Investigation of mental models of turkish pre-service physics students for the concept of “spin”

Problem Durumu: Öğrencilere atom altı parçacıklardan oluşan dünyanın özelliklerini ve kavramlarını öğretmek istiyorsak, onların öğrenmelerini zorlaştıracak veya zihinlerinde yanlış modeller oluşturmalarını sağlayacak klasik fizik yasalarını temel olan çizimlerden ve kavramlardan kaçınmamız gerekir. Öğrenciler, günlük yaşantıları yoluyla geliştirmiş oldukları ön kavramlara sahip olarak sınıf ortamına gelirler. Çoğu zaman bilimsel gerçeklerle çelişen bu düşünceler kavram yanılgıları olarak ifade edilir. Öğrencilerin sahip oldukları kavramlar ile derslerde öğrendikleri yeni kavramlar arasında bir bağ oluşturulmalı ve yanlış kavramlarının doğru olanlarla değiştirilmesi öğretim sürecinde desteklenmelidir. Bu nedenle fizik eğitimi araştırmacılarının öğrencilerin yaşadıkları makro çevre ile ilgili sezgisel algılarına odaklanarak bu algıları tanımlamak ve algıların atom altı parçacıklardan oluşan dünya için geçerlik sınırlarını etraflıca ortaya koymaları önemlidir. Farklı tipteki öğrenci zorlukları arasında, yapılandırılmış bilişsel kavramlar veya zihinsel model kaynaklı araştırmalar fizik eğitimcilerinin ilgiyle çalıştıkları konulardır. Zihinsel modeller, öğrencilerin değişik bilimsel kavram ve fikirleri betimleme yollarını ortaya koymak için yapılan fizik eğitimi araştırmalarının odak noktasını oluşturmuştur. Atom altı parçacıklardan oluşan mikroskobik dünyanın soyut doğasından dolayı, öğrencilerin atomun yapısıyla ilgili zihinsel modellerin ve anlama düzeylerinin araştırılması fizik eğitimi alanında oldukça önemli bir yere sahiptir. Alan yazında oldukça yoğun çalışılmış olan atomun yapısıyla ilgili araştırmaların aksine bu çalışma da yine atomun yapısı kadar önemli ve önce ki araştırmalarda hiç çalışılmamış bir kavram olan spin kavramı ile ilgili öğrencilerin zihinlerinde oluşturdukları modellerin neler olduğu sorusuna cevap aranmıştır. Araştırmanın Amacı: Konuyla ilgili yapılan literatür araştırmasında öğrencilerin spin kavramıyla ilgili zihinsel modelleri ve bu kavramla ilgili öğrenme zorluklarına rastlanmamıştır. Bu noktadan hareketle yapılan bu çalışmada amaç (a) üniversite birinci sınıfta eğitim gören fizik öğretmen adayları ile üniversite üçüncü sınıfta eğitim gören fizik öğretmen adaylarının spin kavramına yönelik geliştirdikleri zihinsel modelleri tespit etmek ve bu kavrama yönelik alternatif kavramlarını ortaya koymak ve (b) kuantum fiziğinde önemli bir yere sahip olan bu kavramla ilgili öğrencilerin sahip oldukları yanlış anlamaları alan yazına kazandırmaktır. Araştırmanın Yöntemi: Öğrencilerin spin kavramına yönelik zihinsel modellerini belirleyebilmek için üniversite birinci sınıfta öğrenim gören 24 ve üniversite üçüncü sınıfta öğrenim gören 25 öğretmen adayı ile yarı yapılandırılmış görüşmeler gerçekleştirilmiştir. Görüşmeler yoluyla toplanan nitel verilerin analizi neticesinde öğretmen adaylarının spin kavramına yönelik zihinsel modelleri üç temel model altında toplanmıştır.

Fizik öğretmeni adaylarının spin kavramına yönelik zihinsel modellerinin araştırılması

Problem Statement: Difficulties in the learning process usually emerge from the problem of mental representations constructed by students in their interactions with the world. This previous knowledge and these ideas are in contradiction with scientific facts, and are known as misconceptions or alternative ideas. Thus, an analysis of the mental models can provide very valuable information in understanding students’ ideas and learning processes. Purpose of Study: The present study aims to determine pre-service physics teachers’ understanding of and difficulties with spin concept via mental models, which can be drawn from students’ reasoning both at introductory and advanced levels. Methods: In determining the participants, a purposeful sampling method was used so that the questions the study focuses on would be better illuminated. The qualitative data used in the study was gathered via interviews with the students. All of the interviews were conducted one on one by the researcher in the class environment. Findings and Results: The data gathered through interviews were analyzed both qualitatively and quantitatively, and the mental models formed by students about the concept of spin were determined. The categories codified as “mental models” reflect the mental models of students concerning the concept of spin and were categorized as “quantum model,” “classical model,” and “without any model.” Conclusions and Recommendations: As a result of this examination, it was seen that the students’ models related to the concept of atom and the models related to the concept of spin show similarities. One of the main reasons for the occurrence of such similar thought processes was that students from both groups attribute classical meanings to these concepts (spin and atom). It was not by chance that students who know of the classical atom model (Bohr’s atom model) also consider the concept of spin as the rotation of an object around its own axis. This case signifies to what extent their ideas about the structure of an atom is influenced by the atom models they learned in modern physics classes during their high school years. Therefore, it is necessary that the quantum model of atom is emphasized through modern atom theories and through the concept of probability, especially at the high school level, because the concept of probability is an important gateway that facilitates the transition from Bohr’s atom model to the quantum atom model.

