Fizika – Új utak keresése (szakmódszertan)
TANULÓI TÉVKÉPZETEK A MECHANIKÁBAN STUDENTS’ MISCONCEPTIONS IN MECHANICS Kuczmann Imre Nádasi Ferenc Gimnázium, Budapest az ELTE Fizika Tanítása doktori program hallgatója
ÖSSZEFOGLALÁS A cikk ismerteti a tanulói tévképzetek fogalmát általánosságban és konkrét példákon keresztül. Kiemeli a velük való céltudatos foglalkozás fontosságát. Érinti a feltérképezésük módjait és beszámol egy tévképzeteket kimutató teszt legmarkánsabb eredményeiről. Érinti a tévképzetek osztályozásának kérdését, szól széles körben való elterjedtségükről, valamint a korrigálás és megelőzés lehetőségeiről. Felhívja a figyelmet arra, hogy párhuzam figyelhető meg a tanulói tévképzetek és a tudományos életben tapasztalható tévképzetek közt. BEVEZETÉS A diákok a fizikaoktatástól függetlenül is rendelkeznek olyan elképzelésekkel, amelyek befolyásolják fizikai gondolkodásmódjukat. Ezek megkönnyíthetik a tanár munkáját, de meg is nehezíthetik. Létezik a helytelen elképzeléseknek egy jól azonosítható, sajátságos gondolkodásmódot tükröző formája, amikor a diákok látszólag igaz elképzelésekkel rendelkeznek, és nem fogadják el könnyen az ezeket felváltó tudományos ismereteket. Ez a tanulói tévképzetek esete. A tanulói tévképzeteknek figyelemreméltó szerepe van a fizika oktatásában. Velük csak akkor vehetjük fel a harcot, ha tisztában vagyunk a sajátosságaikkal. Tanulói tévképzeteknek a tudományos ismereteknek ellentmondó iskolai hiedelmeket nevezhetjük [1]. Valószínűleg elkerülhetetlen velejárói a tanítási folyamatnak. Nem egyszerű tévedésekként kezelendők, fontos sajátságuk, hogy látszólag alátámasztottak, ezért ellenállnak a korrigálásukra irányuló erőfeszítéseknek [1]. Sokszor éppen a kulcsfontosságú fizikai ismereteknek mondanak ellent, így alapvetően akadályozzák az ismeretek elsajátítását. Tudatosítanunk kell, hogy a fizikai szituációk tényleges, kvalitatív megértésével függenek össze. Ezzel már Galilei is tisztában volt, mikor a Párbeszédek megírásában céltudatosan a tévképzetek feloldására törekedett. A cél: tudatosítani gyakori előfordulásukat és megfelelő stratégiákat találni a kezelésükre. A tévképzetek jelenségével nemcsak a mechanikában, hanem a fizika más területein is bőven találkozhatunk, pl. a termodinamikában, az elektromosságtanban, optikában, relativitáselméletben és kvantumelméletben is. A kvantumelméleti szituáció téves értelmezésének tipikus példája a szétrepülő fotonpár polarizációs állapotaira vonatkozó mérések problematikája, melyet néha pillanatszerű jelátvitellel vagy rejtett paraméterek segítségével próbálnak magyarázni. A tévképzetek kutatását a későbbiekben több területre is szeretnénk kibővíteni, de kezdetben csak a mechanika kérdéskörére korlátozódunk. A felsorolt konkrét példák ezért csak erre a területre szorítkoznak.
