Edukacijska istraživanja u fizici i utjecaj na nastavnu praksu

Ivica LuketinFakultet prirodoslovno-matematičkih znanosti i kineziologije

Split

Državni seminar iz fizike za osnovne i srednje škole

Zadar , 2008

Pregled predavanja

1)Znanost o nastavi fizike –(PER , Didaktika fizike, Metodika nastave fizike)

2)Primjeri edukacijskih istraživanja

3)Utjecaj istraživanja u didaktici fizike na nastavnu praksu

Znanost o nastavi fizike

• Physics Education Research (PER)

• Didaktika fizike

• Metodika nastave fizike

Interdisciplinarna narav znanosti o nastavi fizike

FizikaFilozofija fizike

Didaktikafizike

Pedagogija

Dalje referentne discipline: npr.Sociologija/ Anthropologija / Lingvistika / Etika

Povijest fizike

Psihologija

Istraživanja u didaktici fizike crpe iz metoda analitičkih i empirijskih istraživanja iz različitih referentnih disciplina.

Didaktičar fizike treba kompetencije u raznim domenama.

R.Duit,Girep Opatija,2007

Physics Education ResearchPER

• U zadnjih 30 godina fizičari u U.S. su počeli tretirati učenje i poučavanje fizike legitimnim istraživačkim problemom.

• Prvu istraživačku grupu je formirao Arnold B.Arons na Sveučilištu Wašington,Seatle.

Njegova knjiga "Teaching Introductory Physics" ,1997,je pregled osnovnih tema PER-a u ranoj fazi ,napisana u formi eseja.

Osnovne teme nastave fizike temeljene na istraživanju

Kvalitativna pitanja

• Naglasak na kvalitativnim, ne-numeričkim pitanjima da bi se smanjilo mehaničko uvrštavanje u formule

Višestruki prikazi• Korištenje višestrukih

prikaza (reprezentacija) u svrhu produbljivanja razumijevanja

Grafovi, dijagrami, riječi, simulacije, animacije, ...

Objasniti svojim riječima

• Poticanje učenika da objašnjavaju svojim riječima vlastito rasuđivanje (usmeno ili pismeno) da bi jasnije izrazili svoje misaone procese

omjer,skaliranje,brzina kao nagib,impuls sile kao površina,..

Didaktika fizike

U Europi se početak može datirati :

Viennot,L. 1978,Le raisonnement spontane en dynamique elementaire ,Thesis, University of Paris VII

1979 je u časopisu: Eur.J.Sci.Educ.,vol.1, no.2 (205-221 )

objavljen rad Spontaneous Reasoning in Elementary Dynamics

Metodika nastave fizike u Hrvatskoj-povijest

• Dobra pedagoška tradicija srenjoeuropskog kruga u kojoj se razvijalo hrvatsko školstvo manifestirala se i u otvaranju katedri metodika nastave (pojedinih disciplina ) na Sveučilištu u Zagrebu i ostalim hrvatskim sveučilištima.

Metodika nastave fizike u Hrvatskoj-umijeće

• Nažalost,sve do nedavno ,hrvatski fizičari su nastavu fizike smatrali strukom u kojoj fizičari nemaju što istraživati.

• Nastavnik fizike u osnovnoj , srednjoj ili visokoj školi se nije imao gdje u Hrvatskoj znanstveno dalje usvršavati (osim u nekoj priznatoj disciplini fizike,u koju nije spadala metodika nastave fizike ).

Metodika nastave fizike u Hrvatskoj-budučnost

• Impetus u razvoju kurikuluma i povezivanja nastave fizike na svim razinama dali su Dani nastave fizike, prvog (1993 ) do osmog simpozija (2007) konstruktivistički usmjereni .Zasluga je to, uz mnoge hrvatske nastavnike fizike, u dobroj mjeri profesora metodike fizike R.Krsnika,koji je utemeljio prvu hrvatsku grupu fizičara (PMF Zagreb) koja se znanstveno bavi nastavom fizike.

Metodika nastave fizike, Didaktika fizike ili PER u Hrvatskoj ?

