σωμάτων. Αυτό είναι 6
το όνομα που δόθηκε στην ενέργεια η οποία εξαρτάται από την αμοιβαία θέση αυτών των σωμάτων». Στη συνέχεια υπογραμμίζεται, ότι το έργο των συντηρητικών δυνάμεων στις διάφορες φυσικές καταστάσεις είχε μια κοινή μορφή: ήταν ίσο με τη διαφορά δύο όρων, οι οποίοι ήταν συναρτήσεις των συντεταγμένων της αρχικής και της τελικής θέσης της τροχιάς που διέγραφε το σώμα. Με βάση τον ορισμό της δυναμικής ενέργειας, το έργο προκύπτει ότι θα είναι ίσο με τη διαφορά της δυναμικής ενέργειας του συστήματος των αλληλοεπιδρώντων σωμάτων, W=U2-U1. Συνοψίζοντας την ανάλυση στην προσέγγιση της κινητικής και της δυναμικής ενέργειας προκύπτει ένα αξιοσημείωτο συμπέρασμα όσον αφορά τη φύση των δύο αυτών εννοιών. Αν και μεταξύ τους υπάρχει στενή σχέση, η κινητική ενέργεια είναι μια έννοια περισσότερο απλή και κατανοήσιμη από τη δυναμική. β) Το έργο Από τον πίνακα (1), παρατηρούμε ότι το έργο εμφανίζεται στα δύο πρώτα βήματα της μελέτης, στο 2 ο και στο 3 ο βιβλίο. Αντίθετα, στο 1 ο βιβλίο, βρίσκεται τέταρτο στη σειρά εμφάνισης των πέντε «ενεργειακών» εννοιών. Στη συνέχεια καταγράφονται μερικές ενδιαφέρουσες διαπιστώσεις που προέκυψαν για τον τρόπο προσέγγισης του έργου και τη σχέση του με τις υπόλοιπες ενεργειακές έννοιες. Πρώτον, το έργο εμφανίζεται πολύ νωρίς στη μελέτη των τριών βιβλίων, αφού εισάγεται στην ενότητα της Μηχανικής. Ακόμη, τα τρία βιβλία εισάγουν το έργο με τον ίδιο τρόπο, συνδέοντάς το, με τις έννοιες της δύναμης και της μετατόπισης. Στο 1 ο βιβλίο, για παράδειγμα, υπολογίζεται η μεταβολή της κινητικής ενέργειας ενός αντικειμένου που κινείται υπό την επίδραση δύναμης σε τυχαία καμπύλη για μικρό χρονικό διάστημα. Προκύπτει ΔΤ= F ds, και το ολοκλήρωμα αυτό ονομάζεται έργο. Δεύτερον, η μελέτη στη μεταβολή της ενέργειας και στις 3 ενότητες της Φυσικής πραγματοποιείται με τη βοήθεια του έργου, το οποίο αποτελεί μέτρο της μεταβολής της. Ειδικότερα, για το 2 ο και το 3 ο βιβλίο μπορεί να χαρακτηριστεί ως έννοια «κλειδί» στη μελέτη του περιεχομένου της ενέργειας. Για παράδειγμα, στο 2 o βιβλίο, εξετάζουν τις μεταβολές της ενέργειας σε διάφορα φυσικά φαινόμενα και καταλήγουν στην εξίσωση του 1 ου Θερμοδυναμικού Νόμου, (ΔΕ=Wext+Q), έχοντας ως δεδομένο ότι το έργο και η θερμότητα είναι μέτρα της μεταβολής της ενέργειας. Στο 3 ο βιβλίο διατυπώνεται το θεώρημα έργου-ενέργειας: «Το έργο που παράγει πάνω στο σωμάτιο η συνισταμένη δύναμη ισούται πάντοτε προς τη μεταβολή της κινητικής ενέργειας 7
του σωματίου: W(της συνισταμένης δύναμης)=κ-κο=δκ». Μέσα από το θεώρημα αυτό προκύπτουν οι διάφοροι τύποι της ενέργειας και η αρχή διατήρησής της. Όπως χαρακτηριστικά τονίζεται για τη σημασία του θεωρήματος έργου-ενέργειας: «Είναι το σημείο αναχωρήσεως για μια σαρωτική γενίκευση στη Φυσική». Τρίτον, όπως διαπιστώθηκε παραπάνω (βλ. ενότητα 1.2.1), η ενέργεια θεωρείται ως μια αφηρημένη ποσότητα. Αντιθέτως, το έργο είναι μια έννοια όπου η προσέγγισή του γίνεται σ ένα επίπεδο συγκεκριμένο και στα τρία βιβλία, αφού άμεσα συσχετίζεται, μέσω του ορισμού του, με μετρήσιμα φυσικά μεγέθη, τη δύναμη και τη μετατόπιση. Το γεγονός αυτό είναι αξιοσημείωτο, διότι από τη μια έχουμε μια αφηρημένη έννοια, την ενέργεια κι από την άλλη μια στενά συνδεδεμένη με την ενέργεια έννοια, το έργο, της οποίας ο χαρακτήρας είναι συγκεκριμένος. Τέλος, το έργο είναι η «ενεργειακή» έννοια που κυριαρχεί στην ενότητα της Θερμοδυναμικής και στα τρία βιβλία. Η ποσοτική σχέση της θερμότητας, του έργου και της μεταβολής της εσωτερικής ενέργειας και η δυνατότητα παραγωγής έργου από τη θερμότητα, είναι τα επίμαχα σημεία αυτής της φυσικής ενότητας. Συνοψίζοντας την ανάλυση στην προσέγγιση του έργου μπορούμε να επισημάνουμε τα εξής: εισάγεται με τον ίδιο τρόπο στα τρία βιβλία, είναι μια έννοια κλειδί, για τη μελέτη των ενεργειακών μεταβολών στις τρεις φυσικές ενότητες κι αντίθετα από την ενέργεια έχει συγκεκριμένο χαρακτήρα. γ) Εσωτερική ενέργεια Η εσωτερική ενέργεια εμφανίζεται στις τελευταίες στήλες του πίνακα (1) και στα τρία βιβλία. Στο 2 ο βιβλίο υπάρχει ξεχωριστό κεφάλαιο για την εσωτερική ενέργεια σε αντίθεση με τ άλλα δύο που την εμφανίζουν σταδιακά, πρώτα στη Μηχανική και μετά στη Θερμοδυναμική. Από τη συγκριτική ανάλυση που έγινε στα τρία βιβλία για τον τρόπο που διαπραγματεύονται την εσωτερική ενέργεια προέκυψαν τ ακόλουθα: Στο 1 ο βιβλίο εισάγεται αξιωματικά ο νόμος διατήρησης της ενέργειας και, με βάση αυτόν το νόμο, παρουσιάζονται οι διάφορες μορφές ενέργειας. Υπογραμμίζεται ότι ο νόμος διατήρησης στη Μηχανική και, ειδικότερα, στο χώρο του μικρόκοσμου, είναι δύσκολα αντιληπτός. Ωστόσο, σ ένα αντικείμενο υπάρχει εσωτερική ενέργεια, η οποία μπορεί να βρίσκεται σε πολλές μορφές, όπως π.χ. κινητική και δυναμική ενέργεια, ή η εσωτερική δυναμική μπορεί να βρίσκεται στη μορφή της χημικής ενέργειας κ.λπ.. Στη Θερμοδυναμική, η εσωτερική ενέργεια ορίζεται με τον 1 ο Θερμοδυναμικό Νόμο: «Η θερμότητα Q που εισέρχεται στο σύστημα συν το έργο που εκτελείται 8
