i i “ZNANJE” — 2009/8/7 — 8:21 — page 107 — #1 i i i i i i ˇ SOLA VSEBINSKOZNANJEINNARAVOSLOVNO RAZMI ˇ SLJANJE JANEZ STRNAD Fakulteta za matematiko in fiziko Univerza v Ljubljani PACS: 01.40.fk, 01.40.G– Zapis na kratko poroˇ ca o poskusu, pri katerem so ocenili zmoˇ znosti ameriˇ skih in ki- tajskih novincev na univerzi pri fiziki. Pri tem so v prvem koraku ugotavljali vsebinsko znanje mehanike in elektromagnetizma ter v drugem zmoˇ znost naravoslovnega razmiˇ slja- nja. V prvem koraku so se Kitajci, ki so imeli v srednji ˇ soli veliko fizike, odrezali veliko bolje od Ameriˇ canov. V drugem koraku pa med obojimi ni bilo razlike. Ali izidi lahko dajo koristne namige za uˇ citelje fizike na naˇ sih srednjih ˇ solah? CONTENT KNOWLEDGE AND SCIENTIFIC REASONING An experiment in which the abilities of American and Chinese freshmen in physics were assessed is briefly reported. Thereby in the first step content knowledge in mecha- nics and electromagnetism and in the second step the ability of science reasoning were established. InthefirststeptheChinese, whohavehadmuchmorephysicsinhighschool, scored much better than Americans. In the second step there was no difference. Can the results give useful clues for physics teachers in our high school? V naravoslovni metodi, ki jo fiziki uporabljamo pri raziskovanju narave, novo zamisel navadno oblikujemo kot kvantitativno napoved. Napoved pre- izkusimo z merjenjem pri poskusih v nadzorovanih okoliˇ sˇ cinah. Zamisel, ki se ne sklada z dobljenimi izidi, zavrˇ zemo ali prilagodimo. Objavljen ˇ clanek o tem omogoˇ ci, da poskus v enakih okoliˇ sˇ cinah ponovijo v drugem labora- toriju. Zamisli, ki ustrezajo tem zahtevam, dodamo obstojeˇ cemu znanju, ki nikoli ni dokonˇ cno. Nekateri posebej poudarjajo, da je za naravoslovje znaˇ cilno, da v njem trditev ni mogoˇ ce dokazati, lahko jih le ovrˇ zemo. Na vseh stopnjah pouˇ cevanja danes izvajajo pouˇ cevalske poskuse, da bi izboljˇ sali uˇ cinkovitost pouˇ cevanja, in o njih poroˇ cajo v strokovnih revijah. Pri poskusih ugotavljajo – ” merijo“ – odziv uˇ cencev, dijakov in ˇ studentov na pouˇ cevanje, njihovo znanje, razumevanje in navade ter drugo, kar je po- vezano s pouˇ cevanjem. Izidi poskusov naj bi omogoˇ cili boljˇ se razumevanje pouˇ cevanja in uˇ cenja ter pripeljali do izboljˇ sav. Poskusi te vrste se med seboj znatno razlikujejo in segajo od anket in izpolnjevanja vpraˇ salnikov Obzornik mat. fiz. 56 (2009) 3 107 i i “ZNANJE” — 2009/8/7 — 8:21 — page 108 — #2 i i i i i i Janez Strnad prek reˇ sevanja pisnih raˇ cunskih nalog in kvalitativnih vpraˇ sanj doˇ student- skihposkusovvlaboratorijuinpogovorovsposameznimizastopnikiskupin. To so poskusi z ljudmi, ki sodijo v znanosti o ljudeh in druˇ zbi, kot so psi- hologija, sociologija ter pedagogika in specialna pedagogika ali didaktika (poimenovanje ni enotno). Teh poskusov ni mogoˇ ce izvajati podobno, kot poskuse izvajajo raziskovalci v fiziki. 