Doświadczenia a eksperymenty
Doświadczenia to za mało – potrzebne są eksperymenty
Przeprowadzony przez uczniów eksperyment – obojętnie, czy jego wynik był zgodny z przewidywaniem (hipotezą), czy nie – zawsze wzbogaca ich obiektywną wiedzę o badanym fragmencie rzeczywistości oraz ich umiejętności badawcze. Zgoda?
Aby dowiedzieć się czegoś więcej o świecie, powinniśmy zacząć od posiadanej już wiedzy, często potocznej. Musimy mieć na przy-
kład choćby mgliste przekonanie o tym, że aby nasiona zakiełkowały potrzebna jest woda, słońce i może coś jeszcze. Na początek wystarczy jakaś wstępna obserwacja związana ze wzrostem roślin – ot, choćby dostrzeżenie, że w domu ktoś podlewa kwiaty w doniczkach. I że zwykle stoją one przy oknie. Jeżeli mamy takie elementarne wiadomości, to zapewne jesteśmy gotowi, by z pomocą krytycznego myślenia poznać zjawisko dogłębniej.
Na początku jest doświadczenie
Jeśli jednak nie mamy o danym zagadnieniu żadnego pojęcia, to konieczne będzie doświadczenie, czyli obserwacja zdarzeń zachodzących samoistnie bądź sprowokowanych przez nas samych. Czasem może wystarczyć nawet rozmowa o tych doświadczeniach: o wspomnieniach z wakacji czy o obserwacjach domowych. Zbieranie doświadczeń i ich analiza może nas doprowadzić do wiedzy o różnych zależnościach (np. do stwierdzenia, że istnieje jakiś związek między warunkami pogodowymi a kiełkowaniem nasion). Jednak poprzestanie na zbieraniu i analizie doświadczeń nie wyposaży nas w narzędzia intelektualne badacza. W wyniku biernego gromadzenia wniosków z przeżywanych i obserwowanych doświadczeń nie nauczymy się aktywnego, odkrywczego poznawania świata – tworzenia hipotez i planowania procesu poznawczego. Warto tu zwrócić uwagę, że robiąc proste doświadczenia polegające na wykonywaniu instrukcji mówiącej co, kiedy i jak robić z określonymi obiektami czy zjawiskami, również jesteśmy bierni. W takiej sytuacji budujemy wprawdzie wiedzę i uczymy się przez asymilację tego, co widzieliśmy i zrozumieliśmy pod wpływem instrukcji z zewnątrz, ale nie wykorzystujemy ani twórczej wyobraźni, ani twórczego myślenia.
Eksperyment w twojej głowie
Do fazy eksperymentowania przechodzimy dopiero wtedy, gdy świadomie i zgodnie z pewną procedurą planujemy badania wspierające nasz proces poznawania świata. Wbrew intuicyjnym skojarzeniom podpowiadającym, czym jest eksperymentowanie, to co najważniejsze w tym procesie, dzieje się w naszych głowach przed podjęciem jakichkolwiek działań. Kluczem do naszego rozwoju intelektualnego i budowania wiedzy o świecie jest bowiem projektowanie hipotez i procedur ich weryfikacji (co się stanie, gdy…). Krytyczną rolę odgrywa tu zdolność do antycypacji – przewidywania przebiegu wydarzeń, które jeszcze nie nastąpiły, a które musimy sobie wyobrazić, by podjąć określone działanie. Równie ważne jest planowanie, jak zrealizować te procedury i potwierdzić prawdziwość wyniku. A następujące potem działanie? Doskonali tylko pewne umiejętności praktyczno-teoretyczne. Eksperymentalne badanie naszego otoczenia (fizycznego, społecznego i psychicznego) nie jest jednak możliwe bez wyodrębnienia i zdefiniowania zmiennych. Co to takiego? Zmienna to właściwość obiektu bądź zjawiska, która może się zmieniać, a my jesteśmy w stanie tę zmianę stwierdzić i zmierzyć lub opisać. Zmienną może być np. barwa, wysokość, temperatura lub czas trwania. Wyodrębniając i definiując zmienne, możemy opisać otaczający nas świat. Ale gdy chcemy go w pełni poznać, musimy poznać zależności między poszczególnymi dostrzeganymi przez nas zmiennymi. Bo od tych zależności oraz wewnętrznych i zewnętrznych uwarunkowań zależy kształt i funkcjonowanie świata.
