Jednoduché experimenty ve fyzikálním vzdělávání Josef Trna Pedagogická fakulta Masarykova univerzita Košice 13. 10. 2015
Jednoduché experimenty Děkuji za pozvání do did-fyz rodiny Tržní společnost: něco za něco : - odvézt příjemné zážitky, nové poznatky a spolupracovníky - předat své zkušenosti a nabídnout spolupráci s předáním štafety bádání v did-fyz 20 let zkušeností (učitel Ma+Fy na G, ZŠ aj.) 25 let zkušeností (PdF MU Brno didaktika fyziky a přírodovědy, výzkumy, konference, děkan) Výborní spolupracovníci - doma moje žena - na pracovišti doc. J. Janás - v ČR a SR (doc. J. Janovič aj.) - ve světě
Jednoduché experimenty Inventura mých výzkumných témat: Jednoduché experimenty (*) - teorie, vývoj experimentů, vývoj metod s aplikací experimentů, videopořady s experimenty aj. Motivace ve výuce fyziky (*) Prekoncepce ve výuce fyziky (*) Vzdělávání nadaných žáků ve fyzice (*) Dovednosti (zručnosti) žáků ve fyzice + diagnostika (*) IBSE (*) Vzdělávání hendikepovaných ve fyzice Komiksy ve výuce fyziky Design-based research - výzkumná metoda v did. fyziky Tvořivost ve fyzice Vzdělávání učitelů fyziky Primární vzdělávání ve fyzice
IBSE experimenty Podstatou IBSE je zapojení žáků a studentů do objevování přírodovědných zákonitostí, propojování informací do smysluplného kontextu, rozvíjení kritického myšlení a podpora pozitivního postoje k přírodním vědám. IBSE klade důraz na výuku jako bádání (inquiry), ne jako memorování faktů. IBSE klade důraz důraz na koncepční porozumění a logický proces osvojování dovedností.
Úrovně IBSE ve výuce fyziky Úroveň IBSE 1. Potvrzující (confirmation) 2. Strukturované (structured) 3. Nasměrované (guided) 4. Otevřené (open) Otázky (stanovené učitelem) Postup (stanovený učitelem) Řešení (stanovené učitelem) ano ano ano ano ano ne ano ne ne ne ne ne
1. Potvrzující bádání Potvrzení nebo ověření zákonitostí a teorií. Získat praxi experimentování a osvojit si konkrétní badatelské dovednosti, jako je např. sestavování aparatur, sběr a zaznamenávání dat. Předpokládané výsledky prováděných experimentů jsou předem známy. Žáci a studenti postupují při experimentování podle detailního učitelova návodu a pod jeho přímým vedením.
Příklad experimentu 1: Plování, vznášení a potápění těles v kapalinách Deduktivní potvrzující experiment - zařazen po expozici zákonitosti chování tělesa v kapalině, kde je toto chování závislé na poměru hustoty kapaliny a průměrné hustoty tělesa. Žáci při experimentu postupují podrobně podle návodu (pracovního listu), ve kterém jsou uvedeny pomůcky i jednotlivé kroky experimentu. Učitel zřetelně uvede výzkumnou otázku (úkol) v podobě: Potvrď experimentem, že chování tělesa v kapalině závisí na jeho hustotě! Žáci provádějí frontálně experiment se sklenicí s vodou. Do vody postupně vkládají rukou jednotlivé homogenní předměty bez dutin (kostky, kuličky apod.), které jsou vyrobené z látek o známé hustotě. Návod obsahuje tabulku s uvedenými konkrétními předměty, názvem příslušné látky a tabulku hustot těchto látek. Je uvedena i referenční hustota kapaliny (vody), se kterou žák nejprve srovná hustotu používaného tělesa, a pak si ověří ponořením do vody ve sklenici chování tělesa: plování (hustota tělesa je menší než hustota vody polystyrénová kulička); vznášení se (hustota tělesa je rovna hustotě vody plastová kulička); potápění (hustota tělesa je menší než hustota vody železná kulička). Tělesa mohou mít pro zjednodušení experimentu stejný objem. Žáci pozorují průběh experimentu. Svá pozorování zaznamenají do předepsané tabulky a analyzují výsledky. Na tomto základě experimentálně potvrzují příslušnou teorii.
