jerneja pavlin analiza znanja o tekoČih kristalih pri ... · fizike za srednje šole, je bil cilj...

of 133 /133
Univerza v Mariboru Fakulteta za naravoslovje in matematiko Oddelek za fiziko Jerneja Pavlin ANALIZA ZNANJA O TEKOČIH KRISTALIH PRI ŠTUDENTIH V PRVEM LETNIKU UNIVERZITETNEGA ŠTUDIJA MAGISTRSKO DELO Mentorica: izr. prof. dr. Nataša Vaupotič Somentorica: red. prof. dr. Mojca Čepič Maribor, september 2010

Author: others

Post on 02-Sep-2019

7 views

Category:

Documents


0 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • Univerza v Mariboru

    Fakulteta za naravoslovje in matematiko

    Oddelek za fiziko

    Jerneja Pavlin

    ANALIZA ZNANJA O TEKOČIH KRISTALIH PRI

    ŠTUDENTIH V PRVEM LETNIKU UNIVERZITETNEGA

    ŠTUDIJA

    MAGISTRSKO DELO

    Mentorica: izr. prof. dr. Nataša Vaupotič

    Somentorica: red. prof. dr. Mojca Čepič

    Maribor, september 2010

  • I

    Podatki o instituciji

    Magistrsko delo je zaključek Podiplomskega študija fizike – področje izobraževanja na

    Fakulteti za naravoslovje in matematiko Univerze v Mariboru. Raziskovalno delo je bilo

    opravljeno na Pedagoški fakulteti Univerze v Ljubljani.

    Senat Fakultete za naravoslovje in matematiko Univerze v Mariboru je 28. 5. 2010 odobril

    naslov magistrskega dela Analiza znanja o tekočih kristalih pri študentih v prvem letniku

    univerzitetnega študija in za mentorico imenoval izr. prof. dr. Natašo Vaupotič in za

    somentorico red. prof. dr. Mojco Čepič.

    Sofinancerji

    Nastanek magistrskega dela je sofinanciralo Ministrstvo za visoko šolstvo, znanost in

    tehnologijo.

    Za podporo se zahvaljujem Fakulteti za naravoslovje in matematiko Univerze v Mariboru, v

    sklopu katere je preko projekta Razvoj naravoslovnih kompetenc, ki ga financira Ministrstvo

    za šolstvo in šport Republike Slovenije in Evropski socialni skladi, delno nastala slednja

    raziskava.

    Obenem se zahvaljujem tudi Pedagoški fakulteti Univerze v Ljubljani, v sklopu katere je

    preko projekta Poučevanje in učenje zahtevnejših interdisciplinarnih fizikalnih vsebin delno

    nastala slednja raziskava. Zahvala gre tudi Komisiji za spodbujanje znanstvenoraziskovalnega

    in umetniškega dela Pedagoške fakultete Univerze v Ljubljani, ki mi je odobrila koriščenje

    sredstev Sklada za razvoj in raziskovanje, ki sem jih porabila za plačilo kotizacije konference,

    kjer sem delo predstavila.

  • II

    Zahvala

    Učenje ne more biti vedno zabava,

    ne sme biti vedno tekma,

    je vrednota,

    je pot in cilj,

    je izziv,

    je napor,

    ki vodi k zadovoljstvu.

    (Razdevšek – Pučko, 2005)

    Za vso pomoč in vzpodbude na poti izzivov in naporov tekom celotnega magistrskega študija

    se iskreno zahvaljujem svoji mentorici izr. prof. dr. Nataši Vaupotič in odlični somentorici

    red. prof. dr. Mojci Čepič.

    Zahvaljujem se tudi doc. dr. Iztoku Devetaku za pomoč pri sestavljanju vprašalnika kot tudi

    statistični obdelavi podatkov.

    Posebna zahvala gre mojim najdražjim za podporo in prenašanje mojih muh.

  • III

    Izvleček

    Tekoči kristali so relativno eksotični materiali, ki imajo tako lastnosti tekočin kot trdnih snovi.

    Tekoči kristali se množično uporabljajo v prikazovalnikih, telefonih, prenosnih računalnikih,

    predvajalnikih mp4, idr. Čeprav so tekoči kristali zelo razširjeni v tehnologiji in pogosti tudi v

    naravi, pogovori s študenti kažejo na to, da se študenti zavedajo njihovega obstoja, a zgolj in

    samo to. Ker so tekoči kristali potencialna tema za vključitev v nove učne načrte kemije in

    fizike za srednje šole, je bil cilj dela natančneje raziskati, kolikšno in kakšno je neformalno

    pridobljeno znanje o tekočih kristalih po končanem srednješolskem izobraževanju.

    V delu odgovorim na naslednja raziskovalna vprašanja: Kaj in koliko študenti vedo o tekočih

    kristalih po končanem srednješolskem izobraževanju? Kakšno je znanje študentov o tekočih

    kristalih glede na njihovo samooceno znanja o le-teh? Ali se znanje študentov o tekočih

    kristalih statistično pomembno razlikuje glede na smer njihovega študija, spol, stratum

    prebivališča, dosežke na maturi in domače intelektualno okolje?

    448 študentov prvega letnika na Pedagoški fakulteti Univerze v Ljubljani je na začetku

    študijskega leta 2009/10 reševalo vprašalnik, ki je vseboval 31 vprašanj. Vprašalnik je bil

    razdeljen na 3 dele: I) splošni podatki, II) dosedanje osnovnošolsko in srednješolsko učenje

    naravoslovja, III) poznavanje tekočih kristalov (17 vprašanj). S splošnimi podatki so bile

    pridobljene informacije o spolu in starosti študenta, o vrsti končane srednje šole in uspehu na

    maturi, o učnem uspehu po letnikih in o ocenah pri biologiji, kemiji in fiziki, o izobrazbi

    staršev, o bivališču in o smeri študija. Z razlago študentovega osnovnošolskega in

    srednješolskega učenja naravoslovja pa smo ugotavljali vrsto motivacije za učenje

    naravoslovja anketiranih študentov – zunanja (zaradi drugih, dobre ocene) ali notranja (zaradi

    zanimanja). Vprašanja v delu o tekočih kristalih so zadevala splošne pojme o agregatnih

    stanjih snovi, nekaj osnov o tekočih kristalih, njihovih pomembnejših lastnostih in uporabi.

    Rezultati kažejo, da je s tekočimi kristali seznanjenih okoli tretjina anketiranih študentov.

    Študenti so v povprečju dosegli 3,6 točke od 17 možnih pri vprašanjih iz III. dela vprašalnika,

    ki se nanašajo na tekoče kristale. To kaže na omejenost njihovega znanja o tekočih kristalih.

    Natančnejša analiza pokaže, da je anketni vprašalnik resno rešilo le okoli 60 % študentov.

    Ugotovili smo tudi, da je nekaj vprašanj, ki se nanašajo na znanje o tekočih kristalih, preveč

    težkih, saj skorajda ni bilo pravilnih odgovorov. Zato smo analizirali tudi manjši vzorec

    vprašalnikov, od tega samo vprašalnike resnih študentov, in se osredotočili le na izbrana

  • IV

    vprašanja iz zadnjega dela vprašalnika. Tudi analiza na tako zmanjšanem vzorcu kaže, da je

    poznavanje tekočih kristalov slabo. Študenti so v povprečju dosegli 1,7 točke od 8 možnih na

    izbranih vprašanjih. Za oba vzorca (vsi in resni študenti in izbrana vprašanja) se pokaže

    statistično pomembna razlika v poznavanju tekočih kristalov glede na samooceno znanja o

    tekočih kristalih, spol in smer študija, ne pa glede na domače intelektualno okolje, motivacijo

    za naravoslovje, dosežke na maturi in stratum prebivališča.

    UDK: 532.783(043.3):378(497.4)

    Ključne besede: tekoči kristali, predstave študentov, samoocena znanja, napačne predstave,

    motivacija, anketni vprašalnik tipa papir-svinčnik, statistična analiza

  • V

    Abstract

    Liquid crystals are relatively exotic materials with properties of both liquids and solids. They

    are used in LCD displays, phones, laptops, music players, … Even though liquid crystals are

    commonly used in technology and also exist in natural systems, occasional debates with

    students showed that they are aware of their existence but no more. As liquid crystals are a

    potential topic to be introduced into curricula of Physics and Chemistry, the aim of the work

    was to run a detailed explanation research to obtain the information on the extension of the

    informally obtained knowledge about liquid crystals among students who had just finished

    secondary school education.

    The main purpose of the thesis is to answer the following research questions: What kind of

    perceptions and the level of knowledge do students have about liquid crystal at the end of the

    secondary school? Do student achievements on a liquid crystals questionnaire differ

    significantly depending on their self-assessment of knowledge about liquid crystals? Do

    student achievements on liquid crystals questionnaire differ significantly depending on their

    field of study, gender, residence stratum, achievements on the final exams at the end of the

    secondary school and home intellectual environment?

    448 first-year university students at the Faculty of Education (University of Ljubljana) filled

    in the paper-pencil questionnaire at the beginning of the academic year 2009/10. The

    questionnaire comprised 31 items and it was divided into 3 parts: I) the general information,

    II) the motivation for learning science, III) liquid crystals (17 items). From the data obtained

    in the general part of the questionnaire we have got information about the student gender, age,

    field of study, results on final exams at the end of the secondary school and their parents’

    education. From the information on their approach to study natural science subjects in

    primary and secondary school we inferred the type of motivation for learning science –

    intrinsic (their own interest) and extrinsic (good grades, other people influence). In the part

    connected to liquid crystals students were asked about the general concepts related to the state

    of matter, two general questions related to liquid crystals and some more elaborate questions

    about their properties.

    The results show that 2/3 of students are not familiar with liquid crystals at all. Students on

    the average achieved 3.6 points out of 17 at questions testing the knowledge about liquid

  • VI

    crystals. This shows a rather limited knowledge. The detailed analysis showed that only 60 %

    of students were serious at filling in the questionnaire. We have also found out that some

    questions referring to the knowledge on liquid crystals were too difficult, since there were

    almost no correct answers. So we also analyzed a smaller sample of the questionnaires,

    including only the serious students and focusing only on the selected questions in the last part

    of the questionnaire. The analysis of this reduced sample also shows that students’

    conceptions about liquid crystals are weak. Students achieved on average only 1.7 points out

    of 8 on the items testing their conception about liquid crystals. For both sample groups (all

    students and only serious students and selected questions) the detailed analysis shows

    statistically significant difference in the achievements on paper-pencil liquid crystal

    questionnaire as regards their self-assessment, gender and the field of study but not in the case

    of their home intellectual environment, motivation for learning science and the achievements

    on the final exams at the end of the secondary school and the residence stratum.