• Termin metodika, udomaćen kod nas i državama pod utjecajem bivšeg SSSR-a, previše naglašava samo primjene metoda poučavanja. Slabije upućeni ga ne razlikuju od metodologije. Primjereniji naziv bi bio didaktika struke sukladno Fachdidaktik (Didaktik der Physik, Didaktik der Informatik..) ili Didactique des disciplines (Didactique de Physique ,Didactique de l' informatique ..).

Nastava fizike prije pojave PER-a

• Niz reformi kurikuluma (bljesak i gašenje)

• Nije bilo razmjene

• Nije bilo dokumentirano što se promijenilo

• Nije bilo zajedničkog stava što je dobra nastava fizike

• Umjesto kumulativnog napretka ,kurikulum oscilira u interpretaciji pojedinaca

• Bez sistematskog istraživanja i evaluacije

Digresija

Ka sistematskoj akumulaciji znanja

ili

će svaka generacija ponovo

izmišljati kotač

Zašto u obrazovanju svaka generacija ponovo izmišlja kotač

• Učenje je kompleksna pojava• Svi znaju sve o obrazovanju (svi bi znali

voditi nogometnu vrstu za koju navijaju)

• Za dobru nastavu je dovoljno jasno predavati ono što sam (sama) dobro znaš

• Pedagogija je ipak samo teorija,koja ne garantira praksu dobre nastave.

Razlozi sporosti prihvačanja PER-a

• 20.stoljeće –neusporedivi napredak u razumijevanju fizikalnog svijeta ,ali ne vidimo usporedivi napredak u razumijevanju kako učenici uče fiziku.

• Zašto?

Razlozi sporosti

a) Učenje je kompleksnija pojava od večine proučavanih fizikalnih procesa.

b) Fizičari nisu uradili sličan sistematski napor razumijeti kako učenici uče fiziku i kako ih poučavati.

c).........

PER-više od lucidnih predavanja

• Arons u predgovoru knjige "Teaching Introductory Physics" naglašava da su edukacijska istraživanja pokazala da didaktičko izlaganje pojmova i procesa (ma koliko predavanje bilo lucidno ) pasivnom slušaču malo pomaže u učenju .Od toga imaju koristi mali broj nadarenih učenika.

Arnold Arons

• Arons ne pledira za nejasna predavanja, već da i takva predavanja moraju biti dopunjena vježbama koje aktiviraju učenike.

Feynmanov pesimizam

• Nakon završetka povijesnog pokusa na Caltechu sa lekcijama iz osnova fizike ,napisao je (Uvod, vol.III,1966) da je njegovo mišljenje o uspjehu lekcija pesimistično ("I don‘t think I did very well by the students" ).Prijatelji su mu rekli da je 10-20 briljantnih studenata razumjelo gotovo sve ("They are,after all,the ones I was trying to get at").

Gibbons

• Ali ,onda je ,citat prema Feynmanu,"moć poduke rijetko ikad efikasnija nego što je u onim sretnim prilikama gdje je zapravo suvišna“.

Feynmanov optimizam

• Mislim da nema drugog rješenja za ovaj problem edukacije nego da dobra pouka uključuje osobni odnos učenika i učitelja- situacija koja pruža priliku učeniku :

• raspravljati o idejama

• misliti o njima

• govoriti o njima

Slobodnija interpretacija

Skepsa može pomoći bržem širenju PER zajednice

• Nije dobro širiti poruku da su dobri nastavnici samo oni koji znaju rezultate edukacijskih istraživanja.Takav stav izaziva otpor fizičara .Uostalom,znanost o poučavanje je tek u fazi akumulacije podataka,a biti istraživač u tom području ne garantira u potpunosti da ste i izvrstan nastavnik.

Kako aktivirati velike razrede-istraživač nastave fizike u akciji

D. E. Meltzer, Enhancing Active Learning in Large-Enrollment Physics Courses P.Heron,D.Meltzer,The future of physics education research: Intellectual challenges and practical concerns

Kraj digresije

Što PER čini znanošću(Lililian Mc Dermott ,1998)

• Dok nemamo volje primijeniti iste rigorozne standarde akademskog istraživanja za teme učenja i poučavanja fizike koje redovito primjenjujemo u tradicionalnom znanstvenom istraživanju , sadašnja situacija u edukaciji fizike se vjerojatno neće promijeniti.

Što PER čini znanošću ?

• Sistematsko promatranje nastave fizike, prikupljanje podataka ,izvođenje ponovljivih edukacijskih pokusa.