Látka Hustota látky Chování tělesa ve vodě: 1 železo 7,8 g/cm 3 potápění 2 plast 1,0 g/cm 3 vznášení 3 pěnový polystyren 0,03 g/cm 3 plování
2 Strukturované bádání Učitel výrazně ovlivňuje bádání a pomáhá žákům a studentům zejména tím, že klade návodné otázky a stanovuje cestu bádání. Žáci a studenti následně hledají řešení (odpovědi) pomocí svého bádání a vytvářejí vysvětlení na základě důkazů, které shromáždili. Postup experimentů je učitelem relativně podrobně stanoven, ale řešení není předem známo. Žáci a studenti projevují svoji tvořivost při objevování zákonitostí.
Příklad experimentu 2: Plování, vznášení a potápění těles v kapalinách Induktivní objevný experiment - zařazen před expozicí podmínky chování tělesa v kapalině, kde je toto chování závislé na poměru hustoty kapaliny a průměrné hustoty tělesa. Žáci provádějí experiment frontálně nebo skupinově (dvojice). Dostanou k dispozici sadu učitelem vybraných pomůcek a návod (pracovní list). Je zde uvedena výzkumná otázka (úkol) v podobě: Zjisti, jak závisí chování tělesa v kapalině na jeho hustotě! Součástí návodu je seznam pomůcek, stručný postup experimentu a tabulka hustot různých látek, včetně látek, ze kterých jsou vyrobena zkušební tělesa. Učitel individuálně a také hromadně žákům pomáhá návodnými otázkami a pomocnými instrukcemi k realizaci správného postupu experimentu. Žáci vkládají do vody ve sklenici rukou jednotlivé homogenní předměty bez dutin, které jsou vyrobené z látek o známé hustotě. Do tabulky uvádějí název látky předmětu (polystyrén, dřevo, plast, sklo, kov atd.) a její hustotu. Zapisují chování tělesa v kapalině (plove, vznáší se, potápí se). Závěrečnou analýzou hodnot hustot těles dospějí k závěru, že chování těles závisí právě na jejich hustotě ve srovnání s hustotou kapaliny. Cílem tohoto experimentování je, aby žáci sami objevili příslušnou zákonitost.
Látka Hustota látky Chování tělesa ve vodě: potápění, vznášení, plování 1 železo 7,8 g/cm 3 2 hliník 2,7 g/cm 3 3 sklo 2,5 g/cm 3 4 plast 1,0 g/cm 3 5 led 0,92 g/cm 3 6 smrkové suché dřevo 0,33 g/cm 3 7 pěnový polystyren 0,03 g/cm 3
3 Nasměrované bádání Mění výrazně úloha učitele, který se stává průvodcem žákovského a studentského bádání. Stanovuje ve spolupráci s žáky a studenty výzkumné otázky (problémy) a poskytuje rady při plánování postupu i vlastní realizaci bádání. Žáci a studenti sami navrhují postupy pro ověření výzkumných otázek a pro jejich následné řešení.
Příklad experimentu 3: Plování, vznášení a potápění těles v kapalinách Induktivní objevný experiment - zařazen před expozicí podmínky chování tělesa v kapalině. Studenti provádějí experiment většinou skupinově či zcela individuálně v domácí přípravě. Studenti dostanou od učitele pouze výzkumnou otázku (problém), nemají stanoveny pomůcky, ani schéma postupu experimentu. Základní obecná výzkumná otázka (úkol) může mít podobu: Zjisti, na čem závisí chování tělesa v kapalině! Studenti sami hledají vhodný postup experimentu i vhodné pomůcky. Učitel vystupuje ve funkci usměrňujícího moderátora a poradce. Na této úrovni jsou vhodné návodné doplňující výzkumné otázky (problémy) typu: Které vlastnosti těles mohou rozhodovat o jejich chování v kapalině (barva, tvar, objem, hustota aj.)?
Příklad experimentu 3: Plování, vznášení a potápění těles v kapalinách Nasměrované bádání je velmi efektivní také ve fixační a aplikační fázi výuky. Zde se uplatní návodné (směrovací) otázky učitele jako: Může ve vodě plovat těleso, vyrobené z látky o velké hustotě? Může těleso plovat v kapalině menšího objemu než má samo těleso? Mění se chování těles v kapalině při změně její teploty? Vysvětli funkci Galileova teploměru a karteziánského potápěče! Studenti sami vytvářejí a ověřují hypotézy vedoucí k řešení problému stanoveného na počátku učitelem. Provádějí pomocné experimenty a měření. V závěru syntetizují svá bádání a objevují svou cestou řešení problému.
