Μελέτη της περιγραφικής χημείας και των προβλημάτων οργανικής σύνθεσης σε σχέση με τρεις ψυχομετρικές παραμέτρους

Abstract

According to studies, the Johnstone-EI-Banna problem solving theory seems to exist, however it has low power. The main cause is the difficulty to define the required steps in order to solve a problem. However, if we apply this to organic chemical synthesis problems, each reaction can be defined as a distinguish step for the solution of the problem. This was the idea for this research. At the design of the research another matter was added to the initial query; to investigate if the teaching of chemistry using hierarchical approach and explanations can lead to better understanding of the chemistry curriculum.The working-memory capacity X of the students was measured and assessed in order to investigate the power of the Johnstone-El-Banna problem solving model. The working-memory capacity X is a psychometric variable. To make the study more sophisticated two other psychometric variables of the students were measured, their mental level according to Piaget’s model, and the dependence on the field. As a result the study investigated the effect of those three psychometric variables on the solution of organic chemical synthesis problems, hierarchical approach of chemistry teaching and the explanations.The sample included students from public schools and private tutoring schools of rural areas. The students were asked to solve organic chemical synthesis problems. The problems were of gradual difficulty Z. The initial problem difficulty level was Z=2, which was increasing one difficulty level at a time up to difficulty Z=8.The difficulty level was calculated based on the number of reactions necessary to fabricate the second organic compound given only the first organic compound.The requirement of each problem was calculated according to the number of reactions required in order to fabricate the second organic compound using the first one alone.Each equation of reactions required to transform a chemical compound to another one is a step. The results of pupils’ working-memory capacity Χ were combined with the problem requirements that each pupil solved correctly and were statistically analyzed using four different ways. To study the hierarchical approach of teaching we rank each piece of aliphatic compounds. We modify the organic chemistry manual of the senior class of high school in a way where chemicals compound and chemical phenomena are presented without the need of previous knowledge.Pupils of the experimental group used the modified book whereas the control group used the original one. Both groups had the same teacher. The two teaching methods were compared based on the pupils’ grades on problems of οργανικής χημείας at the final exams as well as at the National exams with a modification due to the exam differences between each year.Comparisons between groups have been performed through t-tests, Mann-Whitney and UNANOVA of general linear model (GLM). The pupils’ grades in Physics and the total high school graduation grade were used as covariates.For the explanations a questionnaire was formed with examples of chemical reactions and physical properties. Each example included an explanation and pupils were asked to answer if the explanation was