Οδηγός καθηγητή στα σενάρια του Σ.Ε.Π.

Πειραματικές Διαδικασίες Στο Εικονικό Εργαστήριο Σ.Ε.Π.
Η Περίπτωση Της Θερμιδομετρίας

1 Συνοπτική Παρουσίαση Σεναρίου

1.1 Τίτλος διδακτικού σεναρίου

Πειραματική διερεύνηση του «νόμου της Θερμιδομετρίας» στο Εικονικό Εργαστήριο Σ.Ε.Π.

1.2 Εμπλεκόμενες γνωστικές περιοχές

Φυσική: Θερμότητα.

1.3 Τάξεις στις οποίες μπορεί να απευθύνεται

Φυσική Β’ τάξης Γυμνασίου.

1.4 Συμβατότητα με το αναλυτικό πρόγραμμα

Προβλέπεται στο Α.Π. η διδασκαλία της ενότητας «Θερμότητα: Νόμος της Θερμιδομετρίας – Ειδική θερμότητα (στερεών – υγρών)».

Το διδακτικό σενάριο έχει ως πυρήνα τρία φύλλα εργασίας τα οποία ακολουθούν το πρότυπο «διαμόρφωση υποθέσεων, σχεδίαση πειραμάτων για τον έλεγχο των υποθέσεων, έλεγχος των υποθέσεων -με βάση τα αποτελέσματα των πειραμάτων- και εξήγηση των αποκλίσεων-συγκλίσεων μεταξύ υποθέσεων-πειραμάτων». Αυτή η οργάνωση της μαθησιακής διαδικασίας είναι κατάλληλη και για άλλες γνωστικές περιοχές των φυσικών επιστημών όπως Χημεία, Βιολογία κ.ά. αλλά και για άλλες τάξεις.

1.5 Οργάνωση της διδασκαλίας & απαιτούμενη υλικοτεχνική υποδομή

Εφόσον οι μαθητές εργαστούν σε ομάδες 2-3 ατόμων απαιτείται κατάλληλος αριθμός Η/Υ και το μάθημα μπορεί να γίνει στην αίθουσα πληροφορικής. Εναλλακτικά, το μάθημα μπορεί να γίνει στην αίθουσα διδασκαλίας με έναν υπολογιστή και έναν βιντεο-προβολέα.

Λογισμικό: Σύνθετο Εργαστηριακό Περιβάλλον (Σ.Ε.Π.)

1.6 Διδακτικοί στόχοι

· Η κατανόηση της πολύ-παραμετρικής εξάρτησης της ποσότητας θερμότητας που μεταφέρεται κατά τη διάρκεια μιας θερμικής αλληλεπίδρασης.

· Η διαφοροποίηση θερμότητας-θερμοκρασίας.

· Εξοικείωση με την διαδικασία «πρόβλεψη – πειραματικός έλεγχος – εξήγηση» ως βασικό πυρήνα της πειραματικής διαδικασίας.

1.7 Εκτιμώμενη διάρκεια

Δυο διδακτικές ώρες για την εφαρμογή του τριών φύλλων εργασίας στην τάξη.

2 Διδακτικές Προσεγγίσεις στη Σχέση της Θερμιδομετρίας

Η σχέση της θερμιδομετρίας «Q=m·c·Δθ» μπορεί να προσεγγιστεί μέσα από τη διερεύνηση διαφόρων θερμικών φαινομένων, όπως της θερμική ισορροπίας, της ψύξης ή της θέρμανσης σωμάτων. Στα σχολικά βιβλία (Καραπαναγιώτης κ.ά. 1998, Αντωνίου κ.ά. 2001, Αντωνίου κ.ά. 2007) η θερμιδομετρία μελετάται με θέρμανση των σωμάτων.

Στην περιοχή της θερμότητας έχουν γίνει πολλές έρευνες για τις ιδέες των μαθητών. Βασικό συμπέρασμά τους είναι ότι οι μαθητές δυσκολεύονται να διακρίνουν τα μεγέθη θερμοκρασία – θερμότητα και δεν αναγνωρίζουν την εκτατικότητα[1] της θερμότητας και την εντατικότητα της θερμοκρασίας με αποτέλεσμα να εμφανίζονται δυσκολίες στην κατανόηση των δύο εννοιών. Η διαπραγμάτευση της σχέσης της θερμιδομετρίας αποτελεί σημαντική ενότητα καθώς σε αυτήν συνδέονται η θερμότητα με τη θερμοκρασία και ανιχνεύονται οι παράγοντες που επηρεάζουν το ποσό θερμότητας που μεταφέρεται. Σε αυτό το πλαίσιο, η αξιοποίηση των δυνατοτήτων που προσφέρουν οι ΤΠΕ και ιδιαιτέρα τα εικονικά εργαστήρια στην ανάπτυξη διδασκαλιών για την αντιμετώπιση αυτών των μαθησιακών δυσκολιών έχει μεγάλο διδακτικό ενδιαφέρον.

