ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΣΧΟΛΙΚΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑΤΩΝ ΧΗΜΕΙΑΣ ΣΕ ΜΑΚΡΟ

ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΣΧΟΛΙΚΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑΤΩΝ ΧΗΜΕΙΑΣ ΣΕ ΜΑΚΡΟ- ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΚΛΙΜΑ

¹Ε.Κ.Φ.Ε. Ευόσμου, Νεμέας – Θάλειας 56224 Θεσσαλονίκη, mail@ekfe-evosm.thess.sch.gr.

²Εργαστήριο Ανόργανης Χημείας, Τμήμα Χημείας Α.Π.Θ. , www.tsohatzi.chem.auth.gr Θεσσαλονίκη.

Προσπαθήσαμε να μελετήσουμε ορισμένους παράγοντες που αφορούν στο μάθημα της Χημείας στη Δευτεροβάθμια Εκπαίδευση και ειδικότερα στα πειράματα χημείας που συσχετίζονται με την ύλη Χημείας που προβλέπεται στο αναλυτικό πρόγραμμα του Ενιαίου Λυκείου. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν από τους ίδιους τους διδασκόμενους με δύο πειραματικές μεθόδους, δηλαδή σε μακροκλίμακα (κλασσικές εργαστηριακές μέθοδοι) και σε μικροκλίμακα (νέα μέθοδος) και έγινε σύγκριση των δύο μεθόδων. Οι παράγοντες που μελετήθηκαν ήταν: α. Χρονική διάρκεια κάθε πειράματος χημείας. β. Ποσότητες (ανά τμήμα) καταναλωθέντων αντιδραστηρίων και οργάνων - οικονομικό κόστος αυτών - ποσότητες των εργαστηριακών αποβλήτων ως μέτρο ρύπανσης . γ. Βαθμός κατανόησης της θεωρίας στην οποία βασίζεται κάθε πείραμα .

Στην εργασία αυτή φαίνεται η προσπάθεια μελέτης ορισμένων παραγόντων που αφορούν στο μάθημα της Χημείας στη Δευτεροβάθμια Εκπαίδευση και ειδικότερα στα σχολικά πειράματα χημείας που σχετίζονται με κεφάλαια Χημείας που προβλέπονται στο αναλυτικό πρόγραμμα του Ενιαίου Λυκείου. Τα πειράματα χημείας πραγματοποιήθηκαν από τους ίδιους τους διδασκόμενους με δύο πειραματικές μεθόδους, δηλαδή σε μακροκλίμακα (όπως ονομάζονται πλέον οι κλασσικές εργαστηριακές μέθοδοι) και σε μικροκλίμακα (νέες μέθοδοι) και έγινε σύγκριση των δύο εργαστηριακών μεθόδων, σε σχέση με τους υπό μελέτη παράγοντες. Οι παράγοντες που μελετήθηκαν ήταν οι εξής:

Α. Χρονική διάρκεια κάθε πειράματος χημείας.

Β. Ποσότητες κατανάλωσης χημικών αντιδραστηρίων και οργάνων ανά τμήμα, (20 άτομα),οικονομικό κόστος αυτών, καθώς και ποσότητες των εργαστηριακών αποβλήτων ως μέτρο ρύπανσης (σχετίζεται άμεσα με την κατανάλωση αντιδραστηρίων)

Γ. Βαθμός κατανόησης της θεωρίας στην οποία βασιζόταν κάθε πείραμα χημείας.

Τα πειράματα χημείας που μελετήθηκαν ήταν τα εξής :

1. Χημική ισορροπία – Επίδραση της συγκέντρωσης (μάζας) στη χημική ισορροπία σε ομογενές χημικό σύστημα, (Β΄ τάξη Ενιαίου Λυκείου, κατεύθυνσης).

2. Οξέα-Βάσεις και αλλαγή του χρώματος των δεικτών, μετά την προσθήκη οξέος ή βάσης, (Α΄ τάξη Ενιαίου Λυκείου – Γ΄ τάξη Γυμνασίου).

3. Οξείδωση- Αναγωγή, (Β΄ τάξη Ενιαίου Λυκείου, κατεύθυνσης).

