Dragan Borevac
-
Upload
lidija1988 -
Category
Documents
-
view
34 -
download
2
description
Transcript of Dragan Borevac
-
SVEUILITE U ZAGREBU
PRIRODOSLOVNO-MATEMATIKI FAKULTET
FIZIKI ODSJEK
Dragan Borevac
Diplomski rad
IMPLEMENTACIJA KONCEPTUALNOG
TESTA IZ NUKLEARNE FIZIKE I FIZIKE
ESTICA
Zagreb, 2011.
-
SVEUILITE U ZAGREBU
PRIRODOSLOVNO-MATEMATIKI FAKULTET
FIZIKI ODSJEK
SMJER: PROF. FIZIKE
Dragan Borevac
Diplomski rad
IMPLEMENTACIJA KONCEPTUALNOG
TESTA IZ NUKLEARNE FIZIKE I FIZIKE
ESTICA
Voditelj diplomskog rada: prof. dr. sc. Mirko Planini
Ocjena diplomskog rada: ____________________
Povjerenstvo: 1.____________________
2.____________________
3.____________________
Datum polaganja: ____________________
Zagreb, 2011.
-
Mojoj Biljani,
Jer si uvijek i bezrezervno vjerovala u mene
Mojoj Biljani,
jer si uvijek i bezrezervno vjerovala u mene!
-
Hvala mentoru prof. dr. sc. Mirku Planiniu na pomoi i strpljenju, te
pruenoj potpori prilikom izrade ovog diplomskog rada.
Hvala dr. sc. Nikoli Poljaku na uloenom trudu, korisnim primjedbama,
sugestijama i savjetima tokom izrade diplomskog rada.
Hvala svima koji su sudjelovali u testiranju i tako doprinijeli istraivanju.
Hvala svim profesorima i asistentima s kojima sam se susreo tijekom svog
kolovanja.
Hvala roditeljima koji su mi omoguili ovo kolovanje, a posebno im
zahvaljujem na svoj ljubavi i podrci koju su mi pruili tokom studiranja.
Hvala!
-
Sadraj
Uvod ........................................................................................................................... 1
1. Povijesni razvoj fizike ........................................................................................... 2
1.1 Razlozi nastanka znanosti ................................................................................ 2
1.2 Razvoj fizike kroz povijest ................................................................................. 3
1.2.1 Rane civilizacije .......................................................................................... 3
1.2.2 Starogrka fizika ......................................................................................... 3
1.2.3 Srednjovjekovna fizika ................................................................................ 4
1.2.4 Poetak novog vijeka .................................................................................. 4
1.2.5 Temelji nove fizike ...................................................................................... 5
1.2.6 Izgradnja klasine fizike .............................................................................. 6
1.2.7 Suvremena fizika ........................................................................................ 7
1.3 Status prirodnih znanosti kroz povijest ............................................................. 8
2. Razvoj psihikog ivota ...................................................................................... 10
2.1 imbenici razvoja ........................................................................................... 10
2.2 Kognitivni (spoznajni) ili intelektualni razvoj .................................................... 11
3. Nastava fizike ..................................................................................................... 12
3.1 Utjecaj Jeana Piageta ..................................................................................... 12
3.2 Uenike intuitivne ideje ili pretkoncepcije - uoavanje njihovih uloga ............ 14
3.3 Konstruktivistiki pristup nastavi fizike ............................................................ 15
4. Konceptualni test iz nuklearne fizike i fizike estica ........................................... 16
4.1 Konstruiranje konceptualnog testa .................................................................. 16
4.2 Primjena konceptualnog testa ......................................................................... 16
4.3 Pregled dobivenih rezultata testiranja ............................................................. 17
4.4 Usporedba rezultata testiranja ........................................................................ 30
Zakljuak .................................................................................................................. 32
Literatura .................................................................................................................. 33
Reference ................................................................................................................. 34
Prilog ....................................................................................................................... 35
-
1
Uvod
ovjek je u poetku imao brojna pitanja na koja nije znao odgovore. Od samih
poetaka, postojala je trajno prisutna znatielja i zanimanje za prirodu i prirodne pojave, a
znatielja je bila jo vea ako su te pojave bitno utjecale na ivot. Zahvaljujui toj znatielji
ovjek je krenuo u potragu za znanjem...
Sagledavi dananje znanje, kako fizike tako i cjelokupne znanosti, i povrno
promotrivi njen razvitak, neupuenom pojedincu bi se na prvi pogled uinilo kao da su se
rjeenja pojedinih problema odvijala jednosmjerno, u jednom odreenom pravcu, kao da
postoji put razvitka po kojemu su uvedeni fizikalni pojmovi. Meutim nije sve tako
jednostavno. Brojni temeljni fizikalni pojmovi su bili predmet unih diskusija i razilaenja
tijekom cijele povijesti, a mnogi od tih pojmova su i danas nerijeeni do kraja.
Danas, kad fizika, kao i cjelokupna znanost, ne moe dati odgovore na sva pitanja koja
bi ovjek htio znati, ovjekova znatielja je vea nego ikad. Zato je najvei i najambiciozniji
pokus u povijesti znanosti Veliki hadronski sudariva (LHC) izazvao jako veliku panju,
ali i strah i iekivanje. Razlog tolikoj uzbuenosti oko dosad najspektakularnijeg pokusa je
potraga za odgovorima na mnoga zanimljiva i vana pitanja, ne samo bitna za fiziare, nego
za dobrobit svih ljudi.
Usprkos brojnim odgovorima koje jo nemamo, veliki opseg znanja nam je ve
dostupan. Ta znanja se pouavaju u koli i na fakultetu. Znanja su se stoljeima samo
prenosila na nove generacije, a steena znanja su omoguavala da ovjek cijeli ivot uspjeno
radi posao za koji se kolovao. Meutim, danas je stanje potpuno drugaije: drutvene
promjene su bre, a brzina porasta znanja je jako velika. Zato vie nije dovoljno da se
prirodne znanosti pouavaju na tradicionalan nain, nego je potrebno traiti nove naine
pouavanja. Danas se nastoji odgojiti i obrazovati ovjeka da iz kolskih i studentskih klupa
izae spreman za samostalan rad u modernom drutvu. To je mogue samo ako stekne
operativno znanje, te razvije sposobnost za kritiko miljenje.
to se tie implementacije suvremene fizike u sustavu obrazovanja, javljaju se
problemi usvajanja fizikalnih koncepata. Najvei problem ine ovjekove intuitivne ideje ili
predkoncepti, koji su duboko ukorijenjeni u ovjekovo razmiljanje. Kako bi se usvojilo
znanje i izgradili ispravni koncepti, bitno je prepoznati te predkoncepcije i smanjiti njihov
utjecaj.
Ovaj diplomski rad posveen je istraivanju najeih potekoa kod uenja i
razumijevanja nuklearne fizike i fizike estica na uvodnim kolegijima fizike na fakultetu.
Istraivanje je provedeno ne samo kako bi se dobila opa slika o razumijevanju tih podruja
fizike, nego kako bi se ubudue razvili novi ili mijenjali ve postojei pristupi u pouavanju
tog fizikalnog sadraja.
-
2
1. Povijesni razvoj fizike
1.1 Razlozi nastanka znanosti
Poetak razvitka znanosti, a samim time i fizike, mora se traiti u najstarijem razdoblju
ljudskog postojanja. Svako drukije sagledavanje razvitka znanosti, koje bi poetak uoavalo
na nekom razvijenijem stupnju razvitka ovjeanstva, izazvalo bi dojam da su pojedine
znanstvene spoznaje nastale naglo. Dobro znamo da nije tako i da su fizikalna znanja nastala
postupno, u dugom procesu razvitka ljudskih aktivnosti, a kasnija su znanja samo logian
nastavak ve prijeenoga razvojnog puta. Poetak znanosti nije odreen nekom godinom, pa
ak ni nekim kratkim vremenskim razdobljem. Poetak znanosti smjetamo u dugo razdoblje
stvaranja prvih pojmova, u vrijeme kad je ovjek pokuao rijeiti bezbrojne probleme ivota.
ovjekova goloruka bitka s prirodom nije mu davala velikih nada da se u toj bitci
odri, ili se odravao uz velike gubitke. Bitna promjena nastaje onda kad je ovjek uvidio da
je ivotinju lake dotui nekom motkom pronaenom u prirodi nego se boriti s njom golih
ruku. Takoer je uvidio da motkom moe lake dohvatiti plodove na stablu nego penjanjem
po drvu ili ekanjem da plodovi padnu na tlo. Upotrijebljena motka je zapravo nita drugo
nego produena ruka, tako da ovjek ustvari nije smislio nita posebno - samo je oponaao
prirodu. Ipak, ta rjeenja nisu bila lagana i zahtijevala su ogroman napor, jer ovjek sigurno
nije odmah upotrijebio motku na najbolji mogui nain. Moralo je biti bezbroj pokuaja dok
ovjek nije pronaao zadovoljavajue rjeenje. ovjek je, stotinama, a i tisuama godina,
stjecao iskustva nalazei sve bolja i prikladnija rjeenja. Ta prva razdoblja su zaeci nastanka
znanosti, koja je nastala prvenstveno iz praktinih razloga - efikasnija borba s prirodom,
hranjenje, preivljavanje, potrebni alati, orua (motika, toljaga, kuka, poluga, luk i strijela...).
ovjek je time rijeio mnoge ivotne probleme i tako si olakao ivot. Sve probleme je
pokuavao rijeiti na razliite naine, metodom pokuaja i pogreke, a najpovoljnije rjeenje
je otkrio empirijski. Znao je npr. kako funkcionira poluga iako nije znao zato je to tako.
Dakle, ovjek nije znao fizikalne zakone, ali ih je nesvjesno upotrebljavao jer je empirijski
spoznao njihovu praktinu upotrebu.
Osim praktinih razloga, znanost je nastala i zbog potrebe mjerenja. Kad je ovjek
poeo drati domae ivotinje nije mu bilo svejedno hoe li neka od njih odlutati ili e ju
moda pojesti divlja zvijer - tako je postupno nauio prebrojavati ivotinje. Takoer, ovjek je
postupno prelazio sa nomadskog na sjedilaki nain ivota, te se javila potreba za
premjeravanjem teritorija. Bitan razlog nastanka znanosti su i ovjekove primitivne
predodbe. ivei u prirodi, ovjek je opaao mnoge prirodne pojave kojima nije znao toan
uzrok: izmjena dana i noi, izmjena godinjih doba. Poeo je pratiti te ciklike pojave i
pokuavao ih opisivati.
ovjek je kroz povijest stvarao razliite predodbu o svijetu. Npr. Sunce je kod svih
primitivnih naroda imalo vanu ulogu i obino su ga promatrali kao boanstvo. Prirodne su
pojave oduvijek impresionirale ljude pa se neobinim astronomskim pojavama esto
pridavalo posebno znaenje. Svemu onome to nije bilo redovito, npr. pomrine, repatice,
oluje, munje, gromovi, pridavalo se veliko znaenje.
U prvim erama ovjekova postojanja, znanja su bila ograniena na skup nepovezanih
injenica. Ta su znanja bila konkretna i dobivena empirijski. Ipak, irina znanja je bilo puno
vea nego to se obino misli i to su zapravo prvi poeci nastanka i razvitka znanosti.
-
3
1.2 Razvoj fizike kroz povijest
1.2.1 Rane civilizacije
Prijelaz iz prvih era ovjekova postojanja na prve civilizacije bio je postupan. Ve u
tim prvim razdobljima prikupljeno je odreeno fizikalno, matematiko i astronomsko znanje.
Ono se u prvim civilizacijama dopunjuje i proiruje, ali se u poetku ne razlikuje puno, to se
tie konkretnog shvaanja pojmova i empirijskog stjecanja znanja.