1 Izide ponavadi statistiˇ cno obdelajo in navedejo povpreˇ cja. Poskusi z ljudmi so povezani z znaˇ cilnimi teˇ zavami. Poskusi naj ne bi ˇ skodili udeleˇ zencem. Pojavi se vpraˇ sanje, kako izbrati sestavo in ˇ stevilo udeleˇ zencev v glavni in v kontrolni skupini. Kdo naj v njiju uˇ ci ter kdo in kako ocenjuje izide? Izidi so lahko odvisni od ˇ stevilnih dejavnikov, od naˇ cina postavljanja nalog in vpraˇ sanj do priˇ cakovanj in vneme izvajalcev, od njihovih namenov ter od druˇ zbenega okolja. Ali bi drugi izvajalci z dru- gaˇ cnim naˇ cinom dobili podobne izide? Izidov ni mogoˇ ce naravnost prenesti v drugo okolje. Ni jih mogoˇ ce smiselno ponoviti z istimi udeleˇ zenci. Odmiki odpovpreˇ cijutegnejobitiprinjihprecejveliki. Takonepreseneˇ caˇ sirokraz- pon pogledov na razne vrste pouˇ cevalskih poskusov, ki sega od naˇ celnega dvoma do trdnega zaupanja. S tem je povezana krilatica, da vsak pouˇ ce- valski poskus sicer nekaj meri, manj jasno pa je, kaj meri. Najbrˇ z je tudi v tem primeru smiselno uravnoveˇ seno staliˇ sˇ ce: poskusi so pogosto koristni, njihove izide pa kaˇ ze sprejemati zadrˇ zano, posebej ko gre za vkljuˇ cevanje novosti v uˇ cne naˇ crte. Za uˇ citelje utegne biti predvsem koristno, da pre- mislijo o dobro zasnovanih pouˇ cevalskih poskusih in vsakega presodijo na podlagi lastnih izkuˇ senj. Poroˇ cajmo oˇ siroko zasnovanem pouˇ cevalskem poskusu v Zdruˇ zenih dr- ˇ zavah in na Kitajskem, katerega izid utegne biti sploˇ sno zanimiv [1]. Za poskus so izbrali fiziko, ker so v njej zadeve razmeroma dobro opredeljene. Podobne izide pa je mogoˇ ce priˇ cakovati tudi v drugih vejah naravoslovja. ˇ Solska sistema od vstopa v ˇ solo do dvanajstega ˇ solskega leta, ki mu sledi vstop na univerzo, se v ZDA in na Kitajskem izrazito razlikujeta. V ZDA ni enotnega uˇ cnega naˇ crta, srednjeˇ solci se sicer s fiziko delno sreˇ cajo pri naravoslovju, a samo vsak tretji od njih izbere dvosemestrsko fiziko. Fi- ziki posveˇ ceni ˇ cas je za razliˇ cne srednjeˇ solce zelo razliˇ cen. Prav tako v zelo 1 ˇ Se najbolj se jim pribliˇ zajo dvojno slepi poskusi pri preizkuˇ sanju zdravil. Glavna sku- pina ljudi dobiva uˇ cinkovino, kolikor mogoˇ ce enakovredna kontrolna skupina pa placebo. Ne izvajalci ne udeleˇ zenci poskusa ne vedo, v kateri skupini je kdo. To razkrijejo ˇ sele ob obdelavi izidov. Pouˇ cevalskih poskusov ni mogoˇ ce izvajati slepo. 108 Obzornik mat. fiz. 56 (2009) 3 i i “ZNANJE” — 2009/8/7 — 8:21 — page 109 — #3 i i i i i i Vsebinsko znanje in naravoslovno razmišljanje razliˇ cnem obsegu uporabljajo matematiko in delajo raˇ cunske vaje. Na Ki- tajskem pa velja enoten uˇ cni naˇ crt za vse srednjeˇ solce. Fizika se zaˇ cne v osmemˇ solskemletuintrajavsehnadaljnjihpetˇ solskihlet. Vsesrednjeˇ solce ˇ caka enak sprejemni izpit na univerzo. Skupinasedmihpouˇ cevalcevzameriˇ skihuniverzinpetihskitajskihuni- verz je v obeh drˇ zavah raziskovala odziv novincev v prvem letniku univerze, preden so priˇ sli v stik s fiziko na univerzi. Poskusov se je v celoti udele- ˇ zilo veˇ c kot 5 tisoˇ c novincev naravoslovnih in tehniˇ skih usmeritev s ˇ stirih ameriˇ skih in treh kitajskih univerz s srednjim ugledom. Izvajalci poskusov