Manipulujemy zmiennymi, badamy zależności
Powyższe zależności najpełniej poznajemy, posługując się metodą badawczą w czasie eksperymentu, czyli ukierunkowanej obserwacji inspirowanej szczegółowym planem, co i jak chcemy obserwować. W eksperymencie działamy danym czynnikiem po to, aby wywołać określoną zmianę. Musimy zatem przewidywać, pod wpływem jakich czynników (zmiennych niezależnych) można osiągnąć określone stany (zmienne zależne od wprowadzonego przez nas czynnika – zmiennej niezależnej).
Przykład? Aby przeprowadzić eksperyment testujący hipotezę Intensywność kiełkowania nasion i wzrostu siewki jest zależna od ilości wody w glebie, musimy mieć pewną wiedzę, choćby potoczną, że proces kiełkowania jest związany z wodą. Następnie musimy wyodrębnić zmienne: ilość wody (zmienna niezależna) oraz cechy określające kiełkowanie (np. długość pędu – zmienna zależna) i być w stanie je mierzyć. Jednak przede wszystkim musimy zbudować w naszej wyobraźni plan badania zależności tych zmiennych (np. kilka doniczek z zasadzonymi nasionami tego samego gatunku rośliny podlewanych
Do fazy eksperymentowania przechodzimy wtedy, gdy świadomie i zgodnie z pewną procedurą planujemy badania wspierające nasz proces poznawania świata.
podczas eksperymentu różną ilością wody, codzienna obserwacja i pomiar). Wysiłek włożony w wymyślenie eksperymentu, wykorzystanie wiedzy już posiadanej, trafne wytypowanie zmiennych, prawidłowo przeprowadzone pomiary, analiza wyników i wyciągnięcie wniosków – to wszystko daje w rezultacie nieporównywalnie trwalszy i bardziej znaczący rezultat od samego doświadczenia polegającego np. na obserwacji kiełkującego ziarna fasoli trzymanego na wilgotnej wacie.
Przeprowadzony przez uczniów eksperyment – obojętnie czy jego wynik był zgodny z przewidywaniem (hipotezą), czy nie – zawsze wzbogaca ich obiektywną wiedzę o badanym fragmencie rzeczywistości oraz ich umiejętności badawcze. Rozwija też ciekawość świata, odwagę i krytyczne, samodzielne myślenie. Kompetencje, których znaczenie wykracza daleko poza szkolne mury.
Prof. dr hab. Stanisław Dylak pedagog, profesor Uniwersytetu Adama Mickiewicza w Poznaniu, kierownik zakładu Pedeutologii na Wydziale Studiów Edukacyjnych.
www.kopernik.org.pl
Eksperyment i obserwacja[1]. W ramach praktycznego konstruowania wiedzy wykorzystujemy: eksperyment rozumiany jako proces, w trakcie którego badacz wprowadza zaplanowaną zmianę jednego czynnika i bada, jakie ta zmiana przynosi rezultaty, uważając przy tym, by pozostałe czynniki pozostały niezmienne, obserwację rozumianą jako zaplanowane gromadzenie faktów, bez wprowadzania jakichkolwiek ingerencji w zjawisko. W trakcie obserwacji nie występuje zmienna niezależna, ponieważ, jak już zostało powiedziane, nie ingeruje się w badany proces. W powyższych działaniach eksperyment i obserwacja realizowana jest zgodnie z metodą naukową. Po pierwsze, uczniowie stawiają najpierw pytanie badawcze. Pozwoli to ukierunkować myśli i skoncentrować się na badanym problemie. Pytania badawcze nie mogą mieć formy zamkniętej i nie mogą sugerować gotowej odpowiedzi. Następnie należy postawić hipotezę, czyli prawdopodobną, przewidywaną i wymyśloną odpowiedź na pytanie badawcze