Rane civilizacije imale su zajedniku znaajku da u znanosti ne formuliraju opa
pravila ni naela. Sve je rezultat empirijskih istraivanja, odnosno opaanja. Prve civilizacije
su gradile velike graevine pri emu su upotrebljavali empirijska znanja o statici.
Upotrebljavali su se i strojevi ije je funkcioniranje bilo poznato iz iskustva i znalo se kako ih
treba upotrebljavati iako nije bilo poznato naelo na kojem se zasniva njihova iskoristivost.
Na temelju metode pokuaja i pogreke dolo se do saznanja da je teret lake podii ako se
povea krak koji se pritie rukom, ali nitko se nije pitao zato je to tako, pa se ne pojavljuju
ni odgovori. Postojale su i brojne primjene poluge poput vage i brodskog vesla.
Upotrebljavani su i drugi jednostavni strojevi poput kola i kolotura.
to se tie astronomskih znanja, ona su takoer bila empirijska. Astronomske pojave
su od davnina ovjeku djelovale impresivno, pa su ih promatrali i najprimitivniji narodi.
Zapazili su da se neke pojave ponavljaju, ali im nije bila poznata zakonitost zato se to
dogaa. Nepoznavanje zakonitosti i uzroka pojedinih nebeskih pojava navela je stare narode
da im pripiu neka nadnaravna znaenja. Svi su stari narodi imali svoju predodbu svijeta i
predodbu njegova ustrojstva. Sve su te predodbe vrlo mistine i sve su proizale iz
neposrednog promatranja svijeta koji ih okruuje. Sve predodbe su proizale iz iskustva, ali
su bile interpretirane na mistian i religiozan nain.
1.2.2 Starogrka fizika
Iako se znanost, pa tako i fizika, a naroito mehanika i astronomija, javljaju vrlo rano,
njihov je pravi procvat u antikoj Grkoj, jer se tada poinju javljati nove ideje i pokuaji
razumijevanja prirode. Fizika je u to vrijeme najvie uznapredovala, no mnoga znanja i
koncepti o prirodi nisu tada samonikli nego su naslijeeni od starijih civilizacija, te esto
interpretirana na nov nain. Mnogi su zaetnici fizikalne misli (Aristotel, Arhimed, Eratosten,
Tales, Leukip, Demokrit, Epikur...) roeni upravo u Grkoj, u razdoblju 8. - 4. st. pr. Kr., pa
se smatra da su ondje udareni temelji uenju o prirodi kakve i danas poznajemo.
Najznaajniji je predstavnik toga razdoblja Aristotel koji je udario temelj razvoju
znanosti kakvu danas poznajemo. Aristotel razlikuje prirodna gibanja i nasilna gibanja za koja
je uvijek potrebna sila. Smatra da postoji razlika zemaljskog i nebeskog podruja za koja
vrijede razliite fizike. U tumaenju prirode Aristotel poinje koristiti pojmove koje danas
poznajemo kao fizike veliine, kao put, brzina, otpor, a uvodi i mnoge koncepte znaajne za
Aristotelovsku filozofiju, poput pokretake sile, koncepta teine i lakoe. Iako je Aristotelova
fizika bila kvalitativna i spekulativna, imala je velik utjecaj na razvoj znanosti.
-
4
1.2.3 Srednjovjekovna fizika
Srednji vijek obiljeavaju feudalni drutveni odnosi i drutveno ureenje te dominacija
kranskoga svjetonazora i religije u filozofiji. Razvoj fizike, i openito prirodnih znanosti, u
srednjem vijeku zahvaljujemo arapskoj ili islamskoj civilizaciji koja od 8. do 15. st.
doivljava svoje zlatno razdoblje.
Europa se u srednjem vijeku oslanja na Aristotelovo shvaanje fizike, odnosno
prirodne filozofije. Crkva, kao dominantna institucija toga vremena, prihvaa i zastupa
Aristotelove teze, te su one opeprihvaene (npr. kranstvu je dobro odgovarao geocentrini
poloaj Zemlje). Krajem srednjega vijeka u Europi se javljaju nove ideje i pogledi na znanost
koji predstavljaju izravno sueljavanje i kritiku Aristotelove filozofije prirode i stavova
Crkve.
U 6. st. indijski astronomi predlau heliocentrini sustav. U arapskoj civilizaciji u 9. st.
postavlja se hipoteza da se nebeska tijela i zvjezdane sfere vladaju po istim zakonitostima kao
i Zemlja. To je veliki napredak u odnosu na mislioce antike Grke koji su smatrali da se
nebeska i zemaljska gibanja odvijaju po razliitim zakonitostima. Islamski znanstvenici
razlikuju masu i teinu, tvrde da zrak ima teinu i da mu je gustoa manja od gustoe vode.
Kritiziraju Aristotela i njegovu ideju o stalnoj sili koja je potrebna da bi odrala gibanje tijela.
Dok arapski svijet proivljava svoje zlatno razdoblje, Europa je pod utjecajem
skolastike i Crkve. Biblija i Aristotelova tumaenja su uzimana kao nepogreiva, no ipak se
javljaju novosti i napredci, naroito u znanstvenom razmiljanju. U 13. st. protiv nekritikih
prihvaanja Aristotelovih tumaenja ustaje engleski franjevac Roger Bacon koji smatra da
pokus treba biti temelj znanosti i jedina mjerodavna metoda u donoenju zakljuaka. Zbog
svojih je naprednih stavova Bacon izbaen sa sveuilita, osuen kao heretik i utamnien. U
srednjovjekovnoj Europi je astronomija uivala osobitu popularnost jer se smatrala
interpretiranjem Bojih zakonitosti. Njome su se bavili crkveni uenjaci i dunosnici, jedini
kolovani ljudi toga vremena. Vjerovalo se u geocentrini model svemira utemeljen na
Ptolomejevim uenjima, koji je zastupala Crkva te se astronomija u srednjevjekovnoj Europi
dugo svodila na doradu Ptolomejeva modela i nije donosila nova otkria.
1.2.4 Poetak novog vijeka
Od 14. do 16. stoljea nastupa vrijeme jednoga od najznaajnijih pokreta u kulturi
zapadne Europe, koji je oznaio zavretak srednjega vijeka i doveo do preokreta u znanosti,
filozofiji i umjetnosti. To je vrijeme renesanse ili preporoda. U renesansi se razvijaju gradovi,
trgovina i promet, raste broj stanovnika, poveava se znaaj novca, nastaju prve manufakture
te raspadom feudalnoga nastaje novo, graansko drutvo. U renesansi se raa racionalno i
znanstveno shvaanje svijeta. Nosioci su nove renesansne kulture bili humanisti koji su
kulturu usmjerenu prema ovjeku suprotstavljali skolastikoj znanosti i teologiji. Sredite
univerzuma vie nije Bog, nego ovjek univerzalno obrazovani humanist, predstavnik
novane i intelektualne elite. Renesansa je vrijeme velikih otkria; istraivai Kristofor
Kolombo, Vasco da Gamma, Ferdinand Magellan i dr. su otkrili nove kontinente i nove
zemlje. Brojnim je istraivakim pothvatima moreplovaca dokazano da je Zemlja okrugla
ime je omogueno novo shvaanje svemira.
-
5
U matematici i fizici renesansa ne donosi nove velike spoznaje, ali je ovo razdoblje
znaajno jer nagovijeta prekretnicu u razvoju znanosti i kulture. Poslije tisuljetnoga zastoja,
Aristotelova prirodna filozofija doivljava prve odlune kritike, pa i potpuno negiranje
vrijednosti. Znanstvenici zapoinju borbu protiv autoriteta, protiv dominacije Aristotela i
skolastikoga pristupa znanosti. Nastaju nove ideje istaknutih pojedinaca kao to su Kopernik,
Kepler, Galileo i drugi. Renesansni uenjaci obnavljaju i poinju ponovno cijeniti uenja
antike i civilizacija Istoka. Zapoete su pripreme za novo doba.
Veliki doprinosi renesanse nastaju u domeni astronomije i konano dovode do
naputanja tisuljetnih uenja Aristotela i Ptolomeja te razvijanja novoga, temeljno razliitoga
pogleda na mjesto ovjeka u svemiru. Nikola Kopernik zagovara heliocentrini model
svemira. Utvruje postojanje trostrukoga gibanja Zemlje: njezinu rotaciju oko osi, revoluciju
(tj. gibanja Zemlje oko Sunca) i precesiju Zemljine osi. Kopernikovim je uenjem bio
ponesen i mladi Giordano Bruno. Izlagao je svoje uenje o svemiru i planetnim sustavima
drugih zvijezda te istaknuo ideju o jedinstvenim zakonima prirode. Neto slino postoji i
danas, kad se nastoji ujediniti etiri fundamentalne sile.
1.2.5 Temelji nove fizike
Nakon renesanse u 17. st. nastupa u zapadnoeuropskoj kulturi tzv. vrijeme
racionalizma. Ono prethodi pokretu prosvjetiteljstva koje je obiljeilo 18. st. U 17. st. su
postavljeni temelji klasine fizike. Ocem fizike i svjetlom novog doba esto se naziva
Galileo Galilei, ovjek koji je poeo izgraivati novu fiziku temeljenu na pokusu i
matematikom opisu. To je ovjek koji je prvi uveo eksperimentalnu metodu, pokus
ustanovio metodom znanstvenoga istraivanja i zapoeo matematiko formuliranje fizikalnih
zakona, pa se zato smatra osnivaem klasine fizike i mehanike. U to vrijeme djeluje i, po
mnogima, najvei fiziar i znanstvenik koji je ikad ivio Isaac Newton. Kulminacija je fizike
17. st. bila izdavanje njegove Principie iz 1687. godine u kojoj su definirani temeljni pojmovi
i formulirana nova slika svijeta. Jedan od najveih znanstvenih genija svih vremena Isaac
Newton, svojim je djelom Matematika naela prirodne filozofije zauvijek promijenio
mehaniku i cjelokupnu fiziku. Svoje izuavanje mehanike Newton utemeljuje na poznavanju
djela slavnih prethodnika; objedinjuje spoznaje Galileija i Keplera u jednu teoriju gravitacije i
postavlja temelj klasinoj mehanici. Definira kljune pojmove mehanike: masu, koliinu
gibanja, silu i tromost, te formulira tri osnovna zakona gibanja. Koristi latinski pojam gravitas
za uinak koji danas zovemo silom teom i definira zakon ope gravitacije. Iako je mnogima
zvualo suvie tajanstveno, Newton postulira gravitaciju kao nevidljivu silu koja djeluje na
daljinu. Pojam sile kakav danas poznajemo, kao djelovanje koje mijenja stanje gibanja tijela,
proizlazi iz Newtonova koncepta sile, iz Newtonove dinamike.
Najviim naelom svakoga znanstvenog istraivanja se smatra pokus, a metoda koja se
predlae za dolazak do novih spoznaja jest metoda indukcije koja zapravo predstavlja
jedinstvo eksperimenta i racionalne spoznaje, no prije njezine primjene treba oistiti razum od
nagomilanih predrasuda. Tei se velikoj obnovi (temeljitoj preobrazbi znanosti i ivota
uope) i dri se da je cilj znanosti i filozofije opskrbiti ljudski ivot novim pronalascima i
dobrima, ovladati prirodom i poveati ovjekovu mo nad prirodom. Kritizira se dotadanje
filozofske i znanstvene misli i upozorava na potrebu revizije pojmova i metoda kojima su se
gradile znanstvene teorije. Smatra se da osnova spoznaje treba biti mogunost ovjeka da
svojim umom unosi red u prouavanje stvari te onda pravilno zakljuuje. Istie se vanost
logike analize, preciznoga zakljuka utemeljenoga na jasnim i jednostavnim naelima.
