Embed Size (px)
Citation preview
SVEUČILIŠTE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU
ODJEL ZA FIZIKU
SANJA GANZBERGER
PROVJERA KONCEPTUALNOG RAZUMIJEVANJA
ELEKTROMAGNETIZMA CSEM TESTOM KOD
STUDENATA TEHNIČKIH FAKULTETA NA
SVEUČILIŠTU U OSIJEKU
Diplomski rad
Osijek, 2012
i
SVEUČILIŠTE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU
ODJEL ZA FIZIKU
SANJA GANZBERGER
PROVJERA KONCEPTUALNOG RAZUMIJEVANJA
ELEKTROMAGNETIZMA CSEM TESTOM KOD
STUDENATA TEHNIČKIH FAKULTETA NA
SVEUČILIŠTU U OSIJEKU
Diplomski rad
predloţen Odjelu za fiziku Sveučilišta J. J. Strossmayera u Osijeku
radi stjecanja zvanja magistra edukacije fizike i informatike
Osijek, 2012
ii
"Ovaj diplomski rad je izraĎen u Osijeku pod vodstvom prof. dr. sc. Vanje
Radolića i dr. sc. Ţeljke Mioković u sklopu Sveučilišnog diplomskog studija
fizike i informatike na Odjelu za fiziku Sveučilišta
Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku".
SADRŢAJ :
1. UVOD ..................................................................................................................................................... 1
2. TEORIJSKI DIO ..................................................................................................................................... 3
2.1. Edukacijski konstruktivizam ............................................................................................................ 3
2.2. Pretkoncepcije u elektricitetu i magnetizmu ..................................................................................... 7
2.3. Identifikacija pretkoncepcija pomoću konceptualnih testova ........................................................... 9
2.4. Parametri statističke analize ........................................................................................................... 10
3. EKSPERIMENTALNI DIO .................................................................................................................. 14
4. REZULTATI I RASPRAVA ................................................................................................................ 17
5. ZAKLJUČAK ....................................................................................................................................... 30
6. LITERATURA ...................................................................................................................................... 31
7. ŢIVOTOPIS .......................................................................................................................................... 32
8. DODATAK ........................................................................................................................................... 33
Sveučilište J. J. Strossmayera u Osijeku Diplomski rad
Odjel za fiziku
PROVJERA KONCEPTUALNOG RAZUMIJEVANJA
ELEKTROMAGNETIZMA CSEM TESTOM KOD STUDENATA
TEHNIČKIH FAKULTETA NA SVEUČILIŠTU U OSIJEKU
SANJA GANZBERGER
Saţetak
Istraţivanje konceptualnog razumijevanja elektriciteta i magnetizma provedeno je na
populaciji studenta tehničkih fakulteta Sveučilišta u Osijeku. Kao dijagnostički instrument
korišten je općepoznati američki CSEM test višestrukog izbora pomoću kojeg se moţe provjeriti
razumijevanje nekih temeljnih fizikalnih koncepata iz elektriciteta i magnetizma te
dijagnosticirati poteškoće koje učenici/studenti imaju pri njihovom usvajanju. Dobiveni rezultati
su analizirani statističkim postupcima u okviru klasične test-teorije kojima je odreĎena
pouzdanost i diskriminacija cjelokupnog testa kao i odnos pojedinih zadataka prema
cjelokupnom testu. Srednja uspješnost rješavanja CSEM testa je u dobrom slaganju kako s
izvornim istraţivanjem tako i s ranije provedenim testiranjem studenata u Hrvatskoj. Izračunati
statistički parametri pokazuju da se test moţe primjenjivati kao dijagnostički alat za procjenu
razumijevanja temeljnih fizikalnih koncepata u elektromagnetizmu. Identificirane su i neke
studentske pretkoncepcije povezane s poteškoćama u razumijevanju pojedinih koncepata unutar
konceptualnog područja elektromagnetske indukcije te primjene Newtonovih zakona u kontekstu
elektromagnetizma.
(46 stranica, 12 slika, 1 tablica, 12 literaturnih navoda)
Rad je pohranjen u knjiţnici Odjela za fiziku
Ključne riječi: CSEM test / Elektricitet i magnetizam / Pretkoncepcije
Mentor: prof. dr. sc. Vanja Radolić
Sumentor: dr. sc. Ţeljka Mioković
Ocjenjivači: prof. dr. sc. Ramir Ristić
mr. sc. Slavko Petrinšak
Rad prihvaćen: 27. veljače 2012.
J. J. Strossmayer University in Osijek Bachelor of Science Thesis
Department of Physics
UNDERSTANDING OF CONCEPTS IN ELECTRICITY AND
MAGNETISM AMONG STUDENTS OF TECHNICAL FACULTIES AT
UNIVERSITY IN OSIJEK
SANJA GANZBERGER
Abstract
The research of conceptual understanding of electricity and magnetism was conducted on
the population of students studying on the technical faculties at the University of Osijek. As a
diagnostic instrument, a well known multiple choice CSEM test was used. With the help of this
test we can study the understanding of some basic physical concepts of electricity and
magnetism and also diagnose the difficulties that pupils/students have during their acquisition.
The obtained results were analysed by statistical procedures within the framework of classical
test-theory which define the reliability and discrimination of the test as a whole, as well as
relation of individual items towards the whole test. The average efficacy of solving the CSEM
test is in accordance with the original research as well as with the earlier testing of students in
Croatia. The calculated statistical parameters show that the test can be applied as a diagnostic
tool for the assessment of basic physical concepts in electromagnetism. Some of the students'
misconceptions were also identified. These misconceptions were related to the difficulties in
understanding of individual concepts within the conceptual field of electromagnetic induction
and the appliance of Newton's laws in the context of electromagnetism.
(46 pages, 12 figures, 1 table, 12 references)
Thesis deposited in Department of Physics library
Keywords: CSEM test / Electricity and magnetism / Misconception“
Supervisor: Vanja Radolić, PhD, Associate Professor
Co-supervisor: Ţeljka Mioković, PhD
Reviewers: Ramir Ristić, PhD, Associate Professor
Slavko Petrinšak, MSc
Thesis accepted: 27th of February 2012
1
1. UVOD
Istraţivanja u području edukacijske fizike, unazad dvadesetak godina, pokazala su da
učenici/studenti već prije nego što započnu izučavati fiziku imaju neke spoznaje o ponašanju
fizikalnih sustava u prirodi. Te učeničke ideje, koje se nazivaju i pretkoncepcijama ili
miskoncepcijama, se često znatno razlikuju od prihvaćenih znanstvenih koncepata, a učenici/
studenti ih se prilično teško ˝rješavaju˝. U procesu poučavanja fizike prisutne pretkoncepcije
negativno utječe na usvajanje znanstveno utemeljenih koncepata. Stoga bi kroz nastavu fizike
studenti trebali unaprijediti svoje razumijevanje znanstvenog procesa, kao što su poboljšanje
sposobnosti kvantitativnog rješavanja problemskih zadataka, poboljšanje vještina pri
eksperimentiranju, poboljšanje razumijevanja fizikalnih koncepata te vještina logičkog
razmišljanja. U današnje vrijeme razvijeni su konceptualni testovi koji se koriste kao
dijagnostički instrumenti za procjenu studentskih znanja i konceptualnog razumijevanja sadrţaja
iz različitih područja fizike kako u tradicionalnim (predavačkim) tako i u naprednim
(interaktivnim) oblicima nastavnog procesa te u različitim stupnjevima obrazovanja.
Istraţivanja pretkoncepcija u elektricitetu i magnetizmu [1, 2] pokazuju da studenti često
imaju poteškoća pri razumijevanju pojava u ovim područjima, jer ih je, zbog njihove apstraktne
prirode, prilično teško vizualizirati, a njihov matematički opis moţe biti prilično sloţen (npr.
ideja električnog, magnetskog polja i elektrostatskog potencijala). Stoga područje
elektromagnetizma pruţa brojne izazove kako nastavnicima pri poučavanju tako i
učenicima/studentima pri učenju ovih fizikalnih sadrţaja. Za razliku od sadrţaja iz mehanike,
konceptualno razumijevanje elektriciteta i magnetizma kod učenika/studenta je puno manje
istraţivano, jer je osmišljavanje kvalitetnog dijagnostičkog instrumenta za mjerenje
razumijevanja ovih koncepata zahtjevniji zadatak u odnosu na procjenu konceptualnog
razumijevanja mehanike. Naime, područje elektromagnetizma je vrlo široko konceptualno
područje, a ono uključuje i studentsko razumijevanje koncepata iz mehanike kao što su sila,
gibanje i energija. Isto tako u području elektromagnetizma većini studenta nisu razumljive
elektromagnetske pojave (terminologija, definicije fizikalnih veličina i fizikalne zakonitosti
meĎu njima), pa time i koncepti koji leţe u njihovoj pozadini. Ovo pitanje (ne)iskustva s
pojavama nasuprot formalizmu (formalizam uključuje matematički izraţene koncepte, zakone i
relacije) je vaţno u elektricitetu i magnetizmu, jer tradicionalni načini poučavanja naglašavaju
formalizam u odnosu na objašnjenje koncepata elektromagnetskih pojava. Zbog toga je pri
2
procjeni konceptualnog razumijevanja elektromagnetizma vrlo bitno odlučiti treba li staviti
naglasak na razumijevanje elektromagnetskih pojava ili je dovoljno samo poznavanje
matematičkog formalizma.
U ovom je radu opisana provedba CSEM testa kod studenata Preddiplomskog i Stručnog
studija elektrotehnike i računarstva Elektrotehničkog fakulteta (ETF), Preddiplomskog studija
prehrambene tehnologije Prehrambeno-tehnološkog fakulteta (PTF), Preddiplomskog studija
graĎevinarstva na GraĎevinskom fakultetu (GF), te Preddiplomskog studija fizike na Odjelu za
fiziku (OF) Sveučilišta Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku. Provjereno je razumijevanje nekih
temeljnih fizikalnih koncepata iz elektriciteta i magnetizma te su identificirane najčešće
studentske pretkoncepcije povezane s poteškoćama u razumijevanju pojedinih konceptualnih
područja.
3
2. TEORIJSKI DIO
2.1. Edukacijski konstruktivizam
Ţivimo u društvu visoke tehnologije i kako bi se uspješno funkcioniralo u takvom društvu
učenici / studenti bi trebali postići prirodoznanstvenu pismenost što podrazumijeva uspješno
učenje fizike. Pokazalo se da prirodoznanstvenu pismenost ne moţemo postići tradicionalnom
nastavom, u kojoj je profesor središnja figura, a učenici pasivni slušači i promatrači. Brojni
rezultati pokazuju da na taj način svega do 20% učenika uspije razviti način mišljenja potreban
za kakvo takvo razumijevanje fizike, dok je za preostalih oko 80% učenika, fizika nerazumljiva i
dosadna, a učenje fizike beskorisno i izvor mnogih frustracija [3]. Zbog takvih rezultata često se
nameće pitanje „Moţemo li tradicionalnom nastavom izgraditi prirodoznanstvenu pismenost kod
učenika / studenta?“ Rješenje za ovo pitanje je u edukacijskom konstruktivizmu.
Edukacijski konstruktivizam je filozofski pravac čije se učenje temelji na pretpostavci da
razmišljajući o našim iskustvima, mi izgraĎujemo vlastito mišljenje o svijetu u kojem ţivimo.
