Khảo sát về khái niệm năng lượng hàm ý về điều chỉnh chương trình giảng dạy năng lượng (ánh sáng)

KHẢO SÁT VỀ KHÁI NIỆM NĂNG LƯỢNG HÀM Ý VỀ ĐIỀU CHỈNH CHƯƠNG TRÌNH GIẢNG DẠY NĂNG LƯỢNG (ÁNH SÁNG) TRONG GIẢNG DẠY Nhiều nghiên cứu dựa trên bảng câu hỏi đã được thực hiện để có ấn tượng về các khái ni.

KHẢO SÁT VỀ KHÁI NIỆM NĂNG LƯỢNG - HÀM Ý VỀ ĐIỀU CHỈNH CHƯƠNG TRÌNH GIẢNG DẠY NĂNG LƯỢNG (ÁNH SÁNG) TRONG

GIẢNG DẠY

Nhiều nghiên cứu dựa trên bảng câu hỏi đã được thực hiện để có ấn tượng về các khái niệm (trước) và sự hiểu biết về thuật ngữ khoa học “năng lượng” ở các nhóm tuổi khác nhau Ngoài học sinh tiểu học, học sinh trung học cơ sở và giáo viên đang làm việc, cảm nhận của giáo viên tại chức cũng được thu thập bằng cách sử dụng bảng câu hỏi tương tự Trong bài viết này, kết quả của các nghiên cứu được tập hợp lại với nhau để xác định nhu cầu hành động tại trường học khi giảng dạy khái niệm năng lượng khoa học

1 Giới thiệu

Thuật ngữ “năng lượng” được sử dụng theo nhiều cách, với những ý nghĩa khác nhau tùy thuộc vào ngữ cảnh: Trong ngôn ngữ hàng ngày, quảng cáo và truyền thông, thuật ngữ năng lượng thường được liên kết với một thứ gì đó bí truyền, thần

bí và không thể sờ thấy – một loại sức mạnh Việc sử dụng thuật ngữ này và cách hiểu này cũng bắt nguồn từ các truyền thống lịch sử hoặc Kinh thánh qua nhiều thế

hệ.1

Nó trái ngược với sự hiểu biết khoa học, cần thiết để tiết lộ các quá trình vô hình2 :

Ở đây, một khái niệm toàn diện được liên kết: Năng lượng có thể được mô tả là công được lưu trữ trong một hệ thống Vì năng lượng không thể thu được hoặc mất

đi, nó được chuyển đổi từ dạng năng lượng này sang dạng năng lượng khác Các dạng đơn lẻ có thể được xác định và đo lường định lượng Ví dụ, năng lượng nhiệt

có thể được liệt kê trong đơn vị cal , theo đó một calo tương đương với lượng năng

lượng cần thiết để tăng nhiệt độ của một g nước từ 14,5-15,5 °C1 Ngày nay, đơn

vị được quốc tế chấp nhận là joule (J), với một joule bằng 0,24 cal3

Nhìn chung, năng lượng là một khái niệm trung tâm để phát triển sự hiểu biết sâu

sắc hơn về khoa học tự nhiên4 Do đó, khái niệm này được neo giữ về mặt cấu trúc như một khái niệm cơ bản định kỳ trong việc giảng dạy hóa học khoa học tự nhiên

ở Đức4 Bốn ý tưởng chính về năng lượng cần được dạy (và hiểu) là các dạng (1.), truyền và biến đổi (2.), tiêu tán (3.) và bảo toàn năng lượng (4.)6 Các tính năng cơ bản của khái niệm năng lượng đã có thể là một phần của các bài học ở trường tiểu học Từ thời điểm này, sự phát triển của sự hiểu biết ngày càng phức tạp về khái niệm năng lượng diễn ra dọc theo tiểu sử giáo dục, quá trình học tập nhằm phát triển khái niệm bắt đầu4 5 Các mô tả được xác thực bằng thực nghiệm về các khái niệm chuyên sâu liên tiếp được hiểu là quá trình học tập6 Các mức độ hợp lý về

mặt nhận thức tùy thuộc vào độ tuổi được đề xuất trong tài liệu: Một cách tiếp cận hiện tại giả định rằng quá trình học tập về năng lượng là một khuôn khổ hai khía cạnh, áp dụng các ý tưởng chính về năng lượng và các mức độ phát triển khái niệm ( Hình 1 ) Về cơ bản, sự phát triển khái niệm có thể được chia thành bốn cấp độ như trong Bảng 1

