Aktive Methoden für Das Lehren und Lernen von Physik: Fallstudie zur Formulierung von Wärme und Temperaturkonzepten

ORIGINALER ARTIKEL

VILANCULO, Jossias Arnaldo ^[1], MUTIMUCUIO, Inocente Vasco ^[2], SILVA, Carlos Santos ^[3]

VILANCULO, Jossias Arnaldo. MUTIMUCUIO, Inocente Vasco. SILVA, Carlos Santos. Aktive Methoden für Das Lehren und Lernen von Physik: Fallstudie zur Formulierung von Wärme und Temperaturkonzepten. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Jahrgang 05, Ed. 09, Vol. 07, S. 84-107. September 2020. ISSN: 2448-0959, Zugriffsverbindung: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/bildung-de/temperaturkonzepten

ZUSAMMENFASSUNG

Die Forschung ist Teil des naturwissenschaftlichen Unterrichts, dessen Ziel es ist, pädagogische Ansätze zu entwickeln, die eine aktive Teilnahme des Schülers ermöglichen, die es den Schülern ermöglichen, alternative Konzepte zu schätzen, die es dem Schüler ermöglichen, sein eigenes Wissen aufzubauen. Die Forschung ist Teil der theoretischen Annahmen von david ausubel und wurde in einer mosambikanischen Schule mit Schülern der 9. Klasse entwickelt. Die Arbeit entsteht als eine Möglichkeit, Alternativen zur traditionellen Methode der Physiklehre vor allem in die ganze Welt zu bringen. Zwei Klassen mit 101 Schülern wurden einem fragebogen des Forschers unterzogen, um die alternativen Konzepte der Schüler in den Konzepten von Wärme und Temperatur zu identifizieren. Dann wurden sie einer didaktischen Intervention über die Konzepte von Wärme und Temperatur mit der aktiven Methodik in der experimentellen und traditionellen Klasse in der Kontrollklasse unterzogen, am Ende wurde ein Nachtest angewendet. Die Ergebnisse zeigen, dass die in der Experimentalklasse verwendete Strategie eine größere Teilnahme der Schüler während des Unterrichts ermöglichte und auch eine wesentliche Verbesserung bei der Formulierung von Wärme- und Temperaturkonzepten bemerkte, da alternative Konzepte zu diesen Konzepten deutlich reduziert wurden.

Schlagworte: Physikunterricht, aktive Methodik, Wärme, Temperatur.

1. EINFÜHRUNG

1963 fand die erste interamerikanische Konferenz über physikalische Lehre statt, auf der Richard Feynman, ein amerikanischer Physiker und Nobelpreisträger für Physik 1965, bereits sehr pessimistisch in Bezug auf die Ausbildung des Physikunterrichts überall war (PEREIRA, 2010). Feynmans Anliegen war die Art und Weise, wie Physik in Schulen gelehrt wurde, und die Sorge der Schüler, nur um den Inhalt am Tag des Tests auswendig zu lernen und zu reproduzieren, ohne sich die Mühe zu machen, Physik wahrzunehmen.

Obwohl seit Feynmans Erkenntnissen bis heute Jahrzehnte vergangen sind, bestehen nach wie vor Probleme im Physikunterricht. Es ist nicht neu, dass in Schulen weltweit immer noch die traditionelle Methode vorherrscht, wo der Lehrer ins Klassenzimmer geht, um dem Schüler zu sagen, was er wissen sollte, und auf der anderen Seite ist der Schüler dafür verantwortlich, die angesprochenen Inhalte aufzuschreiben und nach Möglichkeiten zu suchen, den angesprochenen Inhalt zu vertiefen. Daher kümmert sich der Student nur ums Auswendiglernen, es gibt keinen Platz für ihn zu lernen und vergisst nach kurzer Zeit alles. Die Folge davon ist die mangelnde Motivation, Physik zu lernen und betrachtet die Physik schließlich als eine schwierige Wissenschaft, die nichts mit ihrer Realität zu tun hat.

Laut Barroso; Rubini und Siva (2018, S.2) “in der Zeit zwischen den 1970er und 1990er Jahren erkannten Die Physikforscher die Notwendigkeit zu verstehen, was die Schüler als kulturelles und konzeptionelles Gepäck mitbrachten, damit sie Lernprozesse in der Physik entwickeln konnten”. Diese Bewegung ermöglichte einen bedeutenden Schritt in der Entwicklung der Forschung im Bereich der wissenschaftlichen Bildung. In dieser Zeit übernehmen einige Forscher die Rolle von Vorkenntnissen oder alternativen Vorstellungen des Schülers beim Erlernen neuer Konzepte, wobei einige davon ausgehen, dass sie durch wissenschaftliche Konzepte ersetzt werden sollten, und andere, die ihre Unterkunft verteidigen.

Später, unter Vygotskys Einfluss, behielten alternative Vorstellungen ihre Bedeutung im Lernen bei. Wygotskys Ansatz besteht nicht darin, alternative Konzepte bei Studenten zu ersetzen, sondern sie zu berücksichtigen. Bis heute sind die Debatten in dieser Perspektive.

Alternative Konzepte sind die ersten Ideen, die von den Studierenden vorgestellt werden und sich von wissenschaftlichen Erkenntnissen unterscheiden.

Zum Ursprung alternativer Konzepte: Forscher wie Caldeira und Martins (1990); Thomaz et al. (1994); Mutimucuio (1998); Hülsendeger, Costa und Cury (2006); Araújo und Souza (2015); Leão und Kalhil (2015); Krause und Scheid (2018) konvergieren in der Bestätigung, dass die Modelle, die Individuen verwenden, um Konzepte und physikalische Phänomene des Alltags zu erklären, sich von Kindheit an entwickeln, von dem Moment an, in dem das Individuum mit der Natur in Berührung kommt, andere durch die gemeinsame Volkszählung, die nicht ausschließlich aus dem schulischen Lernen stammt.

