ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ

4.5. ιαδικτυακές Εφαρµογές 4.5.2 Ι ΑΚΤΙΚΟ ΣΕΝΑΡΙΟ ΣΕ ΙΑ ΡΑΣΤΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΓΙΑ ΤΙΣ ΦΥΣΙΚΕΣ ΕΠΙΣΤΗΜΕΣ ΤΟΥ phet.colorado.edu ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΕΝΤΥΠΟ Β: Ο ΗΓΟΣ ΟΡΓΑΝΩΣΗΣ ΤΗΣ Ι ΑΣΚΑΛΙΑΣ ΜΕ ΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΕΣ ΠΟΥ ΑΞΙΟΠΟΙΟΥΝ ΤΟΝ ΙΑ ΡΑΣΤΙΚΟ ΠΙΝΑΚΑ ΕΝΤΥΠΑ Α: ΦΥΛΛΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΜΑΘΗΤΗ 4.5.2 Μελέτη της Πυκνότητας µε ιαδραστική Προσοµοίωση του phet.colorado.edu 1

ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΙΑ ΡΑΣΤΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΓΙΑ ΤΙΣ ΦΥΣΙΚΕΣ ΕΠΙΣΤΗΜΕΣ ΤΟΥ phet.colorado.edu 1. ΣΥΝΟΠΤΙΚΗ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΣΕΝΑΡΙΟΥ 1.1. ΤΙΤΛΟΣ Ι ΑΚΤΙΚΟΥ ΣΕΝΑΡΙΟΥ Μελέτη της ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ µε applet του «phet.colorado.edu» 1.2. ΕΜΠΛΕΚΟΜΕΝΕΣ ΓΝΩΣΤΙΚΕΣ ΠΕΡΙΟΧΕΣ Φυσική 1.3. ΤΑΞΕΙΣ ΣΤΙΣ ΟΠΟΙΕΣ ΜΠΟΡΕΙ ΝΑ ΑΠΕΥΘΥΝΕΤΑΙ Β' Τάξη Γυµνασίου. 1.4. ΣΥΜΒΑΤΟΤΗΤΑ ΜΕ ΤΟ ΑΝΑΛΥΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ Προβλέπεται στο Α.Π. η διδασκαλία της ενότητας «Τα φυσικά µεγέθη και οι µονάδες τους». 1.5. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΤΗΣ Ι ΑΣΚΑΛΙΑΣ ΚΑΙ ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΗ ΥΛΙΚΟΤΕΧΝΙΚΗ ΥΠΟ ΟΜΗ Αλληλεπιδραστική επίδειξη µε όλη την τάξη, και εργασία σε οµάδες των 2-3 ατόµων. Κάθε οµάδα καθοδηγείται από ένα ΦΕ, στο οποίο και καταγράφει τις απαντήσεις της, όπου αυτό ζητείται. Υλικοτεχνική υποδοµή: Οι δραστηριότητες µπορούν να γίνουν στο εργαστήριο πληροφορικής ή στη τάξη, εφόσον οι µαθητές έχουν netbooks, οπότε χρησιµοποιούν ένα ανά οµάδα. Το σενάριο σχεδιάστηκε µε δεδοµένη την ύπαρξη Π αν δεν υπάρχει Π ή το µάθηµα γίνει στην τάξη χωρίς netbooks, το σενάριο απαιτεί βιντεο-προβολέα και τον συνδεδεµένο µε αυτόν Η/Υ. Το σενάριο µπορεί εύκολα να προσαρµοστεί σε όλες τις παραπάνω συνθήκες. Η δικτυακή εφαρµογή http://phet.colorado.edu/sims/density-andbuoyancy/density_el.html στον φυλλοµετρητή (αν υπάρχει σύνδεση στο διαδίκτυο) ή κατεβασµένη στον (ή στους) Η/Υ. 1.6. Ι ΑΚΤΙΚΟΙ ΣΤΟΧΟΙ 1. Να διαφοροποιούν οι µαθητές τις έννοιες της µάζας, του όγκου και της πυκνότητας. 2. Να αναγνωρίζουν την πυκνότητα ως χαρακτηριστική ιδιότητα ενός οµογενούς σώµατος, η οποία προσδιορίζει τη σχέση ανάµεσα στον όγκο και τη µάζα του σώµατος. 