פיזיקה עם חיוך בחטיבת הביניים: פיתוח, הפעלה ומחקר של גישה חדשה להוראת פיזיקה "איכותית"

1. פיזיקה עם חיוך בחטיבת הביניים: פיתוח, הפעלה ומחקר של גישה חדשה להוראת פיזיקה "איכותית" ד"ר רוני מועלם המחלקה להוראת מדעים מכון ויצמן למדע

2. נושא קשה ליישום בהוראת הפיזיקה(ומטרה חשובה): הבנה איכותית של תופעות מחיי היום יום

3. תופעות מחיי היום יום

4. מהי הבנה איכותית בפיזיקה? לדעת להסביר (ו/או לנבא) תופעות באמצעות מושגים ועקרונות פיזיקליים (שפת הפיזיקה)

5. כביש(N) חיכוך עם הכביש מכונית עגלה כדור הארץ(mg) הסבר איכותי אפיון מערכת: מכונית, עגלה, כביש, כדור הארץ, אוויר מושגים בסיסיים: אינטראקציות, כוחות, חיכוך, תנועה, חוקי ניוטון הסבר פיזיקלי: דיאגרמת כוחות לגוף נבחר והסברתה F f

6. האם הוראה מסורתית מקנה הבנה איכותית? לא • תוצאות מבחן FCI • הבדלים משמעותיים בהבנה בעקבות הוראה עם שיטות הוראה מבוססת מחקר לעומת שיטות מסורתיות • ספרות ענפה בנושא

7. דוגמא (מתוך שאלון FCI) נתונים שני כדורי מתכת בעלי גודל זהה אך האחד שוקל כפליים מהשני. אדם משחרר את שני הכדורים מגג נמוך באותו רגע. הזמן שיידרש מכדורים להגיע לרצפה יהיה: • בערך אותו דבר • הכדור הכבד יגיע מהר יותר • הכדור הקל יגיע מהר יותר

8. ביצועי הבנה (רמת יסוד*) • היכולת לזהות את מרכיבי המערכת הרלוונטיים בסיטואציה. • היכולת לזהות את כל האינטראקציות בסיטואציה. • היכולת לזהות את כל הכוחות הפועלים בסיטואציה. • היכולת להתמקד בגוף מסוים בסיטואציה ולבנות לו דיאגרמת כוחות. • היכולת לנבא שינוי בתנועה של גוף על פי דיאגרמת הכוחות שלו. • היכולת לקבוע מאפייני דיאגרמת כוחות על פי מאפייני תנועה. *על פי פרקינס

9. ביצועי הבנה (רמה מתקדמת*) • היכולת להסביר סיטואציה מסוימת (לדוגמה: עיוות ו/או שינוי במהירותו של גוף). • היכולת לנבא תוצאת ניסוי או תופעה הכוללת אינטראקציות. *על פי פרקינס

10. השלבים לפתרון השאלה נתונים שני כדורי מתכת בעלי גודל זהה אך האחד שוקל כפליים מהשני. אדם משחרר את שני הכדורים מגג נמוך באותו רגע. הזמן שיידרש מכדורים להגיע לרצפה יהיה: • בערך אותו דבר • הכדור הכבד יגיע קודם • הכדור הקל יגיע קודם

11. מה דרוש לפתרון הבעיה? • ביצועי הבנה • אסטרטגיה להפעלת ביצועי ההבנה

12. ידע קודם נאיבי אסטרטגיה לפתרון בעיות הסבר וחיזוי של תופעות יומיומיות פתרון מהספרות (Reif, Van-Heuvelen): מסגרת תפיסתית

13. אתגר: פתוח אסטרטגיה איכותית לחטיבת הביניים כאשר שימוש באסטרטגיות כמותיות אינו אפשרי

14. סקירת ההרצאה • מחקר מקדים- ההבנה האיכותית במכניקה של תלמידים ומורים בישראל • פיתוח גישת הוראה • מחקר

15. מחקר מקדים מטרות: • אפיון קשיי המשגה וההבנה האיכותית של תלמידים ומורים למדים בחט"ב בתחום הנלמד (מכניקה) • בחינת תרומתה של יחידת לימוד "אינטראקציה, כוחות ותנועה" שנכתבה על מנת לשפר את ההבנה האיכותית במכניקה של תלמידי חט"ב • בעיות שעולות בהוראת הפיזיקה בחט"ב תוך התייחסות לביצועי הבנה

16. מהלך המחקר (הדיאגנוסטי-מקדים) • בניית שאלון דיאגנוסטי (שאלון 1) הבא לבדוק הבנה איכותית (כולל 7 שאלון FCI) והעברתו לפני ואחרי הוראה עם היחידה "אינטראקציה, כוחות ותנועה". • העברת השאלון לקבוצות שונות (מתמחים, פרחי הוראה ומורים למדעים בחט"ב) • ראיונות עם מורים שהפעילו את היחידה "אינטראקציה, כוחות ותנועה"