Heute wird die Bedeutung der Bewertung alternativer Konzepte im Lehr- und Lernprozess anerkannt. Ausubel verteidigt in seiner Arbeit die Rolle, die das Wissen, das der Schüler während seiner Erfahrungen erwirbt, in das Verständnis neuer Konzepte im schulischen Umfeld eingreift.

Um seinen Beitrag zum Thema Physikunterricht zu leisten, bringt der Autor hier eine Studie, die in einer mosambikanischen Schule im Umgang mit den Konzepten von Wärme und Temperatur im Klassenzimmer mit Schülern der 9. Klasse durchgeführt wurde.

Laut Faccin und Garcia (2017, S.19) wird es schwierig, die Konzepte von Wärme und Temperatur zu verstehen, möglicherweise, weil sie auch im Alltag mit einer anderen Bedeutung als der wissenschaftlich akzeptierten verwendet werden.” Es ist üblich, dass jemand Worte wie “heute ist heiß” ausspricht, als ob die Hitze von der Temperatur gemessen wurde, aber heute zu sagen, die Temperatur ist hoch, oder “im Sommer ist es sehr heiß und im Winter sehr kalt”, als ob die Hitze und Kälte gegenläufige Begriffe wären, aber was im Sommer bedeutet, ist die Temperatur sehr hoch und im Winter ist sehr niedrig.

Aus diesen Konzepten, Wärme und Temperatur bringt der Autor einen Ansatz mit einer aktiven Methodik, bei der der Student der Autor seines eigenen Wissens ist (BACICH und MORAN, 2018).

Die aktiven Methoden stärken die Autonomie der Schüler, mit ihnen sind die Schüler in der Lage, ihr Wissen aufzubauen und wieder aufzubauen, anstatt es passiv vom Lehrer zu erhalten, indem sie immer mehr in Frage stellen, bewusst eingreifen zu können und die Realität zu transformieren (PUHL, 2017).

Der Autor hofft, dass er mit dieser Forschung seinen Beitrag zum Ansatz des Physikunterrichts mit aktiven Methoden leisten wird, bei denen der Student autonom ist und Autor des Aufbaus wissenschaftlicher Erkenntnisse ist.

2. EXPERIMENTELLE AKTIVITÄTEN UND DIE SIGNIFIKANTE LEARNING-THEORIE VON AUSUBEL

David Paul Ausubel war ein US-amerikanischer Psychologe, der sich mit Studien über Lernprozesse beschäftigte. Er entwickelte eine Theorie, die als Ausubeles Theorie des signifikanten Lernens bekannt wurde.

Laut Ausubel; Novak und Hanesian (1968); Masini (2011) apud Silva (2020, S.2), “die Theorie des sinnvollen Lernens (TAS) beschreibt, wie der Einzelne lernt, wenn neues Wissen auf der Grundlage relevanter Vorkenntnisse in seine kognitiven Strukturen integriert wird.”

Laut Silva (2020, S.2) “entstand diese Theorie aus der Unzufriedenheit, die Ausubel in seiner Schulzeit erlebte, die durch das Fehlen von Bedingungen gekennzeichnet war, die zu seiner beruflichen Entwicklung und zum Erlernen von neuem Wissen durch die anderen Schüler beitrugen”.

Laut Moreira (2011) definiert Ausubel signifikantes Lernen mit:

Ein Prozess, durch den neue Informationen (neues Wissen) auf nicht willkürliche und inhaltliche (nicht-wörtliche) Weise mit der kognitiven Struktur des Lernenden in Verbindung gebracht werden. Im Laufe des signifikanten Lernens wird die logische Bedeutung des Lernmaterials zu einer psychologischen Bedeutung für das Subjekt. (MORREIRA, 2011)

Für Ausubel (1963) Ist sinnvolles Lernen der menschliche Mechanismus, par excellence, um die große Menge an Ideen und Informationen zu erwerben und zu speichern, die in jedem Wissensbereich vertreten sind.

Ausubel hebt Vorkenntnisse als grundlegend für signifikantes Lernen hervor. Nach diesem Psychologen sollte sich der Unterricht auf das konzentrieren, was der Lernende bereits weiß, auf seine früheren kognitiven Strukturen (Unterfunktionen), sonst wird es kein sinnvolles Lernen geben, sondern mechanisches Lernen.

Aus Ausubels Sicht sollte sich der Lehrer eher darum kümmern, zu wissen, was die Vorkenntnisse der Schüler oder alternative Vorstellungen über das zu behandelnde Konzept sind.  Dieser Ansatz kann durch experimentelle Aktivitäten ermöglicht werden, bei denen sie problematisiert werden können.

Experimentelle Tätigkeiten stellen potenziell bedeutende Materialien dar. Ausubel bezeichnet potenziell bedeutsame Materialien als ein weiteres wesentliches Element für sinnvolles Lernen über Das Vorwissen hinaus.

Aus den vorgeschlagenen experimentellen Aktivitäten erarbeitet der Lehrer Problemfragen, bei denen der Schüler bei der Suche nach Lösungen für die vom Lehrer gestellten Fragen die Möglichkeit haben wird, seine alternativen Vorstellungen zu entlarven.

Experimentelle Aktivitäten gelten als einzigartige didaktische Strategien, die zu einem signifikanten Lernen im Klassenzimmer beitragen. Historisch gesehen basieren seit den 1960er Jahren mehrere Versuche, die Qualität des naturwissenschaftlichen Unterrichts zu verbessern, auf experimentellen Aktivitäten (CATELANI und RINALDI, 2018).

