implementacija konceptualnog testa iz nuklearne fizike i fizike čestica

of 45 /45
SVEUČILIŠTE U ZAGREBU PRIRODOSLOVNO-MATEMATIČKI FAKULTET FIZIČKI ODSJEK Dragan Borevac Diplomski rad IMPLEMENTACIJA KONCEPTUALNOG TESTA IZ NUKLEARNE FIZIKE I FIZIKE ČESTICA Zagreb, 2011.

Author: dobao

Post on 28-Jan-2017

243 views

Category:

Documents


3 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • SVEUILITE U ZAGREBU

    PRIRODOSLOVNO-MATEMATIKI FAKULTET

    FIZIKI ODSJEK

    Dragan Borevac

    Diplomski rad

    IMPLEMENTACIJA KONCEPTUALNOG

    TESTA IZ NUKLEARNE FIZIKE I FIZIKE

    ESTICA

    Zagreb, 2011.

  • SVEUILITE U ZAGREBU

    PRIRODOSLOVNO-MATEMATIKI FAKULTET

    FIZIKI ODSJEK

    SMJER: PROF. FIZIKE

    Dragan Borevac

    Diplomski rad

    IMPLEMENTACIJA KONCEPTUALNOG

    TESTA IZ NUKLEARNE FIZIKE I FIZIKE

    ESTICA

    Voditelj diplomskog rada: prof. dr. sc. Mirko Planini

    Ocjena diplomskog rada: ____________________

    Povjerenstvo: 1.____________________

    2.____________________

    3.____________________

    Datum polaganja: ____________________

    Zagreb, 2011.

  • Mojoj Biljani,

    Jer si uvijek i bezrezervno vjerovala u mene

    Mojoj Biljani,

    jer si uvijek i bezrezervno vjerovala u mene!

  • Hvala mentoru prof. dr. sc. Mirku Planiniu na pomoi i strpljenju, te

    pruenoj potpori prilikom izrade ovog diplomskog rada.

    Hvala dr. sc. Nikoli Poljaku na uloenom trudu, korisnim primjedbama,

    sugestijama i savjetima tokom izrade diplomskog rada.

    Hvala svima koji su sudjelovali u testiranju i tako doprinijeli istraivanju.

    Hvala svim profesorima i asistentima s kojima sam se susreo tijekom svog

    kolovanja.

    Hvala roditeljima koji su mi omoguili ovo kolovanje, a posebno im

    zahvaljujem na svoj ljubavi i podrci koju su mi pruili tokom studiranja.

    Hvala!

  • Sadraj

    Uvod ........................................................................................................................... 1

    1. Povijesni razvoj fizike ........................................................................................... 2

    1.1 Razlozi nastanka znanosti ................................................................................ 2

    1.2 Razvoj fizike kroz povijest ................................................................................. 3

    1.2.1 Rane civilizacije .......................................................................................... 3

    1.2.2 Starogrka fizika ......................................................................................... 3

    1.2.3 Srednjovjekovna fizika ................................................................................ 4

    1.2.4 Poetak novog vijeka .................................................................................. 4

    1.2.5 Temelji nove fizike ...................................................................................... 5

    1.2.6 Izgradnja klasine fizike .............................................................................. 6

    1.2.7 Suvremena fizika ........................................................................................ 7

    1.3 Status prirodnih znanosti kroz povijest ............................................................. 8

    2. Razvoj psihikog ivota ...................................................................................... 10

    2.1 imbenici razvoja ........................................................................................... 10

    2.2 Kognitivni (spoznajni) ili intelektualni razvoj .................................................... 11

    3. Nastava fizike ..................................................................................................... 12

    3.1 Utjecaj Jeana Piageta ..................................................................................... 12

    3.2 Uenike intuitivne ideje ili pretkoncepcije - uoavanje njihovih uloga ............ 14

    3.3 Konstruktivistiki pristup nastavi fizike ............................................................ 15

    4. Konceptualni test iz nuklearne fizike i fizike estica ........................................... 16

    4.1 Konstruiranje konceptualnog testa .................................................................. 16

    4.2 Primjena konceptualnog testa ......................................................................... 16

    4.3 Pregled dobivenih rezultata testiranja ............................................................. 17

    4.4 Usporedba rezultata testiranja ........................................................................ 30

    Zakljuak .................................................................................................................. 32

    Literatura .................................................................................................................. 33

    Reference ................................................................................................................. 34

    Prilog ....................................................................................................................... 35

  • 1

    Uvod

    ovjek je u poetku imao brojna pitanja na koja nije znao odgovore. Od samih

    poetaka, postojala je trajno prisutna znatielja i zanimanje za prirodu i prirodne pojave, a

    znatielja je bila jo vea ako su te pojave bitno utjecale na ivot. Zahvaljujui toj znatielji

    ovjek je krenuo u potragu za znanjem...

    Sagledavi dananje znanje, kako fizike tako i cjelokupne znanosti, i povrno

    promotrivi njen razvitak, neupuenom pojedincu bi se na prvi pogled uinilo kao da su se

    rjeenja pojedinih problema odvijala jednosmjerno, u jednom odreenom pravcu, kao da

    postoji put razvitka po kojemu su uvedeni fizikalni pojmovi. Meutim nije sve tako

    jednostavno. Brojni temeljni fizikalni pojmovi su bili predmet unih diskusija i razilaenja

    tijekom cijele povijesti, a mnogi od tih pojmova su i danas nerijeeni do kraja.

    Danas, kad fizika, kao i cjelokupna znanost, ne moe dati odgovore na sva pitanja koja

    bi ovjek htio znati, ovjekova znatielja je vea nego ikad. Zato je najvei i najambiciozniji

    pokus u povijesti znanosti Veliki hadronski sudariva (LHC) izazvao jako veliku panju,

    ali i strah i iekivanje. Razlog tolikoj uzbuenosti oko dosad najspektakularnijeg pokusa je

    potraga za odgovorima na mnoga zanimljiva i vana pitanja, ne samo bitna za fiziare, nego

    za dobrobit svih ljudi.

    Usprkos brojnim odgovorima koje jo nemamo, veliki opseg znanja nam je ve

    dostupan. Ta znanja se pouavaju u koli i na fakultetu. Znanja su se stoljeima samo

    prenosila na nove generacije, a steena znanja su omoguavala da ovjek cijeli ivot uspjeno

    radi posao za koji se kolovao. Meutim, danas je stanje potpuno drugaije: drutvene

    promjene su bre, a brzina porasta znanja je jako velika. Zato vie nije dovoljno da se

    prirodne znanosti pouavaju na tradicionalan nain, nego je potrebno traiti nove naine

    pouavanja. Danas se nastoji odgojiti i obrazovati ovjeka da iz kolskih i studentskih klupa

    izae spreman za samostalan rad u modernom drutvu. To je mogue samo ako stekne

    operativno znanje, te razvije sposobnost za kritiko miljenje.

    to se tie implementacije suvremene fizike u sustavu obrazovanja, javljaju se

    problemi usvajanja fizikalnih koncepata. Najvei problem ine ovjekove intuitivne ideje ili

    predkoncepti, koji su duboko ukorijenjeni u ovjekovo razmiljanje. Kako bi se usvojilo

    znanje i izgradili ispravni koncepti, bitno je prepoznati te predkoncepcije i smanjiti njihov

    utjecaj.

    Ovaj diplomski rad posveen je istraivanju najeih potekoa kod uenja i

    razumijevanja nuklearne fizike i fizike estica na uvodnim kolegijima fizike na fakultetu.

    Istraivanje je provedeno ne samo kako bi se dobila opa slika o razumijevanju tih podruja

    fizike, nego kako bi se ubudue razvili novi ili mijenjali ve postojei pristupi u pouavanju

    tog fizikalnog sadraja.

  • 2

    1. Povijesni razvoj fizike

    1.1 Razlozi nastanka znanosti

    Poetak razvitka znanosti, a samim time i fizike, mora se traiti u najstarijem razdoblju

    ljudskog postojanja. Svako drukije sagledavanje razvitka znanosti, koje bi poetak uoavalo

    na nekom razvijenijem stupnju razvitka ovjeanstva, izazvalo bi dojam da su pojedine

    znanstvene spoznaje nastale naglo. Dobro znamo da nije tako i da su fizikalna znanja nastala

    postupno, u dugom procesu razvitka ljudskih aktivnosti, a kasnija su znanja samo logian

    nastavak ve prijeenoga razvojnog puta. Poetak znanosti nije odreen nekom godinom, pa

    ak ni nekim kratkim vremenskim razdobljem. Poetak znanosti smjetamo u dugo razdoblje

    stvaranja prvih pojmova, u vrijeme kad je ovjek pokuao rijeiti bezbrojne probleme ivota.

    ovjekova goloruka bitka s prirodom nije mu davala velikih nada da se u toj bitci

    odri, ili se odravao uz velike gubitke. Bitna promjena nastaje onda kad je ovjek uvidio da

    je ivotinju lake dotui nekom motkom pronaenom u prirodi nego se boriti s njom golih

    ruku. Takoer je uvidio da motkom moe lake dohvatiti plodove na stablu nego penjanjem

    po drvu ili ekanjem da plodovi padnu na tlo. Upotrijebljena motka je zapravo nita drugo

    nego produena ruka, tako da ovjek ustvari nije smislio nita posebno - samo je oponaao

    prirodu. Ipak, ta rjeenja nisu bila lagana i zahtijevala su ogroman napor, jer ovjek sigurno

    nije odmah upotrijebio motku na najbolji mogui nain. Moralo je biti bezbroj pokuaja dok

    ovjek nije pronaao zadovoljavajue rjeenje. ovjek je, stotinama, a i tisuama godina,

    stjecao iskustva nalazei sve bolja i prikladnija rjeenja. Ta prva razdoblja su zaeci nastanka

    znanosti, koja je nastala prvenstveno iz praktinih razloga - efikasnija borba s prirodom,

    hranjenje, preivljavanje, potrebni alati, orua (motika, toljaga, kuka, poluga, luk i strijela...).

    ovjek je time rijeio mnoge ivotne probleme i tako si olakao ivot. Sve probleme je

    pokuavao rijeiti na razliite naine, metodom pokuaja i pogreke, a najpovoljnije rjeenje

    je otkrio empirijski. Znao je npr. kako funkcionira poluga iako nije znao zato je to tako.

    Dakle, ovjek nije znao fizikalne zakone, ali ih je nesvjesno upotrebljavao jer je empirijski

    spoznao njihovu praktinu upotrebu.

    Osim praktinih razloga, znanost je nastala i zbog potrebe mjerenja. Kad je ovjek

    poeo drati domae ivotinje nije mu bilo svejedno hoe li neka od njih odlutati ili e ju

    moda pojesti divlja zvijer - tako je postupno nauio prebrojavati ivotinje. Takoer, ovjek je

    postupno prelazio sa nomadskog na sjedilaki nain ivota, te se javila potreba za

    premjeravanjem teritorija. Bitan razlog nastanka znanosti su i ovjekove primitivne

    predodbe. ivei u prirodi, ovjek je opaao mnoge prirodne pojave kojima nije znao toan

    uzrok: izmjena dana i noi, izmjena godinjih doba. Poeo je pratiti te ciklike pojave i

    pokuavao ih opisivati.

    ovjek je kroz povijest stvarao razliite predodbu o svijetu. Npr. Sunce je kod svih

    primitivnih naroda imalo vanu ulogu i obino su ga promatrali kao boanstvo. Prirodne su

    pojave oduvijek impresionirale ljude pa se neobinim astronomskim pojavama esto

    pridavalo posebno znaenje. Svemu onome to nije bilo redovito, npr. pomrine, repatice,

    oluje, munje, gromovi, pridavalo se veliko znaenje.

    U prvim erama ovjekova postojanja, znanja su bila ograniena na skup nepovezanih

    injenica. Ta su znanja bila konkretna i dobivena empirijski. Ipak, irina znanja je bilo puno

    vea nego to se obino misli i to su zapravo prvi poeci nastanka i razvitka znanosti.

  • 3

    1.2 Razvoj fizike kroz povijest

    1.2.1 Rane civilizacije

    Prijelaz iz prvih era ovjekova postojanja na prve civilizacije bio je postupan. Ve u

    tim prvim razdobljima prikupljeno je odreeno fizikalno, matematiko i astronomsko znanje.