17. ידע קודם נאיבי (אינטואיטיבי) (כולל תפיסות שגויות) מסגרת תפיסתית שימוש בידע נרכש להסביר ולחזות תופעות מחיי היום יום תוצאות המחקר המקדים:

18. מטרות העבודה א. פיתוח אסטרטגיה לפתרון בעיות (כלי חשיבה) וגישת הוראה לפתח אסטרטגיה לפתרון בעיות איכותית הנלוות ליחידת הלימוד "אינטראקציה, כוחות ותנועה" ודרכים להפעלתה תוך שילוב הערכה מעצבת ב. מחקר

19. אפיון מערכת א. ציירו מלבנים המתארים את הגופים המשתתפים בהתרחשות ב. רשמו בטבלה את כל האינטראקציות בהן מעורב כל גוף בהתרחשות מאינטראקציות לכוחות א. הוסיפו את כל הכוחות המופיעים בכל האינטראקציות לציור המלבניםב. התמקדו בגוף מסוים וציירו מלבן המייצג אותו בנפרד עם כל הכוחות הפועלים עליו כוחות ותנועה התאימו את גודל הכוחות הפועלים על הגוף הנבחר בהתאם למאפייני התנועה שלו אסטרטגיה לפתרון בעיות:

20. אפיון מערכת: א. ציירו מלבנים המתארים את הגופים המשתתפים בהתרחשות ב. רשמו בטבלה את כל האינטראקציות בהן מעורב כל גוף בהתרחשות

21. כלב רצועה ילד רצפה כדור הארץ אפיון מערכת: מלבנים המתארים את הגופים המשתתפים בהתרחשות: כל האינטראקציות בהן מעורב כל גוף בהתרחשות:

22. א. הוסיפו את כל הכוחות המופיעים בכל האינטראקציות לציור המלבניםב. התמקדו בגוף מסוים וציירו מלבן המייצג אותו בנפרד עם כל הכוחות הפועלים עליו מאינטראקציות לכוחות:

23. כלב רצועה ילד רצפה כדור הארץ רצפה רצועה חיכוך כלב כדור הארץ כל הכוחות המופיעים בכל האינטראקציות בציור המלבנים: מיקוד בגוף מסוים ומלבן המייצג אותו בנפרד עם כל הכוחות הפועלים עליו:

24. התאימו את גודל הכוחות הפועלים על הגוף הנבחר בהתאם למאפייני התנועה שלו כוחות ותנועה

25. רצפה רצועה חיכוךעם הרצפה כלב כדור הארץ נתון: הכלב אינו משנה את מהירותו

26. מטרות המחקר תלמידים: • לבדוק את תרומת גישת ההוראה (יחידת לימוד ואסטרטגיה) להשגת "ביצועי הבנה" (תהליכים ותוצרים) ואת הקשיים העולים במהלך לימוד הגישה • להעריך את מידת שביעות הרצון של התלמידים מגישת ההוראה מורים: • לבדוק את תפיסת הידע העצמי של המורים במכניקה ואת ביטחונם העצמי ללמד את המקצוע, ולהעריך את מידת שביעות הרצון של המורים מגישת ההוראה (כולל קשיים) • לבדוק את הקשיים העולים מהפעלת הגישה בכיתתם

27. שיטת המחקר 1. איסוף נתונים בקנה מידה רחב • תלמידי חט"ב • תלמידי תיכון מתמחים (כיתות י"א ו-י"ב) • מורי מדעים בחט"ב ופרחי הוראה • תלמידי מכללות בארה"ב 2. הערכת הגישה • רמה אופטימלית: קבוצה נבחרת וכיתות הטרוגניות • מורים חסרי רקע • מי "מרוויח" יותר: תלמידים חלשים או חזקים? 3. מעקב אחר תהליכים • בעיות בהוראת הגישה • שינויים בשיח האישי בעקבות חשיפה לגישה • שימוש באסטרטגיה כפיגום

28. הפעלת הגישה הפעלת הגישה PRE PRE POST POST תהליכים מערך המחקר • השוואה בין מועדים (קנה מידה רחב) • השוואה בין קבוצות (POST) • מעקב מפורט אחר קבוצה קטנה של תלמידים

29. אוכלוסיית המחקר קבוצות המחקר • כיתות ט' הטרוגניות (N=225) • מורי מדעים בחט"ב המשתלמים בגישה (180=N) קבוצות השוואה • כיתות ט' הטרוגניות (191=N) • תלמידי י"א ו-י"ב מתמחים (98=N) • תלמידי י"ב בשאלת בגרות העוסקת בחוק השלישי של ניוטון (1115=N) • מורי מדעים בחט"ב (12=N) • פרחי הוראה (20=N) • תלמידי מכללות בארה"ב (6542=N)

