KİMYA ÖĞRETMENLİĞİ LİSANS ÖĞRENCİLERİNİN FAZ DENGELERİ KONUSUNDAKİ KAVRAM YANILGILARI Nursen AZİZOĞLU 1, Mahir ALKAN 2 1 ODTÜ, Eğitim Fakültesi, OFMAE Bölümü, ANKARA 2 BAÜ, Necatibey Eğitim Fakültesi, OFMAE Bölümü, BALIKESİR Özet Bu çalışmada Balıkesir Üniversitesi, Necatibey Eğitim Fakültesi kimya öğretmenliği programı üçüncü sınıf öğrencilerinin fizikokimya dersi içinde yer alan faz dengeleri konusunun bazı kavramları ile ilgili kavram yanılgıları belirlenmiştir. Dersi veren öğretim elemanı ile yapılan görüşmelerden, mevcut literatürün ve son üç yılın fizikokimya dersine ait sınav kağıtlarının incelenmesi neticesinde denge buhar basıncı, kaynama, süblimleşme, faz diyagramları, donma noktası alçalması ve Raoult yasası gibi kavramlar öğrencilerin en çok zorlandıkları kavramlar olarak belirlenmiştir. Pilot uygulama sonrasındaki değişiklikler ile son hali dokuz tane açık uçlu soru içeren test toplam 59 öğrenciye uygulanmıştır. Geliştirilen kodlama sistemi ve beklenen bilimsel cevapları içeren cevap anahtarı kullanılarak öğrenci cevapları sınıflandırılmış ve toplam 22 tane kavram yanılgısı belirlenmiştir. Çalışmada belirlenen bazı kavram yanılgıları Le Chatelier prensibi, ideal gaz kanunu gibi ilkelerin çözümlerde yanlış kullanılmalarını yansıtırken bazı kavram yanılgıları ana kaynak olarak kullanılan kitapların kavram tanımlamalarındaki eksikliklerini ortaya koymaktadır. 1. GİRİŞ Son 30 yılda fen bilimleri eğitimi alanında çocuklar, öğrenciler ve hatta yetişkinlerin bilimsel olaylar ve kavramlar hakkında ne gibi fikirlere sahip olduklarını rapor eden binlerce makale ortaya çıktı. Fen bilimlerini oluşturan biyoloji, fizik ve kimyanın geniş kavram yelpazesinde incelenen birçok kavramın aslında öğretimin hedeflediği şekilde öğrenilmediği bu araştırmaların ortaya koyduğu sonuçtur. Öğrencilerin bilimsel tanımlamalar çerçevesinden uzak ve farklı anlamlar yükleyerek bilimsel kavramları açıklamaları araştırmacıları Kavramların bu şekilde öğrenilmesindeki neden nedir? sorusuna cevap bulmak üzere yeni incelemelere itmiştir. Zaman içerisinde çok farklı şekillerde isimlendirilen bu bilimsel olmayan kavrayışlar en yaygın haliyle kavram yanılgısı (misconception) olarak literatürde yerini almaktadırlar (Driver & Easley, 1978). Dış çevreden gelen bilgilerin öğrenenin yapılanmış bilişi ile etkileşimi olarak bilinen günlük yaşantılar öğrenme olarak sayılabilir. Bu etkileşim alternatif şemaların oluşumuna neden olabilmektedir; şemalar, yaşantı sonucunda edinilenlerin bilim otoritelerinin kabul ettiğinden farklı olarak yorumlandığı durumlarda orta çıkmaktadır(driver & Easley, 1978). Planlı öğretim sürecindeki yaşantılar da kavram yanılgılarının oluşmasına neden olabilmektedir. Öğrenme sürecinde öğrenenin sahip olduğu önbilgiler ile tutumlarının yeni sunulan bilgiyi etkilemesi ve değiştirebilmesi nedenlerden biri olarak gösterilmektedir (Osborne & Cosgrove, 1983). Osborne ve Freyberg (1985) daha iyi bir öğrenme sağlayabilmenin ilk aşamasının öğretim sürecinde öğrencilerin sahip oldukları alternatif görüşlere ve kavram yanılgılarına yer vermek olduğunu öne sürmektedirler. Kimya eğitiminde kimya bilgisi için temel teşkil eden maddenin yapısı ve özellikleri (Novick & Nussbaum, 1981; Gabel, Samuel & Hunn, 1987), atom ve yapısı (Griffiths & Preston, 1992) gibi kavramlar ayrıntılı bir şekilde incelenmişlerdir. Maddeyi oluşturan taneciklerin, atom ve moleküllerin, gözle görülememeleri onları öğrenci için soyut, öğrenilmesi güç kavramlar haline getirmektedir (Ben- Zvi, Eylon, & Silberstein, 1987). Madde ve halleri ile ilgili kaynama, buharlaşma, yoğunlaşma ve erime gibi temel kavramlar birçok çalışmada incelenmiş, öğrencilerin kavram yanılgıları belirlenmiş (Osborne & Cosgrove, 1983; Bar & Travis, 1991; Bar & Galili, 199; Stavy, 1990a; Stavy, 1990b) ve bu kavram yanılgılarını gidermek üzere geleneksel yöntemin dışında yöntemlerle öğretimin etkisi araştırılmıştır (Stavy, 1991). Bar ve Travis (1991) öğrencilerin kavram yanılgılarına sahip olmalarındaki nedenlerine de değinmişler ve ilginç bir sonuç olarak test formatının önemli olduğunu, açık uçlu sorularda öğrencilerin ifade etmedikleri kavram yanılgılarının çoktan seçmeli sorularda yanlış seçeneği seçmelerinden dolayı ortaya çıktığını belirlemişlerdir. Yine aynı çalışmada öğrencilerin kavram yanılgılarının farklı yaş gruplarında içerik ve nicelik açısından değişiklik gösterdiği vurgulanmıştır.