4. Εξουδετέρωση ενός οξέος από μία βάση, με την παρουσία δείκτη, (Α΄ τάξη Ενιαίου Λυκείου – Γ΄ τάξη Γυμνασίου).

5. Διάλυση του στερεού χλωριούχου νατρίου ( NaCl ) στο νερό, (Α΄ τάξη Ενιαίου Λυκείου – Β΄ τάξη Γυμνασίου).

Ως δείγμα εργασίας συμμετείχαν 120 φοιτητές (59% κορίτσια και 41% αγόρια) του Α΄ εξαμήνου του τμήματος Γεωλογίας Α.Π.Θ., που εισήχθησαν στο τμήμα αυτό κατά τις πανελλαδικές εξετάσεις του 2000, (εξετάστηκαν σε 14 μαθήματα) και παρακολουθούσαν το εργαστήριο Ανόργανης Χημείας το χειμερινό εξάμηνο (Οκτώβριος-Ιανουάριος 2000-2001). Επειδή η ηλικία των συμμετασχόντων φοιτητών ήταν πολύ κοντά στη ηλικία των μαθητών Λυκείου και το περιεχόμενο των εργαστηριακών ασκήσεων ίδιο ακριβώς με αυτό του Ενιαίου Λυκείου, θεωρούμε ότι τα συμπεράσματα αυτής της προσπάθειας αφορούν άμεσα στη Μέση Εκπαίδευση.

Οι φοιτητές στο δείγμα εργασίας χωρίστηκαν σε 6 τμήματα των 20 ατόμων. Στα 3 τμήματα εργάζονταν με τη μέθοδο σε μακροκλίμακα (χαρακτηρίζονται ως ομάδες Α), ενώ στα άλλα 3 εργάζονταν με τη μέθοδο σε μικροκλίμακα (χαρακτηρίζονται ως ομάδες Β). Ο συνολικός χρόνος θεωρίας – πειράματος - τεστ, ήταν 45 λεπτά, δηλαδή μία διδακτική ώρα.

Κάθε φοιτητής είχε τη δική του εργαστηριακή θέση με όργανα και το δικό του εργαστηριακό οδηγό.

Κατά την έναρξη των μαθημάτων (1^οεργαστήριο) ζητήθηκε να συμπληρωθεί ένα ερωτηματολόγιο (Ερωτηματολόγιο 1) για να ελεγχθούν:

- το νοητικό επίπεδο του δείγματος, από τη βαθμολογία απολυτηρίου που σχετίζονταν άμεσα με την εισαγωγή στο τμήμα Γεωλογίας Α.Π.Θ.

- η σειρά επιλογής του τμήματος Γεωλογίας Α.Π.Θ.

- αν προέρχονταν από τη θετική ή τεχνολογική κατεύθυνση

- αν διδάχτηκαν Χημεία και αν έκαναν πειράματα στο σχολείο

- ο μέσος όρος βαθμολογίας απολυτηρίου ήταν16,6

- ο μέσος όρος σειράς επιλογής σχολής ήταν η 10^η

- ποσοστό από όπου προερχόταν το δείγμα ήταν: θετικής κατεύθυνσης 66,5%, τεχνολογικής κατεύθυνσης 19%, με το παλαιό σύστημα (δέσμες) 5,0% και από την αλλοδαπή 9,5%

- ποσοστό 90,5 % από Ελληνικά σχολεία δεν ασχολήθηκε καθόλου πειράματα στο σχολείο, ενώ το υπόλοιπο που ασχολήθηκε προερχόταν από Λύκεια εκτός Ελλάδας, κυρίως από την Κύπρο.

ΠΙΝΑΚΑΣ 1

Στον παρακάτω πίνακα 1 δίνεται συνοπτικά η μεθοδολογία που ακολουθήσαμε.

ΜΕΘΟΔΟΣ

ΔΙΔΑΣΚΑΛΙΑΣ

Διάλεξη με ερωτήσεις, και ορισμένες φορές επίδειξη του πειράματος .

ΕΚΤΕΛΕΣΗ

ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΣ

Ομάδα Α΄ σε Μακροκλίμακα.