 Bảng 1 Bốn cấp độ phát triển khái niệm [6]

Khung này được minh họa dưới dạng mô hình phân cấp cho quá trình học tập trong Hình 1



 Hình 1 _ Mô hình phân cấp cho tiến trình học tập của năng lượng [6]

Để cho phép tiến trình học tập bền vững và hiệu quả, cả hai biến cần được xem xét

và giải quyết Tuy nhiên, mô hình này là một sự đơn giản hóa, vì nó đã trở nên rõ ràng về mặt thực nghiệm rằng sự phát triển trong học tập không phải là tuyến tính

và rất phức tạp.6

Khi học sinh được làm quen với khái niệm khoa học về năng lượng ở trường, các

em thường đã có sẵn các khái niệm từ cuộc sống hàng ngày của mình6 Những pre-concept này chưa hẳn đã sai1 , nhưng ảnh hưởng đến tốc độ và sự phát triển thẳng thắn của một khái niệm khoa học6

Ít nhất là thông qua ngôn ngữ hàng ngày, thường không phù hợp với các khái niệm khoa học ngày nay, học sinh tự phát triển các khái niệm và đi chệch khỏi tiến trình học tập đã lên kế hoạch Đối với khái niệm năng lượng, chúng ta thường thấy các biểu thức ngôn ngữ chỉ ra những quan niệm sai lầm về sự sáng tạo và hủy diệt hoặc tính vật chất của năng lượng Vì vậy, theo cách sử dụng trên các phương tiện truyền thông như TV hay báo điện tử về nguồn cung cấp năng lượng trong tương

lai, các bạn trẻ thường hình dung rằng pin mặt trời chẳng hạn sẽ “ tạo ra ” năng

lượng.1

Ngoài ra, các quan niệm thay thế khác về năng lượng được mô tả chi tiết bởi Yao, Guo et al.6 : “năng lượng như

• một cái gì đó chủ yếu gắn liền với con người

• thứ gì đó được cất giữ trong một số đồ vật chẳng hạn như pin

• một thành phần không hoạt động cần được giải phóng

• một hoạt động rõ ràng

• một (by) sản phẩm của một tình huống cụ thể

• một loại nhiên liệu rất chung chung

• một chất lỏng có thể được 'đưa vào', 'vận chuyển' hoặc 'được dẫn'.”

Một thách thức toàn cầu của thời đại chúng ta là hoàn thành quá trình chuyển đổi năng lượng Chương trình nghị sự 2030 vì sự phát triển bền vững đặt mục tiêu đảm bảo khả năng tiếp cận năng lượng bền vững cho tất cả mọi người vào năm

20307 Càng gần đến năm 2030, việc thực hiện quá trình chuyển đổi năng lượng càng trở nên cấp bách hơn Vì vậy, điều quan trọng cơ bản là học sinh vừa hiểu khái niệm khoa học về năng lượng, vừa nhận ra tầm quan trọng và khả năng

chuyển đổi của các dạng năng lượng khác nhau thành dạng năng lượng khác

Trong bối cảnh này, năng lượng ánh sáng ngày càng trở nên quan trọng, đặc biệt

là khi năng lượng được bức xạ từ mặt trời đến trái đất mỗi năm nhiều gấp hàng ngàn lần so với năng lượng được lưu trữ trên hành tinh này trong nhiên liệu hóa thạch8 Do đó, bài viết này sẽ không chỉ đưa ra ấn tượng chung về khái niệm năng lượng của các nhóm tuổi khác nhau mà sẽ luôn đề cập đến năng lượng ánh sáng nói riêng Từ các nghiên cứu dựa trên bảng câu hỏi được thực hiện ở Đức, có thể thu thập các khái niệm về học sinh, sinh viên và giáo viên tham gia Vì giáo dục (hóa học) nên là cầu nối giữa các khái niệm thay thế của mọi người và các khái

niệm khoa học1 , những ý tưởng có giá trị xuất hiện những khía cạnh nào cần được tiếp thu và tăng cường trong các bài học ở trường

