Mekanik Enerji Fizik

Özet

Bu çalışma, lise 2. sınıf öğrencilerinin, orta öğretim fizik programı içeriğinde yer alan mekanik enerjinin korunumu konusu ile ilgili kavram yanılgılarını ortaya çıkarmak amacıyla yapılmıştır. Bu amaç doğrultusunda, mekanik enerjinin korunumu kavram testi geliştirilmiştir. Kavram testi, Ankara İl Merkezindeki liselerden seçilen altı lisenin 2. sınıf öğrencilerine uygulanmıştır. Uygulamadan elde edilen verilerin analizi sonucunda, öğrencilerin mekanik enerjinin korunumu ile ilgili kavramsal boyutta sıkıntıları olduğu tespit edilmiştir. Burada, araştırmanın bir bölümü olan sarmal yay siteminde mekanik enerjinin korunumu konusunda öğrencilerin kavram yanılgıları tartışılmıştır.

Anahtar Sözcükler: Mekanik enerjinin korunumu, kavram yanılgıları.

1. Giriş

Kavram yanılgılarını Baki (), öğrencilerin yanlış inançları ve deneyimleri sonucu ortaya çıkan davranışlar olarak tanımlarken Çakır ve Yürük (), deneyimler sonucu oluşmuş bilimsel gerçeklere aykırı olan ve bilim tarafından gerçekliği kanıtlanmış kavramların öğretilmesini ve öğrenilmesini engelleyici bilgiler olarak tanımlamaktadır. Başka bir tanım ise kavram yanılgısını, bir kişinin bir kavramı anladığı şeklin, ortaklaşa kabul edilen bilimsel anlamından önemli derecede farklılık göstermesi şeklinde ifade eder (Çakır ve Yürük, ; Baki, ; Stepans, ).

Piaget’in görüşüne göre kavram yanılgıları bir yapı gibidir ve birbiri üzerine eklenir. Kavram yanılgıları bilgi eksikliğinden oluşan bir boşluk gibi başlar. Bu boşluk, öğretmen tarafından verilen niteliksiz öğretim, öğrencilerin var olan bilgileri ve karşı karşıya kalınan deneyimlerle rastgele dolar. Öğrenci tarafından rastgele boşluk doldurma ile elde edilen bilgiler hiç şüphesiz bir yere kadar başarılıdır ama bir noktadan sonra bu olay, karşımıza kavram yanılgısı olarak çıkar (Rowell, Dawson ve Harry, ).

Öğrencilerin fizik konularındaki kavram yanılgıları, akademik çalışmaların gündeme getirdiği önemli konulardan biridir ve fizik eğitimcilerinin öğrencilerin sahip oldukları kavram yanılgıları ile ilgili cevaplandırılmamış birçok soruları vardır. Bunlardan bazıları şunlardır: Kavram yanılgısı nedir? Sadece bir yanlış anlama mıdır? Kavram yanılgısı ile önyargı arasındaki farklılık nedir? Kavram yanılgıları çeşitlilik gösterir mi? Öğrencilerin kavram yanılgıları ile bir fizik öğretmenin etkinliği arasında bir bağlantı var mıdır ve varsa bu ilişki nedir? (Riche, )

Çoğu öğretmen, öğrencilerini temiz zihinsel yazı tahtası olarak düşünür ve bu boş tahtayı doldurmak için rol üstlenir. Bu yaklaşımdaki problem, tahtaların boş olmadığı, zaten onların bazı önyargılar ve sezgiler içerdiğidir. Öğrencilerin deneyimsiz teorileri veya sezgileri yanlış kavramların geliştirilmesine yol açar. Bu nedenle, bu sezgiler veya teoriler bilimsel olarak kabul edilmiş kavramların öğrenciler tarafından oluşturulmalarına engel olur. Hatta öğretmenler, bilgili öğrencileri dikkate aldıklarında öğrencilerin doğal dünyaya ait kavramları kendilerinin kolayca değiştirebileceklerini farz ederek önemli bir tuzağa düşebilmektedirler. Bu tuzağa sadece tecrübesiz öğretmenler değil, tecrübeli öğretmenler de düşebilmektedir. Son zamanlardaki araştırmalar ne kadar farklı öğrenci varsa, buna bağlı olarak o kadar çeşitli öğretim metotları geliştirilmesi gerektiğini ortaya koymuştur (Tytler, ; Marioni, ; Linder, ; Tao ve Gunstone, ; Riche, ; Mestre ve Touger, ; Wandersee, Mintes ve Novak, ).