1.1 Çalışmanın Amacı Faz Dengeleri konusu fizikokimya dersinin içerisinde işlenilen kavramların niceliği açısından en yoğun ve en kapsamlı konusudur. Gazlar, denge ve çözeltiler gibi belli başlı konuların da kavramlarını kapsaması konuyu daha da önemli hale getirmektedir. Denge buhar basıncı, kaynama, donma ve donma noktası alçalması, süblimleşme, Raoult yasası, faz diyagramları, gaz ve buhar gibi öğrencilerin açıklamada zorluk çektikleri kavramlarla ilgili kavram yanılgılarının belirlenmesi çalışmanın amacını oluşturmaktadır. 1.2 Çalışmanın Önemi Bu çalışmada kimya öğretmenliği lisans programındaki öğrencilerin Faz Dengeleri konusunda seçilmiş bazı kavramlarla ilgili kavram yanılgıları incelenmiştir. İncelenen konu üniversite düzeyinde bir kimya dersinin kapsamında olduğu halde ele alınan kavramlar Madde ve Özellikleri konusunun temel kavramları arasında sayılabilirler. Öğrencinin sahip olduğu kavramsal temel sonradan edinilen bilgileri etkileyebildiğine göre (Posner, Strike, Hewson, & Gertzog, 1982) mevcut duruma bakarak geriye dönük değerlendirmeler de yapılabilir. Faz Dengeleri konusu ile ilgili kavram yanılgılarının belirlenmesi gelecek yıllarda konunun öğretiminde dikkat edilmesi gereken kavramları ortaya çıkaracağı gibi ilköğretim ve ortaöğretim kimya öğretiminde de aynı kavramların öğretiminin değerlendirilmesine de katkıda bulunacağı düşünülmektedir. 2. YÖNTEM 2.1. Örneklem Bu çalışmanın örneklemini I. ve II. öğretim kimya öğretmenliği programı üçüncü sınıfındaki 59 tane lisans öğrencisi oluşturmaktadır. 2.2. Ölçme Aracı ve İzlenen Yol Kavram yanılgılarının belirlenmesinde ve muhtemel kaynaklarının araştırılmasında en yaygın olarak kullanılan yöntemlerden biri görüşme olmasına rağmen uzmanlık gerektirmekte, çok zaman almakta (Fensham, Garrard, & West, 1981) ve bundan dolayı da örneklemi sınırlamaktadır. Çoktan seçmeli sorular içeren testlerin yanında (Treagust, 1986) açık uçlu sorular da gerek tek başına (Haidar & Abraham, 1991) gerekse çoktan seçmeli soruların bir parçası olarak (Boujaoude, 1992) öğrencilerin kavram yanılgılarının belirlenmesinde kullanılmaktadır. İyi yapılandırılmış açık uçlu sorular, öğrencilere verdikleri cevabın nedenlerini de kendi sözcükleri ile ifade etme imkanı vermekte ve üst düzey düşünme becerilerini yansıtmaktadır (Gronlund & Linn, 1990). Bu çalışmada kullanılan aracın içerdiği sorular açık uçlu yazılı formattadır. Soruların irdeleyeceği kavramların seçimi fizikokimya dersinin faz dengeleri konusu ile ilgili son üç yılda yapılan sınavlarda verilen cevapların incelenmesinden, literatürden ve dersin öğretim elemanı ile yapılan görüşmeler doğrultusunda olmuştur. Denge buhar basıncı, kaynama, donma ve donma noktası alçalması, süblimleşme, Raoult yasası, faz diyagramları, gaz ve buhar kavramları belirlenen kavramlardır. Bu kavramları test etmek üzere hazırlanan soruların kapsam geçerliğini iki deneyimli kimya eğitimcisi ve kimya uzmanı onayladıktan sonra araç pilot çalışma ile test edildi ve elde edilen sonuçlara göre sorularda yeni düzenlemeler yapıldı. Testin son hali toplam 9 tane açık uçlu sorudan oluştu. Test konu bitiminden 10 gün sonra uygulandı. Şekil 2.1 de testte kullanılan sorulara bir örnek gösterilmektedir. Her soru gerekli şekillerle