zagotavljanje kakovostnega znanja …pefprints.pef.uni-lj.si/1181/1/devetak_submikro.pdf · iztok...

Iztok Devetak

Zagotavljanje kakovostnega znanja naravoslovja s pomočjo submikroreprezentacij

SISTEMU I ZO B R A Ž EVA LN E MV VZGOJNO – KAKOVOSTI ZNANJA ZAGOTAVL JANJA D E JAV N I KOV KLJ UČNIHANALIZA

Univerza v LjubljaniPedago≤ka fakulteta

ISBN

978

-961

-253

-076

-1

Izto

k D

evet

ak |

Zago

tavl

janj

e kak

ovos

tneg

a zna

nja n

arav

oslo

vja s

pom

očjo

subm

ikro

repr

ezen

taci

jV znanstveni monografiji Zagotavljanje kakovostnega znanja naravoslovja s pomočjo submikroreprezentacij je predstavljen pregled mednarodnega in domačega znanstveno-raziskovalnega dela, ki obravnava razumevanje naravoslovnih pojmov na ravni delcev snovi. Sodobni pouk naravoslovja in še posebej kemije naj bi potekal z implementacijo trojne narave (makroskopske, sub-mikroskopske in simbolne) predstavitve naravoslovnih pojmov. Raziskave kažejo, da večina pouka kemije, tako v svetu kot pri nas, poteka na simbolni ravni, kar ne pripomore k izobrazbi za-dostno naravoslovno pismenih državljanov, ki bodo vodili razvoj trajnostno naravnane družbe.Šele v zadnjih letih se v šole vpeljuje tudi pouk z uporabo submi-kropredstavitev. Submikropredstavitve so modeli, ki posamezni-ku pomagajo oblikovati mentalne predstave o zgradbi snovi na ravni delcev. Skupaj s poznavanjem naravoslovnega pojava na ma-kroskopski ravni in simbolnimi zapisi, ki ga pojasnjujejo, submi-kropredstavitve omogočajo celostno in poglobljeno razumevanje naravoslovja. Pri tem imamo bistveno vlogo učitelji s svojim pou-čevanjem in različna učna gradiva, ki sledijo sodobnim smernicam predstavitev naravoslovnih pojavov. V znanstveni monografiji je tako predstavljena problematika integracije trojne narave naravo-slovnih pojmov v sodobne didaktične pristope poučevanja. Štu-dentom naravoslovno-pedagoških strok, učiteljem naravoslovnih predmetov in raziskovalcem specialnih didaktik naravoslovnih predmetov monografija omogoča vpogled v področje, hkrati pa podaja nekatere smernice poučevanja učencev, dijakov in študen-tov, ki naj bi dosegli kakovostnejše naravoslovno znanje.

— Iztok Devetak


Iztok Devetak

Ljubljana 2012


Avtor Iztok Devetak Recenzenta Saša A. Glažar in Katarina S. Wissiak Grm Jezikovni prgled Darja Skubic in Sabina Rupnik Suhadolnik Izdala in založila Pedagoška fakulteta Univerze v Ljubljani Za izdajatelja Janez Krek, dekan Oblikovanje naslovnice Roman Ražman Priprava Igor Cerar Tisk Tiskarna Littera picta d.o.o. Ljubljana Naklada 150 izvodov (prva izdaja, prvi natis) Publikacija ni plačljiva. Knjigo financira Evropska unija iz Evropskega socialnega sklada ter Ministrstvo za šolstvo in šport.

CIP - Kataložni zapis o publikaciji Narodna in univerzitetna knjižnica, Ljubljana

37.016:5

DEVETAK, Iztok Zagotavljanje kakovostnega znanja naravoslovja s pomočjo submikroreprezentacij / Iztok Devetak. - 1. izd., 1. natis. - Ljubljana : Pedagoška fakulteta, 2012

ISBN 978-961-253-076-1

260592896

Pedagoška fakulteta Univerze v Ljubljani, 2012

Univerza v Ljubljani Pedagoška fakulteta

3

Kazalo

Predgovor ......................................................................................................................5

Trojna narava naravoslovnih pojmov ........................................................................7

Poučevanje in učenje naravoslovja .............................................................................13

Vizualizacija in učenje ...............................................................................................17

Vizualizacija naravoslovnih pojmov .........................................................................23

Analogije in metafore ................................................................................................27

Modeli ........................................................................................................................29

Submikropredstavitve delčne sestave snovi ..............................................................35

Definicija ..............................................................................................................35 Raziskovanje učenja in poučevanja kemijskih vsebin s pomočjo submikropredstavitev ............................................................................................39 Napačna razumevanja zgradbe snovi na ravni delcev .........................................46 Napačna razumevanja raztopin na ravni delcev ...................................................51 Napačna razumevanja kemijske reakcije na ravni delcev ....................................53 Napačna razumevanja ravnotežja v vodnih raztopinah elektrolitov na ravni delcev ............................................................................................................58 Vzroki napačnih razumevanj submikroskopske ravni kemijskih pojmov ...............62

Animacije in simulacije submikroskopske ravni kemijskih pojmov .........................70

Spektroskopska tehnika nizko temperaturne elektronske tunelske mikroskopije (LT STM – Low Temperature Scanning Tunneling Microscopy) .............................76

Vpliv motivacije na učenje naravoslovja ..................................................................79

Vpliv intelektualnih sposobnosti na učenje naravoslovja .......................................85

Formalno mišljenje in učenje naravoslovja ...............................................................86

Prostorske zaznave in učenje naravoslovja ...............................................................88

Zaključek .....................................................................................................................93

Literatura ....................................................................................................................97

Stvarno kazalo ............................................................................................................113

5

Predgovor

V znanstveni monografiji je podan pregled raziskovanja razumevanja nara-voslovnih pojmov na ravni delcev snovi, ki jih lahko prikažemo s pomočjo tako imenovanih submikropredstavitev. Submikropredstavitve so modeli, ki poma-gajo posamezniku pri oblikovanju mentalne predstave o zgradbi snovi na ravni delcev (atomov, molekul, ionov). Razumevanje sestave snovi je eden bistvenih ciljev v naravoslovnem, še posebej kemijskem izobraževanju. Zakaj moramo spoznavati te vsebine, če raziskave kažejo, pa tudi učitelji zaznavajo težave med učenjem pri učencih, dijakih in študenti, da je ta vsebina za učečega se dokaj zahtevna?

Navesti je mogoče nekaj vzrokov v prid poučevanju sestave snovi. Prvi in verjetno najpomembnejši je ta, da moramo v šolah vzgojiti naravoslovno pismene državljane, saj le oni lahko pripomorejo k razvoju družbe na tehno-loškem področju, tehnološko razvita družba pa omogoča trajnostni razvoj in večjo blaginjo. Razumevanja sestave snovi na ravni delcev poleg tega posame-zniku omogoča razvijanje lastnih strategij reševanja problemov, povezanih predvsem z okoljevarstvom, medicino, farmacijo ... Da je to področje zelo pomembno za razumevanje naravoslovnih pojavov, je mogoče ugotoviti tudi s pregledom različne znanstvene literature. Revije vsebujejo prispevke bazičnih raziskav, ki obravnavajo zgradbo snovi na ravni delcev in/ali interakcije med njimi. Uporaba takega bazičnega znanja omogoča razvoj novih uporabnih produktov (zdravila, prehranski proizvodi, informacijska tehnologija...), zato je pomembno, da posameznik razume osnove naravoslovnih ved.

Za razvoj novega naravoslovnega znanja in sposobnosti reševanja problemov je potrebno tudi znanje oblikovanja in uporabe različnih modelov, ki jih znanstve-niki razvijajo za razlago preučevanih naravoslovnih pojavov. S pomočjo naravoslovja je tako pri učencih treba razvijati uporabo različnih modelov in sposobnosti modeliranja, in sicer na enostavnih primerih, za kar je vsebina o zgradbi snovi še posebej primerna, tudi na ravni osnovne šole.

Ker je osnovni cilj izobraževanja spodbujanje formacije novega znanja, naj bi tudi učenci pri naravoslovju spoznavali rezultate naravoslovnega raziskovanja, za kar pa je razumevanje zgradbe snovi na ravni delcev zelo pomembno. Z


6

izobraževalnim procesom tako želimo pri učencih doseči celostno razumevanje naravoslovja, zato je treba vidne pojave v naravi ali laboratoriju razložiti tako, da bodo za učenca smiselni. Pri tem mora učitelj pri razlagi pojava poseči na raven delcev snovi in njihovih interakcij. Smiselna in enostavna predstavitev sveta delcev učencu omogoča, da generira strokovno ustrezno, poglobljeno in trajno naravoslovno znanje na zanj razumljiv način. Tako pridobljeno znanje bo lahko učencu služilo za osnovo pri nadgradnji razumevanja naravoslovnih pojmov na naslednjih ravneh izobraževanja.

Navedeno kaže, kako pomemben je splošni izobraževalni cilj v naravoslovju, ki nakazuje pomen ustreznega razumevanja zgradbe snovi na ravni delcev, vendar pa je ta cilj v formalnem naravoslovnem izobraževanju nedvomno težko doseči.

7

Trojna narava naravoslovnih pojmov

»Domišljija in vizualizacija, še posebej pa uporaba različnih diagramov, imajo pomembno vlogo pri znanstvenem raziskovanju.«

Rene Descartes (1596–1650)

Danes je znano, da imajo učenci, dijaki in študenti, tako pri nas kot po svetu, številne in raznolike težave pri razumevanju kemijskih pojmov, ki hkrati ne pripomorejo k spodbujanju interesa, da bi te pojme učeči se tudi poglobljeno razumeli in jih znali uporabiti v novih situacijah. Težave izhajajo iz narave kemije same, ki je kompleksna in abstraktna ter zato, če je nepravilno predstavljena, za učečega se neuporabna in nesmiselna.

Kompleksnost poučevanja in učenja kemijskih pojmov na vseh naravoslovnih področjih, tudi v biologiji in fiziki v najširšem pomenu ved, se kaže predvsem v naravi kemijskih pojmov, ki jo je mogoče opisati na treh ravneh. Prva, konkretna in hkrati dejanska raven, zavzema opazovanje določenega naravoslovnega procesa. Tej ravni pravimo tudi makroskopska oz. senzorna (zaznavna) raven, kar pomeni, da naravni proces zaznamo s čutili. Na drugi ravni, ki je prav tako dejanska raven nekega naravoslovnega pojava, razložimo opažanja s teorijami, ki temeljijo na atomski, molekularni ali ionski oz. submikroskopski ravni delcev. Na tretji stopnji makroskopska opažanja in submikroskopsko raven delcev prevedemo v ustrezne simbole, ki predstavljajo simbolno raven naravoslovnega pojma. Ta zajema vrsto simbolov (kemijske simbole, formule in enačbe, matematične enačbe, različne shematske in grafične predstavitve in drugo), ki omogočajo enostavnejšo interpretacijo dejanskega stanja in medsebojno komunikacijo med tistimi, ki poznajo specifične simbole, značilne za kemijski jezik.

Ta kompleksnost naravoslovnih pojmov torej izhaja iz kompleksnosti samih naravoslovnih procesov in težnje, da bi te pojave razložili in jih tudi predstavili na poenostavljen način s simboli. Simboli pa lahko povzročajo tudi napačna razumevanja, če jih napačno ali nepopolno razumemo in nepravilno interpretiramo. Še posebej pridejo omenjene relacije do izraza pri učenju in poučevanju kemijskih pojmov in tistih bioloških ter fizikalnih vsebin, ki so


8

neposredno vezane na svet delcev snovi (Johnstone, 1982, 1991, 1993; Williamson in Abraham, 1995; Gabel, 1999; Chittleborough et al., 2002).

Osnova submikroskopske ravni naravoslovnega pojma je Daltonova atomska teorija in kinetična teorija, na katerih temeljijo razlage lastnosti snovi, pa tudi zgradbe atomov in molekul, kemijske vezi, večina kemije raztopin in kemijskih reakcij, kemijske kinetike in ravnotežja, termokemije, kemije elektrolitov, redoks reakcij… Na submikroravni lahko prikažemo tudi molekule organskih spojin in bio-makromolekule, čeprav je predstavljanje teh delcev lahko problematično zaradi nepreglednosti predstavitev, saj so te organske molekule navadno zelo velike. Obe teoriji sta v začetniških kemijskih učbenikih predstavljeni predvsem opisno in ju avtorji navadno ne razlagajo.

Atomsko teorijo je leta 1808 objavil John Dalton (1766–1844). Ta pravi, da je snov diskontinuirno (»zrnato«, iz majhnih delcev) zgrajena. Z eksperimenti je ugotovil, da je vsa snov sestavljena iz zelo majhnih delcev, ki jih je imenoval, kot že v Stari Grčiji Demokrit (460–371) atomi (gr. atomos – nedeljiv). Ugotovil je, da imajo vsi atomi enega elementa isto maso, atomi različnih elementov pa različne mase, da se masa atomov, tudi če se povežejo v spojine, ne spremeni, in da se atomi med seboj povezujejo v stalnih mnogokratnih masnih razmerjih.

Kinetično teorijo, ki so jo razvijali od Issaca Newtona (1643–1727), Roberta Boyla (1627–1691), Daniela Bernoullia (1700–1782), Antoinea Laurenta Lavoisiera (1743–1794), Josepha Prousta (1754–1826), Johna Daltona, Josepha Louisa Gay-Lussaca (1778–1850), Amedeoa Avogadra (1776–1856), Jönsa Jacoba Berzeliusa (1779–1884) do Stanislava Cannizzara (1826–1910) pa lahko povzamemo v nekaj točkah. Ugotovili so, da plin sestavljajo delci, med katerimi je veliko praznega prostora. So naključno razporejeni po prostoru in se translatorno, neurejeno in izredno hitro gibljejo (hitrost molekule vodika je pri sobni temperaturi 1,9 km/s), trki med njimi pa so elastični. V tekočinah se delci gibljejo počasneje in prostora med njimi je bistveno manj. V trdnem agregatnem stanju pa le vibrirajo okoli ravnovesnih leg. Kot dokaz za obstoj delcev pa se v učbenikih običajno navaja Brownovo gibanje. Botanik Robert Brown (1773–1858) je leta 1827 pod mikroskopom opazil gibanje zelo majhnih delčkov plute. Brownovo gibanje je mogoče razložiti s kinetično teorijo, za učence pa je to posredni dokaz za obstoj nevidnih majhnih delcev, ki se z


9

veliko hitrostjo zaletavajo v koščke plute in jih premikajo (Lazarini in Brenčič, 1989; de Vos in Verdonk, 1996; Harrison in Treagust, 2002).

Raziskave (Johnstone, 1982; Longden et al., 1991; Williamson in Abraham, 1995; Johnson, 1998c; Chittleborough et al., 2002; Solsona et al., 2003; Papageorgioua in Johnson, 2005; Stains in Talanquer, 2008; Tien et al., 2007; Kelly in Jones, 2008; Devetak et al., 2009a, 2009b; Davidowitz et al., 2010; Kern et al., 2010; Gregorius et al., 2010a, 2010b; Falvo et al., 2011; Adadan in Savasci, 2011; de Berg, 2012) v zadnjih treh desetletjih kažejo, da imajo učenci in dijaki, pa tudi študenti, še posebej tisti, ki ne študirajo naravoslovja težave pri opisovanjem makropojava in njegovo razlago na submikroravni, ki je osnova razumevanja kemijskih pojmov, preden se jih ponazori simbolno. Johnstone (1982) je prvi sistematično nakazal pomen submikroskopske ravni naravoslovnega pojma za boljše razumevanje kemijskih pojavov. Vse tri ravni kemijskega pojma (makroskopsko, submikroskopsko in simbolno) je zato povezal v t. i. trikotnik trojne narave kemijskega pojma, ki prikazuje njihovo soodvisnost (Shema 1).

Shema 1. Johnstonov model; trikotnik trojne narave kemijskega pojma (Johnstone, 1982).

Shema 2. Mahaffyev model tetraedričnega pristopa k poučevanju in učenju kemije (Mahowny, 2004).

Johnstonov model se je nadgrajeval tako, da so dodajali določene elemente, ki ponazarjajo še nekatere dimenzije kemijskih pojmov oz. njihovega učenja (Mahowny, 2004 – Shema 2; Ferk Savec in Vrtačnik, 2007 – Shema 3). Na Shemi 4 pa je prikazan model soodvisnosti treh ravni naravoslovnih pojmov (STRP model). Ta nazorno nakazuje vse elemente modela originalnega Johnstonovega modela ter njihove povezave, ki omogočajo učenje in s tem

Makroskopska

Submikroskopska Simbolna

Molekularna

Človeški faktor

Simbolna

Makroskopska


10

formiranje ustreznega mentalnega modela kemijskega pojma. Ustrezna povezava vseh treh ravni naravoslovnega pojma posamezniku omogoča oblikovanje pravilnega mentalnega modela. Mentalni model je miselna predstavitev, ki si jo posameznik oblikuje med kognitivno dejavnostjo oz. je notranji prikaz objekta ali pojava, ki je edinstvena posamezniku in nastane ter se razvija med njegovo interakcijo z objektom. Z ustrezno razvitim mentalnim modelom ne kažemo napačnih razumevanj pojmov, za njegov pravilni nastanek pa so nujne ustrezne povezave med tremi ravnmi, katerih oblikovanje omogočajo različne vizualizacijske metode (Harrison in Treagust, 2000).

Shema 3. Nadgrajen Johnstonov model (Ferk Savec in Vrtačnik, 2007).

Makro-raven

Simbolna-raven

Submikro-raven

Mentalnimodel

vizualizacijske metode

dejansko stanje

predstavitev dejanskega stanja

Shema 4. Model soodvisnosti treh ravni naravoslovnih pojmov (STRP model)

(Devetak, 2005). STRP model temelji na različnih teorijah učenja, kot so Paiviova dvojna kodna (Paivio, 1986), Mayerjeva SOI (Select, Organize, and Integrate) teorija

Makro

Submikro Simbolni

Vizual. elementi


11

smiselnega učenja (Mayer, 1996), Johnstonov model procesiranja informacij (Johnstone et al., 1994), kognitivna teorija multimedijskega učenja (Moreno in Mayer, 2000) ter Mayerjeva teorija učinkovitih ilustracij (Mayer, 1993). Več o posamezni teoriji in njenem pomenu za učenje naravoslovnih pojmov s pomočjo vizualizacijskih elementov kasneje.

Za boljšo ponazoritev prehoda z makroravni na submikroraven pa se zadnje čase ponekod uveljavljajo tudi t. i. mezoravni (Meijer et al., 2009), kjer se uporablja različne stopnje povečevanja snovi, dokler ne pridemo na raven molekul, atomov ali ionov (submikroraven).

Shema 5. Predstavljene mezoravni strukture v povezavi z lastnostmi vlaken iz katerih je stkan neprebojni jopič (prirejeno po Meijer et al., 2009).

Ta pristop je prikazan na primeru neprebojnega jopiča, kjer se makro struktura jopiča povečuje tako, da prehajamo na vedno manjše merilo, dokler na koncu ne izoliramo posameznega vlakna umetne mase, iz katere je jopič, in prikažemo strukturo molekule, ki vlakno sestavlja (Shema 5).

Povzeti je mogoče, da z razvojem različnih možnosti predstavitev abstraktnih kemijskih pojmov nastajajo tudi novosti v vizualizaciji teh pojmov v izobraže-valnem procesu.

Merilo Struktura Lastnosti

Je težak, zadrži naboj.

Prepletena vlakna vežejo energijo. Velika razteznost.

Odnos med strukturo in lastnostmi.

13

Poučevanje in učenje naravoslovja

Kompleksnost naravoslovja (še posebej kemijskih pojmov) se kaže tudi v potrebi po kompleksnosti poučevanja teh vsebin, ki ga morajo biti sposobni zasnovati in izvesti učitelji na vseh ravneh izobraževanja. Model poučevanja in učenja kemije, ki odraža kompleksnost kemije, je predstavljen v Shemi 6. Pri tem je pomembno, da učitelj integrira trojno naravo kemijskih pojmov s pomočjo različnega izobraževalnega materiala in učnih pristopov v pouk, tako da učenec oblikuje ustrezni mentalni model, ki odraža zadostno raven kemijske pismenosti (del naravoslovne pismenosti) na vseh treh ravneh kemijskega pojma. STRP model je integriran v model poučevanja in s tem nekoliko modificiran, saj povzema le kompleksnost kemijskega pojava in ne prikazuje, kot v Shemi 4, tudi komponente učenja te vede.

Shema 6. Model poučevanja in učenja kemije (Devetak et al., 2010a).

H2O(l)

Simbolna raven Submikro raven Makro raven

Rav

en a

bstr

aktn

osti

pred

stav

itve

kem

ijske

ga p

ojm

a

Abstraktni specializirani jezik

(simbolni jezik; submikrojezik)

Raven

kompleksnosti izražanja

Konkretni znani

jezik (makrojezik)

STRP model

Kemijska pismenost - metavizualna kompetenca - integracija trojnosti pojmov - formalno-logične

sposobnosti - zavedanje pomena kemije - večji interes poglabljanja kemijskega znanja

Izobraževalna strategija

- Vizualizacijske metode - Ustrezna raba jezika

KEMIJA UČITELJ UČNI MATERIAL UČENEC

Ustrezni mentalni model kemijskega pojma

Socialni kontekst


14

Model poučevanja in učenja kemije omogoča učitelju, da spodbuja učence pri oblikovanju ustreznih mentalnih modelov naravoslovnih pojavov in omogoča odpravljanje napačnih razumevanj, ki so še vedno največja težava v naravoslovnem izobraževanju (Sawrey, 1990; Gabel, 1993; Nakhleh, 1994; Garnett et al., 1995; Smith in Metz, 1996; Bradley et al., 1998; Gabel, 1999; Sanger, 2000; Šegedin, 2000; Wu et al., 2001; Treagust et al., 2001; Chittleborough et al., 2002; Harrison in Treagust, 2002; Solsona et al., 2003; Laugier in Dumon, 2004; Halakova in Prokša, 2007; Sanger in Phelps, 2007; Stains in Talanquer, 2008; Devetak et al., 2009a, 2009b; Devetak in Glažar, 2010a; Kern et al., 2010; Adadan in Savasci, 2011; de Berg, 2012).

Veliko naravoslovnih in še posebej kemijskih pojmov nima v makroskopskem svetu s čutili zaznavnih primerov. Prav zaradi tega so pojmi, kot so atom, elektron, spojina, element, molekula in drugi za učence težko razumljivi in jih niso sposobni miselno povezati v ustrezen mentalni model. Ker učitelji naravoslovja večinoma hkrati povežejo vse tri ravni pojma, večina učencev ostane na makropodročju STRP modela. Učitelji se med tem navadno ne zavedajo zahtevnosti prehodov med ravnmi, ki jih morajo učenci doseči med poukom (Johnstone, 1991). Johnstone (2000) navaja, da submikroraven kemije na eni strani omogoča intelektualne izzive, ko kemik poskuša razložiti makropojav, na drugi strani pa je to šibka stran tistih, ki se s kemijo prvič srečajo.

Učenci se okoli dvanajstega leta starosti prvič srečajo s svetom delcev (atom, molekula in ion), spoznavati pričnejo interakcije med njimi in od učencev se pričakuje, da bodo sposobni osnovnih razlag makropojava s pomočjo submikroskopske komponente naravoslovnih pojmov (Harrison in Treagust, 2002). Zato se je v šestdesetih letih prejšnjega stoletja pojavila ideja, da je potrebno istočasno učiti kemijo na vseh treh ravneh kemijskega pojma. Po mnenju Johnstona (1982, 1999, 2000) povzroča tovrstno poučevanje in učenje kemije pri učencih, dijakih in celo študentih preobremenitev delovnega spomina in s tem nerazumevanje pojmov.

Delovni spomin je prostor, v katerem pride do interakcije med zunanjo informacijo, ki pride iz okolja in informacijami, že spravljenimi v dolgotrajnem spominu. To omogoča nastanek razumevanja novega pojma, ki se shrani v dolgotrajni spomin ali pa uporabi pri nadaljnjem delu. Johnstonov model

Poučevanje in učenje naravoslovja

15

interakcij informacij v procesu učenja predstavlja Shema 7 (Johnstone et al., 1994; Johnstone, 1999, 2000). Shema 7. Model procesiranja informacij in proces učenja (prirejeno po Johnstone,

1991, 1999; Johnstone et al., 1994).

Drugi raziskovalci poudarjajo, da trojna narava naravoslovnega pojma ni sama po sebi tako zapletena, da je učenci ali dijaki ne bi mogli razumeti. Razlaga pojma se največkrat omeji le na najbolj abstraktni del, simbolno raven, ustreznih povezav med ostalima dvema ravnema (makro- in submikroravnjo) pa učitelji ne vzpostavijo (Georgiadou in Tsaparlis, 2000; Valanides, 2000; Wu et al., 2001; Treagust et al., 2001; Bunce in Gabel, 2002; Chittleborough et al., 2002; Eskilsson in Hellden, 2003). Le spominsko znanje ni dovolj v naravoslovnem izobraževanju. Najbolj pride do izraza negativni vidik na pamet naučenega pri kemijskem izobraževanju, saj le memoriziranje kemijskih simbolov, formul in enačb (ki sicer mora biti do neke mere tudi doseženo) brez ustreznega razumevanja ne bi smel biti glavni cilj poučevanja kemijskih vsebin v šoli (Barke in Engida, 2001). Makroraven fizikalnih pojmov je bolj očitna. Abstraktno raven fizikalnih pojmov predstavljajo, npr. sile, tlak, vpliv elektronov in drugo, simbolno raven pa predvsem matematične zveze in različne sheme. Pri biologiji je očitna makroraven rastlin in živali, mikroraven celic in submikroraven delcev snovi v celicah ter simbolna raven zapisov formul biomolekul, kar pa nekateri že uvrščajo v kemijo in ne v biologijo (Johnstone, 1991; Odom in Barrow, 1995; Nicholls et al., 1996; Marbach in

POZABLJANJE

INTERPRETACIJA PRESTRUKTURIRANJE

PRIMERJANJE SHRANJEVANJE

PRIPRAVA

DELOVNI SPOMIN

ODGOVOR

SHRANJEVANJE

SPOMINJANJE

SKLADIŠČE

INFORMACIJE POVEZANE MED SEBOJ

NEPOVEZANI DELI

INFORMACIJ

DOLGOTRAJNI SPOMIN

PERCEPCIJSKI FILTER

POJAVI OPAŽANJA NAVODILA

PERCEPC I J A


16

Stavy, 2000; Harrison in Treagust, 2002). Za razliko od kemije se učenci pri biologiji in fiziki srečajo s submikro- in simbolno ravnjo pojmov dokaj pozno na šolski vertikali. Johnstone (1982) namreč omenja trditev nekega fizika, ki pravi, da je moč velik del fizikalnih pojmov spoznati z nič manjšimi pripomočki od opeke in da biologi lahko pojasnijo pojme na opisno/funkcionalni ravni brez večjih poseganj v simbolni ali submikroskopski svet. V nasprotju s tem pa morajo učenci, ko pričnejo spoznavati kemijske spremembe, spoznati tudi submikrosvet delcev, da lahko pravilno razložijo kemijske pojave. Kemik želi poleg tega še vse zapisati v simbolnem jeziku, ki je učencem tuj, pogosto težko razumljiv in nima zanj nobenega smisla, če se ga mora naučiti na pamet. Iz omenjenega izhaja dejstvo, da je učencem kemija težka in nerazumljiva že na osnovni ravni.

Abraham s sodelavci (1994) ugotavlja, da učenci, dijaki in celo študenti ne uporabljajo razlag kemijskih pojavov na ravni delcev, kar kaže na neustrezno poučevanje kemijskih pojmov. Zato predlaga, da bi bilo potrebno oblikovati strategije, ki bi učencem, glede na njihove intelektualne sposobnosti na vseh ravneh šolske vertikale omogočale integracijo makro-, submikro- in simbolne ravni pojmov v celoto.

Sposobnosti vizualizacije naravoslovnih, še posebej kemijskih pojmov pa bodo v prihodnje vedno bolj v ospredju, saj sodobna kemija vedno pogosteje od uporabnikov zahteva sposobnosti branja in snovanja vizualizacijskih elementov, na katerih temeljijo sodobne znanstveno-raziskovalne in aplikativne metode. Prihodnji študenti naravoslovja in tehnologije bodo morali razviti svoje vizualizacijske sposobnosti do take mere, da bodo sposobni interpretacije zahtevnih molekularnih predstavitev. Nekateri zato trdijo, da je potrebno že zelo zgodaj učence navajati na različne metode vizualizacije abstraktnih naravoslovnih pojmov (Longden et al., 1991; Jones, 1996).

17

Vizualizacija in učenje

Učenje je aktivni proces, ki od učenca na vseh ravneh izobraževanja zahteva konstrukcijo mentalnih modelov, v katere vključuje nove pojme (Treagust et al., 2002). Ko učenec skonstruira svoje znanje, mora biti znanje prenosljivo in uporabno v nadaljnjem učenju novih pojmov drugega področja (Treagust et al., 1998).

Lahko rečemo, da ima naravoslovno izobraževanje tri glavne namene: (1) učenje naravoslovja (razumevanje naravoslovnih idej); (2) učenje o naravoslovju (razumevanje bistvenih komponent filozofije,

zgodovine in metodologije raziskovanja v naravoslovju) in (3) spoznavanje metod oblikovanja novega naravoslovnega znanja (pridobi-

vanje sposobnosti za vključevanje v tiste dejavnosti, ki vodijo v razvoj naravoslovnega znanja) (Justi in Gilbert, 2002a).

Pri naravoslovnem izobraževanju je pomembno, da učenci sprejmejo novo znanstveno idejo takrat, kadar postanejo s svojo nezadovoljni in vidijo v novi razlagi pojma smisel in uporabnost. Ta proces mora potekati med naravoslovnim izobraževanjem in privede v učencih do pojmovne spremembe (Abell in Roth, 1995). Pojmovna sprememba je posledica dejstva, da otroci osvojijo veliko pojmov, tudi naravoslovnih, že zelo zgodaj v otroštvu. Vsak nov pojem, ki ga spoznajo, se vgradi v že obstoječi mentalni model, lahko na pravo ali napačno mesto. Napačno vgrajen pojem lahko privede do njegovega napačnega razumevanja. Napačna razumevanja so pogosto zelo odporna na zunanje vplive (strategije učenja in načini poučevanja, uporabo izobraževalnega materiala…) in s tem na spremembe. Učitelji naravoslovja morajo zato najprej identificirati napačna razumevanja in jih odpraviti tako, da dosežejo v učencu želeno pojmovno spremembo. Pojmovnim spremembam morajo učitelji posvetiti dovolj časa, da učenci dojamejo pojem drugače (pravilno) in da ga ustrezno integrirajo v svoj modificiran mentalni model (Herron, 1996).

Abstraktne kemijske vsebine so za učence, ki si pojavov ne morejo vizualizirati in/ali nimajo še ustrezno razvitih sposobnosti abstraktnega mišljenja, težke, nerazumljive in s tem nezanimive, nesmiselne ter nepriljubljene (Thiele in


18

Treagust, 1994). Negativen odnos do kemije ne omogoča ustrezne pojmovne spremembe in/ali modifikacije učenčevih mentalnih modelov določenih naravoslovnih pojavov. Poleg tega učenci velikokrat nimajo ustreznih osnov v predznanju, ki bi omogočale nadgradnjo vse bolj abstraktnih in zahtevnih pojmov v nadaljnjem naravoslovnem izobraževanju (Treagust et al., 1998).

Vizualizacija se v naravoslovnem izobraževanju uporablja v najširšem pomenu besede; od fizičnih modelov do različnih slikovnih, multimedijskih in interaktivnih animacij ter navidezne realnosti. Vse te sodobne vizualizacijske pristope omogoča hiter razvoj informacijsko-komunikacijske tehnologije in postajajo vedno bolj pomembno orodje sodobnega pouka naravoslovja, s katerim lahko prikažemo zapletene in abstraktne naravoslovne pojave. Interaktivne simulacije in navidezna realnost zagotavljajo učna okolja, ki spodbujajo aktivno učenje. Gilbert (2005a) poudarja, da sta glavni vlogi vizualizacije v izobraževanju predstavitev naravoslovnih pojmov (zunanja ali eksterna vizualizacija) ter konstrukcija mentalnega modela o tem pojmu v miselnih shemah učečega se (notranja ali interna vizualizacija).

Analiza vizualizacijskih elementov v naravoslovnih učbenikih kaže, da obstajata dve vrsti vizualizacije: vizualizacija strukture (prikazi posebnih pojmovnih relacij med posameznimi deli naravoslovnega pojava) in vizualizacija procesa (prikazi poteka naravoslovnega pojava glede na časovno komponento). Ugotovitve te analize tudi kažejo, da veliko naravoslovnih predstavitev združuje oba tipa vizualizacije, s katerimi učečemu se prikaže bistvene komponente naravoslovnega pojava (Tversky, 2005).

