ההשפעה של למידה פעילה בפיזיקה על החשיבה המדעית של תלמידים

1. Marusi, M. et al. (2022). The impact of active learning of physics on student scientific reasoning, Revista Cubana de Física, 40, 4-11

חוקרים הצביעו על כך שקיים מספר רב של תלמידי תיכון וסטודנטים במוסדות להשכלה גבוהה שלא הגיעו לרמה של חשיבה פורמלית. מחקר רחב־היקף, שנערך על מדגם מייצג של 10,000 תלמידים בגילים 16-10, הראה כי השיעור הגבוה ביותר של נבדקים שהגיעו לרמה מפותחת של חשיבה מדעית פורמלית עמד על 20% בלבד. הנתונים הראו גם כי רוב התלמידים השלימו את התפתחותם בגיל 14.5 שנים [7]. ארונס (Arons) וקרפלוס (Karplus) טענו כי רק שליש מאוכלוסיית ארצות הברית בגילים 13–15 מגיעים לרמה האופרציונלית־פורמלית של חשיבה [8]. מלוני (Maloney) הציג נתונים משתי קבוצות סטודנטים: שני שלישים מהסטודנטים שלמדו קורסים בפיזיקה עם דגש חישובי ואלגברי באוניברסיטת קרייטון (Creighton University) הגיעו לרמת חשיבה פורמלית, בעוד שרק שליש מהסטודנטים בתחומי החינוך והמדעים הגיעו לרמה זו [9].

לתקציר המאמר באנגלית

לקריאה נוספת: כל סיכומי המאמרים בנושא הבנה מדעית

היוזמה למחקר זה נבעה מן הקשר שבין שיטות למידה/הוראה לבין שינויים קוגניטיביים המתרחשים בקרב סטודנטים. נבחנו שתי שיטות שונות להוראת פיזיקה: שיטת ההוראה המסורתית, שיושמה בקבוצות הביקורת (CG), ושיטת ניסוי ודיון הכוללת דיון בנושאים מן הפיזיקה הקלאסית, שיושמה בקבוצות ההתערבות (IG).

בסיס המחקר היה ניתוח השפעת שיטות ההוראה על רמת החשיבה המדעית ועל שינויים קוגניטיביים בקרב סטודנטים בלימודי תואר ראשון בטכנולוגיית מזון ובלימודים מקצועיים של הגנת חומרים ומיחזור.

תוצאות מבחן הקדם הראו כי פחות מ־10% מהתלמידים בטכנולוגיית מזון הגיעו לרמת חשיבה פורמלית, בעוד שבקרב התלמידים של הגנת החומרים והמיחזור לא נמצא אף סטודנט ברמה זו. ממצא זה מצביע על בעיה משמעותית עבור תלמידים השואפים ללמוד פיזיקה לעומק, שכן רמת החשיבה הפורמלית נחשבת הכרחית להבנה נאותה של הפיזיקה. גישה כזו ללמידה מחייבת הבנה של מושגים פיזיקליים יסודיים, וכן יכולת ליישם אותם ולזהותם במצבים יומיומיים.

תוצאות קבוצות הביקורת בשני מסלולי הלימוד איששו ממצא מוכר: שיטות הוראה מסורתיות אינן מובילות לשינויים משמעותיים ברמת החשיבה המדעית הממוצעת של הסטודנטים.

לעומת זאת, תוצאות קבוצות ההתערבות הראו כי שיטת הלמידה הפעילה בפיזיקה באמצעות ניסוי ודיון, שיושמה במהלך סמסטר אחד, הביאה לשיפור מובהק ברמת החשיבה המדעית. בקרב תלמידי טכנולוגיית מזון ‏57.8% עברו לרמות חשיבה גבוהות יותר, בעוד שבקרב תלמידי הגנת החומרים והמיחזור שיעור זה עמד על ‏52.6%. בשני המסלולים, הציון הממוצע במבחן הסיום השתפר באופן מובהק.

ההתערבות ההוראתית מאופיינת בשיטת למידה פעילה בפיזיקה באמצעות ניסוי ודיון, ובשילוב של למידה קולקטיבית וקונפליקט קוגניטיבי בתרגילי מעבדה. בשיטה זו, התלמידים הם שותפים פעילים בתהליך של רכישה וחידוש ידע.

ההתערבות בנתה רצפי הלמידה של חזה, התבונן והסבר (predict-observe-explain) או התבונן, הסבר, חזה ובדוק (observe–explain–predict–test). ניתן להשיג את ההתקדמות המתוארת באמצעות ניסויים פשוטים בעלי אפקט מפתיע, המעודדים סטודנטים לחשוב באופן יצירתי ולחפש פתרון פיזיקלי לתופעות הנצפות. במהלך תהליך זה, הסטודנטים מקיימים תקשורת הדדית ומאמצים ערכים בסיסיים של עבודת צוות, ובכך מפתחים כישורים חברתיים וכישורי עבודת צוות הנדרשים לעבודה מקצועית עתידית.