375
Fizika – Új utak keresése (szakmódszertan) NÉHÁNY KONKRÉT KINEMATIKAI ÉS DINAMIKAI TÉVKÉPZET A következőkben a teljesség igénye nélkül felsorolunk néhány a tanítási folyamat során és a diákok körében végzett felmérések alkalmával talált gyakoribb tévképzetet: - Az egymást előző járműveknek azonos a sebességük, amikor egymás mellett haladnak el. - Amikor két test sebessége egybeesik, akkor egyenlők a gyorsulások. - A nehezebb tárgyak nagyobb sebességgel esnek a földre. - A test sebessége egyenesen arányos a rá ható erővel, ha a testre nem hat erő, akkor a sebessége nulla. - Az egymást taszító személyek közül az erősebb kisebb erőt tapasztal. - A passzív tárgyak, mint pl. egy asztal, nem lehetnek erő forrásai. - A hatás-ellenhatás törvényében vizsgált erők ugyanarra a testre hatnak és az erők egyenlősége egyúttal a test egyensúlyának a feltétele. A TÉVKÉPZETEK FELTÉRKÉPEZÉSÉNEK MÓDJAI A tévképzetekre vonatkozó ismeretek elsődleges forrása a tanári tapasztalat. A tapasztalt tanároknak komplex ismereteik lehetnek a tévképzetekről. A kezdő tanárok egy része viszont nem is feltételezi, hogy a diákoknak tévképzeteik is lehetnek [1]. A tanári munka előkészítésekor célszerű a tévképzetek feltérképezésével tudatosan foglalkozni, az egyes témakörök tanítása során külön is, lehetőleg már az adott témakör megkezdése előtt. Ezt megtehetjük kérdőívek segítségével, tesztek feldolgozásával, interjú készítésével vagy ezek kombinációjával is. Az interjúkról készült hangfelvételt aprólékosan elemezhetjük. A tesztek előnye a könnyű statisztikai kiértékelhetőség, hátrányuk viszont, hogy elfedhetik, valójában milyen mértékben értik a diákok a tananyagot. A tévképzetek vizsgálatára Hesteness [2] korábbi vizsgálataiban használt tesztekből saját kérdéssort állítottunk össze. A teljes kérdéssort viszont nem mutatjuk be, mert még további csoportokban tervezzük a kipróbálását. Az eddigi vizsgálat még nem tekinthető szignifikánsnak, mivel a tesztet csak 15 kilencedikes és 16 tizenegyedikes írta meg. Illusztrációképpen azonban egy kérdést bemutatunk. Minden esetben csak egy helyes válasz volt a felkínált lehetőségek közt, ezt a diákokkal közöltük is. Egy dobozt 4m/s állandó sebességgel húzunk a padlón. Milyen következtetés vonható le a dobozra ható erőkre vonatkozóan?
Ha a húzóerőt megkétszerezzük, akkor a doboz sebessége 8m/s -ra nő.
Ahhoz, hogy a dobozt állandó sebességgel húzzuk, súlyánál nagyobb erőt kell kifejtenünk.
A húzóerőnek a dobozra ható súrlódási erővel kell megegyeznie.
Ahhoz, hogy a doboz állandó sebességgel mozogjon, a súrlódási erőnél nagyobb erőt kell kifejteni.
Egyetlen erő hat a dobozra, a húzóerő; az olyan külső erők, mint a súrlódás, nem „igazi” erők, mert csak a mozgás akadályozására képesek.
