KUANTUM FİZİĞİ DERSİ HARMONİK OSİLATÖR KONUSU ÖĞRETİM PROGRAMI GELİŞTİRME ÜZERİNE BİR ÇALIŞMA Serap ÇALIŞKAN, Mustafa EROL Dokuz Eylül Üniversitesi, Buca Eğitim Fakültesi, OFMAE Bölümü, İZMİR ÖZET: Bu çalışmada, kuantum fiziği dersi öğretim programı tasarısı çerçevesinde ele alınan "Harmonik Osilatör" konusunun taslak öğretim programı hazırlanmıştır. Taslak program çerçevesinde konunun içerik analizi yapılmış; kazandırılmak istenen hedef ve davranışlar yazılmış ve bunlara uygun öğrenme fırsatları hazırlanmıştır. Hazırlanan tasarı 17 kişilik deney grubuna uygulanmıştır. Geleneksel yöntemin uygulandığı 12 kişilik kontrol grubu ile deney grubu üzerinde uygulanan testin verileri Mann-Whitney testi ile istatistiksel olarak değerlendirilmiş ve deney grubunun kontrol grubuna göre daha başarılı olduğu bulunmuştur. Buna dayanılarak geliştirilen program tasarısının, öğrencilerin başarılarını arttırdığı sonucuna varılabileceği belirtildi. Konunun daha etkili öğretilmesine yönelik öneriler sunuldu. 1. GİRİŞ Kuantum fiziği genel anlamda fizikte çok önemli konu alanlarından biridir ve üniversite düzeyinde okutulan bu ders anlaşılması güç olduğu kadar, öğretilmesi de zor bir konu alanına sahiptir. Bu yüzden öğreticinin dersle ilgili neleri yapması ve nasıl bir tutum içinde olması gerektiğini ve dersin daha anlaşılır, daha iyi öğrenilebilir olması için, öğrencilerin nasıl ve ne şekilde öğrendiği üzerinde de düşünerek, derste ne tür etkinlikler yapabileceğinin üzerinde yoğun olarak durulması gerekir. Modern fiziği ve kuantum fiziğini anlamak fizikçiler için olduğu kadar, mühendisler ve kimyacılar için de büyük önem taşır. Bununla beraber kuantum fiziği soyuttur ve birçok konunun anlaşılması zordur (Steinberg, 1999). Öğrenciler kuantum fiziğinin anlaşılmasını zor bulurlar. Çünkü: 1-Kuantum fiziği garip ve esrarengizdir. Yani öğrenciler kuantum fiziğinin çok zor ve alışılmamış olduğunu düşünmektedirler. 2-Matematiksel olarak karışık ve anlaşılması çok güçtür. 3-Öğrenciler kuantum fiziğine karşı fiziksel olarak sezgisizdirler. Yani herkese hareket konusundaki itmeler ya da toplar oldukça tanıdık gelir. Hatta kuvvetin ya da ivmenin ne olabileceği ile ilgili olarak mantıklı ve makul bir fikre sahiptirler. Fakat kuantum fiziği için öğrenciler karışık, anlaşılması güç ve matematiklerini destekleyebilecek fiziksel sezgiye çok az ya da hiç sahip değillerdir (Styer, 1997). Buna bağlı olarak kuantum fiziği öğretiminin daha iyi bir şekle gelmesi, öğrencilerin kuantum fiziğini daha iyi anlamaları ve konuya yönelik öğrenme sürecini anlamak üzere yapılan araştırmalar son yıllarda büyük oranda artmıştır. Bu çalışmaların çoğunda ilk soru: Öğrenci ileri düzeyde matematikle tanışmamış olmasına rağmen, kuantum fiziğinin fikirlerini öğrenebilir mi? şeklindedir. Bu çalışmalar, kuantum fiziğinin nasıl öğretileceğine dair çok sayıda sonuç ortaya koyar. Ayrıca geleneksel öğretim yaklaşımlarında ve öğretim materyallerinde değişiklikler için öneriler sunar (Zollman, 1999). Geleneksel öğretimle öğrenciler muhakeme yeteneklerini kullanmazlar ve fizik problemlerinde kullanılan matematiği ve temel kavramları tam olarak anlayamazlar. Aynı zamanda öğrencilerin fiziği öğrenmeye yönelik tutumları zayıftır (Wittmann, 1999). Bununla beraber günümüzde öğretmen yetiştiren kurumlarda uygulanan programların günün şartlarına ve ihtiyaçlarına uygun olmadığı yapılan çeşitli çalışmalarda ortaya konmuştur. Aynı zamanda bu programların bilimsel temellere oturtulmadığı ve program geliştirme ilkeleri çerçevesinde düzenlenmedikleri görülmektedir (Sönmez, 1994 ). Planlı, programlı olarak etkinliklerin gerçekleştirilmeye çalışılması ile öğrenme-öğretme sürecinde kullanılacak değişkenlerin tümü kontrol altına alınabilir ve eğitimde kalite arttırılabilir. Eğitimde kalitenin arttırılması istendiğinde ise, öğretmen yetiştirmeden başlamak kaçınılmazdır. Öğretmenin nitelikli olarak yetiştirilmesi için de, program geliştirme ilkeleri dikkate alınarak, daha işlevsel ve etkili programların tasarlanması ve uygulamaya konması gerekir (Saylan, 1997). Kuantum fiziği dersini uygulamalı bir ders haline getirmek, günümüzde özellikle finansal nedenlerden dolayı neredeyse imkansızdır. Daha önce de söz edildiği gibi dersin aynı zamanda teorik ve anlaşılması zor bir ders olması nedeniyle, dersin daha ilgi çekici olmasını ve kolay öğrenilmesini