    Ono se u prvim civilizacijama dopunjuje i proiruje, ali se u poetku ne razlikuje puno, to se

    tie konkretnog shvaanja pojmova i empirijskog stjecanja znanja.

    Rane civilizacije imale su zajedniku znaajku da u znanosti ne formuliraju opa

    pravila ni naela. Sve je rezultat empirijskih istraivanja, odnosno opaanja. Prve civilizacije

    su gradile velike graevine pri emu su upotrebljavali empirijska znanja o statici.

    Upotrebljavali su se i strojevi ije je funkcioniranje bilo poznato iz iskustva i znalo se kako ih

    treba upotrebljavati iako nije bilo poznato naelo na kojem se zasniva njihova iskoristivost.

    Na temelju metode pokuaja i pogreke dolo se do saznanja da je teret lake podii ako se

    povea krak koji se pritie rukom, ali nitko se nije pitao zato je to tako, pa se ne pojavljuju

    ni odgovori. Postojale su i brojne primjene poluge poput vage i brodskog vesla.

    Upotrebljavani su i drugi jednostavni strojevi poput kola i kolotura.

    to se tie astronomskih znanja, ona su takoer bila empirijska. Astronomske pojave

    su od davnina ovjeku djelovale impresivno, pa su ih promatrali i najprimitivniji narodi.

    Zapazili su da se neke pojave ponavljaju, ali im nije bila poznata zakonitost zato se to

    dogaa. Nepoznavanje zakonitosti i uzroka pojedinih nebeskih pojava navela je stare narode

    da im pripiu neka nadnaravna znaenja. Svi su stari narodi imali svoju predodbu svijeta i

    predodbu njegova ustrojstva. Sve su te predodbe vrlo mistine i sve su proizale iz

    neposrednog promatranja svijeta koji ih okruuje. Sve predodbe su proizale iz iskustva, ali

    su bile interpretirane na mistian i religiozan nain.

    1.2.2 Starogrka fizika

    Iako se znanost, pa tako i fizika, a naroito mehanika i astronomija, javljaju vrlo rano,

    njihov je pravi procvat u antikoj Grkoj, jer se tada poinju javljati nove ideje i pokuaji

    razumijevanja prirode. Fizika je u to vrijeme najvie uznapredovala, no mnoga znanja i

    koncepti o prirodi nisu tada samonikli nego su naslijeeni od starijih civilizacija, te esto

    interpretirana na nov nain. Mnogi su zaetnici fizikalne misli (Aristotel, Arhimed, Eratosten,

    Tales, Leukip, Demokrit, Epikur...) roeni upravo u Grkoj, u razdoblju 8. - 4. st. pr. Kr., pa

    se smatra da su ondje udareni temelji uenju o prirodi kakve i danas poznajemo.

    Najznaajniji je predstavnik toga razdoblja Aristotel koji je udario temelj razvoju

    znanosti kakvu danas poznajemo. Aristotel razlikuje prirodna gibanja i nasilna gibanja za koja

    je uvijek potrebna sila. Smatra da postoji razlika zemaljskog i nebeskog podruja za koja

    vrijede razliite fizike. U tumaenju prirode Aristotel poinje koristiti pojmove koje danas

    poznajemo kao fizike veliine, kao put, brzina, otpor, a uvodi i mnoge koncepte znaajne za

    Aristotelovsku filozofiju, poput pokretake sile, koncepta teine i lakoe. Iako je Aristotelova

    fizika bila kvalitativna i spekulativna, imala je velik utjecaj na razvoj znanosti.

  • 4

    1.2.3 Srednjovjekovna fizika

    Srednji vijek obiljeavaju feudalni drutveni odnosi i drutveno ureenje te dominacija

    kranskoga svjetonazora i religije u filozofiji. Razvoj fizike, i openito prirodnih znanosti, u

    srednjem vijeku zahvaljujemo arapskoj ili islamskoj civilizaciji koja od 8. do 15. st.

    doivljava svoje zlatno razdoblje.

    Europa se u srednjem vijeku oslanja na Aristotelovo shvaanje fizike, odnosno

    prirodne filozofije. Crkva, kao dominantna institucija toga vremena, prihvaa i zastupa

    Aristotelove teze, te su one opeprihvaene (npr. kranstvu je dobro odgovarao geocentrini

    poloaj Zemlje). Krajem srednjega vijeka u Europi se javljaju nove ideje i pogledi na znanost

    koji predstavljaju izravno sueljavanje i kritiku Aristotelove filozofije prirode i stavova

    Crkve.

    U 6. st. indijski astronomi predlau heliocentrini sustav. U arapskoj civilizaciji u 9. st.

    postavlja se hipoteza da se nebeska tijela i zvjezdane sfere vladaju po istim zakonitostima kao

    i Zemlja. To je veliki napredak u odnosu na mislioce antike Grke koji su smatrali da se

    nebeska i zemaljska gibanja odvijaju po razliitim zakonitostima. Islamski znanstvenici

    razlikuju masu i teinu, tvrde da zrak ima teinu i da mu je gustoa manja od gustoe vode.

    Kritiziraju Aristotela i njegovu ideju o stalnoj sili koja je potrebna da bi odrala gibanje tijela.

    Dok arapski svijet proivljava svoje zlatno razdoblje, Europa je pod utjecajem

    skolastike i Crkve. Biblija i Aristotelova tumaenja su uzimana kao nepogreiva, no ipak se

    javljaju novosti i napredci, naroito u znanstvenom razmiljanju. U 13. st. protiv nekritikih

    prihvaanja Aristotelovih tumaenja ustaje engleski franjevac Roger Bacon koji smatra da

    pokus treba biti temelj znanosti i jedina mjerodavna metoda u donoenju zakljuaka. Zbog

    svojih je naprednih stavova Bacon izbaen sa sveuilita, osuen kao heretik i utamnien. U

    srednjovjekovnoj Europi je astronomija uivala osobitu popularnost jer se smatrala

    interpretiranjem Bojih zakonitosti. Njome su se bavili crkveni uenjaci i dunosnici, jedini

    kolovani ljudi toga vremena. Vjerovalo se u geocentrini model svemira utemeljen na

    Ptolomejevim uenjima, koji je zastupala Crkva te se astronomija u srednjevjekovnoj Europi

    dugo svodila na doradu Ptolomejeva modela i nije donosila nova otkria.

    1.2.4 Poetak novog vijeka

    Od 14. do 16. stoljea nastupa vrijeme jednoga od najznaajnijih pokreta u kulturi

    zapadne Europe, koji je oznaio zavretak srednjega vijeka i doveo do preokreta u znanosti,

    filozofiji i umjetnosti. To je vrijeme renesanse ili preporoda. U renesansi se razvijaju gradovi,

    trgovina i promet, raste broj stanovnika, poveava se znaaj novca, nastaju prve manufakture

    te raspadom feudalnoga nastaje novo, graansko drutvo. U renesansi se raa racionalno i

    znanstveno shvaanje svijeta. Nosioci su nove renesansne kulture bili humanisti koji su

    kulturu usmjerenu prema ovjeku suprotstavljali skolastikoj znanosti i teologiji. Sredite

    univerzuma vie nije Bog, nego ovjek univerzalno obrazovani humanist, predstavnik

    novane i intelektualne elite. Renesansa je vrijeme velikih otkria; istraivai Kristofor

    Kolombo, Vasco da Gamma, Ferdinand Magellan i dr. su otkrili nove kontinente i nove

    zemlje. Brojnim je istraivakim pothvatima moreplovaca dokazano da je Zemlja okrugla

    ime je omogueno novo shvaanje svemira.

  • 5

    U matematici i fizici renesansa ne donosi nove velike spoznaje, ali je ovo razdoblje

    znaajno jer nagovijeta prekretnicu u razvoju znanosti i kulture. Poslije tisuljetnoga zastoja,

    Aristotelova prirodna filozofija doivljava prve odlune kritike, pa i potpuno negiranje

    vrijednosti. Znanstvenici zapoinju borbu protiv autoriteta, protiv dominacije Aristotela i

    skolastikoga pristupa znanosti. Nastaju nove ideje istaknutih pojedinaca kao to su Kopernik,

    Kepler, Galileo i drugi. Renesansni uenjaci obnavljaju i poinju ponovno cijeniti uenja

    antike i civilizacija Istoka. Zapoete su pripreme za novo doba.

    Veliki doprinosi renesanse nastaju u domeni astronomije i konano dovode do

    naputanja tisuljetnih uenja Aristotela i Ptolomeja te razvijanja novoga, temeljno razliitoga

    pogleda na mjesto ovjeka u svemiru. Nikola Kopernik zagovara heliocentrini model

    svemira. Utvruje postojanje trostrukoga gibanja Zemlje: njezinu rotaciju oko osi, revoluciju

    (tj. gibanja Zemlje oko Sunca) i precesiju Zemljine osi. Kopernikovim je uenjem bio

    ponesen i mladi Giordano Bruno. Izlagao je svoje uenje o svemiru i planetnim sustavima

    drugih zvijezda te istaknuo ideju o jedinstvenim zakonima prirode. Neto slino postoji i

    danas, kad se nastoji ujediniti etiri fundamentalne sile.

    1.2.5 Temelji nove fizike

    Nakon renesanse u 17. st. nastupa u zapadnoeuropskoj kulturi tzv. vrijeme

    racionalizma. Ono prethodi pokretu prosvjetiteljstva koje je obiljeilo 18. st. U 17. st. su

    postavljeni temelji klasine fizike. Ocem fizike i svjetlom novog doba esto se naziva

    Galileo Galilei, ovjek koji je poeo izgraivati novu fiziku temeljenu na pokusu i

    matematikom opisu. To je ovjek koji je prvi uveo eksperimentalnu metodu, pokus

    ustanovio metodom znanstvenoga istraivanja i zapoeo matematiko formuliranje fizikalnih

    zakona, pa se zato smatra osnivaem klasine fizike i mehanike. U to vrijeme djeluje i, po

    mnogima, najvei fiziar i znanstvenik koji je ikad ivio Isaac Newton. Kulminacija je fizike

    17. st. bila izdavanje njegove Principie iz 1687. godine u kojoj su definirani temeljni pojmovi

    i formulirana nova slika svijeta. Jedan od najveih znanstvenih genija svih vremena Isaac

    Newton, svojim je djelom Matematika naela prirodne filozofije zauvijek promijenio

    mehaniku i cjelokupnu fiziku. Svoje izuavanje mehanike Newton utemeljuje na poznavanju

    djela slavnih prethodnika; objedinjuje spoznaje Galileija i Keplera u jednu teoriju gravitacije i

    postavlja temelj klasinoj mehanici. Definira kljune pojmove mehanike: masu, koliinu

    gibanja, silu i tromost, te formulira tri osnovna zakona gibanja. Koristi latinski pojam gravitas

    za uinak koji danas zovemo silom teom i definira zakon ope gravitacije. Iako je mnogima

    zvualo suvie tajanstveno, Newton postulira gravitaciju kao nevidljivu silu koja djeluje na

    daljinu. Pojam sile kakav danas poznajemo, kao djelovanje koje mijenja stanje gibanja tijela,

    proizlazi iz Newtonova koncepta sile, iz Newtonove dinamike.

    Najviim naelom svakoga znanstvenog istraivanja se smatra pokus, a metoda koja se

    predlae za dolazak do novih spoznaja jest metoda indukcije koja zapravo predstavlja

    jedinstvo eksperimenta i racionalne spoznaje, no prije njezine primjene treba oistiti razum od

    nagomilanih predrasuda. Tei se velikoj obnovi (temeljitoj preobrazbi znanosti i ivota

    uope) i dri se da je cilj znanosti i filozofije opskrbiti ljudski ivot novim pronalascima i

    dobrima, ovladati prirodom i poveati ovjekovu mo nad prirodom. Kritizira se dotadanje

    filozofske i znanstvene misli i upozorava na potrebu revizije pojmova i metoda kojima su se

    gradile znanstvene teorije. Smatra se da osnova spoznaje treba biti mogunost ovjeka da

    svojim umom unosi red u prouavanje stvari te onda pravilno zakljuuje. Istie se vanost

    logike analize, preciznoga zakljuka utemeljenoga na jasnim i jednostavnim naelima.