    UDK: 532.783(043.3):378(497.4)

    Key words: liquid crystals, students' conceptions, knowledge self-assessment,

    misconceptions, motivation, paper-pencil questionnaire, statistical data analysis

  • 1

    KAZALO VSEBINE

    1 UVOD ............................................................................................................................3

    2 TEORETIČNE OSNOVE...............................................................................................6

    2.1 Vpliv motivacije na učenje naravoslovja .................................................................6

    2.2 O tekočih kristalih...................................................................................................9

    2.2.1 Svetloba ........................................................................................................11

    2.2.2 Oko in nastanek slike.....................................................................................12

    2.2.3 Polarizacija svetlobe......................................................................................14

    2.2.4 Anizotropija ..................................................................................................15

    2.2.5 Zgradba in lastnosti tekočih kristalov.............................................................21

    2.2.6 Dvolomnost tekočih kristalov ........................................................................25

    2.2.7 Vpliv ograjenosti in električnega polja na tekoči kristal .................................27

    2.3 Vključenost tekočih kristalov v pouk po svetu.......................................................30

    3 PROBLEM IN CILJI RAZISKAVE TER RAZISKOVALNA VPRAŠANJA...............35

    3.1 Problem ................................................................................................................35

    3.2 Cilji.......................................................................................................................35

    3.3 Raziskovalna vprašanja .........................................................................................36

    4 METODE DELA..........................................................................................................37

    4.1 Pedagoška metodologija........................................................................................37

    4.1.1 Izbira in velikost vzorca.................................................................................37

    4.1.2 Raziskovalne metode.....................................................................................37

    4.1.3 Postopki in inštrumenti zbiranja podatkov .....................................................38

    4.1.4 Postopki obdelave podatkov ..........................................................................42

    4.1.5 Vrsta statistike in analize ...............................................................................43

    4.1.6 Uporabljena metodologija..............................................................................44

    4.2 Izvedba empiričnega dela raziskave ......................................................................46

    4.2.1 Priprava in izbor merskega inštrumenta .........................................................46

    4.2.2 Opis spremenljivk .........................................................................................50

    4.2.3 Izbor vzorca ..................................................................................................51

    4.2.4 Zbiranje podatkov .........................................................................................51

    4.2.5 Postopek statistične obdelave ........................................................................52

    5 REZULTATI Z INTERPRETACIJO ............................................................................53

    5.1 Osnovna opisna statistika ......................................................................................53

  • 2

    5.1.1 Opis vzorca ...................................................................................................53

    5.1.2 Anketirani študenti in njihova motivacija za učenje naravoslovja...................55

    5.1.3 Znanje o tekočih kristalih ..............................................................................57

    5.2 Analiza uspešnosti študentov.................................................................................59

    5.2.1 Pregled uspešnosti reševanja vseh vprašanj o tekočih kristalih.......................59

    5.2.2 Pregled uspešnosti reševanja zgolj izbranih nalog o tekočih kristalih .............73

    5.3 Povezave poznavanja tekočih kristalov z drugimi spremenljivkami.......................78

    5.3.1 Uspeh vseh študentov pri izbranih nalogah ....................................................78

    5.3.2 Uspeh resnih študentov pri izbranih nalogah..................................................83

    6 SINTEZA REZULTATOV Z RAZPRAVO..................................................................88

    7 ZAKLJUČKI ................................................................................................................95

    7.1 Ključne ugotovitve................................................................................................95

    7.2 Ideje za nadaljnje delo...........................................................................................98

    8 VIRI IN LITERATURA .............................................................................................100

    9 PRILOGE...................................................................................................................105

    9.1 Anketni vprašalnik ..............................................................................................105

    9.2 Analiza podatkov s programom SPSS .................................................................108

    9.2.1 Vsi anketirani študenti in izbrane naloge......................................................108

    9.2.2 Resni študenti in izbrane naloge ..................................................................116

  • 3

    UVOD Eden ključnih problemov, s katerimi se danes srečujejo učitelji v šoli, je pomanjkanje

    motivacije za učenje naravoslovnih predmetov. Verjetno je eden od vzrokov za takšno stanje

    dejstvo, da sta programa fizike in kemije premalo povezana z dijakovimi življenjskimi

    izkušnjami in da le redko vključujeta uporabne vidike (Osborne & Collins, 2001). Zato se zdi

    dijakom učenje kemije in fizike nepotrebno breme, saj niso sposobni prepoznati povezav med

    abstraktnimi fizikalnimi in kemijskimi pojmi in njihovimi izkušnjami

    (Bennet & Holman, 2002; Osborne & Collins, 2001).

    Kako to, da dijaki niso motivirani za učenje naravoslovja? Mlajši otroci so še radovedni –

    visoko motivirani, a žal motivacija z leti šolanja upada. Vzroke je treba iskati v diferenciaciji

    interesov, učni samopodobi, socialnem razvoju in vplivih socialnega okolja

    (Bennet & Holman, 2002; Osborne & Collins, 2001). Vplivi socialnega okolja so

    motivacijske spodbude iz socialnega okolja, kjer ima veliko vlogo učitelj, učni načrti, ki pouk

    na nek način posledično uokvirijo in predpisujejo zahtevnost, ter metode poučevanja, s

    katerimi lahko dijake ustrezno motiviramo.

    Poučevanje je učinkovito, ko zajema tako kognitivno in motivacijsko komponento. O

    kognitivni komponenti govorimo, ko ima učna snov smisel, pomen, uporabnost za dijake in se

    je tudi naučijo tako, da jo razumejo. Motivacijska komponenta pa zajema vidik, da je učenje

    vrednota, ki širi obzorja in pomaga razumeti svet okoli sebe (Juriševič, 2005).

    Ob hitrem znanstvenem in tehnološkem napredku pa so stvari v poučevanju zaostale.

    Mnogokrat sta kreda in tabla še vedno najbolj pogosto uporabljena pripomočka. Žal pa so

    nekatere učne metode že preveč zastarele, hkrati pa nas omejujejo še učni načrti. Iz vsega tega

    sledi, da je treba razvijati spremembe učnih metod in vsebin za poučevanje fizike z

    razumevanjem, pri čemer pa naj bi bili dijakom prikazani uporabni vidiki

    (Shabajee & Postlethwaite, 2000). Še vedno je tako, da imajo dijaki kar nekaj znanja, ki pa ga

    ne znajo uporabiti oziroma ne vidijo njegove uporabnosti za razlago sveta okoli sebe.

    Raziskovalci s pedagoškimi raziskavami skušamo ugotoviti, kaj počnemo tako narobe, da je

    prisotna tolikšna nemotiviranost dijakov za učenje kemije in fizike. Hkrati razvijamo nove

  • 4

    učne pristope, ki bi omogočili tako večjo motiviranost dijakov za učenje fizike in kemije kot

    tudi doseganje večjega razumevanja določenih fizikalnih in kemijskih pojmov.

    Zdi se, da je ena od možnih poti, ki bi trajneje motivirala dijake za pridobivanje

    naravoslovnega znanja, uporaba konteksta, v katerem so fizikalni in kemijski pojmi povezani

    z življenjem. Cilj takega pristopa je približati učenje pojmov izkušnjam dijakov. Tako naj bi

    učenje za dijake postalo bolj pomembno (Meijer, 2005).

    Dijake lahko motiviramo z vpeljavo sodobnih vsebin fizike, s katerimi se dijaki vsakodnevno

    srečujejo, a še niso vključene v pouk v srednji šoli (Shabajee & Postlethwaite, 2000). V naših

    učbenikih je nekaj modernih vsebin fizike sicer omenjenih, a še vedno so učbeniki polni klad,

    vozičkov, tuljav ipd. Razvoj sodobne znanosti in tehnologije pa je med drugim prinesel tudi

    tekoče kristale. Veliko ljudi se zaveda, da so tekoči kristali prisotni v tekočekristalnih

    prikazovalnikih (LCD-jih) telefonov, prenosnih računalnikov, prenosnih glasbenih

    predvajalnikov kot tudi v varilskih očalih, itd. Le redki pa vedo, da tekoči kristali obstajajo

    tudi v naravnih sistemih, kot so biološke membrane, celične membrane, DNK, svila,... Tekoči

    kristali so zelo razširjeni v tehnologiji in pogosti tudi v naravi, a pogovori s študenti kažejo na

    to, da se študenti zavedajo njihovega obstoja, vendar zgolj in samo to.

    Ker so tekoči kristali potencialna tema za vključitev v nove učne načrte kemije in fizike za

    srednje šole, smo želeli natančneje raziskati nivo znanja o tekočih kristalih po končanem

    srednješolskem izobraževanju pridobljeno na neformalni način. Zato smo oblikovali anketni

    vprašalnik o tekočih kristalih, s katerim smo skušali poiskati čim več podatkov o znanju o

    tekočih kristalih pri študentih 1. letnika Pedagoške fakultete Univerze v Ljubljani. Rezultate

    predstavljamo v delu.

    Struktura samega dela je v grobem sledeča. Najprej (poglavje 2) v delu opišemo sedanje

    stanje motivacije za učenje naravoslovja in eno izmed možnih rešitev, to je vpeljavo sodobne

    teme tekoči kristali v pouk. Sledi razlaga fizikalnih pojmov pomembnih za opis delovanja

    tekočekristalnih prikazovalnikov. Ob tem že zaznamo, kateri pojmi so ključni za razumevanje

    delovanja prikazovalnikov in smo jih želeli na nek način tudi želeli preveriti pri študentih, saj

    je poznavanje predstav študentov o tekočih kristalih pomembno za samo izgradnjo učne enote

    o tekočih kristalih. Na podlagi raziskovalnih vprašanj in pojmov pomembnih za opis

    obnašanja tekočih kristalov v aplikacijah ter poznavanjem pedagoške metodologije smo

  • 5

    oblikovali anketni vprašalnik tipa papir-svinčnik. V 3. poglavju predstavim problem, cilje in

    raziskovalna vprašanja, na katera smo želeli odgovoriti z analizo ankete. Metode dela so

    predstavljene v 4. poglavju, nato sledijo rezultati in njihova interpretacija (poglavje 5). Zbrani

    rezultati in diskusija so v 6. poglavju. Sledijo še zaključki (poglavje 7).

    Rezultati pričujoče raziskave so že bili predstavljeni na XIV. simpoziju mednarodne

    organizacije za naravoslovno in tehniško izobraževanje (IOSTE) (Pavlin et al., 2010). Članek

    z naslovom »First Year University Students’ Conceptions about Liquid Crystals in Slovenia«

    pa so po recenziji potrdili za objavo v zborniku konference. V pripravi pa je tudi

    znanstvenoraziskovalni članek.

  • 6

    TEORETIČNE OSNOVE

    Vpliv motivacije na učenje naravoslovja

    Že desetletje se vpis na univerzitetni študij družboslovnih smeri veča in relativno zmanjšuje

    na naravoslovnih in tehniških smereh. Vzrokov za to je veliko. Eden pomembnejših je, da so

    se morda spremenile vrednote mladih in posledično izbira smeri izobraževanja, kariere ter

    načina življenja. Mladi imajo tudi različna in nejasna pričakovanja, kaj jih čaka po končanem

    izobraževanju. Svoj vpliv pa ima seveda tudi struktura gospodarstva in večanje števila

    delovnih mest v storitvenih dejavnostih (Dolinšek, 2006).

    Vendar si vsi, tako učitelji naravoslovja kot raziskovalci, kakor tudi šolske oblasti želijo

    oblikovati take učne programe, ki bi motivirali mlade za študij naravoslovnih področij in

    tehnologij. Pri tem ne gre le za programe, ki bi vzbujali trenutno navdušenje za naravoslovne

    vede, temveč za stalno vzdrževanje motivov za pridobivanje naravoslovnega znanja in za

    njegovo uporabo v življenju (Newmann et al., 1992; Brophy, 1998).

    Že pred leti so raziskovalci opozarjali na motivacijske probleme pri pouku naravoslovja, in s

    tem tudi fizike. Izkaže pa se, da med raziskovanjem v izobraževanju in procesom učenja

    naravoslovja v praksi obstaja resna vrzel, saj obstoječe raziskave v naravoslovnem

    izobraževanju nimajo skoraj nič ali pa zelo malo vpliva na potek poučevanja naravoslovja na

    vseh ravneh izobraževanja (Gilbert, 2006). Najpomembnejši razlog za prepad med

    raziskovanjem v izobraževanju in šolsko prakso je pomanjkanje znanja in spretnosti na eni

    strani ter nezadostno komuniciranje med raziskovalci in učitelji praktiki na drugi strani

    (Costa et al., 2000; De Jong, 2004, Ferk et al., 2007).

