ÖĞRENCİLERİN İMPULSU TANIMLAMALARI VE BİR PROBLEME UYGULAMALARI Şebnem Kandil İngeç 1, Pervin Ünlü Güneş 1, Mehmet Fatih Taşar 2 1 G. Ü., Gazi Eğitim Fakültesi, OFMAE Bölümü, ANKARA 2 G. Ü., Gazi Eğitim Fakültesi, İlköğretim Bölümü, ANKARA ÖZET Bu araştırmada, üniversite öğrencilerinin impuls kavramını nasıl tanımladıklarını ve bu kavramı bir probleme nasıl uyguladıklarını araştırmak amacıyla, Gazi Eğitim Fakültesi nde farklı anabilimdalı ve sınıflarda öğrenim gören 192 öğrenciye bir açık-uçlu, bir de seçenekli soru yöneltilmiştir. Soruların değerlendirilmesiyle elde edilen sonuçlar üniversitede henüz fizik dersi almamış öğrencilerin impuls kavramını tanımlayamadıklarını, fizik dersi alan öğrencilerin ise ancak yarıya yakınının bu tanımlamayı yapabildiklerini ortaya koymaktadır. Sorulara verilen cevaplarda gözlenen çeşitlilik ve farklılık bu kavramın gerçekten de anlaşılmasında büyük zorluk çekildiğinin bir göstergesidir. 1. GİRİŞ Diğer mekanik konuları üzerine çok sayıda çalışma yapılmış olmasına rağmen, Newton un 1. ve 2. kanunlarının değişik bir ifadesi olan impuls kavramı ile ilgili yapılmış çalışmaların azlığı dikkat çekicidir. Hareketi açıklayabilmek için en az diğer kavramlar kadar önemli olan impuls kavramının öğretilmesi ve öğrenilmesi konusunda çalışma yapılmasının da gereğine inanmaktayız. Lawson ve McDermott (1987) ile Pride, Vokos ve McDetmott (1998) İmpuls-Momentum Teoreminin öğretilmesi ve öğrenilmesi üzerine yaptıkları çalışmalarla bu tür araştırmalar için bir başlangıç yapmışlardır. 2. AMAÇ Bu çalışmanın amacı, değişik dal ve sınıflarda öğrenim gören üniversite öğrencilerinin, impuls kavramını nasıl tanımladıklarını ve bu kavramı bir probleme nasıl uyguladıklarını araştırmaktır. Ayrıca, bu kavramın öğretilmesi ve öğrenilmesi konusundaki boşluğun doldurulması açısından bu çalışmanın yapılmasının yararlı olacağı inancındayız. 3. VERİ TOPLANMASI Araştırmada bilgi toplamak için öğrencilere bir tanım ve bir problemden oluşan iki soru yöneltilmiştir. İlk olarak öğrencilere impuls (itme) kavramını kullanarak çözebilecekleri beş seçenekli bir problem sorulmuş ve cevabı açıklamaları istenmiştir. İkinci olarak da impuls (itme) nedir? şeklinde tanım sorusu sorulmuştur Bu sorular -2 eğitim-öğretim yılı başlangıcında Güz Döneminin ilk iki haftasında 192 öğrenciye yöneltilmiştir. Çalışmaya katılan öğrencilerin anabilim dallarına ve öğrenim gördükleri yıllara göre dağılımı Tablo 3.1 de verilmiştir. Tablo 3.1. Çalışmaya katılan öğrencilerin anabilim dallarına ve öğrenim gördükleri yıllara göre dağılımı ve katılan öğrenci sayısı Anabilim Dalı Sınıf Öğrenci Sayısı Ortaöğretim Fizik Öğretmenliği (OFÖ I) 1 39 Ortaöğretim Fizik Öğretmenliği (OFÖ II) 2 32 Ortaöğretim Fizik Öğretmenliği (OFÖ III) 3 Ortaöğretim Fizik Öğretmenliği (OFÖ IV) 4 42 İlköğretim Fen Bilgisi Öğretmenliği (İFÖ I) 1 17 İlköğretim Matematik Öğretmenliği (İMÖ II) 2 4
