Gorący temat jakie cechy są charakterystyczne dla różnych paliw?

JEDNOSTKA DYDAKTYCZNA SAILS KTÓRE PALIWO JEST NAJLEPSZE? Gorący temat jakie cechy są charakterystyczne dla różnych paliw? Gultekin Cakmakci

KTÓRE PALIWO JEST NAJLEPSZE? Gorący temat jakie cechy są charakterystyczne dla różnych paliw? PRZEGLĄD TREŚCI I METOD OCENY KLUCZOWE TREŚCI /POJĘCIA Entalpia Energia cieplna Zmiany energii cieplnej Kalorymetria 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 Gromadzenie danych, definiowanie zmiennych Analiza i interpretacja danych naukowych METODY OCENY Rozmowa z uczniami Obserwacja nauczyciela Ocena wzajemna uczniów Samoocena uczniów Karty pracy Materiały opracowane przez uczniów (dokumentacja badań, prezentacje) Materiały dydaktyczne dostępne on-line: www.sails-project.eu www.zdch.uj.edu.pl/sails 120 Ocenianie uczniów samodzielnie dociekających wiedzę. Materiały dydaktyczne projektu SAILS. Tom 2

1. WSTĘP Jednostka dydaktyczna opracowana w ramach projektu SAILS zatytułowana Które paliwo jest najlepsze? ma na celu wyjaśnienie uczniom, że paliwa charakteryzują się różnymi wartościami ciepła spalania, oraz umożliwienie im zrozumienia, że znaczenie słowa najlepszy może się zmieniać w zależności od kontekstu. Cel ten osiąga się poprzez zaplanowanie i przeprowadzenie doświadczenia mającego na celu pomiar zmian energii cieplnej i wyznaczenie w sposób doświadczalny entalpii spalania. Zadanie to może być realizowane w gimnazjach lub szkołach ponadgimnazjalnych, w zależności od obowiązujacego programu nauczania, a czas na pełne zrealizowanie zaproponowanych działań to cztery godziny lekcyjne. W ramach tej jednostki uczniowie mają możliwość rozwinięcia wielu umiejętności badawczych, takich jak formułowanie hipotez, planowanie badań (projekt i realizacja doświadczenia) oraz formułowanie spójnych argumentów (wyciąganie odpowiednich wniosków przy wykorzystaniu uzasadnionych argumentów). Ponadto uczniowie rozwijają podstawowe umiejętności naukowe poprzez zbieranie wiarygodnych danych i rozwijają umiejętności myślenia naukowego w drodze analizy danych i prezentacji uzyskanych wniosków. Realizacja tej jednostki została przetestowana przez nauczycieli w Turcji, Polsce, Grecji i Danii, skutkując powstaniem czterech studiów przypadków dotyczących jej wdrożenia zarówno dla uczniów szkół gimnazjalnych, jak i ponadgimnazjalnych. Wiek uczniów wahał się między 14 a 18 lat, w grupach panowało zróżnicowanie pod względem umiejętności i płci. Stosowaną we wszystkich przypadkach metodą nauczania było ograniczone dociekanie naukowe (bounded inquiry) lub dociekanie ukierunkowane przez nauczyciela (guided inquiry) z możliwością swobodnego łączenia tych podejść w niektórych przypadkach. Oceniono wszystkie cztery umiejętności związane z dociekaniem, uwzględnione w projekcie SAILS: planowanie badań, formułowanie hipotez, formułowanie spójnych argumentów i praca w grupie jak również umiejętność rozumowania naukowego. Opisane metody oceny obejmują dialog na forum klasy, obserwacje nauczyciela, dyskusje w grupach oraz prezentacje i ocenę prac uczniów. KTÓRE PALIWO JEST NAJLEPSZE? 121

2. REALIZACJA JEDNOSTKI 2.1. Ćwiczenia Ćwiczenia opisane w jednostce dydaktycznej SAILS, zatytułowanej Które paliwo jest najlepsze? zostały opracowane w ramach projektu PARSEL 1. Działania dydaktyczne zostały zaadaptowane do projektu SAILS przez zespół z Uniwersytetu Hacettepe. W jednostce tej określone zostały cztery kluczowe elementy: Paliwa charakteryzują się różnymi wartościami ciepła spalania. Znaczenie słowa najlepszy może się zmieniać w zależności od kontekstu, a przy wyborze najlepszego paliwa mogą być rozpatrywane różne czynniki. Planowanie i przeprowadzanie doświadczenia w celu pomiaru zmian energii cieplnej. Określanie entalpii spalania przez spalenie związku chemicznego i pomiar wzrostu temperatury w znanej objętości wody, ogrzewanej w wyniku spalania znanej masy związku. Opracowane materiały przeznaczone są do wykorzystania zarówno w szkołach gimnazjalnych, jak i ponadgimnazjalnych; w zależności od celów nauczyciela nacisk może zostać położony na różne aspekty. W jednostce opisano cztery ćwiczenia. W ćwiczeniu A: Wprowadzenie uczniowie mają zastanowić się nad tematem paliw i odpowiedzią na pytanie badawcze: Które paliwo jest najlepsze?. W ćwiczeniu B: Planowanie badania uczniowie planują sposób, w jaki mogą przeanalizować pytanie badawcze, zaś w ćwiczeniu C: Przeprowadzanie badania przeprowadzają doświadczenie by uzyskać odpowiedzi na to pytanie. Ćwiczenia te mogą zostać przeprowadzone w formie otwartego (open inquiry) lub ograniczonego dociekania naukowego (bounded inquiry), co daje uczniom możliwość zaprojektowania doświadczenia. W tym przypadku zmienne kontrolowane (takie jak ilość wykorzystywanej wody), urządzenie pomiarowe i niezbędne środki ostrożności nie są podawane uczniom przez nauczyciela. W scenariuszu alternatywnym, przy zastosowaniu metody guided inquiry, struktura ta może zostać