    Raziskovalci se pogosto ne zavedajo, da ima učitelj fizike lahko v razredu dijake, ki sanjarijo,

    nekatere, ki ne znajo odgovoriti na njegova preprosta vprašanja, ker ne razumejo vprašanja,

    nekatere, ki ne delajo domačih nalog, ker si ne prizadevajo dovolj, nekatere, ki izberejo

    naravoslovne predmete, ker je to dobro in tako naprej. Za reševanje teh problemov je nujno,

    da ima učitelj korekten odnos do predmeta in uporablja učinkovite učne metode. Obenem pa

    mora imeti učitelj fizike pozitiven odnos do svojega poučevanja in bi moral v največji meri

    uporabljati take učne metode, ki bi dijake spodbudile k zanimanju in bi jih pripeljale do

    aktivnega sodelovanja pri samem učnem procesu. Primerov za omenjeno je kar nekaj. Novi

  • 7

    učni pristopi s pomočjo vestnega učitelja pripeljejo dijake do učenja, ki je dijakom v lastnem

    interesu, torej so notranje motivirani (Lam-Fat, 1977).

    Obenem pa Oakes (1986) trdi, da nam rezultati uspešnosti dijakov pomagajo ovrednotiti in

    spremljati kakovost učenja, saj odražajo sedanje stanje učenja in pogojev samega šolanja. Z

    opisom rezultatov uspešnosti, lahko dijakom pomagamo, da izboljšajo svoje znanje na

    številne načine, ali pa nezainteresirane prepričamo, da pokažejo zanimanje ali celo vzljubijo

    predmet. Študije so tudi pokazale, da je razumevanje tega, čemur dijaki pripisujejo neuspeh in

    nesposobnost pri dosežkih v naravoslovnih predmetih, za učitelje koristno, ko poskuša

    motivirati dijake (Weiner, 1979; Hicks & Nabilah, 1998; Talib et al., 2009).

    Kot že omenjeno, so interesi dijakov kritični vidiki naravoslovnega izobraževanja. Ti

    psihološki koncepti so v pomoč pri motivaciji dijakov v izobraževalnem procesu

    (Colletta & Chiapetta, 1994). Učitelji pa so sestavni del oblikovanja motiviranih dijakov. Če

    učitelji upoštevajo interese dijakov, jih ne bodo le motivirali, ampak jim bodo v pomoč, da

    postanejo naravoslovno pismeni (Ferk et al., 2007). Tu naravoslovno pismenost lahko

    opredelimo kot znanje in razumevanje znanstvenih pojmov in postopkov, ki so potrebni za

    sprejemanje osebnih odločitev v civilnih, kulturnih in ekonomskih zadevah (National

    Academy of Sciences, 1995). Obenem pa bo poučevanje naravoslovja pridobilo večjo vlogo v

    družbi in v kulturi dijakov, če bo njihovo učenje osnovano na podlagi njihovih interesov in

    potreb, kar pa je rezultat učnega procesa, ki temelji na dijakovih interesih in stališčih

    (Sanfeliz & Stalzer, 2003).

    Teorija učenja Carla Rogersa pravi, da »pravo učenje poteka, ko dijak dojema vsebino

    predmeta kot zanj pomembno« (Rogers, 1983). Po mnenju Rogersa, se bo dijak učil samo

    tisto, za kar meni, da je pomembno za ohranitev ali izboljšanje njegovega stanja. Dijak, ki je

    aktivni udeleženec v učnem procesu, se bo tudi počutil odgovornega za znanja pridobljena v

    izobraževalnem procesu.

    Raziskave (Anderman & Young, 1994) kažejo, da so razlike med spoloma pri motivaciji za

    učenje naravoslovja pri učencih in so povezane z dosežki na standardiziranih preskusih znanja

    naravoslovja (zunanja motivacija). Ugotovljeno je bilo tudi, da učenke kažejo manjše

    zanimanje za naravoslovje, da je za njih naravoslovje dolgočasno, še posebej zato, ker se

    pogosto morajo vse naučiti na pamet. Simpson in Oliver (1990) poročata, da imajo dijakinje

  • 8

    slabšo samopodobo in nižjo raven samozavesti pri dokazovanju pri naravoslovju. Po drugi

    strani pa Meece in Jones (1996) nista potrdila teh rezultatov, saj sta ugotovila, da ni razlike

    med dijakinjami in dijaki v zvezi z zanimanjem za učenje naravoslovja in poudarila, da je

    vpliv motivacije na spol bistveno bolj zapleten kot nekateri raziskovalci skušajo pokazati. Če

    gremo še dlje po izobraževalni vertikali, ugotovimo, da čeprav se število žensk v zadnjih

    nekaj desetletjih v naravoslovju nenehno povečuje, še vedno zaznamo pomembne razlike med

    spoloma v interesu za fiziko, saj je še vedno na fizikalnih programih vpisanih več študentov

    kot študentk (Zhu, 2007).

    Torej, učenci na vseh ravneh izobraževanja morajo biti motivirani, da se pričnejo učiti, a

    vendar sama motivacija še ne zagotavlja ukrepanja in učenja določenih naravoslovnih

    pojmov. Kako moramo priklicati motivacijo pri dijakih, da bo ta vodila k učenju in

    razumevanju pomembnih naravoslovnih pojmov? Smiselno je uporabiti pristop, ki temelji na

    opredelitvi konteksta in izbora pojmov, in omogoča povezovanje znanstvenih pojmov z

    izkušnjami dijakov. Izbrani pristop temelji na učenju kemijskih in fizikalnih pojmov in teorij

    z vidika dijakov, kar naredi učenje za dijake notranje pomembno (Gilbert, 2006;

    Bulte et al., 2006). Van Oers (1998) ugotavlja, da mora biti kontekst vezan na izvajanje

    aktivnosti, kar zagotavlja nenehno vzdrževanje zadovoljive ravni motivacije za nadaljevanje

    dela.

    Postopni razvoj naravoslovnih pojmov je ključni del učnih enot oblikovanih s pomočjo zgoraj

    opisanega pristopa na opredelitvi konteksta in izbora pojmov. Pri tem je cilj izhajati iz

    neformalnega in spontanega pomena izbranih pojmov, ki jih dijaki izkustveno že poznajo in

    ga postopno razširiti z vključevanjem vedno bolj zahtevnih znanstvenih vidikov pojmov

    (Bulte et al., 2004). Obenem pa razumevanje naravoslovnih vsebin zahteva povezanost med

    različnimi naravoslovnimi vedami, ki z različnih vidikov opisujejo določen pojav v naravi.

    Povezovanje teh ved postane zaradi vsebinske širine zelo kompleksna naloga, ki jo morajo

    učitelji zasnovati pri svojem delu (Urbančič, 2007). Prednosti interdisciplinarnega poučevanja

    se odražajo v povečanju interesa za predmet tako učiteljev, kot tudi dijakov, večja je

    motiviranost za delo in boljši so rezultati, še posebej dijakov s slabšimi rezultati s preverjanj

    znanja (Bolak et al., 2005). Ob tem je opazno izboljšana klima v razredu, večji interes staršev

    za delo dijakov, večje zadovoljstvo učiteljev in na splošno boljši rezultati dijakov znotraj

    delovnih skupin v primerjavi z dijaki, ki delajo samostojno (Flowers et al., 1999).

  • 9

    Če povzamemo, interdisciplinarno poučevanje omogoča dijakom v večji meri opravljati

    naloge v skladu z zanimanjem, sposobnostmi in izkušnjami. Povezovanje vsebin omogoča

    učiteljem boljšo izrabo časa, namenjenega izvajanju pouka in podrobnejši pregled vsebin

    predmeta preko različnih vsebinskih vidikov.

    Kako lahko motiviramo dijake upoštevajoč zgoraj napisano? Eden od načinov za doseganje

    visoke ravni motivacije je z vključitvijo sodobnih tem fizike in kemije v sam pouk. Na primer,

    dijaki živijo in rastejo s sodobno tehnologijo (Gerlič, 1984), uporabljajo sodobne naprave, ki

    so tehnično zelo zapletene, a ne razumejo njihovega delovanja, čeprav jih to zanima

    (Strnad, 2006). Po drugi strani pa vključevanje sodobnih tem zahteva: poznavanje sodobnih

    tem, poznavanje učnega načrta oz. vsebin učnega načrta, v katere bi lahko sodobno temo

    vključili in seveda interese dijakov (Lipovnik, 2008).

    Kako lahko vzpodbudimo interes dijakov? Haüssler in Hoffmann (2002) sta predlagala 7

    principov poučevanja, ki to omogočajo:

    1. priložnost, da dijak zablesti,

    2. povezanost vsebine z dotedanjimi izkušnjami dijakov,

    3. zagotavljanje izkušnje iz prve roke,

    4. spodbujanje razprave in razmišljanja o družbenem pomenu fizike,

    5. povezovanje fizike z aplikacijami,

    6. povezovanje fizike s človeškim telesom,

    7. prikazovanje uporabnosti kvantitativne fizike.

    Hkrati avtorja poročata, da se dijaki bolj zanimajo za tehnično uporabo, medtem ko znanja, v

    povezavi s človeškim telesom ne kažejo nobenih razlik v interesih med spoloma

    (Haüssler & Hoffmann, 2002).

    O tekočih kristalih

    Povezati poučevanja fizike in kemije s sodobno temo, ki združuje lastnosti in zgradbo

    materiala, je lahko koristen pristop pri ustrezno izbranih primerih, ki omogočajo učenje novih

    pojmov (Cussler et al., 2001). Hkrati pa poznavanje različnih vrst materialov in njihove

    zgradbe omogoča zasnovo novih materialov z želenimi lastnostmi. Iskanje novih »pametnih

    materialov« je zelo pomembno za napredek znanosti in tehnologije.

  • 10

    Primer »pametnih materialov« so tekoči kristali, ki se sprva zdijo eksotični materiali, vendar

    so prikazovalniki s tekočimi kristali danes tako pogosti, da jih je večina ljudi sposobna

    identificirati. Toda, koliko nas ve, kaj so tekoči kristali in kakšne so njihove lastnosti

    (Waclawik, 2004, Vaupotič, 1996; De Gennes & Prost, 1993)?

    Zasloni s tekočimi kristali so že dolgo del našega vsakdana. Že 40 let so prisotni v

    prikazovalnikih na digitalnih urah in kalkulatorjih, v zadnjih letih pa so se namnožili tudi

    računalniški in televizijski zasloni s to tehnologijo. Večinoma so izpodrinili tehnologijo s

    katodno cevjo. Velika prednost zaslonov s tekočimi kristali je, da so ploski in zato ne zasedajo

    toliko prostora, kot tisti s katodno cevjo (krajše CRT, ang. Cathode Ray Tube), kar lahko

    vidimo na sliki 2.1. To je bistvenega pomena predvsem pri prenosnih računalnikih. Poleg tega

    se tekočekristalni zasloni pojavljalo tudi v mobilnih telefonih, navigacijskih sistemih,

    fotoaparatih in še marsikje. Vse zaslone, ki temeljijo na tehnologiji tekočih kristalov,

    zaznamujemo s kratico LCD (ang. Liquid Crystal Display). Tekočih kristalov pa ne

    uporabljamo le za zaslone, ampak so uporabni še v druge namene.

