Η επίδραση γνωστικών παραγόντων στην κατανόηση της ατομικής δομής από μαθητές δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης

Abstract

This study investigates students’ ideas of the atomic structure in a number of student cohorts with specific characteristics concerning age, grade, class curriculum and some individual differences, such as formal reasoning, field dependence/independence and divergence, as well as the effects of the above three cognitive variables on students’ understanding. Two specific task contexts, which were designed in accordance with corresponding teaching contexts for the atomic structure, one based on Bohr’s model and the other on the quantum mechanical model, were examined as for their potential to differentiate initial students’ representations of the atomic structure (where no specific context was provided). Cognitive variables and student cohorts were used as independent variables. Participants (n = 421) were students of the 8th, 10th and 12th grades of secondary education schools from Alexandroupolis. Data collection was carried out using a battery of self-report questionnaires related to the atomic structure, as well as to the three cognitive variables, namely formal reasoning, field dependence/independence and divergent thinking.The results show that, there are significant misconceptions in all student cohorts concerning the atom characteristics. Students’ difficulties involve characteristics that are attributed to differences between the atom and other particles of the microcosm but also to relations between relevant micro- and macro- characteristics. Although a quite large variety of representations was found, a students’ trend to represent atom according to the Bohr's planetary model was obvious in all cases, except some cases in the 12th grade. Differences are more intensive within the task contexts given, where the effect of the context was obvious in studentsʼ models. As for the results concerning the effect of formal reasoning (FR), field dependence / independence (FDI) and divergent thinking (DIV) on studentsʼ understanding of the atomic structure, it was found that the formal reasoning has a statistically significant effect on all tasks, the field dependence/independence has an effect on some tasks, whereas the divergent thinking only on one task. When the effect of student cohorts in presence of cognitive factors was studied, differences were found only between students of the 12th grade (direction of science and mathematics) and the other cohorts, whereas no differences were observed among the other cohorts. Studentsʼ difficulties in understanding the atomic structure signify the need for a more appropriate design of the curriculum and more effective teaching methods. Towards this direction, individual differences, students’ age and cohort characteristics should be also taken into account. Some relevant suggestions are also presented.