  • 6

    Prema legendi, na razmiljanje o gravitaciji Newtona je navela jabuka koja mu je pala

    na glavu. U svojim Naelima iznosi da Zemlja privlanom silom djeluje na Mjesec i otklanja

    ga od pravocrtne putanje. Ta sila, smatra Newton, opada s kvadratom njihovih udaljenosti. Isti

    zakljuak primjenjuje za gibanje planeta uzrokovano privlaenjem Sunca. Prema treem

    zakonu gibanja, i planeti privlae Sunce. Usporedbom ubrzanja sile tee i Mjeseeva

    centripetalnoga ubrzanja zakljuuje da slobodni pad i kruenje Mjeseca oko Zemlje imaju isti

    uzrok. Newton demonstrira konzistentnost Keplerovih zakona gibanja planeta i svoje teorije

    gravitacije te tako pokazuje da se nebeska i zemaljska gibanja odvijaju po istim

    zakonitostima. To je bilo prvo ujedinjenje sila u povijesti fizike koje je otklonilo posljednje

    ostatke aristotelovske fizike i sve dvojbe oko heliocentrizma.

    1.2.6 Izgradnja klasine fizike

    Analitike se metode mehanike, razvijene u 18. st., tijekom 19. st. poinju

    primjenjivati i na istraivanje fizikalnih pojava. Matematizirani koncepti o energiji u drugoj

    su polovici 19. st. uzrokovali do tada najveu ekspanziju fizike, kao i preispitivanje

    tradicionalnih ideja o fizikom svijetu. Newtonova fizika dobiva naziv klasina fizika. U

    fizici 19. stoljea teilo se objanjenju svih fizikalnih podruja pomou mehanike, a sve se

    vie stvaralo uvjerenje da je 19. stoljee steklo konana i sigurna znanja u fizici koja se vie

    nee mijenjati nego samo dopunjavati novim istraivanjima. Smatralo se da su pronaeni

    fizikalni zakoni, zajedno s onima koji e se tek pronai, dovoljni za odreenje budueg

    razvitka svijeta.

    19. stoljee je vrijeme teorija i eksperimentalnih doprinosa o izmjenjivosti mehanike,

    kemijske, elektrine energije i topline, odnosno rada. Oblikuju se zakoni termodinamike,

    uvodi pojam entropije i utemeljuje statistika fizika. Takoer, na samome poetku 19. st.

    dolazi do spoznaje o povezanosti elektrinih i magnetskih pojava, to je nakon Newtonova

    ukidanja Aristotelove nebeske i zemaljske fizike vodilo prema drugom velikom ujedinjenju

    sila u povijesti fizike. Uvodi se koncept polja i uobliuje klasina elektrodinamika. Vrhunac

    fizikih teorija, a ujedno i uvod u elektrotehniku revoluciju, bio je koncept svjetlosti kao

    prijenosa energije u vidu elektromagnetnog vala, te otkrie elektromagnetnog zraenja.

    Najvei mislioc tog vremena je zasigurno James Clerk Maxwell, koji po svojim zaslugama i

    otkriima stoji uz bok Newtonu. Otkrie zakona elektromagnetizma i elektromagnetskih

    valova, kao i njegovo statistiko tumaenje ustrojstva tvari, temelj su gotovo cjelokupnog

    dananjeg tehnolokog napretka: od novih vrsta materijala do suvremene raunalne i

    komunikacijske visoke tehnologije.

    Fiziari su se sredinom 19. stoljea razliito odnosili prema problemu sile. Bilo je onih

    koji su poricali postojanje sile, ali i onih koji su zastupali njezino postojanje, i to kao

    fundamentalnog pojma u fizici. Fiziari su se zapravo dijelili na dinamiste i mehaniciste.

    Meutim, ak su i mehanicisti izvodili Newtonov izraz za opu gravitaciju iz gibanja estica,

    pa su tako formalno upotrebljavali isti izraz kao i dinamisti, ali su istodobno samo drukije

    tumaili fizikalne veliine koje su ulazile u raun. Na taj nain su zapravo i jedni i drugi, iako

    su se bitno razlikovali u svojim temeljnim koncepcijama, formalno gledajui izgraivali istu

    klasinu fiziku.

  • 7

    Osim izgradnje klasine fizike imali su jo jednu zajedniku znaajku: i jedni i drugi

    su vjerovali da se sve fizikalne pojave mogu objasniti pomou mehanike. I jedni i drugi su

    smatrali da nova fizikalna otkria potvruju misao o mehanikom tumaenju svih fizikalnih

    pojava.Takvi pogledi na fiziku, prirodne znanosti, kao i na znanost uope, uvjetovali su

    sasvim nov odnos prema sigurnosti znanja i prema razvitku znanstvenih ideja. Tadanji

    znanstvenici smatraju kako je njihovo znanje, iako nepotpuno, sigurna istina. To znanje treba

    samo dopunjavati i time e se dolaziti sve blie potpunom apsolutnom znanju.

    1.2.7 Suvremena fizika

    Krajem 19. stoljea fizika je trijumfirala u svojoj uvjerenosti da se postignuta znanja

    nee osporiti. Fiziari su bili neogranieno samouvjereni u sigurnost svojih znanja. Smatralo

    se kako su svi vani problemi fizike rijeeni te da fiziari nemaju osobito to vie za otkriti.

    Ali takva radost bila je kratkotrajna, ve poetkom 20. stoljea uslijedila su neka otkria koja

    su pokolebala tadanju sigurnost i samouvjerenost, te donijela povijesne prevrate u shvaanju

    prirode. Najvei od njih su bili teorija relativnosti i kvantna fizika. Kasnije je uslijedio jo

    vei, eksponencijalni razvoj spoznaja iz fizike i znanosti openito, te je 20. stoljee razdoblje

    mnogih tehnolokih revolucija.

    Albert Einstein je 1905. u samo nekoliko mjeseci objavio pet kapitalnih znanstvenih

    radova. U specijalnoj teoriji relativnosti proirio je zakone gibanja na pojave pri velikim

    brzinama, bliskima brzini svjetosti. Istodobno je otkrio i postojanje formule za energiju

    mirovanja tijela, ovisnu o masi, E0 = mc2, koja skriva tajnu goleme nuklearne energije. Osim

    toga, poopio je Planckovu ideju o kvantizaciji energije: postavio je hipotezu da je svako

    elektromagnetsko zraenje kvantizirano, tj. da ima osnovne kvante energije fotone. Tom je

    smjelom pretpostavkom potvrdio kvantnu hipotezu i postavio temelje kvantnoj fizici.

    Objasnio je i Brownovo gibanje i time udahnuo vjerodostojnost svim ranijim hipotezama o

    atomskom i molekulskom ustrojstvu tvari. Svoj doprinos fizici okrunio je opom teorijom

    relativnosti, u kojoj je zakone gravitacijskog privlaenja povezao sa svojstvom inercije, i time

    otvorio put suvremenoj astrofizici i kozmologiji, novom poglavlju u fizici, posveenom

    svojstvima svemira kakvog danas poznajemo, ali i njegovoj prolosti i budunosti.

    Tijekom ovoga stoljea dolo je i do velikih otkria o strukturi atoma: 1911. godine

    Ernest Rutherford otkriva atomsku jezgru sastavljenu od pozitivnih protona, a 1932. godine

    James Chadwick otkriva neutron.

    Poetkom su 20. st. Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr i drugi razvili temeljne

    elemente kvantne teorije da bi objasnili nekonzistentnosti nekih fizikalnih eksperimenata, a

    1925. godine su Werner Heisenberg i Erwin Schrdinger formulirali kvantnu mehaniku.

    Razvoj je kvantne mehanike tijekom 20. st. doveo do stvaranja monih teorijskih alata za

    nastanak i razvoj novih podruja fizike. Fizika vrstoga stanja poinje izuavati fizika

    svojstva kristala i tekuina, kristalne strukture te, neto kasnije, poluvodie i pojavu

    supravodljivosti.

    Prije Drugoga svjetskog rata i za vrijeme njegova trajanja provode se intenzivna

    istraivanja u podruju nuklearne fizike s ciljem dobivanja nuklearnoga oruja. Savezniki

    projekt Manhattan, predvoen Enricom Fermijem, prvi je ostvario taj cilj: 1942. godine

    postignuta je prva nuklearna lanana reakcija, a 1945. godine je u New Mexicu (SAD)

    izvedena prva atomska eksplozija.

  • 8

    Tijekom 20. st. se razvija i kvantna teorija polja, koja ujedinjuje kvantnu mehaniku i

    specijalnu teoriju relativnosti. Svoj suvremeni oblik dostie polovicom 20. st. u radovima

    Feynmana i drugih. Kvantna je teorija polja osigurala kvalitetan okvir za razvoj fizike

    elementarnih estica, koja izuava fundamentalne sile i elementarne estice. Godine 1954.

    Yang i Mills postavljaju temelje koji dovode do tzv. standardnoga modela, upotpunjenoga u

    drugoj polovici 20. st., koji uspjeno opisuje tri od etiri fundamentalne interakcije izmeu

    elementarnih estica od kojih se sastoji sva poznata materija (model ne ukljuuje gravitaciju).

    1.3 Status prirodnih znanosti kroz povijest

    Znanost je prolazila kroz razliite faze svojeg razvitka, naune teorije su se mijenjale,

    pogledi na probleme i njihovo rjeavanje su se usavravali i mijenjali svoj opseg. Ba kao i

    znanost openito, nastava fizike je takoer prolazila svoje faze.

    Starim Grcima i Rimljanima nije bio cilj da se uenici bave dubljim prouavanjem

    fizikalnih pojava ve je njihov odgojni ideal bio stvoriti dravnika. Meutim, bitno je da je

    ve tada sam odgoj shvaen kao najvaniji drutveni zadatak. Kod Grka je fizika pomagala pri

    stvaranju filozofskih tema, a naueno se prenosilo usmenom predajom. Tek su ih rijetki

    zapisivali u svojim djelima kao na primjer Aristotel. Kasnije se vanost fizike kao znanosti

    promijenila pa su stari Rimljani gradili filozofske, medicinske i graditeljske kole u kojima se

    pouavala fizika. tovie, upoljavali su posebne uitelje te se pobrinuli i za posebne

    prostorije u kojima se takva nastava odravala. Openito, Rimljani su se zalagali za tzv.

    radosnu nastavu i smatrali su da djecu treba dobro upoznati, individualno im pristupati,

    voljeti ih, pohvaljivati. Javljaju se prve ideje kako gradivo treba dijeliti na smislene cjeline.

    U srednjem vijeku otilo se nekoliko koraka u nazad. Propast Rimskog Carstva i

    prevlast Crkve nije povoljno utjecala na razvitak prirodnih znanosti. Uenik je morao preuzeti

    ulogu dobrog i poslunog kranina koji ne postavlja previe pitanja nego prihvaa crkvene

    dogme. Uitelji/odgajatelji su bili svirepi, a samo uenje se svodilo na mehaniko

    zapamivanje.

    No ve se u 16. stoljeu kidaju okovi crkvenog dogmatizma, a Aristotel vie nije jedini

    autoritet. Pomalo se prihvaaju i Kopernikova pouavanja. Javljaju se sve odluniji zahtjevi

    za uvoenjem prirodnih znanosti u kole, no trebalo je proi jo dosta vremena dok se to i ne

    obistini pod pritiskom bogatog sloja drutva kojem je bio potreban obrazovani kadar.

    Prekretnicu je nagovijestilo razdoblje renesanse. Meutim, iako tada nastaju vane

    nove ideje istaknutih pojedinaca, prirodne su znanosti i dalje teko nalazile svoje mjesto u

    drutvu. Zbog neslaganja s tada postojeim dogmama brojni istaknuti pojedinci nali su se na

    udaru vladajuih drutvenih struktura, poglavito Crkve, a njihova su djela bila zabranjivana.

    Sredinom 17. stoljea, nakon dugog razdoblja nemira, ratova, poara i epidemija, stanje u

    Europi se donekle sredilo. Dolo se do konsenzusa da uitelje treba znanstveno educirati.