-
6
Prema legendi, na razmiljanje o gravitaciji Newtona je navela jabuka koja mu je pala
na glavu. U svojim Naelima iznosi da Zemlja privlanom silom djeluje na Mjesec i otklanja
ga od pravocrtne putanje. Ta sila, smatra Newton, opada s kvadratom njihovih udaljenosti. Isti
zakljuak primjenjuje za gibanje planeta uzrokovano privlaenjem Sunca. Prema treem
zakonu gibanja, i planeti privlae Sunce. Usporedbom ubrzanja sile tee i Mjeseeva
centripetalnoga ubrzanja zakljuuje da slobodni pad i kruenje Mjeseca oko Zemlje imaju isti
uzrok. Newton demonstrira konzistentnost Keplerovih zakona gibanja planeta i svoje teorije
gravitacije te tako pokazuje da se nebeska i zemaljska gibanja odvijaju po istim
zakonitostima. To je bilo prvo ujedinjenje sila u povijesti fizike koje je otklonilo posljednje
ostatke aristotelovske fizike i sve dvojbe oko heliocentrizma.
1.2.6 Izgradnja klasine fizike
Analitike se metode mehanike, razvijene u 18. st., tijekom 19. st. poinju
primjenjivati i na istraivanje fizikalnih pojava. Matematizirani koncepti o energiji u drugoj
su polovici 19. st. uzrokovali do tada najveu ekspanziju fizike, kao i preispitivanje
tradicionalnih ideja o fizikom svijetu. Newtonova fizika dobiva naziv klasina fizika. U
fizici 19. stoljea teilo se objanjenju svih fizikalnih podruja pomou mehanike, a sve se
vie stvaralo uvjerenje da je 19. stoljee steklo konana i sigurna znanja u fizici koja se vie
nee mijenjati nego samo dopunjavati novim istraivanjima. Smatralo se da su pronaeni
fizikalni zakoni, zajedno s onima koji e se tek pronai, dovoljni za odreenje budueg
razvitka svijeta.
19. stoljee je vrijeme teorija i eksperimentalnih doprinosa o izmjenjivosti mehanike,
kemijske, elektrine energije i topline, odnosno rada. Oblikuju se zakoni termodinamike,
uvodi pojam entropije i utemeljuje statistika fizika. Takoer, na samome poetku 19. st.
dolazi do spoznaje o povezanosti elektrinih i magnetskih pojava, to je nakon Newtonova
ukidanja Aristotelove nebeske i zemaljske fizike vodilo prema drugom velikom ujedinjenju
sila u povijesti fizike. Uvodi se koncept polja i uobliuje klasina elektrodinamika. Vrhunac
fizikih teorija, a ujedno i uvod u elektrotehniku revoluciju, bio je koncept svjetlosti kao
prijenosa energije u vidu elektromagnetnog vala, te otkrie elektromagnetnog zraenja.
Najvei mislioc tog vremena je zasigurno James Clerk Maxwell, koji po svojim zaslugama i
otkriima stoji uz bok Newtonu. Otkrie zakona elektromagnetizma i elektromagnetskih
valova, kao i njegovo statistiko tumaenje ustrojstva tvari, temelj su gotovo cjelokupnog
dananjeg tehnolokog napretka: od novih vrsta materijala do suvremene raunalne i
komunikacijske visoke tehnologije.
Fiziari su se sredinom 19. stoljea razliito odnosili prema problemu sile. Bilo je onih
koji su poricali postojanje sile, ali i onih koji su zastupali njezino postojanje, i to kao
fundamentalnog pojma u fizici. Fiziari su se zapravo dijelili na dinamiste i mehaniciste.
Meutim, ak su i mehanicisti izvodili Newtonov izraz za opu gravitaciju iz gibanja estica,
pa su tako formalno upotrebljavali isti izraz kao i dinamisti, ali su istodobno samo drukije
tumaili fizikalne veliine koje su ulazile u raun. Na taj nain su zapravo i jedni i drugi, iako
su se bitno razlikovali u svojim temeljnim koncepcijama, formalno gledajui izgraivali istu
klasinu fiziku.
-
7
Osim izgradnje klasine fizike imali su jo jednu zajedniku znaajku: i jedni i drugi
su vjerovali da se sve fizikalne pojave mogu objasniti pomou mehanike. I jedni i drugi su
smatrali da nova fizikalna otkria potvruju misao o mehanikom tumaenju svih fizikalnih
pojava.Takvi pogledi na fiziku, prirodne znanosti, kao i na znanost uope, uvjetovali su
sasvim nov odnos prema sigurnosti znanja i prema razvitku znanstvenih ideja. Tadanji
znanstvenici smatraju kako je njihovo znanje, iako nepotpuno, sigurna istina. To znanje treba
samo dopunjavati i time e se dolaziti sve blie potpunom apsolutnom znanju.
1.2.7 Suvremena fizika
Krajem 19. stoljea fizika je trijumfirala u svojoj uvjerenosti da se postignuta znanja
nee osporiti. Fiziari su bili neogranieno samouvjereni u sigurnost svojih znanja. Smatralo
se kako su svi vani problemi fizike rijeeni te da fiziari nemaju osobito to vie za otkriti.
Ali takva radost bila je kratkotrajna, ve poetkom 20. stoljea uslijedila su neka otkria koja
su pokolebala tadanju sigurnost i samouvjerenost, te donijela povijesne prevrate u shvaanju
prirode. Najvei od njih su bili teorija relativnosti i kvantna fizika. Kasnije je uslijedio jo
vei, eksponencijalni razvoj spoznaja iz fizike i znanosti openito, te je 20. stoljee razdoblje
mnogih tehnolokih revolucija.
Albert Einstein je 1905. u samo nekoliko mjeseci objavio pet kapitalnih znanstvenih
radova. U specijalnoj teoriji relativnosti proirio je zakone gibanja na pojave pri velikim
brzinama, bliskima brzini svjetosti. Istodobno je otkrio i postojanje formule za energiju
mirovanja tijela, ovisnu o masi, E0 = mc2, koja skriva tajnu goleme nuklearne energije. Osim
toga, poopio je Planckovu ideju o kvantizaciji energije: postavio je hipotezu da je svako
elektromagnetsko zraenje kvantizirano, tj. da ima osnovne kvante energije fotone. Tom je
smjelom pretpostavkom potvrdio kvantnu hipotezu i postavio temelje kvantnoj fizici.
Objasnio je i Brownovo gibanje i time udahnuo vjerodostojnost svim ranijim hipotezama o
atomskom i molekulskom ustrojstvu tvari. Svoj doprinos fizici okrunio je opom teorijom
relativnosti, u kojoj je zakone gravitacijskog privlaenja povezao sa svojstvom inercije, i time
otvorio put suvremenoj astrofizici i kozmologiji, novom poglavlju u fizici, posveenom
svojstvima svemira kakvog danas poznajemo, ali i njegovoj prolosti i budunosti.
Tijekom ovoga stoljea dolo je i do velikih otkria o strukturi atoma: 1911. godine
Ernest Rutherford otkriva atomsku jezgru sastavljenu od pozitivnih protona, a 1932. godine
James Chadwick otkriva neutron.
Poetkom su 20. st. Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr i drugi razvili temeljne
elemente kvantne teorije da bi objasnili nekonzistentnosti nekih fizikalnih eksperimenata, a
1925. godine su Werner Heisenberg i Erwin Schrdinger formulirali kvantnu mehaniku.
Razvoj je kvantne mehanike tijekom 20. st. doveo do stvaranja monih teorijskih alata za
nastanak i razvoj novih podruja fizike. Fizika vrstoga stanja poinje izuavati fizika
svojstva kristala i tekuina, kristalne strukture te, neto kasnije, poluvodie i pojavu
supravodljivosti.
Prije Drugoga svjetskog rata i za vrijeme njegova trajanja provode se intenzivna
istraivanja u podruju nuklearne fizike s ciljem dobivanja nuklearnoga oruja. Savezniki
projekt Manhattan, predvoen Enricom Fermijem, prvi je ostvario taj cilj: 1942. godine
postignuta je prva nuklearna lanana reakcija, a 1945. godine je u New Mexicu (SAD)
izvedena prva atomska eksplozija.
-
8
Tijekom 20. st. se razvija i kvantna teorija polja, koja ujedinjuje kvantnu mehaniku i
specijalnu teoriju relativnosti. Svoj suvremeni oblik dostie polovicom 20. st. u radovima
Feynmana i drugih. Kvantna je teorija polja osigurala kvalitetan okvir za razvoj fizike
elementarnih estica, koja izuava fundamentalne sile i elementarne estice. Godine 1954.
Yang i Mills postavljaju temelje koji dovode do tzv. standardnoga modela, upotpunjenoga u
drugoj polovici 20. st., koji uspjeno opisuje tri od etiri fundamentalne interakcije izmeu
elementarnih estica od kojih se sastoji sva poznata materija (model ne ukljuuje gravitaciju).
1.3 Status prirodnih znanosti kroz povijest
Znanost je prolazila kroz razliite faze svojeg razvitka, naune teorije su se mijenjale,
pogledi na probleme i njihovo rjeavanje su se usavravali i mijenjali svoj opseg. Ba kao i
znanost openito, nastava fizike je takoer prolazila svoje faze.
Starim Grcima i Rimljanima nije bio cilj da se uenici bave dubljim prouavanjem
fizikalnih pojava ve je njihov odgojni ideal bio stvoriti dravnika. Meutim, bitno je da je
ve tada sam odgoj shvaen kao najvaniji drutveni zadatak. Kod Grka je fizika pomagala pri
stvaranju filozofskih tema, a naueno se prenosilo usmenom predajom. Tek su ih rijetki
zapisivali u svojim djelima kao na primjer Aristotel. Kasnije se vanost fizike kao znanosti
promijenila pa su stari Rimljani gradili filozofske, medicinske i graditeljske kole u kojima se
pouavala fizika. tovie, upoljavali su posebne uitelje te se pobrinuli i za posebne
prostorije u kojima se takva nastava odravala. Openito, Rimljani su se zalagali za tzv.
radosnu nastavu i smatrali su da djecu treba dobro upoznati, individualno im pristupati,
voljeti ih, pohvaljivati. Javljaju se prve ideje kako gradivo treba dijeliti na smislene cjeline.
U srednjem vijeku otilo se nekoliko koraka u nazad. Propast Rimskog Carstva i
prevlast Crkve nije povoljno utjecala na razvitak prirodnih znanosti. Uenik je morao preuzeti
ulogu dobrog i poslunog kranina koji ne postavlja previe pitanja nego prihvaa crkvene
dogme. Uitelji/odgajatelji su bili svirepi, a samo uenje se svodilo na mehaniko
zapamivanje.
No ve se u 16. stoljeu kidaju okovi crkvenog dogmatizma, a Aristotel vie nije jedini
autoritet. Pomalo se prihvaaju i Kopernikova pouavanja. Javljaju se sve odluniji zahtjevi
za uvoenjem prirodnih znanosti u kole, no trebalo je proi jo dosta vremena dok se to i ne
obistini pod pritiskom bogatog sloja drutva kojem je bio potreban obrazovani kadar.
Prekretnicu je nagovijestilo razdoblje renesanse. Meutim, iako tada nastaju vane
nove ideje istaknutih pojedinaca, prirodne su znanosti i dalje teko nalazile svoje mjesto u
drutvu. Zbog neslaganja s tada postojeim dogmama brojni istaknuti pojedinci nali su se na
udaru vladajuih drutvenih struktura, poglavito Crkve, a njihova su djela bila zabranjivana.
Sredinom 17. stoljea, nakon dugog razdoblja nemira, ratova, poara i epidemija, stanje u
Europi se donekle sredilo. Dolo se do konsenzusa da uitelje treba znanstveno educirati.
Osniva se prva znanstvena akademija 1659. u Toskani, 1662. osniva se Kraljevsko drutvo u
Londonu, 1666. Akademija znanosti u Parizu i taj val se proirio cijelom Europom. Cilj
nastave je bio razumjeti gradivo, a vodilo se rauna o osobinama djece i njihovoj aktivnosti u
nastavi. Ve su tada neki humanisti uvidjeli kako je krajnja svrha nastave zapravo razvijanje
djejeg miljenja, a glavno naelo bi nastave bi trebalo biti osposobljavanje za
samoobrazovanje i utilitarizam. Ipak, te ideje su se poele realizirati tek krajem 18. stoljea.
