Жоғары сынып оқушыларының потенциалдық шұңқыр мен туннельдер туралы қате түсінігі
жүктеу/скачать 0,91 Mb.
|
|
4.4 Жоғары сынып оқушыларының потенциалдық шұңқыр мен туннельдер туралы қате түсінігі Кванттық механика физикалық зерттеулерде және оның қолданылуында іргелі рөл атқаратындықтан, ол көптеген елдердегі орта мектептің оқу бағдарламасының бөлігі болды. Кванттық механиканы орта мектеп деңгейінде оқыту өте қиын, өйткені орта мектеп оқушылары кванттық механикаға ресми математикалық көзқарас үшін қажетті математикалық құралдарды қолдануды үйренбеген. Сондықтан орта мектептерде кванттық механика тұжырымдамалық деңгейде оқытылуы керек. Кванттық механиканы орта мектеп деңгейінде оқыту да қиын, өйткені ол орта мектеп оқушылары оқып меңгерген классикалық физикадан түбегейлі ерекшеленеді; күнделікті өмір тәжірибесі әдетте кванттық механикамен байланысты емес, бұл оны қарама-қайшы етеді. Студенттер кванттық құбылыстарды анықтауға бейім, бұл кванттық механика принциптеріне қайшы келеді. Зерттеу сонымен қатар студенттердің классикалық тұжырымдамаларды білудегі басымдықтарын қате қорытындылауға бейім екенін көрсетті. Орта мектептерде кванттық механиканы оқытуды тиімді енгізу үшін оқушылардың кванттық механиканы үйренудегі қиындықтарын білу қажет. Зерттеу 5 көрсеткендей, көптеген халықаралық оқу бағдарламаларында оқытылатын кванттық механиканың тақырыптары бар, мысалы, корпускулалық толқындық дуализм және дискретті энергия деңгейлері. Орта мектеп деңгейіндегі білім беру саласындағы зерттеулердің көпшілігі осы тақырыптарға бағытталды 6. Алайда сирек оқытылатын тақырыптар бойынша зерттеулер аз болды. Бұл студенттердің qm 2, 7 философиялық аспектілерін немесе математикалық түсініктерді түсіну үшін жүргізілген зерттеулердің аздығынан көрінеді, мысалы, елімізде оқытылатын потенциалды шұңқыр 8. Кванттық механиканы оқушылардың дұрыс түсінбеуі туралы 6 ағымдағы білімге шолу орта мектеп оқушыларының кванттық механика түсінігі мен олардың негізгі қиындықтары туралы, әсіресе оқушылардың толқындық функцияны, потенциалдық шұңқырды түсінуі үшін көбірек зерттеулер қажет екенін көрсетті. Бұл бөлімде біз колледж немесе орта мектеп оқушыларының физика бойынша оқу бағдарламасының бөлігі болған бір өлшемді шексіз шұңқыр мен туннель туралы түсінбеушіліктерін зерттеуді ұсынамыз. Студенттердің түсінігін тексеру үшін тұжырымдамалық білім тесті жүргізілді, оның нәтижелері талданды. Байқалған түсініспеушіліктерге байланысты терең мәселелерді зерттеу үшін сұхбат жүргізілді. Студенттердің қиындықтары туралы зерттеулерімізді ұсына отырып, біз алдымен потенциалдық шұңқыр мен туннельге байланысты студенттердің қиындықтары туралы бар зерттеулерге шолу жасайық. 1-кесте жоғары курс студенттерінің толқындық функциялар, потенциалдар, туннельдеу және ықтималдылық туралы қате түсініктері.
4.2.1 студенттердің потенциалдық шұңқыр және туннельдермен қиындықтары Студенттердің потенциалдық шұңқыр мен туннельдер туралы түсініктерін зерттеу жүргізілді, бірақ көбінесе бакалавриат деңгейінде іске асырылды, себебі мектеп курсында бұл тақырыптар тікелей қарастырылмаған. Бұл зерттеу студенттердің потенциалдық шұңқыр мен туннельдерді түсінуде қиындықтарға тап болғанын және классикалық пайымдауды жиі қолданатынын көрсетті. Кванттық механиканың басқа тақырыптарын зерттеу көрсеткендей, студенттер толқындық функцияны синусоидалы траектория бойынша қозғалатын классикалық бөлшек ретінде сипаттайды. Бұл классикалық пайымдау студенттерді потенциалды шұңқырларды сыртқы нысандар ретінде сипаттауға және туннельдеуді бөлшектердің тосқауылмен өзара әрекеттесуі тұрғысынан сипаттауға мәжбүр етеді. Студенттердің түсінбеушілігі туралы қазіргі білімге шолу жоғары курс студенттері кванттық механиканы үйренуде қиындықтарға тап болғанын көрсетті, өйткені олар кванттық сипаттамаларды физикалық шындықпен байланыстыра алмайды. Кванттық механика классикалық механикадан түбегейлі ерекшеленеді, өйткені кванттық деңгейде объектілер белгілі бір жағдайларда толқындар және басқа жағдайларда бөлшектер сияқты әрекет етеді. Ғылыми тұжырымдамаларды зерттеуге арналған тұжырымдамалық өзгерістер теориясында Chi 19 үш онтологиялық категорияны анықтады: 1) мысалы, салмағы бар және