Jak využít výsledky mezinárodních šetření pro naše vzdělávání Část II. Strategie řešení aktivity VVV Ukázky úloh pro podporu školní výuky Dana Mandíková
Přírodovědný tým Fyzika Dana Mandíková(KDF MFF UK) Jitka Houfková Biologie Milan Kubiatko(PedFMU Brno) Chemie Jiří Škoda (PF UJEP Ústí n. L.) Pavel Doulík(PF UJEP Ústí n. L.)
Harmonogram práce Termín Činnost Souběžná činnost říjen Dopracování rozdělení úloh po tématech a odpovědných osob, které je zajistí listopad Oslovení autorů a zadání tvorby úloh Analýza chyb -orientace po tematických celcích prosinec - únor březen duben květen Tvorba úloh Analýza chyb - sjednocení koncepce po tematických celcích Shromáždění úloh od autorů a výběr úloh do publikace, rozdělení na úlohy do části s komentáři a do testů Recenze úloh odbornými didaktiky a učiteli z praxe Zapracování připomínek recenzentů, příprava pilotáže úloh u žáků Analýza chyb - po tematických celcích Dopracování analýzy chyb - po tematických celcích Práce na společné části analýzy chyb červen Pilotáže úloh u žáků Práce na společné části analýzy chyb červenec - srpen Zapracování výsledků pilotáže, doladění úloh, definitivní rozdělení úloh v publikaci Doladění částí týkajících se analýzy chyb
Počty úloh 4. ročník Oblast Počet témat Počet stran Počet úloh celkem pro úlohy pro test test-úlohy test-řešení na téma na test A4 s popisem do testů celkem Živá příroda 5 20 15 5 3 2 4 4 20 20 40 Neživá příroda 6 20 15 5 3 2 4 4 26 24 50 Země 3 10 7 3 2 1 4 4 12 12 24 Celkem 50 37 13 58 56 114 8. ročník Oblast Počet témat Počet stran Počet úloh celkem pro úlohy pro test test-úlohy test-řešení na téma na test A4 s popisem do testů celkem Biologie 6 25 18 7 4 3 6 4 36 20 56 Chemie 3 15 12 3 2 1 6 4 18 10 28 Fyzika 6 30 22 8 5 3 6 4 38 24 62 Vědy o zemi 4 20 14 6 4 2 6 4 24 16 40 Celkem 90 66 24 116 70 186
Rozdělení úloh po tématech Rozdělení úloh podle témat 4. ročník: Oblast Téma Zajistí Živá příroda Vlastnosti a životní procesy živých organismů Životní cykly, rozmnožování a dědičnost celkem pro úlohy Počet stran pro test testúlohy testřešení na téma na test Kubiatko 4 4 Kubiatko 20 15 5 3 2 4 4 Počet úloh s popisem do testů celkem 20 20 40 Neživá příroda Vztahy se životním prostředím Kubiatko 4 4 Ekosystémy Kubiatko 4 4 Lidské zdraví Třídění a vlastnosti látek Skupenství a změny látek Zdroje energie, teplo a teplota Světlo a zvuk Elektřina a magnetismus Síly a pohyb Kubiatko Škoda Doulík Škoda Doulík Mandíková Houfková Mandíková Houfková Mandíková Houfková Mandíková Houfková 20 15 5 3 2 4 4 4 4 4 4 4 4 5 4 5 4 4 4 26 24 50
Ukázka úloh I Na obrázku jsou dvě auta, která jedou po rovné silnici. Jedno jede stálou rychlostí 70 km/h, druhé jede stálou rychlostí 110 km/h. Zakroužkujte obrázek, který správně zachycuje výslednou sílu, která působí na auta. Zvolenou odpověď zdůvodněte. v 1 = 70 km/h v 2 = 110 km/h A. v 2 = 110 km/h B. v 2 = 110 km/h v 1 = 70 km/h Fv2 v 1 = 70 km/h Fv2 Fv1 Fv1 C. D. v 2 = 110 km/h v 2 = 110 km/h v 1 = 70 km/h Fv2 = 0 v 1 = 70 km/h Fv2 Fv1 = 0 Fv1
Ukázka úloh I Správná odpověď: C. Auta se pohybují stálou rychlostí, takže výsledná síla působící na obě auta je nulová. Typická chybná odpověď: B. Na auta musí působit výsledná síla ve směru pohybu. U auta, které jede větší rychlostí, musí být síla větší. Komentář: Pro úspěšné řešení úlohy je třeba správné pochopení 1. a 2. Newtonova zákona. Při řešení úlohy se objevují dvě velmi časté a hluboce zakořeněné miskoncepce. První je, že ve směru pohybu, a to i rovnoměrného přímočarého, musí vždy působit síla. Druhou pak je představa, že síla je úměrná rychlosti (nikoliv zrychlení). Operace: používání znalostí
