Zagreb, 2013.

SVEUĈILIŠTE U ZAGREBU

PRIRODOSLOVNO – MATEMATIĈKI FAKULTET

FIZIĈKI ODSJEK

Boni Đukić

RAĈUNALNA SIMULACIJA KAO POMOĆ

U RAZUMIJEVANJU ATOMSKIH

SPEKTARA

Diplomski rad

Zagreb, 2013.

SVEUĈILIŠTE U ZAGREBU

PRIRODOSLOVNO – MATEMATIĈKI FAKULTET

FIZIĈKI ODSJEK

SMJER: Profesor fizike

Boni Đukić

Diplomski rad

RAĈUNALNA SIMULACIJA KAO

POMOĆ U RAZUMIJEVANJU

ATOMSKIH SPEKTARA

Voditelj diplomskog rada: prof. dr. sc. Mirko Planinić

Ocjena diplomskog rada:

____________________

Povjerenstvo: 1. ____________________

2. ____________________

3. ____________________

Datum polaganja: ____________________

Sadržaj

1 Uvod .................................................................................................................................................. 1

2 Motivacija ........................................................................................................................................ 2

2.1 Konstruktivistiĉki model nastave ........................................................................................... 2

2.2 Primjena raĉunalnih simulacija u nastavi fizike ................................................................... 4

2.3 Istraživanje o poteškoćama u razumijevanju atomskih spektara ......................................... 6

2.4 Zadatak kao osnova raĉunalne aplikacije ............................................................................. 7

3 Aplikacija i simulator .................................................................................................................. 11

3.1 Uvjeti za razvoj aplikacije ..................................................................................................... 11

3.2 Korištene tehnologije ............................................................................................................. 11

3.2.1 Apache web poslužitelj .................................................................................................. 11

3.2.2 MySQL .......................................................................................................................... 12

3.2.3 PHP ................................................................................................................................ 12

3.2.4 JavaScript ...................................................................................................................... 13

3.2.5 jQuery ............................................................................................................................ 13

3.2.6 Twitter Bootstrap ........................................................................................................... 13

3.3 Protok podataka ..................................................................................................................... 14

3.4 Proces rješavanja zadaće ...................................................................................................... 15

3.4.1 Prijava ............................................................................................................................ 15

3.4.2 Poĉetna stranica ............................................................................................................. 16

3.4.3 Spremanje rješenja ........................................................................................................ 16

3.4.4 Simulator ....................................................................................................................... 18

3.4.5 Završetak zadaće ........................................................................................................... 20

4 Istraživanje .................................................................................................................................... 22

4.1 Metode istraživanja i uzorak ispitanika ............................................................................... 22

4.1.1 Predtest .......................................................................................................................... 23

4.1.2 Aplikacija ...................................................................................................................... 25

4.1.3 Posttest ........................................................................................................................... 25

4.2 Rezultati istraživanja ............................................................................................................ 26

4.2.1 Rezultati predtesta ......................................................................................................... 26

4.2.2 Rezultati zadaće u aplikaciji ......................................................................................... 28

4.2.3 Rezultati posttesta ......................................................................................................... 31

5 Zaključak ....................................................................................................................................... 34

6 Literatura ....................................................................................................................................... 36

1

1 Uvod

Spektroskopija predstavlja važan dio moderne fizike. Linijski spektar bio je nit vodilja u

razvoju modela atoma. Atomski spektri se stoga obraĊuju u sklopu uvodnih i naprednih

kolegija na fakultetima. Spektroskopija je važna tema i u kolegijima astronomije i

astrofizike. Isto tako, osnovni fizikalni pojmovi i zakoni vezani uz spektroskopiju,

odnosno atomske spektre, obraĊuju se u srednjim školama u sklopu ĉetverogodišnjih

programa fizike. Obrada spektara predložena je i u dvogodišnjim i trogodišnjim

programima fizike u kojima škola odabire sadržaje za svoje izvedbene programe ovisno o

struĉnom profilu, broju nastavnih sati i uvjetima rada.

Podlogu ovog rada predstavlja opsežno istraživanje studentskog razumijevanja atomskih

spektara [1]. Rezultati istraživanja ukazali su na brojne poteškoće koje se javljaju kod

studenata. Velik broj identificiranih poteškoća odnosi se na shvaćanje uloge pojedinih

dijelova eksperimentalnog postava u opažanju spektara. Većina studenata vrstu nastalog

spektra ne povezuje s odreĊenom vrstom izvora, već s optiĉkim instrumentima.

Istraživanje je pokazalo da studenti ne razvijaju funkcionalno razumijevanje spektara kroz

tradicionalni, odnosno predavaĉki oblik nastave.

Ovaj se rad temelji na konstruktivistiĉkom modelu nastave. Opisani rezultati spomenutog

istraživanja motivirali su razvoj raĉunalne aplikacije s ciljem pomaganja studentima u

savladavanju poteškoća u razumijevanju procesa nastanka spektara. Nakon razvoja

aplikacije provedeno je istraživanje kako bi se provjerilo kakav je uĉinak primjene

aplikacije u nastavi, tj. u procesu uĉenja. Cilj istraživanja bio je pronalazak najpogodnijeg

i najefikasnijeg oblika implementacije aplikacije u nastavi.

2

2 Motivacija

2.1 Konstruktivistički model nastave

Istraživanja u podruĉju edukacijske fizike ukazala su na nedostatke tradicionalnih oblika

nastave kao što su pasivnost uĉenika te njihova usredotoĉenost na reproduciranje

nastavnog sadržaja i formula. Spomenuti nedostaci potaknuli su razvoj novih oblika

nastave ĉiji je cilj postizanje intelektualne angažiranosti uĉenika. Skup nastavnih metoda

koje su osmišljene kako bi se potaknula intelektualna aktivnost uĉenika nazivamo

interaktivnom nastavom [2,3].

Kljuĉno u interaktivnoj nastavi je prihvaćanje principa konstruktivistiĉkog modela ĉiji je

zaĉetnik švicarski psiholog Jean Piaget (prva polovica 20.st). Prema tom principu uĉenici

su ukljuĉeni u aktivnu konstrukciju vlastite reprezentacije znanja. Konstruktivistiĉki model

temelji se na ĉinjenici da uĉenici dolaze na nastavu s već razvijenim idejama o

funkcioniranju svijeta od kojih su mnoge u kontradikciji sa znanstvenim ĉinjenicama.