кеңістікті алатын субъектілер, 2) уақыт өте келе болатын процестер және 3) эмоциялар немесе ниеттер сияқты психикалық күйлер. Классикалық механикада бөлшек "субъектілер" санатына, ал толқындар "процестер" санатына жатады. Алайда, кванттық механикада кванттық субъект-бұл субъект те, процесс те болады. Бұл кванттық нысан толқындық және ішінара қасиеттері бар жаңа онтологиялық категорияға жататын онтологиялық ауысуды қажет етеді. Бұл жаңа онтологияны пайдалану үшін студенттерге толқындар мен бөлшектердің көріністері арасында қозғалу мүмкіндігі қажет. Демек, кванттық механика тұжырымдамалық зерттеуіне статикалық білім алу ретінде емес, баламалы түсіндіру модельдерін зерттеу, әзірлеу және бағалау процесі ретінде жақындаған дұрыс. Бұл студенттердің тұжырымдамалық профилінің өзгеруіне әкелуі керек. Оқушылар әртүрлі модельдердің шектеулерін білуі керек және белгілі бір жағдайда қандай модель немесе сипаттама сәйкес келетінін шеше алуы керек. Модельдер мен идеялардың шектеулерін түсіну үшін оқушыларға жаңадан үйренген ұғымдар өздерінің қолданыстағы білім құрылымдарына дұрыс енгізілуі керек. Бұл жаңадан үйренген ұғымдар оқушылардың бұрынғы біліміне дұрыс біріктірілмеген кезде, бұл синтетикалық модельдер деп аталатын сәйкес келмейтін және дұрыс емес модельдерге әкеледі. Мысалы, тегіс бет туралы түсініктерін біріктіретін Жер пішінінің синтетикалық үлгілерін сипаттайды. жердің сфералық моделі бар жер. Көптеген балалар аралас, синтетикалық модельдер жасайды және, мысалы, тегістелген немесе қуыс сфера моделін ойлап табады. Кванттық механика өзінің табиғаты бойынша студенттердің бұрынғы білімімен үйлеспейтіндіктен, бұл синтетикалық модельдер қалыптасуы мүмкін. 1-кестеге қараған кезде, байланысты ұғымдардың байқалған шатасуы және алдыңғы ұғымдарды шамадан тыс жалпылау оқушылардың алдыңғы біліміне дұрыс интеграцияланбауы болып табылады, сондықтан синтетикалық модельдер болып табылады. Қате түсінік Мысалы, "толқындық функциялар траекторияны сипаттайды" - бұл оқушылар бөлшектер мен толқындар туралы бұрынғы түсініктерін біріктіретін синтетикалық модель. Студенттер QM объектісі бөлшектердің де, толқындардың да мінез-құлқын көрсететінін біледі, сондықтан бөлшек толқын сияқты қозғалатын модель жасайды. Терең оқыту студенттер жаңа білімді өздерінің бар білімдерімен байланыстыра алған кезде ғана болады. Студенттер алдын-ала білімі болмаса немесе жаңа ұғымдардың алдыңғы біліммен байланысын түсінбесе, жаңа тұжырымдаманың мағынасын түсіне алмайды деген пікірге негізделген. Олар сондай-ақ, мысалы, олардың күнделікті тәжірибесінен, қоғамдағы жалған ақпараттан, мұғалімдерді түсінбеуінен немесе мұғалімдердің жаңа тұжырымдаманы барабар енгізе алмауынан туындауы мүмкін балама шеңберлер құра алады. Студенттердің лингвистикалық белгілері мен болжамдары рөл атқаратынын байқады. 1-суретте көрсетілген Типология студенттердің бөлшектер теориясын зерттеудегі қиындықтарын зерттеу барысында құрылды. 1-кестеде келтірілген кейбір қате түсініктер оқудағы кедергілерге байланысты болуы мүмкін. Студенттер классикалық физиканы оқыған кезде кездесетін потенциалды диаграммалармен шығармашылық ұқсастыққа байланысты болуы мүмкін. "Потенциалды шүңқыр - объектілер" деген қате түсінік "құдық" тіркесімен байланысты болуы мүмкін, сондықтан лингвистикалық жағынан да кедергілер туындауы мүмкін. Студенттердің потенциалды шұңқыр мен туннель туралы түсінігін тексеру үшін тест жасалды. Қолданыстағы кванттық механика сынақтарына шолу еліміздің орта мектебінің деңгейіне сәйкес келетін деңгейде туннельдеуге тікелей емес ішінара қатысты екі ғана бірнеше таңдау сынақтары бар екенін көрсетті. Потенциалды шұңқырға қатысты тиісті тест сұрақтары табылған жоқ. Туннельдеу сұрақтарының бірін бірден қолдануға болады, қалған төрт сұрақ сәл бейімделген. Сұрақтарды контент бойынша сарапшы және физика педагогикасы саласындағы екі сарапшы аударып, тексерді. Тест 98 оқушыға кванттық механиканы оқытқаннан кейін бес түрлі орта мектепте физика сабағында өткізілді. Студенттер 17-18 жаста болды және олардың жоғары оқу орнына дейінгі оқуының соңғы жылында топтар ыңғайлы іріктеу әдісімен таңдалды. Тест орта мектептің физика оқу бағдарламасының бөлігі болып табылатын