Ukázka úloh II Pavel si hází s míčkem. Na obrázku je situace, kdy míček letí svisle vzhůru. Zakroužkujte obrázek, který správně zachycuje všechny síly, které na míček v daném okamžiku působí, i poměr jejich velikostí. Zvolenou odpověď zdůvodněte. směr pohybu Působení vzduchu neuvažujte. A. směr pohybu B. Fg C. Fr směr pohybu D. Fr směr pohybu Fg
Správná odpověď: Ukázka úloh II A. Neuvažujeme-li působení vzduchu, působí na míček pouze Země gravitační silou. Typická chybná odpověď: B. Na míček působí kromě gravitační síly ještě síla ruky, kterou Pavel míček vyhodil. Síla ruky musí být větší, aby míček letěl vzhůru. Operace: používání znalostí
Ukázka úloh II Komentář: Pro úspěšné řešení úlohy je třeba správně chápat, co se rozumí ve fyzice pod pojmem síla. Síla popisuje vzájemné působení těles, je tedy důležité, aby žáci dokázali vždy, když mluví o síle, najít oba partnery, kteří na sebe působí. Ruka na míček působí silou jen do okamžiku, než ji míček opustí. Pro žáky je obtížné přijmout, že ač míček letí vzhůru, působí na něj síla směrem dolů. Je třeba, aby si uvědomili, že rychlost míčku směřující vzhůru se zmenšuje, a to právě díky působení gravitační síly. Kdyby výsledná síla směřovala vzhůru, musela by se rychlost míčku zvětšovat. Vyplývá to z 2.Newtonova zákona. Při řešení úlohy se objevuje častá miskoncepce, že při uvádění do pohybu přenášíme na těleso sílu. Síla je zde zaměňována s rychlostí či hybností. V dané situaci se pak žáci často domnívají, že během pohybu vzhůru se tato síla postupně zmenšuje. Co se vzájemné velikosti sil týče, projevuje se obvykle představa, že ve směru pohybu musí působit síla, a tedy síla ruky směřující vzhůru musí být větší.
Ukázka úloh III (komplexní) V následující tabulce je uvedeno, jak různé materiály vedou teplo. Materiál Tepelná vodivost W/(m.K) Materiál Tepelná vodivost W/(m.K) dřevo 0,2 mosaz 106 pěnový polystyrén 0,06 voda 0,6 plast 0,2 vodík 0,174 ocel 50 dusík 0,024 hliník 229 vzduch 0,024 Otázka 1: Jaký materiál je vhodný na výrobu držadla k pánvi? Plast Mosaz Dřevo Ocel Hliník ANO / NE ANO / NE ANO / NE ANO / NE ANO / NE V každém řádku zakroužkujte ANO či NE. Správná odpověď: ANO, NE, ANO, NE, NE Operace: používání znalostí
Ukázka úloh III (komplexní) Otázka 2: Na obrázku je termoska, která slouží např. k uchování teplých nápojů. Nádoba má dvojité stěny. Co by mělo tvořit výplň mezi stěnami, aby nápoj vydržel co nejdéle teplý? A) voda B) vzduch C) vakuum D) polystyrén Správnou odpověď zakroužkujte. Správná odpověď: C) vakuum Operace: prokazování znalostí
Ukázka úloh III (komplexní) Otázka 3: Jakou barvu byste zvolili pro vnitřní stěny termosky? (Vezměte v úvahu, že teplo se šíří nejen vedením či prouděním, ale i zářením.) A) černou B) šedou C) stříbrnou D) nezáleží na tom Jednu odpověď zakroužkujte. Správná odpověď: C) stříbrnou Operace: prokazování znalostí
Ukázka úloh III (komplexní) Otázka 4: Jitka přemýšlela, do jaké láhve si má dát limonádu, aby jí vletním horku vydržela co nejdéle studená. Honza jí radil, ať si ji nalije do termosky. Zakroužkujte, zda radil Jitce dobře či ne, a vysvětlete proč. ANO - NE Vysvětlení: Správná odpověď: Zakroužkováno ANO s vysvětlením nějak vyjadřujícím, že termoska brání přívodu tepla nebo že izoluje. ANO. Z termosky si limonáda nebude vyměňovat teplo s okolním prostředím. ANO. Termoska je téměř úplně izolovaná a limonádu nebude nic oteplovat. ANO. Vakuum mezi stěnami termosky izoluje. Zakroužkováno ANO s vysvětlením nějak vyjadřujícím, že termoska brání unikání chladu. ANO. Izoluje chlad. ANO. Protože termoska uchová nápoj jak studený, tak teplý. Termoska má nízkou tepelnou vodivost a proto chlad limonády nebude unikat tak rychle.