    Slika 0.1: Razlika v velikosti LCD in CRT računalniškega monitorja je očitna

    (Tomshardware, 2010).

    Da bi razumeli delovanje tekočekristalnih zaslonov, potrebujemo nekaj osnovnega znanja o

    svetlobi, polarizaciji svetlobe, tekočih kristalih in vplivu električnega polja na urejenost

    tekočih kristalov.

  • 11

    Svetloba

    Svetloba je elektromagnetno valovanje. To je transverzalno valovanje, ki ga z nihanjem

    ustvarjata električno in magnetno polje. Svetlobo kot elektromagnetno valovanje v splošnem

    lahko opišemo s tremi neodvisnimi parametri: intenziteto, frekvenco (ali valovno dolžino) in

    polarizacijo. Polarizacija je smer ravnine, v kateri niha električno polje. Električno in

    magnetno polje valujeta v smeri pravokotno eno na drugo (slika 2.2). V prostoru se

    elektromagnetno valovanje širi s hitrostjo svetlobe c v smeri, pravokotni na smer električnega

    in magnetnega polja. Elektromagnetno valovanje prenaša gibalno količino in energijo.

    Elektromagnetno valovanje za širjenje ne potrebuje snovi.

    Slika 0.2: Svetloba kot elektromagnetno valovanje (povzeto po Halliday et al., 2005), E

    je

    jakost električnega polja, B

    je gostota magnetnega polja in c hitrost elektromagnetnega

    valovanja.

    Valovanje se v splošnem razširja skozi snov v vseh smereh. Širjenje valovanja ponazorimo z

    valovnimi čeli, ki predstavljajo ploskev vseh sosednjih mest, kjer je v danem trenutku velikost

    npr. električnega polja največja. Razdalja med sosednjimi valovnimi čeli je valovna dolžina

    valovanja (slika 2.2). Pravokotnice na valovno čelo, ki jih imenujemo žarki, predstavljajo

    smer širjenja valovanja. Npr. majhen točkast izvor valovanja oddaja krogelno valovanje

    (slika 2.3). Pri tem so valovna čela koncentrične kroglaste ploskve. Žarki so radialni,

    valovanje pa se enakomerno (izotropno) širi v vse smeri.

    valovno čelo žarek

    električna komponenta

    magnetna komponenta

    x

  • 12

    Slika 0.3: Točkast izvor valovanja

    Svetlobo lahko obravnavamo tudi kot delce, pri čemer je energija shranjena v paketih. Te

    pakete imenujemo fotoni, vsak foton je en kvant energije.

    Oko in nastanek slike

    Oko zazna svetlobo, ki pade vanj. Zgradba človeškega očesa je prikazana na sliki 2.4. V

    fizikalnem smislu so pomembni deli očesa roženica, šarenica, leča in mrežnica. Šarenica

    deluje kot zaslonka in regulira količino svetlobe, ki vstopa v oko. Mrežnica pokriva notranjo

    plast zrkla in je na svetlobo občutljivi del očesa. Roženica in leča sta odgovorni za ostrenje

    slike. Roženica je del očesa, kjer svetloba vstopa v oko, leča pa leži za šarenico in je iz

    elastične snovi in zato s pomočjo ciliarne mišice spreminja krivinski radij in z njim goriščno

    razdaljo.

    Slika 0.4: Zgradba očesa (Optika, 2010)

    žarek

    valovno čelo

  • 13

    Kako nastane slika? Roženica in očesna leča zbereta svetlobo, ki se odbija od predmetov v

    okolici ali jo predmet izseva, na mrežnici, ki je občutljiva na svetlobo (slika 2.5). Na njej je

    kakih 100 milijonov na svetlobo občutljivih fotoreceptorjev, čepkov in paličic, ki so prek

    živčnih končičev povezani med seboj in z možgani. Paličice, ki so občutljivejše, omogočajo

    predvsem gledanje v mraku, čepki pa omogočajo zaznavanje barv. Poznamo tri vrste čepkov,

    od katerih je ena najbolj občutljiva za rdečo svetlobo (»rdeči čepki«), druga za zeleno (»zeleni

    čepki«) in tretja za modro (»modri čepki«).

    Slika 0.5: Poenostavljen prikaz nastanka slike v očesu

    Oko zaznava svetlobo z valovno dolžino od okoli 400 nm do okoli 700 nm. Najobčutljivejše

    je pri valovni dolžini 555 nm v rumenozelenem delu spektra. Paličice so najobčutljivejše na

    svetlobo valovne dolžine okrog 500 nm. Modri čepki so najobčutljivejši na svetlobo kratkih

    valovnih dolžin (vrh občutljivosti je pri 425 nm). Zeleni čepki imajo vrh občutljivosti pri

    530 nm, rdeči pa pri 560 nm (slika 2.6).

    Ob vzburjenju pošljejo čepki signale po vidnem živcu do možganov. Signal posameznega

    čepka je sorazmeren produktu jakosti in relativne občutljivosti čepka na valovno dolžino

    svetlobe. Možgani nato združijo signale iz vseh vzburjenih čepkov in dobimo vtis določene

    barve. Na barvni vtis vpliva kemična sestava materiala na površini, delno pa tudi struktura

    površine. Barvo predmeta določa svetloba, ki se odbije od predmeta oziroma jo predmet

    izseva.

    predmet slika

  • 14

    Slika 0.6: Občutljivost čepkov na svetlobo določne valovne dolžine (Satcitananda, 2010) Polarizacija svetlobe

    Svetloba je transverzalno valovanje, kjer niha električno polje v ravnini pravokotno na smer

    širjenja valovanja (glej sliko 2.2). Ravnina, v kateri niha električno polje, je lahko ves čas

    enaka, lahko se vrti, lahko pa tudi naključno spreminja. Če se ravnina, v kateri niha električno

    polje, spreminja, govorimo o nepolarizirani svetlobi, če ima določeno smer, je to polarizirana

    svetloba. Poznamo več vrst polarizacije svetlobe. Ko je smer polarizacije stalna, je svetloba

    linearno polarizirana. V primeru, ko je smer polarizacije v vsakem trenutku določena s smerjo

    vijačnice na eliptičnem valju, je to eliptično polarizirana svetloba. Pri krožno polariziranem

    valovanju je smer polarizacije v vsakem trenutku določena s smerjo vijačnice na navadnem

    valju.

    Poznamo filtre, imenovane polarizatorji, ki nam ob vpadli nepolarizirani svetlobi prepustijo le

    linearno polarizirano svetlobo, ki ima določeno smer nihanja električnega polja (slika 2.7). Če

    za tak polarizator postavimo še enega z isto smerjo polarizacije, kot jo ima prvi, oba filtra

    prepustita svetlobo. Če pa drugi filter zasučemo za 90 °, oba filtra skupaj svetlobe ne

    prepuščata več.

    relativna občutljivost

    valovna dolžina (nm)

  • 15

    nepolarizirana svetloba linearno polarizirana svetlobe Slika 0.7: Polarizacija svetlobe (Iglič, 2010)

    Anizotropija

    Snovi, v katerih je hitrost svetlobe odvisna od smeri razširjanja in polarizacije vpadle

    svetlobe, so optično anizotropne. Če pogledamo pomen protipomenke »izotropnost«

    (iz gr.: »isos« – enak, iz gr.: »trope« – obrat), ugotovimo, da pojem pove, da je vrednost neke

    fizikalne količine neodvisna od smeri v prostoru. Če pri nekem naravnem pojavu smer v

    prostoru ni pomembna oz. poteka pojav neodvisno od smeri v prostoru, pravimo, da je

    »izotropen«. Do anizotropije praviloma prihaja takrat, ko obravnavamo fizikalne pojave v

    zvezi s snovjo. Ta ima zaradi notranje strukture pogosto različne lastnosti v različnih smereh.

    Zamislimo si, da se nahajamo v sredini popolnoma homogene krogle in si želimo iz nje po

    najkrajši poti. Prav vseeno je, v katero smer jo uberemo – vse (radialne) smeri so med seboj

    enakovredne. Tak izotropni prostor je nazorno prikazan na sliki 2.8 a, pri čemer razširjenje

    valovnih čel kaže na to, da je hitrost valovanja v vseh smereh prostora enaka. Če je hitrost

    valovanja v eni smeri večja, v drugi pa manjša, govorimo o anizotropnem prostoru

    (slika 2.8 b).

  • 16

    a) b)

    Slika 0.8: a) Izotropni prostor; b) anizotropni prostor (Babič, 2009) In če bi se znašli v sredini pomaranče (glej sliko 2.9)? Še vedno bi bilo vseeno, v katero smer

    ekvatorialnega prereza pomaranče se usmerimo. Razlike pa so očitne, če se usmerimo v

    poljubno smer prereza vzdolž poldnevnika. Pomaranča bi bila torej za tistega, ki bi se napotil

    ven iz njenega središča, anizotropno telo, saj vse poti proti pomarančni lupini ne bi bile

    enakovredne. Torej je v ekvatorialnem prerezu pomaranča izotropna glede na središče

    (slika 2.9 a), v prerezu vzdolž poldnevnikov (slika 2.9 b) pa anizotropna glede na isto točko

    kot v prvem primeru – svoje središče (Babič, 2009).

    a) b)

    Slika 0.9: a) Izotropni prostor; b) anizotropni prostor (Babič, 2009)

    Kako pa je s širjenjem svetlobe v anizotropnem prostoru oz. anizotropnih snoveh? Najprej

    opredelimo optično os snovi. To je os, okoli katere lahko snov zavrtimo, pa se fizikalne

    lastnosti ne spremenijo. V primeru, da ima snov samo eno optično os, za snov pravimo, da je

    enoosna (slika 2.10). Kadar lahko snov zavrtimo okoli poljubne osi, je snov izotropna.

  • 17

    Slika 0.10: Rotacijski elipsoid ima eno optično os v smeri dolge osi

    Kot primer razširjanja svetlobe v optično enoosni snovi si zamislimo razširjanje svetlobe v

    pomaranči. Če se svetloba razširja vzdolž optične osi, so razmere podobne kot v izotropni

    snovi (slika 2.11 a). Hitrost razširjanja valovanja je neodvisna od smeri električnega polja in s

    tem polarizacije svetlobe. Če pa se svetloba razširja v smeri pravokotno na optično os (slika

    2.11 b), pa vidimo, da razmere za svetlobo, ki je polarizirana v smeri optične osi, niso enake

    kot za svetlobo, ki je polarizirana pravokotno na optično os. Zato se bosta ti dve valovanji

    skozi pomarančo razširjali z različno hitrostjo. Izkaže se, da se skozi optično anizotropno snov

    lahko razširjata samo dve linearno polarizirani valovanji, ki imata medsebojno pravokotni

    polarizaciji (Born & Wolf, 2003). Zato lahko na anizotropni snovi opazujemo dvojni lom. Ob

    prehodu v optično anizotropno snov se nepolariziran svetlobni curek razdeli na dva curka: t. i.

    rednega in izrednega, ki imata medsebojno pravokotni polarizaciji (slika 2.12). Ker se

    valovanji razširjata z različnima hitrostma, se lomita pod različnima kotoma. Ta pojav

    imenujemo dvolomnost.

    a) b)

    Slika 0.11: a) Širjenje svetlobe v izotropni snovi; b) širjenje svetlobe v anizotropni snovi;

    rdeča puščica: polarizacija v smeri optične osi; modra puščica: polarizacija pravokotna na

    optično os

    optična os

    optična os

    E

    E

  • 18

    Slika 0.12: Padanja nepolarizirane svetlobe na mejno ploskev zrak – anizotropna snov