uproszczona poprzez udostępnienie uczniom instrukcji wykonania doświadczenia. Można poświęcić nieco czasu na omówienie znaczenia słowa najlepsze w ramach ćwiczenia grupowego. W ćwiczeniu D: Wnioski uczniowie formułują wnioski, ustalają, które paliwo jest ich zdaniem najlepsze, i wyjaśniają swój wybór. Możliwości oferowane w tej jednostce obejmują ocenę umiejętności badawczych SAILS dotyczących formułowania hipotez, planowania badań (projektowania i przeprowadzania doświadczenia), formułowania spójnych argumentów (popierania wniosków za pomocą uzasadnionych argumentów i dowodów) i pracę w grupie. Ponadto istnieje możliwość rozwoju podstawowych umiejętności badawczych oraz myślenia naukowego poprzez identyfikację i definiowanie zmiennych, zbieranie danych, analizę danych, wyciąganie wniosków, wyjaśnianie nieoczekiwanych wyników, raportowanie i omawianie wyników oraz zrozumienie podstawowych treści naukowych związanych ze spalaniem. Ćwiczenie A: Wprowadzenie Podstawowe pojęcia Umiejętności badawcze Umiejętność myślenia i argumentowania naukowego oraz podstawowa wiedza i umiejętności naukowe Metody oceny Zrozumienie pojęcia entalpii Paliwa przykłady i kryteria identyfikacji najlepszego paliwa Formułowanie hipotez Praca w grupie Rozwiązywanie problemów Dokonywanie porównań Rozmowa z uczniami Materiały opracowane przez uczniów Wprowadzenie W tym zadaniu uczniowie dokonują analizy wcześniej nabytej wiedzy i swoich przekonań dotyczących tematu paliw i spalania. Analizę taką można przeprowadzić poprzez indywidualną refleksję, dyskusję w małych grupach lub burzę mózgów na forum całej klasy. Nauczyciel może pokierować uczniami tak, aby podali oni przykłady paliw i ich różnych zastosowań. Po tym, jak uczniowie zrozumieją pojęcia leżące u podstaw tematu, nauczyciel wprowadza problem badawczy Które paliwo jest najlepsze?. W dyskusji w tym przypadku uczniowie powinni dążyć do zdefiniowania cech dobrego paliwa oraz tego, jak określenie to może się różnić w zależności od funkcji. Propozycja przebiegu zajęć 1. Lekcję rozpocząć można od przeanalizowania znaczenia słowa paliwo. Zadanie to może być realizowane przez przedstawienie na piśmie przez każdego ucznia indywidualnej interpretacji tego słowa, po czym nauczyciel pozyskuje odpowiedzi od uczniów w klasie i formułuje opis paliwa na tablicy. 2. W formie burzy mózgów nauczyciel może zapytać uczniów o przykłady paliw i obszarów ich zastosowań. Na tym etapie chodzi o to, aby uzyskać wiele różnych propozycji, nie zaś ograniczać dyskusję do paliw, które mogą być stosowane w doświadczeniach szkolnych. Stąd też przykłady takie jak paliwo jądrowe czy energia elektryczna są równie akceptowalne jak benzyna, olej napędowy, gaz ziemny czy paliwo lotnicze. 3. Następnie nauczyciel może zadać pytanie które paliwo jest najlepsze? Uczniowie mogą przedyskutować znaczenie słowa najlepsze w grupach. Aby upewnić się, że można już rozpocząć dyskusję, nauczyciel może rozdać każdej grupie materiały z informacjami na temat możliwych znaczeń słowa najlepszy w odniesieniu do paliw. Na tym etapie nauczyciel będzie musiał ograniczyć liczbę paliw uwzględnianych w dyskusji, sugerując na przykład, aby uczniowie zastanowili 1 PARSEL Popularity and Relevance of Science Education for Scientific Literacy, projekt finansowany w ramach 6. Programu Ramowego Unii Europejskiej w roku 2006, http://icaseonline.net/parsel/www.parsel.uni-kiel.de/cms/indexe27e.html?id=76 [dostęp: październik 2015]. 122 Ocenianie uczniów samodzielnie dociekających wiedzę. Materiały dydaktyczne projektu SAILS. Tom 2

się tylko nad paliwami płynnymi. Od klasy uzyskać można różne pomysły w ramach zadanego tematu. Ćwiczenie B: Planowanie badania Podstawowe pojęcia Umiejętności badawcze Umiejętność myślenia i argumentowania naukowego oraz podstawowa wiedza i umiejętności naukowe Metody oceny Planowanie badań mających na celu przeprowadzenie porównania paliw Ciepło spalania, entalpia Planowanie badań Praca w grupie Określenie zmiennych Rozmowa z uczniami Obserwacja nauczyciela Materiały opracowane przez uczniów Wprowadzenie W tym zadaniu uczniowie pracują nad planem doświadczenia w celu zbadania, które paliwo jest najlepsze, opierając się na wcześniej zaproponowanych pomysłach. Pod koniec lekcji od uczniów oczekuje się, że będą w stanie przedstawić procedurę doświadczalną. Powinni oni omówić plan swojego eksperymentu z kolegami w grupie i odpowiednio go zmodyfikować. Powinni również zaplanować, w jaki sposób ustalić wartość opałową paliw i przeprowadzić odpowiednie obliczenia. Propozycja przebiegu zajęć 1. Nauczyciel pyta uczniów: Czy możecie zaproponować sposób, w jaki można dowiedzieć się, które paliwo jest najlepsze? 