4 Otevřené bádání Tato nejvyšší úroveň IBSE navazuje na předchozí úrovně bádání a je nejblíže skutečnému vědeckému výzkumu. Žáci a studenti by měli být schopni sestavit výzkumné otázky, způsob a postup bádání, zaznamenávat a analyzovat data a vyvozovat závěry z důkazů, které shromáždili. To vyžaduje vysokou úroveň vědeckého myšlení a klade vysoké kognitivní požadavky na žáky a studenty, proto je použitelné pro nejvyšší věkové kategorie a nadané žáky a studenty.
Příklad experimentu 4: Plování, vznášení a potápění těles v kapalinách Induktivní objevný experiment - je zařazen před expozicí podmínky chování tělesa v kapalině nebo v aplikační fázi výuky. Studenti jsou téměř zcela samostatní, provádějí experiment většinou skupinově či zcela individuálně (práce s nadanými). Učitel vystupuje ve funkci partnera-poradce. Studenti nemají explicitně stanovenou výzkumnou otázku (problém), pomůcky a experimenty. Je zřejmé, že jádrem metody je motivace studentů k řešení problémů, které vycházejí z jejich zájmu či dalších potřeb. Učitel může využít k motivaci problematiky: aplikace fyziky v denním životě (fyzikální zákonitosti plavání a potápění, vodní sporty); technické aplikace (vodní a letecká doprava, vodní stavby, vodní živočichové); historie objevů (Archimédes) apod. Základem je tvorba vlastních či upravených experimentů. K rozvoji fyzikálního myšlení mohou přispět více-jevové experimenty, ve kterých se projevuje sada jevů. Patří sem např. plování tající kostky ledu v nádobě s teplou vodou. Studenti mohou sestavovat varianty tohoto experimentu se zdůrazněním jednotlivých jevů: teplotní roztažnost ledu, vody a nádoby, odpařování vody atd. Studenti sami vytvářejí a ověřuji hypotézy vedoucí k řešení problému, který si stanoví v diskusi s učitelem. Závěrečná syntéza výsledků samostatného bádání vede k řešení problému.
Projekt PROFILES jako podpora přírodovědných učitelů v IBSE Projekt PROFILES (Professional Reflection-Oriented Focus on Inquiry-based Learning and Education through Science) je evropský projekt, jehož cílem je podpora přírodovědných učitelů při aplikaci IBSE v přírodovědné výuce, aby se tato badatelská metoda stala běžnou součástí výuky. Projekt PROFILES obsahuje sadu konkrétních výukových modulů, upravených pro IBSE. http://www.profiles-project.eu/cms_profiles/
Formování fyzikálních pojmů od narození V těchto diskusích zapomínáme na jednu zásadní skutečnost: vztah k fyzice, přírodovědě a matematice se vyvíjí již od narození. Pokud v tomto období není rozvíjeno toto poznávání, všechny pozdější vzdělávací metody a prostředky nejsou příliš účinné. Proto je třeba se věnovat fyzice (přírodovědě a matematice) již v předškolním věku, čemuž odpovídá název i obsah této studie.
