Fizika v šoli 15 Povzetek V šolskem letu 2015/2016 so učenci 6. in 7. razreda pred tekmovanjem iz naravoslovja Kresnička opravljali tudi poskus z natego. T ekmovalne naloge, ki so se nanašale na ta poskus, so bile na tekmovanju rešene najslabše in zato sklepa- mo, da so bile najtežje. V prispevku bomo opisali poskus in eno tekmovalno nalogo. Opozorili bomo na tiste zakonitosti pretakanja z natego v predlaganem poskusu, ki bi jih učenci morali upoštevati, da bi naloge na tekmovanju rešili pravilno. Isto nalogo smo preizkusili tudi na majhnem številu študentov 4. letnika pedagoške fizike. Nalogo so kot predtest reševali slabo. Ponovno so jo reševali takoj potem, ko so lahko opazovali poskus z natego. Svoje napačne odgovore iz predtesta so večinoma spremenili v pravilne. Abstract In the 2015/2016 school year, 6 th and 7 th grade students conducted a siphon experiment before attending the Kresnička science competition. The competitive tasks relating to this experiment had the worst success rate in the competition, which is why it is as- sumed that they were the most difficult ones. The paper will describe the experiment and one competitive task. It will point out the laws of siphon flow in the proposed experiment which the students should have taken into account in order to correctly solve the tasks in the competition. The same task was tried out by a small number of 4 th year students of physics educa- tion. The task was used as a pretest and they solved it poorly . They solved it again after observing a siphon experiment. They mostly changed the wrong answers on their pretest to the correct ones. Uvod V šolskem letu 2015/2016 je DMFA Slovenije organiziralo 2. tekmovanje iz znanja naravoslovja Kresnička za učence od 1. do 7. razreda osnovne šole. V prvi sezoni se je tekmovanja udeležilo več kot 9000 učencev, v drugi pa že nekaj čez 15.000 z 260 slo- venskih osnovnih šol [1]. T ekmovanje poteka le na šolski ravni in je namenjeno zlasti popularizaciji naravoslovja – še posebej eksperimentiranja. V celoti temelji na nekaj naravoslovnih poskusih, ki jih predlagamo na začetku šolskega leta in ki jih učenci izvedejo do tekmovanja, ki je malo pred zimskimi počitnicami (sočasno s šolskim tekmovanjem iz fizike). T eme poskusov vsebinsko niso nujno neposredno vezane na vsebine učnih načrtov, se pa ob izvajanju teh poskusov lahko dosegajo mnogi procesni cilji iz učnih načrtov za naravoslovne predmete. Na tekmovanju večina nalog preds- tavlja zmeren izziv za učence, nekaj pa jih je tudi zelo težkih in lahko pričakujemo, da jih bo pravilno rešil le manjši delež učencev. T o so tisti, ki so poskus izvedli, opazili pomembne lastnosti pojavov v poskusu in opažene zakonitosti pravilno upoštevali pri Poskus pri Kresnički: natega dr. Barbara Rovšek Pedagoška fakulteta Univerze v Ljubljani Didaktični prispevki 16 reševanju nalog. Celotna navodila za vse naravos- lovne poskuse za tekmovanje Kresnička iz pretek- lih in tekočega leta so na voljo na spletnih straneh [2], tam lahko najdete tudi tekmovalne naloge. Poskus z natego Eden od poskusov, ki so jih pri Kresnički v pretek- lem šolskem letu opravljali šesto- in sedmošolci, je bil poskus z natego. Navodila za eksperimentiranje so se pričela z napotki, kako cevko v celoti napol- nimo z vodo, da v njej ni zračnih mehurčkov, ki bi onemogočali pretok vode skozi cevko. Merjenje, ki je bilo pomembno za to, da bi učenci na tekmovanju lahko