מושגים חלופיים ולמידת כימיה

Taber, K. (2019). Alternative conceptions and the learning of chemistry. Israel Journal of Chemistry. 59, 6-7, 450-469

לתלמידי כימיה יש בדרך כלל תפיסות מסוימות שאינן עולות בקנה אחד עם המושגים שהם אמורים ללמוד בקורסי הכימיה שלהם. עיקרון כללי למדי זה נמצא תקף בקרב קבוצות שונות של לומדים - תלמידים בשכבות גיל שונות בבית הספר, סטודנטים לתואר ראשון, מועמדים להוראה ובוגרי לימודים - ובעיקרון הוא רלוונטי לחוקר העצמאי המתקדם לא פחות משהוא רלוונטי למי שלומדים במסגרת קורסים רשמיים. ממצא זה אינו ייחודי לכימיה: מחקרים על לימודי המדעים דיווחו על הבנות חלופיות כאלה במגוון רחב מאוד של נושאים מדעיים, קבוצות לומדים והקשרים לאומיים שונים.

במקצועות רבים, תלמידים בבתי הספר ובאוניברסיטאות מגיעים ללימודיהם כשהם כבר מחזיקים בתפיסות שגויות או ב״תפיסות חלופיות״ של הנושא. יש לכך השלכות על המשך הלמידה, ומכאן גם על ההוראה.

למאמר באנגלית

לקריאה נוספת: כל סיכומי המאמרים בנושא הוראת כימיה

מאמר זה סוקר כמה סוגיות מרכזיות:
(א) מקורותיהן של תפיסות חלופיות אלה
(ב) טיבם של רעיונות אלה
(ג) האופן שבו הם משפיעים על לימוד תוכנית הלימודים בכימיה.

סוגיות אלה חשובות, בתורן, לצורך גיבוש הנחיות בנוגע לשתי שאלות:
(א) כיצד יש לבחור ולסדר ברצף את תכני תוכנית הלימודים?
(ב) איזו דרך הוראה צפויה להיות היעילה ביותר בהוראת כימיה?

בכימיה נראה כי אחד המקורות לתפיסות החלופיות הוא ההוראה עצמה.

דוגמאות לתפיסות חלופיות נפוצות בכימיה

אף שיש סוגים שונים של מגנטיות, המונח משמש בדרך כלל לציון פרומגנטיות, המאפיינת רק מספר קטן מאוד של יסודות. עם זאת, תלמידים צעירים נוטים לחשוב שמגנטיות היא תכונה כללית של מתכות.[10]

לתלמידים, ואפילו למורים למדעים, עשויה להיות תפיסה שלפיה המונח ״כימיקלים״ מתייחס רק לחומרים המצויים בשימוש במעבדה.[11]

תלמידים נוטים לחשוב שתוצר של תגובת ניטרול חייב להיות ניטרלי, כלומר לא חומצי ולא בסיסי.[12]

תלמידים נוטים להאמין שכל החומצות מסוכנות מטבען.[13]

סטודנטים לתואר ראשון האמינו שהתחממות כדור הארץ נגרמת בשל ״חורים״ בשכבת האוזון.[14]

תלמידים בגילים שונים רואים לעיתים קרובות בקשר הכימי מאגר של אנרגיה, וחושבים ששבירת קשר משחררת אנרגיה.[15]

תלמידים נוטים לחשוב שבתהליך כימי קיים מין פעיל - ״תוקפן״ - המאלץ את המין האחר להגיב.[17]

תלמידים נוטים לחשוב שגרעין האטום מפעיל כמות קבועה מסוימת של כוח, התלויה רק במטען שלו, וכוח זה מתחלק בין האלקטרונים שסביבו ומחולק מחדש כאשר מספר האלקטרונים משתנה.[18]

מסגרת מושגית חלופית: מסגרת האוקטט

לעיתים תפיסה חלופית נפוצה משובצת בתוך מסגרת מושגית רחבה יותר של רעיונות, כפי שקורה במה שכונה ״מסגרת האוקטט״.[8] תפיסה חלופית אחת שנראית נפוצה מאוד, למרות אופייה המאניש, היא שאטומים שואפים באופן פעיל להשיג מבנים אלקטרוניים מסוימים - אוקטטים של אלקטרונים או קליפות חיצוניות מלאות - וששאיפה זו היא הבסיס להיווצרות קשרים והכוח המניע תגובות כימיות.