3. Να βρίσκουν την πλευστότητα ενός οµογενούς στερεού σώµατος σε υγρό συγκρίνοντας την πυκνότητά του µε την πυκνότητα του υγρού. 4. Να εξοικειωθούν µε την επιστηµονική µεθοδολογία και ιδιαίτερα µε τη διάκριση των µεταβλητών στη σχεδίαση των εργαστηριακών διαδικασιών ελέγχου υποθέσεων. 4.5.2 Μελέτη της Πυκνότητας µε ιαδραστική Προσοµοίωση του phet.colorado.edu 2

5. Να εξηγούν πώς αντικείµενα µε ίδιο όγκο µπορούν να έχουν διαφορετική µάζα, και πώς αντικείµενα µε ίδια µάζα µπορούν να έχουν διαφορετικό όγκο. 6. Να εξοικειωθούν µε τη χρήση του διαδραστικού πίνακα ( Π) ως εργαλείου που βοηθά στη διατύπωση απόψεων και στην κοινωνική αλληλεπίδραση. 1.7. ΕΚΤΙΜΩΜΕΝΗ ΙΑΡΚΕΙΑ ύο διδακτικές ώρες. 2. Ι ΑΚΤΙΚΕΣ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΕΙΣ Οι µαθητές και οι µαθήτριες των τελευταίων τάξεων του ηµοτικού και του Γυµνασίου έχουν δυσκολίες στην κατανόηση της έννοιας της πυκνότητας. Οι δυσκολίες αυτές οφείλονται στο ότι η πυκνότητα δεν είναι ένα µέγεθος που µπορεί να παρατηρηθεί και να µετρηθεί άµεσα (Adey & Shayer 1988, Snir et al. 1993), αλλά προκύπτει ως ο λόγος δύο άλλων µεγεθών, της µάζας και του όγκου (Adey & Shayer 1988, Rowell & Dawson 1977). Στη γνωστική περιοχή της πυκνότητας έχουν γίνει πολλές έρευνες για τις ιδέες των µαθητών. Σύµφωνα µε τη βιβλιογραφία οι κυριότερες παρανοήσεις γύρω από την έννοια της πυκνότητας συνοψίζονται ως εξής: Η πυκνότητα είναι εκτατική 1 ιδιότητα (Rowell & Dawson 1977). Αντικείµενα µε µεγάλο όγκο έχουν µεγάλη µάζα (Snir et al. 1992). Η πυκνότητα εξαρτάται µόνο από τις αποστάσεις των µορίων (Hewson 1986). Η πυκνότητα σχετίζεται µε τη σκληρότητα του αντικειµένου (Hewson 1986). Η µάζα συγχέεται µε τον όγκο (Gennaro 1981). Η πυκνότητα ενός αντικειµένου εξαρτάται µόνο από τον όγκο του (Hapkiewicz, A. 1992). Η πυκνότητα για δεδοµένο όγκο είναι ίδια σε διαφορετικά υλικά ( Hapkiewicz, A. 1992). Η πυκνότητα δύο δειγµάτων της ίδιας ουσίας µε διαφορετικούς όγκους ή διαφορετικές µορφές δεν µπορεί να είναι ίδια (Hapkiewicz, A. 1992). Γίνεται έτσι φανερό ότι υπάρχει δυσκολία στην κατανόηση της έννοιας της πυκνότητας από τους µαθητές. Σε αυτό το πλαίσιο, η αξιοποίηση των δυνατοτήτων που προσφέρουν οι ΤΠΕ και ιδιαίτερα τα εικονικά εργαστήρια στην ανάπτυξη διδασκαλιών για την αντιµετώπιση αυτών των µαθησιακών δυσκολιών έχει µεγάλο διδακτικό ενδιαφέρον. 