Diese Strategie bietet einen Wechsel der passiven Einstellung für die Aktiven, sowohl für den Schüler als auch für den Lehrer, weil der Lernende aufhört, ein bloßer Beobachter der Klassen zu sein und, beginnt zu argumentieren, zu denken, zu handeln, einzugreifen und zu hinterfragen (CATELANI und RINALDI, 2018).

Laut Pereira (2010) sollte die Verwendung experimenteller Aktivitäten als didaktische Strategie für den Physikunterricht die folgenden Schritte befolgen:

• Vorschlag des Problems;
• Erhebung von Hypothesen;
• Erstellung des Arbeitsplans, d. h. wie die Erfahrungen durchgeführt werden sollen;
• Aufbau der Versuchsanordnung und Datenerhebung;
• Datenanalyse;
• Schlussfolgerungen.

Nach Ansicht des gleichen Verfassers sollte der Arbeitsplan Folgendes enthalten: Ziele, Probleme, Hypothesen und Die Lösung des Problems.

3. FORSCHUNGSMETHODIK

Hier ist eine Beschreibung des methodischen Ansatzes der Forschung, der Instrumente der Datenerhebung und der Techniken der Analyse und Interpretation der Ergebnisse. Wir arbeiteten mit zwei Klassen, einer der Kontrolle und einer experimentellen, die vor der Intervention einem Vortest und dann einem Nachtest nach der Intervention unterzogen wurden.

Unter dem Gesichtspunkt der Lösung des Problems ist die Forschung qualitativ und quantitativ. Nach Gerhaldt und Silvera (2000, S.31-41) “zeigen sowohl quantitative als auch qualitative Forschung Unterschiede mit den starken Elementen des einen, um die Schwächen des anderen zu ergänzen und umgekehrt”.

Der quantitative Ansatz aus Der Sicht von Silva und Menezes (2001, S.20) “bedeutet, Meinungen und Informationen in Zahlen zu übersetzen, um sie zu klassifizieren und zu analysieren”. In diesem Fall werden die alternativen Konzepte der Studierenden für ihre Analyse in prozentuale Frequenztabellen gruppiert.

Es ist auch qualitativ, weil die Erklärung und Interpretation der Konzepte keine statistischen Techniken erfordern, sondern die natürliche Umgebung, wo die direkte Quelle für die Datenerhebung der Forscher ist und das Schlüsselinstrument ist (SILVA und MENEZES, 2001).

Was die Ziele betrifft, so ist sie explorativ, denn, wie Severino (2017, S.91) erklärt, “versucht sie nur, Informationen über ein bestimmtes Objekt zu erheben, wodurch ein Arbeitsfeld abgrenzt, indem die Bedingungen der Manifestation dieses Objekts abbilden”.

Die Studie wurde über einen Fragebogen (Vortest und Nachtest) durchgeführt, der auf Studenten zu zwei verschiedenen Zeiten angewendet wurde. Ziel war es, die alternativen Vorstellungen der Schüler über die Konzepte wärme, temperatur, Richtung der spontanen Wärmeübertragung und wärmenden Balance zu identifizieren und daraus die Kontroll- und Versuchsklasse zu identifizieren.

Das Instrument vor dem Antrag wurde von zwei Lehrern auf das Thema spezialisiert genehmigt, durch die Art und Weise der Betreuer und Co-Supervisor und, vor dem Antrag von zwei Physik-Lehrer der Schule, wo die Forschung entwickelt wurde gelesen.

Die Stichprobe bestand aus 101 Schülern der 9. Klasse, da diese Konzepte zum ersten Mal in dieser Klasse offiziell angegangen werden. Dieses Beispiel stammt aus 2 zufällig ausgewählten Klassen in einem Universum von 9 Klassen des Tages.

Das Alter der Stichprobengruppe liegt zwischen 13 und 17 Jahren. Vor der Einreichung durften Eltern und/oder Erziehungsberechtigte in einer von den Klassenleitern geleiteten Sitzung teilnehmen. Zuvor hatte der Forscher die Genehmigung des Schulausschusses durch ein formelles Schreiben beantragt.

Für die Analyse qualitativer Daten wurde beschlossen, hierarchische Kategorien entsprechend dem Grad der Ausarbeitung der Antworten jedes Schülers zu erstellen, mit Ausnahme der Fragen 1 und 5, die nach der Bedeutung von Wärme bzw. Temperatur in der Muttersprache der Schüler fragten, nachdem sie nach dem Modell der Tabelle 1 analysiert wurden, das vom Autor ausgearbeitet wurde.

Die Kategorisierung wurde von den Modellen inspiriert, die von anderen Forschern im Bereich der Wissenschaftsforschung (NEVES; CHARRET und CARVALHO, 2017; COVOLAN und SILVA, 2005; MOÇO  und SERRANO, 2002). So wurden drei Kategorien (A, B und C) erstellt, wobei die Kategorie “A” die höchste Ebene der Vorbereitung der Antworten darstellt und Kategorie “C” die niedrigste Ebene der Ausarbeitung.

Für quantitative Daten wurden Balkendiagramme verwendet.

4. RESULTS UND DISCUSSION

4.1 BERICHT ÜBER DIDAKTISCHE INTERVENTION

Dieser Abschnitt beschreibt das Umfeld, in dem die Klassen in der experimentellen Klasse entwickelt wurden, wo wir versuchten, eine aktive Lehr- und Lernmethodik auf der Grundlage experimenteller Aktivitäten zu entwickeln. Die Struktur des Versuchsführers folgte Pereiras Vorschlag (2010).