תפיסה זו מתוארת לעיתים קרובות במונחים של מה שהאטום ״רוצה״ או ״צריך״, ולעיתים אף במונחים של מה שהוא ״מרגיש״ וכדומה.[21]

הוכח כי תלמידים נוטים לשפוט מינים כימיים שלא יוכלו להתקיים בתנאים מוכרים - למשל Na⁷⁻,‏ Cl¹¹⁻ ו־C⁴⁺ - כיציבים, כאשר הם סבורים שיש להם מבנים אלקטרוניים כאלה. הם אף עשויים לחשוב שאטום מעורר יציב יותר מאטום במצב היסוד, כאשר אלקטרון הועלה לרמת אנרגיה גבוהה יותר ובכך השלים את הקליפה החיצונית.[22]

במקרה של תרכובות יוניות, כגון NaCl, תלמידים נוטים לטעון שהקשר היוני הוא העברה של אלקטרון מנתרן לכלור - או לפחות שהוא נגרם מהעברה כזאת - המתרחשת באופן ספונטני כדי להעניק לאטומים קליפות מלאות או אוקטטים. הם סבורים שהמבנה כולל זוגות של יונים הקשורים בקשר יוני, המוחזקים בתוך הסריג באמצעות ״כוחות בלבד״. כלומר, כל יון Na⁺ קשור ליון Cl⁻ היחיד שעמו הוא חולק היסטוריה של העברת אלקטרון, ורק נמשך לחמשת האניונים האחרים המקיפים אותו - כלומר, אינו קשור אליהם בקשר כימי.[23]

תלמידים עשויים להמשיך להחזיק בתפיסה זו גם לאחר שלמדו על מחזור בורן־הבר. זאת אף שהם עשויים לדעת שהערך המוחלט של זיקת האלקטרון של כלור, כ־350 קילו־ג׳ול למול, קטן מאנתלפיית היינון הראשונה של נתרן, כ־500 קילו־ג׳ול למול. בשלב זה הם אמורים להבין שהאטומים הנפרדים, שאותם הם רואים בדרך כלל כנקודת המוצא להיווצרות התרכובת, ייווצרו רק אם תושקע אנרגיה מספקת כדי להפוך את סריג הנתרן המתכתי לאטומים נפרדים ולפרק את מולקולות הכלור.

טיבן של תפיסות חלופיות

מחקרים עדכניים אינם תומכים בסיווג כללי של כל התפיסות החלופיות כבעלות אותם מאפיינים. במקום זאת, נראה כי הידע האישי הוא מטבעו בלתי אחיד ורב־פנים, ולכן יש לאפיינו לאורך כמה ממדים.

הרעיונות החלופיים של לומדים כונו לעיתים ״תאוריות אינטואיטיביות״,[34] מונח שאפשר לראות בו סתירה פנימית: תאוריה צריכה להיות מפורשת ומיושמת במכוון, ואילו לאינטואיציה יש בסיס סמוי והיא מספקת תובנות מיידיות.

מידת ההתאמה של תפיסות לידע המדעי המקובל משתנה

המידה שבה תפיסותיו של אדם הן קאנוניות - כלומר, תואמות את ההסבר המדעי המקובל - היא אחד הממדים הרלוונטיים בתחום כגון כימיה. זאת בניגוד לתחומי פעילות כמו פוליטיקה או דת, שבהם ייתכן שאין הסכמה חברתית על דרך חשיבה נכונה אחת.שם  גם אדם בוגר, משכיל היטב ומקצועי, בעל מומחיות רבה וניסיון חיים נרחב, יחזיק בתפיסות חלופיות. תפיסותיו של כימאי מקצועי בנושאים כימיים יתאימו במידה רבה למושגים המדעיים המקובלים, אך בהחלט ייתכן שהוא יחזיק בתפיסות חלופיות בתחומים שמחוץ לתחומי מומחיותו האישיים. למשל, שיחה של כימאי בארוחת ערב עשויה לחשוף תפיסות שאחרים יראו בהן תפיסות שגויות בנוגע לציירים האימפרסיוניסטים, למשוררים הרומנטיים, לאדריכלות הבארוק, למשבר הכלכלי העולמי וכדומה — כשם שאורח אחר עשוי להתייחס למים כאל יסוד כימי, או לטעון שתמיד מסוכן לבלוע חומצות.

