Τα φαινόμενα της τήξης και της πήξης Το διδακτικό αντικείμενο Τήξη ονομάζουμε τη μετάβαση ενός υλικού από τη στερεά στην υγρή φάση και πήξη την αντίστροφη μετάβαση από την υγρή στη στερεά κατάσταση. Στη στερεά κατάσταση οι δομικοί λίθοι του σώματος βρίσκονται σε ορισμένες θέσεις στις οποίες επιτυγχάνεται κάποια ισορροπία με τους γειτονικούς δομικούς λίθους, γιατί οι δυνάμεις οι οποίες ασκούνται μεταξύ τους είναι ισχυρές. Έτσι, εάν κάποιος δομικός λίθος εξαναγκαστεί να μετακινηθεί, οι υπόλοιποι τον επαναφέρουν στην αρχική θέση. Όταν σε ένα στερεό προσφέρεται θερμότητα οι δομικοί λίθοι απορροφούν ενέργεια, γίνονται περισσότερο κινητικοί και έτσι έρχεται μια στιγμή κατά την οποία, παρά τις ασκούμενες μεταξύ τους δυνάμεις, δεν μπορούν να συγκρατηθούν σε ορισμένες θέσεις και το υλικό περνά σταδιακά από την στερεά στην υγρή φάση. Στην υγρή κατάσταση κάθε δομικός λίθος ολισθαίνει ανάμεσα στους γειτονικούς του. Όταν αφαιρούμε ενέργεια από το υλικό ψύχοντάς το, η κινητικότητα των δομικών λίθων ελαττώνεται και τελικώς οι ασκούμενες δυνάμεις ανάμεσα στους δομικούς λίθους στερεοποιούν πάλι το υγρό. Η τήξη και η πήξη δεν είναι χαρακτηριστικές συμπεριφορές όλων των στερεών και των υγρών. Για παράδειγμα, αρκετά στερεά όταν θερμαίνονται, πριν προλάβουν να περάσουν στην υγρή κατάσταση, υφίστανται κάποιες χημικές μεταβολές αντιδρώντας με άλλα στοιχεία ή ενώσεις που βρίσκονται στο περιβάλλον τους, όπως για παράδειγμα το οξυγόνο του ατμοσφαιρικού αέρα και μετατρέπονται σε άλλες ουσίες. Όσο θερμαίνουμε ένα στερεό υλικό που γνωρίζουμε ότι τήκεται η θερμοκρασία του αυξάνεται. Όταν φτάσει σε μια ορισμένη θερμοκρασία, την οποίαν αποκαλούμε σημείο τήξης του υλικού, αρχίζει να συνυπάρχει το στερεό και το υγρό που προέρχεται από την τήξη. Καθ όλη τη διάρκεια της τήξης η θερμοκρασία παραμένει σταθερή. Αναλόγως, όταν ψύχουμε ένα υγρό η θερμοκρασία του ελαττώνεται και όταν φτάσει σε μια ορισμένη θερμοκρασία την οποίαν αποκαλούμε σημείο πήξης του υλικού, αρχίζει να συνυπάρχει το υγρό και το στερεό που προέρχεται από την πήξη. Κατά τη διάρκεια της πήξης η θερμοκρασία του συστήματος παραμένει σταθερή. Οι δυσκολίες που αντιμετωπίζει η παιδική σκέψη Τα παιδιά συχνά δεν συνδέουν την τήξη με την παροχή θερμότητας και την πήξη με την αποβολή θερμότητας, δηλαδή την ψύξη. Η καθημερινή εμπειρία τα βοηθάει να αναγνωρίσουν
