Jak wprowadzić eksperyment naukowy... na lekcje chemii w gimnazjum? Mini-poradnik

(1)

Jak wprowadzić eksperyment naukowy... | Irmina Buczek, Małgorzata Musialik, Barbara Ostrowska, Marcin M. Chrzanowski | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 4/2014

80 SZK

OŁA

NA

UK

A

KR

Ó

TK

O

EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | ebis@ibe.edu.pl | © for the article by the Authors 2014 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2014

Jak wprowadzić

eksperyment naukowy

...

na lekcje chemii

w gimnazjum?

Mini-poradnik

Irmina Buczek, Małgorzata Musialik, Barbara Ostrowska, Marcin M. Chrzanowski

Dlaczego eksperyment?

W obowiązującej podstawie programowej dla przedmiotów przyrodniczych myślenie naukowe zali-czane jest do najważniejszych umiejętności, jakie powi-nien nabyć uczeń w toku nauczania na III i IV etapie edukacyjnym. Umiejętność myślenia naukowego, czy-li formułowania wniosków opartych na obserwacjach empirycznych, dotyczących przyrody i społeczeństwa, została wpisana jako jedna z siedmiu kompetencji klu-czowych w preambule podstawy programowej (MEN, 2008). Zaznajomienie ucznia z metodologią przeprowa-dzania eksperymentu, ściśle powiązanego z myśleniem naukowym, powinno odbywać się zgodnie z naturalną ścieżką badawczą. Uczeń powinien stopniowo odkry-wać, na czym polega praca badawcza – na zaobser-wowaniu elementów pewnego zjawiska, zbadaniu go, analizie zebranych danych, wyciągnięciu wniosków i zaproponowaniu wyjaśnienia zjawiska. Warto, aby uczeń ukończył naukę przedmiotu przyrodniczego (np. chemii) z poczuciem, że eksperymenty naukowe może wykonywać każdy, kto ma pomysły, motywację i dobrze rozumie pewne ogólne zasady metodologii na-ukowej. Mimo, że podstawa programowa kształcenia ogólnego podaje zbiór doświadczeń chemicznych za-lecanych do wykonania na każdym etapie kształcenia, nauczyciele chemii mogą mieć problem z wykorzysta-niem ich do rozwijania myślenia naukowego uczniów, gdyż mają one bardziej charakter ilustrujący niż

eks-perymentalny. Jest to tym trudniejsze, że w jednych podręcznikach dydaktyki chemii pojęcia „ekspery-ment” i „doświadczenie” są rozgraniczane, a w innych używane jako synonimy. W przedstawionym tekście termin „eksperyment” oznaczać będzie doświadczenie badawcze, zaś termin „doświadczenie” będzie oznaczać pokaz, doświadczenie ilustrujące bądź doświadczalną pracę uczniów, ściśle sterowaną przez nauczyciela po-przez pisemną instrukcję lub przepis.

Jedną z funkcji szkoły jest przygotowanie uczniów do kontaktu z realnym światem. Z oczywistych wzglę-dów nie ma możliwości, aby nauczyć ucznia wszystkich wiadomości i umiejętności, jakie będą mu potrzebne w życiu. Można go jednak przygotować w taki sposób, aby mógł samodzielnie rozwiązywać problemy, na któ-re natknie się w swoim życiu. Eksperymentowanie jest naturalnym narzędziem poznawania świata (Lewis, 1988). Najważniejsze w eksperymentowaniu jest trzy-manie się określonych reguł, opisanych jako elementy metody naukowej, z których najistotniejsze są: wnikli-wa obserwnikli-wacja otaczającej rzeczywistości, zadawnikli-wanie pytań badawczych, przeprowadzanie zaplanowanych obserwacji i doświadczeń empirycznych oraz wyciąga-nie wniosków. Właśwyciąga-nie w ten sposób małe dzieci wyciąga- nie-świadomie poznają świat i uczą się o obowiązujących w nim regułach.

Postawa, w której kluczowe są ciekawość i konse-kwencja, zbliża postawę dzieci do postawy naukowców. Jednak kiedy dzieci zetkną się z niezrozumiałym dla

„Jeśli chcesz się czegoś nauczyć, wykonuj to!”

