Odbicie i załamanie światła. Co widzę w lustrze? Eilish McLoughlin

Transkrypt

1 JEDNOSTKA DYDAKTYCZNA SAILS ŚWIATŁO Odbicie i załamanie światła. Co widzę w lustrze? Eilish McLoughlin

2 ŚWIATŁO Odbicie i załamanie światła. Co widzę w lustrze? PRZEGLĄD TREŚCI I METOD OCENY KLUCZOWE TREŚCI/POJĘCIA Źródła światła Przedstawienie sposobu, w jaki porusza się światło Cienie i co decyduje o wielkości cienia na ekranie Skład światła białego, barwy podstawowe oraz efekt użycia filtrów Odbicie światła i tworzenie obrazu w zwierciadłach płaskich Załamanie światła i tworzenie obrazu w soczewkach POZIOM Gimnazjum Szkoła ponadgimnazjalna OCENIANE UMIEJĘTNOŚCI BADAWCZE Planowanie badań Formułowanie hipotez Formułowanie spójnych argumentów Praca w grupie OCENA UMIEJĘTNOŚCI MYŚLENIA I ARGUMENTOWANIA NAUKOWEGO ORAZ PODSTAWOWEJ WIEDZY I UMIEJĘTNOŚCI NAUKOWYCH Podejmowanie rozsądnych decyzji Wyjaśnianie pojęć w sposób naukowy METODY OCENY Rozmowa z uczniami Obserwacja nauczyciela Samoocena Karty pracy Materiały dydaktyczne dostępne on-line: Ocenianie uczniów samodzielnie dociekających wiedzę. Materiały dydaktyczne projektu SAILS. Tom 1

3 WSTĘP W jednostce dydaktycznej opracowanej w ramach projektu SAILS zatytułowanej Światło uczniowie badają głównie w sposób jakościowy właściwości fizyczne światła i jego oddziaływanie z materią. W jednostce opisana została seria ośmiu ćwiczeń mających na celu pogłębienie wiedzy uczniów na temat światła i jego właściwości. Dzięki realizacji ćwiczeń uczniom łatwiej jest zrozumieć, że źródła światła mają specyficzne właściwości fizyczne, dzięki którym można określić właściwości światła, takie jak jego kolor i intensywność. Uczniowie mogą badać oddziaływanie światła na materię i analizować takie zjawiska jak odbicie i załamanie światła. Ćwiczenia w tej jednostce dydaktycznej dostosowane są do realizacji metodą ukierunkowanego dociekania naukowego (guided inquiry), a do każdego ćwiczenia dołączono karty pracy dla uczniów. Jednostka ta została przetestowana przez nauczycieli w trzech krajach Irlandii, Grecji i Niemczech, skutkując powstaniem czterech studiów przypadku (uczniowie w wieku lat; grupy mieszane pod względem umiejętności i płci). Przyjętą metodą nauczania we wszystkich przypadkach było dociekanie ukierunkowane przez nauczyciela (guided inquiry). Ocena umiejętności formułowania spójnych argumentów została opisana we wszystkich studiach przypadku, a w przypadku niektórych klas oceniono również planowanie badań, formułowanie hipotez i pracę w grupie. Dwóch nauczycieli realizujących jednostkę oceniło podstawową wiedzę i umiejętności naukowe uczniów (wyjaśnianie pojęć w sposób naukowy), a jeden nauczyciel ocenił także umiejętność myślenia i argumentowania naukowego (podejmowanie uzasadnionych decyzji). W jednostce pojawia się kilka możliwości oceny umiejętności badawczych uczniów, w szczególności: planowania badań, formułowania hipotez, formułowania spójnych argumentów i pracy w grupie. Ponadto uczniowie mogą również rozwijać umiejętność myślenia i argumentowania naukowego oraz swoją podstawową wiedzę i umiejętności naukowe. Stosowane metody oceny obejmują obserwacje nauczyciela, rozmowy z uczniami, ocenę kart pracy oraz samoocenę. ŚWIATŁO 45

4 2. REALIZACJA JEDNOSTKI 2.1. Ćwiczenia Ćwiczenia opisane w jednostce zatytułowanej Światło zostały opracowane w ramach projektu FP7 ESTABLISH 1 i przystosowane do wykorzystania w projekcie SAILS przez zespół z Dublin City University. W jednostce zaprezentowano osiem ćwiczeń (ćwiczenia A-H), w ramach których uczniowie najpierw zapoznają się z podstawowymi pojęciami dotyczącymi światła, takimi jak klasyfikacja obiektów według cech optycznych, właściwości fizyczne światła (np. kolor, jasność), cienie oraz światło, którego nie można dostrzec gołym okiem. Wiedza ta jest wykorzystywana przez uczniów do pogłębiania zrozumienia właściwości fal świetlnych oraz przedstawienia sposobu, w jaki światło się porusza. Uczniowie badają właściwości światła białego, jego kolory składowe i barwy podstawowe. Analizują także wpływ filtrów na intensywność i kolory światła. Na koniec uczniowie badają interakcje światła z lustrami i soczewkami (odbicia i załamania) oraz sposób, w jaki powstają obrazy światła. Ćwiczenie A: Co jest źródłem światła? Podstawowe pojęcia Umiejętności badawcze Umiejętność myślenia i argumentowania naukowego oraz podstawowa wiedza i umiejętności naukowe Metody oceny Źródła światła Formułowanie spójnych argumentów Powtórzenie wcześniejszej wiedzy, zrozumienie właściwości światła Rozmowa z uczniami Karty pracy Wprowadzenie Uczniowie poznają różne źródła światła i mają za zadanie rozróżnić między obiektami, które są źródłami światła i tymi, które nimi nie są. Ma to na celu (1) zwiększenie zainteresowania uczniów tematyką związaną ze światłem, (2) nauczenie ich, jak rozróżnić obiekty będące źródłami światła od tych, które nimi nie są, (3) zrozumienie przez uczniów, że źródła światła mają różne właściwości, oraz (4) zrozumienie, że światło może nie być widoczne dla ludzkiego oka. Uczniowie powinni zrozumieć, że trudno jest znaleźć jedną zasadę, dzięki której można odróżnić źródła światła od innych obiektów. Takie podejście zapewnia nauczycielowi informacje na temat wcześniejszej wiedzy uczniów i odkrywa wstępne koncepcje uczniów na ten temat, na przykład, że źródła światła muszą być z natury źródłami elektrycznymi lub że wszystkie obiekty są źródłem światła widzialnego, ponieważ możemy je zobaczyć. Propozycja przebiegu zajęć Materiały: świeczka, latarka, pilot do TV na podczerwień, rzutnik/ folia do rzutnika lub tablica/marker do pisania po tablicy, telefon komórkowy (z aparatem) 1. Uczniowie proszeni są o zastanowienie się nad tym, jakie obiekty mogą zobaczyć w klasie lekcyjnej, oraz o zrobienie (krótkiej) listy wybranych obiektów w swojej karcie pracy (rys. 1). Następnie można zorganizować dyskusję na temat tego, czy obiekty te są źródłami światła, czy też nie. 2. Uczniowie powinni próbować opisać różnice między dwoma różnymi źródłami światła, świecą i latarką, na podstawie ich cech fizycznych (tj. intensywności światła, jakiego koloru światło dane źródło emituje, czy źródło światła jest gorące, czy źródło wymaga baterii itp.). 3. Lista kryteriów określonych dla pierwszych dwóch źródeł może później zostać rozszerzona na inne źródła światła. Uczniowie mogą następnie zastanowić się (w małych grupach lub na forum całej klasy), czy obiekty, które są źródłami światła, mają właściwości podobne do tych, które nimi nie są. 4. Na koniec można zaprezentować uczniom pilota do TV na podczerwień. Uczniowie zostają poproszeni o określenie, czy jest to źródło światła, czy też nie. Mogą skorzystać z aparatu fotograficznego w telefonie komórkowym, aby nagrać obraz diody LED pilota w chwili, gdy nauczyciel naciska przycisk. Czujniki stosowane w cyfrowych aparatach fotograficznych i w telefonach komórkowych są zazwyczaj wrażliwe na działanie światła podczerwonego i choć światło to jest niewidoczne gołym okiem, można uchwycić je patrząc przez obiektyw aparatu. Możliwe pytania nauczyciela Które ze źródeł światła są gorące? Czy wszystkie źródła światła są gorące? Które ze źródeł światła są ciałami stałymi, a które cieczami lub gazami? Które ze źródeł światła związane są z reakcjami chemicznymi? Jeśli widzimy ściany, stoły i krzesła, czy są one również źródłami światła? Jeśli nie, to dlaczego możemy je zobaczyć? Czy istnieje jedna charakterystyczna cecha fizyczna, która wyjaśnia, dlaczego niektóre obiekty są źródłem światła, a inne nie? Czy energia odgrywa w tej kwestii jakąś rolę? Ćwiczenie B: W jaki sposób przemieszcza się światło? Podstawowe pojęcia Umiejętności badawcze Umiejętność myślenia i argumentowania naukowego oraz podstawowa wiedza i umiejętności naukowe Metody oceny Światło jest falą Formułowanie spójnych argumentów Zrozumienie, że światło jest falą, że odbija się od ścian, oraz tego, w jaki sposób można stworzyć model światła, wykorzystując promienie Rozmowa z uczniami Karty pracy 1 Jednostka dydaktyczna Światło projektu Establish, [dostęp: październik 2015]. 46 Ocenianie uczniów samodzielnie dociekających wiedzę. Materiały dydaktyczne projektu SAILS. Tom 1

