Investigation of mental models of turkish pre-service physics students for the concept of “spin”

Fizik öğretmeni adaylarının spin kavramına yönelik zihinsel modellerinin araştırılması

Özet

Problem Durumu: Öğrencilere atom altı parçacıklardan oluşan dünyanın özelliklerini ve kavramlarını öğretmek istiyorsak, onların öğrenmelerini zorlaştıracak veya zihinlerinde yanlış modeller oluşturmalarını sağlayacak klasik fizik yasalarını temel olan çizimlerden ve kavramlardan kaçınmamız gerekir. Öğrenciler, günlük yaşantıları yoluyla geliştirmiş oldukları ön kavramlara sahip olarak sınıf ortamına gelirler. Çoğu zaman bilimsel gerçeklerle çelişen bu düşünceler kavram yanılgıları olarak ifade edilir. Öğrencilerin sahip oldukları kavramlar ile derslerde öğrendikleri yeni kavramlar arasında bir bağ oluşturulmalı ve yanlış kavramlarının doğru olanlarla değiştirilmesi öğretim sürecinde desteklenmelidir. Bu nedenle fizik eğitimi araştırmacılarının öğrencilerin yaşadıkları makro çevre ile ilgili sezgisel algılarına odaklanarak bu algıları tanımlamak ve algıların atom altı parçacıklardan oluşan dünya için geçerlik sınırlarını etraflıca ortaya koymaları önemlidir. Farklı tipteki öğrenci zorlukları arasında, yapılandırılmış bilişsel kavramlar veya zihinsel model kaynaklı araştırmalar fizik eğitimcilerinin ilgiyle çalıştıkları konulardır. Zihinsel modeller, öğrencilerin değişik bilimsel kavram ve fikirleri betimleme yollarını ortaya koymak için yapılan fizik eğitimi araştırmalarının odak noktasını oluşturmuştur. Atom altı parçacıklardan oluşan mikroskobik dünyanın soyut doğasından dolayı, öğrencilerin atomun yapısıyla ilgili zihinsel modellerin ve anlama düzeylerinin araştırılması fizik eğitimi alanında oldukça önemli bir yere sahiptir. Alan yazında oldukça yoğun çalışılmış olan atomun yapısıyla ilgili araştırmaların aksine bu çalışma da yine atomun yapısı kadar önemli ve önce ki araştırmalarda hiç çalışılmamış bir kavram olan spin kavramı ile ilgili öğrencilerin zihinlerinde oluşturdukları modellerin neler olduğu sorusuna cevap aranmıştır. Araştırmanın Amacı: Konuyla ilgili yapılan literatür araştırmasında öğrencilerin spin kavramıyla ilgili zihinsel modelleri ve bu kavramla ilgili öğrenme zorluklarına rastlanmamıştır. Bu noktadan hareketle yapılan bu çalışmada amaç (a) üniversite birinci sınıfta eğitim gören fizik öğretmen adayları ile üniversite üçüncü sınıfta eğitim gören fizik öğretmen adaylarının spin kavramına yönelik geliştirdikleri zihinsel modelleri tespit etmek ve bu kavrama yönelik alternatif kavramlarını ortaya koymak ve (b) kuantum fiziğinde önemli bir yere sahip olan bu kavramla ilgili öğrencilerin sahip oldukları yanlış anlamaları alan yazına kazandırmaktır. Araştırmanın Yöntemi: Öğrencilerin spin kavramına yönelik zihinsel modellerini belirleyebilmek için üniversite birinci sınıfta öğrenim gören 24 ve üniversite üçüncü sınıfta öğrenim gören 25 öğretmen adayı ile yarı yapılandırılmış görüşmeler gerçekleştirilmiştir. Görüşmeler yoluyla toplanan nitel verilerin analizi neticesinde öğretmen adaylarının spin kavramına yönelik zihinsel modelleri üç temel model altında toplanmıştır.

Abstract

Problem Statement: Difficulties in the learning process usually emerge from the problem of mental representations constructed by students in their interactions with the world. This previous knowledge and these ideas are in contradiction with scientific facts, and are known as misconceptions or alternative ideas. Thus, an analysis of the mental models can provide very valuable information in understanding students’ ideas and learning processes. Purpose of Study: The present study aims to determine pre-service physics teachers’ understanding of and difficulties with spin concept via mental models, which can be drawn from students’ reasoning both at introductory and advanced levels. Methods: In determining the participants, a purposeful sampling method was used so that the questions the study focuses on would be better illuminated. The qualitative data used in the study was gathered via interviews with the students. All of the interviews were conducted one on one by the researcher in the class environment. Findings and Results: The data gathered through interviews were analyzed both qualitatively and quantitatively, and the mental models formed by students about the concept of spin were determined. The categories codified as “mental models” reflect the mental models of students concerning the concept of spin and were categorized as “quantum model,” “classical model,” and “without any model.” Conclusions and Recommendations: As a result of this examination, it was seen that the students’ models related to the concept of atom and the models related to the concept of spin show similarities. One of the main reasons for the occurrence of such similar thought processes was that students from both groups attribute classical meanings to these concepts (spin and atom). It was not by chance that students who know of the classical atom model (Bohr’s atom model) also consider the concept of spin as the rotation of an object around its own axis. This case signifies to what extent their ideas about the structure of an atom is influenced by the atom models they learned in modern physics classes during their high school years. Therefore, it is necessary that the quantum model of atom is emphasized through modern atom theories and through the concept of probability, especially at the high school level, because the concept of probability is an important gateway that facilitates the transition from Bohr’s atom model to the quantum atom model.