Metodologie attive per l’insegnamento e l’apprendimento della fisica: Caso di studio della formulazione dei concetti di calore e temperatura

0
128
DOI: ESTE ARTIGO AINDA NÃO POSSUI DOI SOLICITAR AGORA!
PDF

ARTICOLO ORIGINALE

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

VILANCULO, Jossias Arnaldo. MUTIMUCUIO, Inocente Vasco. SILVA, Carlos Santos. Metodologie attive per l’insegnamento e l’apprendimento della fisica: Caso di studio della formulazione dei concetti di calore e temperatura. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Anno 05, Ed. 09, Vol. 07, pp. 84-107. settembre 2020. ISSN: 2448-0959, Link di accesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/formazione-it/calore-e-temperatura

La ricerca fa parte dell’insegnamento delle scienze, il cui obiettivo è quello di portare approcci didattici che consentano una partecipazione attiva dello studente, consentendo di valorizzare le concezioni alternative degli studenti, consentendo allo studente di costruire le proprie conoscenze. La ricerca fa parte delle ipotesi teoriche di David Ausubel ed è stata sviluppata in una scuola mozambicana con studenti di 9a elementare. Il lavoro emerge come un modo per portare alternative al metodo tradizionale di insegnamento della fisica prevalentemente al mondo intero. Due classi di 101 studenti sono state sottoposte ad un questionario elaborato dal ricercatore al fine di identificare le concezioni alternative degli studenti nei concetti di calore e temperatura. Successivamente sono stati sottoposti ad un intervento didattico sui concetti di calore e temperatura utilizzando la metodologia attiva nella classe sperimentale e tradizionale nella classe di controllo, al termine è stato applicato un post-test. I risultati mostrano che la strategia utilizzata nella classe sperimentale ha permesso una maggiore partecipazione degli studenti durante le lezioni e ha anche notato un sostanziale miglioramento nella formulazione dei concetti di calore e temperatura, avendo significativamente ridotto le concezioni alternative su questi concetti.

Parole chiave: insegnamento della fisica, metodologia attiva, calore, temperatura.

1. INTRODUZIONE

Nel 1963 si tenne la prima conferenza interamericana sull’insegnamento della fisica, in cui Richard Feynman, fisico americano e vincitore del Premio Nobel per la fisica nel 1965, era già molto pessimista sull’educazione all’insegnamento della fisica ovunque (PEREIRA, 2010). La preoccupazione di Feynman era nel modo in cui la fisica era insegnata nelle scuole e la preoccupazione degli studenti di studiare solo per memorizzare e riprodurre i contenuti il giorno del test, senza preoccuparsi di percepire la fisica.

Sebbene siano passati decenni dai risultati di Feynman ai giorni nostri, i problemi nell’insegnamento della fisica persistono. Non è una novità che nelle scuole di tutto il mondo il metodo tradizionale sia ancora predominante, dove il docente va in classe preoccupato di dire allo studente cosa dovrebbe sapere e, d’altra parte, lo studente è responsabile della scrittura e della ricerca di modi per approfondire i contenuti affrontati. Di conseguenza, allo studente importa solo di memorizzare, non c’è posto per lui per imparare e dopo poco tempo dimentica tutto. La conseguenza di ciò è la mancanza di motivazione per imparare la fisica e finisce per considerare la fisica come una scienza difficile, che non ha nulla a che fare con la sua realtà.

Secondo Barroso; Rubini e Siva (2018, p.2) “nel periodo tra gli anni ’70 e ’90, i ricercatori di insegnamento della fisica si sono resi conto della necessità di capire cosa gli studenti hanno portato come bagaglio culturale e concettuale in modo che potessero sviluppare processi di apprendimento in Fisica”. Questo movimento ha permesso un passo significativo nello sviluppo della ricerca nel settore dell’educazione scientifica. È durante questo periodo che alcuni ricercatori assumono il ruolo di conoscenze precedenti o concezioni alternative dello studente nell’apprendimento di nuovi concetti, con alcuni che presumono che dovrebbero essere sostituiti con concetti scientifici e altri che difendono il loro alloggio.

Più tardi, sotto l’influenza di Vygotsky, le concezioni alternative mantennero la loro importanza nell’apprendimento. L’approccio di Vygotsky non è quello di sostituire le concezioni alternative negli studenti, ma di tenerne conto. A questo punto, i dibattiti si sono svolti in questa prospettiva.

Le concezioni alternative sono le idee iniziali presentate dagli studenti e che differiscono dalle conoscenze scientifiche.

Sull’origine delle concezioni alternative, ricercatori come Caldeira e Martins (1990); Thomaz et al. (1994); Mutimucuio (1998); Hülsendeger, Costa e Cury (2006); Araújo e Souza (2015); Leão e Kalhil (2015); Krause e Scheid (2018) convergono nell’affermare che i modelli che gli individui usano per spiegare concetti e fenomeni fisici del quotidiano si sviluppano dall’infanzia, dal momento in cui l’individuo entra in contatto con la natura, altri attraverso il censimento comune, non essendo originati esclusivamente dal loro apprendimento scolastico.

Al giorno d’oggi, l’importanza di valutare le concezioni alternative nel processo di insegnamento e apprendimento è concordata. Ausubel, nel suo lavoro difende il ruolo che la conoscenza che lo studente acquisisce durante le sue esperienze interferisce nella comprensione di nuovi concetti nell’ambiente scolastico.

