29 Didakta | december – januar 2012/13 Fokus: Računalništvo in računalnik Računalniško podprt pouk fizike v srednji šoli mag. Simon Ülen in dr. Ivan Gerlič Fakulteta za naravoslovje in matematiko Univerze v Mariboru V raziskavi smo po izvedenih učnih urah iz izbranih poglavij Elektrike preverjali zna- nje dijakov. Eno skupino (eksperimentalna skupina) smo poučevali z uporabo interak- tivnih gradiv, ki smo jih posebej izdelali za raziskavo, drugo (kontrolna skupina) pa smo poučevali na tradicionalni način – frontalno, z metodo razlage in demonstracije. Uvod Obstaja več razlogov, da učitelji v srednjih šolah praviloma uporabljajo tradicionalne oblike in metode dela, kot je npr. fron- talna oblika pouka z metodo razlage. V prvi vrsti k temu prispeva število dijakov v razredih (v Sloveniji praviloma presega število 30), velik obseg snovi, ki ga mora učitelj predelati v skladu z učnimi načr- ti in pa učitelji sami, ki so se v svojem srednješolskem izobraževanju največkrat srečevali s klasično obliko dela. Vendar številni raziskovalci opozarjajo na teža- ve, povezane s tradicionalnimi pristopi v poučevanju fizike. Selcuk (2009) opozar- ja, da je tradicionalni pouk fizike v večji meri omejen na pomnjenje enačb, pri čemer dijaki pogosto ne razumejo osnov- nih konceptov, kar pogosto vodi do šte- vilnih težav pri problemsko zastavljenih nalogah. Dijaki zato doživljajo fiziko kot težko, kar ima za posledico njihov nega- tiven odnos do predmeta. Kot temeljni problem tradicionalnega pristopa je von Glasersfeld (1990) izpostavil poučevanje pasivnih učencev, saj znanja ni mogoče posredovati, ampak si ga mora posame- znik konstruirati sam z lastno aktivnostjo. Kozielska (2004) izpostavlja veščine, ki jih tradicionalni frontalni pouk ne spodbuja, a bi jih dijaki morali pridobiti tekom izo- braževanja za poznejše uspešno delovanje v sodobni družbi: kreativnost, aktivnost, samoiniciativnost, fleksibilnost in spo- sobnost sprejemanja odločitev. Številne raziskave in projekti doma in po svetu (McDermott, Redish 1999; Thacker 2003) kažejo na to, da se vedno več srednjih in visokih šol zaveda potrebe po spremem- bah v poučevanju fizike. Eden izmed takih projektov je tudi intenzivna posodobitev srednješolskih učnih programov, ki poteka zadnje štiri leta v Sloveniji. Ključni cilj prenove je poiskati tiste učne pristope oziroma metode poučevanja, ki bi omo- gočale dijakom doseganje globljih nivo- jev znanja. Kot možno izbiro v prispevku predstavljamo računalniško podprt pouk fizike v srednji šoli, na primeru izbranih poglavij iz Elektrike. Pozitivne in negativne strani uporabe simulacij V literaturi zasledimo precej študij, ki obravnavajo pozitivne in negativne stra- ni uporabe računalniških simulacij pri pouku fizike (Sadaghiani 2011; Podo- lefsky, Perkins in Adam 2010). Carlsen in Andre (1992) poročata o tehničnih težavah dijakov ob delu s simulacijami pri obravnavi električnih krogov, kot je npr. počasen odziv računalnikov. Yildiz in Atkins (1996) v študiji ugotavljata več negativnih strani uporabe simulacij, npr. zelo dobrim dijakom uporaba simulacij ni predstavljala večjega izziva ali pa simula- cije niso vsebovale jasnih učnih ciljev. Po drugi strani številni raziskovalci poročajo o pozitivnih straneh uporabe simulacij. Finkelstein (2005) ugotavlja, da simulacije pri obravnavi električnih krogov omogo- čajo vizualizacijo določenih konceptov, ki jih sicer pri elektriki z realnim