-
9
Krajem 18. st. razvila se tehnologija koja je nastojala stei mo nad ljudskom
produktivnou i njome ovladati. To je dovelo do industrijske revolucije i jaanja tehnolokih
institucija u drutvu. Sve uspjenija tehnologija poinje pretendirati na onu drutvenu poziciju
koju je filozofija prirode stjecala prethodnih 200 godina. Ta nova situacija, nastala
industrijskom revolucijom, i pokuaj podreivanja filozofije prirode tehnologiji, postavila je
pred filozofiju prirode zadau da redefinira svoje podruje rada i ponovno uspostavi svoju
ulogu u drutvu. Uvedeni su novi nazivi prirodne znanosti i prirodoznanstvenik umjesto
filozofija prirode i filozof prirode, utvrena su stroga pravila i standardi za one koji ele
postati prirodoznanstvenici. Prirodoznanstvenici su se povlaili u osamu sveuilita. Proces
redefiniranja je dovren do 1860. kad je fizika, zajedno s kemijom, biologijom i geologijom,
uvrena kao disciplina i kao administrativna jedinica unutar sveuilita. Na taj nain je
filozofija prirode preoblikovana u profesionalizirane prirodne znanosti koje su usredotoile
nastojanja na intelektualnu znatielju i na znanje zbog samoga znanja. Istodobno su
prirodoslovni predmeti uvedeni u javne kole, u vie razrede gimnazija. Njihovi kurikulumi su
modelirani u skladu sa svjetonazorom prirodnih znanosti: znanje poradi znanja, ignoriranje
praktinih znanja, zanemarivanje uloge prirodnih znanosti u drutvu i njihove odgovornosti
spram drutva. Svrha pouavanja prirodnih znanosti bila je pripremanje uenika za studij tih
znanosti na sveuilitu. U kurikulumima se naglaava ista apstrakcija i demonstrira estetsko
jedinstvo discipline, dok su praktino znanje i drutveni aspekti sasvim iskljueni. Problem je
u tome to je u nekim sredinama tako i danas.
Tek u 19. stoljeu poinje nastava fizike bazirana na promatranju i eksperimentiranju.
No provoenje te nastave i dan danas zapinje. Poetkom prolog stoljea problem je bio
nedostatak kvalificiranog kadra jer fakulteti nisu pripremali studente za takvu vrstu nastave.
To je vrijeme kad se uvidjelo da je za uenje bitan razvoj misaonih sposobnosti i motivacije,
te da treba kombinirati aktivno uenje (temeljem vlastita iskustva) i pasivno uenje (u koli).
Takoer se uvidjela nunost individualnog pristupa svakom djetetu, kao i sloboda nastavnih
oblika i metoda.
U 20. stoljeu nastaje nagli i uspjean razvoj prirodnih znanosti, ali i ubrzane
drutvene promjene. Prirodne znanosti i tehnologija povezale su se u novu drutvenu snagu
pod nazivom istraivanje i razvoj. Prirodne znanosti dobivaju velika sredstva, partnerstva s
vladom, vojskom i industrijom. Smanjuje se procijep izmeu iste i primijenjene
znanosti. Razvoj visoke tehnologije zasniva se na rezultatima prirodnih znanosti.
Danas znanstvenici postaju spremniji primijeniti svoje znanje u rjeavanju svjetskih
problema. Sve vee drutveno znaenje prirodoznanstvenog znanja dananja je realnost.
Prirodne se znanosti razvijaju u svijetu meudjelovanja politike, ekonomije i rata.istom
znanou bavi se tek mali dio akademskih znanstvenika, a i oni ne mogu izbjei politiko
lobiranje za dobivanje projekata i sredstava. Dananji kolski prirodoznanstveni predmeti
odiu akademskim idealizmom 19. stoljea, to nije u skladu s realitetom u kojemu
funkcioniraju prirodne znanosti poslije Drugoga svjetskog rata. To stanje se nastoji
promijeniti. Svrha pouavanja prirodnih znanosti postaje prirodoznanstveno opismenjivanje
ukupne populacije i jaanje njihove sposobnosti za djelovanje. U tom se smislu radi na
kurikularnim reformama u kojima pretee ideja tzv. Science-technology-society pristupa,
putem kojega se u nastavi prirodnih znanosti pokuava naglasiti povezanost i meudjelovanje
prirodnih znanosti, tehnologije i drutva.
-
10
2. Razvoj psihikog ivota
Sposobnosti i znaajke ovjekova ponaanja rezultat su dvaju razvojnih procesa:
razvoja ljudske vrste i razvoja pojedinca od njegova zaea.
Razvoj ljudske vrste tekao je milenijima u obliku postupnog usavravanja i
specijalizacije dijelova ljudskog organizma. Procesima adaptacije, tj. prilagoavanja na
promjenjive vanjske okolnosti i odabiranja za opstanak samo najprilagoenijih oblika
usavravalo se ponaanje do onih oblika koje danas poznajemo kao najvii stupanj prilagodbe
u ivom svijetu ljudsko ponaanje.
Ponaanjem ivotinja preteito upravljaju instinkti. To su gotove, sloene radnje u
kojima su unaprijed, bioloki utvreni oblici ponaanja i situacije koje e ih izazvati.
Sezonska seoba ptica, gradnja gnijezda, podjela rada u pelinjaku, briga za mladunad, sve
su to sloene, ali priroene, nenauene radnje, reakcije organizma ivotinje na okolne
promjene (temperatura) ili promjene u organizmu (razina hormona i sl.). Ljudskim
ponaanjem ne upravljaju takvi gotovi modeli ponaanja koji bi bili ve ugraeni u ivani
sustav u trenutku roenja. Najvei je dio ljudskog ponaanja elastian, promjenjiv,
prilagodljiv situaciji i zato se u ljudski ivani sustav tek moraju ugraditi sloeni modeli
ponaanja koji su rezultat iskustva i ponavljanja iskustva uenja.
Razvoj ovjeka (kao ljudske jedinke) od njegova zaea bitno je drugaiji od razvoja
ivotinjskog mladuneta, i to ne samo zbog prednosti u savrenijoj biolokoj strukturi, ve i
zbog specifinosti ljudskog iskustva.
Iskustvo koje stjee pojedinac tijekom svoga individualnog razvoja jest socijalno
iskustvo. Za razliku od ivotinjkog svijeta u kojemu svaka pojedinana ivotinja mora iznova
razvijati svoj bioloki zadani repertoar i svaka generacija poinje od poetka, ljudsko se
iskustvo prenosi i ono se zato kumulira: svaka generacija zna vie od prethodne i prenosi to
iskustvo na svakog pojedinca tijekom njegova individualnog razvoja. Taj prijenos se ostvaruje
pouavanjem.
2.1 imbenici razvoja
Pitanje o naslijeenosti ili steenosti ljudskih osobina vano je ne samo za psihologiju
ili pedagogiju, nego i za svakodnevni praktini odgoj i obrazovanje. Ako su osobine pojedinca
potpuno ili najveim dijelom odreene nasljedno, znai da dijete u trenutku roenja nosi u
sebi gotov nacrt buduih osobina. Nikakva nastojanja okoline nee moi promijeniti takav
gotov nacrt. S druge pak strane, ako se dijete raa kao ista ploa na kojoj e tek njegovo
budue iskustvo ostaviti tragove i tako ga oblikovati, samo je okolina odgovorna za ono to e
se iz djeteta razviti. Iz takvih razmiljanja o odgovornosti ili slobodi od odgovornosti drutva
za razvoj ovjeka, dolaze dva meusobno oprena stava. Nativizam (lat. nativus = uroen) je
shvaanje da je cjelokupan psihofiziki razvoj posljedica naslijeenosti. Prema njemu su sve
budue djetetove osobine ve odreene u trenutku njegova zaea. Hoe li se u djeteta razviti
odreene osobine ovisi samo o tome jesu li djetetovi preci i roditelji posjedovali te osobine, a
nita ili malo moe se postii odgojem i obrazovanjem.
-
11
Suprotno stanovite je empirizam (gr. empeiria = iskustvo). To je shvaanje da su sve
osobine koje e dijete stei posljedica njegova iskustva. Prema tome, ono to e odrediti
djetetove osobine je: priroda djejeg iskustva, kvaliteta okoline u kojoj dijete raste,
mogunosti za uenje i vrste stimulacije koje okolina prua.
U suvremenoj znanosti prevladava stanovite, utemeljeno na istraivanju, da u razvoju
ovjeka vanu ulogu ima istodobni utjecaj i nasljednih i okolinskih imbenika, te da je njihov
odnos ak interakcijski. Svaki je pojedinac upravo zato toliko jedinstven i neponovljiv jer se
razvijao pod utjecajem razliitih kombinacija specifinih naslijeenih karakteristika (graa
organizma, tipina podraljivost i osjetljivost ivanog sustava, elastinost i prilagodljivost
ivanog tkiva) i uvjeta za razvoj (neposredna drutvena okolina: roditelji, braa i sestre,
vrnjaci, susjedstvo, uitelji, nastavnici i profesori; ira drutvena zajednica: drutvo u
najirem smislu, drutveno-ekonomski odnosi, tip drutvenog ureenja). Ono to nasljee
pridonosi razvoju jesu mogunosti razvoja. To znai da su nasljeem odreene granice do
kojih se pojedinac moe razviti, a utjecaji okoline odredit e u kojoj e se mjeri potencijalni
nacrt razvoja ostvariti. Prema tome, pogreno je pitati Koji je imbenik bitan nasljee ili
okolina?. Da napravimo kruh, treba nam tijesto i visoka temperatura. Besmisleno je pitati je
li za kruh vanije tijesto ili peenje. Tako su i jedna i druga skupina imbenika nuni uvjeti
razvoja.
Osim utjecaja naslijea i okoline, za razvoj sposobnosti i osobina pojedinca, vana je i
ovjekova aktivnost. U prvim godinama ovjekova ivota, tipina aktivnost je baratanje
predmetima, u kasnijoj dobi tipina aktivnost je igra, a u kolskoj stjecanje pojmova i
organizirano uenje.
2.2 Kognitivni (spoznajni) ili intelektualni razvoj
Sposobnost spoznavanja vanjskog svijeta, uoavanje veza i odnosa meu stvarima i
pojavama, te mogunost rjeavanja problema i prilagoavanja na nove i promjenjive situacije,
postupno se stjee i usavrava od roenja do kraja adolescencije. Taj razvoj obuhvaa
nastajanje i usavravanje mnogih psihikih funkcija i naziva se jednim imenom kognitivni
(spoznajni) ili intelektualni razvoj.
Brojna prouavanja kognitivnog razvoja dala su rezultate koji uglavnom govore o
tome kada djeca ovladavaju misaonim funkcijama (kao to su npr. stjecanje pojmova,
definiranje pojmova pomou viega rodnog pojma, tj. pojma klase, mogunost apstrakcije i
generalizacije, hipotetinost i apstraktnost miljenja itd.). Ovi rezultati pokazuju da postoje
velike slinosti u razvoju djejeg miljenja u djece razliitih naroda i socijalnih sredina.
Najpotpuniji prikaz razvoja djejeg miljenja dao je Jean Piaget koji opisuje etiri
jasno odreene faze i velik broj podfaza u njihovu sklopu. U svakoj je fazi sadran opis onoga
to djeca odreene dobi mogu ili ne mogu dokuiti miljenjem, tj. kojim misaonim
operacijama mogu baratati. O osnovnim znaajkama miljenja u etiri glavne Piagetove faze
vie u iduem poglavlju.