A fenti kérdés a 15 kilencedikes és 16 tizenegyedikes tanuló körében kipróbált tesztben is szerepelt. A tesztben a legmarkánsabban az alábbi tévképzetek nyilvánultak meg: - A 9. évfolyamban az érintett tanulók zöme (14 diák a 15 közül) arra gondol, hogy a nehezebb tárgyak nagyobb sebességgel, tehát rövidebb idő alatt esnek a földre. Ez az elképzelés a 11. évfolyamban már nem annyira jellemző, de 16 diák közül 7-nél itt is előfordul 8 helyes válasz mellett. 376
Fizika – Új utak keresése (szakmódszertan) - Mindkét csoportra jellemző az a nézet (11 kilencedikes és 12 tizenegyedikes), hogy a nagyobb jármű ütközéskor nagyobb erőt fejt ki a kisebbre. - A fonálon vízszintes síkban pergetett labda a fonál elszakadása után csak 6 kilencedikes és 10 tizenegyedikes szerint halad tovább érintőirányban. - A függőlegesen feldobott labdára (a levegő ellenállását elhanyagoljuk) felfelé haladás közben folyamatosan csökkenő felfelé mutató erő hat (ez 11 kilencedikes és 12 tizenegyedikes nézete). - 13 kilencedikes és 12 tizenegyedikes hiszi, hogy a kerekes széken ülők közül az fejtett ki nagyobb erőt a másikra, amelyik a talpát a másik térdére téve az ellökést végrehajtotta. - 11 kilencedikes és 9 tizenegyedikes gondolja, hogy a lift olyankor halad egyenletesen felfelé, amikor a kötél húzóereje nagyobb, mint a gravitációs erő (esetleg a gravitációs erő és a légnyomásból származó erő összege!). - 13 kilencedikes és 14 tizenegyedikes elfogadja azt, hogy a golflabdára az egész repülési idő alatt hat az ütés ereje. A feltett kérdések alkalmasak voltak arra, hogy kiderüljön, milyen megállapításokra jutnak a diákok a jelenségek felszínes ismerete esetén, illetve ha a dinamika törvényei helyett bizonyos téves, de igaznak látszó elképzelésekből indulnak ki. A TÉVKÉPZETEK OSZTÁLYOZÁSA A tévképzetek különböző szempontok szerint osztályozhatóak. Besorolhatók pl. a kinematika vagy dinamika körébe, mint a fenti konkrét példák. Csoportosíthatók aszerint is, hogy honnan erednek, milyen tevékenység hatására alakultak ki, vagyis milyen információ volt a forrásuk. Erre az alábbi szakaszban látunk példát. Az irodalomban olvashatunk matematikai jellegű, általános jellegű, laboratóriumhoz kötődő, tanteremhez kötődő tévképzetekről [3]. Hasznos csoportosításra ad lehetőséget az, ha a háttérben meghúzódó téves alapelvet próbáljuk megtalálni. Az az elképzelés, hogy a mozgás fenntartásához erőre van szükség, vagy hogy a testek természetes állapota a nyugalom, pl. az Arisztotelészi gondolkodásmód jele. Ennek nem része a tehetetlenség törvénye. Abban, hogy a fizikai gondolkodás túljutott ezeken a problémákon, fontos szerepe volt Galilei és Newton munkásságának. További tipikus gondolkodásmód az is, hogy a magára hagyott testek mozgása belső mozgatóerő (impetus) hatására történik, és a mozgás addig tart, amíg ez a belső erő el nem fogy. Ez szintén oka lehet fizikai szituációk rossz értelmezésének. Az emberek gondolkodását a soroltakon kívül egészen meglepő tévképzetek is vezérelhetik, mint pl. hogy külső mozgatóerőt csak élőlények képesek kifejteni. A TÉVKÉPZETEK KELETKEZÉSÉNEK GYÖKEREI A tanulói tévképzetek sokféle forrásból táplálkozhatnak és visszavezethetők külső és belső okokra egyaránt [1]. Külső tényezőnek tekintjük a televíziót, a rajzfilmeket, a számítógépes játékokat, a korosztályból vagy felnőttektől átvett információkat, újsághíreket stb. A legfontosabb megerősítő szerepe viszont a saját tevékenységnek van. A diák számtalan esetben tapasztalhatja, hogy a mozgás megszűnik, ha megszűnik a mozgást kiváltó erő. A mechanika tanulmányozása során felmerülő tévképzetek így nagymértékben összefüggésbe hozhatók a mindennapi tapasztalattal. A kvantummechanika tanulmányozása során felmerülő tévképzetek ezzel szemben igen távol esnek a köznapi tapasztalattól, ezért nehezebben is magyarázhatók [4]. A tanárok többsége feltételezi, hogy a tévképzetek főleg a diákokra ható külső okokkal magyarázhatók, nem pedig gondolkodásbeli hiányosságokkal. Valóban, nemcsak a gyenge