so dobro poznali razmere v ˇ solstvu obeh drˇ zav. Pri novincih so v prvem koraku ugotavljali vsebinsko znanje izbranih fizikalnih poglavij mehanike in elektrike in v drugem zmoˇ znost naravoslovnega razmiˇ sljanja. V prvem ko- raku so uporabili Pregled pojma sile FCI [2] in Kratko ocenjevanje elektrike in magnetizma BEMA [3]. Za drugi korak so izbrali Lawsonov Preizkus naravoslovnega razmiˇ sljanja v razredu LCTSR [4]. Vse tri naˇ cine so ˇ ze prej razvili in velikokrat preizkusili v ZDA ter prevedli in preizkusili na Kitaj- skem. Po priˇ cakovanju so se kitajski ˇ studenti odrezali veliko bolje (slika 1): (86±14)-odstotni uspeh pri mehaniki in (66±13)-odstotni pri elektriki – od ameriˇ skih vrstnikov: (49±19)-odstotni uspeh pri mehaniki in (27±10)- odstotni pri elektriki (navedena so na dve mesti zaokroˇ zena povpreˇ cja in efektivni odmiki). Uspeh pri mehaniki, ki je tesneje povezana z vsakda- njimi izkuˇ snjami, je bil pri obojih boljˇ si. Razmerje doseˇ zkov pri elektriki, ki velja za bolj zapleteno, je bilo veˇ cje (66/27 = 2,4) kot pri mehaniki (86/49 = 1,8). Pri ugotavljanju zmoˇ znosti naravoslovnega razmiˇ sljanja je bilo ˇ cisto drugaˇ ce. Oboji ˇ studenti so se izkazali skoraj povsem enako: pri 74-odstotnem uspehu je bila razlika manjˇ sa od pol odstotne toˇ cke (Kitajci so dosegli 74,5±15,8 odstotkov in Ameriˇ cani 74,2±18,0). Ali ta razme- roma velik uspeh v primeri s prejˇ snjimi ne kaˇ ze, da so bila v tem primeru vpraˇ sanja s fizikalnega staliˇ sˇ ca razmeroma nezahtevna? Vsebinsko znanje mehanike ali elektrike je mogoˇ ce dokaj dobro oprede- liti. Tudi ta poskus je pokazal, da je pri tem uspeh boljˇ si, ˇ ce srednjeˇ solci in njihovi uˇ citelji vloˇ zijo veˇ c dela. Naravoslovno razmiˇ sljanje pa je teˇ ze opre- deliti in zahteva drugaˇ cne zmoˇ znosti. Naˇ crtno je treba razmisliti o nalogi, spoznati koliˇ cine, ki se spreminjajo, in ugotoviti povezave med njimi, opa- zovati, oblikovati domnevo in jo preizkusiti, kritiˇ cno premisliti o posledicah. Vkljuˇ cene so tudi osnovne matematiˇ cne predstave kot sorazmernost in po- 107–113 109 i i “ZNANJE” — 2009/8/7 — 8:21 — page 110 — #4 i i i i i i Janez Strnad Slika 1. Porazdelitev ˇ studentov po doseˇ zenem uspehu (v toˇ ckah) v znanju mehanike (levo), elektrike in magnetizma (sredina) ter zmoˇ znostjo naravoslovnega razmiˇ sljanja (de- sno). Kroˇ zci kaˇ zejo uspeh Ameriˇ canov, kvadratki pa uspeh Kitajcev. (Profesor Lei Bao je ljubeznivo dovolil ponatis slik iz [1].) dobnost. V tem primeru vpraˇ sanja pogosto nimajo doloˇ cenega odgovora ali nimajo enega samega odgovora. Naravoslovnega razmiˇ sljanja v ˇ soli ne pouˇ cujejo neposredno. Srednjeˇ solci naj bi ga usvojili posredno pri fiziki in drugih naravoslovnih predmetih. Zmoˇ znost naravoslovnega razmiˇ sljanja je pomembna za poklicno pot v naravoslovju in tehniki. Pri mehaniki in elek- triki je treba pokazati vsebinsko znanje, na primer, da je z vzrokom gibanja sorazmeren pospeˇ sek, ne hitrost, in da ima elektron negativni naboj. Pri naravoslovnem razmiˇ sjanju ni tako. Zato se pojavi