«Μελέτη της διδασκαλίας της θερµιδοµετρίας µε Εικονικό Εργαστήριο» Πετρίδου Ελένη, Λεύκος Ιωάννης, Χατζηκρανιώτης Ευριπίδης, Ψύλλος ηµήτρης Πετρίδου Ελένη Υποψήφια διδάκτορας Παιδαγωγικό Τµήµα ηµοτικής Εκπαίδευσης email: epet@eled.auth.gr Λεύκος Ιωάννης Υποψήφιος διδάκτορας Παιδαγωγικό Τµήµα ηµοτικής Εκπαίδευσης email: lefkos@eled.auth.gr Χατζηκρανιώτης Ευριπίδης Επίκουρος Καθηγητής Τµήµα Φυσικής email: evris@physics.auth.gr Ψύλλος ηµήτρης Καθηγητής Παιδαγωγικό Τµήµα ηµοτικής Εκπαίδευσης email: psillos@eled.auth.gr ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στόχος της παρούσας έρευνας ήταν η ανάπτυξη διδασκαλίας για την ολιστική προσέγγιση των παραµέτρων που υπεισέρχονται στη σχέση θερµιδοµετρίας µε χρήση του Εικονικού Εργαστηρίου. Στο πλαίσιο της µεθοδολογίας των διδακτικών πειραµάτων εφαρµόστηκαν διαδοχικές διδασκαλίες έτσι ώστε να διερευνηθούν τα κρίσιµα σηµεία και να προσαρµοστεί η διδασκαλίες στις µαθησιακές δυσκολίες. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στην περιοχή της θερµότητας έχουν γίνει πολλές έρευνες για τις ιδέες των µαθητών (Rosenquist et al 1982, Tiberghien 1983, Χατζηνικήτα κ.ά. 1996), αφού οι µαθητές δεν διακρίνουν τα µεγέθη θερµοκρασία θερµότητα και δεν αναγνωρίζουν την εκτατικότητα της θερµότητας και την εντατικότητα της θερµοκρασίας µε αποτέλεσµα να εµφανίζουν
µαθησιακές δυσκολίες. Η σχέση της θερµιδοµετρίας αποτελεί σηµαντική ενότητα καθώς συνδέει τη θερµότητα µε τη θερµοκρασία, έννοιες που δεν διακρίνουν οι µαθητές, επιτρέποντας την ανίχνευση των παραγόντων που επηρεάζουν το ποσό θερµότητας που µεταφέρεται. Ερευνητικό ενδιαφέρον αποτελεί, λοιπόν, η ανάπτυξη διδασκαλιών για την αντιµετώπιση αυτών των µαθησιακών δυσκολιών. Η σχέση θερµιδοµετρίας ( Q, Q: ποσό θερµότητας που µεταφέρεται, m: µάζα, c: ειδική θερµότητα, θ: µεταβολή θερµοκρασίας) µπορεί να προσεγγιστεί µε διάφορα θερµικά φαινόµενα, όπως τη θερµική ισορροπία (Rosenquist at al 1982, Linn & Songer 1991), την ψύξη ή την θέρµανση (Μπισδικιάν 2000). Στα σχολικά βιβλία (Καραπαναγιώτης κ.ά. 1998, Αντωνίου κ.ά. 2000) η θερµιδοµετρία µελετάται µε θέρµανση των σωµάτων, όπως και στην παρούσα εργασία. ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ Ι ΑΚΤΙΚΩΝ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΕΩΝ ΓΙΑ ΤΗ ΣΧΕΣΗ ΘΕΡΜΙ ΟΜΕΤΡΙΑΣ Αναλύονται οι διδακτικές προσεγγίσεις των σχολικών βιβλίων εργαστηριακών οδηγών και των ερευνητών. Α. ιδακτικές προσεγγίσεις στα σχολικά βιβλία και στους εργαστηριακούς οδηγούς ιερευνήθηκαν τα σχολικά βιβλία εργαστηριακοί οδηγοί του Αντωνίου κ.ά. (2000) που υπάρχουν για διδασκαλία στη Β Γυµνασίου και του Καραπαναγιώτη κ.ά. (1998) που υπήρχαν πριν από δυο χρόνια. Στον πίνακα Ι συγκεντρώνονται τα διδακτικά επεισόδια των βιβλίων. 