Razvoj konceptualnog testa molekularno-kinetičke teorije tekućina-preliminirani rezultati istraživanja studentskih miskoncepcija

Interdisciplinarnost ima sve veci znacaj u suvremenoj znanosti i tehnologiji te opcenito u strukturi suvremenog znanja. Međutim, mnogi ucenici pa i studenti fizike pokazuju poteskoce u sagledavanju same fizike te im je povezivanje srodnih polja poput kemije i biologije, koje je danas potrebno za razumijevanje važnih pojava iz stvarnoga života, znatno teže. Dio problema nastaje i zbog toga sto modeli koji se poucavaju u fizici ponekad nisu u dovoljnoj mjeri primjenjivi jer zanemaruju neke bitne aspekte stvarnosti. Primjerice, termodinamika uglavnom razmatra model idealnog plina u kojemu se međumolekularna interakcija zanemaruje, sto je zbog jednostavnosti modela zapravo poželjno. Međutim, to dovodi do poteskoca u razumijevanju važnih pojava, posebice kada je rijec o intereagirajucim molekularnim sustavima u fizici, kemiji i biologiji, ali i do brojnih miskoncepcija vezanih uz samu molekularno-kineticku teoriju. Zbog toga, iako vecina ucenika i studenata postaje svjesna cesticne prirode tvari jos u osnovnoj skoli, cesto nisu u stanju razumjeti makroskopske fizikalne pojave na molekularnoj razini. Cilj ovog istraživanja je poboljsanje ucenja i poucavanja koncepata cesticne prirode tvari, s naglaskom na tekucine. Preporuka je da se za kreiranje ucinkovite nastave fizike, postojece pogresne ideje postave kao polazisne tocke za otkrivanje i ispravljanje konceptualnog okvira ucenika i studenata. Jedan od suvremenih metodickih alata za uvid u njihov konceptualni okvir je konceptualni test. U okviru ovog istraživanja ispitano je konceptualno razumijevanje molekularno-kineticke teorije tekucina među studentima s razlicitih sveucilista u Republici Hrvatskoj (N = 166). U tu svrhu osmisljen je konceptualni test molekularno-kineticke teorije tekucina, koji se sastoji od 18 pitanja visestrukog izbora. Njima su obuhvaceni koncepti građe tvari, tlaka, međumolekularne potencijalne energije, molekularne kineticke energije, temperature, unutarnje termalne energije i entropije. Pitanja ukljucuju pojave iz svakodnevice poput isparavanja, vrenja, kondenzacije, kondukcije, konvekcije, difuzije, povrsinske napetosti i razlicitih agregacijskih stanja tvari. Uz svako pitanje ponuđena su cetiri odgovora, pri cemu su distraktori sastavljeni na temelju pogresnih ideja i odgovora dobivenih u intervjuima u kojima su se studentima postavljala ista pitanja, ali otvorenog tipa. S ciljem poboljsavanja prve verzije testa, provedena je njegova evaluacija od strane nastavnika fizike. Kod vecine pitanja, distribucije odgovora su bile slicne za obje skupine ispitanika (tzv. fizicare i ne-fizicare), sto je zanimljiv rezultat ako se uzme u obzir da su nastavni planovi spomenutih skupina bili znacajno razliciti. Rezultati statisticke analize pojedinih pitanja i cjelokupnog testa, određuju ovaj konceptualni test kao instrument za formativno vrednovanje, sto znaci da ga je uputno koristiti prilikom otkrivanja ucenickih/studenskih miskoncepcija, kao i za poticanje razredne diskusije i konceptualne promjene. Dodatna potvrda dijagnosticke vrijednosti testa je cinjenica da je u 12 od 18 pitanja najcesce odabrani distraktor bio jednak za obje skupine ispitanika, a dodatni dokaz konstruktivne valjanosti testa je cinjenica da su „fizicari“ ciji je kurikulum vezan uz molekularno-kineticku teoriju bio opsežniji, imali znacajno bolje rezultate od „nefizicara“. Otkrivene su mnoge miskoncepcije iz molekularno-kineticke teorije tekucina koje nisu bile ustanovljene u ranijim istraživanjima. Primjerice: (i) Studenti smatraju da je prosjecna sila na molekulu tekucine na povrsini razlicita od nule i usmjerena prema dolje, te uzrokuje povrsinsku napetost, a u unutrasnjosti je jednaka nuli. To ukazuje na poteskoce u razlikovanju koncepata sile i napetosti, kao i na probleme u primjeni Newtonovih zakona na molekularnoj razini. (ii) Također smatraju da se tlak u tekucini prenosi jednako u svim smjerovima zbog nestlacivosti tekucine. Međutim, da su tekucine doista nestlacive, njima se ne bi mogle prenositi promjene tlaka, sto bi primjerice onemogucilo sirenje zvuka i dovelo u pitanje Bernoullijevu jednadžbu. Studenti nemaju ispravnu ideju o redu velicine tlaka pare. (iii) Smatraju da je tlak vodene pare iznad povrsine vode u normalnim atmosferskim uvjetima, jednak atmosferskom tlaku i (iv) da je tlak vodene pare u mjehuricu kipuce vode znatno veci od tlaka unutar vode. Oni također smatraju da su u stacionarnom stanju (v) unutarnje termalne energije odgovarajucih masa vode, leda i pare približno jednake te da su (vi) prosjecne međumolekularne potencijalne energije, kao i entropije, za molekule na povrsini i u unutrasnjosti tekucine, jednake. Ove miskoncepcije ukazuju na to da studenti mijesaju međumolekularnu potencijalnu energiju ili entropiju sa slobodnom energijom. Rezultati ovog istraživanja potvrđuju i neke ranije otkrivene studentske pogresne ideje vezane uz molekularno-kineticku teoriju. Primjerice: (i) Studenti povezuju temperaturu sa sudaranjem molekula, na nacin da veca temperatura odgovara vecem broju sudara. (ii) Smatraju da je srednja kineticka energija molekula vodene pare najveca, jer se molekule vodene pare najmanje privlace te se mogu najbrže gibati u usporedbi s molekulama vode i leda. (iii) Studenti tvrde da zagrijavanjem odozgo nije moguce zagrijati tekucinu na dnu posude, te kondukciju topline poistovjecuju s difuzijom tzv.“cestica topline“. (iv) Oni također smatraju da se prilikom zagrijavanja posude s tekucinom odozdo, molekule ne premjestaju, nego se toplina prenosi s dna na povrsinu tekucine sudaranjem molekula. (v) Studenti misle da kapljice kondenzirane vode nastaju od molekula kisika i vodika iz zraka. Konceptualni test iz molekularno-kineticke teorije tekucina, bilo u dijelovima ili u cijelosti može poslužiti kao instrument za otkrivanje odgovarajucih pretkoncepcija i miskoncepcija te za poticanje rasprave o alternativnim konceptima, na svim razinama ucenja i poucavanja termodinamickih sadržaja. Pitanja koja umjesto tradicionalnog ucenja manipulacijom jednadžbama poticu konceptualno razumijevanje od posebne su važnosti u nastavi jer doprinose ucinkovitijem i svrhovitijem ucenju i poucavanju fizike.