Bitna je razlika spram tradicionalnog pristupa nastavi u tome što se učenik stavlja u prvi plan. On
u nastavnom procesu nije pasivan slušač nego igra aktivnu ulogu, tako da se omogućuje istinski
proces učenja. Ozračje u učionici treba biti tako da omogućuje konstruktivno razmišljanje,
osobno stvaranje ideja i koordiniranu raspravu u kojoj se razmjenjuju mišljenja. Najbolji način
da se to ostvari jest da se fizikalni sadrţaji daju u obliku problemskih situacija u kojim učenici
aktivno sudjeluju.
Sredinom XX. stoljeća se uvidjelo da se tradicionalnim načinom poučavanja ne moţe
doći do kvalitetne prirodoznanstvene pismenosti, pa dolazi do velikog zaokreta u metodici
nastave fizike. Javlja se ideja o nuţnosti interakcije u učenju i poučavanju, a prvi korak u tom
smjeru je načinio švicarski psiholog Jean Piaget u svojoj teoriji kognitivnog razvoja. Sljedeći je
korak bila spoznaja da veliku ulogu u učenju imaju učeničke intuitivne ideje. Treći korak je
pojava edukacijskog konstruktivizma, koji povezuje Piagetove ideje i problematiku
pretkoncepcija te ih povezuje s postignućima filozofije prirodnih znanosti. Njegove su ideje na
velika vrata uvedene u edukaciju prirodnih znanosti i matematike, 1956. godine u velikim
američkim projektima o nastavi fizike, kemije, biologije i matematike. Za daljnji razvoj tog
područja bitne su njegove konstruktivističke ideje o naglašenoj konstruktivnoj ulozi svijesti u
stvaranju i interpretaciji iskustva [3]. Prema Piagetu je najvaţnije da je za kognitivni rast
4
pojedinca bitno njegovo aktivno mentalno sudjelovanje u razrješavanju predočenih problemskih
situacija.
Piagetove ideje su najviše utjecale na metodičare fizike, zbog toga što je često koristio
pitanja i testove s fizikalnom problematikom. Glavni pojam Piagetove teorije je mentalna
struktura [4]. To je mentalni sustav koji organizira funkcioniranje osobe u okruţenju. Mentalnom
strukturom pojedinca je odreĎeno i njegovo ukupno znanje. Znamo da se ponašanje i znanje ljudi
tijekom vremena mijenja, pa su tako i mentalne strukture podloţne promjenama. Prema
Piagetovim idejama, čovjek nije u stanju uočiti stvari i pojave sve dok njegov svijet ne razvije
strukturu koja mu to omogućava. Mentalne strukture razvijaju se kada je čovjek u
meĎudjelovanju s okolinom i one omogućuju svakom djetetu da od samog roĎenja meĎudjeluje s
okolinom. Kako dijete reagira na nova iskustva i informacije u tom meĎudjelovanju, Piaget
uvodi dva različita tipa reakcije i u skladu s njima i dva različita procesa razvijanja mentalnih
struktura: asimilacija i akomodacija [4]. Osoba asimilira (usvaja) nove podatke, iskustvo ili
informaciju u skladu sa postojećim mentalnim sklopom, a da se sami mentalni sklop uočljivo ne
promijeni. Tako nešto se dogaĎa i u procesu učenja. Učenik asimulira novu informaciju, daje joj
značenje u skladu s njemu već poznatim mišljenjem i ta informacija se lagano uklopi u njegovu
mentalnu strukturu. Akomodacija je proces usklaĎivanja mentalne strukture sa iskustvom ili
informacijom koju osoba nije u stanju objasniti na temelju postojeće osobne mentalne strukture.
Na taj način dijete izgraĎuje nove mentalne strukture i prilagoĎuje se novim situacijama. Ukupni
proces prilagodbe i dogradnje mentalnih struktura, koje uključuje i asimilaciju i akomodaciju,
naziva se samoregulacija [4].
Najčešći segment Piagetove teorije kognitivnog razvoja jest podjela ukupnoga
kognitivnog razvoja osobe na četiri stadija [4]:
1. stadij psihomotoričkog razvoja (0 – 2 godine),
2. predoperacijski stadij (2 - 7),
3. stadij razvitka konkretnih operacija (7 – 11),
4. stadij razvitka formalnih (apstraktnih) operacija (od 11 godina nadalje)
U stadiju psihomotoričkog razvoja razvijaju se refleksi i osnovne navike. TakoĎer razvija
se i postiţe svijest o postojanju materijalnih objekata i pomoću pronalaţenja simbola za različite
5
objekte u neposrednoj blizini počinje se razvijati govor. Taj stadij nije posebno značajan za
nastavnike fizike.
U predoperacijskom stadiju, različita iskustva pokušavaju se spojiti u jednu cjelinu i
svako dijete stvara svoj osobni svijet te se razvijaju simbolične igre. U tom stadiju dijete stvara i
razvija svoja mišljenja koje je još kruto jer ono nije sposobno ureĎivati podatke iz stečenog
iskustva.
U stadiju razvoja konkretnih operacija, dijete je u stanju izvoditi konkretne misaone
operacije. Većina djece u toj razini razvitka je u stanju intuitivno primjenjivati jednostavne
zakone očuvanja i misliti kauzalno (imati svoje stajalište), ali samo ako su te mentalne operacije
odnose na konkretne objekte i procese (s kojima je to dijete u neposrednom kontaktu). Bitne
značajke mentalnih struktura djeteta koje je doseglo, ali ne i preraslo razinu konkretnih misaonih
operacija [4]:
a) reverzibilnost (dijete je sposobno mentalno obrnuti redoslijed konkretnog fizikalnog
procesa i vratiti situaciju iz konačnih u početne uvjete),
b) uključivanje očuvanja (dijete intuitivno usvaja jednostavne zakone očuvanja (očuvanja
količine tvari, obujma, teţine tijela) za neke konkretne situacije),
c) ureĎivanje u serijski redoslijed (dijete je u stanju urediti skup konkretnih objekata ili
podataka u serijski redoslijed).
U stadiju formalnih (apstraktnih) operacija dijete je u stanju razmišljati apstraktno i rabiti
logiku u razmišljanju. Piaget opisuje ovaj stadij pomoću općih operacijskih shema, a to su:
fokusiranje na vaţne varijable i parametre, formuliranje hipoteza, upotreba propozicijske logike,
kombinatorno razmišljanje, utvrĎivanje funkcionalne ovisnosti i primjena proporcionalnosti u
pronalaţenju meĎusobne ovisnosti različitih veličina.
Vrlo vaţni pojmovi u konstruktivističkom pristupu učenju i nastavi jesu pretkoncepcije i
konceptualna promjena [3]. No, najprije ćemo nešto reći o fizikalnim konceptima. Koncepti su
svojevrsni konstrukti u ljudskoj svijesti koji nam omogućavaju da smanjimo kompleksnost
svijeta oko nas. Da nemamo koncepte cijeli svijet bi za nas bio samo jedan veliki prostor koji
sadrţi veliki broj raznih objekata koje ne bismo bili u stanju razlikovati. Oni obuhvaćaju
pravilnosti, uzroke i veze meĎu objektima, dogaĎajima i drugim konceptima. Svaki je koncept
uključen u beskrajnu mreţu relacija. Zbog kompleksnosti koncepata njihovo je usvajanje dug
proces koji nema završetka. Koncepti se nikada ne razviju do konačnog, završnog oblika, niti u
6
svijesti osobe niti u korpusu znanja znanosti. U fizici su mnogi primjeri za to: masa, elektron,
elementarni električni naboj, itd., pa čak i neki elementarni koncepti kao što je teţina danas
nemaju konsenzualnu definiciju. Koncepti mogu imati mnogostruka značenja i mogu se
upotrebljavati u različite svrhe. Isti koncept moţe značiti jedno unutar jednog konteksta, a nešto
prilično različito unutar drugog konteksta [3].
Učenici i prije učenja fizike u školi već imaju odreĎene ideje o mnogim fizikalnim
konceptima koje stvaraju na temelju percipiranja pojava u svojem okruţenju, na temelju
informacija i podataka koje dobivaju kroz komunikaciju u svom okruţenju. Pokazalo se da su te
učeničke ideje uglavnom neodgovarajuće unutar fizikalnog konteksta. Učenik nije prazna ploča
već o fizikalnim pojavama ima odreĎene intuitivne ideje koje su kompleksne. Te intuitivne
učeničke ideje najčešće nazivamo pretkoncepcijama, a koriste se i termini: pogrešne ideje
(miskoncepcije), intuitivne ideje, alternativne ideje, dječja znanost, itd [3].
Dakle, sve ideje, predodţbe, koncepte, modele koje učenici stvaraju tijekom svog ţivota i
koji nisu u skladu s fizikalnim idejama i konceptima u fizici nazivano pretkoncepcijama ili
miskoncepcijama. Neke od karakteristika pretkoncepcija su da one nisu nelogične, nego se
temelje na pretpostavkama. Učenici često rabe neprecizan jezik i neprecizne termine.
Pretkoncepcije su tvrdokorne i vrlo ih je teško promijeniti.
Pretkoncepcije čine barijeru u procesu učenja fizike u školi te je za proces učenja u školi
potrebno identificirati pretkoncepcije i potom ispraviti. Nastava fizike treba učenicima omogućiti
spoznaju fizikalnih ideja, omogućiti im mijenjanje njihove predodţbe koje učenici stvaraju za
lakše razumijevanje pojava i objašnjavanje različitih situacija. Ta se promjena, koju mora pruţati
nastava fizike, nikako ne moţe poučiti ili prenijeti njima na osnovu tuĎih iskustava, priča iz
povijesti, raznih teorija i formula. Pretkoncepcije učenici posjeduju već i prije učenja fizike, pa
se učenici i prije nego što počnu slušati fiziku susreću u svakodnevnom ţivotu sa sadrţajem koji
ima nudi nastava fizika, bilo promatrajući, bilo kroz priču ili neko drugo iskustvo. Oni će se
postavljati prema tim novim sadrţajima u skladu sa svojim pretkoncepcijama. Učenik ne
odbacuje svoje koncepte koje imaju središnju ulogu u njegovom mišljenju dok ne uvidi da oni
nisu funkcionalni. Stoga, svaki nastavnik mora pruţiti učeniku neke nove ideje koje će učeniku
biti razumljivije, djelovati uvjerljivo, biti čvrste i detaljne.
Nastavnik treba otkrivati pretkoncepcije koje učenici imaju, jer tako otkrivamo temelje
na kojima oni grade svoju spoznaju, pa i pristup koji ih vodi u rješavanju problema. Detektirajući
pretkoncepcije, nastavnik dobiva sliku kroz koju učenici doţivljavaju svijet, te na osnovu nje
7
odreĎuje kojim metodama i intenzitetom treba djelovati u nastavnom procesu da bi se
konstruirala slika koja će im omogućiti realno shvaćanje svijeta. Pretkoncepcije moramo prvo
detektirati. Postoji više pristupa, a najjednostavniji je razgovor. Stvarajući atmosferu u kojoj će
se voditi ravnopravni razgovor izmeĎu nastavnika i učenika, stvorit će se kod učenika osjećaj
slobode, te će bez straha iznositi svoje misli, ideje i stavove. U tom obliku nastave, nastavnik
postaje sudionik koji ciljanim pitanjima ili demonstracijom istraţuje učeničke pretkoncepcije.
Nastavnik treba koristiti prikladne metode koje će omogućiti uklanjanje učeničkih
pretkoncepcija. Te metode ovise o učestalosti, porijeklu i otpornosti pretkoncepcija. Današnja
nastava trebala bi imati naglasak na interaktivnosti i trebala bi se suprotstavljati
pretkoncepcijama.