кванттық механика тақырыптарын қамтыды: (1) жарықтың толқындық сипаты, (2) корпускулалық толқындық дуализм, (3) фотоэлектрлік эффект, (4) Гейзенбергтің белгісіздік принципі, (5). Потенциалды шұңқыр (яғни "қораптағы бөлшек" моделі), (6) сутегі атомы және (7) туннельдеу. Бұл жұмыста біз потенциалды шұңқыр мен туннельге қатысты 12 сұраққа жауаптардың нәтижелерін ғана талқылаймыз. Осы 12 сұрақтың жетеуі потенциалды шұңқырлар мен толқындық функцияларды түсінуге, ал бес сұрақ туннельді түсінуге қатысты болды. Сұрақтар 2-кестеде көрсетілген тақырыптарға қатысты болды. Тестте пайдаланылған сұрақтарды B қосымшасынан табуға болады. Сапалық талдау үшін сұхбаттасуға 16 студент таңдалды. Бұл таңдау тест сұрақтарын талдауға негізделген. Әңгімелесуге қатысқан мектеп оқушылары үшін біз кем дегенде бір төмен балл жинаған бір оқушыны, орташа балл жинаған бір оқушыны және жоғары балл жинаған бір оқушыны таңдадық. Сабаққа келмеуіне байланысты іріктелген 13 студент әңгімелесуге қатысты. Әңгімелесу тестілеуден кейін алты апта ішінде өткізілді. Әңгімелесу барысында студенттерге тест бойынша 2, 3, 5, 8, 9 және 12 сұрақтарға жауаптарын түсіндіру ұсынылды. Оларға: (Q2) толқындық функциялардың не екенін түсіндіру және толқындық функцияның графигін түсіндіру, (Q5) 1 потенциалдық шұңқырдың дұрыс көрсетілмегенін түсіндіру, (Q3) екі толқындық функцияны салыстыру, (Q8) не болатынын сипаттау, туннельдеу кезінде бөлшектің энергиясымен және (Q9 және Q12) туннельдеуге бөгеттің ені мен биіктігінің өзгеруінің әсерін сипаттайды. Әңгімелесуден өткен 13 студент үшін ашық кодтау арқылы сұхбат, тест кезіндегі сұрақтарының түсіндірмесі және сұрақтарына жауаптар талданды. Содан кейін байланысты кодтар байқалған түсінбеушілік санаттарына топтастырылды. 2-КЕСТЕ Тұжырымдамалық білім тестінің мазмұны. Қиындықтардың бар-жоғын анықтау және негізгі проблемаларды табу үшін таңдалған 13 студенттің түсіндірмелері, сұрақтары және сұхбаттары талданды. Біріншіден, бұл студенттердің жауаптарын талдау үшін ашық кодтау қолданылды. Бұл оқушылардың дұрыс және бұрыс пайымдау жолдарын сипаттайтын 299 кодқа әкелді. Қайталанатын кодтарды біріктіргеннен кейін 160 код қалды, оның 77-сі дұрыс емес идеяларды сипаттады. Бұл 77 код талданып, 4-кестеде көрсетілген 12 кодқа топтастырылды. Орта мектеп оқушылары үшін табылған қиындық аймақтары 1-кестеде ұсынылған бакалавриат студенттерінің қате идеяларына ұқсас. Бұл қате идеялардың көпшілігін студенттер алдыңғы білімге қате сілтемелер жасаған синтетикалық модельдер болуы. Жоғары балл жинаған студенттер әлі де қате түсініктемелерді пайдалана алатынын көруге болады. Сұхбат барысында студенттерге тесттің 2, 3, 5, 8, 9 және 12 сұрақтарын түсіндіру, дұрыс емес көзқарастар мен синтетикалық модельдердің астарында жатқан мәселелерді тереңірек зерттеу ұсынылды. Келесі бөлімдерде оқушылардың дұрыс емес көзқарастарының егжей-тегжейлі сипаттамасы және рөл атқаратын оқу кедергілерінің түрлерін талдау беріледі. 4-КЕСТЕ Потенциалды ұңғымалар мен туннельдер туралы дұрыс емес идеялар МК сұрақтарының түсіндірмелерінде, OE сұрақтарына жауаптарда және сұхбаттарда байқалды (n = 13) Q5 толқынының/энергияның дұрыс емес көрінісіне тап болған кезде, алты оқушы түзу көлденең сызықтар бөлшектің биіктігін көрсететінін айтты. Осы оқушылардың ой-пікірлеріне тереңірек үңілсек, олардың кейбіреулері үйренген ұғымдарды бұрын үйренген үлгілерімен және көріністерімен байланыстыруда қиналған сияқты. Нәтижесінде төрт студент потенциалды жақсы түсіндіру үшін бұрын үйренген жартылай классикалық үлгіні қолданды. Бұл сәйкес емес модельді пайдалану гносеологиялық оқытудың кедергісі ретінде қарастырылуы мүмкін. Қалған екі студент потенциалын классикалық толқындар туралы алдын ала біліммен араластыру арқылы жақсы түсіндіруге тырысты. Әртүрлі көріністердің бұлай араласуы шығармашылық оқытудың кедергісі ретінде қарастырылуы мүмкін. Оқушылардан потенциалдағы тік сызықтар нені жақсы бейнелейді деген сұрақ қойылғанда, екі оқушы классикалық, детерминистік ойлауды қолдана отырып, тік сызықтарды түсіндіруге тырысты. Осы оқушылардың біреуі фигураны физикалық шұңқырға ұқсастықта ғана түсіндіре алды. Мұны «жақсы» сөзінің қолданылуынан туындаған тілдік оқудағы кедергі ретінде қарастыруға болады. Басқа оқушы потенциалдың жеңілдетілген атом моделі екендігі туралы білімін пайдаланады, тік сызықтарды атомның шекарасы ретінде сипаттайды. S5: «...