• Definiranje varijabli i njihova kontrola.• Dubinsko ispitivanje i analiza učeničkog mišljenj

a o fizikalnim pojmovima i procesima.• Pokušaj definiranja teorijskog okvira unutar

kojeg se mogu interpretirati prikupljeni podaci (J.Redish)

Sistematsko promatranje i pokusi

• Sistematsko promatranje nastave fizike, prikupljanje podataka ,izvođenje ponovljivih edukacijskih pokusa.

Varijable

•Definiranje varijabli i njihova kontrola.

Dubinsko ispitivanje• Dubinsko ispitivanje i

analiza učeničkog mišljenja o fizikalnim pojmovima i procesima.

Teorijski okvir

• Pokušaj definiranja teorijskog okvira unutar kojeg se mogu interpretirati prikupljeni podaci (J.Redish)

Koji je cilj PER-a ?

Transformirati dobro poučavanje

od umijeća kojim raspolažu rijetki

u znanost koja omogućava mnogima

naučiti kako postati dobar nastavnik fizike.

Kako do cilja ?

• Na temelju istraživanja ,razviti nastavne metode i nastavne materijale koji vode računa o preprekama u učeničkom učenju fizike.

• Provjeravati efikasnost tih metoda i materijala i stalno ih prepravljati.

• Provjera se dijelom temelji na standardiziranim dijagnostičkim instrumentima (npr. FCI , ali ih treba prilagoditi dobi učenika).

Summary: Key Facets of Physics Education Research

Physics education is an interdisciplinary discipline aiming at improving teaching and learning in various practices.

Physics educators need multiple competencies in physics and in a substantially large number of reference domains.

Physics education research has to link physics subject matter issues as well as pedagogical and psychological issues.

Research and development are closely linked.

Please keep in mind: To improve practice there are no simple recipes. You are investigating / steering a highly complex (non-linear) system.

Primjeri edukacijskih istraživanja

1.Zaštoje je ljeti toplije

2.Istjecanje tekućine

3.Sudar auta i kamiona

4.Bacanje lopte ,skakanje,potezanje konopa

5.Kako motivirati učenike (Viennot)

6.Kako privući učenike fizici (N.Reid)

Primjeri dubinske analize učeničkog mišljenja o fizikalnim pojmovima i procesima

1.Zaštoje je ljeti toplije ?2.Dvije posude su spojene

cijevi s stegnutom stezaljkom kao na slici. Kad se stezaljka otvori,što će se dogoditi s razinom vode ?

3.a)Tijekom sudara auta i kamiona , sila kojom kamion djeluje na auto je veča od sile kojom auto djeluje na kamion.

b)Sila .....

Okviri za objašnjenje

• Redish razlikuje dva stajališta kojim se može interpretirati znanje učenika :

• Stajalište modela (naivne teorije,spontane teorije,miskoncepcije,alternativne koncepcije ) koje ima učenik o fizikalnoj pojavi

• Stajalište modularnog (fragmentarnog ) znanja i rezoniranja

Dimenzije koje omogučuju razlikovanje stajališta

• Razina integracije ( koliko su različiti elementi povezani)

• Razina robusnosti (kako je širok raspon situacija u kojima se znanje aktivira )

• Razina obrade (kompilacije) (stupanj do kojeg se složeniji komadi znanja mogu primijeniti kao jedinice s kojima radi radna memorija )

Stajalište modela

• Resursi znanja su jako vezani

• Model se aktivira u širem rasponu situacija (konteksta)

• Stabilan i otporan na promjene

• Nije u skladu s prihvačenim znastvenim mišljenjem

Za gibanje treba sila

Arhetipski primjer (Viennot) naivnog modela da za gibanje treba sila pokazuje stabilnost koja upućuje i na algebarsku formulaciju :

F v

Stajalište modularnog znanja

• Aktivirani resursi su uglavnom nezavisni i slabo povezani

• Znanje se aktivira u ograničenom broju situacija• Znanje je labilno i lako promjenjivo

Elementi znanja (resursi) p-prim

• Elemente znanja (resurse) Di Sessa naziva

p-prim (phenomenological primitives)

Redish- apstraktna pravila i faceti

Redish pravi još finiju distinkciju i razlikuje primitivne elemente rasuđivanja (opća pravila) i izbrušenije znanje koje se odnosi na pojedine predmete fizikalnog svijeta , a dobije se pridruživanjem.