1 ο 2 ο 3 ο 4 ο 5 ο 6 ο ΠΙΝΑΚΑΣ Ι Βιβλίο Καραπαναγιώτη κ.ά. 1998 Βιβλίο Αντωνίου κ.ά. 2000 Εισαγωγή της µάζας (m), της µεταβολής Εισαγωγή της µάζας (m), της µεταβολής θερµοκρασίας ( θ) και του υλικού (c) για το θερµοκρασίας ( θ) και του υλικού (c) για το ποσό θερµότητας που απαιτείται στη ποσό θερµότητας που απαιτείται στη θέρµανση ενός σώµατος. Η σειρά είναι m, θέρµανση ενός σώµατος. Η σειρά είναι m, θ, c. θ, c. Πείραµα θέρµανσης ίσων ποσοτήτων νερού µε διαφορετική παροχή θερµότητας για το ίδιο χρονικό διάστηµα. Μελετάται η µεταβολή της θερµοκρασίας. Επισηµαίνεται ότι η θερµότητα είναι ανάλογη του m, του θ, και του c. Ανάλυση της εξάρτησης της θερµότητας που απορροφάται κατά τη θέρµανση για κάθε έναν παράγοντα χωριστά. Η σειρά των παραγόντων είναι: θ, m, c. Ίσες µάζες νερού θερµαίνονται µε διαφορετική παροχή θερµότητας και µεταβάλλουν κατά διαφορετικούς βαθµούς τη θερµοκρασία τους. Εισαγωγή της εξίσωσης της θερµιδοµετρίας ( Q). ιπλάσια ποσότητα νερού θερµαίνεται µε διπλάσια παροχή θερµότητας για ίδιο θ. - - Ποσότητα νερού θερµαίνεται µε διπλάσια παροχή θερµότητας για ίδια αύξηση της θερµοκρασίας µε ίση ποσότητα λαδιού. Επισηµαίνεται ότι η θερµότητα είναι ανάλογη του m, του θ, και του c. Εισαγωγή της εξίσωσης της θερµιδοµετρίας ( Q).
7 ο - Ποσοτικό παράδειγµα µε την εξίσωση της θερµιδοµετρίας. Η διερεύνηση των διδακτικών προσεγγίσεων των βιβλίων έγινε ως προς τη σειρά διαχείρισης των m, c, θ, την µεταβλητότητα ή µη της παροχής θερµότητας και του τρόπου µελέτης της θέρµανσης, αν δηλαδή ο χρόνος θέρµανσης είναι σταθερός και υπολογίζεται η µεταβολή θερµοκρασίας ή αν η τελική θερµοκρασία στην οποία φτάνουν τα σώµατα είναι σταθερή και µετράται ο χρόνος θέρµανσης. Και στα δύο βιβλία οι παράγοντες της µεταβολής της θερµοκρασίας ( θ), της µάζας (m) και του υλικού (c) του σώµατος που θερµαίνεται, δεν αντιµετωπίζονται µε συγκεκριµένη σειρά. Αρχικά εισάγεται η σειρά m, θ, c ενώ, στη συνέχεια γίνεται θ, m, c. Επίσης, και οι τρεις παράγοντες ( θ, m, c) µελετώνται µε µεταβολή της παροχής θερµότητας. Το βιβλίο του Καραπαναγιώτη κ.ά. (1998) προτείνει πείραµα µόνο για τον παράγοντα της µεταβολής της θερµοκρασίας. Ενώ στα βιβλία η µεταβολή της θερµοκρασίας, η µάζα και το υλικό των σωµάτων που θερµαίνονται, µελετώνται µε µεταβολή της παροχής θερµότητας, στους εργαστηριακούς οδηγούς η παροχή θερµότητας διατηρείται σταθερή. Οι διαφορετικές προσεγγίσεις ανάµεσα στους εργαστηριακούς οδηγούς συγκεντρώνονται στον πίνακα ΙΙ. ΠΙΝΑΚΑΣ ΙΙ Οδηγός Καραπαναγιώτη κ.ά. 2000 Οδηγός Αντωνίου κ.