2. Uczniowie powinni omówić odpowiedź na to pytanie w grupach. Nauczyciel będzie musiał pokierować uczniami w procesie planowania doświadczenia (podczas przysłuchiwania się pracy poszczególnych grup uczniowskich), starając się wykonać to tak, aby uczniowie przedstawili następujące kwestie: a) Woda jest ogrzewana przez spalanie poszczególnych paliw. b) Co musi być stałe dla każdego doświadczenia? c) Czy może to być stała masa wody? d) Ilość zużytego paliwa musi być mierzalna. e) Pomiar ciepła oddawanego może być wykonany na podstawie wzrostu temperatury wody. f) Pomiar ilości paliwa przed i po wykonaniu doświadczenia pozwoli wykazać ilość zużytego paliwa. g) Mierząc czas potrzebny do spalenia paliwa, można określić, które paliwo najszybciej podgrzewa wodę. h) Znając koszt paliwa dla danej jego ilości, można określić, które paliwo jest najbardziej ekonomiczne. Paliwa, które można wykorzystać, obejmują naftę, spirytus (etanol), metanol lub parafinę (palnik spirytusowy nie jest w tym przypadku wymagany). 3. Nauczyciel powinien zachęcać uczniów do przedstawienia innych aspektów, które mogą lub nie mogą zostać wykorzystane w doświadczeniu, na przykład tego, że na początku każdego doświadczenia woda musi być w tej samej temperaturze, że należy minimalizować/mierzyć straty ciepła oraz że zbiornik, w którym znajduje się paliwo, musi być taki sam w każdym przypadku. 4. Uczniowie w grupach zapisują procedurę doświadczalną, proponując odpowiednie urządzenia do wykonania doświadczenia. Ćwiczenie C: Przeprowadzanie badania Podstawowe pojęcia Umiejętności badawcze Umiejętność myślenia i argumentowania naukowego oraz podstawowa wiedza i umiejętności naukowe Metody oceny Zrozumienie pojęcia entalpii Określenie najlepszych paliw Planowanie badań Praca w grupie Zbieranie danych naukowych Dokonywanie świadomych wyborów paliwa do określonych funkcji Rozmowa z uczniami Obserwacje nauczyciela Ocena wzajemna uczniów Karty pracy lub materiały opracowane przez uczniów Wprowadzenie Ćwiczenie to może być realizowane metodą ograniczonego dociekania naukowego (bounded inquiry) lub dociekania ukierunkowanego przez nauczyciela (guided inquiry). Od uczniów oczekuje się, że przeprowadzą doświadczenie w grupie, przy czym każdy jej członek może wykorzystać inne paliwo. Uczniowie powinni zapisać uzyskane dane w odpowiednim formacie, obliczyć zarówno wartość opałową, jak i ciepło spalania oraz porównać swoje wyniki z danymi uzyskanymi przez inne osoby w grupie. Uczniowie mogą omówić procedury zastosowane w doświadczeniu oraz kroki podjęte w celu określenia dokładności i ograniczeń swoich badań, aby zaprezentować dokładne wyniki. Propozycja przebiegu zajęć 1. Po wykonaniu przez uczniów ćwiczenia dotyczącego planowania nauczyciel może omówić procedurę doświadczalną na forum klasy, upewniając się, że wszelkie propozycje niebezpiecznych praktyk zostaną odrzucone. Następnie, w celu zapewnienia, że każda grupa będzie w stanie przeprowadzić doświadczenia, nauczyciel może rozdać każdej z grup materiały lub karty pracy ze szczegółowym opisem procedury doświadczalnej (rys. 1). Jeśli zajdzie taka potrzeba, procedura ta może być modyfikowana tak, aby stała się w większym stopniu zgodna z propozycjami uczniów. 2. Doświadczenie można przeprowadzić z zastosowaniem aparatury możliwie najbardziej zbliżonej do tej zaproponowanej przez uczniów. Główne przyrządy potrzebne do wykonania KTÓRE PALIWO JEST NAJLEPSZE? 123

doświadczenia obejmują: palnik spirytusowy, wodę (około 200 g) w pojemniku przewodzącym ciepło (np. w puszce po napoju), termometr (może również służyć jako mieszadło), wagę szalkową i stoper. Dodatkowo rozważyć można użycie uchwytu do przytrzymania pojemnika oraz osłon w celu zminimalizowania utraty ciepła poprzez ruch powietrza. Doświadczenie entalpia spalania 3. Uczniowie mogą powtarzać doświadczenie do chwili uzyskania dwóch lub trzech spójnych wyników. Jako paliwo zastosować można metanol, etanol, propanol lub butanol. Przy przeprowadzaniu doświadczenia uczniowie muszą określić parametry wyszczególnione w tabeli na rys. 1. Ćwiczenie D: Wnioski Podstawowe pojęcia Umiejętności badawcze Umiejętność myślenia i argumentowania naukowego oraz podstawowa wiedza i umiejętności naukowe Metody oceny Zrozumienie pojęcia entalpii Dokonywanie świadomych wyborów paliwa do określonych funkcji Formułowanie spójnych argumentów Dokonywanie porównań Analiza i interpretacja danych naukowych Rozmowa z uczniami Karty pracy lub materiały opracowane przez uczniów Prezentacje Inne elementy oceny (zadanie domowe, sprawdzian nabytej wiedzy) Wprowadzenie Pod koniec lekcji od uczniów oczekuje się dostarczenia sprawozdania z przeprowadzonego doświadczenia, z podaniem dokładności, opisem wykonanych obliczeń i metody interpretacji danych. Uczniowie powinni zinterpretować otrzymane wyniki w celu określenia, które paliwo jest najlepsze, i wyjaśnić swój wybór. Mogą to zrobić w formie pisemnego sprawozdania, prezentacji ustnej podczas dyskusji na forum klasy lub za pomocą prezentacji multimedialnej. Propozycja przebiegu zajęć 1. Po przeprowadzeniu wszystkich działań doświadczalnych należy zachęcić uczniów do interpretacji uzyskanych wyników. W zależności od posiadanej wcześniej wiedzy i umiejętności uczniów w klasie nauczyciel może poprowadzić uczniów przez analizę odpowiednich obliczeń lub wykorzystać to zadanie jako ćwiczenie powtórkowe. 