1 Στη Φυσική και στη Χηµεία ένα εκτατικό φυσικό µέγεθος αντιστοιχεί σε φυσική ιδιότητα συστήµατος η οποία εξαρτάται από τη γεωµετρία του συστήµατος ή και την ποσότητα της ύλης του. Για παράδειγµα, η µάζα (m) ενός σώµατος είναι εκτατικό µέγεθος, καθώς αυξάνει ανάλογα µε τον όγκο (V) του. Αντίθετα, η πυκνότητά του (ρ ή d) είναι ανεξάρτητη και από τον όγκο του και από τη µάζα του κι εποµένως είναι εντατικό µέγεθος. 4.5.2 Μελέτη της Πυκνότητας µε ιαδραστική Προσοµοίωση του phet.colorado.edu 3

2.1. Ι ΑΚΤΙΚΕΣ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΕΙΣ ΠΟΥ ΠΡΟΤΕΙΝΟΥΝ ΤΑ ΣΧΟΛΙΚΑ ΒΙΒΛΙΑ Στα σχολικά βιβλία τα τελευταία χρόνια (Αντωνίου κ.ά. 2001, Αντωνίου κ.ά. 2007) η πυκνότητα µελετάται µε σύγκριση δύο διαφορετικών, αλλά ίδιου όγκου, σωµάτων και µε την παράθεση της µαθηµατικής σχέσης αυτή η διδακτική προσέγγιση έχει φορµαλιστικό χαρακτήρα, ενώ δεν προχωράει σε σύγκριση της πλευστότητας των σωµάτων, για την οποία οι µαθητές έχουν βιώµατα. Οδηγίες για εργαστηριακή µόνο µελέτη της πυκνότητας δίνονται µε την ανακατανοµή της ύλης την τελευταία χρονιά και περιέχονται στο βιβλίο του Εκπαιδευτικού και στον Εργαστηριακό οδηγό. Προτείνεται πειραµατικός προσδιορισµός της πυκνότητας υγρών και στερεών σωµάτων. 2.2. ΤΟ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟ ΣΕΝΑΡΙΟ Η προτεινόµενη διδασκαλία: Αρθρώνεται σε έξι δραστηριότητες που βασίζονται σε οµαδοσυνεργατική προσέγγιση µε αξιοποίηση του Π και χρήση πολυπαραµετρικής διαδικτυακής προσοµοίωσης. Σ αυτές διερευνάται η σχέση της πυκνότητας µε τον όγκο και τη µάζα των σωµάτων αλλά και µε την πλευστότητα, µε βάση το σχήµα «πρόβλεψη - πειραµατικός έλεγχος - εξήγηση» ή «παρατήρηση /πρόβλεψη - πειραµατικός έλεγχος - εξήγηση». Ζητώντας από τους µαθητές να κάνουν προβλέψεις, επιδιώκουµε (α) να διατυπώνουν και να αναγνωρίζουν τις απόψεις που έχουν για τα φαινόµενα και (β) να επαναδιατυπώνουν τις απόψεις τους αυτές ως υποθέσεις προς πειραµατικό έλεγχο. Επίσης επιδιώκουµε να εµπλακούν οι ίδιοι οι µαθητές στη σχεδίαση της πειραµατικής διαδικασίας, ώστε να µην εκτελούν τις ενέργειες µιας πειραµατικής δραστηριότητας µηχανικά και να εξοικειωθούν µε τη διαδικασία επίλυσης προβληµάτων της καθηµερινής ζωής. Αξιοποιεί τις δυνατότητες που προσφέρουν οι ΤΠΕ και ιδιαίτερα οι πολυπαραµετρικές διαδικτυακές προσοµοιώσεις, όπως αυτές που προσφέρονται από το PhET, και τα video της δικτυακής βάσης YouTube. Αξιοποιεί τις δυνατότητες του Π κυρίως στις φάσεις των συζητήσεων µε