ά. 2000 θ Υπολογίζεται η µεταβολή θερµοκρασίας και το ποσό θερµότητας (Q) από µετρήσεις θερµοκρασίας σε τακτά χρονικά διαστήµατα όταν συγκεκριµένη µάζα νερού θερµαίνεται µε σταθερή παροχή θερµότητας. Θερµαίνονται 200 g νερό µε γκαζάκι σταθερής παροχής θερµότητας για συγκεκριµένη αύξηση της θερµοκρασίας του νερού. Κατασκευάζεται γραφική παράσταση θ t. m Θερµαίνονται 100 g και 200 g νερού, µε γκαζάκι σταθερής παροχής θερµότητας, για συγκεκριµένη αύξηση της θερµοκρασίας τους και συγκρίνεται ο χρόνος που απαιτήθηκε για κάθε µάζα. Θερµαίνονται διαδοχικά τρεις διαφορετικές ποσότητες νερού µε γκαζάκι σταθερής παροχής θερµότητας για συγκεκριµένη αύξηση της θερµοκρασίας τους και κατασκευάζεται γραφική παράσταση m t. c Θερµαίνονται 200 g λαδιού, µε γκαζάκι σταθερής παροχής θερµότητας, για συγκεκριµένο θ ίδιο µε αυτό των 200 g νερού και συγκρίνεται ο χρόνος που απαιτήθηκε για το νερό και το λάδι. Θερµαίνονται διαδοχικά ίσες ποσότητες νερού και λαδιού µε γκαζάκι σταθερής παροχής θερµότητας για θ=20 ο C. Υπολογισµός από την γραφική παράσταση θ t του χρόνου θέρµανσης 100 g νερού για θ=1 ο C. Υπολογισµός από την γραφική παράσταση m t του χρόνου θέρµανσης 1 g νερού για θ=20 ο C. Υπολογισµός και σύγκριση του c για λάδι και
νερό. m c θ ηµιουργία σε κοινούς άξονες θ Q ή θ t για 100 g νερό, 200 g νερό, 200 g λάδι. Υπολογισµός και σύγκριση του Q για 3 min θέρµανσης. Στον παράγοντα της µεταβολής της θερµοκρασίας στον οδηγό του Αντωνίου κ.ά. (2000) πραγµατοποιείται πείραµα και κατασκευάζεται γραφική παράσταση θ - t, ενώ στον οδηγό του Καραπαναγιώτη κ.ά. (1998) δεν πραγµατοποιείται πείραµα αλλά γίνεται σύγκριση ανάµεσα στο Q και στο θ, όπου το Q υπολογίζεται από το γινόµενο της µάζας επί την µεταβολή της θερµοκρασίας, χωρίς να γίνεται αναφορά στην ειδική θερµότητα του νερού. H µελέτη της µάζας προσεγγίζεται µε τον ίδιο τρόπο και στους δύο εργαστηριακούς οδηγούς µόνο που κατασκευάζεται γραφική παράσταση m t στον οδηγό του Αντωνίου κ.ά. (2000). ιαφορά παρουσιάζουν οι εργαστηριακοί οδηγοί στον παράγοντα του υλικού. Στον οδηγό του Καραπαναγιώτη κ.ά. (1998) συγκρίνεται από πίνακες τιµών ο χρόνος που απαιτείται για ίδιο θ, όταν θερµαίνονται ίσες µάζες νερού και λαδιού µε γκαζάκια σταθερής παροχής θερµότητας. Στον οδηγό του Αντωνίου κ.ά. (2000) πραγµατοποιείται το ίδιο πείραµα και επιπλέον υπολογίζεται η ειδική θερµότητα του νερού από τις γραφικές παραστάσεις θ t και m t και στη συνέχεια συγκρίνεται µε αυτήν του λαδιού. Από τη σύγκριση των πινάκων Ι και ΙΙ φαίνεται να µην υπάρχει ενιαία προσέγγιση για την παροχή θερµότητας, ενώ στα βιβλία µεταβάλλεται στους οδηγούς διατηρείται σταθερή. Επίσης, για τους παράγοντες της µάζας και του υλικού τα σώµατα θερµαίνονται για την ίδια µεταβολή της θερµοκρασίας (ίδια τελική θερµοκρασία), ενώ στον παράγοντα της µεταβολής της θερµοκρασίας η προσέγγιση γίνεται από την γραφική παράσταση θ t ή από τον πίνακα θ Q. Η σειρά των παραγόντων