30. כלי המחקר • שאלון ידע 1: שאלות מהספרות PRE-POST זהים (כוללות 7 שאלות FCI) • שאלון ידע 2: שאלות הבאות להעריך את ביצועי ההבנה PRE-POST זהים (כוללות 3 שאלות FCI) • ראיונות עם תלמידים בשלבים שונים של ההוראה • תצפיות בכיתה • שאלוני עמדות (מורים ותלמידים) • שאלון בנושא הביטחון העצמי של מורים בהוראת פיזיקה • ראיונות עם מורים המשתלמים בגישה

31. שיטות ניתוח ועיבוד הנתונים • שאלוני תוכן כמותיים: מחושבים ממוצעים, סטיות תקן, קורלציות בין משתנים ומובהקות. • ראיונות התוכן: מבוצע שיקלוט והערכה על פי מחוון, קביעת קטגוריות וניתוח ממפה ממוקד.

32. P N <g> קבוצה 0.001 p< 0.003>p 106 35 0.49 0.53 הוראה בהתאם לגישה-שאלון 1 ישראל כיתה ט' (הטרוגנית) כיתה ט' (שליש עליון) 2084 4458 0.23 0.48 הוראה מסורתית הוראה פעילה (מבוססת מחקר) ארה"ב תוצאות (g>* = (posttest score – pretest score)/(100 – pretest score> *מידת ההתקדמות מובעת ב- <g>, על פי Hake (1998)

33. תוצאות שאלון 1

34. n.s. (מקדים) ט' הטרוגני מושגים (אחר) ט' מצטיינים מושגים + אסטרטגיה מורי מדעים

35. תוצאות תת מבחן FCI

36. נימקו נכון (באחוזים) ענו נכון (באחוזים) N קבוצה 40 47 360 כיתות ט' הטרוגניות 31 42 1115 כיתות מתמחים בגרות שאלה ממבחן בגרות בפיזיקה 5 יח"ל תשס"ג: משקולת תלויה על חוט המחובר לתקרה. התלמיד טוען ש- Tו- mgהם זוג כוחות של פעולה ותגובה. האם טענתו נכונה? נמקו

37. תוצאות שאלון 2: ביצועי הבנהg> = (posttest score – pretest score)/(100 – pretest score)> ביצועי הבנה: A- זיהוי כל הגופים במערכת B- זיהוי כל האינטראקציות במערכת C- זיהוי כל הכוחות במערכת E- חיזוי שינוי במהירותו של גוף בהסתמך על דיאגרמת הכוחות שלו F- בניית דיאגרמת כוחות לגוף על סמך מאפייני התנועה שלו G- מתן הסבר לתופעה תוך שימוש בשפה פיזיקלית נכונה H- חיזוי מה עומד להתרחש בסיטואציה מסויימת N=100

38. ראיונות

39. דוגמאות מראיונות קטע ראיון עם עומרי (תלמיד ברמה מעל הממוצע) מ: אני רוצה דיאגרמת כוחות לבקבוק.. ת: [מצייר חיצי כוח] כדור הארץ למטה..ספר למעלה.. מ: אתה יכול להתייחס לאורך של החיצים האלה? ת: הם שווים..הוא נשאר במקום..אם הספר היה דוחף אותו יותר מאשר כוח המשיכה אז הבקבוק היה עולה למעלה או הפוך מ: ודיאגרמת כוחות לספר.. ת: שוב..כדור הארץ למטה..אבל הפעם גם הבקבוק דוחף אותו למטה..והשולחן למעלה מ: ואורכי החיצים? ת: שוב, הם שווים [התלמיד מדייק]

40. ניתוח על פי FACETS

41. More Learning Goals: The student understands that some objects can exert forces without being in contact with the object on which they are exerting the force. Students can identify the gravitational force exerted between the earth and another object.