Per dare il suo contributo al tema dell’insegnamento della fisica, l’autore porta qui uno studio condotto in una scuola mozambicana nell’approccio dei concetti di calore e temperatura in classe con studenti di 9° grado.

Secondo Faccin e Garcia (2017, p.19), “comprendere i concetti di calore e temperatura diventa difficile, forse, perché sono usati anche nella vita di tutti i giorni con un significato diverso da quello accettato scientificamente”. È comune che qualcuno pronunci parole come “oggi è caldo”, come se il calore fosse misurato dalla temperatura, ma dire oggi la temperatura è alta, o “in estate fa molto caldo e in inverno molto freddo”, come se il caldo e il freddo fossero termini contrari, ma il significato in estate la temperatura è molto alta e in inverno è molto bassa.

Da questi concetti, calore e temperatura, l’autore porta un approccio utilizzando una metodologia attiva, in cui lo studente è autore delle proprie conoscenze (BACICH e MORAN, 2018).

Le metodologie attive rafforzano l’autonomia degli studenti, con loro, gli studenti sono in grado di costruire e ricostruire le proprie conoscenze invece di riceverle passivamente dal docente, diventando più discutibili di poter intervenire consapevolmente e trasformare la realtà (PUHL, 2017).

L’Autore si augura che con questa ricerca dia il suo contributo all’approccio delle lezioni di fisica utilizzando metodologie attive, dove lo studente è autonomo e autore della costruzione di conoscenze scientifiche.

2. ATTIVITÀ SPERIMENTALI E LA SIGNIFICATIVA TEORIA DELL’APPRENDIMENTO DI AUSUBEL

David Paul Ausubel era uno psicologo americano che si occupava di studi sui processi di apprendimento. Sviluppò una teoria che divenne nota come Teoria dell’apprendimento significativo di Ausubel.

Secondo Ausubel; Novak e Hanesian (1968); Masini (2011) apud Silva (2020, p.2), “la teoria dell’apprendimento significativo (TAS) descrive come l’individuo impara come nuove conoscenze sono incorporate nelle sue strutture cognitive, sulla base delle conoscenze precedenti pertinenti”.

Secondo Silva (2020, p.2), “questa Teoria ha avuto origine dall’insoddisfazione vissuta da Ausubel nella sua scolarizzazione, che è stata caratterizzata dall’assenza di condizioni che hanno contribuito al suo sviluppo professionale e all’apprendimento di nuove conoscenze da parte degli altri studenti”.

Secondo Moreira (2011), Ausubel definisce l’apprendimento significativo con l’essere:

Un processo attraverso il quale le nuove informazioni (nuove conoscenze) sono correlate in modo non arbitrario e sostanziale (non letterale) alla struttura cognitiva del discente. È nel corso dell’apprendimento significativo che il significato logico del materiale didattico diventa un significato psicologico per l’argomento. (MORREIRA, 2011)

Per Ausubel (1963) L’apprendimento significativo è il meccanismo umano, per eccellenza, per acquisire e memorizzare la grande quantità di idee e informazioni rappresentate in qualsiasi campo della conoscenza.

Ausubel evidenzia le conoscenze precedenti come fondamentali per un apprendimento significativo. Secondo questo psicologo, l’insegnamento dovrebbe concentrarsi su ciò che lo studente già sa, sulle loro precedenti strutture cognitive (sottofunzioni), altrimenti non ci sarà apprendimento significativo, ma apprendimento meccanico.

Dal punto di vista di Ausubel, l’insegnante dovrebbe preoccuparsi piuttosto di sapere quali sono le conoscenze precedenti degli studenti o concezioni alternative sul concetto da affrontare.  Questo approccio può essere reso possibile attraverso attività sperimentali in cui possono essere problematizzati.

Le attività sperimentali costituiscono materiali potenzialmente significativi. Ausubel si riferisce a materiali potenzialmente significativi come un altro elemento essenziale per un apprendimento significativo al di là delle conoscenze precedenti.

Dalle attività sperimentali proposte, il docente elabora domande problematiche, in cui lo studente quando cerca soluzioni alle domande poste dal docente, avrà l’opportunità di esporre le sue concezioni alternative.

Le attività sperimentali sono considerate singolari strategie didattiche che contribuiscono ad un significativo apprendimento in classe. Storicamente dagli anni ’60, diversi tentativi di migliorare la qualità dell’insegnamento delle scienze si sono basati su attività sperimentali (CATELANI e RINALDI, 2018).

Questa strategia prevede un cambiamento di atteggiamento passivo per l’attivo, sia per lo studente che per il docente, perché il discente cessa di essere un semplice osservatore delle classi e, inizia a discutere, a pensare, ad agire, a interferire e a interrogarsi (CATELANI e RINALDI, 2018).

Secondo Pereira (2010), l’utilizzo delle attività sperimentali come strategia didattica per l’insegnamento della fisica dovrebbe seguire i seguenti passaggi:

  • Proposta del problema;
  • Indagine sulle ipotesi;
  • Preparazione del piano di lavoro, cioè come deve essere eseguita l’esperienza;
  • Montaggio della disposizione sperimentale e raccolta dei dati;
  • Analisi dei dati;
  • Conclusioni.

Secondo lo stesso autore, il piano di lavoro dovrebbe contenere: obiettivi, problema, ipotesi e soluzione del problema.

