Οι εναλλακτικές ιδέες των παιδιών
Τα παιδιά συχνά
θεωρούν ότι:
Η θερμότητα είναι ουσία…
·
Η θερμότητα είναι μια «ουσία», η οποία ρέει από το ένα
μέρος στο άλλο (Harris 1981).
·
Η θερμότητα είναι ένα είδος «φευγαλέας ουσίας» (Erickson
1977), όπως ο αέρας, που έχει τη δυνατότητα να ρέει μέσα και έξω από τα
αντικείμενα.
Το κρύο είναι ο αντίπαλος του
ζεστού
·
Το κρύο είναι μια «οντότητα» η οποία έχει κι αυτή
ιδιότητες υλικής ουσίας. Αντιλαμβάνονται δηλαδή το ψυχρό σαν μια άλλη οντότητα
αντίθετη του θερμού (Engel κ.ά.,1985).
·
Τη θερμοκρασία σαν μίξη του θερμού και του ψυχρού μέσα σε
ένα αντικείμενο ή σαν μέτρο του ποσού θερμότητας που κατέχει ένα αντικείμενο
(Erickson, 1977).
·
Η θερμοκρασία ενός σώματος σχετίζεται με το μέγεθός του,
τον όγκο του ή τη μάζα του (Erickson,1977).
Θερμοκρασία όπως …χρώμα
·
Θερμοκρασία σαν μια μόνιμη φυσική ιδιότητα του υλικού. Η
εμπειρία που αποκτούν ακουμπώντας τα αντικείμενα, ενισχύει την άποψη πως
ορισμένες ουσίες είναι από τη φύση τους πιο θερμές ή πιο κρύες από άλλες (Erickson G. 1977).
H «κρύα» θερμοκρασία και η «ζεστή»
θερμότητα
·
Η θερμότητα είναι ζεστή, αλλά η θερμοκρασία μπορεί να
είναι και κρύα και ζεστή. Στη θερμοκρασία μπορεί να έχεις κάτι παγωμένο, ενώ
στη θερμότητα, συνήθως σκέφτεσαι ότι κάτι είναι ζεστό (Tiberghien 1983).
·
Δεν υπάρχει διαφορά ανάμεσα στη θερμότητα και τη
θερμοκρασία (Tiberghien 1983).
·
«Με τη θερμοκρασία μπορείς να μετρήσεις τη θερμότητα,
αλλά η θερμότητα είναι ζεστή και την αισθάνεσαι». (Tiberghien
1983)
Mε την τήξη χάνεται βάρος
·
Το νερό που προκύπτει από το λιώσιμο του πάγου έχει
μικρότερο βάρος (Stavy 1987).
Tήξη = διάλυση
·
Τη διαδικασία της τήξης παρόμοια με της διάλυσης, γιατί
και αυτή είναι μια διαδικασία που πραγματοποιείται βαθμιαία, και είναι
σχεδόν ασύνδετη με κάποια συγκεκριμένη θερμοκρασία (Cosgrove & Osborne 1980).
Θερμοκρασία και πήξη = καμία σχέση
·
Δε θεωρούν ότι η αλλαγή της φυσικής κατάστασης ενός
σώματος συνδέεται με κάποια συγκεκριμένη θερμοκρασία (Cosgrove & Osborne 1980).
Eξάτμιση = εξαφάνιση
·
Ένα υγρό που μετατρέπεται σε αέριο ή εξατμίζεται, χάνει
ένα μέρος από το βάρος ή η μάζα του επειδή η υλική ουσία φαίνεται να
εξαφανίζεται (Stavy 1987).
·
Το αέριο που προκύπτει από την εξάτμιση είναι ελαφρύτερο
από την αντίστοιχη ποσότητα του υλικού σε υγρή κατάσταση (Stavy 1987).
·
Kατά τη διάρκεια του βρασμού η θερμοκρασία αυξάνεται.
