Învățarea fizicii este adesea considerată o sarcină dificilă. În ultimul timp s-au făcut multe cercetări pentru a explora dificultățile întâmpinate de elevi în înțelegerea conceptelor și a fenomenelor fizice.
Câteva dintre întrebările la care s-a încercat identificarea răspunsurilor sunt următoarele:
– Care sunt dificultățile majore întâmpinate de elevi la aplicarea conceptelor de viteză și accelerație la mișcarea în câmp gravitațional?
– Care sunt efectele utilizării simulării asupra concepțiilor elevilor?
– Ajută simulările la dezvoltarea la elevi a modelelor științifice?
Elevii posedă un sistem de concepții și intuiții despre fenomenele fizice, în general derivate din viața lor de zi cu zi. Astfel de sisteme de concepții și intuiții sunt de obicei incompatibile cu teoriile științifice. Cunoștințele elevilor se reduc la un număr mic de enunțuri și ecuații care nu sunt eficiente pentru interpretarea fenomenelor fizice simple din lumea reală. Mijloacele convenționale de instruire nu sunt eficiente în corectarea concepțiilor greșite. În ceea ce privește mișcarea în câmp gravitațional, elevii corelează adesea viteza cu poziția corpului, confundă viteza și accelerația sau creează analogii între ele și întâmpină dificultăți majore la reprezentarea grafică a mișcării.
Corectarea concepțiilor greșite ale elevilor în fizică nu poate fi făcută prin strategiile de învățare tradiționale, deoarece acestea ignoră posibilitatea ca percepția elevului să fie diferită de cea a profesorului. Scopul principal al strategiilor didactice alternative este acela de a facilita implicarea activă a elevilor în învățarea și în înțelegerea funcțională a fizicii. Mai mult decât atât, o astfel de abordare facilitează aplicarea efectivă a conceptelor și principiilor fizice în situații noi. Simulările pe computer oferă o mare varietate de posibilități de modelare a conceptelor și fenomenelor. Simulările oferă o punte între cunoștințele anterioare ale elevilor și conceptele fizice noi, ajutând elevii să-și dezvolte înțelegerea prin o reformulare a propriilor concepții greșite.
Realizarea experimentelor referitoare la mișcarea corpurilor în câmp gravitațional este dificil de realizat în laboratoarele de fizică, atât din punct de vedere al mijloacelor didactice, cât și al aptitudinilor experimentale adecvate. Simularea pe computer este o abordare alternativă care oferă reale avantaje pedagogice. Reprezentarea fenomenelor cinematice și afișarea simultană a poziției și a vitezei, oferă posibilitatea elevilor să experimenteze, să studieze legile fizice, să facă predicții și să tragă concluzii. Ei pot repeta experimentul de câte ori au nevoie pentru a înțelege legile de mișcare.
Experimentele virtuale și animațiile pe computer se compară din punct de vedere al eficienței de învățare cu experimentele reale și metodele grafice. Simularea conceptelor și a fenomenelor fizice cu ajutorul utilitarului Mathematica este eficientă întrucât are o interfață accesibilă și ușor de folosit.
Dacă se folosesc metode ale fizicii computaționale, elevii vor fi motivați pentru a se implica activ în activitatea de învățare și va crește performanța lor în cadrul procesului instructiv educativ. Utilizarea computerului în experimentele de fizică va conduce la optimizarea activității de predare-învățare-evaluare din cadrul orelor de fizică.
Pentru a testa aceste ipoteze, am derulat o cercetare având ca scop investigarea efectului simulării pe computer asupra elevilor de clasa a IX-a în înțelegerea conceptelor cinematice de bază la mișcarea în câmp gravitațional.
Obiectivele cercetării au fost următoarele:
1. Identificarea potențialului elevilor de folosire a calculatorului și stabilirea performanței școlare
2. Urmărirea progreselor înregistrate de elevi.
3. Optimizarea randamentului elevilor.
4. Dezvoltarea capacității de abstractizare, stimularea creativității și atenției elevilor.
Eșantionul de subiecți a fost constituit din 56 de elevi de clasa a IX-a. Eșantionul de conținut este format din unitatea de învățare „Mișcarea în câmp gravitațional”.