-
12
3. Nastava fizike
U drugoj polovini 19. stoljea fizika se uvodi u kolu kao zaseban predmet. Paralelno s
nastavom fizike razvija se i disciplina pod nazivom metodika nastave fizike. Njena temeljna
problematika je istraivanje i pronalaenje uinkovitih naina prirodoznanstvenog
opismenjivanja ukupne populacije, a posebno uenika, te istraivanje meudjelovanja
prirodnih znanosti, tehnologije i drutva.
Tradicionalno se fizika pouavala kao mnotvo manje ili vie meusobno povezanih
injenica i informacija. Meutim, pedesetih i ezdesetih godina 20. stoljea postalo je jasno
da, ak ako i pretpostavimo da dio uenika stekne izvjesno deklarativno znanje, to nije
dovoljno. Ubrzo je postalo jasno da je takav tradicionalni nain pouavanja daleko od
optimalnog, pa dolazi do velikog zaokreta u metodici nastave fizike. Javlja se ideja o nunosti
interakcije u uenju i pouavanju, a prvi korak u tom smjeru je nainio vicarski psiholog
Jean Piaget u svojoj teoriji kognitivnog razvoja. Slijedei je korak bila spoznaja da veliku
ulogu u uenju imaju uenike intuitivne ideje ili pretkoncepcije. Trei korak je pojava
edukacijskog konstruktivizma, koji povezuje i usustavljuje Piagetove ideje i problematiku
pretkoncepcija te ih povezuje s postignuima filozofije prirodnih znanosti.
3.1 Utjecaj Jeana Piageta
Poetak velikih promjena u pristupu problematici nastave fizike sredinom 20. stoljea
izravno je povezan s utjecajem ideja Piagetove teorije kognitivnog razvoja djeteta. Piaget je
za svoja istraivanja o razvoju miljenja djece rabio pitanja i testove s fizikalnom
problematikom, i zato su njegove ideje jako utjecale na metodiare fizike. Piaget je i
utemeljitelj modernog edukacijskog konstruktivizma i time je njegov utjecaj na suvremenu
metodiku fizike jo i vei.
Jedan je od najvanijih Piagetovih zakljuaka da je za kognitivni rast pojedinca bitno
njegovo aktivno mentalno sudjelovanje u razrjeavanju predoenih problemskih situacija.
Kognitivna struktura moe se razvijati samo na temelju ve postojee, a to se postie daljnjom
dogradnjom znanja ili restrukturiranjem postojee mentalne strukture. U tom razvoju jednu od
temeljnih uloga ima drutvena transmisija (kasniji termin: interakcija). Razlog tomu je to se
pokazalo da dijete operira iz izrazito egocentrinog referentnog sustava. Egocentrizam u
djejem miljenju tumai se prvotnom djetetovom nesposobnou da razlikuje sebe od okline.
Egocentrizam djeteta oituje se kao priroda njegovih misli koje ponajprije imaju zadau
opisivanja ili usmjeravanja vlastite aktivnosti. Egocentrizam se oituje i kao nesposobnost
zauzimanja tueg stajalita, tueg motrita u percepciji. Na primjer, ako se predkolskog
djeaka upita ima li njegov brat brata, odgovor e biti ne, jer se djeak ne moe uivjeti u
poloaj svog brata, kako bi opazio svoj odnos prema njemu. Kako bi se taj djeji egocentrini
svijet prodrmao dijete mora iskusiti i stajalita drugih. Ako ne komunicira i ne interagira s
okolinom, ono nee mijenjati mentalne strukture koje su nastale iz njegovog egocentrinog
sustava, a koje mogu biti neadekvatne i voditi pogrenom nainu miljenja. Primjenom tog
naela na nastavni proces, proizlazi da u razredu treba ostvariti naglaenu interakciju. Mora se
ostvariti, uz interakciju izmeu nastavnika i uenika, i interakcija u sklopu cijelog razreda.
Preporuuje se da interakcija ima oblik koordinirane otvorene rasprave u kojoj dolazi do
razmjene informacija i ideja, do sukoba miljenja, argumentiranih debata, te do proiavanja
i jasnijeg uobliavanja ideja.
-
13
Najpoznatiji Piagetov rezultat je njegova teorija kognitivnog razvoja djeteta, poevi
od roenja do adolescencije. Ukupni kognitivni razvoj Piaget je podijelio na 4 faze. Svaka
faza je okarakterizirana mogunostima miljenja djece, ali i ogranienjima u miljenju.
Pretpostavka je da se razvoj u svih osoba zbiva po odreenom redoslijedu, od manje efikasnih
do efikasnijih naina razmiljanja. Faze su redom od roenja djeteta:
1. Psihomotorna faza (0 2. godine). U tom se razdoblju najprije razvijaju refleksi i osnovne navike. Postupno se razvija i postie svijest o permanentnom postojanju
materijalnih objekata; postie doivljaj stalnosti predmeta: shvaa da predmeti
postoje iako nisu dostupni njegovim osjetilima. Ovaj stadij nije posebno znaajan
za nastavnike fizike.
2. Predoperacijska faza (2. 7. godine). U ovom se razdoblju dalje razvija jezik (predstavljanje predmeta pomou slika i rijei), razliita iskustva pokuavaju se
spojiti u cjelinu. Stvara se osobni svijet, uz jako naglaeno egocentrino miljenje,
teko mu je preuzeti tue motrite. Razvija se intuitivna misao i transduktivno
miljenje prelazi se od jednoga pojedinanog svojstva na drugo, a da se ne
prelazi preko opeg. Potkraj faze dijete moe klasificirati predmete, i to samo
prema jednom obiljeju: npr. po boji bez obzira na oblik, ili obrnuto. Dijete nema
sposobnost ureivanja i preureivanja podataka iz konkretnog iskustva ili dobivene
u eksperimentu. Nije razvijena sposobnost kauzalnog miljenja. Dijete ne uoava
vremenski slijed uzroka i posljedice.
3. Faza konkretnih operacija (7. 11. godine). Dijete se u ovom razdoblju ivota razvija iz predoperacijskog stadija prema razini u kojoj je u stanju izvoditi misaone
operacije. Veina djece s navrenih 11 godina dosee razinu konkretnih misaonih
operacija. Postoji mogunost logikog zakljuivanja o stvarima i dogaajima.
Osoba na ovoj razini razvitka u stanju je intuitivno primjenjivati jednostavne
zakone ouvanja i misliti kauzalno, ali samo ako se te mentalne operacije odnose
na sasvim konkretne objekte. Dijete moe klasificirati predmete prema nekoliko
obiljeja istodobno, a moe ih poredati u niz prema jednom obiljeju, npr. prema
veliini.
4. Faza formalnih (apstraktnih) operacija (od 11. godine nadalje). Osoba koja dostigne ovaj stadij kognitivnog razvoja nema svih onih ogranienja koja
karakteriziraju konkretnog mislioca. Formalni mislilac je u stanju razmiljati
apstraktno i rabiti u razmiljanju propozicijsku logiku. Moe logino razmiljati o
apstraktnim tvrdnjama i sustavno provjeravati pretpostavke. Zanima ga
pretpostavljeno i budua dogaanja.
Za nastavu fizike, koja kod nas zapoinje u 7. razredu osnovne kole, kada se djeca
nalaze u dobi od 13 godina, najvanije su karakteristike posljednjih dviju faza miljenja.
Uenici koji se u koli prvi put susreu s fizikom, nalaze se u prijelaznoj fazi razvoja od
konkretnog prema formalnom nainu miljenja. To je vrlo vano za strukturiranje i izvoenje
nastave. Zato bi nastavni sadraji trebali biti predoeni na razini koja je primjerena danoj
dobi, odnosno nastavne sadraje treba strukturirati i razraditi tako da oni u procesu uenja
povoljno djeluju na razvoj kognitivnih struktura uenika.
-
14
3.2 Uenike intuitivne ideje ili pretkoncepcije - uoavanje
njihovih uloga
Svjesno iskustvo se ureuje kognitivnim modelima, tzv. konceptima. Stalno rastue
iskustvo ureuje se u konceptualnu organizaciju tog iskustva. Sposobnost simboliziranja
omoguuje apstraktnu konceptualizaciju.
Koncepti su paketi znaenja, obuhvaaju slinosti i razlike, uzorke, ili veze meu
objektima, dogaajima i drugim konceptima. Svaki je koncept presjecite mnotva relacija.
Koncepti ne mogu biti ni istiniti ni lani, nego samo konkretni ili apstraktni, sretno ili manje
sretno odabrani, korisni ili manje korisni. Zbog kompleksnosti koncepata njihovo je usvajanje
dug proces koji nema zavretka. Koncepti se nikada ne razviju do konanog, zavrnog oblika,
niti u svijesti osobe niti u korpusu znanja znanosti. U fizici su mnogi primjeri za to: masa,
elektron, elementarni elektrini naboj, itd., pa ak i neki elementarni koncepti kao to je teina
danas nemaju konsenzualnu definiciju.
U 1970-im godinama uoeno je da uenici prije uenja odreenog znanstvenog
koncepta nisu tabula rasa glede tog koncepta, ve o njemu imaju odreene ideje koje su stekli
na temelju ivotnog iskustva i pojednostavljenog zakljuivanja. Uoeno je da i u uenju fizike
veliku ulogu imaju takve uenike intuitivne ideje ili pretkoncepcije, te da se njima mogu
tumaiti znatne potekoe koje uenici imaju u konceptualnom razumijevanju fizike. Te
pretkoncepcije su spontano formirani koncepti koji se najee ne podudaraju sa znanstvenim
koncepcijama pa ine ozbiljnu prepreku u ispravnom konceptualnom usvajanju znanstvenog
znanja u koli. Od osamdesetih godina 20. stoljea pa sve do danas, nastao je veliki broj
istraivanja uenikih predkoncepcija u razliitim podrujima fizike. Jedno takvo istraivanje,
u podruju nuklearne fizike i fizike estica, provedeno je meu studentima PMF-a, a rezultati
istraivanja predstavljeni su u iduim poglavljima ovog diplomskog rada.
Uenike koncepcije razvijaju se i mijenjaju tijekom vremena, ali su vrlo tvrdokorne i
vrlo ih je teko promijeniti. Meutim, iako rijee, pretkoncepcije mogu biti most prema
usvajanju znanstvenih koncepata. Kako bi se to postiglo, a eliminirao njihov tetan utjecaj,
nastavni proces mora biti naglaeno interaktivan. U nastavnom procesu, prilikom interaktivne
obrade sadraja, prvi korak je identifikacija uenikih pretkoncepcija, odnosno njihovo
prepoznavanje. Drugi korak je poticanje procesa konceptualne promjene u kojem uenik
odustaje od svoje pretkoncepcije i zamjenjuje ju znanstveno ispravnom koncepcijom. Taj
proces potie nastavnik pogodno odabranim situacijama, pitanjima i argumentima, ali bitan i
aktivan sudionik tog procesa je sam uenik. U naglaeno interaktivnom ozraju uenik
odustaje od svoje pretkoncepcije tek kad mu se u raspravi predoe njemu uvjerljivi argumenti.
Proces konceptualne promjene organizira i vodi nastavnik, ali je uenik taj koji tijekom
interakcije odluuje hoe li napustiti i rekonstruirati svoju pretkoncepciju. Rezultat ovisi o
uvjerljivosti argumenata i nije dovoljno da nastavnik ukae ueniku na njegove
pretkoncepcije, te da mu naprosto kae kojim ih znanstveno ispravnim koncepcijama mora
nadomjestiti. Sam autoritet nastavnika i znanosti nije dovoljan da uenik odustane od svojih
pretkoncepcija nego su potrebni uvjerljivi argumenti. Uenik odbacuje svoju koncepciju tek
kad se ona pokae nezadovoljavajuom, odnosno tek kad uvidi da je postala nefunkcionalna.