Pretkoncepcije su ignorirane tradicionalnim oblikom nastave jer nastavnici barataju s
gotovim znanjima, nastojeći ih prenijeti učenicima. Nova znanja koja učenik dobiva u tom
procesu najčešće su izloţena bez iskustva o njihovoj primjeni. Rezultati takvog učenja fizike
očituju se u konstrukciji učeničkih modela u kojima i dalje prevladavaju njihove intuitivne ideje,
odnosno pretkoncepcije.
2.2. Pretkoncepcije u elektricitetu i magnetizmu
Studenti imaju dosta pretkoncepcija u fizici, pa čak i na polju mehanike, koje je mnogo
intuitivnije i razumljivije nego područje elektriciteta i magnetizma. U ovom diplomskom radu
pokušat ću predstaviti neka od istraţivanja koja su označena kao vrlo vaţna, a odnose se na
pretkoncepcije o elektricitetu i magnetizmu.
a) Raspodjela naboja na vodičima i izolatorima
Učenici, pa i studenti, ne uočavaju bitnu razliku izmeĎu vodiča i izolatora, tj. smatraju da
će se naboj jednako ponašati na svakom od njih. Smatraju da ako naelektriziramo jedan kraj
staklenog štapa da će se naboj proširiti po cijelom štapu isto kao kada naelektriziramo metalni
štap. TakoĎer, studenti ne znaju objasniti pojavu nabijanja plastičnog štapa trljanjem, te daju npr.
objašnjenje da su trljanjem svi elektroni prešli na štap, a protoni na krpu. Iako se podučavanje
elektrostatike dobrim dijelom zasniva na uporabi elektroskopa, često je slučaj da učenici i
studenti ne razumiju funkcioniranje elektroskopa, počevši već od najosnovnijeg pitanja što se
dogodi s nabojem kad ga se stavi na pločicu elektroskopa, te zašto to izaziva otklon kazaljke.
8
b) Coulombov zakon
Mnogi studenti imaju poteškoću s razumijevanjem Coulombovog zakona. Pretkoncepcija
vezana za Coulombov zakon ista je kao i pretkoncepcija vezana uz treći Newtonov zakon. Kako
većina učenika pri razmatranju interakcije dvaju tijela koristi neku vrstu principa dominacije,
odnosno da će tijelo veće mase djelovati jačom silom ili da tijelo koje izaziva gibanje drugog
tijela djeluje jačom silom, tako će isto zaključiti kako električno meĎudjelovanje dvaju naboja
najčešće simetrično, tj. tijelo s većim nabojem djelovat će jačom silom od tijela s manjim
nabojem.
c) Električno polje
Koncept električnog polja za učenike i studente je vrlo kompliciran i teţak. Učenici teško
prihvaćaju i slabo razumiju koncept električnog polja. Najčešći problem kod električnog polja je
to što nedovoljno razlikuju polje od sile, te ponekad izjednačavaju ta dva koncepta. Učenici često
imaju problema s razvijanjem zaključaka baziranim na električnom polju zbog toga što
pribjegavaju jednostavnom zaključivanju. Npr. smatraju da oko izolatora nema električnog polja
budući da se u izolatoru naboji ne mogu gibati. Njima je najčešće prihvatljivo to da električno
polje postoji samo ako izaziva neki efekt odnosno gibanje. TakoĎer, često smatraju da je
električna struja uzrok nastajanja električnog polja u vodičima u kojima teče struja , a ona je
zapravo posljedica postojanja električnog polja. Opisivanje električnog polja pomoću silnica
stvara učenicima/studentima još jednu poteškoću. Smatraju da se po silnicama gibaju električni
naboji, odnosno da su silnice putanje po kojima se gibaju naboji u električnom polju, pa na naboj
koji nije na silnicama neće djelovati električna sila. Učenici smatraju da su silnice realne i da ih
ima neki konačan broj.
d) Magnetska sila i magnetsko polje
Kod magnetske sile javlja se isti problem i iste pretkoncepcije kao i u mehanici. Većina
učenika smatra da će veći magnet jače privlačiti nego manji. Kada je riječ o Lorentzovoj sili,
učenici uvijek očekuju magnetsku silu na naboj u magnetskom polju bez obzira giba li se naboj
ili ne, a dodatan problem je i kod samog odreĎivanja smjera Lorentzove sile. Većina učenika
smatra da je brzina nabijene čestice koja se giba magnetskim poljem uvijek okomita na smjer
polja, odnosno, smatraju da su v, B i F uvijek okomiti u odnosu jedan prema drugom po pravilu
lijeve ili desne ruke. Poteškoće vezane za ovu tvrdnju su uzrokovane činjenicom da se većina
problema u elektromagnetizmu povezuje s nabijenim česticama čiji je početni smjer okomit na
smjer magnetskog polja. To moţe navesti učenike na krivu generalizaciju da je putanja nabijene
čestice u magnetskom polju uvijek kruţna. To su pokazali i rezultati jednog istraţivanja gdje su
9
60 % učenika smatralo da putanja nabijene čestice u magnetskom polju uvijek kruţna [1].
TakoĎer, pretkoncepcija je i u činjenici da učenici nastoje poistovjetiti električna i magnetska
polja, tj. povezuju električne naboje i polove magneta. Kada je riječ o magnetskom polju tada
učenici najčešće imaju problem u razumijevanju meĎudjelovanja električnog naboja i
magnetskog polja. Ukazuje da puno učenika smatra da je magnetski pol električni nabijen te da
magneti djeluju sa statičkim nabojima (N pol privlači negativne naboje, a S pol privlači pozitivne
naboje). Ne leţi im ni ideja da je magnetsko polje stvoreno gibanjem električnih naboja, dok se u
slučaju električnog polja, naboji ne moraju nuţno gibati da bi stvorili električno polje.
e) Faradayev zakon
Učenici imaju problema u odreĎivanju smjera inducirane ems odnosno smjera inducirane
struje (zapravo s razumijevanjem značenja znaka „-“ iz Lenzovog pravila). Glavni uzrok
poteškoća povezan je s nejasnim označivanjem. Istraţivanjem relevantnih udţbenika navodi se
da je rečenica poput „inducirana struja se opire svom izvoru“ nejasna [2]. Učenici vrlo lako
mogu shvatiti ovu izjavu netočno. Npr., „protiviti se izmjeni“ moţe se, ali i ne mora shvatiti kao
„biti u suprotnom smjeru“. TakoĎer, imaju problema i s razumijevanjem pojave samoindukcije
kao posebnim slučajem Faradayeve indukcije. Učenici smatraju da je induktivnost L svojstvo
struje ili polja, a ne svojstvo same zavojnice.
2.3. Identifikacija pretkoncepcija pomoću konceptualnih testova
U prvoj fazi edukacijskih istraţivanja osnovna tehnika za identifikaciju pretkoncepcija
bili su intervjui i testovi s pitanjima otvorenog tipa (bez unaprijed ponuĎenih odgovora; od
ispitanika se zahtijeva da samostalno formuliraju odgovor na postavljeno pitanje ili problem, te
daju obrazloţenje odgovora). Prednost testova otvorenog tipa pred intervjuima je manja
vremenska zahtjevnost, te manji utjecaj istraţivača na odgovore, a osnovni nedostatak je u
činjenici da je analiza i interpretacija odgovora često teška, s obzirom na to da su odgovori
ponekad nedorečeni, dvosmisleni ili neobrazloţeni, a nema mogućnosti da se dodatnim pitanjima
razjasni što je ispitanik mislio reći svojim odgovorom.
Intervjui i testovi otvorenog tipa pokazali su da su učeničke ideje o nekim fizikalnim
pojavama, dobivene u istraţivanjima na uzorcima učenika i studenata iz različitih zemalja i
edukacijskih sustava, različitih dobi i stupnjeva učenja fizike, zapanjujuće slične. To je bio i
razlog što se pristupilo konstrukciji pisanih testova u kojima su kao odgovori ponuĎene najčešće
10
alternativne koncepcije prepoznate u intervjuima (testovi višestrukog izbora). Najznačajniji takvi
testovi su:
1. Mechanics Diagnostics Test (MDT) [5].
2. Force Concept Inventory (FCI) [6].
3. Mechanics Baseline Test (MBT) [7].
4. Conceptual Survey in Electricity and Magnetism (CSEM) [8].
Edukacijska istraţivanja u fizici promijenila su stavove o učenju i poučavanju fizike, a rezultati
istraţivanja se mogu ukratko saţeti u tri točke:
1. Tradicionalna predavačka nastava nije dovoljno učinkovita za većinu učenika; tom vrstom
nastave ne uočavaju se učeničke pretkoncepcije, jer su učenici pretvoreni u pasivne
promatrače i slušače.
2. Učenici ne dolaze na nastavu bez ideje o promatranom fizikalnom problemu. Njihova
iskustva iz svakodnevnog ţivota, njihove ideje o promatranom fizikalnom problemu
suprotstavljaju se stvarnom znanstvenom objašnjenju te oteţavaju učenje fizike.
3. Moguće je razviti nastavne kurikulume utemeljene na rezultatima istraţivanja koji pomaţe
učenicima da kroz aktivno sudjelovanje u nastavi promijene svoje pretkoncepcije.
2.4. Parametri statističke analize
Kako su pri provedbi CSEM-testa studenti bili podijeljeni u 6 skupina tako postoji i 6
skupina statističkih podataka: ETF-E, ETF-R, ETF-St, PTF, GF i OF. Jedan od čestih
primijenjenih postupaka pri analizi testova višestrukog izbora je klasična test-teorija [9] koja
uključuje analizu pojedinog zadatka i analizu testa kao cjeline. Ovakvom statističkom analizom
odreĎuje se pouzdanost i diskriminacija testa (parametri KR-20 (rtest) i -Ferguson ( )) kao i
odnos pojedinih zadataka prema cjelokupnom testu (point-biserijalni koeficijenti (rpbk), indeks
lakoće (p) i teţine (q) zadatka te indeks diskriminacije zadatka (D)). Na ovaj način mogu se
identificirati problematični zadaci.
„Lakoća“ pojedinog zadatka, p odreĎena je iz omjera 1Np
N, gdje je N1 broj studenata
koji točno riješili pojedini zadatak i N ukupni broj studenata koji su pisali test. Moguće
vrijednosti indeksa lakoće je izmeĎu 0 i 1. Što je veća vrijednost indeksa lakoće zadatka to je
veći postotak studenata točno riješio zadatak, te se zadatak smatra lakšim za čitavu skupinu
11
studenata koji su pisali test. Prihvatljive vrijednosti lakoća svakog zadatka su u području
0,3 ≤ p ≤ 0,9, što uključuje i optimalnu vrijednost od 0,5. MeĎutim, kako bi se lakše identificirali
teški zadaci u testu, pogodnije je odrediti indeks teţine zadatka, q, kao omjer broja studenata
koji su netočno riješili zadatak u odnosu na ukupan broja studenata koji su pisali test, te q*
preskalirane teţine zadataka [10]. Teţine zadataka bile su preskalirane tako da je od udjela
netočnih rješenja (koji moţe imati vrijednosti izmeĎu 0 i 1) oduzeto 0,5. Na taj način su,
zadacima koji su imali riješenost iznad 50% (lakši zadaci), pridijeljene vrijednosti indeksa teţine
izmeĎu -0,5 i 0, a oni riješenosti ispod 50% (teţi zadaci) dobili su vrijednosti indeksa teţine od 0
do 0,5. Prema tome, moguće vrijednosti q*
preskaliranih teţina zadataka su izmeĎu -0,5 i 0,5. Iz
grafičkog prikaza raspodjela preskaliranih teţina zadataka moguće je odrediti teţe zadatke,
odnosno teţa konceptualna područja. Indeks teţine zadatka značajno ovisi o skupini studenata
koji pišu test. Naime, iako različite skupine studenata pišu isti test, indeksi teţine zadataka mogu
biti različiti za svaku skupinu studenata.