Kavram yanılgıları, öğrencilerin teorik bilgilerindeki eksikliklerini tanımlayan güvenilir kaynaklardan birisidir. Kavram yanılgılarının nedenleri arasında yanlış açıklamalar ve yanlış sorular ya da aşırı genellemeler gösterilebilir. Tery, Jones ve Hurford  (), kavram  yanılgısının öğrencilerin bilimsel kavrayış metotlarında veya bilimsel bilgileri organize etme yöntemlerinde meydana gelebileceğini ifade etmişlerdir (Rowell, Dawson ve Harry, ; Hammer, ; Comittee on Undergraduate Education, ). Kavranacak bir kavram, daha önceden öğrencilerin sahip oldukları bilimsel metotlara dayandırılmış laboratuvar alıştırmasına bağlı olsa bile, bazı nedenlerden dolayı öğrenme sürecini ciddi bir şekilde engelleyebilmektedir (Linder, ). Bu nedenle yeni bilgilerin var olan bilgilerle organize edilmesi önemlidir. Aksi takdirde yeni bilgiler öğrenciler tarafından benimsenemez.

Kavram yanılgıları, öğretme ve öğrenme sürecinin çözümlenmesi gereken anlamlı bir bileşenidir. Öğrencilerin fen bilimlerinin içeriğini anlamaya gereksinimleri olduğundan ancak bu sayede kendi doğal dünyalarına anlam kazandırabilir ve karşılaştıkları olgular karşısında gerekli açıklamalarda bulunabilirler. Öğrencilerin kavram yanılgılarının farkında olmalarına ve ortadan kaldırmalarına yardımcı olmak, bir parçası oldukları doğal dünyayı anlama süreçlerini hızlandırmakla doğrudan ilişkilidir. Kavram yanılgılarının araştırılmasındaki hareketlilik, öğrencilerin biyoloji, fizik, kimya ve yeryüzü bilimlerini içeren birçok alanda sahip oldukları yanlış kavramları ortaya çıkarmıştır. Miller şunu ifade etmiştir: “Kavram yanılgılarının araştırılmasındaki hareketlilik, öğrencilerin fen öğrenimleri için gerekli olan metotların değerlendirilmesine yardım ederek fen öğretimi araştırmalarına önemli katkılarda bulunmuştur” (Wessel, )

2. Amaç

Araştırma, lise 2. sınıf öğrencilerinin orta öğretim fizik programı içeriğinde yer alan mekanik enerjinin korunumu konusu ile ilgili kavram yanılgılarını kapsamasına karşın bu çalışmada sadece sarmal yay sisteminde mekanik enerjinin korunumu konusunda öğrencilerin kavram yanılgılarının tartışılması amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda, mekanik enerjinin korunumu kavram testinde yer alan sarmal yay içeren sistemlerle ilgili sorulara verilen öğrenci cevapları ayrıntılı olarak analiz edilmiş ve yorumlanmıştır.

3. Evren ve Örneklem

Bu araştırmanın evrenini; Ankara il merkezinden seçilen altı düz lise oluşturmaktadır. Çalışmada geliştirilen mekanik enerjinin korunumu kavram testi; altı lisenin 2. sınıflarında eğitim öğretim yılında öğrenim gören, toplam öğrenci üzerine uygulanmıştır. Kavram testi uygulanmadan önce, söz konusu lise 2. sınıflarda, orta öğretim fizik ders programının içeriğinde yer alan mekanik enerjinin korunumu konusunun işlenmiş olmasına dikkat edilmiştir.

4. Ölçme Aracının Geliştirilmesi

Bu çalışmada lise 2. sınıf öğrencilerinin fizik ders programı içeriğinde yer alan mekanik enerjinin korunumu konusunda kavram yanılgılarının olup olmadığını saptamak amacıyla 28 adet çoktan seçmeli sorudan oluşan bir kavram testi geliştirilmiştir. Test maddelerinin bir kısmı Mazur’un geliştirdiği kavramsal testlerden faydalanılarak oluşturulmuş ve üretilen yeni maddelerle pekiştirilmiştir (Mazur, ). Test maddelerinin öğrencilere uygunluğunun tespiti için test maddeleri çeşitli işlemlerden geçirilmiştir (madde analizi, güvenirlik hesabı yapılmış ve uzman görüşlerine başvurulmuştur). Bu testte, mekanik enerjinin korunumu ile ilgili temel kavramlara yer verilmiştir. Test maddeleri bu konunun fizik ders programındaki içeriğiyle bütünleştirilerek lise 2. sınıf ders kitaplarında yer alan ve öğrencilerin enerjinin korunumuyla ilgili günlük hayatla ilişkilendirebilecekleri örnekleri kapsayacak şekilde düzenlenmiştir. Sarmal yay, basit sarkaç, atış hareketleri ve değişik platformlar içeren sistemlerde (bu başlıklar lise 2. sınıf ders kitaplarıyla bağlantılı olarak seçilmiştir) mekanik enerjinin korunumu hakkında öğrencilerin içine düştükleri kavram yanılgılarının belirlenmesi amacıyla test maddeleri yukarıda verilen sistemleri içerecek biçimde yapılandırılmıştır. Fakat burada yalnızca, sarmal yay içeren sistemlerde mekanik enerjinin korunumu konusunda öğrencilerin sahip oldukları yanılgılar tartışılmıştır.

