Οι γνώσεις και οι αντιλήψεις που αποκτούν οι μαθητές για την έννοια ενέργεια κατά τη διδασκαλία των μαθημάτων χημείας, φυσικής και βιολογίας

Abstract

Energy is one of the most discussed and most researched concepts in Science Education. This is mainly for two reasons. First, energy is one of most fundamental science concepts, which unifies Chemistry, Physics and Biology. Second, energy holds an important role in global and topical social and environmental issues. The purpose of this thesis is to explore the ways in which Greek students, perceive the energy concept in various chemical, physical and biological phenomena. In September 2009 a quantitative research was conducted, using a close–ended questionnaire –multiple choice items attached to a five–point scale– and a target group of 162 students at 10th grade (15 aged) and 147 students at 12th grade (17 aged) from three different urban schools in Attica region. By cross–analysis it was found that the students face the energy concept with specific and various ways. In order to explore these ways in depth, it was decided to move further from the quantitative method to a qualitative method. Given also the fact, that the use of mixed methods research in educational research increases the validity of the results, in November and December 2010 clinical interviews of 10 subjects aged from 8 to 19 years were also conducted. A proper way to depict subjects’ naturalistic forms of thinking is the clinical interview. In the qualitative study the main goal was to clarify how subjects conceptualise the energy concept when explaining the phenomena: heating and cooling of aluminum, phase change of water, burning of wood coal and of wax, survival of a plant, of an animal and of an ecosystem. In order to perform the analysis of the clinical interviews the findings of the research on conceptual change was used. Specially, Brown’s (1995) theoretical background was used for the analysis of the clinical interviews. Inagaki and Hatano (2008) theoretical background was also contributed to interviews analysis regarding biological phenomena. The final results validate both the quantitative and the qualitative method followed, therefore validate the research, the most important of them being: (a) Most subjects’ reasoning about heating and cooling follows the implicit model: “heat/temperature/cold as a fluid”. (b) Many subjects’ reasoning about burning follows of an implicit model, which is characterized as “loop model”. The characteristic of the loop model is that the fire or the flame is the precursor and simultaneously the result of the burning. (c) Subjects’ descriptions regarding burning of wax differ from those which explain the burning of carbon, although the conceptual recourses are similar. (d) Most subjects reasoning about biological phenomena are based on vitalistic causality. Therefore these subjects face the energy concept in biological phenomena as vital energy or vital power. (e) The conceptual recourses as well as the instability of reasoning are increasing as a consequence of subjects’ age. Based on the above observations we come to the conclusion that the understanding of both the three states of matter and chemical substance is crucial to obtain a satisfactory understanding of heating, cooling and combustion. In addition, the disengagement of the energy concept from the vital energy is crucial to obtain understanding of the phenomena related to living organisms