3. METODOLOGIA DELLA RICERCA

Ecco una descrizione dell’approccio metodologico della ricerca, degli strumenti di raccolta dei dati e delle tecniche di analisi e interpretazione dei risultati. Abbiamo lavorato con due classi, una di controllo e una sperimentale, che sono state sottoposte a un pre-test prima dell’intervento e poi a un post-test dopo l’intervento.

Dal punto di vista dell’affrontare il problema, la ricerca è qualitativa e quantitativa. Secondo Gerhaldt e Silvera (2000, p.31-41),” sia la ricerca quantitativa che qualitativa presentano differenze con gli elementi forti di uno per integrare le debolezze dell’altro e viceversa”.

L’approccio quantitativo, nella prospettiva di Silva e Menezes (2001, p.20) “significa tradurre in numeri opinioni e informazioni per classificarle e analizzarle”. In questo caso, le concezioni alternative degli studenti saranno raggruppate in tabelle di frequenza percentuale per la loro analisi.

È anche qualitativo perché la spiegazione e l’interpretazione dei concetti non richiederà tecniche statistiche, ma piuttosto l’ambiente naturale, dove la fonte diretta per la raccolta dei dati è il ricercatore ed è lo strumento chiave (SILVA e MENEZES, 2001).

Per quanto riguarda gli obiettivi, è esplorativo, perché, come spiega Severino (2017, p.91), “cerca solo di raccogliere informazioni su un particolare oggetto, delimitando così un campo di lavoro, mappando le condizioni di manifestazione di questo oggetto”.

Lo studio è stato svolto attraverso un questionario (pre-test e post-test) applicato agli studenti in due momenti diversi. L’obiettivo era quello di individuare le concezioni alternative degli studenti sui concetti di calore, temperatura, direzione del trasferimento spontaneo del calore e dell’equilibrio termico e, da esso, identificare il controllo e la classe sperimentale.

Lo strumento prima della domanda è stato approvato da due docenti specializzati nella materia, tra l’altro il supervisore e il co-supervisore e, letto prima dell’applicazione da due insegnanti di fisica della scuola in cui è stata sviluppata la ricerca.

Il campione era composto da 101 studenti della nona elementare, poiché questi concetti vengono formalmente avvicinati per la prima volta in questa classe. Questo campione proviene da 2 classi selezionate casualmente in un universo di 9 classi del periodo diurno.

Le età del gruppo campione sono tra i 13 e i 17 anni. Prima di essere presentati, i genitori e/o i tutori hanno potuto essere ammessi in una riunione guidata dai direttori di classe. In precedenza, il ricercatore ha richiesto il permesso al consiglio scolastico attraverso una lettera formale.

Per l’analisi dei dati qualitativi, si è deciso di creare categorie gerarchiche in base al livello di elaborazione della risposta di ogni studente, ad eccezione delle domande 1 e 5 che chiedevano i significati di calore e temperatura rispettivamente nella lingua madre degli studenti, essendo state analizzate secondo il modello della tabella 1, elaborato dall’autore.

La categorizzazione è stata ispirata dai modelli utilizzati da altri ricercatori nel campo della ricerca scientifica (NEVES; CHARRET e CARVALHO, 2017; COVOLAN e SILVA, 2005; MOÇO e SERRANO, 2002). Sono state così create tre categorie (A, B e C), dove la categoria “A” rappresenta il più alto livello di preparazione delle risposte e la categoria “C” il livello più basso di elaborazione.

Per i dati quantitativi sono stati utilizzati grafici a barre.

4. RISULTATI E DISCUSSIONE

4.1 RELAZIONE SULL’INTERVENTO DIDATTICO

Questa sezione descrive l’ambiente in cui le classi sono state sviluppate nella classe sperimentale, dove abbiamo cercato di sviluppare una metodologia di insegnamento e apprendimento attiva basata su attività sperimentali. La struttura della guida sperimentale ha seguito la proposta di Pereira (2010).

Questa proposta si inserisce nella teoria di Ausubel sull’apprendimento significativo, che difende la valorizzazione delle conoscenze iniziali dello studente, in questa prospettiva, tutte le attività iniziano con una problematizzazione, in cui allo studente viene chiesto di formulare ipotesi attraverso le sue conoscenze precedenti, che in questa ricerca sono chiamate concezioni alternative.

Attività 1: Misurare la temperatura dell’acqua in tre diversi bacini

Obiettivo: Verificare che non sia affidabile misurare la temperatura tramite il tatto.

Problema: Come sapere se l’acqua è calda o fredda?

Formulazione di ipotesi da parte degli studenti: Il docente ha chiesto agli studenti di porre le possibili risposte alla domanda posta. Le ipotesi degli studenti erano le seguenti:

  • Palpeggiando le ciotole dall’esterno.
  • Immergere le mani in ciascuna delle ciotole.
  • Usando il termometro.

Passi per risolvere il problema: in questa attività a due studenti è stato chiesto di immergere le mani in una ciotola con acqua calda e un’altra in acqua fredda, vedi figura 1. Dopo 30 secondi si sono tolti le mani e si sono immersi in acqua calda, vedi Figura 2. Ti sei chiesto quanto hai. Le risposte erano che per la mano che proveniva dall’acqua calda, avevano la sensazione di freddo e d’altra parte provenivano dall’acqua calda avevano una sensazione di calore.

Figura 1: Tre ciotole con acqua calda, calda e fredda

Fonte: Autore

Figura 2: Nel momento in cui uno degli studenti ha immerso entrambe le mani nelle ciotole con acqua calda e fredda, e poi i due in acqua tiepida.