sağlamak önemlidir. Bu yüzden, kuantum fiziği dersi için son yıllarda bilgisayarlı yani interaktif öğretimle ilgili, görsel kuantum fiziği dersinin değişik konularında öğretim programları hazırlanmasına büyük önem verilmektedir. 1.1 Çalışmanın Amacı ve Problemleri Bu çalışmanın amacı, Dokuz Eylül Üniversitesi Buca Eğitim Fakültesi Fizik Eğitimi Anabilim Dalı alan bilgisi dersleri arasında yer alan Kuantum Fiziği Dersi nin Öğretim Programı Tasarısı: Harmonik Osilatör Örneğini, mevcut öğretim programı modellerinden (Taba Modeli, Tyler Hedefler-Araçlar Modeli, Oliva Modeli, AIM Modeli) yararlanılarak geliştirilen modele göre görsel bir kuantum fiziği dersi hazırlamaktır. Çalışma, üniversite düzeyinde verilen kuantum fiziği dersini planlı ve programlı bir şekilde, ders için önceden belirlenen hedeflere ulaşabilmeyi sağlayacak davranışları geliştirmeye yönelik seçilen içerik, öğretim yöntemleri ve materyalleri ile öğrenciye öğrenme yaşantıları oluşturmak ve kuantum fiziği dersinin daha anlaşılır, daha kolay bir şekilde nasıl öğretilebileceğini yorumlamayı amaçlamaktadır. Bu amaçla aşağıdaki araştırma sorularına yanıt bulmaya çalışılmıştır: 1. Kuantum fiziği dersi öğretimi ile ilgili hazırlanmış böyle bir çalışmaya ihtiyaç var mıdır? 2. Geleneksel yöntemle işlenmiş bir ders ile görsel bir kuantum fiziği dersine yönelik olarak alınmış öğrenci görüşleri nelerdir? 3. Geleneksel yöntemle işlenmiş bir ders ile görsel bir kuantum fiziği dersi öğrencilerin başarı düzeyleri arasında önemli bir fark oluşturmakta mıdır? 1.2 Sayıltılar 1. Program geliştirme ilkeleri çerçevesinde tasarlanan programlar daha etkilidir. 2. Deney ve kontrol gruplarındaki uygulamaya katılan deneklerin, program tasarısı uygulanacak konuyla ilgili düzenlenmiş derslere ve ilgili çalışmalara içtenlikle katıldıkları varsayılmıştır. 3. Kuantum fiziği dersinin program tasarısı çerçevesinde uygulama için seçilen konu, uygulama yapılmamış diğer ünite ve konular için iyi bir örnek teşkil edeceği varsayılmaktadır. 1.3 Sınırlılıklar 1. Araştırma sonuçları; alınan yazılı görüşler, başarı testi ve son testle sınırlıdır. 2. Çalışma fakültemiz çerçevesinde sınırlıdır. 3. Çalışma ulaşılabilen tüm kaynaklarla sınırlıdır 2. ÇALIŞMANIN YÖNTEMİ Bu çalışmada kuantum fiziği dersi harmonik osilatör konusu için öğretim programı tasarısı hazırlanmış ve Buca Eğitim Fakültesi Fizik Eğitimi Anabilim Dalı Fizik 3 öğrencileri ile uygulama yapılmıştır. Çalışmayı hazırlamaya başlamadan önce böyle bir öğretim programı tasarısına ihtiyaç olup olmadığını belirlemek üzere ihtiyaç analizi çalışması yapılmıştır. Bu amaçla dersi önceki yıllarda almış öğrencilere başarı testi uygulanmış ve derse yönelik yazılı görüşleri alınmıştır. Öğrenciler deney ve kontrol şeklinde rastgele seçilmiş iki gruba ayrılmıştır. Öğrencilere öncelikle hazır bulunuşluk düzeylerini belirlemek amacıyla Kuantum Fiziği Dersi Başarı Testi uygulanmıştır. Kontrol grubuna geleneksel yaklaşımla bir ders, deney grubuna ise program tasarısı çerçevesinde geliştirilmiş öğrenme fırsatları içersinde oluşturulmuş görsel bir kuantum fiziği dersi işlenmiştir. Uygulamadan sonra, deney ve kontrol gruplarına aynı anda dersin konusu ile ilgili olarak hazırlanmış Harmonik Osilatör Konu Testi uygulanmış ve her iki gruptan da harmonik osilatör konusu üzerine hazırlanmış dersin işlenme yöntemi ile ilgili ve genel olarak derse yönelik bakış açılarını ortaya koydukları yazılı görüşler alınmıştır.