מידת ה״חלופיות״[31] של תפיסות אישיות עשויה להשתנות במידה ניכרת. כך, למשל, אפשר להבין בשתי דרכים את הרעיון שלפיו תמיסה ניטרלית היא בהכרח בעלת ערך הגבה 7. תלמידים בקורסי מבוא לכימיה מודדים בדרך כלל את ערך ההגבה של תמיסה מימית בטמפרטורת החדר או בסמוך לה, ובתנאים אלה ניטרליות אכן תהיה בקירוב בערך הגבה 7. לכן, מבחינה מעשית ומדידתית, אפשר לראות בכך מושג שימושי ומספק לרוב הצרכים. סביר שכימאים רבים מאמצים את הכלל ״ערך הגבה 7 שווה ניטרלי״ ככלל אצבע, גם אם הם זוכרים שאין להכליל אותו יתר על המידה. עם זאת, הדבר עשוי גם לרמוז שתפיסתו של התלמיד בנוגע לקשר שבין ערך הגבה לחומציות היא בעיקר תפיסה המבוססת על כלל מעשי, ולא על הבנה תאורטית.[36]

התפיסה החלופית שלפיה כל החומצות מסוכנות נובעת ככל הנראה מאימוץ של משמעות לא־מקצועית, הנפוצה בחיי היום־יום - חומצה היא נוזל מסוכן ומאכל - במקום המושג הכימי. במקרה זה קיימת תפיסה של חומצה שיש לה אסוציאציות חזקות, השונות מאוד מן האופן שבו כימאים חושבים על חומצות ברמה היסודית, למשל על פי מודל לואיס.

מידת המחויבות לתפיסה

תפיסותיהם של אנשים משתנות גם במידת המחויבות אליהן. אדם עשוי להיות מחויב מאוד לדרך חשיבה מסוימת, או להיות פתוח יותר לשינוי חשיבתו. אדם יכול להכיר דרך אפשרית וסבירה לחשוב על עניין מסוים, בלי להשתכנע שזו הדרך הטובה ביותר לחשוב עליו. למעשה, הוא עשוי להבין היטב המשגות מסוימות ובכל זאת לדחות אותן. אנו מחזיקים ברעיונות רבים בלי להיות משוכנעים שהם נכונים בוודאות. אפשר לטעון שמדען אינו אמור להתחייב באופן מוחלט לשום תפיסה הנוגעת לעולם הטבע, משום שהמדע מייצר ידע תאורטי שתמיד פתוח לבחינה מחדש לנוכח ראיות חדשות או דרכים חדשות לפרש את הראיות הקיימות.

קיומן של תפיסות מרובות

משתנה חשוב נוסף הוא ריבוי התפיסות. לעיתים אדם מחזיק בהבנה אחת ויחידה של תופעה. אולם לעיתים קרובות ההמשגה היא רב־ממדית יותר: אדם עשוי להבין את אותה תופעה בדרכים שונות, שעשויות להיראות סותרות זו את זו - או שלא.

כימיה היא תחום המאמץ לעיתים קרובות כמה מודלים המספקים תובנות משלימות. דוגמה לכך היא מגוון המודלים והייצוגים המשמשים לחשיבה על מולקולות: נוסחאות מבנה, מודלים ממלאי־מרחב, חפיפה בין אורביטלים אטומיים, מפות צפיפות אלקטרונים וכדומה. משום כך, המשגה מרובת־פנים היא לעיתים קרובות מתאימה.

מידת השתלבותן של תפיסות

ממד נוסף נוגע למידה שבה תפיסה מסוימת משובצת בתוך מסגרות רחבות יותר של תפיסות הקשורות זו בזו. תפיסות חלופיות מסוימות הן במידה רבה רעיונות העומדים בפני עצמם, והקשר בינן לבין רעיונות אחרים שבהם האדם מחזיק הוא חלש בלבד.