Dieser Vorschlag fügt sich in Ausubels Theorie des bedeutenden Lernens ein, die die Aufwertung des anfänglichen Wissens des Schülers verteidigt, in dieser Perspektive beginnen alle Aktivitäten mit einer Problematisierung, bei der der Student gebeten wird, Hypothesen durch sein Vorwissen zu formulieren, die in dieser Forschung alternative Konzepte genannt werden.

Aktivität 1: Messung der Wassertemperatur in drei verschiedenen Becken

Zielsetzung: Es soll überprüft werden, ob es nicht zuverlässig ist, die Temperatur mittels Berührung zu messen.

Problem: Woher weiß man, ob das Wasser heiß oder kalt ist?

Formulierung von Hypothesen durch die Schüler: Der Lehrer bat die Schüler, die möglichen Antworten auf die gestellte Frage zu setzen. Die Hypothesen der Schüler waren wie folgt:

• Die Schalen von außen beschneiden.
• Tauchen Sie Ihre Hände in jede der Schalen.
• Mit dem Thermometer.

Schritte zur Lösung des Problems: Bei dieser Aktivität wurden zwei Schüler gebeten, ihre Hände in eine Schüssel mit heißem Wasser und eine weitere in kaltem Wasser zu tauchen, siehe Abbildung 1. Nach 30 Sekunden entfernten sie ihre Hände und stürzten sich in warmes Wasser, siehe Abbildung 2. Sie haben sich gefragt, wie viel Sie bekommen haben. Die Antworten waren, dass für die Hand, die aus heißem Wasser kam, sie das Gefühl der Kälte hatten und in der anderen Hand, die von heißem Wasser kam, hatten sie ein Gefühl von Wärme.

Abbildung 1: Drei Schalen mit heißem, warmem und kaltem Wasser

Abbildung 2: Der Moment, in dem einer der Schüler beide Hände in die Schüsseln mit heißem und kaltem Wasser tauchte, und dann die beiden in warmes Wasser.

Mit diesen experimentellen Aktivitäten kamen die Schüler zu dem Schluss, dass der Tastsinn uns falsche Temperaturgefühle geben kann und daher nicht für die Temperaturmessung empfohlen wird.

Aktivität 2: Messen Sie die Temperatur eines Körpers.

Ziel: Identifizierung des Thermometers als Instrument zur Temperaturmessung.

Problem: Wir haben zwei fast gleiche Löffel, einen aus Metall und einen aus Holz. Wie kann man die Temperatur der beiden Löffel bewerten? Vergleichen Sie die beiden Temperaturen.

Formulierung von Hypothesen durch Studenten: Die Schüler wurden gebeten, einige Hypothesen nach Derdiskussion in Zweiergruppen zu stellen, was zu folgenden Folgen führte:

• Das Objekt mit der Handfläche begrapschen.
• Setzen Sie das Objekt in Kontakt mit der Stirn.
• Messen Sie Ihre Temperatur mit dem Thermometer.
• Der Metalllöffel hat eine niedrigere Temperatur im Vergleich zum Holzlöffel.

Schritte zur Lösung des Problems:

Die Schüler wurden gebeten, zwei Löffel, einen Metall- und einen Holz, zu palepaten, und fragten dann, welcher die niedrigste Temperatur hatte. Die meisten von ihnen antworteten, dass der Metalllöffel bei niedriger Temperatur war, weil es kälter war.

Nach der Diskussion maßen die Schüler die Temperaturen der beiden Löffel mit dem Thermometer (Abbildung 3) und kamen zu dem Schluss, dass die Temperatur gleich war.

Abbildung 3: Die Zeit der Messung der Temperaturen der Metall- und Holzlöffel.

Schlußfolgerung: Es wurde der Schluss gezogen, dass die dritte Hypothese wahr ist, d. h. um die Temperatur eines Körpers zu messen, muss man ein Instrument namens Thermometer verwenden.

Aktivität 3: Formulierung des Temperaturbegriffs.

Ziel: Temperatur einstellen.

Problem: Was ist Temperatur? Was ist der Zusammenhang zwischen Temperatur und dem Grad der Erregung von Partikeln?

Formulierung von Hypothesen durch die Studierenden: Zur Frage des Temperaturkonzepts beantworteten die Schüler folgendes:

• Temperatur ist die Wärmemenge.
• Temperatur ist innere Energie.
• Temperatur ist der Grad der Erregung der Partikel.
• Temperatur ist der Heizzustand.

In Bezug auf das Verhältnis zwischen Temperatur und dem Grad der Erregung der Teilchen, antwortete kein Student.

Schritte zur Lösung des Problems:

Der Lehrer stellte drei Gläser aus, eine mit natürlichem Wasser, die andere mit einer Mischung aus Wasser und Eiswürfeln und schließlich die dritte mit Eiswürfeln. Er forderte die Schüler auf, den Grad der Erregung der Partikel mit höheren, moderaten und niedrigeren Kategorien zu beschreiben und mit den gleichen Kategorien die Temperaturen in den drei Bechern zu vergleichen.

Die Schüler konnten antworten, dass im Glas mit natürlichem Wasser eine größere Aufregung der Partikel im Vergleich zu den anderen Gläsern ist und im Glas, das Wasser und Eiswürfel enthält, die Aufregung größer ist als im Glas mit Eiswürfeln.