2. Po określeniu ciepła spalania i entalpii każdego rodzaju paliwa, uczniowie powinni omówić uzyskane wyniki w małych grupach lub na forum całej klasy. Powinno to dać im możliwość zidentyfikowania różnic w wynikach i zachęcić ich do zastanowienia się nad błędami popełnionymi podczas przeprowadzania doświadczenia. Tabela danych Masa początkowa pojemnika (lampa spirytusowa) Masa początkowa lampy spirytusowej + paliwa Masa końcowa lampy spirytusowej + paliwa Masa spalonego paliwa (mf) Objętość wody w zlewce Masa wody w zlewce (mw) Temperatura początkowa wody Temperatura końcowa wody Wzrost temperatury (ΔT) Czas, przez jaki palnik się palił Energia cieplna uwalniana przez spalanie paliwa Entalpia spalania paliwa Koszt wykorzystanego paliwa Paliwo A Paliwo B Paliwo C Paliwo D Właściwa pojemność cieplna wody, c: Aby zwiększyć temperaturę jednego grama wody o jeden stopień, potrzeba 4,2 dżula energii cieplnej. Wartość tę nazywamy właściwą pojemnością cieplną wody. Zmienna zależna: Zmienna niezależna: Zmienna kontrolowana: Energię cieplną uzyskaną przez wodę przedstawiono w następującym równaniu: qw = mw. c. ΔT Ciepło uzyskane przez wodę ma wartość równą ciepłu uwalnianemu przez paliwo. Tym samym energię cieplną uwalnianą w procesie spalania jednego mola badanego paliwa można obliczyć, wykorzystując równanie qw, jeśli tylko znana jest masa wykorzystywanego paliwa. Rysunek 1. Karta pracy dla doświadczenia ukierunkowanego przez nauczyciela. Źródło: Atkinson, J. i Hibbert, C. (2000). AS Chemistry for AQA. Oxford: Heinemann 3. Następnie uczniowie powinni wybrać paliwo, które uważają za najlepsze i wyjaśnić swój wybór w sposób naukowy, korzystając z dowodów uzyskanych w badaniu. 4. Dla jeszcze lepszego utrwalenia nowo nabytej wiedzy można poprosić uczniów o przygotowanie sprawozdania lub prezentacji, zadać zadanie domowe lub przeprowadzić sprawdzian nabytej wiedzy. 2.2. Ocena Omawiana jednostka dydaktyczna jest szczególnie przydatna do oceny umiejętności formułowania hipotez, planowania badań i umiejętności myślenia naukowego (wyciąganie wniosków, tłumaczenie nieoczekiwanych wyników, raportowanie, porównywanie i omawianie wyników oraz formułowanie sugestii na temat sposobu ulepszenia badań). Uczniowie są w stanie pracować w różnych zespołach (praca w grupie) i potrafią formułować pomysły na podstawie opinii pozostałych członków zespołu. Określono sześć kluczowych obszarów rozwijanych w ramach tej jednostki, które przedstawiono w tab. 1. Uczniowie powinni zapamiętać, że paliwa mają różne ciepła spalania oraz że znaczenie słowa najlepsze może się zmieniać w zależności od kontekstu. Powinni oni również umieć zaplanować i przeprowadzić doświadczenie mające na celu pomiar zmian energii cieplnej, a także obliczyć entalpię spalania na podstawie uzyskanych wyników. 124 Ocenianie uczniów samodzielnie dociekających wiedzę. Materiały dydaktyczne projektu SAILS. Tom 2

Tabela 1. Możliwości oceny w odniesieniu do ćwiczeń zawartych w jednostce dydaktycznej Cel Sposób jego osiągnięcia Umiejętność/kompetencja 1. Zrozumienie, że słowo najlepszy może mieć więcej niż jedno znaczenie, i zaproponowanie najbardziej odpowiedniego znaczenia w danym kontekście. 2. Planowanie badań, interpretacja instrukcji dotyczących przeprowadzania doświadczenia i przeprowadzenie procedury doświadczalnej. 3. Przeprowadzanie obliczeń w celu określenia związku między ilością paliwa, zmianami temperatury i czasem trwania. Uczniowie omawiają podane przez siebie pomysły na to, które paliwo jest najlepsze. Muszą podać uzasadnianie dla swoich wyborów ze społecznego i naukowego punktu widzenia. Uczniowie omawiają sposób pomiaru wartości opałowej paliwa, a następnie w małych grupach przeprowadzają właściwe doświadczenie. Powinni oni przestrzegać procedur eksperymentalnych, które są adaptacją przedstawionych przez nich propozycji. Uczniowie obliczają wartość opałową i ciepło spalania na podstawie odczytów wykonanych podczas przeprowadzania doświadczenia. Podstawowa wiedza i umiejętności naukowe (podejmowanie świadomych wyborów paliwa do określonych zastosowań). Formułowanie hipotez, planowanie badań, praca w grupie, umiejętność myślenia naukowego (identyfikacja zmiennych, gromadzenie danych naukowych). Podstawowa wiedza i umiejętności naukowe (wyjaśnianie zjawisk w sposób naukowy). 4. Współpraca z grupą. Uczniowie pracują w grupie przy przeprowadzaniu doświadczenia oraz przy omawianiu wszystkich rezultatów na forum klasy w celu uzyskania zestawu wyników, na podstawie których można określić najlepsze paliwo. Praca w grupie. 5. Wyjaśnianie znaczenia paliwa i wprowadzenie do tematu ciepła spalania. 