pravilno rešili tekmovalne naloge, je opisano in prikazano s fotografijama in besedilnima opiso- ma korakov. Slika 1 prikazuje osnovno opazovanje, slika 2 pa različico opazovanja, kjer sta obe krajišči cevke potopljeni pod gladino vode v posodi in ko- zarcu. Cilji eksperimentiranja so bili doseženi, če so učenci ugotovili, da: U1. za pretakanje vode po cevki med posodo in ko- zarcem v cevki ne sme biti vodnih mehurčkov, U2. lahko voda po cevki teče »čez hrib« (teče naj- prej navzgor in šele potem navzdol), Na majhnem ozkem kozarcu z alkoholnim flomas- trom označi višino, do katere ga boš po cevki polnil z vodo iz posode. Meri čas, v katerem se kozarec na- polni do oznake, v odvisnosti od višine, na kateri je krajišče cevke, kjer voda izteka. Razmisli, glede na kaj boš meril višino krajišča cevke. Slika 1: S fotografijo in besedami opisano najpomembnejše opazovanje pri poskusu z natego. U3. mora biti prvo krajišče cevke, v katerega voda vteka, pod gladino vode v tej posodi, U4. mora biti tudi drugo krajišče cevke, iz katere voda izteka, pod gladino vode v posodi, iz ka- tere voda odteka, U5. se voda lahko pretaka med posodama le, če je gladina vode v posodi, iz katere voda izteka, na večji nadmorski višini kot gladina vode v poso- di, v katero voda priteka, U6. vse zgornje ugotovitve veljajo ne glede na to, ali je drugo krajišče cevke nad ali pod gladino vode v kozarcu, U7. je hitrost, s katero se voda po cevki pretaka in iz cevke izteka, odvisna od razlike v nadmorski višini: a) če je drugo krajišče cevke, iz katerega voda izteka, nad gladino vode v kozarcu, je po- membna razlika v nadmorski višini gladine vode v posodi in drugega krajišča cevke (ki je prikazana na sliki 3a), b) če je drugo krajišče cevke, iz katerega voda izteka, pod gladino vode v kozarcu, je po- membna razlika v nadmorski višini gladine vode v posodi in gladine v kozarcu (prika- zana na sliki 3b). Fizika v šoli 17 Didaktični prispevki Krajišče cevke, iz katerega voda izteka, namesti v kozarec tako, da bo voda iztekala pri dnu kozarca, kot kaže slika. Opazuj, kako zdaj poteka pretakan- je. Je kaj drugače kot prej? Meriš lahko tudi čas, v katerem se kozarec napolni do oznake – kot pri prejšnjem poskusu. Slika 2: Na fotografiji je prikazana različica poskusa, kjer sta obe krajišči cevke potopljeni pod gladino vode v posodi in kozarcu. a) b) Od naštetih ugotovitev je nekaj preprostih (posamezne, npr. U3, so tudi očitne). Res pomembne in ključne za uspeh pri reševanju naloge, kot bomo videli v nadaljevanju, pa so ugotovitve U4, U5 in U6. T e ugotovitve povzemajo pogoje, ki morajo biti izpol- njeni, da se voda lahko pretaka po cevki med posodama. Spotoma so učenci lahko ugotovili tudi, katere okoliščine (parametri) na pretakanje vode ne vplivajo. Za zmožnost pretakanja ni pomembno, kolikšna je prostornina vode v posodah, na katerih nadmorskih višinah sta dni posod, kolikšni sta prostornini po- sod, kolikšna je dolžina cevke (dokler ni upor zaradi pretakanja po cevki prevelik) in kako visoko nad gladino in posodo se pne cevka (v zmernih mejah …). V oda se lahko pretaka, če so le izpolnjeni vsi pogoji, zapisani pri ugotovitvah U1 in od U3 do U6. Naloga Vse tekmovalne naloge lahko najdete na spletni strani [2]. V tem prispevku se bomo posvetili eni nalogi (od štirih, ki so se navezovale na poskus z natego). Nalogo, ki Slika 3: Razlika v nadmorski višini, ki vpliva na tok, če je krajišče cevke, kjer