Fonte: Autore

Con queste attività sperimentali, gli studenti sono giunti alla conclusione che il senso del tatto può darci sensazioni sbagliate di temperatura, e quindi non raccomandato per la misurazione della temperatura.

Attività 2: Misurare la temperatura di un corpo.

Obiettivo: Identificare il termometro come strumento per la misurazione della temperatura.

Problema: Abbiamo due cucchiai quasi uguali, uno di metallo e uno di legno. Come valutare la temperatura dei due cucchiai? Confronta le due temperature.

Formulazione di ipotesi da parte degli studenti: agli studenti è stato chiesto di formulare alcune ipotesi dopo la discussione in gruppi da due a due, con il risultato di quanto segue:

  • Palpeggiando l’oggetto con il palmo della mano.
  • Mettere l’oggetto a contatto con la fronte.
  • Misurare la temperatura con il termometro.
  • Il cucchiaio di metallo ha una temperatura inferiore rispetto al cucchiaio di legno.

Passaggi per risolvere il problema:

Agli studenti è stato chiesto di palpare due cucchiai, uno metallico e uno di legno, poi gli è stato chiesto quale avesse la temperatura più bassa. La maggior parte di loro rispose che il cucchiaio di metallo era a bassa temperatura perché era più freddo.

Dopo la discussione, gli studenti hanno misurato le temperature dei due cucchiai usando il termometro (Figura 3) e sono giunti alla conclusione che la temperatura era la stessa.

Figura 3: Tempo di misurazione delle temperature dei cucchiai di metallo e legno.

Fonte: Autore

Conclusione: si è concluso che la terza ipotesi è vera, cioè per misurare la temperatura di un corpo si deve usare uno strumento chiamato termometro.

Attività 3: Formulazione del concetto di temperatura.

Obiettivo: Impostare la temperatura.

Problema: Cos’è la temperatura? Qual è la relazione tra la temperatura e il grado di agitazione delle particelle?

Formulazione delle ipotesi da parte degli studenti: Sulla questione del concetto di temperatura, gli studenti hanno risposto quanto segue:

  • La temperatura è la quantità di calore.
  • La temperatura è energia interna.
  • La temperatura è il grado di agitazione delle particelle.
  • La temperatura è lo stato di riscaldamento.

Per quanto riguarda la relazione tra la temperatura e il grado di agitazione delle particelle, nessuno studente ha risposto.

Passaggi per risolvere il problema:

L’insegnante ha esposto tre bicchieri, uno con acqua naturale, l’altro con una miscela di acqua e cubetti di ghiaccio e infine il terzo con cubetti di ghiaccio. Ha chiesto agli studenti di descrivere il grado di agitazione delle particelle con categorie più alte, moderate e più basse e, utilizzando le stesse categorie confrontare le temperature nelle tre tazze.

Gli studenti sono stati in grado di rispondere che nel bicchiere con acqua naturale, c’è una maggiore agitazione delle particelle rispetto agli altri bicchieri e, a sua volta nel bicchiere contenente acqua e cubetti di ghiaccio, l’agitazione è maggiore rispetto al vetro con cubetti di ghiaccio.

Per quanto riguarda le temperature, alcuni studenti hanno risposto che il bicchiere di acqua naturale ha una temperatura più elevata, seguendo il bicchiere di miscelazione di cubetti di ghiaccio e acqua e, infine, con una temperatura inferiore, il bicchiere con cubetti di ghiaccio. Tuttavia, c’è un piccolo numero di studenti che sono stati indecisi sulle temperature delle tazze 2 e 3, rispettivamente dei cubetti di ghiaccio miscela + acqua e cubetti di ghiaccio.

Per dissipare i dubbi, il docente ha chiesto a due studenti di misurare la temperatura delle tre tazze e compilare il tavolo, vedi tabella 1:

Figura 4: I tre momenti di misurazione della temperatura nei tre bicchieri con acqua naturale, acqua + cubetti di ghiaccio e cubetti di ghiaccio


Fonte: Autore

Tabella 1: Dati sperimentali nella formulazione del concetto di temperatura.

Tazze 1 2 3
Grado di agitazione delle particelle Piccoli Moderata Maggiore
Valore di temperatura 4º C 10º C 25º C

Fonte: Autore

Con questa attività sperimentale gli studenti sono stati in grado di formulare che la temperatura e il grado di agitazione delle particelle.

Dai risultati della misurazione, è stato possibile raggiungere la seguente conclusione: maggiore è la temperatura, maggiore è il grado di agitazione.

La seconda classe sul concetto di calore, aveva la seguente sequenza di attività:

Attività 4: Formulazione del concetto di calore

Obiettivo: Definire il concetto di calore.

Problema: Cos’è il calore? Qual è il significato del calore nella tua lingua madre?

Formulazione di ipotesi da parte degli studenti: in un gruppo di due per due, agli studenti è stato ordinato di discutere il concetto in portoghese e poi nella loro lingua madre. Le risposte fornite dagli studenti sono le seguenti:

  • Il calore è la variazione di temperatura.
  • Calore significa alta temperatura.
  • Calore significa energia.
  • Nella lingua tsuá il calore significa alta temperatura.
  • Nel linguaggio guitonga il calore significa alta temperatura.
  • Nella lingua chichope calore significa alta temperatura.

A proposito di questa attività, secondo Ausubel (2003), l’essere umano presenta la tendenza ad apprendere più facilmente un insieme di conoscenze quando viene presentato dalle sue idee più generali e inclusive e si svolge alle idee più specifiche e meno inclusive, cioè dalla sua lingua madre può presentare idee generali e, in portoghese, idee specifiche.