Učinkovito naravoslovno izobraževanje mora obsegati razvoj vizualne pismenosti, ki je komponenta naravoslovne pismenosti. Za oblikovanje ustrezne vizualne pismenosti (Trumbo, 1999), kot nekateri imenujejo sposobnost vizualizacije in s tem osmišljanja naravnih pojavov, mora posameznik razviti tri ravni: (1) vizualno mišljenje (zajema vključevanje vizualnih podob v zavestno in

podzavestno komponento mišljenja ter organizacijo miselnih podob z uporabo oblik, črt, barv in kompozicij, ki te podobe osmislijo);

(2) vizualno učenje (proces razvijanja vizualnih podob za namene oblikovanja novega znanja in uporaba vizualnih informacij za učenje) in

(3) vizualno komuniciranje (zajema uporabo vizualnih simbolov za izražanje idej in podajanje informacij drugim).


19

Marzano je s sodelavci oblikoval pet dimenzij vizualnega mišljenja (Trumbo, 1999). Te so: (1) metakognicija (zavedati se vizualnega mišljenja – razmišljanje o podobah

ali predstavitvah, zavedati se, da vizualno mišljenje služi lahko kot nadomestilo nekega delovanja v realnem svetu);

(2) kreativno in kritično mišljenje (obsega prepoznavanje in obdelavo vizualnih vzorcev, intuitivno mišljenje, fleksibilnost idej, inovativnost in sposobnost reševanja problemov, analitično mišljenje);

(3) proces vizualnega mišljenja (zavedati se vloge čutila za vid in možganov v procesu gledanja, biologije zavesti in mišljenja, zavedati se vizualne forme in kompozicije, imeti sposobnost interpretacije vizualne predstavitve in sistematični pristop k evalvaciji vizualne predstavitve);

(4) spretnosti vizualnega mišljenja (obvladati spretnost percepcije, imeti sposobnost oblikovanja slike v mislih in občutek za estetiko) ter

(5) poznavanje vsebine (poznavanje znanstvenih načel, ki jih predstavlja reprezentacija, poznavanje simbolov in namenov uporabe reprezentacij znotraj znanstvene discipline).

Vizualno učenje zajema spoznavanje sistemov simbolov znotraj znanstvenih disciplin in razvijanje sposobnosti interpretacije pomena določenega pojma z uporabo tega sistema, ki je predstavljen z neko reprezentacijo. Vizualne reprezentacije so orodje za: (1) ilustracijo pojmov; (2) potrditev rezultatov raziskav; (3) reševanje problemov; (4) razlago idej; (5) pomoč pri miselnem razvoju pojmov in njihovo integracijo v miselne sheme posameznika; (6) odpravo napačnih razumevanj in (7) povzemanje zaključenih delov neke vsebine znotraj določene discipline.

Na osnovi nekoliko preoblikovanih Bloomovih kognitivnih kategorij razumevanja pojmov lahko oblikujemo stopnje vizualnega znanja (Trumbo, 1999). Te so: (1) spominsko znanje (uporaba reprezentacij za priklic pojmov shranjenih v

dolgotrajnem spominu, uporaba vizualnih predstavitev kot vizualni jezik in organizacija pojmov ter procesov s pomočjo vizualnih predstavitev);

(2) razumevanje (sposobnost interpretacije vizualnih reprezentacij in sposobnost uporabe predstavitev v smislu ilustracije nekega pojma);


20

(3) uporaba (uporaba znanstvenih izrazov, uporaba diagramov, shem, načrtov in drugih informacijsko-grafičnih oblik, izbor ustreznega načina vizualne predstavitve, uporaba pravil oblikovanja in percepcije ter uporaba ustrezne metode vizualne reprezentacije);

(4) sinteza (uporaba vizualnih predstavitev za pojasnjevanje naravoslovnih procesov, združevanje besedila z vizualnimi predstavitvami, uporaba reprezentacij kot del multidisciplinarnih raziskav, uporaba vizualnih predstavitev kot interaktivno orodje ter raziskovanje estetskega, tehničnega ali kognitivnega potenciala reprezentacij) in

(5) evalvacija (presojanje na osnovi vizualnih predstavitev, vrednotenje potencialnih možnosti uporabe reprezentacij in ocenjevanje učinka vizualnih predstavitev).

Poznavanje vizualnih elementov je pogoj za naslednjo najzahtevnejšo raven vizualne pismenosti, vizualno komunikacijo. Vizualna komunikacija je proces pošiljanja in sprejemanja sporočil z uporabo vizualnih predstavitev v strukturi informacije in omogoča sporazumevanje s pomočjo sistema naučenih specifičnih simbolov znotraj znanstvene discipline. Vizualna komunikacija je v naravoslovju velikokrat le enosmerna, saj večina primerov ne zahteva povratne informacije sprejemnika vizualnih informacij.

Učinkovita vizualna predstavitev naravoslovnih pravil, eksperimentalnih podatkov ali odkritij pripomore k boljšemu razumevanju napisanega spremljajočega besedila in izboljša razumevanje predstavljenih idej in zaključkov. V znanstvenem sporazumevanju je zato efektivna vizualna predstavitev pomembno orodje komunikacije tako med znanstveniki kot tudi nestrokovnjaki. Razvijanje vizualizacijskih sposobnosti ter sistema simbolov za vizualno sporočanje pri učenju nekega pojma je podobno razvijanju in uporabi verbalnega izražanja. V obeh primerih se bistveno izboljša že obstoječa sposobnost reševanja vse težjih problemov. Podobno kot pri uporabi in razvijanju jezikovnih sposobnosti se pri otroku razvijajo prostorsko-vizualizacijske sposobnosti v vizualno bogatem okolju (Mathewson, 1999).

Pomemben vidik vizualizacije, ki pa ni še dobro raziskan, je koncept metavizualizacije, ki se lahko interpretira kot del metakognicije (Gilbert, 2005b). V prihodnosti je treba raziskati ne le vplive zunanje vizualizacije na učenje naravoslovja, ampak tudi posameznikovo zavedanje interne


21

vizualizacije pri formiranju lastnih mentalnih modelov naravoslovnega pojava. Pri tem je pomembno uporabiti take raziskovalne pristope (Vogrinc in Devetak, 2007), da čim bolj poglobljeno opišejo in pojasnijo kognitivne procese, ki posamezniku omogočajo lastne predstavite naravoslovnih fenomenov.

23

Vizualizacija naravoslovnih pojmov

Za pojme, kot so agregatno stanje snovi, fenotipska različnost, gibanje in druge, lahko najdemo v naravi vrsto primerov, na osnovi katerih pojme lahko ponazorimo in opišemo. To so deskriptivni pojmi. Za pojme, kot so atom, gen, gravitacija in drugi, v naravi konkretnih primerov ni, zato njihovega pomena ne moremo izpeljati na osnovi opazovanj objektov in pojavov. Razlaga pomena takih pojmov je plod idej znanstvenikov in je del pojmovnih sistemov razlag pojavov, ki jim pravimo teorije. Te pojme zato imenujemo teoretični pojmi (Lawson, 1993).

Z napredkom tehnologije pa se spreminja tudi delitev pojmov na obe skupini. Tisti pojmi, ki so še nedavno bili teoretični, lahko postanejo deskriptivni. To se je zgodilo z atomom, saj ga je mogoče sedaj že opazovati s pomočjo spektro-skopske tehnike nizko temperaturne elektronske tunelske mikroskopije, torej je pojem atom prešel iz skupine teoretičnih pojmov, kot ga opisuje Lawson (1993) v skupino deskriptivnih pojmov, s čimer se nekateri znanstveniki ne strinjajo. O tem več v nadaljevanju.

Večina naravoslovnih in še posebej kemijskih pojmov, ki so lahko deskriptivni ali teoretični, je za učenje in poučevanje še vedno abstraktnih. Za njihovo razlago so primerne različne vizualizacijske metode. Vizualizacijske metode in s tem reprezentacije v naravoslovju si lahko predstavljamo kot metafore, analogije, modele ali teoretične konstrukte, ki jih predstavljajo različni simboli in jih kemiki oblikujejo za pojasnjevanje realnega sveta. Ti simboli, ki pa jih ne smemo mešati s simboli elementov, ampak predstavljajo različne simbolne prikaze dejanskih objektov, so izpeljani iz fenomenoloških analogij realnega sveta (Hoffman in Laszlo, 1991, navedeno po Wu et al., 2001).

Reprezentacije v naravoslovju obsegajo tako nazorne predstavitve na makroravni (slike, skice, fotografije, filmske izseke in drugo) kot tudi submikropredstavitve sveta delcev (2-D in 3-D stacionarne ter 2-D in 3-D dinamične submikroreprezentacije) in simbolne zapise ter predstavitve (matematične formule, simbolni kemijski jezik, diagrami in drugo) (Trumbo, 1999; Wu et al., 2001). Wu s sodelavci (2001) navaja poudarke Hoffmana (1995), ki meni, da je sposobnost uporabe vizualizacijskih tridimenzionalnih


24

modelov in grafičnega jezika bistvenega pomena za razumevanje naravoslovja in za pridobivanje novih znanj na tem področju. Ko znanstvenik predstavi nek nov pojem oz. objekt in njegove lastnosti, poda o njem miselno sliko, ki omogoča prenos informacij o objektu tistim, ki želijo nov pojem razumeti in/ali uporabiti pri svojem delu. Mnogi znanstveniki si zato pri svojem delu velikokrat pomagajo z različnimi vizualizacijskimi metodami. Brez sposobnosti vizualizacije pri razlagi naravnih procesov znanstveniki ne bi prišli do odkritij, ki so bistveno spremenila tehnologijo in s tem življenje ljudi (Lawson, 1993; Mathewson, 1999; Kozma et al., 2000).

Reprezentacije imajo tako v naravoslovju na eni strani vlogo inštrumenta uporabnega za raziskovanje in enoznačno sporazumevanje med strokovnjaki (Kozma et al., 2000), na drugi strani pa omogočajo prehode med makropojavom in njegovim simbolnim zapisom, torej delujejo kot posrednik za premostitev vrzeli med pojavom in njegovim simbolnim zapisom (Barke in Engida, 2001) pri učenju in poučevanju naravoslovja. Posameznik reprezen-tacijo razume šele, kadar je sposoben: (1) generirati interpretacije predstavitve; (2) prevesti en tip predstavitve v drugega; in (3) miselno manipulirati z različnimi tipi predstavitev (Kozma in Russell, 1997). Za dosego teh pogojev je potrebno imeti precejšnje naravoslovno znanje in prostorsko-vizualizacijske sposobnosti, zato ker niso naravoslovne predstavitve le vizualni, ampak hkrati tudi konceptualni konstrukti.

Povezavo obeh komponent kemijske predstavitve podaja Paiviov model vizua-lizacije (Paivio, 1986). Pri učenju kemije s pomočjo kemijskih predstavitev morajo učenci oblikovati tri osnovne kognitivne povezave med pojmovnim in vizualnim sistemom predstavitve (Shema 8).


25

Shema 8. Paiviov model dvojne kodne teorije (prirejeno po Wu et al., 2001). Paivio je poudaril, da se znanje formira s povezavo dveh kompleksnih siste-mov, pojmovnega in vizualizacijskega. Oba sistema sta strukturno in funkcio-nalno neodvisna, a hkrati tesno povezana. Informacija, ki nastane v enem sistemu in sproži v drugem neko aktivnost, je ustrezneje skladiščena v dolgotrajnem spominu kot tista, ki je bila obdelana le v enem sistemu. Dražljaji, ki sprožijo aktivnosti v obeh sistemih, zmanjšajo kognitivni napor posameznika med učenjem, kar poveča kapaciteto učenja. To pomeni, da so vizualizacijski elementi bistveni pri verbalnem posredovanju informacij (Wu et al., 2001), kar potrjujejo tudi nekatere raziskave (Yang et al., 2003).

V primeru, da učenci razumejo kemijske reprezentacije tako, da so jim v pomoč pri razumevanju kemijskih pojavov, morajo doseči v Paiviovem modelu podane povezave. Da učenec prevede kemijsko formulo spojine v model te spojine, ki predstavlja strukturo molekule, mora imeti v svojem delovnem spominu pojmovne in vizualne informacije o molekuli ter mora aktivirati ustrezne povezave med njimi (Wu et al., 2001). Vizualizacijske sposobnosti posameznika pridejo do izraza še posebej pri dojemanju informacij, ki jih prikazujejo različne vizualne predstavitve pojma v 3-D okolju. Sposobnost prostorskega dojemanja je zato bistvenega pomena za ustrezno razumevanje in uporabo modelov (Treagust et al., 2002).

Poda zunanji

vir

POJMOVNI SISTEM

POJMOVNI DRAŽLJAJ

Alkani so ogljikovodiki z enojnimi vezmi.

VERBALNA REPREZENTACIJA

Če je število ogljikovih atomov alkena n, potem je število vodikovih atomov 2n+2.

Povezava 1

Predstava posameznika

VIZUALNI SISTEM

VIZUALNI DRAŽLJAJ

CC

CC

H

H

H

H

H

H

H

H

HH

VIZUALNA REPREZENTACIJA

Ustrezna miselna slika alkana.

Povezava 2

Povezava 3


26

Zgornji STRP (str. 10 in 13) model temelji na različnih teorijah učenja, poleg že omenjenega Paiviovega modela dvojne kodne teorije (Paivio, 1986) ter Johnstonovega modela procesiranja informacij (Johnstone et al., 1994) tudi na Mayerjevem SOI modelu smiselnega učenja (Mayer, 1996), kognitivni teoriji multimedijskega učenja (Moreno in Mayer, 2000) in Mayerjevi teoriji učinkovitih ilustracij (Mayer, 1993).

Mayerjev SOI model smiselnega učenja (Mayer, 1996) zajema tri procese: (1) selekcioniranje relevantnih informacij, (2) organizacija informacij, ki je za učečega se smiselna, in (3) integracija novih informacij v že obstoječe znanje tako, da stimulira kognitivne procese, ki omogočajo učenje z razumevanjem in podpirajo ter spodbujajo konstruktivistično učenje in aktivne kognitivne procese.

Kognitivna teorija multimedijskega učenja (Moreno in Mayer, 2000) in Mayerjeva teorija učinkovitih ilustracij (Mayer, 1993) temeljita na implementa-ciji enostavnih vizualizacijskih elementov, ki pomagajo usmerjati pozornost učečega se na specifične elemente in ga vodijo, da si sam oblikuje povezave med posameznimi deli vsebine, ki se jo uči. Take aktivnosti učečemu se omogočajo, da si oblikuje funkcionalni mentalni model, ki ga v nadaljevanju učenja uporablja za pridobivanje novega znanja in tako doseže znanje z razumevanjem.

Najkompleksnejše kombinacije različnih vizualizacijskih elementov lahko oblikujemo v multimedijskih enotah. Delo z multimedijskimi enotami, kjer se prepletajo makro-, submikro- in simbolna komponenta obravnavanega pojma, naj bi povečalo prostorsko-vizualizacijske sposobnosti učencev (Barnea in Dori, 1999, navedeno po Wu et al., 2001), kar se odraža na boljših uspehih teh učencev na testih kemijskega znanja (Vrtačnik et al., 2000; Stieff in Wilensky, 2003). Vizualizacija torej podpira spoznavni proces v usvajanju novih kemijskih pojmov, vendar se moramo pri tem zavedati, da vizualizacija, pa če je še tako profesionalna, lahko nosi v sebi tudi vrsto nevarnosti (Vrtačnik, 1999). Vse vizualizacijske tehnike so našle svoje načine predstavitev abstraktnih pojmov v makrosvetu pojavov. Učiteljeva dolžnost je, da opozarja na nevarnosti in pomanjkljivosti določenih vizualizacijskih tehnik, saj lahko njihova napačna uporaba povzroča nastanek dodatnih napačnih razumevanj. Poleg poučevanja in učenja naravoslovja z uporabo različnih tipov reprezentacij, lahko učitelji in raziskovalci v naravoslovnem izobraževanju z


27

njihovo pomočjo ugotavljajo, kakšna so učenčeva razumevanja pojmov določenih vsebin (Abell in Roth, 1995). Več o tem kasneje. Analogije in metafore Analogije in metafore imajo pomembno vlogo v naravoslovnem izobraževanju in se pogostosti njihove uporabe največkrat sploh ne zavedamo. Znanstveniki pogosto uporabljajo analogije, pri znanstvenem delu in pri komunikaciji o svojih odkritjih (Eisenberg, 1992). Analogije primerjajo strukturne lastnosti dveh področij, enega znanega in drugega neznanega, in podajajo podobnosti med njima (Duit, 1991). Metafora pa se uporablja pogosteje v literarnem kontekstu kot v naravoslovju in tehnologiji (Dagher, 1995) in implicitno primerja dve lastnosti dveh področji, ki pa nista nujno skupni obema (Duit, 1991). Slovar slovenskega knjižnega jezika podaja definicijo analogije kot pojav, ki postane zaradi sorodnih in vzporednih vzrokov (skoraj) enak drugemu pojavu ter opiše metaforo le kot literarni pojem, in sicer kot besedno figuro, za katero je značilno poimenovanje določenega pojava z izrazom, ki označuje v navadni rabi kak drug podoben pojav (SSKJ, 1994).

Z uporabo analogij in metafor pri naravoslovnem izobraževanju, uporabljajo jezik kot način izzivanja čustev, interesov in kreativnih idej (Gilbert, 1989). Dagher (1995) navaja, da je razmišljanje s pomočjo analogij običajno pri učenju in poučevanju, sama vloga analogij pri poučevanju naravoslovnih pojmov pa je dokaj nejasno opredeljena. Analogija predstavlja nek most med neznanim, novim pojmom ali znanjem in že usvojenim znanjem. Analogija tudi pripomore k boljši integraciji novega znanja v obstoječ mentalni model in bolj znanstvenemu razumevanju neke naravoslovne vsebine. Drugače bi lahko rekli, da je analogija iskanje nekaterih podobnosti med dvema pojmoma tako, da znan pojem predstavlja analog, neznan naravoslovni pojem pa objekt učenja (Treagust et al., 1998).

Analogije so torej lahko: (1) enostavne in se nanašajo samo na ciljni pojem, ki ga analogija podaja; (2) obogatene, ki poleg osnovnih lastnosti pojma opisujejo še nekatere druge; in (3) razširjene, ki vsebujejo več analogij za več lastnosti enega pojma.

Uporaba analogij pripomore tudi k večji motivaciji učencev predvsem z uporabo njihovih idej, ki spodbudijo interes učencev ter dajejo učitelju


28

možnosti ugotavljanja njihovega predznanja. Razumevanje abstraktnih pojmov s pomočjo uporabe analogij je odvisno od razvojne stopnje učenca. Učinkovito poučevanje in učenje z analogijami se doseže šele pri učencih z dovolj razvitim vizualnim mišljenjem in sposobnostmi uporabe analogij, tako da se vzpostavi korelacija med analogom in objektom (Thiele in Treagust, 1995; Treagust et al., 1998). Z razvojem abstraktnega mišljenja se poveča učenčevo razumevanje analogij in metafor. Hkrati se poveča tudi zahtevnost in abstraktnost matematičnih in drugih naravoslovnih pojmov, ki so vključeni v učne načrte. Abstraktnost pojma se lahko zmanjša z uporabo jezikovnih analogij, katerih pojasnjevalna moč se še poveča, če izzove v miselnih procesih posameznika neko podobo (Mathewson, 1999), kar konkretizira abstraktnost pojma. Pred uporabo analogije je zato potrebno ugotoviti učenčevo predznanje in prilagoditi zahtevnost analogije njegovim sposobnostim (Dagher, 1995).

Analogija je torej močno orodje učenja in poučevanja, vendar pa je tako učenje in poučevanje lahko tudi zavajajoče (Friedel et al., 1990; Duit, 1991; Stavy in Tirosh, 1993; Dagher, 1995). Če učenci analogije ne poznajo, je nesmiselno z njo razlagati neznan naravoslovni pojem, ki je po vsej verjetnosti še abstrakten (Lawson et al., 1993; Thiele in Treagust, 1994). Pri tem učenci ne znajo ločiti med analogijo in vsebino, ki jo analog predstavlja, in si največkrat zapomnijo samo analogijo, kar pa za naravoslovno znanje ni pomembno, saj vsebine ali pojma še vedno ne razumejo (Treagust et al., 1998).

Raziskave zastopanosti razlag abstraktnih pojmov z analogijami so pokazale, da se večina analogij pojavlja v naravoslovnih učbenikih in manj v družboslovnih. Z analizo naravoslovnih učbenikov je mogoče ugotoviti, da je največ analogij v kemijskih učbenikih (Curtis, 1988). Analogije v kemijskih učbenikih največkrat poskušajo ilustrirati delce ali nevidne procese na submikroravni, kot so spremembe snovi in energije, hitrost ali ravnotežje pri kemijskih reakcijah (Thiele in Treagust, 1994).

Učitelji uporabljajo analogije redkeje in ne tako uspešno, kot jih predlagajo raziskovalci. Poleg tega pa učitelji redko uporabljajo analogije pri poučevanju neke vsebine, čeprav je analogija omenjena v učbeniku (Treagust et al., 1989). Preučevanje uporabe analogij pri poučevanju kemije je pokazalo, da učitelji uporabljajo analogije predvsem takrat, ko ocenijo, da prvotna razlaga pri učencih ni dosegla želenega razumevanja nekega pojma ali pojava. Navadno manj učno uspešni učenci zahtevajo dodatno razlago vsebine z uporabo


29

analogij. Učitelji največkrat predhodno ne načrtujejo točno določene analogije za razlago neke vsebine, ampak se spontano odločijo, katero analogijo bodo v neki situaciji uporabili. Pri tem imajo bolj izkušeni učitelji manj težav. Učitelji največkrat uporabljajo analogije, ki so jih spoznali z lastno izkušnjo ali pri prebiranju strokovne literature, kar povzroči več napačnih korelacij med analogijo in novim pojmom, saj take analogije učenci večkrat ne poznajo. Učitelji največkrat uporabljajo slikovne analogije, saj menijo, da so najbolj učinkovite. Ugotovili so, da kar 84 % uporabljenih analogij od učitelja zahteva neko dodatno razlago analoga, kar zmanjša učinkovitost analoga pri razlagi novega naravoslovnega pojma, hkrati pa zahteva več časa. Raziskave v Avstraliji pa tudi kažejo, da je v kemijskih učbenikih dodatno, za pomoč učencu, da lažje razume povezavo med analogom in objektom, ki se z analogom razlaga, pojasnjenih kar 60 % analogij (Thiele in Treagust, 1994).

Modeli Model podaja oz. prikazuje nek dejanski predmet, sistem, pojav ali proces (v nadaljevanju kar objekt), tako da čim bolj ustreza dejanskemu stanju objekta. Modeli so poenostavljena reprezentacija realnosti (Van Driel in Verloop, 2002) in se stalno uporabljajo kot reprezentacije pojmov v naravoslovnem izobraževanju na vseh ravneh šolanja. Modeli so tudi posredniki med abstraktno teorijo in konkretnim eksperimentom. Omogočajo napovedovanje, so del raziskovanja (odkrivanja novega znanja), povzemanja podatkov in izsledkov ter omogočajo komunikacijo. Celotno znanost in raziskovanje lahko definiramo kot proces konstrukcije predikcijskih pojmovnih modelov (Gilbert, 1991; Paton, 1996; Gilbert in Boulter, 1998; Justi in Gilbert, 2002b, 2002c). Glede na to, da razumevanje sveta ni popolno, so tudi modeli, ki te procese predstavljajo, bolj ali manj nepopolni. Modeli so zato v znanosti hkrati eni glavnih produktov znanstvenega raziskovanja, elementi raziskovalne metodologije in glavni učni pripomočki v naravoslovnem izobraževanju (Gilbert, 1991). Model nima le vloge razlage ali predikcije nekega objekta, ampak tudi spodbuja usmerjeno razmišljanje o objektu, kar je bistvena komponenta izobraževanja. Modeli podajajo poenostavljeno različico objekta in s tem poudarijo njegove specifične komponente ter vzpodbudijo odkrivanje novih lastnosti objekta, podpirajo njegovo vizualizacijo in s tem omogočijo


30

miselno projekcijo in oblikovanje mentalnega modela (Gilbert in Osborne, 1980; Greca in Moreira, 2002). Modeli so torej le pomoč, orodje za razlago in učni pripomočki, če jih učenci razumejo in si jih tudi zapomnijo. Prav zato morajo biti modeli za učence enostavni, logični in uporabni (Harrison in Treagust, 1998).

Leta 1962 je Black klasificiral modele na: (1) modele v merilu, ki prikazujejo relativna razmerja modela glede na objekt, ki jih ponazarjajo; (2) analogne modele, ki v nekem novem mediju prikazujejo strukturo originala; (3) matematične modele, ki podajajo stanje objekta z matematično formulo; (4) teoretične modele, ki podajajo konkretno predstavitev objekta, ki ga lahko apliciramo brez teoretičnih predpostavk o objektu; in (5) arhetipske modele, ki predstavljajo sistem idej, s katerim je mogoče opisati s pomočjo analogov nek objekt, na katerega se te ideje direktno ne navezujejo (Gilbert in Osborne, 1980).

Poleg Blackove (1962) razdelitve, Gilbert in Boulterijeva (1998) delita modele na: (1) ciljne sisteme, ki obstajajo v realnem svetu in jih lahko predstavimo; (2) miselne (mentalne) modele, ki so osebna predstavitev objekta; (3) izražene modele, ki jih posameznik poda na osnovi neke dejavnosti, govora ali zapisa; (4) dogovorjene modele, ki so bili v neki znanstveni skupnosti kot znanstveno dejstvo sprejeti in v neki socialni skupnosti testirani ter (5) šolske modele, ki so posebej prirejeni dogovorjeni modeli in omogočajo njihovo boljše razumevanje.

Glede na to delitev mora dober šolski model: (1) vsebovati pomembnejše značilnosti dogovorjenega modela, da je možno na enostaven način poiskati podobnosti med obema modeloma; (2) služiti kot uvod za razumevanje dogovorjenega modela, ki pa ga učenci velikokrat težje razumejo; (3) temeljiti na viru, ki so ga učenci spoznali, pogosto je to eksperiment in (4) temeljiti na tem, da ga je mogoče uporabiti skupaj s podobnimi šolskimi modeli, ki predstavljajo dogovorjeni model (Gilbert in Boulter, 1998).

Fizični modeli, kot jih imenujeta Greca in Moreira (2002), dejansko vključujejo tretjo, četrto in peto skupino Gilbertovih in Boulterijevih (1998) modelov in so po njunem mnenju osnova miselnih (mentalnih) modelov. Miselni modeli predstavljajo interno reprezentacijo objekta, ki je njihov strukturni analog in pripomore k razumevanju znanstvene teorije. Poleg fizičnih in miselnih


31

modelov pa Greca in Moreira omenjata še matematične modele, ki podajajo deduktivno dogovorjen aksiomski sistem, ki lahko s pomočjo enačb določa neko teorijo. Tako fizični kot matematični modeli so za razliko od miselnih modelov eksterne predstavitve (Greca in Moreira, 2002).

Harrison in Treagust (1996) podobno navajata razdelitve modelov, in sicer na: (1) analogne modele, ki so vedno poenostavljeni, vendar pa poudarjajo določene lastnosti objekta in (2) multimodele, ki opisujejo nek pojav z več enostavnejšimi modeli, od katerih vsak prikazuje le en del atributov objekta. Analogne modele dodatno razdelita na: (1) konkretne in konkretno/abstraktne modele oblikovane za ponazoritev realnosti, (2) abstraktne modele izdelane za prikaz neke teorije in (3) večkonceptualne modele, ki ponazorijo več konceptov in/ali procesov. Konkretne in konkretno/abstraktne modele Harrison in Treagust (1996) razdelita na: (1) modele v merilu, ki jih definirata podobno kot Black (1962) in (2) pedagoške modele, ki jih opredelita podobno kot Gilbert in Boulterijeva (1998). Abstraktne modele razdelita na: (1) simbolne modele, med katere uvrščata tudi kemijske simbole in formule ter enačbe reakcij in predstavljajo sestavo in spreminjanje snovi; (2) matematične modele, ki s pomočjo matematičnih enačb in diagramov prikazujejo fizikalne lastnosti, spremembe in procese, ki prikazujejo idealno stanje, učenci pa si sami izoblikujejo kvalitativne razlage tovrstnega modela in (3) teoretične modele, ki prikazujejo sicer analogno nek pojav, vendar so teoretični konstrukti dobro znanega znanstvenega dejstva (npr. prikaz silnic magnetnega polja). Večkonceptualne modele razdelita na: (1) mreže, diagrami in tabele, ki prikazujejo vzorce in relacije, tako da si jih učenci lažje predstavljajo; (2) pojmovno-procesne modele, ki prikazujejo pojme povezane z dinamičnim pojavom; in (3) simulacije, ki predstavljajo v smiselno zaporedje povezanih več dinamičnih modelov, ki se v novejšem času nadgrajujejo v navidezno realnost.

Najzahtevnejši za učenčevo razumevanje so multimodeli, ki predstavljajo najabstraktnejše in na makroravni nezaznavne objekte. Vsak model tako predstavlja le del lastnosti objekta in celo vsi modeli tega objekta ga v celoti ne predstavljajo. To je lahko posledica dejstva, da tudi sam objekt ni še popolnoma razumljiv ali pa izdelani modeli posegajo preko lastnosti dejan-skega objekta (Harrison in Treagust, 1998).


32

Paton (1996) pa deli modele glede na njihovo uporabnost pri opisu biosistemov. Deli jih na: (1) replike in modele v merilu, (2) matematično idealizirane in formalne modele, (3) računalniško simulirane modele, (4) elektromehanske modele, (5) simbolne in diagramske predstavitve in (6) analoge drugih sistemov (električni tok, kot ponazoritev prenosa živčnega impulza po živcu).

Modeliranje je temeljna znanstvena dejavnost, ki omogoča človeku, da poenostavi zapletenost realnega sveta (Paton, 1996). Modeliranje je torej produkcija in ocena ustreznosti modelov nekega objekta; je pomemben, dinamičen in nelinearen proces, vključen v nastanek naravoslovnega znanja (Justi in Gilbert, 2002a). Modeliranje si lahko predstavljamo tudi kot proces nastanka modela nekega objekta iz drugega (sekundarnega) vira, ki je lahko nek drug objekt, pojav ali ideja, z uporabo metafor in/ali analogij s katerimi je mogoče objekt opisati (Gilbert in Boulter, 1998). Na Shemi 9 je predstavljena pot nastanka modela oz. proces modeliranja nekega objekta (Justi in Gilbert, 2002a).

Modeliranje je lahko tudi učna strategija, ki jo uporabi učitelj, da učencem približa dejanski objekt. V nekem širšem smislu bi morali biti učenci naravoslovja sposobni enostavnega modeliranja. Učenci morajo za uspešno modeliranje katere koli vrste modela tako: (1) v večji meri dojeti pogled znanstvenika na pomen modela, (2) imeti ustrezne izkušnje z objektom modeliranja, (3) dojeti pomen modeliranja, (4) razumeti pomen metafor in analogij za objekt, ki ga bodo pri modeliranju uporabili in (5) morajo imeti o objektih neko znanje. Vsem tem pogojem mora zadostiti tudi znanje učitelja naravoslovja. Raziskovalci ugotavljajo, da se to ne dogaja, zato predlagajo večjo vključevanje modeliranja v izobraževanje učiteljev naravoslovja (Gilbert in Osborne, 1980; Gilbert in Boulter, 1998; Justi in Gilbert, 2002a).


33

Shema 9. Model modeliranja (povzeto po Justi in Gilbert, 2002a, 2002c). Učitelji pri poučevanju naravoslovja pogosto uporabljajo modele za razlago naravoslovnih objektov, učenci pa naj bi jih izkoristili za vzpostavljanje

izvedba / miselni poskus

neuspeh uspeh

zasnova in izvedba empiričnih testov

neuspeh uspeh

dosežen namen

pretehtati namen in omejitve modela

izražanje v neki izbrani reprezentaciji

sprememba miselnega

modela

zavrnitev miselnega

modela

določiti namen modela

doživetje izkušnje z objektom

modeliranja

izbor vira za model

oblikovanje miselnega modela


34

povezav med opazovanim objektom in njihovo znanstveno razlago ter tako razvili lastni mentalni model opazovanega objekta (Treagust et al., 2002). Ti učenčevi mentalni modeli predstavljajo v naravoslovnem izobraževanju največkrat vir težav z napačnimi razumevanji objektov. Velik pomen ima zato komunikacija med strokovnjakom, učiteljem in učencem, ki temelji na verbalnih, diagramskih in simbolnih (matematičnih) predstavitvah objekta, tako da se zmanjša možnost nastanka napačnih razumevanj (Justi in Gilbert, 2002a). Poleg učencev pa morajo še posebej učitelji pri uporabi modelov: (1) poznati splošne lastnosti modelov; (2) vedeti kdaj, kako in zakaj morajo uporabiti modele pri poučevanju naravoslovja; (3) imeti sposobnost razvijanja oz. oblikovanja lastnih pedagoških modelov, torej biti sposobni enostavnega modeliranja; (4) poznati strategije učencev pri konstrukciji njihovih mentalnih modelov in kako te modele uspešno uporabljati pri pouku in (5) biti sposobni voditi proces modeliranja (Justi in Gilbert, 2002c).