πάνω σ αυτό, είναι ίσο με την αύξηση της ενέργειας U του συστήματος. η δεύτερη ενέργεια πολλές φορές καλείται εσωτερική ενέργεια, ΔU= Q+W». Στη συνέχεια του κειμένου γίνεται μελέτη της μεταβολής της εσωτερικής ενέργειας σε διάφορες καταστάσεις και προκύπτει ένας γενικός τύπος για τον υπολογισμό της μεταβολής της: ΔU=ΔQ + A ΔΒ, όπου τα Α και Β αντιπροσωπεύουν τα ζεύγη, πίεση-όγκο (P, V), τάση-φορτίο (E, Z), δύναμη-μήκος (F, L). «Για παράδειγμα, θεωρείστε την ηλεκτρική διαφορά δυναμικού, ή τάση, Ε μιας μπαταρίας και το φορτίο ΔΖ που κινείται διαμέσου της μπαταρίας. Γνωρίζουμε ότι το έργο που εκτελείται σ ένα αντιστρεπτό ηλεκτρικό στοιχείο, όπως μια αποθήκη μπαταρίας, είναι Ε ΔΖ». Για την περίπτωση του 2 ου βιβλίου, η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος ορίζεται ως η ενέργεια ηρεμίας του Εο. Αν το σώμα αποτελείται από Ν σωματίδια, τότε η εσωτερική ενέργεια ισούται με το άθροισμα των ενεργειών ηρεμίας, Εο 1, Εο 2, Εο Ν, όλων των σωματιδίων, την ολική κινητική ενέργεια της εσωτερικής κίνησης των σωματιδίων και την ολική δυναμική ενέργεια της αλληλεπίδρασης των σωματιδίων: Εο = Εο 1 + Εο 2 +..+ Εο Ν + Κint + Uint. Στη συνέχεια παρουσιάζονται κι αναλύονται διάφορες καταστάσεις στις οποίες παρατηρείται μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας, όπως η παραμόρφωση ενός σώματος, η θερμική μεταβολή, δηλαδή η μεταβολή η οποία συνοδεύεται από αλλαγές στη θερμοκρασία του σώματος, οι χημικές αντιδράσεις κ.α.. Σε κάθε περίπτωση, υπολογίζεται η μεταβολή της ενέργειας ενός μορίου από τη σχέση Ε=ΔΕο/Ν, όπου Ε η μεταβολή της ενέργειας ενός μορίου, ΔΕο η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας του σώματος και Ν ο αριθμός των μορίων του σώματος. Σημειώνεται, ότι η μικρότερη μεταβολή ενέργειας συναντάται στην παραμόρφωση του σώματος και η μεγαλύτερη στις πυρηνικές αντιδράσεις. Στο 3 ο βιβλίο, στη Μηχανική, παρουσιάζεται για πρώτη φορά η εσωτερική ενέργεια στα πλαίσια της μελέτης της διατήρησης της μηχανικής ενέργειας ενός σώματος. Η ερώτηση: «Τι έγινε με τη χαμένη μηχανική ενέργεια στην περίπτωση της τριβής;», οδηγεί σε μια νέα μορφή ενέργειας, την εσωτερική ενέργεια. Δηλώνεται ότι το έργο της τριβής ισούται με το αντίθετο της αύξησης της εσωτερικής ενέργειας: W=-Uint. Ο ορισμός της εσωτερικής ενέργειας γίνεται όπως και στο 1 ο βιβλίο, με τον 1 ο Θερμοδυναμικό Νόμο. Διαπιστώνεται ότι, ενώ το έργο W και η θερμότητα Q ενός συστήματος δεν είναι διατηρήσιμες ποσότητες, η διαφορά Q-W ενός συστήματος διατηρείται. Με βάση τη διαπίστωση αυτή, αποδίδεται ένα όνομα στη διαφορά Q-W. έτσι, η εσωτερική ενέργεια ενός συστήματος συνδέεται με τη διαφορά Q-W: ΔU= Q-W. 9
Συνοψίζοντας την ανάλυση για την εσωτερική ενέργεια διαπιστώνουμε ότι προσεγγίζεται διαφορετικά στα τρία βιβλία. Από τη μια εμφανίζεται σταδιακά, όπως στο 1 ο και στο 2 ο βιβλίο, κι από την άλλη εισάγεται σε ξεχωριστό κεφάλαιο, όπως στο 2 ο βιβλίο. Προκύπτει ακόμη ότι η εσωτερική ενέργεια είναι δυνατόν να οριστεί με διαφορετικούς τρόπους. δ) Θερμότητα Η θερμότητα παρουσιάζεται στις τελευταίες στήλες του πίνακα (1). Στο 1 ο βιβλίο εμφανίζεται τμηματικά. Καταρχήν, μελετώντας την κίνηση ενός ελατηρίου, υποστηρίζεται ότι στο τέλος της κίνησης υπάρχει ακόμη κινητική ενέργεια, η οποία όμως δεν έχει να κάνει με την ορατή κίνηση. Με τη βοήθεια των θερμομέτρων, διαπιστώνεται ότι το ελατήριο είναι θερμότερο κι έτσι συμπεραίνεται ότι, πράγματι υπάρχει μια αύξηση της κινητικής ενέργειας των ατόμων του ελατηρίου. Αυτή η μορφή της ενέργειας ονομάζεται θερμότητα. Είναι μια μορφή ενέργειας η οποία γεννιέται στα σώματα, όταν κινούνται παρουσία τριβών. Στη Θερμοδυναμική πραγματοποιείται εκτενής μελέτη της θερμότητας με τον 1 ο και το 2 ο Θερμοδυναμικό Νόμο. Πρέπει να τονιστεί ότι στο 1 ο βιβλίο δεν υπάρχει συγκεκριμένος τύπος που να ορίζει τη θερμότητα. Στο 2 ο εγχειρίδιο, η εισαγωγή της έννοιας της θερμότητας έπεται της εισαγωγής της εσωτερικής ενέργειας. Η θερμότητα ορίζεται με την ακόλουθη διατύπωση: «Η ποσότητα της θερμότητας είναι η ενέργεια που μεταφέρεται κατά τη θερμική ανταλλαγή. Από τον ορισμό προκύπτει ότι για την περίπτωση όπου η ενέργεια ενός σώματος μεταβάλλεται μόνο με τη θερμική ανταλλαγή, τότε ισχύει Q=ΔΕ, δηλαδή η ποσότητα της θερμότητας είναι ένα μέτρο της μεταβολής της ενέργειας ενός σώματος, στη θερμική ανταλλαγή». Στο 3 ο βιβλίο, η θερμότητα εισάγεται κατευθείαν στη Θερμοδυναμική, ως η ενέργεια που ρέει από ένα σώμα σε ένα άλλο, εξαιτίας μιας διαφοράς θερμοκρασίας, που υπάρχει μεταξύ τους. Στη συνέχεια, αφού οριστούν η μονάδα της θερμότητας, η θερμοχωρητικότητα και η ειδική θερμότητα, παρουσιάζεται η ακόλουθη διατύπωση: «Η θερμότητα, άρα, που πρέπει να δώσουμε σ ένα σώμα μάζας m, του οποίου το υλικό έχει μια ειδική θερμότητα c, για ν αυξήσουμε τη θερμοκρασία από Τi σε Tf, είναι: Q=m c dt». Συνοψίζοντας τα σχετικά με τη θερμότητα, διαπιστώνουμε ότι προσεγγίζεται όπως και η εσωτερική ενέργεια- διαφορετικά στα τρία βιβλία. Άλλοτε εμφανίζεται για πρώτη φορά, όταν ξεκινά η μελέτη των θερμικών ανταλλαγών, όπως στο 2 ο και στο 3 ο βιβλίο, κι άλλοτε εισάγεται σταδιακά, 10