Takoer, da bi odbacio svoju intuitivnu ideju, nova ideja mora biti razumljiva i otpoetka
djelovati uvjerljivo, te mora djelovati plodonosnije od stare. Konaan cilj konceptualne
promjene je integracija uenikog privatnog i kolskog znanja u integralno ueniko znanje
koje je u skladu sa znanstvenim znanjem.
-
15
3.3 Konstruktivistiki pristup nastavi fizike
Konstruktivizam je kao filozofski pokret u modernom obliku nastao u drugoj polovici
20. stoljea, a danas je prevladavajui pokret u filozofiji znanosti. Edukacijski konstruktivizam
je inaica konstruktivizma usredotoena na proces uenja i pouavanja. Edukacijski
konstruktivizam danas pokuava povezati Piagetove ideje, utjecaj uenikih pretkoncepcija i
teoriju konceptualne promjene u jednu koherentnu sliku o problematici uenja. Temeljne
karakteristike edukacijskog konstruktivizma su da znanje nije mogue prenijeti pasivnom
primatelju i da je znanje rezultat osobne konstruktivne aktivnosti.
Sve postojee znanje rezultat je ljudske konstrukcije. U procesu stvaranja znanja bitnu
ulogu ima konstruktivna aktivnost svijesti u stvaranju i interpretaciji iskustva. Ulazni se
podaci procesiraju i transformiraju putem slijeda kognitivnih struktura, a konani rezultat tog
procesiranja informacija i iskustva jest znanje. Znanje i ideje nije mogue pretoiti u uenike
glave izravnim prenoenjem, nego uenici moraju za sebe konstruirati njihovo znaenje.
Jo jedna bitna karakteristika edukacijskog konstruktivizma je da nastavnik
konstruktivist ne smatra da je ono to on pouava konana i apsolutna istina. U prirodnim
znanostima moe se rei jedino da je to najbolji nain razmatranja dane situacije. Openito,
postignua znanosti ne znae istinu o objektivnom svijetu, i nisu apsolutna; ona su privremena
i pogreiva, ali daju najbolji prikaz prirodnih pojava i situacija u odreenom vremenu.
Na temelju konstruktivistikih ideja u razredu se ostvaruje atmosfera koja maksimizira
uenje uenika. Pri izvoenju nastave fizike, ozraje u uionici treba biti takvo da uenicima
omoguuje konstruktivistiki nain uenja, tj. konstruktivno razmiljanje, osobno
konstruiranje i rekonstruiranje ideja u koordiniranoj raspravi u kojoj se razmjenjuju miljenja
i postie nekakav oblik konsenzusa. Najbolji nain da se to ostvari je da se novi sadraji daju
u obliku zanimljivih i primjerenih problemskih situacija u ijem razrjeavanju aktivno
sudjeluju svi uenici. Bitno je da nastavni proces bude izrazito interaktivan. Izlaganja
nastavnika ne smiju biti dugaka, nego on treba aktivno sudjelovati u raspravi. Uloga
nastavnika je da priprema odgovarajue problemske situacije i da koordinira raspravom.
Nastavnik mora voditi rauna o onome to uenik zna, maksimizirati interakciju meu
uenicima tako da oni mogu raspravljati, te pokusima omoguiti mnotvo iskustava na kojima
se gradi njihovo uenje.
Nove koncepte ne treba uvoditi formalnim definicijama, bilo verbalno ili u obliku
matematike formule, nego ih treba uvoditi operacijski, tj. kroz problemsku situaciju u kojoj
uenici tijekom rasprave uviaju da je u svrhu boljeg opisivanja pojave poeljno uvesti novi
koncept. Bitno je imati na umu da uenici nisu tabula rasa, nego ve imaju neko raspoloivo
znanje koje je jedini temelj na koji mogu nadograivati novo znanje. Iz tog razloga, bitna
uloga nastavnika je da stekne uvid o tome kojim konceptima uenici raspolau. To
identificiranje uenikih pretkoncepcija od kljune je vanosti za uspjeno provoenje
procesa konceptualne promjene.
-
16
4. Konceptualni test iz nuklearne fizike i fizike estica
4.1 Konstruiranje konceptualnog testa
Istraivanjem konceptualnog razumijevanja nuklearne fizike i fizike estica, te pojmova pomou kojih se interpretiraju pojave i izraavaju zakonitosti u tim podrujima
fizike, dobiva se uvid o nainu razmiljanja ispitanika. Takvim istraivanjem se dolazi do
njihovih ideja vezanih uz ta podruja i openito do ideja koje ispitanici smatraju prikladnim
za opis pojava koje primjeuju, te se dobiva uvid o iskustvu koje oni posjeduju i primjenjuju.
Proces konstrukcije konceptualnog testa temelji se na istraivanju podruja ije se
razumijevanje eli ispitati. Kako bi se u potpunosti ispitalo razumijevanje nekog podruja
fizike potrebno je provesti opseno istraivanje. To nije lagan ni brz posao, jer je nuno
osmisliti dobra pitanja i istovremeno obuhvatiti sve fundamentalne pojmove.
Nakon osmiljavanja 37 pitanja s potpitanjima (ukupno 60-ak pitanja), idui korak je
bio razgovor s ispitanicima. Ta ciljana pitanja su bila kostur razgovora, ali sam tok razgovora
nije bio striktno odreen i mogao se razlikovati od ispitanika do ispitanika. Na neka od pitanja
bili su ponueni i neki odgovori izmeu kojih su se ispitanici mogli odluiti za onaj koji
smatraju da je toan ili najblii tonom. Najee je osim odgovora bilo potrebno iznijeti i
svoja razmiljanja odnosno argumente za odabrani odgovor. Svi razgovori su voeni u
oputenoj atmosferi, izrazito interaktivno, te je zato bilo mogue detaljno ispitati prirodu
pojedinih potekoa u istraivanom podruju. Razgovori su u prosjeku trajali 40-ak minuta,
snimani su i naknadno presluavani te su se zapisivali najei odgovori.
Na osnovu presluanih razgovora i dobivenih informacija, te najzastupljenijih
pogrenih odgovora, konstruiran je konceptualni test iz nuklearne fizike i fizike estica. Test
sadri 28 pitanja koja pokrivaju podruja jezgara, radioaktivnosti i estica. Pitanja su tipa
viestrukog izbora s 5 ponuenih odgovora od kojih je 1 odgovor toan ili najblii tonom.
Ponueni pogreni odgovori (distraktori) predstavljaju najzastupljenije predkoncepcije, a do
njih se dolo na temelju presluanih razgovora. Sva pitanja su konceptualnog karaktera,
ispituju razumijevanje odreenih pojmova i koncepata, te ne zahtijevaju nikakav oblik
raunanja.
4.2 Primjena konceptualnog testa
Primjena pismenog testa, s pitanjima viestrukog izbora, korisna je u odreivanju
uestalosti pogrenih ideja i miskoncepcija kod grupe ispitanika na kojoj se test primjenjuje, a
takoer moe biti indikativna i za iru populaciju.
Konceptualni test iz nuklearne fizike i fizike estica proveden je na studentima
prirodoslovno-matematikog fakulteta. Vrijeme pisanja testa je bilo ogranieno na 45 minuta.
Rjeavanju testa je pristupilo 26 studenata fizike: 17 studenata profesorskog smjera i 9
studenata istraivakog smjera. Svi oni posjeduju viegodinje iskustvo uenja fizike, to u
srednjoj koli, to na prvim godinama fakulteta.
-
17
Jo treba napomenuti da bi za vjerodostojnije rezultate bilo bolje da je broj ispitanika
vei, meutim i zakljuci dobiveni istraivanjem na ovom manjem uzorku mogu biti
indikativni.
Testovi su ispravljani runo, a rezultati obraeni kombinirano runo i Excelom.
Analizom rezultata eli se dobiti uvid u ope stanje uspjeha na testu i postotak rjeivosti
pojedinih pitanja, ukupno i po smjerovima.
4.3 Pregled dobivenih rezultata testiranja
Analizirajui odgovore studenata profesorskog i istraivakog smjera, koji su bili
testirani ovim konceptualnim testom, pokuat emo vidjeti koje su najee miskoncepcije, te
koja podruja nuklearne fizike i fizike estica su najloije svladana i predstavljaju najvei
problem.
Na grafikonu 1 poredani su zadaci od prvog do posljednjeg te je svakom zadatku
pridruen postotak rjeivosti. Moemo vidjeti kako 2 najuspjenije rijeena zadatka imaju
85% tonih odgovora, dok je najloiji uspjeh ostvaren u rasponu od 8% do 23% tonih
odgovora. Vrlo lo uspjeh ostvaren na pripadajuim zadacima sugerira na problematiku koju
predstavljaju studentima i zato emo te zadatke detaljnije analizirati te vidjeti zato su ba oni
studentima predstavljali najvei problem.
Grafikon 1. Prikaz postotka tonih odgovora
Vidljivo je kako se postotak rjeivosti razlikuje od zadatka do zadatka pa ih se, radi
bolje preglednosti i lake analize, moe poredati po uspjenosti rjeavanja, te grafikonom 2
prikazati njihov poredak po teini.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
% t
on
ih o
dgo
vora
redni broj zadatka
POSTOTAK TONIH ODGOVORA PO ZADACIMA
-
18
Grafikon 2. Prikaz teine zadataka
Moemo vidjeti kako je najmanje tonih odgovora, samo 8%, ostvareno na 23.
zadatku, te 12% tonih odgovora na 7. zadatku. Slijedi zadatak 2 (15%), zadatak 14 (19%) i
zadatak 5 sa 23% tonih odgovora. Te emo zadatke detaljnije analizirati, uz napomenu kako
su podebljano oznaeni odgovori toni odgovori.
23. Da li zakon ouvanja mase vrijedi i u mikrosvijetu i u makrosvijetu?
a) Vrijedu samo u mikrosvijetu.
b) Vrijedi samo u makrosvijetu.
c) Vrijede i u mikrosvijetu i u makrosvijetu.
d) Ne vrijedi ni u mikrosvijetu ni u makrosvijetu.
e) Masa nije stvarna veliina, pa se ne moe definirati takav zakon.
Ovaj zadatak se pokazao kao najtei ne samo zbog malog broja tonih odgovora, samo
8%, nego i po tome to ak 23% studenata uope nije ponudilo nikakav odgovor. Veina
studenata koji su odgovorili je odabrala odgovor b) i to ak 55%, vjerojatno iz razloga to je u
makrosvijetu neouvanje tee primjetivo jer su u igri velike mase te su njihove promjene u
reakcijama zanemarive. Takoer, 30% studenata je odabralo odgovor c) smatrajui kako
zakon ouvanja mase uvijek vrijedi, to je moda posljedica znanja steenih u nastavi kemije
gdje se ui da se ukupna masa svih tvari koje sudjeluju u kemijskoj reakciji ne mijenja
tijekom kemijske reakcije. Meutim, zapravo se radi o ouvanju energije, a energija i masa su
povezane. Jednostavno, ako na poetku imamo 1000 atoma, nakon mnogo reakcija opet emo
imati 1000 atoma, a masa e ostati ista ako uraunamo energiju koja se pritom izgubila i
stekla.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
23 7 2 14 5 17 8 11 12 26 1 15 18 20 16 21 28 6 13 24 27 4 3 9 10 25 19 22
% t
on
ih o
dgo
vora
redni broj zadatka
ZADACI POREDANI PO TEINI
-
19
7. Zaokruite tonu tvrdnju vezanu uz gustou atoma.
a) Gustoa atoma je reda veliine svakodnevnih gustoa.
b) Gustoa atoma je otprilike 1 red veliine vea od reda veliine svakodnevnih
gustoa.
c) Gustoa atoma je 1 red veliine manja od reda veliine svakodnevnih gustoa.
d) Gustoa atoma je 3 reda veliine manja od reda veliine svakodnevnih gustoa.
e) Gustoa atoma je 5 redova veliine manja od reda veliine svakodnevnih gustoa.