бұл атомның шекаралары, радиусы. Бірақ бұл детерминистік пайымдау да дұрыс емес идеяларға әкелді». S5: «Төменгі жағы атомның ядросын білдіреді». Бұл мысалдар бұл оқушының потенциалдық шұңқырды атомдық модельмен байланыстырғанын, бірақ мұны тым алыс алып кеткенін көрсетеді. Мұны гносеологиялық оқуға кедергі ретінде қарастыруға болады. Тек үш оқушы тік сызықты жүйенің потенциалдық энергиясымен байланыстырды. Екі оқушы фигураның нені білдіретінін білмеді және энергетикалық диаграмманы бұрынғы білімдерімен байланыстыра алмады. Студенттердің жетеуі шексіз потенциал электронның мүмкін позицияларын анықтайтынын білді. БӨЛШЕКТІҢ КЛАССИКАЛЫҚ ТОЛҚЫНДЫҚ ҚАСИЕТТЕРІ БАР Потенциалды шұңқырды түсіндірген кезде студенттер электронның толқындық сипаты туралы ой қозғады. Оқушылардың көпшілігі толқындық функцияны классикалық толқындар туралы алдыңғы біліммен байланыстырды, бірақ электрон да бөлшек сияқты әрекет ететіндіктен, толқындар туралы бұл білім электронның жолының детерминирленген сипаттамасымен біріктірілді. Бұл электрон дірілдеген немесе синусоидалы жол бойымен қозғалатын аралас модельге әкелді: S8: «Бұл оның айналасында қозғалатын тепе-теңдік». S13: «Бұл дірілге немесе оның қаншалықты жылдам қозғалатынына байланысты». S11: «Ол осы сызықтар бойынша қозғалады». S12: «Бөлшек толқын сияқты қозғалады және тонусы бар». Бұл әртүрлі модельдердің араласуы шығармашылық оқуға кедергі ретінде қарастырылуы мүмкін. Дегенмен, бұл шығармашылық, аралас және дұрыс емес модельдер студенттердің ойлауына дұрыс, детерминирленген емес бейнелеуді енгізе алмауынан туындаған сияқты: S12: «Мен бұл сұрақты қиын деп есептеймін... өйткені бұл сызық ықтималдықты білдіреді деп ойлаймын», - деді кеше мұғаліміміз. Бөлшек сонда, түзу емес, сәл толқын тәрізді... бірақ, солай қозғалатын шығар. Алайда оның орны мүлдем кездейсоқ». Бұл студентке толқындық функция электронның ықтималдық таралуы туралы ақпарат беретінін үйретті. Бұл студент ықтималдықты бөлу оның бұрынғы біліміне қалай қатысты екенін білмегендіктен, ол қозғалыс пен позиция тұрғысынан ойлауды жалғастырады, бұл фрагментациялық оқу кедергісі ретінде қарастырылуы мүмкін. Басқа оқушылар сипаттамаларын түсіндіруді сұрағанда, өз идеяларының толық емес екенін көрсетті: S9: «Менің ойымша, бұл көбірек қозғалады». S9: «Мен білмеймін... позиция?» S9: «Көбірек, сондықтан оның энергиясы көп.» S13: «Бұл оның болуы мүмкін ең жоғары жылдамдығы, бірақ бұл ... бұл дұрыс емес». Бұл студенттер электрондардың толқындық әрекетін өздерінің алдыңғы, классикалық білімдерімен байланыстыра алмады, бұл фрагментациялық оқу кедергісі болып табылады. Оқушылардан потенциалды жақсы түсіндіруді сұрағанда, бір оқушы оны қарсылықпен байланыстырды: S12: «...бөлшек құтыла алмайды. Осылайша тұжырымдамасы «қарсылық» анықталуы мүмкін». Сұхбаттың басқа бөліктерінде студент соқтығыстар туралы айтты. Сондықтан «қарсылық» сөзі бөлшекте жұмыс істейтін күштерге немесе өзара әрекеттесуге қатысты болуы мүмкін. Қарсылықтың, күштердің және потенциалдық энергияның бұл араласуы шығармашылық оқуға кедергі ретінде қарастырылуы мүмкін. Студенттерге потенциалдық елдегі энергия деңгейінің өлшемі қандай екенін сұрағанда, төрт студент толқындық функцияның тепе-теңдігі толқын ұзындығын емес, энергия деңгейін көрсететінін айтты: S3: «Мен x осі [оқушы тепе-теңдікті көрсетеді] мына жерде жатыр деп есептеймін, y=0, сондықтан оның энергия деңгейі төмен. S10: «Тепе-теңдік неғұрлым жоғары болса, бөлшектің потенциалдық энергиясы соғұрлым жоғары болады» Бұл шығармашылық оқу кедергісі ретінде қарастырылуы мүмкін екі көріністің (тепе-теңдік пен энергия деңгейі) араласуы. Дегенмен, екінші мәлімдеме 2-суретке ұқсас көріністер үшін дұрыс. Басқа екі студент 2-суретте көрсетілгендей ұсынуға арнайы сілтеме жасады. Сұхбат кезінде бұл студенттер шатастырды, өйткені сынақтың 3-тоқсанында толқын әртүрлі энергия деңгейлерімен жұмыс істейді. S1: «Бұл [студент тепе-теңдікті көрсетеді] жоғарырақ болуы керек». Екі оқушы да өз пайымдауларында дұрыс емес потенциалдық шұңқырдың