όλη την τάξη και της παρουσίασης της νέας γνώσης, στην κατεύθυνση της ενίσχυσης της αλληλεπίδρασης µαθητών-εκπαιδευτικού. Οι δραστηριότητες στα ΦΕ ακολουθούν την πορεία: Μεταβολές µεγεθών µάζας - όγκου και εισαγωγή της πυκνότητας ως χαρακτηριστικής ιδιότητας των σωµάτων. Σχέση πλευστότητας και πυκνότητας σε γνωστά σώµατα. Σχέση πλευστότητας και πυκνότητας σε άγνωστα σώµατα. Σχέση πυκνότητας και όγκου σε σώµατα ίδιας µάζας. Σχέση πυκνότητας και µάζας σε σώµατα ίδιου όγκου. Ταυτοποίηση της πυκνότητας αγνώστων σωµάτων. Βασικός παράγοντας αποτελεσµατικής χρήσης των ΦΕ είναι η παραγωγική οργάνωση της συζήτησης των απόψεων µεταξύ των µαθητών. Ο καθηγητής έχει το ρόλο του 4.5.2 Μελέτη της Πυκνότητας µε ιαδραστική Προσοµοίωση του phet.colorado.edu 4

συντονιστή και όχι του κριτή του «σωστού - λάθους». Η καλή οργάνωση των συζητήσεων θα επιτρέψει την ολοκλήρωση σε 2 διδακτικές ώρες. Το περιβάλλον του PhET και ειδικά η εφαρµογή για τη µελέτη της πυκνότητας: Συνδέει µε έξυπνο τρόπο τον εικονικό κόσµο µε πραγµατικές καταστάσεις. Αξιοποιεί ερευνητικά δεδοµένα στο σχεδιασµό των προσοµοιώσεων. Είναι διαδραστικό και παρέχει πολυπαραµετρικό χειρισµό των φυσικών µεγεθών. Προάγει τη µάθηση και ενδείκνυται για συνεργατικές δραστηριότητες. Ακολουθεί σύντοµη περιγραφή των δραστηριοτήτων: ραστηριότητα 1η Η δραστηριότητα αυτή γίνεται µε όλη την τάξη. Οι µαθητές συµµετέχουν προφορικά. εν χρησιµοποιούν ΦΕ. Ο εκπαιδευτικός προβάλλει στον Π βίντεο από τη διεύθυνση: http://www.youtube.com/watch?v=ar0b4qrhfu0&nr=1 και σε συζήτηση µε όλη την τάξη θέτει ερωτήµατα, όπως: Μπορεί να συµβεί κάτι τέτοιο; Μήπως το video δεν είναι αληθινό; Αν ο εκπαιδευτικός έχει ετοιµαστεί, µπορεί να κάνει µε πραγµατικά αντικείµενα την ίδια επίδειξη. Μετά εισάγει µε ερωτήσεις τις παραµέτρους του φαινοµένου: Γιατί το ένα κουτάκι αναψυκτικού επιπλέει, ενώ το άλλο βυθίζεται; Σε τι µπορεί να διαφέρουν; Είναι ίδιος ο όγκος; Είναι ίδια η ποσότητα του περιεχοµένου και σε τι µονάδες τη µετράµε, σε ml ή σε gr; και άλλες παρόµοιες. Ακολουθεί συζήτηση και καταγραφή των αντιλήψεων των µαθητών. Στη συνέχεια τίθεται το ερώτηµα πώς µπορούµε να επιβεβαιώσουµε ή να απορρίψουµε τις απόψεις µας. Συζητείται η χρήση του πειράµατος ως µέσου για τη δοκιµασία των απόψεων: Αν αλλάξω τις ποσότητες στο ένα ή το άλλο κουτί, θα αλλάξει η κατάσταση; Αν αλλάξω τον όγκο των κουτιών; Αν αλλάξω και τα δύο; 4.5.2 Μελέτη της Πυκνότητας µε ιαδραστική Προσοµοίωση του phet.colorado.edu 5