Robert C. Schank

dr Marcin Chrzanowski: Pracownia Przedmiotów Przy-rodniczych, Instytut Badań Edukacyjnych

mgr Irmina Buczek: Pracownia Przedmiotów Przyrodni-czych, Instytut Badań Edukacyjnych

dr Małgorzata Musialik: Pracownia Przedmiotów Przy-rodniczych, Instytut Badań Edukacyjnych

dr Elżbieta Barbara Ostrowska: lider Pracowni Przedmio-tów Przyrodniczych Instytutu Badań Edukacyjnych Autorzy składają serdeczne podziękowania Urszuli Poziomek z Pracowni

Przedmiotów Przyrodniczych Instytutu Badań Edukacyjnych za życzliwą pomoc i cenne wskazówki w opracowaniu mini-poradnika.

Tekst powstał w ramach realizowanego przez Instytut badań Eduka-cyjnych projektu Badanie jakości i efektywności edukacji oraz instytu-cjonalizacja zaplecza badawczego, współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego.

zobacz też propozycję eksperyme ntu: „Zielona jajecznica”

(2)

81 SZK

OŁA

NA

UK

A

KR

Ó

TK

O

nich naukowym żargonem, przestają słuchać. Mogą na-wet zwątpić w swój zdrowy rozsądek. Skłonność do pi-sania w niezrozumiały sposób jest widoczna w dydak-tyce bardziej niż gdziekolwiek indziej (Dryden Gordon, 2003). Sprawą niezwykle istotną jest zapobieganie temu negatywnemu zjawisku poprzez zachęcanie uczniów do eksperymentowania. Odpowiednio zmotywowany uczeń będzie zadawał pytania, samodzielnie poszuki-wał na nie odpowiedzi oraz próboposzuki-wał doświadczalnie odkrywać reguły rządzące światem. Uważna obserwa-cja, wyciąganie wniosków, stawianie kolejnych hipotez i ich weryfikacja mogą nauczyć uczniów samodziel-ności oraz twórczego i krytycznego myślenia. Prak-tyczne wykorzystanie metody naukowej na zajęciach szkolnych może stworzyć dogodne warunki do rozwo-ju odpowiednich kompetencji i przygotować młodego człowieka do życia we współczesnym świecie. Pomaga w kształtowaniu wśród uczniów postawy odkrywcy i badacza z ograniczonym zaufaniem do nowych infor-macji (Soczewka, 1988).

Ważny jest sam proces przeprowadzania ekspery-mentu i poszukiwania odpowiedzi na pytania. Ucznio-wie wykonujący samodzielnie swoje zadania, ćwiczą koncentrację, umiejętności obserwacji i wyciągania wniosków. Proces nauczania i uczenia się przebiega w takich warunkach niejako w sposób naturalny. Re-gularne stwarzanie na zajęciach sytuacji, w której ucz-niowie budują swoją wiedzę wykorzystując wyniki eksperymentu, zwiększa szanse na to, że w przyszłości będą podchodzili do stojących przed nimi wyzwań z ot-wartością i determinacją. Będą oni aktywnie i wnikli-wie zadawali pytania i poszukiwali rozwiązań sformu-łowanych problemów, a potknięcia traktowali nie jako klęskę, ale jako część drogi wiodącej do rozwiązania problemu.

Opanowanie umiejętności prowadzenia ekspery-mentów zgodnie z regułami metody naukowej ma także

szerszy wymiar. Kształtuje ono umiejętności uniwer-salne i ważne w życiu społecznym, w tym tzw. umiejęt-ności miękkie, szczególnie cenione przez pracodawców, przykładowo: umiejętność pracy w grupie, rozwiązy-wania problemów, optymalnego zużyrozwiązy-wania materiałów i gospodarowania czasem, a także swobodę w posługi-waniu się narzędziami, zdolność wyszukiwania i wy-korzystywania informacji oraz prowadzenia negocjacji

(Głabiński, 2014).

Eksperyment naukowy a pokazowy

Co odróżnia eksperymentowanie przy wykorzysta-niu elementów metody naukowej od doświadczeń czy pokazów pełniących jedynie funkcję ilustrującą, tak często przeprowadzanych w czasie lekcji chemii? W ba-daniach naukowych rezultat eksperymentu nie jest z góry znany, a często bywa zupełnie inny niż wstępnie zakładano. Tymczasem wyniki doświadczenia ilustru-jącego (pokazu) są nauczycielowi chemii dobrze znane, gdyż zwykle chce za jego pomocą zobrazować uczniom pewne zjawisko bądź właściwości jakiejś substancji. Jeżeli doświadczenie będzie miało efekt inny od ocze-kiwanego, niejeden nauczyciel powie, że doświadcze-nie „doświadcze-nie wyszło” lub „doświadcze-nie udało się”. W świecie ekspe-rymentów zazwyczaj nie ma mowy o tym, żeby wynik eksperymentu był „dobry”, „zły” lub „nie taki, jak powi-nien być” – mówi się raczej o kolejnych próbach, które zbliżają do odkrycia. Należy więc zwracać szczególną uwagę na krytyczną analizę danych oraz ostrożne wyciąganie wniosków końcowych. Chodzi przede wszystkim o to, aby nie wyciągać zbyt daleko idących wniosków, w szczególności gdy wykonano tylko jedno powtórzenie. Uczniowie są bowiem przyzwyczajeni do doświadczeń pokazowych i mogą mieć tendencję do wnioskowania redukcyjnego. Oznacza to, że mogą oni chcieć przenosić wnioski z pojedynczego eksperymentu