voda izteka, a) nad gladino vode v kozarcu in b) pod njo. 18 ima šest podvprašanj odprtega tipa, kaže slika 4, rešitve naloge pa slika 5. Za uspešno reševanje naloge so morali učenci upoštevati pogoje za pretakanje po cevki, zapisane pri ugotovitvah od U3 do U5, in dopustno okoliščino, opisano pri ugotovitvi U6. Pre- takanje se pri posamezni postavitvi posod ustavi, ko katerikoli pogoj za pretakanje, zapisan pri ugotovitvah od U3 do U5, ni več izpolnjen. Podvprašanje A je najlažje; gladina vode je na koncu v obeh posodah, ki sta postavljeni popolnoma simetrično, na isti višini. Pretakanje se tedaj ustavi, ker pogoj za pretakan- je, zapisan pri ugotovitvi U5, ni več izpolnjen. Isti pogoj določa tudi končno stanje pri postavitvi D, kjer posodi nista postavljeni simetrično. V primeru C ni izpolnjen (naj- očitnejši) pogoj U3; pretakanje ni mogoče, če prvo krajišče cevke, v katerega voda vteka, ni potopljeno pod gladino vode v posodi. Ko se gladina vode v posodi, iz kate- re voda izteka, spusti do višine, na kateri je prvo krajišče cevke, je pretakanja konec. Končne višine gladin v preostalih treh postavitvah (B, E in F) pa so vse povezane s pogojem, zapisanim pri netrivialni ugotovitvi U4, da mora biti tudi drugo krajišče cevke, iz katerega voda izteka, pod gladino vode v prvi posodi. Morda se posameznik zaveda, da obstaja pravilo U4, a ne prepozna, da ima to pravilo pomen pri določanju končnih leg gladin v prikazanih primerih, ker spregleda ali ne upošteva, da se gladina vode v posodi, iz katere voda izteka, niža. V odo pretakamo z natego med dvema enakima val- jastima kozarcema. Na začetku je v prvem kozarcu voda, drugi kozarec je prazen. Za vsako postavitev kozarcev nariši na obeh kozarcih vodoravno črto, ki označuje višino gladine vode v kozarcu, ko se pre- takanje ustavi. Med pretakanjem ne spreminjamo postavitve. Slika 4: Ena od štirih nalog, ki so se navezovale na poskus z na- tego. Slika 5: Rešitve naloge: z rdečimi črtami so označene višine gla- din vode v posodah, ko se pretakanje med posodama ustavi. Fizika v šoli 19 Didaktični prispevki Rezultati T ekmovanja se je udeležilo 1426 učencev 6. in 1352 učencev 7. razreda. V tabeli 1 so zapisani deleži učencev, ki so na posamezno podvprašanje odgovorili pravilno. Največ učencev je pravilno napovedalo končne višine gladin v najlažjih primerih A in C in najmanj (v 6. razredu le eden od približno desetih učencev, v 7. razredu pa eden od približno sedmih učencev) v primerih B, E in F, kjer končno stanje po pretakanju do- loča pogoj U4. V tabeli 2 pa so zapisani deleži učencev z različnimi skupnimi točkami, doseženimi pri opisani nalogi. Pravilno prikazano končno stanje je za vsako postavi- tev posod prineslo po eno točko. Skupaj jih je bilo pri tej nalogi možnih največ šest za vse pravilno označene gladine. Nekoliko bolje so nalogo opravili sedmošolci. Eden od 40 sedmošolcev je pravilno rešil celotno nalogo, še eden od 40 pa se je zmotil le pri eni postavitvi posod. Dopuščamo, da je nizek delež pravilnih rešitev delno posledica pozabljanja. Če je med eksperimentiranjem z natego in tekmovanjem preteklo preveč časa, so zbledeli tudi spomini na opažanja … Nekaj dodatnih informacij o težavnosti opisane naloge nam da graf na sliki 6. T ek- movalce smo razvrstili v devet enakomerno širokih kategorij po skupnih doseženih točkah (za vse naloge na tekmovanju), kot je zapisano v tabeli 3. Vseh možnih točk je bilo 47. Graf