Passaggi per risolvere il problema:

A due studenti è stato chiesto di svolgere l’attività sperimentale con i seguenti materiali: 4 tazze, acqua fredda e acqua a temperatura ambiente e termometro. Gli altri in gruppi di due studenti hanno osservato e discusso le loro osservazioni.

La stessa quantità di acqua è stata posta a temperatura ambiente nei due bicchieri (Coppa 1 e Coppa 2); la temperatura iniziale dell’acqua è stata misurata nei due bicchieri; 1 tazza e tazza 2 acqua è stata mescolata e la temperatura finale è stata misurata.

Figura 5: Il momento dell’attività sperimentale per formulare il concetto di calore

Fonte: Autore

Quindi la stessa quantità di acqua fredda è stata posta in una tazza e in un’altra acqua calda; (Coppa 3 e Coppa 4); la temperatura iniziale è stata misurata nei due bicchieri; l’acqua dalle tazze 3 e 4 è stata miscelata e la temperatura della miscela è stata misurata.

I risultati sono stati completati nella tabella seguente.

Tabella 2: Dati sperimentali per la formulazione del concetto di calore

Contenitori T1 T2 T3
Coppa 1 27º C 55º C 47º C
Coppa 2 66º C
Coppa 3 27º C 27º C 27º C
Coppa 3 27º C

Fonte: Autore

Agli studenti è stato chiesto di spiegare il fenomeno osservato, rispondendo in gruppi di 2 studenti ciascuno alle seguenti domande: Perché nella prima miscela (tazza 1 e tazza 2) la temperatura variava? Perché nella seconda miscela (tazza 3 e tazza 4) non c’era variazione di temperatura da T1 a T2? e da T2 a T3?

Sulle miscele di tazze 3 e 4, quasi tutti gli studenti avevano la stessa opinione che non ci fosse variazione di temperatura perché le due quantità sono la stessa temperatura.

Nel caso delle tazze 1 e 2, sebbene gli studenti abbiano commentato che c’era una variazione di temperatura da T1 a T2 perché le due quantità erano a temperature diverse, differiscono per quanto riguarda gli argomenti della variazione di temperatura, come vedremo di seguito alcuni interventi degli studenti:

Studente 1: C’è stata variazione di temperatura perché l’acqua calda ha trasferito la temperatura all’acqua fredda.

Studente 2: C’è stata una variazione di temperatura a causa del trasferimento della temperatura fredda in acqua calda, quindi si è abbassato a 55 °C.

Studente 3: Calore trasferito in acqua fredda.

Studente 4: C’è stato trasferimento di calore dall’acqua fredda all’acqua calda.

Agli studenti è stato chiesto cosa ha causato la variare della temperatura. Il ricercatore ha spiegato agli studenti che l’entità che ha causato la variazione di temperatura era l’energia (in transito) sotto forma di calore a causa della differenza di temperatura. È stato ri-pensato che questo trasferimento avvenga solo quando due corpi o sostanze con temperature diverse vengono messi in contatto.

Agli studenti è stato chiesto di nuovo, dopo tutto cos’è il calore? Dopo diverse definizioni, gli studenti sono giunti alla conclusione che il calore è la quantità di energia in transito a causa della differenza di temperature.

Agli studenti è stato chiesto di esaminare se il concetto di calore nella lingua madre traduce o meno il concetto scientifico e ha concluso che nelle lingue materne, il concetto di calore significa alta temperatura, in contrasto così con il concetto scientifico di calore.

Sono state poste le seguenti domande per la risoluzione del gruppo come forma di consolidamento: considera due cubetti di ghiaccio che inizialmente si incontrano a temperature diverse come illustrato di seguito. Sono messi in contatto.

Ci sarà il trasferimento di qualcosa tra i due blocchi? In caso affermativo, cosa viene trasferito tra i due blocchi di ghiaccio? Giustificare.

L’insegnante ha spiegato agli studenti che in questo caso c’è anche il trasferimento di calore perché stiamo mettendo in contatto due corpi con temperature diverse, cioè il trasferimento di calore avviene non solo per i corpi riscaldati ma anche per i corpi freddi, purché siano a temperature diverse.

La terza classe sul bilancio termico e sulla direzione spontanea del trasferimento del calore è stata sviluppata con le seguenti attività:

Attività 5: Bilancio termico e direzione spontanea del trasferimento del calore

Obiettivi: Definire il bilancio termico e identificare la direzione del trasferimento spontaneo del calore.

Problema: si consideri un blocco (dado per auto) riscaldato a 106 ° C che viene inserito in un bicchiere con acqua a una temperatura iniziale di 20 ° C. Quale sarà la direzione del trasferimento di calore? Quando termina il trasferimento di calore? La temperatura finale del sistema sarà: a. Superiore a 106 ° C; B. 106º C; ç. 20 ° C; d. Superiore a 20 ° C e inferiore a 106 ° C.

Formulazione di ipotesi da parte degli studenti:

Le risposte degli studenti sono state le seguenti:

  • La direzione del trasferimento di calore sarà l’acqua al blocco.
  • La direzione di trasferimento del calore sarà dal blocco all’acqua.
  • Il trasferimento di calore a quando il sistema è alla stessa temperatura.
  • La temperatura finale del sistema sarà di 20ºC.
  • La temperatura finale del sistema sarà superiore a 106ºC.
  • La temperatura finale del sistema sarà superiore a 20 ° C e inferiore a 106 ° C.