מידת המפורשות של תפיסות

ממד חשוב אחרון הוא המידה שבה רעיונותיו של הלומד מפורשים ולא סמויים. אפשר להעלות במכוון תפיסות מפורשות לצורך חשיבה מודעת, ולבטא אותן במילים ו/או באמצעות דימויים חזותיים. עם זאת, חלק גדול מן ההכרה שלנו נשען על אינטואיציות הנובעות ממרכיבי ידע המיוצגים במוח ופועלים בתהליכי החשיבה, אף שהם פועלים ברמה קדם־מודעת.

המדע מייחס חשיבות רבה להצדקתן של טענות ידע, ולכן הוא נשען על חשיבה מכוונת ומודעת. עם זאת, פריצות דרך מדעיות רבות הופיעו תחילה כרגע של תובנה, ורק לאחר מכן זכו לאימות ולהסבר.[44] הכימאי והפילוסוף פולני[45] הפנה את תשומת הלב לתפקידו של הידע הסמוי בעשייה המדעית, תפקיד שהודגם מאוחר יותר במחקרים סוציולוגיים שבחנו כיצד המדע מתקדם בפועל.[46]

שינוי מושגי

אם תלמידים מחזיקים בדרך כלל בתפיסות שאינן עולות בקנה אחד עם המושגים המקובלים בכימיה, אפשר לראות חלק מעבודתו של המורה או המרצה כסיוע לשינוי מושגי, עידודו, ואולי אף תכנונו.

לכן, דוגמאות לשינויים מושגיים שרצוי כי יתרחשו אצל לומדי כימיה בשלבים מסוימים בהתפתחותם עשויות לכלול, בין היתר:

• רכישת מושג האנטרופיה
• הרחבת מושג האורביטל כך שיכלול אורביטלים מולקולריים ולא רק אורביטלים אטומיים
• מעבר מראיית מתכת ואל־מתכת כסיווג דו־ערכי להבנת סולם האלקטרו-שליליות
• פיצול מושג המתכות, ולכן גם הקטגוריה של מתכות, כך שיכלול מושג חדש - ותת־קטגוריה חדשה - של מתכות מעבר
• רכישת הרעיון של ״הרחבת האוקטט״ במחזור השלישי, המשנה את הבנת תחולתו של מושג הערכיות ביחס לזרחן, גופרית וכלור
• מעבר מן התפיסה של תגובות כפשוטן כהפיכות או בלתי הפיכות, להבנה שאפשר להמשיג את כל התגובות במונחים של שיווי משקל
• הכללת הקשרים בתרכובות ארומטיות, בגרפיט ובמתכות תחת מושג רחב של אלקטרונים בלתי־מקומיים
• הגדרה מחדש של המושג הקיים ״מגנטי״ כ״פרומגנטי״, כדי לכלול דיאמגנטיות ופרמגנטיות במסגרת מושג כללי יותר של מגנטיות.

מקורות

1 G. M. Bodner, J. Chem. Educ. 1986, 63, 873 – 878.

2 E. v. Glasersfeld, Synthese [Ser.] 5 1989, 80, 121 – 140.

3 K. S. Taber, in Educational Theory (Ed.: J. Hassaskhah), Nova, New York, 2011, pp. 39 – 61.

4 R. Duit, Bibliography - Students′ and Teachers′ Conceptions and Science Education, IPN - Leibniz Institute for Science and Mathematics Education, Kiel, Germany, 2009.

5 R. Driver, P. Rushworth, A. Squires, V. Wood-Robinson, Making sense of secondary science: Research into children's ideas, 2nd ed., Routledge, 2013.

6 B. Andersson, Studies Sci. Educ. 1990, 18, 53 – 85.

7 P. J. Garnett, P. J. Garnett, M. W. Hackling, Studies Sci. Educ. 1995, 25, 69 – 95.

8 K. S. Taber, Chemical Misconceptions - Prevention, Diagnosis and Cure: Theoretical background, Vol. 1, Royal Society of Chemistry, London, 2002.