377
Fizika – Új utak keresése (szakmódszertan) tanulóknak lehetnek tévképzetei. Ne feledjük el, hogy a fizikában belsőleg nehéz alapfogalmak is vannak, mint a tömeg, az elektromos töltés vagy az energia, vagy olyan összetett alapelvek, mint a megmaradási törvények [5]. Ezeknél bizonyos előismeretekre kell támaszkodnunk. A tanár általában számol az előismeretek meglétével, pedig előfordul, hogy ezek nincsenek is meg [6]. A diákok különböző ismeretekkel lépnek az osztályba és ha nincsenek meg a megfelelő szintű előismereteik és képességeik, akkor alkalmazzunk bármilyen tanítási módszert, nem értik meg a tananyagot [1]. KOROSZTÁLYTÓL FÜGGETLEN ELŐFORDULÁS A tévképzetek minden korosztály gondolatvilágában előfordulnak. Felsőbb évfolyamok felé haladva a számuk csökken, ami bizonyára a mentális fejlődéssel kapcsolatos [7]. A magasabb évfolyamok egyre komplexebb modelleket képesek elsajátítani. Számos cikk mutat rá, hogy tévképzetek kimutathatók a fizikát felsőfokon tanuló hallgatók körében is. Külföldi mérnökhallgatók egy tévképzetekre irányuló felmérésben pl. 20 százalékos eredményességet értek el, de azután sem érték el az 50 százalékot, hogy a tévképzetekre irányuló speciális oktatásban részesültek [7]. A fizikatanárnak készülő hallgatók is rendelkezhetnek tévképzetekkel, és ezzel többnyire maguk sincsenek tisztában. Azt, hogy tévképzetek a gyakorló tanárok körében is előfordulnak, szintén több országra kiterjedő felmérések mutatják. Ezekben az esetekben a tanár is hozzájárulhat a gyerekek fejében levő tévképzetek fennmaradásához vagy létrejöttéhez. A tanárok körében egyébként hasonló tévképzetek figyelhetők meg, mint a diákok körében [7]. KORRIGÁLÁSI MÓDSZEREK Gyakran hosszú évek során kialakult és látszólag logikusan alátámasztott tévképzeteket kell átformálni. Létező ismereteket nehezebb megváltoztatni, mint újakat megtanítani. De ez is sikerülhet, ha összehasonlítjuk az előítéleteket a kísérleti tényekkel. A diákokat laboratóriumba kell vinni, ahol kvalitatív tapasztalatokra tehetnek szert. Gondoskodni kell arról, hogy megfelelő szituációkban artikulálhassák az előítéleteiket, hogy ezek tudatosulhassanak. Legjobb, ha ez még az adott tananyag tanításának a megkezdése előtt megtörténik [7], [8]. Általában is fontos, hogy a kvalitatív kérdések tisztázása megelőzze a számszerű elemzéseket [5]. Nagy figyelmet kell szentelni az alapvető elvek megértetésének, megalapozásának. Olyan tanítási módszerekre van szükség, amelyek elősegítik a pontos megértést. A tapasztalatszerzést alkalmas szoftverek is támogathatják. Például a diák egy szimulációban autót vezet, miközben kirajzolódnak a sebességre és megtett útra vonatkozó grafikonok. Létezik olyan szoftver is, amely a diákok válaszait egy tévképzet-adatbázissal hasonlítja össze, képes a tévképzeteiket azonosítani és a további munkájukat ennek megfelelően szervezni [9]. A diákok gondolkodásmódját és saját tempóját figyelembe kell venni, individuális visszacsatolásokra van szükség. A finom részletek egy frontális előadásban elvesznek. Az egyéni tempót a számítógépes programok jól biztosíthatják, de természetes, hogy