Test maddelerinin öğrencilerin bu konudaki sahip olabilecekleri kavram yanılgılarını ortaya çıkaracak şekilde oluşturulmasına dikkat edilmiştir. Hazırlanan soruların öğrencilerde mevcut olabilecek yanlış kavramları ne derece ortaya çıkaracağı, lise 2. sınıf öğrencilerin düzeylerine ve yazım (grafik, şekil vb.) kurallarına uygunluğu uzman görüşleri alınarak değerlendirilmiştir. Bu değerlendirme sonucunda gerekli düzeltmeler yapılarak geliştirilen mekanik enerjinin korunumu kavram testi maddelerinin analizi (madde analizi) için Kurtuluş Lisesinde toplam 87 lise 2. sınıf öğrencisine uygulanmıştır. Bu uygulama sonucunda elde edilen veriler bilgisayar istatistik programları kullanılarak bazı maddelerinin soru kökünde, bazılarının ise seçeneklerinde düzeltme yapılmış ve bazı sorular ise tamamen testten çıkarılmıştır. Bu istatistik işlemlerle birlikte, testin geçerliği konusunda uzman görüşlerine başvurulmuştur. Bu aşamadan sonra en son şeklini alan kavram testinin (test madde sayısı 20’ye indirilerek) güvenirliğinin ve cevaplama süresinin uygunluğunun tespiti için; test, iki farklı okuldaki toplam lise 2. sınıf öğrencisi üzerinde uygulanmıştır. Bu uygulamada öğrencilerin cevaplama süreleri dikkate alınmış ve ayrılan cevaplama süresi yeniden belirlenmiştir. Elde edilen veriler bilgisayar istatistik programlarında değerlendirilmiş ve KR formülüne göre güvenirlik katsayısı 0, olarak hesaplanmıştır. Hesaplanan güvenirlik katsayısı konusunda, uzman görüşlerine başvurulmuştur. Uzman görüşleri, 0, olarak hesap edilen katsayının yeterli olduğu yönündedir.

5.Testin Uygulanması ve Verilerin Elde Edilmesi

Hazırlanan mekanik enerjinin korunumu kavram testi, altı farklı lisenin 2. sınıf gruplarından seçilen toplam öğrenciye, ilgili izinler alınarak eğitim-öğretim yılının ikinci yarısında (mayıs ayında) uygulanmıştır. Öğrencilere 20 adet çoktan seçmeli sorudan oluşan kavram testini cevaplamaları için 40 dakika (yaklaşık bir ders saati) süre verilmiştir. Uygulamada, bazı liselerde olanaklar çerçevesinde, sınıflar iki gruba bölünerek ya da öğrenciler konferans salonlarına alınarak öğretmenlerin de yardımlarıyla öğrencilere daha uygun cevaplama ortamı sağlanmıştır.

6. Verilerin Analizi

Araştırmada uygulanan ve 20 adet çoktan seçmeli sorudan oluşan mekanik enerjinin korunumu kavram testi maddelerinin her birinin tek doğru seçeneği vardır. Öğrencilerin kavram testine verdikleri doğru cevaplar 1, yanlış cevaplar 0 şeklinde puanlandırılarak öğrencilerin cevaplarına ilişkin bilgisayar istatistik programında bir data oluşturulmuştur. Bu data yine bu programla değerlendirilerek standart sapma, seçeneklere ve doğru/yanlış cevaplara ait frekans değerleri ve yüzde oranları gibi istatistik hesaplamalar yapılmıştır.

7. Bulgular

Geliştirilen mekanik enerjinin korunumu kavram testinde, sarmal yay sistemi ile ilgili olarak beş test maddesi yer almaktadır. Sorular orta öğretim fizik programı içeriğini temsil edecek şekilde seçilmiştir. Bu sorularda, sarmal bir yayın, belli bir miktarda sıkışma/uzanım ve belirtilen bir genlikte basit harmonik hareket yapması durumlarına ait temel kavramlara yer verilmiştir. Öğrencilerin sorulara verdikleri cevaplar istatistiksel olarak değerlendirilmiş ve öğrenci cevaplarının seçeneklere göre dağılımı, her bir seçeneğe ait frekans ve de yüzde değerleri hesap edilerek tablo hâline getirilmiştir. Bununla birlikte, öğrencilerin ne kadarının aşağıda belirtilen sorulara doğru/yanlış cevap verdikleri ile ilgili sayısal değerler de aynı tabloda belirtilmiştir. Bu frekans ve yüzde değerleri dikkate alınarak, öğrencilerin, sarmal yay içeren sistemlerde mekanik enerjinin korunumu hakkında sahip oldukları kavram yanılgıları tespit edilerek yorumlanmıştır.