9 V. Kind, Beyond Appearances: Students' misconceptions about basic chemical ideas, 2nd ed., Royal Society of Chemistry, London, 2004.

10 A. T. Borges, J. K. Gilbert, Int. J. Sci. Educ. 1998, 20, 361 – 378.

11 S. L. Salloum, S. BouJaoude, Int. J. Sci. Educ. 2008, 30, 33 – 64.

12 H.-J. Schmidt, Int. J. Sci. Educ. 1991, 13, 459 – 471.

13 B. H. B. Ross, Queen's University (Kingston, Ontario), 1989.

14 K. A. Walz, S. C. Kerr, J. Chem. Educ. 2007, 84, 1693.

15 S. Novick, J. Biol. Educ. 1976, 10, 116 – 118.

16 A. Hapkiewicz, The Science Teacher 1991, 58, 24 – 27.

17 K. S. Taber, A. García Franco, J. Learning Sci. 2010, 19, 99 – 142.

18 K. S. Taber, Int. J. Sci. Educ. 1998, 20, 1001 – 1014.

19 K. S. Taber, Int. J. Sci. Educ. 1998, 20, 597 – 608.

20 K. S. Taber, in Concepts of Matter in Science Education (Eds.: G. Tsaparlis, H. Sevian), Springer, Dordrecht, 2013, pp. 391 – 418.

21 K. S. Taber, M. Watts, Int. J. Sci. Educ. 1996, 18, 557 – 568.

22 K. S. Taber, Int. J. Sci. Educ. 2009, 31, 1333 – 1358.

23 K. S. Taber, Educ. Chem. 1994, 31, 100 – 103.

24 R. J. Osborne, P. Freyberg, Learning in Science: The implications of children's science, Heinemann, Auckland, 1985.

25 R. Driver, G. Erickson, Studies Sci. Educ. 1983, 10, 37 – 60.

26 J. K. Gilbert, D. M. Watts, Studies Sci. Educ. 1983, 10, 61 – 98.

27 J. Piaget, The Child's Conception of The World, Granada, St. Albans, 1929 /1973.

28 M. Shayer, P. Adey, Towards a Science of Science Teaching: Cognitive development and curriculum demand, Heinemann Educational Books, Oxford, 1981.

29 K. S. Taber, Progressing Science Education: Constructing the scientific research programme into the contingent nature of learning science, Springer, Dordrecht, 2009.

30 M. L. Pope, J. K. Gilbert, Sci. Educ. 1983, 67, 193 – 203.

31 G. Kelly, A Theory of Personality: The Psychology of Personal Constructs, W W Norton & Company, New York, 1963.

32 J. Solomon, in Children's Informal Ideas in Science (Eds.: P. J. Black, A. M. Lucas), Routledge, London, 1993, pp. 1 – 19.

33 G. Claxton, in Children's Informal Ideas in Science (Eds.: P. J. Black, A. M. Lucas), Routledge, London, 1993, pp. 45 – 61.

34 J. K. Gilbert, A. Zylbersztajn, Europ. J. Sci. Educ. 1985, 7, 107 – 120.

35 M. L. Pope, P. Denicolo, Brit. Educ. Res. J. 1986, 12, 153 – 166.

36 V. Talanquer, J. Chem. Educ. 2014, 91, 1091 – 1097.

37 T. S. Kuhn, The Structure of Scientific Revolutions, 2nd ed., University of Chicago, Chicago, 1970.

38 K. S. Taber, Chem. Educ. Res. Pract. 2003, 4, 249 – 277.

39 D. Palmer, Int. J. Sci. Educ. 1997, 19, 681 – 696.

40 P. Thagard, Conceptual Revolutions, Princeton University Press, Oxford, 1992.

41 H. Chang, Is Water H2O? Evidence, Realism and Pluralism, Springer, Dordrecht, 2012.

42 K. S. Taber, Int. J. Sci. Educ. 2001, 23, 731 – 753.

43 J. S. B. T. Evans, Annu. Rev. Psychol. 2008, 59, 255 – 278.

44 K. S. Taber, in Advances in the Nature of Science Research - Concepts and Methodologies (Ed.: M. S. Khine), Springer, Dordrecht, 2011, pp. 51 – 74.