2 Vật liệu và phương pháp

Các câu hỏi được tạo ra với mục đích thu thập thông tin về các khái niệm (trước),

sự hiểu biết và những quan niệm sai lầm tiềm ẩn về thuật ngữ năng lượng khoa học trong nhóm học sinh ở các độ tuổi khác nhau và giáo viên tiền nhiệm cộng với ấn tượng của giáo viên tại chức về vấn đề này Các câu hỏi là sự kết hợp của các câu hỏi đóng và mở ( Bảng 2 ) Nhóm thuần tập càng trẻ, càng có nhiều định dạng câu hỏi đóng được chọn

 Bảng 2 Tổng quan về cấu trúc của bảng câu hỏi

Các câu hỏi được phân phối theo ba cách khác nhau: Chúng tôi hợp tác với Hiệp hội Kỹ sư Đức (VDI) và thực hiện các chương trình giáo dục cho trẻ em từ sáu đến mười một tuổi Trước khi bắt đầu chương trình cụ thể, bảng câu hỏi in sẵn đã được phát và hoàn thành bởi các em (P) Ngoài ra, các giáo viên trước khi nhập ngũ (S3) cũng điền vào bảng câu hỏi in như một phần của bài giảng Là một phần trong luận

án cử nhân của anh ấy, sinh viên Matthias Teeuwen của chúng tôi đã tạo bảng câu hỏi kỹ thuật số trên nền tảng “Khảo sát SoSci” và phân phát chúng cho học sinh trung học từ lớp năm đến lớp mười (S1), lớp mười một đến lớp mười ba (S2) cùng với tất cả giáo viên (T) có ít nhất một môn học thuộc khối khoa học tự nhiên đang làm việc tại các trường này Việc tham gia là tự nguyện và không diễn ra trong các nhóm lớp học

Tóm lại, năm nhóm khác nhau đã được đặt câu hỏi, mỗi nhóm không có sự can thiệp trước Các kết quả đã được tóm tắt, như thể hiện trong phần sau

3 Kết quả

Sau đây là một nỗ lực để trình bày kết quả của các đoàn hệ riêng lẻ một cách rõ ràng nhất có thể và để làm nổi bật những phát hiện ngắn gọn

3.1 Đặc điểm của đoàn hệ

Cùng với nhau, có 146 người tham gia vào các nghiên cứu dựa trên bảng câu hỏi Phân bố độ tuổi và số lượng người tham gia trong các đoàn hệ tương ứng được tóm tắt trong bảng dưới đây ( Bảng 3 )

 Bảng 3 Phân bố độ tuổi và số lượng người tham gia

Ngoại trừ một học sinh toàn diện, tất cả S2 đều học trường ngữ pháp Tại thời điểm khảo sát, tất cả giáo viên chuẩn bị công tác (S3) được hỏi đều đang theo học

chương trình Cử nhân giảng dạy cấp tiểu học Các giáo viên tiểu học tiềm năng được chọn để khảo sát vì một mặt, chủ đề năng lượng nổi bật trong chương trình giảng dạy của loại hình trường học và do đó cũng trong đào tạo giáo viên, mặt khác, khóa học bao gồm một khối lượng tương đối lớn số người Tất cả họ đều

được phỏng vấn cùng một lúc trước khi chủ đề năng lượng được đưa vào học phần

hóa học Các giáo viên tại chức tham gia (T) làm việc tại các loại trường khác nhau, như thể hiện trong Bảng 4

 Bảng 4 Phạm vi công việc của giáo viên

Ở Đức giáo viên thường dạy ít nhất hai môn học khác nhau Các môn học do nhóm được hỏi giảng dạy được thể hiện trong Hình 2 Số trong ngoặc tương ứng với số tuyệt đối Rõ ràng là những giáo viên này không chỉ làm việc ở các loại trường khác nhau mà còn dạy các môn học khác nhau thuộc các khoa khác nhau



 Hình 2 _ Các môn học do giáo viên được hỏi giảng dạy.