Tablo 1. Öğrencilerin, sarmal yay içeren sistemlerde mekanik enerjinin korunumu ile ilgili sorulara verdikleri cevapların istatistiksel analizi (koyu yazılan sayılar doğru cevapları belirtmektedir.)

S: Standart sapma  N_d :Doğru cevap veren öğrencilerin sayısı   N_y :Yanlış cevap veren öğrencilerin sayısı

Soru-1’den elde edilen bulgular ve yorumlar:

Yandaki şekilde h yüksekliğinden serbest bırakılan m kütleli bir cisim, yay sabiti k olan yayı x kadar sıkıştırıyor. Bu olayda, m kütleli cismin yayı sıkıştırmaya başladığı ilk andaki (yaya ilk değme noktasındaki) hızı hangi niceliklere bağlıdır? (yüzeyler sürtünmesizdir, g: yerçekimi ivmesi.)

a) g,h   b) g,x,h,m   c) g,h,m    d) g,h,m,k,x

Bu soruda, öğrencilerin belli bir yükseklikten bırakılan bir cismin, sarmal yaya ilk değme noktası için, ilk ve son durumlarına ait toplam enerji değerlerini karşılaştırabilmeleri amaçlanmıştır. Elde edilen veriler doğrultusunda, öğrencilerin sadece %9,7’i, cismin hızının yerçekimi ivmesi ve yüksekliğe bağlı olduğunu belirterek doğru cevap vermiştir. Yanlış bir şekilde; öğrencilerin %36,5‘i, cismin hızının, yerçekimi ivmesi, yükseklik ve cismin kütlesine; %35,5’i, yerçekimi ivmesi, yükseklik, cismin kütlesi, yay sabiti ve yayın sıkıştırılma miktarına; %14,2‘si, yerçekimi ivmesi, yükseklik, cismin kütlesi ve yayın sıkıştırılma miktarınabağlı olduğunu savunmuştur. %4,2’si ise bu soruyu cevapsız bırakmıştır.  

Sonuç olarak öğrencilerin %36,5’inin, cismin sarmal yaya ilk değme noktası için sistemin toplam enerji değerini tanımlayabildiği, fakat bu tanımlamaya aykırı olarak cismin hızının kütlesine bağlı olacağı şeklinde yanlış bir çıkarım yaptığı gözlenmiştir. Öğrencilerin %35,5’ninse, sadece gravitasyonel potansiyel enerji ve  kinetik enerjilerin dikkate alınmasının gerekli olduğu bu sistemde, sarmal yayın esneklik potansiyel enerjisine ait nicelikleri de dahil ederek mekanik enerjinin korunumunda esas olan “sistemin sahip olduğu enerjilerin formlarının tanımlanması” hususunda yanlış bir düşünce tarzına sahip olduğu tespit edilmiştir. Öğrencilerin %14,2’sininse; sistemin toplam enerji değerine ait parametreleri yanlış ifade etmekle birlikte, yay sabitini esneklik potansiyel enerji değerini etkileyen bir nicelik olarak algılamadığı belirlenmiştir. Genel olarak değerlendirildiğinde; öğrencilerin %86,1’nin, korunumlu bir sistemde belirli bir toplam enerji değeriyle hareket eden bir nesnenin, sistem içerisinde tanımlanan herhangi bir durumda sahip olacağı enerji formlarıyla ilgili yanlış  kavrayışlara sahip olduğu gözlenmiştir.

Soru-2 için elde edilen bulgular ve yorumlar:

Yukarıdaki şekilde özdeş yaylar eşit miktarlarda sıkıştırılarak önlerine m₁ ve m₂ kütleli bloklar konuyor. Bloklar serbest bırakılınca eğik düzlemlerde h₁ ve h₂ yüksekliklerine çıkabiliyorlar. h₁> h₂ ve tüm yüzeyler sürtünmesiz ise aşağıdakilerden hangisi doğrudur?

a) m₁ < m₂ dir.

b) j < q  dir.

c) m₁ kütlesinin A noktasındaki hızı, m₂ kütlesinin B noktasındaki hızından  küçüktür.

d) m₁ kütlesinin A noktasındaki hızı, m₂ kütlesinin B notasındaki hızına eşittir.

