Κρίσιμες λεπτομέρειες, εννοιολογικά εμπόδια και διδακτικές προσεγγίσεις στους χημικούς δεσμούς
Authors: Πύργας Ευάγγελος 
Published: July 2022

Στη διατριβή αυτή παρουσιάζονται και αναλύονται τα ευρήματα διαφόρων ερευνών που αφορούν τη διδασκαλία και μάθηση της έννοιας του χημικού δεσμού και σχετίζονται: (1) με διδακτική παρέμβαση που πραγματοποιήθηκε το σχολικό έτος 2014-2015 σε επαρχιακό γενικό λύκειο, (2) με τις απαντήσεις μαθητών α΄ λυκείου και πρωτοετών προπτυχιακών φοιτητών σε δύο μεταγνωστικές ερωτήσεις που σχετίζονται με το θέμα του χημικού δεσμού και (3) με τις απαντήσεις που έδωσαν προπτυχιακοί φοιτητές χημείας, στην εξεταστική του Ιουνίου το ακαδημαϊκό έτος 2016-2017 στο πλαίσιο ενός μαθήματος επιλογής, σε μία ερώτηση σχετική με τις οπτικές αναπαραστάσεις χημικών δομών.(1) Η διδακτική παρέμβαση πραγματοποιήθηκε το σχολικό έτος 2014 – 2015 σε γενικό λύκειο μικρής επαρχιακής πόλης. Στην έρευνα συμμετείχαν 78 μαθητές τεσσάρων διαφορετικών τμημάτων της α΄ τάξης. Τα τμήματα χωρίστηκαν σε δύο τμήματα ελέγχου (όπου διδάχθηκε ο χημικός δεσμός χρησιμοποιώντας το σχολικό βιβλίο σύμφωνα με το Αναλυτικό Πρόγραμμα Σπουδών) και σε δύο τμήματα μεθοδολογίας (όπου πραγματοποιήθηκε η διδακτική παρέμβαση και ακολουθήθηκε για τη διδασκαλία των χημικών δεσμών ένα «διδακτικό υλικό»). Σε όλα τα τμήματα για τη διδασκαλία της ενότητας του χημικού δεσμού αφιερώθηκαν σχεδόν οι ίδιες διδακτικές ώρες. Μετά την ολοκλήρωση της διδασκαλίας της ενότητας του χημικού δεσμού οι μαθητές έλαβαν μέρος σε μια γραπτή δοκιμασία (τεστ). Ακολούθησε διόρθωση των τεστ και στη συνέχεια έγινε επεξεργασία και ανάλυση των αποτελεσμάτων. Γενικά οι επιδόσεις των μαθητών κυμάνθηκαν σε μέτρια επίπεδα και επίσης δεν φάνηκε να υπάρχουν σημαντικές διαφοροποιήσεις μεταξύ των τμημάτων ελέγχου και των τμημάτων μεθοδολογίας. Σε ορισμένες όμως ερωτήσεις, στις οποίες αναμενόταν ότι η διδακτική παρέμβαση μπορεί να βοηθήσει τους μαθητές στις απαντήσεις τους, παρατηρήθηκαν διαφορές. Πιο συγκεκριμένα στην ερώτηση τη σχετική με τις ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις η επίδοση των μαθητών των τμημάτων μεθοδολογίας ήταν λίγο καλύτερη σε σχέση με τους μαθητές των τμήματων ελέγχου. Στις ερωτήσεις όμως που σχετίζονται με την ηλεκτραρνητικότητα και την πολικότητα δεσμού οι επιδόσεις των μαθητών των τμημάτων μεθοδολογίας ήταν πολύ καλύτερες.