Ono u ĉemu se interaktivna nastava kroz konstruktivistiĉki model uvelike razlikuje od

tradicionalnog pristupa ĉinjenica je da uĉenik postaje glavni protagonist nastave u kojoj

aktivno sudjeluje umjesto da pasivno sluša. Pri takvoj nastavi uĉenik pokazuje svoje

znanje te mu se dopušta polemiziranje o danom problemu s ostalim uĉenicima. GraĊenjem

znanja kroz što veći broj direktnih iskustava o pojavama koji se stavljaju pred uĉenika u

obliku pokusa stvara se okruženje u kojem se uvelike poboljšava kvaliteta procesa uĉenja.

Pokazalo se da je upravo takva nastava puno uĉinkovitija od tradicionalnog oblika.

U interaktivnoj nastavi nailazimo na brojne izazove, od koji je možda najzahtjevniji

motiviranje uĉenika na ovakav naĉin rada. Uĉenicima je potrebno objasniti ciljeve koji se

žele postići te im dati do znanja da je to put do boljeg razumijevanja fizike. Treba ih

usmjeriti prema aktivnom uĉenju te neprestano unaprjeĊivati njihove ideje o procesu

uĉenja. Važno je prihvaćati i toĉne i netoĉne izjave uĉenika te na taj naĉin stvarati

3

pozitivnu atmosferu koja će sve uĉenike poticati na izražavanje svojeg mišljenja i aktivno

sudjelovanje.

Interaktivne nastavne metode ukljuĉuju usmjerenu raspravu, konceptualna pitanja s

karticama, kooperativno rješavanje zadataka u grupama, interaktivno izvoĊenje pokusa i

interaktivnu nastavu pomoću raĉunala [3].

U interaktivnoj nastavi nastavnik bi sat trebao zapoĉeti otvaranjem problema (npr.

pokusom ili primjerom iz svakodnevnog života). U raspravi koja slijedi nastavnik bi,

koristeći divergentna pitanja, uĉenike trebao poticati na iznošenje ideja, a potom pomoću

konvergentnih pitanja usmjeravati uĉenike prema rješenju predstavljenog problema.

Pitanja kojima nastavnik usmjerava raspravu trebaju poticati uĉenike na razmišljanje i

propitkivanje vlastitih ideja. Bitne pojmove i informacije iz odgovora potrebno je dodatno

naglasiti i istaknuti.

U razvijanju boljeg razumijevanja fizikalnih koncepata znaĉajno pomaže metoda

konceptualnih pitanja. Metoda je osmišljena tako da se u pojedinim dijelovima nastave

uĉenicima postavi konceptualno pitanje s ponuĊenim odgovorima (a, b, c, d). Uĉenici kod

sebe imaju kartice na kojima su oznaĉena slova a, b, c, d ili svoj odgovor daju pomoću

elektronskog sustava. Od uĉenika se traži da razmisle o odgovoru te da zatim istovremeno

podignu karticu s odabranim odgovorom ili pritisnu odabrani odgovor. Ova metoda

nastavniku pruža informaciju koliko uĉenika razumije koncept iz pitanja i koje poteškoće

imaju. U raspravi koja slijedi nakon odgovaranja uĉenici meĊusobno i s profesorom

razjašnjavaju poteškoće, uĉe zakljuĉivati i produbljuju svoje razumijevanje fizikalnih

koncepata.

U usporedbi sa samostalnim rješavanjem zadataka kooperativno rješavanje u grupama

pokazalo se mnogo uĉinkovitijim. Svi uĉenici u grupi napreduju – lošiji uĉenici osjećaju se

sigurnije u razgovoru s kolegama nego s profesorom te iznose svoja razmišljanja i

poteškoće, dok bolji uĉenici sudjeluju u pouĉavanju i verbaliziraju svoje znanje i

eventualne poteškoće. Prije rješavanja zadataka u grupama kljuĉno je uĉenike upoznati s

4

glavnim koracima: vizualiziranje i prepoznavanje problema, fizikalno opisivanje

problema, matematiĉko opisivanje problema, rješavanje i na kraju evaluiranje rezultata.

Nastavnik bi trebao obilaziti grupe i pomagati im te na kraju s uĉenicima raspraviti

rješenja i poteškoće na koje su nailazili tijekom rješavanja zadatka.

Nastava fizike bez izvoĊenja pokusa može biti priliĉno suhoparna. Ako su uĉenici samo

pasivni promatraĉi pokusi im neće pomoći u razumijevanju fizikalnih procesa. Kljuĉno

kod interaktivnog izvoĊenja pokusa je ukljuĉivanje uĉenika u sve faze izvoĊenja pokusa.

Ako je moguće, poželjno je da uĉenici sami ili u grupama izvode pokus. Prije izvoĊenja

pokusa nužno je uĉenicima objasniti eksperimentalni postav i opisati što će se uĉiniti.

Uĉenici bi trebali izraziti svoja predviĊanja, što oĉekuju da će se dogoditi, a nakon

izvoĊenja pokusa što su opazili i kako bi to objasnili.

Interaktivna nastava ukljuĉuje i metode koje se zasnivaju na korištenju raĉunala. U ovom

će radu biti razvijena jedna takva metoda. O mogućnostima primjene modernih tehnologija

u nastavi fizike, o uĉincima raĉunalnih metoda na uĉenje i razumijevanje fizikalnih

koncepata te o uvjetima koje je potrebno ispuniti prilikom razvoja takvih metoda biti će

više rijeĉi u sljedećem poglavlju.

2.2 Primjena računalnih simulacija u nastavi fizike

Veliko podruĉje istraživanja u edukacijskoj fizici predstavlja prouĉavanje utjecaja

raznovrsnih oblika nastave korištenih u predavanjima i uĉenju s ciljem pomaganja

studentima u transformaciji alternativnih koncepcija. Kroz posljednja dva desetljeća

znaĉajan dio edukacijskih istraživanja usredotoĉen je na upotrebu raĉunalnih simulacija u

nastavi fizike. Nove tehnologije pružaju priliku za stvaranje okoline uĉenja koja proširuje

mogućnosti tradicionalnih tehnologija i stvaraju mogućnosti koje nisu bile ostvarive prije.