helpful or not using a three scale options.Questionnaires were completed by senior high school pupils of the urban area of Attica and the first year Chemistry students of the University of Ioannina.The results confirmed the Johnstone-EI-Banna problem solving theory under specific circumstances. Statistical analysis showed a significant decrease on pupils’ performance when the requirement Z of the problems exceed the pupils’ working-memory capacity Χ. This was clearly seen at the pupils of private tutoring schools and public schools without previous experience in contrast with the pupils of public schools with previous experience. This finding proves that similar problems make the pupils to use chunking which has as a result to reduce the demands of the problem. The lack of experience seems to be the more important requirement for the confirmation of the Johnstone-EI-Banna theory.Concerning the hierarchical approach of teaching the hierarchical series was found to be more helpful at the National Exams.Moreover, 55% of the pupils of the experimental group found better the modified curriculum and only 12% found it worse. The less mental development the pupils had the more in favor of this modification they were. However, this is in contrast to the performance at the National Exams. In addition 64% of the pupils declare that followed the hierarchical series in combination with the book.Concerning the explanations the majority of the pupils believed that it helps in their education. Their Concerning the psychometric parameters it seems that only the dependence or not from the field plays an important role at the pupils choice. The more the pupils are depended on the field the less they think that the explanations can help their learning.Concerning the “desmi” that the pupils choose, the pupils who are interested on medical schools were more in favor of the explanationsFinally, concerning sex differences girls clearly prefer explanations more than boys

Από έρευνες οι οποίες έχουν διεξαχθεί δείχνουν μια τάση ισχύος του προτεινόμενου μοντέλου επίλυσης των προβλημάτων των Johnstone-EI-Banna αλλά όχι πολύ πειστικά. Από συζήτηση προέκυψε ότι μια από τις βασικές αίτιες είναι ότι είναι δύσκολο να προσδιοριστούν ο αριθμός των βημάτων στη λύση ενός προβλήματος. Έτσι προέκυψε ότι αν χρησιμοποιούσαμε τα προβλήματα οργανικής σύνθεσης για τα οποία θα καθορίζαμε ότι κάθε αντίδραση την οποία έπρεπε να χρησιμοποιήσει ο μαθητής για τη λύση του προβλήματος ήταν και ένα βήμα είχαμε έναν πολύ καθαρό τρόπο για να προσδιορίζουμε τα βήματα του κάθε προβλήματος. Αυτό ήταν το έναυσμα για να ξεκινήσει η οργάνωση και εκτέλεση της έρευνας αυτής. Παράλληλα τέθηκαν και δυο άλλα θέματα προς μελέτη. Αν η ιεραρχική προσέγγιση της διδασκαλίας της χημείας και οι επεξηγήσεις βοηθούν στη βαθύτερη κατανόηση και την ευκολότερη προσέγγιση των φαινομένων με αποτέλεσμα την καλύτερη εμπέδωση της ύλης της χημείας.