Bezüglich der Temperaturen antworteten einige Schüler, dass das Glas des natürlichen Wassers eine höhere Temperatur hat, nach dem Mischglas aus Eiswürfeln und Wasser und schließlich bei einer niedrigeren Temperatur das Glas mit Eiswürfeln. Es gibt jedoch eine kleine Anzahl von Studenten, die über die Temperaturen der Tassen 2 und 3, bzw. der Mischung Eiswürfel + Wasser und Eiswürfel unentschlossen sind.

Um Zweifel auszuräumen, bat der Lehrer zwei Schüler, die Temperatur der drei Tassen zu messen und die Tabelle auszufüllen, siehe Tabelle 1:

Abbildung 4: Die drei Momente der Temperaturmessung in den drei Gläsern mit natürlichem Wasser, Wasser + Eiswürfeln und Eiswürfeln

Quelle: Autor

Tabelle 1: Experimentelle Daten bei der Formulierung des Temperaturkonzepts.

Tassen	1	2	3
Grad der Erregung von Partikeln	Kleinere	Moderate	Größer
Temperaturwert	4º C	10º C	25º C

Quelle: Autor

Mit dieser experimentellen Aktivität konnten die Schüler formulieren, dass die Temperatur den Grad der Erregung der Teilchen anwells.

Aus den Messergebnissen konnte folgende Schlussfolgerung gezogen werden: Je höher die Temperatur, desto höher der Rührgrad.

Die zweite Klasse über das Konzept der Wärme, hatte die folgende Abfolge von Aktivitäten:

Aktivität 4: Formulierung des Wärmebegriffs

Ziel: Definieren Sie das Konzept der Wärme.

Problem: Was ist Wärme? Was bedeutet Wärme in Ihrer Muttersprache?

Formulierung von Hypothesen durch Studenten: In einer Zweiergruppe wurden die Schüler angewiesen, das Konzept auf Portugiesisch und dann in ihrer Muttersprache zu diskutieren. Die Antworten der Schüler lauten wie folgt:

• Wärme ist die Temperaturvariation.
• Wärme bedeutet hohe Temperatur.
• Wärme bedeutet Energie.
• In der tsuá –Sprache bedeutet Hitze hohe Temperatur.
• In guitonga Sprache bedeutet Wärme hohe Temperatur.
• In der Zunge chichope Hitze bedeutet hohe Temperatur.

Über diese Tätigkeit, so Ausubel (2003), stellt der Mensch die Tendenz dar, leichter eine Reihe von Wissen zu lernen, wenn er von seinen allgemeinsten und inklusivesten Ideen präsentiert wird und sich zu den spezifischsten und weniger inklusiven Ideen entfaltet, d.h. aus seiner Muttersprache kann er allgemeine Ideen und, auf Portugiesisch, spezifische Ideen präsentieren.

Schritte zur Lösung des Problems:

Zwei Schüler wurden gebeten, die experimentelle Aktivität aus folgenden Materialien durchzuführen: 4 Tassen, kaltes Wasser und Wasser bei Raumtemperatur und Thermometer. Die anderen in Gruppen von zwei Schülern beobachteten und diskutierten ihre Beobachtungen.

Die gleiche Menge Wasser wurde bei Raumtemperatur in den beiden Gläsern (Cup 1 und Cup 2); die Anfangstemperatur des Wassers wurde in den beiden Gläsern gemessen; 1 Tasse und Tasse 2 Wasser wurde gemischt und die Endtemperatur wurde gemessen.

Abbildung 5: Der Zeitpunkt der experimentellen Aktivität zur Formulierung des Wärmebegriffs

Dann wurde die gleiche Menge kalten Wassers in ein Glas und in ein anderes heißes Wasser gelegt; (Cup 3 und Cup 4); die Anfangstemperatur wurde in den beiden Gläsern gemessen; das Wasser aus den Bechern 3 und 4 wurde gemischt und die Temperatur des Gemischs gemessen.

Die Ergebnisse wurden in der nachstehenden Tabelle vervollständigt.

Tabelle 2: Experimentelle Daten zur Formulierung des Wärmebegriffs

Container	T1	T2	T3
Pokal 1	27º C	55º C	47º C
Pokal 2	66º C
Pokal 3	27º C	27º C	27º C
Pokal 3	27º C

Quelle: Autor

Die Schüler wurden gebeten, das beobachtete Phänomen zu erklären, und beantworteten in Gruppen von je 2 Schülern die folgenden Fragen: Warum variierte in der ersten Mischung (Tasse 1 und Tasse 2) die Temperatur? Denn in der zweiten Mischung (Becher 3 und Tasse 4) gab es keine Temperaturschwankungen von T1 zu T2? und von T2 nach T3?

Bei den Mischungen der Becher 3 und 4 hatten fast alle Schüler die gleiche Meinung, dass es keine Temperaturschwankungen gab, da die beiden Mengen die gleiche Temperatur sind.

Im Falle der Tassen 1 und 2, obwohl die Schüler bemerkten, dass es eine Temperaturvariation von T1 bis T2 gab, weil die beiden Größen bei unterschiedlichen Temperaturen waren, unterscheiden sie sich in Bezug auf die Argumente der Temperaturschwankungen, wie wir unten einige Interventionen der Schüler sehen werden:

Student 1: Es gab Temperaturschwankungen, weil heißes Wasser die Temperatur auf kaltes Wasser übertrug.

Student 2: Es gab Temperaturschwankungen aufgrund der Übertragung von kalter Temperatur auf heißes Wasser, wodurch auf 55^oC abgesenkt wurde.

Student 3: Übertragene Wärme in kaltes Wasser.

Student 4: Es gab Wärmeübertragung von kaltem Wasser zu heißem Wasser.

