ΜΗΧΑΝΙΚΑ ΚΥΜΑΤΑ ΚΑΙ ΕΞΙΣΩΣΗ ΚΥΜΑΤΟΣ
Φυσική (ΔΕ) (Γενικό Λύκειο)
Παρουσιάζεται ένα σενάριο διδασκαλίας της ενότητας "Μηχανικά κύματα - μαθηματική περιγραφή αρμονικού κύματος".
Η προτεινόμενη διδασκαλία ακολουθεί τις αρχές της καθοδηγούμενης ανακάλυψης-διερεύνησης σε συνεργατικό περιβάλλον με χρήση του λογισμικού μοντελοποίησης Interactive Physics .
Η προστιθέμενη αξία της προτεινόμενης διδακτικής προσέγγισης έγκειται στην αυξημένη διαδραστικότητα και στην αξιοποίηση των πολλαπλών αναπαραστάσεων που έχουμε με τη χρήση εκπαιδευτικού βίντεο και παραμετρικών προσομοιώσεων με αποτέλεσμα να διευκολύνεται η ενεργητική και διερευνητική μάθηση.
Η προτεινόμενη διδασκαλία:
- Έχει ως πυρήνα τα Φύλλα Εργασίας στα οποία διερευνώνται τα κυματικά φαινόμενα.
- Αξιοποιεί τις δυνατότητες που προσφέρουν οι ΤΠΕ και ιδιαίτερα το λογισμικό Interactive Physics.
- Κατευθύνει τους μαθητές σε δραστηριότητες πειραματισμού με παραμετρικές προσομοιώσεις.
- Γενικεύει, εφαρμόζει και επεκτείνει την αποκτηθείσα γνώση από τους μαθητές.
Ο Εκπαιδευτικός:
- Φροντίζει για τον σχηματισμό ομάδων και μοιράζει τα Φύλλα εργασίας.
- Καθοδηγεί, συμβουλεύει, συντονίζει και φροντίζει για την σωστή διαχείριση του χρόνου.
- Παραλαμβάνει το Φύλλο Αυτοαξιολόγησης των μαθητών.
Οι μαθητές:
- Εργάζονται σε ομάδες των 2-3 ατόμων σε Αίθουσα Πληροφορικής. Εναλλακτικά αν αυτό δεν είναι εφικτό, η διδασκαλία μπορεί να πραγματοποιηθεί με βιντεοπροβολέα συνδεδεμένο σε Η/Υ και οι μαθητές διαδοχικά χειρίζονται το λογισμικό.
- Εκτελούν τις δραστηριότητες και συμπληρώνουν τα Φύλλα Εργασίας καθώς και το Φύλλο Αυτοαξιολόγησης.
Οι δραστηριότητες στα Φύλλα Εργασίας ακολουθούν την πορεία που περιγράφεται στις παρακάτω πέντε φάσεις:
Φάση 1: Έναυσμα. Διαμόρφωση πρότερων εμπειριών.
Στη φάση αυτή οι μαθητές παρακολουθούν σχετικά βίντεο και καλούνται να αναγνωρίσουν τα φαινόμενα και να διατυπώσουν τις απόψεις τους.
Φάση 2: Κυματικά μεγέθη.
Στην φάση αυτή οι μαθητές αναγνωρίζουν και συσχετίζουν τα κυματικά μεγέθη και οδηγούνται στην θεμελιώδη εξίσωση της κυματικής υ= λf. Η διαδικασία ακολουθεί το σχήμα "πρόβλεψη- πείραμα- συμπέρασμα".
Φάση 3: Εξίσωση κύματος.
Στην φάση αυτή οι μαθητές καθοδηγούνται στη μαθηματική διατύπωση της εξίσωσης κύματος. Γενικεύουν και εφαρμόζουν τη νέα γνώση.
Φάση 4: Εφαρμογές.
Στην φάση αυτή οι μαθητές αξιοποιούν τις δυνατότητες των πολλαπλών αναπαραστάσεων του λογισμικού και εφαρμόζουν τη νέα γνώση. Καθοδηγούνται στην κατασκευή των διαγραμμάτων y(t) και φ(t) για ένα υλικό σημείο καθώς και στην κατασκευή στιγμιοτύπων του κύματος. Διακρίνουν αλλά και συσχετίζουν την κατάσταση ταλάντωσης υλικών σημείων του μέσου.
Φάση 5: Αξιολόγηση.
Οι μαθητές απαντούν σε ερωτήσεις αυτοαξιολόγησης διατυπωμένες με Διαδραστικά Εργαλεία της Εκπαιδευτικής Πλατφόρμας και παραλαμβάνουν Φύλλο Αξιολόγησης για το σπίτι.
Η διδασκαλία των κυματικών φαινομένων σε ένα δασκαλοκεντρικό- παραδοσιακό τρόπο διδασκαλίας παρουσιάζει εγγενείς δυσκολίες:
Οι μαθητές έχουν εδραιωμένες εναλλακτικές ιδέες για τα κυματικά φαινόμενα, όπως:
- Τα κύματα δε μεταφέρουν ενέργεια [1].
- Σε ένα κύμα ελαστικότητας ταλαντώνονται τα υλικά του σημεία δηλ. τα μόρια του μέσου[1].
- Όσο πιο γρήγορα ταλαντώνονται τα υλικά σημεία τόσο πιο γρήγορα διαδίδεται το κύμα [2].
- Τα κύματα μεταφέρουν ύλη [3]
- Τα μεγάλα κύματα διαδίδονται πιο γρήγορα από τα μικρά στο ίδιο μέσον[3].
Στα αρμονικά κύματα έχουμε δυο περιοδικότητες: μία στον χώρο και μια στον χρόνο, οι οποίες δεν μπορούν να αποδοθούν με στατικές εικόνες στον μαυροπίνακα.
Η διάκριση αλλά και η συσχέτιση των κυματικών μεγεθών είναι ελλειπής, με αποτέλεσμα νοητικά κενά αλλά και παρανοήσεις από τη σκοπιά των μαθητών.
Κάτω από αυτές τις συνθήκες η διδασκαλία της κυματικής εξίσωσης που είναι το κλειδί για την μελέτη των κυματικών φαινομένων, γίνεται φορμαλιστικά χωρίς ουσιαστική κατανόηση του περιεχομένου της από τους μαθητές [4].
Το αποτέλεσμα είναι οι μαθητές να λειτουργούν περίπου απομνημονευτικά, εφαρμόζοντας "συνταγές" πολλές φορές λανθασμένα, χωρίς να κατανοούν το πως και το γιατί το κάνουν. Επίσης σε θέματα που απαιτούν βαθύτερη κατανόηση των κυματικών φαινομένων, οδηγούνται σε λανθασμένες εκτιμήσεις.
Στην διδακτική πρόταση που ακολουθεί χρησιμοποιούνται παραμετρικές προσομοιώσεις κατασκευασμένες με το λογισμικό IP (Interactive Physics) για τη μελέτη των κυματικών φαινομένων.