όπως στο 1 ο βιβλίο. Ακόμη, αναδεικνύεται ότι είναι δυνατόν να υπάρξουν διαφορετικοί ορισμοί της ή να μην υπάρχει καθόλου ένας αυστηρός ορισμός, όπως στο εγχειρίδιο του Feynman. 1.3 Διδακτικοί μετασχηματισμοί του περιεχομένου της ενέργειας 1.3.1 Διδακτικοί μετασχηματισμοί του ορισμού της ενέργειας Η ενέργεια στα περισσότερα εγχειρίδια της Φυσικής ορίζεται, στην ενότητα της Μηχανικής, ως «η ικανότητα παραγωγής έργου», (Duit 1985, Falk et al. 1983, Trumper 1990), κάτι που πρέπει να οφείλεται σε ιστορικούς λόγους. Στο 19 ο αιώνα η Φυσική επικεντρώθηκε στο γεγονός ότι η θερμότητα μπορεί να επιφέρει αύξηση του όγκου κι άρα να παράγει έργο. H απόδειξη της ισοδυναμίας θερμότητας και μηχανικού έργου αποτέλεσε ένα από τα σημαντικότερα γεγονότα της ανάπτυξης της έννοιας της ενέργειας, (Duit 1985, Harman 1994, σελ. 1-9, Prigogine & Stengers 1986, σελ. 157-166). Μαζί με την αρχή διατήρησης της ενέργειας ο Τζάουλ έθεσε τα θεμέλια για την ενοποίηση των μηχανικών και θερμικών φαινομένων. Στη συνέχεια, στην ίδια δεκαετία του 1840, ο Χέλμολτς πρότεινε την ενοποίηση όλων των φαινομένων, «...συνέδεσε τη μηχανική, τη θερμότητα, το φως, τον ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό εκλαμβάνοντας αυτά τα φαινόμενα ως διαφορετικές εκδηλώσεις της ίδιας ενέργειας», (Harman 1994, σελ. 6). Συνήθως, οι προσεγγίσεις που ορίζουν την ενέργεια μέσω του έργου προχωρούν στη συνέχεια στην εισαγωγή της κινητικής και της δυναμικής ενέργειας και μελετούν το νόμο διατήρησης της ενέργειας κατά τις μετατροπές της κινητικής σε δυναμική κι αντιστρόφως. Ο συγκεκριμένος εισαγωγικός τρόπος προσέγγισης της ενέργειας είναι γνωστός στη βιβλιογραφία με τον όρο «παραδοσιακός» τρόπος προσέγγισης. Ένα πρώτο σημαντικό μειονέκτημα που αναγνωρίζεται στον «παραδοσιακό» τρόπο εισαγωγής είναι ότι η ενέργεια, μέσω του έργου, περιορίζεται στη μηχανική, ενώ είναι μια έννοια με την οποία ερμηνεύονται φαινόμενα διαφορετικών πεδίων. Γι αυτό χρειάζεται η διεύρυνση της ενέργειας στις επόμενες ενότητες της Φυσικής ιδιαίτερη προσοχή. Για παράδειγμα, στη Μηχανική τα παιδιά μαθαίνουν ότι το έργο της τριβής παράγει θερμότητα ή θερμική ενέργεια. Στον 1 ο Θερμοδυναμικό Νόμο, ωστόσο, φαίνεται ότι δεν είναι αληθινή η άποψη ότι η θερμική ενέργεια ενός συστήματος ισούται με την ικανότητα παραγωγής έργου. Το δεύτερο σημαντικό μειονέκτημα που καταγράφεται σχετίζεται με την υποβάθμισή της. Ο Duit (1985) σημειώνει ότι ο 2 ος Θερμοδυναμικός Νόμος μπορεί να ερμηνευθεί λάθος, με βάση τον «παραδοσιακό» ορισμό της ενέργειας: «Η ενέργεια (δηλαδή η ικανότητα εκτέλεσης έργου) παραμένει, ενώ η ποιότητά της 11
ενέργειας κι άρα η πιθανότητα για παραπέρα αλλαγές στην κατάσταση (δηλ. η πιθανότητα για εκτέλεση έργου) έχει μειωθεί». Το πρόβλημα που μπορεί ν ανακύψει είναι να γίνει παρανόηση του 2 ου Θερμοδυναμικού Νόμου, ο οποίος ισχύει μόνο σε κυκλικές μηχανές. Δηλαδή, στο τέλος μιας πραγματικής διαδικασίας, υπάρχουν πιθανότητες να χρησιμοποιηθεί όλη η ενέργεια. Σ ένα σημαντικό αριθμό προσεγγίσεων η ενέργεια ορίζεται ως «η ικανότητα για πρόκληση αλλαγών», (COPES 1969, SCIS 1971, JSSP 1974 στοιχεία από το άρθρο του Duit 1985). Ο ορισμός αυτός προτείνεται, κυρίως, για μαθητές/τριες του Δημοτικού και των πρώτων τάξεων της δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης. Ένα αντιπροσωπευτικό παράδειγμα είναι το αναλυτικό πρόγραμμα Φυσικής στην Ουγγαρία, (Kedves et al. 1983), στο οποίο γίνεται προσπάθεια ν αναδειχτεί η στενή σχέση των περιεχομένων της Φυσικής, της Χημείας και της Βιολογίας από τις πρώτες τάξεις του Δημοτικού. Η έννοια της «αλληλεπίδρασης» είναι στο κέντρο της μελέτης, (Kedves et al. 1983): «Η αλληλεπίδραση, ως αιτία όλων των αλλαγών στη φύση, τοποθετείται στο κέντρο της συζήτησης..». Η ενέργεια ορίζεται ποιοτικά στην έκτη τάξη (ηλικία 11), με σημείο εκκίνησης τα θερμικά φαινόμενα: «Το αρχικό σημείο είναι η ικανότητα (ability) να προκληθεί αλλαγή στη ζεστασιά (warmth) ενός σώματος, (ικανότητα θέρμανσης). Θα πρέπει να σημειωθεί ότι αυτό μπορεί να διαφέρει σε ποσότητα. Το μέτρο που χαρακτηρίζει την «ικανότητα θέρμανσης» («warming capability»), ενός σώματος καλείται ενέργεια». Ο ορισμός αυτός στη συνέχεια γενικεύεται, αφού τονίζεται ότι τα σώματα, έχοντας ενέργεια, μπορούν να προκαλέσουν κι άλλου είδους αλλαγές. Στο σχετικό κείμενο υπογραμμίζεται με ιδιαίτερη έμφαση, ότι η ενέργεια δεν παρουσιάζεται ως μια αντικειμενικά υπαρκτή οντότητα (existing objective reality), αλλά ως μια φυσική έννοια που χαρακτηρίζει μία ικανότητα, δηλαδή την ικανότητα μιας αντικειμενικά υπαρκτής οντότητας, π.