באמצעות שני הרצפים האלה, התלמידים מפעילים את הידע שכבר רכשו ומעמידים אותו במבחן באמצעות השוואה בין החיזוי לבין התצפית. תהליך הבדיקה כולל ניתוח והתבוננות בניסויים פשוטים, העוסקים בתופעות פיזיקליות שלגביהן היו לסטודנטים כבר תפיסות חלופיות מוכרות ‏[18]. תופעות אלו נכללות בנושאים פיזיקליים כגון כוח ומושג התנועה, לחץ (הידרוסטטי, הידראולי, אטמוספרי והידרודינמי), חום וגלי קול.

כל הניסויים השיגו אפקט מפתיע בקרב הסטודנטים. עם זאת, אף על פי שהושגו שיפורים מובהקים ברמות החשיבה המדעית בקבוצות ההתערבות, למחקר זה יש מספר מגבלות. ראשית, יש לבחון האם מורים אחרים יצליחו להשיג שיפורים דומים באמצעות שימוש בשיטות למידה פעילה אלו. שנית, ייתכן שמשך קורס הפיזיקה אינו ארוך דיו כדי ליצור הרגל מתמשך של שימוש בשיטות אלו.

מקורות

[1] D. Klahr and K. Dunbar, Cognitive Sci. 12, 1 (1988).

[2] D. Klahr, Exploring Science: The Cognition and

Development of Discovery Processes (MA: MIT Press,

Cambridge, UK, 2000).

[3] K. Dunbar and J. Fugelsang, The Cambridge Handbook

of Thinking and Reasoning (Cambridge University

Press, Cambridge, UK, 2005).

[4] C. Zimmerman, The Development of Scientific

Reasoning Skills: What Psychologists Contribute to

an Understanding of Elementary Science Learning

(National Research Council, Washington DC, 2005).

[5] A. L. Glaze, Educ. Sci. 8, 12 (2018).

[6] F. Abd-El-Khalick, S. Boujaoude, R. Duschl, N.G.

Lederman, R. Mamlok-Naaman, A. Hofstein, M. Niaz,

1. Treagust and H. Lin Tuan, Sci. Educ. 88, 3 (2004).

[7] M. Shayer and H. Wylam, Brit. J. Educ. Psychol. 48, 1

(1978).

[8] A. B. Arons, and R. Karplus, Am. J. Phys. 44, 4 (1976).

[9] D. P. Maloney, Am. J. Phys. 49, 8 (1981).

[10] L. Bao, T. Cai, K. M. Koenig, K. Fang, J. Han, J. Wang, Q.

Liu, L. Ding, L. Cui, Y. Luo, Y. Wang, L. Li and N. Wu,

Science 323, 5914 (2009).

[11] V. P. Coletta and J.A. Phillips, Am. J. Phys. 73, 12 (2005).

[12] V. P. Coletta, and J.A. Phillips, Physics Education

Research Conference 1179, (2009).

[13] D. Kuhn, Mechanisms of Cognitive Development:

Behavioral and Neural Perspectives (Lawrence Erlbaum

Associates Inc., Mahwah, NJ, 2001).

[14] B. Bettina, M. Pesa and M. Braunmuller, Rev. Bras.

Ensino Fis. 44, e20210326 (2022).

[15] I. Araujo, T. Espinosa, K. Miller and E. Mazur, Rev. Bras.

Ensino Fis. 43, e20210222 (2021).

[16] R. White and R. Gunstone, Probing Understanding (The

Falmer Press, London, UK, 1992).

[17] A. Van Heuvelen and E. Etkina, The Physics Active

Learning Guide (Addison Wewley, San Francisco, CA,

2006).

[18] H. Pfundt and R. Duit, Bibliography. Students

alternative frameworks and science education (Institute

for Science Education, Kiel, DE, 2006).

[19] M. Marusiˇ c and A. Dragojevi ˜ c, Am. J. Pharm. Educ. ˜ 84,

8 (2020).

[20] A.E. Lawson, Classroom test of scientific

reasoning (revised pencil paper version;

Arizona State University, Tempe, AZ, 1996).

http://www.public.asu.edu/ anton1/AssessArticles/

Assessments/Mathematics %20Assessments/Scientific %

20Reasoning %20Test.pdf

[21] L. Bao, Y. Xiao, K. Koenig and J. Han, Phys. Rev. Phys.

Educ. 14, 2 (2018).

[22] A.E. Lawson, Science Teaching and the Development of

Thinking (Wadsworth Publishing Company, Belmont,

CA, 1995).

[23] J. Cohen, Statistical power analysis for the behavioral

sciences (Hillsdale, NJ: Lawrence Erlbaum, 2nd ed.,

1988).

[24] S.N. Zhou, Q.Y. Liu, K. Koenig, Q.Y. Li, Y. Xiao and L.

Bao, J. Balt. Sci. Educ. 20, 1 (2021).

[25] L. Richterek and T. Hrouzkova, Lawson classroom ´

test of scientific reasoning at entrance university

level (Presentation at BalticSTE ’21 symposium:

https://balticste.com) (2021).

[26] T. Abate, K. Michael and C. Angell, Eurasia J. Math. Sci.

Technol. Educ. 16, 12 (2020).

[27] M. Marusiˇ c and J. Sli ˜ sko, Int. J. Sci. Educ. ˇ 34, 2 (2012).

[28] Z.A. Zulkipli,M.M.M. Yusof, N. Ibrahim and S.F. Dalim,

Asian J. Univ. Educ. 16, 3 (2020).