Die Schüler wurden gefragt, was die Temperatur schwankte. Der Forscher erklärte den Schülern, dass die Entität, die die Temperaturvariation verursachte, Energie (im Transit) in Form von Wärme aufgrund der Temperaturdifferenz war. Es wurde überlegt, dass diese Übertragung nur erfolgt, wenn zwei Körper oder Substanzen mit unterschiedlichen Temperaturen in Kontakt gebracht werden.

Die Schüler wurden wieder gefragt, was ist Hitze? Nach mehreren Definitionen kamen die Schüler zu dem Schluss, dass Wärme aufgrund der Temperaturunterschiede die Energiemenge im Transit ist.

Die Studierenden wurden gebeten zu untersuchen, ob das Konzept der Wärme in der Muttersprache das wissenschaftliche Konzept übersetzt oder nicht, und kamen zu dem Schluss, dass in den Muttersprachen das Konzept der Wärme hohe Temperatur bedeutet und damit im Gegensatz zum wissenschaftlichen Konzept der Wärme steht.

Folgende Fragen wurden zur Gruppenauflösung als eine Form der Konsolidierung gestellt: Sie berücksichtigt zwei Eiswürfel, die sich zunächst bei unterschiedlichen Temperaturen treffen, wie unten dargestellt. Sie werden in Kontakt gebracht.

Wird es eine Übertragung von etwas zwischen den beiden Blöcken geben? Wenn ja, was wird zwischen den beiden Eisblöcken übertragen? Rechtfertigen.

Der Lehrer erklärte den Schülern, dass es in diesem Fall auch Wärmeübertragung gibt, weil wir zwei Körper mit unterschiedlichen Temperaturen in Kontakt setzen, d.h. die Wärmeübertragung erfolgt nicht nur für erhitzte Körper, sondern auch für kalte Körper, solange sie bei unterschiedlichen Temperaturen sind.

Die 3. Klasse über thermische Balance und spontane Wärmeübertragungsrichtung wurde mit folgenden Aktivitäten entwickelt:

Aktivität 5: Thermische Balance und spontane Wärmeübertragungsrichtung

Ziele: Definieren Sie die wärmende Waage und bestimmen Sie die Richtung der spontanen Wärmeübertragung.

Problem: Betrachten Sie einen Block (Mutter eines Autos) erhitzt auf 106^oC, die in ein Glas mit Wasser bei der Anfangstemperatur 20o C eingeführt wird. Wie wird die Wärmeübertragung gehen? Wann stoppt die Wärmeübertragung? Die Endtemperatur des Systems wird sein: a. Größer als 106 ^oC; B. 106 ºC; c. 20 ºC; d. Größer als 20C und weniger als 106 ^oC.

Formulierung von Hypothesen durch Studenten:

Die Antworten der Schüler waren wie folgt:

• Die Richtung der Wärmeübertragung wird Wasser zum Block sein.
• Die Wärmeübertragungsrichtung erfolgt vom Block zum Wasser.
• Die Wärmeübertragung auf die Temperatur, bei der das System bei gleicher Temperatur ist.
• Die Endtemperatur des Systems wird 20ºC betragen.
• Die Endtemperatur des Systems wird größer als 106ºC sein.
• Die Endtemperatur des Systems wird größer als 20^oC und kleiner als 106ºC sein.

Schritte zur Lösung des Problems:

Mit einer Heizung wurde ein Block (Mutter eines Autos) für 5 Minuten erhitzt, als die Schüler die Fragen des Problems beantworteten. Zwei Schüler wurden gebeten, die Anfangstemperatur des beheizten Blocks, die Anfangstemperatur des Wassers in einem Glas, zu messen und dann den beheizten Block mit Wasser in das Glas einzufügen, siehe Abbildung 6. Beobachten Sie die vom Thermometer gelesenen Werte, bis die Temperatur aufhört zu variieren.

Abbildung 6: Die Versuchsvorrichtung zur Formulierung des Konzepts des thermischen Gleichgewichts.

Fazit: Die Aktivität erlaubte den Schülern zu schlussfolgern, dass die Richtung der spontanen Wärmeübertragung vom Körper mit höherer Temperatur zum Körper mit niedrigerer Temperatur ist, dieser Transfer zu dem Zeitpunkt, wenn die beiden Körper die gleiche Temperatur erreichen, d.h. das thermische Gleichgewicht.

4.2 ERGEBNISSE VON ALTERNATIVE CONCEPTIONEN IN PRE-TEST UND POST-TEST

Die Kategorisierung der Ergebnisse nach dem Test wird in den folgenden Tabellen dargestellt:

Tabelle 3: Die Ergebnisse der Analyse der Antworten der Schüler zum Wärmebegriff, Frage Nummer 2 (im Vortest) und Frage 1 (im Nachtest).

Typ	Prozentualer Anteil der Studierenden (%)		Alternative Konzepte identifiziert
	Pretest	Test
A	21	72	Wärme bedeutet hohe Temperatur. Wärme ist eine Substanz, eine Flüssigkeit. Hitze steht im Gegensatz zur Kälte.
B	14	15
C	65	13

Quelle: Autor

Tabelle 4: Analyse der Antworten der Schüler auf das Konzept der TC (Kontrollklasse-Turma de controlo) Wärme

Typ	Prozentualer Anteil der Studierenden (%)		Alternative Konzepte identifiziert
	Pretest	Test
A	20	22	Wärme bedeutet hohe Temperatur. Wärme ist direkt proportional zur Temperatur. Wärme ist nur mit erhitzten Körpern verbunden. Wärme ist eine Substanz, eine Flüssigkeit. Hitze steht im Gegensatz zur Kälte.
B	15	7
C	75	71

Quelle: Autor

Vergleicht man die beiden Tabellen im Nachtest, so wird festgestellt, dass die Schüler in der Versuchsklasse das Wärmekonzept besser ausarbeiten sollten, da sie 72 % in der Kategorie A gegen 22 % der Kontrollklasse erhalten hatten. Obwohl alternative Konzepte fortbestehen, hatte die versuchsweise Klasse einen niedrigeren Prozentsatz (13%) im Vergleich zur Kontrollklasse (71%). In Bezug auf die Analyse vor und nach der didaktischen Intervention stellten keine zwei Klassen eine signifikante Verbesserung der Ausarbeitung wissenschaftlicher Konzepte in der experimentellen Klasse fest.