Neki od pozitivnih uĉinaka korištenja raĉunala u edukaciji su pružanje više prilika

uĉenicima i profesorima za dobivanjem povratnih informacija, mogućnost izgradnje

lokalne i globalne zajednice koja ukljuĉuje profesore, uĉenike, roditelje i znanstvenike,

kao i prilika za dodatnu edukaciju profesora [4].

5

Istraživanja su istaknula velik potencijal raĉunalnih simulacija kao alternativnih naĉina u

poduĉavanju s ciljem pomaganja uĉenicima u suoĉavanju s vlastitim kognitivnim

zaprekama i razvoju funkcionalnog razumijevanja fizikalnih koncepata i procesa.

Raĉunalne simulacije imaju znaĉajnu ulogu u poduĉavanju fizike jer mogu prikazati

mnoge pojave koje ukljuĉuju apstraktne fizikalne koncepte i procese. Pomoću simulacija

mnoge fizikalne pojave koje su komplicirane za prikaz na predavanjima mogu se uĉiniti

jednostavnijima i jasnijima. TakoĊer mnogi eksperimenti koji su komplicirani za izvoĊenje

u uĉionici ili laboratoriju mogu se jednostavnije prikazati pomoću raĉunalnih simulacija.

Raĉunalne simulacije sadrže model sustava ili procesa. Kroz upravljanje parametrima

simulacije pružaju mogućnost razvijanja razumijevanja fizikaln ih pojava i zakona te

predstavljaju pomoć uĉenicima pri konstruiranju vlastitih modela i veza izmeĊu fizikalnih

koncepata, varijabli i pojava. Edukacijska programska podrška (engl. software) pruža

direktan pristup informacijama i prikazuje ih istovremeno simulacijom, takoĊer zadaje

zadatke, pitanja i vježbe, prikazuje simulaciju kompleksnih modela i shemu progresije

istih. U raĉunalnim simulacijama koriste se mnogi naĉini, poput slika, animacija, grafova i

numeriĉkih podataka, koji su korisni u razvoju shvaćanja osnovnih koncepata, veza i

procesa. Simulacije su takoĊer pokazale dobre rezultate kada je cilj razvi janje sposobnosti

istraživanja.

Raĉunalne simulacije postižu maksimalnu uĉinkovitost ako su kombinirane s ostalim

metodama interaktivne nastave koje ukljuĉuju verbalizaciju ideja. Dobro razvijene

simulacije omogućuju razvoj dublje procesiranog znanja od frontalne nastave. Razvijanje

dobre edukacijske programske podrške zahtijeva potpuno razumijevanje korištenih

fizikalnih principa kao i poznavanje preporuka i rezultata istraživanja edukacijske fizike.

Tijekom razvoja raĉunalne edukacijske programske podrške treba imati na umu sljedeće [4]:

uĉenik treba upravljati raĉunalom, a ne obrnuto

nužno je izbjeći stvaranje „video igre“ u kojoj će uĉenici uĉiti metodom pokušaja i

pogreške bez potpune intelektualne angažiranosti

pri razvoju kompliciranijih simulacija treba pripaziti na moguće razlike u

mentalnim modelima uĉenika i stvaraoca programske podrške

6

2.3 Istraživanje o poteškoćama u razumijevanju atomskih spektara

Razvoj raĉunalne aplikacije u ovom radu potaknuli su rezultati opsežnog istraživanja

studentskog razumijevanja atomskih spektara [1]. Istraživanje se provodilo na dva

sveuĉilišta: na Prirodoslovno-matematiĉkom fakultetu Sveuĉilišta u Zagrebu te na

University of Washington, Seattle, USA. U istraživanju, ĉiji je cilj bila provjera

uspješnosti razvoja funkcionalnog razumijevanja spektara nakon tradicionalnog oblika

predavanja, sudjelovalo je više od 1000 studenata.

Identificirane su razne studentske poteškoće koje su podijeljene u dvije velike grupe:

1. poteškoće u povezivanju diskretnih spektara, energijskih nivoa i prijelaza

2. poteškoće u razumijevanju uloge pojedinih dijelova eksperimentalnog postava u

opažanju spektara

U ovom radu posebnu pažnju obratit ćemo na drugu skupinu poteškoća koja ukljuĉuje

poteškoće u razumijevanju uloge pojedinih dijelova eksperimentalnog postava u

formiranju spektara.

Već u ranoj fazi istraživanja, tijekom demonstracijskih intervjua, prim ijećeno je da

studenti imaju problema s prepoznavanjem uloge pojedinih dijelova eksperimentalnog

postava u stvaranju spektara. Daljnjim istraživanjem su utvrĊene sljedeće specifiĉne

poteškoće kod velikog broja studenata:

Prizma uvijek daje kontinuirani spektar

Spektralne linije su uvijek vidljive

Poistovjećivanje linijskog spektra i ogibne slike

Kontinuirani spektar se sastoji samo od odreĊenih boja

Monokromatski izvori svjetlosti daju linijski spektar

Zakljuĉeno je da većina studenata ne uspijeva razviti funkcionalno razumijevanje atomskih

spektara kroz tradicionalnu predavaĉku nastavu. Velik broj studenata nije u mogućnosti

7

prepoznati kako nastaju linijski spektri niti ih povezati s odreĊenim vrstama izvora

svjetlosti, već smatra da linijski spektri nastaju prolaskom svjetlosti kroz razliĉite optiĉke

instrumente. UtvrĊene općenite poteškoće su:

Uvjerenje da bilo koji izvor daje diskretan spektar

Nepovezivanje linijskog spektra s atomskim prijelazima

Uz samu identifikaciju i analizu specifiĉnih studentskih poteškoća, u radu se opisuje i

proces razvoja, primjene i evaluacije nastavnih materijala i strategija koje mogu pomoći u

razrješavanju uoĉenih studentskih poteškoća. Kako bi se provjerila efikasnost razvijenih

nastavnih materijala osmišljena su predtest i posttetst pitanja. Predtest pitanja detektiraju

studentske poteškoće nakon tradicionalne nastave, ali prije primjene novih nastavnih

materijala, dok posttest pitanja traže od studenata da primjene koncepte i ideje koje su

prouĉavali. Rezultati posttesta pokazali su veliki napredak kod studenata u razumijevanju

atomskih prijelaza nakon primjene pouĉnika. Zakljuĉeno je da se tradicionalna nastava

može modificirati tako da poboljša studentsko razumijevanje ovako važne teme.