5 Arkusz pracy 1. Co jest źródłem światła? Światło jest wszędzie wokół nas, pozwala nam widzieć, ale skąd bierze się światło? 1. Rozejrzyj się po swojej klasie i przygotuj listę pięciu przedmiotów, które widzisz: Czy któryś z tych pięciu przedmiotów jest źródłem światła? 3. Czy świeca i latarka są źródłami światła? Wyjaśnij Jakie są różnice między świecą i pochodnią w zakresie ich właściwości fizycznych? 5. Naukowcy zajmują się między innymi opisem obiektów w naszym wszechświecie, co pozwala na ich grupowanie według wspólnych właściwości. W tabeli poniżej wpisz pięć różnych źródeł światła i przypisz każdemu z nich cztery właściwości. Źródło Właściwość 1 Właściwość 2 Właściwość 3 Właściwość 4 światła Czy każde ze źródeł światła ma takie same właściwości? 7. Czy wypisane właściwości są charakterystyczne tylko dla obiektów będących źródłem światła, czy mogą je posiadać również obiekty, które nie świecą? 8. Dlaczego widzimy obiekty niebędące źródłem światła? Rysunek 1. Karta pracy dla ćwiczenia A: Co jest źródłem światła? Wprowadzenie Celem tego ćwiczenia jest pogłębianie zrozumienia przez uczniów faktu, że światło jest falą, istnieje w przestrzeni wokół nas, odbija się od powierzchni, a także tego, w jaki sposób można stworzyć model poruszającego się światła przy pomocy wektorów sybmolizujących promienie. Zagadnienia te są omawiane z wykorzystaniem pytania w kartach pracy (rys. 2). Propozycja przebiegu zajęć Materiały: karton z wyciętym otworem w jednym boku, żarówka (~40 W), rzutnik/folia do rzutnika lub tablica/marker do pisania po tablicy 1. Żarówka zostaje umieszczona na środku zaciemnionej sali lekcyjnej i włączona. Uczniowie gromadzą się w pobliżu żarówki i mają za zadanie podnieść rękę, gdy zobaczą światło emitowane przez tę żarówkę. 2. Następnie uczniowie zostają poproszeni o zajęcie miejsc przy ścianach sali, w dużych odległościach od siebie. Nauczyciel powinien zapytać uczniów, czy byliby w stanie zobaczyć światło emitowane przez żarówkę, gdyby stanęli w wolnych miejscach, które pozostawili między sobą. 3. Następnie uczniowie stają twarzą do ścian sali i zostają poproszeni o podniesienie ręki, jeśli nadal widzą światło z żarówki, mimo że nie stoją do niej twarzami. Żarówkę należy na chwilę wyłączyć, a następnie włączyć i zapytać uczniów, czy chcą zastanowić się jeszcze raz nad odpowiedzią na pytanie, czy widzą światło z żarówki, gdy nie są do niej zwróceni twarzami. 4. Korzystając np. z folii i rzutnika, żarówkę należy przedstawić na folii jako kropkę na środku, a pozycje uczniów i ich kierunek widzenia w stosunku do żarówki oznaczyć strzałkami z uwzględnieniem trzech wyżej opisanych sytuacji (kroki 1-3). Dzięki temu powstaną (mniej więcej) koncentryczne pierścienie o różnych średnicach. 5. Następnie uczniowie mają się zastanowić nad tym, jak światło dotarło do nich w każdym przypadku. Nauczyciel powinien sterować dyskusją tak, aby zmierzała do wniosków wskazujących, że światło rozprzestrzenia się w kierunku od żarówki i można je bezpośrednio porównać do fal dźwiękowych. 6. W kolejnym etapie uczniowie omawiają to, jak światło dotarło do ich oczu, gdy stali twarzą do ściany, i zastanawiają się nad kierunkiem, w jakim światło przemieszczało się od żarówki do każdego obserwatora. Nauczyciel powinien kierować dyskusją zmierzającą do wyciągnięcia wniosków dotyczących prostoliniowego rozchodzenia się światła żarówki. 7. W ramach zadania dodatkowego, uczniowie mogą zostać poproszeni o zastanowienie się, gdzie musieliby stanąć, aby zobaczyć światło z żarówki po tym, jak zostanie ona przykryta pudełkiem z małym otworem z boku. Następnie mogą sprawdzić swoje przypuszczenia, wykonując doświadczenie z podnoszeniem rąk, podobne do realizowanego na początku ćwiczenia, a także stworzyć mapę pozycji, z których są w stanie zobaczyć światło. Zadanie to może zostać wykorzystane do pokazania zasadności modelu promienistego w prognozowaniu drogi rozprzestrzeniania się światła i miejsca, w którym muszą stanąć uczniowie, aby zobaczyć światło wydobywające się z pudełka. ŚWIATŁO 47