Indeks diskriminacije zadatka D mjeri diskriminacijsku sposobnost pojedinog zadatka u
testu, a smisao mu je da moţe razlikovati studente koji su naučili nastavne sadrţaje obuhvaćene
testom (uspješni studenti) od studenata koji ih nisu naučili (neuspješni studenti). Praktički to
znači da će zadatak s visokim indeksom diskriminacije, uspješni studenti, redovito, riješiti točno,
dok će studenti sa slabijem razumijevanjem, isti zadatak, riješiti pogrešno. Indeks diskriminacije
zadatka D izračunava se tako da se najprije rangiraju studenti prema postignutom uspjehu na
testu i pritom se odabere 27% najboljih (gornja skupina, NU) i 27% najlošijih (donja skupina,
NL). Za svaki zadatak izračuna se broj studenata u gornjoj i donjoj skupini koji su točno riješili
svaki pojedini zadatak. Indeks diskriminacije zadatka D izračunava se prema relaciji
27% najboljih 27% najlošijih
/ 2
U L
U L
N ND
N N, a moguće vrijednosti mogu biti izmeĎu -1 i 1. Dobar zadatak u
testu je onaj kod kojeg je D ≥0,3. Zadaci koji imaju indeks diskriminacije 0≤ D ≤0,3 nisu nuţno
loši, ali bi većina zadataka u testu trebala imati visoke indekse diskriminacije kako bi se
zajamčilo sposobnost testa da razlikuje uspješne od neuspješnih studenata. Isto tako, teţina
zadatka značajno utječe na indeks diskriminacije pojedinog zadatka. Nizak indeks diskriminacije
pojavljuje se i kada je zadatak preteţak (visok indeks teţine zadatka) i prelagan (nizak indeks
teţine zadatka).
Point-biserijalni koeficijent rpbk (ponekad se naziva indeks pouzdanosti svakog zadatka)
je mjera kvalitete pojedinog zadatka u odnosu na cijeli test, a definira se kao korelacija izmeĎu
uspjeha studenata u rješavanju pojedinog zadatka i uspjeha na cijelom testu. Koeficijent
12
korelacije izmeĎu grupe dihotomnih varijabli ( uspjeh rješavanja pojedinog zadatka) i grupe
kontinuiranih varijabli (ukupan uspjeh rješavanja cijelog testa) odreĎuje se prema relaciji
1 0 1pbk
X
X Xr P P , gdje je
1X srednja vrijednost ukupnog uspjeha studenata koji su točno
riješili zadatak, 0X srednja vrijednost ukupnog uspjeha studenata koji su netočno riješili
zadatak, X standardna devijacija ukupnog uspjeha svih studenata na testu, a P indeks teţine
zadatka. Vrijednosti point-biserijalnog koeficijenta mogu biti u području [-1,1]. Ako je neki
zadatak visoko pozitivno koreliran s cijelim testom, to znači da su studenti koji su postigli visok
uspjeh na cijelom testu, vjerojatno, točno riješili i taj zadatak, a netočno su ga riješili studenti s
niskim ukupnim uspjehom na cijelom testu. Negativna vrijednost point-biserijalnog koeficijenta
pokazuje da su studenti s niskim ukupnim uspjehom na testu, najvjerojatnije, točno riješili
odreĎeni zadatak što znači da je taj zadatak u testu ima nedostatke. U idealnom slučaju, uspjesi
pri rješavanju svakog zadatka u testu trebali bi biti visoko korelirani s uspjehom rješavanja
cijelog testa. MeĎutim, to je često nemoguće ostvariti, osobito ako test sadrţi velik broj zadataka.
Stoga se, kao mjera pouzdanosti pojedinog zadatka u testu, smatra point-biserijalni koeficijent
koji zadovoljava uvjet: rpbk ≥ 0,2, prema tome, ako je 0 ≤ rpbk ≥0,19 zadatak je nezadovoljavajući
za test; 0,20≤ rpbk ≥0,39 dobar zadatak; 0,40≤ rpbk ≥0,59 vrlo dobar zadatak; rpbk ≥0,60 izvrstan
zadatak [11]. Jedan od načina provjere je li u testu veći broj zadataka zadovoljava uvjet rpbk ≥0,2
je izračunavanje srednje vrijednosti point-biserijalnih koeficijenata svih zadataka.
Budući da je, ponekad, teško kontrolirati svaki zadatak u testu, osobito u slučaju velikog
broja zadataka, često se kao pokazatelji sloţenosti (teţine) i diskriminacije snage testa koriste
srednje vrijednosti indeksa „lakoće“ P i indeksa diskriminacije D svih zadataka u testu. Za
razliku od point-biserijalnih koeficijenata kojima se odreĎuje pouzdanost svakog zadatka u testu
u odnosu na cijeli test, pouzdanost cijelog testa je pokazatelj konzistentnosti testa da reproducira
isti uspjeh pod istim uvjetima, tj. ukoliko je test pouzdan, njegovo ponavljanje pod istim
uvjetima dat će pribliţno (s malom slučajnom pogreškom) iste rezultate. Standardni način za
izračunavanje pouzdanosti testa je korištenjem Kuder-Richardsonove formule (KR-20)[12],
1
2
1
11
K
i i
itest
x
P PK
rK
(1),
13
gdje je K broj zadataka, iP teţina pojedinog zadatka, a 2
x varijanca testa. Moguće vrijednosti
indeksa pouzdanosti testa su u području [0,1], a pritom se smatra da je test pouzdan ako je
rtest≥0,7 za odreĎeni broj zadataka (rtest ovisi o broju zadataka u testu). Drugi statistički parameter
za procjenu cijelog testa je -Ferguson koji mjeri diskriminacijsku snagu cijelog testa. Točnije,
on istraţuje koliko široko su ukupni uspjesi svih studenta odreĎene skupine raspodijeljeni po
svim mogućim područjima, a izračunava se prema relaciji
2 2
22
1
iN f
NN
K
(2),
gdje je N broj studenata u ispitivanoj skupini, K broj zadataka u testu, a fi broj studenata s i-tim
ukupnim uspjehom. Općenito, test ima dobru diskriminacijsku snagu izmeĎu studenata ako je
δ≥0,9.
14
3. EKSPERIMENTALNI DIO
Istraţivanje smo proveli uz pomoć CSEM (Conceptual Survey of Electricity and
Magnetism) testa [8] koji je konceptualni test iz elektriciteta i magnetizma i predstavlja vaţan
korak naprijed u procesu procjene učeničkih znanja i vještina. CSEM test je test višestrukog
izbora koji se sastoji od 32 zadatka općepoznati je dijagnostički instrument pomoću kojeg se
moţe provjeriti razumijevanje nekih temeljnih fizikalnih koncepata iz elektriciteta i magnetizma
te dijagnosticirati poteškoće koje učenici/studenti imaju pri njihovom usvajanju.
Područje elektriciteta i magnetizma sadrţi mnogo manjih konceptnih područja koji ne
moraju nuţno biti jednako teški studentima. Usporedba i procjena teškoće usvajanja gradiva u
tim područjima je nuţna za daljnje poboljšanje nastavnog procesa.
Prema izvornoj podjeli, 32 zadatka CSEM testa su prilično neravnomjerno rasporeĎena u
11 konceptualnih područja. Tako se neki zadaci nalaze u nekoliko konceptualnih područja čime
je analiza rezultata testa prilično oteţana. Stoga je naknadno predloţena preraspodjela zadataka u
6 konceptualnih područja [10], pri čemu se svako područje sastoji od pribliţno jednakog broja
zadataka. Novostvorena konceptualna područja su:
a) Električni naboj i sila – ENS ; (1, 2, 3, 5, 6, 8)
b) Električno polje i sila – EPS ; (9, 12, 13, 14, 15)
c) Električni potencijal i rad – EPR ; (11, 16, 17, 18, 19, 20)
d) Magnetsko polje i sila – MPS ; (21, 22, 23, 25, 26, 28)
e) Elektromagnetska indukcija – EMI ; (29, 30, 31, 32)
f) Newtonovi zakoni u elektromagnetskom kontekstu – NZ u EM (4, 7, 10, 24, 27)
Istraţivanje je provedeno na kraju prvog semestra akademske godine 2010./11., a
sudjelovalo je ukupno 594 studenata prve godine Preddiplomskog studija elektrotehnike i
računarstva, prve godine Stručnog studija Elektrotehničkog fakulteta u Osijeku, a kao kontrolna
skupina studenti prve godine Prehrambeno-tehnološkog i GraĎevinskog fakulteta te Odjela za
fiziku u Osijeku. Studenti koji su obuhvaćeni ovim istraţivanjem podijeljeni su u nekoliko
skupina:
15
studenti Preddiplomskog studija elektrotehnike (ETF-E, 88 studenata)
studenti Preddiplomskog studija računarstva (ETF-R, 98 studenta)
studenti Stručnog studija elektrotehnike i automatike (ETF-St, 184 studenta)
studenti Preddiplomskog studija Prehrambeno-tehnološkog fakulteta (PTF, 120
studenata)
studenti GraĎevinskog fakulteta (GF, 77 studenata)
Studenti Odjela za fiziku ( OF, 27 studenata)
Testiranje studenata svih skupina Elektrotehničkog fakulteta u Osijeku provedeno je na
kraju prvog semestra, odnosno nakon odraĎene nastave (predavanja, auditorne i laboratorijske
vjeţbe) iz kolegija Osnove elektrotehnike I. Studenti Prehrambeno-tehnološkog fakulteta u
Osijeku, takoĎer, su testirani po završetku prvog semestra, ali nakon odraĎene nastave iz kolegija
Tehnička fizika, koji uglavnom obuhvaća područje mehanike, a u okviru kojeg nije obraĎivano
područje elektromagnetizma. Stoga, CSEM-test predstavlja post-test za sve ispitivane skupine
studenata Elektrotehničkog fakulteta, dok je ovaj test neka vrsta pred-testa za studente
Prehrambeno-tehnološkog fakulteta. Sve ispitivane skupine studenata pisale su test u istom
tjednu. Studenti su pisali test 45 minuta i pri tome su bili upozoreni da izbjegavaju prepisivanje i
pogaĎanje odgovora; da nastoje da njihovi odgovori odraţavaju njihovo osobno mišljenje, te da
ne ostavljaju pitanja neodgovorena budući da u slučaju pogrešnih odgovora nema negativnih
bodova.
Preddiplomski studij elektrotehnike i računarstva na Elektrotehničkom fakultetu u
Osijeku traje 6 semestara, a nakon završetka studija polaznici stječu naziv prvostupnika.