·
Μέσω της παρανόησης ότι «θερμότητα» και «θερμοκρασία»
είναι το ίδιο πράγμα, συμπεραίνουν ότι αφού το υγρό θερμαίνεται κατά τη
διάρκεια του βρασμού του, είναι λογικό να αυξάνεται η «θερμοκρασία» του
(Andersson 1980).
Tα άτομα που λιώνουν
·
μεταφέρουν τις μεταβολές μακροσκοπικών ιδιοτήτων ή
ιδιοτήτων όγκου σε μικροσκοπικό επίπεδο λέγοντας ότι τα σωματίδια (άτομα, μόρια
ή ιόντα) θα μπορούσαν να λιώσουν, να θερμανθούν ή να αλλάξουν μέγεθος (Driver
1993 :209, 212,213 και σχέδια σελ. 214, 216 και 217).
Οι μαθητές
επιδιώκεται: ·
Να αναγνωρίζουν φαινόμενα διαστολής και συστολής στερεών από το φυσικό
κόσμο. ·
Να συσχετίζουν τα φαινόμενα αυτά με τη διαφορά θερμοκρασίας των εποχών. ·
Να συσχετίζουν τη διαστολή και τη συστολή των σωμάτων με την αύξηση και
ελάττωση της θερμοκρασίας τους. ·
Να περιγράφουν, χρησιμοποιώντας την έννοια του μορίου, τη θερμική
διαστολή και συστολή των στερεών σωμάτων. ·
Να αναφέρουν και να περιγράφουν εφαρμογές της θερμικής διαστολής στην
καθημερινή ζωή. |
Καλοκαίρια και χειμώνες
: Εικόνα καλωδίων ΔEH και εικόνα
γραμμών τρένου. Στο μαθητή δίνονται δύο επιλογές μέσω των πλήκτρων: Xειμώνας – Kαλοκαίρι. Με
αυτές μπορεί να παρατηρεί τη διαστολή και συστολή των καλωδίων και των
σιδηροδρομικών γραμμών, ανάλογα με τη θερμοκρασία των δύο εποχών.
H σελίδα
προσφέρει εισαγωγικά ερεθίσματα για το φαινόμενο της συστολής και διαστολής των
στερεών και ταυτόχρονα δίνει αφορμή για την πρώτη σύνδεση του φαινομένου με τη
θερμοκρασία. Ο δάσκαλος μπορεί να θέσει προς διερεύνηση τα παρακάτω
ερωτήματα:
- Ποιος βλέπει κάποια διαφορά;
- Tι παθαίνουν τα
καλώδια το χειμώνα;
- Tο φαινόμενο αυτό
συμβαίνει και σε άλλα σώματα;
- Πού οφείλεται αυτό;
Διαστολή
και συστολή
: Animation σιδερένιας
σφαίρας που θερμαίνεται και ψύχεται, παρουσιάζοντας διαστολή και συστολή. Tαυτόχρονα, ένα
ψηφιακό θερμόμετρο καταγράφει τη θερμοκρασία. H κουκουβάγια με
την ερώτηση προτρέπει να ανακαλύψουμε το μυστικό της διαστολής στο εσωτερικό του
μετάλλου.
Διδακτική
προσέγγιση
Ο δάσκαλος μπορεί να θέσει τα παρακάτω ερωτήματα προς διερεύνηση στους
μαθητές:
·
Παρατηρείτε κάποια μεταβολή, όταν η σφαίρα θερμαίνεται;
·
Παρατηρείτε κάποια μεταβολή, όταν η σφαίρα ψύχεται;
·
Πώς ονομάζεται το φαινόμενο;
·
Πού οφείλεται αυτό; Tι συμβαίνει μέσα στη σφαίρα; Μπορείτε
να κάνετε μια πρόβλεψη;
Eννοείται πως ο
δάσκαλος δεν πρέπει να δώσει απαντήσεις, προκειμένου να αφήσει ελεύθερους τους
μαθητές να τις αναζητήσουν μέσα στα άτομα του μετάλλου.