ұсынылуын арнайы пайдаланғандықтан, бұл оқулықтарда осы көріністі пайдалану нәтижесінде туындайтын педагогикалық оқуға кедергі ретінде қарастырылуы мүмкін. Бұл педагогикалық оқудағы кедергінің шығармашылық оқуға кедергі келтіретінін көрсетеді. Оқушылардан Q2 және Q3-ке жататын сандарды түсіндіруді сұрағанда, оқушылар орын ауыстыруды немесе амплитуданы энергия деңгейімен байланыстырды: S10: «Тік ось - энергия деңгейі. Екеуінің де амплитудасы толқындық функциялар тең, сондықтан энергия деңгейі тең». S11: «Электрон қозғалады және жоғары энергия алады, өйткені синустың екінші бөлігі біріншіден жоғары». S12: «Орын ауыстыру неғұрлым үлкен болса, бөлшектің энергия деңгейі соғұрлым жоғары болады». Екі студент толқынның көрінісін детерминирленген атомдық модельмен араластырып, синусоидалы жолды екі түрлі энергетикалық күйлер немесе қабықшалар арасындағы қозғалыспен байланыстырды. Студенттердің туннель салуға қатысты қиындықтарын түсіну үшін сынақтан алынған дәйексөздер мен сұхбаттар салыстырылды, топтастырылды және оқу кедергілері шеңберінде жіктелді (1-сурет). Бұл бөлімде біз туннель салуға қатысты студенттердің жауаптарын сипаттаймыз. Біз сондай-ақ бұл сипаттамаларды тырнақшалармен суреттейміз және бұл жауаптардың қандай оқу кедергілеріне сәйкес келетінін түсіндіреміз. Оқушыларға туннель салуға дейінгі және одан кейінгі энергияны салыстыруды сұрағанда, 10 оқушы туннельден кейінгі энергияның аз екенін, өйткені бөлшек энергияны жоғалтатынын айтты. Үш оқушы өзара әрекеттесудің қандай да бір түріне сілтеме жасады: S12: «Бөлшек соқтығыстардың салдарынан энергиясын жоғалтады». S5: «...бөлшекке кедергіден өту қиынырақ». Алты оқушы туннельдеу кезінде бөлшектердің жолын сипаттады: S11: «Бөлшек ұзақ қашықтықты өтуі керек». S8: «Кедергі кеңейген кезде, бөлшек а көпірінен өтуі керек ұзағырақ қашықтық». Бұл оқушылар детерминирленген емес құбылысты сипаттау үшін бөлшектің классикалық сипаттамасын қолданды. Бұл студенттер дұрыс үлгіні дұрыс емес контексте пайдаланғандықтан, бұл тәсілдерді гносеологиялық оқыту кедергілері ретінде қарастыруға болады. Бір оқушы потенциалды шқңқыр мен кедергіні араластырды: S13: «Себебі ол алға және артқа жылжи береді [көрсетеді тосқауыл] … бірақ ол туннель арқылы өтеді…». Бұл екі модельді араластырып, жаңа, дұрыс емес модельді құру үшін қолданылатын шығармашылық оқу кедергісі деп санауға болады. Үш студент туннельден кейінгі бөлшектердің энергиясы жоғары екенін айтты. Бір оқушы шығармашылық оқу кедергісін көрсетті және бөгеттің сол жағында қалу үшін бөлшектің соңғы энергетикалық деңгейі жоғары болуы керек деп ойлады: S8: «Туннельден кейін бөлшектердің энергиясы үлкенірек болуы керек, әйтпесе ол кері түседі». Бұл студенттердің екеуі де энергияны ашу кезінде жоғалады деп санайды, олардың бірі энергия бастапқыда үлкен болады, содан кейін азаяды деп ойлайтынын түсіндірді: S7: «Ол [бөлшекке] туннельдеу үшін көп энергия қажет кейін энергия азаяды, бірақ одан жоғары болып қалады басында энергия…». Бұл студенттер бұл процесті классикалық түрде сипаттады, оны гносеологиялық оқытудың кедергісі ретінде қарастыруға болады. 9-сұраққа дұрыс жауап берген үш оқушы кедергі жоғары болған кезде бөлшекке көбірек энергия қажет екенін айтып, жауабын түсіндірді. S5: «...бөлшекке өту үшін көбірек энергия болуы керек». Бұл студенттер тосқауылдың биіктігі туннельдік ықтималдықпен байланысты екенін білді, бірақ әлі де детерминистикалық негіздеді. Бұл детерминистік пайымдауды гносеологиялық оқытудың кедергісі ретінде қарастыруға болады. Студенттерге бөлшектердің энергия деңгейі тосқауылдың энергетикалық деңгейінің жартысы болғанда туннельдеу ықтималдығын таңдауды сұрағанда, екі студент бөлшектің энергиясы кедергілердің энергетикалық деңгейінен жоғары болуы керек екенін айтты: S6: «Бөлшектердің энергиясы кедергілер энергиясының жартысы ғана, сондықтан ол кедергіден өте алмайды, өйткені тосқауыл тым үлкен». Қалған екі оқушы кедергіден өту үшін белгілі бір энергия мөлшері қажет деп ойлады. Бөлшектердің энергия деңгейі кедергіден жоғары болса, бірақ әлі де төмен болса, не болатынын сұрағанымызда, олардың бірі: S11: «Менің ойымша, оған өту үшін белгілі бір энергия қажет. Егер оның энергиясы одан жоғары