Prvostupnici mogu izravno upisati Diplomski studij, koji traje 4 semestra, nakon kojeg stječu
naziv magistar struke. S druge strane, stručni studij na Elektrotehničkom fakultetu u Osijeku
traje 6 semestara nakon kojeg studenti stječu naziv inţenjer elektrotehnike. Tijekom prvog
semestra studenti prve godine preddiplomskog i stručnog studija Elektrotehničkog fakulteta
sadrţaje iz elektromagnetizma ne izučavaju u okviru kolegija Fizika 1, nego u kolegiju Osnove
elektrotehnike 1. Program kolegija Osnove elektrotehnike 1 obuhvaća fizikalne osnove
elektrotehnike, a studente poučavaju inţenjeri elektrotehnike, a ne fizičari. Kolegij Fizika 1 na
Preddiplomskom studiju i Fizika na Stručnom studiju obuhvaća područje mehanike i topline, dok
se sadrţaji iz elektromagnetizma djelomično izučavaju u okviru kolegija Fizika 2 u drugom
semestru prve godine Preddiplomskog studija. Studenti prve godine Preddiplomskog studija
prehrambene tehnologije na Prehrambeno-tehnološkom fakultetu, takoĎer, ne izučavaju sadrţaje
16
iz elektromagnetizma u okviru kolegija Tehnička fizika, pa ovi studenti predstavljaju kontrolnu
skupinu studenata, a njihovo znanje i konceptualno razumijevanje elektriciteta i magnetizma
temelji se metodama poučavanja fizike tijekom srednjoškolskog obrazovanja.
Rezultati istraţivanja studenata osječkog sveučilišta pomoću CSEM testa usporeĎeni su s
rezultatima sličnih istraţivanja provedenih meĎu studentima fizike Prirodoslovno-matematičkog
fakulteta (PMF) u Zagrebu i velikog broja studenata koji su obuhvaćeni kolegijima iz opće fizike
na američkim sveučilištima [8,10]. Testiranje CSEM testom provedeno je kao post-test za 84
studenta (35 inţenjerski smjer, 49 profesorski smjer) PMF-a u Zagrebu na kraju prve godine
studija u kojoj je u kolegijima opće fizike obuhvaćeno područje mehanike te elektriciteta i
magnetizma. Na američkim sveučilištima u evaluaciji je sudjelovalo više od 1000 studenata, a
CSEM test je primijenjen kao pred- i post-test.
17
4. REZULTATI I RASPRAVA
Uspješnost rješavanja CSEM testa izraţena je u postotcima u obliku aritmetičke srednje
vrijednosti i
i
x
xN
, standardnom devijacijom 2
1
N
i
ix
x x
N
i standardnom pogreškom
x
N te rasponom dobivenih rezultata.
Raspodjela uspjeha po postotnim razredima pri rješavanju CSEM testa za sve ispitivane
skupine studenata Elektrotehničkog, Prehrambeno-tehnološkog fakulteta i GraĎevinskog
fakulteta te Odjela za fiziku Sveučilišta u Osijeku na kraju prvog semestra ak. god. 2010./11.
prikazana je na slici 1., dok su u tablici 1., dani statistički podaci o uspješnosti rješavanja testa.
Tablica.1. Uspješnost rješavanja CSEM testa po skupinama ispitivanih studenata Elektrotehničkog (ETF-E, -R, -St)
, Prehrambeno-tehnološkog (PTF), Građevinsko fakulteta (GF) te Odjela za fiziku Sveučilišta u Osijeku
(OF).
Skupine
studenata N
Srednja
vrijednost,
%
Standardna
devijacija, % min - max, %
ETF-E 88 post-test 50,5 19,3 12,5 – 87,5
ETF-R 98 post-test 59,3 10,8 15,6 – 75,0
ETF-St 184 post-test 62,1 13,3 18,8 – 78,1
PTF 120 pred-test 21,0 6,3 6,3 – 37,5
GF 77 pred-test 21,7 7,5 9,4 – 40,6
OF 27 post-test 38,3 18,9 15,6 – 65,6
ukupno 594 45,4 18,8 38,3 – 68,5
Ukupan uspjeh svih ispitivanih studenata osječkog sveučilišta je 45,4% što je u vrlo
dobrom slaganju s ukupnim uspjehom studenata Prirodoslovno-matematičkog fakulteta u
Zagrebu (48%) i studenata američkih sveučilišta (47%). MeĎutim, ako se usporede samo
rezultati post-testova tada srednji uspjeh studenata ETF-a u Osijeku iznosi 57% što je značajno
bolji uspjeh od američkih i studenata PMF-a u Zagrebu. Ovi rezultati pokazuju da su studenti
elektrotehnike i računarstva, izučavajući fizikalne osnove elektrotehnike, dobro usvojili temeljne
koncepte iz elektriciteta i magnetizma. S druge strane, za studente prehrambene tehnologije
uspjeh pri rješavanju CSEM-testa kao pred-testa bio je vrlo slab (21%), odnosno tek nešto viši
18
od granice slučajnog izbora (20%). Ovakav rezultat pred-testa je djelomično očekivan budući da
studentima nisu bliske elektromagnetske pojave te fizikalne zakoni i relacije, a postoje i teškoće
koje su uzrokovane nerazumijevanjem temeljnih mehaničkih koncepata koji su izučavani u
prvom semestru u okviru kolegija Tehnička fizika. Uspjeh GraĎevinskog fakulteta je bio 21,7%
što je takoĎer nešto viši od granice slučajnog izbora.
Slika 1. Raspodjela uspjeha po postotnim razredima pri rješavanju CSEM testa za sve ispitivane skupine studenata
Elektrotehničkog, Prehrambeno-tehnološkog i Građevinsko fakulteta te Odjela za fiziku Sveučilišta u
Osijeku
Raspodjela uspjeha po konceptualnim područjima pri rješavanju CSEM testa (Slika 2),
pokazuje da su studenti ETF-a (66% -R, 58% -E, 70% -St) uspješnije rješavali zadatke iz
područja koja obuhvaćaju sadrţaje iz elektriciteta (ENS, EPS, EPR), nego ona koja se odnose na
magnetizam (MPS, EMI, NZ u EM) (51% -R, 45% -E, 49% - St). Pritom su najslabiji uspjeh
postigli u konceptualnom području o elektromagnetskoj indukciji (45% -R, 37% -E, 43% - St)
što ukazuje na nedovoljno razumijevanje koncepta induciranog napona uslijed promjene
magnetskog toka kao i formalizma koji uključuje poznavanje vektorskog produkta te grafičku
interpretaciju magnetskog polja. S druge strane, uočava se da su studenti ETF-a prilično dobro
usvojili koncepte iz elektriciteta kao što su električno polje i potencijal, te interpretaciju
ekvipotencijalnih ploha i silnica električnog polja budući da su u ovom konceptualnom području
postigli najbolji uspjeh (75%-R, 63%-E, 66%-St).
19
Slika 2. Raspodjela uspjeha po konceptualnim područjima pri rješavanju CSEM testa za sve ispitivane skupine
studenata Elektrotehničkog, Prehrambeno-tehnološkog i Građevinsko fakulteta te Odjela za fiziku
Sveučilišta u Osijeku
Konceptualno područje ENS
U ovom području proučava se razumijevanje studenata o električnom naboju i sili. Zadaci
ispituju znanje o raspodjeli naboja na vodičima i izolatorima, primjeni Coulombovog zakona te
primjeni superpozicije za električnu silu. U području električnog naboja i sile, vidimo da su za
studente Elektrotehničkog fakulteta pitanja 1. i 2. bili najteţa (za 1. q*=0,20, što je 70% netočnih
odgovora, a za 2. q*
=0,38, što je 88% netočnih odgovora). U tim pitanjima se ispitivalo kako će
se raspodijeliti naboj na kugli kada je kugla izolator, a kako kada je kugla vodič. To je jedna od
najčešćih učeničkih/studentskih pretkoncepcija gdje učenici/studenti ne uočavaju bitnu razliku
izmeĎu vodiča i izolatora, tj. smatraju da će se naboj jednako ponašati na svakom od njih.
Smatraju da ako naelektriziramo jedan kraj staklenog štapa da će se naboj proširiti po cijelom
štapu isto kao kada naelektriziramo metalni šap. Najlakša pitanja iz tog područja su im 3. i 8. (za
3. q*= - 0,44, što je 94% točnih odgovora, a za 8. q
* = - 0,42, što je 92% točnih odgovora).
Pitanje u kojima su morali znati kolika je sila na nabijenu česticu. Za studente Prehrambeno –
tehnološkog i GraĎevinskog fakulteta sva pitanja su bila dosta teška, no najbolje odgovoreno
pitanje u ovom konceptualnom području je 1. pitanje (PTF: q*= 0,03, što je 48% točnih
odgovora, GT: q*=0,01 , što je 49% točnih odgovora) . Za studente Odjela za fiziku najteţe
pitanje u ovom konceptualnom području bilo je 5. pitanje (q*= 0,13, što je 63% netočnih
odgovora). U 5. pitanju traţilo se kolika će sila biti na nabijenu česticu +4Q ako se udaljenost
izmeĎu čestica Q i +4Q tri puta poveća. Ovdje studenti nisu uvidjeli da trebaju primijeniti
20
proporcionalnost sile o naboju i obrnutu proporcionalnost sile o kvadratu udaljenosti. Najlakše je
bilo 1. i 3. pitanje (za 1. q*= -0,20, što je 70% točnih odgovora, a za 3. q
*= -0,31, što je 81%
točnih odgovora).
Slika 3. Raspodjela uspjeha unutar konceptualnog područja ENS za sve ispitivane skupine studenata
Elektrotehničkog, Prehrambeno-tehnološkog i Građevinsko fakulteta te Odjela za fiziku Sveučilišta u
Osijeku
Konceptualno područje EPS
U ovom području proučava se razumijevanje električnog polja i sile. Zadaci
ispituju znanje o sili koju proizvodi električno polje, superpoziciju električnih polja te učinak
induciranog naboja na električno polje. U području električnog polja i sile za Elektrotehnički
fakultet bilo je najlakše 12. pitanje gdje se ispitivalo poznavanje sile u homogenom električnom
polju (q*= - 0,32, što je 82% točnih odgovora). Najteţe pitanje u tom konceptualnom području
im je 14. pitanje (q*=0,37, što je 87% netočnih odgovora). U tom pitanju dobili su prikaz dvaju
naboja gdje se jedan naboj +q nalazi u sfernoj metalnoj kugli, a drugi +Q izvan kugle. Morali su
znati odabrati ispravan opis rezultantnih električnih sila na svaki naboj. Za testirane studente
Prehrambeno-tehnološkog i GraĎevinskog fakulteta, 12. pitanje je bilo najlakše pitanje u tom
području (PTF q*= 0,01, što je 49% točnih odgovora, GF q
*= -0,05, što je 55% točnih odgovora).
Sva ostala pitanja u tom području za njih si bila teška. Studentima Odjela za fiziku je isto kao i
studentima Elektrotehničkog fakulteta najlakše bilo riješiti 12. pitanje (q*= -0,24, što je 74%
točnih odgovora), a najteţe 14. pitanje (q*= 0,35, što je 85% netočnih odgovora).
