Θέματα διδακτικής της χημείας στο δημοτικό σχολείο: η διδασκαλία της πυκνότητας καθαρών ουσιών και διαλυμάτων

Abstract

The present PhD thesis concerns the learning outcomes of a Teaching Learning Sequence (TLS) with experimental arrangements for students of the 5th and 6th grade in Greek schools, which, by initially approaching the necessary cognitive background of the concepts of mass and volume, aims at building the concept of density of both pure substances and solutions. Its main purpose is to help students to better understand the concept of density in a constructivist environment that utilizes exploratory and cooperative learning processes. This innovative TLS was developed based on students' already known alternative ideas from the existing literature about the difficulties of understanding density and its intensive nature, and from students' responses given during the pilot survey. Specifically, in terms of evaluating the effectiveness of the TLS, the degree of understanding of the concept of density, as well as the extensional quantities that define it, is investigated by assessing the different factors in the survey, such as the Knowledge of volume, mass and density of pure substances - the Knowledge of volume, mass and density of solutions - Understanding density as an intensive quantity that depends solely on the type of material - Understanding the concept of volume - Understanding the concept of mass - Understanding the mass/density differentiation - Intuitive understanding of material density through floating/sinking theory - Understanding material density based on particle structure - Understanding the parts of the density fraction (ρ = m/V) - Understanding the density of different materials with the same volume and different mass - understanding the solvent/solute ratio to characterize a solution as dilute or dense - Understanding the density of solutions with the same solvent volume and different solute mass - Understanding the density of solutions with different solvent volumes and different solute mass. One of the aims of the research is to identify the most appropriate age for introducing the concept of density, since according to the present Greek Curriculum it is taught in the 5th grade. The main research tool to evaluate the learning outcomes of the TLS is the initial and final questionnaire (Pre - Post test), which precedes and follows the teaching intervention respectively. Statistical analysis of the students' responses to the Pre - Post Tests showed very positive learning outcomes of the TLS, as there was significant improvement of students in all factors of the survey, with a predominance of students in 6th grade, who demostrated higher percentages of understanding of density. In fact, in many cases the difference in the percentage of correct answers for all students in the second phase of the survey (after the teaching intervention) compared to the first phase was over 40%.In order to verify the effectiveness of the main research's TLS, supplementary research was conducted on only 5th grade students, where it was found that the experimental group, taught with the proposed TLS (in a more condensed form than that of the main research), scored significantly higher on each factor of the research than the control group, taught in the traditional way from the textbook. Of course, there were also some difficulties and failures in the students' answers, expected to a certain extent for both grades of primary school, especially regarding the questions on solutions containing different volumes of solvent and different masses of solute, in contrast to the questions on solutions with the same volumes of solvent and different masses of solute, where they showed positive results. Although it was statistically proven that the teaching learning sequence was overall successful, nevertheless, it was observed that even after the teaching intervention some students had difficulty in qualitatively justifying their answers to the open-ended questions based on the scientific model (using correct scientific terminology) and continued to show an inability to differentiate the concepts of mass, volume and density, but to a lesser extent than before the implementation of the TLS. Finally, according to the statistical results of the study, a more appropriate age for the introduction of density was found to be the 6th grade, as they seemed to have a better understanding, both qualitatively and quantitatively, of the concept of density than the 5th grade students. In fact, the girls in 6th grade showed the best learning outcomes among all students.