Στη συνέχεια παρουσιάζονται συνοπτικά οι διδακτικές προσεγγίσεις των σχολικών βιβλίων για τη διδασκαλία του νόμου της θερμιδομετρίας, περιγράφεται το προτεινόμενο διδακτικό σενάριο και παρατίθενται διδακτικές υποδείξεις-προτάσεις, με βάση τα φύλλα εργασίας, για την υλοποίηση του σεναρίου.

2.1 Διδακτικές προσεγγίσεις που προτείνουν τα Σχολικά Βιβλία

Στα δύο σχολικά βιβλία που χρησιμοποιήθηκαν τα τελευταία χρόνια αλλά και στο νέο οι παράγοντες της μεταβολής της θερμοκρασίας (Δθ), της μάζας (m) και του υλικού (c) του σώματος που θερμαίνεται, δεν εξετάζονται με συγκεκριμένη αιτιολογημένη σειρά. Αρχικά εισάγεται η σειρά m, Δθ, c ενώ, στη συνέχεια, γίνεται Δθ, m, c. Ενώ και στα βιβλία η μεταβολή της θερμοκρασίας, η μάζα και το υλικό των σωμάτων που θερμαίνονται μελετώνται με μεταβολή της παροχής θερμότητας, στους εργαστηριακούς οδηγούς η παροχή θερμότητας διατηρείται σταθερή. Στους εργαστηριακούς οδηγούς, για τους παράγοντες της μάζας και του υλικού τα σώματα θερμαίνονται για την ίδια μεταβολή της θερμοκρασίας (ίδια τελική θερμοκρασία), ενώ στον παράγοντα της μεταβολής της θερμοκρασίας η προσέγγιση γίνεται από την γραφική παράσταση Δθ – t ή από τον πίνακα Δθ – Q. Η σειρά των παραγόντων στους εργαστηριακούς οδηγούς είναι Δθ, m, c ενώ στα βιβλία η σειρά αλλάζει.

2.2 Το Προτεινόμενο Σενάριο

Η προτεινόμενη οργάνωση της διδασκαλίας:

· Έχει ως πυρήνα τρία φύλλα εργασίας στα οποία διαδοχικά διερευνώνται οι παράμετροι της σχέσης της θερμιδομετρίας με βάση το τρίπτυχο «πρόβλεψη – πειραματικός έλεγχος – εξήγηση».

· Αξιοποιεί τις δυνατότητες που προσφέρουν οι ΤΠΕ και ιδιαιτέρα το Εικονικό Εργαστήριο Θερμότητας του Σ.Ε.Π.

· Εστιάζει στην προετοιμασία-σχεδίαση της πειραματικής διαδικασίας από τους μαθητές καθώς και στη σειρά με την οποία οι παράμετροι αυτές διερευνώνται.

Α. Τα φύλλα εργασίας αποτελούν προσαρμογή αυτών που χρησιμοποιήθηκαν σε έρευνα των Πετρίδου κ.ά. (2005). Σε αυτά:

· Η σειρά διαχείρισης των παραγόντων είναι Δθ, m, c ώστε να προηγηθεί η διδασκαλία των εννοιών που δυσκολεύουν λιγότερο τους μαθητές και στη συνέχεια αυτών που δυσκολεύουν περισσότερο.

· Ο υπολογισμός του ποσού θερμότητας γίνεται άμεσα από τον χρόνο θέρμανσης και την παροχή της πηγής. Ο υπολογισμός του από το γινόμενο m·Δθ (α) εμπλέκει και τις άλλες υπό διερεύνηση παραμέτρους και (β) μπορεί να ενισχύσει την εναλλακτική ιδέα των μαθητών ότι «η θερμοκρασία αποτελεί μέτρο της θερμότητας» αφού χρησιμοποιεί την αναλογία ανάμεσα στο Q και στο Δθ.