PDF

___

Aygün, E., & Zengin, M. (1998). Kuantum Fiziği [Quantum Physics]. Ankara: Barışcan Ofset Ltd. Şti. Bao, L., & Redish, E. F. (2002). Understanding probabilistic interpretation of physical systems: A prerequisite to learning quantum physics. American Journal of Physics, 70(3), 210-217.
Barnett, M. R., Mühry, H., & Quinn, H. R. (2000). The Charm of Strange Quarks – Mysteriesand Revolutions of Particle Physics. New York: Springer. Bernstein, J., Fishbane, P. M., & Gasiorowicz, S. (2000). Modern Physics. Prentice-Hall USA. Budde, M., Niedderer, H., Scott, P., & Leach, J. (2002). “Electronium”: a quantum atomic teaching model. Physics Education, 37(3), 197-203.
Çataloğlu, E., & Robinett, R. W. (2002). Testing the development of student conceptual and visualization understanding in quantum mechanics through the undergraduate career. American Journal of Physics, 70(3), 238-251.
Cohen, L., Manion, L., & Morrison, K. (2007). Research Methods in Education (6th Edition). New York: Routledge. Dereli, T., & Verçin, A. (2000). Kuantum Mekaniği 2 [Quantum Mechanics 2]. Ankara: Metu Press.
Duit, R. (1995). Vorstellungen und Lernen von Physik und Chemie. Zu den Ursachen vieler Lernschwierigkeiten. PLUS LUCIS. Verein zur Förderung des Physikalischen und Chemischen Unterrichts, 2, 11-18.
Duit, R., & Treagust, D. F. (1995). Students’ conceptions and constructivist teaching approaches In B. J. Fraser, & H. J. Walberg (Eds.). Improving Science Education. Chicago: The University of Chicago Press, 46–69. Feynman, R. Leighton, R., & Sands, M. (1963–1965). The Feynman Lectures on Physics. ReadingMA: Addison-Wesley. Fischler, H., & Lichtfeldt, M. (1992). Modern physics and conceptions.International Journal of Science Education, 14(2), 181-190.
students’ Gentner, D. (1983). Structure-mapping A theoretical framework for analogy. Cognitive Science, 7(2), 155-170.
Greca, I. M., & Moreıra, M. A. (2000). Mental Models, Conceptual Models and Modeling. International Journal of Science Education, 22(1), 1–11.
Greca, I. M. & Moreira, M. A. (2001). Mental, physical, and Mathematical Models in the Teaching and Learning of Physics. Science Education, 86(1), 106–121.
Ireson, G. (2000). The quantum understanding of pre-university physics students. Physics Education, 35(1), 15-21.
Johnson-Laird, P. N. (1983). Mental Models: Toward a Cognitive Science of Language Inference and Consciousness. Harvard University Press. Johnston, I. D., Crawford, K., & Fletcher, P. R. (1998). Student difficulties in learning quantum mechanics. International Journal of Science Education, 20(4), 427-446.
Müller, R., & Wiesner, H. (2002). Teaching quantum mechanics on an introductory level. American Journal of Physics, 70(3), 200-209.
Niedderer, H., & Bethge, T. (1995). Students’ conceptions in quantum physics. Retrieved from http://www.idn.uni-bremen.de/pubs/Niedderer/1995-AJP- TBHN.pdf. Norman, D. A. (1983). Some observations on mental models, In D. A. Gentner & A .L. Stevens (ed)., Mental Models: Lawrence Erlbaum Hillsdale NJ. Park, E. J. (2006). Student Perception and Conceptual Development as Represented by Student Mental Models of Atomic Structure. Published doctoral thesis. The Ohio State University. Park, E. J., & Light, G. (2009). Identifying Atomic Structure as a Threshold Concept: Student mental models and troublesomeness. International Journal of Science Education, 31(2), 233-258.
Patton, M. Q. (2002). Qualitative research and evaluation methods. USA: Sage Publication. Şen, A. I. (2002). Concept Maps as a Research and Evaluation Tool to Asses Conceptual Change in Quantum Physics. Science Education International, 13(4), 14–24.
Singh, C. (2001). Student understanding of quantum mechanics. American Journal of Physics, 69(8), 885-896. Strauss, A. L., & Corbin, J. (1990). Basic of qualitative research: Grounded theory procedures and techniques. Newbury Park CA: Sage. Strnad, J. (1981). Quantum physics for beginners. Physics Education, 16(2), 88-92.
Styer, D. F. (1996). Common misconceptions regarding quantum mechanics. American Journal of Physics, 64(1), 31-34.
Treagust, D., Duit, R., & Nieswandt, M. (2000). Sources of students' difficulties in learning Chemistry. Educación Química, 11(2), 228-235. Turkish Ministry of National Education. (2008). Retrieved on March 20 2011 from http://www.fizikprogrami.com.