2.4 Zadatak kao osnova računalne aplikacije

Ideja o razvoju raĉunalne aplikacije temelji se na zadatku iz domaće zadaće u sklopu

pouĉnika [5] za kolegij iz osnova fizike razvijenog na Sveuĉilištu u Washingtonu. Cilj

domaće zadaće je pomoći studentima da stvore vezu izmeĊu opaženih uzoraka na zastoru i

eksperimentalnih postava kojima se ti uzorci mogu opaziti. U prvom dijelu zadatka nalazi

se 12 razliĉitih eksperimentalnih postava grupiranih po izvoru svjetlosti i dijelovima koji

ĉine sam postav. Eksperimentalni postavi oznaĉeni su slovima A-L (slika 1).

8

Slika 1: Prvi dio zadaće iz pouĉnika (engl. tutorial) o ulozi eksperimentalnog postava

u nastajanju spektara [5]

U drugom dijelu zadatka nalaze se nasumice poredani uzorci koji bi se vidjeli na zaslonu

upotrebljavajući eksperimentalne postave navedene na prvom listu. Pored svakog uzorka

nalazi se prostor za upisivanje oznake odabranog eksperimentalnog postava (A-L) te

kratkog objašnjenja izbora.

9

Slika 2: Drugi dio zadaće iz pouĉnika o ulozi eksperimentalnog postava

u nastajanju spektara [5]

Tijekom razvoja zadaće u aplikaciji postavima prikazanima na slici 1 dodani su

eksperimentalni postavi koji sadrže i optiĉku rešetku i pripadajuće uzorke (slika 3).

10

Slika 3: Skice eksperimentalnih postava i pripadajućih uzoraka dodanih u aplikaciji

Kroz raspravu o tome kako bi se najkvalitetnije i najjednostavnije mogla koristiti navedena

zadaća iz podruĉja spektroskopije, rodila se ideja o projektu zadaće kroz web aplikaciju.

Na taj naĉin, ovisno o potrebama kolegija, studentima bi se omogućilo rješavanje zadaće u

svojim domovima ili u raĉunalnim uĉionicama uz prisustvo profesora.

11

3 Aplikacija i simulator

3.1 Uvjeti za razvoj aplikacije

Prilikom osmišljavanja strukture same aplikacije postavljeni su odreĊeni uvjeti koje bi ona

morala zadovoljiti:

korištenje modernih tehnologija koje će aplikaciju približiti studentima te prebaciti

fokus upotrebe na fiziku

mogućnost korištenja u raĉunalnim uĉionicama u sklopu fakulteta kao i u obliku

domaće zadaće

jednostavan i neograniĉen pristup simulatoru i nakon rješavanja zadane zadaće

administriranje aplikacije koje ukljuĉuje odabir pojedinih komponenti zadaće

pružanje pregleda odgovora i statistiĉkih podataka vezanih za odgovor pojedinog

studenta kao i cijele grupe

Imajući na umu gore navedene zahtjeve, odluĉio sam svoj projekt razviti u obliku web

aplikacije koja će se posluživati preko interneta, istovremeno odabirući odreĊenu paletu

tehnologija s kojima bih najjednostavnije i najkvalitetnije mogao razviti istu . Te će

tehnologije dalje u tekstu biti navedene i ukratko opisane.

3.2 Korištene tehnologije

3.2.1 Apache web poslužitelj

Apache web poslužitelj je besplatni (engl. open source) web poslužitelj dostupan na

gotovo svim poznatijim operacijskim sustavima. Razvoj Apachea poĉeo je još 1995.

godine te je igrao bitnu ulogu u stvaranju World Wide Weba kao najpopularniji web

poslužitelj. Godine 2009. broj web stranica koje su se posluživale preko Apachea prešao je

100 milijuna.

12

3.2.2 MySQL

S obzirom da je arhitektura aplikacije zahtijevala spremanje korisniĉkih odgovora te

naknadno pregledavanje statistiĉkih podataka poput broja toĉnih odgovora te pruženih

objašnjenja, oĉito je bilo da aplikacija mora imati perzistenciju u obliku baze podataka.

Odabrao sam MySQL bazu podataka kao drugu najkorišteniju relacijsku bazu podataka na

svijetu te ĉest i popularan odabir u velikom broju web aplikacija koje su u ovom trenutku

dostupne na internetu, varirajući od najjednostavnijih aplikacija do web aplikacija visokog

profila kao što su Wikipedia, Google (ne za pretraživanje), Facebook, Twitter i YouTube.

MySQL je u LightSource aplikaciji korišten kao sloj u kojem će se spremati podaci o

uzorcima, eksperimentalnim postavima, korisniĉkim raĉunima, odgovorima na pitanja kao

i svim ostalim podacima koji moraju biti permanentno saĉuvani.

3.2.3 PHP

PHP je moderan dinamiĉki skriptni programski jezik koji se izvršava na poslužitelju te se

najvećim dijelom koristi za razvoj web stranica. Prvotnu verziju razvio je Rasmus Lerdorf

1995. godine kao pomoć pri izradi vlastite web stranice te je PHP predstavljao akronim

pojma "Personal Home Page". Kako se PHP razvijao, tako je znaĉenje akronima dobilo

novo objašnjenje: "Hypertext Preprocessor".

PHP je postao jedan od najpopularnijih programskih jezika današnjice zbog svoje

jednostavne sintakse (sliĉna programskom jeziku C) te brzine razvoja (interpretiran

programski jezik). Trenutno je u upotrebi na više od 244 milijuna web stranica te više od 2

milijuna web poslužitelja.

PHP je u LightSource aplikaciji korišten kao glavni alat koji upravlja cijelom aplikacijom

povezujući interakciju korisnika sa MySQL bazom u pozadini koja je odgovorna za

perzistenciju podataka.