4. VERİLER VE ANALİZ Araştırmacıdan gelebilecek hataları en aza indirgemek için veriler analiz edilirken önce her araştırmacı tarafından ayrı ayrı, daha sonra da birlikte tek tek incelenerek değerlendirilip kodlanmış ve kategorilere ayrılmıştır. Kodlar aşağıda verildiği gibi üç kategoride toplanmıştır. [1] : Tam Doğru Cevaplar [2] : Doğru ya da Doğruya Yakın İfade İçeren Cevaplar [] : Kesin Yanlış Cevaplar (Boş bırakılan cevaplar bu kısma dahildir) Her kategoride farklı sayıda kodlar bulunmaktadır. Kodların fazlalığı herbirinden bahsetmeyi imkansız kıldığından burada sadece hangi kategoride kaç kod olduğunun belirtilmesiyle yetinilecektir. (bkz. Tablo 4.2.1) 4.1. İmpuls ile İlgili Problemin Analizi Çoktan seçmeli soruya öğrencilerin vermiş olduğu cevaplar frekans-yüzde tablosunda gösterilmiştir. Tablo 4.1. Verilen Cevapların frekans-yüzde dağılımları Soru Cevap Seçenekleri f % Kütleleri m ve 2m olan iki 4 katı 8 4,2 cisim sürtünmesiz bir yüzey 2 katı 26 13,5 üzerinde durmaktadır. Eğer bu iki cisim 3 saniye boyunca eşit eşit 6 6,4 kuvvetlerle itilirse, hafif yarısı 25 13, cismin momentumu ağır cismin momentumunun kaç Çeyreği 3 1,6 katı olur? Boş 14 7,3 Tablo 4.1 de de görüldüğü gibi grubun üçte ikisi doğru seçeneği işaretlemiştir. Doğru seçeneği işaretleyenlerin %5,9 u Newton un II. Kanunundan, %25,9 u impulsmomentum teoreminden, %2 si hem Newton un II. Kanunu hem de impuls-momentum teoreminden çözerek tam doğru cevap vermişlerdir. %.5 i ise bu seçeneği seçme sebeplerini yetersiz açıklamış veya açıklama yapmamışlardır. Öğrencilerin vermiş oldukları cevaplardan impuls-momentum teoreminden kolayca çözebilecekleri problemi Newton un II. Kanunundan yararlanarak çözmeyi tercih ettikleri saptanmıştır. Yanlış seçeneği işaretleyenlerin %,3 ü ise işlem hatası yaptıklarından dolayı yanlış cevap vermiştir. 4.2. İmpuls un Tanımı Veri Analizi İmpuls nedir? sorusuna momentumdaki değişim veya F. t yani uygulanan kuvvet ile etkime süresinin çarpımıdır şeklinde verilen cevaplar tam doğru cevap olarak kabul edildi. Tanıma verilen cevapların değerlendirilmesi sonucunda oluşan kodların sınıflara göre değişimi ve kategorilere göre öğrenci sayısı Tablo 4.2.1 de verilmiştir. Şekil 4.2.1 de açıkça görüldüğü gibi testin uygulandığı tüm öğrencilerin dörtte biri impuls kavramını tam olarak açıklayabilmiştir. Grubun %4.7 si doğru ya da doğruya yakın ifade içeren, %7.3 ü ise kesin yanlış cevap vermişlerdir. Kesin yanlış cevapları %38 oranında boş cevaplar oluşturmaktadır. İmpuls nedir? sorusuna İFÖ I. Sınıf öğrencilerinin hiç biri tam doğru cevap verememiştir (bkz. Tablo 4.2.1). OFÖ I. sınıf ve İMÖ II. sınıf öğrencilerinden doğru cevap verenlerin sayısı oldukça azken, OFÖ II. sınıf ve OFÖ IV. sınıfın yaklaşık yarısı tam doğru cevap vermiştir.