na podstawie wcześniejszej wiedzy bądź własnych przypuszczeń. Przed wykonaniem eksperymentu nie ma złych lub dobrych hipotez. Każda, nawet najbardziej śmiała hipoteza jest dopuszczalna. Na dalszym etapie pracy weryfikuje się postawioną hipotezę, tak, aby można ją odrzucić bądź przyjąć jako prawdziwą. Jeśli żadna z tych dwóch opcji nie jest możliwa, oznacza to ponowne przemyślenie doboru metod badawczych i przeprowadzenie kolejnego eksperymentu. Następnym krokiem wchodzącym w świat metody naukowej jest określenie zmiennych: zmiennej niezależnej (to, co będziemy zmieniać), zmiennej zależnej (to co będziemy mierzyć lub obserwować) i zmiennych kontrolnych (to co musimy pozostawić niezmienne). Zwraca się uwagę na wspólne przejście z uczniami przez cały proces planowania eksperymentów i obserwacji i zaangażowanie uczniów do samodzielnego planowania eksperymentów. Dzięki temu uczniowie nie tylko utrwalą wiedzę merytoryczną, ale również będą w stanie powiązać przyczynę ze skutkiem, a wynik z weryfikacją postawionej hipotezy. Zdolność do wyszukiwania zależności przyczynowo-skutkowych ułatwi uczniom poznanie innych treści merytorycznych i logiczną interpretację poznawanych faktów. Profesor S. Dylak uważa, iż tylko eksperymenty przeprowadzane z procedurą naukową dają uczniom właściwy obraz „nauki”. „W wyniku biernego gromadzenia wniosków z przeżywanych i obserwowanych doświadczeń nie nauczymy się aktywnego, odkrywczego poznawania świata – tworzenia hipotez i planowania procesu poznawczego. Robiąc proste doświadczenia polegające na wykonywaniu instrukcji mówiącej co, kiedy i jak robić z określonymi obiektami czy zjawiskami, również jesteśmy bierni. Do fazy eksperymentowania przechodzimy dopiero wtedy, gdy świadomie i zgodnie z pewną procedurą planujemy badania wspierające nasz proces poznawania świata. Kluczem do naszego rozwoju intelektualnego i budowania wiedzy o świecie jest bowiem projektowanie hipotez i procedur ich weryfikacji (co się stanie, gdy…). Przeprowadzony przez uczniów eksperyment – obojętnie czy jego wynik był zgodny z przewidywaniem (hipotezą), czy nie – zawsze wzbogaca ich obiektywną wiedzę o badanym fragmencie rzeczywistości oraz ich umiejętności badawcze. Rozwija też ciekawość świata, odwagę i krytyczne, samodzielne myślenie. Kompetencje, których znaczenie wykracza daleko poza szkolne mury”[2].
Wymagania doświadczalne – propozycja doświadczeń
Podczas wykonywania eksperymentów na fizyce uczniowie zdobywają wiedzę czynną, na którą składają się czynności praktyczne:
- Ilustrowanie
- Wyznaczanie
- Badanie
- Demonstrowanie
- Rozróżnianie
- Łączenie
- Obserwowanie
- Otrzymywanie
Działy fizyki w szkole podstawowej
- Ruch i siły (5)
- Energia (0)
- Zjawiska cieplne (5)
- Właściwości materii (7)
- Elektryczność (5)
- Magnetyzm (2)
- Ruch drgający i fale (2)
- Optyka (5)
Razem: 31 doświadczeń
1. Ruch i siły (5 doświadczeń)
doświadczalnie:
a) ilustruje: I zasadę dynamiki, II zasadę dynamiki, III zasadę dynamiki,
b) wyznacza prędkość z pomiaru czasu i drogi z użyciem przyrządów analogowych lub cyfrowych bądź oprogramowania do pomiarów na obrazach wideo,
c) wyznacza wartość siły za pomocą siłomierza albo wagi analogowej lub cyfrowej.