Redishova dopuna

• Primitivni elementi rasuđivanja (opći)

• Izbrušenije znanje (konkretno)

• Preslikavanje

1.Zašto je ljeti toplije ?Mnogi učenici odgovore zato što je Zemlja bliže Suncu.To se pripisuje greški u učenju da se Zemlja giba po vrlo ekscentričnoj putanji .Za neke učenike je to slučaj.

Di Sessa

• Di Sessa predlaže i drugačije objašnjenje.• Nakon pitanja,učenik pretražuje po svojoj bazi

znanja da bi pronašao resurs koji će primijeniti.Brzo se nudi bliže je jače .Taj resurs sam po sebi nije točan niti netočan ( npr.zaista je toplije ako ste bliže vatri).Ali,objasniti promjenu godišnjih doba kao posljedicu promjene udaljenosti od Sunca se može razumjeti kao pogrešno aktiviranje ovog resursa.

Drugi resursi

Drugi resursi koji su učeniku na raspolaganju bi mogli bili produktivniji, npr. snaga je veća ako je posljedica direktnijeg kuta upadanja.

Zašto je ljeti toplije ?

Primitivni element rasuđivanja je :

Biti bliže izvoru je efikasnije

Izbrušenije znanje je :

Kad je toplije ,bliže smo Suncu

preslikavanje

2.Istjecanje fluida• Učenici su rijetko svijesni akcije

preslikavanja.Redish navodi kontraprimjer iz rada Loverudea ,a ticao se zakona istjecanja fluida.

Razmišljanje jednog učenika

Voda će teći dok se ne uspostavi neka vrsta homeostaze,ili kako god da vi to nazivate,neka ravnoteža,može to značiti da su volumeni isti ,ili će razine vode biti iste.Hm,za sada ću izabrati volumen ,iako nisam siguran.Dakle,bit će niže u širem kontejneru.Te stvari žele biti jednake, i na koji način mogu biti jednake?Jedan je način volumen tekučine, drugi je visina .

Svjesno preslikavanje (rijetko)

Učenik je eksplicitno aktivirao resurs ravnoteže i svjestan je (što nije često) potrebe da preslika primitivni element na veličine u zadatku.To se preslikavanje najčešće događa na nesvjesnoj razini.

3.Poteškoće s 3.N.zakonomElbyjevi parovi

• Elby predlaže metodu kako izbjeći konflikt između učenika (koji ima miskoncepciju o 3.N.zakonu) i učitelja (autoritet koji ima moć jer zna taj zakon) tako da se konflikt dogodi unutar učenika .

Parovi pitanja

• Elby kreira parove pitanja koji pitaju o istom, ali na različiti način

• (primjena resursa ovisi o kontekstu).

Elbyjevi parovi

• U jednoj formi pitanja, vjerojatnije je da će učenik odgovoriti s uobičajenom miskoncepcijom .U drugoj formulaciji ,pitanje je u skladu s učenikovom intuicijom,a odgovor je dijelom fizikalno točan. Usklađivanje ovih dviju intuicija se prepusti učeniku.Na taj način oni uče kako upotrijebiti i rafinirati svoju intuiciju.

Teški kamion se sudara s malim autom

1.Što je veće tijekom sudara :

a)sila kojom kamion djeluje na auto ?

ili

b)sila kojom auto djeluje na kamion ?

2.Neka je masa kamiona 1000 kg, a masa auta 500kg.Tijekom sudara,neka je gubitak brzine kamiona 5m/s.Koliki je dobitak brzine auta tijekom sudara ( sjeti se da je auto upola lakši od kamiona)?

P-prim razmjernog skaliranja

• Večina učenika ,i nakon tradicionalne nastave fizike ,pogriješe u 1.pitanju,dok ih pak večina odgovori točno na 2.pitanje.

• 2.pitanje je aktiviralo primitivni resurs razmjernog skaliranja.Preostaje analizirati posljedice ovih dvaju pitanja koristeći usklađujući dijagram.