στους εργαστηριακούς οδηγούς είναι θ, m, c ενώ στα βιβλία η σειρά αλλάζει. Β. Προτάσεις ερευνητών Οι Rosenquist et al (1982) και Linn & Songer (1991) µελέτησαν τους παράγοντες της σχέσης της θερµιδοµετρίας µε θερµική ισορροπία. Ενδεικτικά αναφέρεται η διδακτική πρόταση των Rosenquist et al (1982), οι οποίοι µελέτησαν τη µεταβολή της θερµοκρασίας των σωµάτων που έρχονται σε θερµική αλληλεπίδραση και τα ποσά θερµότητας που µεταφέρονται µεταξύ διαφορετικών ποσοτήτων και υλικών. Ο Μπισδικιάν (2000) προσεγγίζει τη σχέση της θερµιδοµετρίας µε θέρµανση. Αρχικά µελετάται η επίδραση του ποσού θερµότητας στη µεταβολή θερµοκρασίας του σώµατος που θερµαίνεται. Στη συνέχεια µελετάται η επίδραση της µάζας και του υλικού στην αύξηση της θερµοκρασίας του σώµατος που θερµαίνεται µε καµινέτο σταθερής παροχής θερµότητας για συγκεκριµένο χρόνο θέρµανσης. Η επισκόπηση των διδακτικών προσεγγίσεων δείχνει να µην υπάρχει ενιαία διαχείριση των παραγόντων της σχέσης θερµιδοµετρίας, της διατήρησης της παροχής
θερµότητας σταθερή ή όχι και του τρόπου µελέτης της θέρµανσης, αν δηλαδή ο χρόνος θέρµανσης είναι σταθερός και υπολογίζεται η µεταβολή θερµοκρασίας ή αν η τελική θερµοκρασία στην οποία φτάνουν τα σώµατα είναι ίδια και µετράται ο χρόνος θέρµανσης. Ενδεχόµενα να υπάρχει λόγος για µια προτιµητέα κατεύθυνση διαχείρισης των προαναφερθέντων παραµέτρων στη διδασκαλία της σχέσης της θερµιδοµετρίας που θα διευκόλυνε τη µάθηση. Στόχος της παρούσας έρευνας ήταν η διερεύνηση του ρόλου που παίζει η σειρά µελέτης των παραγόντων της σχέσης θερµιδοµετρίας και η θέρµανση των σωµάτων αν µελετάται µέχρι να αποκτήσουν αυτά την ίδια τελική θερµοκρασία ή αν θερµαίνονται για το ίδιο χρονικό διάστηµα. ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΟΣ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ Στην παρούσα εργασία ακολουθήθηκε η µεθοδολογία των διαδοχικών διδακτικών πειραµάτων για την ανάπτυξη της διδασκαλίας (Steffe & D Ambrosio 1996). Σύµφωνα µε τη µέθοδο αυτή αναπτύξαµε και εφαρµόσαµε διαδοχικές διδασκαλίες σε µικρές οµάδες µαθητών που στόχο είχαν να αναδείξουν τα κρίσιµα σηµεία έτσι ώστε η διδασκαλία να είναι προσαρµοσµένη στις µαθησιακές δυσκολίες. Οι διαδοχικές διδασκαλίες πραγµατοποιήθηκαν σε τυχαίο δείγµα 10 µαθητών της Β Γυµνασίου και η διάρκεια τους ήταν δύο διδακτικές ώρες. Οι διδασκαλίες συνοδευόντουσαν από φύλλα εργασίας των οποίων η δοµή ήταν αυτή που προτείνουν οι White & Gunstone (1992) και Ψύλλος κ.ά. (2000) και περιλαµβάνει πρόβλεψη και εξήγησή της από τους µαθητές για κάθε δραστηριότητα, εκτέλεση του πειράµατος και σύγκριση των αποτελεσµάτων του µε τις αρχικές τους προβλέψεις. Ένα επιπλέον στοιχείο ήταν η πρόβλεψη έργου στο τέλος, παρόµοιου µε αυτό που εκτέλεσαν στο πείραµα. Οι διαδοχικές διδασκαλίες που εφαρµόστηκαν χρησιµοποίησαν το Εικονικό Εργαστήριο Θερµότητας που αποτελεί µέρος ενός σύνθετου εργαστηριακού περιβάλλοντος (ΣΕΠ) (Ψύλλος κ.