nevarnost, da je to, kar naj bi bilo naravoslovno razmiˇ sljanje, v resnici povezano z vsakdanjimi iz- kuˇ snjami in treznim razmiˇ sljanjem, kar vˇ casih imenujejo ” zdrava pamet“. Opisani poskus je podprl misel, da naravoslovno razmiˇ sljanje zahteva dru- gaˇ cne zmoˇ znosti kot vsebinsko znanje. Razmere pri nas niso niti tako enobarvne kot na Kitajskem niti tako pisane kot v ZDA. Zato spoznanj, ki so jih dobili za ameriˇ ske in kitajske srednjeˇ solce, ni mogoˇ ce naravnost prenesti k nam. Vseeno pa je o njih smiselno razmisliti. Po mnenju piscev ˇ clanka se zdi za viˇ sje zmoˇ znosti pri naravoslovnem razmiˇ sljanju pomembneje, kako uˇ cimo, kot kaj uˇ cimo [1]. V sploˇ snem se naravoslovno razmiˇ sljanje zdi pomembno, ker tudi zunaj ˇ sole vzpodbuja razloˇ cevanje med tem, kaj je mogoˇ ce preizkusiti in kaj je le osebno mnenje. Zavesti o tem, da je preizkuˇ sene izjave smiselno in koristno razloˇ cevati od osebnega mnenja, pa je v druˇ zbi nasploh premalo. Ali je vsebinsko znanje ˇ sibkeje povezano z zmoˇ znostjo naravoslovnega razmiˇ sljanja, kot priˇ cakujemo? Ali morda to pomeni, da z izboljˇ sanjem vsebinskega znanja lahko le malo vplivamo na zmoˇ znost naravoslovnega razmiˇ sljanja? Ali sega naravoslovno razmiˇ sljanje v globlje plasti miˇ sljenja, ki so manj dostopne pouˇ cevanju? Ali ima smisel sicer pretirana misel, da 110 Obzornik mat. fiz. 56 (2009) 3 i i “ZNANJE” — 2009/8/7 — 8:21 — page 111 — #5 i i i i i i Vsebinsko znanje in naravoslovno razmišljanje pouˇ cevanje fizike in naravoslovja lahko izboljˇ sa znanje o naravi, ne more pa spreobraˇ cati? Pouˇ cevalski poskusi so razkrili, da nekateri dijaki sploh ne usvojijo Newtonove mehanike. Na pamet se nauˇ cijo, kar je potrebno, da zadostijoobveznostimvˇ soli,ostanejopaprepriˇ caniv ” mehaniko“spotezami Aristotelove slike. Da je vsebinsko znanje ˇ sibko povezano z zmoˇ znostjo naravoslovnegarazmiˇ sljanja,namigujeˇ sespoznanje,danekaterizelouspeˇ sni raziskovalci v fiziki izvirajo iz razliˇ cnih okolij in ˇ solskih sistemov in tudi zaradi posebnih okoliˇ sˇ cin, na primer vojne, v srednji ˇ soli niso imeli dosti fizike. Ali je to povezano z ugotovitvami, da mladostnik ˇ ze pri 10 do 14 letih izbere svoj pogled na naravoslovje? Pri tem je, kot kaˇ ze, ˇ sola manj pomembna kot okolje, posebno vlogo pa naj bi pri tem imela podoba o sebi, o lastnih zmoˇ znostih, zahtevah in priˇ cakovanjih. Nekaj zgledov za vpraˇ sanja FCI [2] 1. Od enako velikih kovinskih kroglic tehta ena dvakrat veˇ c kot druga. Kro- glicispustimozdvenadstropnestavbevistemtrenutku. ˇ Cas, kigaporabita kroglici do tal, bo: (A) poloviˇ cen za teˇ zjo kroglico, (B) poloviˇ cen za laˇ zjo kroglico, (C) pribliˇ zno enak za obe kroglici, (D) znatno krajˇ si za teˇ zjo kroglico, ampak ne poloviˇ cen, (E) znatno krajˇ si za laˇ zjo kroglico, ampak ne poloviˇ cen. 17. Kamen, ki pada s strehe enonadstropne stavbe na tla: (A) doseˇ zenajveˇ cjohitrostkmalupotem, kogaspustimo, inpadapotem s konstantno hitrostjo, (B) pada vse hitreje, predvsem zato, ker se poveˇ cuje gravitacijski privlak s pribliˇ zevanjem zemlji, (C) pada vse hitreje, ker deluje nanj konstantna gravitacijska sila, (D) pada zaradi notranje teˇ znje vseh predmetov, da padajo proti zemlji, (E) padazaradikombinacijegravitacijskesileintlaka, kigatiˇ sˇ cinavzdol. 