13

3.2.4 JavaScript

JavaScript je interpretirani raĉunalni programski jezik. Kao dio gotovo svih modernih

internetskih preglednika, njegove implementacije omogućavaju dijelovima koda na

klijentskoj strani da interakciju s korisnikom, kontroliraju sam preglednik, komuniciraju

asinkrono te mijenjanju web stranicu koja se trenutno prikazuju u pregledniku. Sintaksa je

inspirirana sintaksom jezika C te uvelike koristi nomenklaturu jezika Java. Iako postoji

relativno velika sliĉnost u nazivima programskih jezika JavaScript i Java, semantiĉki su to

dva gotovo potpuno razliĉita jezika.

JavaScript postaje sve bitniji kao programski jezik današnjice upravo zbog svoje

karakteristike da se može pokrenuti u pregledniku svakog pojedinog korisnika (umjesto na

web poslužitelju) te tako brzo reagirati na potrebe korisnika ĉineći aplikacije

interaktivnijima.

3.2.5 jQuery

jQuery je mala, brza i dodacima bogata programska biblioteka (engl. library) za

JavaScript. jQuery olakšava i ubrzava manipulaciju HTML dokumentom, omogućava

jednostavniju upotreba animacija te pruža još mnogo drugih pogodnosti zbog kojih je

postao napopularnija programska biblioteka za JavaScript.

3.2.6 Twitter Bootstrap

Bootstrap je besplatna kolekcija alata za kreiranje web stranica i web aplikacija.

Omogućuje jednostavno korištenje dizajniranih predložaka za tipografiju, forme, linkove,

navigaciju te za ostale komponente koje se koriste u razvoju web aplikacija. Razvili su ga

Mark Otto i Jacob Thornton u Twitteru da potaknu konzistenciju samog izgleda aplikacija

unutar internih procesa. Vrlo brzo je prerastao Twitter te se danas koristi u velikom broju

web aplikacija dostupnih na internetu.

14

3.3 Protok podataka

Svaki put kada korisnik unese u internetski preglednik domenu LightSource aplikacije,

preglednik šalje web poslužitelju (serveru) zahtjev za aplikacijom. Na web poslužitelju se

nalazi HTTP server Apache koji je zaslužan za kontrolu onoga što će se korisniku vratiti u

preglednik kao rezultat zahtjeva. U našem sluĉaju, zahtjev od strane korisnika ukljuĉuje ili

odreĊenu PHP stranicu ili statiĉne datoteke kao što su slike, ikone, razne programske

biblioteke i sliĉno.

Slika 4: Prikaz protoka podataka

Kada zahtjev ukljuĉuje PHP stranicu, Apache HTTP poslužitelj će od PHP interpretera

zatražiti izvršavanje potrebnog koda. U tom trenutku PHP interpreter izvršava kod, tokom

ĉega dohvaća podatke iz MySQL baze ukoliko je to potrebno, tj. ako je ukljuĉeno u

zahtjevu korisnika. Nakon što je završio obraĊivati zahtjev, PHP interpreter vraća rezultat

Apache HTTP poslužitelju u obliku HTML stranice, koja se prikazuje korisniku u

njegovom internetskom pregledniku. Cijeli ovaj proces u prosjeku traje 500 ms.

15

3.4 Proces rješavanja zadaće

Zadaća se sastoji od tri dijela. U prvom dijelu studenta se pita za predviĊanja i

obrazloženja. U drugom dijelu zadaće student može provjeriti koje kombinacije

eksperimentalnog postava daju pojedini uzorak. A u posljednjem koraku student za jedan

nasumiĉno odabran uzorak može ponovo vidjeti svoj odgovor i po potrebi ga korigirati ako

se s njime više ne slaže.

3.4.1 Prijava

Nakon što korisnik pokuša pristupiti LightSource aplikaciji prvo što će vidjeti je forma za

prijavu u sustav.

Slika 5: Prikaz forme za prijavu

Prijava zahtjeva unos korisniĉkog imena i lozinke koje je administrator aplikacije ranije

morao kreirati. Ukoliko korisnik unese krivu kombinaciju korisniĉkog imena i lozinke,

prikazat će se poruka ukazujući na problem.

16

3.4.2 Početna stranica

Nakon što se uspješno prijavio u sustav, korisniku se uĉita poĉetna stranica na kojoj se

nalazi tekst sa kratkim objašnjenjem o sadržaju zadaće, uputama za rješavanje te gumb

kojim se zapoĉinje zadaća. Rješavanje je ograniĉeno na 90 minuta, iako tu vrijednost

administrator aplikacije lako može mijenjati po potrebi. Da bi pokrenuo rješavanje,

korisnik mora odabrati gumb "Zapoĉni evaluaciju". Od tog trenutka poĉinje se odbrojavati

period od 90 minuta koji se neće prekinuti odjavom iz aplikacije ili zatvaranjem

internetskog preglednika. Nakon isteka 90 minuta, korisnik će biti automatski odjavljen iz

aplikacije ukoliko nije spremio odgovore na sva pitanja iz zadaće.

Slika 6: Prikaz poĉetne stranice u aplikaciji

3.4.3 Spremanje rješenja

Nakon što je zapoĉeo s rješavanjem zadaće korisnik u svakom trenutku u gornjem desnom

kutu aplikacije može vidjeti status vremena rješavanja. TakoĊer, na stranici su izlistani svi

uzorci koje je potrebno riješiti kao dio zadaće.

17

Slika 7: Prikaz uzoraka za koje studenti moraju odabrati

odgovarajući eksperimentalni postav

Odabirom pojedinog uzorka, korisniku će biti prikazana stranica za odabir

eksperimentalnog postava koji bi se mogao upotrijebiti za nastanak takvog uzorka. Odabir

se odvija tako da se postav sastavlja u 3 koraka biranjem razliĉitih komponenti:

1. izvor svjetlosti tj. lampa, s mogućnošću odabira zelene lampe, crvene lampe, lampe

sa žarnom niti koja daje bijelu svjetlost ili vodikove lampe,

2. pukotina, s mogućnošću odabira uske pukotine ili široke pukotine,

3. optiĉki element, s mogućnošću odabira optiĉke rešetke ili prizme

18

Slika 8: Nakon odabira dijelova eksperimentalnog postava

prikaže se skica cijelog postava

Nakon što je odabrao sve 3 komponente korisniku će se pokazati skica eksperimentalnog

postava koji se sastoji od odabranih komponenti. Na taj naĉin student može lakše

vizualizirati postav i njegove sastavne dijelove te u svakom trenutku usporediti svoja

razmišljanja sa danim uzorkom. Da bi uspješno spremio odgovor, student prije toga mora

napisati kratko obrazloženje ĉime ga se potiĉe na konstruktivno razmišljanje.