ά. 2000). Οι διδασκαλίες πραγµατοποιήθηκαν µε εικονικά πειράµατα µε µετρητικά όργανα (θερµόµετρα, λύχνους) και µε συγχρονική συµβολική αναπαράσταση του φαινοµένου µέσω της γραφικής παράστασης της θερµοκρασίας µε τον χρόνο. Στο Εικονικό Εργαστήριο Θερµότητας ο χρήστης µπορεί να συνθέτει τις πειραµατικές διατάξεις χρησιµοποιώντας υλικά και όργανα από µία γραµµή εργαλείων, να εκκινεί και να διακόπτει προσωρινά τα πειράµατα, να τα επαναφέρει στην αρχική τους κατάσταση, να µελετά τα πειραµατικά δεδοµένα µέσα από συγχρονικές γραφικές αναπαραστάσεις (Ψύλλος κ.ά. 2000). Η δυνατότητα διαχείρισης του ποσού θερµότητας, η παραµετροποίηση, η συγχρονική αναπαράσταση, η επιτάχυνση του χρόνου και η ευελιξία του «παγώµατος» και της έναρξης της εξέλιξης του πειράµατος χωρίς να χάνονται τα δεδοµένα, ήταν στοιχεία του Εικονικού Εργαστηρίου που χρησιµοποιήθηκαν στις διδασκαλίες της παρούσας εργασίας. Τα εργαλεία για την εξαγωγή αποτελεσµάτων από τις διαδοχικές διδασκαλίες ήταν pre και post tests πριν και µετά την εφαρµογή των διδασκαλιών, γραπτή πρόβλεψη των µαθητών πριν από την εκτέλεση των πειραµάτων και συνέντευξη συζήτηση των µαθητών µε τη διδάσκουσα για τις απόψεις τους. Όλες οι εφαρµογές διδασκαλίας βιντεοσκοπήθηκαν για την βαθύτερη ανάλυση των διδασκαλιών. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Λόγω έλλειψης χώρου παραθέτουµε τις κύριες παρατηρήσεις µας από τις εφαρµογές των
διαδοχικών διδασκαλιών που εφαρµόστηκαν. Πρώτη εφαρµογή διδασκαλίας Η πρώτη διδασκαλία περιλάµβανε δύο δραστηριότητες που διερευνούσαν τη µάζα και το υλικό για συγκεκριµένη µεταβολή θερµοκρασίας όταν η παροχή θερµότητας ήταν ίδια. Μετρούνταν ο χρόνος θέρµανσης για συγκεκριµένη µεταβολή θερµοκρασίας σε διαφορετικές ποσότητες νερού και στη συνέχεια σε ίσες ποσότητες νερού και λαδιού. Μετά από την εφαρµογή της πρώτης διδασκαλίας, διαπιστώθηκε ότι είναι απαραίτητος ο υπολογισµός του ποσού θερµότητας. Το βιβλίο του Αντωνίου κ.ά. (2000) δεν διαπραγµατεύεται το ποσό θερµότητας ενώ το βιβλίο του Καραπαναγιώτη κ.ά. (1998) το υπολογίζει για το νερό από το γινόµενο m θ χωρίς να γίνεται αναφορά στην ειδική θερµότητα. Το Εικονικό Εργαστήριο Θερµότητας έδωσε τη δυνατότητα να υπολογιστεί το ποσό θερµότητας από το γινόµενο του χρόνου θέρµανσης επί την παροχή θερµότητας που ήταν γνωστή. εύτερη εφαρµογή διδασκαλίας Η δεύτερη εφαρµογή διδασκαλίας µελετούσε τους παράγοντες του υλικού και της µάζας και είχε δύο κύριες διαφορές από την πρώτη: (1) Για την κάθε παράµετρο (µάζα και υλικό) εκτός από το χρόνο θέρµανσης µελετάται και