Raziskovalci ugotavljajo, da učenci in srednješolci pogosto razumejo modele le kot dejanske replike objekta. Teoretični modeli, ki se pogosto uporabljajo pri pouku so najzahtevnejši in ni smiselno pričakovati, da jih bodo razumeli vsi učenci, čeprav so v učnih načrtih predpisani in jih učitelji uporabljajo pri razlagi objektov (Harrison in Treagust, 2000).

Učenčevo razumevanje objekta in znanje, ki ga je učenec pridobil z uporabo modela, nista vedno skladna. Tak primer je recimo pojem prehranjevalnega spleta, ki se že zelo zgodaj pojavi v učnih načrtih naravoslovja. Abell in Roth (1995) namreč ugotavljata, da si učenci prehranjevalni splet predstavljajo kot pomanjšano kopijo dejanskega prostora v naravi in ne le kot model relacij med organizmi v ekosistemu

V primerih, ko učenci ne dojamejo pomena modela, verjetno niso imeli možnosti uporabe modelov pri učenju naravoslovja ali pa učitelji niso uspeli prikazati pomena prednosti in pomanjkljivosti določenega modela. S tem so pripomogli k oblikovanju napačnih razumevanj uporabe modelov in objektov, ki jih modeli ponazarjajo (Treagust et al., 2002). Pomembno je, da učitelji vedo, da morajo učenci najprej razumeti modele in šele nato objekte. Prav zato morajo učitelji vedeti, da potrebujejo učenci čas in pomoč, da pravilno ovrednotijo pomen modelov pri poučevanju in učenju naravoslovja. Ne glede na to, da se je potrebno zavedati, da sodobno poučevanje kemije ne more obstajati brez uporabe različnih modelov, kot so simbolni, matematični,


35

teoretični ter pojmovno-procesni modeli in simulacije (Harrison in Treagust, 1998).

Raziskovalci so že zelo zgodaj raziskovali in tudi opisali pozitiven pomen uporabe fizičnih modelov za konstrukcijo obstojnejšega in kvalitetnejšega naravoslovnega znanja (Talley, 1973; Gabel in Sherwood, 1980). Z uporabo 3-D fizičnih modelov, ki imajo specifično vizualizacijsko moč, se poveča učinkovitost poučevanja kemije. Raziskava že izpred skoraj 40 let kaže (Talley, 1973), da študenti prvega letnika kemije pokažejo večje kemijsko znanje ob uporabi modelov. To se odraža predvsem pri tistih študentih, ki imajo več izkušenj z različnimi načini vizualizacije. Ti študenti tudi bolje rešujejo naloge, ki zahtevajo višje kognitivne ravni znanja, kot so uporaba, analiza in evalvacija ter so sposobni kritičnejšega mišljenja. Podobne razultate kažejo tudi kasnejše raziskave tako v svetu kot pri nas (Ferk et al., 2003; Devetak et al., 2010b). Učenci, ki uporabljajo kombinacijo 3-D modelov in 3-D računalniških simulacij modelov, statistično pomembno bolje rešujejo test kemijskega znanja kot tisti, ki so uporabljali samo 3-D ali 2-D modele. Vzrok za to je verjetno v tem, da za razliko od tridimenzionalnih modelov dvodimenzionalni prikažejo le delno sliko in ne celotne oblike predstavljenega objekta (Trumbo, 1999; Kozma et al., 2000). Justova in Gilbert (2002c) sta na osnovi dosedanjih raziskav predlagala, da biti morajo pri uporabi modelov še posebej pozorni avtorji učbenikov in založniki, učitelji in tisti, ki učitelje izobražujejo. Prvi morajo predvsem eksplicitno podati razlage k modelom, ki jih predstavljajo v učbeniku. Tako avtorji učbenikov kot tudi učitelji se morajo izogibati uporabi hibridnih modelov. Hibridni modeli so tisti, ki so nastali z združevanjem različnih tipičnih lastnosti že oblikovanih modelov in so velikokrat prisotni pri poučevanju. Avtorja svetujeta, da bi morali vsi, ki snujejo izobraževalni material, in tisti, ki ga uporabljajo, rabiti že znane in v učni praksi potrjene modele za podajanje posameznih naravoslovnih vsebin. Submikropredstavitve delčne sestave snovi

Definicija

Daltonov model atoma in povezave atomov ali ionov med seboj lahko predstavimo s pomočjo submikropredstavitev tako, da model molekule ali kristalne strukture snovi preslikamo v 2-D (Shema 10) ali pri zahtevnejših


36

predstavitvah tudi v 3-D (Shema 11) statično sliko. Submikropredstavitve so lahko enostavne in enodelčne, kjer delec predstavlja le en vizualizacijski element – običajno krogec oz. krogla (Shema 10), ali pa so sestavljene in večdelčne (Shema 11), kjer je prikazana struktura molekule. Take submikropredstavitve lahko postanejo nepregledne, če jih uporabljamo za predstavitev velikih, predvsem organskih molekul (Shema 12), zato take molekule največkrat predstavljamo poenostavljeno shematsko, kjer poudarimo le specifične dele molekul, ki ji dajejo značilne lastnosti (Shema 13). Statično sliko lahko z računalniškimi programi animiramo in oblikujemo v dinamično animacijo, ki v končni fazi lahko postane interaktivna.

Submikropredstavitve lahko definiramo kot analoge modela nekega elementa ali spojine (Harrison in Treagust, 1998) oz. kar analogije delcev (Thiele in Treagust, 1994; Gabel, 1998). Submikropredstavitve so učencem na vseh ravneh šolanja, skladna z Mayerjevo teorijo (1993), pomembna komponenta procesa učenja. Mayerjeva teorija namreč poudarja razlagalno moč ilustracije, ki usmerja pozornost učenca na »določene specifične elemente, ki mu omogočajo gradnjo miselnih povezav med elementi« (str. 267) in s tem spodbujajo »smiselno učenje, ki je osnova strategiji reševanja problemov« (str. 267), (navedeno po Bunce in Gabel, 2002).

Shema 10. 2-D submikropredstavitev agregatnih stanj snovi (Atkins et al., 1995).

Shema 11. 3-D submikropredstavitev kemijske reakcije (McMurry in McFay, 2001).


37

Shema 12. 3-D submikropredstavitev fosfolipidnega dvosloja (Wikipedia).

Shema 13. Shematksi prikaz fosfolipidnega dvosloja (Wikipedia). V literaturi se pojavljajo različni izrazi, ki opisujejo načine predstavljanja naravoslovnih procesov na ravni delcev (Tabela 1).


38

Tabela 1. Način poimenovanja submikropredstavitve in avtorji, ki so poimenovanje uporabili.

Poimenovanje Avtor

mikroskopske ponazoritve (microscopic representations)

Ben-Zvi et al., 1987; Pereira, Pestana, 1991; Smith in Metz, 1996; Bradley et al., 1998; Singer et al., 2000; Wu et al., 2001; Rodrigues et al., 2001; Mulford in Robinson, 2002

submikroskopske ponazoritve (sub-microscopic representations)

Johnstone, 1991; Lee et al., 1993; Garnett et al., 1995; Salvaratnam, 1998; Gabel, 1999; Devetak in Glažar, 2001a, 2001b; Chittleborough et al., 2002; Glažar et al., 2002; Devetak in Urbančič, 2003

animirane reakcije (animating reactions)

Milne, 1999

risbe delcev ali slikovne predstavitve (particulate drawings; particle picture; pictures at the molecular level; pictures of matter; drawings of the molecules; pictorial representatuions)

Novick in Nussbaum, 1978; Novick in Nussbaum, 1981; Gabel et al., 1987; Prieto et al., 1989; Lythcott, 1990; Haidar in Abraham, 1991; Longden et al., 1991; Nakhleh, 1994; Ebenezer in Erickson, 1996; Harrison in Treagust, 1996; Bell in Ahlgren, 1996; Acquistapace, 1997; Noh in Scharmann, 1997; Sanger, 2000; Šegedin, 2002; Vermaat et al., 2003

predstavitve delcev (particle representations; representations of particles)

Bowen, 1998; Chiu et al., 2002

predstavitev delcev z diagrami (particulate diagrams; diagrammatic representations; diagrams)

Yarroch, 1985; Nurrenbern in Pickering, 1987; Pickering, 1990; Sawrey, 1990; Laverty in McGarvey, 1991; Nakhleh, 1993; Bradley in Mosimege, 1998; Gabel, 1998; Johnson, 1998a; Heyworth, 1999; Lee, 1999; Šegedin, 2000; Bunce in Gable, 2002

Katero poimenovanje je ustreznejše, je stvar presoje posameznika, vendar se bo v nadaljevanju uporabljal izraz submikroreprezentacije oz. submikro-predstavitve naravoslovnih pojmov in pojavov. Izbor poimenovanja je mogoče razložiti s pomočjo Sheme 14, ki prikazuje razmerje velikosti makro-, mikro- in submikrosveta. Delci snovi so manjši od velikostnega razreda mikro, saj sodijo


39

v nano oz. piko velikostni razred. Zato je ustreznejše, da za opis sveta delcev snovi uporabimo pojem submikropredstavitve (danes najbolj uveljavljen pojem v literaturi) ali celo nanopredstavitve, kot jih navajono nekateri avtorji (Bowen, 1998; Moore et al., 2002; Vermaat et al., 2003) oz. pikopredstavitve. Shema 14. Primerjava velikosti objektov (prirejeno po Moore et al., 2002).

Raziskovanje učenja in poučevanja kemijskih vsebin s pomočjo submikropredstavitev Raziskave zadnjih trideset let kažejo, da imajo učenci, dijaki in študenti težave pri razumevanju sveta delcev in njihovih simbolnih zapisov. Svet delcev je zanje abstrakten in neviden, razmišljanje o naravoslovnih pojavih pa se pri učencih v veliki meri omejuje na čutne, torej makroskopske zaznave (Johnstone, 1982; Ben-Zvi et al., 1987, 1988; Haidar in Abraham, 1991; Griffiths in Preston, 1992; Valanides, 2000; Brosnan in Reynolds, 2001; Glažar et al., 2002; Šegedin, 2002; Devetak in Urbančič, 2003; Papageorgioua in Johnson, 2005; Stains in Talanquer, 2008; Tien et al., 2007; Kelly in Jones, 2008; Devetak et al., 2009a; Devetak in Glažar, 2010a; Falvo et al., 2011; de Berg, 2012).

Vrzel v razumevanju naravoslovnega pojava na submikroravni, katere posledica je neko dogajanje na makroravni, ki je otrokom bližja, je mogoče

merilo

1 m 1 dm 1 cm 1 mm 100 µm 10 µm 1 µm 100 nm 10 nm 1 nm 100 pm 10 pm 1⋅100m 1⋅10−1m 1⋅10−2m 1⋅10−3m 1⋅10−4m 1⋅10−5m 1⋅10−6m 1⋅10−7m 1⋅10−8m 1⋅10−9m 1⋅10−10m 1⋅10−11m

človek list premer debelina rastlinska živalska bakterijska virus molekula molekula molekula atom papirja prstana zgoščenke celica celica celica DNK aspirina vode kisika Zazna človeško oko Zazna optični mikroskop

Zazna elektronski mikroskop

Zazna elektronska tunelska mikroskopija


40

premostiti z ustrezno zasnovanim eksperimentalnim delom. Tovrstna dejavnost omogoča transferje med obema ravnema. Prednosti tudi le 2-D stacionarnih submikropredstavitev so predvsem v tem, da submikropredstavitve vodijo učence, dijake in študente pri vizualnem spoznavanju kemijskih pojavov in so ustrezno orodje ugotavljanja učenčevih, dijakovih ali študentovih sposobnosti reševanja problemov (Bunce in Gabel, 2002). Rezultati raziskav integracije treh ravni naravoslovja na primeru razlikovanja fizikalnih in kemijskih sprememb kažejo, da tisti testiranci, ki so bili izpostavljeni submikro-reprezentacijam pri razlagi pojmov, bolje razumejo naravo snovi na ravni delcev kot tisti, ki so se učili samo s pomočjo besedila (Gabel, 1993; Lee et al., 1993; Bunce in Gabel, 1995, navedeno po Gabel, 1998; Gabel, 1999; Bunce in Gabel, 2002; Tien et al., 2007; Kelly in Jones, 2008).

V Tabeli 2 so navedene objave raziskav razumevanja posameznih kemijskih vsebin na submikroskopski ravni. Tabela 2. Vsebine, katerih razumevanje so avtorji raziskovali s submikropredsta-

vitvami.

Vsebina Avtor

osnovni delci snovi

Novick in Nussbaum, 1978, 1981; Gilbert et al., 1982, Ben-Zvi et al., 1986; Gabel et al., 1987; Andersson, 1990; Laverty in McGarvey, 1991; Abraham et al., 1992; Griffiths in Preston, 1992; Lee et al., 1993; Harrison in Treagust, 1996; Johnson, 1998a; Bradley et al., 1998; Harrison in Treagust, 2000; Georgiadou in Tsaparlis, 2000; Brosnan in Reynolds, 2001; Mulford in Robinson, 2002; Devetak in Urbančič, 2003

čiste snovi in zmesi

Laverty in McGarvey, 1991; Johnson, 1998a; Sanger, 2000; Šegedin, 2000; Devetak in Urbančič, 2003

agregatna stanja snovi

Novick in Nussbaum, 1981; Nurrenbern in Pickering, 1987; Pereira in Pestana, 1991; Nussbaum, 1992; Gabel et al., 1987; Stavy, 1988; Russell, 1989; Pickering, 1990; Sawrey, 1990; Bar in Travis, 1991; Haidar in Abraham, 1991; Lee et al., 1993; Noh in Scharmann, 1997; Johnson, 1998b, 1998c; Sanger, 2000; Singer et al., 2000; Bunce in Gable, 2002; Chiu et al., 2002; Mulford in Robinson, 2002; Devetak in Urbančič, 2003; Eskilsson in Hellden, 2003; Vermaat et al., 2003


41

Nadaljevanje Tabele 2.

lastnosti snovi Ben-Zvi et al., 1986; Laverty in McGarvey, 1991; Lee et al., 1993; Mulford in Robinson, 2002; Devetak in Urbančič, 2003

kemijske spremembe in/ali stehiometrija

Yarroch, 1985; Ben-Zvi et al., 1987; Nurrenberg in Pickering, 1987; Lythcott, 1990; Pickering, 1990; Sawrey, 1990; Laverty in McGarvey, 1991; Acquistapace, 1997; Noh in Scharmann, 1997; Lee, 1999; Milne, 1999; Georgiadou in Tsaparlis, 2000; Šegedin, 2000; Brosnan in Reynolds, 2001; Mulford in Robinson, 2002; Šegedin, 2002; Bunce in Gable, 2002; Devetak in Urbančič, 2003; Devetak et al., 2009b; Davidowitz et al., 2010; Kern et al., 2010

raztopine

Prieto et al., 1989; Haidar in Abraham, 1991; Longden et al., 1991; Lee et al., 1993; Abraham et al., 1994; Ebenezer in Gaskell, 1995; Ebenezer in Erickson, 1996; Noh in Scharmann, 1997; Johnson, 1998a; Heyworth, 1999; Šegedin, 2000; Valanides, 2000; Brosnan in Reynolds, 2001; Devetak in Glažar, 2001a, 2001b; Bunce in Gable, 2002; Glažar et al., 2002; Vermaat et al., 2003; Devetak et al., 2009a, 2009b; Falvo et al., 2011; Adadan in Savasci, 2011; de Berg, 2012

vodne raztopine elektrolitov

Nakhleh, 1994; Smith in Matz, 1996; Bradley in Mosimege, 1998; Gabel, 1999; Devetak in Glažar, 2001a, 2001b; Bunce in Gable, 2002; Glažar et al., 2002; Devetak et al., 2009a

osmoza in difuzija Haidar in Abraham, 1991; Odom in Barrow, 1995

celotna snov splošne kemije

Gabel, 1993

Pomembno je vedeti, da veliko različnih faktorjev vpliva na učenčevo doseganje dobrih rezultatov na preizkusih znanja, ki zajemajo submikropredstavitve (Halakova in Prokša, 2007; Sanger in Phelps, 2007; Stains in Talanquer, 2008). Raziskave tudi kažejo, da učitelji kemije pri pouku večinoma uporabljajo simbolno raven kemijskih pojmov (Williamson in Abraham, 1995; Chittleborough et al., 2002). Nekateri menijo, naj bi se submikropredstavitve vpeljale v pouk naravoslovja že pri 10 ali 11 letih (Longden et al., 1991; Papageorgioua in Johnson, 2005). Po prenovljenem učnem načrtu za naravoslovje v 6. razredu osnovne šole se tudi v Sloveniji


42

vpeljujejo enostavne enodelčne submikropredstavitve za razlago agregatnih stanj snovi in njihovih sprememb. Ali je tovrsten način poučevanja kemijskih vsebin naravoslovja tako zgodaj v osnovni šoli uspešen, pa bomo videli čez čas, ko se bodo opravile raziskave o razumevanju submikropredstavitev pri mlajših slovenskih osnovnošolcih.

Buncova in Gablova (2002) sta ugotovili, da so srednješolci, stari 16 in 17 let, iz eksperimentalne skupine statistično pomembno bolje (p = 0,045) reševali test, ki je vseboval različne vsebine (agregatna stanja snovi, kemijska reakcija, raztopine in elektrolite) kot njihovi vrstniki iz kontrolne skupine. Dijaki eksperimentalne skupine so bili med izobraževalnim procesom izpostavljeni makro-, submikro- in simbolni ravni pojmov, dijaki v kontrolni skupini pa le makro- in simbolni ravni. Največjo razliko v razumevanju sta ugotovili na področju agregatnih stanj snovi (p = 0,000). Ugotovili sta tudi, da so bila dekleta eksperimentalne skupine bistveno boljša od deklet kontrolne skupine (p = 0,000). Podobno ugotavljata za fante, le da je bila razlika statistično nekoliko manj pomembna (p = 0,014). Statistično je bila tudi značilna razlika med spoloma v kontrolni skupini (p = 0,004), v eksperimentalni skupini pa razlika ni bila več statistično pomembna. Iz tega lahko sklepamo, da je vpliv submikroreprezentacij na fante manjši kot na dekleta.

Georgiadou in Tsaparlis (2000) sta testirance (N = 380) razdelila v štiri skupine (eno kontrolno in tri eksperimentalne). Prva eksperimentalna skupina je bila izpostavljena edukacijski strategiji integracije trojne narave kemijskih pojmov, ki jo je razvil Johnstone. Druga eksperimentalna skupina je sodelovala pri pouku, ki je bil zasnovan na teoriji psihologa Case, ki temelji na strategijah zmanjšanja obremenitve delovnega spomina. Tretja eksperimentalna skupina pa je bila deležna kombinacije obeh metod, Johnstone in Case. Rezultati študije so pokazali, da so bili srednješolci eksperimentalnih skupin statistično pomembno boljši od kontrolne. Johnston in Johnstone-Case skupina je bila bistveno uspešnejša od ostalih dveh. Na testu čez približno štiri mesece so največ znanja o obravnavani vsebini pokazali dijaki najuspešnejših skupin že na prvem testu.

Dijaki, ki so spoznavali kemijske pojme s pomočjo integracije trojne narave kemijskih pojmov, ki jo je učitelj podal z 2-D stacionarnimi predstavitvami in je povezal vsebine z življenjskimi izkušnjami dijakov, niso bistveno bolje reševali samo nalog, ki so od njih zahtevale znanje na submikroravni, ampak


43

tudi naloge, ki so preverjale razumevanje pojmov na makro- in simbolni ravni. Ne glede na to pa je bil povprečni rezultat na testu dokaj slab, saj so povprečno dijaki dosegli v eksperimentalni skupini 38,4 %, v kontrolni pa le 29,9 % vseh točk. Avtorica študije zato ugotavlja, da dijaki ne vidijo povezave med življenjem in vsebinami, ki so bile testirane oz. si zapomnijo manj kot 50 % vseh vsebin. Gabelova (1993) zato predlaga, da je potrebno razmisliti o obsegu in zahtevnosti vsebin, ki se poučujejo pri kemiji v srednjih šolah. Zaključiti je mogoče, da uporaba STRP modela bistveno izboljša razumevaje kemijskih pojmov in retenzijo pridobljenega znanja.

Eskilsson in Hellden (2003) celo navajata, da so otrocih stari od 10 do 12 let sposobni ob ustrezni izobraževalni strategiji razviti ustrezni znanstveni mentalni model zgradbe snovi na ravni delcev. Izvedla sta longitudinalno študijo s pomočjo zaporedja štirih intervjujev. Intervjuje sta izvajala med potekom izobraževanja, kjer je bil poudarjen model zgradbe snovi na ravni delcev. Ugotovila sta, da je v primerjavi s prvim (leto 1997) in četrtim (leto 1999) intervjujem 50 % učencev napredovalo po vnaprej določeni lestvici razvoja mentalnega modela o zgradbi snovi in doseglo višjo raven razumevanja naravoslovnih pojavov na submikroravni. Okoli 30 % intervjuvancev je pri opisu naravoslovnega pojava spontano uporabljalo raven delcev. Okoli 70 % učencev pa ga je uporabilo spontano ali z majhno pomočjo izvajalca intervjuja. Ugotovila sta, da bolje kot se je učenec odrezal na prvem intervjuju, boljši uspeh je dosegel pri nadaljnjih razgovorih.

Na osnovi rezultatov longitudinalne študije je Johnson (1998a, 1998b) oblikoval štiri mentalne modele o zgradbi snovi učencev, starih od 11 do 14 let. Ti modeli so: (1) model X – predstavlja nerazumevanje zgradbe snovi, predvsem kot kontinuiran model (brez označenih delcev, črta loči snov od okolice); (2) model A – predstavlja nadgradnjo modela X, le da so v prostoru, ki ga omejuje črta, narisani delci, med katerimi naj bi bila tudi neka snov; (3) model B – kjer so podani delci snov, vendar z makroskopskimi lastnostmi, med delci pa ni nič in (4) model C – snov je iz delcev, lastnosti snovi pa so posledica lastnosti teh delcev. Submikropredstavitev, ki so jih otroci risali, ni bilo vedno lahko klasificirati kot določen model, zato je postavil tudi mešane modele. Johnson (1998a) dokazuje, da so učenci od enajstega leta naprej sposobni ponazoriti snov na ravni delcev. Na osnovi rezultatov študije Johnson (1998a) poudarja, da učencem pomagajo submikroreprezentacije razumeti vrsto


44

lastnosti snovi, med njimi tudi agregatno stanje. Učencem je zato potrebno ponuditi možnost razvijanja njihovega mentalnega modela o zgradbi snovi na ravni delcev že zelo zgodaj.

Tudi Nussbaum (1992) in Maskill s sodelavci (1997) ugotavljata, da so učenci sposobni dojeti raven delcev prej, kot ponavadi mislimo, in da jih pri tem podcenjujemo, kar vodi v s tem povezane težave razumevanja naravoslovnih pojavov.

Nekatere druge raziskave pa kažejo ravno obratno (Brosnan in Reynolds, 2001), češ da so mladostniki šele pri 17. letih sposobni uporabljati submikrojezik pri opisovanju nekega makropojava. Dokazala sta, da otroci med 11 in 16 letom niso sposobni ugotoviti razlik med stavki, ki jim jih je podajal računalnik, in so zajemali opise makro-, submikro- in simbolnega sveta kemijskih pojmov s področja agregatnih stanj vode, raztapljanja, gorenja in rjavenja. Starejši otroci so bili boljši, saj v vzorec zajeti mlajši učenci (N = 82) še niso spoznali atomske teorije, starejši pa so izbrali naravoslovje kot dodatni predmet in so se z atomsko teorijo že srečali.

Eden bistvenih vzrokov, da učenci, dijaki ali študenti dojemajo kemijo kot eno najtežjih naravoslovnih ved, je po mnenju Johnstona (1991) v tem, da eksperimentalna opažanja opišejo le na makroskopski ravni. Učitelji pa od učencev ali dijakov pričakujejo interpretacijo rezultatov poskusa na submikroskopski in simbolni ravni, kar pa je zanje prezahtevno in brez smisla, če submikroskopskega sveta delcev ne razumejo. Prav zato se učenci, dijaki pa tudi študenti glede na izsledke študij malo naučijo z laboratorijskim delom (Johnstone in Letton, 1990; Johnstone et al., 1994; Gabel, 1999), vendar ne zato, ker je kemija težka, ampak ker laboratorijsko delo ni učinkovito, saj ni ustrezno organizirano (Gabel, 1999).

Učitelj ali avtorji laboratorijskega gradiva morajo zato pri snovanju eksperimentalnega dela biti pozorni na snovi, ki jih predpišejo za izvedbo poskusa. Učencem so neznani reaktanti dodatna ovira pri laboratorijskem delu in razumevanju kemijskih sprememb, ki jih opazujejo. Neznana snov, s katero učenec dela, je zanj tako dodaten abstrakten pojem. Avtorji učbenikov in učitelji bi zato morali pri laboratorijskem delu uporabiti snovi, ki so učencem znane. Učenci bi se v tem primeru lahko osredotočili le na rezultate poskusa. Zavedati se je namreč treba, da učenci živijo v makroskopskem svetu snovi, ki


45

imajo maso in zavzemajo nek prostor, vendar večinoma ne povezujejo kemije, pa tudi širšega naravoslovja s svojo okolico. Pod pojmom kemikalije oz. snovi, ki se uporabljajo pri kemiji, se zanje največkrat skriva neka nevarnost s čudnimi in zapletenimi kemijskimi imeni. Raziskovalci zato ugotavljajo, da ne samo, da je učenje naravoslovja in tudi kemije na učencu znanem primeru iz makroskopskega sveta bolj učinkovito, ampak so za učenje tovrstnega naravoslovja tudi bolj pozitivno motivirani (Phelps, 1996).

Pri raziskovanju razvoja učenčevih sposobnosti za opisovanje naravoslovnih pojavov oz. razlago eksperimentalnih opažanj so ugotovili, da je mogoče učence kategorizirati na šest skupin glede na abstraktnost njihove razlage pojava. Tako je mogoče določiti učence: (1) ki ne znajo opisati pojava; (2) katerih opis se nanaša na izvor snovi (lastnosti snovi so posledica načina nastanka snovi); (3) ki opis navežejo na uporabnost snovi (obratno navedena vzrok in posledica, lastnosti snovi v odvisnosti od uporabe); (4) opišejo snov s pomočjo njenih makroskopskih lastnosti; (5) opišejo snov z uporabo pojmov gostota in število delcev in (6) opišejo snov s pomočjo sil med delci. Starejši kot so učenci, večji odstotek jih je sposobnih pojav opisati z uporabo abstraktnejših ravni. Ugotovili so tudi, da večina otrok preide v razvoju naravoslovnih pojmov preko navedenih stopenj (Bradley et al., 1998), tako da je potrebno otroka ustrezno voditi preko eksperimentalnega dela, ki je primerno njegovi stopnji razvoja mišljenja in s tem postopno razvijati sposobnosti razlage pojavov na ravni delcev tako, da onemogočimo nastanek za kasnejše vplive zelo obstojnih napačnih razumevanj. Obstaja več poti nastanka napačnih razumevanj. To so predvsem: (1) uporaba vsakdanjega jezika, ki povzroča pri ljudeh različne neustrezne mentalne modele nekega pojava; (2) uporaba več različnih definicij in modelov za nek pojem; (3) aplikacija algoritmov in učenje definicij pojmov na pamet; (4) integracija novih pojmov v že napačno oblikovan mentalni model; (5) mešanje med seboj podobnih pojmov; (6) pripisovanje pojmom človeške ali živalske lastnosti; (7) neustrezno predznanje vsebin na katerih se nadgradi znanje; (8) nesposobnost ustrezne vizualizacije submikroskopske narave snovi ter (9) uporaba preveč splošnih edukacijskih strategij, ki povzročajo neustrezne pojmovne spremembe (Garnett et al., 1995).

Raziskave tudi pri nas kažejo, da imajo slovenski učenci (Devetak et al., 2009a, 2009b), dijaki (Devetak, 2005; Devetak et al., 2009a; Devetak in Glažar, 2010a) in študenti (Devetak et al., 2004; Ferk-Savec in Vrtačnik, 2007) številna


46

napačna razumevanja submikro ravni kemijskih pojmov, zato bi morali imeti učeči se pri kemiji dostop do učnega gradiva, ki poudarja submikro raven, pri čemer je ugotovljeno, da je ravno ta raven v slovenskih učbenikih za kemijo zelo redka. Več o tem v nadaljevanju.

Napačna razumevanja zgradbe snovi na ravni delcev

Napačna razumevanja zgradbe snovi in agregatnih stanj lahko uvrstimo v nekaj kategorij. Zelo pogosto napačno razumevanje je poimenovanje zgradbe snovi kot kontinuiran ter statični model. Prehode med agregatnimi stanji pa definirajo otroci tudi kot: (1) izginjanje snovi (izparevanje vode); (2) sprememba položaja snovi (razlita voda se je vpila v tla); (3) modifikacija snovi (tekoča voda se spremeni v majhne nevidne delce, ki se imenujejo para) in (4) transmutacija snovi (v mehurčkih vode, ki vre je zrak – vse česar otroci ne vidijo, definirajo kot zrak) (Andersson, 1990).

Najpogosteje učenci, dijaki in celo študenti pripisujejo delcem snovi makroskopske lastnosti. Taka napačna razumevanja so: (1) molekulo vode lahko stehtamo; (2) atome lahko vidimo pod mikroskopom; (3) delec snovi je majhen vendar dovolj velik, da ga lahko vidimo; (4) molekule plina so vroče; (5) molekule plina se razširijo, ko jih segrejemo; (6) ko zmešamo barvilo in vodo, se molekule vode obarvajo; (7) ko voda zmrzne v led, zmrznejo in se strdijo tudi molekule vode; (8) molekule vode so v ledu težje, v pari pa lažje, kot v tekoči vodi; (8) med atomi v snovi nekaj obstaja; (9) atom lahko spremeni obliko … (Ben-Zvi et al., 1986; Andersson, 1990; Haidar in Abraham, 1991; Griffiths in Preston, 1992; Lee et al., 1993; Garnett et al., 1995; Williamson in Abraham, 1995; Harrison in Treagust, 1996; Johnson, 1998a; Krnel et al., 1998; Valanides, 2000; Brosnan in Reynolds, 2001; Nicoll, 2001; Chiu et al., 2002; Harrison in Treagust, 2000). Učenci tudi velikokrat menijo, da je voda sestavljena iz kisika in vodika, torej da je zmes plinov. To napačno razumevanje je najverjetneje posledica nenatančnega poučevanja kemije (Garnett et al., 1995), oz. se po učiteljevem mnenju za enostavne pojme posveti premalo časa ali pa se nanje posebej ne opozori, ker se mu zdijo sami po sebi umevni (Šegedin, 1999).

Učenci pogosto pripišejo delcem snovi življenje, ker se gibljejo (Griffiths in Preston, 1992; Nussbaum, 1992; Garnett et al., 1995; Harrison in Treagust, 1996; Sanger et al., 2000). Celo v prvem letniku fakultete je mogoče zaslediti


47

izjavo: »Žlahtni plini so srečni, ker imajo polno zunanjo lupino« (Nicoll, 2001). To napačno razumevanje verjetno izhaja iz dejstva, da se istočasno pričnejo učenci učiti o celicah, ki jih ne vidijo in so žive, ter o atomih, ki jih tudi ne vidijo in tako pomešajo lastnosti obeh objektov (Garnett et al., 1995).

Griffiths in Preston (1992) sta pri tridesetih intervjuvanih dijakih starih 18 let identificirala kar 52 napačnih razumevanj osnovnih delcev snovi. Haidar in Abraham (1991) sta v svoji raziskavi ugotovila, da ima kar 40 % sedemnajstletnikov napačna razumevanja osnovnih pojmov agregatnih stanj snovi, raztopin, difuzije in efuzije.