Γίνεται συζήτηση για το θέµα του πειραµατισµού. Τέλος, ο εκπαιδευτικός παρουσιάζει σε όλη την τάξη την εφαρµογή ως εύχρηστο περιβάλλον πειραµατισµού. Την προβάλλει στον Π και καλεί τους µαθητές να παρατηρήσουν προσεκτικά πώς ρίχνουµε το σώµα στο υγρό της δεξαµενής, πώς αλλάζουµε τη µάζα και τον όγκο του σώµατος και πώς αλλάζουµε το υλικό. Κατά την παρουσίαση ο εκπαιδευτικός επισηµαίνει απλώς ότι, όταν επιλεγεί ένα υλικό, τότε µόνον η µάζα ή ο όγκος µπορεί ν αλλάξει. ραστηριότητα 2η Και η δραστηριότητα αυτή γίνεται µε όλη την τάξη. Ένα ερώτηµα που εκκρεµεί από την προηγούµενη δραστηριότητα είναι «Τι θα συµβεί αν αλλάξω την ποσότητα του σώµατος που βυθίζεται στο νερό;». Η εναλλακτική αντίληψη που έχουν οι µαθητές είναι ότι τα βαριά σώµατα βυθίζονται και τα ελαφριά επιπλέουν. Η δραστηριότητα διαχειρίζεται την αντίληψη αυτή µε στόχο να δείξει ότι το κρίσιµο µέγεθος είναι η πυκνότητα και όχι το βάρος. Ο εκπαιδευτικός προβάλλει στον Π τον παρακάτω πίνακα, που αφορά το υλικό ξύλο, και µε συζήτηση οι µαθητές συµπληρώνουν, µε αιτιολόγηση, στον Π, τη 2η στήλη των προβλέψεων µε «ναι» ή «όχι», αν όλοι συµφωνούν, και µε «ναι - όχι», αν υπάρχουν και οι δύο απόψεις. Πρώτα ολοκληρώνεται η διαδικασία των προβλέψεων και για τις 4 περιπτώσεις και στη συνέχεια τρέχουν την εφαρµογή στον Π, γίνεται ο έλεγχος και συµπληρώνονται οι στήλες 3η και 4η. 4.5.2 Μελέτη της Πυκνότητας µε ιαδραστική Προσοµοίωση του phet.colorado.edu 6

Υλικό: ΞΥΛΟ Μάζα (Kg) ΠΡΟΒΛΕΨΗ Επιπλέει; Ναι/Όχι ΕΛΕΓΧΟΣ Επιπλέει; Ναι/Όχι Επιβεβαιώνεται η πρόβλεψη; Ναι/Όχι Όγκος (L) Ποια τιµή έχει η πυκνότητα; 2,50 4,00 7,00 8,00 Η συζήτηση που ακολουθεί έχει στόχο την αµφισβήτηση, µε βάση τα στοιχεία, του βάρους ως του κρίσιµου µεγέθους για την πλεύση-βύθιση. Ένα δεύτερο ερώτηµα που εκκρεµεί από την προηγούµενη δραστηριότητα και µπορεί να απαντηθεί µε βάση τα στοιχεία του πίνακα είναι «Τι θα συµβεί, αν αλλάξω τον όγκο του σώµατος που βυθίζεται στο νερό;» Συµπληρώνουν οι µαθητές στον Π την 5η στήλη και επιβεβαιώνουν ότι ούτε ο όγκος του σώµατος επηρεάζει την πλεύση-βύθιση. Στο τέλος, συµπληρώνοντας την τελευταία στήλη, γίνεται συζήτηση για το αν η πυκνότητα έχει την ίδια τιµή σε όλες τις καταστάσεις. Η πυκνότητα χρησιµοποιείται σ αυτή τη δραστηριότητα ως µέγεθος που υπάρχει στην προσοµοίωση. ραστηριότητα 3η Ο εκπαιδευτικός αναθέτει σε κάθε οµάδα να ελέγξει