    Sedaj pa si zamislimo točkasti vir svetlobe v anizotropni snovi. V anizotropni snovi se lahko

    razširjata dve valovanji: eno (redno) ima krogelna valovna čela, drugo (izredno) ima

    elipsoidna valovna čela (slika 2.13). Razdalja med središčem (lego svetila) in točko na

    krožnici ali elipsi nam ponazarja velikost valovnega vektorja v snovi in s tem velikost

    lomnega količnika za redno (nr) in izredno (ni) valovanje. S slike 2.13 vidimo, da sta obe

    hitrosti razširjanja valovanja enaki, če se valovanje razširja v smeri osi x. Os x je torej optična

    os. Lomni količnik za izredni val (in s tem hitrost razširjanja za izredni val) je odvisen od

    smeri , v kateri se valovanje razširja. Izberimo si smer razširjanja valovanja pod kotom

    glede na optično os. V tej izbrani smeri se lahko razširjata samo dve linearno polarizirani

    valovanji, z različnima hitrostma in s pravokotnima polarizacijama. Valovanji v snovi

    potujeta v isti smeri, na meji snov – zrak pa se lomita pod različnimi koti, saj sta se v snovi

    razširjali z različnima hitrostma. Do razcepa ne pride, če se valovanje razširja v smeri optične

    osi ali pravokotno na optično os. Vendar v slednjem primeru med valovanji pride do fazne

    zakasnitve. Izhodno valovanje je zato v splošnem eliptično polarizirano. Poglejmo ta pojav

    bolj podrobno.

    zrak

    anizotropna snov

    vpadni nepolarizirani žarek

    izredni žarek

    redni žarek

  • 19

    Zamislimo si celico, v kateri je tanka plast enoosne dvolomne snovi, ki je orientirana tako, da

    leži optična os v ravnini celice. Za opazovanje postavimo celico med prekrižana polarizatorja

    in jo položimo na mizico mikroskopa. Vidimo svetlobo, ki pada pravokotno na celico in jo

    pravokotno tudi zapušča. Ob vrtenju polarizatorjev opazimo, da je jakost prepuščene svetlobe

    odvisna od kota med optično osjo in prepustno smerjo polarizatorja. Zakaj je tako? Zaradi

    dvolomnosti snovi se svetlobni curek pri prehodu skozi celico v splošnem razdeli na redni in

    izredni svetlobni curek, ki imata medsebojno pravokotni polarizaciji. Ker svetloba vpada

    pravokotno na celico in pravokotno na optično os snovi, se redni in izredni svetlobni curek pri

    prehodu krajevno ne ločita. Kljub temu pa svetlobna curka potujeta skozi snov z različnima

    hitrostma. Zaradi tega nastane med njima fazna razlika, kar pomeni, da električno polje v

    rednem žarku niha z določenim časovnim zamikom glede na električno polje v izrednem

    žarku. Skupno električno polje zaradi fazne razlike na izhodu nima stalne smeri (slika 2.14).

    Pravzaprav se vrti tako, da konica vektorske vsote električnega polja opisuje elipso

    (slika 2.15). Tako namesto linearno polarizirane svetlobe, ki je vstopila v celico, dobimo na

    izhodu eliptično polarizirano svetlobo (Vilfan & Muševič, 2002).

    Slika 0.13: Smer širjenja svetlobe točkastega izvora v tekočem kristalu. Os x je optična os.

    snov

    zrak

    φ

    y

    x

  • 20

    Slika 0.14: Potovanje svetlobe skozi dvolomno snov med prekrižanima polarizatorjema

    (povzeto po Optical Birefringence, 2010)

    Slika 0.15: Sestavljanje električnega polja iz redne in izredne komponente

    (Vilfan & Muševič, 2002)

    Fazna razlika med redno in izredno svetlobo je odvisna od razlike lomnih količnikov

    ∆n = ni – nr, valovne dolžine in od debeline plasti snovi. Ker se smer električnega polja v

    eliptično polarizirani svetlobi vsaj kratek čas ujema s prepustno smerjo drugega polarizatorja,

    ta prepuščene različne barvne komponente različno prepušča in to zaznamo kot svetlo sliko.

    Ker je fazna razlika odvisna tudi od valovne dolžine svetlobe, je pri različnih kotih med

    prepustno smerjo polarizatorja in optično osjo slika različno obarvana.

    bela svetloba

    polarizator P

    analizator A

    debelina celice

    n1

    n2

    linearno polarizirana svetloba

    fazni premik

    komponenti električnega polja kot rezultat dvolomnosti anizotropne snovi

    iE

    rE

    E

  • 21

    Zgradba in lastnosti tekočih kristalov

    V šoli omenimo, da poznamo tri agregatna stanja snovi: trdno, tekoče in plinasto. Izkaže se,

    da je med trdno in tekočo fazo pri nekaterih snoveh še množica vmesnih faz, ki jim pravimo

    tekoče kristalne faze. Tekoče kristalna faza se pojavi pri organskih snoveh, sestavljenih iz

    podolgovatih ali diskastih molekul, ki se lahko zložijo v stolpiče (slika 2.16). Lastnosti

    tekočih kristalov so povezane z obliko molekul organske snovi, ki so lahko v tekočekristalni

    fazi. Molekule tekočih kristalov povečini vsebujejo več benzenovih obročev.

    Slika 0.16: Podolgovate in diskaste molekule tekočih kristalov (Fluessigkristalle, 2010) Za kar nekaj molekul je značilno togo, podolgovato jedro, ki je največkrat iz bifenila (dva

    benzenova obroča). Na sliki 2.17 je skeletna formula molekule organske snovi MBBA, ki je

    lahko v tekočekristalni fazi. Oblika molekule je podolgovata.

    N

    O

    Slika 0.17: Skeletna formula molekule MBBA

    Tekoče kristale delimo na več načinov. Ena delitev je na termotropne in liotropne, pri čemer

    termotropni reagirajo na spremembo temperature in včasih tlaka. Pri liotropnih pa je faza

    odvisna od koncentracije tekočega kristala v raztopini.

    MBBA uvrščamo med termotropne tekoče kristale in je pri sobni temperaturi v

    tekočekristalnem stanju videti kot motna oranžno-rjava tekočina. Kristaliziran tekoči kristal je

    rjav trden kristal. Ko epruveto s tekočim kristalom segrevamo, se tekočina bistri oziroma

    postaja prozorna in manj viskozna. Tudi pri tem faznem prehodu je del snovi v epruveti v

  • 22

    tekočekristalni, del pa v izotropni tekoči fazi. Na dnu ostaja motna tekočekristalna faza, ker

    ima večjo gostoto kakor izotropna tekoča faza, ki je nad njim. Ko je temperatura tekočega

    kristala višja od 41 °C je v epruveti tekoči kristal samo v izotropni fazi. Faze tekočega

    kristala MBBA prikazuje slika 2.18.

    Slika 0.18: MBBA. Od leve proti desni: tekočinska, tekočekristalna in trdna faza; MBBA

    smo sintetizirali v laboratoriju Pedagoške fakultete Univerze v Ljubljani

    Glede na red, ki je prisoten v tekočih kristalih, ločimo več tekočekristalnih faz, in sicer

    poznamo nematike, holesterike, smektike, modre faze,… V nadaljevanju se bomo osredotočili

    na nematike in holesterike, ki se večinoma uporabljajo v tehnologiji tekočekristalnih

    zaslonov.

    Nematiki imajo najnižjo stopnjo urejenosti. Urejene so le dolge osi molekul (slika 2.19 b).

    Molekule ponazorimo z elipsoidi. Pri nematikih so molekule orientacijsko urejene, kot

    prikazuje puščica na sliki 2.19 b. Molekule so pozicijsko neurejene. Pri izotropni tekočini pa

    molekule niso niti orientacijsko niti pozicijsko urejene.

    a) b) c)

    Slika 0.19: Urejenost molekul tekočega kristala v različnih fazah; a) kristal, b) tekoči kristal

    (nematik) in c) tekočina

    Pri nematiku so dolge osi molekul tekočih kristalov v povprečju usmerjene vzdolž neke smeri,

    ki jo imenujemo direktor ( n ) (slika 2.19 b). Težišča molekul pa so, kot v tekočini, naključno

  • 23

    razporejena po prostoru. Medmolekularne sile želijo dolge osi vseh molekul obrniti v isto

    smer, termične fluktuacije pa težijo k enakomerni zastopanosti vseh možnih smeri. Zaradi

    tega se vzpostavi delno urejeno stanje, kar se v tekočem kristalu kaže kot približna ureditev

    dolgih osi molekul v smeri direktorja n . Smeri n , sta pri nematiku enakovredni, zato

    direktor ni pravi vektor, saj določa le orientacijo, ne pa smeri. Koliko so molekule usmerjene

    v smeri, ki jo kaže direktor, podaja orientacijski ureditveni parameter S. Ureditveni parameter

    S je definiran kot

    21 3cos ( ) 12

    S t ,

    kjer je kot kot med trenutno smerjo dolge osi molekule in direktorjem (slika 2.20). Tekoči

    kristali imajo vrednost parametra navadno med 0,3 in 0,9. Smer direktorja ni enaka po

    celotnem kristalu. Enotno urejeno območje, znotraj katerega je smer direktorja povsod enaka,

    je veliko le nekaj mikrometrov. Prehodi med območji so lahko zvezni ali pa nezvezni. Če

    smeri direktorja na meji med dvema območjema ne moremo določiti, govorimo o defektu v

    kristalu.

    Slika 0.20: Prikaz direktorja

    Če nematike opazujemo pod polarizacijskim mikroskopom, opazimo značilne defekte.

    Slika 2.21 prikazuje nematični tekoči kristal, kot ga vidimo pod polarizacijskim

    mikroskopom. Vzorec je med dvema prekrižanima polarizatorjema. V barvastih območjih se

    orientacija paličastih molekul spreminja zvezno. Barva je odvisna tudi od debeline plasti.

    Črna območja so območja izotropne faze ali področja, kjer je orientacija molekul pravokotna

    φ

    n

  • 24

    na katerikoli polarizator (P). Po črnih potezah prepoznamo defekt. Štirje črni »žarki« so

    značilni za radialni defekt.

    Slika 0.21: Defekti v nematičnih tekočih kristalih (Lavrentovich, 2010) Poznamo več vrst defektov, ki so značilni za nematike. Na slikah 2.22 in 2.23 sta

    predstavljena dva značilna defekta dobljena z apleti. Leva slika posamezne slike predstavlja

    ureditev molekul v nematičnem tekočem kristalu. Desna slika pa prikazuje sliko tako

    urejenega nematika, ki bi jo dobili, če bi ga postavili pod polarizacijski mikroskop.

    Slika 0.22: Radialni defekt v nematiku (Kaučič et al., 2004)

    P

    P

  • 25

    Slika 0.23: Dvojni defekt (Kaučič et al., 2004)

    Na koncu si oglejmo še holesterične tekoče kristale. Tudi holesteriki imajo orientacijski red

    dolgega dosega, a nimajo pozicijskega reda dolgega dosega. Vendar so holesteriki sestavljeni

    iz podolgovatih molekul, ki imajo kiralni center, kar vodi k zgradbi, ki jo lahko prikažemo kot

    niz zelo ozkih 2-D nematiku podobnih plasti, orientacija dolgih osi pa se iz plasti v plast suče,

    kot je prikazano na sliki 2.24.