Για τη μελέτη της ισχύος του μοντέλου επίλυσης των προβλημάτων των Johnstone-EI-Banna έπρεπε να μετρήσουμε τη χωρητικότητα της μνήμης εργασίας Χ των μαθητών. Αυτή είναι μια ψυχομετρική παράμετρος. Για να γίνει πιο εμπεριστατωμένη η έρευνα μετρήσαμε και δύο άλλες ψυχομετρικές παραμέτρους των μαθητών, το επίπεδο νοητικής ανάπτυξης κατά Piaget και το βαθμό εξάρτηση από το πεδίο. Έτσι η έρευνα επεκτάθηκε και στο κατά πόσο αυτές οι τρείς ψυχομετρικές παράμετροι επηρεάζουν την επίλυση προβλημάτων οργανικής σύνθεσης, την ιεραρχική προσέγγιση της διδασκαλίας της χημείας και τις επεξηγήσεις Για τη μελέτη της ισχύος του μοντέλου των Johnstone-EI-Banna μετρήσαμε τη χωρητικότητα της μνήμης εργασίας Χ μαθητών από Δημόσια Σχολεία και Φροντιστήρια αστικών περιοχών και στη συνέχεια τους ζητήσαμε να λύσουν προβλήματα οργανικής σύνθεσης. Τα προβλήματα οργανικής σύνθεσης που δόθηκαν στους μαθητές για επίλυση ήταν αυξανόμενης απαίτησης Ζ. Άρχιζαν από απαίτηση Ζ = 2 και αυξανόντουσαν κατά μία μονάδα μέχρι και απαίτηση Ζ = 8.Η απαίτηση κάθε προβλήματος υπολογίστηκε από τον αριθμό των αντιδράσεων που απαιτείται να πραγματοποιηθούν ώστε να γίνει η παρασκευή της δεύτερης οργανικής ένωσης από μοναδική οργανική ένωση την πρώτη. Κάθε εξίσωση των αντιδράσεων που απαιτούνται για την μετατροπή της μιας ενώσεως στην άλλη θεωρείται ένα βήμα και μάλιστα χωρίς να έχει επιμέρους σχήματα. Τα αποτελέσματα από τη μέτρηση της χωρητικότητας της μνήμης εργασίας Χ μαθητών συνδυάστηκαν με τη απαίτηση των προβλημάτων που ο κάθε μαθητής έλυσε σωστά και επεξεργάστηκαν στατιστικά με τέσσερις διαφορετικούς τρόπους. Για την μελέτη της ιεραρχικής προσέγγισης της διδασκαλίας ιεραρχήσαμε το κομμάτι της διδασκόμενης ύλης που αφορά την οργανική χημεία αλειφατικών ενώσεων. Φωτοτυπήσαμε το σχολικό εγχειρίδιο της χημείας που χρησιμοποιούν οι μαθητές της τρίτης τάξεως του λυκείου και το συναρμολογήσαμε με τρόπο ώστε να αποτελεί αυτόνομο σχολικό εγχειρίδιο αλλά η χημικές ενώσεις και τα χημικά φαινόμενα να παρατίθενται με απλή λογική σειρά ώστε ο μαθητής να τα συναντά και να τα γνωρίζει ομαλά χωρίς πρωθύστερα. Οι μαθητές των πειραματικών τμημάτων χρησιμοποίησαν τα αναδομημένα αυτά βιβλία, ενώ οι μαθητές των τμημάτων ελέγχου χρησιμοποίησαν το κανονικό βιβλίο. Σε όλα τα τμήματα πειραματικά και ελέγχου δίδαξε ο ίδιος καθηγητήςΩς κριτήριο για την σύγκριση των δύο διδακτικών μεθόδων χρησιμοποιήθηκαν οι επιδόσεις των μαθητών στο πρόβλημα οργανικής χημείας που τέθηκε ως θέμα των απολυτηρίων εξετάσεων στο τέλος του σχολικού έτους και στις Γενικές Εξετάσεις με τροποποίηση των βαθμών σε Τ-βαθμούς γιατί χρησιμοποιήθηκαν αποτελέσματα από διαφορετικές χρονιέςΗ στατιστική ανάλυση έγινε με το t-τεστ, το αντίστοιχο απαραμετρικό κριτήριο Mann-Whitney και με ανάλυση διακύμανσης μεταβλητών (UNANOVA) του γενικού γραμμικού μοντέλου (GLM) με συνδιακυμαντές την επίδοση τους στη φυσική στις ίδιες εξετάσεις και τον βαθμό απολυτηρίου τους από το λύκειο. Για τις επεξηγήσεις δημιουργήθηκε ερωτηματολόγιο στο οποίο δίνονταν τρία παραδείγματα φυσικών ιδιοτήτων και τέσσερα παραδείγματα χημικών αντιδράσεων από το σχολικό βιβλίο Χημείας της Γ’ λυκείου. Κάποια από τα παραδείγματα αυτά περιείχαν και εξηγήσεις. όπως αυτές δίνοντανι στο σχολικό βιβλίο (με κάποιες πρόσθετες πληροφορίες από μας σε κάποια παραδείγματα). Άλλα πάλι από τα παραδείγματα δεν είχαν εξηγήσεις. Στις περιπτώσεις αυτές δίναμε εμείς εξηγήσεις. Αυτό που ζητούσαμε από τους μαθητές ή τους σπουδαστές ήταν να διαβάσουν με προσοχή τα παραδείγματα και τις εξηγήσεις οι οποίες υπήρχαν σε κάθε παράδειγμα και να απαντήσουν σε μία από τις τρεις παρακάτω απαντήσεις α. Με διευκολύνει, β Με αφήνει αδιάφορο/-η, γ Θα προτιμούσα να έλειπεΔηλαδή τους ζητούσαμε να μας απαντήσουν αν οι εξηγήσεις αυτές τους διευκολύνουν ή όχι στη μάθηση αυτών των γνώσεων.