6 Arkusz pracy 2. W jaki sposób przemieszcza się światło? Świecąca żarówka została umieszczona na środku klasy. 1. Na rysunku poniżej prostokąt stanowi ściany klasy, a kółko wskazuje umieszczenie żarówki. W którym obszarze pomieszczenia można wykryć światło z żarówki? Zaznacz ten obszar na rysunku. Ściany Możliwe pytania nauczyciela Jeżeli zmienimy wielkości otworu w pudełku, czy wpłynie to na miejsca w sali, w których jesteście w stanie dostrzec żarówkę? Co dzieje się ze światłem, które nie wydobywa się (nie wychodzi) z otworu w pudełku? Ćwiczenie C: Cienie Żarówka Podstawowe pojęcia Cienie oznaczają nieobecność światła 2. Rozważ osobę stojącą w rogu klasy. Ściany Umiejętności badawcze Planowanie badań Formułowanie spójnych argumentów Żarówka Czy światło żarówki dociera do tej osoby? Uzasadnij swoją odpowiedź. Na rysunku zaznacz drogę, którą musi przebyć światło z żarówki do osoby. Jak zmienia się ta droga, gdy osoba zamknie oczy? Umiejętność myślenia i argumentowania naukowego oraz podstawowa wiedza i umiejętności naukowe Metody oceny Wprowadzenie Zrozumienie cieni i tego, co decyduje o wielkości cienia na ekranie Rozmowa z uczniami Karta pracy 3. Teraz rozważ sytuację, w której cztery osoby są skierowane w stronę żarówki. Żarówka Ściany Narysuj drogę, którą przebywa światło od żarówki do każdej z osób. 4. Załóżmy teraz, że powyższe osoby odwróciły się twarzami do ściany czy nadal widzą światło żarówki? Wyjaśnij swoją odpowiedź. 5. Żarówkę umieszczono w pudełku z małym otworem z boku. Ściany Zaznacz na rysunku obszar, w którym można zobaczyć światło żarówki. Wyjaśnij swoją odpowiedź. Rysunek 2. Karta pracy dla ćwiczenia B: W jaki sposób porusza się światło? Nauczyciel prosi uczniów, aby zastanowili się nad procesem powstawanie cieni. Badają oni parametry, które wpływają na powstawanie cieni i czynników, wpływających na ich rozmiar/ tworzenie się na ekranie. Uczniowie mają za zadanie zinterpretować swoje obserwacje i omówić je w odniesieniu do posiadanej wiedzy na temat właściwości światła. Propozycja przebiegu zajęć Materiały: małe latarki lub żarówki, kwadraty z kartonu o kilkucentymetrowej krawędzi (do rzucania cienia), stojaki laboratoryjne do trzymania latarek, biały arkusz papieru do wykorzystania jako ekran. 1. Uczniowie rozpoczynają od naszkicowania w swoich kartach pracy sposobu, w jaki należy rozmieścić źródło światła i kawałki tektury, tak aby mogli obserwować cień na ekranie (rys. 1). 2. Następnie uczniowie badają jakościowo powstawanie cieni, ustalają, jakie zmienne wpływają na wielkość, umiejscowienie i inne właściwości cienia. Nauczyciel wspiera odkrywanie wiedzy przez uczniów poprzez zadawanie im następujących pytań: a. Jeśli ekran projekcyjny i latarka są ustawione w miejscu, w jaki sposób zmieni się wielkość cienia przy przesuwaniu kwadratu z tektury w kierunku do lub od latarki? b. Jeśli latarka i kwadrat z tektury są ustawione w miejscu, w jaki sposób zmieni się wielkość cienia przy przesuwaniu ekranu w kierunku do lub od kwadratu? c. Jeśli ekran i kwadrat z tektury są ustawione w miejscu, w jaki sposób zmieni się wielkość cienia przy przesuwaniu latarki w kierunku do lub od kwadratu? 3. Uczniowie mają za zadanie wyjaśnić swoje obserwacje na podstawie wiedzy na temat właściwości światła i jego rozchodzenia się. 48 Ocenianie uczniów samodzielnie dociekających wiedzę. Materiały dydaktyczne projektu SAILS. Tom 1

7 Arkusz pracy 3. Cienie 1. W ramce poniżej narysuj, jak umieścił(a)byś żarówkę, kartonowy kwadrat i papierowy ekran, aby pokazać cień. 4. Czy istnieje inna możliwość powiększenia cienia? (Wskazówka: Ustawienie którego elementu układu zmieniłeś(-aś) w podpunkcie 3? Czy tylko zmiana położenia tego elementu wpływa na wielkość cienia?) 2. Teraz zbuduj układ zgodnie ze swoim rysunkiem. Czy widzisz cień po włączeniu żarówki? Jak myślisz, dlaczego cień się tworzy? 3. Zmień układ w ten sposób, aby uzyskać większy cień na ekranie. Wyjaśnij, jakie zmiany musiały zostać wprowadzone. 5. W tym eksperymencie są trzy zmienne, dzięki którym można wpływać na rozmiar cienia. Podaj te zmienne. 6. Wybierz zmienną, której wpływu do tej pory nie badałeś(-aś). Zastanów się, jak należy zmienić ten parametr, aby cień stał się mniejszy. Jakie zmiany należy wprowadzić w Twoim układzie, aby zaobserwować ten efekt? Teraz wprowadź zmiany do swojego układu. Czy wynik jest zgodny z oczekiwaniem? Wyjaśnij. 7. Poniższy rysunek przedstawia względne położenie żarówki, kawałka kartonu i papierowego ekranu. 8. Narysuj cień, jakiego się spodziewasz w kolejnych przypadkach: Ekran Żarówka Karton Cień Fragment oświetlony (i) Narysuj drogę, którą przebywa światło od żarówki do kartonu. Czy światło dociera do ekranu? Wyjaśnij. (i) (ii) Narysuj drogę, którą przebywa światło od żarówki do ekranu. Czy światło dociera do wszystkich obszarów ekranu? Wyjaśnij. (ii) (iii) Rysunek 3. Karta pracy dla ćwiczenia C: Cienie ŚWIATŁO 49