    Slika 0.24: Holesterni tekoči kristal (Liquid Crystals Phases, 2004)

    Dvolomnost tekočih kristalov

    Na sliki 2.21 smo videli, kaj opazimo, če opazujemo tekoči kristal pod polarizacijskim

    mikroskopom. Kaj pa opazimo, če celico, kjer je tekoči kristal orientiran tako, da leži optična

    os v ravnini celice, postavimo med prekrižana polarizatorja, jo položimo na grafoskop in

    sučemo enega od polarizatorjev? Opazimo, da se ob vrtenju enega od polarizatorjev barva in

    jakost prepuščene svetlobe spreminjata, če tekočekristalno celico osvetlimo z belo svetlobo.

    Jakost prepuščene svetlobe je odvisna od kota med optično osjo in prepustno smerjo

    polarizatorja.

  • 26

    Tekoči kristali so anizotropni in na anizotropni snovi lahko opazujemo dvojni lom. Svetlobni

    curek, ki ga usmerimo na tekoči kristal, se pri potovanju skozenj razcepi na dva curka, ki sta

    premaknjena (slika 2.25 in slika 2.26). Na drugi strani tekočega kristala dobimo dva curka:

    rednega in izrednega (slika 2.27).

    Slika 0.25: Postavitev poskusa za prikaz dvolomnosti (Vilfan & Muševič, 2002)

    Slika 0.26: Izvedba poskusa za prikaz dvolomnosti

    Slika 0.27: Dvojni lom svetlobnega žarka na celici s tekočim kristalom MBBA; levo: izredni

    žarek; desno: redni žarek; po segrevanju celice z MBBA tekoči kristal preide v tekoče

    (izotropno) stanje in opazimo le redni žarek.

    vpadni žarek

    redni žarek

    izredni žarek vpadnaE

    iE

    rE

    in

    rn

  • 27

    Vpliv ograjenosti in električnega polja na tekoči kristal

    Urejanje tekočega kristala na polimernih in drugih površinah je ključni tehnološki postopek

    pri izdelavi tekočekristalnih prikazovalnikov. Pri običajnem postopku polimerno površino, ki

    služi kot orientacijski sloj, podrgnemo z zelo mehkim blagom v izbrani smeri. S takim

    mehanskim postopkom uredimo polimerne molekule na površini orientacijskega sloja v smeri

    obdelave. Na urejeni površini polimera se tudi molekule tekočega kristala uredijo v isto smer

    kot polimerne molekule. Če sta površini blizu skupaj, se molekule uredijo čez vso celico

    (slika 2.28).

    Slika 0.28: Mehansko urejene molekule tekočega kristala

    Pomembna lastnost tekočih kristalov je njihov odziv na zunanje električno polje. Dovolj

    veliko zunanje električno polje lahko orientira molekule tako, da je smer urejenosti po vsem

    kristalu enaka. Posamezno molekulo obravnavamo kot inducirani električni dipol, na katerega

    v zunanjem električnem polju deluje navor. Navor zavrti inducirani dipol tako, da je njegova

    energija najmanjša – v smeri zunanjega polja (slika 2.29). Hkrati z zunanjim poljem pa na

    ureditev molekul vpliva tudi stik s površino oziroma okolico.

    Slika 0.29: Električni dipol ep

    v zunanjem električnem polju z jakostjo E

    se zavrti v smeri

    zunanjega polja.

    Zamislimo si ozko in homogeno celico tekočega kristala, kjer je direktor vzporeden z robnima

    ploščama celice kot na sliki 2.30. Svetloba se širi vzdolž vijačnice v obliki linearno

    n

    E

    ep

    ep

  • 28

    polariziranega valovanja, katerega električna poljska jakost sledi smeri vzdolžnih osi molekul.

    Svetloba se na nek način »prilagaja« vijačni strukturi, njena polarizacija sledi orientaciji

    tekočekristalnih molekul. Posledica tega je, da ima svetloba na izstopu polarizacijo zasukano

    za 90 ° glede na vstopno polarizacijo, in pride neovirano skozi polarizator na izhodni strani

    celice (slika 2.31). To pomeni, da celica z zasukano nematično strukturo prepušča skoraj vso

    svetlobo pri pravokotnem vpadu.

    Slika 0.30: Vijačna urejenost nematskega tekočega kristala v zasukani nematični celici in

    prehod svetlobe skozi takšno plast (Vilfan & Muševič, 2002)

    Slika 0.31: Zasuk polarizacije pri zavitem nematiku (Muševič, 1985)

  • 29

    Celica ima na obeh notranjih površinah robnih plošč prevodno plast t. i. elektrodi (slika 2.30).

    Obe robni plošči nato priključimo na električno napetost. Polje, ki se ustvari med obema

    elektrodama, skuša zavrteti molekule v smeri silnic, medtem ko jih plošči zadržujeta v prvotni

    smeri. Dokler je polje majhno, direktor ostaja vzporeden z elektrodama, ko pa polje doseže

    kritično vrednost, se molekule zasučejo (najbolj tiste na sredini). To imenujemo

    Freederickszov prehod. Nova ureditev tekočega kristala ne suče več polarizacije svetlobe, kot

    je razvidno iz slike 2.32. Iz povedanega sledi, da se pod vplivom električne napetosti

    spremenijo optične lastnosti celice. Molekule so se iz vijačne strukture preuredile v homogeno

    strukturo. Linearno polarizirana svetloba potuje vzdolž optične osi kristala s hitrostjo rednega

    žarka, njena polarizacija pa ohranja svojo smer. To pomeni, da je polarizacija izstopne

    svetlobe pravokotna na smer izstopnega polarizatorja, ki svetlobo v celoti absorbira.

    Tekočekristalna celica v tem primeru ne prepušča svetlobe.

    Slika 0.32: Porušena vijačna urejenost pod vplivom električne napetosti med steklenima

    ploščicama (Muševič, 1985)

    Ko električno polje odstranimo (izklopimo), se molekule vrnejo v prvotno stanje, ker so

    molekule ob površini zasidrane in potegnejo postopno v to lego še molekule v notranjosti

    celice. Zasukana nematična celica prepušča svetlobo, kadar ni električnega polja, in je ne

    prepušča skoraj nič, ko jo priključimo na vir električne napetosti. Pa imamo osnovo, kako

    narediti črnobel zaslon.

    V kolikor imamo pred zaslonom barvni filter, sestavljen iz vzdolžnih trakov iz treh osnovnih

    barv (rdeče, zelene in modre), dobimo barvni zaslon (slika 2.33). Pri tem po trije grafični

    elementi (rdeč, moder in zelen) predstavljajo en slikovni element. Z napetostjo vplivamo na

    zasuk molekul v posameznem grafičnem elementu. S tem nadzorujemo prepuščanje svetlobe

  • 30

    skozi vsak grafični element v slikovnem elementu. Prepuščena svetloba določene barve

    vzbudi ustrezne čepke v očesu, signali se prenesejo v možgane in tako dobimo vtis barve.

    Slika 0.33: Delovanje enega slikovnega elementa v tekočekristalnem zaslonu (povzeto po

    Merck, 2004)

    Vključenost tekočih kristalov v pouk po svetu

    Raziskovalci s področja izobraževanja po svetu omenjajo, da so tekočekristalni prikazovalniki

    že kar nekaj časa aktualni in bi bilo smiselno predstavitev tekočih kristalov vključiti v

    predavanja in vaje na dodiplomskemu študiju. O čem so izbrani avtorji premišljevali in kako

    so si zamislili vključitev v pouk podajam v nadaljevanju.

    Olah in Doane (1977) v članku »Experiment in the Bragg reflection of light for the

    undergraduate using cholesteric liquid crystals« opišeta sipanje svetlobe na holesternih

    tekočih kristalih. To sipanje je podobno sipanju žarkov x na trdnem vzorcu. Predstavljena je

    preprosta eksperimentalna priprava, s katero študent lahko zazna in zabeleži svetlobni spekter.

    Razložena je tudi anizotropija tekočih kristalov, katere posledica je dvolomnost.

    barvni filter

    ureditvena površina

    ITO film

    nepolarizirana bela svetloba

    TFT

    tekoči kristal

    ITO film

    polarizator

    polarizator

    steklo

    steklo

    ureditvena površina

  • 31

    Patch in Hope (1985) v članku »Preparation and Properties of Cholesteric Liquid Crystals«

    ugotavljata, da vaje iz kemije na dodiplomskem študiju običajno vsebujejo eksperimente, ki

    jih je mogoče uvrstiti v eno od tradicionalnih tem kemije. Tak način poučevanja kemije je

    sicer enostaven, vendar za ceno veliko bolj zanimivih eksperimentov iz tako imenovanega

    resničnega znanstvenega sveta. Tekoče kristale lahko celovito predstavimo, če medpredmetno

    povežemo organsko kemijo in fiziko. V članku podajata recepture za sintezo treh

    holesteričnih tekočih kristalov: nonanoil klorida, holesteril nonanoata in holesteril klorida. V

    nadaljevanju predstavita načine za karakterizacije produktov sintez in študij lastnosti zmesi

    holesternih tekočih kristalov v odvisnosti od temperature in sestave zmesi. Predstavljena

    vsebina je del laboratorijskih vaj v tretjem letniku dodiplomskega naravoslovnega študija.

    V članku »Liquid Crystals – The Phase of the Future« Ondris-Crawford et al. (1992) opišejo

    zgodovinski potek odkrivanja spoznanj o tekočih kristalov in njihove uporabe. Opisana je

    sama struktura tekočih kristalov in njihovih pomembnejših lastnosti, ki so ključne za uporabo

    le-teh v tekočekristalnih prikazovalnikih. Prikazana je tudi razlaga delovanja celice z zavitim

    nematikom. Na koncu avtorji podajo še razloge, zakaj je smiselno preučevati tekoče kristale.

    Glavni razlog je, da so tekoči kristali material prihajajoče tehnologije.

    Ciferno et al. (1995) v članku »Inexpensive electrooptic experiments on liquid crystal

    display« opišejo niz enostavnih poskusov, ki jih je mogoče prikazati na predavanjih in

    študentom približati znanost o tekočih kristalih. Študenti ob tem spoznajo osnovne pojme

    optike, kot so razširjenje svetlobe, sipanje svetlobe in polarizacija, dvolomnost in lomni

    količnik. Prikazan je tudi primer razlage delovanja tekočekristalnih prikazovalnikov in

    napovedani trendi prihajajočega razvoja mikroelektronike.

    Moses in Jensen (1998) v članku z naslovom »The Freedericksz transition in liquid crystals:

    An undergraduate experiment for the advanced laboratory« opišeta Freederickszov prehod. V

    članku avtorja opišeta smiselnost predstavitve tekočih kristalih študentom. Razložita tudi,

    kakšen je prehod svetlobe skozi optično anizotropno sredstvo in prikažeta ustrezne račune.

    Van Hecke et al. (2005) v članku »Synthesis and Physical Properties of Liquid Crystals: An

    Interdisciplinary Experiment« ugotavljajo, da je veliko raziskovalnih vprašanj, ki se

    pojavljajo na križišču biologije, kemije in fizike. Z nedavno prenovo učnega načrta na Harvey

    Mudd College so študente prvega letnika vključili v uvodne laboratorijske vaje, ki ilustrirajo

    sodobno naravoslovje. V članku opisana vaja na temo tekoči kristali vključuje opis priprave

  • 32

    tekočega kristala holesteril nonanoata. Razložene so tudi ključne fizikalne lastnosti tekočih

    kristalov. Vse to lepo ilustrira interdisciplinarno naravo raziskav s tekočimi kristali kot tudi

    aplikacij, ki izhajajo iz takih raziskav. Konkretneje članek opiše splošne lastnosti tekočih

    kristalov, poda recepturo za sintezo holesteril nonanoata in razloži lomne količnike ter prikaže

    meritve rednega in izrednega lomnega količnika.