45 M. Polanyi, in Knowing and Being: Essays by Michael Polanyi (Ed.: M. Greene), University of Chicago, Chicago, 1962 /1969, pp. 105 – 120.

46 H. Collins, Tacit and Explicit Knowledge, The University of Chicago Press, Chicago, 2010.

47 M. Watts, K. S. Taber, Int. J. Sci. Educ. 1996, 18, 939 – 954.

48 K. S. Taber, Research in Science & Technological Education 1995, 13, 87 – 97.

49 G. Kalkanis, P. Hadzidaki, D. Stavrou, Sci. Educ. 2003, 87, 257 – 280.

50 M. T. H. Chi, in International Handbook of Research on Conceptual Change (Ed.: S. Vosniadou), Routledge, New York, 2008, pp. 61 – 82.

51 K. S. Taber, in Science Education: An International Course Companion (Eds.: K. S. Taber, B. Akpan), Sense Publishers, Rotterdam, 2017, pp. 263 – 278.

52 R. Duit, D. F. Treagust, Int. J. Sci. Educ. 2003, 25, 671 – 688.

53 J. Piaget, The Principles of Genetic Epistemology, Routledge & Kegan Paul, London, 1970 /1972.

54 G. J. Posner, K. A. Strike, P. W. Hewson, W. A. Gertzog, Sci. Educ. 1982, 66, 211 – 227.

55 P. R. Pintrich, R. W. Marx, R. A. Boyle, Review Educ. Res. 1993, 63, 167 – 199.

56 M. T. H. Chi, in Cognitive Models in Science, Vol. XV (Ed.: R. N. Giere), University of Minnesota Press, Minneapolis, 1992, pp. 129 – 186.

57 S. Vosniadou, X. Vamvakoussi, I. Skopeliti, in International Handbook of Research on Conceptual Change (Ed.: S. Vosniadou), Routledge, New York, 2008, pp. 3 – 34.

58 J. Petri, H. Niedderer, Int. J. Sci. Educ. 1998, 20, 1075 – 1088.

59 E. F. Mortimer, Sci. Educ. 1995, 4, 267 – 285.

60 K. S. Taber, Modelling Learners and Learning in Science Education: Developing representations of concepts, conceptual structure and conceptual change to inform teaching and research, Springer, Dordrecht, 2013.

61 U. Goswami, Cognitive Development: The Learning Brain, Psychology Press, Hove, East Sussex, 2008.

62 A. A. diSessa, Cognition and Instruction 1993, 10, 105 – 225.

63 A. A. diSessa, B. L. Sherin, Int. J. Sci. Educ. 1998, 20, 1155 – 1191.

64 A. Karmiloff-Smith, Beyond Modularity: A developmental perspective on cognitive science, MIT Press, Cambridge, Massachusetts, 1996.

65 A. A. diSessa, in International Handbook of Research on Conceptual Change (Ed.: S. Vosniadou), Routledge, New York, 2008, pp. 35 – 60.

66 S. Vosniadou, I. Skopeliti, Sci. Educ. 2014, 23, 1427 – 1445.

67 G. Lakoff, M. Johnson, Cognitive Science 1980, 4, 195 – 208.

68 L. S. Vygotsky, in The Vygotsky Reader (Eds.: R. van der Veer, J. Valsiner), Blackwell, Oxford, 1934 /1994, pp. 355 – 370.

69 J. Piaget, Sci. Am. 1953, 189, 74 – 79.

70 A. R. Luria, Cognitive Development: Its cultural and social foundations, Harvard University Press, Cambridge, Massachusetts, 1976.

71 L. S. Vygotsky, Mind in Society: The development of higher psychological processes, Harvard University Press, Cambridge, Massachusetts, 1978.

72 D. P. Ausubel, The Acquisition and Retention of Knowledge: a cognitive view, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 2000.

73 K. S. Taber, Student Thinking and Learning in Science: Perspectives on the nature and development of learners′ ideas, Routledge, New York, 2014.

74 K. S. Taber, Chem. Educ. Res. Pract. 2018.