· Αποφεύγουμε να μεταβάλλουμε την παροχή θερμότητας για να δείξουμε (όπως στα σχολικά βιβλία) ότι διπλάσια παροχή θερμότητας προκαλεί διπλάσια μεταβολή της θερμοκρασίας σε δύο ίσες ποσότητες του ίδιου υγρού που θερμαίνονται για τον ίδιο χρόνο.

· Η μεταβολή της θερμοκρασίας αντιμετωπίζεται με τέτοιο τρόπο ώστε τα σώματα να αποκτούν την ίδια τελική θερμοκρασία. Συγκεκριμένα, στη μελέτη του παράγοντα Δθ υπολογίζεται το ποσό θερμότητας κατά τη θέρμανση, όταν δύο ίδια υγρά, ίδιας μάζας, αποκτούν ίδια τελική θερμοκρασία έχοντας διαφορετική αρχική. Ίδια αντιμετώπιση (δηλαδή ίδια τελική θερμοκρασία) υιοθετούμε και στις άλλες διερευνήσεις στις οποίες υπολογίζεται το ποσό θερμότητας για το ίδιο Δθ όταν αλλάζει η μάζα και το είδος του υγρού.

Η παραπάνω επιλογή, δηλαδή να θερμαίνονται τα σώματα μέχρι να αποκτήσουν την ίδια τελική θερμοκρασία διευκολύνει και τη διδακτική διαχείριση της αντίληψης των μαθητών ότι «η θερμοκρασία είναι μέτρο της θερμότητας». Οι μαθητές όταν δύο σώματα έχουν φτάσει στην ίδια τελική θερμοκρασία μπορεί να θεωρήσουν ότι έχουν απορροφήσει και το ίδιο ποσό θερμότητας. Όμως, στα πειράματα θα δουν ότι τα σώματα ενώ έχουν αποκτήσει ίδια τελική θερμοκρασία δεν έχουν απορροφήσει το ίδιο ποσό θερμότητας.

Β. Οι δραστηριότητες των μαθητών και η οργάνωση της διδασκαλίας:

· Οι μαθητές εργάζονται σε ομάδες 2-3 στην αίθουσα πληροφορικής. Εναλλακτικά, το μάθημα μπορεί να γίνει στην αίθουσα διδασκαλίας με έναν υπολογιστή και βιντεο-προβολέα.

· Κάθε φύλλο εργασίας έχει τρεις σελίδες. Κάθε σελίδα δίνεται στους μαθητές ξεχωριστά. Όταν ολοκληρωθούν οι δραστηριότητες της σελίδας τότε δίνεται η επόμενη.

· Πρώτη δραστηριότητα των μαθητών και στα τρία φύλλα εργασίας είναι η πρόβλεψη. Με αυτήν επιδιώκουμε:

(α) Να διατυπώσουν-αναγνωρίσουν οι μαθητές τις απόψεις που έχουν για το φαινόμενο.

(β) Να επαναδιατυπώσουν τις απόψεις τους ως υποθέσεις προς πειραματικό έλεγχο.

Δεν γίνεται συζήτηση για το ποιες απόψεις είναι σωστές ή λάθος. Αυτή η κρίση θα προκύψει από τη συζήτηση στην 4η και 5η δραστηριότητα.

· Δεύτερη δραστηριότητα είναι η σχεδίαση της πειραματικής διάταξης και της πειραματικής διαδικασίας. Είναι απαραίτητη διότι οι έρευνες έχουν δείξει ότι οι μαθητές εκτελούν μηχανικά και δεν κατανοούν πειραματικές διαδικασίες που έχουν σχεδιαστεί από άλλους.

· Η 3η δραστηριότητα εκτελείται από τους μαθητές ως έχει κατά την υλοποίηση του 1ου φύλλου εργασίας, αφού πρώτα συζητηθεί η σχέση της με τις προτάσεις που διατύπωσαν οι διάφορες ομάδες μαθητών. Στα δύο άλλα φύλλα εργασίας κάθε ομάδα μπορεί ακολουθήσει τη δική της πειραματική σχεδίαση.

· Στις δραστηριότητες 4 και 5 εκτελείται σχολαστικός έλεγχος υποθέσεων-πειραματικών αποτελεσμάτων ώστε να δημιουργηθεί η βάση για την οικειοποίηση των συμπερασμάτων από τους μαθητές.