21
Slika 4. Raspodjela uspjeha unutar konceptualnog područja EPS za sve ispitivane skupine studenata
Elektrotehničkog, Prehrambeno-tehnološkog i Građevinsko fakulteta te Odjela za fiziku Sveučilišta u
Osijeku
Konceptualno područje EPR
U ovom području proučava se razumijevanje električnog potencijala i rada. Zadaci
takoĎer ispituju razumijevanje potencijala preko ekvipotencijalnih ploha. U konceptualnom
području električni potencijal i rad, najteţe je bilo 20. pitanje (q*=0,38, što je 88% netočnih
odgovora). U tom pitanju su dobili pozitivno nabijenu česticu koja miruje u prostoru u kojem
postoji električni potencijal opisan ekvipotencijalnim linijama, te su morali izabrati par strelica
koje najbolje opisuju relativne iznose i smjerove električne sile, koja djeluje na nabijenu česticu
u danim poloţajima. Najlakše pitanje iz tog područja je 17. pitanje (q*= - 0,34, što je 16%
netočnih odgovora). U tom pitanju su morali znati kako se meĎusobno odnose iznosi rada
potrebnog za premještanje naboja. Dobro su usvojili da je razlika potencijala U izmeĎu dviju
točaka jednaka radu koji je potrebno uloţiti da bi se jedinični naboj premjestio iz jedne točke
električnog polja E u drugu. Za studente Prehrambeno-tehnološkog i GraĎevinskog fakulteta u
ovom konceptualnom području sva su pitanja bila teška. Za studente Odjela za fiziku najlakše je
bilo 16. pitanje (q*= 0,02, što je 48% točnih odgovora). Tu su studenti trebali odabrati odgovor
koji najbolje opisuje buduće gibanje elektrona koji je postavljen na x os i koji u toj točki ima
električni potencijal +10 V. U ovom pitanju studenti Odjela za fiziku su znali da u ovom pitanju
nema dovoljno podataka za odreĎivanje smjera gibanja elektron, odnosno bilo je potrebno znati
smjer ekvipotencijalnih ploha što nije dano u zadatku. Najteţe im je bilo 20. pitanje (q*= 0,43,
što je 93% netočnih odgovora).
22
Slika 5. Raspodjela uspjeha unutar konceptualnog područja EPR za sve ispitivane skupine studenata
Elektrotehničkog, Prehrambeno-tehnološkog i Građevinsko fakulteta te Odjela za fiziku Sveučilišta u
Osijeku
Konceptualno područje MPS
U ovom području proučava se razumijevanje Lorentzove sile, gibanje nabijene čestice u
magnetskom polju, Amperove sile, magnetno djelovanje električne struje, magnetno polje strujne
petlje. U konceptualnom području magnetsko polje i sila, studentima ETF-a su najteţa pitanja
bila 25. i 28. (za 25. q*=0,34, što je 84% netočnih odgovora, a za 28. q
* = 0,25, što je 75%
netočnih odgovora). U 25. pitanju su trebali poredati iznos jakosti sile (od najjače do najslabije)
kojom polje djeluje na naboj u gibanju. U tom pitanju im je bilo dosta teško prepoznati da se radi
o Lorentzovoj sili, te da je sila najmanja (jednaka nuli) onda kada se smjer brzine nabijene
čestice podudara sa smjerom silnica magnetskog polja, odnosno da je sila najveća kada je smjer
brzine nabijene čestice okomit na smjer silnica magnetskog polja. U 28. pitanju trebali su
odrediti smjer magnetskog polja u točki P koja se nalazi na pola puta izmeĎu dviju strujnih petlji.
To je trebalo odrediti pomoću pravila desnog vijka, gdje savijeni prsti pokazuju smjer struje, a
ispruţeni palac smjer magnetskog polja. Najlakše pitanje u području magnetskog polja i sile je
26. pitanje (za 26. q*= - 0,31, što je 19% netočnih odgovora). U njemu su studenti trebali odrediti
smjer magnetskog polja u točki A i B oko ravnog vodiča. U ovom pitanju je puno njih znalo da
treba koristiti pravilo desne ruke, gdje savijeni prsti pokazuju smjer magnetskog polja, a palac
smjer struje u ravnom vodiču. Za studente PTF-a i GF-a u ovom konceptualnom području sva
pitanja su im bila teška. Studenti OF-a su najlakše riješili 26. pitanje (q*= -0,09, što je 59%
točnih odgovora). Najteţa pitanje su bila 22. i 28. pitanje (za 22. q*= 0,43, što je 93% netočnih
23
odgovora, a za 28 q*= 0,31, što je 81% netočnih odgovora). U 22. pitanju studenti su trebali
odrediti kamo je usmjereno magnetsko polja u kojem se nalazi elektron i giba se duţ naznačene
putanje zbog magnetske sile uzrokovane magnetskim poljem. U ovom pitanju studenti nisu
prepoznali upotrebu pravila lijeve ruke za odreĎivanje smjera Lorentzove sile na nabijenu česticu
u magnetskom polju.
Slika 6. Raspodjela uspjeha unutar konceptualnog područja MPS za sve ispitivane skupine studenata
Elektrotehničkog, Prehrambeno-tehnološkog i Građevinsko fakulteta te Odjela za fiziku Sveučilišta u
Osijeku
Konceptualno područje EMI
U ovom području proučava se razumijevanje elektromagnetske indukcije. Zadaci ispituju
znanje o Faradayevom zakonu preko vremenske promjene toka magnetskog polja. U području
elektromagnetske indukcije najteţa pitanja studentima ETF-a su bila 29. i 30. pitanje (za 29.
q*=0,41, što je 91% netočnih odgovora, a za 30. q
*=0,28, što je 78% netočnih odgovora). U 29.
pitanju su studenti trebali odabrati u kojim danim slučajevima će ţarulja svijetliti. Studenti znaju
da će magnetsko polje u pokretu (zbog magneta koji se kreće) i ţarulja u pokretu u nepomičnom
magnetskom polju stvoriti induciranu struju (paljenje ţarulje), ali studenti ne uočavaju smanjenje
petlje kao promjenu magnetskog toka odnosno da rotiranje vodiča u ravnini okomitoj na
magnetsko polje ne mijenja magnetski tok. U 30. pitanju trebali su prepoznati u kojem od tri
ponuĎena slučaja će se inducirati struje. Čini se da studenti razumiju da ţičani vodič proizvodi
magnetsko polje, ali nisu sigurni kada će gibanje pravokutne petlje inducirati struju. Najtočnije
riješen zadatak u ovom podučju bilo je 31. pitanje (q*=-0,21, što je 71% točnih odgovora). U
ovom konceptualnom području nije bilo laganih pitanja za studente Prehrambeno- tehnološkog,
24
GraĎevinskog fakulteta, te Odjela za fiziku. Sva pitanja koja spadaju u ovo područje su
studentima bila meĎu teţim pitanjima.
Slika 7. Raspodjela uspjeha unutar konceptualnog područja EMI za sve ispitivane skupine studenata
Elektrotehničkog, Prehrambeno-tehnološkog i Građevinsko fakulteta te Odjela za fiziku Sveučilišta u
Osijeku
Konceptualno područje NZ U EM
U ovom području proučava se razumijevanje i primjena Newtonovih zakona u
elektromagnetskom kontekstu. U području Newtonovih zakona u elektromagnetizmu najteţa su
bila 7. i 27. pitanje (za 7. q*=0,37, što je 87% netočnih odgovora, a za 27. q
*=0,45, što je 95%
netočnih odgovora). U 7. pitanju studenti su trebali izabrati par vektora koji prikazuju ispravan
odnos električne sile na A (koja potječe od B) i električne sile na B (koja potječe od A). Prema
odgovorima se vidi da velik broj studenata smatra da čestica s većom količinom naboja djeluje
većom silom i iz toga se vidi da studenti općenito ne koriste treći Newtonov zakon u
elektromagnetizmu. U 27. pitanju trebali su odabrati odgovor koji najbolje opisuje rezultantnu
silu dvaju magneta na pozitivno nabijenu česticu. To je još jedno pitanje pomoću kojeg se
vidjelo da je studentima teško upotrijebiti treći Newtonov zakon u elektromagnetizmu. Deseto
pitanje za studente Elektrotehničkog fakulteta je bilo lagano (q*=-0,26, što je 76% točnih
odgovora). U ovom pitanju studenti su prepoznali da u homogenom električnom polju djeluje
stalna električna sila, a kad na neko tijelo (naboj) djeluje stalna sila tada se to tijelo giba
jednoliko ubrzano. I u ovom konceptualnom području nije bilo laganih pitanja za studente
Prehrambeno- tehnološkog i GraĎevinskog fakulteta dok su studenti Odjela za fiziku najbolje
25
riješili 10. pitanje (q*=0,02, što je 48% točnih odgovora), dok su im ostala pitanja bila teška.
Tako je u 24. pitanju trebalo usporediti sile kojima dvije ţice djeluju jedna na drugu, ako u ţici I
teče struja i, a u ţici II teče struja 3i. Ni u ovom zadatku studenti Odjela za fiziku nisu prepoznali
treći Newtonov zakon.
Slika 8. Raspodjela uspjeha unutar konceptualnog područja NZ u EM za sve ispitivane skupine studenata
Elektrotehničkog, Prehrambeno-tehnološkog i Građevinsko fakulteta te Odjela za fiziku Sveučilišta u
Osijeku
Postojanje dobre korelacije izmeĎu pojedinačnih zadataka i cijelog testa potvrĎena je,
kod studenata ETF-a, izračunatim srednjim vrijednostima point-biserijalnih koeficijenata: ETF-E
- rpbk= 0,40, ETF-R - rpbk = 0,32, ETF-St - rpbk = 0,37,. Srednji indeks diskriminacije zadatka za
studente preddiplomskog studija ETF-a iznosi =0,39 i obuhvaća interval – 0,42 ≤ D ≤ 0,56 ,
a za studente ETF-St je = 0,33 uz interval – 0,46 ≤ D ≤ 0,90 što nam govori da ovaj test za
Elektrotehnički fakultet nije bio toliko teţak i ovaj test je sposoban razlikovatiuspješne od
neuspješnih studenata.
26
Slika 9. Reskalirani indeks težine, q*,
indeks diskriminacije zadataka, D i point-biserijalni koeficijenti, rpbk- za svaki
pojedinačni zadatak unutar opisanih konceptualnih područja za studente Elektrotehničkog fakulteta u
Osijeku.
Na slici 10.a. i 10b. vidimo nezadovoljavajuću korelaciju pojedinih zadataka i cjelovitog
testa koja je uočena kod studenata PTF-a i GF-a. Izračunata srednja vrijednost point-biserijalnog
koeficijenata za PTF je rpbk = 0,15, za GT je rpbk=0,19. Za studente PTF-a srednji indeks
diskriminacije zadataka iznosi = 0,12 , a za GF iznosi = 0,18 što je ≤ 0,30 i pokazuje da
su za ove studente gotovo svi zadaci u testu bili preteški te da se testom ne mogu razdvojiti bolji
od lošijih studenata. To nam govori da studenti Prehrambeno – tehnološkog i GraĎevinskog
fakulteta nisu usvojili gradivo elektriciteta i magnetizma. To je i očekivani rezultat jer budući da
studentima nisu bliske elektromagnetske pojave te fizikalne zakoni i relacije, a postoje i teškoće
koje su uzrokovane nerazumijevanjem temeljnih mehaničkih koncepata koji su izučavani.