Bu soruda öğrencilerin, özdeş olan ve eşit miktarda sıkıştırılan yayların önlerine konularak fırlatılan farklı kütlelerin, ilk ve son enerji değerlerini karşılaştırabilmeleri ve kütlelerin kazanacakları enerji değerlerini etkileyen niceliklerin neler olduğunu fark edebilmeleri amaçlanmıştır. Sonuçta, başlangıçta enerjileri aynı olan kütlelerin, son durumda da enerjilerinin aynı olabilmesi için m₁ < m₂  olması gerektiğini düşünerek doğru cevap veren öğrencilerin oranı %34,2 olarak tespit edilmiştir. Yanlış bir şekilde, bu görüşü paylaşmayanların oranı ise %58,1’dir. %7,7’lik kısmı ise bu soruyu cevapsız bırakmıştır. Öğrencilerin %11,9’nun; m₁ kütlesinin A noktasındaki hızının, m₂ kütlesinin B noktasındaki hızından küçük; %11,6’sının ise, m₁ kütlesinin A noktasındaki hızının, m₂ kütlesinin B noktasındaki hızına eşit olacağı şeklinde yanlış bir görüşe sahip olduğu belirlenmiştir.

Genel olarak değerlendirildiğinde; öğrencilerin %58,1’inin, korunumlu bir sistemde hareket eden cisimlerin toplam enerji değerleri birbirine eşitse, sistem içerisinde tanımlanan tüm durumlarda da eşit olacağı ve yükseklik farkından doğacak gravitasyonel potansiyel enerji değerindeki farklılığın, cisimlerin sahip oldukları kütle değerlerindeki farklılıkla dengeleneceği düşüncesine aykırı olarak yanlış kavramlar geliştirdiği tespit edilmiştir. Ayrıca öğrencilerin %34,5’inin, sistem içerisinde yer alan eğik düzlemlerin eğim açılarını karşılaştırabilmelerine olanak sağlayacak bir bilgi olmadığı hâlde, bu karşılaştırmayı yapmaları ilgi çekicidir.

Soru-3 için elde edilen bulgular ve yorumlar:

A konumuna kadar sıkıştırılan yayla bir bilye yandaki şekildeki gibi fırlatılıyor. Bilye yayı B konumunda terk ediyor ve Z noktasına kadar  yükseliyor. Sistemin sahip olduğu toplam enerji E ise hangi noktada sistemin enerji değeri en büyük olur? (sürtünme ve hava direnci ihmal ediliyor)                               

a)B    b)C    c)Z   d)hepsinde sistemin enerji değeri aynıdır.

Bu soruda, öğrencilerin, belli bir miktarda sıkıştırılan sarmal bir yayla düşey olarak yukarı fırlatılan bir bilyenin, izleyeceği yörünge üzerindeki bazı noktalarda  sahip olacağı toplam enerji değerlerini, ilk durumdaki enerji değeri ile karşılaştırabilmeleri amaçlanmıştır. Sistemin toplam enerji değerinin değişmeyeceğini ifade ederek bu soruyu doğru cevaplandıranların oranı %35,2’dir. Yanlış bir şekilde, sistemin toplam enerji değerinin, bilyenin izlediği yörünge üzerindeki bazı noktalarda değişebileceğini iddia edenlerin oranı ise %59,1’dir. Öğrencilerin %5,8’i ise bu soruya cevap vermemiştir.

Sonuç olarak; öğrencilerin %22,3’nün, bilye korunumlu bir sistemde hareket etmesine karşın, bilyenin maksimum yüksekliğe ulaşması durumunda toplam enerji değerinin ilk durumdaki değerden fazla olacağı şeklinde bir yanılgıya sahip olduğu gözlenmiştir. Öğrencilerin %21,0 ve %15,8’ninse, yanlış bir şekilde bilyenin maksimum yüksekliğe ulaştığı nokta ile harekete başladığı nokta arasında izleyeceği yörünge üzerinde belirtilen noktalarda toplam enerji değerinin daha fazla olacağını iddia ettiği belirlenmiştir. Genel olarak değerlendirildiğinde, öğrencilerin %59,1’nin, mekanik enerjinin korunumu kanununa aykırı olarak, korunumlu bir sistemde hareket eden nesnenin toplam enerji değerinin, sistem içerisinde tanımlanan farklı noktalarda farklı olacağı yönünde yanlış bir kavrayışa sahip olduğu tespit edilmiştir.