Podobno sta dokazali Pereira in Pestana (1991), ko sta ugotavljali mentalne modele učencev in dijakov, starih od 13 do 18 let. Agregatna stanja vode si mlajši učenci predstavljajo kot makroskopsko entiteto, saj so narisali kozarce, kjer so označili gladino vode, kocko ledu, oblake ..., torej makropojave. Delež testirancev, ki je uporabljal makropredstavitve, se je manjšal s starostjo otrok. V starejših skupinah so dijaki uporabili strukturne formule za predstavitev molekul vode. Poleg tega sta ugotovili avtorici, da so dinamično komponento delcev pogosteje označili trinajstletniki (54 %) v primerjavi z osemnajstletniki (5 %). Pogosteje se je kakršnakoli oznaka gibanja pojavila v plinastem agregatnem stanju. Navajata pa tudi ugotovitev, da je kar 39 % mlajših testirancev nakazalo povečevanja velikosti delcev od trdnega, proti plinastemu agregatnemu stanju. Pri osemnajstletnikih se je tovrstna shema pojavila pri 15 % testirancev. Najuspešnejši so bili pri ponazarjanju agregatnih stanj vode otroci, stari od 15 do 17 let.

Nekatere študije so tudi pokazale, da se učenci ne zavedajo, da je v plinu med delci prazen prostor, ampak menijo, da je med njimi kakšna druga snov, recimo zrak ali kaj podobnega (Lee et al., 1993). Ben-Zvijeva s sodelavci (1986) tako ugotavlja, da kar 46 % dijakov, povprečne starosti petnajst let, ne loči med makro- in submikrolastnostmi snovi ter da jih kar 66 % meni, da imajo atomi v plinastem oz. trdnem agregatnem stanju različne lastnosti oz. da so atomi v plinastem agregatnem stanju večji kot v trdnem (19 %). Več kot 60 % dijakov meni, da ima tudi posamezni atom sposobnost prevajanja elektrike in kar 48 % jih predvideva, da so atomi bakra rjave barve. Andersson (1990) navaja ugotovitev, da veliko učencev meni, da so atomi fosforja belo rumene barve podobno kot fosfor in ko se fosfor tali, se talijo tudi atomi. Podobno imajo po njihovem mnenju molekule naftalena neprijeten vonj kot naftalen in da so v


48

vroči vodi tudi molekule vode vroče. Lee s sodelavci (1993) ugotavlja, da se po mnenju učencev pri spremembah agregatnega stanja spremeni tudi količina snovi in lastnosti delcev, ki to snov sestavljajo. Menijo, da se pri segrevanju ali ohlajanju snovi segrejejo ali ohladijo tudi delci, ki snov sestavljajo. Podobno ugotavljata tudi Ingham in Gilbert (1991), ko navajata, da so celo študenti kemije na fakulteti pripisali barvo delcem snovi glede na njihovo barvo na makroravni (molekule klora so zelene, atomi bakra so rdeče-rjavi). Napačno razumevanje barve atomov ali molekul pa najverjetneje izhaja iz dejstva, da model atoma klora, npr. zelena kroglica, vodika bela, kisika rdeča in drugo.

Tak način napačnega razmišljanja je posledica sklepanja, da je snov kontinuirano zgrajena, torej ni zgrajena iz delcev, med katerimi je prazen prostor. V primeru, da učenec misli, da ni prostora med delci, ki snov sestavljajo, predmet iz te snovi pa se pri ohlajanju skrči, potem lahko sklepa, da se morajo delci zmanjšati (Harrison in Treagust, 2002). Tudi Johnson (1998a) ugotavlja, da imajo enajst- do štirinajstletni otroci razvit predvsem kontinuirni mentalni model snovi oz. delcem pripisujejo makroskopske lastnosti, znanstvenega modela snovi pa večinoma še nimajo oblikovanega.

Mulford in Robinson (2002) ugotavljata, da le 19 % študentov prvih letnikov fakultete, ki obiskujejo predmet splošna kemija, pravilno loči lastnosti atoma žvepla od lastnosti žvepla na makroravni. 39 % študentov je na vprašanje, kateri delci so v vodni pari, izmed ponujenih odgovorov izbralo pravilnega, kar 37 % pa je izbralo odgovor, ki je podajal trditev, da molekule vode razpadejo na molekule ali atome vodik in kisika. Zanimiva je tudi ugotovitev, da je 24 % študentov izbralo odgovor, ki je podajal prazen prostor, torej so sklepali, da v vodni pari ni delcev. Chiu in sodelavci (2002) ugotavljajo, da so šestnajstletniki dosegli najboljši uspeh pri nalogah, ki so testirale plinasto agregatno stanje na ravni delcev, čeprav je to agregatno stanje po mnenju raziskovalcev najabstraktnejše za učence. Ne glede na to, pa zaključujejo, da je potrebno upoštevati, da se učenci pogosto srečajo v učbenikih z razlago plinov na ravni delcev. Prav tako ugotavljajo, da dijaki pri tej starosti niso dojeli, da med delci stalno prihaja do medsebojnih interakcij in da je dinamična komponenta spoznavanja modela zgradbe snovi še posebej pomembna.

Šegedin (1999) omenja šibko znanje dveh skupin študentov prvih letnikov različnih študijskih smeri. Določevali so, kateri od šestih modelov (molekula klora, metana, fosforja, žvepla in dela ionskega ter kovalentnega kristala) je


49

model elementa. Največ težav so imeli študenti pri določanju, da model molekule žvepla predstavlja element (26 % uspeh). Najuspešnejši so bili študenti pri določanju klora kot elementa, saj je pravilno rešilo nalogo 65 % študentov. Odstotki so podani za obe skupini testirancev skupaj. Rezultati so lahko posledica tega, da se z dvoatomarnimi plini kot elementi na ravni delcev učenci največkrat srečujejo od osnovne šole naprej.

Podobna napačna razumevanja agregatnih stanj snovi na ravni delcev je mogoče identificirati tudi med slovenskimi šestnajstletniki (Devetak, 2005) ter med osnovnošolci (Devetak et al., 2009b). Konkretni rezultati študije (Devetak, 2005) kažejo, da je bilo v povprečju 52,6 % dijakov uspešnih pri reševanju nalog s področja čistih snovi in zmesi. Treba je opozoriti, da kar 25,7 % od 408 dijakov drugega letnika gimnazije na submikroravni ne prepozna spojine kot čisto snov, hkrati pa kar 27,9 % dijakov določi, da je čista snov tudi submikropredstavitev zmesi dveh elementov. Podobno je mogoče povzeti, da kar 30,2 % dijakov ne prepozna submikropredstavitve zmesi dveh spojin in da ne ločijo med submikropredstavitvami spojine in elementa. Menijo, da spojino ponazarja vsaka molekula ne glede na vrsto atomov elementov, vezanih v njej. Dijaki namreč menijo, da predstavlja element le posamezni atom, ne pa tudi več enakih atomov, vezanih v molekulo elementa. Iz tega je mogoče sklepati, da ti dijaki povezujejo molekule s spojinami, z elementi pa le atome.

Dijaki imajo veliko težav pri predstavljanju agregatnega stanja vode na submikroravni. Le 7,8 % šestnajstletnikov je bolj ali manj pravilno narisalo submikropredstavitve (Slika 1). Slika 1. Pravilno narisane submikropredstavitve agregatnih stanj vode, čeprav so

razdalje med delci v ledu nekoliko premajhne v primerjavi z razdaljami med delci v tekoči vodi.

Najuspešnejši so bili dijaki pri risanju submikropredstavitve plinastega agregatnega stanja (65,2 %), najmanj dijakov pa je pravilno predstavilo tekoče agregatno stanje (7,8 %).


50

a b

Z analizo submikropredstavitev je mogoče ugotoviti številna napačna razumevanja agregatnih stanj vode. 29,2 % dijakov je narisalo nekoliko prevelike razdalje med molekulami vode (Slika 2a), kar predstavlja najpogostejše napačno razumevanje tekočega agregatnega stanja, kar 23,9 % pa jih je narisalo tekoče agregatno stanje kot plin.

Najpogostejša napaka pri predstavitvi ledu kaže, da dijaki niso upoštevali povečanja razdalje med molekulami vode pri prehodu iz tekočega v trdno agregatno stanje. Tako so dijaki pogosto risali molekule vode v tekoči vodi nekoliko bolj narazen kot v ledu (Slika 2b). Le 16,8 % dijakov je upoštevalo nekoliko večje razdalje med molekulami vode v ledu, kot so jih narisali v tekoči vodi. Slika 2. Submikropredstavitev agregatnega stanja vode, kjer so razdalje med

molekulami prevelike (a) in pretesno narisane molekule vode v trdnem agregatnem stanju (b).

Urejeno je molekule vode v tekočem agregatnem stanju narisalo 26,7 % dijakov, v plinastem agregatnem stanju pa 4,4 % dijakov (Slika 3).

Slika 3. Submikropredstavitvi, kjer so molekule vode v tekočem in plinastem agregatnem stanju narisane urejeno.

Raziskava tudi kaže, da so bili dijaki najuspešnejši pri povezovanju simbolnega zapisa za natrijev klorid (NaCl) s submikropredstavitvijo dela kristalne strukture natrijevega klorida (več kot 95 % pravilnih odgovorov). Vzrok za tako dober uspeh pri prepoznavanju submikropredstavitve ionskega kristala je


51

nedvomno v tem, da so se učenci pri kemiji že v 8. razredu srečali s tovrstnimi predstavitvami ionskih kristalov v učbenikih ter kasneje spet v srednji šoli. Največ težav so imeli pri povezovanju submikropredstavitve joda z njegovim simbolnim zapisom. Kovinski kristal na submikroravni in s tem povezavo tega s simbolom za kalcij je prepoznalo več kot 70 % dijakov, nekoliko manj (66,2 %) pa jih je pravilno povezalo submikropredstavitev klora z njegovim simbolnim zapisom.

Napačna razumevanja raztopin na ravni delcev

Napačno razumevanje osnovne zgradbe snovi in prehodov med agregatnimi stanji se navezuje na napačno razumevanje raztopin.

Lee s sodelavci (1993) navaja, da si dvanajstletniki redko predstavljajo, da topljenec, ko se raztopi, ne izgine, ampak da je še vedno prisoten v nastali raztopini, kjer pa se razgradi na tako majhne delce, da jih ni več mogoče videti. Ne glede na to pa ne znajo na submikroravni razložiti procesa raztapljanja, čeprav so bili izpostavljeni razlagi na ravni delcev.

Podobno ugotavlja tudi Valanides (2000), ki je s pomočjo intervjujev zbral podatke o razumevanju raztopin sladkorja, natrijevega klorida in etanola na ravni delcev pri bodočih učiteljih naravoslovja. Kar enajst od dvajsetih študentov je menilo, da se sladkor stali v vodi, in kar trinajst jih je menilo, da bi sladkor, če bi raztopino filtrirali, ostal na filtrirnem papirju. Osem intervjuvancev je reklo, da poteče med raztapljanjem kemijska sprememba, saj se molekule vode vežejo na molekule sladkorja, pri tem pa nastane nova snov, sladka voda. Podobno kot študenti ima tudi veliko otrok napačna razumevanja glede raztapljanja snovi, saj pogosto menijo, da se topljenec medtem stali (Ebenezer in Gaskell, 1995; Ebenezer in Erickson, 1996; Selley, 2000, navedeno po Harrison in Treagust, 2002).

Prieto s sodelavci (1989) ugotavlja, da se model raztopine na ravni delcev pri učencih od 11. do 13. leta bistveno ne spremeni. Ugotovil je, da učenci procesa raztapljanja ne povezujejo z delci, ampak se dokaj konstantno ohranja pri učencih mentalni model kontinuiranosti raztopine, kar je mogoče videti na makroravni.

Šestnajst- in sedemnajstletniki poskušajo s pomočjo submikropredstavitev razložiti raztapljanje sladkorja v vodi. Pri tem narišejo raztapljanje na osnovi


52

makroskopskih opažanj, torej da kocka sladkorja v vodi izgine, manj pa jih uporabi pri tem risbe delcev (Butts in Smith, 1987). Zanimive ugotovitve je predstavil Longden s sodelavci (1991), saj navaja, da imajo več težav učenci od enajstega do trinajstega leta starosti pri opisu raztapljanja na makroravni kot na ravni delcev. Enajstletniki so kar v 49 % pravilno narisali raztapljanje na ravni delcev, raztapljanje na makroravni pa je pravilno narisalo le 40 % istih testirancev. Trinajstletni učenci so le za 2 % bolje narisali raztapljanje na makroravni, kar 62 % pa jih je pravilno narisalo submikropredstavitev raztapljanja. Ugotovili so, da se je pri učencih od 11. do 13. leta starosti statistično pomembno zmanjšalo število napačnih razumevanj procesa raztapljanja na ravni delcev. Ta raziskava kaže, da so učenci že pri enajstih letih sposobni razumeti pojav raztapljanja na ravni delcev, čeprav se o tem v šoli formalno še niso seznanili.

Tudi pri nas je bilo že narejenih nekaj raziskav o razumevanje raztopin na ravni delcev in mogoče je povzeti, da tako dijaki, ki opravljajo maturo iz kemije (Glažar in Devetak, 2002; Glažar et al., 2002; Devetak in Urbančič, 2003; Devetak et al., 2004b; Devetak, 2005; Devetak et al., 2009a, 2009b), kot tudi študenti na začetku študija (Šegedin, 2000; Devetak in Urbančič, 2003; Devetak et al., 2004a, 2004b) slabo razumejo razporeditve delcev topljenca v raztopini, veliko uspešnejši pa so pri razumevanju pojma koncentracija raztopine na ravni delcev.

V raziskavi, kjer je sodelovalo 408 šestnajstletnikov (Devetak, 2005), je mogoče identificirati številna napačna razumevanja raztopin na ravni delcev. Pri reševanju nalog s področja raztopin je bilo uspešnih povprečno 43 % dijakov. Nekatera najpogostejša identificirana napačna razumevanja raztopin na ravni delcev so predstavljena v Tabeli 3.


53

Tabela 3. Nekateri primeri dijakovih submikropredstavitev, ki kažejo napačna razu-mevanja raztopin na ravni delcev.

Opis napačnega razumevanja Primeri submikropredstavitev dijakov, ki ilustrirajo napačna

razumevanja

Napačno razumevanje razporeditve delcev v raztopini; delci topila in topljenca so preveč narazen.

Napačno razumevanje nasičene raztopine; edina razlika v submikropredstavitvi nenasičene raztopine (shema A) in nasičene raztopine (shema B) je v številu delcev topljenca. A B

Napačno razumevanje koncentracije raztopine na ravni delcev; submikropredstavitev naj bi predstavljala isto koncentracijo raztopin v obeh čašah. Napačno razumevanje razporeditve delcev v raztopini.

Napačno razumevanje elektrolitske disociacije; desna shema prikazuje raztopino kalijevega jodida, leva pa svinčevega nitrata(V).

Napačno razumevanje razmerja med številom delcev topila in topljenca v raztopini; bele elipse predstavljajo molekule saharoze, črni krogci pa molekule vode.

Napačna razumevanja kemijske reakcije na ravni delcev

Napačna razumevanja kemijske reakcije in zapisov kemijske reakcije so tesno povezana z napačnimi razumevanji zgradbe snovi na ravni delcev. Raziskovalci tako ugotavljajo, da dijaki ne razumejo osnovnih pojmov kemijske reakcije na submikroravni. To pomeni, da dijaki niso sposobni iz submikroponazoritve kemijske enačbe zapisati njeno enačbo na simbolni ravni (Yarroch, 1985; Andersson, 1990; Ben-Zvi et al., 1987; Nurrenberg in Pickering, 1987; Laverty


54

in McGarvey, 1991; Garnett et al., 1995; Acquistapace, 1997; Lee, 1999; Šegedin, 2000; Mulford in Robinson, 2002; Devetak, 2005).

Yarroch (1985) je s pomočjo intervjujev ugotavljal, kako sedemnajstletniki razumejo kemijske enačbe. Ugotovil je, da okoli tri četrtine dijakov, ki so pravilno po algoritmu uredili enačbo, ni znalo te enačbe predstaviti s pomočjo submikropredstavitve kemijske reakcije, ki jo enačba predstavlja. Narisali so različne submikropredstavitve, ki so se ujemale s številom delcev v enačbi, niso pa pravilno narisali molekul reaktantov in produktov. Ugotovil je tudi, da so koeficienti v kemijski enačbi in števila atomov v formulah snovi za intervjuvance zgolj številke, njihov kemijski pomen pa zanje ni važen (Shema 15).

N2 + 3 H2 → 2 NH3

Shema 15. Submikropredstavitev dijaka, ki je pravilno uredil enačbo kemijske

reakcije vendar ne razume njenega pomena (Yarroch, 1985). Podobno so ugotavljali Garnett in sodelavci (1992) pri avstralskih srednješolcih (navedeno po Garnett et al., 1995). Od 15 intervjuvanih dijakov sta le dva pravilno prevedla submikropredstavitev kemijske reakcije, kjer je prikazan en reaktant v prebitku, v enačbo kemijske reakcije. Nekateri so enostavno prešteli vse molekule in jih tudi toliko zapisali v enačbo, drugi pa naredili iste napake, kot jih je opisal že Yarroch (1985).

Mulford in Robinson (2002) navajata, da je pravilno submikroreprezentacijo reakcijske zmesi po končani reakciji na osnovi podane enačbe reakcije in legende reaktantov, pravilno izbralo le 11 % študentov na predtestu in 20 % na testu na koncu semestra. Več kot 60 % testirancev na obeh testih pa je izbralo odgovore, ki so podajali napačno submikropredstavitev končnega stanja glede na zakon o ohranitvi mase. Kar 75 % študentov na začetku semestra ni poznalo razlik med koeficientom »2« in številom »3« v zapisu 2 SO3, na koncu semestra je bilo takih študentov še vedno 57 %.

Ben-Zvijeva s sodelavci (1987) ugotavlja, da lahko enačba reakcije (Shema 16), ki razlaga nastanek ionskih spojin in je v učbenikih zelo pogosto zapisana, vodi v napačna razumevanja sestave ionskih spojin. Otroci lahko povežejo tak


55

zapis s splošnim dejstvom, da dva simbola, ki označujeta dva različna elementa in sta zapisana skupaj, podajata strukturo molekule, kar je v primeru ionskih snovi napačno.

Shema 16. Enačba nastanka »molekule« natrijevega klorida (Ben-Zvi et al., 1987). Študenti prvega letnika univerzitetnega študija ne znajo prevesti enačbe kemijske reakcije med vodikom in jodom v submikroreprezentacijo reaktantov in produktov. 26 % študentov kontrolne skupine ter ravno toliko prve in celo več, 32 % druge eksperimentalne skupine (izpostavljenost računalniškim animacijam kemijske reakcije na submikroravni) ni narisala dvoatomarne molekule reaktantov, ampak le atome vodika in joda. Iz tega sledi, da študenti niso bolje razumeli povezav submikroravni delca z njegovim simbolnim zapisom tudi po uporabi računalniških animacij (Williamson in Abraham, 1995). Podobno ugotavlja za naše študente Šegedin (2002), ki navaja, da je le 9 % testirancev pravilno prevedlo enačbo kemijske reakcije v submikro-predstavitev zmesi produkta in prebitnega reaktanta po poteku reakcije med vodikom in kisikom. Podana pa je bila submikropredstavitev z legendo za zmes reaktantov pred potekom reakcije. Prav tako ugotavlja, da kar 16 % študentov ni narisalo prebitne molekule kisika. Kar 58 % testirancev pa na kakršenkoli način ni upoštevalo zakona o ohranitvi mase.

Simbolni kemijski jezik povzroča tudi pri dijakih, ki izberejo kemijo kot maturitetni predmet, veliko težav. Ker se učijo formule in enačbe reakcij bolj ali manj na pamet, zato jim napačno napisane enačbe reakcij povzročajo težave pri reševanju stehiometrijskih problemov (Schmidt, 1994; Devetak, 2000; Glažar in Devetak, 2002). Predvidevanje, da je znanje povprečnega dijaka, ki zaključi srednjo šolo še šibkejše, se je izkazalo za resnično, saj smo ugotovili še slabše razumevanje kemijske reakcije na ravni delcev kot pri maturantih. Ugotovljeno je bilo tudi šibko razumevanje interakcij med delci (Devetak in Urbančič, 2003), kar je potrdil tudi Šegedin (2000). Z uporabo submikro-predstavitev, s katerimi bi spoznali kvalitativno raven kemijskih pojmov pred uporabo kvantitativne ravni, bi se lahko v veliki meri izognili tem težavam (Bowen, 1998; Huddle, 1998; Heyworth, 1999; Lee, 1999; Milne, 1999; Sanger, 2000; Bunce in Gabel, 2002).


56

Sawreyeva (1990) ugotavlja, da so celo tisti testiranci, ki so bili uspešni pri reševanju računskih nalog, slabše reševali naloge submikropredstavitev istega vsebinskega področja. Tradicionalno računsko nalogo je pravilno rešilo 66 % testirancev, nalogo, ki je zahtevala prevod submikropredstavitve v simbolni zapis enačbe reakcije, pa le nekaj manj kot 12 %. Poleg tega Sawreyeva ugotavlja, da je pri prevodu submikropredstavitve kemijske reakcije v njeno enačbo kar 87 % dijakov izbralo enačbo, ki prikazuje število molov atomov in/ali molekul na shemi in niso upoštevali zakonitosti simbolnega kemijskega jezika.

Pred tem sta Nurrenbergova in Pickering (1987) uporabila iste naloge in ugotovila, da je računsko nalogo pravilno rešilo 67 %, nalogo submikro-predstavitve pa 35 %. Ugotavljata, da lahko študenti rešujejo računske naloge s področja plinov in uporabe enačb kemijskih reakcij, ne da bi o teh dveh vsebinah kaj prida vedeli. Z istimi vprašanji sta korejske srednješolce testirala tudi Noh in Scharmann (1997) in ugotovila podobno kot v prejšnji raziskavi, saj so bili dijaki pri reševanju računske naloge za skoraj 18 % boljši kot pri reševanju naloge submikropredstavitve. Podobno ugotavlja tudi Nakhleh (1993), saj je le 49 % testirancev pravilno rešilo pojmovni problem s področja plinskih zakonov, za razliko od računskega, ki ga je pravilno rešilo kar 85 % testirancev.

Računske naloge, ki so pogost način preverjanja znanja kemije, rešujejo dijaki ali študenti predvsem s pomočjo algoritmov, ki se jih naučijo na pamet (Andersson, 1990). To dokazujejo predvsem rezultati reševanja pojmovnih problemov, ki temeljijo na istih pojmih in vključujejo naloge submikro-predstavitev, saj povzročajo dijakom in študentom bistveno več težav, pri tem pa se pokažejo še številna napačna razumevanja pojmov (Nurrenbern in Pickering, 1987; Sawrey, 1990; Pickering, 1990; Smith in Metz, 1996; Bell in Ahlgren, 1996).

V raziskavi, v kateri je sodelovalo 408 gimnazijcev iz vse Slovenije (Devetak, 2005), je bilo ugotovljeno, da so imeli dijaki pri reševanju nalog, ki so zahtevale risanje submikropredstavitev, več težav, kot pa pri njihovem branju. V povprečju je 40,1 % štirinajstletnikov pravilno rešilo naloge s področja kemijske reakcije. Skoraj 65 % testirancev razume, da snovi med seboj reagirajo v ustreznih množinskih razmerjih. Snov, ki je v prebitku, ostane po koncu reakcije med nastalimi produkti v reakcijski zmesi. Rezultati tudi kažejo,


57

da dijaki slabo razumejo pojem kemijska reakcija in ga enačijo z enačbo kemijske reakcije. Velike težave imajo pri prenosu submikrosveta delcev v simbolni zapis. Veliko učencev in dijakov se poskuša enačbe kemijskih reakcij naučiti na pamet. Spet je treba poudariti pomen uporabe submikropredstavitev pri pouku naravoslovja, še posebej kadar se učenci seznanjajo s pomenom kemijske reakcije. Iz submikropredstavitve je poleg na strukturo delcev, ki nastopajo v kemijski reakciji in iz tega njihovih formul, mogoče sklepati tudi na množinsko razmerje med reaktanti in produkti, ki nam služi za pravilen zapis urejene kemijske enačbe. Poleg negativne notranje motivacije za kemijo pa učenje na pamet nepotrebno obremenjuje učenčev delovni spomin, informacija se v dolgotrajni spomin ne skladišči, kar povzroči, da se največkrat po uporabi na šolskem preizkusu znanja informacije izgubijo. Posledično je treba učence vedno znova učiti iste pojme, saj predznanja, s katerim napredujejo po šolski vertikali, sploh ni mogoče uporabiti, ker pri večini učencev ne obstaja. Za nekatere učitelje kemije tako v osnovni šoli kot različnih srednjih šolah je še vedno najpomembnejše poznavanje kemijskih reakcij in kemijskega računanja, ne glede na to, kakšno znanje morajo učenci ali dijaki uporabiti, da pridejo do rezultatov.

Raziskava (Devetak, 2005) tudi kaže, da imajo dijaki veliko težav pri utemeljitvi svojega odgovora, utemeljitve, če jih zapišejo, pa so navadno zapisane v revnem naravoslovnem jeziku. Odgovori dijakov tudi kažejo na to, da dijaki poznajo imena osnovnih pojmov, npr. valenčni elektroni, vezi, polarnost, ravnotežje, ne razumejo pa njihovega pomena. Te pojme nato pogosto uporabljajo tudi na mestih, kamor ne sodijo. Pouk kemije v srednjih šolah pogosto temelji le na reprodukciji pojmov, ne da bi dijaki razumeli njihov pomen. Poleg tega učitelji dijakom ne zagotovijo pogojev za utrditev znanja do take mere, da bi lahko ustrezno razložili svojo odločitev pri reševanju nekega problema. Treba je poudariti, da bi morali zaradi velikega števila dijakov, ki ne podajo utemeljitev, premisliti o smiselnosti večjega poudarka pisanja prostih odgovorov pri kemiji tako v osnovni kot srednji šoli, saj je iz napisanih utemeljitev mogoče ugotoviti dijakovo razumevanje kemijskih pojmov. V naravoslovnem izobraževanju bi morali učitelji že od začetka posvetiti večjo pozornost besednemu izražanju učencev in dijakov. To pomeni, da bi se učenci in dijaki naučili natančnejšega oblikovanja povedi za opis nekega naravoslovnega pojava. Tako bi se v manjši meri pojavila trditev »Ker je enako


58

število elementov na eni in drugi strani reakcije.« ter pogosteje točnejša formulacija: »Ker je enako število atomov elementa na eni in drugi strani enačbe reakcije.« Učitelji bi razvijali tak način naravoslovnega komuniciranja pri učencih in dijakih le, če bi tudi sami zelo natančno razlagali nove pojme in bi se pri pisanju besedil, ki jih uporabljajo pri pouku, držali ustreznih zapisov.

Rezultati analize zapisov legend pri nalogah risanja submikropredstavitev v tej raziskavi kažejo, da dijaki nimajo izoblikovanih povezav med makroskopskim in submikroskopskim svetom, saj nenehno zamenjujejo obe ravni pojmov. Vseeno jim je, ali zapišejo, da so narisali denimo vodik, molekulo ali atom vodika. V primeru, da je dijak narisal molekulo vodika, je treba kot razlago sheme zapisati molekula ali še bolje shema modela molekule vodika, kar pa se niti v enem primeru od skupno 408 analiziranih legend dijakov ni pojavilo. Iz ugotovljenega je mogoče sklepati, da bi z uporabo nalog, kjer bi morali snovati lastne submikro-predstavitve in pri tem v legendi natančno ponazoriti svoje odločitve, učenci in dijaki ustrezneje povezali vse tri ravni kemijskih pojmov. Iz analize zapisov je tudi mogoče povzeti, da se vse preveč poudarja pomen simbolnih zapisov pri pouku kemije v naših šolah, enostavnega in pravilno oblikovanega besednega opisa kemijske spremembe pa dijaki velikokrat niso sposobni zapisati. Iz tega sledi, da ne moremo biti zadovoljni z razvitostjo celostne naravoslovne pismenosti dijakov, saj imajo dijaki v dolgotrajnem spominu skladiščene le informacije enega dela naravoslovne pismenosti (simbolni kemijski jezik), ki ga želijo uporabiti na vseh področjih kemijske komunikacije, velikokrat tudi brez smisla. Učitelji bi torej morali izoblikovati take izobraževalne strategije, da od dijakov ne bi zahtevali le učenja enačb na pamet, ampak poleg osmišljanja simbolnih zapisov poskušali nakazati tudi pomen besednega izražanja pri opisu naravoslovnih pojavov.

Napačna razumevanja ravnotežja v vodnih raztopinah elektrolitov na ravni delcev

Učenci se pri štirinajstih letih prvič pričnejo učiti o Arrheniusovi definiciji kislin in baz, ki pravi, da so kisline snovi, ki v vodni raztopini disociirajo vodikove ione, baze pa snovi, ki disociirajo hidroksidne ione. Znanje nadgradijo pri sedemnajstih letih (Garnett et al., 1995). Pri nas v 9. razredu osnovne šole (15-letniki) uvedemo Brønsted-Lowryevo definicijo, ki pravi, da so kisline snovi, ki oddajo protone, baze pa snovi, ki te protone sprejmejo, ki jo


59

dijaki v 2. letniku gimnazije (16-letniki) nadgradijo. Ne glede na to se pojavljajo številna napačna razumevanja vodnih raztopin elektrolitov, ki so bila pogosta vsebina raziskovanj. Dijaki pogosto menijo, da močne kisline oddajo več vodika, ker imajo več vodikovih vezi; da je pH merilo kislosti, bazičnosti pa ne; da baze ne vsebujejo vodika (Nakhleh, 1994; Garnett et al., 1995). Ta napačna razumevanja ponovno kažejo na zamenjave submikroravni pojma z njihovo makroravnjo podobno kot pri pojmu zgradba snovi.

Nakhleh (1994) ugotavlja, da še sedemnajstletniki težko razvijejo pravilni mentalni model kislin in baz (ionski model elektrolitov v vodnih raztopinah) na ravni delcev, saj je z različnimi edukacijskimi strategijami, ki so jih uporabili učitelji, ta model ustrezno razvilo le 29 % intervjuvancev. Nakhleh to povezuje z nepopolnim ali napačnim mentalnim modelom zgradbe snovi, kar vpliva na nadgradnjo znanja drugih vsebin.

Smith in Metz (1996) sta ugotovili, da je 90 % testiranih dijakov in vsi učitelji pravilno ugotovilo, katera shema prikazuje močno kislino, pri ugotavljanju šibke kisline pa sta imeli obe skupini več težav, saj je le 80 % učiteljev in 60 % dijakov pravilno rešilo nalogo. Še več težav so imeli tako dijaki kot učitelji pri risanju submikropredstavitev. Pravilno je narisalo reaktante in produkte pri ionski reakciji med vodno raztopino nikljevega klorida in natrijevega hidroksida s podanimi formulami vseh snovi le 10 % dijakov. Pri tem so zasledovali štiri kriterije, ki jih je moral testiranec upoštevati pri risanju submikropredstavitev, in sicer disociacijo reaktantov in produktov, pravilno podano množinsko razmerje ionov, pravilno narisano strukturo produkta ter upoštevanje zakona o ohranitvi mase. 30 % dijakov ni upoštevalo nobenega od določenih kriterijev. Prav tako je le 80 do 90 % učiteljev upoštevalo dva ali vse kriterije, en učitelj pa ni upošteval nobenega. Glavna napaka je predvsem napačno narisana dobro topna ionska snov v vodi. Ločeno so narisali atome kisika in vodika hidroksidne skupine, atom vodika in kisika so posebej vezali na kovinski ion ter napačno interpretirali koeficiente v enačbi kemijske reakcije in s tem tudi stehiometrijsko napačno narisali delce v raztopini.

Bradley in Mosimege (1998) podajata zaskrbljujočo sliko razumevanja vodnih raztopin kislin, saj v njihovi študiji nihče izmed bodočih učiteljev naravoslovnih predmetov ni popolnoma pravilno narisal submikropredstavitve vodne raztopine klorovodikove kisline. 51 % testirancev je sicer narisalo neko sliko, vendar so največkrat označili delce kar s simbolnimi zapisi kloridnih


60

ionov in protonov ali pa slike, ki bi ponazarjala raztopino, sploh niso narisali. Največkrat so kar napisali enačbo reakcije vode in vodikovega klorida, strukturno formulo vodikovega klorida ali podobne simbolne zapise. Te napake kažejo predvsem na dejstvo, da se vse preveč poudarja simbolna raven pojmov pri kemijskem izobraževanju, dejanskega razumevanja, v tem primeru kislin in baz, pa ni.

Z analizo reševanja nalog maturitetnih preizkusov znanja lahko tudi pri nas ugotavljamo, da tako maturanti, ki opravljajo maturo iz kemije, kot študenti, ki mature iz kemije niso opravljali, nimajo izoblikovanega ustreznega razumevanja vodnih raztopin elektrolitov na ravni delcev, saj je nalogo v testu, ki je bila sicer pojmovno dokaj zahtevna, pravilno rešilo manj kot 10 % testirancev obeh skupin (Devetak et al., 2004b). Podobne zaključke kažejo še nekatere raziskave (Devetak, 2005; Devetak et al., 2009a, 2009b).