Ομάδα Β΄ σε Μικροκλίμακα.

ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ

Συμπλήρωση Φύλλου Εργασίας και Τεστ.

ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΠΟΥ ΑΚΟΛΟΥΘΗΘΗΚΕ ΣΤΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ 1, 2, 3 ΚΑΙ ΧΡΟΝΙΚΗ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΑΥΤΩΝ

Έναρξη - Εισαγωγή - Θεωρία: 20 λεπτά.

Σε Μακροκλίμακα 15-20 λεπτά.

Παρέμβαση με πείραμα:

Σε Μικροκλίμακα 4 - 6 λεπτά.

Λήξη ( Ανακεφαλαίωση ) - Έλεγχος : (Συμπλήρωση φύλλου εργασίας και τεστ) 5 λεπτά.

ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΠΟΥ ΑΚΟΛΟΥΘΗΘΗΚΕ ΣΤΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ 4 ΚΑΙ 5 ΚΑΙ ΧΡΟΝΙΚΗ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΑΥΤΩΝ

1^η μέτρηση. Έναρξη - Συμπλήρωση Ερωτηματολογίου Ν^ο2: 10 λεπτά.

Εισαγωγή - Θεωρία: 20 λεπτά.

Σε Μακροκλίμακα 10 λεπτά.

Παρέμβαση με πείραμα :

Σε Μικροκλίμακα 4 - 6 λεπτά.

Λήξη (Ανακεφαλαίωση) – Έλεγχος : (Συμπλήρωση φύλλου εργασίας και τεστ) 5 λεπτά..

2^η μέτρηση. Μετά 2 εβδομάδες. Συμπλήρωση Ερωτηματολογίου Ν^ο 2 : 10 λεπτά.

3^ημέτρηση. Μετά 5 βδομάδες. Συμπλήρωση Ερωτηματολογίου Ν^ο 2 : 10 λεπτά.

Οι ομάδες Α και Β διδάχτηκαν την ίδια θεωρία, στην οποία βασιζόταν κάθε πείραμα, καθώς και ο τρόπος εκτέλεσής του (χρονική διάρκεια θεωρίας περίπου 20 λεπτά).

ΟΜΑΔΕΣ Α: Τα αντιδραστήρια βρίσκονταν σε μεγάλες φιάλες με στρόφιγγες, ή σε απλές φιάλες, όπου μέσα σε κάθε μια ήταν βυθισμένο ένα σιφώνιο μέτρησης. Όλες οι φιάλες έφεραν ετικέτα με την ένδειξη του αντιδραστηρίου και ήταν τοποθετημένες σε κάποιο πάγκο.

Κάθε εργαζόμενος έφερνε το αντιδραστήριο που ήθελε στη θέση του (σε ποτήρι ζέσεως ή δοκιμαστικό σωλήνα) και, αφού εκτελούσε τα πειράματα μόνος του, καταχωρούσε τα αποτελέσματα σε κατάλληλο φύλλο εργασίας (υπήρχε στον εργαστηριακό οδηγό), ο οποίο ελεγχόταν από το διδάσκοντα .

ΟΜΑΔΕΣ Β: Τα αντιδραστήρια βρίσκονταν τοποθετημένα σε κάθε πάγκο μέσα σε πλαστικά φιαλίδια 50 ή 100mL που έφερναν ετικέτα με την ένδειξη του αντιδραστηρίου και μέσα σε καθένα ήταν βυθισμένο πλαστικό σιφώνιο 1mL.

Ο διδάσκων μοίραζε στους εργαζόμενους από μία πλαστική διαφάνεια και αυτοί εφάρμοζαν την τεχνική της μικροκλίμακας, δηλαδή πάνω σε φύλλο εργασίας, (φύλλο τετραδίου), σχεδίαζαν κουτάκια, σε καθένα από αυτά έγραφαν τα αντιδραστήρια που θα χρησιμοποιούσαν και τοποθετούσαν πάνω στο φύλλο, την πλαστική διαφάνεια. Ο εργαζόμενος έφερνε το φιαλίδιο-σιφώνιο με το αντιδραστήριο που ήθελε στη θέση του, έριχνε μια σταγόνα αντιδραστηρίου στο κατάλληλο κουτάκι και κατόπιν το επέστρεφε στην αρχική του θέση. Εκτελούσε τα πειράματα μόνος του και καταχωρούσε τα αποτελέσματα στο φύλλο εργασίας που υπήρχε στον εργαστηριακό οδηγό. Μπορούσε βέβαια να καταχωρεί τα αποτελέσματα και στο φύλλο εργασίας, που χρησιμοποιούσε στο πείραμα, στο χώρο εκτός της διαφάνειας, γράφοντας ο ίδιος τα αποτελέσματα