27
Slika 10. a. Reskalirani indeks težine, q*,
indeks diskriminacije zadataka, D i point-biserijalni koeficijenti, rpbk- za
svaki pojedinačni zadatak unutar opisanih konceptualnih područja za studente Prehrambeno –
tehnološkog fakulteta
Slika 10. b. Reskalirani indeks težine, q
*, indeks diskriminacije zadataka, D i point-biserijalni koeficijenti, rpbk- za
svaki pojedinačni zadatak unutar opisanih konceptualnih područja za studente Građevinskog fakulteta
Postojanje dobre korelacije izmeĎu kvalitete rješavanja pojedinačnih zadataka i cijelog
testa potvrĎena je, kod studenata Odjela za fiziku, izračunatom srednjom vrijednosti point-
biserijalnog koeficijenata koja iznosi rpbk= 0,40. Izračunati point-biserijalni koeficijenti nalaze se
u intervalu -0,23≤ rpbk ≤0,81 što nam govori da je većina zadataka primjerena istraţivanoj
populaciji odnosno da je pouzdanost tih pojedinačnih zadataka u odnosu na test kao cjelinu na
zadovoljavajućoj razini. Srednji indeks diskriminacije zadatka iznosi = 0,48, što je ≥0,30 i
28
pokazuje nam da ovaj test moţe razlikovati studente koji su razumjeli nastavne sadrţaje
obuhvaćene testom od studenata koji ih nisu razumjeli.
.
Slika 11. Reskalirani indeks težine, q*,
indeks diskriminacije zadataka, D i point-biserijalni koeficijenti, rpbk- za svaki
pojedinačni zadatak unutar opisanih konceptualnih područja za studente Odjela za fiziku u Osijeku
Usporedba teţina zadataka po konceptualnim područjima CSEM testa za hrvatske i
američke studente, prikazane na slikama 12.a. i 12.b.. otkriva da za studente ETF-a u Osijeku,
većina (4 od 6) područja ima negativnu srednju reskaliranu teţinu što znači da je u njima bilo
više od 50% točnih odgovora, dok, za studente PMF-a zagrebačkog sveučilišta i američke
studente većina (5 od 6) područja ima pozitivne teţine, odnosno dano je manje od 50% točnih
odgovora (slika 12. a.).
Slika 12. a) Usporedba reskaliranih težina zadataka po konceptualnim područjima CSEM testa za hrvatske i
američke studente koji su CSEM test pisali nakon odslušane nastave iz elektromagnetizma (posttest).
29
Raspodjela srednjih reskaliranih teţina zadataka po konceptualnim područjima, za
studente PTF-a i GF-a, kod kojih je CSEM test primijenjen kao pred-test, je vrlo slična
rezultatima pred-testa američkih studenata (slika 12.b.). Uz to, srednje reskalirane teţine svih
konceptualnih područja (osim ENS!) su pribliţno q* ≥ 0,30 što odgovara razini pogaĎanja
(slučajnog odabira točnog odgovora) za test višestrukog izbora s 5 ponuĎenih odgovora kako za
studente PTF-a tako i za studente GF-a osječkog sveučilišta dok su za američke studente
problematična konceptualna područja EPR, MPS i EMI.
Slika 12.b. Usporedba reskaliranih težina zadataka po konceptualnim područjima CSEM testa za hrvatske i
američke studente koji su CSEM test pisali prije (američki) odnosno bez odslušane nastave (hrvatski) iz
elektromagnetizma.
30
5. ZAKLJUČAK
Provedena provjera konceptualnog razumijevanja elektromagnetizma CSEM testom kod
studenata elektrotehnike, računarstva i prehrambene tehnologije na Sveučilištu u Osijeku
pokazala je da su studenti elektrotehnike i računarstva, izučavajući fizikalne osnove
elektrotehnike, dobro usvojili temeljne koncepte iz elektriciteta i magnetizma. Uspjeh na pred-
testu studenata prehrambene tehnologije je vrlo slab što moţe ukazivati na nedovoljno usvojeno
znanje i razumijevanje sadrţaja iz elektromagnetizma tijekom srednjoškolskog obrazovanja, ali i
na nedostatak unutarnje kao i vanjske motivacije za rješavanje ovakvog testa. Rezultati
statističke analize testa pokazuju da se CSEM test moţe primjenjivati kao dijagnostički alat za
procjenu razumijevanja temeljnih fizikalnih koncepata iz elektromagnetizma kod studenata
tehničkih fakulteta. Unatoč značajnim razlikama u načinima poučavanja ovih fizikalnih sadrţaja,
ukupan uspjeh studenata elektrotehnike, računarstva i prehrambene tehnologije osječkog
sveučilišta se vrlo dobro slaţe s ukupnim rezultatima kako izvornog američkog istraţivanja tako
i s ranije provedenim testiranjem studenata u Hrvatskoj.
Identificirane studentske poteškoće u nekim konceptualnim područjima posljedica su
nedovoljnog razumijevanja koncepta elektromagnetske indukcije, odnosno koncepta magnetskog
toka te problema u primjeni Newtonovih zakona u okviru elektromagnetizma. Ovo potvrĎuje
čestu poteškoću kod studenata kada trebaju koncepte iz jednog područja primijeniti u nekom
drugom području fizike. Stoga bi, pri poučavanju fizike, trebala bi što jače naglašena povezanost
i prijenos ideja izmeĎu različitih područja fizike.
31
6. LITERATURA
[1] C. Raduta, General student`s misconceptions related to electricity and magnetism,
http://arxiv.org/pdf/physics/0503132 (2005)
[2] Misconceptions about electricity and magnetism,
http://www.huntel.net/rsweetland/science/misconceptions/elect_magnet-html (2004)
[3] R. Krsnik, Učenik i učenje fizike (Što govore rezultati istraživanja), PMF, Zagreb, 2001., str.
7.
http://nastava.hfd.hr/simpozij/2001/2001-Krsnik.pdf
[4] R. Krsnik, Suvremene ideje u metodici nastave fizike, Zagreb, 2008., str. 41. – 65.
[5] Halloun & Hestenes, Common-sense concepts about motion, Am. J. Phys. (1985).
[6] Hestenes, Wells & Swackhammer, Force Concept Inventory, Phys. Teacher (1992).
[7] Hestenes & Wells, A Mechanics Baseline Test, Phys. Teacher, (1992).
[8] D.P. Maloney, T.L. O´Kuma, C.J. Hieggelke, A. Van Heuvelen, Phys. Educ. Res., A. J.
Phys. 69(7), (2001) S12-S23
[9] L. Ding, R. Beichner, Approaches to data analysis of multiple-choice questions, Phys. Rev.
Special Topics-Phys. Educ.Res. 5, 020103 (2009).
[10] M. Planinić, Assessment of difficulties of some conceptual areas from electricity and
magnetism using the Conceptual Survey of Electricity and Magnetism, Am. J. Phys. 74 (12)
(2006)
[11] G.M. Bodner, Statistical analysis of multiple-choice exams, J. Chem. Ed. 57, 188-190
(1980).
[12] G.F. Kuder, M.W. Richardson, The theory of the estimation of test reliability, Psychmetrika
2, 151-160 (1937)
32
7. ŢIVOTOPIS
RoĎena sam 20. rujna 1987. godine u Osijeku. U prvi razred Osnovne škole „August
Harambašić“ u Donjem Miholjcu upisana sam 1994. godine. Istu školu uspješno sam završila
2002. godine. Srednju školu u Donjem Miholjcu upisala sam 2002. godine, smjer komercijalist.
Uspješno sam maturirala 2006. godine, a iste godine upisala sam Preddiplomski studij fizike u
Osijeku na Sveučilištu J. J. Strossmayera. Preddiplomski studij fizike završila sam 2009. godine,
te nastavljam studij upisavši Diplomski studij fizike i informatike.
33
8. DODATAK
KONCEPTUALNI TEST IZ ELEKTROMAGNETIZMA
Šifra: Spol: M - Ţ Smjer i godina studija: Datum:
Napomena: U svim pitanjima, u kojima se spominje struja, koristi se dogovoreni smjer struje od pozitivnog prema
negativnom polu. Svi utjecaji magnetskog polja Zemlje smatraju se zanemarivima. Termin "čestica" označava
objekt bez veličine i strukture.
1) Šuplja metalna kugla (sfera) električki je neutralna (nema viška naboja). Mala količina negativnog naboja
odjednom se dovede u točku P na vanjskoj površini sfere. Ako nakon nekoliko sekundi provjerimo što se
dogodilo s nabojem, zateći ćemo jednu od sljedećih situacija:
a) Sav je naboj ostao oko točke P.
b) Sav se naboj jednoliko rasporedio po vanjskoj površini sfere.
c) Sav se naboj jednoliko rasporedio po unutrašnjoj i vanjskoj površini sfere.
d) Većina naboja je još uvijek oko točke P, ali se dio raširio po sferi.
e) Naboja više nema na sferi.
2) Šuplja kugla (sfera), načinjena od materijala koji je izolator, električki je neutralna (nema viška naboja).
Mala količina negativnog naboja odjednom se dovede u točku P na vanjskoj površini sfere. Ako nakon
nekoliko sekundi provjerimo što se dogodilo s nabojem, zateći ćemo jednu od sljedećih situacija:
a) Sav je naboj ostao oko točke P.
b) Sav se naboj jednoliko rasporedio po vanjskoj površini sfere.
c) Sav se naboj jednoliko rasporedio po unutrašnjoj i vanjskoj površini sfere.
d) Većina naboja je još uvijek oko točke P, ali se dio raširio po sferi.
e) Naboja više nema na sferi.
UZ PITANJA 3-5
Dva mala tijela, svako naboja +Q, djeluju silom iznosa F jedno na drugo.
Jedno od tijela zamijenimo drugim tijelom, čiji je naboj +4Q:
3) Prijašnji iznos sile na naboj +Q bio je F. Koliki je sada iznos sile na tijelo naboja +Q?
a) 16 F
b) 4 F
c) F
d) F/4
e) Neki drugi iznos
4) Koliki je iznos sile na tijelo naboja +4Q?
a) 16 F
b) 4 F
c) F
d) F/4
e) Neki drugi iznos
5) Sada razmaknemo tijela naboja +Q i +4Q, tako da im je udaljenost 3 puta veća nego što je bila prije.
Kolika je sada sila na tijelo naboja +4Q?
a) F/9
b) F/3
c) 4F/9
34
d) 4F/3
e) Neki drugi iznos
6) Koja je od strelica u smjeru rezultantne sile na naboj B?
(a)
(b)
(c)
(d)
(e) Ništa od
navedenog
7) Na donjoj je slici prikazana čestica (B), koja nosi električni naboj od +1 jedinice. Nekoliko centimetara
lijevo od nje je druga čestica (A), električnog naboja od -2 jedinice. Izaberi par vektora koji prikazuje
ispravan odnos električne sile na A (koja potječe od B) i električne sile na B (koja potječe od A).
sila na A sila na B
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
8) Na donjoj su slici prikazani pozitivni naboji q2 i q3, koji djeluju na naboj q1 rezultantnom silom u smjeru
+x– osi. Ako se dovede pozitivni naboj Q u točku (b,0), što će se dogoditi sa silom na q1? (Svi su naboji
učvršćeni na svojim poloţajima.)
a) Neće biti promjene iznosa rezultantne sile, jer je Q na x–osi.
b) Promijenit će se iznos rezultantne sile, ali ne i njen smjer.
c) Iznos rezultantne sile će se smanjiti, a moţe se promijeniti i njen smjer, zbog meĎudjelovanja
izmeĎu Q i naboja q2 i q3.
d) Iznos rezultantne sile će se povećati, a moţe se promijeniti i njen smjer, zbog meĎudjelovanja
izmeĎu Q i naboja q2 i q3.
e) Ne moţe se zaključiti bez poznavanja iznosa naboja q1 i/ili Q.
9) Na donjoj je slici prikazana točka P u kojoj postoji električno polje, usmjereno duţ y-osi prema gore. Ako
se dovede negativni naboj –Q u točku na pozitivnom dijelu y-osi, što će se dogoditi s poljem u točki P?