6. Wyjaśnianie znaczenia paliwa i wprowadzenie do tematu ciepła spalania. Omawianie w grupie znaczenia sformułowania najlepsze paliwo oraz współpraca w tworzeniu procedur przeprowadzania doświadczenia. Każdy uczeń dokonuje interpretacji pisemnej. Praca indywidualna w klasie, podczas której uczniowie przedstawiają swoje pomysły na piśmie, a następnie dokonywane jest podsumowanie na tablicy. Tematyka ciepła spalania wprowadzana jest na zakończenie doświadczenia, na podstawie wykorzystywanych w nim parametrów. (Rozwinięciem tego ćwiczenia może być oparcie ciepła spalania na standardowych parametrach, np. 1 mol wody ogrzanej o 1 C). Praca w grupie, formułowanie spójnych argumentów, podstawowa wiedza i umiejętności naukowe (prezentacja informacji naukowych). Formułowanie hipotez, planowanie badań, formułowanie spójnych argumentów, umiejętność myślenia naukowego, podstawowa wiedza i umiejętności naukowe (rozumienie entalpii w kontekście życia codziennego). Dla oceny umiejętności planowania badań i myślenia naukowego zaproponowano tabelę zawierającą osiem kryteriów sukcesu (tab. 2). Zasugerowano zastosowanie 3-stopniowej skali zadowalające/wymaga poprawy/niezadowalające choć nauczyciele mogą modyfikować tę skalę tak, aby w sposób bardziej dokładny odzwierciedlała ich oczekiwania wobec uczniów w klasach. Tabela 2. Proponowana lista kontrolna Cel Zadowalające Wymaga poprawy 1. Formułowanie hipotezy. Niezadowalające /b.d. 2. Projektowanie i przeprowadzanie doświadczenia. 3. Określanie i definiowanie zmiennych. 4. Gromadzenie istotnych danych, organizowanie, analizowanie danych w sposób dokładny i precyzyjny oraz wyciąganie wniosków. 5. Wyjaśnianie niespodziewanych wyników. 6. Uzasadnianie wniosków za pomocą uzasadnionych argumentów i dowodów. 7. Współpraca z innymi na rzecz osiągnięcia wspólnych celów. 8. Raportowanie i omawianie wyników, uzyskiwanie opinii zwrotnych i pozytywne przyjmowanie pochwał, niepowodzeń i krytyki. KTÓRE PALIWO JEST NAJLEPSZE? 125

3. SYNTEZA STUDIÓW PRZYPADKU Jednostka dydaktyczna SAILS zatytułowana Które paliwo jest najlepsze? została przetestowana w czterech krajach. Opis przebiegu wdrożeń pilotażowych, komentarze metodyczne, poczynione obserwacje i wyciągnięte wnioski zostały opisane w postaci czterech studiów przypadku: CS1 Turcja, CS2 Polska, CS3 Grecja i CS4 Dania. Jednostka ta została wdrożona zarówno w szkołach gimnazjalnych, jak i ponadgimnazjalnych. W przypadku CS1 Turcja jednostkę tę zrealizowano z udziałem 22 przyszłych nauczycieli przedmiotów przyrodniczych w pierwszym roku szkolenia (wiek ok. 17-18 lat), zaś w przypadku CS2 Polska jednostka ta została przetestowana z udziałem uczniów w wieku 17-18 lat. W CS3 Grecja i CS4 Dania jednostka została zrealizowana z uczniami gimnazjum w wieku 14-16 lat. We wszystkich przypadkach grupy uczniów charakteryzowały się zróżnicowanymi umiejętnościami i były mieszane pod względem płci. Wszyscy nauczyciele, którzy wzięli udział w tych studiach przypadku mieli wcześniejsze doświadczenie w nauczaniu poprzez dociekanie, ale większość uczniów nie zetknęła się wcześniej z tą metodą, za wyjątkiem CS1 Turcja. Jednostka dydaktyczna została wdrożona podczas jednej do trzech lekcji i jej realizacja trwała w sumie od 90 do 135 minut. W większości przypadków jednostka została zrealizowana w całości, chociaż w CS2 Polska wdrożono ćwiczenie wprowadzające jako zadanie domowe przed zajęciami w laboratorium. Zastosowane metody oceny obejmowały rozmowę z uczniami we wszystkich studiach przypadku, ale także inne metody, zróżnicowane w zależności od miejsca realizacji jednostki. W CS2 Polska, CS3 Grecja i CS4 Dania zastosowano strategie samooceny, a w przypadku CS1 Turcja i CS3 Grecja: także ocenę wzajemną uczniów. We wszystkich studiach przypadku, za wyjątkiem CS4 Dania, materiały opracowane przez uczniów również podlegały ocenie przez nauczyciela i stanowiły część elementów podlegających ocenie ogólnej. 3.1. Metoda dydaktyczna Nauczanie przez dociekanie Nauczanie przez dociekanie wykorzystane we wszystkich studiach przypadku obejmowało dociekanie ukierunkowane przez nauczyciela (guided inquiry) lub ograniczone dociekanie naukowe (bounded inquiry), tj. ogólny problem badawczy proponowany był przez nauczyciela, ale uczniowie mieli swobodę co do wyboru sposobu analizy tematu. W przypadku CS1 Turcja i CS3 Grecja nauczyciele stosowali metodę dociekania ukierunkowanego przez nauczyciela (guided inquiry), zaś w CS2 Polska i CS4 Dania uczniowie mieli więcej swobody w wyborze metody pracy. Zastosowane zostało także podejście zakładające ograniczone dociekanie naukowe (bounded inquiry) przy minimalnej pomocy ze strony nauczyciela. Realizacja Jednostka dydaktyczna opracowana w ramach projektu SAILS, zatytułowana Które paliwo jest najlepsze? została zrealizowana w całości we wszystkich studiach przypadku, choć sposób jej realizacji był różny w zależności od poziomu uczniów i lokalnych programów nauczania. Realizacja jednostki odbyła się podczas 1-3 godzin lekcyjnych (łączny czas trwania 90-135 minut). Uczniowie pracowali w grupach mieszanych pod względem umiejętności (tab. 3). Zarówno w przypadku CS1 Turcja, jak i CS2 Polska