107–113 111 i i “ZNANJE” — 2009/8/7 — 8:21 — page 112 — #6 i i i i i i Janez Strnad BEMA [3] 2 Izberi eno od mogoˇ cih smeri na sliki kot odgovor na vpraˇ sanje. Katera je mogoˇ ca smer (a–g) magnetnega polja na obmoˇ cju, na katerem je polje razliˇ cno od niˇ c? LCTSR [4] 1. Denimo, da dobiˇ s dve enaki krogli iz gline. Obe krogli tehtata enako. Eno od njiju sploˇ sˇ ciˇ s v tvorbo, podobno palaˇ cinki. (a) tvorba v obliki palaˇ cinke tehta veˇ c kot krogla, (b) oba kosa ˇ se vedno tehtata enako, (c) krogla tehta veˇ c od tvorbe v obliki palaˇ cinke. Katera od naslednjih trditev je pravilna? 2. Ker (a) ima sploˇ sˇ cena oblika veˇ cjo povrˇ sino, (b) krogla v eni toˇ cki bolj tiˇ sˇ ci navzdol, (c) zgubi teˇ zo tisto, kar sploˇ sˇ cimo, 2 BEMA ni bil v celoti objavljen in na spletu ni neposredno dostopen, FCI pa je bil objavljenvceloti. Vprvemprimerunajudeleˇ zenciposkusanebivnaprejpoznalivpraˇ sanj in odgovorov nanje – kot pri naˇ si maturi. V drugem primeru pa obravnavanje vpraˇ sanj in odgovorov prispeva k uˇ cenju. 112 Obzornik mat. fiz. 56 (2009) 3 i i “ZNANJE” — 2009/8/7 — 8:21 — page 113 — #7 i i i i i i Vsebinsko znanje in naravoslovno razmišljanje (d) gline nismo dodali ali odvzeli, (e) pridobi teˇ zo tisto, kar sploˇ sˇ cimo. LITERATURA [1] L. Bao, T. Cai, K. Koenig, K. Fang, J. Han, J. Wang, Q. Liu, L. Ding, L. Cui, Y. Luo, Y. Wang, L. Li in N. Wu, Learning and Scientific Reasoning, Science 323 (2009), str. 586–587. [2] D. Hestenes, M. Wells in G. Swackhamer, Force Concept Inventory, Phys. Teacher30 (1992), str. 141–158. [3] L. Ding, R. Chabay, B. Sherwood in R. Beichner, Evaluating an electricity and ma- gnetism assessment tool: Brief electricity and magnetism assessment, Phys. Rev. ST Phys. Educ. Res.2 (2006) 1, 0101105. [4] A. E. Lawson, Classroom scientific reasoning, Revised edition, Arizona State Univer- sity 2000. NOVE KNJIGE Lawrence Weinstein in John A. Adam: GUESSTIMATION – SOLVING THE WORLD’S PROBLEMS ON THE BACK OF A COCKTAIL NAPKIN, Princeton University Press, Princeton 2008, 320 strani. Ena od najpomembnejˇ sih spretnosti, ki bi jih morali obvladati vsi ˇ studenti naravo- slovja, tehnike in medicine, a tudi marsika- teredrugevede, jehitrakvantitativnaocena kake koliˇ cine ali pojava. Ta veˇ sˇ cina je nujna za dobro opravljanje poklica. Velikost je na- mreˇ c vselej pomembna, naj gre za maso pla- neta, za porabo goriva ali za zviˇ sanje tem- perature pri bolniku. Knjiga Guesstima- tion, ki sta jo napisala Lawrence Weinstein in John A. Adam, je privlaˇ cen izbor reˇ senih vpraˇ sanj,vangleˇ skogovoreˇ cemsvetupozna- nih kot ” back-of-the-envelope problems“ ter ” Fermi problems“ (po Enricu Fermiju, ki so mu bili tovrstni premisleki v posebno vese- lje). Reˇ sitev takega vpraˇ sanja terja pred- vsem tehten premislek, kaj lahko vpliva na 107–113 113