Ukázka úloh III (komplexní) Částečně správná odpověď: Zakroužkováno ANO. Vysvětlení uvádí jen, že termoska udržuje teplotu nápoje, ale nevysvětluje proč. ANO. Termoska je určena k uchovávání teploty (vroucí vody, ale i třeba studené limonády). Termoska uchovává teplotu takovou, jakou má nápoj uvnitř. Nezvyšuje ji ani nesnižuje. Zakroužkováno ANO, vysvětlení je nedostatečné (nikoliv chybné) či chybí. ANO. Limonáda zůstane studená. Nevyhovující odpověď Zakroužkováno NE svysvětlením, že termoska udržuje nápoj teplý. NE. Do termosky se dávají teplé nápoje. Zakroužkováno NE sjiným či žádným vysvětlením. Jiné odpovědi (včetně zakroužkovaného ANO schybným vysvětlením). ANO. Protože termoska je z hliníku a ten má vysokou tepelnou vodivost, to znamená nejen, že udrží teplé nápoje teplé, ale udrží studené nápoje studené, protože vysoká tepelná vodivost znamená jak ohřívání, tak ochlazování. Operace: uvažování
Ukázka úloh III (komplexní) Komentář: Úloha se týká přenosu tepla. Vprvní otázce je potřeba si uvědomit, že držadlo pánve, musí být zmateriálu, který špatně vede teplo. Dále je třeba pracovat stabulkou a umět vní najít příslušné materiály a jejich tepelnou vodivost a vyloučit ty, které ji mají vysokou (velké číslo). Otázka se dá ale také řešit na základě vlastních zkušeností, kdy mnozí žáci ví, že kovy vedou teplo dobře a plast i dřevo ne. Ve druhé otázce je třeba vědět, že nejlepším tepelným izolantem je vakuum, neboť zde nejsou žádní prostředníci (atomy, molekuly), kteří by napomáhali přenosu tepla vedením. Žáci rovněž mohou vědět z vlastní zkušenosti, že z prostoru mezi stěnami termosky se vyčerpává vzduch. Ve třetí otázce se jedná o přenos tepla zářením. Zde bylo třeba určit barvu, která nejméně pohlcuje tepelné záření. Ve čtvrté otázce šlo o to si uvědomit, že vakuum mezi stěnami termosky brání přenosu tepla obousměrně, tedy nejen od horkého čaje ke studenému vzduchu venku vzimě. Ale také od horkého letního vzduchu ke studené limonádě.
Analýza chyb Stručnýspolečný úvod Čeho si všimnout: - celková průměrná úspěšnost vzhledem k mezinárodnímu průměru, okomentovat situaci v jednotlivých obsahových kategoriích, dívky a chlapce - průměrná úspěšnost podle operací (prokazování znalostí, používání znalostí, uvažování) - průměrná úspěšnost podle typu otázky - vymykal se nějaký typ úloh vysokou či naopak nízkou úspěšností vzhledem k průměru (úloha s grafem, zadaná experimentem, vyžadující práci s tabulkou, praktickou aplikaci poznatku, ) jak zde se statistikou?
Analýza chyb Třída dostala za úkol zjistit hustotu plechovky coca-coly. Žáci se rozdělili do čtyř skupin a každá dostala plechovku coca-coly. Poté, co všechny skupiny dokončily práci, oznámily své výsledky, které jsou zapsány v tabulce. Žáci se divili, že se vypočítané hustoty plechovek tak liší. Porovnali tedy postupy, kterými skupiny zjišťovaly hmotnost a objem plechovky.