Passaggi per risolvere il problema:

Usando un riscaldatore, un blocco (dado di un’auto) è stato riscaldato per 5 minuti, quando gli studenti hanno risposto alle domande del problema. A due studenti è stato chiesto di misurare la temperatura iniziale del blocco riscaldato, la temperatura iniziale dell’acqua in un bicchiere, e quindi inserire il blocco riscaldato nel vetro con acqua, vedere figura 6. Osservare i valori letti dal termometro fino a quando la temperatura non smette di variare.

Figura 6: Il dispositivo sperimentale per la formulazione del concetto di equilibrio termico.

Fonte: Autore

Conclusione: L’attività ha permesso agli studenti di concludere che la direzione del trasferimento spontaneo di calore è dal corpo con temperatura più alta al corpo con temperatura più bassa, questo trasferimento a quando i due corpi raggiungono la stessa temperatura, cioè l’equilibrio termico.

4.2 RISULTATI DI CONCEZIONI ALTERNATIVE IN PRE-TEST E POST-TEST

La categorizzazione dei risultati post-test è presentata nelle tabelle seguenti:

Tabella 3: I risultati dell’analisi delle risposte degli studenti sul concetto di calore, domanda numero 2 (nella pre-prova) e domanda numero 1 (nel post-test).

 digitare Percentuale di studenti (%)  Concezioni alternative identificate
Pretesto Test
A 21 72 Calore significa alta temperatura.

Il calore è una sostanza, un fluido.

Il calore è contrario al freddo.

B 14 15
C 65 13

Fonte: Autore

Tabella 4: Analisi delle risposte degli studenti sul concetto di calore TC ( Classe di controllo-Turma de controlo)

digitar Percentuale di studenti (%) Concezioni alternative identificate
Pretesto Test
A 20 22 Calore significa alta temperatura.

Il calore è direttamente proporzionale alla temperatura.

Il calore è associato solo a corpi riscaldati.

Il calore è una sostanza, un fluido.

Il calore è contrario al freddo.

B 15 7
C 75 71

Fonte: Autore

Confrontando le due tabelle del post-test, si nota che nella classe sperimentale gli studenti hanno avuto una migliore elaborazione del concetto di calore, avendo ottenuto il 72% nella categoria A contro il 22% della classe di controllo. Sebbene persistano concezioni alternative, la classe sperimentale aveva una percentuale inferiore (13%) rispetto alla classe di controllo (71%). In relazione all’analisi prima e dopo l’intervento didattico, nessuna delle due classi ha notato un significativo miglioramento nell’elaborazione di concetti scientifici nella classe sperimentale.

Viene presentato il risultato dell’analisi della domanda numero 2 fino alle tabelle 5 e 6 la cui espressione è la seguente: “Associamo l’esistenza del calore nelle seguenti situazioni: I-A qualsiasi corpo in movimento, perché tutto il corpo in movimento ha calore; II-Solo per i corpi caldi; III- Situazioni in cui due corpi entrano in contatto, con temperature diverse. Questa domanda è stata valutata solo nel post-test.

Tabella 5: Analisi delle risposte degli studenti alla domanda numero 3 dell’TE (Classe sperimentale-Turma experimental)

 
digitare
Percentuale di studenti (%) Concezioni alternative identificate
Prima Dopo
A 92 Calore significa alta temperatura.

I corpi in movimento hanno calore.

B 3
C 5

Fonte: Autore

Tabella 6: Analisi delle risposte degli studenti alla domanda TC numero 3

digitare Percentuale di studenti (%) Concezioni alternative identificate
Prima Dopo
A 68 Calore significa alta temperatura.

I corpi in movimento hanno calore.

B 12
C 30

Fonte: Autore

In questa domanda, la differenza tra le due classi è evidente, con la classe sperimentale che raggiunge il 92% dei concetti con un livello di elaborazione scientifica contro il 68% della classe di controllo. Il livello di difficoltà o con concezioni alternative è del 13% nella classe sperimentale contro il 30% nella classe di controllo.

Le tabelle 7 e 8 mostrano l’analisi del concetto di temperatura, della domanda numero 4 (nella pre-prova) e della domanda numero 3 (nel post-test).

Tabella 7: Analisi delle risposte degli studenti al concetto di temperatura in TE

digitare Percentuale di studenti (%) Concezioni alternative identificate
Prima Dopo
A 12 89 Temperatura come misura di calore.

Temperatura come qualcosa che si trasferisce da un corpo all’altro.

B 10 6
C 78 5

Fonte: Autore

Tabella 8: Analisi delle risposte degli studenti sul concetto di temperatura nella TC

digitare Percentuale di studenti (%) Concezioni alternative identificate
Prima Dopo
A 15 82 Temperatura come misura di calore.

Temperatura come qualcosa che si trasferisce da un corpo all’altro.

B 27 15
C 58 3

Fonte: Autore

Per quanto riguarda il concetto di temperatura, lo studio mostra che in entrambe le classi c’è stato un significativo miglioramento nell’elaborazione del concetto. La differenza percentuale è minore, essendo l’89% nella classe sperimentale e l’82% nella classe di controllo. Per quanto riguarda le concezioni alternative visualizzate, le due classi hanno una percentuale inferiore, tuttavia la classe di controllo ha una percentuale inferiore (2%) in relazione alla classe sperimentale (2%). Tuttavia, questa differenza non è significativa nella disattivazione del metodo utilizzato.