    V dodatku iste številke revije Journal of Chemical Education, kot je članek Van Hecke et al.,

    najdemo prispevek »Experiment 7: Synthesis and characterization of liquid crystals: or when

    are liquids not?«. Gradivo iz skupine interdisciplinarnih vaj opisuje eksperiment s tekočimi

    kristali. Cilji vaje so: sintetizirati in očistiti znano snov, ki kaže lastnosti tekočih kristalov in

    izmeriti lomni količnik mešanice tekočih kristalov. Gradivo vsebuje kratek opis tekočih

    kristalov in predstavitev kemijskih tehnik uporabljenih v nekaterih kemijskih sintezah, ki

    temeljijo na učinkih kislinsko-baznih reakcij, prečiščevanju s prekristalizacijo in ugotavljanju

    čistosti s pomočjo določanja tališča. Za karakterizacijo tekočih kristalov je predstavljena tudi

    absorpcija polarizirane svetlobe v snovi. Ker je razumevanje tega, kako polarizirana svetloba

    potuje skozi snov ključno, da razumemo potek merjenj, je podan tudi kratek teoretični del o

    svetlobi in polarizirani svetlobi. Prvi dan vaj naj bi študenti izvedli sintezo tekočega kristala

    holesteril nonanoata, ki je podrobno opisana. Poučili pa naj bi se tudi o lastnostih anizotropnih

    snovi. Drugi dan vaj naj bi se študenti osredotočili na meritve, ki jim bodo pomagale določiti

    lomne količnike.

    Liberko in Shearer (2000) sta se v članku »Preparation of a surface-oriented liquid crystal -

    An experiment for the undergraduate organic chemistry laboratory«, za razliko od prej

    omenjenih avtorjev, lotila opisa postopka sinteze nematičnega tekočega kristala MBBA in ne

    holesternega. Reakcijska shema za sintezo MBBA je prikazana na sliki 2.34. Članek opisuje

    postopek sinteze tekočega kristala kot tudi nekaj eksperimentov, ki ponazarjajo optične

    lastnosti tekočih kristalov. Najdemo lahko opis izdelave celice, kjer uredimo molekule in jo

    opazujemo med polarizatorjema (slika 2.35). Obenem je podan tudi natančen opis dogajanja

    pri faznem prehodu. Poudarjena je zanimivost vaje za dodiplomske študente, ker jim

    omogoča, da sintetizirajo snov, ki je dejansko uporabna še za kak poskus, in sicer omogoča

    merjenje določenih fizikalnih lastnosti kot so npr. lomni količniki. Tako sinteza kot tudi

    opisani eksperimenti so enostavni za izvedbo.

  • 33

    NH2

    +

    O

    O

    H

    N

    O

    +

    H2O

    4-butilanilin p-anisaldehid MBBA voda

    Slika 0.34: Reakcijska shema za sintezo MBBA

    Slika 0.35: Tekoči kristal MBBA je zaradi zanimivih optičnih lastnosti videti pod

    polarizacijskim mikroskopom zelo barvit. Na spletu najdemo tudi gradivo namenjeno za pripravo eksperimentov s holesternimi tekočimi

    kristali z naslovom »Preparation of cholesteyl ester liquid crystals« (Cholesteryl Ester Liquid

    Crystals, 2005). V gradivu je kratek opis tekočih kristalov, pri čemer je poudarek na

    termotropnih tekočih kristalih. Holesterni tekoči kristali so termotropni, in sicer spremenijo

    barvo, če se jim spremeni temperatura. Obenem so občutljivi tudi na tlak. Gradivo vsebuje

    delovne liste za eksperimenta, pri katerih ugotavljamo občutljivost holesternih tekočih

    kristalov oz. njihovih mešanic na tlak in temperaturo.

    V članku »Polarizing Filters Aren't Supposed to Do That« Evans (2008) opiše, kako lahko

    študentom razložimo prehod svetlobe skozi polarizatorje. V nadaljevanju omeni, da večino

    študentov zanima, kako deluje tekočekristalni prikazovalnik, zato poda tudi opis njegovega

    delovanja.

  • 34

    S področja preučevanja tekočih kristalov lahko najdemo tudi nekaj zahtevnejših člankov, ki

    nakazujejo smiselnost vključitve le-teh v študijski proces. Naj jih nekaj navedemo: Crawford

    in Ondris-Crawford (1994) »Liquid crystal displays: molecules at work«, Moses et al. (2000)

    »Magnetic birefringence in a liquid crystal: An experiment for the advanced undergraduate

    laboratory«, Low (2002) »Measuring order and biaxiality«, Repnik et al. (2003) »Physics of

    defects in nematic liquid crystals«, Boruah (2009) »Dynamic manipulation of a laser beam

    using a liquid crystal spatial light modulator«. Crawford in Ondris-Crawford (1994) tudi

    pravita, da so tekoči kristali dober medij za povezavo osnovne fizike s tehnologijo in drugimi

    znanstvenimi disciplinami.

    Iz nekaj predstavljenih člankov kot tudi obširnejšega pregleda obstoječega znanstveno

    raziskovalnega dela ugotovimo, da se kaže težnja po vključitvi tekočih kristalov v študijski

    proces. Naša želja pa je vključiti tekoče kristale ne samo v pouk na dodiplomskem študiju,

    ampak nekaj vsebin o tekočih kristalih prenesti tudi v osnovne in več v srednje šole. Zato je

    potrebno raziskati, kakšno je trenutno stanje poznavanja tekočih kristalov. Odločili smo se

    analizirati znanje o tekočih kristalih pri študentih prvega letnika univerzitetnega študija, in

    sicer takoj po zaključenem srednješolskem izobraževanju na začetku študijskega leta.

    Pridobitev podatkov in analiza je ključna tema magistrskega dela. Rezultati pa bodo služili

    kot osnova za nadaljnje raziskave in pripravo konkretnih poskusov, učnih ur in vsebin na vseh

    stopnjah izobraževanja.

  • 35

    PROBLEM IN CILJI RAZISKAVE TER RAZISKOVALNA VPRAŠANJA

    Problem

    Teoretična izhodišča, ki smo jih predstavili v prejšnjem poglavju kažejo, da obstaja

    raziskovalni interes za preučevanje neformalno pridobljenega znanja študentov o tekočih

    kristalih. Poznavanje neformalno pridobljenega znanja o tekočih kristalih lahko služi kot

    izhodišče za oblikovanje učne enote, kjer bi študentom in dijakom predstavili osnovne

    značilnosti teh zanimivih materialov. Pri oblikovanju učne enote pa je prepotrebno vedeti, na

    čem gradimo.

    Ker nismo našli raziskav o poznavanju tekočih kristalih po koncu srednješolskega

    izobraževanja, smo se lotili zasnove študije, ki naj bi pojasnila, kakšno je znanje študentov, z

    interesom in brez za naravoslovje, o tekočih kristalih takoj po zaključenem srednješolskem

    izobraževanju.

    Cilji

    Tekoči kristali so razmeroma eksotični materiali, ki imajo lastnosti tekočin in kristalov hkrati.

    Imajo zanimive lastnosti za aplikacije, zato se pogosto uporabljajo v prikazovalnikih,

    telefonih, prenosnih računalnikih, itd. Tekoči kristali so bogat vir za pripravo učnih enot, ki

    temeljijo na opredelitvi konteksta in izbora pojmov na področju kemije in fizike

    (Brown, 1983; Wright, 1973). Na žalost pa danes tekoči kristali niso omenjeni niti v učnem

    načrtu kemije niti fizike za slovenske srednje šole, čeprav se v vsakdanjem življenju

    množično uporabljajo (ZRSŠ, 2010).

    Čeprav se študenti o tekočih kristalih ne učijo v šoli, smo pričakovali, da so pridobili nekaj

    znanja o njih tekom neformalnega izobraževanja. Zato je bil glavni namen raziskave

    ugotoviti, kakšne so predstave študentov univerzitetnega študija o tekočih kristalih takoj po

    končanem srednješolskem izobraževanju. Želeli smo ugotoviti vpliv spola, uspeha na maturi,

    stratuma prebivališča, domačega intelektualnega okolja, motivacije za učenje naravoslovja in

    smeri študija na razlike v znanju o tekočih kristalih.

  • 36

    Raziskovalna vprašanja

    Glede na problem in cilje študije so bila oblikovana naslednja raziskovalna vprašanja (RV):

    RV1: Kakšne so predstave študentov o tekočih kristalih po končanem srednješolskem

    izobraževanju?

    RV2: Kakšen je bil dosežek študentov na vprašalniku o tekočih kristalih glede na njihovo

    lastno oceno znanja o tekočih kristalih?

    RV3: Ali so razlike v znanju o tekočih kristalih pri študentih, ki študirajo kemijo ali fiziko,

    študentih drugih naravoslovnih ved in študentih družboslovja?

    RV4: Ali je med študenti in študentkami kakšna razlika med dosežki na vprašalniku o tekočih

    kristalih?

    RV5: Ali študenti, ki so bolj motivirani, kažejo statistično pomembno boljše poznavanje

    tekočih kristalov?

    RV6: Ali so razlike v znanju o tekočih kristalih pri študentih povezane s stratumom

    prebivališča?

    RV7: Ali so razlike v znanju o tekočih kristalih pri študentih povezane z domačim

    intelektualnim okoljem?

    RV8: Ali so razlike v znanju o tekočih kristalih pri študentih povezane z uspehom na maturi?

  • 37

    METODE DELA

    Pedagoška metodologija

    Izbira in velikost vzorca

    Množične pojave raziskujemo praviloma na vzorcih enot, rezultate pa lahko posplošimo na

    celotne populacije. Raziskovanje pojavov na vzorcih ima praktične prednosti pred

    raziskovanjem pojavov na celotnih populacijah, ki so na splošno zelo obsežne. Na ta način

    namreč prihranimo veliko denarja, truda in časa ter potrebujemo manj sodelavcev. Če hočemo

    priti na osnovi vzorca do čim točnejših spoznanj o celotni populaciji, moramo izbrati enote za

    vzorec tako, da bo vzorec reprezentativen. Če raziskujemo neko značilnost enot celotne

    populacije, bo vzorec z vidika te značilnosti čim bolj reprezentativen, čim bolj bo po strukturi

    take značilnosti podoben populaciji. Vrednosti parametrov v vzorcu nam služijo kot ocene

    vrednosti parametrov v osnovni populaciji.

    Vzorec lahko izberemo na enostaven način slučajnostno z žrebanjem, pri čemer ima vsaka

    enota osnovne populacije pri takem izboru enako možnost, enako verjetnost, da bo izbrana.

    Nadomestilo za slučajnostni izbor je sistematični izbor. Pri sistematičnem vzorcu so vsi

    elementi enako verjetni za izbor, vendar pa nimajo vsi elementi enake možnosti, da se

    pojavijo v vseh vzorcih. Pod določenimi pogoji predstavljajo populacijo tudi neslučajnostni

    vzorci. Primer neslučajnostnega vzorca je priročni vzorec. Priročni vzorec je skupina, ki nam

    je dostopna in jo vzamemo kot vzorec (predstavnico) širše populacije. Posplošujemo lahko

    takrat, če domnevamo, da se enote vzorca v relevantnih lastnostih ne razlikujejo od enot

    populacije. Pomembna je tudi velikost vzorca; v splošnem omogoča večji vzorec natančnejšo

    oceno nekega parametra (Sagadin, 2003).