Na ovom zadatku takoer dosta studenata (12%) nije ponudilo nikakav odgovor. Od
studenata koji su odgovorili, njih 35% je odabralo odgovor e), a 26% je odabralo odgovor d).
Dakle, oko 60% studenata smatra kako je gustoa atoma nekoliko redova veliine manja od
reda veliine svakodnevnih gustoa. Prema dobivenim odgovorima vidljivo je kako je
zanemarena injenica da je atom osnovna gradivna jedinica svakog tijela, odnosno da se sve
sastoji od razliitih atoma od metala preko ivih bia do vode i zraka. Takoer, otprilike
petina studenata smatra kako je gustoa atoma neto vea od reda veliine svakodnevnih
gustoa, to je zaista iznenaujue velik postotak i bilo bi zanimljivo uti njihovo
obrazloenje.
2. Da li su svi atomi jednako gusti?
a) Gustoa atoma s veim rednim brojem je manja zbog veih sila odbijanja protona.
b) Svi su atomi jednako gusti jer su veinom prazan prostor.
c) Atomi s veim rednim brojem su gui jer masa atoma raste linearno s
rednim brojem, a volumen pada.
d) Ne, jer gustoa atoma raste s ukupnim brojem nukleona sadranih u atomskoj
jezgri.
e) Niti jedan odgovor nije toan.
Najvie studenata (33%) je odabralo odgovor b). Razlog tomu moda treba traiti u
skali na kojoj su studenti gledali. Drugi razlog bi mogao biti u povlaenju paralele s 1.
zadatkom, gdje je otprilike polovica studenata tono odgovorila da su sve jezgre (gotovo)
jednako guste, pa su i ovdje primjenjivali slian recept. Svi ostali odgovori su bili potpuno
jednako zastupljeni to moe ukazivati na pogaanje rjeenja.
14. Radioaktivni element ima vrijeme poluraspada 10 minuta. U tom vremenskom intervalu
se neke od jezgara elementa ne raspadnu. Kolika je vjerojatnost da se u iduih 10 minuta
raspadnu i te jezgre?
a) Manja od 50%.
b) Vea od 50%.
c) Tono 50%.
d) Treba nacrtati graf eksponencijalne funkcije i oitati.
e) Ne moe se odrediti.
-
20
Samo je 19% studenata tono odgovorilo da se vjerojatnost raspada jezgara ne mijenja.
Gotovo polovica (46%) studenata smatra kako je vjerojatnost, nakon to proe jedno vrijeme
poluraspada, zasigurno manja od 50%. Bilo bi zanimljivo uti miljenja za koliko misle da je
manja, ali vjerojatno smatraju da to slijedi eksponencijalni zakon. Zanimljivo je da 15%
studenata misli da se to ne moe odrediti, a 12% studenata (ni jedan od njih nije s
istraivakog smjera) smatra da se vjerojatnost poveava, valjda smatrajui da se jezgra
zasigurno mora raspasti u iduem vremenskom intervalu jednakom vremenu poluraspada.
Kako god bilo, oito je da veina studenata nije usvojila da radioaktivnost ne ovisi o starosti
jezgre, odnosno da starije jezgre umiru jednakom brzinom kao i mlae, tj. jednaka je
vjerojatnost da se raspadne vrlo mlada jezgra, koja je roena primjerice prije samo 1 dan, kao
i vrlo stara, primjerice roena prije milijun godina.
5. Da li se sastavnice jezgre raspadaju bez pobude?
a) I proton i neutron se raspadaju nakon dovoljno vremena, bez obzira da li su u
jezgri ili ne.
b) Proton se raspada kad je u vezanom stanju, a neutron kad je slobodan.
c) Neutron se raspada kad je u vezanom stanju, a proton kad je slobodan.
d) Ni proton ni neutron se ne raspadaju u vezanom stanju.
e) Ni proton ni neutron se ne raspadaju u slobodnom stanju.
Ovo je jedan od zadataka kod kojeg se znaajno razlikuju odgovori studenata
profesorskog i odgovori studenata istraivakog smjera:
Grafikon 3. Uspjenost profesora zd. 5 Grafikon 4. Uspjenost istraivaa zd. 5
Kod studenata profesorskog smjera najzastupljeniji je odgovor a) s 38%, zatim toan
odgovor d) s 30%, te odgovori b) i e) s 13%. Uoljivo je kako 57% studenata istraivakog
smjera (koji su odgovorili a), b) ili c)), pogreno smatraju da se proton raspada, dok 13%
studenata smatra, takoer pogreno, da se neutron ne raspada u slobodnom stanju.
Kod studenata istraivakog smjera zastupljena su samo 2 odgovora. Samo 12% ih je
tono odgovorilo, dok ih ak 88% smatra da se proton raspada kad je u vezanom stanju, oito
neznajui da ne postoji laki barion u koji bi se mogao raspasti.
0
20
40
60
80
100
a) b) c) d) e)
38%
13%6%
30%
13%
0
20
40
60
80
100
a) b) c) d) e)
0%
88%
0%
12%
0%
-
21
Najuspjenije rijeeni zadaci su 19. i 22. zadatak s 85% tonih odgovora, te 3., 9., 10. i
25. zadatak sa 74% tonih odgovora. Analizirati emo detaljnije i te zadatke.
19. Zato se prilikom raspada jezgre produkti raziu sa velikom kinetikom energijom?
a) Jer ukupna energija prilikom raspada nije ouvana.
b) Jer masa pojedinih nukleona nije ouvana.
c) Ta energija je dola od energije vezanja.
d) Ta energija je dola od energije mirovanja.
e) Ne raziu se s velikom kinetikom energijom ako sama jezgra prije raspada miruje
Uz odlian postotak tonih odgovora (85%), jedini zastupljeni pogrean odgovor je bio
d), to pokazuje da studenti primjenjuju zakon ouvanja energije i jasno im je odakle
produktima kinetika energija, odnosno jasan im je sam pojam energije vezanja.
22. Ako bi postojao dio Svemira koji se sastoji od antiestica, kako bi tamo izgledao vodikov
atom i kako bi se ponaao?
a) Izgledao bi jednako kao i vodikov atom i imao bi ista svojstva.
b) Izgledao bi jednako kao i vodikov atom, ali ne bi imao ista svojstva.
c) Sastojao bi se od antiprotona i pozitrona, i imao bi ista svojstva.
d) Sastojao bi se od antiprotona i pozitrona, i ne bi imao ista svojstva.
e) Nemogue je sastaviti takav anti-atom.
Studenti su s 85% tonih odgovora pokazali da im je jasan koncept materije i
antimaterije.
3. Zato nuklearne mase nisu jednostavni viekratnici mase nukleona?
a) Zbog energije vezanja jezgre.
b) Zbog uraunate mase elektrona.
c) Zato to su proton i neutron bitno razliitih masa.
d) Zato to mase protona i neutrona nisu cjelobrojne vrijednosti.
e) Zato to se jezgre vrte, tj. imaju spin.
Studenti su jo jednom pokazali kako dobro (73% tonih odgovora) vladaju pojmom
energija vezanja. To se posebno odnosi na studente istraivakog smjera koji su svi odabrali
toan odgovor. Studenti profesorskog smjera su odabirali toan odgovor u 59% sluajeva, a u
24% sluajeva odabiran je odgovor c), jer su smatrali da to ima veze s s tim to su proton i
neutron bitno razliitih masa.
-
22
9. Da li je mogue da elektron vezan uz jezgru s puno naboja u nju ue?
a) Nije mogue. Elektron ima samo dozvoljena stanja van jezgre.
b) Nije mogue zbog jakih nuklearnih sila koje odbijaju elektron.
c) Nije mogue. Elektron se moe nalaziti samo oko jezgre, kako god blizu ili daleko.
d) Mogue je. Elektron se moe nai u jezgri iako je vjerojatnost za to mala.
e) Mogue je zbog jakih nuklearnih sila koje privlae elektron.
Na ovom pitanju su studenti istraivakog smjera ponovno ostvarili stopostotan
uinak, dok su studenti profesorskog smjera odabirali toan odgovor ponovno u 59%
sluajeva.
Grafikon 5. Uspjenost profesora zd. 9
Odabirui odgovore a) i c), vidimo da ak 35% studenata profesorskog smjera
pogreno smatra da se elektron ne moe nai u jezgri, dok studenti istraivakog smjera znaju
da je elektron opisan s oblakom vjerojatnosti koji se protee od centra djelovanja sile, koji se
nalazi u jezgri, pa do beskonanosti. Stoga, najvea vjerojatnost jest da se elektron nalazi na
udaljenosti polumjera atoma, ali ipak postoji mala vjerojatnost da se on nae u jezgri.
10. Kako to da su jezgre stabilne ako se protoni elektrostatski odbijaju?
a) Elektrostatska Coulombova sila ne djeluje umutar jezgre.
b) Elektrostatska sila je uravnoteena nuklearnom silom privlaenja.
c) Jezgra sadri jednak broj elektrona i protona pa se njihovo meudjelovanje
neutralizira.
d) Neutroni u jezgri sprjeavaju izravno meudjelovanje protona jednih na druge.
e) Mogue je ako se neutroni postave tono izmeu protona kako bi neutralizirali
njihovu silu odbijanja.
73% studenata zna da nuklearna sila privlaenja uravnoteuje elektrostatsku silu
odbijanja meu protonima, tako da je ukupna sila na svaki nukleon u jezgri jednaka nula. 23%
studenata smatra da sami neutroni u jezgri igraju znaajnu ulogu (odgovor d)). Istina, neutroni
imaju znaajnu ulogu, ali ne sprjeavaju meudjelovanje protona, nego je s neutronima lake
uravnoteiti jezgru. Dodavanjem neutrona u jezgru dodaje se nuklearna komponenta sile, dok
se dodavanjem protona dodaje komponenta i nuklearne i elektrostatske sile.
0
10
20
30
40
50
60
a) b) c) d) e)
17,65%
0%
17,65%
58,82%
5,88%
-
23
25. Koja od fundamentalnih sila je zasluna za trenje?
a) Gravitacijska.
b) Elektromagnetska.
c) Jaka.
d) Slaba.
e) Niti jedna, jer je trenje nekonzervativna sila.
Ovo je bilo jo jedno pitanje u kojem su studenti istraivakog smjera pokazali bolje
znanje od studenata profesorskog smjera.
Grafikon 6. Uspjenost profesora zd. 25 Grafikon 7. Uspjenost istraivaa zd. 25
Studenati profesorskog smjera su u 24% sluajeva zaokruivali a) kao toan odgovor,
smatrajui kako trenje spada u gravitacijsku silu, iako sve kontaktne sile spadaju u
elektromagnetski spektar sila.
Neka od zanimljivijih pitanja:
1. Da li su sve jezgre jednako guste?
a) Gustoa veih jezgri je manja zbog veih sila odbijanja protona.
b) Sve su jezgre jednako guste zbog kratkog dosega sile koja ih dri na okupu.
c) Vee jezgre su gue zbog veeg broja estica na relativno istom prostoru.
d) Ne, jer gustoa jezgre raste s omjerom broja protona i neutrona u jezgri.
e) Ne, jer gustoa jezgre pada s omjerom broja protona i neutrona u jezgri.