Με την βοήθεια του ερωτηματολογίου έχουμε καταγράψει τις απόψεις μαθητών της τελευταίας τάξεις του λυκείου από αστικές περιοχές κυρίως του Λεκανοπεδίου της Αττικής και πρωτοετών φοιτητών του χημικού τμήματος του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων. Ως προς τα συμπεράσματα η μελέτη αυτή αποδεικνύει πειστικά ότι το προτεινόμενο μοντέλο επίλυσης των προβλημάτων των Johnstone-EI-Banna είναι έγκυρο και έχει ισχύ, με την προϋπόθεση ότι πληρούνται ορισμένες αναγκαίες προϋποθέσεις. Από τις στατιστικές μελέτες, φαίνεται μια σημαντική πτώση στην απόδοση των μαθητών στην επίλυση προβλημάτων όταν η απαίτηση Z των προβλημάτων υπερβαίνει τη χωρητικότητας της μνήμης εργασίας Χ των μαθητών. Η παραπάνω παρατήρηση εφαρμόζεται πιο ξεκάθαρα στους μαθητές των φροντιστηρίων και στους μαθητές δημοσίων σχολείων χωρίς προηγούμενη εμπειρία ενώ δεν ισχύει για μαθητές δημοσίων σχολείων με προηγούμενη εμπειρία. Αυτό οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η εξάσκηση σε παρόμοια προβλήματα οδηγεί τους μαθητές στη χρήση της σβολοποίησης με την οποία μειώνουν την απαίτηση του προβλήματος. Η έλλειψη προηγούμενης εμπειρίας είναι ίσως η πιο σημαντική. προϋπόθεση για να ισχύει το παραπάνω μοντέλο των Johnstone-EI-Banna. Γι' αυτό το παρόν μοντέλο ισχύει για προβλήματα και όχι για ασκήσεις.Για την ιεραρχική προσέγγιση διδασκαλίας μπορούμε να θεωρήσουμε, ότι η ιεραρχική σειρά έχει βοηθήσει αρκετά τους μαθητές στις Γενικές Εξετάσεις οι οποίες σημειωτέον είναι και περισσότερο απαιτητικές.Επιπλέον το μεγαλύτερο ποσοστό 55,0 % των μαθητών των πειραματικών τμημάτων οι οποίοι γνώρισαν την νέα σειρά την βρήκε πολύ ή λίγο καλύτερη και μόνο το 12,0 % τη βρήκε χειρότερη. Μάλιστα, όσο μικρότερη νοητική ανάπτυξη είχαν οι μαθητές τόσο πιο καλή την βρήκαν, κάτι που έρχεται σε αντίθεση με την επίδοσή τους στις Γενικές Εξετάσεις. Επίσης το μεγαλύτερο ποσοστό 64,0 % των μαθητών δήλωσαν ότι ακολούθησε την ιεραρχική σειρά, σε συνδυασμό με του βιβλίου και μάλιστα όσο μικρότερη νοητική ανάπτυξη είχαν οι μαθητές, τόσο περισσότερο την ακολούθησαν, σε συνδυασμό πάντα με του βιβλίου Ως προς τις επεξηγήσεις μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η συντριπτική πλειοψηφία των μαθητών θεωρεί ότι τους διευκολύνουν στη μάθησή τους. Το ποσοστό όμως αυτών πέφτει αρκετά στην 3η φυσική και στις 3η και 4η χημική ιδιότητα στις οποίες το βιβλίο δεν δίνει εξήγηση. Ως προς τις τρείς ψυχομετρικές παραμέτρους, φαίνεται ότι μόνο η εξάρτηση ή όχι από το πεδίο παίζει κάποιο ρόλο στην επιλογή των μαθητών. Όσο περισσότερο έχουν εξάρτηση από το πεδίο τόσο λιγότερο επιλέγουν την απάντηση «με διευκολύνει». Αυτό γίνεται ακόμα πιο έντονο στη 3η φυσική και στις 3η και 4η χημική ιδιότητα για τις οποίες δεν δίνει επεξήγηση το βιβλίο. Έτσι μπορούμε να βγάλουμε το συμπέρασμα ότι όσο περισσότερο εξαρτώνται από το πεδίο οι μαθητές τόσο δεν θεωρούν ότι οι επεξηγήσεις τους διευκολύνουν στη μάθησή τους.Ως προς τη δέσμη που ακολουθούν οι μαθητές φαίνεται ότι υπάρχει μια πολύ μεγάλη προτίμηση των μαθητών της δεύτερης δέσμης (μαθητές που ετοιμάζονται για την εισαγωγή τους σε σχολές ιατρικής, φαρμακευτικής, βιολογίας κτλ) στις επεξηγήσεις.Τέλος όσον αφορά το φύλο το συμπέρασμα που βγαίνει αβίαστα είναι ότι τα κορίτσια προτιμούν περισσότερο τις επεξηγήσεις από τα αγόρια.