Ob natančnejšemu pregledu analize rezultatov reševanja nalog s področja elektrolitov pri 408 šestnajstletnikih (Devetak, 2005) je mogoče povzeti, da je bilo v povprečju uspešnih le 32,6 % dijakov. Dijaki imajo težave pri prepoznavanju raztopine kislin ali baz na ravni delcev, saj ne prepoznajo submikropredstavitve elektrolita, če so v shemi podani oksonijev ali hidroksidni ion. Le okoli 10 % dijakov je pravilno narisalo ustrezno submikropredstavitev močnejše kisline, vendar iste koncentracije, od že podane submikropredstavitve neke kisline. Največ dijakov (35,3 %) je v svoji submikropredstavitvi podalo enako število molekul kisline oz. ionov njenih konjugiranih baz. Le nekaj manj kot 35 % dijakov poveže jakost kisline s koncentracijo oksonijevih ionov v vodni raztopini. Le nekaj več kot četrtina dijakov pozna pojem jakost kisline in ga poveže s stopnjo disociiacije. Podobno je mogoče ugotoviti, da je enako število ionov konjugirane baze in oksonijevih ionov podala nekaj več kot četrtina dijakov. Dodatno lastnost močnih kislin, da popolnoma disociirajo, pa je nakazalo 11 % dijakov. Iz analize narisanih submikropredstavitev je mogoče povzeti, da elemente, ki bi dijakom omogočale podati pravilno shemo močnejše kisline na ravni delcev, pozna manj kot 35 % dijakov. Kombinacijo vseh zahtevanih lastnosti submikropredstavitve, ki bi zadoščala za pravilno rešitev naloge, je upoštevalo le 7,1 % dijakov. Ti dijaki so narisali submikro-predstavitev (Slika 4), ki je prikazovala (1) isto koncentracijo kisline, (2) enako število delcev konjugirane


61

Slika 4.1 Slika 4.2

baze in oksonijevih ionov, (3) večje število ionov konjugirane baze, kot na Sliki 4.1, ter (4) večje število oksonijevih ionov, kot na Sliki 4.1.

Slika 4. Pravilna submikropredstavitev močnejše kisline iste koncentracije (Slika 4.2),

kot je na Sliki 4.1, ki je bila podana v nalogi.

Pomembno je poudariti, da je kar 30,6 % dijakov za ponazoritev močnejše kisline na ravni delcev podalo manjšo koncentracijo raztopine. Prav tako skoraj 21 % dijakov v submikropredstavitvi ni podalo ionov konjugirane baze in oksonijevih ionov, kar kaže na nerazumevanje vodnih raztopin kislin. 12,5 % dijakov je v shemi nakazalo molekule vode. Dijaki so verjetno pri risanju submikropredstavitve povzeli legendo, kjer so bile predstavljene molekule vode, oz. so sklepali, da je molekule vode potrebno risati, saj se v osnovnih in srednjih šolah zelo poudarja pomen vode pri reakcijah med kislinami in bazami. Več kot 11 % dijakov je tudi narisalo enako število ionov konjugirane baze in večje število molekul kisline oz. ionov njene konjugirane baze. To kaže na napačna razumevanja pojma jakost kislin, ki ga dijaki ne povezujejo s stopnjo disociiacije in s tem povečanjem števila ionov njene konjugirane baze, ampak z njeno koncentracijo. Prav tako skoraj 10 % dijakov ne poveže jakosti kisline s koncentracijo oksonijevih ionov ter manj kot polovica dijakov razume pojem elektrolitske disociiacije na ravni delcev.

Povzeti je mogoče, da dijaki tudi pri predstavljanju elektrolitov na ravni delcev razmišljajo na simbolni ravni. Sicer ni mogoče reči, da je tovrstni postopek reševanja problema neustrezen, vendar pa so dijaki pri reševanju lahko neuspešni, ker si na osnovi simbolnih zapisov kemijskega jezika predstavljajo delce, ki pogosto niso ustrezni za neko snov. V primeru kislin in baz, ki so močni elektroliti, se tako pojavi napačno razumevanje, da so prisotne molekule kislin ali baz v vodnih raztopinah in ne ioni. Za predstavitev klorovodikove


62

kisline se, na primer največkrat uporablja kar formula HCl. Tak zapis učencem brez ustreznega znanja lahko nakazuje, da so v klorovodikovi kislini molekule, sestavljene iz atoma klora in atoma vodika. Zato je ustreznejši simbolni zapis H3O+(aq) in Cl−(aq), ki nakazuje formuli ionov, dejansko prisotnih v raztopini.

Vzroki napačnih razumevanj submikroskopske ravni kemijskih pojmov

Vir napačnih razumevanj pojmov so lahko tudi učbeniki, učitelji in nazadnje tudi učenci, dijaki ali študenti sami, saj si napačno razlagajo pravilno zasnovane submikropredstavitve, ker imajo premalo predznanja in s tem povzročijo nastanek novega ali povečanjo neustreznost že formiranega mentalnega modela o submikroskopski sestavi snovi.

Gabel (1999) poudarja, da natančna analiza samo naravoslovnih učbenikov brez analiz učnih ur in s tem razlag učiteljev podpira to trditev. Hill (1988) je z analizo submikropredstavitev v učbenikih ugotovil, da imajo testiranci podobna napačna razumevanja, kot jih vidijo v učbenikih. To so predvsem napake, povezane z razdaljami med delci, npr.: (1) preveč delcev topljenca je predstavljenega na prostornino raztopine; (2) avtorji narišejo bistveno prevelike razdalje med delci, ko se trdna snov stali; (3) delci v tekočinah so narisani preveč narazen, kajti če bi bili delci v resnici tako vsak k sebi, bi lahko tekočine precej stisnili; (4) prikaz zmanjšanja gostote pri taljenju trdne snovi je pretiran in (5) razlika v gostoti delcev na prostorsko enoto, ko se tekočina spremeni v plin je premalo izražena.

Številni opozarjajo, da lahko napačna razumevanja kontinuiranosti snovi, predvsem vodnih raztopin, povzročijo tudi submikropredstavitve (Slika 5), kjer je tekočina v posodi narisana z gladino in izgleda, da delci plavajo v neki drugi snovi. V primeru, da učenci vzamejo narisano raztopino dobesedno, to nedvomno vodi v nastanek napačnega razumevanja predvsem zato, ker otroci še nimajo oblikovanega lastnega mentalnega modela o zgradbi snovi in zato privzamejo napačnega iz sheme v učbeniku (Hill, 1988; Andersson, 1990; Chiu et al., 2002; Harrison in Treagust, 2002; Krnel, 2003).


63

(1) (2) Slika 5. (1) Submikropredstavitev raztopine molekulskega kristala (Gabrič et al.,

2001); (2) submikropredstavitev raztopine ionskega kristala (Bukovec, 2010).

Iz tega sledi, da bi bilo bolje narisati raztopino tako, kot kaže Slika 6, kjer se izognemo makroravni (posoda), ne nakažemo kontinuiranosti snovi (označena gladina raztopine) in ne podamo še neke »snovi« (modro ozadje slike) v kateri »plavajo« delci.

Slika 6. Ustrezneje narisano raztapljanje ionskega kristala (prirejeno po Moore et al.,

2002). Andersson (1990) opozarja, da modeli kristalov, ki so splošno uporabljeni v učbenikih, predstavljajo delce preveč narazen. Gradniki kristala, ki so med seboj oddaljeni za 5 do 6 premerov delcev, skoraj predstavljajo plin. Taki modeli zato lahko povzročijo nastanek napačnih razumevanj razdalj med gradniki trdne snovi. Primerjava dveh modelov kristalov je prikazana na Sliki 7. Prvi nakazuje prevelike razdalje med delci, drugi pa je ustreznejši.


64

(1) (2) Slika 7. (1) Model zgradbe kovalentnega kristala – diamant; (2) model zgradbe

ionskega kristala – natrijev klorid (Bukovec, 2009).

Avtorji učbenikov bi se morali zavedati točk, ki jih je navedel Hill (1988). Učbeniki bi zato morali biti opremljeni s primernim slikovnim materialom, ki bi razlagal pojave tudi na submikroravni tako, da bi se čim bolj približal dejanskemu stanju, ki nam je danes znano. Poleg tega pa bi lahko na eni sliki prikazali povezave vseh ravni STRP modela, kar bi dodatno povečalo informacijsko moč slikovnega materiala (Slika 8 in 9). Naslednji korak k zmanjševanju napačnih razumevanj uporabnikov učbenikov bi bile ustrezno zasnovane zgoščenke kot priloga učbenikom, ki bi vključevale animirane interakcije med delci v kombinaciji z govorjenimi razlagami.

Slika 8. Prikaz natrijevega klorida na osnovi STRP modela (Devetak et al., 2010c).


65

Slika 9. Prikaz vseh treh agregatnih stanj snovi pri kemijski reakciji med natrijem in

vodo s kombinacijo vseh treh ravni predstavitve kemijskega pojava (prirejeno po Moore et al., 2002).

Analiza slikovnega materiala naših osnovnošolskih učbenikov za kemijo (Marinč et al., 2011) kaže, da avtorji sodobnih učbenikov vedno pogosteje vključujejo sodobne ugotovitve o poučevanju in učenju kemije trojne narave kemijskih pojmov. Seštevek posameznih vrst slikovnega materiala v učbenikih je podan v Tabeli 4. V učbenikih je največ simbolnih predstavitev, ki so za poglobljeno razumevanje kemijskih pojmov sicer pomembne, vendar neustrezno predstavljene lahko spodbudijo nastanek napačnih razumevanj kemijskih pojmov. V učbenikih so pogoste tudi makroskopske prestavitve kemijskih pojmov oz. pojavov, ki lahko izgubijo informacijsko vrednost, če so napačno postavljene v kontekst besedila, zato morajo biti avtorji pri njihovi uporabi izredno natančni. V vseh analiziranih učbenikih je najpogostejša obravnava kemijskih vsebin na simbolni ravni, sledita prikaza obravnave z le enim modelom delca (atom, ion, molekula) in predstavitve kemijskega pojava ali pojma na makroravni. Prikazi hkrati na submikro- in makroravni, makro- in simbolni ravni, submikro- in simbolni ravni, prikaz kemijskih pojmov s


66

kombinacijo vseh treh ravni predstavitve in prikaz enačbe reakcije z modeli so pri razlagi učne vsebine v analiziranih učbenikih redkeje uporabljeni. Tabela 4. Prikaz številskih vrednosti slikovnega materiala, ki jih imajo učbeniki v

celoti.

Kategorije analize

Učbeniki za 8. razred OŠ Učbeniki za 9. razred OŠ

Mod

rija

n

DZS

Cank

arje

va

Jutr

o

TZS

Roku

s

Mod

rija

n

DZS

Mla

dins

ka

Jutr

o

TZS

Makroraven 75 50 61 66 98 43 46 49 42 45 36

Le submikroraven 8 4 1 1 --- 2 --- --- --- --- ---

Le simbolna raven 80 92 231 166 77 63 122 80 222 164 80

Makro- in submikroraven

1 --- 3 --- 5 5 1 3 --- --- 2

Makro- in simbolna raven

9 3 17 10 1 19 19 6 7 4 3

Submikro- in simbolna raven

--- --- 1 --- 1 2 --- --- --- --- ---

Trojna raven (STRP model)

--- 2 --- 1 1 9 5 5 --- 5 ---

Le en model molekule

51 68 58 97 35 72 50 9 30 74 19

Enačba reakcije z modeli

5 5 2 13 13 7 6 6 2 6 4

Ugotovitve kažejo, da se razlaga kemijskih pojmov velikokrat omeji le na najbolj abstraktni del, to je na simbolno raven, ustreznih povezav med ostalima dvema ravnema pa učitelji ne vzpostavijo (npr. Bunce in Gabel, 2002). Tak način vodi učence v učenje simbolnega kemijskega jezika na pamet, brez razumevanja, kar pa ni cilj kemijskega izobraževanja, saj s tem učenci ne razvijejo poglobljenega in trajnega razumevanja kemijskih pojmov, ki vodi v ustrezno kemijsko pismenost. Ugotovitve analize učbenikov kažejo, da ti nimajo zadostnega števila prikazov trojne ravni kemijskih pojmov na eni predstavitvi oz. so take predstavitve redke, kar ni v skladu z ugotovitvami raziskav. Odsotnosti prikazov trojne ravni kemijskih pojmov na eni sliki v


67

učbenikih bi morali učitelji korigirati tako, da bi pri poučevanju specifične učne snovi tovrstne predstavitev v pouk vključili sami. Prav tako bi bilo smiselno, da bi v prihodnje nastala učna gradiva z več predstavitvami trojne ravni kemijskih pojmov, ki bi omogočale vizualizacijo abstraktnih kemijskih pojmov in formacijo ustreznih mentalnih modelov pri učencih, dijakih in študentih.

Drugi vir napačnih razumevanj so tudi učitelji, ki nenatančno predstavijo submikropredstavitev določenega pojma. Tako submikropredstavitev pa si potem učenci napačno razlagajo in s tem ustvarijo neustrezni mentalni model. Napačne submikropredstavitve in njihova interpretacija so posledica učiteljevih napačnih razumevanj in/ali neustrezno izbrane edukacijske strategije. Učitelji naravoslovnih predmetov v praksi poudarjajo predvsem simbolno raven in pogosto zanemarjajo makro- in submikrosvet naravoslovnih pojavov (Garnett et al., 1995; Williamson in Abraham, 1995; Harrison in Treagust, 1996; Acquistapace, 1997; Gabel, 1999; Georgiadou in Tsaparlis, 2000; Sanger, 2000; Valanides, 2000; Wu et al., 2001; Treagust et al., 2001; Bunce in Gabel, 2002; Chittleborough et al., 2002; Eskilsson in Hellden, 2003). Pri nas podobnih, dovolj poglobljenih raziskav tega področja še ni.

Raziskave v tujini kažejo, da učitelji naravoslovje, predvsem kemijske vsebine, sprejemajo kot svet simbolov elementov, formul spojin in kemijskih enačb. Sami pogosto ne razumejo narave delcev in dinamične komponente naravoslovnih procesov. Gabelova (1999) navaja, da tudi srednješolski učitelji v svojem dolgotrajnem spominu ne integrirajo vseh treh ravni naravoslovnega pojma v celoto, kar povzroča dodatne težave pri razumevanju teh pojmov pri dijakih. Ko so učiteljem pokazali submikropredstavitve treh agregatnih stanj vode so ugotovili, da so učitelji imeli različne poglede na dane submikropredstavitve, ki so odražali tudi napačna razumevanja (Dori et al., 1996, navedeno po Gabel, 1999).

Ustrezno razumevanje naravoslovnih pojavov dosežejo poleg učencev tudi učitelji, če so sami sposobni transferja med opazovanim naravnim pojavom, njegovim submikroskopskim svetom in simbolnim prikazom, ki ga opisuje. Številni raziskovalci tako navajajo izsledke raziskav, ki potrjujejo, da imajo bodoči učitelji naravoslovja številna napačna razumevanja sestave snovi, zato je težko pričakovati, da bodo ti učitelji svoje učence pri naravoslovju seznanili z vsebinami tako, da ne bi nastali mentalni modeli z izraženimi napačnimi razumevanji (Johnstone, 1982, 1993; Gabel et al., 1987; Nakhleh, 1994; Staver


68

in Lumpe, 1995; Harrison in Treagust, 2002; Dori in Hameiri, 2003). Tudi pri nas je bilo narejenih nekaj raziskav z bodočimi učitelji naravoslovja (Devetak in Urbančič, 2003; Devetak et al., 2004b; Ferk-Savec in Vrtačnik, 2007; Juriševič et al., 2008) in podobno kažejo, da imajo ti študenti precejšnje število napačnih in nepopolnih razumevanj kemijskih pojmov na submikroravni.

Pravilni razvoj mentalnega modela sestave snovi na ravni delcev zahteva, da so učenci izpostavljeni ustreznim edukacijskim strategijam, ki omogočajo tudi razlago naravoslovnih pojavov na ravni delcev (Nakhleh, 1994). S prihajanjem učencev po šolski vertikali navzgor pridejo pogosteje v stik z istimi pojmi. S ponovno in bolj poglobljeno razlago teh pojmov se zmanjšujejo tudi njihova napačna razumevanja. Pravilno razumevanje kemijskih pojmov pa ni odvisno zgolj od izkušenj učencev z naravoslovnimi pojmi, temveč tudi od učenčevih intelektualnih sposobnosti (Abraham et al., 1994).

Harrison in Treagust (2002) tudi navajata rezultate raziskave, ko sta od leta 1997 do 2001 zbirala podatke o razumevanju sestave snovi pri 97 bodočih učiteljih naravoslovja. Ugotovila sta, da kar 63 % testirancev meni, da so delci v trdni snovi v stiku. Da je bistveno več prostora med delci v tekočem agregatnem stanju kot v trdnem, je menilo kar 80 % testirancev, le 36 % pa jih je imelo oblikovan ustrezni mentalni model plinov na ravni delcev. Podobno navaja Gabelova s sodelavci (1987), ko so ugotavljali, od česa je pri bodočih učiteljih naravoslovja odvisno razumevanje sestave snovi na ravni delcev. Ugotovili so, da skoraj 23 % variance na rezultatu testa submikropredstavitev pojasnjuje sposobnost formalnega mišljenja in manj kot 5 % pa predhodno izobraževanje (študenti, ki so se pred tem kemijsko izobraževali in drugi, ki se niso). Vizualizacijske sposobnosti glede na rezultate niso doprinesle k varianci rezultata na testu naravoslovnih pojmov. Ugotovili so tudi, da študenti v več kot polovici nalog niso upoštevali zakona o ohranitvi mase.

Ugotavljajo tudi, da je jezik učiteljev naravoslovja lahko vir napačnih razumevanj. Nenatančen učitelj, ki govori o vodi, lahko reče: »Voda je sestavljena iz vodika in kisika.« Učitelj je seveda s tem mislil, da je molekula vode sestavljena iz dveh atomov vodika in atoma kisika. Vendar pa učenci z uporabo pojmov iz življenja to lahko razumejo, kot da je voda zmes vodika in kisika. Taka nenatančna besedna formulacija lahko v učencih izzove nastanek mentalnega modela, kjer je delec snovi enako interpretiran kot snov na makroravni (Andersson, 1990; Garnett et al., 1995).


69

Nussbaum (1992) zato poudarja, da morajo biti učitelji seznanjeni z napačnimi oz. alternativnimi razumevanji nekega pojma. Poznavanje učenčevih napačnih razumevanj nas mora motivirati za iskanje ustreznih edukacijskih strategij, ki bodo oblikovale ustrezne učenčeve mentalne modele zgradbe snovi, ki so največkrat v nasprotju z njihovimi lastnimi idejami o zgradbi snovi. Edukacijska strategija mora torej v učencu izzvati pojmovni konflikt predvsem tako, da se učenec skupaj s svojimi sošolci (delo v skupini, paru) seznani z že oblikovanimi lastnimi modeli, v socialno spodbudnem in učno aktivnem okolju - npr. vodeno aktivno učenje kemije – VAUK učni pristop (Devetak in Glažar, 2010b) – in jih pri tem ustrezno korigira ter dopolni. Preden učitelj uporabi ustrezno edukacijsko strategijo mora imeti pravilno oblikovane lastne mentalne modele o pojavih, ki jih bo poučeval. Zato morajo imeti bodoči učitelji možnost predstaviti svoje mentalne modele o določenem pojmu in jih tudi spremeniti preden pričnejo s poučevanjem. Le tak učitelj bo sposoben zaznati učenčeva napačna razumevanja in jih bo znal tudi pravočasno odpraviti (Valanides, 2000).

Submikroreprezentacije pa niso ustrezne le za vpeljevanje novih pojmov pri pouku kemije, ampak so po mnenju Lavertya in McGarveya (1991) učiteljevo uporabno orodje za evalviranje razumevanja kemijskih pojmov. Podobno ugotavlja vrsta raziskovalcev, ki so potrdili dejstvo, da lahko s pomočjo statičnih ali dinamičnih submikropredstavitev uspešno ugotavljamo poznavanje kemijskih pojmov na višjih kognitivnih ravneh (Yarroch, 1985; Smith in Metz, 1996; Milne, 1999; Šegedin, 2000; Devetak in Glažar, 2001a, 2001b; Chiu et al., 2002; Mulford in Robinson, 2002).

Yarroch (1985) navaja, da lahko upoštevamo kot višjo raven razumevanja kemijskih pojmov, če je učenec, dijak ali študent sposoben uporabiti pri svoji razlagi abstraktne simbole, nižja raven pa vključuje le učinkovito matematično manipuliranje s simboli, ki se največkrat kaže le v urejanju enačb in kemijskem računanju. Bell in Ahlgren (1996) sta ugotovila, da veliko dijakov celo pri zapisih enostavnih mehanizmov organskih reakcij vidi le črke in črte, ki jih povezujejo, ne pa delcev. Ugotavljata, da uporaba različnih fizičnih in računalniških modelov lahko tem dijakom pomaga reševati naloge, vendar dokler v svojem dolgotrajnem spominu ne povežejo tega kemijskega jezika z dejanskimi delci, ne razumejo mehanizmov kemijskih reakcij. Podobno je že več kot deset let prej ugotovil Yarroch (1985). Pogosto je le mehanično


70

urejanje enačb dovolj, da so učenci, dijaki in študenti uspešni na testu znanja. Preizkusi znanja bi torej morali biti zasnovani tako, da ne bi merili le sposobnosti urejanja enačbe na simbolni ravni, ampak tudi kemijsko znanje, ki je povezano z urejanjem enačb na submikroskopski ravni.

Pri tem pa je pomembno, da preden učitelj prične vključevati naloge s submikropredstavitvami v preizkuse znanja, sam pri sebi odpravi morebitna napačna razumevanja, ki jih ima na ravni delcev o neki vsebini, ter da učence skozi vaje nauči pravilno interpretirati submikropredstavitve. Sanger (2000) je ugotovil, da je kar 12 % testirancev kontrolne skupine (niso bili seznanjeni s submikropredstavitvami) in le 6 % iz eksperimentalne napačno interpretiralo submikropredstavitev heterogene zmesi.

Bowen (1998) navaja, da so za popolnejšo evalvacijo submikroravni in sposobnosti testirancev za integracijo trojne narave kemijskih pojmov ustreznejše naloge, zasnovane s pomočjo računalnikov, ki vsebujejo vse elemente multimedije, kot npr. papir-svinčnik testi, pri katerem ne moremo upoštevamo dinamične komponente kemijskih pojavov. Poleg pozitivne strani tovrstnih nalog opozarja, da je za snovanje takih testov potrebno bistveno več dela, saj moramo pripraviti, posneti ali fotografirati eksperimente (makroraven), programirati ustrezne animacije (submikroraven) in zapisati formule in enačbe (simbolna raven). Vse to pa zahteva finančna sredstva in čas. Tem težavam se lahko izognemo z uporabo že izdelanih delov multimedijskih enot. Podobno ugotavljajo tudi Chiu in sodelavci (2002), ki priporočajo, da odgovore na naloge izbirnega tipa pripravimo na osnovi submikropredstavitev, ki so jih testiranci sami narisali kot odgovore na odprta vprašanja. Animacije in simulacije submikroskopske ravni kemijskih pojmov

Vse opisane načine vizualizacije abstraktnih naravoslovnih pojmov, kot so fizični modeli, analogije, metafore in submikropredstavitve, je mogoče prikazati dinamično v 2-D ali 3-D okolju s pomočjo osebnega računalnika kot računalniško animacijo ali celo v interaktivni obliki in v kombinaciji z videoposnetki in simbolnimi zapisi. Nekateri raziskovalci multimedije ugotavljajo, da ta pripomore k boljšemu razumevanju pojmov v primerjavi s klasično razlago (Whitnell et al., 1994; Garnett et al., 1995; Tissue, 1996; Russell et al., 1997; Bowen, 1998; Harrison in Treagust, 1998; Milne, 1999;


71

Vrtačnik, 1999; Sanger, 2000; Sanger et al., 2000; Vrtačnik et al., 2000; Rodrigues et al., 2001; Wu et al., 2001; Yang et al., 2003; Stieff in Wilensky, 2003; Clark in Jorde, 2004; Hennessy et al., 2006; Foti in Ring, 2008; Liu et al., 2008; Stern et al., 2008; Limniou et al., 2009; Özmen et al., 2009; Gregorius et al., 2010a, 2010b; Falvo et al., 2011; Rodrigues in Gvozdenko, 2011), po drugi strani pa navajajo, da ni statistično pomembnih razlike, da so animacije bistveno boljše kot stacionarne submikroreprezentacije (Williamson in Abraham, 1995). Smetana in Bell (2011) s pregledom literature zadnjih 40 let ugotavljata, da so simulacije kot del interaktivne multimedije v naravoslovnem izobraževanju pri konstrukciji naravoslovnega znanja, razvoju procesnih kompetenc in spodbujanju pojmovnih sprememb enako ali v veliko primerih celo bolj učinkovite od tradicionalnega pouka (frontalni pouk, uporaba učbenikov in eksperimentalnega dela), pomembno pri tem pa je predvsem, kako se simulacije pri pouku uporabljajo, saj so največkrat podpora pri poučevanju in učenju nove vsebine.

Učencem, dijakom in študentom predstavlja veliko težavo predvsem oblikovanje miselnih modelov na submikroskopski ravni, ki so dinamični, za to pa je potrebna pomoč nekega medija, za kar je animacija procesa najboljša (Milne, 1999; Rodrigues et al., 2001; Yang et al., 2003). Nedvomno je mogoče reči, da predstavlja velik potencial v razvoju šolskih modelov, ki bodo omogočili učencem približati znanstvene razlage pojavov, predvsem snovanje dinamičnih računalniških animacij (Grosslight et al., 1991). Raziskave kažejo, da se že po šestih tednih uporabe računalniških programov, kjer učenci lahko zasledujejo trojno naravo naravoslovnega pojma, izboljša razumevanje teh pojmov in olajša prehod in nastanke povezav med tremi ravnmi pojma (Wu et al., 2001). Russell in sodelavci (1997) navajajo ugotovitve, da se je razumevanje kemijskega ravnotežja pri študentih prvih letnikov na univerzi kot posledica uporabe multimedijske enote 4M : CHEM statistično pomembno (p = 0,003) povečalo v povprečju za okoli 22 %. Ta multimedijska enota simultano poveže vse tri ravni kemijskega pojma na zaslonu računalnika v štirih delih (videoposnetek eksperimenta, submikroanimacija interakcij, grafični prikaz podatkov, pridobljenih z meritvami pri eksperimentalnem delu, in zapisi pojava s simbolnim kemijskim jezikom). Število zabeleženih napačnih razumevanj se je z uporabo te multimedijske enote zmanjšalo za več kot 50 % (p < 0,001). Podobno ugotavljajo Sanger in sodelavci (2000), ki so primerjali razumevanje


72

sprememb med segrevanjem vode v odprti pločevinki in ohlajanjem vode v zaprti pločevinki, med kontrolno (submikroraven poskusa je razložena le s pomočjo statičnih predstavitev) in eksperimentalno skupino (submikroraven predstavljena tudi s pomočjo animacije). V kontrolni skupini so ugotovili vrsto napačnih in nepopolnih razlag eksperimenta. Testiranci v eksperimentalni skupini so za 34 % (p < 0,001) bolje razumeli pojem kondenzacije vodne pare od testirancev v kontrolni skupini. 21 % (p = 0,0025) študentov več je pojav kondenzacije vodne pare popolno razložilo opazovan pojav, čeprav so pri obeh skupinah bili odstotki pravilnih odgovorov nizki (13 % kontrolna in 34 % eksperimentalna). Raziskave kažejo, da se je izboljšalo tudi razumevanje agregatnega stanja snovi, razlik med homogeno in heterogeno zmesjo, med elementom in spojino ter med atomom in molekulo z uporabo animiranih submikropredstavitev med 50-minutnim predavanjem. Pri prepoznavanju submikropredstavitve, ki je prikazovala tekočine, je bila razlika med eksperimentalno in kontrolno skupino statistično pomembna razlika (p = 0,008). Prav tako je bila statistično pomembna razlika (p < 0,0001) med skupinama v primeru, ko so morali testiranci razlikovati med homogeno in heterogeno zmesjo. 15 % več študentov iz eksperimentalne skupine je bilo uspešnejših pri ugotavljanju razlik med elementom in spojino (69 % kontrolna, 84 % eksperimentalna). Razlika je bila statistično pomembna (p = 0,014) (Sanger, 2000).

Yangova s sodelavci (2003) poudarja, da so tisti študenti, ki so bili med predavanji izpostavljeni animiranim predstavitvam kemijskih reakcij, bistveno bolje razumeli elektrokemijo kot tisti, ki so imeli na voljo le stacionarne predstavitve.

Podobne ugotovitve navajata Stieff in Wilensky (2003), saj sta z intervjuvanjem šestih študentov različnih naravoslovnih usmeritev ugotovila, da se je bistveno zmanjšal obseg napačnih razumevanj s področja kemijskega ravnotežja po uporabi interaktivne multimedijske enote. Pri tem so se zmanjšale težave pri prehodih med vsemi tremi ravnmi kemijskih pojmov (glede na STRP model) pri reševanju problemov. Rodriguesova (2001) je s sodelavkami ugotavljala, kako 22 enajst- in trinajstletnikov sprejema multimedijsko enoto, ki je vsebovala videoposnetke prikazovala makropojav vrenja, taljenja in raztapljanja ter besedilne razlage in submikropredstavitve predstavljenih pojavov. Ugotovile so, da je petnajst učencev navedlo, da jim


73

video posnetki s kombinacijo tekstovne razlage pomagajo pri razumevanju pojavov. Največ težav so imeli z razumevanjem animiranih submikro-predstavitev pojavov, saj so le trije učenci pravilno odgovorili na postavljeno vprašanje o razumevanju 3-D predstavitve molekule vode med aktivnostjo z multimedijsko enoto. Rezultati kažejo, da imajo učenci raje videoposnetke, saj se jim zdijo same submikropredstavitve nerazumljive, tekstovna razlaga, ki spremlja bodisi videoposnetek ali animacijo submikropredstavitve pojava pa je zanje posrednik pri razumevanju slikovnega gradiva. Po drugi strani pa ugotavljajo, da predstavlja spremljajoči besedni zapis moteč dejavnik pri spremljanju animacij submikropredstavitev. Učenci so se lahko bolj posvetili branju teksta, ko so opazovali zanje znane poskuse na videoposnetku, branje teksta in spremljanje zanje neznane animirane submikropredstavitve pa je povzročilo težave. Učenci so imeli možnost ponoviti animacijo, vendar tega ni storil nihče. Omenjena situacija je povzročila pri učencih preobremenjenost delovnega spomina in s tem povezane težave pri nerazumevanju pojmov submikropredstavitve. Bolj primeren bi bil zato govorjeni tekst ob animiranem pojavu, ki bi omogočil učencem vizualno le spremljanje pojava na zaslonu.

Ugotovitve raziskave, ki sta jo opravila Williamson in Abraham leta 1995 na skupini študentov prvega letnika, ki so obiskovali predmet splošna kemija, kažejo v prid animacijam submikroskopskega sveta delcev v primerjavi s statičnimi submikropredstavitvami, saj sta dokazala statistično pomembne razlike v razumevanju agregatnih stanj snovi in kemijske reakcije. Prav tako sta dokazala manj napačnih razumevanj obravnavanih pojmov pri eksperimen-talnih skupinah (izpostavljene animacijam), čeprav so bile animacije dolge le okoli 2 minuti. To nakazuje, da je že kratkotrajna izpostavljenost dinamičnim predstavitvam submikrosveta delcev dovolj, da se bistveno izboljša razume-vanje kemijskih pojmov predvsem pri študentih z bolj razvitimi intelektualnimi sposobnostmi. Ugotovila sta, da je manj študentov v eksperimentalnih skupinah pripisalo delcem makrolastnosti snovi, vendar pa poudarjata, da lahko animacije utrdijo napačna razumevanja v dolgotrajnem spominu, da nastanejo nova napačna razumevanja pa nista dokazala. Prav tako sta dokazala, da so študenti pri reševanju nalog v eksperimentalni skupini pogosteje razmišljali na ravni delcev kot tisti v kontrolni skupini.

Vse omenjene raziskave kažejo na pozitivne vplive računalniških animacij na razumevanje kemijskih pojmov na vseh treh ravneh. Po mnenju nekaterih torej


74

uporaba računalniške animacije močno vpliva na oblikovanje ustreznih mentalnih modelov učencev in pravilnih napovedi novega med nekim naravoslovnim procesom (Gilbert in Boulter, 1998). S spremembo načina poučevanja bo za boljše razumevanje kemijskih vsebin vedno bolj v ospredje prihajala napredna informacijska tehnologija. Učencem in dijakom je tovrstna tehnologija ponavadi blizu, zato bo predstavljala učitelju novo motivacijsko sredstvo in s tem boljše poučevanje naravoslovja (Pence, 1993; Jones, 1996; Gabel, 1999; Vrtačnik et al., 2000; Yang et al., 2003).

