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.