Μάθηση και διδασκαλία γυμνασιακής χημείας: πότε πρέπει να εισαχθεί η ατομική και μοριακή θεωρία;

Abstract

In this thesis, we investigate whether (Greek) 8th-grade students are familiar with atoms, molecules, chemical symbols and their model representations, and whether they have understood the concept of the chemical reaction. In addition, we examine the effect of a teaching intervention, in which chemical reactions were taught after the introduction of the concepts of atoms, molecules, and their symbolism. (According to the Greek curriculum, students are introduced first, in macroscopically reactions, then, comes the atom, the molecule and their symbolism, and, after these follow the representation of reactions with chemical equations/with symbols or models.) Finally, we carried out an analysis of the illustrations (the pictures) and the hyperlinks of the interactive (Greek) lower-secondary chemistry books of the so-called "Digital School". For the evaluation of the students, we devised and applied a test and an exam, while the statistical analysis was carried out by using SPSS 23 and EXCEL. According to the findings, and regardless of the teaching intervention, poor-performing students transfer more easily from the symbolic to the submicroscopic level, while no such difference was detected for the relatively high-performing students. With regard to the teaching intervention, no statistically significant difference was detected in the test for the total sample of students between experimental and control groups. Moreover, in four groups of students, of low, moderate, good and high performance, we identified superiority of the experimental group only for the good-performing group (13≤mean<16). Regardless of the teaching intervention, the performance of students in the exam was low (7.11/20). The majority of students did not understand the concept of reaction: 37% of them provided a nearly acceptable definition, while less than 2% gave a full definition. They explained more easily the amount of water produced from a non-stoichiometric ratio of hydrogen and oxygen, in relation to the explanation of the change in carbon mass during its combustion or in iron mass during its oxidation. Also, there was a statistically significant difference in favor of the explanation of the change in the iron mass during its oxidation, relative to the change in carbon mass during its combustion. Regarding the teaching intervention, no statistically significant difference was found in the exam for the total sample between experimental and control groups. However, both the test and the exam showed the trend of experimental groups to have better respond than the control groups. Finally, the 255 illustrations/images in the interactive 8th–grade books were identified as: 61.96% macroscopic, 27.06% symbolic, 3.92% submicroscopic, 6.67% multiple, 0.39% hybrid, and 0% mixed. The corresponding figures for the 233 images of the 9th-grade book were: 47.21, 33.91, 4.72, 13.30, 0.86 and 0%. Finally, only a few hyperlinks in chemistry book of G. Gymnasium lead in connecting three chemical levels.

Στη διατριβή αυτή, διερευνούμε κατά πόσο οι μαθητές/τριες της Β΄ τάξης Γυμνασίου εξοικειώνονται με τα άτομα, τα μόρια, τα χημικά σύμβολα και τα προσομοιώματά τους και κατά πόσο έχουν κατανοήσει την έννοια της χημικής αντίδρασης. Επίσης, εξετάζουμε και την επίδραση διδακτικής παρέμβασης, σύμφωνα με την οποία οι χημικές αντιδράσεις διδάχθηκαν μετά την εισαγωγή των εννοιών των ατόμων, των μορίων και των συμβολισμών τους. (Σύμφωνα με το πρόγραμμα σπουδών, πρώτα εισάγονται μακροσκοπικώς οι αντιδράσεις, ακολουθούν οι έννοιες του ατόμου, του μορίου και ο συμβολισμός τους και στη συνέχεια ακολουθεί η απεικόνιση των αντιδράσεων με χημικές εξισώσεις/με σύμβολα ή με προσομοιώματα.) Τέλος, αναλύουμε την εικονογράφηση και τους υπερσυνδέσμους στα διαδραστικά βιβλία Χημείας γυμνασίου του «Ψηφιακού Σχολείου» για να εξετάσουμε κατά πόσο ο/η μαθητής/τρια εξοικειώνεται με τα τρία επίπεδα της χημείας, το μακροσκοπικό, το συμβολικό και το υπομικροσκοπικό. Για την αξιολόγηση των μαθητών/τριων συντάξαμε και εφαρμόσαμε ένα τεστ και ένα διαγώνισμα, ενώ για τη στατιστική επεξεργασία χρησιμοποιήσαμε το SPSS 23 και το EXCEL. Σύμφωνα με τα ευρήματα, και ανεξάρτητα από τη διδακτική παρέμβαση, οι μαθητές/τριες χαμηλής επίδοσης μεταβαίνουν ευκολότερα από το συμβολικό στο υπομικροσκοπικό επίπεδο, ενώ οι μαθητές/τριες σχετικά υψηλής επίδοσης ανταποκρίνονται το ίδιο. Ως προς τη διδακτική παρέμβαση, στο σύνολο των μαθητών/τριων δεν υπάρχει στατιστικώς σημαντική διαφορά μεταξύ πειραματικών και τμημάτων ελέγχου στο τεστ. Εξάλλου, σε τέσσερις ομάδες μαθητών/τριων, χαμηλής, μέτριας, καλής και υψηλής επίδοσης, εντοπίσαμε στατιστικά σημαντική υπεροχή της πειραματικής ομάδας μόνο στην ομάδα καλής επίδοσης (13≤Μ.Ο.<16). Ανεξάρτητα από την διδακτική παρέμβαση, η επίδοση των μαθητών/τριων στο διαγώνισμα ήταν χαμηλή (7,11/20). Η πλειονότητα των μαθητών/τριων δεν κατενόησε την έννοια της χημικής αντίδρασης. Έναν σχεδόν αποδεκτό ορισμό έδωσε το 37% των μαθητών/τριων, ενώ λιγότερο από 2% έδωσε τον πλήρη ορισμό της. Με μεγαλύτερη ευκολία αιτιολόγησαν την ποσότητα του νερού που θα σχηματιστεί από υδρογόνο και οξυγόνο σε μη στοιχειομετρική αναλογία, σε σχέση με την αιτιολόγηση της μεταβολής της μάζας του άνθρακα κατά την καύση του ή του σιδήρου κατά την οξείδωσή του. Επίσης, υπάρχει στατιστικώς σημαντική διαφορά υπέρ της αιτιολόγησης της μεταβολής της μάζας του σιδήρου κατά την οξείδωσή του, σε σχέση με τη μεταβολή της μάζας του άνθρακα κατά την καύση του. Ως προς τη διδακτική παρέμβαση βρέθηκε ότι στο σύνολο των μαθητών/τριων δεν υπάρχει στατιστικώς σημαντική διαφορά στο διαγώνισμα μεταξύ πειραματικών και τμημάτων ελέγχου. Ωστόσο, τόσο στο τεστ όσο και στο διαγώνισμα, διαπιστώθηκε η τάση των πειραματικών τμημάτων να ανταποκρίνονται καλύτερα από τα τμήματα ελέγχου. Τέλος, οι 255 εικόνες των διαδραστικών βιβλίων Β΄ Γυμνασίου ταυτοποιήθηκαν ως: 61,96% μακροσκοπικές, 27,06% συμβολικές, 3,92% υπομικροσκοπικές, 6,67% πολλαπλές, 0,39% υβριδικές και 0,0% μεικτές. Οι αντίστοιχοι αριθμοί για τις 233 εικόνες στο βιβλίο της Γ΄ Γυμνασίου ήταν: 47,21%, 33,91%, 4.72%,13,30%, 0,86% και 0%. Τέλος ελάχιστοι υπερσύνδεσμοι του βιβλίου Γ΄ Γυμνασίου οδηγούν στα τρία χημικά επίπεδα.