42. ראיון עם שחר- רקטה בלונית מראיין: לאיזה כיוון הבלון ינוע? ש (תלמיד): לשם {בביטחון} {התלמיד צודק} מ: צייר לי דיאגראמת כוחות לבלון. ש: {מצייר מלבנים- השלב הראשון באסטרטגיה} מ: אתה חושב שהמלבנים עוזרים לך? ש: כן..אבל אני יכול לדלג על השלב הזה.. זה תלוי בהבנה. מ: אתה יודע מה, בא נדלג על השלב הזה.. צייר את הדיאגראמה.. ש: {מצייר ומסביר בצורה נכונה} מ: אני רוצה להבין למה הבלון זז? ש: כי הבלון מלא אוויר שיוצא ממנו ודוחף אותו לשם.. מ: נסה לדבר באינטראקציות.. ש: יש אינטראקציה בין האוויר לבלון, יש שני כוחות באינטראקציה מ: תרגם את האינטראקציה לשפת כוחות.. מאין הגיע החץ (הכוח) שדוחף את הבלון..? ש: האוויר שהיה בבלון יוצא החוצה.. ושהוא יוצא... {התלמיד נתקע} מ: בא ניקח מקרה אחר {המראיין מתאר ילד היושב על כסא גלגלים ומשליך תיק כבד} מה קורה פה? ש: אתה תזוז אחורה.. התיק מפעיל עליך כוח בחזרה..הכוח שאתה מפעיל על התיק.. הוא מחזיר לך את אותו כוח בחזרה.. מ: איך קוראים למקרה כזה של הפעלת כוחות הדדיים? ש: אינטראקציה.. מ: אם אני רוצה לבודד אותי.. כאשר אני כולל את הכסא.. איך זה יראה? ש: {מצייר נכון ומסביר היטב} מ: טוב, עכשיו בו נחזור לבלון..

43. ניתוח על פי מחוון אפיון התשובה מלאה מלאה אין שימוש במושגים רלוונטיים אין שימוש במושגים רלוונטיים ולא מוזכרים כל הכוחות במערכת שימוש חלקי בלבד במושגים רלוונטיים מלאה מלאה מלאה מלאה ציון 10 15 6 4 8 10 10 10 10 83 רקטה בלונית: • לאיזה כיוון ינוע הבלון (10%) 2. ציור דיאגראמת כוחות (15%) 3 . הסבר ראשוני לתנועת הבלון (10%) 4. הסבר מעמיק לתנועת הבלון (15%) ילד על כיסא:ילד יושב על כיסא גלגלים ומשליך תיק כבד- מקרה מגשר (Bridging Analogy) 5. הסבר מילולי: מדוע נע הילד? (%10) 6. ציור דיאגראמת כוחות (10%) רקטה בלונית- רמה מתקדמת 7. הסבר מעמיק לתנועת הבלון (10%) 8. חיכוך: מדוע לא נע בלון במצבי ניפוח חלקיים (10%) 9. חיכוך: ציור דיאגראמת כוחות למצבים שונים של ניפוח הבלון (10%) ציון סופי:

44. קטע ראיון עם דון (תלמיד בקבוצה ברמה נמוכה) לפני ההוראה מ: אתה יושב על כסא גלגלים שיכול לזוז, אני נותן לך כדור כבד ומבקש ממך לזרוק את הכדור. מה אתה חושב שיכול להתרחש? ת: אני קצת אדחף אחורה עם הכסא.. מ: למה? ת: כי יש התנגדות ו.. מ: התנגדות של מי? ת: לא התנגדות.. כאילו..אני דוחף קיר...לא יודע להסביר את זה..

45. קטע ראיון עם דון, לאחר שני שיעורים מ: יש לך סקייטבורד ואתה נמצא עליו עם כדור כבד.. אתה מוסר לי אותו בכל הכוח.. מה יקרה.. ת: אני אעוף אחורה.. קצת.. מ: מי דוחף אותך.. ת: כאילו גם הכדור דוחף אותך..

46. ראיון עם דון, חצי שנה לאחר ההוראה מ: סיטואציית הכסא. מה יקרה לך? ת: אני נדחף אחורה.. מ: בוא נעשה דיאגרמת כוחות לך.. אתה מחובר לכסא.. ת: האבטיח דוחף אותי אחורה.. הרצפה למעלה וכדור הארץ למטה.. והחיכוך לצד השני מ: האבטיח יותר גדול מהחיכוך? אם אתה כן זז.. ת: לא.. מ: יכול להיות מצב שבו החיכוך שווה לגודל של האבטיח ואתה עדיין תגדיל את המהירות שלך? ת: לא, לא יכול להיות.. החיכוך יותר קטן..

47. ניתוח איכותי של הראיונות • מידת השימוש בדוגמאות ואנלוגיות כדי לספק הסבר שימוש בדוגמאות ראיון 1 ראיון 2 ראיון 3

48. ניתוח איכותי של הראיונות • מידת השימוש בשפת מומחים כדי לספק הסבר שימוש בשפה מפעיל כוח דוחף מעיף התנגדות ראיון 1 ראיון 2 ראיון 3

49. ניתוח איכותי של הראיונות • מידת התקדמות ב- FACETS התקדמות ב- Facets Learning Goal Facet # Facet 80 ראיון 1 ראיון 2 ראיון 3

50. מחקר על מורים • הידע האיכותי של המורים במכניקה, ודעותיהם על הידע הזה ועל יכולתם ללמד אותו • ביטחונם העצמי של המורים בהוראת מכניקה לתלמידים ולמורים אחרים • יעילותה של ההשתלמות "מי מפחד מפיזיקה" בהתייחס לידע וביטחונם של המורים ללמד מכניקה