Analýza chyb B. V tabulce 2 je uveden postup, kterým každá skupina zjišťovala objem plechovky od coca-coly. Skupiny B a C se pokusily změřit objem plechovky bez coca-coly. Vysvětli, proč se jejich výsledky liší. Výzkum v roce / populace průměr dívky chlapci 2007 / 8.ročník ČR [%] 12,5 11,4 13,6 2007 / 8.ročník mezinárodní [%] 6,9 7,0 6,9
Analýza chyb Dále po jednotlivých obsahových kategoriích 4. ročník živá příroda neživá příroda Země 8. ročník biologie chemie fyzika vědy o Zemi
Analýza chyb neživá příroda, fyzika Okomentovat odlišnosti v úspěšnosti oproti celku (operace, typy úloh, typ otázky, dívky, chlapci) Úspěšnost v jednotlivých obsahových složkách 4. ročník neživá příroda Obsahová složka Počet úloh 2007 2007 Průměrná úspěšnost ČR v % Mezinárodní průměrná úspěšnost v % Celkem Dívky Chlapci Celkem Dívky Chlapci třídění a vlastnosti látek 19 53,8 53,6 54,4 47,1 47,6 46,7 skupenství a změny látek 11 56,3 55,3 57,3 48,1 48,0 48,3 zdroje energie, teplo a teplota 10 53,5 49,5 57,3 54,3 53,3 55,2 světlo a zvuk 11 46,7 48,1 44,9 42,8 43,4 42,2 elektřina a magnetismus 5 45,2 43,1 47,1 41,8 40,2 43,4 síly a pohyb 8 58,5 54,8 61,9 57,6 56,1 59,1
Analýza chyb neživá příroda, fyzika 8. ročník fyzika Obsahová složka Počet úloh 2007 2007 Průměrná úspěšnost ČR v % Mezinárodní průměrná úspěšnost v % Celkem Dívky Chlapci Celkem Dívky Chlapci skupenství látek a jeho změny 9 42,7 40,4 44,8 33,9 34,2 33,6 přeměny energie, teplo, teplota 13 54,5 51,6 57,2 40,1 39,5 40,8 světlo 6 49,0 44,7 52,9 41,5 40,3 42,8 zvuk 5 54,2 55,2 53,3 44,3 44,4 44,3 elektřina a magnetismus 8 40,5 39,1 41,9 34,5 34,2 34,8 síla a pohyb 13 54,0 51,4 56,7 37,4 36,4 38,4
Analýza chyb neživá příroda, fyzika Analýza chyb v jednotlivých tematických celcích konkrétní chyby, typické miskoncepce - Nejprve okomentovány uvolněné úlohy - Pak obecněji shrnuty problémy a miskoncepce v neuvolněných úlohách - Případné další komentáře (úlohy s velkým procentem neřešených, nezdůvodněná řešení, matematické problémy, )
Analýza chyb neživá příroda, fyzika Úloha: Elektromagnet Kód úlohy S01-04 Charakteristika úlohy Co se stane s hřebíkem, který je omotaný drátem, kterým prochází proud? Uvolnění úlohy ano Typ úlohy výběr odpovědi Obsahová kategorie elektřina a magnetismus Operační kategorie prokazování znalostí Úloha použita v letech 2007 Úloha použita pro populaci 2 ( 8. ročník ZŠ) Obrázek ukazuje železný hřebík, kolem kterého je omotaný izolovaný drát. Drát je připojen k baterii. Co se s hřebíkem stane, bude-li drátem procházet proud? A) Hřebík se roztaví. B) Hřebíkem bude procházet elektrický proud. C) Hřebík se stane magnetem. D) S hřebíkem se nestane nic. Výzkum v roce / populace N A B C D 2007 / 8.ročník ČR [%] 694 1,6 44,2 22,0 31,2 2007 / 8.ročník mezinárodní [%] 639 3,0 40,3 36,9 18,4
Komentář: Analýza chyb neživá příroda, fyzika Selektromagnetem se žáci obvykle setkávají v6. ročníku. Téma je vhodné pro provádění žákovských pokusů, takže mnozí žáci měli pravděpodobně elektromagnet i sami vruce. Elektromagnet bývá také součástí řady stavebnic pro děti. Je proto zarážející, že si stouto úlohou poradilo jen něco málo přes pětinu českých žáků. Tato úloha byla jediná, ve které byl výsledek českých žáků výrazně pod mezinárodním průměrem. Obtížnost úlohy byla hodnocena jako vysoká (úroveň 5). Nejčastější chybnou odpovědí českých žáků bylo, že hřebíkembude procházet elektrický proud, tato odpověď byla nejčastější špatnou odpovědí i v mezinárodním průměru. Oproti mezinárodnímu průměru mnohem více českých žáků volilo odpověď, že s hřebíkem se nestane nic.
Analýza chyb neživá příroda, fyzika Elektřinaa magnetismus 4.ročník Do této obsahové složky spadalo pět úloh, tři se týkaly elektrických obvodů a dvě magnetů. Úlohy byly zaměřeny zejména na používání znalostí, nicméně čeští žáci se stouto problematikou do 4. ročníku obvykle nesetkají, takže museli vycházet zejména zvlastních zkušeností. Ztéto oblasti byla uvolněna jedna úloha. Týkala se jednoduchého obvodu sbaterií a žárovkou. Úkolem žáků bylo uvést jeden možný důvod, proč nesvítí žárovka, svýjimkou toho, že je žárovka rozbitá. Úlohu řešilo správně 56 % českých žáků. Většina znich uvedla jako důvod vybitou baterii.