szczegółowo opisano realizację jednostki w szkole ponadgimnazjalnej z udziałem uczniów w wieku 17-18 lat. W CS1 Turcja uczniowie byli przyszłymi nauczycielami w trakcie pierwszego roku kształcenia. Jednostka ta została zrealizowana metodą ukierunkowanego dociekania naukowego (guided inquiry), a uczniowie otrzymali kartę pracy ze szczegółowym opisem cyklu badawczego, mającego na celu pomóc im w uporządkowaniu podejścia do badania. W tym cyklu badawczym określono sześć etapów, a w każdym z nich uwzględniono różne umiejętności, które uczniowie mają nabyć: formułowanie pytania badawczego; formułowanie hipotez; planowanie badania/doświadczenia; przeprowadzenie doświadczenia i ocena wyników; interpretacja danych/generowanie wiedzy; omawianie wyników, prezentacja wyników/wniosków. W przypadku CS2 Polska opisano realizację jednostki w drodze zajęć pozalekcyjnych, tylko dla osób chętnych, które odbywały się w laboratorium uniwersyteckim. Przed zajęciami uczniowie zostali Tabela 3. Podsumowanie studiów przypadku Studium przypadku Zrealizowane ćwiczenia Czas trwania CS1 Turcja Ćwiczenia A-D Jedna godzina lekcyjna (90 min) CS2 Polska Ćwiczenia B-D Trzy godziny lekcyjne (45 min każda) CS3 Grecja Ćwiczenia A-D Dwie godziny lekcyjne (60 min każda) CS4 Dania Ćwiczenia A-D Dwie godziny lekcyjne (45 min każda) Skład grupy 4-6 uczniów w każdej grupie (22 uczniów, 5 uczniów płci męskiej). Podział na grupy wyznaczony przez nauczyciela; grupy mieszane pod kątem umiejętności; niektóre grupy mieszane pod względem płci, niektóre grupy składające się tylko z uczniów płci żeńskiej; przyszli nauczyciele. Dwie grupy po 2-3 uczniów (5 uczniów w sumie). Podział na grupy wykonany przez uczniów; grupy mieszane pod względem umiejętności i płci. Grupy po 3-4 uczniów. Podział na grupy wyznaczony przez nauczyciela; grupy mieszane pod kątem umiejętności i płci. Grupy po 4-5 uczniów (dwie klasy; 21/24 uczniów). Podział na grupy wyznaczony przez nauczyciela; grupy mieszane pod kątem umiejętności i płci. 126 Ocenianie uczniów samodzielnie dociekających wiedzę. Materiały dydaktyczne projektu SAILS. Tom 2

poinformowani o temacie, jaki będzie omawiany. Nauczyciel przesłał uczniom kartę pracy i poprosił o uzupełnienie przed zajęciami. Celem karty pracy było wprowadzenie uczniów do tematu, a tym samym realizacja jednostki dydaktycznej rozpoczęła się od fazy planowania badań. Celem nauczyciela było, aby uczniowie poprawili umiejętność robienia notatek i obserwacji w procesie dociekania, z tego powodu nie dostarczył im karty pracy o ściśle określonej strukturze. W CS3 Grecja i CS4 Dania opisano realizację jednostki z udziałem uczniów gimnazjum w wieku 14-16 lat. W CS3 Grecja nauczyciel zmodyfikował jednostkę tak, aby spełniania cele greckiego programu nauczania, i zastosował metodę dociekania ukierunkowanego przez nauczyciela (guided inquiry). Zajęcia dostosowane i zrealizowane przez nauczyciela skupione zostały wokół następujących aspektów: uznanie zalet różnych rodzajów paliw w zastosowaniach praktycznych; znaczenie słowa najlepszy może się zmieniać w zależności od kontekstu, a przy wyborze najlepszego paliwa można rozpatrywać różne czynniki; przeprowadzenie doświadczenia za pomocą prostych pomiarów (temperatury i czasu) w celu zbadania, które paliwo jest najlepsze w kontekście gotowania. W tym studium przypadku zaplanowane i zrealizowane badanie nie wyglądało tak, jak to opisano w ćwiczeniach dydaktycznych, ale pozwoliło ono uczniom na rozwinięcie tych samych umiejętności i zastosowanie posiadanej wiedzy w kontekście życia codziennego. W przypadku CS4 Dania ćwiczenia zostały zrealizowane w sposób zasugerowany w jednostce, jednak uczniowie mieli dużą swobodę, a udział nauczyciela był minimalny. Uczniowie określili paliwa do zbadania, parametry badawcze oraz poddali krytyce swój projekt doświadczenia, a także zaangażowali się w rozwiązywanie problemów, gdy badanie nie przebiegało w założony przez nich sposób. Nauczyciel przewodniczył dyskusjom na forum całej klasy i zadawał pytania naprowadzające, ale poza tym nie angażował się w etap planowania i realizacji. Realizacja jednostki Choć w większości studiów przypadku realizacja jednostki przebiegała z wykorzystaniem zaproponowanego schematu przebiegu zajęć, wprowadzono również pewne modyfikacje. Spowodowane one były koniecznością dostosowania działań do poziomu uczniów, wyborem umiejętności do oceny czy też koniecznością dostosowania procesu do krajowych programów lub strategii nauczania. W CS1 Turcja wyszczególniono niewielkie zmiany w odniesieniu do sugerowanej kolejności zajęć, ale nauczyciel dostarczył kartę pracy ze wskazówkami dla uczniów, w której szczegółowo opisano cykl badawczy i przedstawiono strukturę badań do przeprowadzenia. Podobnie w przypadku CS4 Dania zadania nie odbiegają znacząco od opisanych działań dydaktycznych, choć realizacja jednostki miała charakter w dużej mierze otwarty i nauczyciel nie przedstawił żadnych materiałów ani kart