болса, ол сәл жеңілірек өтуі мүмкін». Бұл дұрыс емес идеялар студенттердің энергия мен классикалық жүйелердегі кедергілер туралы біліміне байланысты, сондықтан оны гносеологиялық оқыту кедергісі ретінде қарастыруға болады. Бес студент туннель салуға бөгеттің ені ғана әсер етеді деп есептеді. Неліктен деп сұрағанда, бұл студенттер гносеологиялық оқу кедергісі ретінде қарастырылуы мүмкін мәңгілік негізде: S 10: «Бөлшек тосқауылдан емес, ол арқылы өтеді. Кедергі жоғарылағанда, бөлшек көпір өтуі керек қашықтық ұзаққа созылмайды». S6: «Кедергі кеңейген кезде, бөлшектің энергияны жоғалтуға уақыты көбірек болады». S12: «Биіктік қарсылықты арттырмайды, тек ені ғана арттырады». Екі студент туннель салуға бөгеттің биіктігі ғана әсер ететінін айтты. Бұл студенттер туннельдеуге бөлшектер мен тосқауылдың энергетикалық деңгейінің айырмашылығы ғана әсер етеді деп есептеді. S2: «Энергия айырмашылығы өзгеріссіз қалады... сондықтан бұл ешқандай өзгеріс жасамайды». Бұл студенттер тек энергиямен ой қорытты және кедергі енінің толқын функцияларына әсері туралы білімдері жоқ, бұл туннельді түсінуге көмектеседі. Толқындық функцияға кедергінің әсері оқу бағдарламасына кірмейтіндіктен, бұл педагогикалық оқудағы кедергі ретінде қарастырылуы мүмкін. Туннельді түсіндіру барысында бірнеше оқушы бөгеттің екі жағындағы толқындық функцияның айырмашылығын пайдаланды. Кейбір оқушылар толқындық функцияны түсіндіруде қиындықтарға тап болды. Бір студент энергия деңгейін толқындық функцияның амплитудасымен байланыстырды, бұл туннельдеуден кейін энергия төмен болады деген пікірге әкелді. А бөліміне сәйкес, бұл шығармашылық оқудың кедергісі ретінде қарастырылуы мүмкін. Тағы бір студент туннельдеуден кейін толқындық функцияның жиілігі жоғары болады деп жалған айтты, сондықтан туннельден кейінгі энергия жоғары деген қорытындыға келді. Бұл түсінудегі емес, толқындық функцияның пішінін еске түсірудегі қате. Бақыланатын оқу кедергілеріне шолуда әрбір түсінбеушілік үшін табылған оқу кедергілері көрсетілген. Біз тапшылықты, интуитивті және өмірлік әлемді үйренуге кедергілерді байқамадық, бұл потенциалдық шұңқыр және туннельдермен таныс емес және олардың дерексіз сипатынан туындаған болуы мүмкін. Фрагментацияны оқытудағы кедергілердің үш түрі болды: студенттер детерминирленген емес ұғымдарды (ықтималдылық пен толқындық функция) өздерінің детерминирленген дүниетанымымен байланыстыра алмады, энергия теңдеулерінің әртүрлі бейнелерге қалай қатысты екенін білмеді және энергия диаграммаларын дұрыс байланыстыра алмады. Педагогикалық оқудағы кедергілердің екі түрі табылды: студенттер потенциалының у осі позицияны да, энергияны да жақсы көрсетеді деп есептеді және туннельдеу кезінде толқындық функциямен не болатынын білмеді. Оқытудағы кемшіліктер оқудың басқа кедергілеріне әкелуі мүмкін болғандықтан, кейде педагогикалық оқудағы кедергілер басқа оқу кедергілерімен бірге болады. Бір лингвистикалық оқуға кедергі табылды: бір оқушы потенциалдық шұңқырды сөзбе-сөз жақсы түсінді. Шығармашылық оқуда байқалатын кедергілерді төрт түрге бөлуге болады. Оқушылар араластырды: классикалық толқындардың қасиеттерімен кванттық бөлшектердің толқындық әрекеті, потенциалдық шұңқыр және тосқауыл, энергия күйлерімен толқындық функцияның амплитудасы және басқа классикалық түсініктермен потенциалдық шұңқыр. Оқытуға кедергілердің үш түрі табылды: студенттер сәйкес емес атомдық модельдерді пайдаланды, энергия тұрғысынан классикалық негізде және детерминистикалық түрде дәлелдеді. Бақыланатын оқу кедергілерінің схемалық шолуын оқушылардың дәйексөздерімен суреттелген 4-суреттен табуға болады. Ашық сұрақтар мен түсініктемелерді талдау (n = 98). Соңында, сұрақтарының түсіндірмелеріне жауаптар және ОЕ сұрақтарына жауаптар мен түсіндірмелер 4-суреттегі оқу кедергілерін пайдалана отырып, толық үлгі үшін талданды. Осы талдау үшін пайдаланылатын кодтау схемасы С қосымшасында көрсетілген. Кодтау бағалаушылар арасындағы сенімділікке тексерілді. Аздаған оқушыларда фрагментті оқыту кедергілері байқалды. Бұл бір жағынан тақырыпты немесе сұрақты түсіндіре алмаған студенттердің өз ойларын түсіндірмеуімен байланысты. Дегенмен, жиынтықта табылған үш санат студенттердің толық тобында да