8 Możliwe pytania nauczyciela Jeśli przed żarówką umieszczę zieloną butelkę, zobaczę jej zieloną sylwetkę odbijająca się na ścianie. Sylwetka ta będzie się powiększała i malała w zależności od położenia butelki między ścianą a żarówką. Czy to także jest cień? Ćwiczenie D: Badanie światła białego i filtrów Podstawowe pojęcia Umiejętności badawcze Umiejętność myślenia i argumentowania naukowego oraz podstawowa wiedza i umiejętności naukowe Metody oceny Światło białe jako mieszanina barw Wykorzystanie filtrów Formułowanie hipotez Formułowanie spójnych argumentów Zrozumienie, jak teoretyczne pojęcia odnoszą się do świata rzeczywistego Rozmowa z uczniami Karty pracy Wprowadzenie W ćwiczeniu tym analizowane jest założenie, że światło białe składa się z wielu różnych barw. Aby zademonstrować to zjawisko, uczniowie badają efekty stosowania filtrów. Zauważają, że dany filtr przepuszcza tylko niektóre kolory, a zatem zestawiając kilka filtrów, mogą wykazać, że światło białe składa się z wielu kolorów. Uczniowie zachęcani są do zastanowienia się również nad zjawiskiem, jakim jest tęcza, i odniesienia go do swoich badań laboratoryjnych. Badania te pozwalają na pogłębienie podstawowej wiedzy i umiejętności naukowych uczniów. Propozycja przebiegu zajęć Materiały: latarka z nakładką z kartonu o wąskiej szczelinie, pryzmaty szklane, dobrej (teatralnej) jakości filtry transmisyjne w kolorze czerwonym, zielonym lub niebieskim, kolorowe ekrany z kartonu. 1. Każdy uczeń otrzymuje kartę pracy, a następnie ma za zadanie poświecić latarką z nakładką przez pryzmat na białą kartkę papieru (rys. 4). Uczniowie zobaczą znajome kolory tęczy czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, indygo i fioletowy. Następnie uczniom przedstawione zostają dwa alternatywne wyjaśnienia tego zjawiska: (1) pryzmat przekształca światło białe na kolorowe lub (2) światło białe jest mieszaniną barw, które następnie są rozdzielane przez pryzmat. 2. Uczniowie być może będą znali prawidłową odpowiedź, jednak nie mogą jej podać na podstawie swoich obserwacji. Należy następnie poprosić o zaproponowanie doświadczenia, dzięki któremu będzie można podać właściwe rozwiązanie, na przykład wykorzystanie dwóch pryzmatów do pokazania, że widmo barw można przekształcić ponownie tak, aby przywrócić światło białe. Można to zrobić w postaci pokazu dla uczniów, choć nie rozwiąże to przedstawionego problemu nawet przy wykorzystaniu dwóch pryzmatów nadal nie jest jasne, czy spektrum kolorów jest obecne w białym świetle przed interakcją z pryzmatami. 3. Następnie uczniowie powinni zbadać wykorzystanie kolorowych filtrów. Umieszczając czerwony, zielony lub niebieski filtr transmisyjny pomiędzy pryzmatem a ekranem, zaobserwują, że widoczny jest tylko dany kolor. Jeśli teraz uczniowie umieszczą taki filtr pomiędzy latarką a pryzmatem, zauważą, że światło czerwone przechodzi przez filtr, przechodzi przez pryzmat i pojawia się na ekranie. Uczniowie mogą powtórzyć ten proces z wykorzystaniem różnych filtrów, tym samym udowadniając, że światło białe jest mieszaniną różnych kolorów i są one rozpraszane przez pryzmat. 4. Kluczowa w tym doświadczeniu jest jakość filtrów. Jeśli liczba filtrów stanowi problem, ćwiczenie to może być realizowane w formie interaktywnej demonstracji dla uczniów zachęcanych do umieszczania filtrów w odpowiednich miejscach i zapisywania wyników. 5. Doświadczenie to może zostać również wykonane w formie symulacji komputerowej, np. z wykorzystaniem apletu dostępnego na stronie freezeray.com 2, który pozwala na interaktywne badanie efektów działania filtrów o różnych barwach. Możliwe pytania nauczyciela Jeśli słońce wytwarza światło białe, co takiego dzieje się ze światłem, że liście w lecie mają kolor zielony? Dlaczego jesienią liście są czerwone i pomarańczowe? Jak powstają tęcze? Czy istnieje jedna cecha fizyczna wyjaśniająca, dlaczego niektóre obiekty są źródłem światła, a inne nie? Czy energia odgrywa tu jakąś rolę? Ćwiczenie E: Badanie barw podstawowych Podstawowe pojęcia Umiejętności badawcze Umiejętność myślenia i argumentowania naukowego oraz podstawowa wiedza i umiejętności naukowe Metody oceny Światło białe jako mieszanina kolorów barwy podstawowe Formułowanie spójnych argumentów Zrozumienie właściwości światła, zrozumienie zastosowania teoretycznych pojęć w świecie rzeczywistym Rozmowa z uczniami Karty pracy Wprowadzenie Ćwiczenie to oparte jest na koncepcji światła białego jako mieszaniny barw. Uczniowie zapoznają się z siedmioma kolorami widocznymi, gdy światło przechodzi przez pryzmat lub gdy tworzy 2 Freezeray.com materiały do nauki fizyki, [dostęp: październik 2015]. 50 Ocenianie uczniów samodzielnie dociekających wiedzę. Materiały dydaktyczne projektu SAILS. Tom 1

9 się tęcza. Ćwiczenie to ma na celu zbadanie barw podstawowych, co prowadzi do zrozumienia przez uczniów, że zmieszanie czerwonego, zielonego i niebieskiego światła może w efekcie dać światło białe. Koncepcję barw podstawowych można zaprezentować poprzez badanie pikseli ekranu (telefonu lub komputera) za pomocą szkła powiększającego lub mikroskopu. Arkusz pracy 4. Badanie światła białego i filtrów W tym eksperymencie zbadamy, co dzieje się ze światłem białym gdy przechodzi przez pryzmat. Na latarce zamocuj kawałek kartonu z otworem tak, aby otrzymać wąski promień światła. Skieruj promień na jednej ze ścian pryzmatu i postaraj się ustawić pryzmat i latarkę w ten sposób, aby światło wychodzące z pryzmatu skierowane było na biały ekran. 1. Zapisz, co zaobserwowałeś i narysuj względne położenie latarki, pryzmatu i ekranu. Na rysunku oznacz również względne położenie światła barwy czerwonej i niebieskiej. 2. Istnieją dwa możliwe wytłumaczenia mechanizmu powstawania zaobserwowanych barw: (a) Pryzmat zmienia światło białe w różne kolory. (b) Światło białe jest mieszaniną światła o różnych barwach, a w pryzmacie zachodzi rozdzielenie tych barw. Która wersja wytłumaczenia jest prawdziwa? Czy możesz uzasadnić swój wybór opierając się na swoich obserwacjach? Czy możesz zaproponować eksperyment pozwalający zbadać, które w wytłumaczeń jest poprawne? 3. Weź kolorowy filtr i umieść go na drodze światła opuszczającego pryzmat. Arkusz pracy 5. Badanie barw podstawowych 1. Co zaobserwujemy, gdy zmieszamy promienie światła o różnych barwach? latarka pryzmat filtr ekran Jakiej barwy jest światło docierające do ekranu?... Wyjaśnij, w jaki sposób filtr wpływa na światło. 4. Weź kolorowy filtr i umieść go na drodze światła zanim dotrze do pryzmatu. 2. Co zaobserwujemy, gdy zmieszamy promienie światła o różnych barwach i o różnych intensywnościach? latarka filtr pryzmat ekran Jakiej barwy jest światło docierające do ekranu?... Jakiej barwy jest światło po przejściu przez filtr? Które z wyjaśnień podanych w pkt 2 jest zgodnych z Twoimi obserwacjami? Wytłumacz. Rysunek 4. Karty pracy dla ćwiczenia D: Badanie światła białego i filtrów oraz dla ćwiczenia E: Badanie barw podstawowych ŚWIATŁO 51