χ. ενός σώματος, ν αλλάζει. Ανάλογος είναι ο ορισμός του SCIS (SCIS 1971, στοιχεία από το άρθρο του Duit 1985): «Ενέργεια είναι η ικανότητα των υλικών συστημάτων να επιφέρουν αλλαγές στον εαυτό τους ή στο περιβάλλον τους». Η πρόταση του αναλυτικού προγράμματος της Φυσικής, του IPN, (IPN 1978, στοιχεία από το άρθρο του Duit 1985) για τον ορισμό της ενέργειας είναι κοντά με τις δύο τελευταίες προσεγγίσεις. Εδώ η ενέργεια ορίζεται ως η «προϋπόθεση» για να πραγματοποιηθούν οι διαδικασίες στη φύση και στην τεχνολογία: «Η ενέργεια είναι απαραίτητη για να κινηθεί κάτι, να επιταχυνθεί, ν ανυψωθεί, ν ανάψει ή να ζεσταθεί και για πολλές άλλες διαδικασίες». Οι τρεις τελευταίες προσεγγίσεις έχουν τον ίδιο προσανατολισμό στον ορισμό της ενέργειας, αλλά, όπως φαίνεται, μεταξύ τους υπάρχουν λεπτές διαφορές, -ιδιαίτερα για τις δύο πρώτες- που είναι πολύ 12
ουσιαστικές για την εκμάθηση του περιεχομένου της ενέργειας. Δηλαδή, η πρώτη ορίζει την ενέργεια ως μέτρο της ικανότητας γι αλλαγή (η αλληλεπίδραση είναι «η αιτία όλων των αλλαγών»), ενώ η δεύτερη προσέγγιση ορίζει την ίδια την ενέργεια ως «ικανότητα γι αλλαγή». Το βασικότερο πλεονέκτημα του ορισμού της ενέργειας ως «ικανότητα αλλαγής» είναι το γεγονός ότι συμβάλλει ουσιαστικά για να δομηθεί ο ενοποιητικός χαρακτήρας της ενέργειας, δηλαδή ότι η ενέργεια είναι μία έννοια η οποία μπορεί να ερμηνεύσει φαινόμενα διαφορετικών πεδίων. Η εισαγωγή της δεν περιορίζεται σε μια συγκεκριμένη φυσική ενότητα, π.χ. στη Μηχανική. Ακόμη, ο ορισμός αυτός είναι εννοιολογικά και γλωσσολογικά απλούστερος του «παραδοσιακού», αφού η ενέργεια είναι πρωταρχική έννοια κι όχι παράγωγη άλλων επιστημονικών εννοιών, π.χ. του έργου και της δύναμης. Ωστόσο, κάθε προσπάθεια που γίνεται για μια απλοποιημένη παρουσίαση δυσνόητων επιστημονικών εννοιών εμπεριέχει κινδύνους. Στη βιβλιογραφία έχουν επιπλέον επισημανθεί τα μειονεκτήματα του συγκεκριμένου ορισμού. Ο όρος «αλλαγές» είναι ασαφής και κρίνεται απαραίτητο να προσδιορίζεται με ακρίβεια η σημασία του, όταν χρησιμοποιείται, γιατί μπορούν να δημιουργηθούν λανθασμένες σκέψεις για διάφορες περιπτώσεις. Για παράδειγμα, υπάρχουν αλλαγές που δεν χρειάζονται ενέργεια, όπως οι κινήσεις στο κενό, όπου η κατεύθυνση της δύναμης είναι κάθετη στην κατεύθυνση της κίνησης (Duit 1985). Στην τρίτη περίπτωση του IPN πρέπει να προσδιοριστούν οι «διαδικασίες» στις οποίες είναι απαραίτητη η ενέργεια, όπως και γίνεται με συγκεκριμένες αναφορές (να κινηθεί κάτι, ν ανάψει κ.τ.λ.). Ακόμη, χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή στη μελέτη της υποβάθμισης της ενέργειας, γιατί η ικανότητα ενός συστήματος να προκαλέσει αλλαγές δεν εξαρτάται μόνο από την ποσότητα της ενέργειας αλλά, ταυτόχρονα, καθορίζεται από την αξία και το είδος της ενέργειας, (Duit 1985), π.χ. ίδιες ποσότητες θερμότητας με διαφορετικές θερμοκρασίες δεν έχουν την ίδια αξία. H ενέργεια, σε άλλες προσεγγίσεις, προσδιορίζεται ως ένα «είδους καύσιμου», που μπορεί να ρέει από ένα σύστημα σε ένα άλλο, όταν τα δύο συστήματα αλληλεπιδρούν. Της αποδίδονται χαρακτηριστικά ουσίας κι αντιμετωπίζεται έτσι ως μια ημι-υλική οντότητα, (quasimaterial substance). Αντιπροσωπευτικό παράδειγμα είναι η πρόταση του Falk και των συνεργατών του (Falk et al. 1983). Η ενέργεια ορίζεται ως μια υλική ποσότητα (substance-like quantity), η οποία μπορεί ν αποθηκεύεται και να μεταφέρεται από το ένα σύστημα στο άλλο. Η ροή της ενέργειας συνοδεύεται πάντοτε με τη ροή μιας τουλάχιστον άλλης υλικής ποσότητας, η οποία ονομάζεται «φορέας» της ενέργειας, π.χ. στον ηλεκτρισμό, φορέας της ενέργειας είναι το ηλεκτρικό φορτίο. Ένα πλεονέκτημα των συγκεκριμένων προσεγγίσεων είναι το γεγονός ότι 13