болды. Сонымен қатар, бәсекелестік топта тілді меңгеруде кедергісі бар басқа студенттер табылмады. Педагогикалық оқудағы кедергілер жиірек анықталды. Оқытудағы кедергілердің бұл түрін анықтау қиын болды, өйткені байланысты қиындықтардың екеуі де жасырын және басқа оқу кедергілеріне әкеледі. Потенциалды шұңқыр мен толқындық функцияның аралас көрінісінен туындаған қиындық (2-сурет) студенттер толқындық функцияның у осін энергиямен арнайы байланыстырған кезде тағайындалды. Дегенмен, көптеген студенттер амплитуда мен энергия деңгейін арнайы мұны жасамай-ақ араластырды, бірақ бұл міндетті түрде педагогикалық оқудағы кедергіні жоққа шығармайды. Бұл тосқауыл ішіндегі толқындық функцияның экспоненциалды төмендеуін білуге де қатысты болды, өйткені көптеген студенттер туннельді түсіндіруде қиындықтарға тап болды және жиі жай ғана айтылған ұсақ-түйектер. Бұл кедергі байқалған жағдайда студенттер биіктік пен ені туннель салу ықтималдығына неліктен әсер ететінін немесе әсер етпейтінін түсіндіруге тырысты. Көптеген студенттер шығармашылық немесе гносеологиялық оқуға кедергілер көрсетті. Шығармашылық оқудағы кедергілер көбінесе оқушылар толқындық функцияны түсіндіргенде табылды; студенттер амплитуданы энергиямен араластырды немесе электрондарды толқын сияқты тербелетін немесе қозғалатын бөлшектер ретінде сипаттады. Басқа (жартылай) классикалық ұғымдармен араласу ядролық синтез және жасуша қабырғаларымен араласу болды. Гносеологиялық оқудағы кедергілер негізінен студенттер туннельдеу туралы ой қозғаған кезде табылды. Көптеген студенттер қашықтыққа қатысты пікір білдірді немесе бөлшектің кеңірек кедергіден өтуі үшін көбірек уақыт немесе күш қажет екенін айтты. Сондай-ақ, көптеген студенттер энергияның белгілі бір мөлшері қажет деп есептеді, кейбіреулері энергия жоғалады деп есептеді, басқалары бөлшектердің энергия деңгейі кедергінің энергетикалық деңгейінен жоғары болуы керек деп есептеді. Бақыланатын оқу кедергілері студенттердің бұрынғы білімдерінде Qкванттық механиканы біріктіруде қиындықтар туғызатынын көрсетеді. Оқытудың бақыланатын фрагментациялық кедергілері және екінші педагогикалық оқу кедергілері жетіспейтін білімге негізделген. Басқа педагогикалық, лингвистикалық, шығармашылық және гносеологиялық оқуға кедергілер дұрыс емес модельдер ретінде көрсетілді, онда студенттер жаңа ұғымдарды өздерінің қолданыстағы шеңберіне қате қосқан. 7-кесте мен 4-суретті қараған кезде, P1 және C3 ұқсас дұрыс емес үлгіге сәйкес келетін оқуға қатысты кедергілер болып табылады. Тұжырымдамалық білім тестінің талдауы орта мектеп оқушыларының қиындықтарға тап болғанын көрсетті, олар бакалавриат деңгейіндегі студенттерге де қатысты; студенттер классикалық және кванттық модельдерді араластырып, бұрынғы классикалық білімдерін шектен тыс жалпылаған. Тест сұрақтарында студенттер екі негізгі қиындықты көрсетті: 1) студенттердің 24% толқындық функцияның амплитудасы немесе тепе-теңдігі энергия деңгейіне байланысты деп есептеді, 2) студенттердің шамамен 50% туннельдеу кезінде энергия жоғалды деп есептеді. Сондай-ақ, біз оқушылардың тосқауыл енінің әсерімен салыстырғанда тосқауылдың әсер ету биіктігінде айырмашылық бар деп есептейтінін байқадық. Студенттердің түсініктемелері мен ашық сұрақтарға жауаптарын сапалы талдау барысында біз бірнеше негізгі қиындықтарды таптық. Потенциалдық шұңқыр мен толқындық функцияларға қатысты негізгі қиындықтар толқындық функцияларға қатысты болды. Потенциал туралы ой қозғай отырып, студенттердің көпшілігі бұл модель бөлшек орналасқан шектеулі кеңістікті білдіретінін білді. Дегенмен, бірнеше студенттер жартылай классикалық атомдық модельдерге сілтеме жасай отырып, модельді қате түсіндірді, ал бірнеше оқушы ғана потенциалдық энергия тұрғысынан потенциалдық шұңқыр моделін сипаттады. Сонымен қатар, сұхбаттар бірнеше студенттердің осы үлгідегі тік сызықтардың нені білдіретінін білмейтінін көрсетті. Бұл нәтижелер студенттердің потенциалдық шұңқыр үлгісін атомдық модельдер мен потенциалдық энергия туралы бұрынғы білімдерімен байланыстыруда әлі де қиындықтар бар екенін көрсетеді. Соңғысын орта мектептің оқу бағдарламасында гравитациялық энергиядан басқа потенциалдық энергияға аз көңіл бөлінуімен