pracy zwierających wskazówki. W CS2 Polska wprowadzono tylko nieznaczne modyfikacje w celu dostosowania realizacji jednostki dydaktycznej podczas zajęć pozalekcyjnych. Nauczyciel przygotował wprowadzającą kartę pracy, której uzupełnienie zostało zlecone jako zadanie domowe przygotowujące do zajęć. Zastąpiło ono ćwiczenie wprowadzające w propozycji przebiegu zajęć. Zajęcia w laboratorium rozpoczęły się od fazy planowania badań, co zapewniło wystarczającą ilość czasu na przeprowadzenie planowania, realizacji i podsumowania tematu. W CS3 Grecja opisano najbardziej znaczące zmiany w jednostce. Jednostka ta była realizowana w szkole gimnazjalnej, a tym samym nauczyciel nie wprowadził pojęcia entalpii. Grecki system oświaty zaleca w nauczaniu wykorzystywanie metody dociekania ukierunkowanego przez nauczyciela (guided inquiry), a zatem nauczyciel oprócz czterech kart pracy przygotował również kartę eksperymentalną. W tym przypadku w realizacji jednostki dydaktycznej skoncentrowano się na trzech aspektach: zastosowaniu różnych paliw dla różnych funkcji, zrozumieniu, że znaczenie słowa najlepsze zależy od kontekstu oraz na fazie eksperymentalnej dotyczącej czynności dnia codziennego, jaką jest gotowanie. Rozwijane umiejętności obejmowały te określone w propozycji przebiegu zajęć, ale doświadczenie zostało uproszczone do obserwacji najlepszych paliw do wykorzystania do zagotowania wody i do gotowania oraz zdefiniowania znaczenia pojęcia najlepsze paliwo w tych przypadkach. 3.2. Strategie oceny W ramach omówionych powyżej czterech studiów przypadku oceniane były umiejętności planowania badań i formułowania hipotez (tab. 4), jak również umiejętność myślenia naukowego (gromadzenie danych naukowych) oraz podstawowa wiedza i umiejętności naukowe (analiza i interpretacja wyników badań naukowych), tak jak zasugerowano w propozycji przebiegu zajęć. Zastosowano model oceniania kształtującego, w szczególności dla oceny formułowania hipotez i planowania badań. Zastosowane metody oceniania obejmują rozmowy z uczniami, ocenę kart pracy lub materiałów opracowanych przez uczniów, samoocenę i ocenę wzajemną uczniów. Tabela 4. Umiejętności badawcze oceniane przez nauczycieli w studiach przypadku CS1 Turcja Formułowanie hipotez Planowanie badań Praca w grupie Umiejętność myślenia naukowego (gromadzenie danych naukowych) Podstawowa wiedza i umiejętności naukowe (analiza i interpretacja danych naukowych) CS2 Polska Planowanie badań Formułowanie spójnych argumentów Umiejętność myślenia naukowego (organizacja i interpretacja danych) CS3 Grecja Formułowanie spójnych argumentów Praca w grupie CS4 Dania Planowanie badań Umiejętność myślenia naukowego (umiejętność wprowadzania danych i prowadzenia obserwacji) W CS1 Turcja prawie wszystkie umiejętności zostały ocenione za pomocą listy kontrolnej, tj. narzędzia oceny dostępnego w części dotyczącej oceny nauczania i uczenia się poprzez dociekanie omawianej tu jednostki dydaktycznej (tab. 2), oraz poprzez analizę kart pracy uczniów. Umiejętności formułowania hipotez KTÓRE PALIWO JEST NAJLEPSZE? 127

i planowania badań zostały jednak ocenione w klasie drogą efektywnej rozmowy z uczniami. Nauczyciel zauważył, że uczniowie mieli trudności z wykonywaniem tego typu zadań, a zaproponowane hipotezy często były niesprawdzalne. Aby rozwiązać ten problem, nauczyciel poprosił każdą z grup o odczytanie na forum klasy sformułowanych przez siebie hipotez i planu badań. Choć były to tylko wstępnie omówione zagadnienia i nie zawierały zbyt wielu szczegółów, nauczyciel zastosował tę metodę w celu sprawdzenia, które grupy zdołałyby poradzić sobie z całym procesem bez ingerencji nauczyciela. Grupom, które stworzyły plan lub hipotezę niemożliwe do zbadania, nauczyciel zapewnił informację zwrotną, tak aby uczniowie mogli je zmienić przed przeprowadzeniem badań. W przypadku CS2 Polska do oceny wybrano trzy umiejętności: formułowanie hipotez, definiowanie zmiennych oraz gromadzenie danych naukowych (robienie notatek/gromadzenie danych surowych). Nauczyciel rozdał uczniom kartę pracy do uzupełnienia jako zadanie przygotowawcze, ale została ona wykorzystana do oceny umiejętności dotyczących dociekania. Nauczyciel zaprojektował 3-stopniowe rubryki oceny tych umiejętności, które zostały wykorzystane przy ocenianiu notatek wykonanych przez uczniów podczas lekcji (tab. 5). Tabela 5. Ocena umiejętności rozwijanych w CS2 Polska Umiejętność Niedostateczna Dostateczna Bardzo dobra Formułowanie hipotez Uczeń nie formułuje hipotezy odpowiedniej dla postawionego problemu badawczego. Z pomocą nauczyciela uczeń formułuje hipotezę odpowiednią dla postawionego problemu badawczego. Uczeń samodzielnie formułuje poprawną hipotezę, odpowiednią dla dalszych doświadczeń i odnoszącą się do właściwie postawionego problemu badawczego. Definiowanie zmiennych Uczeń nie definiuje zmiennych związanych z zaplanowanym doświadczeniem. Uczeń definiuje pewne zmienne, a z pomocą nauczyciela jest w stanie