Soru-4 için elde edilen bulgular ve yorumlar:

Yandaki şekilde, yaya bağlı m kütlesi denge konumundan X_min uzaklığa çekilerek bırakılıyor. Bırakıldıktan sonra m kütlesi önce K (denge) noktasından geçiyor ve sonra X_mak konumuna ulaşıyor. Bu olaydaki mekanik enerji durumunu en iyi şekilde ifade eden grafik aşağıdakilerden hangisidir? (ortam sürtünmesizdir)

a) T.M.E (j)                  b) T.M.E.(j)                        c) T.M E.(j)                  d) T.M.E. (j)

Bu soruda öğrencilerin, sarmal bir yaya bağlı bir kütlenin, belirli bir genlikte basit harmonik hareket yapması durumunda toplam enerjisinin nasıl değişeceğini grafiksel olarak belirleyebilmeleri amaçlanmıştır. Öğrencilerin %30,6’sı bu soruya doğru cevap vererek toplam enerjideki değişimin sıfır olacağını ifade edebilmiştir. Yanlış bir şekilde %14,2’si konum ile toplam enerji arasında doğrusal, %18,7 ve %17,7’si ise parabolik bir ilişki olduğunu belirtmiştir. %18,7’si de bu soruyu cevapsız bırakmıştır.

Sonuç olarak; öğrencilerin %18,7 ve %14,2’sinin, harcayıcı kuvvetlerin bulunmadığı bir ortamda basit harmonik hareket yapan sarmal yay ve bu yayın ucuna tutturulmuş bir kütlenin oluşturduğu sistemin toplam enerji değerinin, yayın maksimum uzama ve sıkışma durumlarında sıfır, fakat yay denge konumundan geçerken en fazla olacağı şeklinde yanılgılara sahip olduğu belirlenmiştir. %17,7’sininse, sistemin toplam enerji değerinin, yayın maksimum uzama ve sıkışma durumlarında en fazla, kütle denge konumundan geçerken sıfır olacağı yönünde yanlış bir kavrayışa sahip olduğu tespit edilmiştir.

Soru –5 için elde edilen bulgular ve yorumlar:

Yandaki düzenekte bir yaya tutturulmuş m kütleli bir blok eğik düzlem üzerinde bulunmaktadır. Eğik düzlem sürtünmesizdir. Yaya bağlı blok serbest bırakılarak kaymasına izin veriliyor ve yay uzuyor. Yayın maksimum uzadığı anda blok yaydan kurtuluyor. Bu olayda, aşağıda tanımlanan hangi sistem için mekanik enerjideki değişim sıfır olur?

a) Sadece  kütlenin oluşturduğu sistem.

b) Kütle ve yayın oluşturduğu sistem.

c) Kütle, yay ve eğik düzlemden oluşan sistem.

d) Kütle, yay, eğik düzlem ve yeryüzünden oluşan sistem.

Bu soruda öğrencilerin, mekanik enerjinin korunumunda, tanımlanan bir sistemi bütün olarak değerlendirebilmeleri amaçlanmıştır. Bu soruda sistemin, yay, eğik düzlem, kütle ve yeryüzünden oluşacağını belirterek doğru cevap verenlerin oranı %13,9’dur. Yanlış bir şekilde, sistemin bileşenlerinin, sadece kütleden oluşacağını belirtenlerin oranı %14,8, kütle ve yaydan oluşacağını belirtenlerin oranı %17,1, kütle, yay ve eğik düzlemden oluşacağını belirtenlerin oranı ise %31,6’dır. %22,6’lık bir kısmı ise bu soruyu cevapsız bırakmıştır.

Sonuç olarak; öğrencilerin % 31,6’sı, kütle, sarmal yay ve eğik düzlemi sistemi oluşturan bileşenler olarak tanımlarken yeryüzünü bu sisteme dahil etmemiştir. Bu öğrencilerin, bir cismin kazanacağı gravitasyonel potansiyel enerjiyi yeryüzünün sağladığının farkında olmadıkları belirlenmiştir. Öğrencilerin %17,1’ninse; eğik düzlemin cisme yükseklik dolayısıyla gravitasyonel potansiyel enerji değeri kazandıracağı ve %14,8’ninse bununla birlikte, sarmal yayın cisme esneklik potansiyel enerji değeri sağlayacağı kavrayışına sahip olmadığı tespit edilmiştir. Genel olarak değerlendirildiğinde, öğrencilerin %63,5’nin mekanik enerjinin korunumu için tanımlanan bir sistemin bileşenlerini analiz edemediği gözlenmiştir.