ekspe- rimentom ni moč videti (npr. električni tok). Casperson in Linn (2006) v raziska- vi o uporabnosti simulacij pri obravnavi pojavov iz elektrostatike ugotavljata, da simulacije pomagajo dijakom povezati mikroskopski in makroskopski pogled na določen pojav. Wieman (2007), ki že od leta 2001 sistematično raziskuje in razvi- ja interaktivne simulacije za pouk fizike, opozarja, da še tako dobra simulacija, ki je slabo uporabljena pri pouku, ni učinko- vita in obratno – ob kvalitetni aktivnosti pri pouku lahko tudi slabšo simulacijo koristno uporabimo. Tako negativne kot pozitivne strani ustrezne uporabe računalniških simulacij pri izbranih učnih temah opozarjajo, da je raziskovanje učinkovitosti uporabe raču- nalniških simulacij v poučevanju še vedno v svoji zgodnji fazi, zato bo v prihodnosti potrebnih še več študij, ki bodo poiskale odgovore na te dileme. Od simulacij do fizletov Najprej so bile za simulacije potrebne zah- tevnejše grafične postaje (npr. HP, Silicon Graphic), s pojavom osebnih računalnikov in svetovnim spletom pa so postale doseglji- ve vsem in na vseh stopnjah izobraževanja (Gerlič 2006). V zadnjem desetletju so ena od pomembnih tehnologij programi, napi- sani v Javi, največkrat namenjeni uporabi skupaj s hipertekstom, ki lahko predstavlja moderno obliko interaktivnega učbenika. Takim javanskim programom pravimo aple- ti (Christian, Belloni in Divjak 2006). Obe- nem moramo izpostaviti še eno tehnologijo, ki je značilna predvsem za spletne aplika- cije: JavaScript (Gerlič 2006). JavaScript je skriptni jezik, ki nam sam po sebi omogoča vnos večje dinamike v statične hipertekstne strani. Prav možnost kombinacije interak- tivnih programov s primernimi spremni- mi besedili v hipertekstu je vodila v razvoj apletov, za katere je značilno, da ponujajo funkcije, ki jih lahko vključimo v skripte, tako da dopolnjujejo naš hipertekst. Aplete, orientirane na ožje fizikalno področje oz. fizikalni problem, imenujemo fizleti (Christian, Belloni in Divjak 2006). So majhni, prilagodljivi, enostavni in ve- zani na posamezne fizikalne probleme. Dijaki ob raziskovanju fizikalnega pojava lahko spreminjajo relevantne parametre in takoj vidijo posledico svojih dejanj. Fiz- lete smo v raziskavi uporabili pri izdelavi interaktivnih učnih listov. Računalniško podprti pouk V raziskavi je bila računalniško podprta učna ura fizike sestavljena iz naslednjih glavnih komponent: 30 Didakta | december – januar 2012/13 Fokus: Računalništvo in računalnik • Ugotavljanje predznanja dijakov o iz- branem pojavu – diskusija z dijaki. • Motivacija dijakov z izpostavitvijo pro- blema, ki smo ga želeli raziskati. • Reševanje zastavljenega problema - obravnava nove učne snovi: dijaki so v parih ob računalnikih samostojno raziskovali zastavljeni problem s po- močjo interaktivnih učnih listov. • Preverjanje razumevanja obravnava- nega pojava. Namen raziskave Glavni cilj raziskave je bil preveriti mo- žnost doseganja višjih taksonomskih ni- vojev znanja fizike in s tem učinkovitost računalniško podprtega pouka fizike v srednji šoli na primeru poglavij iz Elektri- ke (3. letnik splošne gimnazije). Poglaviten razlog, da smo v raziskavo vključili ravno poglavja iz Elektrike, je zahtevnost učne snovi in posledično težave, ki jih imajo srednješolci s predstavo in razumevanjem določenih fizikalnih konceptov (npr. ra- zumevanje koncepta električnega polja). Zanimala nas je učinkovitost računalniško