Kuantum fiziği dersi alan Fizik 3 öğrencileri Kuantum fiziği dersi başarı testi Kontrol grubu Harmonik osilatör konu testi Deney grubu Program tasarısı hazırlanmış harmonik osilatör konusunun düzenlenmiş öğrenme fırsatları çerçevesinde planlı olarak uygulanması Şekil 1: Çalışma Düzeni 2.1 Evren ve Örneklem Bu araştırmanın evrenini eğitim fakültelerinde Kuantum Fiziği Dersi alan öğrenciler oluşturmaktadır. Örneklemi, Buca Eğitim Fakültesi Fizik Eğitimi Anabilim Dalı 2001-2002 Öğretim Yılı Güz Yarıyılı içinde, kuantum fiziği dersini alan Fizik 3 öğrencileri oluşturmaktadır. Örneklemde, toplam 29 öğrenci yer almaktadır. Örneklem çalışmada izlenen yöntem doğrultusunda, deney ve kontrol olmak üzere rastgele seçilmiş iki gruba ayrılmıştır. Deney grubundaki öğrenci sayısı 17, kontrol grubundaki öğrenci sayısı 12 dir. 2.2 Veri Toplama Araçları Bu araştırmada veriler Kuantum Fiziği Dersi Başarı Testi, Harmonik Osilatör Konu Testi ve öğrencilerden uygulama sonucunda yapılandırılmamış yöntem kullanılarak alınan yazılı görüşler ile toplanmıştır. 2.3 Veri Çözümleme Teknikleri Veri analizinde, araştırma sürecinde kullanılan başarı testlerinden elde edilen verilerin bir bölümü hesap makinesi ile, bir bölümü de SPSS 8.0 istatistik program kullanılarak çözümlenmiştir. Verilerin çözümlenmesi amacıyla ortalama, standart sapma değerleri hesaplanmış; Mann-Whitney U testi kullanılmış ve başarı testleri için madde analizi yapılmıştır. 3. BULGULAR VE TARTIŞMA 3.1 İhtiyaç Analizi Sonunda Elde Edilen Veriler İhtiyaç durumunu belirlerken çalışılan denekler, bu dersi bir önceki yıl almış Fakültemiz Fizik Eğitimi Anabilim Dalı 4. sınıf öğrencileridir. 1. Öğrencilerin Kuantum Fiziği Dersi Başarı Testi sonucunda aldığı ortalama başarı puanı, maksimum 100 puan üzerinden 45.15 bulunmuştur. Bu da öğrencilerin, kuantum fiziği dersinde öğrendikleri birçok şeyi yaklaşık bir yıl içinde genel olarak unuttuklarını ve istenen düzeyde başarılı olamadıklarını gösterir. 2. İhtiyaç değerlendirme çalışmasının son aşamasında Fakültemiz Fizik Eğitimi Anabilim Dalı 4. sınıf öğrencilerinden yapılandırılmamış yöntemle alınan yazılı görüşlerin sonucunda, yoğun olarak belirtilen ve öğrencilerin ortak düşüncelerinin bir araya getirilmesi ile elde edilen önemli noktalar: a- Kuantum fiziği dersinin zevkli ve ilginç konularla dolu olduğunu; fakat dersin işlenme yönteminin (düz anlatım) çok sıkıcı olduğunu ve derste kendilerini çok pasif hissettiklerini ifade etmişlerdir. b- Öğrencilerin bir çoğu dersin konu alanının çok soyut olması; matematiksel işlemlerin yoğunluğu yüzünden birçok konuyu anlamakta zorluk çektiklerini ve dersin birçok konusunu bu yüzden ezberlemek zorunda kaldıklarını ifade etmişlerdir. 3.2 Uygulama Yapılan Ders İle İlgili Öğrenci Görüşleri