În ceea ce privește metodologia cercetării, am utilizat un set de metode de culegere, de prelucrare și prezentare a datelor. S-au utilizat următoarele metode:
- Convorbirea: prezentarea temei, a metodelor și a tehnicilor, familiarizarea cu utilitarul Mathematica;
- Experimentul: Studiul căderii libere;
- Metoda observației: observația structurată a comportamentului elevilor din grupul experimental;
- Testul pedagogic: test nestandardizat, itemii investigând evaluarea calitativă a experimentului și justificarea răspunsului fără a folosi expresii matematice.
Ca variabilă independentă a fost aleasă aplicarea utilitarului Mathematica la unitatea de învățare „Mișcarea în câmp gravitațional”, iar ca variabilă dependentă rezultatele obținute la test.
În etapa preconstatativă, am elaborat testul de evaluare inițială cu scopul de a identifica nivelul achizițiilor inițiale în termeni de competențe ale elevilor, crearea unei legături între starea inițială și cea viitoare în vederea raportării performanțelor elevilor. Testul este structurat în două secvențe. Prima secvență cuprinde itemi de tip obiectiv și semiobiectivi, iar cea de-a doua secvență cuprinde itemi semiobiectivi și subiectivi.
Rezultatele obținute confirmă ipoteza cercetării în ceea ce privește utilizarea computerului în procesul de predare-învățare a fizicii. Analiza făcută indică faptul că există diferențe semnificative în ceea ce privește înțelegerea conceptelor de viteză și accelerație, depinzând de apartenența la grupul de control sau la cel experimental, în care elevii au avut de rezolvat sarcini de lucru care utilizau simulările și alte aplicații din cadrul Mathematica.
Din punct de vedere calitativ, tipurile de răspunsuri sunt similare în ambele grupuri, indicând existența unor concepții alternative de același tip, dar ele diferă din punct de vedere al frecvenței de apariție a acestor răspunsuri. Elevii din grupul experimental și-au îmbunătățit semnificativ achiziția de competențe. Utilizarea computerului a ajutat elevii să își depășească propriile concepții eronate și să aplice efectiv conceptele de viteză instantanee și accelerație.
Pe de altă parte au fost identificate principalele concepții greșite ale elevilor. Majoritatea răspunsurilor greșite sunt datorate raționamentelor bazate pe mărimile fizice care apar explicit în context, cum ar fi masa corpurilor, înălțimea de la care ele încep mișcarea sau tipul mișcării. Mai mult decât atât, confuzia între mărimile fizice viteză și accelerație se pare că joacă un rol central în răspunsurile eronate ale elevilor.
Ipoteza cercetării, privind rolul utilitarului Mathematica în învățarea fizicii, este confirmată. Mediile educaționale bazate pe utilizarea computerului ajută elevii să își depășească propriile concepții greșite despre traiectoria mișcării într-o proporție semnificativă. În mod particular, s-au îmbunătățit semnificativ achizițiile de ordin cognitiv din sarcinile de lucru privind conceptul de accelerație. Aproximativ 7 din 10 elevi din grupul experimental au înțeles că accelerația în mișcarea în câmp gravitațional este egală cu accelerația gravitațională și nu depinde de caracteristicile contextuale ale fiecărei mișcări.
Progresul elevilor din grupul experimental este îmbunătățit semnificativ în cele două sarcini de lucru privind conceptul de viteză . Itemul în care se compară două tipuri diferite de mișcări în câmp gravitațional este mai dificil. Elevii au avut de comparat vitezele a două corpuri cu caracteristici cinematice diferite. Se pare că elevii participanți și-au păstrat propriile concepții greșite, chiar și după ce au parcurs programul de instruire. Ei au întâmpinat dificultăți majore în ceea ce privește independența componentelor orizontală și verticală ale vitezei în câmp gravitațional.
Ceea ce diferențiază în principal cele două grupuri de subiecți este deplasarea explicită a elevilor din grupul experimental de la abordări ineficiente și concepții proprii eronate la înțelegerea rațională a conceptelor în discuție. Efectele utilizării computerului în procesul de învățare au fost semnificative pentru grupul experimental. Rezultatele prezentate aici arată că metodele fizicii computaționale pot fi complementare sau alternative altor metode didactice pentru a facilita elevilor înțelegerea conceptelor de viteză și accelerație.
Bibliografie
1. Vlada, M.(2003). Software educațional. București, Editura Universității
2. Christian, W., Belloni, M.(2001). Physlets:Teaching Physics with interactive curricular material, Prentice Hall
3. Jimoyiannis, A., Komis, V. (2001). Computer simulations in physics teaching and learning, Computers & Education
4. Zimmerman, R., Olness, F. (2002). Mathematica for physics.Addison-Wesley