desteklenmiş ve sorunun devamında bir tane cevap için, ikincisi de cevabın nedenini açıklamak için iki tane ayrı cevaplama satırı bırakılmıştır. Cevapların analizine başlamadan önce öğrenci tarafından verilmesi beklenen bilimsel cevapları içeren bir cevap anahtarı hazırlandı. Cevapları sınıflandırmak üzere Abraham, Graybowski, Renner, ve Marek (1992) tarafından kullanılan kodlama sistemine benzer bir kodlama kullanıldı. Kodlamanın güvenirliğini test etmek üzere üç kodlayıcı ile gerçekleştirilen çalışmada uyum oranı %9 olarak bulundu.
Şekilde gösterilen iki kabın her ikisinde de 1 er L etil alkol bulunmaktadır. I. kabın hacmi 5 L, II. kabın ise 10 L dir. 25 o C ta I ve II kaplarında etil alkolün denge buhar basıncı ölçülmektedir. Her iki kaptaki buhar basınçlarını karşılaştırınız. Cevabınızın nedenini dikkatlice açıklayınız : 3. BULGULAR Şekil 2.1 Testte Kullanılan Örnek Soru İncelenen kavramların daha önce ilköğretim ve ortaöğretim fen ve kimya derslerinden bilinen kavramlar olması ayrıca üniversite düzeyinde ayrıntılı bir öğretimin gerçekleşmesi ile sorulara yüksek oranda doğru cevaplar beklendi. Bununla birlikte analiz sonunda 22 tane kavram yanılgısı belirlendi (Özkılıç, 2000). Kavram yanılgılarının bir kısmı Tablo3.1 de listelenmiştir. Tablo3.1 Faz Dengeleri Kavramları İle İlgili Bazı Kavram Yanılgıları Soru ve İçerik Kavram Yanılgısı Öğrenci Sayısı 1. Saf sıvıların buhar basıncına uçucu olmayan çözünenin etkisi 2. Saf sıvıların madde miktarı ile denge buhar basıncı arasındaki ilişki 3. Saf sıvıların kaynama anında buhar basıncı değerleri. İki sıvıdan oluşan ve Raoult yasasına uyan çözeltinin kaynama noktası değeri * Karışımların kaynama noktaları karıştırıldıkları maddelerin kaynama noktaları arasında bir değerdir. * Saf suya atılan NaCl su molekülleri arasındaki çekim kuvvetlerini azaltır ve daha çok su molekülü buharlaşır. Sonuç olarak buhar basıncı artar. * Kapalı bir kaptaki sıvıya yine aynı sıvıdan ilave edilirse buharın bulunduğu hacim azalacağından ideal gaz yasasına göre (PV=nRT) basıncı artar. * SIVI BUHAR dengesine göre sıvı miktarı arttıkça denge sağa kayar, buhar miktarı artar ve denge buhar basıncı da artar. * Molekül kütlesi düşük olan sıvının kaynama noktası da düşüktür ve buhar basıncı daha yüksektir. Bu yüzden suyun kaynama esnasında CS 2 ye göre buhar basıncı daha yüksektir. * Su saf olduğu için önce kaynar ve buhar basıncı CS 2 ye göre daha yüksek olur. * Benzene CS 2 ilavesi ile kaynama noktası değişmez. Bunlar birbiri içinde çözünmezler ve kendi kaynama noktalarında kaynarlar. * Benzene CS 2 ilavesi ile kaynama noktası artar. Çözeltilerin kaynama noktaları kendilerini oluşturan saf sıvıların kaynama noktalarından her zaman yüksektir. 10 7 7 5 15
Tablo 3.1 in devamı 5. Donma noktasına safsızlık ve basıncın etkisi 6. Günlük hayatta faz diyagramlarından yararlanabilme 7. Gaz ve buhar arasındaki fark 8. Saf sıvının bulunduğu kabın hacmi ile denge buhar basıncı arasındaki ilişki 9. Katı-gaz ve gaz-katı geçişlerini tanımlama * Donma noktası her madde için sabittir ve basınca bağlı olarak değişmez. * Basınç artarsa moleküller arası etkileşimler artar. Donma noktası düşer. * Basınç arttıkça erime sıcaklığı artan maddeler basınç artışıyla daha kolay sıvılaşırlar. Çünkü