3.4.4 Simulator

Nakon što je student spremio svoje odgovore (ne mora nužno spremiti maksimalan broj

odgovora koji mu je zadan u zadaći) nastavlja na simulator - dio aplikacije koji je

osmišljen s ciljem da studenti preispitaju i provjere svoje odgovore, odnosno da se

19

studente potakne na razmišljanje o ulozi pojedinog dijela eksperimentalnog optiĉkog

sustava. Princip je sliĉan kao i kod spremanja odgovora. No za razliku od zadaće u kojoj

za odreĊeni uzorak student odabire odgovarajući eksperimentalni postav, u simulatoru

student prvo odabire 3 komponente eksperimentalnog postava. Nakon odabira zadnje

komponente prikaže se toĉan uzorak koji bi se dobio na zaslonu.

Slika 9: Prikaz stranice u simulatoru nakon odabira

odreĊenog eksperimentalnog postava

Isto tako, kada se odabere pojedina komponenta eksperimentalnog postava prikazuje se

kratki opis funkcionalnosti te komponente postava kao i potpitanja koja studenta mogu

navesti na daljnje razmišljanje te pomoći u uĉenju:

Crvena svjetiljka - emitira monokromatsku crvenu svjetlost. Možemo li dobiti spektar od

monokromatske crvene svjetlosti?

20

Široka pukotina - širina pukotine je 2 mm. Što očekujete da ćete opaziti na zastoru kada

svjetlost propustimo kroz pukotinu širine 2 mm? Usporedite širinu pukotine s valnom

duljinom svjetlosti.

Optička rešetka - Što ćemo uočiti na zastoru kada umetnemo optičku rešetku između široke

pukotine i zastora?

Možete li objasniti kako nastaje slika na zastoru? Možemo li nazvati spektrom skup linija

iste boje?

Navedene kratke informacije i potpitanja osmišljena su kako bi se studente potaknulo na

propitkivanje vlastitih ideja o ulozi dijelova eksperimentalnog postava i kako bi ih se

usmjerilo na toĉna objašnjenja.

Student može neograniĉeno koristiti simulator, pa ĉak i kao referencu tijekom kasnijeg

uĉenja koje nema nužno bliske veze sa zadanom zadaćom.

3.4.5 Završetak zadaće

Student ima mogućnost završiti zadaću klikom na gumb "Završi i nastavi na posljednji

korak". U ovom koraku studentu se prikazuje jedan od ranije spremljenih odgovora,

izabran sluĉajnim odabirom. Ovdje student ima priliku vidjeti spremljeno obrazloženje te,

ako je tijekom korištenja simulatora shvatio da je ranije dao pogrešan odgovor, sada

spremiti novo obrazloženje koje bi pokazalo rezultat njegova uĉenja.

Prethodno opisanim korakom proces rješavanja zadaće je gotov. Student može koristiti

simulator neograniĉen broj puta te će sljedeći put kada pokuša pristupiti aplikaciji nakon

uspješno riješene zadaće, biti automatski preusmjeren na stranicu simulatora.

21

Slika 10: Prikaz posljednjeg koraka u rješavanju zadaće

22

4 Istraživanje

4.1 Metode istraživanja i uzorak ispitanika

Drugi dio ovog rada ukljuĉuje istraživanje ĉiji su ciljevi:

identifikacija studentskih poteškoća prije i tijekom korištenja aplikacije

procjena uĉinkovitost aplikacije u pomaganju studentima u razumijevanju uloge

eksperimentalnih sustava u formiranju spektara

pronalaženje najboljeg oblika implementacije aplikacije u nastavi

Kako bi se otklonile poteškoće studenata u korištenju aplikacije grupa od 9 studenata uz

nadzor je rješavala zadaću i koristila simulator u aplikaciji. Studenti su tijekom tog

vremena samostalno koristili aplikaciju. Od studenata je tražena potvrda je li aplikacija

pregledna i jesu li upute jasne.

Prije korištenja aplikacije studenti su rješavali predtest. Cilj predtesta je bio utvrditi koje

poteškoće imaju studenti u razumijevanju uloge eksperimentalnog postava u formiranju

atomskih spektara te takoĊer dobiti podatke koji se kasnije mogu usporediti s rezultatima

posttesta. Nakon korištenja aplikacije studenti su rješavali posttest. Svrha analize posttesta

i usporedbe s rezultatima predtesta i zadaće u aplikaciji bila je procjena uĉinkovitost

aplikacije, posebice simulatora u pomaganju studentima u razumijevanju uloge pojedinog

dijela upotrebljavanog optiĉkog sustava.

U analizi podataka, osim na odgovore u posttestu i usporedbu rezultata s predtestom i

zadaćom, obraćena je pozornost i na broj klikova pojedinog studenta u simulatoru. Cilj

opisanog bio je zakljuĉiti je li upotreba aplikacije kao domaće zadaće pogodan oblik

implementacije same aplikacije u nastavi.

Populaciju studenata koja je sudjelovala u istraživanju ĉine studenti ĉetvrte godine

nastavniĉkog smjera fizike na Prirodoslovno – matematiĉkom fakultetu Sveuĉilišta u

Zagrebu. Svi studenti su prethodno uspješno položili kolegije Osnove fizike 1-4 koji

23

ukljuĉuju obradu fizikalne optike i moderne fizike. TakoĊer svi su studenti odslušali

uvodni kolegij Kvantne fizike.

Istraživanje možemo podijeliti u tri dijela:

1. predtest

2. aplikacija

3. posttest

Prije korištenja aplikacije 36 studenata riješilo je predtest. Studenti su zatim rješavali

zadaću i koristili simulator u aplikaciji. Ukupno je 47 studenata koristilo aplikaciju, a

potom rješilo posttest.