    Raziskovalne metode

    Osnovne raziskovalne metode empiričnega pedagoškega raziskovanja po Sagadinu (1993)

    glede na gnoseološki (nivo spoznavanja pedagoškega polja) in akcijsko manipulativni kriterij

    (ali gre za eksperimentalne faktorje ali ne) so tri:

    1. Deskriptivna metoda: proučevanje na nivoju opisovanja stanja in brez vzročnega

    pojasnjevanja.

  • 38

    2. Kavzalna-neeksperimentalna metoda: proučevanje na nivoju vzročnega razlaganja

    oziroma iskanje odgovorov na vprašanje »zakaj«, pri čemer torej vzročna razlaga

    temelji na empiričnem preverjanju odvisnih zvez med pojavi.

    3. Eksperimentalna metoda: proučevanje na nivoju vzročnega razlaganja učinkov

    namernega vnašanja enega ali več eksperimentalnih dejavnikov v raziskovalno

    okoliščino.

    V skladu z navedeno klasifikacijo je vsaka empirična raziskava na deskriptivnem nivoju, ne

    pa nujno na kavzalnem (eksplikativnem), razen eksperimentalne.

    Postopki in inštrumenti zbiranja podatkov

    Podatke zbiramo z različnimi tehnikami in njim prilegajočimi inštrumenti (Cencič, 2002;

    Sagadin, 1993; Vogrinc, 2008; Čagran et al., 2008). Danes je uveljavljena razdelitev

    raziskovalnih tehnik v dve osnovni skupini:

    1. Kvantitativne tehnike

    Standardizirane (strukturirane, vezane) tehnike so tiste, katerih inštrumenti prinašajo

    kvantitativne podatke, torej podatke, ki so primerni za kvantitativno (statistično) obdelavo in

    statistično indukcijo (sklepanje iz posameznega na splošno). Sem sodijo:

    anketa (z anketnim vprašalnikom, sestavljenim iz vprašanj zaprtega tipa),

    standardizirani intervju ali ustna anketa (z anketnim vprašalnikom, sestavljenim

    pretežno iz vprašanj zaprtega tipa),

    strukturirano (sistematično, načrtno) opazovanje (z vezanimi protokoli),

    ocenjevalne lestvice,

    lestvice stališč (npr. Likertovega tipa),

    preizkusi (testi) znanja in

    analiza dokumentov (kvantitativna analiza vsebine, zasnovana na vnaprej določenih

    enotah analize).

    2. Kvalitativne tehnike

    Nestandardizirane (nestrukturirane, nevezane) tehnike so tiste, katerih inštrumenti prinašajo

    kvalitativne podatke, torej podatke, ki so primerni za kvalitativno obdelavo. Sem sodijo:

    anketa (z anketnim vprašalnikom, sestavljenim iz vprašanj odprtega tipa),

  • 39

    nestandardizirani intervju (sprotno oblikovanje vprašanj odprtega tipa),

    nestrukturirano (nenačrtno) opazovanje (nevezani protokoli) in

    analiza dokumentov (kvalitativna/fenomenološka analiza vsebine v funkciji

    ugotavljanja pomena, smisla sporočila).

    Inštrumente, ki jih potrebujemo, moramo v skladu s cilji raziskave največkrat izdelati kar

    sami, lahko pa uporabimo že obstoječe (v izvirni ali prirejeni obliki) ter preizkušene, pri

    čemer moramo navesti njihov izvor.

    Anketa

    V naši raziskavi smo uporabili kot merski inštrument anketo. Zato se temu inštrumentu v

    nadaljevanju podrobneje posvetimo. Anketa pomeni v metodologiji raziskovalnega dela

    postopek zbiranja podatkov, pri katerem postavljamo ustreznim osebam vprašanja, nanašajoča

    se na podatke, ki jih želimo zbrati. Vprašanim osebam pravimo anketiranci, osebam, ki ankete

    izvajajo, pa anketarji. Vprašujemo lahko pisno ali ustno. V prvem primeru gre za pisno

    anketo, v drugem pa za ustno.

    Inštrumentu ankete pravimo anketni vprašalnik ali samo vprašalnik. To velja tako za pisno

    kakor za ustno anketo. Anketni vprašalnik ni standardiziran instrument. Uporabljamo ga samo

    pri raziskavi, za katero ga sestavimo.

    Podatke, ki jih zbiramo z anketiranjem, lahko razvrstimo po več kriterijih ali vidikih:

    podatke o objektivnih dejstvih in dogajanjih s področja vzgajanja in izobraževanja

    (podatki o spolu, starosti, uspehu učencev),

    podatke o željah, mnenjih, stališčih in interesih anketiranih oseb (za to kategorijo gre,

    če vprašamo, kaj menijo učenci o vpeljavi sodobnih vsebin v pouk fizike; o

    poznavanju tekočih kristalov…).

    Pri sestavljanju anketnega vprašalnika moramo upoštevati, da:

    ne sprašujemo tistega, česar pri raziskavi ne potrebujemo,

    anketirancev ne vprašujemo po nečem, česar sploh ne morejo vedeti in česar tudi ne

    morejo iz ničesar sklepati ali od nikogar izvedeti,

  • 40

    pri vprašanjih o mnenjih in stališčih oseb moramo vnaprej zanesljivo vedeti, ali bodo

    anketirane osebe sploh razumele, za kaj bo šlo, in ali nam bodo torej sploh mogle dati

    uporabne odgovore,

    je pri vprašanjih, ki se nanašajo, na preteklost, smiselno spraševati po podatkih, ki se

    jih bodo dovolj natančno spomnili,

    predvidene anketirane osebe dovolj poznamo, če hočemo preudarjati o tem, kaj od njih

    lahko izvemo in česa ne.

    Anketna vprašanja so lahko različno sestavljena in načini odgovarjanja nanje so lahko

    različni. Po tem razlikujemo dve osnovni skupini vprašanj:

    vprašanja odprtega tipa (odprta vprašanja, vprašanja s prostimi odgovori), na katera

    anketiranec odgovarja tako, da sam formulira odgovore, pri pisnem anketiranju jih tudi

    napiše,

    vprašanja zaprtega tipa (zaprta vprašanja, vprašanja z vezanimi odgovori), kjer so

    odgovori že vnaprej formulirani in v vprašalniku tudi napisani; anketiranec odgovarja

    na vprašanje tako, da izbere med vnaprej navedenimi odgovori tistega, ki njemu

    ustreza.

    Če dovolj zanesljivo poznamo vse možne odgovore in če jih ni preveč, uporabimo načeloma

    vprašanja zaprtega tipa. Drugače se odločimo za odprta vprašanja. Vsak tip anketnih vprašanj

    ima svoje odlike in slabosti. Odgovori na odprta vprašanja lahko omogočijo raziskovalcu (ob

    skrbnem in ustreznem odgovarjanju) izčrpnejši vpogled v tisto, po čemer vprašuje, kot pa mu

    to omogočajo vnaprej pripravljeni odgovori pri vprašanjih zaprtega tipa. To velja še posebej

    takrat, kadar sprašujemo po mnenjih, željah, interesih, stališčih, ko še teže dosežemo izčrpnost

    možnih odgovorov kakor pri vprašanjih o objektivnih dejstvih. Vnaprej pripravljenih

    odgovorov je vedno le omejeno število, pri odgovarjanju na odprta vprašanja pa te omejenosti

    ni. Vendar, če anketiranec odgovori na naše vprašanje hitro in površno ter napiše preprosto

    tisti odgovor, ki se ga najprej spomni, ne pa tistega, ki bi v resnici najbolj ustrezal, ne bo od

    omenjene prednosti odprtih vprašanj prave koristi. Večja izčrpnost odgovorov bo le

    navidezna. Pri zaprtih vprašanjih je manjša verjetnost, da bomo dobili trivialni odgovor, ki se

    ga bo anketiranec slučajno spomnil, saj ga že vprašalnik spomni na več možnih odgovorov.

    Če pa nobeden od vnaprej pripravljenih odgovorov anketirancu ne ustreza, pa od omenjene

    prednosti zaprtega vprašanja spet ne bo koristi, saj ne bomo dobili ustreznega odgovora. Tako

    nevarnost zmanjšamo, če damo možnost, da anketiranec odgovor napiše sam, če mu nobeden

  • 41

    od predloženih ne ustreza. Pri vprašanjih odprtega tipa anketiranci pogosto odgovarjajo tudi z

    vidikov, ki nimajo z namenom naše raziskave nič ali vsaj ne dovolj skupnega. Že v fazi

    preizkušanja anketnega vprašalnika se mora raziskovalec vprašati, kako bo vprašanja

    vsebinsko in oblikovno izboljšal, da bo dobil uporabne odgovore. Z odprtimi vprašanji so

    nevšečnosti še pri kategoriziranju prostih odgovorov, težave pa se pojavijo tudi zaradi

    določanja kategorij odgovorov. Vse to pri zaprtih vprašanjih odpade, ker so pri teh odgovori

    že vnaprej kategorizirani. Tudi odgovarjanje na odprta vprašanja je zamudnejše kot

    odgovarjanje na zaprta vprašanja, pri katerih je treba le primerno označiti izbrane odgovore.

    Anketno vprašanje mora biti oblikovano tako, da ga anketiranec pravilno razume in mu je

    jasno, kaj od njega hočemo.

    Anketni vprašalnik je pri pedagoških raziskavah med najpogosteje uporabljenimi pripomočki

    za zbiranje podatkov. Primerna vsebinska zasnovanost vprašalnika je prvi in nujni pogoj, da z

    vprašalnikom sploh zberemo podatke, ki jih potrebujemo. Z operativnim načrtovanjem

    vsebine anketnega vprašalnika angažiramo svoje znanje o problemu, ki ga raziskujemo, in

    raziskovalne sposobnosti ter metodološko znanje. Potrebno je poznati namen anketiranja

    (teoretična analiza) in tehnike sestavljanja vprašanj (sestavljanje vprašalnika). Vprašanja naj

    bodo jasna, nesugestivna, smiselna, primerno specifična, brez nepotrebnih nedoločenih

    izrazov, primernega tipa in vrste ter primerno razporejena v anketni vprašalnik.

    V posamezno raziskavo lahko vključimo enega ali več anketnih vprašalnikov. Za vsakega

    moramo nadrobno določiti, po čem bomo z njim vpraševali in za kaj bomo uporabili dobljene

    odgovore. Anketiranje lahko izvedemo s pomočjo anketarjev. Lahko je individualno (ustno)

    ali skupinsko (pisno). Skupinsko anketiranje se deli še na nevodeno ali vodeno izpolnjevanje

    vprašalnika.

    V anketnih vprašalnikih pogosto zasledimo lestvice stališč, ki so merski postopki za merjenje

    stališč. Dimenziji stališč sta smer in stopnja. Pri smeri ugotavljamo, ali je oseba za ali proti

    nečemu, ali soglaša ali ne soglaša z nečim (če merimo samo smer, imamo samo anketni

    vprašalnik in ne lestvice). Pri stopnji ugotavljamo, ali je oseba povsem za, ali le deloma za

    nekaj. Po stopnji lahko stališča variirajo od popolnega soglašanja do popolnega nesoglašanja z

    nečim. Lestvica stališč je lahko del ankete.

  • 42

    Glavna oblika lestvice stališč je Likertova. Likertova lestvica stališč je sestavljena iz trditve in

    več stopenj strinjanja. Glavni fazi lestvice sta opredeljevanje predmeta merjenja in zbiranje

    večjega števila izjav, ki izražajo stališča, ki jih želimo raziskati pri neki populaciji.