(Svi su naboji učvršćeni na svojim poloţajima.)
35
a) Neće biti promjene jakosti polja, jer je -Q na y–osi.
b) Jakost polja će se povećati, jer je naboj -Q negativan.
c) Jakost polja će se smanjiti, a moţe se promijeniti i smjer polja, zbog meĎudjelovanja izmeĎu
naboja -Q i dva naboja -q.
d) Jakost polja će se povećati, a moţe se promijeniti i smjer polja, zbog meĎudjelovanja izmeĎu
naboja -Q i dva naboja -q.
e) Ne moţe se zaključiti bez poznavanja sila kojima –Q djeluje na dva naboja –q.
UZ PITANJA 10 – 11:
Pozitivni naboj miruje u središtu prostora u kojem postoji homogeno trodimenzionalno električno polje.
(Homogeno polje je polje istog iznosa i smjera u svim točkama prostora u kojem djeluje.)
10) Kad se pozitivni naboj oslobodi iz mirovanja u homogenom električnom polju, kako će se on nakon toga
gibati?
a) Gibat će se brzinom stalnog iznosa.
b) Gibat će se brzinom stalnog iznosa i smjera.
c) Gibat će se stalnim ubrzanjem.
d) Gibat će se ubrzanjem koje se linearno mijenja.
e) I dalje će mirovati u svom početnom poloţaju.
11) Što će se dogoditi s električnom potencijalnom energijom pozitivnog naboja, nakon što se on oslobodi iz
mirovanja u homogenom električnom polju?
a) Ona će ostati stalna, jer je električno polje homogeno.
b) Ona će ostati stalna, jer će naboj i dalje mirovati.
c) Ona će se povećati, jer će se naboj gibati u smjeru električnog polja.
d) Ona će se smanjiti, jer će se naboj gibati u suprotnom smjeru od smjera električnog polja.
e) Ona će se smanjiti, jer će se naboj gibati u smjeru električnog polja.
12) Pozitivni naboj moţe se staviti na jedan od dvaju poloţaja u homogenom električnom polju, kako je
prikazano na donjoj slici. U kakvom su odnosu električne sile na naboj u poloţaju 1 i 2?
a) Sila na naboj je veća u poloţaju 1.
b) Sila na naboj je veća u poloţaju 2.
c) Sila je jednaka nuli u oba poloţaja.
d) Sila je jednaka u oba poloţaja, ali nije nula.
e) Sila u oba poloţaja ima isti iznos, ali suprotan smjer.
13) Na slici je prikazana šuplja vodljiva metalna kugla, koja je početno ravnomjerno nabijena pozitivnim
nabojem po površini. Tada je doveden pozitivni naboj +Q u blizinu kugle, kako je prikazano na slici. Kamo
je usmjereno električno polje u središtu kugle nakon što je pozitivni naboj +Q doveden u njenu blizinu?
a) Na lijevu stranu.
b) Na desnu stranu.
c) Prema gore.
d) Prema dolje.
e) Polje je jednako nuli.
36
14) Slika prikazuje električni naboj q smješten u središtu šuplje nenabijene vodljive metalne kugle. Izvan kugle
se nalazi drugi naboj Q. Oba su naboja pozitivna. Odaberite ispravan opis rezultantnih električnih sila na
svaki naboj u toj situaciji.
a) Na oba naboja djeluju jednake rezultantne sile, usmjerene u suprotnom smjeru.
b) Nema rezultantne sile ni na jedan od naboja.
c) Nema rezultantne sile na Q, ali postoji rezultantna sila na q.
d) Nema rezultantne sile na q, ali postoji rezultantna sila na Q.
e) Postoji različita rezultantna sila na svaki od naboja.
Upotrijebite sljedeći prikaz električnog polja za pitanje 15.
15) Koji je smjer električne sile na negativni naboj u točki P na gornjoj slici?
(a)
(b)
(c) (d)
(e) Sila je jednaka
nuli.
16) Elektron je postavljen u točku na x-osi, u kojoj električni potencijal iznosi +10 V. Koji od sljedećih
odgovora najbolje opisuje buduće gibanje elektrona?
a) Elektron će se gibati ulijevo (-x), jer je negativno nabijen.
b) Elektron će se gibati udesno (+x), jer je negativno nabijen.
c) Elektron će se gibati ulijevo (-x), jer je potencijal pozitivan.
d) Elektron će se gibati udesno (+x), jer je potencijal pozitivan.
e) Gibanje elektrona ne moţe se predvidjeti na osnovi ovih podataka.
UZ PITANJA 17 – 19
Na sljedećim slikama isprekidane crte označavaju ekvipotencijalne linije električnog polja. (Naboj koji bi se gibao
duţ ekvipotencijalne linije imao bi stalnu električnu potencijalnu energiju.) Nabijeno tijelo premještamo izravno iz
točke A u točku B. Naboj tijela iznosi +1 μC.
17) Kako se meĎusobno odnose iznosi rada potrebnog za premještanje naboja u ova tri slučaja?
a) Najveći je rad potreban u slučaju I.
b) Najveći je rad potreban u slučaju II.
37
c) Najveći je rad potreban u slučaju III.
d) I i II zahtijevaju isti iznos rada, koji je manji nego u III.
e) U sva tri slučaja iznos rada je jednak.
18) Kako se meĎusobno odnose jakosti električnog polja u točki B za ova tri slučaja?
a) I > III > II
b) I > II > III
c) III > I > II
d) II > I > III
e) I = II = III
19) Za slučaj III: Koji je smjer električne sile kojom polje djeluje na naboj od +1 μC, kad se on nalazi u točki A
ili točki B?
a) Na lijevu stranu u točki A i na lijevu stranu u točki B.
b) Na desnu stranu u točki A i na desnu stranu u točki B.
c) Na lijevu stranu u točki A i na desnu stranu u točki B.
d) Na desnu stranu u točki A i na lijevu stranu u točki B.
e) Nema električne sile niti u točki A, niti u točki B.
20) Pozitivno nabijena čestica je prvo smještena da miruje na poloţaju I, a zatim na poloţaju II u prostoru u
kojem postoji električni potencijal opisan ekvipotencijalnim linijama. Koji par strelica najbolje opisuje
relativne iznose i smjerove električne sile, koja djeluje na nabijenu česticu u poloţajima I i II?
sila u I sila u II
(a)
(b)
(c)
(d)
(e) 0 0
21) Što će se dogoditi s pozitivnim nabojem koji je stavljen bez početne brzine u homogeno magnetsko polje?
(Homogeno magnetsko polje ima isti smjer i jakost u svim točkama prostora u kojem djeluje.)
a) Gibat će se stalnom brzinom, jer je iznos sile stalan.
b) Gibat će se stalnim ubrzanjem, jer je iznos sile stalan.
c) Gibat će se kruţno, brzinom stalnog iznosa, jer je sila stalno okomita na brzinu.
d) Gibat će se kruţno i povećavati brzinu, jer je sila stalno okomita na brzinu.
e) Mirovat će, jer su i sila i početna brzina jednake nuli.
22) Elektron se giba horizontalno prema ekranu. Elektron se giba duţ naznačene putanje zbog magnetske sile
uzrokovane magnetskim poljem. Kako je usmjereno to magnetsko polje?
a) Prema vrhu stranice.
b) Prema dnu stranice.
c) U stranicu.
d) Iz stranice.
e) Magnetsko polje prati smjer zakrivljene putanje.
23) Ţicom 1 teče jaka struja iz stranice ( ), kako je prikazano na slici. Ţicom 2 teče jaka struja u stranicu ( ).
Kakav je smjer magnetskog polja u točki P?
a)
b)
38
c)
d)
e) Ništa od navedenog.
24) Kroz dvije paralelne ţice I i II, koje su blizu jedna drugoj, teče struja i, odnosno 3i. Obje struje su u istom
smjeru. Usporedite sile kojima ove dvije ţice djeluju jedna na drugu.
a) Ţica I djeluje jačom silom na ţicu II, nego što II djeluje na
I.
b) Ţica II djeluje jačom silom na ţicu I, nego što I djeluje na
II.
c) Obje ţice djeluju jednakim privlačnim silama jedna na
drugu.
d) Obje ţice djeluju jednakim odbojnim silama jedna na
drugu.
e) Ţice ne djeluju silama jedna na drugu.
25) Na donjim slikama prikazane su pozitivno nabijene čestice, koje se gibaju u istom homogenom
magnetskom polju. Polje je usmjereno s lijeva na desno. Sve čestice imaju jednak naboj i iznos brzine v.
Poredajte situacije prema jakosti sile kojom polje djeluje na naboje u gibanju, od najjače sile do najslabije.
silnice
magnetskog
polja
a) I = II = III
b) III > I > II
c) II > I > III
d) I > II > III
e) III > II > I
26) Slika prikazuje ţicu, kojom teče jaka struja i ( ), usmjerena iz stranice. Koji će biti smjer magnetskog
polja na poloţajima A i B?
A B
a)
b)
c)
d)
e) Ništa od navedenog.
27) Pozitivno nabijena čestica (+q) miruje u ravnini izmeĎu dva učvršćena magneta, kako je prikazano na slici.
Magnet s lijeve strane je tri puta jači od magneta s desne strane. Koji od ponuĎenih odgovora najbolje
opisuje rezultantnu magnetsku silu na česticu?
39
(a) (b)
(c)
(d)
(e) Nula.
28) Kroz dvije jednake strujne petlje teku jednake struje i. Petlje su postavljene kao što pokazuje slika. Koji od
odgovora najbolje opisuje smjer magnetskog polja u točki P, na pola puta izmeĎu petlji?
a)
b)
c)
d)
e) Nula.
Četiri slijedeće slike prikazuju valjkasti magnet i malu ţaruljicu, koja je spojena na krajeve petlje od bakrene
ţice. Upotrijebite ove slike za sljedeće pitanje. Ravnina ţičane petlje je okomita na referentnu os. Stanje gibanja
magneta i petlje označene su na slikama. Brzina je označena s v, a OKZ znači obrnuto od kazaljke na satu.
29) Na kojima će od gornjih slika ţaruljica svijetliti?
a) I, III, IV.
b) I, IV.
c) I, II, IV.
d) IV.
e) Ni na jednoj.
30) Vrlo dugom ravnom ţicom teče stalna jaka struja i. Pravokutne metalne petlje, koje su u istoj ravnini kao i
ţica, gibaju se brzinom v u naznačenim smjerovima. U kojim će se petljama inducirati struja?
a) Samo u I i II.
b) Samo u I i III.
c) Samo u II i III.
d) U svim petljama.
e) Ni u jednoj petlji.
31) Neutralni metalni štap giba se stalnom brzinom v u desno, kroz područje u kojem postoji homogeno
magnetsko polje, usmjereno iz stranice. Magnetsko je polje proizvedeno velikim zavojnicama, koje nisu
prikazane na slici.
40
Koja od sljedećih slika najbolje prikazuje raspodjelu naboja na površini metalnog štapa?
a) b) c) d) e)
32) Izvor promjenljivog napona spojen je na zavojnicu i ampermetar. Prikazana je vremenska ovisnost (t)
vrijednosti struje (i), očitanih s ampermetra. Zavojnica, koja se nalazi u blizini, spojena je na voltmetar.
Koji od sljedećih grafova ispravno prikazuje vremensku ovisnost vrijednosti napona (u), očitanih na voltmetru?