· Βασικός παράγοντας αποτελεσματικής χρήσης των φύλλων εργασίας είναι παραγωγική οργάνωση της συζήτησης των απόψεων μεταξύ των μαθητών. Ο καθηγητής έχει το ρόλο του συντονιστή και όχι του κριτή του «σωστού-λάθους». Η καλή οργάνωση των συζητήσεων θα επιτρέψει την ολοκλήρωση σε 2 διδακτικές ώρες.

Γ. Το Εικονικό Εργαστήριο Θερμότητας Σ.Ε.Π. (Ψύλλος κ.ά. 2000) δίνει τη δυνατότητα της άμεσης διαχείρισης της παραμέτρου «χρόνος» για το σχεδιασμό πειραμάτων με θέρμανση, με ίδια γκαζάκια σταθερής παροχής θερμότητας, ποσοτήτων νερού με διαφορετική αρχική θερμοκρασία και ίδια τελική. Από τον διαφορετικό χρόνο απόκτησης της ίδιας τελικής θερμοκρασίας μπορεί να υπολογιστεί το διαφορετικό ποσό θερμότητας που απαιτείται για τα δύο δοχεία ανεξάρτητα από το γεγονός ότι έφτασαν στην ίδια τελική θερμοκρασία. χωρίς να γίνεται αναφορά στην ειδική θερμότητα. Η χρήση του Εικονικού Εργαστηρίου Θερμότητας δίνει, επίσης, τη δυνατότητα καταγραφής του Q. Όμως, επιλέγουμε να μη χρησιμοποιηθεί ώστε να ασχοληθούν οι μαθητές με τον υπολογισμό του Q από την παροχή θερμότητας και τον χρόνο θέρμανσης.

3 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

1. Driver, R., Guesne, E., & Tiberghien, A. (1985). Οι ιδέες των παιδιών στις φυσικές επιστήμες. Ένωση Ελλήνων Φυσικών – Εκδόσεις Τροχαλία. Αθήνα.

2. Κουλαϊδής, Β. (επιμελητής) (1994). Αναπαραστάσεις του Φυσικού Κόσμου. Εκδόσεις GUTENBERG. Αθήνα.

3. Πετρίδου Ε., Λεύκος Ι., Χατζηκρανιώτης Ε., & Ψύλλος Δ. (2005). Μελέτη της διδασκαλίας της θερμιδομετρίας με Εικονικό Εργαστήριο. Πρακτικά 9ου Κοινό Συνέδριο της Ένωσης Ελλήνων και Κυπρίων Φυσικών: «Εξελίξεις και Προοπτικές στη Φυσική. Νέες Τεχνολογίες και Διδακτική των Φυσικών Επιστημών». Φεβρουάριος 2005, Λευκωσία.

4. Χατζηνικήτα, Β., Κουλαϊδής, Β., & Ραβάνης Κ. (1996). Ιδέες μαθητών προσχολικής και πρώτης σχολικής ηλικίας για το βρασμό του νερού. Ερευνώντας τον κόσμο του παιδιού, 2, 106 - 116.

5. Ψύλλος, Δ., Αργυράκης, Π., Βλαχάβας, Ι., Χατζηκρανιώτης, Ε., Μπισδικιάν, Γ., Ρεφανίδης, Ι., Λεύκος, Ι., Κορομπίλης, Κ., Βράκας, Δ., Γάλλος, Λ., Πετρίδου, Ε., & Νικολαΐδης, Ι. (2000). Σύνθετο Εικονικό Περιβάλλον για τη διδασκαλία Θερμότητας – Θερμοδυναμικής. Πρακτικά 2ου Πανελληνίου Συνεδρίου «Οι Τεχνολογίες της Πληροφορίας και της Επικοινωνίας στην Εκπαίδευση», Οκτ. 2000, Πάτρα.

---

[1] Στη Φυσική και στη Χημεία ένα εκτατικό φυσικό μέγεθος αντιστοιχεί σε φυσική ιδιότητα συστήματος η οποία εξαρτάται από τη γεωμετρία του συστήματος ή και την ποσότητα της ύλης του. Για παράδειγμα, η μάζα (m) ενός σώματος είναι εκτατικό μέγεθος καθώς αυξάνει ανάλογα με τον όγκο (V) του. Αντίθετα, η πυκνότητά του (ρ) είναι ανεξάρτητη και από τον όγκο του και από τη μάζα του κι επομένως είναι εντατικό μέγεθος.

(Επιμορφωτικό υλικό ΙΤΥ)