erime sıcaklığına daha kolay ulaşırlar. * Buhar ve gaz kavramları aynı şeydir. * Akışkanlar, kritik noktanın altında gaz, üstünde ise buhar olarak isimlendirilirler. * Denge buhar basıncı buharın bulunduğu hacme bağlıdır. Sıvıların üzerindeki buharın bulunduğu hacimler farklı olduğu için buhar basıncı P 1 V 1 =P 2 V 2 formülünden hesaplanabilir. V 1 =V 2 /2 olduğu için P 1 =2P 2 dir. * Katıdan gaza geçiş buharlaşma * Gazdan katıya geçiş süblimleşme yoğunlaşma kristalleşme kırağı 2 1 21 6 13 33 5 16 19 1 1. TARTIŞMA VE ÖNERİLER Çalışmanın amacı doğrultusunda fizikokimya dersinin faz dengeleri konusu içerisinde geçen bazı önemli kavramlar ile ilgili kimya öğretmenliği lisans öğrencilerinin kavrayışları belirlenmiştir. Belirlenen kavram yanılgıları colligatif özellikler, denge, hal değişimleri ve gazların özellikleri gibi belli başlı kavramların iyi anlaşılmasını gerektiren olayları açıklamada hala bazı güçlüklerin olduğunu göstermektedirler. Denge buhar basıncı ile ilgili kavram yanılgıları öğrencilerin fiziksel ve kimyasal denge arasında bir ayırım yapmadıkları ve Le Chatelier ilkesini yanlış kullandıklarını ortaya koymaktadır. Sıvı-sıvı veya katı-sıvı bileşenlerinden oluşan çözeltilerin farklı özellik ve davranışlarının da gözetilmediği ve doğru olmayan genellemelerin yapıldığı da görülmektedir. Sıvıların kaynama esnasında gösterdikleri buhar basıncını dış atmosfer basıncı ile ilişkilendirmek yerine kaynama noktası ile açıklamaya çalışmaları öğrencilerin bu konudaki kavram yanılgılarının nedenlerinden biridir. Gerekli olmadığı halde öğrenciler kaynama noktası- buhar basıncı ilişkisini kurabilmek için maddelerin molekül kütleleri veya molekül büyüklükleri gibi parametreleri kullanmaktadırlar. İyonik ve kovalent bileşiklerin özellikleri hakkında eksik bilgilere sahip olduklarını da CS 2 maddesinin iyonlaşabileceğini açıklamalarından anlamaktayız. Buhar basıncı düşmesi, kaynama noktası yükselmesi ve donma noktası alçalması gibi colligatif özelliklerin açıklanmasında görülen zorluklar öğrencilerin tanecik sayısı yerine moleküller arası etkileşimleri esas neden olarak kullanmalarından kaynaklanmaktadır. Bazı kavram yanılgıları ise grafik formunda verilen bilginin yanlış yorumlanması sonucunda ortaya çıkmaktadır. Örneğin, faz diyagramlarında verilen basınç erime sıcaklığı ilişkisini öğrenciler basınç ile dış ortamın sıcaklığı olarak ele almaktadırlar. Hal değişimleri ile ilgili katıdan gaza ve gazdan katıya olan geçişleri tanıma ve tanımlamada öğrencilerin zorlanmaları şaşırtıcıydı. Özellikle gazdan katıya geçişin tanımlanmasında bir öğrencinin Hiç görmedim cevabı kısa bir araştırma konusu oldu. Okutulan ve önerilen ana ve ek ders kaynaklarının bu konuyla ilgili içerikleri incelendiğinde katıdan gaza geçişin süblimleşme olarak tanımlandığı halde gazdan katıya geçişten bahsedildiği ancak hiç bir şekilde tanımlanmadığı dikkat çekmiştir. Bu eksiklik, öğrencilerin olayı kendilerince doğru buldukları bir şekilde tanımlamalarına neden olduğu 9. sorunun değerlendirme sonuçlarından da görülmektedir. Öğrencilerin günlük yaşantılarında gaz ile buhar arsında ayırım yapmamaları ve bunu da sınıf ortamında alınan ayrıntılı bilgiye rağmen sürdürmeleri başka bir kavram yanılgısının nedenidir.