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αφορά στα μαθησιακά αποτελέσματα μιας Διδακτικής Μαθησιακής Ακολουθίας (ΔΜΑ) με πειραματικές διατάξεις σε μαθητές Ε΄ και Στ΄ Δημοτικού σε ελληνικά σχολεία, που προσεγγίζοντας αρχικά το απαραίτητο γνωστικό υπόβαθρο των εννοιών της μάζας και του όγκου, στοχεύει στην οικοδόμηση της έννοιας της πυκνότητας τόσο των καθαρών ουσιών, όσο και των διαλυμάτων. Βασικός σκοπός της είναι να βοηθήσει τους μαθητές να κατανοήσουν καλύτερα την έννοια της πυκνότητας μέσα σε ένα περιβάλλον εποικοδομητικού τύπου που αξιοποιεί διαδικασίες διερευνητικής και συνεργατικής μάθησης. Η συγκεκριμένη πρωτότυπη ΔΜΑ αναπτύχθηκε με βάση τις ήδη γνωστές εναλλακτικές ιδέες των μαθητών από την ήδη υπάρχουσα βιβλιογραφία σχετικά με τις δυσκολίες κατανόησης της πυκνότητας και του εντατικού της χαρακτήρα, αλλά και από τις απαντήσεις των μαθητών που δόθηκαν κατά τη διάρκεια της πιλοτικής έρευνας. Ειδικότερα, όσον αφορά στην αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας της ΔΜΑ διερευνάται ο βαθμός κατανόησης της έννοιας της πυκνότητας, καθώς και των εκτατικών μεγεθών που την καθορίζουν, αξιολογώντας τους διάφορους παράγοντες της έρευνας, όπως η Γνώση του όγκου, της μάζας και της πυκνότητας των καθαρών ουσιών - η Γνώση του όγκου, της μάζας και της πυκνότητας των διαλυμάτων - η Κατανόηση της πυκνότητας ως εντατικό μέγεθος που εξαρτάται αποκλειστικά από το είδος του υλικού - η Κατανόηση της έννοιας του όγκου - η Κατανόηση της έννοιας της μάζας – η Κατανόηση της διαφοροποίησης μάζας / πυκνότητας - η Διαισθητική κατανόηση της πυκνότητας υλικών μέσω της θεωρίας πλεύσης/βύθισης - η Κατανόηση της πυκνότητας του υλικού με βάση τη σωματιδιακή δομή - η Κατανόηση των μερών του κλάσματος της πυκνότητας (ρ = m/V) - η Κατανόηση της πυκνότητας διαφορετικών υλικών με ίδιο όγκο και διαφορετική μάζα - η Κατανόηση της αναλογίας διαλύτη / διαλυμένης ουσίας για τον χαρακτηρισμό του διαλύματος ως αραιό ή πυκνό - η Κατανόηση της πυκνότητα σε διαλύματα με ίδιους όγκους διαλύτη και διαφορετική μάζα διαλυμένης ουσίας - η Κατανόηση της πυκνότητα σε διαλύματα με διαφορετικούς όγκους διαλύτη και διαφορετική μάζα διαλυμένης ουσίας. Ένας από τους σκοπούς της έρευνας είναι να αναδειχθεί και η καταλληλότερη ηλικία εισαγωγής της έννοιας της πυκνότητας, καθώς σύμφωνα με το παρόν Πρόγραμμα Σπουδών διδάσκεται στην Ε΄ Δημοτικού. Το κύριο ερευνητικό εργαλείο για την αξιολόγηση των μαθησιακών αποτελεσμάτων της ΔΜΑ είναι το αρχικό και το τελικό ερωτηματολόγιο (Pre - Post test), που προηγείται και έπεται της διδακτικής παρέμβασης αντίστοιχα. Η στατιστική ανάλυση των απαντήσεων των μαθητών στα Pre - Post Tests έδειξε πολύ θετικά μαθησιακά αποτελέσματα της ΔΜΑ, καθώς υπήρξε σημαντική βελτίωση των μαθητών σε όλους τους παράγοντες της έρευνας, με υπεροχή των μαθητών της ΣΤ΄ τάξης, που επέδειξαν μεγαλύτερα ποσοστά κατανόησης της πυκνότητας. Μάλιστα, σε πολλές περιπτώσεις η διαφορά στο ποσοστό σωστών απαντήσεων του συνόλου των μαθητών κατά τη 2η φάση της έρευνας (μετά τη διδακτική παρέμβαση) σε σχέση με την 1η φάση ξεπέρασε το 40%. Προς επαλήθευση της αποτελεσματικότητας της ΔΜΑ της κυρίως έρευνας διενεργήθηκε μια συμπληρωματική έρευνα σε μαθητές μόνο της Ε΄ Δημοτικού, όπου διαπιστώθηκε ότι η πειραματική ομάδα, που διδάχθηκε την πυκνότητα με την προτεινόμενη ΔΜΑ (σε πιο συμπτυγμένη μορφή σε σχέση με αυτήν της κυρίως έρευνας), σημείωσε σημαντικά μεγαλύτερο σκορ σε κάθε παράγοντα της έρευνας σε σχέση με την ομάδα ελέγχου, που διδάχθηκε με τον παραδοσιακό τρόπο από το σχολικό εγχειρίδιο. Φυσικά, διαπιστώθηκαν και κάποιες δυσκολίες και αστοχίες στις απαντήσεις των μαθητών, αναμενόμενες ως ένα βαθμό και για τις δύο τάξεις του Δημοτικού, κυρίως όσον αφορά στις ερωτήσεις με τα διαλύματα που περιείχαν διαφορετικούς όγκους διαλύτη και διαφορετική μάζα διαλυμένης ουσίας, σε αντίθεση με τις ερωτήσεις που αφορούσαν διαλύματα με ίδιους όγκους διαλύτη και διαφορετική μάζα διαλυμένης ουσίας, όπου παρουσίασαν θετικά αποτελέσματα. Αν και στατιστικά αποδείχθηκε ότι η διδακτική μαθησιακή ακολουθία ήταν στο σύνολό της επιτυχημένη, παρόλα αυτά, παρατηρήθηκε ότι ακόμα και μετά τη διδακτική παρέμβαση κάποιοι μαθητές δυσκολεύτηκαν να αιτιολογήσουν ποιοτικά τις απαντήσεις τους στις ερωτήσεις ανοικτού τύπου με βάση το επιστημονικό μοντέλο (χρησιμοποιώντας σωστά την επιστημονική ορολογία) και συνέχισαν να παρουσιάζουν μια αδυναμία διαφοροποίησης των εννοιών της μάζας, όγκου και πυκνότητας, αλλά σε μικρότερο βαθμό απ’ ότι πριν την εφαρμογή της ΔΜΑ. Τέλος, σύμφωνα με τα στατιστικά αποτελέσματα της έρευνας, καταλληλότερη ηλικία για την εισαγωγή της πυκνότητας βρέθηκε να είναι η ΣΤ΄ Δημοτικού, καθώς φαίνεται να κατανόησαν καλύτερα, τόσο ποιοτικά όσο και ποσοτικά την έννοια της πυκνότητας, σε σχέση με τους μαθητές της Ε΄ Δημοτικού. Μάλιστα, τα κορίτσια της ΣΤ΄ τάξης παρουσίασαν τα καλύτερα μαθησιακά αποτελέσματα στο σύνολο των μαθητών.