Prvotní dětské smyslové poznávání Fyzikální pojmy - již od narození člověka - prekoncepce Dítě - silné poznávací potřeby - zkoumání a poznávání okolního světa i sebe sama Např. zvuk (hlas matky) dítě vnímá dokonce v prenatálním stádiu Abstraktní fyzikální pojmy - postupný vývoj mozku - nemohou v raném dětství plně formovat Podle Piagetovy vývojové teorie existují čtyři etapy: (1) Senzomotorické stádium (od narození do 2 let) - poznávání světa a sebe pomocí pohybů a smyslů (2) Předoperační stádium (od 2 do 7 let) - používání jazyka, egocentrické myšlení (3) Stádium konkrétních operací (od 7 do 12 let) - logické přemýšlení o konkrétních událostech, pochopení počtu, množství, času aj. (4) Stádium formálních operací (od 12 let) - logické myšlení o abstraktních pojmech Základní metoda prvotního formování fyzikálních pojmů v předškolním - zkoumání pomocí všech smyslů dítěte Dítě zkoumá svět a sebe - manipuluje s předměty (např. hračky jako kostky, kuličky apod.) pomocí hmatu (ruce, ústa) a zkoumá je pomocí zraku, sluchu a také chuti. Dítě - provádí jednoduché (často neuvědomělé) pozorování a experimentování
Formování pojmů hrou Hry a hračky obsahující jednoduché experimenty hrají významnou roli při tomto prvotním poznávání. Hra obsahuje relaxační (angl. entertainment) a zároveň poznávací složku (angl. edutainment) Pro vzdělavatele (rodiče, učitele) je důležité znát tyto poznávací procesy, a tak vhodnou volbou her a hraček umožňovat rozvoj dítěte v oblasti formování fyzikálních pojmů
Formování pojmů hrou Při prvotním pozorování a experimentování se dítě setkává především s vlastnostmi předmětů, jako je tvar a rozměr. Zároveň si začíná vytvářet také první představy o prostoru, a to díky vzájemné poloze předmětů. Vedle vlastností předmětů dítě v předškolním věku získává základní vědomosti o vlastnostech látek (tvrdost, pružnost aj.). Dítě má v tomto věku problém rozlišit látku a předmět. Pojem látka je mnohem abstraktnější a dítě k jeho plnému pochopení dospívá později. Dítě si propojuje své prekoncepce o vlastnostech předmětů a látek a vytváří prekoncepce veličin a přírodních jevů. Na tomto základě v budoucnu dochází k formování zákonů přírodních jevů.
Vhodné typy hraček pro rozvoj fyzikálních pojmů Pro náš výzkum jsme vybrali vlastnosti předmětů (tvar a jejich rozměr), vlastnost látek (tvrdost, pružnost) a přírodních jevů (plování a potápění, magnetismus). Jako vhodná výzkumná metoda byla použita analýza podoby a funkčnosti hraček. V roce 2014 byla provedena srovnávací analýza 150 hraček, které byly vytvořeny pro dětské aktivity a byly nabízeny v internetových obchodech. Stanovili jsme následující základní typy dětských hraček formujících představu fyzikálních pojmů:
Vhodné typy hraček pro rozvoj fyzikálních pojmů Plošný tvar předmětů: Tyto hračky mají obvykle formu plošné matrice, ve které jsou vyřezány různé tvary. Dítě se pokouší do otvoru v matrici vložit předmět vhodného tvaru. Pro větší motivaci dítěte mají vkládané předměty obrazovou podobu zvířat, aut apod. nebo propadají do nádoby.
Vhodné typy hraček pro rozvoj fyzikálních pojmů Vkládání předmětů do matrice
Vhodné typy hraček pro rozvoj fyzikálních pojmů Vkládání předmětů do nádoby
Vhodné typy hraček pro rozvoj fyzikálních pojmů Rozměr předmětů: Tyto hračky jsou vyrobeny jako sada shodně tvarovaných předmětů, které se liší velikostí. Dítě vkládá postupně menší předměty do větších. Motivační působení zvětšuje tvarování předmětů do figurek např. ruská Matrjoška) apod.
Vhodné typy hraček pro rozvoj fyzikálních pojmů Sada předmětů různého rozměru
Vhodné typy hraček pro rozvoj fyzikálních pojmů Barva předmětů: Dítě poznává a rozlišuje různé barvy předmětů. Formování pojmu barva napomáhá celá řada hraček, kterým je společné využití barevné shody či rozdílnosti. Jedním typem hraček je sada předmětů stejného tvaru a rozměru (kostky, kuličky), které se liší barvou. Dítě má za úkol identifikovat jednotlivé barvy, vybrat předmět dané barvy. Jiný typ hraček vede k seskupování předmětů stejné barvy.
Vhodné typy hraček pro rozvoj fyzikálních pojmů Předměty různé barvy
Vhodné typy hraček pro rozvoj fyzikálních pojmů Seskupování předmětů stejné barvy
Vhodné typy hraček pro rozvoj fyzikálních pojmů Kombinace vlastností předmětů: Rozvoj formování pojmů tvar, rozměr a barva předmětů podporuje celá řada dalších hraček.