Παρατήρηση: H μεταβολή του
μεγέθους της σφαίρας είναι αρκετά μικρή (όπως περίπου συμβαίνει και στην
πραγματικότητα) και χρειάζεται προσοχή από το μαθητή, για να γίνει αντιληπτή.
Μέσα στη σφαίρα
Οι μαθητές
επιδιώκεται: ·
Να αποκτήσουν μικροσκοπική παράσταση των δομικών σωματιδίων του στερεού. ·
Να συσχετίζουν την αύξηση του πλάτους ταλάντωσης με την αύξηση της
θερμοκρασίας. ·
Να ερμηνεύουν τη διαστολή μέσω της αύξησης του πλάτους ταλάντωσης, που
προκαλεί η αύξηση της θερμοκρασίας. |
: Κείμενο οθόνης: παίξε με τη
θερμοκρασία και παρατήρησε την κίνηση των ατόμων μέσα στη σφαίρα. Τι συμβαίνει
καθώς μεταβάλλεις τη θερμοκρασία;
Animation ατόμων σιδήρου
και διαδραστικός ρυθμιστής της θερμοκρασίας. Όταν το μέταλλο
φτάσει στο σημείο τήξης, εμφανίζεται η εικόνα του υγρού σιδήρου.
H αύξηση της μέσης
απόστασης των ατόμων λόγω της αύξησης της θερμοκρασίας, είναι κεντρικό σημείο
στην προσπάθεια σύνδεσης της μακροσκοπικής με τη μικροσκοπική παράσταση της
διαστολής. H αναπαράσταση του προγράμματος υπηρετεί
αυτόν ακριβώς το στόχο και διευκολύνει σε πολύ μεγάλο βαθμό το έργο του
δασκάλου. Tο σημείο είναι ιδιαίτερα σημαντικό,
γιατί η κατάκτηση μιας τέτοιας αντίληψης από τα παιδιά διευκολύνει την ερμηνεία
του φαινομένου τόσο στα υγρά όσο και στα αέρια. O δάσκαλος μπορεί
να δώσει και τον όρο «πλάτος ταλάντωσης των ατόμων» με την απαραίτητη βοήθεια
(πλάτος ταλάντωσης ενός εκκρεμούς, πλάτος ταλάντωσης μιας κούνιας κτλ).
Για την ολοκληρωμένη παρουσίαση του
φαινομένου κρίθηκε σκόπιμο, όταν η θερμοκρασία φτάσει στο σημείο τήξης του
σιδήρου, να εμφανίζεται και η εικόνα των ατόμων του υγρού μετάλλου. O δάσκαλος δεν
είναι απαραίτητο να εξηγήσει το τι ακριβώς συνέβη στο στερεό. Αυτό θα το
αντιληφθούν οι μαθητές σχετικά εύκολα μέσα από τις σελίδες της ενότητας.
Οι μαθητές
επιδιώκεται: ·
Να αναγνωρίζουν φαινόμενα διαστολής και συστολής υγρών από τον φυσικό
κόσμο. ·
Να συσχετίζουν τα φαινόμενα αυτά με τη διαφορά θερμοκρασίας των εποχών. ·
Να περιγράφουν, χρησιμοποιώντας την έννοια του μορίου, τη θερμική
διαστολή και συστολή των υγρών σωμάτων. |
Ο
καιρός αλλάζει
: Animation ημερολογίου
στο οποίο αλλάζουν οι εποχές, ενώ ταυτόχρονα αλλάζει η εικόνα ενός τοπίου και
αυξομειώνεται η στάθμη του υγρού μέσα στο θερμόμετρο. H κουκουβάγια με
την ερώτησή της προσπαθεί να συνδέσει τη διαστολή και συστολή των υγρών με τις
μεταβολές της θερμοκρασίας.
Διδακτική
προσέγγιση
H σελίδα
προσφέρει το εισαγωγικά ερεθίσματα για το φαινόμενο της συστολής και διαστολής
των στερεών και ταυτόχρονα δίνει αφορμή για την πρώτη σύνδεση του φαινομένου με
τη θερμοκρασία.