Das folgende Ergebnis der Analyse der Frage 2 durch die Tabellen 5 und 6, deren Äußerung wie folgt lautet: “Wir assoziieren die Existenz von Wärme in den folgenden Situationen: I-A jeder Körper in Bewegung, weil der ganze Körper in Bewegung Wärme hat; II-Nur zu heißen Körpern; III- Situationen, in denen zwei Körper in Kontakt kommen, mit unterschiedlichen Temperaturen.” Diese Frage wurde erst im Nachtest ausgewertet.

Tabelle 5: Analyse der Antworten der Studierenden auf Frage Nummer 3 der TE ( Experimentelle Klasse- Turma experimental)

Typ	Prozentualer Anteil der Studierenden (%)		Alternative Konzepte identifiziert
	Bevor	Nach
A		92	Wärme bedeutet hohe Temperatur. Bewegliche Körper haben Wärme.
B		3
C		5

Quelle: Autor

Tabelle 6: Analyse der Antworten der Studierenden auf die TC-Frage Nummer 3

Typ	Prozentualer Anteil der Studierenden (%)		Alternative Konzepte identifiziert
	Bevor	Nach
A		68	Wärme bedeutet hohe Temperatur. Bewegliche Körper haben Wärme.
B		12
C		30

Quelle: Autor

In dieser Frage ist der Unterschied zwischen den beiden Klassen offensichtlich, wobei die experimentelle Klasse 92 % der Konzepte mit einem Niveau der wissenschaftlichen Ausarbeitung gegenüber 68 % der Kontrollklasse erreicht. Das Niveau der Schwierigkeiten oder mit alternativen Vorstellungen beträgt 13% in der experimentellen Klasse gegenüber 30% in der Kontrollklasse.

Die Tabellen 7 und 8 zeigen die Analyse des Temperaturbegriffs, FrageNummer 4 (im Vortest) und FrageNummer 3 (im Nachtest).

Tabelle 7: Analyse der Antworten der Schüler auf das Konzept der Temperatur in TE

Typ	Prozentualer Anteil der Studierenden (%)		Alternative Konzepte identifiziert
	Bevor	Nach
A	12	89	Temperatur als Maß für die Wärme. Temperatur als etwas, das von einem Körper zum anderen überträgt.
B	10	6
C	78	5

Quelle: Autor

Tabelle 8: Analyse der Antworten der Schüler auf das Konzept der Temperatur im TC

Typ	Prozentualer Anteil der Studierenden (%)		Alternative Konzepte identifiziert
	Bevor	Nach
A	15	82	Temperatur als Maß für die Wärme. Temperatur als etwas, das von einem Körper zum anderen überträgt.
B	27	15
C	58	3

Quelle: Autor

In Bezug auf das Konzept der Temperatur zeigt die Studie, dass in beiden Klassen eine signifikante Verbesserung in der Ausarbeitung des Konzepts gab. Der prozentuale Unterschied ist geringer, in der versuchsklasse 89 % und in der Kontrollklasse 82 %. Was die angezeigten alternativen Konzepte betrifft, so haben die beiden Klassen einen niedrigeren Prozentsatz, jedoch hat die Kontrollklasse einen niedrigeren Prozentsatz (2%) in Bezug auf die experimentelle Klasse (2%). Dieser Unterschied ist jedoch bei der mittellosen Methode nicht signifikant.

Das Ergebnis der Analyse der Frage 4.1 (Nachprüfung) und 7.1 (im Vortest) ist in den nachstehenden Tabellen 9 und 10 dargestellt. Die Frage der Schüler lautete: “Sie haben einen Metallblock zunächst bei 75o C und ein Kalorimeter, das Wasser bei 20o C enthält. Dann wird der Metallblock A in das Kalorimeter eingeführt, entsprechend der folgenden Abbildung:

Was wird zwischen Metallblock A und dem Wasser im Kalorimeter übertragen?”

Tabelle 9: Analyse der Antworten der Schüler in TE

Typ	Prozentualer Anteil der Studierenden (%)		Alternative Konzepte identifiziert
	Bevor	Nach
A	31	95	Temperatura como algo que se transfere de um corpo para o outro.
B	24	0
C	45	5

Quelle: Autor

Tabelle 10: Analyse der Antworten der Studierenden in der TC

Typ	Prozentualer Anteil der Studierenden (%)		Alternative Konzepte identifiziert
	Bevor	Nach
A	52	80	Temperatur als etwas, das von einem Körper zum anderen überträgt.
B	35	12
C	13	8

Quelle: Autor

Aus den beiden Tabellen geht hervor, daß 95 % bzw. 80 % der Schüler in den Klassen Experimental und Control das Konzept der Temperatur definieren. Was die gezeigten alternativen Konzepte betrifft, so verwechseln nur 5 % der Schüler der Versuchsklasse und 8 % der Kontrollklasse auch die Temperatur als etwas, das von einem Körper zum anderen überträgt, d.h. sie verwechseln Temperatur mit Wärme. In beiden Klassen gab es Verbesserungen bei der Formulierung von Konzepten, nachdem die Häufigkeit alternativer Konzepte reduziert wurde, mit höherer Inzidenz in der experimentellen Klasse.