Επισημαίνουμε ότι η εικόνα του πειράματος σε μικροκλίμακα για κάθε εργαζόμενο είναι μοναδική.

Το γραπτό τεστ ήταν κοινό για τις ομάδες Α και Β και αποτελούνταν από 3-4 απλές ερωτήσεις και ως απάντηση απαιτούσαν την αιτιολόγηση του αποτελέσματος κάθε πειράματος σε σχέση με τη θεωρία που διδάχτηκε (π.χ. αλλαγή χρώματος).

Στα πειράματα 4 και 5, οι φοιτητές συμπλήρωσαν και ένα επιπλέον ερωτηματολόγιο (Ερωτηματολόγιο 2), για να μελετηθεί εκτενέστερα η κατανόησης της θεωρίας. Το Ερωτηματολόγιο 2, το ίδιο πάντα, δόθηκε σε τρία χρονικά διαστήματα, δηλαδή, 1^η φορά, πριν αρχίσει το αντίστοιχο μάθημα - εργαστήριο, για να ελεγχθούν προηγούμενες γνώσεις και εμπειρίες των διδασκομένων από την καθημερινή ζωή και από τη φοίτηση στο Λύκειο, 2^η φορά, τρεις εβδομάδες μετά το πρώτο μάθημα - εργαστήριο και 3^η φορά, πέντε βδομάδες μετά.

Τα αποτελέσματα της μελέτης μας δίνονται αναλυτικά παρακάτω και από το διάγραμμα.

1. Χρονική διάρκεια πειραμάτων, (παράγοντας Α).

Η χρονική διάρκεια των περαμάτων, γίνεται αμέσως αντιληπτό, ότι ήταν πολύ μικρότερη για τα πειράματα σε μικροκλίμακα από τα πειράματα σε μακροκλίμακα.

2α. Οικονομικό κόστος πειραμάτων, (παράγοντας Β).

Ο παρακάτω πίνακας δίνει αναλυτικά το κόστος σε € των οργάνων και των αντιδραστηρίων κάθε εργαστηριακής άσκησης που μελετήθηκε ανά τμήμα 20 ατόμων.

Επισημαίνεται ότι τα γυάλινα όργανα που χρησιμοποιούνται στα πειράματα σε μακροκλίμακα πλένονται και χρησιμοποιούνται ξανά.

Πείραμα Κόστος Οργάνων σε € Κόστος Αντιδραστηρίων σε €

α/α Μακροκλίμακα Μικροκλίμακα Μακροκλίμακα Μικροκλίμακα

Ο πίνακας δίνεται και με διαγράμματα ώστε να γίνεται και οπτικά η σύγκριση.

Η έρευνα έδειξε ότι τα εργαστηριακά απόβλητα, που σχετίζονται άμεσα με τα αντιδραστήρια που καταναλώθηκαν σε κάθε περίπτωση, με τη μέθοδο σε μικροκλίμακα ήταν ελάχιστα σε σχέση μ’ εκείνα σε μακροκλίμακα.

Επισημαίνεται ιδιαίτερα ότι τα απόβλητα σε μακροκλίμακα ρίχνονταν απευθείας στο νεροχύτη, ενώ σε μικροκλίμακα ήταν σε στερεή κατάσταση, γιατί τα διαλύματα από τη διαφάνεια σκουπίζονταν με μαλακό χαρτί και ρίχνονταν στον κάδο απορριμμάτων υπήρχε ευαισθητοποίηση των φοιτητών στη χρήση χημικών ουσιών.

ΠΟΣΟΤΗΤΕΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ (mL ΚΑΙ g).