3.2 Kết quả Nội dung câu hỏi

3.2.1 Các định nghĩa của thuật ngữ năng lượng

Ngoại trừ nhóm P, tất cả các nhóm được yêu cầu đưa ra một định nghĩa ngắn gọn

về khái niệm khoa học về năng lượng Không phải tất cả những người được hỏi đều tuân thủ yêu cầu này Để rõ ràng hơn, không phải tất cả các đóng góp cá nhân

mà là các bản tóm tắt dựa trên các thuật ngữ hoặc ý tưởng ngắn gọn được trình bày ( Bảng 5 ) Hơn nữa, các xu hướng được đặt tên và những đóng góp nổi bật được trích dẫn Trong nhóm S1, tất cả những người được hỏi đều cố gắng đưa ra một định nghĩa - ngay cả khi chỉ thông qua một từ duy nhất Điều đáng chú ý ở đây là khái niệm năng lượng trừu tượng hiếm khi được mô tả, mà thay vào đó là những tác động có thể nhìn thấy được của các dạng năng lượng riêng lẻ, chẳng hạn như

“ chuyển động”(động năng) đã được đề cập thường xuyên hơn Đa số đã đặt năng

lượng ngang bằng với điện năng Trong nhóm này, cách giải thích các thuật ngữ

bằng ngôn ngữ hàng ngày cũng được trích dẫn, ví dụ như từ “ nước tăng lực” hoặc

“ động lực” Quan niệm sai lầm về năng lượng được tạo ra và ngược lại bị triệt

tiêu trở nên rõ ràng trong những trường hợp cá biệt Ngoài ra, cũng có những câu trả lời chỉ ra rằng không chỉ bản thân khái niệm năng lượng mới bị hiểu sai Ví dụ, một học sinh đã viết: “Năng lượng là các electron giải phóng điện tích của

chúng.” Một công thức khác: “Năng lượng là lực có thể tích điện âm hoặc

dương.” Ngoài ra, lý thuyết điện hoặc điện hóa dường như bị ảnh hưởng bởi những quan niệm sai lầm ở đây

 Bảng 5 Các thuật ngữ hoặc khái niệm được đề cập

“ Năng lượng rất khó định nghĩa”, một học sinh nhóm S2 tổng kết Ngay cả trong

nhóm này, đa số đặt năng lượng bằng điện Năng lượng thường được liên kết hoặc thiết lập bằng với chuyển động của các hạt, phân tử hoặc vật thể Các tuyên bố điển hình là "Chuyển động là năng lượng" và "Chuyển động tạo ra năng lượng" Ngược lại, một người đã trình bày một định nghĩa rất khác biệt về thuật ngữ năng lượng khoa học: “Các dạng công việc được lưu trữ khác nhau có thể biến đổi và không bao giờ mất đi”

Những người tham gia trong nhóm S3 hiếm khi đặt năng lượng và điện hoặc

chuyển động bằng nhau, nhưng đưa ra những dấu hiệu cho thấy quan niệm sai lầm

về sự hủy diệt và tính vật chất của năng lượng Ngược lại, khi trả lời câu hỏi

thường có một tuyên bố tách rời rằng năng lượng không thể bị phá hủy

Vì các giáo viên có một vai trò đặc biệt trong việc giảng dạy khái niệm khoa học

về năng lượng, nên những phát biểu của họ có vẻ đặc biệt thú vị Có một số lượng phiếu trắng đáng kinh ngạc trong nhóm của giáo viên T Dưới 40%, tức là chỉ có 5 trong số 13 người được hỏi, đã cố gắng xác định năng lượng Ví dụ, một cách tiếp cận là: “Năng lượng có thể được chứa trong một hệ thống ở nhiều dạng khác nhau,