ένα από τα υπόλοιπα υλικά (πάγο, τούβλο και αργίλιο) συµπληρώνοντας ένα πίνακα ίδιο µε αυτόν της προηγούµενης δραστηριότητας. Όλες οι οµάδες συµπληρώνουν τον πίνακά τους και τον παρουσιάζουν στον Π. Ακολουθεί συζήτηση στην οποία επιβεβαιώνουν ότι για όλα τα υλικά ισχύουν τα ίδια µε το ξύλο και ότι η πυκνότητα παραµένει σταθερή αλλά µε διαφορετικές τιµές για κάθε υλικό. Στο σηµείο αυτό ο εκπαιδευτικός συζητά µε τους µαθητές για την πυκνότητα και για το ερώτηµα: Με ποιον τρόπο θα µπορούσαµε να υπολογίσουµε την πυκνότητα των σωµάτων - πάγου, τούβλου και αργίλιου - χρησιµοποιώντας τα στοιχεία για τη µάζα και τον όγκο τους; Όταν ολοκληρωθεί η συζήτηση, ο εκπαιδευτικός παρουσιάζει στον Π τη σχέση d=m/v µε τις µορφές: d = m / V και εξηγεί την επίλυσή της. 4.5.2 Μελέτη της Πυκνότητας µε ιαδραστική Προσοµοίωση του phet.colorado.edu 7

Στη συνέχεια οι οµάδες συµπληρώνουν στον παρακάτω πίνακα τα στοιχεία για το υλικό τους: Υλικό Ξύλο Πάγος Τούβλο Αργίλιο Επιπλέει Ναι/Όχι Πυκνότητα (Kg/L) Ακολουθεί συζήτηση γύρω από τα ερωτήµατα: Η πυκνότητα του νερού είναι 1 Kg/L. Να συγκρίνετε την πυκνότητα των σωµάτων που επιπλέουν µε την πυκνότητα του νερού. Να συγκρίνετε την πυκνότητα των σωµάτων που βυθίζονται µε την πυκνότητα του νερού. Ποιων σωµάτων οι πυκνότητες είναι µικρότερες από του νερού; Ποιων σωµάτων οι πυκνότητες είναι µεγαλύτερες από του νερού; ραστηριότητες 4η, 5η και 6η Πραγµατεύονται διαδοχικά τη: Σχέση πλευστότητας και πυκνότητας σε άγνωστα σώµατα. Σχέση πυκνότητας και όγκου σε σώµατα ίδιας µάζας. Σχέση πυκνότητας και µάζας σε σώµατα ίδιου όγκου. Μετά την ολοκλήρωση των εργασιών που προβλέπει κάθε δραστηριότητα, ακολουθεί συζήτηση για τα αποτελέσµατα της εργασίας των οµάδων και τα συµπεράσµατα στα οποία έχουν φθάσει. Η τελευταία 7η δραστηριότητα προτείνεται για εργασία οµαδική στο σπίτι, εφόσον ένας τουλάχιστον από τους µαθητές κάθε οµάδας διαθέτει υπολογιστή στο σπίτι του. 3. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Adey, P., and Shayer, M., (1988). Strategies for meta-learning in physics. Physics Education 23, 97-104 2. Gennaro E. (1981). Assessing junior High students' understanding of density and solubility. School Science and Mathematics 81, 399-404 3. Hapkiewicz, A. (1992). Finding a List of Science Misconceptions. MSTA Newsletter, 38 (Winter 92), 11-14. 4.5.2 Μελέτη της Πυκνότητας µε ιαδραστική Προσοµοίωση του phet.colorado.edu 8