ότι ένα παγάκι λιώνει στο φυσικό περιβάλλον ή ότι όταν κάνει πολύ κρύο παγώνει το νερό στο δρόμο. Συχνά όμως, πολλά παιδιά δεν μπορούν να προβλέψουν τι θα συμβεί σε καταστάσεις που δεν είναι οικείες από την καθημερινή ζωή, όπως για παράδειγμα τι θα συμβεί σε ένα παγάκι αν του προσφέρουμε θερμότητα με μια θερμαντική συσκευή. Αντιθέτως, όταν παρακολουθήσουν την τήξη ενός υλικού με τη χρήση μιας θερμαντικής συσκευής, αρκετά παιδιά πλέον αποδίδουν την τήξη στη "ζέστη" που παρέχει αυτή, ενώ λίγα παιδιά μπορούν να δώσουν παρόμοιες εξηγήσεις για το παγάκι που λιώνει στο περιβάλλον του (Βαΐτση κ.άλ., 1993. Ραβάνης, 1999). Επίσης πολλά παιδιά στην προσχολική ηλικία δεν αναγνωρίζουν ότι όταν ένα υλικό περνάει από τη στερεά στην υγρή κατάσταση ή το αντίθετο, παραμένει το ίδιο από άποψη σύστασης. Συχνά το υλικό που τήκεται "γίνεται νερό" και όχι υγρό που έχει την ίδια ποιότητα με το στερεό. Οι στόχοι των δραστηριοτήτων Με βάση τις προηγούμενες επισημάνσεις μπορούμε να θέσουμε τους ακόλουθους στόχους : 1. Να αναγνωρίσουν τα παιδιά την τήξη, δηλαδή ότι ορισμένα υλικά περνούν από τη στερεά στην υγρή κατάσταση. 2. Να συνδέουν την τήξη: α) Με την παροχή θερμότητας από το περιβάλλον στο σώμα που τήκεται, σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και β) Με την παροχή θερμότητας από μια θερμαντική συσκευή στο σώμα. που τήκεται. 3. Να αναγνωρίσουν την πήξη, δηλαδή ότι ορισμένα υλικά περνούν από την υγρή στη στερεά κατάσταση. 4. Να συνδέουν την πήξη: α) Με την ψύξη στην κατάψυξη ενός ψυγείου και β) Με την ψύξη στο περιβάλλον. 5. Να κατανοήσουν, τόσο κατά την τήξη όσο και κατά την πήξη, ότι το υγρό έχει την ίδια ποιότητα με το στερεό. Χρησιμοποιούμενα υλικά Παγάκια, θερμαντικά σώματα (γκαζάκι, καμινέτο ή ηλεκτρική πλάκα), ψυγείο με κατάψυξη, σπίρτα, δύο μικροί μεταλλικοί δίσκοι, κομμάτια σοκολάτας, βούτυρο, κεριά, αναψυκτικά, αντικείμενα με κοιλότητες (φλιτζάνια, δακτυλήθρες κλπ), πλαστελίνη.
