Αντιλήψεις των μαθητών της Α΄ Λυκείου για την έννοια της τριβής, τους νόμους της και το ρόλο της στη σχετική μεταφορική και περιστροφική κίνηση: πρόταση για εποικοδομητική διδακτική παρέμβαση σε ένα συνεργατικό περιβάλλον μάθησης και διδασκαλίας

Abstract

The aim of this thesis was the investigation of the students’ alternative conceptions as well as the construction, implementation and assessment of a teaching approach of friction, its laws and its role in relative motion. The theoretical framework was social constructivism combined with the cooperative learning. In this context we designed teaching- learning strategies based on students’ alternative ideas (laboratory activities, problem solving, instructional analogies, teaching model of “brush”, concept maps, technique of “fragmented diagrams” and group discussion). Furthermore, the teaching sequence included the teaching of nature of friction at the microscopic level and fundamental concepts of relative motion, in order the students to understand the role of friction in relative motion. The sample consisted of 259 tenth grade students (aged 15-16) from five different regions of Greece. The students: a) answered a pre-test questionnaire in writing, b) were separated in experimental groups to which we applied our constructivist instruction and in control groups which were taught in the traditional way and c) one month later, answered the same questionnaire. The students’ answers to each question of the test were classified into categories which resulted in alternative conceptions such as: 1) Friction does not exist if there is no motion, even when we tend to move an object, 2) Sliding friction depends on the velocity of the object, the contact surface area, the applied force, the distance traveled by the object, 3) Friction is represented by one force only (not a pair of action- reaction) and always has the opposite direction of the applied force or the velocity of the object and thus cannot be a “motive” (or “propulsive”) force. The categories of the students’ answers were graded on a numerical scale from 0 to 10 and were statistically analyzed using the methods of Analysis of Covariance (Ancova), Change Regression and Multiple Regression. The comparison of the students’ records showed that traditional instruction has improved the students’ performance only in a few questions, while the constructivist approach to the majority of questions and in particular, helped the students to understand: i) the concept of static and kinetic (sliding) friction, ii) the laws of sliding friction, iii) the relative motion and relative velocity, iv) the role of friction as a “propulsive force” (in the case of walking and of relative translational motion of an object) and v) its role as a centripetal force.

Σκοπός της διατριβής ήταν αρχικά, η διερεύνηση των εναλλακτικών αντιλήψεων των μαθητών για την έννοια της τριβής, τους νόμους της και το ρόλο της στη σχετική κίνηση και, στη συνέχεια, η μελέτη (σχεδιασμός, εφαρμογή και αξιολόγηση) μιας διδακτικής προσέγγισης του γνωστικού αυτού περιεχομένου. Το θεωρητικό πλαίσιο της έρευνας αποτέλεσε ο κοινωνικός κονστρουκτιβισμός συνδυασμένος με την ομαδοσυνεργατική διδασκαλία και μάθηση. Στο πλαίσιο αυτό, σχεδιάσαμε διδακτικά-μαθησιακά έργα που βασίζονταν στις εναλλακτικές ιδέες των μαθητών (εργαστηριακές δραστηριότητες, problem solving, αναλογίες, μοντέλο της «βούρτσας», εννοιολογικοί χάρτες, τεχνική των «fragmented diagrams» και συζήτηση σε ομάδες). Επιπλέον, η διδακτική ακολουθία περιελάμβανε τη διδασκαλία της φύσης της τριβής σε μικροσκοπικό επίπεδο και τις βασικές έννοιες της σχετικής κίνησης, προκειμένου να γίνει κατανοητός ο ρόλος της τριβής στη σχετική κίνηση. Το δείγμα αποτέλεσαν 259 μαθητές Α΄ Λυκείου από 5 σχολεία διαφορετικών περιοχών της Ελλάδας. Αρχικά, οι μαθητές απάντησαν γραπτώς σε ένα τεστ επίδοσης Φυσικής (προέλεγχος), στη συνέχεια, χωρίστηκαν σε πειραματικά τμήματα, στα οποία εφαρμόστηκε η εποικοδομητική παρέμβαση και σε τμήματα ελέγχου, τα οποία διδάχτηκαν με την παραδοσιακή μέθοδο. Ένα μήνα μετά το πέρας των διδασκαλιών διεξήχθη ο μετέλεγχος. Οι απαντήσεις των μαθητών σε κάθε ερώτηση του τεστ επίδοσης ταξινομήθηκαν σε κατηγορίες από τις οποίες προέκυψαν εναλλακτικές αντιλήψεις όπως: 1) Η τριβή δεν υπάρχει, εάν δεν υπάρχει κίνηση, ακόμη και όταν τείνουμε να κινήσουμε ένα σώμα. 2) Η τριβή ολίσθησης εξαρτάται από την ταχύτητα, το εμβαδόν της επιφάνειας επαφής, την εξωτερική δύναμη, τη διανυόμενη απόσταση. 3) Η τριβή αντιπροσωπεύεται από μια μόνο δύναμη και όχι από ζεύγος δράσης-αντίδρασης και έχει πάντοτε αντίθετη κατεύθυνση από την εφαρμοζόμενη δύναμη ή την ταχύτητα του σώματος και κατά συνέπεια δεν μπορεί να είναι «κινητήρια» δύναμη. Οι κατηγορίες των απαντήσεων βαθμολογήθηκαν σε αριθμητική κλίμακα 0-10 και ακολούθησε η στατιστική επεξεργασία των δεδομένων με τις μεθόδους της Ανάλυσης Συνδιασποράς, της Παλινδρόμησης Αλλαγής και της Πολλαπλής Παλινδρόμησης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η παραδοσιακή διδασκαλία βελτίωσε την επίδοση των μαθητών σε ελάχιστες ερωτήσεις του τεστ, ενώ η εποικοδομητική παρέμβαση στην πλειονότητα των ερωτήσεων και, ειδικότερα, συνέβαλε στο να αντιλαμβάνονται οι μαθητές: (i) την έννοια της στατικής τριβής και της τριβής ολίσθησης, (ii) τους νόμους της τριβής ολίσθησης, (iii) τη σχετική κίνηση και σχετική ταχύτητα, (iv) το ρόλο της τριβής ως «προωθητικής» δύναμης (στο βάδισμα, στη σχετική μεταφορική κίνηση) και (iv) το ρόλο της ως κεντρομόλου δυνάμεως.