Slino pitanje se nalazilo u konceptualnom istraivanju koje ju 2010.g. provedeno
meu studentima nuklearne fizike u St. Andrewsu i Edinburghu.
to se tie naeg istraivanja, ovo je jedno od rijetkih pitanja na kojem su studenti
profesorskog smjera ostvarili znaajno bolji uspjeh od studenata istraivakog smjera:
0
20
40
60
80
100
a) b) c) d) e) nita
24%
65%
6%0% 0%
6%
0
20
40
60
80
100
a) b) c) d) e)
0%
89%
0% 0%11%
-
24
Grafikon 8. Uspjenost studenata oba smjera zd. 1
Studenti profesorskog smjera su odgovarali na ovo pitanje s 53% uspjenosti, dok su
studenti istraivakog smjera ostvarili uspjeh od 33%. Ukupno gledajui, ak 54% studenata
smatra da nisu sve jezgre jednako guste. Studenti istraivakog smjera su se najee
odluivali za odgovor a) oslanjajui se na to da vea jezgra ima vie protona, te da je zbog
toga vea sila odbijanja protona, a samim time i manja gustoa takvih jezgri. Studenti oito
nisu imali na umu da osim odbojne elektrostatske sile djeluje i privlana sila kratkog dosega.
to se tie kotskog istraivanja, znatan udio studenata (preko 50%) je tvrdio da
gustoa raste s nukleonskim brojem. Glavni razlog koji su studenti navodili je da vie
nukleona znai tjesnije stanje, odnosno poveanje masenog broja znai da je jezgra sve
gua i gua.
11. Da li radioaktivni izotop moe emitirati samo jedan neutron?
a) Ne moe, jer neutron nije ni , ni , ni zraenje.
b) Ne moe, jer se time naruavaju neki zakoni ouvanja.
c) Ne moe, jer to nikad nije energetski povoljan proces.
d) Moe, iako se to rijetko deava u odnosu na ostale tipove raspada.
e) Moe, i to se deava ee od ostalih tipova raspada.
Znaajna je razlika u odgovorima studenata razliitih smjerova:
Grafikon 9. Uspjenost studenata oba smjera zd. 11
0
10
20
30
40
50
60
a) b) c) d) e) nita
11,76%
52,94%
11,76%
23,53%
44,4%
33,3%
11,1%11,1%
profesori
istraivai
0
10
20
30
40
50
60
70
a) b) c) d) e) nita
18%
35%
18%23%
6%
22%
67%
11%
profesori
istraivai
-
25
Tono je odgovorilo 67% studenata istraivakog smjera, a samo 23% studenata
profesorskog smjera. Najzastupljeniji pogrean odgovor (ujedno i openito najzastupljeniji
odgovor kod studenata profesorskog smjera) je odgovor b). Bilo bi zanimljivo uti za koje
zakone ouvanja smatraju da nisu ouvani.
12. Da li na radioaktivnost nekog elementa utjee malo povienje njegove temperature?
a) Ne, ni u kakvoj mjeri.
b) Da, zato to sigurno na apsolutnoj nuli nema radioaktivnosti.
c) Da, izotopi vie temperature puno jae zrae.
d) Da, izotopi vie temperature puno slabije zrae.
e) Da, temperatura utjee na radioaktivnost, ali iznimno malo.
42% studenata ispravno smatra da temperatura, iako iznimno malo, utjee na
radioaktivnost. Priblino isti postotak studenata (38%) smatra da povienje temperature
elementa ni u kakvoj mjeri ne utjee na radioaktivnost.
Grafikon 10. Uspjenost studenata zd. 12
Ne treba zanemariti ni da se za odgovor c) odluilo 15% studenata, od ega niti jedan s
istraivakog smjera, to znai da gotovo svaki etvrti student profesorskog smjera (24%)
pogreno smatra da izotopi vie temperature puno jae zrae.
13. Zamislite sustav od 1000 radioaktivnih atoma. Koliko vremena poluivota je prolo kad se
raspalo 750 atoma?
a) Pola vremena poluivota.
b) Jedno i pol vrijeme poluivota.
c) Dva vremena poluivota.
d) Izmeu dva i tri vremena poluivota.
e) etiri vremena poluivota.
Isto ovo pitanje je postavljeno u kotskom konceptualnom istraivanju. Razlika je samo to
su u tom testu bili ponueni slijedei odgovori:
0
10
20
30
40
50
a) b) c) d) e)
39%
4%
15%
0%
42%
-
26
A) 0.25 B) 0.41 C) 0.50 D) 0.75
E) 1.3 F) 2.0 G) 2.4 H) 4.0
to se tie naeg istraivanja, na ovom pitanju su studenti istraivakog smjera jo
jednom postigli znaajno bolji rezultat.
Grafikon 11. Uspjenost studenata oba smjera zd. 13
I dok je njih 78% tono odgovorilo da se radi o dva vremena poluivota, ak 53%
studenata profesorskog smjera smatra da je prolo jedno i pol vrijeme poluivota. Oito
studenti profesorskog smjera nisu dobro usvojili pojam vremena poluraspada (poluivota).
to se tie kotskog istraivanja, studenti koji su pogreno odgovarali najee su
zaokruivali odgovor C) 0.50, vjerojatno smatrajui da se broj estica raspada linearno, a ne
eksponencijalno; ako se 500 atoma raspadne nakon 1 vremena poluivota, onda se 250
raspadne nakon 0.5 vremena poluivota. Takoer je u pogrean odgovor ukljuena i zbrka oko
broja jezgara koje su se raspale i broja preostalih jezgara. Slijedei najei pogrean odgovor
je bio B) 0.41; studenti su koristili dobru formulu, ali je opet zabuna oko broja raspadnutih i
broja preostalih jezgri. Uoljivo je da od studenata koji su dali toan odgovor, velika veina
nije koristila formulu nego je prosudila prema definiciji vremena poluraspada, dok je veina
studenata koji su zaokruili netoan odgovor koristila matematiku formulu.
16. Jedan radioaktivni atom ima vrijeme poluivota 10 minuta. Ako se u tom vremenskom
intervalu atom ne raspadne, koja je od slijedeih tvrdnji istinita?
a) Nakon isteka vremena poluivota, vjerojatnost raspada ostaje
nepromijenjena.
b) Nakon isteka vremena poluivota smanjuje se vjerojatnost raspada.
c) Nakon isteka vremena poluivota poveava se vjerojatnost raspada.
d) Jedan atom e se sigurno raspasti nakon dva vremena poluivota.
e) Jedan izdvojeni atom se nikada nee raspasti.
Tek 50% studenata, dakle svaki drugi student, zna da vjerojatnost raspada nakon isteka
vremena poluivota ostaje nepromijenjena.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
a) b) c) d) e) nita
53% 47%
11%
78%
11%
profesori
istraivai
-
27
Grafikon 12. Uspjenost studenata zd. 16
Otprilike svaki trei student misli da je toan odgovor c), smatrajui da se vjerojatnost
raspada poveava jer je jezgra starija, dok svaki deveti student smatra da se vjerojatnost
raspada nakon isteka vremena poluivota smanjuje.
18 Da li se jezgra moe u jednom trenu (ne u lancu) raspasti na vie od dvije estice
odjednom?
a) Moe, to je prirodna stvar.
b) Moe, ali samo u nuklearnim reaktorima.
c) Ne moe, jer je energetski uvijek isplativije raspasti se na dva dijela.
d) Ne moe zbog nekih zakona ouvanja.
e) Niti jedan od odgovora nije toan.
Ponovno su studenti istraivakog smjera ostvarili odlian uinak s 89% tonih
odgovora. Nasuprot njima, samo 24% studenata profesorskog smjera smatra da je prirodna
stvar da se jezgra odjednom raspadne na vie od dvije estice.
Grafikon 13. Uspjenost studenata oba smjera zd. 18
Vie od polovice studenata (53%) profesorskog smjera misli da se jezgra ne moe
odjednom raspasti na vie od dvije estice, to zbog toga jer je energetski neisplativo (35%),
to zbog nekih zakona ouvanja (18%).
0
10
20
30
40
50
a) b) c) d) e)
50%
11%
35%
4%0%
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
a) b) c) d) e) nita
23%
12%
35%
18%12%
89%
11%
profesori
istraivai
-
28
20. Foton valne duljine 500 nm se pusti u gibanje od toke 1 do toke 2 kao na slici. Koji
crte najbolje odgovara putanji fotona?
46% studenata je ispravno odgovorilo da je putanja fotona ravna linija, dok se velikih
42% odluilo za odgovor a) smatrajui da je putanja fotona valovita linija. Razlog tome bi
mogao biti to se esto crta valovita linija kad se skicira gibanje fotona.
21. Da li estice bez naboja (npr. neutron) imaju antiestice?
a) Da, svaka estica ima antiesticu.
b) Ne, jer nemaju naboj, pa nema to biti anti.
c) Da, jer iako nemaju naboj, sve su estice sastavljene od manjih naboja.
d) Ne, jer samo elektroni i protoni imaju antiestice.
e) Ne, zato to antiestice ne postoje.
Grafikon 14. Uspjenost studenata oba smjera zd. 21
Iako su studenti istraivakog smjera ravnopravno zaokruivali i odgovor a) i odgovor
c), treba istaknuti da ih ak 88% ispravno smatra da svaka estica ima antiesticu. To je sluaj
i kod 76% studenata profesorskog smjera. Meutim, iz raspodjele odgovora vidi se kako ba i
nije poznato to je kod antiestica zapravo anti.
0
10
20
30
40
50
60
a) b) c) d) e) nita
52,9%
17,6%23,5%
5,9%
44,4% 44,4%
11,1%
profesori
istraivai
-
29
24. Za to su zaslune jaka i slaba sila?
a) Jaka sila dri jezgru na okupu, a slaba nukleone.
b) Slaba sila dri jezgru na okupu, a jaka nukleone.
c) Jaka sila dri na okupu i jezgru i nukleone, a slaba je zasluna za neto drugo.
d) Slaba sila dri na okupu i jezgru i nukleone, a jaka je zasluna za neto drugo.
e) Niti jedan od odgovora nije toan.
Svi studenti istraivakog smjera su tono odgovorili za to su zaslune jaka i slaba
sila, dok dvije treine studenata profesorskog smjera to ne zna.
Grafikon 15. Uspjenost studenata oba smjera zd. 24
26. Da li sila djeluje trenutno ili joj treba neko vrijeme?
a) Sila djeluje trenutno.
b) Signal putuje brzinom veom od brzine svjetlosti, ali sila ne djeluje trenutno.
c) Signal putuje brzinom jednakoj brzini svjetlosti.
d) Signal putuje brzinom jednakoj ili manjoj od brzine svjetlosti.
e) Niti jedan od odgovora nije toan.
Grafikon 16. Uspjenost studenata oba smjera zd. 26
I dok 78% studenata istraivakog smjera ispravno smatra da signal putuje brzinom
jednakoj ili manjoj od brzine svjetlosti, ovisno o prijenosniku sile, ak 71% studenata
profesorskog smjera pogreno smatra kako sila djeluje trenutno.
0
20
40
60
80
100
a) b) c) d) e)
35%24%
35%
6%
100%
profesori
istraivai
0
10
20
30
40
50
60
70
80
a) b) c) d) e)
71%
6%
23%
11%
78%
11%
profesori
istraivai
-
30
4.4 Usporedba rezultata testiranja
Testirani uzorak se sastojao od studenata fizike profesorskog smjera i studenata fizike
istraivakog smjera. Broj ispitanika nije bio jako velik, pogotovo studenata istraivakog
smjera (9 studenata), meutim i na takvom manjem broju ispitanika mogu se uoiti neke
razlike u razumijevanju ovog podruja fizike.
Obradom rezultata koje su u provedenom testiranju ostvarili studenti oba smjera
dobije se grafikon 17 na kojem moemo vidjeti raspodjelu smjerova po uspjehu.
Grafikon 17. Raspodjela studenata oba smjera po uspjehu ostvarenom na testu
S obzirom na to da nije bio jednak broj studenata po smjeru, radi bolje preglednosti se
na ordinati nalazi broj ispitanika ija rjeenja pripadaju odreenom postotnom razredu
podijeljen s ukupnim brojem lanova u toj skupini.
Prvo to se vidi iz grafa je stupanj teine koji je ovaj konceptualni test predstavljao
studentima jednog i drugog smjera. Najvei udio studenata profesorskog smjera je ostvario
rezultat u rasponu od 31% do 40%, a studenata