εισάγουν την ενέργεια με όρους της καθημερινότητας, γιατί η ενέργεια, ως έννοια, είναι στενά συνδεδεμένη με την καθημερινή χρήση των καυσίμων. Έτσι, μια αφηρημένη επιστημονική έννοια προσεγγίζεται μ ένα συγκεκριμένο τρόπο κι άρα μπορεί να γίνει περισσότερο προσιτή στους/στις μαθητές/τριες. Ακόμη, έχει διαπιστωθεί, ότι ο ανθρώπινος νους τείνει να σκέφτεται τις αφηρημένες και διατηρήσιμες οντότητες, δηλαδή κάτι που παραμένει σταθερό στο χρόνο, με όρους συγκεκριμένους. Αυτό σημαίνει ότι η προσέγγιση της ενέργειας ως ημι-υλικής οντότητας, μπορεί να βοηθά ουσιαστικά στην κατανόηση της διατήρησής της (Meyerson 1930, στοιχεία από το άρθρο του Duit 1987). Επιπλέον, είναι πολύ πιο απλό για τους/τις μαθητές/τριες να κατανοήσουν την αποθήκευση της ενέργειας, αφού θεωρείται ως υλική οντότητα κι άρα μπορεί να είναι εντοπισμένη κάπου. Αντίθετα, η ιδέα της αποθήκευσης μιας αφηρημένης έννοιας δημιουργεί μάλλον νοηματικές δυσκολίες στους μαθητές και στις μαθήτριες. Η ενέργεια ως ημι-υλική οντότητα απορρίπτεται άλλοτε κατηγορηματικά κι άλλοτε με λιγότερες επιφυλάξεις. Όταν ακολουθείται ο ορισμός αυτός, γεννιούνται μια σειρά από ερωτηματικά που είναι αναγκαίο να επισημανθούν. Για παράδειγμα, πώς ερμηνεύεται το αρνητικό πρόσημο της δυναμικής ενέργειας, αφού, ως υλική οντότητα, θα έχει νόημα γι αυτήν μόνο το θετικό πρόσημο; Οι αντιρρήσεις στη βιβλιογραφία, αυξάνονται αν ληφθούν υπόψη οι σύγχρονες ιδέες της Φυσικής για την ενέργεια, π.χ. η Κβαντική Φυσική δεν αποδέχεται ότι η ενέργεια μπορεί να εντοπιστεί (Duit 1987). 1.3.2 Διδακτικοί μετασχηματισμοί πέντε χαρακτηριστικών της ενέργειας α) Η μετατροπή της ενέργειας Η μετατροπή της ενέργειας είναι ένα από τα χαρακτηριστικά της, στα οποία επικεντρώνεται η πλειοψηφία των ενεργειακών προσεγγίσεων. Οι περισσότερες από αυτές ξεκινούν τη διδασκαλία της ενέργειας με τη μετατροπή της (Duit, 1985). Η ιδιαίτερη σημασία που δίνεται στη μετατροπή έχει τις ρίζες της στην ιστορική ανάπτυξη της έννοιας της ενέργειας (Duit, Haeussler, 1994). Διαφορετικά μεταξύ τους φαινόμενα, μηχανικά, θερμικά, ηλεκτρικά, φωτεινά και μαγνητικά, στα μέσα του 19 ου αιώνα, ερμηνεύτηκαν ως διαφορετικές εκδηλώσεις της ενέργειας. Η ερμηνεία αυτή εκφράστηκε με τον όρο «μετατροπή» ενέργειας. Δηλαδή, η θερμότητα, το φως, ο ηλεκτρισμός, κ.λπ. θεωρήθηκαν ότι είναι διαφορετικές εκδηλώσεις της ενέργειας κι αποδόθηκε στην καθεμιά ο όρος «μορφή» ενέργειας. Η μετατρεψιμότητα της ενέργειας ανέδειξε τον ενοποιητικό της ρόλο, γιατί όλα τα φυσικά φαινόμενα συνδέθηκαν μ ένα δίκτυο ενεργειακών μετατροπών (Harman 1994). 14
Σε μια σειρά άρθρων, εκφράστηκαν επιφυλάξεις για τους όρους «μετατροπή» και «μορφή» ενέργειας. Καταρχήν, ο όρος «μετατροπή» συνήθως φαίνεται να χρησιμοποιείται καταχρηστικά στη θέση του όρου «μεταφορά», (Falk et al. 1983, Schmid 1982). Για παράδειγμα, η θερμότητα και το μηχανικό έργο αντιμετωπίζονται σε γνωστά εγχειρίδια της Φυσικής ως μορφές ενέργειας, ενώ είναι διαδικασίες μεταφοράς της. Δεύτερον, διαπιστώθηκε ότι σε αρκετά βιβλία υπάρχουν ασάφειες στη διάκριση των εννοιών της εσωτερικής ενέργειας, της θερμότητας και της θερμικής ενέργειας (Summers 1983). Τρίτον, σε διαφορετικά εγχειρίδια υπάρχουν διαφορετικοί ορισμοί για τον όρο «μορφή» ενέργειας. Επιπλέον, ο μεγάλος αριθμός των λέξεων που υπάρχουν για τις μορφές της ενέργειας δημιουργεί δυσκολίες στην κατανόηση του περιεχομένου της (Taber 1989). Οι μαθητές/τριες, π.χ. με δυσκολία μπορούν να διακρίνουν αν η ενέργεια της μπαταρίας είναι χημική ή ηλεκτρική. O Ellse προτείνει σ ένα άρθρο του (1988) να περιοριστεί στο ελάχιστο η χρήση των μορφών ενέργειας, «Είναι απλούστερο να λέμε ότι το μίγμα πετρέλαιο- αέρας έχει ενέργεια, απ ό,τι χημική ενέργεια, ότι τα πυρηνικά καύσιμα έχουν ενέργεια, απ ό,τι πυρηνική ενέργεια και ότι ένα εκκρεμές έχει ενέργεια, απ ό,τι μηχανική ενέργεια». β) Η μεταφορά της ενέργειας Στη σχετική βιβλιογραφία συνήθως, αναπτύσσεται ταυτόχρονα η κριτική στους τρόπους με τους οποίους τα διάφορα εγχειρίδια Φυσικής προσεγγίζουν τη μεταφορά και τη μετατροπή της ενέργειας. Διαπιστώνεται ότι η μεταφορά, ως έννοια, είναι απλούστερη της μετατροπής, αλλά, όπως ήδη έχει σημειωθεί για λόγους ιστορικούς η προσοχή της μελέτης δίνεται στη μετατροπή της ενέργειας. Κατά τη διάρκεια δηλαδή των ενεργειακών ανταλλαγών, τα βιβλία ενδιαφέρονται περισσότερο να εξηγήσουν τη μετατροπή μιας μορφής ενέργειας σε μια άλλη, παρά τη διαδικασία της μεταφοράς της, από το ένα σύστημα στο άλλο. Αυτό μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα στην κατανόηση του περιεχομένου της ενέργειας, αφού π.χ. κατά τη θερμική ανταλλαγή η διάκριση της εσωτερικής ενέργειας από τη θερμότητα είναι σημαντική. Η θερμότητα είναι διαδικασία μεταφοράς της εσωτερικής ενέργειας ανάμεσα σε δύο σύστημα διαφορετικών θερμοκρασιών. Στα πλαίσια αυτού του προβληματισμού, γίνονται προτάσεις που υποστηρίζουν ότι χρειάζεται να δοθεί περισσότερη έμφαση στη μεταφορά της ενέργειας απ ότι δινόταν μέχρι τώρα, να προσδιοριστούν με ακρίβεια ορισμένοι καθιερωμένοι όροι σχετικοί με τη μεταφορά ή ακόμη ν αντικατασταθούν με νέους όρους (Duit 1985, Falk et al. 1983). Για παράδειγμα, προτείνεται η χρήση του όρου «θέρμανση» αντί του όρου «θερμότητα». Ο Ellse (1988) 15