10 Propozycja przebiegu zajęć Materiały: rzutnik, arkusz kartonowy o rozmiarach ok. 300 x 300 mm z trzema identycznymi otworami o wymiarach ok. 15 x 30 mm, czerwony, zielony i niebieski filtr, 3 małe zwierciadła płaskie, filtry o niskiej i normalnej gęstości optycznej, szkło powiększające/ mikroskop. 1. Przy pomocy taśmy przyklej czerwony, zielony i niebieski filtr o niskiej gęstości optycznej na każdym z otworów w kartonie i umieść go na rzutniku, aby stworzyć trzy odrębne wiązki kolorowego światła. Poproś uczniów, aby za pomocą zwierciadła starali się uchwycić każdy z kolorów podstawowych, skierowali je na sufit lub tablicę. Uczniowie obserwują oraz notują w swoich kartach pracy kolor, który pojawia się, gdy dowolne dwie wiązki światła łączą się oraz kiedy połączą się wszystkie trzy wiązki światła (rys. 4). 2. Następnie należy poprosić uczniów o zastanowienie się, co by się stało, gdyby światło czerwone, zielone lub niebieskie nie było tak intensywne jak pozostałe na przykład gdyby światło czerwone było słabsze niż zielone, jaki kolor powstanie przez ich połączenie? Uczniowie mogą następnie sprawdzić swoje przypuszczenia, umieszczając filtry o gęstości normalnej na wcześniej zamontowanych filtrach i ponownie łącząc wiązki światła. 3. Na koniec uczniowie powinni zastanowić się, czy jakiekolwiek znane im urządzenie emituje różne kolory poprzez łączenie tylko czerwonego, zielonego i niebieskiego światła o różnym natężeniu. Mogą oni sprawdzić, że takie właśnie światło emituje telewizor, laptop czy telefon komórkowy, analizując piksele ekranu z pomocą szkła powiększającego. Dodatkowe badanie: 4. Korzystając z pojedynczego czerwonego, zielonego lub niebieskiego filtra i rzutnika, wyświetl na ekranie małą kolorową kropkę i poleć uczniom, aby wpatrywali się w nią przez co najmniej 1 minutę. Po usunięciu filtra (i pozostawieniu włączonego projektora) uczniowie nadal przez chwilę widzieć będą małą plamkę o kolorze innym niż plamka, która była wyświetlana większość ludzi widzi kolor czerwony tam, gdzie wyświetlany był zielony i odwrotnie. Powodem tego jest fakt, że ludzka siatkówka zawiera stożkowe komórki, które są wrażliwe na barwy podstawowe czerwień, zieleń i niebieski. Przy wpatrywaniu się w kolor czerwony załamuje się pigment w komórkach stożkowych wrażliwych na barwę czerwoną, a po usunięciu filtra wybielone komórki stają się mniej wrażliwe niż te wrażliwe na barwę zieloną i niebieską, co prowadzi do utrzymywania się w polu widzenia plamki w innym kolorze. Doświadczenie to można wykorzystać do wykazania, że oko jest wrażliwe na barwy podstawowe oraz że nasze postrzeganie koloru jest spowodowane łączeniem się barwy czerwonej, zielonej i niebieskiej. Możliwe pytania nauczyciela Czy możliwe jest uzyskanie światła białego bez użycia siedmiu kolorów tęczy? Jeśli wszystkie widoczne kolory można utworzyć, łącząc kolor czerwony, zielony i niebieski, to czy można wykryć wszystkie kolory, po prostu mierząc, ile koloru czerwonego, zielonego i niebieskiego dociera do czujnika? Czy w taki sposób oko ludzkie widzi kolor? Ćwiczenie F: Badanie zwierciadeł płaskich Podstawowe pojęcia Umiejętności badawcze Umiejętność myślenia i argumentowania naukowego oraz podstawowa wiedza i umiejętności naukowe Metody oceny Promienie światła przemieszczają się w linii prostej Zwierciadła płaskie odbijają promienie Kąt padania jest równy kątowi odbicia Formułowanie hipotez Formułowanie spójnych argumentów Zrozumienie tego, jak ten temat odnosi się do świata rzeczywistego Rozmowa w klasie Karty pracy Wprowadzenie W tym ćwiczeniu uczniowie mają za zadanie zastanowić się nad kwestią odbijania światła. Badają oni wykorzystanie zwierciadeł płaskich, a celem działań jest uzmysłowienie, że kąt padania światła jest równy kątowi odbicia. Propozycja przebiegu zajęć Materiały: białe arkusze papieru, zwierciadła płaskie, stojaki laboratoryjne, proste słomki do napojów, ołówki, kątomierze, linijki 1. ćwiczenie to rozpoczyna się od zadania uczniom pytania: Jeśli spojrzycie na obiekt przez słomkę, w jakim kierunku światło musi się przemieszczać, abyście mogli je zobaczyć? 2. Uczniowie zostają następnie poproszeni o zastanowienie się nad tym samym pytaniem, ale tym razem należy wziąć pod uwagę dwie słomki tworzące kształt litery V. Czy można zmusić światło do zmiany kierunku tak, aby światło przechodzące przez pierwszą słomkę można było dostrzec przez słomkę drugą? Nauczyciel powinien tak sterować dyskusją, aby zmierzała w kierunku analizy odbicia światła od lustra. 3. Następnie uczniowie mogą skorzystać z kart pracy jako wskazówek (rys. 5) i ustawić zwierciadło na jednej krawędzi, tak aby było utrzymywane w pionie przez stojak laboratoryjny. Dolna krawędź lustra powinna stykać się z oznaczeniem na papierze. Następnie uczniowie umieszczają słomkę pod dowolnym kątem przed zwierciadłem i próbują ustawić drugą słomkę tak, aby patrząc przez nią, byli w stanie zobaczyć odbite światło, przechodzące przez pierwszą słomkę. 4. Następnie należy zapytać uczniów, jak należałoby zmienić ustawienia w tym układzie, gdyby zmienili kąt jednej ze słomek lub kąt ustawienia zwierciadła. 52 Ocenianie uczniów samodzielnie dociekających wiedzę. Materiały dydaktyczne projektu SAILS. Tom 1

11 Arkusz pracy 6. Badanie zwierciadeł płaskich 1. Na rysunku zaznaczono położenie lustra. Narysuj ułożenie dwóch słomek do picia tak, aby światło przechodziło przez słomkę A, odbijało się od lustra i mogło być zaobserwowane przez słomkę B. Zaznacz również drogę, którą przebywa światło. Wykonaj trzy rysunki, różniące się ułożeniem słomki A. 2. Załóżmy, że lustro zostało obrócone o kąt 45 stopni, tak jak na rysunku poniżej. Jeżeli słomka A jest ułożona na linii przerywanej, gdzie powinna być umieszczona słomka B? lustro Słomka A lustro lustro 3. W łodzi podwodnej kapitan korzysta z peryskopu, aby zobaczyć, co dzieje się nad powierzchnią wody. Strzałki wskazują, jaką drogę musi przebyć światło przez peryskop, aby dotrzeć do oczu kapitana. Jak powinny być, ułożone lustra w peryskopie, aby to osiągnąć? Możliwe pytania nauczyciela Czy zauważyliście prawidłowość dotyczącą kątów, pod jakimi należy umieścić słomki, aby światło przechodziło z jednej do drugiej? Czy ta zależność się utrzymuje, gdy zwierciadło zostanie ustawione pod kątem? Co stałoby się ze światłem w różnych punktach na lustrze, gdyby powierzchnia lustra była wygięta do wewnątrz lub na zewnątrz? Rysunek 5. Karta pracy dla ćwiczenia F: Badanie zwierciadeł płaskich ŚWIATŁO 53