na sliki 6 kaže, kolikšni so bili deleži pravilnih odgovorov pri različnih postavitvah posod v različnih kategorijah po skupnih točkah [3]. Pri podvprašanjih B, E in F opazimo veliko povečanje deležev pravilnih odgovorov med kategorijama 7 in 8, kar pomeni, da so ta tri podvprašanja dobro ločevala najuspešnejše tekmovalce prav na vrhu. Podvprašanje D najizraziteje ločuje med kategorijama 6 in 7 in bi ga lahko označili kot srednje težko. Najlažji (a očitno ne lahki) sta bili podvprašanji A in C, ki so ju v več kot 50 % deležu pravilno rešili tekmovalci v kategorijah od vključno 6 navzgor. Tabela 1: Deleži pravilnih odgovorov pri različnih postavitvah posod. Postavitev 6. razred 7. razred A 31,7 % 33,3 % B 11,2 % 13,5 % C 28,9 % 37,7 % D 19,2 % 21,6 % E 8,6 % 12,7 % F 10,4 % 14,1 % Tabela 2: Uspeh pri reševanju naloge. Skupne točke 6. razred 7. razred 0 50,5 % 44,4 % 1 18,0 % 17,6 % 2 13,9 % 15,1 % 3 10,5 % 13,8 % 4 4,5 % 4,4 % 5 1,2 % 2,3 % 6 1,5 % 2,4 % 20 Tabela 3: Število učencev (N) v posameznih kategorijah skupnih točk. Skupne točke Kategorija N 0–5 1 5 6–10 2 46 11–15 3 240 16–20 4 608 21–25 5 856 26–30 6 628 31–35 7 241 36–40 8 65 41–47 9 17 0–47 vse 2778 Slika 6: Deleži učencev iz različnih kategorij po skupnih točkah, ki so pravilno rešili primere pri posameznih podvprašanjih. Pred-test in po-test Zanimalo nas je, kako bi opisano nalogo rešili študentje pedagoške fizike, ki so v teo- retičnem znanju daleč pred šesto- in sedmošolci, ki pouka fizike do tekmovanja sploh še niso izkusili. Vzorec študentov je bil (skoraj zanemarljivo) majhen; vsega skupaj je pri dejavnosti sodelovalo le 19 študentov 4. letnika na dvopredmetnih vezavah s fiziko na Pedagoški fakulteti v Ljubljani, zato dokončnih sklepov ne bomo postavljali. T ega odstavka ne bi niti pisali, če rezultati ne bi bili zelo zanimivi. Študenti so nalogo reševali v dveh skupinah. Študenti v prvi skupini (12 študentov) so samo reševali nalogo, poskusa pred reševanjem niso opazovali. Študenti v drugi skupini (sedem študentov) so najprej reševali nalogo, potem so opazovali poskus in po njem so lahko svoje začetne odgovore spremenili. V tabeli 4 je zapisano, koliko študentov (od vseh) je posamezno podvprašanje rešilo pravilno pred opazovanjem poskusa. Ne glede na to, da so se vsi v preteklosti (v srednji Fizika v šoli 21 Didaktični prispevki šoli in med študijem) učili tudi osnov hidrodinamike (in opravili izpite), so tri težke primere (B, E in F) reševali zelo slabo. Domnevamo, da bi se delež pravilnih odgo- vorov nekoliko povečal, če bi študentje imeli čas za 'teoretično' reševanje naloge, pri čemer bi se problema lotili z Bernoullijevo enačbo in s premislekom o robnih pogojih. V tabeli 5 je zapisano, kako so nalogo reševali v manjši skupini pred opazovanjem pos- kusa in po njem. Poskus je bil demonstracijski in ni bil pospremljen s komentarjem. V oda je po cevki iztekala iz velike posode v manjšo (kot je prikazano na sliki 1). Približ- no eno minuto so lahko opazovali, kako na tok vode iz cevke vpliva lega (nadmorska višina) krajišča cevke, iz katerega voda izteka. Zanesljivo so vsi opazili, da mora biti izpolnjen pogoj U4, da lahko voda izteka iz posode po cevki. Rezultati testa po posku- su so bili bistveno boljši, večina študentov je svoje napačne ali manjkajoče odgovore nadomestila s pravilnimi. T o pomeni, da so med zbranim opazovanjem preprostega in kratkega poskusa prepoznali pravilo pri