Propozycja doświadczeń:
- I zasada dynamiki: ruch jednostajny pod działaniem sił równoważących się
a) Kolorowa spirala GOKI – ruch jednostajny
b) Klaun Mano Goki – ruch jednostajny
c) Przewrotek Goki – ruch jednostajny
d) Schodzący pamperek po drabinie Goki – ruch jednostajny
e) Schodzący dzięciołek Goki – ruch jednostajny i tarcie
f) Dziobiące kurczaki GOKI – ruch jednostajny i drgający kurek dziobiących ziarna
- II zasada dynamiki: ruch przyspieszony
a) Spadająca piłeczka kauczukowa – przyspieszenie ziemskie
- III zasada dynamiki: akcja i reakcja
a) Dziobiące kurczaczki GOKI: ruchowi kulki towarzyszy reakcja dziobania kurek
- Wyznaczanie prędkości (pomiar długości drogi i pomiar czasu komórką lub filmem z komórki)
a) Pomiar prędkości przewrotka Goki
b) Pomiar prędkości schodzącego dzięciołka
c) Pomiar prędkości klauna Mano
- 5. Wyznaczanie siły
a) Projekt – zbuduj swój siłomierz
b) Wyznacz masę za pomocą wagi GOKI i przelicz ciężar
c) Za pomocą wagi elektronicznej wyznacz masę dowolnego przedmiotu
d) E-doświadczenie – wyznaczanie masy sera i gęstości
2. Energia – brak wymagań doświadczalnych
3. Zjawiska cieplne (5 doświadczeń)
doświadczalnie:
a) demonstruje zjawiska topnienia, wrzenia, skraplania,
b) bada zjawisko przewodnictwa cieplnego i określa, który z badanych materiałów jest lepszym przewodnikiem ciepła,
c) wyznacza ciepło właściwe wody z użyciem czajnika elektrycznego lub grzałki o znanej mocy, termometru, cylindra miarowego lub wagi.
Propozycja doświadczeń:
- Topnienie:
a) Sztuczny śnieg TOBAR
b)
- 2. Wrzenie:
a) Termometr miłości: wrzenie cieczy i rozszerzalność temperaturowa
b) Ciepła woda i strzykawka – wrzenie ciepłej wody
- 3. Skraplanie:
- 4. Przewodnictwo cieplne:
- 5. Ciepło właściwe:
a) Kostki różnych substancji
b) Termometry Galileusza
c) Cylindry miarowe
d) Waga
e) Grzałka o znanej mocy
f) Czajnik elektryczny
4. Właściwości materii (7 doświadczeń)
doświadczalnie:
a) demonstruje istnienie ciśnienia atmosferycznego; demonstruje zjawiska konwekcji i napięcia powierzchniowego,
b) demonstruje prawo Pascala oraz zależność ciśnienia hydrostatycznego od wysokości słupa cieczy,
c) demonstruje prawo Archimedesa i na tej podstawie analizuje pływanie ciał; wyznacza gęstości cieczy lub ciał stałych,
d) wyznacza gęstość substancji, z jakiej wykonany jest przedmiot o kształcie regularnym za pomocą wagi i przymiaru lub o nieregularnym kształcie za pomocą wagi, cieczy, cylindra miarowego.
Propozycja doświadczeń:
- Ciśnienie atmosferyczne:
a) Doświadczenie z odwróconą szklanką wody i kartką papieru
- Zjawisko konwekcji:
a) Wiatraczek na świeczki T-Light
b) Atrament w szklance wody
- Napięcie powierzchniowe
a) Sklejanie się płyt CD
b) Ile kropli wody zmieści się na złotówce (kroplomierz)
- Prawo Paskala
a) Nurek Kartezjusza – 4M
b) E-doświadczenie (keczup w butelce, probówka w butelce, kroplomierz w butelce)
c) Keczup, probówka, kroplomierz
d) Barotrauma uraz ciśnieniowy (projekt: butelka PET, folia strech, pisak, tasma klejąca)
- Prawo Archimedesa
a) Nurek Kartezjusza – 4M
b) Pływająca kula metalowa
c) Pływająca plastelina (statki z plasteliny)
- Wyznaczanie gęstości cieczy
a) Waga, cylinder miarowy
- Wyznaczanie gęstości ciał stałych
a) E-doświadczenie: wyznaczenie gęstości sera
b) Wyznaczenie gęstości kostek z różnych materiałów o regularnych kształtach (linijka)
c) Wyznaczenie gęstości kulki plasteliny (waga, cylinder miarowy, przymiar lub linijka)
5. Elektryczność (5 doświadczeń)
doświadczalnie:
a) demonstruje zjawiska elektryzowania przez potarcie lub dotyk, demonstruje wzajemne oddziaływanie ciał naelektryzowanych,
b) rozróżnia przewodniki od izolatorów oraz wskazuje ich przykłady,
c) łączy według podanego schematu obwód elektryczny składający się ze źródła (akumulatora, zasilacza), odbiornika (żarówki, brzęczyka, silnika, diody, grzejnika, opornika), wyłączników, woltomierzy, amperomierzy; odczytuje wskazania mierników,
d) wyznacza opór przewodnika przez pomiary napięcia na jego końcach oraz natężenia prądu przez niego płynącego.