    Osniva se prva znanstvena akademija 1659. u Toskani, 1662. osniva se Kraljevsko drutvo u

    Londonu, 1666. Akademija znanosti u Parizu i taj val se proirio cijelom Europom. Cilj

    nastave je bio razumjeti gradivo, a vodilo se rauna o osobinama djece i njihovoj aktivnosti u

    nastavi. Ve su tada neki humanisti uvidjeli kako je krajnja svrha nastave zapravo razvijanje

    djejeg miljenja, a glavno naelo bi nastave bi trebalo biti osposobljavanje za

    samoobrazovanje i utilitarizam. Ipak, te ideje su se poele realizirati tek krajem 18. stoljea.

  • 9

    Krajem 18. st. razvila se tehnologija koja je nastojala stei mo nad ljudskom

    produktivnou i njome ovladati. To je dovelo do industrijske revolucije i jaanja tehnolokih

    institucija u drutvu. Sve uspjenija tehnologija poinje pretendirati na onu drutvenu poziciju

    koju je filozofija prirode stjecala prethodnih 200 godina. Ta nova situacija, nastala

    industrijskom revolucijom, i pokuaj podreivanja filozofije prirode tehnologiji, postavila je

    pred filozofiju prirode zadau da redefinira svoje podruje rada i ponovno uspostavi svoju

    ulogu u drutvu. Uvedeni su novi nazivi prirodne znanosti i prirodoznanstvenik umjesto

    filozofija prirode i filozof prirode, utvrena su stroga pravila i standardi za one koji ele

    postati prirodoznanstvenici. Prirodoznanstvenici su se povlaili u osamu sveuilita. Proces

    redefiniranja je dovren do 1860. kad je fizika, zajedno s kemijom, biologijom i geologijom,

    uvrena kao disciplina i kao administrativna jedinica unutar sveuilita. Na taj nain je

    filozofija prirode preoblikovana u profesionalizirane prirodne znanosti koje su usredotoile

    nastojanja na intelektualnu znatielju i na znanje zbog samoga znanja. Istodobno su

    prirodoslovni predmeti uvedeni u javne kole, u vie razrede gimnazija. Njihovi kurikulumi su

    modelirani u skladu sa svjetonazorom prirodnih znanosti: znanje poradi znanja, ignoriranje

    praktinih znanja, zanemarivanje uloge prirodnih znanosti u drutvu i njihove odgovornosti

    spram drutva. Svrha pouavanja prirodnih znanosti bila je pripremanje uenika za studij tih

    znanosti na sveuilitu. U kurikulumima se naglaava ista apstrakcija i demonstrira estetsko

    jedinstvo discipline, dok su praktino znanje i drutveni aspekti sasvim iskljueni. Problem je

    u tome to je u nekim sredinama tako i danas.

    Tek u 19. stoljeu poinje nastava fizike bazirana na promatranju i eksperimentiranju.

    No provoenje te nastave i dan danas zapinje. Poetkom prolog stoljea problem je bio

    nedostatak kvalificiranog kadra jer fakulteti nisu pripremali studente za takvu vrstu nastave.

    To je vrijeme kad se uvidjelo da je za uenje bitan razvoj misaonih sposobnosti i motivacije,

    te da treba kombinirati aktivno uenje (temeljem vlastita iskustva) i pasivno uenje (u koli).

    Takoer se uvidjela nunost individualnog pristupa svakom djetetu, kao i sloboda nastavnih

    oblika i metoda.

    U 20. stoljeu nastaje nagli i uspjean razvoj prirodnih znanosti, ali i ubrzane

    drutvene promjene. Prirodne znanosti i tehnologija povezale su se u novu drutvenu snagu

    pod nazivom istraivanje i razvoj. Prirodne znanosti dobivaju velika sredstva, partnerstva s

    vladom, vojskom i industrijom. Smanjuje se procijep izmeu iste i primijenjene

    znanosti. Razvoj visoke tehnologije zasniva se na rezultatima prirodnih znanosti.

    Danas znanstvenici postaju spremniji primijeniti svoje znanje u rjeavanju svjetskih

    problema. Sve vee drutveno znaenje prirodoznanstvenog znanja dananja je realnost.

    Prirodne se znanosti razvijaju u svijetu meudjelovanja politike, ekonomije i rata.istom

    znanou bavi se tek mali dio akademskih znanstvenika, a i oni ne mogu izbjei politiko

    lobiranje za dobivanje projekata i sredstava. Dananji kolski prirodoznanstveni predmeti

    odiu akademskim idealizmom 19. stoljea, to nije u skladu s realitetom u kojemu

    funkcioniraju prirodne znanosti poslije Drugoga svjetskog rata. To stanje se nastoji

    promijeniti. Svrha pouavanja prirodnih znanosti postaje prirodoznanstveno opismenjivanje

    ukupne populacije i jaanje njihove sposobnosti za djelovanje. U tom se smislu radi na

    kurikularnim reformama u kojima pretee ideja tzv. Science-technology-society pristupa,

    putem kojega se u nastavi prirodnih znanosti pokuava naglasiti povezanost i meudjelovanje

    prirodnih znanosti, tehnologije i drutva.

  • 10

    2. Razvoj psihikog ivota

    Sposobnosti i znaajke ovjekova ponaanja rezultat su dvaju razvojnih procesa:

    razvoja ljudske vrste i razvoja pojedinca od njegova zaea.

    Razvoj ljudske vrste tekao je milenijima u obliku postupnog usavravanja i

    specijalizacije dijelova ljudskog organizma. Procesima adaptacije, tj. prilagoavanja na

    promjenjive vanjske okolnosti i odabiranja za opstanak samo najprilagoenijih oblika

    usavravalo se ponaanje do onih oblika koje danas poznajemo kao najvii stupanj prilagodbe

    u ivom svijetu ljudsko ponaanje.

    Ponaanjem ivotinja preteito upravljaju instinkti. To su gotove, sloene radnje u

    kojima su unaprijed, bioloki utvreni oblici ponaanja i situacije koje e ih izazvati.

    Sezonska seoba ptica, gradnja gnijezda, podjela rada u pelinjaku, briga za mladunad, sve

    su to sloene, ali priroene, nenauene radnje, reakcije organizma ivotinje na okolne

    promjene (temperatura) ili promjene u organizmu (razina hormona i sl.). Ljudskim

    ponaanjem ne upravljaju takvi gotovi modeli ponaanja koji bi bili ve ugraeni u ivani

    sustav u trenutku roenja. Najvei je dio ljudskog ponaanja elastian, promjenjiv,

    prilagodljiv situaciji i zato se u ljudski ivani sustav tek moraju ugraditi sloeni modeli

    ponaanja koji su rezultat iskustva i ponavljanja iskustva uenja.

    Razvoj ovjeka (kao ljudske jedinke) od njegova zaea bitno je drugaiji od razvoja

    ivotinjskog mladuneta, i to ne samo zbog prednosti u savrenijoj biolokoj strukturi, ve i

    zbog specifinosti ljudskog iskustva.

    Iskustvo koje stjee pojedinac tijekom svoga individualnog razvoja jest socijalno

    iskustvo. Za razliku od ivotinjkog svijeta u kojemu svaka pojedinana ivotinja mora iznova

    razvijati svoj bioloki zadani repertoar i svaka generacija poinje od poetka, ljudsko se

    iskustvo prenosi i ono se zato kumulira: svaka generacija zna vie od prethodne i prenosi to

    iskustvo na svakog pojedinca tijekom njegova individualnog razvoja. Taj prijenos se ostvaruje

    pouavanjem.

    2.1 imbenici razvoja

    Pitanje o naslijeenosti ili steenosti ljudskih osobina vano je ne samo za psihologiju

    ili pedagogiju, nego i za svakodnevni praktini odgoj i obrazovanje. Ako su osobine pojedinca

    potpuno ili najveim dijelom odreene nasljedno, znai da dijete u trenutku roenja nosi u

    sebi gotov nacrt buduih osobina. Nikakva nastojanja okoline nee moi promijeniti takav

    gotov nacrt. S druge pak strane, ako se dijete raa kao ista ploa na kojoj e tek njegovo

    budue iskustvo ostaviti tragove i tako ga oblikovati, samo je okolina odgovorna za ono to e

    se iz djeteta razviti. Iz takvih razmiljanja o odgovornosti ili slobodi od odgovornosti drutva

    za razvoj ovjeka, dolaze dva meusobno oprena stava. Nativizam (lat. nativus = uroen) je

    shvaanje da je cjelokupan psihofiziki razvoj posljedica naslijeenosti. Prema njemu su sve

    budue djetetove osobine ve odreene u trenutku njegova zaea. Hoe li se u djeteta razviti

    odreene osobine ovisi samo o tome jesu li djetetovi preci i roditelji posjedovali te osobine, a

    nita ili malo moe se postii odgojem i obrazovanjem.

  • 11

    Suprotno stanovite je empirizam (gr. empeiria = iskustvo). To je shvaanje da su sve

    osobine koje e dijete stei posljedica njegova iskustva. Prema tome, ono to e odrediti

    djetetove osobine je: priroda djejeg iskustva, kvaliteta okoline u kojoj dijete raste,

    mogunosti za uenje i vrste stimulacije koje okolina prua.

    U suvremenoj znanosti prevladava stanovite, utemeljeno na istraivanju, da u razvoju

    ovjeka vanu ulogu ima istodobni utjecaj i nasljednih i okolinskih imbenika, te da je njihov

    odnos ak interakcijski. Svaki je pojedinac upravo zato toliko jedinstven i neponovljiv jer se

    razvijao pod utjecajem razliitih kombinacija specifinih naslijeenih karakteristika (graa

    organizma, tipina podraljivost i osjetljivost ivanog sustava, elastinost i prilagodljivost

    ivanog tkiva) i uvjeta za razvoj (neposredna drutvena okolina: roditelji, braa i sestre,

    vrnjaci, susjedstvo, uitelji, nastavnici i profesori; ira drutvena zajednica: drutvo u

    najirem smislu, drutveno-ekonomski odnosi, tip drutvenog ureenja). Ono to nasljee

    pridonosi razvoju jesu mogunosti razvoja. To znai da su nasljeem odreene granice do

    kojih se pojedinac moe razviti, a utjecaji okoline odredit e u kojoj e se mjeri potencijalni

    nacrt razvoja ostvariti. Prema tome, pogreno je pitati Koji je imbenik bitan nasljee ili

    okolina?. Da napravimo kruh, treba nam tijesto i visoka temperatura. Besmisleno je pitati je

    li za kruh vanije tijesto ili peenje. Tako su i jedna i druga skupina imbenika nuni uvjeti

    razvoja.

    Osim utjecaja naslijea i okoline, za razvoj sposobnosti i osobina pojedinca, vana je i

    ovjekova aktivnost. U prvim godinama ovjekova ivota, tipina aktivnost je baratanje

    predmetima, u kasnijoj dobi tipina aktivnost je igra, a u kolskoj stjecanje pojmova i

    organizirano uenje.

    2.2 Kognitivni (spoznajni) ili intelektualni razvoj

    Sposobnost spoznavanja vanjskog svijeta, uoavanje veza i odnosa meu stvarima i

    pojavama, te mogunost rjeavanja problema i prilagoavanja na nove i promjenjive situacije,

    postupno se stjee i usavrava od roenja do kraja adolescencije. Taj razvoj obuhvaa

    nastajanje i usavravanje mnogih psihikih funkcija i naziva se jednim imenom kognitivni

    (spoznajni) ili intelektualni razvoj.

    Brojna prouavanja kognitivnog razvoja dala su rezultate koji uglavnom govore o

    tome kada djeca ovladavaju misaonim funkcijama (kao to su npr. stjecanje pojmova,

    definiranje pojmova pomou viega rodnog pojma, tj. pojma klase, mogunost apstrakcije i

    generalizacije, hipotetinost i apstraktnost miljenja itd.). Ovi rezultati pokazuju da postoje

    velike slinosti u razvoju djejeg miljenja u djece razliitih naroda i socijalnih sredina.

    Najpotpuniji prikaz razvoja djejeg miljenja dao je Jean Piaget koji opisuje etiri

    jasno odreene faze i velik broj podfaza u njihovu sklopu. U svakoj je fazi sadran opis onoga

    to djeca odreene dobi mogu ili ne mogu dokuiti miljenjem, tj. kojim misaonim

    operacijama mogu baratati. O osnovnim znaajkama miljenja u etiri glavne Piagetove faze

    vie u iduem poglavlju.