Διαστολή υγρού
: Animation δοχείου με
νερό, που θερμαίνεται και ψύχεται από τους 20οC μέχρι τους 100οC, ενώ
ταυτόχρονα ένα θερμόμετρο υδραργύρου καταγράφει τη θερμοκρασία του νερού. Όταν το νερό
φτάσει στο σημείο βρασμού, παρατηρούνται φυσαλίδες και υγροποίηση υδρατμών στο
καπάκι του δοχείου. H κουκουβάγια δείχνει την «έκπληξή» της για την
«απροσδόκητη» εξέλιξη και προτρέπει να παρακολουθήσουμε τα μόρια.
Διδακτική
προσέγγιση
Οι μαθητές, έχοντας οικοδομήσει
παράσταση για τη διαστολή των στερεών, επιθυμούν να ερμηνεύσουν κατ’ αναλογία
και τη διαστολή των υγρών. H σελίδα αυτή έχει ως στόχο την
προετοιμασία τους για τη συνθετότητα που παρουσιάζει η υγρή φάση και την
προετοιμασία τους για μελέτη φαινομένων όπως η εξάτμιση, που είναι αναπόσπαστη
ιδιότητα των υγρών (πραγματοποιείται συνεχώς και σε κάθε θερμοκρασία), όπως
επίσης και για την εισαγωγή τους στο φαινόμενο του βρασμού.
Eπειδή όμως το πρωτεύον αυτή τη χρονική
στιγμή είναι η παρατήρηση και η σύνδεση της διαστολής με τη θερμοκρασία, ο
δάσκαλος δεν πρέπει να χάσει την ευκαιρία για επισημάνσεις όπως:
·
γιατί ο υδράργυρος που περιέχει το θερμόμετρο διαστέλλεται τόσο πολύ, ενώ η
διαστολή του νερού ίσα που φαίνεται στην οθόνη; (Oι λόγοι είναι δύο: άλλο υλικό
και άλλη διατομή δοχείου.)
·
Τι συμβαίνει στο νερό, όταν η θερμοκρασία του φτάνει τους 100οC; Tι
συμβαίνει στο καπάκι του δοχείου;
·
Η θερμοκρασία ξεπερνάει τους 100 οC; Γιατί; κλπ.
Μέσα στο υγρό
Οι μαθητές
επιδιώκεται: ·
Να ερμηνεύουν τα φαινόμενα της συστολής, διαστολής, εξάτμισης και
βρασμού, με βάση το μικροσκοπικό μοντέλο των μορίων του υγρού. ·
Να κατανοούν τις διαφορές εξάτμισης και βρασμού. |
: Αναπαράσταση μορίων νερού, που
θερμαίνεται και ψύχεται από τους 20οC μέχρι τους 100οC. Εμφανίζεται η
μεταβολή της στάθμης του υγρού και ταυτόχρονα παρουσιάζεται η εξάτμιση. Στους
100 οC εμφανίζονται φυσαλίδες βρασμού. O μαθητής μπορεί διαδραστικά να
μεταβάλει τη θερμοκρασία του υγρού. Στο animation παρουσιάζεται
και η διαστολή του νερού κατά τη θέρμανσή του. Η ελεύθερη γραμμή πάνω από το
δοχείο οριοθετεί τη στάθμη του νερού σε θερμοκρασία 100 οC. Ο μαθητής
μπορεί να επαναλάβει όσες φορές θέλει τη θέρμανση του νερού μέχρι το σημείο
βρασμού του, αλλά η στάθμη του νερού συνεχώς ελαττώνεται λόγω της εξαέρωσης. H κουκουβάγια
ζητάει από το μαθητή να κατονομάσει τα πολλαπλά φαινόμενα που παρουσιάζονται
και δίνει τις απαντήσεις.