Vhodné typy hraček pro rozvoj fyzikálních pojmů Barevné kostky různých tvarů
Vhodné typy hraček pro rozvoj fyzikálních pojmů Vlastnosti látek zkoumané hmatem: Dětem dáváme nejdříve do rukou předměty z různých látek: sklo, dřevo, papír, plast, kov, keramika, guma aj. Vhodné jsou různé hračky či předměty z denního života, případně jednoduché předměty stejného tvaru a velikosti jako kuličky. Děti se seznámily se sadou stejně velkých kuliček z různých látek. S kuličkami manipulovaly, prohlížely si je za současného popisu vlastností látek učitelem (gumová kulička je pružná apod.). Pak jsme tyto vložili kuličky do neprůhledného pytlíku. Hra obsahuje úkol pouze hmatem identifikovat kuličku ze zadané látky a z pytlíku ji vytáhnout a ověřit správnost volby.
Vhodné typy hraček pro rozvoj fyzikálních pojmů Soubor kuliček z různých látek
Vhodné typy hraček pro rozvoj fyzikálních pojmů Vlastnosti látek zkoumané více smysly: Pomocí více smyslů (zrak, sluch, hmat) můžeme zkoumat např. pružnost látek, ze kterých jsou kuličky vyrobeny. Děti pouští ze stejné výšky na stůl (podlahu) kuličky z různých látek. Podle druhu látky se kuličky chovají po dopadu různě. Vhodné využití jako hračky mají gumové kuličky, které jsou velmi pružné, dobře se odrážejí a skáčou.
Vhodné typy hraček pro rozvoj fyzikálních pojmů Plování a potápění těles z různých látek: Do skleněné nádoby s vodou vhodíme několik kuliček z různých látek. Některé s potápějí, některé plovou.
Vhodné typy hraček pro rozvoj fyzikálních pojmů Kuličky ve vodě
Vhodné typy hraček pro rozvoj fyzikálních pojmů Magnetické vlastnosti látek: Permanentním magnetem se přibližujeme ke kuličkám z různých látek. Kuličky z feromagnetických látek magnet přitáhne.
Vhodné typy hraček pro rozvoj fyzikálních pojmů Kuličky a magnet
Hands-on experiments in the development of science concepts 1. Description of natural phenomena In order to research a natural phenomenon, a child must be able to observe and describe it. Hands-on experiments demonstrating a certain phenomenon can serve this purpose. An experiment is transparent if it presents a phenomenon in a way easily perceptible by the all senses As an example we present the change of surface tension at the coloured surface (using food dye) of the milk by dipping the cotton (ear) bud with detergent:
Hands-on experiments in the development of science concepts Surface tension on the coloured milk
Hands-on experiments in the development of science concepts 2. Science quantity An essential element of science is a quantity Using the quantities such as length, time, temperature - children can describe natural phenomena It is obvious that a child is unable to define the quantity precisely, but its definition can develop from the description of its attributes. Appropriate hands-on experiments can help correct gradual formation and development of science quantities. We chose density as an example. A suitable hands-on experiment that can help the correct development of density is sugar rainbow composed of coloured sugar solutions at various densities (concentrations):
Hands-on experiments in the development of science concepts Sugar rainbow
Hands-on experiments in the development of science concepts 3. Science research methods Significant educational objectives of science education - science research methods. Some general and specific science research methods begin to develop at students early age. These include analytical observation, description of phenomena, creation of hypotheses, etc. Hands-on experiments may be also beneficial in this area. Our example experiment is method of detecting starch in food using iodine :
Hands-on experiments in the development of science concepts Detecting of starch in food.
Hands-on experiments in the development of science concepts 4. Science laws and principles The highlights of educational objectives of science education - science laws and principles There are two basic pedagogical procedures for teaching: - derivation of the law (inductive approach) - verification of the law (deductive approach) Hands-on experiments - greatly beneficial in both cases As an example we chose the principle of conservation of mass. Total mass of substances does not change during the chemical reaction of vinegar and baking soda:
Hands-on experiments in the development of science concepts Vinegar and baking soda
Conclusions The aim of our design-based research is finding different educational methods and the implementation of hands-on experiments in science education. Our study confirms the importance of hands-on experiments in primary science education. The outcomes of our research are transferred into the education of science teachers.
Díky za pozornost Josef Trna trna@ped.muni.cz