  • 12

    3. Nastava fizike

    U drugoj polovini 19. stoljea fizika se uvodi u kolu kao zaseban predmet. Paralelno s

    nastavom fizike razvija se i disciplina pod nazivom metodika nastave fizike. Njena temeljna

    problematika je istraivanje i pronalaenje uinkovitih naina prirodoznanstvenog

    opismenjivanja ukupne populacije, a posebno uenika, te istraivanje meudjelovanja

    prirodnih znanosti, tehnologije i drutva.

    Tradicionalno se fizika pouavala kao mnotvo manje ili vie meusobno povezanih

    injenica i informacija. Meutim, pedesetih i ezdesetih godina 20. stoljea postalo je jasno

    da, ak ako i pretpostavimo da dio uenika stekne izvjesno deklarativno znanje, to nije

    dovoljno. Ubrzo je postalo jasno da je takav tradicionalni nain pouavanja daleko od

    optimalnog, pa dolazi do velikog zaokreta u metodici nastave fizike. Javlja se ideja o nunosti

    interakcije u uenju i pouavanju, a prvi korak u tom smjeru je nainio vicarski psiholog

    Jean Piaget u svojoj teoriji kognitivnog razvoja. Slijedei je korak bila spoznaja da veliku

    ulogu u uenju imaju uenike intuitivne ideje ili pretkoncepcije. Trei korak je pojava

    edukacijskog konstruktivizma, koji povezuje i usustavljuje Piagetove ideje i problematiku

    pretkoncepcija te ih povezuje s postignuima filozofije prirodnih znanosti.

    3.1 Utjecaj Jeana Piageta

    Poetak velikih promjena u pristupu problematici nastave fizike sredinom 20. stoljea

    izravno je povezan s utjecajem ideja Piagetove teorije kognitivnog razvoja djeteta. Piaget je

    za svoja istraivanja o razvoju miljenja djece rabio pitanja i testove s fizikalnom

    problematikom, i zato su njegove ideje jako utjecale na metodiare fizike. Piaget je i

    utemeljitelj modernog edukacijskog konstruktivizma i time je njegov utjecaj na suvremenu

    metodiku fizike jo i vei.

    Jedan je od najvanijih Piagetovih zakljuaka da je za kognitivni rast pojedinca bitno

    njegovo aktivno mentalno sudjelovanje u razrjeavanju predoenih problemskih situacija.

    Kognitivna struktura moe se razvijati samo na temelju ve postojee, a to se postie daljnjom

    dogradnjom znanja ili restrukturiranjem postojee mentalne strukture. U tom razvoju jednu od

    temeljnih uloga ima drutvena transmisija (kasniji termin: interakcija). Razlog tomu je to se

    pokazalo da dijete operira iz izrazito egocentrinog referentnog sustava. Egocentrizam u

    djejem miljenju tumai se prvotnom djetetovom nesposobnou da razlikuje sebe od okline.

    Egocentrizam djeteta oituje se kao priroda njegovih misli koje ponajprije imaju zadau

    opisivanja ili usmjeravanja vlastite aktivnosti. Egocentrizam se oituje i kao nesposobnost

    zauzimanja tueg stajalita, tueg motrita u percepciji. Na primjer, ako se predkolskog

    djeaka upita ima li njegov brat brata, odgovor e biti ne, jer se djeak ne moe uivjeti u

    poloaj svog brata, kako bi opazio svoj odnos prema njemu. Kako bi se taj djeji egocentrini

    svijet prodrmao dijete mora iskusiti i stajalita drugih. Ako ne komunicira i ne interagira s

    okolinom, ono nee mijenjati mentalne strukture koje su nastale iz njegovog egocentrinog

    sustava, a koje mogu biti neadekvatne i voditi pogrenom nainu miljenja. Primjenom tog

    naela na nastavni proces, proizlazi da u razredu treba ostvariti naglaenu interakciju. Mora se

    ostvariti, uz interakciju izmeu nastavnika i uenika, i interakcija u sklopu cijelog razreda.

    Preporuuje se da interakcija ima oblik koordinirane otvorene rasprave u kojoj dolazi do

    razmjene informacija i ideja, do sukoba miljenja, argumentiranih debata, te do proiavanja

    i jasnijeg uobliavanja ideja.

  • 13

    Najpoznatiji Piagetov rezultat je njegova teorija kognitivnog razvoja djeteta, poevi

    od roenja do adolescencije. Ukupni kognitivni razvoj Piaget je podijelio na 4 faze. Svaka

    faza je okarakterizirana mogunostima miljenja djece, ali i ogranienjima u miljenju.

    Pretpostavka je da se razvoj u svih osoba zbiva po odreenom redoslijedu, od manje efikasnih

    do efikasnijih naina razmiljanja. Faze su redom od roenja djeteta:

    1. Psihomotorna faza (0 2. godine). U tom se razdoblju najprije razvijaju refleksi i osnovne navike. Postupno se razvija i postie svijest o permanentnom postojanju

    materijalnih objekata; postie doivljaj stalnosti predmeta: shvaa da predmeti

    postoje iako nisu dostupni njegovim osjetilima. Ovaj stadij nije posebno znaajan

    za nastavnike fizike.

    2. Predoperacijska faza (2. 7. godine). U ovom se razdoblju dalje razvija jezik (predstavljanje predmeta pomou slika i rijei), razliita iskustva pokuavaju se

    spojiti u cjelinu. Stvara se osobni svijet, uz jako naglaeno egocentrino miljenje,

    teko mu je preuzeti tue motrite. Razvija se intuitivna misao i transduktivno

    miljenje prelazi se od jednoga pojedinanog svojstva na drugo, a da se ne

    prelazi preko opeg. Potkraj faze dijete moe klasificirati predmete, i to samo

    prema jednom obiljeju: npr. po boji bez obzira na oblik, ili obrnuto. Dijete nema

    sposobnost ureivanja i preureivanja podataka iz konkretnog iskustva ili dobivene

    u eksperimentu. Nije razvijena sposobnost kauzalnog miljenja. Dijete ne uoava

    vremenski slijed uzroka i posljedice.

    3. Faza konkretnih operacija (7. 11. godine). Dijete se u ovom razdoblju ivota razvija iz predoperacijskog stadija prema razini u kojoj je u stanju izvoditi misaone

    operacije. Veina djece s navrenih 11 godina dosee razinu konkretnih misaonih

    operacija. Postoji mogunost logikog zakljuivanja o stvarima i dogaajima.

    Osoba na ovoj razini razvitka u stanju je intuitivno primjenjivati jednostavne

    zakone ouvanja i misliti kauzalno, ali samo ako se te mentalne operacije odnose

    na sasvim konkretne objekte. Dijete moe klasificirati predmete prema nekoliko

    obiljeja istodobno, a moe ih poredati u niz prema jednom obiljeju, npr. prema

    veliini.

    4. Faza formalnih (apstraktnih) operacija (od 11. godine nadalje). Osoba koja dostigne ovaj stadij kognitivnog razvoja nema svih onih ogranienja koja

    karakteriziraju konkretnog mislioca. Formalni mislilac je u stanju razmiljati

    apstraktno i rabiti u razmiljanju propozicijsku logiku. Moe logino razmiljati o

    apstraktnim tvrdnjama i sustavno provjeravati pretpostavke. Zanima ga

    pretpostavljeno i budua dogaanja.

    Za nastavu fizike, koja kod nas zapoinje u 7. razredu osnovne kole, kada se djeca

    nalaze u dobi od 13 godina, najvanije su karakteristike posljednjih dviju faza miljenja.

    Uenici koji se u koli prvi put susreu s fizikom, nalaze se u prijelaznoj fazi razvoja od

    konkretnog prema formalnom nainu miljenja. To je vrlo vano za strukturiranje i izvoenje

    nastave. Zato bi nastavni sadraji trebali biti predoeni na razini koja je primjerena danoj

    dobi, odnosno nastavne sadraje treba strukturirati i razraditi tako da oni u procesu uenja

    povoljno djeluju na razvoj kognitivnih struktura uenika.

  • 14

    3.2 Uenike intuitivne ideje ili pretkoncepcije - uoavanje

    njihovih uloga

    Svjesno iskustvo se ureuje kognitivnim modelima, tzv. konceptima. Stalno rastue

    iskustvo ureuje se u konceptualnu organizaciju tog iskustva. Sposobnost simboliziranja

    omoguuje apstraktnu konceptualizaciju.

    Koncepti su paketi znaenja, obuhvaaju slinosti i razlike, uzorke, ili veze meu

    objektima, dogaajima i drugim konceptima. Svaki je koncept presjecite mnotva relacija.

    Koncepti ne mogu biti ni istiniti ni lani, nego samo konkretni ili apstraktni, sretno ili manje

    sretno odabrani, korisni ili manje korisni. Zbog kompleksnosti koncepata njihovo je usvajanje

    dug proces koji nema zavretka. Koncepti se nikada ne razviju do konanog, zavrnog oblika,

    niti u svijesti osobe niti u korpusu znanja znanosti. U fizici su mnogi primjeri za to: masa,

    elektron, elementarni elektrini naboj, itd., pa ak i neki elementarni koncepti kao to je teina

    danas nemaju konsenzualnu definiciju.

    U 1970-im godinama uoeno je da uenici prije uenja odreenog znanstvenog

    koncepta nisu tabula rasa glede tog koncepta, ve o njemu imaju odreene ideje koje su stekli

    na temelju ivotnog iskustva i pojednostavljenog zakljuivanja. Uoeno je da i u uenju fizike

    veliku ulogu imaju takve uenike intuitivne ideje ili pretkoncepcije, te da se njima mogu

    tumaiti znatne potekoe koje uenici imaju u konceptualnom razumijevanju fizike. Te

    pretkoncepcije su spontano formirani koncepti koji se najee ne podudaraju sa znanstvenim

    koncepcijama pa ine ozbiljnu prepreku u ispravnom konceptualnom usvajanju znanstvenog

    znanja u koli. Od osamdesetih godina 20. stoljea pa sve do danas, nastao je veliki broj

    istraivanja uenikih predkoncepcija u razliitim podrujima fizike. Jedno takvo istraivanje,

    u podruju nuklearne fizike i fizike estica, provedeno je meu studentima PMF-a, a rezultati

    istraivanja predstavljeni su u iduim poglavljima ovog diplomskog rada.

    Uenike koncepcije razvijaju se i mijenjaju tijekom vremena, ali su vrlo tvrdokorne i

    vrlo ih je teko promijeniti. Meutim, iako rijee, pretkoncepcije mogu biti most prema

    usvajanju znanstvenih koncepata. Kako bi se to postiglo, a eliminirao njihov tetan utjecaj,

    nastavni proces mora biti naglaeno interaktivan. U nastavnom procesu, prilikom interaktivne

    obrade sadraja, prvi korak je identifikacija uenikih pretkoncepcija, odnosno njihovo

    prepoznavanje. Drugi korak je poticanje procesa konceptualne promjene u kojem uenik

    odustaje od svoje pretkoncepcije i zamjenjuje ju znanstveno ispravnom koncepcijom. Taj

    proces potie nastavnik pogodno odabranim situacijama, pitanjima i argumentima, ali bitan i

    aktivan sudionik tog procesa je sam uenik. U naglaeno interaktivnom ozraju uenik

    odustaje od svoje pretkoncepcije tek kad mu se u raspravi predoe njemu uvjerljivi argumenti.

    Proces konceptualne promjene organizira i vodi nastavnik, ali je uenik taj koji tijekom

    interakcije odluuje hoe li napustiti i rekonstruirati svoju pretkoncepciju. Rezultat ovisi o

    uvjerljivosti argumenata i nije dovoljno da nastavnik ukae ueniku na njegove

    pretkoncepcije, te da mu naprosto kae kojim ih znanstveno ispravnim koncepcijama mora

    nadomjestiti. Sam autoritet nastavnika i znanosti nije dovoljan da uenik odustane od svojih

    pretkoncepcija nego su potrebni uvjerljivi argumenti. Uenik odbacuje svoju koncepciju tek

    kad se ona pokae nezadovoljavajuom, odnosno tek kad uvidi da je postala nefunkcionalna.