Dijagram usklađivanja

2auta

Fa

m

Sirova intuicijaAuto reagira dva puta

više tijekom sudaraAuto osjeća

dva puta veću silu

tijekom sudara Auto ima dva puta veću akceleraciju tijekom sudara

pročisti

implikacija

Vrijedi 3.N.zakon3.N. zakon ne vrijedi

Uzajamno neslaganje

Malo algebre

2kamiona

Fa

m

4auta kamionaa aNeprihvatljiv rezultat, pa pristaju promijeniti početnu netočnu zamisao.

Auto reagira dva puta jače od kamiona

• Nastavnik prihvaća ,štoviše,potiče aktiviranje intuitivne misli da auto reagira dva puta jače od kamiona .Kad nakon toga učenici izračunaju akceleraciju , ne smeta im da su sile iste po iznosu, jer to i dalje osigurava dva puta veću akceleraciju auta (nešto je dva puta jače ).

Fizika kao rafiniranje postojećeg znanja

• Oblikujući učenje kao "rafiniranje" sirove intuicije Elby u suštini invocira metaforu da je učenje fizike rafiniranje već postojećeg materijala, suprotno slici učenja fizike kao zamjene “lošeg“ materijala s “dobrim" materijalom.

4.Bacanje lopte

Slika za slikom

4.Skakanje

• Pod gura skakača promjenjljivom silom

od poda na skakača

manja

jednaka

većateže skakačaF može biti od F

Skok uvis s mjesta

5.Privlačenje učenika prema fizici

Je li to povezano s izborom sadržaja?

Laurence Viennot

LSDP, University Denis Diderot (Paris7)

L.Viennot na Girepu, Opatija,2007

6.Kako privući učenike fizici (N.Reid)

3) Utjecaj istraživanja u didaktici fizike na nastavnu praksu

Istraživanja nastave fizike imaju smisla ako informiraju :

• nastavnike fizike i učenike• autore kurikuluma• autore nastavnih materijala• javnost (roditelje,medije,građansku i političku

zajednicu) što je dobra , a što nije dobra nastava fizike

Kumuliranje znanja je počelo

Evidencija (publiciranih radova ,obrađenih audio i video zapisa )o primjeni rezultata istraživanja ima malo.

Postoji veći broj stručnih radova u Zbornicima s Dana nastave fizike koji reflektiraju iskustvo nastavnika fizike i imaju odlike akcijskog istraživanja .Međutim,nedostaje im rigoroznost koju smo pokušali naznačiti u ovoj prezentaciji. Nedostaje istraživanja nastavne prakse na večim skalama (sa aspekta PER-a).

Embrij u Splitu

• Poslijediplomski studij iz znastvenog obrazovanja (usmjerenje fizika ) je dao nekoliko dobrih magistarskih radova s opisom primjera dobre nastavne prakse.

• Za nadati se da će PMF u Splitu (priprema Tempusa za unaprijeđenje 3+2+3 formata je upravo u tijeku ) nastaviti i unaprijediti svoj rad .

Nastava fizike u Rijeci

Girep u Opatiji 2007 je pokazao sposobnost Odjela za fiziku u Rijeci , nakon izuzetno uspješnih sudjelovanja na Danima nastave fizike, organizirati prvoklasnu znanstvenu koferenciju iz edukacije fizike .Vjerovati je da će s jednakim uspjehom potaknuti diseminaciju i istraživanje u osnovnim i srednjim školama u svojoj regiji

PER zajednica u Hrvatskoj

• Siguran sam na ovom skupu, a i među onim nastavnicama koji nisu ovde i čiji rad ne poznajem ,izvanrednih praktičara koji će se moći uključiti u sistematsko i informirano istraživanje nastavne prakse u Hrvatskoj.

• Željku Jakopoviću čestitam na uspjehu u organizaciji ovog workshopa nakon kojeg više neće biti moguće dijeliti fizičare na velike i male,ovisno o uzrastu mladih ljudi s kojima pokušavaju razumjeti kako radi priroda.

2.Newtonov zakon

3.gimnazija,Split ,mentorica Nela Dželalija,tragom Isaaca je pokušao krenuti Dražen

Petrov,student 4.godine fizike PMF u Splitu u Splitu

Osnovna škola Dobri,Split,mentorica Jadranka Vujčić,student 4.godine fizike PMF u Splitu Ivan Strižić