25,% 4,7% [1] [2] [] 7,3% Şekil 4.2.1 Tüm öğrencilerin tanım sorusuna verdikleri cevapların kategorilere göre Tablo 4.2.1. İmpuls nedir? sorusuna verilen cevapların kod sayısının ve kategorilerin sınıflara göre dağılımı. Kategorilere Göre Öğrenci Kod Sayısı Yüzdesi [1] [2] [] [1] [2] [] OFÖ I 3 yok 18 %7,7 yok %92,3 OFÖ II 2 3 %5 %6,3 %43,7 OFÖ III 4 1 %18,2 %4,5 %77,3 OFÖ IV 13 4 7 %54,8 %,9 %33,3 İFÖ I yok yok yok yok % İMÖ II 2 1 16 %5 %2,5 %92,5 Tanıma tam doğru cevap veren öğrencilerin %28.6 sı momentumdaki değişim, %44.9 u F t yani uygulanan kuvvet ile etkime süresinin çarpımı ve %26.5 i ise her iki ifadeyide yazarak tanımlamışlardır. Soruya, her iki ifadeyi de kullanarak cevap verenler OFÖ II, III ve IV üncü sınıf öğrencileridir. Doğru ya da doğruya yakın ifade içeren cevaplarda, öğrencilerin düşündüklerini aktarmakta güçlük çektiği ve yazdıkları formülleri yanlış ifade ettikleri görülmüştür. Örneğin; %6.3 oranında OFÖ II, %4.8 oranında OFÖ IV, %2.5 oranında İMÖ II. Sınıf öğrencisi itme, birim zamanda cisme etki eden kuvvettir. İtme=F.t şeklindeki ifadelerinde, tanım ile formülün aynı anlama geldiğini düşünmektedir. Bu soruya verilen cevaplarda momentum=impuls yanılgısının olduğu ortaya çıkmıştır. %3.1 oranında OFÖ I, %9.5 oranında OFÖ IV, %9.1 oranında OFÖ III, %2.5 oranında İMÖ II. sınıf öğrencisi bu hataya düşmüştür. Öğrenciler impulsu ; maddelerin birbirlerine uyguladıkları itme kuvvetidir, bir cisme yerçekimi etkisi ile uygulanan kuvvettir, F kuvveti, birim zamanda cisme kazandırılan F kuvvetidir, Bir maddenin başka bir maddeyi yerinden oynatmak veya bir V o hızı kazandırmak için vurması, dokunması, iteklemesi olayıdır şeklinde tanımlamışlardır. Bu cevaplar, öğrencilerin impuls denilince günlük hayattaki itme kavramı ile ilişkilendirip kuvvet olarak algıladıklarını göstermektedir. Öğrencilerin %.45 i impulsu kuvvet olarak tanımlamışlardır. Öğrencilerin tanım ve probleme verdikleri cevapların ikili kombinasyonlarındaki öğrenci yüzdesinin dağılımını gösteren grafik Şekil 4.2.2 de verilmiştir. Bu grafik hem tanım hem de probleme verilen cevapların aynı anda inceleme imkanını sağlayacaktır. Grafikte T tanım sorusuna, P probleme verilen cevap türünü ifade etmektedir. T= ve P= yani tanım ve probleme cevap veremeyenler grafikteki en büyük oranı oluşturmaktadır. İmpulsun tanımını yapıp probleme cevap veremeyenler %3.1 oranında iken, tanıma ve probleme tam doğru cevap verenler %19.3 tür. Tanımı doğru yapan
öğrencilerden problemi impuls-momentum teoreminden çözmeyi tercih edenlerin tamamına yakınının problemi doğru çözdüğü tespit edilmiştir. Ancak, impulsun tanımını doğru yapan öğrencilerin yarıdan fazlası bu bilgiyi problemin çözümünde daha kolay olduğu halde kullanmayı tercih etmemiştir. T=, P=2,5% T=, P=1 24,% T=, P= 35,4% T=2, P=2,% T=2, P=1 4,2% T=2, P= T=1, P=2,5% 2,% T=1, P=1 19,3% T=1, P= 3,1% Şekil 4.2.2 Tanım ve probleme verilen cevapların ikili korelasyon öğrenci yüzdesinin dağılımını gösteren grafik