υποστηρίζει ότι, για την περιγραφή της διαδικασίας της μεταφοράς της ενέργειας, μπορούμε να εκφραζόμαστε με τον ακόλουθο τρόπο: «η ενέργεια που μεταφέρεται, μηχανικά, υπολογίζεται με Wm = F d, θερμικά, υπολογίζεται με Wt = m c Δθ, ηλεκτρικά, υπολογίζεται με We=Q V και, όταν μία διαδικασία περιλαμβάνει και τους τρεις τρόπους, τότε η ενέργεια που μεταφέρεται, είναι ίση με: Wm+ Wt+ We». γ) Η αποθήκευση της ενέργειας Η δυναμική ενέργεια διδάσκεται στα περισσότερα βιβλία Φυσικής και η αποθήκευση της ενέργειας άλλοτε υπονοείται μέσα από τη χρήση του όρου «δυναμική» ενέργεια κι άλλοτε χρησιμοποιείται άμεσα. π.χ. ένας γνωστός ορισμός της δυναμικής ενέργειας είναι: «Δυναμική ενέργεια είναι η αποθηκευμένη ενέργεια που έχει ένα σώμα εξαιτίας της θέσης ή της κατάστασης στην οποία βρίσκεται» (Mc Clelland 1989). Ο όρος «αποθηκευμένη» ενέργεια στον ορισμό της δυναμικής σε άλλες περιπτώσεις παραλείπεται. Σε μια σειρά έρευνες έχουν διαπιστωθεί ασάφειες και ανακρίβειες στη διαπραγμάτευση του περιεχομένου της ενέργειας που σχετίζεται με την αποθήκευση και τη δυναμική ενέργεια. Για παράδειγμα, υπογραμμίζεται ότι, στα περισσότερα βιβλία, όταν γίνεται αναφορά στη βαρυτική δυναμική ενέργεια, θεωρείται ότι η Γη είναι ένα ακίνητο σώμα και η βαρυτική ενέργεια αποδίδεται μόνο στο σώμα που βρίσκεται σε κάποια απόσταση από τη Γη: «Όταν ένα σώμα υψωθεί από την επιφάνεια της Γης, κερδίζει δυναμική βαρυτική ενέργεια». Η ανύψωση, δηλαδή, ενός σώματος από την επιφάνεια της Γης, συνήθως, δεν ερμηνεύεται με αύξηση της βαρυτικής δυναμικής ενέργειας του συστήματος Γη-σώμα. Η απειροστή κίνηση της Γης, κατά τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα, αγνοείται (Mc Clelland 1989). Έντονες κριτικές αναπτύσσονται σχετικά με τις γνωστές εκφράσεις που αφορούν το νόημα της αποθήκευσης της ενέργειας στα τρόφιμα και στα καύσιμα: «Οι τροφές έχουν αποθηκευμένη ενέργεια», «Τα καύσιμα, όπως το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο περιέχουν ενέργεια». Τονίζεται ότι, στις συγκεκριμένες περιπτώσεις, αγνοείται η ύπαρξη του οξυγόνου και η διαδικασία της καύσης, με την οποία απελευθερώνεται η ενέργεια. Όταν γίνεται αναφορά στη χημική ενέργεια των καυσίμων και των τροφών, δεν διευκρινίζεται ότι αυτό αναφέρεται στη διαφορά της ενέργειας των προϊόντων της καύσης από την ενέργεια του μείγματος «καύσιμο/τροφή και οξυγόνο» (McClelland 1989, Ross 1993). Στη σχετική βιβλιογραφία προτείνεται να δοθεί μεγαλύτερη προσοχή στη διάκριση της ενέργειας από τα υλικά σώματα. Αυτό 16
σημαίνει, για τις περιπτώσεις των τροφών και των καυσίμων, ότι είναι απαραίτητο να διευκρινιστεί η ύπαρξη του οξυγόνου και να δοθεί έμφαση στη διαδικασία της καύσης (Holman, 1985, McClelland, 1989, Ross, 1993). Αντίστοιχες επισημάνσεις πρέπει να γίνονται για τη δυναμική βαρυτική ενέργεια, δηλαδή, ν αναφέρεται με σαφήνεια ότι είναι η ενέργεια συστήματος σωμάτων. Ακόμη, έχουν δημοσιευτεί έντονες επιφυλάξεις για τη χρήση του όρου «αποθήκευση», ειδικά για τις περιπτώσεις εκείνων των προσεγγίσεων που εισάγουν την ενέργεια ως μια αφηρημένη ποσότητα. Όπως χαρακτηριστικά υποστηρίζει ο Beynon (1990), δεν είναι ευνόητο ότι μια αφηρημένη έννοια αποθηκεύεται. Λαμβάνοντας υπόψη τον «παραδοσιακό» ορισμό της ενέργειας ως «ικανότητα παραγωγής έργου», θέτει το ερώτημα: «Μπορεί μια ικανότητα ν αποθηκευτεί;». Από τη συγκριτική ανάλυση που έγινε στην ενότητα 1.2 για τον τρόπο με τον οποίο τα τρία πανεπιστημιακά βιβλία διαπραγματεύονται τη δυναμική ενέργεια και τη σχετική κριτική της βιβλιογραφίας, αναδεικνύεται ότι η δυναμική ενέργεια είναι από τα πιο δυσνόητα στοιχεία του περιεχομένου της. Η αποθήκευση φαίνεται ότι χρησιμοποιείται ως όρος, στα σχολικά εγχειρίδια της Φυσικής, για να βοηθήσει σε μια απλή προσέγγιση της δυναμικής ενέργειας. Να εκφράσει τη «λανθάνουσα» ή «εν-δυνάμει» κατάσταση στην οποία μπορεί να βρίσκεται η ενέργεια. Αντίθετα, στα βιβλία Φυσικής της Τριτοβάθμιας εκπαίδευσης, ο όρος αυτός συνήθως δεν χρησιμοποιείται. Στο βιβλίο των Halliday-Resnick, υπάρχει μια αναφορά όπου η δυναμική ενέργεια εκφράζεται ως μια μορφή ενέργειας, που μπορεί ν αποθηκευτεί. Η ενέργεια, στην επιστήμη της Φυσικής εκλαμβάνεται ως μια αφηρημένη ποσότητα και, ως τέτοια, δεν είναι εύλογη η αποθήκευσή της. δ) Η διατήρηση της ενέργειας Ενώ η μετατροπή και η μεταφορά σχετίζουν την ενέργεια με τις αλλαγές, η διατήρηση έρχεται να εκφράσει τη σταθερότητα μέσα στις αλλαγές. Είναι το χαρακτηριστικό της ενέργειας στο οποίο επικεντρώνονται όλες οι διδακτικές προσεγγίσεις της. Εισάγεται από πολύ νωρίς στο περιεχόμενο της ενέργειας, στενά συνδεδεμένη με το χαρακτηριστικό της μετατροπής. Συνήθως, έπεται από τη διδασκαλία της μετατροπής, ωστόσο, κατά τη περιγραφή των ενεργειακών μετατροπών, υπονοείται ότι η ενέργεια διατηρείται (Solomon 1985). Στα μέσα του 19 ου αιώνα η ενέργεια κατέκτησε στη Φυσική θεμελιώδη θέση, εξαιτίας της αφθαρσίας και της μετατρεψιμότητάς της. 17