Στη παρούσα διατριβή γίνεται η διερεύνηση των ιδεών των μαθητών δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης, διαφόρων ομάδων μαθητών (Β’ Γυμνασίου, Α’ και Γ’ Λυκείου τεχνολογικής και θετικής κατεύθυνσης), γύρω από την ατομική δομή της ύλης (ΑΔΥ) και την επίδραση τριών γνωσιακών μεταβλητών στη κατανόησή της. Οι τρεις γνωσιακές μεταβλητές που διερευνούνται είναι η Τυπική Λογική Σκέψη (ΤΛΣ), η Εξάρτηση/Ανεξαρτησία πεδίου (ΕΑΠ) και η Αποκλίνουσα Σκέψη (ΑΣ). Στην έρευνα συμμετείχαν τέσσερις ομάδες 421 συνολικά μαθητών. Η πρώτη αποτελούνταν από 127 μαθητές 13 ετών (Β’ Γυμνασίου), η δεύτερη από 167 μαθητές 15 ετών (Α’ Λυκείου), η τρίτη από 45 μαθητές 17 ετών (Γ’ Λυκείου, Θετική κατεύθυνση) και η τέταρτη από 82 μαθητές 17 ετών (Γ’ Λυκείου, Τεχνολογική κατεύθυνση). Όλοι οι μαθητές φοιτούσαν σε Γυμνάσια και Λύκεια της Αλεξανδρούπολης. Το τεστ κατανόησης της ατομικής δομής της ύλης (ΑΔΥ) σχεδιάστηκε ειδικά για τις ανάγκες της συγκεκριμένης έρευνας και αφού προηγουμένως, ελέγχθηκε στα πλαίσια της πιλοτικής φάσης σε κάθε ομάδα, σε ένα συνολικό δείγμα 72 ατόμων. Σκοπός της διατριβής είναι η διερεύνηση της επίδρασης των τριών γνωσιακών μεταβλητών, σε κάθε ένα από τα δέκα (10) έργα που συγκροτούν το τεστ ελέγχου κατανόησης της ΑΔΥ, τα οποία αντιστοιχούν σε συγκεκριμένες πτυχές ή διαστάσεις της ΑΔΥ. Στη παρούσα διατριβή, μέσα από τα αντίστοιχα ερευνητικά ερωτήματα, απαντάται το πώς οι μαθητές διαφορετικών ομάδων, με διαφορετικά χαρακτηριστικά (ηλικία, τάξη, κατεύθυνση) αναπαριστούν το άτομο και πως οι αναπαραστάσεις αυτές διαφοροποιούνται σε σχέση με δεδομένα πλαίσια έργων, γίνεται η διερεύνηση του βαθμού κατανόησης των χαρακτηριστικών της οντότητας, της μορφής και της συμπεριφοράς του ατόμου από μαθητές διαφορετικών ομάδων, με διαφορετικά χαρακτηριστικά (ηλικία, τάξη και κατεύθυνση) και τρίτον, γίνεται η διερεύνηση του βαθμού επίδρασης των τριών γνωσιακών μεταβλητών στη κατανόηση της ατομικής δομής από μαθητές διαφορετικών ομάδων, με διαφορετικά χαρακτηριστικά (ηλικία, τάξη, κατεύθυνση). Στη συνέχεια, παρουσιάζεται η ερμηνεία της επίδρασης της ομάδας παρουσία των γνωσιακών παραγόντων. Οι γνωσιακές μεταβλητές και οι ομάδες μαθητών χρησιμοποιήθηκαν ως ανεξάρτητες μεταβλητές.Επιπλέον, η παρούσα διατριβή έχει ως στόχο να διερευνήσει την επίδραση που πιθανόν να έχει το πλαίσιο του έργου (task context) στα μοντέλα αναπαράστασης των μαθητών. Τα συγκεκριμένα κυρίαρχα πλαίσια, αντιστοιχούν στο πλαίσιο του πλανητικού μοντέλου Bohr και στο πλαίσιο του κβαντικού μοντέλου που περιγράφει την έννοια του ʻηλεκτρονιακού νέφουςʼ, σε σχέση με το αρχικό μοντέλο αναπαράστασης των μαθητών το οποίο δεν υποστηρίζεται από κάποιο συγκεκριμένο πλαίσιο, με σκοπό να διαπιστωθούν πιθανές διαφοροποιήσεις που παρουσιάζονται τόσο σε σχέση με τα χαρακτηριστικά των μαθητών (ηλικιακή ομάδα, τάξη, πρόγραμμα σπουδών) όσο και με τις γνωσιακές μεταβλητές με βάση το πλαίσιο των συγκεκριμένων επιστημονικών μοντέλων της ΑΔΥ. Τα αποτελέσματα ως προς την αναπαράσταση της ΑΔΥ και τις πιθανές διαφοροποιήσεις των αναπαραστάσεων των μαθητών σε σχέση με δεδομένα πλαίσια έργου, αναδεικνύουν ότι υπάρχουν διαφοροποιήσεις μεταξύ μαθητών ίδιας ηλικίας αλλά και ανά ηλικιακή ομάδα. Τα μοντέλα αναπαράστασης των μαθητών ποικίλουν και διαπιστώνεται η έντονη προσκόλληση στο πλανητικό μοντέλο Bohr σε όλες τις ομάδες. Οι διαφοροποιήσεις είναι μεγάλες στα συγκεκριμένα πλαίσια έργων (task contexts), στην περίπτωση της Θετικής κατεύθυνσης της Γ’ Λυκείου, όπου αφενός διαπιστώνεται η αδυναμία των μαθητών να κατανοήσουν πλήρως το κβαντικό μοντέλο, αφετέρου όμως