Cevap kombinasyonlarının sınıflara göre dağılımını gösteren grafikler Şekil 4.2.3 de verilmiştir. Grafikte sağa doğru gidildikçe tanım ve probleme verilen cevaplar tam doğru olmaktadır. İFÖ I. sınıf ve İMÖ II. sınıf için çizilen grafiklerde tanım ve probleme tam doğru cevap veren olmadığı gibi grafiğin sola doğru yığıldığı görülmektedir. OFÖ I. sınıf için çizilen grafikte de sola doğru yığılma göze çarpmaktadır. Fakat diğer birinci sınıflardan farklı olarak tam doğru cevapların olduğu görülmektedir. OFÖ II. ve OFÖ III. sınıf için çizilen grafiklerde diğer grafiklerden farklı olarak cevap kombinasyon tür sayısında fazlalık olduğu görülmektedir. Ayrıca OFÖ II, III ve IV sınıf öğrencileri için çizilen grafiklerde tanım ve problemi tam doğru cevaplayanların sayısı fazladır. 5. S ONUÇ VE ÖNERİLER Sınıflara göre impulsa verilen tanımlamalar niteliksel olarak farklılık göstermektedir. Çalışmaya katılan öğrencilerin dörtte biri impulsu tanımlayabilmiştir. %38 oranında öğrenci ise impulsu tanımlamamıştır. Elde edilen sonuçlar üniversitede henüz fizik dersi almamış olan öğrencilerin impuls kavramını tanımlayamadıklarını ortaya koymaktadır. İmpulsun tanımını doğru yapan öğrencilerin %4 ı problemi impuls-momentum teoreminden çözmeyi tercih etmiştir. Bu da öğrencilerin tanımını yaptığı halde, problemi çözme aşamasında bu bilgiyi kullanmayı düşünmediklerini gösterir. Halbuki impuls-momentum teoremini kullanmayı tercih eden öğrencilerin problemi çözerken diğer öğrencilere göre daha az hata yaptıkları tespit edilmiştir. İmpulsun Türkçe karşılığı itme olmasına rağmen itme dendiğinde bilimsel anlamı ortaya çıkmıyor. Daha çok itekleme, arkadan itme şeklinde anlaşılıyor. Halbuki impulsta uygulanan kuvvetin uygulandığı cisme uygulanış yönü (arkadan, önden, yandan) önemli değildir. Önemli olan bir kuvvetin belli bir süre uygulanması ve bunun sonuç olarak cismin momentumunda bir değişim meydana getirmesidir. Bu durum İtme(impuls) Nedir? sorusuna öğrencilerin verdiği cevaplarda açıkça görülmektedir. İtme yerine impuls kelimesinin kullanılmasının bu kavram ile ilgili yanlış algılamaları azaltacağı kanaatindeyiz. Bu sebeple yaptığımız çalışmadan bahsederken itme yi değil impuls u kullanmayı tercih ettik.
İmpuls kavramına öğrencilerin verdiği tanımlar, bu kavramla ilgili yapılacak çalışmalara yol gösterici olması açısından yararlıdır. OFÖ I (N=39) OFÖ II (N=32) 6 5 4 3 2 4 3 2 OFÖ III (N=) OFÖ IV (N=42) 5 4 3 2 5 4 3 2 İFÖ I (N=17) İMÖ II (N=4) 7 6 5 4 3 2 7 6 5 4 3 2 Şekil 4.2.3 Cevap kombinasyonlarının sınıflara göre dağılımını gösteren grafikler KAYNAKLAR: 1. Lawson, R. A. ve McDermott, L. C. (1987). Student understanding of the work-energy and impulse-momentum theorems. American Journal of Physics 55(9), 8-817. 2. O Brien Pride, T., Vokos, S. ve McDermott, L. C. (1998). The challenge of matching learning assessments to teaching goals: An example from the work-energy and impulse-momentum theorems. American Journal of Physics 66(2), 147-157.