12 Ćwiczenie G: Badanie załamywania światła Arkusz pracy 7. Badanie załamywania światła Podstawowe pojęcia Umiejętności badawcze Umiejętność myślenia i argumentowania naukowego oraz podstawowa wiedza i umiejętności naukowe Metody oceny Zrozumienie pojęcia załamania światła Zrozumienie, że światło może być odbijane i transmitowane poprzez powierzchnię Formułowanie spójnych argumentów Zrozumienie właściwości światła załamywanie światła Rozmowa w klasie Karty pracy Podczas tego laboratorium będziesz badać zjawisko refrakcji. Na ławce znajduje się naczynie z mętną wodą oraz wskaźnik laserowy. 1. Najpierw skieruj światło lasera na powierzchnię wody, tak jak przedstawiono to na poniższym rysunku. Co dzieje się z drogą światła po dotarciu do powierzchni wody? Narysuj, co zaobserwowałeś. Laser Woda Czy cała wiązka światła przechodzi do wody? Wytłumacz. Wprowadzenie W tym ćwiczeniu uczniowie poznają kolejne własności światła, tym razem dotyczące zjawiska załamania światła. W doświadczeniu uczniowie badają, co dzieje się, gdy światło przemieszcza się z jednego materiału do drugiego. Propozycja przebiegu zajęć Materiały: wskaźniki laserowe (czerwone, o małej mocy), duże plastikowe pudełka na drugie śniadanie z przezroczystymi/ półprzezroczystymi ściankami, sól lub mleko, woda, foliowe obrusy (lub duże kawałki folii np. worki na śmieci), plastikowe łyżki, zielony lub niebieski wskaźnik laserowy. 1. Foliowe obrusy umieszczane są na ławkach, co ma zabezpieczyć je w razie rozlania preparatu. Uczniowie napełniają pojemniki na drugie śniadanie wodą, dodając soli lub mleka, aż woda stanie się mętna. W przypadku używania soli można użyć plastikowych łyżek do mieszania wody. Pudełko śniadaniowe należy umieścić przy krawędzi ławki, tak aby możliwe było ustawienie źródła światła pod wieloma kątami. 2. Uczniowie rozpoczynają od zaświecenia wskaźnikami laserowymi do wody i badają, jak zmienia się droga światła przy zmianie kąta jego padania. Uczniowie mają za zadanie narysować wykres ilustrujący ich obserwacje w swoich kartach pracy (rys. 6). 3. Następnie uczniowie badają, jak zmienia się droga światła, jeżeli wskaźnik laserowy przyłożony zostanie do ścianki bocznej pudełka śniadaniowego światło przemieszcza się przez wodę do powietrza. Raz jeszcze uczniowie mają za zadanie narysować wykres ilustrujący ich obserwacje. 4. Następnie nauczyciel powinien użyć zielonego lub niebieskiego wskaźnika laserowego i ustawić go obok wskaźnika czerwonego, aby pokazać, że światło o różnych barwach będzie załamywać się w różnym stopniu. Możliwe pytania nauczyciela W jaki sposób zmienia się kierunek światła, gdy porusza się ono z powietrza do wody? W jaki sposób zmienia się kierunek światła, gdy porusza się ono z wody w powietrze? 2. Teraz zmień kąt, pod którym światło lasera pada na powierzchnię wody. Narysuj swoje obserwacje w tym przypadku. Woda Laser 3. W kolejnym przypadku ustaw laser tak, aby tworzył z powierzchnią wody kąt prosty. Narysuj, co zaobserwowałeś. Laser Woda 4. Jak możesz podsumować swoje obserwacje? Czy możesz podać, co dzieje się z kierunkiem światła, gdy przechodzi z powietrza do wody? 5. Ustaw teraz laser w ten sposób, aby wiązka światła przechodziła z wody do powietrza. Zbadaj różne kąty padania wiązki na powierzchnię wody. Czy możesz podać, co dzieje się z kierunkiem światła, gdy przechodzi z wody do powietrza? Rysunek 6. Karta pracy dla ćwiczenia G: Badanie załamywania światła 54 Ocenianie uczniów samodzielnie dociekających wiedzę. Materiały dydaktyczne projektu SAILS. Tom 1

13 Czy istnieje taki kąt padania światła, że światło poruszające się w kierunku z wody do powietrza odbije się od styku tych dwóch ośrodków? Dlaczego nie jest możliwe dostrzeżenie wiązki światła laserowego przechodzącego przez powietrze, podczas gdy można ją zobaczyć, gdy przechodzi przez wodę? Dlaczego pryzmat rozprasza światło białe na barwy składowe? Ćwiczenie H: Badanie soczewek Podstawowe pojęcia Umiejętności badawcze Umiejętność myślenia i argumentowania naukowego oraz podstawowa wiedza i umiejętności naukowe Soczewki wytwarzają obrazy Soczewki niekoniecznie powiększają obiekty Formułowanie hipotez Formułowanie spójnych argumentów Tworzenie się obrazów Zrozumienie właściwości światła tworzenie się obrazów 4. Uczniowie usuwają ekran i spoglądają przez soczewkę, próbując powiększyć żarówkę (czyli w konfiguracji szkła powiększającego, gdy obiekt znajduje się na środku długości ogniskowej). Należy poprosić uczniów o opisanie położenia, w jakim muszą się znaleźć ich oczy oraz soczewka, aby stworzyć powiększony obraz. Czy jeśli teraz umieszczą ekran w miejscu, gdzie znajdowało się oko, utworzy się obraz? 5. Uczniowie powinni zastanowić się, co musi się stać z kierunkiem światła przechodzącego przez soczewkę, aby utworzony został powiększony obraz. Odpowiednim źródłem informacji dla tego ćwiczenia jest interaktywny aplet dostępny na freezeray.com, pozwalający na zbadanie efektu działania różnych rodzajów soczewek ćwiczenie to może prowadzić do dyskusji na temat sposobu działania ludzkiego oka oraz tego, jak możemy pomóc przy długo- i krótkowzroczności. I tym razem interaktywny aplet dostępny na freezeray.com może pomóc w zbadaniu wpływu różnych typów soczewek na ludzkie oko 3. Arkusz pracy 8. Badanie soczewek 1. Ustaw żarówkę, soczewkę oraz ekran tak, aby obraz żarówki był widoczny na ekranie. Narysuj schemat swojego układu. Metody oceny Rozmowa z uczniami Karty pracy Wprowadzenie Uczniowie przeprowadzają eksperymenty z użyciem soczewek w celu zbadania, w jaki sposób tworzą one obrazy na ekranie. Uczniowie mają za zadanie zastanowić się nad rozmiarem utworzonego obrazu oraz tym, jakie czynniki na to wpływają. Uczniowie opierają się na swojej wcześniejszej wiedzy na temat poruszania się światła oraz tego, co się dzieje, gdy przechodzi ono z jednego materiału do drugiego. Badają również tworzenie obrazów przy użyciu szkła powiększającego, w szczególności odległości, w jakich muszą się znajdować zarówno oko, jak i soczewka, aby możliwe było zobaczenie powiększonego obrazu. Informacje te są następnie omawiane w kontekście wykorzystania soczewek do korekcji długo- i krótkowzroczności. Propozycja przebiegu zajęć Materiały: żarówki, obustronnie wypukłe soczewki o małej długości ogniskowej, papierowe ekrany. 1. Uczniowie, korzystając z obustronnie wypukłych soczewek, próbują stworzyć obraz żarówki na papierowych ekranach. Zadanie to powinno mieć formę wyzwania, aby uczniowie mogli zobaczyć, jak bardzo mogą zmniejszyć swoje obrazy, zmieniając położenie żarówki i ekranu wobec siebie. 2. Następnie należy poprosić uczniów o opisanie tego, co musieli zrobić, aby maksymalnie zmniejszyć wielkość swoich obrazów oraz zapytać ich, czy soczewka powiększa obiekt. Uczniowie powinni zapisać swoje wyjaśnienia w kartach pracy (rys. 7). 3. Następnie uczniowie powinni zastanowić się nad tym, co się dzieje, gdy światło przechodzi przez soczewkę, a obraz na ekranie jest mniejszy od obiektu. 2. W jaki sposób możesz uzyskać najmniejszy możliwy obraz? Wyjaśnij, co musiałeś zmienić w swoim układzie. 3. Jak ułożenie obrazu żarówki odwzorowuje jej rzeczywiste ułożenie? Na jakiej podstawie udzieliłeś odpowiedzi? 4. Usuń ekran i zbliż soczewkę do oka. Ustaw ją tak, aby obraz żarówki był powiększony. W jaki sposób udało Ci się to osiągnąć? Porównaj swoją odpowiedź z odpowiedzią w pkt Jeżeli umieścisz ekran w miejscu, gdzie wcześniej znajdowały się Twoje oczy, czy obraz żarówki będzie powiększony? 6. Jaka jest najmniejsza odległość między żarówką, a soczewką pozwalająca uzyskać obraz żarówki? Jaka jest wielkość obrazu w stosunku do rzeczywistej wielkości żarówki? 3 Freezeray.com materiały do nauki fizyki, [dostęp: październik 2015]. Rysunek 7. Karta pracy dla ćwiczenia H: Badanie soczewek ŚWIATŁO 55