    Takoer, da bi odbacio svoju intuitivnu ideju, nova ideja mora biti razumljiva i otpoetka

    djelovati uvjerljivo, te mora djelovati plodonosnije od stare. Konaan cilj konceptualne

    promjene je integracija uenikog privatnog i kolskog znanja u integralno ueniko znanje

    koje je u skladu sa znanstvenim znanjem.

  • 15

    3.3 Konstruktivistiki pristup nastavi fizike

    Konstruktivizam je kao filozofski pokret u modernom obliku nastao u drugoj polovici

    20. stoljea, a danas je prevladavajui pokret u filozofiji znanosti. Edukacijski konstruktivizam

    je inaica konstruktivizma usredotoena na proces uenja i pouavanja. Edukacijski

    konstruktivizam danas pokuava povezati Piagetove ideje, utjecaj uenikih pretkoncepcija i

    teoriju konceptualne promjene u jednu koherentnu sliku o problematici uenja. Temeljne

    karakteristike edukacijskog konstruktivizma su da znanje nije mogue prenijeti pasivnom

    primatelju i da je znanje rezultat osobne konstruktivne aktivnosti.

    Sve postojee znanje rezultat je ljudske konstrukcije. U procesu stvaranja znanja bitnu

    ulogu ima konstruktivna aktivnost svijesti u stvaranju i interpretaciji iskustva. Ulazni se

    podaci procesiraju i transformiraju putem slijeda kognitivnih struktura, a konani rezultat tog

    procesiranja informacija i iskustva jest znanje. Znanje i ideje nije mogue pretoiti u uenike

    glave izravnim prenoenjem, nego uenici moraju za sebe konstruirati njihovo znaenje.

    Jo jedna bitna karakteristika edukacijskog konstruktivizma je da nastavnik

    konstruktivist ne smatra da je ono to on pouava konana i apsolutna istina. U prirodnim

    znanostima moe se rei jedino da je to najbolji nain razmatranja dane situacije. Openito,

    postignua znanosti ne znae istinu o objektivnom svijetu, i nisu apsolutna; ona su privremena

    i pogreiva, ali daju najbolji prikaz prirodnih pojava i situacija u odreenom vremenu.

    Na temelju konstruktivistikih ideja u razredu se ostvaruje atmosfera koja maksimizira

    uenje uenika. Pri izvoenju nastave fizike, ozraje u uionici treba biti takvo da uenicima

    omoguuje konstruktivistiki nain uenja, tj. konstruktivno razmiljanje, osobno

    konstruiranje i rekonstruiranje ideja u koordiniranoj raspravi u kojoj se razmjenjuju miljenja

    i postie nekakav oblik konsenzusa. Najbolji nain da se to ostvari je da se novi sadraji daju

    u obliku zanimljivih i primjerenih problemskih situacija u ijem razrjeavanju aktivno

    sudjeluju svi uenici. Bitno je da nastavni proces bude izrazito interaktivan. Izlaganja

    nastavnika ne smiju biti dugaka, nego on treba aktivno sudjelovati u raspravi. Uloga

    nastavnika je da priprema odgovarajue problemske situacije i da koordinira raspravom.

    Nastavnik mora voditi rauna o onome to uenik zna, maksimizirati interakciju meu

    uenicima tako da oni mogu raspravljati, te pokusima omoguiti mnotvo iskustava na kojima

    se gradi njihovo uenje.

    Nove koncepte ne treba uvoditi formalnim definicijama, bilo verbalno ili u obliku

    matematike formule, nego ih treba uvoditi operacijski, tj. kroz problemsku situaciju u kojoj

    uenici tijekom rasprave uviaju da je u svrhu boljeg opisivanja pojave poeljno uvesti novi

    koncept. Bitno je imati na umu da uenici nisu tabula rasa, nego ve imaju neko raspoloivo

    znanje koje je jedini temelj na koji mogu nadograivati novo znanje. Iz tog razloga, bitna

    uloga nastavnika je da stekne uvid o tome kojim konceptima uenici raspolau. To

    identificiranje uenikih pretkoncepcija od kljune je vanosti za uspjeno provoenje

    procesa konceptualne promjene.

  • 16

    4. Konceptualni test iz nuklearne fizike i fizike estica

    4.1 Konstruiranje konceptualnog testa

    Istraivanjem konceptualnog razumijevanja nuklearne fizike i fizike estica, te pojmova pomou kojih se interpretiraju pojave i izraavaju zakonitosti u tim podrujima

    fizike, dobiva se uvid o nainu razmiljanja ispitanika. Takvim istraivanjem se dolazi do

    njihovih ideja vezanih uz ta podruja i openito do ideja koje ispitanici smatraju prikladnim

    za opis pojava koje primjeuju, te se dobiva uvid o iskustvu koje oni posjeduju i primjenjuju.

    Proces konstrukcije konceptualnog testa temelji se na istraivanju podruja ije se

    razumijevanje eli ispitati. Kako bi se u potpunosti ispitalo razumijevanje nekog podruja

    fizike potrebno je provesti opseno istraivanje. To nije lagan ni brz posao, jer je nuno

    osmisliti dobra pitanja i istovremeno obuhvatiti sve fundamentalne pojmove.

    Nakon osmiljavanja 37 pitanja s potpitanjima (ukupno 60-ak pitanja), idui korak je

    bio razgovor s ispitanicima. Ta ciljana pitanja su bila kostur razgovora, ali sam tok razgovora

    nije bio striktno odreen i mogao se razlikovati od ispitanika do ispitanika. Na neka od pitanja

    bili su ponueni i neki odgovori izmeu kojih su se ispitanici mogli odluiti za onaj koji

    smatraju da je toan ili najblii tonom. Najee je osim odgovora bilo potrebno iznijeti i

    svoja razmiljanja odnosno argumente za odabrani odgovor. Svi razgovori su voeni u

    oputenoj atmosferi, izrazito interaktivno, te je zato bilo mogue detaljno ispitati prirodu

    pojedinih potekoa u istraivanom podruju. Razgovori su u prosjeku trajali 40-ak minuta,

    snimani su i naknadno presluavani te su se zapisivali najei odgovori.

    Na osnovu presluanih razgovora i dobivenih informacija, te najzastupljenijih

    pogrenih odgovora, konstruiran je konceptualni test iz nuklearne fizike i fizike estica. Test

    sadri 28 pitanja koja pokrivaju podruja jezgara, radioaktivnosti i estica. Pitanja su tipa

    viestrukog izbora s 5 ponuenih odgovora od kojih je 1 odgovor toan ili najblii tonom.

    Ponueni pogreni odgovori (distraktori) predstavljaju najzastupljenije predkoncepcije, a do

    njih se dolo na temelju presluanih razgovora. Sva pitanja su konceptualnog karaktera,

    ispituju razumijevanje odreenih pojmova i koncepata, te ne zahtijevaju nikakav oblik

    raunanja.

    4.2 Primjena konceptualnog testa

    Primjena pismenog testa, s pitanjima viestrukog izbora, korisna je u odreivanju

    uestalosti pogrenih ideja i miskoncepcija kod grupe ispitanika na kojoj se test primjenjuje, a

    takoer moe biti indikativna i za iru populaciju.

    Konceptualni test iz nuklearne fizike i fizike estica proveden je na studentima

    prirodoslovno-matematikog fakulteta. Vrijeme pisanja testa je bilo ogranieno na 45 minuta.

    Rjeavanju testa je pristupilo 26 studenata fizike: 17 studenata profesorskog smjera i 9

    studenata istraivakog smjera. Svi oni posjeduju viegodinje iskustvo uenja fizike, to u

    srednjoj koli, to na prvim godinama fakulteta.

  • 17

    Jo treba napomenuti da bi za vjerodostojnije rezultate bilo bolje da je broj ispitanika

    vei, meutim i zakljuci dobiveni istraivanjem na ovom manjem uzorku mogu biti

    indikativni.

    Testovi su ispravljani runo, a rezultati obraeni kombinirano runo i Excelom.

    Analizom rezultata eli se dobiti uvid u ope stanje uspjeha na testu i postotak rjeivosti

    pojedinih pitanja, ukupno i po smjerovima.

    4.3 Pregled dobivenih rezultata testiranja

    Analizirajui odgovore studenata profesorskog i istraivakog smjera, koji su bili

    testirani ovim konceptualnim testom, pokuat emo vidjeti koje su najee miskoncepcije, te

    koja podruja nuklearne fizike i fizike estica su najloije svladana i predstavljaju najvei

    problem.

    Na grafikonu 1 poredani su zadaci od prvog do posljednjeg te je svakom zadatku

    pridruen postotak rjeivosti. Moemo vidjeti kako 2 najuspjenije rijeena zadatka imaju

    85% tonih odgovora, dok je najloiji uspjeh ostvaren u rasponu od 8% do 23% tonih

    odgovora. Vrlo lo uspjeh ostvaren na pripadajuim zadacima sugerira na problematiku koju

    predstavljaju studentima i zato emo te zadatke detaljnije analizirati te vidjeti zato su ba oni

    studentima predstavljali najvei problem.

    Grafikon 1. Prikaz postotka tonih odgovora

    Vidljivo je kako se postotak rjeivosti razlikuje od zadatka do zadatka pa ih se, radi

    bolje preglednosti i lake analize, moe poredati po uspjenosti rjeavanja, te grafikonom 2

    prikazati njihov poredak po teini.

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    90

    100

    1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

    % t

    on

    ih o

    dgo

    vora

    redni broj zadatka

    POSTOTAK TONIH ODGOVORA PO ZADACIMA

  • 18

    Grafikon 2. Prikaz teine zadataka

    Moemo vidjeti kako je najmanje tonih odgovora, samo 8%, ostvareno na 23.

    zadatku, te 12% tonih odgovora na 7. zadatku. Slijedi zadatak 2 (15%), zadatak 14 (19%) i

    zadatak 5 sa 23% tonih odgovora. Te emo zadatke detaljnije analizirati, uz napomenu kako

    su podebljano oznaeni odgovori toni odgovori.

    23. Da li zakon ouvanja mase vrijedi i u mikrosvijetu i u makrosvijetu?

    a) Vrijedu samo u mikrosvijetu.

    b) Vrijedi samo u makrosvijetu.

    c) Vrijede i u mikrosvijetu i u makrosvijetu.

    d) Ne vrijedi ni u mikrosvijetu ni u makrosvijetu.

    e) Masa nije stvarna veliina, pa se ne moe definirati takav zakon.

    Ovaj zadatak se pokazao kao najtei ne samo zbog malog broja tonih odgovora, samo

    8%, nego i po tome to ak 23% studenata uope nije ponudilo nikakav odgovor. Veina

    studenata koji su odgovorili je odabrala odgovor b) i to ak 55%, vjerojatno iz razloga to je u

    makrosvijetu neouvanje tee primjetivo jer su u igri velike mase te su njihove promjene u

    reakcijama zanemarive. Takoer, 30% studenata je odabralo odgovor c) smatrajui kako

    zakon ouvanja mase uvijek vrijedi, to je moda posljedica znanja steenih u nastavi kemije

    gdje se ui da se ukupna masa svih tvari koje sudjeluju u kemijskoj reakciji ne mijenja

    tijekom kemijske reakcije. Meutim, zapravo se radi o ouvanju energije, a energija i masa su

    povezane. Jednostavno, ako na poetku imamo 1000 atoma, nakon mnogo reakcija opet emo

    imati 1000 atoma, a masa e ostati ista ako uraunamo energiju koja se pritom izgubila i

    stekla.

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    90

    100

    23 7 2 14 5 17 8 11 12 26 1 15 18 20 16 21 28 6 13 24 27 4 3 9 10 25 19 22

    % t

    on

    ih o

    dgo

    vora

    redni broj zadatka

    ZADACI POREDANI PO TEINI

  • 19

    7. Zaokruite tonu tvrdnju vezanu uz gustou atoma.

    a) Gustoa atoma je reda veliine svakodnevnih gustoa.

    b) Gustoa atoma je otprilike 1 red veliine vea od reda veliine svakodnevnih

    gustoa.

    c) Gustoa atoma je 1 red veliine manja od reda veliine svakodnevnih gustoa.

    d) Gustoa atoma je 3 reda veliine manja od reda veliine svakodnevnih gustoa.

    e) Gustoa atoma je 5 redova veliine manja od reda veliine svakodnevnih gustoa.