Uygulama dersinden sonra, deney grubundaki öğrencilerin, derste yapılan etkinliklere ve dersin işlenme formatına ilişkin olarak, veri toplama basamağında da daha önce belirtildiği üzere, yapılandırılmamış yazılı görüş alma yöntemi ile düşünceleri tespit edilmiştir. 1. Öğrenciler, derste yapılan ara özetler ve son özeti, soru-cevap yöntemi, konuyla ilgili hazırlanmış kavram haritası ile öğrenilen kavramları tekrarladıkları için, çoğu kavram ve ilkenin akıllarında daha kolay kaldığını ifade etmişlerdir. 2. Derste birçok kavramı şekil, grafik ile ifade etmenin, bilgisayarda yapılan slayt gösterisi ve konuyla ilgili görsel kuantum mekaniği CD sinden yararlanılarak gösterilmiş olan şekillerin dersi daha kolay ve zihinlerinde daha kalıcı bir şekle getirdiğini düşünmüşlerdir. 3.3 Geleneksel Yöntemle Yapılan Ders İle İlgili Öğrenci Görüşleri Bu görüşlerden elde edilen önemli noktalar aşağıda sıralanmaktadır: 1. Öğrenciler derste sadece ellerindeki kitaptan yararlanmanın, ders esnasında kısa bir süre içersinde derse karşı meraklarını ve derse karşı ilgilerini yitirmelerine neden olduğunu; çünkü zaman içinde nasıl olsa evde çalışır öğrenirim gibi bir bilinç geliştirdiklerini ifade etmişlerdir. 2. Öğrenciler derste sadece anlatım tekniğinin kullanılmasından dolayı dersin yaklaşık ilk yarım saat içinde sıkıcı olmaya başladığını ve ilgilerinin tamamen dağıldığını ifade etmişlerdir. Bu yüzden derse katılma isteklerinin azaldığını belirtmişlerdir. 3. Derste sayısal işlemlerden çok, kuantum fiziğini kavramsal anlamını öğrenmeye önem verilmesi gerektiğini ifade etmişlerdir. 4. Öğrenciler kuantum fiziği dersinin genel olarak çok soyut olduğunu ve bu yüzden, çoğu konuyu anlamadan ezberlediklerini ifade etmişlerdir. 3.4 Kuantum Fiziği Dersi Başarı Testi İle Elde Edilen Veriler Örneklemi oluşturan öğrencilere, uygulama dersine kadar öğrendikleri konulardan oluşmuş 20 soruluk testin uygulanması sonucunda: En önemli sonuç olarak, rastgele seçilmiş deney ve kontrol gruplarının başarı düzeyleri arasında yapılan Mann-Whitney U testi sonucunda, anlamlı bir fark yoktur sonucuna varılmıştır. Buradan, öğrencilerin tamamı aynı hazır bulunuşluk düzeyindedir fikrine ulaşılmıştır. Tablo 1. Öğrencilerin hazır bulunuşluk durumu N OR TR Mann-Whitney U Önem Denetimi Deney 17 14.62 248.5 95.5 fark önemli değil Kontrol 12 15.54 186.5 3.5 Harmonik Osilatör Konusu Başarı Testi İle Elde Edilen Veriler Program tasarısı çerçevesinde uygulama dersi yapılan harmonik osilatör konusu başarı testi için, aynı hazır bulunuşluk seviyesinde oldukları tespit edilmiş olan deney ve kontrol grubu arasında istatistiksel olarak anlamlı bir fark tespit edilmiştir. Buna göre, çalışmada konunun işlenmesi esnasında öğrenme etkinlikleri ile desteklenmiş, öğretim programı tasarısı ilkeleri çerçevesinde ders planı hazırlanmış ve görselleştirmeden yararlanılmış uygulama dersini alan deney grubu öğrencileri daha başarılıdır sonucuna varılmıştır. Tablo 2. Deney ve kontrol grubundaki öğrencilerin uygulama dersi sonucu karşılaştırılması N OR TR Mann-Whitney U Önem Denetimi Deney 17 19.09 324.5 32.5 p<0.05 Kontrol 12 9.21 110.5 fark önemli