14 Możliwe pytania nauczycieli Dlaczego widoczny obraz jest do góry nogami, gdy jest mały? Co dzieje się z kierunkiem światła, gdy przechodzi ono przez soczewkę? Dlaczego na kartce papieru nie tworzy się żaden obraz, a Wasze oczy widzą obraz powiększony? Jaki jest cel noszenia okularów? 2.2. Ocena W tej jednostce dydaktycznej pojawia się kilka możliwości rozwijania i oceny umiejętności badawczych uczniów. Materiał do oceny zarówno wiedzy, jak i rozwijanych umiejętności można gromadzić za pomocą odpowiednich, ukierunkowanych kart pracy, a także poprzez obserwacje prowadzone przez nauczyciela i samoocenę uczniów. Choć w jednostce tej zaproponowano narzędzia oceny (3-poziomowe rubryki), nauczyciele mają możliwość opracowania i wdrożenia własnych instrumentów oceny. Poniżej, w tabelach 1-6 przedstawiono rubryki oceny wybranych umiejętności badawczych rozwijanych w tej jednostce. Zadawanie pytań Umiejętność formułowania i zadawania pytań jest integralnym elementem IBSE. W tabeli 3 przedstawiono 3-poziomowe rubryki oceny umiejętności formułowania pytań badawczych. Pytania ukierunkowujące uczniów: Jakie pytania chcielibyście zadać w ramach tego tematu? Co chcielibyście wiedzieć na ten temat? Jak można zadać to pytanie tak, abyście mogli znaleźć na nie odpowiedź? Tabela 1. Rubryki do oceny umiejętności formułowania pytań badawczych Umiejętność badawcza Poziom 1 Poziom 2 Poziom 3 Formułowanie pytań badawczych Uczeń zadaje szereg pytań, ale nie rozróżnia między pytaniami możliwymi do zbadania i pytaniami, na które nie da się odpowiedzieć. Uczeń, z pomocą innych, przeformułowuje pytania tak, aby były możliwe do zbadania. Uczeń przeformułowuje pytania własne lub innych tak, aby były możliwe do zbadania. Formułowanie hipotez Umiejętność ta dotyczy gromadzenia informacji i poglądów na temat pytania tak, aby można było sformułować hipotezę. Nauczyciel może ocenić umiejętność formułowania hipotez drogą obserwacji uczniów lub poprzez ocenę materiałów przez nich opracowanych w trakcie lub po zajęciach. Rubryki oceny tej umiejętności zaprezentowane zostały w tabeli nr 2. Pytania nauczyciela mające na celu pomóc uczniom w formułowaniu hipotez: Co Waszym zdaniem się stanie? Jak myślicie, dlaczego się to stało? Czy możecie to wyjaśnić, korzystając ze swojej wiedzy naukowej? Tabela 2. Rubryki do oceny umiejętności formułowania hipotez Umiejętność badawcza Poziom 1 Poziom 2 Poziom 3 Formułowanie hipotez Uczeń formułuje prognozy na temat tego, co się stanie, ale nie wyjaśnia, dlaczego się to wydarzy. Uczeń formułuje prognozę na temat tego, co się stanie, i wyjaśnia, dlaczego się to wydarzy. Wyjaśnienie opiera na swoich własnych doświadczeniach (lub doświadczeniach innych). Uczeń formułuje hipotezę, tj. formułuje naukowo uzasadnioną prognozę. Planowanie badań Umiejętność ta dotyczy planowania badań w celu sprawdzenia hipotezy. Planowanie obejmuje zarówno określenie odpowiedniego sprzętu, jak i stworzenie wykonalnego planu działania. Nauczyciel może ocenić umiejętność planowania badań uczniów poprzez obserwację lub ocenę materiałów przez nich opracowanych. Rubryki do oceny tej umiejętności przedstawiono tabeli nr Ocenianie uczniów samodzielnie dociekających wiedzę. Materiały dydaktyczne projektu SAILS. Tom 1

15 Pytania nauczyciela mające na celu pomóc uczniom w planowaniu badań obejmują: W jaki sposób można to zbadać? Jakiego sprzętu będziecie potrzebować? Co będziecie mierzyć? Co można zrobić, aby uzyskać możliwe najbardziej wiarygodne wyniki? Tabela 3. Rubryki do oceny umiejętności planowania badań Umiejętność badawcza Poziom 1 Poziom 2 Poziom 3 Planowanie badań Uczeń wskazuje, jak można zaplanować badanie, ale bez szczegółów. Uczeń wskazuje, jak można przeprowadzić badanie, ale projekt jest pod pewnymi względami niekompletny. Po pewnych poprawkach, projekt może być wykorzystany do badań. Uczeń planuje badanie, a projekt obejmuje zmienne, które należy modulować oraz te, które mają pozostać stałe, kolejność, w jakiej należy realizować poszczególne etapy badania, sprzęt, jakiego należy użyć. Prowadzenie badań Umiejętność ta dotyczy przeprowadzania wcześniej zaplanowanego badania w celu zgromadzenia danych. Obejmuje to także właściwe korzystanie ze sprzętu. Nauczyciel może ocenić uczniów poprzez obserwację lub ocenę materiałów przez nich opracowanych. Rubryki do oceny tej umiejętności przedstawiono w tabeli nr 4. Pytania nauczyciela mające na celu pomóc uczniom w planowaniu i przeprowadzaniu badań obejmują: O czym musicie pamiętać podczas korzystania z tego sprzętu? Co możecie zrobić, aby wyniki były jak najbardziej precyzyjne? W jaki sposób możecie udokumentować swoje wyniki? Tabela 4. Rubryki do oceny umiejętności przeprowadzania badania Umiejętność badawcza Poziom 1 Poziom 2 Poziom 3 Prowadzenie badań Uczeń przeprowadza badanie od początku do końca, ale potrzebuje stałej pomocy ze strony nauczycieli i kolegów lub szczegółowych instrukcji. korzysta ze sprzętu, ale może to robić w sposób, który nie zawsze jest bezpieczny. sporadycznie dokumentuje badanie w formie pisemnej i z wykorzystaniem zdjęć. Uczeń przeprowadza badanie od początku do końca, ale czasami potrzebuje pomocy ze strony nauczycieli lub kolegów lub szczegółowych instrukcji. korzysta ze sprzętu w sposób bezpieczny. dokumentuje badanie w formie pisemnej i z wykorzystaniem zdjęć, ale dokumentacja może być niekompletna lub niedokładna. Uczeń przeprowadza badanie od początku do końca, sam lub jako aktywny uczestnik grupy. korzysta ze sprzętu w sposób bezpieczny i właściwy. w sposób dokładny dokumentuje badanie w formie pisemnej i z wykorzystaniem zdjęć. Interpretacja wyników i wyciąganie wniosków (umiejętność myślenia i argumentowania naukowego) Umiejętność ta dotyczy formułowania uogólnień, dokonywania interpretacji i wyciągania wniosków na podstawie uzyskanych wyników. Nauczyciel może ocenić uczniów poprzez obserwację lub ocenę materiałów przez nich opracowanych. Rubryki do oceny tej umiejętności przedstawiono w tabeli nr 5. ŚWIATŁO 57