Na drugi strani pa obstaja precej različne programske opreme za osebne računalnike, s katerimi lahko učenci, dijaki ali študenti poglobijo znanje o naravi delcev snovi tako, da sami izdelajo različne modele oz. predstavitve. Jonesova (1996) navaja prednosti uporabe programov molekulskega modeliranja pred fizičnimi modeli. Ugotavlja, da tovrstna programska oprema omogoča uporabnikom: (1) ugotavljanje kotov med vezmi; (2) vizualizacijo neveznih elektronskih parov; (3) izračune optimalnih struktur molekul; (4) različne spremembe strukture molekul; (5) prikaze elektronske gostote; (6) prikaz molekulskih orbital; (7) prikaze skeletnih formul molekul; (8) podajanje informacij o energiji vezi v molekulah ter (9) samopreverjanje predvidevanj o molekulski zgradbi in (10) učenje dela s programsko opremo, ki omogoča modeliranje. Na medmrežju lahko najdemo veliko različne programske opreme za molekulsko modeliranje kot na primer na: http://www.chemistry-software.com/software_guide/modelling_index.htm; ali http://www.ch.ic.ac.uk/ local/organic/mod/software.html [dostopno na svetovnem spletu: 14. 1. 2012] in še številna druga, ki so brezplačna in jih lahko integriramo v pouk kemije.

Wu je s sodelavci (2001) ugotavljala sposobnost molekulskega modeliranja in prevajanja različnih reprezentacij z ene oblike v drugo ter dijakove predikcije fizikalnih in kemijskih lastnosti izdelanih virtualnih modelov snovi s pomočjo računalniškega programa eChem. Projekt o spoznavanju toksinov, v katerega so bili dijaki vključeni, je trajal šest tednov in je zajel tako modeliranje različnih organskih snovi (submikroskopska raven) kot tudi ugotavljanje njihovih lastnosti (makroskopska raven). Iz rezultatov predtesta in testa so ugotovili, da se je razumevanje kemijskih predstavitev statistično pomembno (p < 0,001) izboljšalo.

Singer in sodelavci (2000) navajajo, da uporaba različnih metod vizualizacije (2-D stacionarne submikropredstavitve, animirane predstavitve, videoposnetki

http://www.chemistry-software.com/software_guide/modelling_index.htm�

http://www.chemistry-software.com/software_guide/modelling_index.htm�

http://www.ch.ic.ac.uk/%20local/organic/mod/software.html�

http://www.ch.ic.ac.uk/%20local/organic/mod/software.html�


75

...) pri obravnavi vsebine o zraku bistveno izboljša dijakovo razumevanje sestave zraka. Na testu na koncu projekta je več kot 60 % dijakov pravilno narisalo submikropredstavitev, v primerjavi s predtestom, ko je 90 % testirancev narisalo makroskopsko predstavitev zraka (p < 0,0001). To kaže na bistveno izboljšanje sposobnosti dijakov za prehode med tremi ravnmi naravoslovnega pojma, če so izpostavljeni različnim tipom vizualizacij.

V nasprotju s tem pa Vermaat in sodelavci (2003) ugotavljajo, da se kar osem od desetih šestnajstletnikov, ki so sodelovali v raziskavi vpliva animiranih reakcij na razumevanje agregatnih stanj vode in raztapljanja natrijevega klorida v vodi, ni spomnilo, da so med učno dejavnostjo sploh gledali animacijo na ravni delcev. Prav tako ugotavljajo, da si testiranci niso zapomnili, da je natrijev klorid sestavljen iz ionov in da so v vodni raztopini ioni, ampak so še vedno mislili, da so molekule. V tem primeru so ugotovili, da le opazovanje animacije ni dovolj, ampak je potreben drugačen pristop, ki ga je potrebno razviti in raziskati njegove edukacijske učinke.

V zadnjem času se že razvija programe navidezne resničnosti, z uporabo katerih lahko uporabnik vstopi v 3-D svet molekul. Tak program je recimo Virtual Water (Trindade et al., 2002), ko s pomočjo posebnih stereoskopskih očal dosežemo navidezno okolje, v katerem se dogajajo programirani fizikalni ali kemijski pojavi. V raziskavi so želeli ugotoviti ali obstajajo razlike v razumevanju nekaterih kemijskih pojmov (agregatna stanja snovi, prehodi med agregatnimi stanji in atomske orbitale) med študenti prvih letnikov naravoslovnih študijskih smeri, ki so uporabljali stereoskopska očala, in tistimi, ki so uporabljali le računalniški ekran. Ugotovili so, da obstajajo statistično pomembne razlike (p < 0,05) med obema skupinama študentov v prid navi-dezne resničnosti pri razumevanju agregatnih stanj. Pri razumevanju atomskih orbital ni bilo statistično pomembnih razlik. Zaključili so, da pri študentih, ki imajo višje razvite prostorsko-vizualizacijske sposobnosti, 3-D animacije v navidezni resničnosti doprinesejo k boljšemu razumevanju pojmov. Podobne projekte lahko najdemo tudi na medmrežju, npr. na naslovih: http://www. virtual.gmu.edu/ in http://www.nmr.mgh.harvard.edu/mkozhevnlab/ [dostopno na svetovnem spletu: 4.2.2012]. Navidezna resničnost v učenju in poučevanju kemije doda k navadni sliki, shemi ali animaciji, čeprav izdelano v 3-D in na računalniškemu ekranu, učencu možnost, da »vstopi« v svet delcev in si lahko


76

delce ter njihove interakcije ogleda iz katerega koli zornega kota, kar poveča notranjo motivacijo uporabnika. Spektroskopska tehnika nizko temperaturne elektronske tunelske mikroskopije (LT STM – Low Temperature Scanning Tunneling Microscopy) Vizualizacijske metode pri preučevanju, učenju in poučevanju naravoslovnih pojmov in pojavov obsegajo poleg že navedenih modelov, metafor in analogij, submikropredstavitev tudi računalniške animacije in molekulsko modeliranje kompleksnih in abstraktnih podatkovnih struktur. Obstaja pa tudi že spektroskopska tehnika nizko temperaturne elektronske tunelske mikroskopije (LT STM – Low Temperature Scaning Tunnel Microscopy), ki že dosega ločljivost na ravni velikosti atomov (1,8 × 1,8 nm) pri temperaturi 2,6 K in tako omogoča »fotografiranje« atomov oz. molekul (Vrtačnik, 1999). Z napredkom tovrstnih tehnik vizualizacije delcev na submikroskopski ravni bomo lahko z večjo gotovostjo vizualizirali delce in interakcije med njimi ter s tem omogočali učencem, dijakom in študentom vedno bolj natančen pogled v osnove naravoslovja.

LT STM tehnika v zadnjem času omogoča vpogled v dejanski svet delcev in tako potrjuje zgradbo različnih molekul s pomočjo njihovih dejanskih fotografij. Na sliki 9 je mogoče videti po šest atomov ogljika v šestkotnikih, ki gradijo plast grafita. To je dokaz, da je grafit sestavljen iz posameznih atomov, ki se povezujejo med seboj v šestkotne strukture, te pa med seboj v plasti. Na tak način je prikazana tudi zgradba grafita s fizičnim modelom, ki ga pogosto uporabljamo na vseh ravneh izobraževanja. LT STM tehniko sta razvila Gerd K. Binnig in Heinrich Rohrer leta 1981 in zanjo leta 1986 dobila Nobelovo nagrado iz fizike. LT STM temelji na zaznavanju »brazd« v površinski elektronski gostoti atomov snovi, ki jih skenirajo s pomočjo posebne konice iz zlitine platine in iridija v popolnem vakuumu, ki preprečuje kontaminacijo vzorca. Konica, debela le nekaj atomov, se na razdalji manj kot 2 nm premika preko vzorca s pomočjo posebne naprave, ki se odziva na spremembe v električni napetosti med vzorcem in konico (tunelska napetost), kar zazna detektor in glede na relativni položaj konice in moči tunelske napetosti oblikuje tridimenzionalno sliko površine vzorca na zaslonu.


77

Slika 9. Ena plast grafita pod tunelskim elektronskim mikroskopom, kjer so jasno

vidni šestkotniki, v ogljiščih katerih je po en atom ogljika (dovoljenje avtorja prof. dr. F. J. Giessibla za objavo)

Tovrstne tehnike prikaza enostavneje zgrajenih snovi so lahko dober učni pripomoček, da lahko učencem prikažemo sliko do sedaj zelo abstraktnega pojma – delec snovi, ki je osnova spoznavanju učnih vsebin pri kemiji. Harrison in Treagust (2002) pa opozarjata, da nas ne sme zavesti slika molekule ali atoma, narejena z LT STM tehniko, saj je tudi to le računalniško generiran model in ne dejanska fotografija atoma. Fotografiranje delcev in dinamični posnetki kemijskih reakciji ali prehodov med agregatnimi stanji snovi pa še vedno niso možni. Ko pa bomo dosegli tudi to, bodo s časom uporabo različnih vizualizacijskih tehnik izpodrinili dejanski videoposnetki poteka kemijskih in fizikalnih sprememb.

79

Vpliv motivacije na učenje naravoslovja

Še pred nekaj leti se je večina raziskav učenja in poučevanja naravoslovja dotikala le kognitivne komponente in nekaterih intelektualnih faktorjev, ki vplivajo na razumevanje kemijskih pojmov. Le redke so bile študije, ki posegajo tudi na področje vplivov bodisi notranje in/ali zunanje motivacije učencev, dijakov in študentov na kvalitetnejše naravoslovno znanje. Anderman in Young (1994) namreč navajata, da so raziskovalci naravoslovnega izobraževanja redko posvečali pozornost motivaciji v procesu poučevanja in učenja naravoslovnih vsebin; to je še posebej pomembno, ker obstajajo podatki raziskav, da imajo učitelji naravoslovja večji neposredni vpliv na učenčevo motivacijo za naravoslovje kot na njihov naravoslovni kognitivni razvoj. V zadnjem času pa se veliko raziskav (Chittleborough et al., 2002; Tuan et al., 2005; Devetak, 2005; Nieswandt, 2007; Juriševič et al., 2008; Devetak in Glažar, 2010a) posveča ravno interesu učencev za učenje naravoslovja, saj se vedno bolj srečujemo s težavo nemotiviranosti učencev, dijakov ali študentov, ki ne študirajo naravoslovja, za učenje naravoslovnih pojmov predvsem na področju kemije in fizike. Raven notranje motivacije za učenje biologije je namreč tudi pri nas najvišja (Juriševič et al., 2008).

Negativen odnos do kemije in šibko predznanje lahko preprečujeta pojmovne spremembe in modificiranje ter nadgradnjo učenčevih mentalnih modelov kemijskih pojmov z vedno bolj abstraktnimi med učenjem kemije (Treagust et al., 1998).

Učna motivacija je definirana kot konstrukt različnim motivacijskih elementov, kot so interes, cilji, atribucije, samopodoba, zunanje spodbude … Nekateri med njimi zagotavljajo bolj zunanji stimulus za učenje (npr. učenje za ocene, nagrada, izogibanje kazni, socialna sprejetost …), druge pa se izražajo bolj intrinzično (notranje), kot recimo učenje za znanje ali kompetence (Juriševič et al., 2008). Ryan in Deci (2000) definirata notranjo motivacijo kot prirojeno nagnjenje posameznika, ki vodi njegovo željo, da se poglobljeno uči na nekem področju ne glede na trenutne zunanje spodbude, ki jih je deležen. Poudarjata, da to »… vodi človeka v asimilacijo, kontrolo, generacijo spontanega interesa in raziskovanje, in zanj pomembno vpliva na socialni in kognitivni razvoj, na


80

drugi strani pa predstavlja temeljni vir osebnega zadovoljstva in življenjske energije« (str. 70). Shema 17. Splošni model motivacije in samouravnavanje učenja (Zusho et al., 2003). Raziskave vpliva motivacije na kognitivne dosežke pri različnih predmetih v šoli imajo osnove v različnih pogledih raziskovalcev na vzroke za motivacijo učencev, dijakov in študentov pri učenju, znano pa je, da so učenci, ki so močno notranje motivirani tudi uspešnejši pri učenju novih pojmov in izkazujejo njihovo boljše razumevanje (Stipek, 1998), hkrati pa so učenci aktivnejši v procesu učenja in imajo boljšo samopodobo na področju naravoslovja (Rennie, 1990). Velik pomen pripisujejo samouravnavanju učenja in s tem motivaciji za dosego čim boljšega rezultata pri posameznih predmetih tudi pri naravoslovju. Na Shemi 17 je predstavljen splošni model povezav med omenjenima kategorijama procesa učenja (Zusho et al., 2003).

Ugotovljeno je, da uspeh v šoli vpliva na nadaljnje zanimanje in motivacijo za neko področje, pri čemer so korelacije statistično pomembne (p < 0,001) (Zusho et al., 2003). Tisti učenci, dijaki ali študenti, ki kažejo večjo samozavest pri reševanju tudi zahtevnejših problemov, dosežejo večje uspehe pri šolskem

Osebnostne značilnosti

• Starost

• Spol

• Etnična pripadnost

• Predznanje

---------------------------------

Razredno okolje

• Šolske naloge

• Načini nagrajevanja

• Metode poučevanja

• Obnašanje učitelja

Motivacijski proces

• Samopodoba

• Učenje kot vrednota

• Orientacija k cilju

• Čustvena naravnanost

Spoznavni proces

• Kognitivne strategije

• Strategije samouravnavanja

Rezultati

• Izbira

• Trud

• Vztrajanje

• Dosežek


81

delu in se tudi sami poslužujejo učnih strategij, ki jim omogočajo doseganje boljših uspehov (Pintrich, 1999). Pozitivna čustva pozitivno vplivajo na uporabo zahtevnejših učnih strategij, negativna, kot so tesnoba, splošna zaskrbljenost in zaskrbljenost glede učnega uspeha, pa imajo negativne posledice na spoznavne procese in dejavnosti v šoli (Zeidner, 1995; Pintrich, 1999).

Raziskovalci motivacije ugotavljajo, da so razlike med spoloma v motivaciji za učenje naravoslovja, odnos do naravoslovja in motivacija za uspeh pri nara-voslovju povezani z dosežki na standardiziranih testih znanja (Anderman in Young, 1994; Meece in Jones, 1996). Že v šestdesetih in nato v osemdesetih letih prejšnjega stoletja so ugotavljali, da se dekleta za naravoslovje manj zani-majo, da jim je naravoslovje dolgočasno predvsem zaradi tega, ker se morajo po njihovem mnenju le na pamet naučiti neka dejstva. V devetdesetih letih so ugotovili podobne rezultate, saj so dekleta pokazala manjšo samozavest pri re-ševanju nalog s področja naravoslovja in pokazalo se je, da sta na splošno ma-tematika in naravoslovje bolj domena fantov. Vzrok za to je predvsem manjša samozavest deklet pri izkazovanju naravoslovnega znanja (Simpson in Oliver, 1990; Steinkamp, 1984; Dweck, 1986; Meece in Jones, 1996). Meeceova in Jonesova (1996) teh zaključkov nista potrdili, saj v želji do učenja naravoslovja med spoloma ni bilo bistvenih razlik. Ugotovili sta, da je na splošno pri vseh testirancih zaznati bolj zanimanje kot odpor do učenja naravoslovja, kar nakazuje na pozitivno naravnan profil testirancev za naravoslovje, kar bi moralo pozitivno vplivati na izboljšanje učnih dosežkov. Po drugi strani pa Nolen (1988) navaja ugotovitev, da dekleta nekoliko bolj zanima učenje naravoslovja kot fante, ker se hočejo naučiti nekaj novega in izboljšati znanje (navedeno po Meece in Jones, 1996). Meeceova in Jonesova (1996) navajata ugotovitve svoje raziskave, da so vplivi spola na motiviranost za naravoslovje in s tem uspeh pri izkazovanju naravoslovnega znanja bistveno kompleksnejša procesa, kot so podajali raziskovalci pred njima.

Raziskave tudi ugotavljajo, da se zmanjšuje zanimanje za naravoslovje medtem, ko učenec napreduje po šolski vertikali. Razlike so statistično pomembne (p < 0,001). To nezanimanje za naravoslovje povzroča tudi nastanek številnih napačnih in nepopolnih razumevanj pojmov. V preteklosti so te ugotovitve vodile raziskovalce naravoslovnega izobraževanja in psihologe v reforme naravoslovnih kurikulumov (Anderman in Young, 1994; Zusho et al.,


82

2003). Keigova in Rubba (1993) navajata, da je nedvomno motivacija potencialni izvor variance pri uspehu na testu kemijskega znanja, saj so nekateri nezadovoljni dijaki s svojim uspehom na testu v intervjuju povedali, da so sodelovali v raziskavi le zato, ker so morali v pripravah za vpis na fakulteto dodatno obiskovati pouk kemije. S tem so pokazali negativno motiviranost za vsebine, ki so jih morali usvojiti in s tem je bil povezan tudi neuspeh na testu.

Poleg boljšega razumevanja pojmov pa različna vizualizacijska orodja spodbudijo učence v diskusijo o obravnavanih pojmih (Wu et al., 2001), kar pripomore k večji motivaciji za spoznavanje nove naravoslovne vsebine. Prav tako so potrdili, da uporaba analogij in drugih načinov vizualizacije pojmov pozitivno motivira učence za učenje naravoslovja (Theile in Treagust, 1994), saj poveča njihovo pozornost za spremljanje pouka. Chittleborough (2002) je s sodelavci preučevala motivacijo študentov prvih letnikov za poglobljeno učenje kemije. Iz intervjujev je zaključil, da študenti niso motivirani za razumevanje kemije bolj, kot je potrebno za to, da opravijo končni izpit. Učitelji morajo zato po mnenju raziskovalcev učne motivacije zagotoviti v razredu tako učno okolje, ki bo: (1) zagotovilo ustrezno učno podporo; (2) natančno nadzorovalo napredek učencev; (3) prepoznalo in nagradilo osebni napredek v znanju učencev ter (4) zmanjševalo socialne razlike in tekmovalnosti med učenci (Meece in Jones, 1996).

Raziskave tudi pri nas kažejo, da obstaja povezava med uspehom pri branju in risanju submikropredstavitev kemijskih pojmov in notranjo motivacijo za učenje kemije, se posebej za učenje kemije na submikroskopski ravni (Devetak in Glažar, 2010a).

Večina učencev, dijakov in študentov se veseli kemije, saj imajo radi makroskopske pojave- eksperimente, kar kažejo tudi raziskave pri nas (Devetak, 2005; Juriševič et al., 2008; Devetak in Glažar, 2010a), tako da je učitelju na tej ravni lahko motivirati učence na vseh stopnjah izobraževanja. Ohraniti dovolj visoko raven motivacije za submikro- in simbolno komponento kemijskih pojmov predstavlja učiteljem poseben izziv. Posledica nizke motivacije je vedno manjše zanimanje za naravoslovje, še posebej kemijo, kar je moč zaznati povsod po svetu in ne le pri nas. Zato nekateri predlagajo, da naj bi poskušali mlade motivirati za kemijo tudi s tem, da bi jim najprej predstavili kratek zgodovinski pregled razvoja kemije. Zatem naj bi na postopen in


83

zanimiv način vpeljali v naravoslovno izobraževanje pojme o sestavi snovi tako, da bi lahko učenci dojeli z veliko mero zavedanja možna napačna razumevanja znanstvenega modela sestave snovi na ravni delcev. Zgodovinski pregled odkritij v kemiji bi učence med poukom kemije motiviral. Pouk bi moral biti zasnovan tako, da bi podobno kot Dalton in njegovi nasledniki, učenci, iskali submikroskopske razlage za opazovane pojave in jih simbolno tudi zapisali. Tak pristop k naravoslovnemu izobraževanju je tudi zaradi premalo časa namenjenega pouku naravoslovja težko izvedljiv (Harrison in Treagust, 2002). Poleg tega pa morajo učitelji naravoslovja učencem predstaviti uporabo različnih učnih strategij. Z uporabo teh učnih strategij pri šolskih urah mora učitelj pri učencih spodbujati njihovo uporabo in nanje učence navajati. Učitelj se mora tudi osredotočiti na kvaliteto pedagoškega dela in zagotoviti smisel podajanja novih vsebin in preverjanja znanja tako, da v čim večji meri pouk poveže z življenjem (Zusho et al., 2003). Šegedin (1999) zato poudarja, da morajo dijaki spoznati povezavo med makro- in submikroravnjo kemijskih pojmov, da spoznajo koristnost in uporabnost kemije v resničnem svetu, kar pripomore k razvoju ustreznega odnosa dijakov in študentov do kemije.

85

Vpliv intelektualnih sposobnosti na učenje naravoslovja Glede na razvitost svojih intelektualnih sposobnosti lahko posameznik bolj ali manj učinkovito in kakovostno integrira novo znanje v že obstoječo mentalno strukturo (mentalni model). Razvitost intelektualnih sposobnosti je intenzivno raziskoval s pomočjo kliničnih intervjujev švicarski psiholog Jean Piaget (1896–1980). Piaget je razvil teorijo o intelektualnem razvoju na osnovi t. i. mentalnih struktur. Po Piagetu je mentalna struktura sestavljena iz sistema transformacij, ki omogočajo človeku asimilirati realnost. Kadar pa ni mogoče v obstoječo mentalno strukturo vgraditi nekega novega faktorja, ki ga učeči se sprejme iz okolja, se mora mentalna struktura spremeniti. Ta proces imenuje akomodacija. Glavna značilnost teh procesov temelji na interakciji učečega se z objektom, ki ga želi spoznati, in s tem pride do spremembe sistemov transformacij, torej mentalnih struktur. Razvoj mentalnih struktur pa je odvisen od razvitosti možganske skorje in se s starostjo spreminja, tako da starejši, kot so otroci, lažje sprejemajo abstraktnejše pojme.

Lastnosti mentalnih struktur določajo raven razvitosti intelektualnih sposobnosti posameznika. Piaget je določil štiri ravni intelektualne razvitosti, in sicer: (1) senzorno-motorna raven (1,5 do 2 leti star otrok); (2) preoperacijska raven (prevladuje do starosti 7. leta); (3) konkretno-operacijska raven (razvija se do 11 leta) in (4) formalno-operacijska raven (razvijati se prične pri starosti 11 do 12 let in se oblikuje dokončno v adolescenci). Pri sedmih letih otroci razvijejo konkretno-operacijsko raven, na ravni katere ostane še 50 % študentov prvega letnika fakultete, poroča leta 1966 Piaget (Renner, 1979).

Teorija, ki jo je razvil Piaget, je bila osnova vrste raziskav, ki so potrdile ali ovrgle določene njene komponente, zato so se razvile različne neo-Piagetove teorije, vendar je vseeno osnova teorije bistvenega pomena za raziskovanje vpliva razvitosti intelektualnih sposobnosti posameznika na njegove učne sposobnosti (Valanides, 1997).


86

Učenci glede na razvitost mentalnih struktur v večji ali manjši meri sprejemajo znanje, ki ga je Andersson (1990) strukturiral v dve skupini, in sicer deklarativno-figurativno znanje (poznavanje dejstev in pojmov) in operativno-proceduralno znanje (uporaba določenih spretnosti), kar se močno odraža še posebej v razumevanju naravoslovja.

Formalno mišljenje in učenje naravoslovja Glede na stopnje razvitosti logičnega mišljenja so na osnovi piagetovih kliničnih intervjujev različni raziskovalci oblikovali papir-svinčnik skupinske teste logičnega mišljenja. Eden takih je tudi test logičnega mišljenja (Test of Logical Thinking – TOLT), ki temelji na naravoslovno matematičnih postavkah (Tobin in Capie, 1981).

Učenje naravoslovja ni le kopičenje in uporaba znanja, temveč tudi razvijanje razmišljanja in spoznavanja metod pridobivanja znanja. Za to je potrebno imeti razvito formalno-operacijske sposobnosti mišljenja, ki so osnova naravoslovne pismenosti.

Formalno-operacijsko mišljenje sestavlja pet sposobnosti, in sicer: (1) proporcionalno mišljenje; sposobnost razumevanja numeričnih odnosov v naravoslovju; (2) sposobnost identifikacije spremenljivk in konstant, ki je pomembno pri eksperimentalnem delu; (3) verjetnostno mišljenje; sposobnost napovedi rezultatov poskusov in njihove ponovljivosti; (4) korelacijsko mišljenje; sposobnost identifikacije in potrditve relacij med spremenljivkami, ki je pomembno tudi v procesu reševanja problemov; in (5) kombinatorno mišljenje; sposobnost napovedi kombinacij različnih spremenljivk (Linn, 1981).

Zaključki nekaterih raziskav kažejo dokaj slabo razvite sposobnosti logičnega mišljenja učencev v višjih razredih osnovne šole (povprečna starost od 12,5 do 14,4 let), saj je na konkretno-operativni ravni kar 64,6 % testirancev (Valanides, 1996). Podobno ugotavljajo tudi Shemesh in sodelavci (1992). Razlike med spoloma v sposobnostih logičnega mišljenja niso statistično pomembne, prav tako so komaj zaznavne spremembe v razvoju od konkretno do formalno-operativnega mišljenja v starosti otrok do 12,5 do 14,4 let. Glede na dokaj slabe rezultate na TOLT-u pri reševanju nalog identifikacije spremenljivk (povprečna starost 14,4 leta, uspeh 15 %) se postavlja vprašanje,

Vpliv intelektualnih sposobnosti na učenje naravoslovja

87

ali je smiselna integracija eksperimenta in znanstvenih pristopov v poučevanje naravoslovja pri omenjeni starosti (Valanides, 1996). Dokazane so statistično pomembne korelacije med sposobnostjo formalnega mišljenja in kemijskim znanjem, predvsem z razumevanjem pojavov na submikroravni (Haidar in Abraham, 1991; Williamson in Abraham, 1995; Noh in Scharmann, 1997; Devetak, 2005; Devetak in Glažar, 2010a). Williamson in Abraham (1995) sta dokazala znatno korelacijo med uspehom na TOLT-u in razumevanjem agregatnih stanj snovi (r = 0,44) in med uspehom na TOLT-u ter razumevanjem kemijske reakcije (r = 0,52). Glede na sposobnosti formalnega mišljenja razlike med kontrolno skupino in dvema eksperimentalnima skupinama niso bile statistično pomembne. Ugotovila sta, da pojasnijo sposobnosti formalnega mišljenja od 19 do 27 % variance na testu kemijskih pojmov. Podobno sta statistično pomembno korelacijo (r = 0,4384; p < 0,01) med uspehom na testu submikropredstavitev in testu razvitosti logičnega mišljenja dokazala Noh in Scharmann (1997). Ker je bilo kar 69 % testirancev na ravni formalno-logičnega mišljenja, dokaj nizka korelacija med računskimi nalogami in testom sposobnosti (r = 0,3431; p < 0,01) verjetno kaže na pogosto uporabo na pamet naučenih algoritmov za reševanje tovrstnih nalog in uspeh zato ni v veliki meri odvisen od sposobnosti logičnega mišljenja.

Haidar in Abraham (1991) ugotavljata, da je od 14 do 21 % variance na testu submikroreprezentacij s področja raztopin, agregatnih stanj in difuzije mogoče pojasniti z uspehom na testu formalnega mišljenja (TOLT). Podobno (22,8 % pojasnjene variance) ugotavlja Gabelova s sodelavci (1987). Haidar in Abraham (1991) navajata pozitivno korelacijo (r = 0,37) med testom kemijskega znanja in uspehom na TOLT-u, ki je tudi statistično pomembna na 5 % ravni tveganja.

Iz tega izhaja, da naravoslovno izobraževanje pripomore k razvoju miselnih sposobnosti, ki so osnova naravoslovne pismenosti. Načini poučevanja naravoslovja in abstraktnost pojmov v učnih načrtih niso skladni z razvitostjo mišljenja večine učencev in tako pogosto preobremenijo miselno kapaciteto učencev. Učitelji morajo biti sposobni diagnosticirati in upoštevati mentalne sposobnosti učencev in glede na to prilagoditi pedagoški proces učenčevim sposobnostim in s tem ustrezno razvijati njihove miselne sposobnosti, kar je bistven cilj izobraževanja (Valanides, 1996, 1998).


88

Harrison in Treagust (1996) navajata, da preveliko število različnih modelov, ki jih učitelji uporabljajo pri kemiji, učencem z omejenimi sposobnostmi formalnega mišljenja ne olajša razumevanja kemijskih pojmov. Piaget in Inhelder sta namreč poročala, da se ideja o snovi, sestavljeni iz delcev prične razvijati pri otroku šele v starosti od 11 do 12 let (navedeno po Johnson, 1998a). Po mnenju Harrisona in Treagusta (1996) zato pred tem uporaba modelov pri pouku ni smiselna.

Po drugi strani pa v raziskavah ugotavljajo, da so, neodvisno od ravni intelektualnih sposobnosti, dijaki slabi v reševanju problemov in nimajo ustrezno oblikovanega razumevanja kemijskih pojmov (Gabel in Sherwood, 1983; Lythcott, 1990), saj tako dobri kot slabi učenci sledijo pri reševanju problemov le naučenim algoritmom, kar pa nima nobene povezave z njihovimi intelektualnimi sposobnostmi (Lythcott, 1990). Pri tem je potrebno izhajati iz dejstva, da je pospeševanje razvijanja mentalnih sposobnosti učencev odvisno tudi od njihovega deklarativnega in operativnega znanja, ki ju morajo učencem zagotoviti učitelji (Valanides, 1997).

Raziskave s slovenskimi srednješolci kažejo, da je sposobnost formalno-logičnega mišljenja statistično pomembo povezana z razumevanjem trojne narave kemijskih pojmov (Devetak, 2005; Devetak in Glažar, 2010a). Prostorske zaznave in učenje naravoslovja Prostorsko-vizualizacijske sposobnosti zaznave zajemajo sposobnosti mentalne rotacije 2-D ali 3-D objektov in sposobnost predstavljanja lastnosti objekta kot posledica take manipulacije (Yang et al., 2003). Poleg tega prostorsko-vizualizacijska inteligenca zajema tako definicijo procesa gledanja (vision) kot tudi procesa ohranjanja in obdelave slike (imagery). Gledanje je proces uporabe čutila za vid za identifikacijo in lokacijo objektov ter orientacijo v okolju. Proces identifikacije objekta ter ohranjanja in obdelave slike v možganih poteka lahko tudi takrat, ko vidnega dražljaja ni več. Prostorska-vizualizacijska inteligenca je povezana z dogajanjem v obeh hemisferah velikih možganov (Mathewson, 1999).

Večina otrok ob vstopu v osnovno šolo prične na osnovi prostorsko-vizualizacijske orientacije sprejemati nove pojme. Učitelj bi zato moral spodbujati razvoj prostorsko-vizualizacijskih sposobnostim pri učencih


89

(Mathewson, 1999). Gardner (1982) namreč opozarja, da je »zlato« obdobje razvoja in uporabe prostorsko-vizualizacijskih sposobnosti med 5. in 7. letom otrokove starosti. Strokovnjaki opozarjajo, da se učenci, ki imajo bolje razvite prostorsko-vizualizacijske sposobnosti, pri klasičnih urah pouka dolgočasijo. Učitelji morajo te učence dodatno motivirati, saj zanje frontalno podajanje vsebine, vaje in branje iz učbenika niso dovolj (Mathewson, 1999). Prve raziskave prostorskih sposobnosti segajo v dvajseta leta prejšnjega stoletja, ko se je pojavila težnja po ločitvi teh sposobnosti od splošne inteligentnosti. Najprej so določili več faktorjev prostorske zaznave, kasneje pa so oblikovali dva, in sicer prostorsko orientacijo in prostorsko vizualizacijo. Prostorska orientacija je sposobnost ohranjanja koncentracije zaznavanja s spreminjanjem orientacije posredovanja vizualnih dražljajev. Prostorska vizualizacija pa zajema sposobnost manipulacije slikovno predstavljenih dražljajev s procesi prepoznavanja, ohranjanja in spominjanja lastnosti objekta na sliki, kjer se premika cel objekt ali le njegovi deli (Carter et al., 1987; Barke, 1993).