znaleźć inne odpowiednie zmienne. Uczeń samodzielnie definiuje odpowiednie zmienne zależne i niezależne. Gromadzenie danych eksperymentalnych Uczeń sporządza niekompletne, nieczytelne notatki, zawierające informacje nieprzydatne do znalezienia odpowiedzi na postawione pytanie badawcze. Z pomocą nauczyciela uczeń jest w stanie zapisać pewne informacje niewystarczające jednak do tego, aby zaprezentować i zinterpretować wyniki, np. uzyskane dane bez symboli i jednostek. Uczeń samodzielnie przygotowuje odpowiednie notatki, biorąc pod uwagę właściwe jednostki, ilości i symbole oraz zależności między ilościami odzwierciedlone we wzorach, prezentując logiczną sekwencję przyczyny i skutków, które zawierają wszystkie niezbędne informacje, co na koniec umożliwia obliczanie efektu spalania badanych paliw. W przypadku CS3 Grecja nauczyciel obserwował uczniów podczas wykonywania ćwiczeń i na bieżąco dostarczał im informację zwrotną. Wykorzystał on zmodyfikowaną wersję listy kontrolnej zaproponowanej w jednostce (tab. 2) i opracował oddzielną listę kontrolną dla celów samooceny umiejętności pracy w grupie (patrz tab. 6). Grupy uczniów wymieniły się również kartami pracy, co miało na celu ocenę wzajemną uczniów, do wykonania której nauczyciel przewidział proste rubryki oceny stanowiące dla uczniów wskazówki co do sposobu wystawiania oceny. Tabela 6. Samoocena pracy w grupie w CS3 Grecja Zachowanie 3 zawsze 2 czasami 1 rzadko 1. Brałem/brałam aktywny udział we wszystkich dyskusjach grupy. 2. We wszystkich dyskusjach wziąłem/wzięłam pod uwagę opinie wszystkich członków zespołu. 3. Pomagałem/pomagałam w rozwiązywaniu sporów między członkami zespołu. 4. Używałem/używałam przekonujących argumentów na poparcie swoich poglądów. 5. Zapewniałem/zapewniałam pomoc zespołowi w razie potrzeby. 6. Na każdym etapie poszukiwałem/poszukiwałam informacji na dany temat. 7. Niezwłocznie kończyłem/kończyłam wszystkie prace, których podjąłem/ podjęłam się w ramach pracy zespołu. 128 Ocenianie uczniów samodzielnie dociekających wiedzę. Materiały dydaktyczne projektu SAILS. Tom 2

W przypadku CS4 Dania opisano dwie kluczowe możliwości oceny umiejętności dociekania. Na początku nauczyciel rozdał uczniom kwestionariusz zawierający następujące otwarte pytania, które uczniowie mieli za zadanie uzupełnić pod koniec lekcji: Czego nauczyłeś/nauczyłaś się na temat paliw? Czego nauczyłeś/nauczyłaś się podczas tej lekcji na temat metod pracy na lekcjach fizyki/chemii? Czego nauczyłeś/nauczyłaś się podczas tej lekcji na temat przedstawiania wyjaśnień i argumentacji? Jaka jest Twoja ogólna opinia na temat tej lekcji? Przy drugiej możliwości przeprowadzenia oceny nauczyciel w trakcie jednej lekcji przeprowadził dyskusję, podczas której z uczniami omówione zostały następujące kwestie: Dlaczego niektórym trudno jest pracować w ten sposób? Jakiej najważniejszej rzeczy się dowiedziałeś/dowiedziałaś? Czy uważasz, że procedura, z jakiej korzystałeś/korzystałaś, była taka sama jak ta stosowana w rzeczywistości w miejscu pracy? KTÓRE PALIWO JEST NAJLEPSZE? 129

Projekt SAILS (Strategies for Assessment of Inquiry Learning in Science) to projekt finansowany w ramach Siódmego Programu Ramowego Unii Europejskiej (2012-2015), w którym wzięło udział czternaście organizacji partnerskich, w tym uniwersytety, organizacje edukacyjne i przedsiębiorstwa z dwunastu krajów Europy: Belgii, Danii, Niemiec, Grecji, Węgier, Irlandii, Polski, Portugalii, Słowacji, Szwecji, Turcji i Wielkiej Brytanii. Ogólnym celem projektu było wspieranie nauczycieli przedmiotów przyrodniczych wdrażających elementy nauczania przez odkrywanie (IBSE Inquiry Based Science Education) na poziomie gimnazjum i szkoły ponadgimnazjalnej. W ramach projektu opracowano materiały dydaktyczne łączące w sobie opisy ćwiczeń realizowanych metodą nauczania przez dociekanie, wskazówki nt. ich realizacji oraz proponowane strategie oceny. Wersje robocze opracowanych materiałów zostały poddane ewaluacji przez nauczycieli posiadających doświadczenie w nauczaniu z wykorzystaniem IBSE. Następnie przeprowadzono pilotażowe wdrożenie tych ćwiczeń w ponad 100 klasach gimnazjów i szkół ponadgimnazjalnych, a każda jednostka realizowana była w co najmniej trzech różnych krajach. Informacje zwrotne od nauczycieli zostały zebrane w formie raportów (studium przypadku). Rezultaty tej dynamicznej współpracy pomiędzy partnerami projektu SAILS i nauczycielami doprowadziły do powstania 19 jednostek dydaktycznych SAILS, w których opisano zestawy ćwiczeń z biologii, chemii oraz fizyki, a dodatkowo zamieszczono praktyczne wskazówki na temat ich realizacji. Projekt SAILS uzyskał dofinansowanie z Siódmego Programu Ramowego Unii Europejskiej [FP7/2007-2013], zgodnie z umową nr 289085, oraz dofinansowanie ze środków na naukę w latach 2013-2015 przyznanych na realizację projektu międzynarodowego współfinansowanego. Tom 1-2 Tom 2 ISBN 978-83-943754-2-3 ISBN 978-83-943754-4-7 9 788394 375423 9 788394 375447