8. Sonuç ve Tartışma

Kavram testinde, sarmal yay sisteminde mekanik enerjinin korunumu ile ilgili beş test maddesine verilen cevaplar, öğrencilerin bu konu hakkındaki kavramsal sıkıntılarını ortaya çıkarmıştır. Örnek olarak, korunumlu bir sistemde, sıkıştırılmış sarmal bir yayla düşey olarak yukarı fırlatılan bir cismin toplam enerjisinin, maksimum yükseklikte en fazla olacağını düşünen öğrencilerin oranı %22,3 ve toplam enerjinin yüksekliğe bağlı olarak değişeceğini savunanların oranı ise %59,1’dir (soru 3).Benzer bir şekilde, öğrencilerin %50,6’sı, korunumlu bir sistemde basit harmonik hareket yapan bir kütlenin toplam enerjisi konumun bir fonksiyonudur görüşünü paylaşmaktadır (soru 4). Gravitasyonel potansiyel enerji, esneklik potansiyel enerji ve kinetik enerji formlarına sahip olan bir sistemin toplam enerjisinin tanımlanmasında, yeryüzünün bu sistemin bir bileşeni olmadığı yanılgısına sahip olan öğrencilerin oranı ise %63,5’tir (soru 5).

Öğrenciler, korunumlu sistemlerde toplam enerji değerinin sabit kalacağına aykırı olarak yanılgılar geliştirmiştir. Öğrencilerin bir kısmı, tanımlanan bir sistemin sahip olduğu enerji formlarındaki değişimlere rağmen, sistemin toplam enerji değerinde herhangi bir değişim olmayacağının farkında değildirler. Enerjinin korunumuyla ilgili olarak tanımlanan sistemlerin analizleri hakkında öğrencilerin yanlış kavrayışları dikkat çekmektedir. Öğrenciler, enerjinin korunumu için tanımlanan sistemlerin bileşenlerini analiz ederlerken sisteme ya da sistem içerisinde hareket eden nesnelere çeşitli enerji değerleri sağlayan bileşenleri ihmal etmektedirler. Bu sıkıntı, yeryüzünün dahil edilmesi gereken sistemde belirgin bir şekilde ortaya çıkmaktadır. Öğrenciler, yeryüzünün (dolayısıyla yerçekimi ivmesinin), gravitasyonel potansiyel enerjinin var olmasını sağlayan bir bileşen olduğunun farkında değildirler. Ayrıca öğrencilerin sahip oldukları doğru kavramlarla ilgili sıkıntıları vardır. Üçüncü ve dördüncü sorularda öğrencilerin, tanımlanan sistemlerde hareket eden cisimlerin toplam enerji değerlerinin, cisimlerin hareket ederken izledikleri yörünge üzerinde belirtilen farklı konumlarda nasıl değişeceğini ifade edebilmeleri amaçlanmış olmasına karşın bu sorulara ait istatistiksel verilerdeki farklılık göze çarpmaktadır.

9. Öneriler

Kavram yanılgıları genelde, problemleri çözmek için gerekli olan muhakeme yeteneğinin altında saklı olan eksik anlamayı basit bir şekilde aksettirir. Çoğu öğrenci, geleneksel fen anlama değerlendirmelerinde, sadece ve sadece doğru bir şekilde bilinen ve bilinmeyen değişkenleri tanımlamayı ve bu değişkenleri doğru formülde yerine yerleştirerek doğru cevabı ortaya çıkarma becerisi kazanır. Kavram öğretimine ağırlık verilmediğinde, yanlış kavramlar öğrenmeye ciddi bir şekilde engel olabilmektedir. Yanlış kavramlar derhal düzeltilmezse öğrencileri takip eden akademik kariyerlerinde uyuşmazlıklara sürüklemektedir; çünkü daha ileriki fizik öğrenimi için bazı konularda derinliğine kavramsal öğretim çok önemlidir (Sandanand ve Kess, ; Dobson, ; Feldsine, ; Schultz, Murray, Clement ve Brown, ; Riche, ; Saunders ve Shepardon, ).

Bilimsel doğrulara uygunluk gösteren kavramların öğretilmesi ve bu yönde kavramsal değişimlerin oluşturulması, fen öğretiminin hedefleri arasında yer alan başlıca bileşenlerdir. Bu nedenle son yıllarda fen öğretiminde kavram yanılgılarının ortaya çıkarılması ve giderilmesine yönelik stratejilerin  geliştirilmesi giderek önem kazanmaktadır. Öğrencilerin fen konuları ile ilgili öğrenme güçlüklerinin belirlenmesi ve anlamlı öğrenmenin sağlanması, fen öğretiminde öncelik verilen çalışmalar hâline gelmiştir. Bu çalışmalar sonucunda, istenilen kavram öğretiminin gerçekleştirilmesine yardımcı olacak kavramsal değişim metinleri, kavram haritalama metodu, serbest cisim diyagramları ve analoji (benzeştirme metodu) gibi yeni başlıklar ortaya çıkmıştır. Fen öğreticilerinin kavram öğretimini destekleyecek yeni öğretim stratejilerinden haberdar olmaları ve bunları sınıflarında uygulamaları, öğrencilerin sahip oldukları yanılgıların teşhis ve tedavisini kolaylaştıracaktır. Bunların yanı sıra, öğretimin bir parçası olan ders kitaplarının öğrencilerin yanlış kavramlar geliştirmelerine engel olacak şekilde hazırlanmasının da kavramsal boyutta yaşanan sıkıntıların giderilmesi için önemli olduğu göz önünde bulundurulmalıdır.