czy doświadczenia, np. dotyczącego właściwości

poje-dynczej substancji, na całe grupy związków1_.

Założenia podstawy programowej przedmiotu che-mia dla III i IV etapu edukacyjnego stwarzają dogodne warunki do stosowania metody naukowej na lekcjach chemii. Cele kształcenia nakierowują proces nauczania na czynny i kreatywny udział ucznia w lekcji, na któ-rej „uczeń bezpiecznie posługuje się prostym sprzętem laboratoryjnym oraz projektuje i przeprowadza proste doświadczenia chemiczne”. Dodatkowo zapisy zawarte w Komentarzu do podstawy programowej przedmiotu chemia (MEN, 2008) w sposób jednoznaczny wymu-szają takie działania, w których uczeń nie jest jedynie biernym obserwatorem doświadczeń ilustrujących i po-kazów.

Eksperyment naukowy na lekcji chemii

w gimnazjum

Poprawne przeprowadzenie eksperymentu labora-toryjnego polega na upodobnieniu go do badania na-ukowego. Powinno się, zatem uświadomić uczniom, że podczas badania naukowego należy postępować według pewnego schematu i z zachowaniem określonych pro-cedur.

Poniżej przedstawiono ogólny schemat przeprowa-dzania eksperymentu zgodnie z procedurami metody naukowej.

Kolejne etapy eksperymentu naukowego zostały w tekście przedstawione w sposób uproszczony. War-to podkreślić, że eksperyment naukowy ma charakter najczęściej cykliczny, a nie liniowy (Maciejowska, 2012).

1 Przykładowo fakt, że roztwór zabarwił się na niebiesko na skutek obecności jonów miedzi(II) nie oznacza, że wszystkie roztwory o niebieskiej barwie będą takie jony zawierać. Więcej informacji na temat podanego przykładu, wraz z zadaniem diagnozującym umiejętności uczniów można znaleźć pod adresem: http://bdp. ibe.edu.pl/tool-page/293 .

(3)

82 SZK

OŁA

NA

UK

A

KR

Ó

TK

O

w tekst źródłowy, schemat lub przedstawić mu opis innego doświadczenia, które nie dało pełnej odpowiedzi. Następ-nie przy pomocy wymienionych materiałów uczniowi stwarza się sytuację problemową i formułuje problem do rozwiązania lub pozwala, by sam go sformułował.

2. Sformułowanie pytania badawczego

Celem nadrzędnym przeprowadzenia eksperymen-tu jest znalezienie odpowiedzi na pytanie badawcze. Jest to pytanie, na które odpowiedź uzyskujemy w wy-niku przeprowadzonego doświadczenia, jako elementu eksperymentu. Powinno być jasne i rozstrzygalne oraz mieć formę zadania do rozwiązania.

3. Postawienie hipotezy

Hipoteza to zdanie twierdzące, które jest odpowie-dzią na pytanie badawcze. Hipoteza nie zawsze jest słuszna. Jest ona jedynie przypuszczeniem powstałym na bazie wiedzy ucznia o danym problemie. Należy jed-nak podkreślić, że powinna być sprawdzalna empirycz-nie i spójna z pytaempirycz-niem badawczym. Weryfikowalność hipotezy oznacza, że można skonstruować taki ekspe-ryment, w toku którego istnieje możliwość sprawdzenia postawionego wcześniej przypuszczenia. Kilkukrotne powtórzenie eksperymentu daje możliwość stwierdze-nia, czy hipotezę można przyjąć za rozwiązanie proble-mu, czy też należy ją odrzucić i poszukać nowej.

4. Przeprowadzenie badania

Etap ten polega na zaprojektowaniu, a następnie przeprowadzeniu eksperymentu lub eksperymentów, które pozwolą na zweryfikowanie postawionej na wstę-pie hipotezy.