το ποσό θερµότητας που απορροφάται. (2) Στη µελέτη του υλικού δεν ζητείται από τους µαθητές να προβλέψουν ποιο από τα δύο υλικά (νερό - λάδι) θα φτάσει γρηγορότερα την απαιτούµενη θερµοκρασία αλλά αν αυτό θα συµβεί στον ίδιο ή σε διαφορετικό χρόνο. Στη δεύτερη εφαρµογή εντοπίστηκε η έλλειψη διαπραγµάτευσης του παράγοντα της µεταβολής της θερµοκρασίας για µια πιο ολοκληρωµένη πρώτη εισαγωγή και των τριών παραγόντων της σχέσης της θερµιδοµετρίας. Στα βιβλία η αναλογία του ποσού θερµότητας µε την µεταβολή της θερµοκρασίας αντιµετωπίζεται έµµεσα από συγκρίσεις σε πίνακες τιµών και γραφικές παραστάσεις. Ο τρόπος διαχείρισης του θ χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή αφού µπορεί η αναλογία ανάµεσα στο Q και στο θ να ενισχύσει την εναλλακτική ιδέα των µαθητών ότι η θερµοκρασία αποτελεί µέτρο της θερµότητας. Αποφύγαµε, γι αυτό τον λόγο, να µεταβάλλουµε την παροχή θερµότητας και να δείξουµε ότι διπλάσια παροχή θερµότητας προκαλεί διπλάσια µεταβολή της θερµοκρασίας σε δύο ίσες ποσότητες του ίδιου υγρού που θερµαίνονται για τον ίδιο χρόνο. Το Εικονικό Εργαστήριο Θερµότητας έδωσε τη δυνατότητα για σχεδιασµό πειράµατος µε θέρµανση δύο ίσων ποσοτήτων νερού, που θερµαίνονται µε ίδια γκαζάκια σταθερής παροχής θερµότητας, έχοντας διαφορετική αρχική θερµοκρασία και ίδια τελική. Από τον διαφορετικό χρόνο απόκτησης της ίδιας τελικής θερµοκρασίας υπολογίζεται το διαφορετικό ποσό θερµότητας που απαιτείται για τα δύο δοχεία µε νερό ανεξάρτητα από το γεγονός ότι έφτασαν στην ίδια τελική θερµοκρασία. Τρίτη εφαρµογή διδασκαλίας Στην τρίτη εφαρµογή διδασκαλίας µελετήθηκε ο παράγοντας της µάζας, του υλικού και της µεταβολής της θερµοκρασίας σε τρεις δραστηριότητες. Υπήρξε προβληµατισµός για τη σειρά µε την οποία ήταν καλύτερο να αντιµετωπιστούν οι παράγοντες που υπεισέρχονται στο φαινόµενο της θερµιδοµετρίας (m, c, θ) αφού οι µαθητές άλλαζαν µε δυσκολία τις λανθασµένες ιδέες τους ως προς τον παράγοντα της µάζας. υσκολία
στη γνωστική αλλαγή των ιδεών των µαθητών στον παράγοντα της µάζας, στα θερµικά φαινόµενα αναφέρει και ο Gale (1993). Έτσι αποφασίστηκε η σειρά διαχείρισης των παραγόντων να γίνει: θ, m, c. Τέταρτη εφαρµογή διδασκαλίας Η σειρά διαπραγµάτευσης των παραγόντων έγινε: θ, m, c. Τη διδασκαλία αρχικά των εννοιών που δυσκολεύουν λιγότερο τους µαθητές και στη συνέχεια αυτών που δυσκολεύουν περισσότερο προτείνουν και οι Brown & Clement (1992). Η µεταβολή της θερµοκρασίας και στις τρεις δραστηριότητες αντιµετωπίζεται έτσι ώστε τα σώµατα να αποκτούν την ίδια τελική θερµοκρασία (σχήµα 1α) και όχι να µετράται για τον ίδιο χρόνο θέρµανσης (σχήµα 1β). Συγκεκριµένα, στη δραστηριότητα που µελετά τον παράγοντα της µεταβολής θερµοκρασίας, υπολογίζεται το ποσό θερµότητας