Abstract | Interdisciplinarnost ima sve veći značaj u suvremenoj znanosti i tehnologiji te općenito u strukturi suvremenog znanja. Međutim, mnogi učenici pa i studenti fizike pokazuju poteškoće 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 što modeli koji se poučavaju 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, što je zbog jednostavnosti modela zapravo poželjno. Međutim, to dovodi do poteškoća u razumijevanju važnih pojava, posebice kada je riječ o intereagirajućim molekularnim sustavima u fizici, kemiji i biologiji, ali i do brojnih miskoncepcija vezanih uz samu molekularno-kinetičku teoriju. Zbog toga, iako većina učenika i studenata postaje svjesna čestične prirode tvari još u osnovnoj školi, često nisu u stanju razumjeti makroskopske fizikalne pojave na molekularnoj razini. Cilj ovog istraživanja je poboljšanje učenja i poučavanja koncepata čestične prirode tvari, s naglaskom na tekućine. Preporuka je da se za kreiranje učinkovite nastave fizike, postojeće pogrešne ideje postave kao polazišne točke za otkrivanje i ispravljanje konceptualnog okvira učenika i studenata. Jedan od suvremenih metodičkih alata za uvid u njihov konceptualni okvir je konceptualni test.
U okviru ovog istraživanja ispitano je konceptualno razumijevanje molekularno-kinetičke teorije tekućina među studentima s različitih sveučilišta u Republici Hrvatskoj (N = 166). U tu svrhu osmišljen je konceptualni test molekularno-kinetičke teorije tekućina, koji se sastoji od 18 pitanja višestrukog izbora. Njima su obuhvaćeni koncepti građe tvari, tlaka, međumolekularne potencijalne energije, molekularne kinetičke energije, temperature, unutarnje termalne energije i entropije. Pitanja uključuju pojave iz svakodnevice poput isparavanja, vrenja, kondenzacije, kondukcije, konvekcije, difuzije, površinske napetosti i različitih agregacijskih stanja tvari. Uz svako pitanje ponuđena su četiri odgovora, pri čemu su distraktori sastavljeni na temelju pogrešnih ideja i odgovora dobivenih u intervjuima u kojima su se studentima postavljala ista pitanja, ali otvorenog tipa. S ciljem poboljšavanja prve verzije testa, provedena je njegova evaluacija od strane nastavnika fizike.
Kod većine pitanja, distribucije odgovora su bile slične za obje skupine ispitanika (tzv. fizičare i ne-fizičare), što je zanimljiv rezultat ako se uzme u obzir da su nastavni planovi spomenutih skupina bili značajno različiti. Rezultati statističke analize pojedinih pitanja i cjelokupnog testa, određuju ovaj konceptualni test kao instrument za formativno vrednovanje,
što znači da ga je uputno koristiti prilikom otkrivanja učeničkih/studenskih miskoncepcija, kao i za poticanje razredne diskusije i konceptualne promjene. Dodatna potvrda dijagnostičke vrijednosti testa je činjenica da je u 12 od 18 pitanja najčešće odabrani distraktor bio jednak za obje skupine ispitanika, a dodatni dokaz konstruktivne valjanosti testa je činjenica da su „fizičari“ čiji je kurikulum vezan uz molekularno-kinetičku teoriju bio opsežniji, imali značajno bolje rezultate od „nefizičara“.
Otkrivene su mnoge miskoncepcije iz molekularno-kinetičke teorije tekućina koje nisu bile ustanovljene u ranijim istraživanjima. Primjerice: (i) Studenti smatraju da je prosječna sila na molekulu tekućine na površini različita od nule i usmjerena prema dolje, te uzrokuje površinsku napetost, a u unutrašnjosti je jednaka nuli. To ukazuje na poteškoće u razlikovanju koncepata sile i napetosti, kao i na probleme u primjeni Newtonovih zakona na molekularnoj razini. (ii) Također smatraju da se tlak u tekućini prenosi jednako u svim smjerovima zbog nestlačivosti tekućine. Međutim, da su tekućine doista nestlačive, njima se ne bi mogle prenositi promjene tlaka, što bi primjerice onemogućilo širenje zvuka i dovelo u pitanje Bernoullijevu jednadžbu. Studenti nemaju ispravnu ideju o redu veličine tlaka pare. (iii) Smatraju da je tlak vodene pare iznad površine vode u normalnim atmosferskim uvjetima, jednak atmosferskom tlaku i (iv) da je tlak vodene pare u mjehuriću kipuće vode znatno veći od tlaka unutar vode. Oni također smatraju da su u stacionarnom stanju (v) unutarnje termalne energije odgovarajućih masa vode, leda i pare približno jednake te da su (vi) prosječne međumolekularne potencijalne energije, kao i entropije, za molekule na površini i u unutrašnjosti tekućine, jednake. Ove miskoncepcije ukazuju na to da studenti miješaju međumolekularnu potencijalnu energiju ili entropiju sa slobodnom energijom.
Rezultati ovog istraživanja potvrđuju i neke ranije otkrivene studentske pogrešne ideje vezane uz molekularno-kinetičku teoriju. Primjerice: (i) Studenti povezuju temperaturu sa sudaranjem molekula, na način da veća temperatura odgovara većem broju sudara. (ii) Smatraju da je srednja kinetička energija molekula vodene pare najveća, jer se molekule vodene pare najmanje privlače te se mogu najbrže gibati u usporedbi s molekulama vode i leda. (iii) Studenti tvrde da zagrijavanjem odozgo nije moguće zagrijati tekućinu na dnu posude, te kondukciju topline poistovjećuju s difuzijom tzv.“čestica topline“. (iv) Oni također smatraju da se prilikom zagrijavanja posude s tekućinom odozdo, molekule ne premještaju, nego se toplina prenosi s dna na površinu tekućine sudaranjem molekula. (v) Studenti misle da kapljice kondenzirane vode nastaju od molekula kisika i vodika iz zraka.
Konceptualni test iz molekularno-kinetičke teorije tekućina, bilo u dijelovima ili u cijelosti može poslužiti kao instrument za otkrivanje odgovarajućih pretkoncepcija i miskoncepcija te za poticanje rasprave o alternativnim konceptima, na svim razinama učenja i poučavanja termodinamičkih sadržaja. Pitanja koja umjesto tradicionalnog učenja manipulacijom jednadžbama potiču konceptualno razumijevanje od posebne su važnosti u nastavi jer doprinose učinkovitijem i svrhovitijem učenju i poučavanju fizike. |