Elementem integralnym działania badawczego jest na tym etapie równoległe przeprowadzanie działań pomocniczych, czyli tzw. badań kontrolnych: kontroli pozytywnej i/lub kontroli negatywnej. Wykorzystanie

Ryc. 1. Schemat metody naukowej (Lenarcik, 1993), zmodyfikowany

Jak widać na powyższym schemacie, eksperyment po-winien zakończyć się odpowiedzią na pytanie badaw-cze. Jeżeli weryfikacja postawionych hipotez nie dała odpowiedzi na pytanie badawcze, wówczas powinno się postawić nowe hipotezy i powtórzyć procedury.

Wprowadzenie terminologii związanej z eksperymen-tem naukowym może być dla uczniów początkowo trudne do zrozumienia. Dlatego też istotne jest uświadomienie im, że rozwiązywanie problemów badawczych, wyko-rzystywanie kontroli pozytywnych i negatywnych oraz weryfikowanie hipotez to czynności, które każdy z nas wykonuje wielokrotnie w ciągu dnia w sposób natural-ny i niemal intuicyjnatural-ny. Należy mieć również na uwadze, że zbyt duża ingerencja ze strony nauczyciela, a także podanie uczniom gotowych instrukcji przeprowadzenia doświadczenia może powodować u uczniów rezygnację z działań badawczych (Dryden Gordon, 2003).

Terminy używane w metodzie naukowej

Poniżej opisano w sposób uproszczony poszczegól-ne etapy procedury przeprowadzania eksperymentu.

1. Stworzenie sytuacji problemowej

Na III etapie edukacyjnym ważne jest, aby sytuacja problemowa była osadzona w kontekście ciekawym dla ucznia. Im bardziej uczeń będzie zainteresowany zaob-serwowanym zjawiskiem, tym bardziej będzie chciał je wyjaśnić. Warto podkreślić, że stosowanie do opisu sytuacji problemowej właściwie dobranego słownictwa używanego w życiu codziennym, w miejsce terminologii typowo chemicznej, daje szansę na uaktywnienie wszyst-kich uczniów, w tym również tych, którzy terminologii chemicznej nie opanowali. W jaki sposób stworzyć sytu-ację problemową? Można przykładowo zaopatrzyć ucznia

(4)

83 SZK

OŁA

NA

UK

A

KR

Ó

TK

O

prób kontrolnych na lekcjach chemii w polskiej szkole jest zazwyczaj pomijane. Dzieje się tak, ponieważ często w praktyce szkolnej na wspomnianych zajęciach stwa-rza się sytuację odmienną od tej, która ma miejsce w re-alnym postępowaniu badawczym: opisuje się uczniom właściwości substancji lub/i objawy reakcji charaktery-styczne dla poszczególnych grup związków chemicznych (ewentualnie wymaga się od ucznia ich zapamiętania), a następnie wykorzystuje się te wiadomości podczas do-świadczeń. Niestety, na zajęciach chemii zapomina się o tym, że próby kontrolne przy odpowiednio skonstru-owanym eksperymencie pozwalają na weryfikację hipo-tezy bez uprzedniej znajomości wyniku eksperymentu. Próby kontrolne można scharakteryzować, jako:

• działania polegające na wykorzystaniu obiektu

kontrolnego, którego obecność spowoduje wystą-pienie efektu będącego przedmiotem badania – przeprowadzenie kontroli pozytywnej;

• działania polegające na przeprowadzeniu

mentu w identyczny sposób, jak właściwy ekspery-ment, ale przy braku czynnika, który naszym zda-niem wpływa na badany efekt – przeprowadzenie kontroli negatywnej (Grajkowski, 2009).

Przeprowadzenie badania powinno zakończyć się opisem wyników eksperymentalnych. Wyniki mogą być jakościowe (np. zmiana barwy roztworu, poja-wienie się zapachu, wytrącenie osadu) lub ilościowe (np. zmiana temperatury roztworu, zmiana objętości gazu, zmiana natężenia barwy). Jeżeli podczas badania przeprowadzało się pomiary np. temperatury, można przedstawić je w formie wykresu lub tabeli. Ułatwi to analizę otrzymanych wyników i trafne stawianie wnio-sków w następnym etapie.

5. Sformułowanie wniosków

Wniosek (konkluzja) to logiczne podsumowanie wyników badania wyciągnięte na podstawie analizy

ciach szkolnych może czasami wymagać od nauczyciela przyjęcia innej niż zwykle strategii nauczania oraz zu-pełnie nowego podejścia do prowadzenia zajęć w sferze organizacyjnej.