έχουν καλύτερη αντίληψη και επιτυγχάνουν καλύτερες αναπαραστάσεις συγκριτικά με τις άλλες τρεις ομάδες. Γενικότερα, παρατηρούμε την επίδραση του πλαισίου όταν οι μαθητές καλούνται να εργαστούν σε συγκεκριμένα πλαίσια έργου καθώς παρουσιάζονται αλλαγές στα μοντέλα τους. Τα αποτελέσματα ως προς το βαθμό κατανόησης χαρακτηριστικών του ατόμου ως οντότητα, μορφή και συμπεριφορά δείχνουν ότι υπάρχουν σημαντικές παρανοήσεις σε όλες τις ομάδες μαθητών, που αντιστοιχούν σε διαφορές στα χαρακτηριστικά που αποδίδονται ανάμεσα στο μακροσκοπικό επίπεδο και το κόσμο του ατόμου, αλλά και ανάμεσα στις οντότητες του μικροσκοπικού επιπέδου (άτομο, μόριο, ιόν). Παρά το γεγονός ότι οι μαθητές της Γʼ Θετικής επιτυγχάνουν γενικά καλύτερες επιδόσεις συγκριτικά με τις άλλες ομάδες, παρουσιάζονται σημαντικά ποσοστά εναλλακτικών ιδεών, γεγονός που ίσως να μην είναι αναμενόμενο καθώς πηγαίνουμε σε μεγαλύτερες ηλικίες και αντίστοιχα πρόγραμμα σπουδών. Τα αποτελέσματα της επίδρασης της τυπικής λογικής σκέψης (ΤΛΣ), της εξάρτησης/ανεξαρτησίας από το πεδίο (ΕΑΠ) και της αποκλίνουσας σκέψης (ΑΣ) στη κατανόηση της ατομικής δομής από μαθητές διαφορετικών ομάδων, με διαφορετικά χαρακτηριστικά (ηλικία, τάξη, κατεύθυνση), ανέδειξαν ότι η τυπική λογική σκέψη έχει στατιστικά σημαντική επίδραση σε όλα τα έργα, σε κάποια έργα η εξάρτηση/ανεξαρτησία πεδίου, και σε μόλις ένα έργο η αποκλίνουσα σκέψη. Στη συνέχεια μελετήθηκε η επίδραση της ομάδας παρουσία των γνωσιακών παραγόντων, όπου παρατηρήθηκαν διαφορές μόνο ανάμεσα στους μαθητές της Γʼ Θετικής και όχι ανάμεσα στις υπόλοιπες τάξεις, όπου η σημασία του προγράμματος σπουδών φαίνεται ότι παίζει δευτερεύοντα ρόλο, όταν λαμβάνονται υπόψη οι γνωσιακοί παράγοντες.Μέσα από τις απαντήσεις στα ερευνητικά ερωτήματα και τη συζήτηση επί των ευρημάτων της έρευνας, συμπεραίνουμε ότι η κατανόηση της ΑΔΥ επηρεάζεται από αρκετούς παράγοντες που θα πρέπει να αξιολογηθούν για να έχουμε μια καλύτερη αντιμετώπιση της ΑΔΥ μέσα από τη διδακτική πράξη. Οι δυσκολίες που αντιμετωπίζουν όλες οι ομάδες μαθητών ως προς τη κατανόηση της ΑΔΥ δημιουργούν την ανάγκη για το σχεδιασμό ενδεχομένως, ενός πιο κατάλληλου περιεχομένου προγράμματος σπουδών. Η μεθοδολογία της διδασκαλίας θα πρέπει να έχει κατεύθυνση που θα ευνοεί τους μαθητές στη κατάλληλη επιλογή του ατομικού μοντέλου σε σχέση με το πλαίσιο του προς επίλυση έργου όπου ενδεχομένως, η υιοθέτηση εξελιγμένων μοντέλων από τους μαθητές όπως το κβαντικό, μπορεί να ευνοηθεί με μια κατάλληλα σχεδιασμένη διδασκαλία μέσα από τα αντίστοιχα πλαίσια διδασκαλίας.Οι δυσκολίες των μαθητών στη κατανόηση της ΑΔΥ, πέρα από τη πολύπλοκη φύση της, φαίνεται κατά ένα μέρος να οφείλονται στις ατομικές διαφορές, οι οποίες πρέπει να ληφθούν υπόψη στο σχεδιασμό του αναλυτικού προγράμματος όσο και στις μεθόδους διδασκαλίας. Η σημαντική επίδραση της τυπικής λογικής σκέψης σε όλα τα έργα της ΑΔΥ και η σημαντική επίδραση της εξάρτησης/ανεξαρτησίας του πεδίου σε κάποια έργα, αναδεικνύουν τον ουσιαστικό ρόλο των ατομικών διαφορών που θα πρέπει να ληφθεί υπόψη κατά τη διδασκαλία της ΑΔΥ και πρέπει να συνεκτιμηθούν μαζί με το επίπεδο εκπαίδευσης, το επίπεδο νοητικής ανάπτυξης και επομένως, την ηλικία των μαθητών. Στο τέλος, διατυπώνονται κάποιες προτάσεις σε σχέση με τη διδακτική πράξη.