Η έννοια «ενέργεια» κατέχει εξέχουσα θέση στη διδακτική των φυσικών επιστημών, επειδή αφενός ενοποιεί τους επιμέρους κλάδους των φυσικών επιστημών –χημεία, φυσική, βιολογία– κι αφετέρου παίζει καθοριστικό ρόλο σε πλήθος κοινωνικών και περιβαλλοντικών θεμάτων. Ο σκοπός της διατριβής είναι η διερεύνηση των τρόπων με τους οποίους οι μαθητές αντιλαμβάνονται την έννοια «ενέργεια» σε διάφορα χημικά, φυσικά και βιολογικά φαινόμενα. Το Σεπτέμβριο 2009 διεξήχθη ποσοτική έρευνα με ερωτηματολόγιο κλειστού τύπου –ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής πεντάβαθμης κλίμακας– σε 162 μαθητές Α΄ τάξης και 147 μαθητές της Γ΄ τάξης τριών λυκείων της Αττικής. Με τη διασταυρούμενη ανάλυση των ερωτήσεων διαπιστώθηκε ότι οι μαθητές αντιμετωπίζουν την έννοια με συγκεκριμένους και ποικίλους τρόπους. Προκειμένου να ερευνηθούν οι τρόποι αυτοί σε βάθος, αποφασίστηκε να πραγματοποιηθεί ποιοτική έρευνα. Μάλιστα, η χρήση μικτών μεθόδων στην εκπαιδευτική έρευνα αυξάνει την εγκυρότητα των αποτελεσμάτων. Έτσι το Νοέμβριο και Δεκέμβριο 2010 διεξήχθησαν κλινικές συνεντεύξεις σε 10 υποκείμενα ηλικίας από 8 έως 19 ετών, καθώς η κλινική συνέντευξη είναι η κατάλληλη μέθοδος για την απεικόνιση του φυσικού τρόπου σκέψης των υποκειμένων. Στην ποιοτική έρευνα ο κύριος σκοπός ήταν να διερευνηθεί πώς τα υποκείμενα αντιλαμβάνονται την έννοια «ενέργεια», όταν ερμηνεύουν τα φαινόμενα: θέρμανση και ψύξη αλουμινίου, μεταβολή φυσικής κατάστασης πάγου, καύση κάρβουνου και κεριού, επιβίωση φυτού, ζώου κι οικοσυστήματος. Η ανάλυση των συνεντεύξεων στηρίχθηκε στα αποτελέσματα της έρευνας για την εννοιολογική αλλαγή. Ειδικότερα, χρησιμοποιήθηκε το θεωρητικό πλαίσιο του Brown (1995) για την ανάλυση των κλινικών συνεντεύξεων. Επιπλέον, το θεωρητικό πλαίσιο των Inagaki και Hatano (2008) συνέβαλε στην ανάλυση των τμημάτων που αφορούσαν σε βιολογικά φαινόμενα. Τα τελικά αποτελέσματα αυξάνουν την εγκυρότητα τόσο της ποσοτικής όσο και της ποιοτικής έρευνας, επομένως της συνολικής μελέτης και συνοπτικά έχουν ως εξής: (α) Οι ερμηνείες των υποκειμένων για τα φαινόμενα θέρμανσης και ψύξης στηρίζονται στο σιωπηρό μοντέλο «θερμότητα/ θερμοκρασία/ κρύο ως ρευστό». (β) Οι ερμηνείες αρκετών υποκειμένων για τα φαινόμενα των καύσεων στηρίζονται στο σιωπηρό μοντέλο, το οποίο ονομάσαμε μοντέλο βρόγχου. Το χαρακτηριστικό του μοντέλου αυτού είναι ότι η φωτιά είναι αιτία και ταυτόχρονα αποτέλεσμα της καύσης. (γ) Οι ερμηνείες των υποκειμένων για την καύση του κεριού διαφέρουν από εκείνες για την καύση του άνθρακα, παρόλο που οι εννοιολογικές πηγές οι οποίες χρησιμοποιούνται από τα υποκείμενα είναι παρόμοιες. (δ) Τα υποκείμενα χρησιμοποιούν βιταλιστική αιτιότητα κατά την ερμηνεία βιολογικών φαινομένων με αποτέλεσμα να χρησιμοποιούν την έννοια «ενέργεια» με την έννοια της ζωτικής ενέργειας ή της ζωτικής δύναμης. (ε) Το πλήθος των εννοιολογικών πηγών αλλά κι η αστάθεια των συλλογισμών των υποκειμένων αυξάνονται καθώς αυξάνεται η ηλικία τους. Με βάση τις ανωτέρω παρατηρήσεις καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι τόσο καλή θεμελίωση των τριών φυσικών καταστάσεων όσο και η κατανόηση της έννοιας «χημική ουσία» είναι καθοριστική στην κατανόηση της θέρμανσης και της ψύξης, όπως και της καύσης. Επιπλέον, η απεμπλοκή της έννοιας «ενέργεια» από τη ζωτική ενέργεια είναι αναγκαία για την ερμηνεία φαινομένων που σχετίζονται με ζωντανούς οργανισμούς.