(2) Τη σχολική χρονιά 2012 -2013 πραγματοποιήθηκε έρευνα στο κεφάλαιο του χημικού δεσμού σε τρία επαρχιακά σχολεία (γενικά λύκεια) με μαθητές που φοιτούσαν στην Α΄ λυκείου. Τα τμήματα της Α΄ λυκείου, σε κάθε σχολείο που πραγματοποιήθηκε η έρευνα, χωρίστηκαν σε τμήματα ελέγχου και σε πειραματικά τμήματα. Στη συνέχεια αναλύθηκαν τα αποτελέσματα των απαντήσεων που έδωσαν 66 μαθητές των τμημάτων ελέγχου σε δύο μεταγνωστικές ερωτήσεις. Επίσης το ακαδημαϊκό έτος 2012-2013 το ίδιο τεστ δόθηκε και σε 73 πρωτοετείς φοιτητές δύο πανεπιστημιακών τμημάτων. Από τα αποτελέσματα των απαντήσεων, που έδωσαν οι μαθητές και οι φοιτητές στις δύο μεταγνωστικές ερωτήσεις, προέκυψε ότι τόσο οι μαθητές όσο και οι φοιτητές θεώρησαν τον ομοιοπολικό δεσμό δυσκολότερο από τον ιοντικό. Κανένας δεσμός δεν είναι δύσκολος απάντησε το 12,1% των μαθητών, ενώ το αντίστοιχο ποσοστό για τους φοιτητές ήταν 4,1%. Και οι δύο δεσμοί είναι εξίσου δύσκολοι απαντά το 4,5% των μαθητών και το 8,2% των φοιτητών. Οι λόγοι δυσκολίας που σχετίζονται με τον ομοιοπολικό δεσμό είναι περισσότεροι σε σχέση με τον ιοντικό τόσο στην περίπτωση των μαθητών όσο και στην περίπτωση των φοιτητών. Κατά τη μελέτη του κεφαλαίου του χημικού δεσμού, το 30,3% των μαθητών ανέφεραν δυσκολίες που σχετίζονται με συγκεκριμένες έννοιες και θέματα, το 42,4% των μαθητών ανέφεραν γενικές παρατηρήσεις σχετικά με τις δυσκολίες ή την έλλειψη δυσκολίας και μόνο το 3% των μαθητών αναφέρει δυσκολίες που αφορούν τη δομή του κεφαλαίου των χημικών δεσμών. Τα αντίστοιχα ποσοστά στις απαντήσεις των φοιτητών ήταν 43,8%, 19,2 % και 0%. Με βάση την ειδική ταξινόμηση σύμφωνα με τις τέσσερις κατηγορίες της μεταγνώσης του Flavell, οι περισσότερες απαντήσεις που δίνουν τόσο οι μαθητές όσο και οι φοιτητές ανήκουν στην κατηγορία της μεταγνωστικής γνώσης και ακολουθεί η κατηγορία της μεταγνωστικής εμπειρίας, ενώ λίγες απαντήσεις ταξινομήθηκαν στις κατηγορίες είτε έργα και στόχοι είτε στρατηγικές ή ενέργειες.(3) Το ακαδημαϊκό έτος 2016-2017, στην εξεταστική του Ιουνίου, στο πλαίσιο του μαθήματος επιλογής «Διδακτική Φυσικών Επιστημών», 15 πρωτοετείς φοιτητές χημείας απάντησαν σε μια ερώτηση σχετική με τις οπτικές αναπαραστάσεις χημικών δομών. Ειδικότερα, για την αναπαράσταση αυτή χρησιμοποιήθηκαν επιφάνειες ίσης ηλεκτρονιακής πυκνότητας/χάρτες ηλεκτροστατικού δυναμικού για χημικές δομές που προκύπτουν από ακριβείς κβαντομηχανικούς υπολογισμούς. Με βάση τις απαντήσεις των φοιτητών προέκυψε ότι οι συγκεκριμένες οπτικές αναπαραστάσεις (i) άφησαν γενικά θετικές εντυπώσεις στους φοιτητές σε σχέση με: ορισμένα χαρακτηριστικά, π.χ. το μέγεθος των ατόμων στα μόρια και η πολικότητα/πόλωση δεσμού, (ii) προσέλκυσαν το ενδιαφέρον τους και (iii) τους βοήθησαν να απομνημονεύσουν κάποια χαρακτηριστικά που σχετίζονται με τους χημικούς δεσμούς. Τέλος οι φοιτητές χαρακτήρισαν τις συγκεκριμένες οπτικές αναπαραστάσεις ως ένα χρήσιμο παιδαγωγικό εργαλείο και ότι είναι καλύτερες σε σχέση με άλλες οπτικές αναπαραστάσεις που είχαν συναντήσει.