κατά τη θέρµανση, έτσι ώστε δύο ίδια υγρά, ίδιας µάζας, να αποκτήσουν ίδια τελική θερµοκρασία έχοντας διαφορετική αρχική. Ίδια είναι η αντιµετώπιση και στις δύο άλλες δραστηριότητες όπου υπολογίζεται το ποσό θερµότητας για την ίδια µεταβολή της θερµοκρασίας (ίδια τελική θερµοκρασία) όταν αλλάζει η µάζα και το είδος του υγρού. Η επιλογή της απόκτησης της ίδιας τελικής θερµοκρασίας στα σώµατα που θερµαίνονται έγινε επειδή από τη βιβλιογραφία επισηµαίνεται η αντίληψη των µαθητών να θεωρούν τη θερµοκρασία ως µέτρο της θερµότητας. Αυτό σηµαίνει για τους µαθητές ότι όταν δύο σώµατα έχουν φτάσει στην ίδια τελική θερµοκρασία έχουν απορροφήσει και το ίδιο ποσό θερµότητας. Έτσι, βλέποντας οι µαθητές από τα πειράµατα ότι τα σώµατα έχουν αποκτήσει ίδια τελική θερµοκρασία ενώ έχουν απορροφήσει διαφορετικό ποσό θερµότητας διακρίνουν την θερµότητα από την θερµοκρασία.
Σχήµα 1α: ίδια τελική θερµοκρασία Σχήµα 1β: ίδιος χρόνος θέρµανσης ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην παρούσα εργασία προτείνεται διδασκαλία µε χρήση του Εικονικού Εργαστηρίου Θερµότητας (ΣΕΠ) των παραµέτρων που υπεισέρχονται στη σχέση θερµιδοµετρίας. Οι δραστηριότητες της διδασκαλίας διακρίνονται για την ποιοτική µελέτη της θερµιδοµετρίας. Μας ενδιέφερε οι µαθητές να αναγνωρίζουν τον ρόλο που παίζει η µάζα, το υλικό και η µεταβολή της θερµοκρασίας στο χρονικό διάστηµα θέρµανσης του σώµατος και στο ποσό θερµότητας που απαιτήθηκε. Οι δοκιµαστικές διδασκαλίες (εφαρµογές) ανέδειξαν τα στοιχεία που έπρεπε να ληφθούν υπόψη, καθοδηγώντας την ανάπτυξη της τελικής προσέγγισης ώστε να είναι προσαρµοσµένη στις ιδέες των µαθητών. Οι δοκιµαστικές διδασκαλίες ανέδειξαν τη δυσκολία των µαθητών στον παράγοντα της µάζας προκαλώντας προβληµατισµό για τη σειρά διαχείρισης των παραγόντων στη σχέση θερµιδοµετρίας και την επιλογή της σειράς θ, m, c. Στη µελέτη των τριών παραγόντων τα σώµατα θερµαίνονται µε σταθερή παροχή θερµότητας µέχρι να αποκτήσουν την ίδια τελική θερµοκρασία και όχι για το ίδιο χρονικό διάστηµα. ίνουµε έτσι την ευκαιρία στους µαθητές να προβληµατιστούν στην ιδέα που έχουν ότι η θερµοκρασία αποτελεί µέτρο της θερµότητας. Η χρήση του Εικονικού Εργαστηρίου Θερµότητας δίνει τη δυνατότητα καταγραφής του Q (σχήµα 2). Ήταν συνειδητή η επιλογή να µη χρησιµοποιηθεί η επιλογή της καταγραφής, αλλά του υπολογισµού του Q αφού είναι γνωστή η παροχή θερµότητας και µπορεί να υπολογιστεί από τον χρόνο θέρµανσης. Από τα δεδοµένα των δοκιµαστικών διδασκαλιών εκτιµάται ότι υπάρχει προτιµητέα σειρά διαχείρισης των παραγόντων της σχέσης της θερµιδοµετρίας και επιπλέον στη θέρµανση µε σταθερή παροχή θερµότητας είναι προτιµητέο η τελική θερµοκρασία των σωµάτων να είναι ίδια και όχι ο χρόνος θέρµανσης.