Kaynakça

Baki, A. (). Cebirle İlgili İşlem Yanılgılarının Değerlendirilmesi. III. Fen Bilimleri Eğitimi   Sempozyumu. M.E.B. ÖYGM.

Committee on Undergraduate Science Education. (). Science teaching reconsidered: a handbook by the National Academy Press.

Çakır, S.Ö. ve Yürük, N. (). Oksijenli ve Oksijensiz Solunum Konusunda Kavram Yanılgıları Teşhis  Testinin Geliştirilmesi ve Uygulanması. III. Fen Bilimleri Eğitimi Sempozyumu. M.E.B. ÖYGM.

Dobson, K. (). The Experience of physics. Physics Education. 20, –

Feldsine, J. E. (). Distinguishing student misconception from alternate conceptual frameworks through the construction of concept maps. Proceedings of the Second International Seminar Misconceptions and Educational strategies in Science and Mathematics. Vol I, Cornell University.

Hammer, D. (). How many alternative perspectives of cognitive structure influence instructional perceptions and intentions? Journal of Learning Sciences. 5, (2),

Linder, C. J. (). A Challenge to conceptual change. Science Education. 77, –

Marioni, C. (). Aspects of student’s understanding in classroom settings: Case studies on motion and inertia. Physics Education. 24, –

Mazur, E. (). Peer Instruction: A User’s Manual. Harvard University. Prentice Hall Series in Educational Innovation.

Mestre, J. ve Touger, J. (). Cognitive research - What’s in it for physics teachers?The Physics Teacher. 27,

Riche, R. D. (). Strategies for Assisting Students Overcome Their Misconceptions in High School Physics. Memorial University of Newfoundland Education

Rowell, A. J. Dawson, C. J. ve Harry, L. (). Changing Misconceptions: a challenge to science education.International Journal Science Education. 12, 2,

Sandanand, N. ve Kess, J. (). Concepts in force and motion. The Physics Teacher. Nov. 28, –     

Saunders, W. L. ve Shepardon, D. A. (). Comparison of Concrete and Formal Science Instruction upon Science Achievement and Reasoning Ability of 6th Grade Students. Journal of Research in Teacing. 24 (1),

Schultz, K. Murray, T., Clement, J. ve Brown, D. (). Overcoming misconceptions with a computer based tutor. Proceedings of the Second International Seminar Misconceptions and Educational Strategies in Science and Mathematics. Vol III, Cornell University, –

Stepans, J. (). Targeting Students’ Science Misconceptions: Physical Science Concepts Using the Conceptual Change Model. Riverview, Fla.: Idea Factory.

Tao, P. K. ve Gunstone, R. F. (). The process of conceptual change in force and motion during computer supported physics instruction. Journal of Research in Science Teaching. (36), –  

Terry, C. Jones, G. ve Hurford W. (). Children’s conceptual understanding of forces and equilibrium. Physics Education. 20, –

Tytler, R. (). The nature of students’ informal science conceptions. International Journal of Science Education. 20, (8),

Wandersee,  J.   H.  Mintzes,  J. J. ve  Novak,  J.  D. ().  Research on alternative conceptions in science in Gabel. Dorothy J. Handbook of Research on Science Teaching and Learning. MacMillan New York.

Wessel, W. (). Knowledge Construction in High School Physics: A Study Student Teacher Interaction. Saskatchewan School Trustees Association Research Centre Report.

STUDENTS’ MISCONCEPTIONS ABOUT CONSERVATION OF MECHANICAL ENERGY IN HELITICAL SPRING SYSTEM

Abstract

This study has been conducted to explore grade 10 th students’ misconceptions about conservation of mechanical energy which is a subject included in secondary school physics curriculum in Turkey. For this purpose the conceptual test of conservation of mechanical energy was developed. This conceptual test was given to 10th graders in 6 selected high schools in the city of Ankara. The analysis of the data revealed that the students had conceptual difficulties about conservation of mechanical energy. In this paper, one part of the study, has been discussed students’ misconceptions about conservation of mechanical energy in helitical spring system.

Key words: Conservation of mechanical energy, misconceptions.