Buna göre, tartışmayı gerektiren ve kavramsal değişimi destekleyen öğretim yaklaşımları önerilebilir. Öğrencilerin sayısal problemleri çözme becerilerini geliştiren sorulardan ziyade nitel açıklamalar gerektiren ve kavramların doğru bir şekilde anlaşılması ve yorumlanması üzerine kurulmuş sorular kullanılabilir. Öğretmenler, öğrencilerin günlük yaşantıdaki etkileşimlerini sınırlayamayacakları için öğretim sürecinde yanlış anlaşılabilecek veya günlük hayatta farklı kullanımları olan kavramlar üzerine dikkatleri çekebilirler. Son olarak, okutulan veya tavsiye edilen kaynaklar gerek içerdikleri şekiller veya resimler, gerekse içerdikleri tanımlamalar ile öğrencilerde istenmeyen kavrayışlara neden olup olmayacakları amacıyla özenli bir şekilde incelendikten sonra önerilmelidir. 5. KAYNAKLAR Abraham, M.R., Graybowski, E.B., Renner, J.W., & Marek, E.A. (1992). Understandings and misunderstandings of eight graders of five chemistry concepts found in textbooks. Journal of Research in Science Teaching, 29(2), 105-120. Bar, V. & Travis, A.S. (1991). Children s views concerning phase changes. Journal of Research in Science Teaching, 28(), 363-382. Bar, V. & Galili, I. (199). Stages of children s views about evaporation. International Journal of Science Education, 16, 157-17. Ben-Zvi, R., Eylon, B. & Silberstein, J. (1987). Is an atom malleable?. Journal of Chemical Education, 63(1), 6-66. BouJaoude, S.B. (1992). The relationship between students learning strategies and the change in their misunderstandings during a high school chemistry course. Journal of Research in Science Teaching, 29(7), 687-699. Driver, R. & Easley, Y. (1978). Pupils and paradigms: A review of literature related to concept development in adolescent science students. Studies in Science Education, 5, 61-8. Fensham, P.J., Garrard, J., & West, L.W. (1981). The use of cognitive mapping in teaching and learning strategies. Research in Science Education, 11, 121-129. Gabel, D.L., Samuel, K.V., & Hunn, D. (1987). Understanding the particulate nature of matter. Journal of Chemical Education, 6(8), 695-697. Griffiths, A.K. & Preston, K.R. (1992). Grade-12 students misconceptions relating to fundamental characteristics of atoms and molecules. Journal of Research in Science Teaching, 29(6), 611-628. Gronlund, N.E & Linn, R.L. (1990). Measurement and evaluation in teaching. 6 th ed., New York: Macmillan; London: Collier Macmillan. Haidar, A.H. & Abraham, M.R. (1991). A comparison of applied and theoretical knowledge of concepts based on the particulate nature of matter. Journal of Research in Science Teaching, 28(10), 919-938. Novick, S. & Nussbaum, J. (1981). Pupils understanding of the particulate nature of matter: A cross age study. Science Education, 65(2), 187-196. Osborne, R.J. & Cosgrove, M.M. (1983). Children s conceptions of the changes of states of water. Journal of Research in Science Teaching, 20(9), 825-835. Posner, G.J., Strike, K.A., Hewson, P.W., & Gertzog, W.A. (1982). Accommodation of a scientific conception: Toward a theory of conceptual change. Science Education, 66(2), 211-228. Stavy, R. (1990a). Children s conception of changes in the state of matter from liquid (or solid) to gas. Journal of Research in Science Teaching, 27, 27-266. Stavy, R. (1990b). Pupils problems in understanding conservation of matter. International Journal of Science Education, 12, 501-512. Stavy, R. (1991). Using analogy to overcome misconceptions about conservation of matter. Journal of Research in Science Teaching, 28, 305-313. Treagust, D.F. (1986). Evaluating students misconceptions by means of diagnostic multiple choice items. Research in Science Education, 16, 199-207. Özkılıç, N. (2000). Kimya lisans öğrencilerinin faz dengeleri konusundaki kavram yanılgıları. Yayımlanmamış Yüksek Lisans tezi, Balıkesir Üniversitesi, Balıkesir.