Η συγκεκριμένη αναπαράσταση, από
διδακτικής πλευράς ίσως να είναι η σημαντικότερη του προγράμματος. Σε μία οθόνη
ο μαθητής μπορεί να παρατηρήσει σε μικροσκοπικό επίπεδο διαστολή, συστολή,
εξάτμιση και βρασμό.
Προσοχή: Τα φαινόμενα
που εμφανίζονται στη συγκεκριμένη αναπαράσταση και οι έννοιες που εμπλέκονται
είναι πολλές και διαφορετικές μεταξύ τους. Αυτό αποτελεί μεν επιτυχία των
κατασκευαστών, αλλά μεταφέρει ταυτόχρονα τον κίνδυνο της σύγχισης των εννοιών.
Στο σημείο αυτό ο διδάσκων πρέπει να βοηθήσει ουσιαστικά τους μαθητές στη
διάκριση του κάθε φαινομένου και το διαχωρισμό των εννοιών.
Ο δάσκαλος μπορεί να βοηθήσει στη σύνδεση μικροσκοπικού και μακροσκοπικού μοντέλου και να συμβάλει στη δραματοποίηση του φαινομένου της εξάτμισης, εμφανίζοντας απλά ένα μισογεμάτο με νερό γυάλινο ποτήρι ή ένα μπουκάλι με εμφιαλωμένο νερό, και να προκαλέσει διάλογο με ερωτήσεις:
·
Tο νερό που υπάρχει στο μπουκάλι είναι υγρό ή υπάρχει και
αέριο νερό;
·
Όταν κοιτάζουμε τη θάλασσα βλέπουμε το νερό. Tι είναι αυτό που
δεν μπορούμε να δούμε;
·
Πώς δημιουργείται το νερό που υπάρχει στα σύννεφα;
·
Aν αφήσω αυτό το ποτήρι στην τάξη
και έρθω μετά από ένα μήνα, η ποσότητα του νερού θα είναι η ίδια; Γιατί;
·
Πώς στεγνώνουν τα βρεγμένα ρούχα; κτλ.
Μπορεί επίσης να βοηθήσει τα παιδιά να
κατακτήσουν τη διαφορά εξάτμισης και βρασμού:
·
Tι περιέχουν αυτές οι φυσαλίδες;
·
Aν ο βρασμός συνεχιστεί, τι θα γίνει με τη στάθμη του
υγρού;
·
Σε τι διαφέρει η εξάτμιση από το βρασμό;
·
Σε όλα τα υγρά συμβαίνει το ίδιο;
Από αέριο σε... στερεό
Οι μαθητές
επιδιώκεται: ·
Να αποκτήσουν παράσταση της συνέχειας των τριών καταστάσεων και της
δυνατότητας αλληλομετατροπής τους. ·
Να χειρίζονται με ακρίβεια τους όρους: τήξη, πήξη, εξαέρωση, υγροποίηση. |
: Oι τρεις φυσικές
καταστάσεις σε μία οθόνη και οι όροι των μετατροπών.
H συγκεκριμένη
αναπαράσταση προσφέρεται για την ενοποίηση των τριών καταστάσεων. Πρέπει να δοθεί
προσοχή στη σωστή χρήση των όρων «εξάτμιση» και «εξαέρωση», οι οποίοι συχνά
συγχέονται.
Ερώτηση: με ποιους τρόπους ένα υγρό
μπορεί να εξαερωθεί; (Απάντηση: με εξάτμιση ή με βρασμό).
Οι μαθητές
επιδιώκεται: ·
Να ερμηνεύουν και να περιγράφουν το φαινόμενο της διαστολής και συστολής
των αερίων με βάση το μικροσκοπικό μοντέλο των μορίων. |
Με
ζεστό αέρα
: Animation διαστολής
αερίου. Ένα γυάλινο δοχείο κλείνει με ένα μπαλόνι. Όταν ο αέρας
του δοχείου ζεσταίνεται, το μπαλόνι φουσκώνει. Όταν ο αέρας ψύχεται, το μπαλόνι
ξεφουσκώνει. H κουκουβάγια ζητάει το λόγο της διαστολής και συστολής.