Propozycja doświadczeń:
- Elektryzowania przez pocieranie lub dotyk:
a) Doświadczenie z elektryzowaniem długopisu i przyciąganiem skrawków papieru
b) Doświadczenie z elektryzowaniem balonów (balony)
c) Doświadczenie z elektryzowaniem aluminiowej puszki
- Oddziaływanie naelektryzowanych materiałów:
a) Naelektryzowane balony
b) Papierki w naelektryzowanym woreczku
- Rozróżnianie przewodników od izolatorów
a) Przewodniki: metale
b) Izolatory: porcelana
c) Polimery przewodzące
d) Doświadczenie z prądem z cytryny (4M)
- Łączenie obwodów elektrycznych
a) Zegar zasilany cytryną (4M)
b) Jak zrobić magnes z ziemniaka?
c) Woltomierze, amperomierze
- Wyznaczanie oporu przewodnika
a) Przewodniki do pomiaru oporu (amperomierze i woltomierze)
6. Magnetyzm (2 doświadczenia)
doświadczalnie:
a) demonstruje zachowanie się igły magnetycznej w obecności magnesu,
b) demonstruje zjawisko oddziaływania przewodnika z prądem na igłę magnetyczną.
Propozycja doświadczeń:
- Igła magnetyczna w obecności magnesu:
a) Doświadczenie z zachowaniem poziomej igły koło metalowego kaloryfera
b) Igła koło metalowej ramy drzwi
- Oddziaływanie przewodnika z prądem na igłę magnetyczną (kompas Tobar)
7. Ruch drgający i fale (2 doświadczenia)
doświadczalnie:
a) wyznacza okres i częstotliwość w ruchu okresowym,
b) demonstruje dźwięki o różnych częstotliwościach z wykorzystaniem drgającego przedmiotu lub instrumentu muzycznego,
c) obserwuje oscylogramy dźwięków z wykorzystaniem różnych technik.
Propozycja doświadczeń:
- Wyznaczanie okresu i częstotliwości:
a) Wahadło matematyczne
b) Aplikacja na komórkę
- Dźwięki o różnych częstotliwościach
a) Gwizdek jadący pociąg GOKI
b) Instrumenty muzyczne GOKI
8. Optyka (5 doświadczeń)
doświadczalnie:
a) demonstruje zjawisko prostoliniowego rozchodzenia się światła, zjawisko załamania światła na granicy ośrodków, powstawanie obrazów za pomocą zwierciadeł płaskich, sferycznych i soczewek,
b) otrzymuje za pomocą soczewki skupiającej ostre obrazy przedmiotu na ekranie,
c) demonstruje rozszczepienie światła w pryzmacie.
Propozycja doświadczeń:
- Prostoliniowe rozchodzenie się światła:
c) Demonstracja promienia lasera z dezodorantem
- Załamanie światła na granicy ośrodków
a) Łyżeczka w szklance wody
b) Promień lasera w akwarium z wodą i odrobiną mleka
- Powstawanie obrazów w zwierciadłach płaskich
a) Zwierciadła płaskie
b) Niewidzialna skarbonka
- Powstawanie obrazów w zwierciadłach kulistych
a) Miroskop 3D (Tobar)
b) Miracle 3D świnka
c) Soczewki kuliste, wklęsle
- Rozszczepienie światła w pryzmacie:
a) Pryzmaty do rozszczepienia światła (Tobar)
[1] Poniższy fragment opracowany na podstawie wstępu „Pytaj, badaj, wnioskuj! Dobre praktyki − wybrane scenariusze zajęć. Fizyka. Jesień 2014” Agnieszki Chołuj z Międzynarodowego Instytutu Biologii Molekularnej i Komórkowej.
[2] S. Dylak, Doświadczenia to za mało – potrzebne są eksperymenty, [w:] Nowa Pracownia Przyrody, Warszawa 2015, s. 22–23, http://www.kopernik.org.pl/news/n/lekcje-przyrody-od-nowa.