Οι δραστηριότητες Πρώτη δραστηριότητα: η τήξη ως φαινόμενο της καθημερινής ζωής Προσπαθούμε να εξοικειώσουμε τα παιδιά μέσα από ορισμένα παραδείγματα της καθημερινής τους ζωής με το φαινόμενο της τήξης. Για παράδειγμα, συζητάμε για τα παγάκια που λιώνουν στα αναψυκτικά, για τις σοκολάτες που λιώνουν στο στόμα ή στα χέρια, για τα κεριά που λιώνουν φροντίζοντας να δίνουμε έμφαση στη σύνδεση της τήξης με τη θέρμανση των υλικών (Σχήμα 1). Σχήμα 1 Προσπαθούμε δηλαδή, να οδηγήσουμε τη σκέψη των παιδιών στις πηγές θερμότητας που ίσως δεν είναι κατανοητές ως πηγές θερμότητας συνδεόμενες με την τήξη των υλικών. Δηλαδή στη συζήτησή μας με τα παιδιά κατευθύνουμε τη σκέψη τους στο αναψυκτικό "που είναι πιο ζεστό από τα παγάκια και τα ζεσταίνει", στα χέρια μας "που είναι πιο ζεστά από τη σοκολάτα και τη ζεσταίνει", στη φλόγα "που ζεσταίνει το κερί". Πραγματοποιούμε ορισμένες από τις προηγούμενες διαδικασίες και ειδικότερα όσες διαπιστώνουμε ότι δημιουργούν κάποια αβεβαιότητα στα παιδιά. Εντοπίζουμε το κέντρο της συζήτησής μας σε δύο σημεία: 1) Ορισμένα στερεά υλικά λιώνουν. 2) Λιώνουν όταν ζεσταίνονται. Δεύτερη δραστηριότητα: η τήξη ως πειραματική δραστηριότητα Παίρνουμε δύο μικρούς μεταλλικούς δίσκους στους οποίους τοποθετούμε παγάκια. Ζητάμε από τα παιδιά να προβλέψουν τι θα πάθουν τα παγάκια στον πρώτο δίσκο αν τα αφήσουμε πολύ ώρα έξω από το ψυγείο. Συμφωνούμε με τις σωστές προβλέψεις, των παιδιών αλλά επιχειρούμε και πειραματική επιβεβαίωση. Λέμε δηλαδή στα παιδιά ότι θα περιμένουμε να δούμε εάν πράγματι θα λιώσουν και αφήνουμε το δίσκο με τα παγάκια σε ορατό σημείο.
Παίρνουμε τον άλλο δίσκο και τον τοποθετούμε στο γκαζάκι (Σχήμα 2). Ζητάμε πάλι από τα παιδιά να προβλέψουν τι θα συμβεί στα παγάκια εάν ανάψουμε τη φλόγα στο γκαζάκι. Αξιοποιούμε τη διατύπωση κάποιας σωστής πρόβλεψης και πριν εκτελέσουμε το πείραμα συζητάμε με τα υπόλοιπα παιδιά για το ίδιο θέμα. Κατόπιν επιχειρούμε την πειραματική επιβεβαίωση. Ανάβουμε το γκαζάκι και παρατηρούμε όλοι μαζί τα παγάκια να τήκονται. Κατά τη διάρκεια της εξέλιξης του φαινομένου, συζητάμε με τα παιδιά για το πως λιώνει το παγάκι που είναι στερεό και μετατρέπεται σταδιακά σε νερό που είναι υγρό, συνδέοντας πάντα την τήξη με τη θέρμανση. Όταν το παγάκι λιώσει ολόκληρο, επισημαίνουμε για άλλη μια φορά την πορεία της μεταβολής του στερεού σε υγρό. Σχήμα 2 Αμέσως μετά επιστρέφουμε στον πρώτο δίσκο στον οποίον εν τω μεταξύ έχουν λιώσει και εκεί τα παγάκια σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Ζητάμε από τα παιδιά να μας εξηγήσουν πως έλιωσαν τα παγάκια του ενός δίσκου και πως τα παγάκια του άλλου και συζητάμε μαζί τους. Εδώ επικεντρώνουμε την συζήτηση σε δύο σημεία: 1) Στο γκαζάκι τα παγάκια λιώνουν γιατί παίρνουν θερμότητα ("ζέστη") από τη φλόγα. 2) Τα άλλα παγάκια παίρνουν θερμότητα ("ζεσταίνονται") από τον αέρα του περιβάλλοντος.