Literatura

Bernard P, Białas A, Broś P, Ellermeijer T (2012). Podstawy metodo-logii IBSE. W I. Maciejowska, E. Odrowąż, Nauczanie

przedmio-tów przyrodniczych kształtujacych postawy i umiejetnosci badaw-cze uczniów. (strony 9-17). Kraków: UJ w Krakowie.

Buczek I, Musialik M, Chrzanowski M (2013, 12). Chemia bez ekspe-rymentów? Edukacja Biologiczna i Środowiskowa, 4:45-51. Dryden Gordon VJ (2003). Rewolucja w uczeniu. Poznań: Zysk i S-ka

Wydawnictwo, 85-109.

Florek A (2012). Składniki żywności – propozycje eksperymentów dla uczniów szkół ponadgimnazjalnych. Kształcenie chemiczne

w dobie reformy edukacji. Poznań: Sowa, 115-124.

Głabiński W (2014). Rok 2030, czyli jak przygotować młode

pokole-nie na życie w pokole-nieprzewidywalnym świecie. Dostępny na: http://

bankomania.pkobp.pl/dla-najmlodszych/rodzice/rok-2030-czyli- -jak-przygotowac-mlode-pokolenie-na-zycie-w-nieprzewidywal-nym-swiecie. Dostęp: 4.10.2014.

Grajkowski W (2009). Jak prawidłowo przeprowadzić

ekspery-ment naukowy? Dostępny na: http://www.biocen.edu.pl/index.

php?option=com_docman&task=cat_view&gid=22&dir=DE SC&order=date&Itemid=32&limit=5&limitstart=10. Dostęp: 2.16.2009.

Lenarcik B (1993). Metody nauczania i ich klasyfikacja. W: Bure-wicz A, Gulińska H, Dydaktyka chemii. Poznań: Wydawnictwo naukowe UAM, 151-152.

Lewis, D (1988). Jak wychować zdolne dziecko? Warszawa: Państwo-wy zakład Wydawnictw Lekarskich, 139-149.

Maciejowska I (2012). Metoda naukowa w edukacji – garść refleksji. W: Maciejowska I, Odrowąż E, Nauczanie przedmiotów

przyrod-niczych kształtujacych postawy i umiejetnosci badawcze uczniów.

Kraków: UJ w Krakowie, 18-20.

MEN (2008). Rozporządzenie Ministra Edukacji Narodowej z dnia 23 grudnia 2008 r w sprawie podstawy programowej wychowa-nia przedszkolnego oraz kształcewychowa-nia ogólnego w poszczególnych typach szkół.

Soczewka J (1988). Metody kształcenia chemicznego. Warszawa: WSiP, 31-41.

przeprowadzonych obserwacji oraz wiedzy badającego. Wniosek powinien być prostą, zwięzłą odpowiedzią na postawione pytanie badawcze.

6. Weryfikacja hipotezy

Wnioski powinny być potwierdzeniem lub zaprze-czeniem postawionych hipotez. Wnioski mogą być przy-czynkiem do skonstruowania kolejnego eksperymentu.

Podsumowanie

Samodzielne wykonywanie eksperymentów przez uczniów uznawane jest za element niezbędny w kształ-ceniu przyrodniczym (Florek, 2012). Rozwiązywanie problemów za pomocą eksperymentu naukowego na lekcjach chemii może być dla nauczycieli dużym wy-zwaniem. Wśród ograniczeń nauczyciele wymieniają najczęściej brak podstawowego wyposażenia pracow-ni chemicznych do przeprowadzapracow-nia doświadczeń, zbyt dużą liczebność klas oraz brak podziału uczniów na mniejsze grupy laboratoryjne (Buczek i wsp., 2013). Problemy mogą być również konsekwencją barier psy-chologicznych wynikających z faktu, że nauczyciel nie zawsze potrafi przyjąć postawę partnerską w stosunku do ucznia (Bernard i wsp., 2012) lub też z tego powo-du, że obawia się, iż wynik eksperymentu będzie inny od założonego. Należy tutaj zwrócić uwagę na fakt, że wyniki eksperymentu (lub pokazu) inne od założonych mogą być doskonałym przyczynkiem do dyskusji na za-jęciach. W takiej sytuacji lekcja z eksperymentem może być jeszcze ciekawsza dla uczniów. Warto pamiętać, że stosowanie eksperymentu naukowego jest naturalnym sposobem uczenia się i że ta forma poznawania rze-czywistości będzie najbardziej efektywna, gdy zostanie odpowiednio ukształtowana pod opieką nauczyciela i z jego pomocą. Nie należy się też obawiać faktu, że praktyczne wykorzystanie metody naukowej na