түсіндіруге болады. Толқындық функцияларды интерпретациялау кезінде студенттер шығармашылық оқуға кедергілерді жиі көрсетті. Студенттердің төрттен біріне жуығы бөлшек дірілдеген немесе синусоидалы жолмен қозғалатын толқын мен бөлшектердің әрекетінің аралас моделін жасады. Оқушылардың үштен бір бөлігі толқындық функцияның амплитудасын немесе тепе-теңдігін энергия деңгейімен араластырды. Бұл араласулар студенттердің қолданыстағы білім құрылымдарында толқын-бөлшектердің дуализмін интеграциялауда қиындықтарға тап болатынын көрсетеді. Туннельге қатысты студенттер негізінен гносеологиялық оқуға кедергілер көрсетті. Студенттер көбінесе детерминистикалық негіздеп, бөлшектерге кеңірек тосқауылдан өту үшін көбірек уақыт, күш немесе қашықтық қажет екенін айтты. Көптеген студенттер энергиямен ой қорытуда қиындықтарға тап болды және бөлшектердің энергиясы кедергінің энергиясынан жоғары болуы керек немесе кем дегенде минималды энергия деңгейі қажет екенін айтты. Студенттер өздерінің детерминистік ойлауында ықтималдық тығыздығы түсінігін біріктіруде қиындықтарға тап болды. Сонымен қатар, студенттерге потенциалдық тосқауылдағы толқындық функцияның әрекеті туралы білімдері жетіспеді, бұл энергия мен ықтималдықпен не болатыны туралы ойлауды қиындатты. Потенциалдық шүңқыр үшін энергияның көрінісіне де, толқындық функцияға да баса назар аударылады және студенттер оны түсінуге тырысқанда, олар осы екі көріністі бір модельге біріктіруге тырысады. Алайда, туннельдеу үшін тек қана энергия көрінісі пайдаланылады, бұл студенттер бұл жаңа тақырыпты энергия туралы бұрынғы білімдерімен немесе энергия диаграммаларымен байланыстырады, соңғысын студенттер негізінен классикалық механиканы үйрену кезінде көрген. Осы зерттеудің нәтижелерінен қорытынды жасауға болады: орта мектеп оқушылары потенциал туралы жаңа білімді енгізуде және олардың ойлау жүйесіне туннельдеуде қиындықтарға тап болады. Араластықтар (шығармашылық оқуға кедергілер) негізінен студенттерге энергиямен де, толқындық функциялармен де жұмыс істеу керек болғанда туындайды, ал сәйкес емес классикалық пайымдауларды қолдану (гносеологиялық оқыту кедергілері) студенттер потенциалдық энергия диаграммаларын сипаттағанда жиі орын алады. Мұнда ұсынылған зерттеу орта мектеп оқушыларының кванттық механиканы үйреткеннен кейін потенциалды түсінуде және туннельдеуде бірнеше қиындықтарға тап болатынын көрсетті. Негізгі мәселелер алдыңғы біліммен дұрыс емес байланыстарға қатысты болды. Осы зерттеуде табылған кейбір синтетикалық модельдер толқындық функцияны білмеумен байланысты, ал басқа синтетикалық модельдер студенттердің потенциалдық энергия диаграммаларын түсіндіре алмауымен байланысты. Студенттерге бұрынғы білімдерін жаңа ұғыммен байланыстыру жолын көрсеткенде, синтетикалық модельдерден аулақ болуға болады. Студенттердің кванттық механиканы түсінуі үшін бұл мұғалімдер туннельдеуге арналған толқындық функцияны енгізу арқылы түсінуді қолдауы керек және оны потенциал контекстінде студенттер бұрыннан кездестірген толқындық функция туралы алдыңғы біліммен байланыстыруы керек дегенді білдіруі мүмкін. Бұл сонымен қатар мұғалімдер студенттердің бұрынғы білімдерін жақсарту үшін классикалық потенциалдық энергия диаграммаларын түсінуге және оны энергия диаграммаларына қосуға күш салуы керек дегенді білдіруі мүмкін. Дегенмен, кванттық механика студенттер үйренген классикалық үлгілерге сәйкес келмейтіндіктен, кванттық механиканы студенттердің алдыңғы білімдерімен қалай біріктіру керектігін көрсету соншалықты қарапайым болмауы мүмкін. Қазіргі уақытта толқындар мен потенциалдық энергия сияқты негізгі ұғымдар туралы бұрынғы білімнің студенттердің кванттық механика түсінігіне қандай әсері бар екені белгісіз. Оған қоса, қай модель қажет екенін анықтау үшін студенттерге бұрынғы білімдері аясында қаншалықты интеграциялау қажет екені белгісіз. Сондықтан студенттердің кванттық механика түсінігіне алдыңғы білімнің ықпалын және студенттер өкілдіктер арасында дұрыс таңдау жасай алатын алғышарттарды көбірек зерттеу қажет. 8-кестеде осы зерттеуде табылған сегіз синтетикалық модельге шолу және визуалды көрініс берілген жүктеу/скачать 0,91 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|