opazovanem pojavu, ga razumeli in pravilno uporabili v novi situaciji, pri čemer niso zanemarili niti sočasnega spuščanja gladine vode v prvi posodi. Tabela 4: Število študentov, ki so pravilno rešili posamezno podvprašanje, ne da bi pred reševanjem opa- zovali poskus. Postavitev N = 19 A 17 B 3 C 13 D 16 E 0 F 1 Tabela 5: Število študentov v manjši skupini, ki so pravilno rešili posamezno podvprašanje pred in po opazovanju poskusa. Postavitev N = 7, pred N = 7, po A 6 7 B 1 7 C 3 6 D 5 5 E 0 6 F 1 6 Sklep Če primerjamo uspešnost osnovnošolcev pri napovedovanju končne lege gladine vode pri težjih postavitvah posod z uspešnostjo študentov (tistih, ki pred reševanjem naloge niso opravili poskusa) pri reševanju istih nalog, ugotovimo, da so se osnovnošolci v povprečju bolje odrezali od študentov. Sklenemo lahko, da so bili cilji eksperimentiran- ja doseženi. Za večino učencev pa je bila naloga težka. Morda je od opravljanja pos- kusov preteklo preveč časa ali pa jih niso opravljali dovolj skrbno in pri opazovanjih Domnevamo, da bi se delež pravilnih odgovorov nekoliko povečal, če bi študentje imeli čas za 'teoretično' reševanje naloge, pri čemer bi se problema lotili z Bernoullijevo enačbo in s premislekom o robnih pogojih. 22 pretakanja niso prepoznali pomembnih pravil ali jih niso uspeli pravilno uporabiti v novih in netrivialnih situacijah, uporabljenih v nalogi. Kresnička je sicer tekmovanje, a želimo, da bi bila več kot le to. Poskusi in izzivalne naloge, s katerimi dajemo znanju, doseženemu pri eksperimentiranju, smisel (in ga tudi preverjamo), so učiteljem na voljo tudi po tekmovanju, in sicer na spletnih stra- neh [2]. Menimo, da lahko uporaba gradiv popestri kakšno šolsko uro tudi pri pouku fizike v višjih razredih osnovne šole ali v srednji šoli. Viri [1] Podatki o številu udeležencev tekmovanja so na spletni strani https://www.dmfa.si/Tekmovanja/ Statistika.aspx. (september 2016). [2] Dodatne spletne strani Kresničke, kjer je arhiv poskusov in nalog http://www.kresnickadmfa.si. (september 2016). [3] Morris, G. A., Branum-Martin, L., Harshman, N., Baker, S. D., Mazur, E., Dutta, S., Mzoughi, T., McCau- lay, V. (2006). Testing the test: Item response curves and test quality. American Journal of Physics, št. 74, str. 449. Tekmovanje iz znanja naravoslovja Kresni ka V šolskem letu 2016/2017 bo DMFA Slovenije že 3. leto zapored organiziralo tekmovanje iz naravoslovja Kresni ka. Namenjeno je u encem od 1. do 7. razreda. Najpomembnejši del tekmovanja se odvija pred tekmovanjem: u enci imajo približno pol leta asa, da izvedejo nekaj naravoslov- nih poskusov, ki so objavljeni na spletni strani DMFA 1 , na posebnih spletnih straneh Kresni - ke 2 in v Naravoslovni solnici. Vse naloge na tekmovanju so povezane s poskusi iz razpisa. Prvo leto je tekmovalo ve kot 9000 u encev iz 220 osnovnih šol, drugo leto ve kot 15000 u encev iz 260 šol, koliko jih bo tekmovalo v tretje? Ker je med našimi najpomembnejšimi cilji tudi odprava strahu pred naravoslovjem in popularizacija eksperimentiranja, si ustvar- jalci Kresni ke, vsi po vrsti naravoslovci, želimo, da bi tekmovali vsi. Vabimo vas k ogledu - in seveda preizkusu - letošnjih razpisanih poskusov, ki bodo objav- ljeni konec julija na spletu. Med akanjem na sredino poletja lahko pokukate v naš arhiv. Tam 2 imamo spravljene poskuse in tekmovalne naloge iz preteklih dveh let. 1 http://www.dmfa.si 2 http://www.kresnickadmfa.si