    Na ovom zadatku takoer dosta studenata (12%) nije ponudilo nikakav odgovor. Od

    studenata koji su odgovorili, njih 35% je odabralo odgovor e), a 26% je odabralo odgovor d).

    Dakle, oko 60% studenata smatra kako je gustoa atoma nekoliko redova veliine manja od

    reda veliine svakodnevnih gustoa. Prema dobivenim odgovorima vidljivo je kako je

    zanemarena injenica da je atom osnovna gradivna jedinica svakog tijela, odnosno da se sve

    sastoji od razliitih atoma od metala preko ivih bia do vode i zraka. Takoer, otprilike

    petina studenata smatra kako je gustoa atoma neto vea od reda veliine svakodnevnih

    gustoa, to je zaista iznenaujue velik postotak i bilo bi zanimljivo uti njihovo

    obrazloenje.

    2. Da li su svi atomi jednako gusti?

    a) Gustoa atoma s veim rednim brojem je manja zbog veih sila odbijanja protona.

    b) Svi su atomi jednako gusti jer su veinom prazan prostor.

    c) Atomi s veim rednim brojem su gui jer masa atoma raste linearno s

    rednim brojem, a volumen pada.

    d) Ne, jer gustoa atoma raste s ukupnim brojem nukleona sadranih u atomskoj

    jezgri.

    e) Niti jedan odgovor nije toan.

    Najvie studenata (33%) je odabralo odgovor b). Razlog tomu moda treba traiti u

    skali na kojoj su studenti gledali. Drugi razlog bi mogao biti u povlaenju paralele s 1.

    zadatkom, gdje je otprilike polovica studenata tono odgovorila da su sve jezgre (gotovo)

    jednako guste, pa su i ovdje primjenjivali slian recept. Svi ostali odgovori su bili potpuno

    jednako zastupljeni to moe ukazivati na pogaanje rjeenja.

    14. Radioaktivni element ima vrijeme poluraspada 10 minuta. U tom vremenskom intervalu

    se neke od jezgara elementa ne raspadnu. Kolika je vjerojatnost da se u iduih 10 minuta

    raspadnu i te jezgre?

    a) Manja od 50%.

    b) Vea od 50%.

    c) Tono 50%.

    d) Treba nacrtati graf eksponencijalne funkcije i oitati.

    e) Ne moe se odrediti.

  • 20

    Samo je 19% studenata tono odgovorilo da se vjerojatnost raspada jezgara ne mijenja.

    Gotovo polovica (46%) studenata smatra kako je vjerojatnost, nakon to proe jedno vrijeme

    poluraspada, zasigurno manja od 50%. Bilo bi zanimljivo uti miljenja za koliko misle da je

    manja, ali vjerojatno smatraju da to slijedi eksponencijalni zakon. Zanimljivo je da 15%

    studenata misli da se to ne moe odrediti, a 12% studenata (ni jedan od njih nije s

    istraivakog smjera) smatra da se vjerojatnost poveava, valjda smatrajui da se jezgra

    zasigurno mora raspasti u iduem vremenskom intervalu jednakom vremenu poluraspada.

    Kako god bilo, oito je da veina studenata nije usvojila da radioaktivnost ne ovisi o starosti

    jezgre, odnosno da starije jezgre umiru jednakom brzinom kao i mlae, tj. jednaka je

    vjerojatnost da se raspadne vrlo mlada jezgra, koja je roena primjerice prije samo 1 dan, kao

    i vrlo stara, primjerice roena prije milijun godina.

    5. Da li se sastavnice jezgre raspadaju bez pobude?

    a) I proton i neutron se raspadaju nakon dovoljno vremena, bez obzira da li su u

    jezgri ili ne.

    b) Proton se raspada kad je u vezanom stanju, a neutron kad je slobodan.

    c) Neutron se raspada kad je u vezanom stanju, a proton kad je slobodan.

    d) Ni proton ni neutron se ne raspadaju u vezanom stanju.

    e) Ni proton ni neutron se ne raspadaju u slobodnom stanju.

    Ovo je jedan od zadataka kod kojeg se znaajno razlikuju odgovori studenata

    profesorskog i odgovori studenata istraivakog smjera:

    Grafikon 3. Uspjenost profesora zd. 5 Grafikon 4. Uspjenost istraivaa zd. 5

    Kod studenata profesorskog smjera najzastupljeniji je odgovor a) s 38%, zatim toan

    odgovor d) s 30%, te odgovori b) i e) s 13%. Uoljivo je kako 57% studenata istraivakog

    smjera (koji su odgovorili a), b) ili c)), pogreno smatraju da se proton raspada, dok 13%

    studenata smatra, takoer pogreno, da se neutron ne raspada u slobodnom stanju.

    Kod studenata istraivakog smjera zastupljena su samo 2 odgovora. Samo 12% ih je

    tono odgovorilo, dok ih ak 88% smatra da se proton raspada kad je u vezanom stanju, oito

    neznajui da ne postoji laki barion u koji bi se mogao raspasti.

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    a) b) c) d) e)

    38%

    13%6%

    30%

    13%

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    a) b) c) d) e)

    0%

    88%

    0%

    12%

    0%

  • 21

    Najuspjenije rijeeni zadaci su 19. i 22. zadatak s 85% tonih odgovora, te 3., 9., 10. i

    25. zadatak sa 74% tonih odgovora. Analizirati emo detaljnije i te zadatke.

    19. Zato se prilikom raspada jezgre produkti raziu sa velikom kinetikom energijom?

    a) Jer ukupna energija prilikom raspada nije ouvana.

    b) Jer masa pojedinih nukleona nije ouvana.

    c) Ta energija je dola od energije vezanja.

    d) Ta energija je dola od energije mirovanja.

    e) Ne raziu se s velikom kinetikom energijom ako sama jezgra prije raspada miruje

    Uz odlian postotak tonih odgovora (85%), jedini zastupljeni pogrean odgovor je bio

    d), to pokazuje da studenti primjenjuju zakon ouvanja energije i jasno im je odakle

    produktima kinetika energija, odnosno jasan im je sam pojam energije vezanja.

    22. Ako bi postojao dio Svemira koji se sastoji od antiestica, kako bi tamo izgledao vodikov

    atom i kako bi se ponaao?

    a) Izgledao bi jednako kao i vodikov atom i imao bi ista svojstva.

    b) Izgledao bi jednako kao i vodikov atom, ali ne bi imao ista svojstva.

    c) Sastojao bi se od antiprotona i pozitrona, i imao bi ista svojstva.

    d) Sastojao bi se od antiprotona i pozitrona, i ne bi imao ista svojstva.

    e) Nemogue je sastaviti takav anti-atom.

    Studenti su s 85% tonih odgovora pokazali da im je jasan koncept materije i

    antimaterije.

    3. Zato nuklearne mase nisu jednostavni viekratnici mase nukleona?

    a) Zbog energije vezanja jezgre.

    b) Zbog uraunate mase elektrona.

    c) Zato to su proton i neutron bitno razliitih masa.

    d) Zato to mase protona i neutrona nisu cjelobrojne vrijednosti.

    e) Zato to se jezgre vrte, tj. imaju spin.

    Studenti su jo jednom pokazali kako dobro (73% tonih odgovora) vladaju pojmom

    energija vezanja. To se posebno odnosi na studente istraivakog smjera koji su svi odabrali

    toan odgovor. Studenti profesorskog smjera su odabirali toan odgovor u 59% sluajeva, a u

    24% sluajeva odabiran je odgovor c), jer su smatrali da to ima veze s s tim to su proton i

    neutron bitno razliitih masa.

  • 22

    9. Da li je mogue da elektron vezan uz jezgru s puno naboja u nju ue?

    a) Nije mogue. Elektron ima samo dozvoljena stanja van jezgre.

    b) Nije mogue zbog jakih nuklearnih sila koje odbijaju elektron.

    c) Nije mogue. Elektron se moe nalaziti samo oko jezgre, kako god blizu ili daleko.

    d) Mogue je. Elektron se moe nai u jezgri iako je vjerojatnost za to mala.

    e) Mogue je zbog jakih nuklearnih sila koje privlae elektron.

    Na ovom pitanju su studenti istraivakog smjera ponovno ostvarili stopostotan

    uinak, dok su studenti profesorskog smjera odabirali toan odgovor ponovno u 59%

    sluajeva.

    Grafikon 5. Uspjenost profesora zd. 9

    Odabirui odgovore a) i c), vidimo da ak 35% studenata profesorskog smjera

    pogreno smatra da se elektron ne moe nai u jezgri, dok studenti istraivakog smjera znaju

    da je elektron opisan s oblakom vjerojatnosti koji se protee od centra djelovanja sile, koji se

    nalazi u jezgri, pa do beskonanosti. Stoga, najvea vjerojatnost jest da se elektron nalazi na

    udaljenosti polumjera atoma, ali ipak postoji mala vjerojatnost da se on nae u jezgri.

    10. Kako to da su jezgre stabilne ako se protoni elektrostatski odbijaju?

    a) Elektrostatska Coulombova sila ne djeluje umutar jezgre.

    b) Elektrostatska sila je uravnoteena nuklearnom silom privlaenja.

    c) Jezgra sadri jednak broj elektrona i protona pa se njihovo meudjelovanje

    neutralizira.

    d) Neutroni u jezgri sprjeavaju izravno meudjelovanje protona jednih na druge.

    e) Mogue je ako se neutroni postave tono izmeu protona kako bi neutralizirali

    njihovu silu odbijanja.

    73% studenata zna da nuklearna sila privlaenja uravnoteuje elektrostatsku silu

    odbijanja meu protonima, tako da je ukupna sila na svaki nukleon u jezgri jednaka nula. 23%

    studenata smatra da sami neutroni u jezgri igraju znaajnu ulogu (odgovor d)). Istina, neutroni

    imaju znaajnu ulogu, ali ne sprjeavaju meudjelovanje protona, nego je s neutronima lake

    uravnoteiti jezgru. Dodavanjem neutrona u jezgru dodaje se nuklearna komponenta sile, dok

    se dodavanjem protona dodaje komponenta i nuklearne i elektrostatske sile.

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    a) b) c) d) e)

    17,65%

    0%

    17,65%

    58,82%

    5,88%

  • 23

    25. Koja od fundamentalnih sila je zasluna za trenje?

    a) Gravitacijska.

    b) Elektromagnetska.

    c) Jaka.

    d) Slaba.

    e) Niti jedna, jer je trenje nekonzervativna sila.

    Ovo je bilo jo jedno pitanje u kojem su studenti istraivakog smjera pokazali bolje

    znanje od studenata profesorskog smjera.

    Grafikon 6. Uspjenost profesora zd. 25 Grafikon 7. Uspjenost istraivaa zd. 25

    Studenati profesorskog smjera su u 24% sluajeva zaokruivali a) kao toan odgovor,

    smatrajui kako trenje spada u gravitacijsku silu, iako sve kontaktne sile spadaju u

    elektromagnetski spektar sila.

    Neka od zanimljivijih pitanja:

    1. Da li su sve jezgre jednako guste?

    a) Gustoa veih jezgri je manja zbog veih sila odbijanja protona.

    b) Sve su jezgre jednako guste zbog kratkog dosega sile koja ih dri na okupu.

    c) Vee jezgre su gue zbog veeg broja estica na relativno istom prostoru.

    d) Ne, jer gustoa jezgre raste s omjerom broja protona i neutrona u jezgri.

    e) Ne, jer gustoa jezgre pada s omjerom broja protona i neutrona u jezgri.