podprtega pouka v primeru petih takso- nomskih nivojev znanja po Phye (1997): znanje, analiza, primerjava, sklepanje, vrednotenje. Znanje dijakov smo preverjali pred obravnavo učnih vsebin (pred-test) in po obravnavi učnih tem (po-test). Oba sta vsebovala po 12 nalog objektivnega tipa s štirimi možnimi odgovori. Posebej nas je zanimalo, v kolikšni meri omogočata različna učna pristopa doseganje višjih ta- ksonomskih nivojev znanja, kot so analiza, primerjava, sklepanje in vrednotenje. Metoda in raziskovalni vzorec Izvedli smo pedagoški eksperiment, in sicer na naslednji način: vsaka učna tema je bila izvedena na dva načina, v kontrolni skupini s tradicionalnim pristopom in v eksperimentalni skupini z računalniško podprtim poukom. Obravnavali smo štiri učne teme v skladu z veljavnim učnim načrtom za slovenske splošne gimnazije: Električno polje, Coulombov zakon, Sila na naboj v ravnini in Električni pretok. Obravnava učnih tem je potekala dva te- dna, dodaten teden je bil namenjen za pred-test in po-test. Raziskava je bila izvedena na Gimna- ziji Franca Miklošiča Ljutomer v šolskem letu 2011/2012. V raziskavi je sodelovalo 59 dijakov 3. letnika gimnazije, pri čemer je 26 dijakov sestavljalo eksperimentalno skupino, 33 dijakov pa kontrolno skupino. Gimnazija v Ljutomeru je tipična slovenska splošna gimnazija s približno 500 dijaki. Rezultati Predvsem nas je zanimalo, v kolikšni meri omogočata računalniško podprti pouk fizike na eni strani in tradicionalni frontalni pouk na drugi strani doseganje višjih taksonomskih nivojev znanja fizike dijakov v srednji šoli. Iz grafičnega prikaza na sliki 3 razberemo, da so rezultati eksperimentalne skupine na posameznih višjih taksonomskih nivojih znanja občutno boljši od rezultatov kontrol- ne skupine. Na nivoju analize se rezultati eksperimentalne skupine za 16 % razliku- jejo od rezultatov kontrolne skupine (81 % proti 65 %). Podobno ugotavljamo prednost eksperimentalne skupine pri primerjavi (86 % proti 68 %), sklepanju (59 % proti 18 %) in ovrednotenju (27 % proti 2 %). Slika 2: Odstotek doseženih točk dijakov na posameznih nivojih znanja pred eksperi- mentom. Iz grafičnega prikaza je razvidno, da sta bile obe skupini primerljivega zna- nja pred izvedbo učnih ur. Slika 3: Odstotek doseženih točk dijakov na posameznih nivojih znanja po eksperimentu. 31 Didakta | december – januar 2012/13 Fokus: Računalništvo in računalnik Zaključek V študiji smo preverjali učinkovitost računalniško podprtega pouka fizike v srednji šoli in ga izpostavili kot primer dobre prakse, ki lahko predstavlja enega izmed možnih inovativnih učnih pristo- pov pri pouku fizike. Zanimalo nas je, v kolikšni meri tak učni pristop omogoča doseganje višjih taksonomskih nivojev znanja: analize, primerjave, sklepanja in ovrednotenja. Po izvedbi načrtovanih uč- nih ur smo primerjali rezultate po-testa dijakov eksperimentalne skupine, v kate- ri je učitelj izvajal računalniško podprti pouk fizike s poudarkom na samostojnem raziskovanju, z rezultati dijakov kontrolne skupine, kjer je učitelj izvajal tradicionalni frontalni pouk fizike. Iz rezultatov po-testa je razvidno, da računalniško podprti pouk fizike omogoča doseganje višjih taksonomskih nivojev znanja v večji meri kot tradicionalni fron- talni pouk in ga zato lahko smatramo za učinkovitejši učni pristop. Strinjamo se s tistimi raziskovalci, ki poudarjajo, da je realni eksperiment temelj vsakega učnega pristopa