16 Pytania nauczyciela mające na celu pomóc uczniom w interpretacji uzyskanych wyników i formułowaniu wniosków: Jakie trendy dostrzegacie? Jak te wyniki mają się do Waszych przewidywań? Czy te wyniki można interpretować w inny sposób? Tabela 5. Rubryki do oceny umiejętności myślenia i argumentowania naukowego (interpretacja i wnioski) Umiejętność badawcza Poziom 1 Poziom 2 Poziom 3 Umiejętność myślenia i argumentowania naukowego (interpretacja wyników; formułowanie wniosków) Uczeń wyciąga wnioski, ale wykorzystuje tylko ograniczoną liczbą wyników. porównuje wyniki badań z hipotezą. Uczeń wyciąga wnioski na podstawie wyników. porównuje wyniki badań z hipotezą. Uczeń wyciąga wnioski na podstawie wyników. odnosi wyniki do pojęć naukowych (lub ewentualnie modeli i teorii). porównuje wyniki badań z hipotezą. argumentuje na rzecz różnych interpretacji wyników. Prowadzenie obserwacji (umiejętność myślenia i argumentowania naukowego) Umiejętność ta dotyczy określania właściwości, odnajdywania podobieństw i różnic i opisywania obiektów za pomocą słów i rysunków poprzez wykorzystanie obserwacji. Nauczyciel może ocenić uczniów poprzez obserwację lub ocenę materiałów przez nich opracowanych. Rubryki do oceny tej umiejętności przedstawiono w tabeli nr 6. Pytania nauczyciela mające na celu pomóc uczniom w rozwijaniu umiejętności obserwacji: Jakie właściwości mają te obiekty? Czy istnieją jakieś inne właściwości, których być może nie da się tak łatwo zmierzyć? Czy istnieją jakieś podobieństwa (lub różnice)? Jak opisalibyście swoje obserwacje? Tabela 6. Rubryki do oceny umiejętności myślenia i argumentowania naukowego (prowadzenie obserwacji) Umiejętność badawcza Poziom 1 Poziom 2 Poziom 3 Umiejętność myślenia i argumentowania naukowego (prowadzenie obserwacji) Uczeń określa właściwości badanych obiektów, które da się łatwo zaobserwować. Uczeń określa właściwości badanych obiektów, które da się łatwo zaobserwować, a także te mniej oczywiste właściwości. wykorzystuje kilka różnych właściwości do opisania obiektu. Uczeń określa właściwości badanych obiektów, które da się łatwo zaobserwować, a także te mniej oczywiste właściwości. wykorzystuje kilka różnych i odpowiednich właściwości do opisania obiektu. do obserwacji obiektów używa więcej niż jednego zmysłu, a także adekwatnych rozwiązań technologicznych. 58 Ocenianie uczniów samodzielnie dociekających wiedzę. Materiały dydaktyczne projektu SAILS. Tom 1

17 3. SYNTEZA STUDIÓW PRZYPADKU Omawiana tu jednostka dydaktyczna została przetestowana w trzech krajach, skutkując powstaniem czterech studiów przypadku jej realizacji (CS1 Irlandia, CS2 Irlandia, CS3 Grecja i CS4 Słowacja). Wszystkie studia przypadków realizowane były przez nauczycieli, którzy mieli już pewne doświadczenie w nauczaniu poprzez dociekanie, ale na ogół uczniowie biorący udział w realizacji jednostki nie mieli żadnego doświadczenia w pracy tą metodą. W realizacji studiów przypadku CS1 Irlandia, CS2 Irlandia i CS3 Grecja udział wzięli uczniowie szkół gimnazjalnych: w przypadku CS1 Irlandia była to klasa złożona z 22 dziewcząt pracujących w grupach po trzy osoby, w CS2 Irlandia klasa złożona była z 22 chłopców pracujących w parach, a w CS3 Grecja klasy były mieszane pod względem płci i złożone z 24 uczniów pracujących w grupach po trzy lub cztery osoby. Uczniowie w CS4 Słowacja, w wieku lat, uczęszczali do 28-osobowej klasy szkoły ponadgimnazjalnej o mieszanych umiejętnościach i mieszanej płciowo. Pracowali w grupach po dwie lub trzy osoby, a w studium przypadku opisano realizację jednostki trwającą jedną 45-minutową godzinę lekcyjną. We wszystkich czterech studiach przypadku przedstawiono szczegóły oceny czterech kluczowych umiejętności w zakresie dociekania, a mianowicie formułowania hipotez, planowania badań, formułowania spójnych argumentów i pracy w grupie. Niektórzy nauczyciele uznali również, że jednostka ta przydatna jest do oceny podstawowej wiedzy i umiejętności naukowych, poprzez analizę umiejętności wyjaśnienia pojęcia światła przez uczniów. Główne metody oceny obejmowały rozmowę z uczniami podczas zajęć, w trakcie których nauczyciel zapewniał uczniom kształtującą informację zwrotną oraz ocenę kart pracy uczniów, często za pomocą rubryk w celu określenia poziomu osiągnięć uczniów Metoda dydaktyczna Metoda nauczania przez dociekanie Formą nauczania poprzez dociekanie przyjętą przez nauczycieli było ukierunkowane dociekanie naukowe (guided inquiry), w ramach którego uczniowie wykonujący ćwiczenia byli naprowadzani przez pytania w kartach pracy oraz pytania nauczyciela. Wszyscy uczniowie realizowali zadania w małych grupach (patrz tab. 7), a nauczyciele zachęcali ich do dyskusji z kolegami. Nauczyciele zaobserwowali, że pytania w karcie pracy skłaniały uczniów do dyskusji. Nauczyciele krążyli między grupami, sondując zrozumienie przez uczniów poszczególnych pojęć poprzez zadawanie pytań skierowanych bezpośrednio do poszczególnych osób/grup. Realizacja W jednostce zaproponowano w sumie osiem ćwiczeń, a każdy nauczyciel wybrał 2-3 ćwiczenia do realizacji z uczniami na podstawie programów nauczania i dostępnej ilości czasu. Wszyscy nauczyciele wykorzystywali materiały dostarczone w ramach ćwiczeń, a uczniowie wykonywali zadania w małych grupach, co ułatwiało dyskusję z kolegami. Każdy uczeń indywidualnie uzupełniał odpowiednią kartę pracy w CS1 Irlandia, CS3 Grecja i CS4 Słowacja, zaś w CS2 Irlandia zadanie to realizowane było w parach. Grupy do realizacji zadań były tworzone przez nauczycieli, a w przypadku CS4 Słowacja grupy te miały charakter stały przez cały semestr szkolny. Adaptacje jednostki Nauczyciel w CS3 Grecja rozpoczął od ćwiczenia D: Badanie światła białego i filtrów, a na koniec tego ćwiczenia poprosił uczniów, aby Tabela 7. Podsumowanie studiów przypadku Studium przypadku Realizowane ćwiczenia Czas trwania Skład grupy CS1 Irlandia Ćwiczenia A-B Jedna godzina lekcyjna (80 min) CS2 Irlandia Ćwiczenia A-D Jedna godzina lekcyjna (80 min) CS3 Grecja Ćwiczenia D-E Jedna godzina lekcyjna (120 min) CS4 Słowacja Ćwiczenia B, C, G Jedna godzina lekcyjna (45 min) Grupy po 2-3 uczniów (w sumie 22 uczniów) Skład grup wyznaczony przez nauczyciela; wyłącznie dziewczęta Grupy po 2 uczniów (w sumie 22 uczniów) Skład grup wyznaczony przez nauczyciela; wyłącznie chłopcy Grupy po 3-4 uczniów (w sumie 24 uczniów) Skład grup wyznaczony przez nauczyciela; grupy mieszane pod względem płci Grupy po 2-3 uczniów (28 uczniów, podzielonych na dwie podgrupy) Skład grup wyznaczony przez nauczyciela; grupy mieszane pod względem płci ŚWIATŁO 59