sok tekintetekben nem képesek az olyan finom hozzáállásra, mint az ember [6]. ÖSZTÖNZÉS AZ ODAFIGYELÉSRE A tévképzetek keletkezésének okaival, a kezelésük módjával kevés tanár foglalkozik, kevesen szentelnek nekik figyelmet már a tanítási folyamat tervezésének fázisában. A tanárok feltételezik, hogy megbirkóznak a tévképzetekkel. Ez nagy eltéréshez vezethet a feltételezett tanulói eredményesség és a valós eredmények közt. Tévképzetekkel igen kiterjedt irodalom foglalkozik, bár a forrásokat sok tanár nem ismeri és az eredmények nem szűrődnek le az oktatásba [1],[10]. Pedig fontos a tudományos rálátás a tanított ismeretanyag szélesebb összefüggéseire. A tapasztalatcserét jól segítheti egy 378
Fizika – Új utak keresése (szakmódszertan) internetes fórum is, ahol a tanárok anonim módon és nyíltabban tárgyalhatják meg a problémáikat [10]. Érdemes jobban összekötni a tévképzetek kutatását a megismerés elméleteivel és a pedagógia más ágazataival [11]. PÁRHUZAM A TUDOMÁNY FEJLŐDÉSÉVEL A diákok tanulási folyamatában hasonló stádiumok figyelhetők meg, mint a tudomány fejlődésében [12]. Kevés ismeret birtokában mindkét területen olyan hipotézisek keletkezhetnek, amelyek bizonyos szituációkban látszólag érvényesek, de nem tükrözik a jelenségek valódi arculatát. Tanulságos ezért a fizika történetét ilyen szempontból is tanulmányozni. Párhuzam figyelhető meg a diák-tévképzetek tartóssága és a fizikával foglalkozók körében fellelhető tévképzetek tartóssága közt is. Persze tévképzetek nem csak a fizikában fordulnak elő, hanem más tudományágakban is [13]. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Köszönettel tartozom Tasnádi Péternek, az ELTE egyetemi tanárának, a cikk koncepcióját segítő munkájáért. IRODALOMJEGYZÉK 1. S. Gomez-Zwiep: Elementary Teachers’ Understanding of Students’Science Misconceptions: Implications for Practice and Teacher Education. J Sci Teacher Educ (19), p.437, 2008. 2. D. Hesteness, M. Wells, and G. Swackhamer: Force Concept Inventory, The Physics Teacher 30, p.141, 1992. 3. R. S. Shaw: Student Misconceptions. Am. J. Phys. Volume 11, Issue 4, p.227, 1943. 4. D. F. Styer: Common misconceptions regarding quantum mechanics. Am. J. Phys. 64 (1), p.31, 1996. 5. J. Clement: Students´ preconceptions in introductory mechanics. Am. J. Phys. 50 (1), p.66, 1982. 6. R. B. Hicks, H. Laue: A computer-assisted approach to learning physics concepts. Am. J. Phys. 57 (9), p.807, 1989. 7. S. Bayraktar: Misconceptions of turkish pre-serrvice teachers about Force and Motion. International Journal of Science and Mathematics Education (7), p.273, 2009. 8. S. Stover, G.Saunders: Astronomical Misconceptions and the Effectiveness of Science Museums in Promoting Conceptual Change. Journal of Elementary Science Education, 12 (1), p.41, 2000. 9. K. VanLehn et al.: The Architecture of Why2-Atlas: A Coach for Qualitative Physics Essay Writing. Proceeding ITS '02 Proceedings of the 6th International Conference on Intelligent Tutoring Systems, Springer-Verlag London, p.158167,UK ©2002. 10. E. Bagno, S.Levy, and Bat-Sheva Eylon: How can a Website for Physics Teachers Serve as a Tool for Professional Development? Journal of Science Education and Technology, Vol. 15, No. 3, p.215, 2006. 11. J. Settlage Ć M. J. ‘‘Dee’’ Goldston Prognosis for Science Misconceptions Research. J Sci Teacher Educ(18), p.795, 2007. 12. L. Viennot: Analyzing students’ reasoning: Tendencies in interpretation. Am. J. Phys. 53 (5), p.432, 1985. 13. Tóth Zoltán: Kémiai tévképzetek. Természet Világa, 140. évf. 1. szám, 2009.
379