pri pou- ku fizike in da je tradicionalni frontalni pouk še vedno nepogrešljiv učni pristop pri pouku fizike. Hkrati pa dodajamo, da nam tudi zaradi hitrega razvoja sodob- nih tehnologij in novih generacij dijakov kot uporabnikov le-teh, IKT nudi številne nove možnosti za izpopolnitev ali dopol- nitev tradicionalnega poučevanja fizike. Obenem nam IKT nudi tudi številne mo- žnosti za razvoj novih, inovativnih učnih pristopov. Literatura Carlsen, D. D., Andre, T. (1992). Use of micro- computer simulation and conceptual chan- ge text to overcome student preconceptions about electric circuits, Journal of Computer- Based Instructions 19. Casperson, J. , Linn, M. C. (2006). Using visua- lizations to teach electrostatics, American Journal of Physics 74 (4). Christian, W., Belloni, M., Divjak, S. (2006). Fi- zika s fizleti. Interaktivne predstavitve in raziskave za uvod v fiziko, Zavod Republike Slovenije za šolstvo, Ljubljana. Finkelstein, N. D., Adams, W. K. , Keller, C. J. Kohl, P. B. , Perkins, K. K. Podolefsky, N. S. et al. (2005). When learning about the real world is better done virtually: A study of substituting computer simulations for laboratory equipment, Phys. Rev. ST Phys. Educ. Res. 1, 010103. Gerlič, I. (2009). Izzivi novih tehnologij in šola bodočnosti, Informacijska družba IS – 2009, Vzgoja in izobraževanje v informacijski družbi. Huffman D., Goldberg F. , Michlin, M. (2003). Using computers to create constructivist learning environment; Impacz on peda- gogy and achievement, The Journal of Computers in Mathematics and Science Teaching 22 (2). Kozielska, M. (2004) Developing cretivity of students in a computer-assisted learning process, European Journal of Physics 25: 279-285. Lee, K. M. , Nicoll, G. Brooks, D. W. (2004). A comparision of inquiry and worked exam- ple web-based instruction using physlets, Journal of Science Education and Techno- logy 13 (1). McDermott, C. L., Redish, E. F. (1999). Resource letter: PER-1: Physics Education Research, American Journal of Physics 67 (9), 755 – 767. Phye G.D., (1997). Handbook of Classroom As- sessment: Learning, Adjustment and Achievement, Academic press, ZDA. Podolefsky, N. S. , Perkins, K. K. , Adams, W. K. (2010). Factors promoting engaged explo- ration with computer simulations, Phys. Rev. ST Phys. Educ. Res. 6, 020117. Sadaghiani, H. R. (2011). Using multimedia learning modules in a hybrid-online course in electricity and magnetism, Phys. Rev. ST Phys. Educ. Res. 7, 010102. Selcuk, G. Z., Sahin M. & Acikgöz, K. Ü. (2009). The Effects of Learning Strategy Instruction on Achievement, Attitude, and Achieve- ment Motivation in a Physics Course. Res Sci Educ 41, 39 – 62. http://portal.mss.edus.si/msswww/progra- mi2008/programi/media/pdf/un_gimna- zija/un_fizika_gimn.pdf (9. 12. 2010). Thacker, B. A. (2003). Recent advances in classroom physics, Rep. Prog. Phys. 66, 1833–1864. Von Glasersfeld, E. (1990). An Exposition of Constructivism: Why Some Like it Radi- cal. Monographs of Journal for Research in Mathematics Education, #4. Reston, VA: National Council of Teachers of Mathema- tics, 19 – 29. Yildiz, R., Atkins, M. (1996). The cognitive im- pact of multimedia simulations on 14 year old students, British Journal of Education Technology 27. Wieman, C. E. (2007). Oersted Medal Lectu- re 2007: Interactive simulations for tea- ching physics: What works, what doesn`t, any why. American Journal of Physics 76 (4&5).