Sposobnost tridimenzionalne vizualizacije objektov naj bi bila pomembna komponenta v naravoslovnem učenju in veliko različnih raziskav se je ukvarjalo s problemom povezanosti prostorsko-vizualizacijskih sposobnosti in razumevanjem izbranih naravoslovnih pojmov. Predvsem pri kemiji naj bi bila sposobnost 3-D vizualizacije bistvena in tisti učenci, dijaki ali študenti, ki teh sposobnosti nimajo ali pa so slabše razvite, imajo lahko pri učenju kemije težave. Obstajajo različne težavnostne ravni zaznavanja v 3-D okolju. Najenostavnejša je prostorska komponenta vizualizacije, ki zajema natančno prepoznavanje vzorcev na 3-D objektu iz 2-D slike. Zahtevnejša je prostorska orientacija, ki omogoča predstavo o neki reprezentaciji z drugega zornega kota in najzahtevnejša je vizualizacija efektov rotacije, refleksije in inverzije oz. vizualizacija namišljenih 3-D objektov. Številne raziskave podajajo različne poglede na to, kje in kako se v možganih povezujejo funkcije vizualizacije sveta in kognitivne sposobnosti posameznika. Leva hemisfera ima izraženo bolj kognitivno in logično ter s tem tudi naravoslovno komponento, desna pa bolj vizualizacijsko komponento. Povezava obeh je bistvena pri uporabi vizualizacijskih elementov v učenju naravoslovja. Nekateri raziskovalci vizualizacije trdijo, da ni mogoče spreminjati sposobnosti vizualizacije, ker so pri posamezniku že oblikovane, drugi pa, da jih je mogoče izboljšati s pomočjo ustrezno zasnovanih strategij. Najboljša strategija je po mnenju nekaterih tista,


90

ki vodi učenca, da si predstavlja 3-D obliko objekta s pomočjo 2-D reprezentacije, ki je osnova vseh predstavitev v učbenikih, ki so najpogosteje uporabljeni viri informacij za učence, dijake in študente. Raziskave so potrdile, da se vizualizacijske sposobnosti s starostjo večajo. Starejši mladostniki in odrasli so uspešnejši pri reševanju 3-D problemov kot mlajši mladostniki in otroci, saj imajo več izkušenj s 3-D predstavitvami. Vizualizacijske sposobnosti niso neposredno odvisne od starosti in poteka formalne izobrazbe. Prav tako razlike med spoloma niso statistično pomembno povezane z vizualizacijskimi sposobnostmi, ampak so povezane s sociološkimi vidiki razlik med spoloma. Raziskovalci so ugotovili, da ima celo veliko študentov kemije težave pri reševanju 3-D problemov, kar povzroča težave pri razumevanju večine kemijskih pojmov (Tuckey in Selvaratnam, 1993).

Wu in Shah (2003) navajata ugotovitve faktorske analize, s katero so ugotovili več kot pet različnih faktorjev, ki se nanašajo na različne sposobnosti prostorske vizualizacije. Večina drugih raziskav se posveča le trem faktorjem, in sicer prostorski vizualizaciji (sposobnost zaznave različnih oblik, ki so posledica rotacij objektov v 3-D okolju), hitrosti zaznavanja (sposobnost čim hitrejšega zaznavanja vzorcev) in prostorskim odnosom (sposobnost zaznave različnih oblik, ki so posledica rotacij objektov v 2-D okolju).

Ugotovljene so bile nizke pozitivne in statistično pomembne korelacije med prostorsko-vizualizacijskimi sposobnostmi in uspehi pri reševanju predvsem zahtevnejših problemskih nalog in nalog, kjer je bilo potrebno miselno manipulirati z 2-D predstavitvami s področja splošne in organske kemije, pa tudi matematike. Pri reševanju nalog, ki zahtevajo le spominsko znanje, pa prostorsko-vizualizacijske sposobnostmi niso bile statistično pomembne (Bodner in Guay, 1997; Coleman in Gotch, 1998; Vrtačnik et al., 2000; Ferk et al., 2003; Yang et al., 2003; Wu in Shah, 2003).

Ferkova je tako s sodelavci (2003) ugotovila nizke, a statistično pomembne (p < 0,01) korelacije, med sposobnostmi vizualizacije (prostorska zaznava in orientacija) in uspehom na posebnem testu, ki je od testirancev zahteval različne miselne operacije pri zaznavanju reprezentacij različnih modelov, ni pa iskala povezav med sposobnostjo vizualizacije in kemijskim znanjem. Keigova in Rubba (1993) poudarjata, da v nekaterih od omenjenih raziskavah niso upoštevali razlik med spoloma v predhodnem znanju naravoslovja in drugih miselnih sposobnosti, ki vplivajo na prostorsko-vizualizacijske sposobnosti.


91

Razlike v učnem uspehu pri naravoslovju namreč izhajajo tudi iz razlike v prostorsko-vizualizacijskih sposobnostih med spoloma (Meece in Jones, 1996). Barke in Engida (2001) navajata ugotovitev, da je 120 raziskovalcev v letih od 1932 do 1991 pri raziskavah prostorsko-vizualizacijskih sposobnostih ugotovilo razlike med spoloma v prid fantov. Nekateri raziskovalci navajajo trditve, da izhajajo razlike med spoloma iz ranega otroštva, saj obstajajo razlike v izboru igrač za fante in dekleta. Fantje so deležni več igrač, ki bolj spodbujajo razvoj prostorsko-vizualizacijskih sposobnosti kot dekleta. Nekateri pa poudarjajo tudi vpliv genotipa na omenjene razlike. Barke (1993) je ugotovil, da imajo pri štirinajstih letih otroci že dovolj razvite sposobnosti prostorske vizualizacije, da lahko interpretirajo 2-D slike kocke, tetraedrov in oktaedrov v smislu prostorskega opisa. Že v 70. letih prejšnjega stoletja so dokazovali povezave med prostorsko-vizualizacijskimi sposobnostmi in kulturnim okoljem, v katerem otrok živi. Barke in Engida (2001) sta primerjala rezultate testa prostorskih sposobnosti nemških in etiopskih srednješolcev ter ugotovila statistično pomembne razlike. Z raziskavo sta ovrgla trditve, da na sposobnosti zaznavanja prostora vplivata faktorja, kot sta izkušnje v otroštvu in kulturna umeščenosti otroka, ampak sta razlike razložila z razlikami v predhodnem šolanju. Dijaki, ki so že zgodaj prišli v stik z nalogami pri matematiki, kemiji in fiziki, ki so od njih zahtevale prostorsko-vizualizacijske sposobnosti, so te sposobnosti razvili bolje kot tisti, ki te možnosti niso imeli. Iz tega sta sklepala, da čim prej kot pričnemo uvajati dejavnosti, ki od otroka zahtevajo prostorsko-vizualizacijske sposobnosti, hitreje bo te sposobnosti otrok razvil. Tako predlagata uvedbo različnih modelov za razvijanje prostorsko-vizualizacijskih sposobnosti pri poučevanju naravoslovja na različnih ravneh vertikale izobraževanja. To je v nasprotju s priporočili Harrisona in Treagusta (1996).

Yangova s sodelavci (2003) ugotavlja, da imajo tisti študenti, ki imajo slabše razvite prostorsko-vizualizacijske sposobnosti tudi več težav pri razumevanju računalniških animacij. Ugotavlja tudi, da le pasivne animacije, ki jih spremlja govorjena beseda, niso dovolj za popolno in trajnejše razumevanje kemijskih pojmov. Potrebno je oblikovati in v učne situacije vgraditi čim več interaktivnih simulacij, ki omogočajo učencu, dijaku ali študentu aktivnejšo udeležbo pri oblikovanju kemijskega znanja. Podobno poudarja tudi Garnett s sodelavci (1998), ki sicer ne omenja animacij submikrosveta delcev, ampak


92

zaključuje, da predstavljajo sposobnosti vizualizacije eno od ključnih težav pri razumevanju sveta delcev. Z uporabo računalniških programov molekulskega modeliranja bi si lahko tudi tisti dijaki, ki imajo slabše razvite sposobnosti prostorske vizualizacije, razvili med rotiranjem modela prostorsko predstavitev različnih molekul (Wu et al., 2001). Ne glede na stopnjo šolanja bi moralo biti razvijanje in uporaba prostorsko-vizualizacijskega mišljenja kot ene najosnovnejših komponent človeškega mišljenja integrirano v pouk (Mathewson, 1999). Posebej velike težave pri prehajanju med tremi ravnmi naravoslovnega pojma pa imajo učenci, ki imajo slabše razvite prostorsko-vizualizacijske sposobnosti in tisti s slabim kemijskim znanjem (Keig in Rubba, 1993). Tega ne trdita Wu in Shah (2003), saj v pregledni študiji navajata, da ni dokazanih visokih in statistično pomembnih korelacij med uspehom na testu znanja in prostorsko-vizualizacijskimi sposobnostmi učencev. Navajata namreč, da je v primeru, ko ima dijaki slabše predznanje, uspeh pri reševanju testa bolj odvisen od faktorja predznanja kot prostorsko-vizualizacijskih sposobnosti. Prispevek nato zaključita z ugotovitvijo, da ni bilo opravljenih veliko raziskav na tem področju, predvsem s srednješolci, ki bi zadovoljivo potrdile ali ovrgle omenjene trditve, in da bi utegnila imeti statistično pomembna korelacija med vizualizacijskimi sposobnostmi in reševanjem kemijskih problemov vzrok v splošnem kognitivnem faktorju.

Podobno smo ugotovili tudi s slovenskimi šestnajstletniki, saj sposobnosti vizualizacije niso bile statistično pomembno povezane z uspehom branja in risanja submikropredstavitev različnih kemijskih pojmov (Devetak, 2005; Devetak in Glažar, 2010a).

93

Zaključek

Kompleksnost poučevanja in učenja naravoslovja, še posebej njenih kemijskih vsebin, je povezana z modelom soodvisnosti treh ravni pojmov (STRP model), ki jih spoznavajo učenci pri pouku. Ne glede na stopnjo šolanja raziskovalci ugotavljajo pozitivne trende v pridobivanju naravoslovnega znanja pri implementaciji STRP modela v pouk. Ustrezno načrtovana uporaba STRP modela pospeši pri učencu nastanek pravilnega in celovitega mentalnega modela o pojavu, o katerem se učenec uči. Le ustrezni mentalni model se pravilno umesti v učenčev dolgotrajni spomin in s tem znanjem lahko uspešno rešuje nove probleme s področja naravoslovja.

Veliko raziskav izobraževalnih strategij pri kemiji kaže, da razumevanje STRP modela ni tako zahtevno, da ga učenci ali dijaki ne bi bili sposobni dojeti. Ugotavljajo, da ostane razlaga pojmov največkrat le na najbolj abstraktni (simbolni) ravni, ustreznih povezav med ostalima dvema ravnema pa učenci ne dosežejo. Rezultati raziskav zadnjih 30 let kažejo, da imajo učenci, dijaki in študenti težave pri razumevanju submikropredstavitev in simbolnih zapisov, ker so zanje abstraktni in nevidni, razmišljanje o naravoslovnih pojavih pa se pri učencih v veliki meri omejuje le na čutne, torej makroskopske zaznave. Abstraktnejše vsebine so tako za učence lahko težke, nerazumljive in brez smisla. Učenci potrebujejo za pravilno integracijo novih pojmov v svoj dolgotrajni spomin različne vizualizacijske elemente, ki jim pomagajo premostiti miselne vrzeli med različnimi ravnmi pojmov. Vizualizacijski elementi so lahko analogije in različne vrste modelov, kamor sodijo tudi submikropredstavitve. Submikropredstavitve so sheme na ravni delcev, ki poskušajo čim bolj realno ilustrirati neko fizikalno ali kemijsko spremembo. Lahko so stacionarne 2-D ali 3-D oz. animirane ali vključene v simulacije s pomočjo sodobne računalniške tehnologije. Večina raziskovalcev učenja kemije z animacijami sveta delcev snovi trdi, da so animacije statistično pomembno bolj uspešne pri razvijanju učenčevega razumevanja kemijskih pojmov kot različni stacionarni modeli ali 2-D submikropredstavitve, vendar pa tudi uporaba le stacionarnih 2-D predstavitev izboljša učenčevo razumevanje naravoslovnih pojmov.


94

Nekateri ugotavljajo, da je možno raven delcev aplicirati v pouk naravoslovja že dokaj zgodaj (od 11. leta naprej), kar se s prenovljenimi učnimi načrti za naravoslovje v 6. razredu osnovne šole uvaja tudi v Sloveniji. Učenci so sposobni dojeti raven delcev prej, kot navadno mislimo, in pri tem jih podcenjujemo. To vodi v težave razumevanja naravoslovja na višjih ravneh šolske vertikale, saj so se v zgodnejšem naravoslovnem izobraževanju oblikovali neustrezni mentalni modeli, ki so vir napačnih in nepopolnih razumevanj.

Učitelji naj bi pri poučevanju novih naravoslovnih pojmov uporabljali učencem znane primere. Učenci niso pri učenju naravoslovja in tudi kemije na znanih primerih iz makroskopskega sveta le bolj uspešni pri reševanju problemov, ampak izkazujejo večji interes za učenje. Velik izziv raziskovalcem naravoslovnega izobraževanja in učiteljem naravoslovja tako predstavlja oblikovanje učinkovitih strategij povečevanja učenčevega interesa za učenje naravoslovja. Raziskovalci motivacije ugotavljajo, da obstajajo razlike med spoloma v motivaciji za učenje naravoslovja ter, da sta odnos do naravoslovja in motivacija za uspeh pri naravoslovju, povezana z dosežki na preizkusih znanja. Večina učencev se veseli kemije, saj imajo radi makroskopske pojave – eksperimente, tako da je učitelju na tej ravni lahko spodbuditi interes učencev, kar velja za vse stopnje izobraževanja. Ohraniti dovolj visoko raven zanimanja učencev, dijakov in študentov za submikro- in simbolno komponento predstavitve kemijskih pojmov pa predstavlja učiteljem poseben izziv.

Ne glede na interes učencev za naravoslovje pa študije kažejo, da je razumevanje kemijskih pojmov statistično pomembno odvisno tudi od razvitosti učenčevih sposobnosti formalnega mišljenja in vizualizacije. Raziskovalci ugotavljajo, da naravoslovno izobraževanje pripomore k razvoju miselnih sposobnosti, ki so osnova naravoslovne pismenosti. Prav tako je mogoče sklepati, da je sposobnost tridimenzionalne vizualizacije objektov pomembna komponenta v naravoslovnem učenju, čeprav obsežnejše raziskave povezav prostorsko-vizualizacijskih sposobnosti in uspeha na preizkusih kemijskega znanja na vzorcu osnovnošolcev in srednješolcev niso bile izvedene.

Nenazadnje vplivajo na razumevanje kemijskih pojmov tudi edukacijske strategije, ki jih uporablja učitelj in v veliki meri vplivajo na pozitivno

Zaključek

95

orientiran in strokovno korekten nastanek mentalnih modelov naravoslovnih pojmov pri učencih, dijakih ali študentih.

Tako je mogoče zaključiti, da imamo vsi (raziskovalci in učitelji), ki se znanstveno in strokovno ukvarjamo z naravoslovnim izobraževanjem, dolžnost, da oblikujemo take izobraževalne strategije, ki jih bodo učitelji lahko uporabljali pri svojem delu in bodo učencem, dijakom ter študentom prinašale uspehe pri izkazovanju njihovega naravoslovnega znanja na formalni in neformalni ravni. S tako naravoslovno pismenimi državljani torej lahko sodobna družba razvija tehnologije, ki bodo omogočale njen nadaljnji razvoj, hkrati pa bodo trajnostno zagotavljale njen obstoj.

97

Literatura Abell, S. K. in Roth, M. (1995). Reflection on a Fifth-Grade Life Science Lesson:

Making Sense of Children's Understanding of Scientific Models. International Journal of Science Education, 17(1), 59–74.

Abraham, M. R., Grzybowski, E. B., Renner, J. W. in Marek, E. A. (1992). Understanding and Misunderstanding of Eighth Graders of Five Chemistry Concepts Found in Textbooks. Journal of Research in Science Teaching, 29(2), 105–120.

Abraham, M. R., Williamson, V. M. in Westbrook, S. L. (1994). A Cross-Age Study of the Understanding of Five Chemistry Concepts. Journal of Research in Science Teaching, 31(2), 147–165.

Acquistapace, V. L. (1997). Chemistry Illustratrated. The Science Teacher, 64(4), 29–31.

Adadan, E. in Savasci, F. (2011). An Analysis of 16–17-year-old Students' Understanding of Solution Chemistry Concepts Using a Two-tier Diagnostic Instrument. Internatinal Journal of Science Education, (sprejeto v objavo).

Anderman, E. M. in Young, A. J. (1994). Motivation and Strategy Use in Science: Individual Differences and Classroom Effects. Journal of Research in Science Teaching, 31(8), 811–831.

Andersson, B. (1990). Pupils´ Conceptions of Matter and its Transformations (age 12–16). Studies in Science Education, 18(1), 53–85.

Atkins, P. W., Clugston, M. J., Frazer, M. J. in Jones, R. A. Y. (1995). Kemija, zakonitisti in uporaba. Ljubljana: Tehniška založba Slovenije.

Bar, V. in Travis, A. S. (1991). Children’s Views Concerning Phase Changes. Journal of Research in Science Teaching, 28(4), 363–382.

Barke, H.-D. (1993). Chemical Education and Spatial Ability. Journal of Chemical Education, 70(12), 968–971.

Barke, H.-D. in Engida, T. (2001). Structural Chemistry and Spatial Ability in Different Cultures. Chemistry Education: Research and Practice in Europe, 2(3), 227–239.

Bell, J. A. in Ahlgren, A. (1996). What is AAAS Project 2061? Why Should Chemists Care?. CHEMCONF ´96, New Initiatives in Chemical Education, An On-Line Symposium. Pridobljeno 9. 10. 2003 iz http://www.inform.umd.edu/EdRes/Topic/ Chemistry/ChemConference/ChemConf96/Bell.html.

Ben-Zvi, R., Eylon, B.-S. in Silberstein, J. (1986). Is an Atom of Copper Malleable?. Journal of Chemical Education, 63(1), 64–66.

Ben-Zvi, R., Eylon, B.-S. in Silberstein, J. (1987). Students´ Visualisation of a Chemical Reaction. Education in Chemistry, 24(4), 117–120.


98

Bodner, G. M. in Guay, R. B. (1997).The Purdue Visualization of Rotations Test. The Chemical Educator, 2(4), 1–17.

Bowen, C. W. (1998). Item Design Considerations for Compute-Based Testing of Student Learning in Chemistry. Journal of Chemical Education, 75(9), 1172–1175.

Brosnan, T. in Reynolds, Y. (2001). Student’s Explanations of Chemical Phenomena: Macro and Micro Differences. Research in Science and Technological Education, 19(1), 69–78.

Bukovec, N. (2009). Kemija za Gimnazije 1 – učbenik. Ljubljana: DZS. Bukovec, N. (2010). Kemija za Gimnazije 2 – učbenik. Ljubljana: DZS. Bunce, D. M. in Gabel, D. (2002). Differential Effects in the Achievement of Males

and Females of Teaching the Particulate Nature of Chemistry. Journal of Research in Science Teaching, 39(10), 911–972.

Butts, W. in Smith, R. (1987). What do Students Perceive as Difficult in HSC Chemistry?. Journal of Chemical Education, 32(1), 45–51.

Carter, C. S., LaRussa, M. A. in Bodner, G. M. (1987). A Study of Two Measures of Spatial Ability as Predictors of Success in Different Levels of General Chemistry. Journal of Research in Science Teaching, 19(7), 697–710.

Chittleborough, G. D., Treagust, D. F. in Mocerino, M. (2002). Constraints to the Development of First Year University Students` Mental Models of Chemical Phenomena. Teaching and Learning Forum 2002, Focusing on the Student. Pridobljeno 30. 1. 2004 iz http://www.ecu.edu.au/conferences/tlf/2002/pub/docs/ Chittleborough.pdf.

Chiu, M. L., Chiu, M. H. in Ho, C. Y. (2002). Using Cognitive-based Dynamic Representations to Diagnose Students` Conceptions of the Characteristics of Matter. Proceedings of the National Science Council, 12(3), 91–99. Pridobljeno 16. 9. 2003 iz http://nr.stic.gov.tw/ejournal/ProceedingD/v12n3/91–99.pdf.

Clark, D. in Jorde, D. (2004). Helping Students Revise Disruptive Experientially Supported Ideas about Thermodynamics: Computer Visualizations and Tactile Models. Journal of Research in Science Teaching, 41(1), 1–23.

Coleman, S. L. in Gotch, A. J. (1998). Spatial Perception Skills of Chemistry Students. Journal of Chemical Education, 75(2), 206–209.

Curtis, R. V. (1988). When is a Science Analogy Like a Social Studies Analogy: A Comparison of Text Analogies Across Two Disciplines. Instructional Science, 17(3), 169–177.

Dagher, Z. B. (1995). Review of Studies on the Effectiveness of Instructional Analogies in Science Education. Science Education, 79(3), 295–312.

Davidowitz, B., Chittleborough, G. in Murray, E. (2010). Student-generated Submicro Diagrams: A Useful Tool for Teaching and Learning Chemical Equations and Stoichiometry. Chemistry Education Research and Practice, 11(3), 154–164.

Literatura

99

deBerg, K. (2012). A Study of First-year Chemistry Students’ Understanding of Solution Concentration at the Tertiary Level. Chemistry Education Research and Practice, 13(1), 8–16.

deVos, W. in Verdonk, A. H. (1996). The Particulate Nature of Matter in Science Education and in Science. Journal of Research in Science Teaching, 33(6), 657–664.

Devetak, I. (2000). Simbolni kemijski jezik in reševanje stehiometrijskih problemov. Magistrsko delo, Ljubljana: Univerza v Ljubljani, Naravoslovnotehniška fakulteta.

Devetak, I. (2005). Pojasnjevanje latentnega prostora razumevanja submikro-reprezentacij v naravoslovju (Doktorska disertacija). Ljubljana: Univerza v Ljubljani, Pedagoška fakulteta.

Devetak, I., Cvirn-Pavlin, T. in Jamšek, S. (2010c). Peti element 8, učbenik za 8. razred osnovne šole. Ljubljana: Rokus Klett.

Devetak, I., Drofenik Lorber, E., Juriševič, M. in Glažar, S. A. (2009b). Comparing Slovenian Year 8 and Year 9 Elementary School Pupils' Knowledge of Electrolyte Chemistry and their Intrinsic Motivation. Chemistry Education Research and Practice, 10(4), 281–290.

Devetak, I. Glažar, S. A., Juriševič, M., Urbančič, M. in Razdevšek-Pučko, C. (2004a). Understanding of Basic Chemical Concepts and Motivation for Learning Chemistry in Pre-service Primary School Teachers. V D. Krnel in S. A. Glažar (ur.), Programme and abstracts, 7th European Conference on Research in Chemical Education, 3rd European Conference on Chemical Education (str. 75–80). Ljubljana: Faculty of Education.

Devetak, I. in Glažar, S. A. (2010a). The Influence of 16-Year-Old Students’ Gender, Mental Abilities, and Motivation on their Reading and Drawing Submicrorepresentations Achievements. International Journal of Science Education, 32(12), 1561–1593.

Devetak, I. in Glažar, S. A. (2010b). Approach to Developing the Learning to Learn Strategy in Chemistry. V M. Valenčič Zuljan in J. Vogrinc (ur.), Facilitating Effective Student Learning through Teacher Research and Innovation (str. 399–414). Ljubljana: Faculty of Education.

Devetak, I., Hajzeri, M., Glažar, S. A. in Vogrinc, J. (2010b). The Influence of Different Models on 15-years-old Students’ Understanding of the Solid State of Matter. Acta Chimica Slovenica, 57(4), 904–911.

Devetak, I. in Urbančič, M. (2003). Razumevanje osnovnih kemijskih pojmov pri bodočih profesorjih razrednega pouka. V P. Glavič in D. Brodnjak-Vončina (ur.), Zbornik referatov s posvetovanja, Slovenski kemijski dnevi 2003 (8. str). Maribor: Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo.

Devetak, I., Urbančič, M., Wissiak-Grm, K. S., Krnel, D. in Glažar, S. A. (2004b). Submicroscopic Representations as a Tool for Evaluating Students' Chemical Conceptions. Acta Chimica Slovenica, 51(4), 799–814.


100

Devetak, I., Vogrinc, J. in Glažar, S. A. (2009a). Assessing 16-year-old Students' Understanding of Aqueous Solution at Submicroscopic Level. Research in Science Education, 39(2), 157–179.

Devetak, I., Vogrinc, J. in Glažar, S. A. (2010a). States of Matter Explanations in Slovenian Textbooks for Students Aged 6 to 14. International Journal of Environmental and Science Education, 5(2), 217–235.

Dori, Y. J. in Hameiri, M. (2003). Multidimensional Analysis System for Quantitative Chemistry Problems: Symbol, Macro, Micro and Process Aspects. Journal of Research in Science Teaching, 40(3), 278–302.

Duit, R. (1991). On the Role of Analogies and Metaphors in Learning Science. Science Education, 75(6), 649–672.

Dweck, C. (1986). Motivation Processes Affecting Learning. American Psychologist, 41(10), 1040–1048.

Ebenezer, J. V. in Erickson, G. L. (1996). Chemistry Students´ Conceptions of Solubility: A Phenomenography. Science Education, 80(2), 181–201.

Ebenezer, J. V. in Gaskell, P. J. (1995). Relational Conceptual Change in Solution Chemistry. Science Education, 79(1), 1–17.

Eisenberg, A. (1992). Metaphor in the Language of Science. Scientific American, 266(5), 144.

Eskilsson, O. in Hellden, G. (2003). A Longitudinal Study on 10-12-year-olds` Conceptions of the Transformations of Matter. Chemistry Education: Research and Practice in Europe, 4(3), 291–304.

Falvo, D. A., Urban, M. J. in Suits, J. P. (2011). Exploring the Impact of and Perception about Interactive, Self-Explaining Environments in Molecular-Level Animation. CEPS Journal, 1(4), 45–61.

Ferk, V., Vrtačnik, M., Blejec, A. in Gril, A. (2003). Students’ Understanding of Molecular Structure Representations. International Journal of Science Education, 25(10), 1227–1245.

Ferk-Savec, V. in Vrtačnik, M. (2007). Povezovanje eksperimentalnih opažanj z razlago na ravni delcev pri bodočih učiteljih kemije. V I. Devetak (ur.), Elementi vizualizacije pri pouku naravoslovja (str. 37–57). Ljubljana: Pedagoška fakulteta.

Foti, S. in Ring,G. (2008). Using a Simulation-based Learning Environment to Enhance Learning and Instruction in a Middle School Science Classroom. Journal of Computers in Mathematics and Science Teaching, 27(1), 103–120.

Friedel, A. W., Gabel, D. L. in Samuel, J. (1990). Using Analogies for Chemistry Problem Solving: Does it Increase Understanding. School Science and Mathematics, 90(8), 674–682.

Gabel, D. (1993). Use of the Particle Nature of Matter in Developing Conceptual Understanding. Journal of Chemical Education, 70(3), 193–197.

Literatura

101

Gabel, D. (1998). The Complexity of Chemistry and Implications for Teaching. V B. J. Frazer in K. J. Tobin (ur.), International Handbook of Science Education (str. 233–248). Dordrecht: Kluwer Academic Publish.

Gabel, D. (1999). Improving Teaching and Learning through Chemistry Education Research: A Look to the Future. Journal of Chemical Education, 76(4), 548–554.

Gabel, D., Samuel, K. V. in Humm, D. (1987). Understanding the Particulate Nature of Matter. Journal of Chemical Education, 64(8), 695–697.

Gabel, D. in Sherwood, R. D. (1980). Effect of Using Analogies on Chemistry Achievement According to Piagetian Level. Science Education, 64(5), 709–716.

Gabel, D. in Sherwood, R. D. (1983). Facilitating Problem Solving in High School Chemistry. Journal of Research in Science Teaching, 20(2), 163–177.

Gabrič, A., Glažar, S. A. in Slatinek-Žigon, M. (2001). Kemija danes 1, učbenik za 8. razred devetletne osnovne šole. Ljubljana: DZS.

Garnett, P. J., Garnett, P. J. in Hackling, M. W. (1995). Students´ Alternative Conceptions in Chemistry: A Review of Research and Implications for Teaching and Learning. Studies in Science Education, 25(1), 69–95.

Garnett, P., Olier, R. in Hackling, M. (1998). Designing Interactive Multimedia Materials to Support Concept Development in Beginning Chemistry Classes. Pridobljeno 27. 1. 2003 iz http://66.102.11.104/search?q=cache:suD8Que6rAgJ: elrond.scam.ecu.edu.au/oliver/docs/98/ICCE.pdf+Using+interactive+multimedia+to+support+concept+development+in+introductory+chemistry+teaching+and+learning&hl=en&ie=UTF-8.

Georgiadou, A. in Tsaparlis, G. (2000). Chemistry Teaching in Lower Secondary School with Methods based on: A) Psychological Theories; B) the Macro, Representational, and Submicro Levels of Chemistry. Chemistry Education: Research and Practice in Europe, 1(2), 217–226.

Gilbert, J. K. (2005a). Introduction. V J. K. Gilbert (ur.), Visualization in Science Education (str. 1–5). Dordrecht: Springer.

Gilbert, J. K. (2005b). Visualization: A Metacognitive Skill in Science and Science Education. V J. K. Gilbert (ur.), Visualization in Science Education (str. 9–27). Dordrecht: Springer.

Gilbert, J. K. in Boulter, C. J. (1998). Learning Science through Models and Modelling. V B. J. Frazer in K. J. Tobin (ur.), International Handbook of Science Education (str. 53–66). Dordrecht: Kluwer Academic Publish.

Gilbert, J. K. in Osborne, R. J. (1980). The Use of Models in Science and Science Teaching. European Journal of Science Education, 2(1), 3–13.

Gilbert, J. K., Osborne, R. J. in Fensham, P. J. (1982). Children’s Science and its Consequences for Teaching. Science Education, 66(4), 623–633.

Gilbert, S. W. (1989). An Evaluation of the Use of Analogy, Simile, and Metaphor in Science Texts. Journal of Research in Science Teaching, 26(4), 315–327.


102

Gilbert, S. W. (1991). Model Building and a Definition of Science. Journal of Research in Science Teaching, 28(1), 73–79.

Glažar, S. A. in Devetak, I. (2002). Secondary School Students` Knowledge of Stoichiometry. Acta Chimica Slovenica, 49(1), 43–53.

Glažar, S. A., Devetak, I. in Urbančič, M. (2002). Razumevanje kemijskih pojmov na submokroskopskem nivoju. V P. Glavič in D. Brodnjak-Vončina (ur.), Slovenski kemijski dnevi 2002, Zbornik referatov s posvetovanja, 2. del. (str. 905–910). Maribor: FKKT.

Greca, I. M. in Moreira, M. A. (2002). Mental, Physical, and Mathematical Models in the Teaching and Learning of Physics. Science Education, 86(1), 106–121.

Gregorius, R. Ma., Santosb, R., Danob, J. B. in Gutierrezb, J. J. (2010a). Can Animations Effectively Substitute for Traditional Teaching Methods? Part I: Preparation and Testing of Materials. Chemistry Education: Research and Practice, 11(4), 253–261.

Gregorius, R. Ma., Santosb, R., Danob, J. B. in Gutierrezb, J. J. (2010b). Can Animations Effectively Substitute for Traditional Teaching Methods? Part II: Potential for Differentiated Learning. Chemistry Education: Research and Practice, 11(5), 262–266.

Griffiths, A. K. in Preston, K. R. (1992). Grade-12 Students´ Misconceptions Relating to Fundamental Characteristics of Atoms and Molecules. Journal of Research in Science Teaching, 29(6), 611–628.

Grosslight, L., Unger, C., Jay, E. in Smith, C. L. (1991). Understanding Models and their Use in Science: Conceptions of Middle and High School Students and Experts. Journal of Research in Science Teaching, 29(9), 799–822.

Haidar, A. H. in Abraham, M. R. (1991). A Comparison of Applied and Theoretical Knowledge of Concepts Based on the Particulate Nature of Matter. Journal of Research in Science Teaching, 28(10), 919–938.

Halakova, Z. in Prokša, M. (2007). Two Kinds of Conceptual Problems in Chemistry Teaching. Journal of Chemical Education, 84(1), 172–174.

Harrison, A. G. in Treagust, D. F. (1996). Secondary Students´ Mental Models of Atoms and Molecules: Implications for Teaching Chemistry. Science Education, 80(5), 509–534.

Harrison, A. G. in Treagust, D. F. (1998). Modelling in Science Lessons: Are There Better Ways to Learn With Models?. School Science and Mathematics, 98(8), 420–429.

Harrison, A. G. in Treagust, D. F. (2000). Learning about Atoms, Molecules, and Chemical Bonds: A Case Study of Multiple-Model Use in Grade 11 Chemistry. Science Education, 84(3), 352–381.

Harrison, A. G. in Treagust, D. F. (2002). The Particulate Nature of Matter: Challenges in Understanding the Submicroscopic World. V J. K. Gilbert (ur.), Chemical

Literatura

103

Education: Towards Research – Based Practice (str. 189–212). Dordrecht: Kluwer Academic Publishers.