Στη βιβλιογραφία καταγράφηκαν τρεις τρόποι εισαγωγής της διατήρησης της ενέργειας: Άλλοτε τίθεται αξιωματικά, άλλοτε θεωρείται δεδομένη κι άλλοτε οι προσεγγίσεις προσπαθούν να πείσουν τους/τις μαθητές/τριες για τη διατήρηση της ενέργειας με μια σειρά, κυρίως, ποιοτικών παραδειγμάτων (Duit 1985). Η πιο συνηθισμένη διατύπωση της είναι: «Η ενέργεια ούτε δημιουργείται, ούτε καταστρέφεται, αλλά μετατρέπεται από τη μια μορφή στην άλλη». Η διδασκαλία της διατήρησης, θεωρείται ότι έχει αρκετές δυσκολίες. Καταρχήν, η γνωστή διατύπωση «ούτε δημιουργείται, ούτε καταστρέφεται», κρίνεται ότι είναι ασαφής ως έκφραση, αφού δεν αποκλείει άλλες πιθανές εκδοχές, π.χ. η ενέργεια μπορεί να μειώνεται, να υποβαθμίζεται, κ.λπ. Επιπλέον, ως μια αρνητική έκφραση δημιουργεί δυσκολίες στην κατανόησή της. Έτσι γίνονται προτάσεις για να διατυπώσουν πιο απλά τη διατήρηση (Solomon 1985). π.χ. «Σε μια αλλαγή, το ποσό της ενέργειας είναι το ίδιο στην αρχή και στο τέλος της». Ακόμη, υπάρχουν στοιχεία του περιεχομένου της ενέργειας που μπορούν να δημιουργήσουν προβλήματα στην κατανόηση της διατήρησής της. Για παράδειγμα, όταν υποστηρίζεται ότι η ενέργεια που απελευθερώνεται από την καύση των καυσίμων δεν υπήρχε πριν, τότε γεννιούνται εύλογα ερωτήματα για τη διατήρησή της (Solomon 1985). Αν δεν υπήρχε πριν και υπάρχει τώρα, τότε πώς είναι μια διατηρήσιμη ποσότητα; Η Solomon υπογραμμίζει επιπλέον ότι η συγκεκριμένη διατύπωση «αλλά μετατρέπεται από τη μια μορφή στην άλλη», δεν διευκρινίζει καθόλου την κατεύθυνση προς την οποία γίνονται οι ενεργειακές μετατροπές, αντιθέτως, φαίνεται να υπονοείται ότι η ενέργεια είναι απείρως μετατρέψιμη. Ένα ακόμη «ευαίσθητο» σημείο στη μελέτη της διατήρησης της ενέργειας είναι το γεγονός ότι ο όρος «διατήρηση» σχετίζεται άμεσα με τις βασικές έννοιες «σύστημα», «περιβάλλον» και «όρια του συστήματος». Ο προσδιορισμός της σημασίας των συγκεκριμένων εννοιών για τη μελέτη της διατήρησης θεωρείται από τα πιο δύσκολα κομμάτια του περιεχομένου της (Huis & Berg 1993, Moore 1993). ε) Η υποβάθμιση της ενέργειας Η διδασκαλία της υποβάθμισης της ενέργειας είναι αντικείμενο μελέτης των μεγάλων τάξεων της δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης (Solomon 1982). Στη βιβλιογραφία τονίζεται ότι είναι το χαρακτηριστικό της ενέργειας στο οποίο δίνεται η λιγότερη σημασία. Συνήθως εισάγεται με το Δεύτερο Θερμοδυναμικό Νόμο και την έννοια της «εντροπίας». Έχουν αναγνωριστεί δύο τάσεις προσεγγίσεως της υποβάθμισης της ενέργειας (Duit 1985). Στην πρώτη τάση ανήκουν οι 18
προσεγγίσεις οι οποίες ορίζουν την εντροπία ως μια διατηρήσιμη ποσότητα σε αντιστρεπτές διαδικασίες. Στη δεύτερη, ανήκουν εκείνες οι προσεγγίσεις οι οποίες, χρησιμοποιώντας το μοριακό μοντέλο της στατιστικής μηχανικής, επικεντρώνονται στη μη-αντιστρεψιμότητα των φυσικών διαδικασιών. Η υποβάθμιση της ενέργειας θεωρείται από τη βιβλιογραφία βασικό στοιχείο της μελέτης του περιεχομένου της. Χωρίς αυτήν, η διδασκαλία της ενέργειας είναι ελλιπής. Οι έννοιες «ενέργεια» και «εντροπία» είναι πολύ στενά συνδεδεμένες (Duit & Haeussler 1994, Ogborn 1985, Solomon 1982). Το κοινωνικό πρόβλημα, της ενεργειακής κρίσης ανέδειξε την ανάγκη της ουσιαστικής διδασκαλίας της υποβάθμισης. Θεωρείται ότι η έννοια «υποβάθμιση» σε σχέση με την έννοια «διατήρηση» είναι μια λέξη πιο κοντά στην καθημερινότητα, αφού όλες οι διαδικασίες που συμβαίνουν γύρω μας είναι μη αντιστρέψιμες. Υπάρχουν ποικίλες προτάσεις για να προσεγγιστεί η «υποβάθμιση» με απλούστερες διατυπώσεις απ αυτές του 2 ου Θερμοδυναμικού Νόμου. Για παράδειγμα, η Solomon (1982) προτείνει την ακόλουθη διατύπωση για την υποβάθμιση: «Σε όλες τις ενεργειακές αλλαγές, υπάρχει μια εξάντληση (running down) προς την ομοιομορφία, μέσα στην οποία, μέρος της ενέργειας γίνεται άχρηστο». Ο Ogborn (1985) προτείνει τη χρήση του όρου «ελεύθερη ενέργεια» (free energy), στη θέση του όρου «εντροπία». Η ελεύθερη ενέργεια αντιπροσωπεύει την πιθανότητα γι αλλαγή. Αυτή αποφασίζει αν η αλλαγή θα γίνει. Η ενέργεια είναι ό,τι συμμετέχει στην αλλαγή. Αυτό που πράγματι χρησιμοποιείται και εξαφανίζεται είναι η ελεύθερη ενέργεια. 19