ví dụ động năng, hóa năng hoặc điện năng Các dạng năng lượng khác nhau có thể chuyển hóa lẫn nhau.” Hai trong số các giáo viên tại chức, ngoài khái niệm khoa học về năng lượng, chỉ ra việc sử dụng nó trong ngôn ngữ hàng ngày, ví dụ: “Một mặt, một thuật ngữ mở cho những gì thúc đẩy con người, mặt khác, một đại lượng vật lý mà có một cái gì đó để làm với các phản ứng Nhìn chung, thuật ngữ này được mô tả theo những cách trừu tượng hơn là được định nghĩa chính xác: Ví dụ: tuyên bố đã được đưa ra rằng nó là một đại lượng vật lý mà sau đó không mô tả đặc điểm của nó Các dạng năng lượng tiếp nhận trong lớp sẽ được thảo luận trong phần 3.3.2

Nhìn vào những quan niệm sai lầm về khả năng hủy diệt và tính vật chất của năng lượng, xu hướng trở nên rõ ràng là những quan niệm này ít được thể hiện nhất trong nhóm S2 và lại tăng lên trong nhóm giáo viên S3 và giáo viên tại chức T được khảo sát

Cần lưu ý ở đây rằng mẫu thấp hơn đáng kể do có những người bỏ phiếu trắng và

về tổng thể chỉ có thể có những phát biểu mang tính mô tả Nguyên nhân của các phiếu trắng cũng như các khái niệm ẩn đằng sau các công thức tương ứng được thông qua đều không được biết rõ ràng Không thể loại trừ rằng các chỉ số cho quan niệm sai lầm chỉ là sự thiếu chính xác về ngôn ngữ - nhưng điều này cũng phải tránh để củng cố sự hiểu biết về khái niệm khoa học về năng lượng trong toàn dân

Tất cả những người được hỏi điền vào câu hỏi đóng về định nghĩa của thuật ngữ năng lượng Nhìn vào kết quả ( Bảng 6 ), quan niệm sai lầm về tính trọng yếu dường như giảm dần theo trình độ học vấn (mục 1) Tuy nhiên, một phần tư số giáo viên được khảo sát đã chọn tuyên bố rằng năng lượng là một chất vô

hình Liên quan đến sự thống nhất về định nghĩa đúng đắn về mặt khoa học và đặc tính không thể phá hủy, một xu hướng tích cực đã được thể hiện dọc theo tiểu sử giáo dục (mục 3 và 5)

 Bảng 6 Các thỏa thuận trong bối cảnh khái niệm năng lượng khoa học

Không thể thực hiện phân loại chính xác các nhóm tương ứng thành mô hình phân cấp của quá trình học tập liên quan đến khái niệm năng lượng khoa học ( Hình 1 )

do tình hình dữ liệu Bất chấp tất cả những hạn chế trong việc giải thích dữ liệu, có thể khẳng định rằng ngay cả trong các nhóm được nghiên cứu, có mối quan hệ mật thiết với khoa học tự nhiên, dường như vẫn có những quan niệm sai lầm về khái niệm năng lượng Điều này có vẻ đặc biệt đáng báo động đối với giáo viên chuẩn

bị công tác (S3) và giáo viên tại chức (T), vì cả hai nhóm đều chịu trách nhiệm giảng dạy khái niệm năng lượng cho các thế hệ học sinh tiếp theo