4. SONUÇ VE ÖNERİLER 4.1 Sonuçlar 1. Çalışma için yapılan ihtiyaç analizi değerlendirmesi sonucunda, öğrencilerin kararsız bir tutuma sahip oldukları, düşük bir başarıya sahip oldukları ve alınan yazılı görüşleri doğrultusunda, böyle bir tasarıya ihtiyaç olduğu düşünülmüştür. 2. Kuantum fiziği dersi taslak öğretim programı tasarısı hazırlamada uygulama dersi yapılan konu için, deney ve kontrol grubundaki öğrenciler arasında istatistiksel olarak anlamlı bir fark tespit edilmiştir. 3. Yapılan kuantum fiziği dersi başarı testi sonuçlarında her iki grubunda aynı hazır bulunuşluk seviyesinde oldukları tespit edildiğinden, uygulama dersi ile ilgili yapılmış olan başarı testinin analizinde deney grubundaki öğrencilerin başarılarının daha yüksek çıkmasından, derste yapılan öğrenme etkinlikleri ve ilgili kuantum fiziği dersi harmonik osilatör konusunun görselleştirilmesi sayesinde meydana geldiği sonucuna varılmıştır. 4. Uygulama çalışması sonucu öğrencilerden alınan yazılı görüşler doğrultusunda, geleneksel yöntem dışında ders yapılan deney grubu öğrencilerinin hemen hemen tamamının kontrol grubuna oranla, derse karşı çok daha olumlu bakış açısı edindikleri tespit edilmiştir. 4.2 Öneriler 1. Çalışmada kuantum fiziği dersi alan öğrenci sayısının azlığı, öğretim tekniğini farklı sınıflarda deney ve kontrol grupları oluşturarak test etmemize imkan vermediğinden, bu çalışmaya benzer bir çalışmanın daha büyük gruplarda ve farklı sınıflarda yenilenmesi önerilmektedir. 2. Kuantum fiziği dersinde farklı öğretim yöntemlerinin dersin öğrenilmesi ve tutuma etkisinin ayrı ayrı değerlendirilip, bu ders için hangi konularda, hangi öğretim yönteminden yararlanmanın daha etkili olduğunun araştırılmasının yararlı olacağına inanılmaktadır. 3. Kuantum fiziği dersi için öğretim yöntemlerinin etkisinin araştırılmasının yanında, öğrencinin bu dersi nasıl öğrenip, nasıl anladığı üzerine araştırmalar yapılmasının önemli olduğuna inanılmaktadır. 4. Kuantum fiziğinin öğretimi ve görselleştirilmesi üzerine yurtdışında yapılmış çalışmaların incelenmesinin ve bu çalışmalardan yararlanılmasının iyi sonuçlar ortaya çıkaracağına ve bu konudaki çalışmaların ülkemizde artması için yol göstereceğine inanılmaktadır. 5. KAYNAKLAR Saylan, N., Kerman, S., Yürümezoğlu, K. (2-5 Eylül 1997 ). Analysis of Content, Objective, Behaviour and Curriculum Design of The Unit of Refraction of Light on Smooth Surfaces, 3 th General Conference of the Balkan Physical Union, Cluj-Napoca, Romanie, 9p-044. Sönmez, V. (1994). Program Geliştirmede Öğretmen El Kitabı. (5. basım). Ankara: Anı Yayıncılık. Steinberg, R. N., Wittmann, M. C., Bao, L. ve Redish, E. F., (March 1999). Influence of Student Understanding of Classical Physics When Learning QM. University of Maryland Dept. of Physics, Papers presented at the annual meeting National Association for Research in Science Teaching. <http://www.phys.ksu.edu/perg/papers/narst/qm_papers.pdf>. (May, 2001) Styer, D. (1997). Teaching Time Development in Quantum Mechanics. A paper contributed to the meeting of the Ohio Section of the American Physical Society at Miami University, Oxford, Ohio. <http://www.oberlin.edu/physics/dstyer/teachqm/teachtime.html>. (August, 2000) Wittman, M. C. (1999 November). Issues in Implementing a New Curriculum in Quantum Mechanics. The Ohio State University. Zollman, D. (1999 March). Conceptual Understanding of Quantum Mechanics After Using Handson and Visualization Instructional Materials. Papers presented at the annual meeting, National Association for Research in Science Teaching. <http://www.phys.ksu.edu/perg/papers/narst/qm_papers.pdf>. ( March, 2001)