Προσπαθούμε τέλος, να οδηγήσουμε τη σκέψη των παιδιών στην ιδέα της ποιοτικής ταυτότητας ανάμεσα στο στερεό και το υγρό. Για το πείραμα που έχει ήδη γίνει, προσπαθούμε να επιμείνουμε στην ιδέα ότι και τα παγάκια είναι φτιαγμένα από νερό. Συζητάμε με τα παιδιά επίσης για το τι θα γινόταν αν ζεσταίναμε μια σοκολάτα ή ένα κομμάτι βούτυρο. Ζεσταίνουμε στο γκαζάκι τη σοκολάτα και αφού λιώσει στρέφουμε τη συζήτηση και τον πειραματισμό μας προς το αν εξακολουθεί να παραμένει σοκολάτα. Τρίτη δραστηριότητα: η πήξη ως φαινόμενο της καθημερινής ζωής Προσπαθούμε να εξοικειώσουμε τα παιδιά μέσα από ορισμένα παραδείγματα της καθημερινής τους ζωής με το φαινόμενο της πήξης. Για παράδειγμα, συζητάμε για το νερό που παγώνει στους δρόμους όταν τον χειμώνα κάνει πολύ κρύο, για το νερό που γίνεται παγάκια στην κατάψυξη του ψυγείου που είναι πολύ κρύα, για το λιωμένο κερί από τις λαμπάδες που καθώς απομακρύνεται από τη "ζέστη" της φλόγας της λαμπάδας, πέφτει στα χέρια μας ή στα αντικείμενα γίνεται πάλι στερεό (Σχήμα 3). Σχήμα 3 Πραγματοποιούμε ορισμένες από τις προηγούμενες διαδικασίες και ειδικότερα όσες διαπιστώνουμε ότι δημιουργούν κάποια αβεβαιότητα στα παιδιά. Εντοπίζουμε το κέντρο της συζήτησής μας σε δύο σημεία : 1) Ορισμένα υγρά πήζουν. 2) Πήζουν όταν ψύχονται ("κρυώνουν"). Τέταρτη δραστηριότητα: η πήξη ως πειραματική δραστηριότητα
Σε δύο μικρούς μεταλλικούς δίσκους ζεσταίνουμε ταυτοχρόνως μικρές ποσότητες από βούτυρο, σε δύο διαφορετικές θερμαντικές συσκευές. Λίγο πλην ολοκληρωθεί η τήξη ζητάμε προβλέψεις από τα παιδιά για το τι θα συμβεί στο βούτυρο όταν βγάλουμε τα δισκάκια από τη φωτιά και τοποθετήσουμε το ένα στο ψυγείο και αφήσουμε το άλλο δίπλα μας. Συμφωνούμε με τις σωστές προβλέψεις των παιδιών και συνεχίζουμε ενημερώνοντας τα παιδιά ότι θα πραγματοποιήσουμε τα απλά αυτά πειράματα Τοποθετούμε το ένα δισκάκι στο ψυγείο και παρατηρούμε το άλλο που έχουμε τοποθετήσει δίπλα μας (Σχήμα 4). Σχήμα 4 Καθώς το βούτυρο ψύχεται και πήζει, προσπαθούμε να επικεντρώσουμε την προσοχή των παιδιών στη βαθμιαία διαδικασία πήξης, δηλαδή στο βούτυρο που από υγρό γίνεται στερεό. Αφού εξαντλήσουμε τη συζήτηση αυτή, βγάζουμε το άλλο δισκάκι από το ψυγείο και παρατηρούμε ότι και αυτό έχει πήξει. Ζητάμε από τα παιδιά να μας εξηγήσουν πως έπηξε το ένα και πως το άλλο και συζητάμε μαζί τους. Εδώ επικεντρώνουμε την συζήτηση σε δύο σημεία: 1) Στο ψυγείο το βούτυρο πήζει γιατί ψύχεται ("κρυώνει"). 2) Στο περιβάλλον το βούτυρο πήζει γιατί ψύχεται ("κρυώνει") αφού το βγάζουμε από τη φλόγα. Και στην περίπτωση της πήξης προσπαθούμε να οδηγήσουμε τη σκέψη των παιδιών στην ιδέα της ποιοτικής ταυτότητας ανάμεσα στο στερεό και το υγρό. Για το πείραμα που έχει ήδη γίνει, προσπαθούμε να επιμείνουμε στην ιδέα ότι και το υγρό βούτυρο είναι από το ίδιο υλικό με το στερεό βούτυρο.