    Slino pitanje se nalazilo u konceptualnom istraivanju koje ju 2010.g. provedeno

    meu studentima nuklearne fizike u St. Andrewsu i Edinburghu.

    to se tie naeg istraivanja, ovo je jedno od rijetkih pitanja na kojem su studenti

    profesorskog smjera ostvarili znaajno bolji uspjeh od studenata istraivakog smjera:

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    a) b) c) d) e) nita

    24%

    65%

    6%0% 0%

    6%

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    a) b) c) d) e)

    0%

    89%

    0% 0%11%

  • 24

    Grafikon 8. Uspjenost studenata oba smjera zd. 1

    Studenti profesorskog smjera su odgovarali na ovo pitanje s 53% uspjenosti, dok su

    studenti istraivakog smjera ostvarili uspjeh od 33%. Ukupno gledajui, ak 54% studenata

    smatra da nisu sve jezgre jednako guste. Studenti istraivakog smjera su se najee

    odluivali za odgovor a) oslanjajui se na to da vea jezgra ima vie protona, te da je zbog

    toga vea sila odbijanja protona, a samim time i manja gustoa takvih jezgri. Studenti oito

    nisu imali na umu da osim odbojne elektrostatske sile djeluje i privlana sila kratkog dosega.

    to se tie kotskog istraivanja, znatan udio studenata (preko 50%) je tvrdio da

    gustoa raste s nukleonskim brojem. Glavni razlog koji su studenti navodili je da vie

    nukleona znai tjesnije stanje, odnosno poveanje masenog broja znai da je jezgra sve

    gua i gua.

    11. Da li radioaktivni izotop moe emitirati samo jedan neutron?

    a) Ne moe, jer neutron nije ni , ni , ni zraenje.

    b) Ne moe, jer se time naruavaju neki zakoni ouvanja.

    c) Ne moe, jer to nikad nije energetski povoljan proces.

    d) Moe, iako se to rijetko deava u odnosu na ostale tipove raspada.

    e) Moe, i to se deava ee od ostalih tipova raspada.

    Znaajna je razlika u odgovorima studenata razliitih smjerova:

    Grafikon 9. Uspjenost studenata oba smjera zd. 11

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    a) b) c) d) e) nita

    11,76%

    52,94%

    11,76%

    23,53%

    44,4%

    33,3%

    11,1%11,1%

    profesori

    istraivai

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    a) b) c) d) e) nita

    18%

    35%

    18%23%

    6%

    22%

    67%

    11%

    profesori

    istraivai

  • 25

    Tono je odgovorilo 67% studenata istraivakog smjera, a samo 23% studenata

    profesorskog smjera. Najzastupljeniji pogrean odgovor (ujedno i openito najzastupljeniji

    odgovor kod studenata profesorskog smjera) je odgovor b). Bilo bi zanimljivo uti za koje

    zakone ouvanja smatraju da nisu ouvani.

    12. Da li na radioaktivnost nekog elementa utjee malo povienje njegove temperature?

    a) Ne, ni u kakvoj mjeri.

    b) Da, zato to sigurno na apsolutnoj nuli nema radioaktivnosti.

    c) Da, izotopi vie temperature puno jae zrae.

    d) Da, izotopi vie temperature puno slabije zrae.

    e) Da, temperatura utjee na radioaktivnost, ali iznimno malo.

    42% studenata ispravno smatra da temperatura, iako iznimno malo, utjee na

    radioaktivnost. Priblino isti postotak studenata (38%) smatra da povienje temperature

    elementa ni u kakvoj mjeri ne utjee na radioaktivnost.

    Grafikon 10. Uspjenost studenata zd. 12

    Ne treba zanemariti ni da se za odgovor c) odluilo 15% studenata, od ega niti jedan s

    istraivakog smjera, to znai da gotovo svaki etvrti student profesorskog smjera (24%)

    pogreno smatra da izotopi vie temperature puno jae zrae.

    13. Zamislite sustav od 1000 radioaktivnih atoma. Koliko vremena poluivota je prolo kad se

    raspalo 750 atoma?

    a) Pola vremena poluivota.

    b) Jedno i pol vrijeme poluivota.

    c) Dva vremena poluivota.

    d) Izmeu dva i tri vremena poluivota.

    e) etiri vremena poluivota.

    Isto ovo pitanje je postavljeno u kotskom konceptualnom istraivanju. Razlika je samo to

    su u tom testu bili ponueni slijedei odgovori:

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    a) b) c) d) e)

    39%

    4%

    15%

    0%

    42%

  • 26

    A) 0.25 B) 0.41 C) 0.50 D) 0.75

    E) 1.3 F) 2.0 G) 2.4 H) 4.0

    to se tie naeg istraivanja, na ovom pitanju su studenti istraivakog smjera jo

    jednom postigli znaajno bolji rezultat.

    Grafikon 11. Uspjenost studenata oba smjera zd. 13

    I dok je njih 78% tono odgovorilo da se radi o dva vremena poluivota, ak 53%

    studenata profesorskog smjera smatra da je prolo jedno i pol vrijeme poluivota. Oito

    studenti profesorskog smjera nisu dobro usvojili pojam vremena poluraspada (poluivota).

    to se tie kotskog istraivanja, studenti koji su pogreno odgovarali najee su

    zaokruivali odgovor C) 0.50, vjerojatno smatrajui da se broj estica raspada linearno, a ne

    eksponencijalno; ako se 500 atoma raspadne nakon 1 vremena poluivota, onda se 250

    raspadne nakon 0.5 vremena poluivota. Takoer je u pogrean odgovor ukljuena i zbrka oko

    broja jezgara koje su se raspale i broja preostalih jezgara. Slijedei najei pogrean odgovor

    je bio B) 0.41; studenti su koristili dobru formulu, ali je opet zabuna oko broja raspadnutih i

    broja preostalih jezgri. Uoljivo je da od studenata koji su dali toan odgovor, velika veina

    nije koristila formulu nego je prosudila prema definiciji vremena poluraspada, dok je veina

    studenata koji su zaokruili netoan odgovor koristila matematiku formulu.

    16. Jedan radioaktivni atom ima vrijeme poluivota 10 minuta. Ako se u tom vremenskom

    intervalu atom ne raspadne, koja je od slijedeih tvrdnji istinita?

    a) Nakon isteka vremena poluivota, vjerojatnost raspada ostaje

    nepromijenjena.

    b) Nakon isteka vremena poluivota smanjuje se vjerojatnost raspada.

    c) Nakon isteka vremena poluivota poveava se vjerojatnost raspada.

    d) Jedan atom e se sigurno raspasti nakon dva vremena poluivota.

    e) Jedan izdvojeni atom se nikada nee raspasti.

    Tek 50% studenata, dakle svaki drugi student, zna da vjerojatnost raspada nakon isteka

    vremena poluivota ostaje nepromijenjena.

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    a) b) c) d) e) nita

    53% 47%

    11%

    78%

    11%

    profesori

    istraivai

  • 27

    Grafikon 12. Uspjenost studenata zd. 16

    Otprilike svaki trei student misli da je toan odgovor c), smatrajui da se vjerojatnost

    raspada poveava jer je jezgra starija, dok svaki deveti student smatra da se vjerojatnost

    raspada nakon isteka vremena poluivota smanjuje.

    18 Da li se jezgra moe u jednom trenu (ne u lancu) raspasti na vie od dvije estice

    odjednom?

    a) Moe, to je prirodna stvar.

    b) Moe, ali samo u nuklearnim reaktorima.

    c) Ne moe, jer je energetski uvijek isplativije raspasti se na dva dijela.

    d) Ne moe zbog nekih zakona ouvanja.

    e) Niti jedan od odgovora nije toan.

    Ponovno su studenti istraivakog smjera ostvarili odlian uinak s 89% tonih

    odgovora. Nasuprot njima, samo 24% studenata profesorskog smjera smatra da je prirodna

    stvar da se jezgra odjednom raspadne na vie od dvije estice.

    Grafikon 13. Uspjenost studenata oba smjera zd. 18

    Vie od polovice studenata (53%) profesorskog smjera misli da se jezgra ne moe

    odjednom raspasti na vie od dvije estice, to zbog toga jer je energetski neisplativo (35%),

    to zbog nekih zakona ouvanja (18%).

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    a) b) c) d) e)

    50%

    11%

    35%

    4%0%

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    90

    a) b) c) d) e) nita

    23%

    12%

    35%

    18%12%

    89%

    11%

    profesori

    istraivai

  • 28

    20. Foton valne duljine 500 nm se pusti u gibanje od toke 1 do toke 2 kao na slici. Koji

    crte najbolje odgovara putanji fotona?

    46% studenata je ispravno odgovorilo da je putanja fotona ravna linija, dok se velikih

    42% odluilo za odgovor a) smatrajui da je putanja fotona valovita linija. Razlog tome bi

    mogao biti to se esto crta valovita linija kad se skicira gibanje fotona.

    21. Da li estice bez naboja (npr. neutron) imaju antiestice?

    a) Da, svaka estica ima antiesticu.

    b) Ne, jer nemaju naboj, pa nema to biti anti.

    c) Da, jer iako nemaju naboj, sve su estice sastavljene od manjih naboja.

    d) Ne, jer samo elektroni i protoni imaju antiestice.

    e) Ne, zato to antiestice ne postoje.

    Grafikon 14. Uspjenost studenata oba smjera zd. 21

    Iako su studenti istraivakog smjera ravnopravno zaokruivali i odgovor a) i odgovor

    c), treba istaknuti da ih ak 88% ispravno smatra da svaka estica ima antiesticu. To je sluaj

    i kod 76% studenata profesorskog smjera. Meutim, iz raspodjele odgovora vidi se kako ba i

    nije poznato to je kod antiestica zapravo anti.

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    a) b) c) d) e) nita

    52,9%

    17,6%23,5%

    5,9%

    44,4% 44,4%

    11,1%

    profesori

    istraivai

  • 29

    24. Za to su zaslune jaka i slaba sila?

    a) Jaka sila dri jezgru na okupu, a slaba nukleone.

    b) Slaba sila dri jezgru na okupu, a jaka nukleone.

    c) Jaka sila dri na okupu i jezgru i nukleone, a slaba je zasluna za neto drugo.

    d) Slaba sila dri na okupu i jezgru i nukleone, a jaka je zasluna za neto drugo.

    e) Niti jedan od odgovora nije toan.

    Svi studenti istraivakog smjera su tono odgovorili za to su zaslune jaka i slaba

    sila, dok dvije treine studenata profesorskog smjera to ne zna.

    Grafikon 15. Uspjenost studenata oba smjera zd. 24

    26. Da li sila djeluje trenutno ili joj treba neko vrijeme?

    a) Sila djeluje trenutno.

    b) Signal putuje brzinom veom od brzine svjetlosti, ali sila ne djeluje trenutno.

    c) Signal putuje brzinom jednakoj brzini svjetlosti.

    d) Signal putuje brzinom jednakoj ili manjoj od brzine svjetlosti.

    e) Niti jedan od odgovora nije toan.

    Grafikon 16. Uspjenost studenata oba smjera zd. 26

    I dok 78% studenata istraivakog smjera ispravno smatra da signal putuje brzinom

    jednakoj ili manjoj od brzine svjetlosti, ovisno o prijenosniku sile, ak 71% studenata

    profesorskog smjera pogreno smatra kako sila djeluje trenutno.

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    a) b) c) d) e)

    35%24%

    35%

    6%

    100%

    profesori

    istraivai

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    a) b) c) d) e)

    71%

    6%

    23%

    11%

    78%

    11%

    profesori

    istraivai

  • 30

    4.4 Usporedba rezultata testiranja

    Testirani uzorak se sastojao od studenata fizike profesorskog smjera i studenata fizike

    istraivakog smjera. Broj ispitanika nije bio jako velik, pogotovo studenata istraivakog

    smjera (9 studenata), meutim i na takvom manjem broju ispitanika mogu se uoiti neke

    razlike u razumijevanju ovog podruja fizike.

    Obradom rezultata koje su u provedenom testiranju ostvarili studenti oba smjera

    dobije se grafikon 17 na kojem moemo vidjeti raspodjelu smjerova po uspjehu.

    Grafikon 17. Raspodjela studenata oba smjera po uspjehu ostvarenom na testu

    S obzirom na to da nije bio jednak broj studenata po smjeru, radi bolje preglednosti se

    na ordinati nalazi broj ispitanika ija rjeenja pripadaju odreenom postotnom razredu

    podijeljen s ukupnim brojem lanova u toj skupini.

    Prvo to se vidi iz grafa je stupanj teine koji je ovaj konceptualni test predstavljao

    studentima jednog i drugog smjera. Najvei udio studenata profesorskog smjera je ostvario

    rezultat u rasponu od 31% do 40%, a studenata