Από την εξέταση και βαθμολόγηση των τεστ κάθε φορά (σελ.3 ), δεν υπήρξε αξιόλογη διαφοροποίηση ως προς την κατανόηση των αρχικών στόχων κάθε πειράματος από το δείγμα των ομάδων Α και Β, στις ομάδες Β όμως υπήρχε πολύ περισσότερος χρόνος για συζήτηση και επαναλήψεις.

Ενδιαφέροντα ήταν τα αποτελέσματα που προέκυψαν από το ΕΡΩΤΗΜΑΤΟΛΟΓΙΟ 2 (σελ.7 ) το οποίο δίνεται παρακάτω. Όπως φαίνεται η ερώτηση 1 σχετίζεται με το πείραμα 4 ενώ η ερώτηση 2 σχετίζεται με το πείραμα 5.

Οι απαντήσεις της ομάδας Α (60 φοιτητές που εργάστηκαν με τη μέθοδο σε Μικροκλίμακα), στην ερώτηση 1 του ερωτηματολογίου 2 δίνονται με διάγραμμα που περιλαμβάνει και τις τρεις μετρήσεις παρακάτω.

Οι απαντήσεις της ομάδας Β (60 φοιτητές που εργάστηκαν με τη μέθοδο σε Μακροκλίμακα), στην ερώτηση 1 του ερωτηματολογίου 2 δίνονται με διάγραμμα που περιλαμβάνει και τις τρεις μετρήσεις παρακάτω.

Οι απαντήσεις της ομάδας Α (60 φοιτητές που εργάστηκαν με τη μέθοδο σε Μικροκλίμακα), στην ερώτηση 2 του ερωτηματολογίου 2 δίνονται με διάγραμμα που περιλαμβάνει και τις τρεις μετρήσεις παρακάτω.

Οι απαντήσεις της ομάδας B (60 φοιτητές που εργάστηκαν με τη μέθοδο σε Μικροκλίμακα), στην ερώτηση 2 του ερωτηματολογίου 2 δίνονται με διάγραμμα που περιλαμβάνει και τις τρεις μετρήσεις παρακάτω.

Παρατηρήθηκε, καθώς οι φοιτητές των ομάδων Α και Β ασχολούνταν περισσότερο στο εργαστήριο, βελτίωση του ποσοστού των σωστών απαντήσεων στα γραπτά τεστ και στο ερωτηματολόγιο 2, που εξετάστηκε στα μαθήματα - πειράματα 4 και 5. Αυτό οφείλεται, αφενός στην επανάληψη των ίδιων ερωτήσεων, οπότε διατηρήθηκαν ικανοποιητικά οι γνώσεις που αποκτήθηκαν και αφετέρου στην εμπειρία που απέκτησαν οι φοιτητές με τη συχνή εργασία τους στο χημικό εργαστήριο.

- Επίσης προκύπτει αβίαστα από τις απαντήσεις των φοιτητών των ομάδων Α (εργάστηκαν με την παραδοσιακή μέθοδο, Μακροκλίμακα), καθώς και των ομάδων Β (εργάστηκαν σε Μικροκλίμακα), ότι οι δυο μέθοδοι από εκπαιδευτικής πλευράς είναι ισοδύναμες, αφού δεν παρατηρήθηκε καμία αξιόλογη διαφοροποίηση. Υπερέχει όμως σημαντικά η νέα μέθοδος της παλιάς από την οικονομική πλευρά, την οικολογική και κυρίως του χρόνου εκτέλεσης κάθε πειράματος, που είναι πολύ βασικό, αφού σήμερα ο χρόνος που διατίθεται για το μάθημα της Χημείας είναι ελάχιστος και αποτελεί τη βασική δικαιολογία να μη γίνονται σχεδόν καθόλου εργαστήρια στα ελληνικά σχολεία. Η μέθοδος σε μικροκλίμακα μπορεί να γίνει μέσα στην τάξη επάνω στο θρανίο, ή πάνω στην έδρα του δασκάλου και το μόνο που χρειάζεται είναι διαφάνειες, μικρά πλαστικά φιαλίδια αντιδραστηρίων και πλαστικά σιφώνια.