Αξιολόγηση Ζητάμε από τα παιδιά να μας βρουν γνωστά τους υλικά που τήκονται και που πήζουν. Ρωτάμε επίσης τα παιδιά ποιες εποχές του χρόνου δημιουργούνται και λιώνουν οι πάγοι και τους ζητάμε εξηγήσεις. Μπορούμε επίσης να φτιάξουμε ένα παραμύθι με τα χιόνια που λιώνουν και το νερό που γίνεται πάλι χιόνι χρησιμοποιώντας και το αντίστοιχο φωτογραφικό υλικό. Τέλος, θα μπορούσαμε να κατασκευάσουμε γλυπτά πάγου χρησιμοποιώντας καλούπια διαφόρων σχημάτων τα οποία βρίσκουμε έτοιμα στις κοιλότητες διαφόρων αντικειμένων (φλιτζάνια, δακτυλήθρες κλπ) ή κατασκευάζουμε με πλαστελίνη (Βελλοπούλου, 2000). Παρατηρήσεις 1) Η σειρά των δραστηριοτήτων εδώ δεν έχει ιδιαίτερη σημασία. Φαίνεται πάντως πιο ορθολογικό να ξεκινάμε από την τήξη η οποία πραγματοποιείται με διαδικασίες που έχουν πιο έντονο εμπειρικό περιεχόμενο και με τις οποίες τα παιδιά είναι πιθανό να έχουν μεγαλύτερη εξοικείωση. 2) Σταδιακά καθώς συζητάμε με τα παιδιά, θέτουμε και ζητήματα ορολογίας, όπως για παράδειγμα "θερμότητα" - "ζέστη", "τήξη" "λιώσιμο". Στη διάρκεια των δραστηριοτήτων με την τήξη αναφερόμαστε στην παροχή θερμότητας αφού το φαινόμενο της θέρμανσης στο γκαζάκι έχει πλούσιο εμπειρικό περιεχόμενο. Στις δραστηριότητες με την πήξη αναφερόμαστε απλώς στην ψύξη γιατί η αποβολή θερμότητας έχει φτωχό εμπειρικό περιεχόμενο και απαιτεί αφηρημένους συλλογισμούς που είναι αμφίβολο αν τα παιδιά μπορούν να πραγματοποιήσουν. 3) Όπως είδαμε, σε ορισμένες δραστηριότητες χρησιμοποιούμε ως πειραματικό υλικό γκαζάκι ή ηλεκτρική θερμαντική πλάκα. Για λόγους ασφάλειας είναι αυτονόητο ότι το πειραματικό αυτό υλικό χρησιμοποιείται αποκλειστικά από τις/τους νηπιαγωγούς. Βιβλιογραφικές αναφορές ΒΑΪΤΣΗ, Μ. ΠΑΠΑΓΕΩΡΓΙΟΥ, Ε. ΜΠΑΓΑΚΗΣ, Γ. ΡΑΒΑΝΗΣ, Κ. & ΠΑΠΑΜΙΧΑΗΛ, Γ. (1993). Η διδακτική αποσταθεροποίηση των αυθόρμητων παραστάσεων παιδιών προσχολικής ηλικίας για τα φαινόμενα της τήξης και της εξαέρωσης. Παιδαγωγική Επιθεώρηση, 19, 308-338. ΒΕΛΛΟΠΟΥΛΟΥ, Α. (2000). Εκπαιδευτικές δραστηριότητες για την εξοικείωση παιδιών με έννοιες της Φυσικής. Ελληνικά Γράμματα, Αθήνα.
ΡΑΒΑΝΗΣ, Κ. (1999). Οι Φυσικές Επιστήμες στην Προσχολική Εκπαίδευση. Διδακτική και γνωστική προσέγγιση. Τυπωθήτω, Αθήνα.