Οι μαθητές ήδη φαντάζονται ότι η αύξηση
της θερμοκρασίας μεταβάλλει την κίνηση των μορίων και εξηγούν το φαινόμενο κατ’
αναλογία με τα υγρά. O δάσκαλος θα μπορούσε να τους προβληματίσει με την ερώτηση:
-Ωραία τα λέτε. Αλλά τι θα συνέβαινε,
αν δεν υπήρχε το μπαλόνι και το δοχείο ήταν κλειστό;
Μέσα
στο αέριο
: Μικροσκοπική αναπαράσταση των
μορίων ενός αερίου που βρίσκεται σε δοχείο εφοδιασμένο με έμβολο και ρυθμιστή
θερμοκρασίας. O μαθητής μπορεί
διαδραστικά να αυξάνει ή να μειώνει τη θερμοκρασία, παρατηρώντας τη διαστολή
και συστολή του αερίου.
Το ζητούμενο δεν είναι η διαστολή των
αερίων, η οποία μπορεί να ερμηνευτεί με ευχέρεια από τα παιδιά, αλλά η ομαλή
εισαγωγή τους στην έννοια της πίεσης, η οποία παρουσιάζει αρκετά μεγαλύτερη
δυσκολία. Αυτός είναι και ο στόχος του ερωτήματος:
-Τι θα συμβεί όμως αν σφραγίσουμε αυτό
το δοχείο και θερμάνουμε το αέριο;
Ας
παίξουμε -Διαστολές και συστολές
: Εξαιρετικά πρωτότυπο παιχνίδι
για τη διαστολή και συστολή. Μια μπάλα που βρίσκεται στο ανώτερο μέρος μιας
κατασκευής, πρέπει να καταλήξει σε ένα καλάθι μέσω της διαδρομής που θα
επιλέξει ο μαθητής από έναν λαβύρινθο. Η διαδρομή προς το καλάθι είναι γεμάτη
κενά που μπορεί να την εκτρέψουν από την πορεία της. H ώθηση της
μπάλας και το γέμισμα των κενών γίνεται με τη θέρμανση μεταλλικών ράβδων. Oι ράβδοι διαστέλλονται
όσο διαρκεί η θέρμανσή τους και μόλις αυτή διακοπεί συστέλλονται στο αρχικό
τους μήκος. H διαστολή και συστολή γίνονται σε
γρήγορους ρυθμούς (στοιχείο υπερβολής, που προσδίδει δράση και κινητοποιεί τη
φαντασία).
Διδακτικοί στόχοι:
·
βιωματική προσέγγιση της έννοιας της
διαστολής και συστολής. O μαθητής μέσα από το συγκεκριμένο παιχνίδι, ξεπερνά το
στάδιο της κατανόησης και περνά στο χειρισμό και την εκμετάλλευση του
φαινομένου
·
ενίσχυση της ικανότητας πρόβλεψης της διαδρομής ενός
υλικού αντικειμένου, που κινείται με τη δύναμη της βαρύτητας
·
ενίσχυση της ικανότητας γρήγορης αντίδρασης για την
επίλυση προβλημάτων
·
ενίσχυση της ικανότητας ανάπτυξης εναλλακτικών
στρατηγικών για την επίλυση προβλημάτων
Ας παίξουμε |
·
Διαστολές και συστολές |
||
Ας μετρήσουμε |
·
Μονάδες μέτρησης της θερμοκρασίας, του χρόνου, του
βάρους, του μήκους και του όγκου. |
||
Βιογραφίες |
·
Σαντί-Νικολά Καρνό ·
Τζαίημς Πρέσκοτ Τζάουλ ·
Λόρδος Κέλβιν |
||
Βιβλιογραφία |
Φύλλα εργασίας |
Κριτήρια αξιολόγησης |
Σχετικές συνδέσεις |
Βίντεο |
·
Διαστολή στερεών ·
Διαστολή υγρών ·
Πήξη υλικών |