4.3 LEISTUNGSERGEBNIS PRO KLASSE, VORTEST UND NACHTEST

Die Schaubilder in Abbildung 1 zeigen die Ausgangssituation der Schüler, bevor sie in den Klassen 10 (Kontrollklasse) und 11 (experimentelle Klasse) didaktische Eingriffe erhalten.

Abbildung 7: Vergleichsdiagramm der Vortests der Versuchs- und Kontrollklasse

Betrachtet man die Diagrammdaten, obwohl die Kontrollklasse einen etwas höheren Prozentsatz positiver und negativer Daten hat als die experimentelle Klasse, ist dieser Unterschied nicht signifikant, wie später gezeigt wird. Das heißt, die beiden Klassen waren in Bezug auf die bewerteten Inhalte auf der gleichen Ebene.

Nach der Anwendung des Vortests wurden die beiden Klassen einer didaktischen Intervention unter Verwendung unterschiedlicher Lehrstrategien unterzogen, nachdem sie einem Nachtest unterzogen worden waren. Das Ergebnis ist in Schaubild 2 unten dargestellt:

Abbildung 8: Vergleichsdiagramm der Nachtests der Versuchs- und Kontrollklasse

Vergleicht man die beiden Graphen, so ist der Unterschied zwischen dem Prozentsatz der Positiven im Nachtest in der Versuchsklasse bemerkenswert. Obwohl in der Kontrollklasse auch der Anteil der Positiven zugenommen hat, ist dieser Anstieg nicht wesentlich. Aus diesem Beweis kann davon ausgegangen werden, dass die verwendete Strategie wesentlich zu einem höheren positiven Prozentsatz beigetragen hat.

5. ALLGEMEINE ÜBERLEGUNGEN

Der Mensch kommt bei der Geburt mit der Umgebung um ihn herum in Kontakt. Dieser Kontakt macht dort ein Ganzes zwischen Mensch und Natur. Durch dieses Ganze interpretiert der Mensch die Phänomene der Natur vor dem formalen Kontakt mit der Schule, daher hat der Schüler bei der Ankunft im Klassenzimmer bereits einige Vorkenntnisse.

Bei der Einführung neuer Konzepte im Klassenzimmer sollte der Lehrer den Begriff der Existenz alternativer Konzepte bei den Schülern haben und Situationen schaffen, in denen sie im Klassenzimmer erforscht werden können, damit die Schüler die Möglichkeit haben, wissenschaftliche und nicht-wissenschaftliche Kenntnisse zu differenzieren.

Wenn die alternativen Konzepte ignoriert werden, wird es kein sinnvolles Erlernen der Konzepte geben.

Die Forschung zeigt, dass sinnvolles Lernen stattfindet, wenn es eine Wertschätzung der alternativen Vorstellungen von Studenten gibt, und bestätigt damit die Prämisse von Ausubel, wenn er sagt: “Der wichtigste Faktor für den Lernenden, neues Wissen zu assimilieren, ist Kilo, das er kennt”.

Alternative Konzepte gibt es in vielen Konzepten der Physik, und Thermodynamik ist der Bereich, in dem die Studenten viele alternative Konzepte hatten. In Bezug auf die Konzepte von Wärme und Temperatur, die häufigsten Konzepte der Studenten sind:

• Wärme bedeutet hohe Temperatur.
• Wärme ist direkt proportional zur Temperatur.
• Wärme ist nur mit erhitzten Körpern verbunden.
• Wärme ist eine Substanz, eine Flüssigkeit.
• Hitze steht im Gegensatz zur Kälte.
• Temperatur ist gleichbedeutend mit Wärme.
• Temperatur als Maß für die Wärme.
• Die Temperatur kann übertragen werden,
• Temperatur als etwas, das von einem Körper zum anderen überträgt.
• Kalte Körper enthalten keine Hitze.
• Die Temperatur hängt von der Art des Materials ab.
• Die Richtung der spontanen Wärmeübertragung ist vom Körper mit Masse zu Körper der unteren Masse.
• In gekühlten Körpern (unter Null Grad gibt es keine Wärmeübertragung
• Die Temperatur wird durch den Tastsinn bewegt.
• Wenn zwei Körper bei unterschiedlichen Temperaturen in Kontakt kommen, ist die Endtemperatur immer die arithmetische Mittlere Temperatur der beiden Körper.
• Die Endtemperatur von zwei Körpern, die mit unterschiedlichen Ausgangstemperaturen in Berührung kommt, wird durch die Summe der beiden Temperaturen angegeben.

Es wird der Schluss gezogen, dass in den Muttersprachen der indear Studenten (Xitswua, gitonga und cicopi), gibt es keinen Unterschied in Bezug auf Wärme und Temperatur zu bezeichnen, die häufigsten alternativen Vorstellungen von Studenten haben als Ursachen der Persistenz auch nach dem formalen Unterricht die folgenden: die Sprache, wo die Konzepte mit gesundem Menschenverstand erklärt werden, um ihr Verständnis zu vereinfachen, Kultur, wo die Modelle, die der Einzelne verwendet, um Konzepte zu erklären entwickeln seit der Kindheit , die nicht aus dem Schulunterricht stammen.

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^[1] Master in Pädagogik / Physiklehre. Abschluss in Mathematik und Physik Lehre.

^[2] Berater. Professor Doktor.

^[3] Co-Berater. Professor Doktor.

Eingesandt: Juli 2020.

Genehmigt: September 2020.