4.1.1 Predtest

Na temelju poteškoća uoĉenih u prethodnim istraživanjima, konstruirano je pitanje u

kojem se studente tražio odgovor i objašnjenje s ciljem istraživanja studentskog

razumijevanja uloge pojedinih dijelova eksperimentalnog postava u formiranju spektara.

Pitanje ispituje prepoznaju li studenti da vrsta spektra koji nastaje (kontinuirani ili

diskretni) ovisi samo o vrsti izvora (slika 11).

24

Eksperimentalni postav na slici sastoji se od izvora svjetlosti (obiĉne žarulje), pukotine

kojoj možemo mijenjati širinu, staklene prizme i zastora. Zastor je smješten daleko od

prizme. Kada se upali žarulja, na zastoru se pojavi kontinuirani spektar.

Za svaku od sljedećih promjena u eksperimentalnom postavu odredite bi li nam na

zastoru dala diskretan linijski spektar umjesto kontinuiranog:

1. Promjena širine pukotine.

DA NE

Obrazložite.

2. Zamjena prizme s optiĉkom rešetkom.

DA NE

Obrazložite.

3. Promjena udaljenosti izmeĊu prizme i zastora.

DA NE

Obrazložite.

4. Zamjena žarulje s drugim izvorom svjetlosti.

DA NE

Obrazložite.

5. Uklanjanje prizme.

DA NE

Obrazložite.

Slika 11: Zadatak iz predtesta

25

4.1.2 Aplikacija

Aplikaciju je koristilo ukupno 47 studenata ĉetvrte godine nastavniĉkog smjera fizike na

Prirodoslovno – matematiĉkom fakultetu Sveuĉilišta u Zagrebu. Studenti su podijeljeni u

dvije grupe: u prvoj grupi bilo je 9 studenata, dok je u drugoj bilo 38 studenata.

Prva grupa studenata aplikaciju je, uz nadzor, koristila u informatiĉkoj uĉionici fakulteta.

Cilj ovakvog pristupa bio je dobiti povratnu informaciju od studenata o jednostavnosti

uporabe same aplikacije kao i o eventualnim poteškoćama u funkcionalnosti aplikacije

koje bi bile prepreka rješavanju fizikalnih problema i procesu uĉenja. Druga grupa

studenata aplikaciju je rješavala kao domaću zadaću, u svojim domovima.

Proces rješavanja zadaće u aplikaciji pobliže je opisan u poglavlju 3.3.

4.1.3 Posttest

Nakon što su studenti riješili zadaću kroz aplikaciju, dan im je kratki test koji se sastojao

od 3 pitanja (slika 12). Cilj ovog testa bio je provjeriti jesu li i u kolikoj mjeri studenti

napredovali u razumijevanju uloge dijelova eksperimentalnog postava pri stvaranju

spektra.

26

1. Kratko opišite što za Vas znaĉi rijeĉ spektar.

2. Opišite razliku izmeĊu diskretnog i kontinuiranog spektra te skicirajte jedan

kontinuirani i diskretni spektar.

3. Eksperimentalni postav na slici sastoji se od izvora svjetlosti (obiĉne žarulje sa

volframovom žarnom niti), pukotine kojoj možemo mijenjati širinu, staklene prizme i

zastora. Kada se upali žarulja, na zastoru se pojavi kontinuirani spektar (slika).

Zamislite da prizmu zamijenimo sa optiĉkom rešetkom (sve ostalo ostane jednako).

Što oĉekujete da će se vidjeti na zastoru?

a) Slika na zastoru će ostati jednaka.

b) Na zastoru će se vidjeti jedna bijela linija na sredini zastora i linijski spektar lijevo i

desno od te linije.

c) Na zastoru će se vidjeti crno-bijeli minimumi i maksimumi.

d) Ĉitav zastor će biti jednoliko osvijetljen.

e) Niti jedan odgovor nije toĉan.

Obrazložite svoj odgovor.

Slika 12: Posttest

4.2 Rezultati istraživanja

4.2.1 Rezultati predtesta

Odgovori studenata na pitanje iz predtesta ukazali su na probleme vezane uz razumijevanje

uloge pojedinih dijelova eksperimentalnog postava u formiranju spektra. Tablica 1

prikazuje u postocima koliko je studenata odabralo pojedini odgovor.

27

Tablica 1: Pregled studentskih odgovora na pitanje u predtestu (slika ).

Ponuđeni odgovori N=36

Promjena širine pukotine 11 %

Zamjena prizme s optiĉkom rešetkom 70 %

Promjena udaljenosti izmeĊu prizme i zastora 6 %

Zamjena žarulje drugim izvorom svjetlosti 75 %

Uklanjanje prizme 39 %

Samo zamjena izvora 19 %

Samo zamjena izvora + točno objašnjenje 5%

Dobiveni rezultati slažu se s rezultatima dobivenima u ranije provedenom opsežnom

istraživanju studentskog razumijevanja atomskih spektara i eksperimentalnih postava

korištenih za dobivanje spektara [1]. Analiza studentskih odgovora potvrdila je već

poznatu informaciju da većina studenata povezuje vrstu nastalog spektra s korištenim

optiĉkim sustavom, a ne samo s izvorom.