3.2.2 Các dạng năng lượng quen thuộc

Ngoại trừ giáo viên, tất cả các nhóm được hỏi họ biết về dạng năng lượng nào ( Bảng 1 , câu hỏi 3 ) Các thuật ngữ được đề cập trong từng trường hợp được nhóm lại và lưu trữ trong một đám mây từ Thuật ngữ được đề cập càng thường xuyên, nó càng được hiển thị lớn hơn Các thuật ngữ không phù hợp đã không được sắp xếp, do đó cũng có thể tìm thấy các thuật ngữ mang năng lượng và

chuyển đổi năng lượng, chẳng hạn như đường và pin nhiên liệu ( Hình 3 )



 Hình 3 _ Các thuật ngữ được đề cập dưới dạng năng lượng

Trước hết, điều đáng chú ý là các dạng năng lượng đã được trộn lẫn với các chất mang năng lượng, bộ chuyển đổi năng lượng và các khía cạnh khác trong mọi đoàn

hệ Tiểu sử giáo dục càng nâng cao thì càng có nhiều thuật ngữ khác nhau được viết ra – mặc dù không phải lúc nào chúng cũng tương ứng với câu hỏi: Trong

khi năng lượng điện là thuật ngữ được nhắc đến nhiều nhất trong nhóm học sinh

tiểu học (P) và học sinh THCS ở độ tuổi từ 10 đến 14 (S1), các dạng năng lượng khác cũng được đề cập với tần suất tương đương ở nhóm có trình độ học vấn cao

hơn (S2, S3) Ví dụ, thuật ngữ năng lượng hóa học được tìm thấy lần đầu tiên trong nhóm S2 và chiếm gần như cùng vị trí với năng lượng điện Thuật ngữ năng lượng hóa họccũng được xem xét lại trong nhóm S3.

Tại thời điểm này, vẫn chưa rõ thuật ngữ nào đã được học sinh ở các nhóm tuổi khác nhau đồng hóa với khái niệm năng lượng của chúng bằng kinh nghiệm cuộc sống hàng ngày của chúng hoặc đã được đưa vào bối cảnh trường học có mục đích Nhìn vào xu hướng của các thuật ngữ được đề cập dọc theo tiểu sử giáo dục,

có vẻ như các thuật ngữ quen thuộc hơn trong cuộc sống hàng ngày ban đầu được liệt kê trong ngữ cảnh năng lượng bởi các học sinh nhỏ tuổi, trước khi nhóm thuật ngữ này ngày càng được bổ sung bởi các dạng năng lượng khoa học Điều đáng chú ý ở đây là các điều khoản hiện có được bổ sung bởi các điều khoản khác,

nhưng không thay thế Năng lượng điện , năng lượng ánh sáng , năng lượng hạt nhân và động năngdường như là những dạng năng lượng mà trẻ em đã quen thuộc

trong cuộc sống hàng ngày Vì những đứa trẻ từ nhóm P đã tham gia vào một chương trình dài hơn do VDI tổ chức nên có thể cho rằng kiến thức của chúng trong lĩnh vực này rộng hơn kiến thức của những đứa trẻ tiểu học khác

Khái niệm năng lượng được sử dụng trong các môn khoa học khác nhau ở

trường Tại thời điểm này, trong bảng câu hỏi, nhóm S1 và S2 được hỏi rõ ràng về dạng năng lượng mà họ biết từ các bài học hóa học ( Bảng 2 , câu hỏi 4)

Trong câu hỏi đóng này, các phương án trả lời được đưa ra một cách có chủ ý không liên quan đến khái niệm năng lượng khoa học, ví dụ như sức mạnh cơ

bắp Các kết quả được thể hiện trong Bảng 7 Các con số trong ngoặc đơn cho biết

tỷ lệ phần trăm đã hiệu chỉnh đối với các phiếu trắng Một số người trả lời thực sự

đã chọn các điều khoản không chính xác Ví dụ, trong nhóm S2, khoảng 30 %

gọi sức mạnh cơ bắp là một dạng năng lượng được biết đến từ các bài học hóa

học So với điều này, năng lượng ánh sáng hiếm khi được chọn một cách đáng báo

động Điều đáng ngạc nhiên là không phải tất cả học sinh S2 đều đánh dấu năng