Σχήµα 3: καταγραφή θερµοκρασίας και θερµότητας ιερευνούµε τα αποτελέσµατα της παρούσας εργασίας και σε µεγαλύτερα δείγµατα µαθητών. Ευχαριστίες Η εργασία αυτή εντάσσεται στις ενέργειες του έργου "ephys" που χρηµατοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση στα πλαίσια της ράσης MINERVA του Προγράµµατος SOCRATES, κωδικός έργου 99817-CP-1-2002-MINERVA-M. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Brown, D., & Clement, J. (1992). Classroom Teaching Experiments in Mechanics. 2. Gale, C. (1993). The Influence of Microcomputer Based Labs on Childrens Conceptions of Temperature and Temperature Change. Third Misconceptions Seminar Proceedings. 3. Linn, M., & Songer, N. (1991). Teaching Thermodynamics to Middle School Students: What Are Appropriate Cognitive Demands? Journal of Research in Science Teaching, 28, 885-918. 4. Rosenquist, M., Popp, B., & McDermott, L. (1982). Helping Students Overcome Conceptual Difficulties with Heat and Temperature. Paper presented at the meeting of the American Association of Physics Teachers, Ashland. 5. Steffe, L., & D Ambrosio, B. (1996). Using Teaching Experiments to Enhance Understanding of Students Mathematics. In Teachers College, Improving Teaching and Learning in Science and Mathematics. 6. Tiberghien, A. (1983). Critical review on the research aimed at elucidating the sense that the notions of temperature and heat have for students aged 10 to 16 years. Research on Physics Education, Proceedings of the first international workshop, 26 June- 13 July, La Londe les Maures, France, Editions Du Centre National de la Recherche Scientifique, Paris, 1984, pp. 75-90.
7. White, R. T., & Gunstone, R. F. (1992). Probing Understanding. Great Britain: Falmer Press. 8. Αντωνίου, Ν., Βαλαδάκης, Α., ηµητριάδης, Π., Παπαµιχάλης, Κων/νος., & Παπατσίµπα, Λ. (2001). Φυσική Β Γυµνασίου. Υπουργείο Εθνικής Παιδείας και Θρησκευµάτων, Παιδαγωγικό Ινστιτούτο. Οργανισµός Εκδόσεως ιδακτικών Βιβλίων, Αθήνα. 9. Καραπαναγιώτης, Β., Παπασταµατίου, Ν., Φέρτης, Α., & Χαλέτσος, Χ. (1998). Φυσική Β Γυµνασίου. Υπουργείο Εθνικής Παιδείας και Θρησκευµάτων, Παιδαγωγικό Ινστιτούτο. Οργανισµός Εκδόσεως ιδακτικών Βιβλίων, Αθήνα. 10. Μπισδικιάν, Γ. (2000). Μελέτη της εφαρµογής πολυµέσων στη διδασκαλία γραφικών παραστάσεων και φυσικών εννοιών. ιδακτορική διατριβή στο Παιδαγωγικό Τµήµα ηµοτικής Εκπαίδευσης, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης. 11. Χατζηνικήτα, Β., Κουλαίδης, Β., & Ραβάνης Κ. (1996). Ιδέες µαθητών προσχολικής και πρώτης σχολικής ηλικίας για το βρασµό του νερού. Ερευνώντας τον κόσµο του παιδιού, 2, 106-116. 12. Ψύλλος,., Αργυράκης, Π., Βλαχάβας, Ι., Χατζηκρανιώτης, Ε., Μπισδικιάν, Γ., Ρεφανίδης, Ι., Λεύκος, Ι., Κοροµπίλης, Κ., Βράκας,., Γάλλος, Λ., Πετρίδου, Ε., & Νικολαίδης, Ι. (2000). Σύνθετο Εικονικό Περιβάλλον για τη διδασκαλία Θερµότητας Θερµοδυναµικής. Πρακτικά 2 ου Πανελληνίου Συνεδρίου µε ιεθνή Συµµετοχή: «Οι Τεχνολογίες της Πληροφορίας και της Επικοινωνίας στην Εκπαίδευση», Οκτ. 2000, Πάτρα, Πανεπιστήµιο Πατρών.