Hennessy, S., Deaney, R. in Ruthven, K. (2006). Situated Expertise in Integrating Use of Multimedia Simulations into Secondary Science Teaching. International Journal of Science Education, 28(7), 701–732.

Herron, J. D. (1996). The chemistry classroom, formulas for successful teaching. Washington: American Chemical Society.

Heyworth, R. M. (1999). Procedural and Conceptual Knowledge of Expert and Novice for the Solving of a Basic Problem in Chemistry. International Journal of Science Education, 21(2), 195–211.

Hill, D. (1988). Misleading Illustrations. Research in Science Education, 18(2), 290–297.

Huddle, B. P. (1998). "Conceptual Questions" on LeChatelier´s Principle. Journal of Chemical Education, 75(9), 1175.

Ingham, A. M. in Gilbert, J. K. (1991). The Use of Analogue Models by Students of Chemistry at Higher Education Level. International Journal of Science Education, 13(2), 193–202.

Johnson, P. (1998a). Progression in Children’s Understanding of a "Basic" Particle Theory: A Longitudinal Study. International Journal of Science Education, 20(4), 393–412.

Johnson, P. (1998b). Children’s Understanding of Changes of State Involving the Gas State, Part I: Boiling Water and the Particle Theory. International Journal of Science Education, 20(5), 567–583.

Johnson, P. (1998c). Children’s Understanding of Changes of State Involving the Gas State, Part II: Evaporation and Condensation Below Boiling Point. International Journal of Science Education, 20(6), 695–709.

Johnstone, A. H. (1982). Macro- and Micro-chemistry. The School Science Review, 64(227), 377–379.

Johnstone, A. H. (1991). Why is Science Difficult to Learn? Things are Seldom What They Seem. Journal of Computer Assisted Learning, 7(2), 75–83.

Johnstone, A. H. (1993). The Development of Chemistry Teaching. Journal of Chemical Education, 70(9), 701–703.

Johnstone, A. H. (1999). The Nature of Chemistry. Education in Chemistry, 36(2), 45–47.

Johnstone, A. H. (2000). Teaching of Chemistry – Logical of Psychological?. Chemistry Education: Research and Practice in Europe, 1(1), 9–15.

Johnstone, A. H. in Letton, K. M. (1990). Investigating Under-graduate Laboratory Work. Education in Chemistry, 27(1), 9–11.


104

Johnstone, A. H., Sleet, R. J. in Vianna, J. F. (1994). An Information Processing Model of Learning: Its Application to an Undergraduate Laboratory Course in Chemistry. Studies in Higher Education, 19(1), 77–87.

Jones, L. L. (1996). The Role of Molecular Structure and Modelling in General Chemistry. CHEMCONF ´96, New Initiatives in Chemical Education, An On-Line Symposium. Pridobljeno 9. 10. 2003 iz http://www.inform.umd.edu/EdRes/Topic/ Chemistry/ChemConference/ChemConf96/Jones/Paper3.html.

Juriševič, M., Devetak, I., Razdevšek-Pučko, C. in Glažar, S. A. (2008). Intrinsic Motivation of Pre-service Primary School Teachers for Learning Chemistry in Relation to their Academic Achievement. International Journal of Science Education, 30(1), 87–107.

Justi, R. S. in Gilbert, J. K. (2002a). Modelling, Teachers´ Views on the Nature of Modelling, and Implications for the Education of Modellers. International Journal of Science Education, 24(4), 369–387.

Justi, R. S. in Gilbert, J. K. (2002b). Science Teachers´ Knowledge about and Attitudes towards the Use of Models and Modelling in Learning Science. International Journal of Science Education, 24(12), 1273–1292.

Justi, R. S. in Gilbert, J. K. (2002c). Models and Modelling in Chemical Education. V J. K. Gilbert, O. de Jong, R. Justi, D. F. Treagust in J. H. van Driel (ur.), Chemical Education: Towards Research – based Practice (str. 47–68). Dordrecht: Kluwer Academic Publishers.

Keig, P. F. in Rubba, P. A. (1993). Translation of Representations of Structure of Matter and its Relationship to Reasoning, Gender, Spatial Reasoning, and Specific Prior Knowledge. Journal of Research in Science Teaching, 30(8), 883–903.

Kelly, R. M. in Jones, L. L. (2008). Investigating Students’ Ability to Transfer Ideas Learned from Molecular Animations of the Dissolution Process. Journal of Chemical Education, 85(2), 303–309.

Kern, A. L., Woodb, N. B., Roehrigc, G. H. in Nyachwayac, J. (2010). A Qualitative Report of the Ways High School Chemistry Students Attempt to Represent a Chemical Reaction at the Atomic/Molecular Level. Chemistry Education: Research and Practice, 11(3), 165–172.

Kozma, R. B. in Russell, J. (1997). Multimedia and Understanding: Expert and Novice Responses to Different Representations of Chemical Phenomena. Journal of Research in Science Teaching, 34(9), 949–968.

Kozma, R., Chin, E., Russell, J. in Marx, N. (2000). The Roles of Representations and Tools in the Chemistry Laboratory and their Implications for Chemistry Learning. Journal of the Learning Sciences, 9(2), 105–143.

Krnel, D., Watson, R. in Glažar, S. A. (1998). Survey of Research Related to the Development of the Concept of “Matter”. International Journal of Science Education, 20(3), 257–289.

http://www.inform.umd.edu/EdRes/Topic/%20Chemistry/ChemConference/ChemConf96/Jones/Paper3.html�

http://www.inform.umd.edu/EdRes/Topic/%20Chemistry/ChemConference/ChemConf96/Jones/Paper3.html�

Literatura

105

Laverty, D. T. in McGarvey, E. B. (1991). A "Constructivist" Approach to Learning. Education in Chemistry, 28(4), 99–102.

Lawson, A. E. (1993). The Importance of Analogy: A Prelude to the Special Issue. Journal of Research in Science Teaching, 30(10), 1214–1214.

Lawson, A. E., Baker, W. P., DiDonato, L., Verdi, M. P. in Johnson, M. A. (1993). The Role of Hypotetico-Deductive Reasoning and Physical Analogues of Molecular Interactions in Conceptual Change. Journal of Research in Science Teaching, 30(9), 1073–1085.

Lazarini, F. in Brenčič, J. (1989). Splošna in anorganska kemija. Ljubljana: DZS. Lee, K.-W. L. (1999). A Comparison of University Lecturers´ and Pre-service

Teachers´ Understanding of a Chemical Reaction at the Particulate Level. Journal of Chemical Education, 76(7), 1008–1012.

Lee, O., Eichinger, D. C., Anderson, C. W., Berkheimer, G. D. in Blakeslee, T. D. (1993). Changing Middle School Students´ Conceptions of Matter and Molecules. Journal of Research in Science Teaching, 30(3), 249–270.

Limniou, M., Papadopoulos, N. in Whitehead, C. (2009). Integration of Simulation into Pre-laboratory Chemical Course: Computer Cluster Versus WebCT. Computers & Education, 52(1), 45–52.

Linn, M. C. (1981). Theoretical and Practical Significance of Formal Reasoning. Journal of Research in Science Teaching, 19(9), 727–742.

Liu, H., Andre, T. in Greenbowe, T. (2008). The Impact of Learners’ Prior Knowledge on their Use of Chemistry Computer Simulations: A Case Study. Journal of Science Education and Technology, 17(5), 466–482.

Longden, K., Black, P. in Solomon, J. (1991). Children’s Interpretation of Dissolving. International Journal of Science Education, 13(1), 59–68.

Lythcott, J. (1990). Problem Solving and Requisite Knowledge of Chemistry. Journal of Chemical Education, 67(3), 248–252.

Mahaffy, P. (2004). The Future Shape of Chemistry Education. Chemistry Education: Research and Practice, 5(3), 229–245.

Marbach, G. in Stavy, R. (2000). Students´ Cellular and Molecular Explanations of Genetic Phenomena. Journal of Biological Education, 34(4), 200–211.

Marinč, M., Glažar, S. A. in Devetak, I. (2011). Analiza slikovnega materiala v slovenskih učbenikih za kemijo v osnovni šoli. 2. del. Kemija v šoli in družbi, 23(3), 11–21.

Maskill, R., Cachapuz, A. F. in Koulaidis, V. (1997). Young pupils` Ideas About the Microscopic Nature of Matter in Three Different European Countries. International Journal of Science Education, 19(6), 631–645.

Mathewson, J. H. (1999). Visual-Spatial Thinking: An Aspect of Science Overlooked by Educators. Science Education, 83(1), 33–54.


106

Mayer, R. E. (1993). Illustrations that Instruct. V R. Glaser (ur.), Advances in instructional psychology (str. 253–284). Hillsdale: Erlbaum.

Mayer, R. E. (1996). Learning Strategies for Making Sense out of Expository Text: The SOI Model for Guiding Three Cognitive Processes in Knowledge Construction. Educational Psychology Review, 8(4), 357–371.

McMurry, J. in McFay, R. C. (2001). Chemistry. New Jersey: Prentice - Hall. Meece, J. L. in Jones, M. G. (1996). Gender Differences in Motivation and Strategy

Use in Science: Are Girls Rote Learners?. Journal of Research in Science Teaching, 33(4), 393–406.

Meijer, M. R., Bulte, A. M. W. in Pilot, A. (2009). Structure – property relations between macro and sub-micro representations: Relevant meso-levels in authentic tasks. V J. K. Gilbert in D. Treagust (ur.), Multiple Representations in Chemical Education, Models and Modeling in Science Education (str. 195–213). Dordrecht: Springer.

Milne, R. W. (1999). Animating Reactions. Journal of Chemical Education, 76(1), 50–51.

Moore, J. W., Stanitski, C. L. in Jurs, P. C. (2002). Chemistry, The Molecular Science. Fort Worth: Harcourt College Publishers.

Moreno, R. in Mayer, R. E. (2000). A learner-centered approach to multimedia explanations: Deriving instructional design principles from cognitive theory. Interactive multimedia electronic journal of computer-enhanced learning, 2, 78–107. Pridobljeno 6. 2. 2012 iz http://imej.wfu.edu/.

Mulford, D. R. in Robinson, W. R. (2002). An Inventory for Alternative Conceptions among First-Semester General Chemistry Students. Journal of Chemical Education, 79(6), 739–744.

Nakhleh, M. B. (1993). Are Our Students Conceptual Thinkers or Algorithmic Problem Solvers?. Journal of Chemical Education, 70(1), 52–55.

Nakhleh, M. B. (1994). Students´ Models of Matter in the Context of Acid-Base Chemistry. Journal of Chemical Education, 71(6), 495–499.

Nicholls, C., Markel, S. in Cordts, M. (1996). The Effect of Computer Animation on Students´ Understanding of Microbiology. Journal of Research on Computing in Education, 23(3), 395–404.

Nicoll, G. (2001). A Report of Undergraduates` Bonding Misconceptions. International Journal of Science Education, 23(7), 707–730.

Nieswandt, M. (2007). Students Affect and Conceptual Understanding in Learning Chemistry. Journal of Research in Science Teaching, 44(7), 908–937.

Noh, T. in Scharmann, L. C. (1997). Instructional Influence of a Molecular-Level Pictorial Presentation of Matter on Students´ Conceptions and Problem Solving Ability. Journal of Research in Science Teaching, 34(2), 199–217.

Literatura

107

Nolen, S. B. in Haladyna, T. M. (1990). Motivation and Studying in High School Science. Journal of Research in Science Teaching, 27(2), 115–126.

Novick, S. in Nussbaum, J. (1978). Junior High School Pupils´ Understanding of the Particulate Nature of Matter: An Interview Study. Science Education, 62(3), 273–281.

Novick, S. in Nussbaum, J. (1981). Pupils´ Understanding of the Particulate Nature of Matter: A Cross-Age Study. Science Education, 65(2), 187–196.

Nurrenbern, S. C. in Pickering, M. J. (1987). Concept Learning versus Problem Solving: Is There a Difference?. Journal of Chemical Education, 64(6), 508–510.

Nussbaum, J. (1992). The Particulate Nature of Matter in the Gaseous Phase. V R. Driver, E. Guesne in A. Tiberghien (ur.), Children’s Ideas in Science (str. 124–144). Milton Keynes, Philadelphia: Open University Press.

Odom, A. L. in Barrow, L. H. (1995). Development and Application of a Two-Tier Diagnostic Test Measuring College Biology Students´ Understanding of Diffusion and Osmosis after a Course of Instruction. Journal of Research in Science Teaching, 32(1), 45–61.

Özmen, H., Demircioglu, H. in Demircioglu, G. (2009). The Effects of Conceptual Change Texts Accompanied with Animations on Overcoming 11th Grade Students’ Alternative Conceptions of Chemical Bonding. Computers & Education, 52(3), 681–695.

Paivio, A. (1986). Mental Representations: A Dual Coding Approach. New York: Oxford University Press.

Papageorgiou, G. in Johnson, P. (2005). Do Particle Ideas Help or Hinder Pupils’ Understanding of Phenomena?. International Journal of Science Education, 27(11), 1299–1317.

Paton, R. C. (1996). On an Apparently Simple Modelling Problem in Biology. International Journal of Science Education, 18(1), 55–64.

Pence, H. E. (1993). Combining Cooperative Learning and Multimedia in General Chemistry. Education, 113(3), 375–380.

Pereira, M. P. in Pestana, M. E. M. (1991). Pupils` Representations of Models of Water. International Journal of Science Education, 13(3), 313–319.

Phelps, A. J. (1996). Teaching to Enhance Problem Solving. Journal of Chemical Education, 73(4), 301–304.

Pickering, M. (1990). Further Studies on Concept Learning versus Problem Solving. Journal of Chemical Education, 67(3), 254–255.

Pintrich, P. R. (1999). The Role of Motivation in Promoting and Sustaining Self-Regulated Learning. International Journal of Educational Research, 31(6), 459–470.


108

Prieto, T., Blanco, A. in Rodrigues, A. (1989). The Ideas of 11 to 14-Year-Old Students about Nature of Solutions. International Journal of Science Education, 11(4), 451–463.

Renner, J. W. (1979). The Relationships Between Intellectual Development and Written Responses to Science Questions. Journal of Research in Science Teaching, 16(4), 279–299.

Rennie, L. J. (1990). Student Participation and Motivational Orientation: What Students Do in science? V K. Tobin, J. Butler in B. J. Fraser (ur.), Windows into Science Classrooms: Problems Associated with Higher-level Cognitive Learning (str. 164–198). London: The Falmer Press.

Rodrigues, S. in Gvozdenko, E. (2011). Student Engagement with a Science Simulation: Aspects that Matter. CEPS Journal, 1(4), 27–43.

Rodrigues, S., Smith, A. in Ainley, M. (2001). Video Clips and Animation in Chemistry CD-Roms: Student Interest and Preference. Australian Science Teaching Journal, 47(2), 9–16.

Russell, J. W., Kozma, R. B., Jones, T., Wykoff, J., Marx, N. in Davis, J. (1997). Use of Simultaneous-Synchronized Macroscopic, Microscopic, and Symbolic Representations to Enhance the Teaching and Learning of Chemical Concepts. Journal of Chemical Education, 74(3), 330–334.

Russell, T. (1989). Children’s Ideas about Evaporation. International Journal of Science Education, 11(special issue), 566–576.

Ryan, R. M. in Deci, E. L. (2000). Intrinsic and Extrinsic Motivation: Classic Definitions and New Directions. Contemporary Educational Psychology, 25(1), 54–67.

Sanger, M. J. (2000). Using Particulate Drawings to Determine and improve Students´ Conceptions of Pure Substances and Mixtures. Journal of Chemical Education, 77(6), 762–766.

Sanger, M. J., Phelps, A. J. in Fienhold, J. (2000). Using a Computer Animation to Improve Students´ Conceptual Understanding of a Can-Crushing Demonstration. Journal of Chemical Education, 77(11), 1517–1520.

Sanger, M. J. in Phelps, A. J. (2007). What Are Students Thinking When They Pick Their Answer? A Content Analysis of Students’ Explanations of Gas Properties. Journal of Chemical Education, 84(5), 870–874.

Sawrey, B. A. (1990). Concept Learning versus Problem Solving: Revisited. Journal of Chemical Education, 67(3), 253–254.

Schmidt, H.-J. (1994). Stoichiometric Problem Solving in High School Chemistry. International Journal of Science Education, 16(2), 191–200.

Shemesh, M., Eckstein, S. F. in Lazarowitz, R. (1992). An Experimental Study of the Development of Formal Reasoning among Secondary School Students. School Science and Mathematics, 92(1), 26–30.

Literatura

109

Simpson, R. D. in Oliver, J. S. (1990). A Summary of Major Influences on Attitude toward and Achievement in Science among Adolescent Students. Science Education, 74(1), 1–18.

Singer, J. E., Tal, R. T. in Wu, H.-K. (2000). Using Multiple representations to Support Urban Middle School Students Understanding the Particulate Mature of Matter. Pridobljeno 16. 9. 2003 iz http://www.ite.sc.edu/ite/Faculty/singer/Airpaper12-3.doc.

Slovar slovenskega knjižnega jezika (1994). Ljubljana: DZS. Smetana, L. K. in Bell, R. L. (2011). Computer Simulations to Support Science

Instruction and Learning: A Critical Review of the Literature. International Journal of Science Education, (sprejeto v objavo).

Smith, K. J. in Metz, P. A. (1996). Evaluating Student Understanding of Solution Chemistry through Microscopic Representations. Journal of Chemical Education, 73(3), 233–235.

Solsona, N., Izquierdo, M. in De Jong, O., (2003). Exploring the Development of Students´ Conceptual Profiles of Chemical Change. International Journal of Science Education, 25(1), 3–12.

Stains, M. in Talanquer, V. (2008). Classification of Chemical Reactions: Stages of Expertise. Journal of Research in Science Teaching, 45(7), 771–793.

Staver, J. R. in Lumpe, A. T. (1995). A Content Analysis of the Presentation of the Mole Concept in Chemistry Textbooks. Journal of Research in Science Teaching, 30(4), 321–337.

Stavy, R. (1988). Children’s Conception of Gas. International Journal of Science Education, 10(5), 553–560.

Stavy, R. in Tirosh, D. (1993). When Analogy is Perceived as Such. Journal of Research in Science Teaching, 30(10), 1229–1239.

Steinkamp, M. (1984). Motivational Style as a Mediator of Adult Achievement in Science. V M. Steinkamp in M. Maehr (ur.), Advances in Motivation and Achievement 2 (str. 281–316). Greenwich, CT: JAI Press.

Stern, L., Barnea, N. in Shauli, S. (2008). The Effect of a Computerized Simulation on Middle School Students’ Understanding of the Kinetic Molecular Theory. Journal of Science Education and Technology, 17(4), 305–315.

Stieff, M. in Wilensky, U. (2003). Connecting Chemistry – Incorporating Interactive simulations into the Chemistry Classroom. Journal of Science Education and Technology, 12(3), 285–302.

Stipek, D. (1998). Motivation to learn: From theory to practice. Boston: Allyn and Bacon.

Šegedin, P. (1999). Se učitelji in učenci razumemo? ali Kaj je element. Kemija v šoli, 11(1), 9–12.

http://www.ite.sc.edu/ite/Faculty/singer/Airpaper12-3.doc�

http://www.ite.sc.edu/ite/Faculty/singer/Airpaper12-3.doc�


110

Šegedin, P. (2000). Razumevanje fizikalnih in kemijskih sprememb pri študentih. V P. Glavič in D. Brodnjak-Vončina (ur.), Zbornik referatov s posvetovanja 1. del, Slovenski kemijski dnevi 2000 (str. 451–456). Maribor: Slovensko kemijsko društvo.

Šegedin, P. (2002). Pomen preverjanja znanja in razumevanja pri pouku kemije. Kemija v šoli, 14(4), 2-5.

Talley, L. H. (1973). The Use of Three-Dimensional Visualization as a Moderator in the Higher Cognitive Learning of Concepts in College Level Chemistry. Journal of Research in Science Teaching, 10(3), 163–269.

Thiele, R. B. in Treagust, D. F. (1994). An Interpretative Explanations of High School Chemistry Teachers´ Analogical Explanations. Journal of Research in Science Teaching, 31(3), 227–242.

Tien, L. T., Teichert M. A. in Rickey, D. (2007). Effectiveness of a MORE Laboratory Module in Prompting Students To Revise Their Molecular-Level Ideas about Solutions. Journal of Chemistry Education, 84(1), 175–180.

Tissue, B. M. (1996). Applying Hypermedia to Chemical Education. Journal of Chemical Education, 73(1), 65–71.

Tobin, K. G. in Capie, W. (1981). The Development and Validation of a Group Test of Logical Thinking. Educational and Psychological Measurement, 41(4), 413–423.

Treagust, D. F., Duit, R., Lindauer, I. in Joslin, P. (1989). Teachers´ Use of Analogies in their Regular Teaching Routines. Research in Science Education, 19(2), 291–299.

Treagust, D. F., Harrison, A. G. in Venville, G. J. (1998). Teaching Science Effectively With Analogies: An Approach for Preservice and Inservice Teacher Education. Journal of Science Teacher Education, 9(2), 85–101.

Treagust, D. F., Chittleborough, G. in Mamiala, T. L. (2001). The Function of Macroscopic, Symbolic and Sub-microscopic Representations in Explaining Concepts in High School Chemistry. Science Teaching and Learning. Pridobljeno 5. 10. 2002 iz http://tigersystem.net/aera2002/viewproposaltext.asp?propID=5854.

Treagust, D. F., Chittleborough, G. in Mamiala, T. L. (2002). Students´ Understanding of the Role of Scientific Models in Learning Science. International Journal of Science Education, 24(4), 357–368.

Trindade, J., Fiolhais, C. in Almeida, L. (2002). Science Learning in Virtual Environments: A Descriptive Study. British Journal of Educational Technology, 33(4), 471–488.

Trumbo, J. (1999). Visual Literacy and Science Communication. Science Communication, 20(4), 409–425.

Tuan, H. L., Chin, C. C. in Shieh, S. H. (2005). The Development of a Questionnaire to Measure Students’ Motivation Towards Science Learning. International Journal of Science Education, 27(6), 639–654.

Literatura

111

Tuckey, H. in Selvaratnam, M. (1993). Studies Involving Three-Dimensional Visualisations Skills in Chemistry: A Review. Studies in Science Education, 21(1), 66–121.

Tversky, B. (2005). Prolegomenon to Scientific Visualizations. V Visualization in Science Education (str. 29–42). Dordrecht: Springer.

Valanides, N. (1996). Formal Reasoning and Science Teaching. School Science and Mathematics, 96(2), 99–107.

Valanides, N. (1997). Formal Reasoning Abilities and School Achievement. Studies in Science Education, 23(2), 169–185.

Valanides, N. (1998). Formal Operational Performance and Achievement of Lower Secondary School Students. Studies in Educational Evaluation, 24(1), 1–23.

Valanides, N. (2000). Primary Student Teachers` Understanding of the Particulate Nature of Matter and Its Transformation during Dissolving. Chemistry Education: Research and Practice in Europe, 1(2), 249–262.

Van Driel, H. J. in Verloop, N. (2002). Experienced Teachers´ Knowledge of Teaching and Learning of Models and Modelling in Science Education. International Journal of Science Education, 24(12), 1255–1272.

Vermaat, H., Terlouw, C. in Dijkstra, S. (2003). Multiple Representations in Web-based Learning of Chemistry Concepts. 84th

Annual Meeting of the American Educational research Association, Chicago. Pridobljeno 16. 9. 2003 iz http://www.write-on.nl/AECT%20-%20Full%20Paper%20-%20Han%20Vermaat.doc.

Vogrinc, J. in Devetak, I. (2007). Ugotavljanje učinkovitosti uporabe vizualizacijskih elementov pri pouku naravoslovja s pomočjo pedagoškega raziskovanja. V Devetak, I. (ur.), Elementi vizualizacije pri pouku naravoslovja (str. 197–215). Ljubljana: Pedagoška fakulteta.

Vrtačnik, M. (1999). Vizualizacija v kemijskem izobraževanju. Kemija v šoli, 11(1), 2–8.

Vrtačnik, M., Sajovec, M., Dolničar, D., Razdevšek-Pučko, C., Glažar, S. A. in Zupančič-Brouwer, N. (2000). An Interactive Multimedia Tutorial Teaching Unit and its Effects on Student Perception and Understanding of Chemical Concepts. Westminister Studies in Education, 23(1), 91–105.

Whitnell, R. M., Fernandes, E. A., Almassizadeh, F., Love, J. J. C., Dugan, B. M., Sawrey, B. A. in Willson, K. R. (1994). Multimedia Chemistry Lectures. Journal of Chemical Education, 71(9), 721–725.

Williamson, V. M. in Abraham, M. R. (1995). The Effects of Computer Animation on the particulate Mental Models of College Chemistry Students. Journal of Research in Science Teaching, 32(5), 521–534.

Wu, H.-K., Krajcik, J. S., Soloway, E. (2001). Promoting Understanding of Chemical Representations: Students' Use of a Visualisation Tool in the Classroom. Journal of Research in Science Teaching, 38(7), 821–842.


112

Wu, H.-K., Shah P. (2003). Exploring Visuospatial Thinking in Chemistry Learning. Pridobljeno 16. 9. 2003 iz http://66.102.9.104/search?q=cache:X783aG4WMzoJ: web.cc.ntnu.edu.tw/~hkwu/SciEd000262002R.pdf+visuospatial+thinking+in+chemistry&hl=en.

Yang, E., Andre, T. in Greenbowe, T. J. (2003). Spatial Ability and the Impact of Visualization/Animation on Learning Electrochemistry. International Journal of Science Education, 25(3), 329–349.

Yarroch, W. L (1985). Student Understanding of Chemical Equation Balancing. Journal of Research in Science Teaching, 22(5), 449–459.

Zeidner, M. (1995). Adaptive Coping with Test Situations: A Review of the Literature. Educational Psychologist, 30(3), 123–134.

Zusho, A., Pintrich, P. R. in Coppola, B. (2003). Skill and Will: the Role of Motivation and Cognition in the Learning of College Chemistry. International Journal of Science Education, 25(9), 1081–1094.

113

Stvarno kazalo A abstraktno mišljenje 17, 28 abstraktni modeli 31, 79 analog 27-30, 32, 36 analogija 23, 27-29, 32, 36, 70, 76, 82, 93, 98 analogni modeli 30, 31 arhetipski modeli 30 B Bloomove kognitivne kategorije 19 C ciljni sistemi 30 D Daltonova atomska teorija 8 Daltonov model atoma 35 delovni spomin 14, 15, 57 deskriptivni pojem 23 diagram 7, 20, 23, 31, 38 diagramska predstavitev 32, 34, 38 dogovorjeni modeli 30 E elektromehanski modeli 32 F fizični modeli 18, 30, 31, 35, 69, 70, 74, 76 formalni modeli 32 formalno-logično mišljenje 87, 88 I izraženi modeli 30 J Johnstonov model trojne narave 9 Johnstonov model procesiranja informacij 11, 15, 26

K kemijska pismenost 13, 66 kinetična teorija 8 kognitivna teorija multimedijskega učenja 11, 26 kompleksnost naravoslovja 13 konkretni modeli 31 kreativno in kritično mišljenje 19 L LT STM tehnika 76, 77 M Mahaffyev model 9 makroskopska raven 7, 9, 44, 74 matematični modeli 30, 31 matematično idealizirani modeli 32 Mayerjeva SOI teorija smiselnega učenja 10, 26 Mayerjeva teorija učinkovitih ilustracij 11, 26, 36 metafora 23, 27, 28, 32, 70, 76 metakognicija 19, 20 metavizualizacija 20 mezoraven 11 miselni (mentalni) modeli 30, 31, 33, 71 model poučevanja in učenja kemije 13, 14 modeli v merilu 30-32 modeliranje 5, 32-34, 74, 76, 92 motivacija 27, 57, 76, 79-82, 94 mreže 31 multimodeli 31 N napačna razumevanja 7, 10, 14, 17, 19, 26, 34, 45-54, 56, 59, 61-65, 67-73, 81, 83, 94 naravoslovna pismenost 13, 18, 58, 86, 87, 94


114

navidezna realnost 18, 31 nepopolno razumevanje 7, 68, 81, 94 P Paiviova dvojna kodna teorija 10, 25, 26 pedagoški modeli 31, 34 pojmovni sistem 23-25 pojmovna sprememba 17, 18, 45, 71, 79 pojmovno-procesni modeli 31, 35 prostorsko-vizualizacijske sposobnosti 20, 24, 26, 75, 88-92, 94 R računalniška animacija 36, 55, 70, 71, 74, 76, 91 računalniška simulacija 35 računalniško simulirani modeli 32 replika 32, 34 reprezentacije 19, 20, 23-26, 29, 30, 33, 74, 89, 90 S simbolna raven 7, 9, 10, 13, 15, 16, 41, 42, 44, 53, 60, 61, 65-67, 70, 93 simbolni modeli 31 simbolne predstavitve 23, 32, 34, 65, 94 socialni kontekst 13 STRP model 9, 10, 13, 14, 26, 43, 64-66, 72, 93 submikroreprezentacije 23, 38, 40, 42, 43, 54, 55, 69, 71, 87 submikroskopska raven 7-9, 40, 44, 62, 70, 71, 74, 76, 82

Š šolski modeli 30, 71 T teoretični konstrukti 23, 31 teoretični modeli 30, 31, 34, 35 teoretični pojmi 23 trojna narava naravoslovnih pojmov 7, 15, 71 U učbeniki 8, 18, 28, 29, 35, 44, 46, 48, 51, 54, 62-66, 71, 89, 90 učenje 5, 7, 9-11, 13-15, 17, 18, 20, 23-28, 34, 36, 39, 45, 57, 58, 65, 66, 69, 71, 74-76, 79-82, 85, 86, 88, 89, 93, 94 V večkonceptualni modeli 31 vizualizacija 7, 16-18, 20, 21, 23, 26, 29, 35, 45, 67, 70, 74-76, 82, 89-92, 94 vizualizacijska sposobnost 16, 20, 24, 25, 68, 90, 92 vizualizacijske metode 10, 13, 23, 24, 75, 76 vizualna pismenost 18, 20 vizualni element 20 vizualni sistem 24, 25 vizualno komuniciranje 18, 20 vizualno mišljenje 18, 19, 28 vizualno učenje 18, 19

Iztok Devetak


SISTEMU I ZO B R A Ž EVA LN E MV VZGOJNO – KAKOVOSTI ZNANJA ZAGOTAVL JANJA D E JAV N I KOV KLJ UČNIHANALIZA

Univerza v LjubljaniPedago≤ka fakulteta

ISBN

978

-961

-253

-076

-1

Izto

k D

evet

ak |

Zago

tavl

janj

e kak

ovos

tneg

a zna

nja n

arav

oslo

vja s

pom

očjo

subm

ikro

repr

ezen

taci

jV znanstveni monografiji Zagotavljanje kakovostnega znanja naravoslovja s pomočjo submikroreprezentacij je predstavljen pregled mednarodnega in domačega znanstveno-raziskovalnega dela, ki obravnava razumevanje naravoslovnih pojmov na ravni delcev snovi. Sodobni pouk naravoslovja in še posebej kemije naj bi potekal z implementacijo trojne narave (makroskopske, sub-mikroskopske in simbolne) predstavitve naravoslovnih pojmov. Raziskave kažejo, da večina pouka kemije, tako v svetu kot pri nas, poteka na simbolni ravni, kar ne pripomore k izobrazbi za-dostno naravoslovno pismenih državljanov, ki bodo vodili razvoj trajnostno naravnane družbe.Šele v zadnjih letih se v šole vpeljuje tudi pouk z uporabo submi-kropredstavitev. Submikropredstavitve so modeli, ki posamezni-ku pomagajo oblikovati mentalne predstave o zgradbi snovi na ravni delcev. Skupaj s poznavanjem naravoslovnega pojava na ma-kroskopski ravni in simbolnimi zapisi, ki ga pojasnjujejo, submi-kropredstavitve omogočajo celostno in poglobljeno razumevanje naravoslovja. Pri tem imamo bistveno vlogo učitelji s svojim pou-čevanjem in različna učna gradiva, ki sledijo sodobnim smernicam predstavitev naravoslovnih pojavov. V znanstveni monografiji je tako predstavljena problematika integracije trojne narave naravo-slovnih pojmov v sodobne didaktične pristope poučevanja. Štu-dentom naravoslovno-pedagoških strok, učiteljem naravoslovnih predmetov in raziskovalcem specialnih didaktik naravoslovnih predmetov monografija omogoča vpogled v področje, hkrati pa podaja nekatere smernice poučevanja učencev, dijakov in študen-tov, ki naj bi dosegli kakovostnejše naravoslovno znanje.

— Iztok Devetak

zagotavljanje kakovostnega znanja …pefprints.pef.uni-lj.si/1181/1/devetak_submikro.pdf · iztok...

Documents