1.4 Συμπεράσματα Στην ενότητα 1.2 έγινε συγκριτική ανάλυση για τον τρόπο με τον οποίο τρία βιβλία Φυσικής της τριτοβάθμιας εκπαίδευσης ορίζουν την ενέργεια και προσεγγίζουν 5 βασικές έννοιες του περιεχομένου της: την κινητική, τη δυναμική, την εσωτερική ενέργεια, τη θερμότητα και το έργο. Στην ενότητα 1.3 πραγματοποιήθηκε μια σύντομη επισκόπηση της βιβλιογραφίας που ασχολείται με τους κυρίαρχους τρόπους εισαγωγής της ενέργειας στις δύο πρώτες βαθμίδες της εκπαίδευσης. Από τη μελέτη των δύο ενοτήτων προκύπτουν στοιχεία για τη φύση της έννοιας της ενέργειας και διατυπώνονται βασικές επισημάνσεις για τη διαπραγμάτευση του περιεχομένου της (Spirtou & Koumaras 1993). Ι) Η έννοια της ενέργειας είναι μια ενοποιητική έννοια. Η θεμελιώδης θέση της ενέργειας στην επιστήμη της Φυσικής, πηγάζει από τον ενοποιητικό της ρόλο. Παρ όλη τη σημασία της, δεν προσεγγίζεται ενιαία σ ένα αυτόνομο κεφάλαιο. Υπάρχει διασκορπισμένη σε πολλές φυσικές ενότητες και σε πολλά κεφάλαια. ΙΙ) Στην τριτοβάθμια εκπαίδευση, η ενέργεια θεωρείται ως μια αφηρημένη ποσότητα. Άλλοτε εισάγεται ως πρωταρχική έννοια κι άλλοτε ως παράγωγη έννοια, π.χ. μέσα από την έννοια του έργου. ΙΙΙ) Εκτός από τον ορισμό της, πέντε βασικά χαρακτηριστικά της ενέργειας και πέντε κυρίαρχες «ενεργειακές» έννοιες φαίνεται ότι συνιστούν τον «πυρήνα» του περιεχομένου της. Ως χαρακτηριστικά της ενέργειας αναγνωρίζονται: η μετατροπή της, η μεταφορά της, η αποθήκευσή της, η διατήρησή της και η υποβάθμισή της. Η κινητική, η δυναμική, η εσωτερική ενέργεια, το έργο και η θερμότητα, αναδεικνύονται ως κυρίαρχες «ενεργειακές» έννοιες του περιεχομένου της. ΙV) Οι ορισμοί της ενέργειας ποικίλλουν. Στις δύο πρώτες βαθμίδες της εκπαίδευσης γίνονται προσπάθειες να ορίζεται με απλές διατυπώσεις. Μπορούν ν αναγνωριστούν δύο τάσεις στις προσεγγίσεις της ενέργειας, με βάση τον ορισμό που της αποδίδουν. Στην πρώτη, η ενέργεια εισάγεται ως μια αφηρημένη ποσότητα, π.χ. ως «η ικανότητα γι αλλαγή». Στη δεύτερη, εισάγεται ως μια αντικειμενικά υπαρκτή οντότητα, π.χ. ως ένα είδος καύσιμου. Έχει αναπτυχθεί ένας έντονος προβληματισμός για τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των δύο τάσεων. Ο τρόπος με τον οποίο θα δομηθεί ο «πυρήνας» του περιεχομένου της ενέργειας είναι το σημαντικότερο πρόβλημα και των δύο τάσεων. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα πέντε χαρακτηριστικά της ενέργειας κι ο ορισμός της είναι στενά συνδεδεμένα μεταξύ τους. Από την κάθε μια τάση 20
απαιτείται σαφήνεια στη σημασία που δίνει στα χαρακτηριστικά της ενέργειας, στους όρους που χρησιμοποιεί και στους περιορισμούς που έχει. V) Οι πέντε «ενεργειακές» έννοιες προσεγγίζονται με διαφορετικό τρόπο. Παρουσιάζονται στο περιεχόμενο της ενέργειας με διαφορετική σειρά. Άλλες, όπως το έργο, ορίζονται με τον ίδιο τρόπο, ενώ άλλες, όπως η εσωτερική ενέργεια, με διαφορετικό. Σε κάθε φυσική ενότητα δίνεται διαφορετική προσοχή στις πέντε έννοιες. Για παράδειγμα, τα βιβλία του Feynman και των Halliday-Resnick παρουσιάζουν κάποια στοιχεία για την εσωτερική ενέργεια πρώτα στη Μηχανική, ενώ διαπραγματεύονται τη συγκεκριμένη έννοια κυρίως στη Θερμοδυναμική. VI) Η κινητική και η δυναμική ενέργεια είναι οι έννοιες που κυριαρχούν στα πρώτα βήματα, της μελέτης του περιεχομένου της ενέργειας στα τρία πανεπιστημιακά βιβλία. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι στα περισσότερα εγχειρίδια της Φυσικής και όχι μόνο στα τρία συγκεκριμένα- η ενέργεια εισάγεται στην ενότητα της Μηχανικής. Εκεί μελετάται η μετατροπή της κινητικής ενέργειας σε δυναμική, στα πλαίσια του νόμου διατήρησης της ενέργειας. Παρ όλο που υπάρχει στενή σχέση ανάμεσα στην κινητική και στη δυναμική ενέργεια, διαπιστώνεται ότι η πρώτη ως έννοια είναι απλούστερη της δεύτερης. Η δυναμική ενέργεια αναδεικνύεται μια σύνθετη «ενεργειακή» έννοια, με πολλούς τύπους να την περιγράφουν στη Μηχανική και στον Ηλεκτρισμό. VΙΙ) Το έργο είναι μια έννοια «κλειδί» στη μελέτη του περιεχομένου της ενέργειας. Οι περισσότερες προσεγγίσεις, για λόγους ιστορικούς, εισάγουν την ενέργεια, μέσω του έργου, ως «την ικανότητα παραγωγής έργου». Ωστόσο, σημαντική θέση κατέχει και στο περιεχόμενο των υπόλοιπων προσεγγίσεων, όταν γίνεται μελέτη των ενεργειακών μεταβολών. Όταν η ενέργεια είναι παράγωγη έννοια του έργου, κινδυνεύει να ξεχαστεί το ουσιαστικότερο γνώρισμα της φύσης της, ο ενοποιητικός της ρόλος, γιατί περιορίζεται εξ ορισμού στην ενότητα της Μηχανικής. VΙΙI) Η ενέργεια συνδέεται μ ένα μεγάλο αριθμό επιστημονικών εννοιών, οι οποίες ανήκουν σε διαφορετικές φυσικές ενότητες και σε διαφορετικά επίπεδα αφαίρεσης. Για παράδειγμα, η δυναμική ενέργεια σχετίζεται με την επιμήκυνση, το φορτίο, το δυναμικό, την απόσταση, κ.α. η κινητική ενέργεια με τη μάζα και την ταχύτητα, η θερμότητα με τη θερμοκρασία, την ειδική θερμότητα, τη μάζα κ.α., το έργο με τη δύναμη και την απόσταση. Ο μεγάλος αριθμός των επιστημονικών εννοιών που σχετίζονται με την ενέργεια, οφείλεται στο γεγονός ότι η ενέργεια είναι μια έννοια που χρησιμοποιείται για την ερμηνεία φαινομένων από διαφορετικά πεδία. Όμως από διδακτική άποψη αυτό αποτελεί και μειονέκτημα, γιατί ως έννοια τόσο μεγάλης σημασίας στερείται ενός αποκλειστικά δικού της πεδίου φαινομένων. 21