Il risultato dell’analisi delle domande 4.1 (post-prova) e 7.1 (nella pre-prova) è riportato nelle tabelle 9 e 10 che seguono. La domanda posta agli studenti era: “Inizialmente hai un blocco metallico a 75 ° C e un calorimetro contenente acqua a 20 ° C. Quindi il blocco metallico A viene inserito nel calorimetro, secondo la seguente figura:

Cosa viene trasferito tra il blocco metallico A e l’acqua nel calorimetro?”

Tabella 9: Analisi delle risposte degli studenti in TE

digitare Percentuale di studenti (%) Concezioni alternative identificate
Prima Dopo
A 31 95 Temperatura como algo que se transfere de um corpo para o outro.
B 24 0
C 45 5

Fonte: Autore

Tabella 10: Analisi delle risposte degli studenti nella TC

digitare Percentuale di studenti (%) Concezioni alternative identificate
Prima Dopo
A 52 80 Temperatura come qualcosa che si trasferisce da un corpo all’altro.
B 35 12
C 13 8

Fonte: Autore

Le due tabelle mostrano che il 95% e l’80% degli studenti, rispettivamente nelle classi Experimental e Control definiscono il concetto di temperatura. Per quanto riguarda le concezioni alternative esposte, solo il 5% degli studenti della classe sperimentale e l’8% della classe di controllo confondono anche la temperatura come qualcosa che si trasferisce da un corpo all’altro, cioè confondono la temperatura con il calore. In entrambe le classi si sono miglioramenti nella formulazione dei concetti, avendo ridotto la frequenza delle concezioni alternative, con una maggiore incidenza nella classe sperimentale.

4.3 RISULTATO DELLE PRESTAZIONI PER CLASSE, PRE-TEST E POST-TEST

I grafici della figura 1 mostrano la situazione iniziale degli studenti prima di essere sottoposti ad intervento didattico nelle classi 10 (classe di controllo) e 11 (classe sperimentale).

Figura 7: Grafico comparativo delle pre-prove della classe sperimentale e di controllo


Fonte: Autore

Osservando i dati del grafico anche se la classe di controllo ha una percentuale leggermente più alta di dati positivi e negativi rispetto alla classe sperimentale, questa differenza non è significativa, come verrà dimostrato in seguito. Cioè, le due classi erano allo stesso livello in relazione ai contenuti valutati.

Dopo l’applicazione della pre-prova, le due classi sono state sottoposte ad un intervento didattico, utilizzando diverse strategie didattiche, essendo state sottoposte a un post-test. Il risultato è mostrato nel grafico 2 seguente:

Figura 8: Grafico comparativo dei post-test della classe sperimentale e di controllo

Fonte: Autore

Confrontando i due grafici, la differenza tra la percentuale di positivi nel post-test nella classe sperimentale è notevole. Sebbene nella classe di controllo vi sia stato anche un aumento della percentuale di positivi, questo aumento non è sostanziale. Da questa evidenza si può presumere che la strategia utilizzata abbia contribuito in modo significativo a una percentuale più elevata di positivi.

5. CONSIDERAZIONI GENERALI

L’essere umano, alla nascita entra in contatto con l’ambiente che lo circonda. Questo contatto rende lì un tutto tra l’essere umano e la natura. È attraverso tutto questo che l’essere umano interpreta i fenomeni della natura prima del contatto formale con la scuola, quindi lo studente all’arrivo in classe ha già alcune conoscenze precedenti.

Quando introduce nuovi concetti in classe, il docente dovrebbe avere la nozione dell’esistenza di concezioni alternative negli studenti e creare situazioni per essere esplorati in classe in modo che gli studenti abbiano la possibilità di differenziare le conoscenze scientifiche e non scientifiche.

Quando le concezioni alternative vengono ignorate, non ci sarà un apprendimento significativo dei concetti.

La ricerca mostra che l’apprendimento significativo avviene quando c’è apprezzamento delle concezioni alternative degli studenti, verificando così la premessa di Ausubel quando dice che “il fattore più importante per lo studente di assimilare nuove conoscenze è il chilo che conosce”.

Le concezioni alternative esistono in molti concetti di fisica, e la termodinamica è l’area in cui gli studenti hanno avuto molte concezioni alternative. Per quanto riguarda i concetti di calore e temperatura, le concezioni più comuni degli studenti sono:

  • Calore significa alta temperatura.
  • Il calore è direttamente proporzionale alla temperatura.
  • Il calore è associato solo a corpi riscaldati.
  • Il calore è una sostanza, un fluido.
  • Il calore è contrario al freddo.
  • La temperatura è sinonimo di calore.
  • Temperatura come misura di calore.
  • La temperatura può essere trasferita,
  • Temperatura come qualcosa che si trasferisce da un corpo all’altro.
  • I corpi freddi non contengono calore.
  • La temperatura dipende dalla natura del materiale.
  • La direzione del trasferimento spontaneo del calore è dal corpo con massa al corpo di massa inferiore.
  • Nei corpi raffreddati (sotto zero gradi non c’è trasferimento di calore
  • La temperatura viene spostata dal senso del tatto.
  • Quando due corpi a temperature diverse entrano in contatto, la temperatura finale sarà sempre la temperatura media aritmetica dei due corpi.
  • La temperatura finale di due corpi a contatto con diverse temperature di partenza sarà data dalla somma delle due temperature.