Analýza chyb neživá příroda, fyzika Vdalších úlohách se objevily následující problémy a miskoncepce: Kolem 14 % českých žáků se domnívalo, že guma je elektricky vodivá. Téměř třetina českých žáků se domnívala, že zdroje napětí se do série spojují souhlasnými póly ksobě. 35 % českých žáků se domnívalo, že souhlasné póly magnetů se přitahují. Úlohy, kde bylo třeba uvést vlastní odpověď, poměrně dost českých žáků neřešilo. Podobně tam, kde bylo třeba uvést zdůvodnění zvolené odpovědi, žáci často zaškrtli správnou odpověď, ale již ji nezdůvodnili.
Analýza chyb neživá příroda, fyzika Síla a pohyb 4. ročník Vdalších úlohách se objevily následující problémy a miskoncepce. Více než pětina českých žáků se domnívala, že gravitační síla působící na předmět ležící na stole míří svisle vzhůru. 27 % českých žáků si myslelo, že magnetismus je příčinou toho, proč upuštěné předměty padají kzemi. 36 % českých žáků si myslelo, že pokud dva předměty (z různých materiálů, o různém objemu) klesnou ve vodě na dno, mají stejnou hmotnost. Téměř pětina českých žáků se domnívala, že předmět o větším objemu má větší hmotnost, i když se jedná o různé materiály. Problém činila českým žákům úloha na porovnávání hmotnosti předmětů na základě obrázků zachycujících jejich chování na rovnoramenných vahách, která vyžadovala složitější úvahu. Poradila si s ní jen třetina z nich, což bylo pod mezinárodním průměrem.
Úlohy řešené nejhůře oproti mezinárodnímu průměru 4. ročník Určení materiálu, který nejlépe vede teplo. Podrobné výsledky (Zastoupení jednotlivých typů odpovědí v %): Výzkum v roce / populace N A B C D Ost. 2007 / 4.ročník ČR [%] 611 60,5 22,7 5,4 9,5 2,0 2007 / 4.ročník mezinárodní [%] 636 24,6 44,0 14,7 12,3 4,3 60 % žáků volilo dřevo. Možná to souvisí spředstavou, že látka, která dobře hoří, dobře vede teplo. Při které skupenské změně se dodává teplo, aby nastala? Podrobné výsledky (Zastoupení jednotlivých typů odpovědí v %): Výzkum v roce / populace N A B C D Ost. 2007 / 4.ročník ČR [%] 591 23,5 22,0 17,7 31,7 5,1 2007 / 4.ročník mezinárodní [%] 636 19,4 13,1 16,3 44,4 6,9
Úlohy řešené nejhůře oproti mezinárodnímu průměru 4. ročník Co je hlavním důvodem toho, že vidíme Měsíc? A) Měsíc odráží světlo od Země. B) Měsíc odráží světlo od Slunce. C) Měsíc vyzařuje své vlastní světlo. D) Měsíc je větší než hvězdy. Podrobné výsledky (Zastoupení jednotlivých typů odpovědí v %): Výzkum v roce / populace N A B C D Ost. 2007 / 4.ročník ČR [%] 612 6,0 34,1 25,3 30,8 3,8 2007 / 4.ročník mezinárodní [%] 637 10,4 46,0 17,9 19,3 6,5
Úlohy řešené nejhůře oproti mezinárodnímu průměru 8. ročník Elektromagnet Chemická a fyzikální změna Který z uvedených dějů NENÍ chemická změna? A tání ledu B černání stříbra C hoření zápalky D tlení rostlin Podrobné výsledky (Zastoupení jednotlivých typů odpovědí v %): Výzkum v roce / populace N A B C D Ost. 2007 / 8.ročník ČR [%] 680 30,8 10,5 8,9 48,7 1,1 2007 / 8.ročník mezinárodní [%] 638 40,5 14,7 14,3 28,1 2,3 Přeměna energie v kapesní svítilně na baterie Podrobné výsledky (Zastoupení jednotlivých typů odpovědí v %): Výzkum v roce / populace N A B C D Ost. 2007 / 8.ročník ČR [%] 689 53,1 8,6 26,8 8,6 2,8 2007 / 8.ročník mezinárodní [%] 639 41,4 11,2 34,9 10,0 2,5