Si conclude che nelle lingue materne degli studenti indear (xitswua, gitonga e cicopi), non c’è differenza in termini di designare calore e temperatura, le concezioni alternative più comuni degli studenti hanno come cause di persistenza anche dopo l’insegnamento formale quanto segue: la lingua, dove i concetti sono spiegati usando il buon senso per semplificare la loro comprensione, la cultura, dove i modelli che l’individuo usa per spiegare i concetti si sviluppano fin dall’infanzia , non provenienti dal loro apprendimento scolastico.

RIFERIMENTI

ARAÚJO, M. De,; SOUZA, P. H. De. Conceitos, Concepções Alternativas E Ensino De Ciência : Uma Investigação Baseada Em Estudos Terminológicos. X Encontro Nacional de Pesquisa em Educação em Ciências, v.1, n.8,  2015.

AUSUBEL, D. P.; NOVAK, J. D.; HANESIAN, H. Educational psychology: a cognitive view. Second Edition. New York. USA: Ed. Holt, Rinehart and Winston, 1978.

AUSUBEL, D.P. Aquisição e retenção de conhecimentos. Lisboa: Plátano Edições Técnicas, 2003.

AUSUBEL, D.P. The psychology of meaningful verbal learning. New York, Grune and Stratton, 1963.

BACICH, L.; MORAN, J. Metodologias ativas para uma educacao inovadora: uma abordagem teorico-prática. São Pailo: Penso, 2018.

CALDEIRA, M. H.; MARTINS, D. R. Calor e Temperatura: Que nocao tem os alunos universitarios destes conceitos? Gazeta Fisica, v.13, n.2, p.85–94, 1990.

CATELAN, S. S., & RINALDI, C. A. Atividade experimental no ensino de ciências naturais: Contribuições e Contrapontos. Revista experiencias em Ensino de Física, v.13, n.1, 2018.

COVOLAN, D. da. & SILVA, S. C. T. A entropia no Ensino Médio: utilizando concepções prévias dos estudantes e aspectos da evolução do conceito. Ciência & Educação (Bauru), v.11, n.1, p.97–117, 2005.

FACCIN, F.; GARCIA, I. K. Proposta de uma unidade de ensino potencialmente significativa sobre temperatura. Aprendizagem Significa em Revista, v.5, n.2, p.18-28, 2017.

GERHALDT, T. E.; SILVEIRA, D. T. Metodos de Pesquisa .Editora, Universidade Federel do Grande Rio Sul, Brasil, 2009.

HULSENDEGER, M. J. V. C.; COSTA, D. K.; CURY, H. N. Identificação de concepções de alunos de ensino médio sobre calor e temperatura. Actas Cientiae, v.8, n.1,  p.35–46, 2006.

KRAUSE, J. C.; Scheid, N. M. Concepções alternativas sobre conceitos básicos de física de estudantes ingressantes em curso superior da área tecnológica: um estudo comparativo. Revista Espaço Pedagógico, v.25, n.2, p.227–240, 2018.

LEÃO, N. M. de M.; KALHIL, J. B. Concepções alternativas e os conceitos científicos : uma contribuição para o ensino de ciências. Latin-American Journal of Physics Education, v.9, n.4, p.2–4, 2015.

MOÇO, M. C. C.; SERRRANO, A. S. Analise das Concepcoes alternbativas de estudadntes universitarios de licenciatura em biologia apos uso da internet. IV Encontro Nacional de Pesquisa em Educacao em ciencias, Bauro, 2002.

MOREIRA, M.A. Física de Partículas: uma abordagem conceitual e epistemológica. São Paulo: Editora Livraria da Física, 2011.

MUTIMUCUIO, I. V. Improving Student’s Understanding of Energy: A Study of the Conceptual Development of Mozambican First-Year University Students. Gaza, Moçambique, 1998.

NEVES, J., CHARRET, I.; CARVALHO, S. Estudando a física do efeito estufa no 9o ano: uma abordagem visando a aprendizagem significativa. Experiências Em Ensino de Ciências, n.9, 2017.

PEREIRA, M. M. Uma proposta para o ensino de calor e temperatura no ensino médio. Dissertação (Mestrado em Ensino de Física). Instituto de Física, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2010.

PUHL, N. M. Atividades Investigativas No Estudo da Termodinâmica: Incentivando a Autonomia do Estudante. Dissertação (Mestrado em Ensino de Ciências Exatas. Universidade do Vale do Taquari, Lajeado, 2017.

SEVERINO, A. J. Metodologia do trabalho científico. 23.ed. São Paulo: Cortez, 2007.

SILVA, E. L. & MENEZES, E. M. Metodologia da pesquisa e elaboração de dissertação. 4ª  ed. Florianópolis, 2001.

SILVA da, J. B. A teoria da Aprendizagem Significativa de David Ausubel: uma análise das condições necessárias. Research, Society and Development, v.9, n.4, mar., 2020.

THOMAZ, M. F., MALAQUIAS, I. M., VALENTE, M. O.; ANTUNES, M. J. Uma alternativa para ultrapassar concepções alternativas sobre calor e temperatura. Gazeta de Física, v.17, 1994.

[1] Laurea magistrale in Didattica/Fisica. Laureato in Matematica e Fisica.

[2] Advisor. Professore dottore.

[3] Co-consulente. Professore dottore.

Inviato: Luglio 2020.

Approvato: settembre 2020.

DEIXE UMA RESPOSTA

Please enter your comment!
Please enter your name here