Uoĉeno je da velik broj studenata pod pojmom kontinuirani spektar podrazumijeva uzorak

koji sadrži razliĉite boje, dok diskretnim spektrom nazivaju monokromatske uzorke:

„Ako uklonimo prizmu, ne može doći do razlaganja svjetlosti na boje. Imamo linijski

spektar.“

Znaĉajan broj studenata poistovjećuje linijski spektar i ogibnu sliku. Većina studenata koja

je odgovorila da zamjenom prizme s optiĉkom rešetkom možemo dobiti diskretni spektar

dala je sljedeća objašnjenja:

„Zamjena prizme s optičkom rešetkom dala bi diskretni spektar. Došlo bi do interferencije,

imali bi svijetle i tamne pruge.“

28

„Ako prizmu zamijenimo s optičkom rešetkom dobit ćemo diskretni spektar. Optička

rešetka dat će nam difrakcijski uzorak na zastoru.“

Ĉak trećina studenata podrazumijeva da monokromatski izvor svjetlosti daje linijski

spektar. Od samo 7 studenata koji su odgovorili da bi samo zamjena izvora na zastoru dala

diskretni spektar ĉak ĉetvero je u objašnjenju odgovora napisalo da su pritom mislili na

monokromatski izvor svjetlosti:

„Ako žarulju zamijenimo s nekim izvorom monokromatske svjetlosti, svjetlost se ne može

razložiti na boje, jer se sastoji od samo jedne boje pa dobijemo linijski spektar.“

„Ako imamo monokromatsku svjetlost dobijemo diskretan spektar.“

Objašnjenja studenata u predtestu upućuju i na informaciju da oko 10% studenata ne

razumije ulogu optiĉke rešetke, odnosno što se dogaĊa kada svjetlost upada na optiĉku

rešetku i na koji naĉin funkcionira optiĉka rešetka:

„Optička rešetka ima svojstvo da jedan dio svjetlosti ne propušta.“

„Zato što smo određene valne duljine prođu rešetku.“

Kao što je možemo vidjeti, velik broj studenta smatra da se kontinuirani i diskretni spektar

mogu transformirati jedan u drugi ako se promijene optiĉki elementi u eksperimentalnom

postavu koji služe za opažanje spektara. Rezultati su pokazali da studenti ne povezuju

linijski spektar s izvorom svjetlosti koji se sastoji samo od odreĊenih valnih duljina.

4.2.2 Rezultati zadaće u aplikaciji

Rezultati zadaće u aplikaciji naizgled upućuju na vrlo dobru uspješnost studenata (tablica

2). U zadaći je zabilježeno ĉak 78.5% toĉnih odabira. No, analizom njihovih objašnjenja

može se zakljuĉiti da većina studenata ipak ne razumije uloge pojedinih dijelova

eksperimentalnih postava ni kako nastaju prikazani spektri. Velik broj studenata napamet

je znao koji postav će dati odreĊeni uzorak, vjerojatno prisjećajući se pokusa koje su

29

vidjeli na nastavi ili u praktikumima. Visok postotak toĉnih odgovora rezultat je

kombinacije prisjećanja, metode eliminacije i pogaĊanja, a ne funkcionalnog

razumijevanja spektara.

Tablica 2:

Uzorak

Točno odabrani

eksperimentalni

postavi

N = 47

100%

87%

79%

77%

77%

72%

70%

66%

30

Mnogi studenti koji su odabrali toĉan eksperimentalni postav za nastanak uzorka

prikazanog na slici 13 u objašnjenjima svog odabira pokazali su da ne razumiju kako

funkcionira optiĉka rešetka.

Slika 13: Uzorak nastao propuštanjem

zelene svjetlosti kroz optiĉku rešetku

Neki studenti širinu maksimuma povezuju sa širinom ulazne pukotine, a ne s brojem pukotina

na optiĉkoj rešetci:

„Vide se samo zelene boje, tj. zelene pruge koje su uske zbog široke pukotine. A odvojene

su zbog loma na optičkoj rešetci.“

„Da dobijemo što uže pruge izabiremo široki prorez, te za oblik pruge biramo rešetku.“

„Maksimumi su uski, što znači da je pukotina široka.“

a) b)

Slika 14: Uzorci nastali propuštanjem bijele svjetlosti (a)

i svjetlosti vodikove lampe (b) kroz prizmu

Od ponuĊenih uzoraka dva uzorka nastaju korištenjem prizme (slika 14). Zanimljivo je da

uzorku koji nastaje propuštanjem bijele svjetlosti kroz prizmu odgovara najveći broj toĉnih

odgovora (100%), dok uzorku koji nastaje prolaskom svjetlosti vodikove lampe kroz

prizmu odgovara najmanji broj toĉnih odgovora (66%). Razlog tomu je što su studenti

mnogo puta tijekom studija vidjeli pokus s bijelom svjetlosti i prizmom. Oko 20 %

studenata zakljuĉilo je da se u sluĉaju uzorka na slici 14 (b) radi o svjetlosti vodikove

lampe, ali da će se spektar vidjeti ako svjetlost proĊe kroz široku pukotinu i bez upotrebe

drugih optiĉkih elemenata. Razlog takvog razmišljanja je što studenti prizmu povezuju s

kontinuiranim spektrom.

31

Slika 15: Uzorak nastao propuštanjem bijele svjetlosti ili

svjetlosti vodikove lampe kroz široku pukotinu

Gotovo svi studenti su za uzorak prikazan na slici 15 toĉno identificirali da se radi o

svjetlosti žarulje sa žarnom niti te širokoj pukotini. Zanimljivo je napomenuti da je samo

6% studenata uoĉio da bi identiĉan uzorak dao i eksperimentalni postav s vodikovom

lampom kao izvorom svjetlosti.

4.2.3 Rezultati posttesta

U prvom zadatku posttesta (slika 12) tražilo se od studenata da objasne što za njih

predstavlja rijeĉ spektar. Za većinu studenata rijeĉ spektar predstavlja raspon boja:

„Skup različitih boja.“

„Spektar je skup boja, tj. različitih valnih duljina.“

Iz spomenutih odgovora možemo zakljuĉiti da je većina studenata prilikom služenja

aplikacijom uvidjela da ne možemo dobiti spektar koristeći monokromatski izvor

svjetlosti. TakoĊer uoĉljivo je da većina studenata pojam spektra povezuje iskljuĉivo s

vidljivom svjetlošću.

Pojedini studenti su zadržali prethodne miskoncepcije i nakon rješavanja zadaće i

korištenja simulatora u kojem ih se potpitanjima (npr. „Zelena svjetiljka - emitira

monokromatsku zelenu svjetlost. Možemo li dobiti spektar od monokromatske zelene

svjetlosti?“) navodi na razmišljanje što podrazumijeva spektar. Neki od studenata na

pitanje što za njih predstavlja spektar odgovorili su sljedeće:

„Spektar je niz minimuma i maksimuma, odnosno tamnih i svijetlih pruga.“

32

„Spektar označava određeni način disperzije svjetlosti kada joj na put postavimo različite

prepreke.“

Najĉešći odgovor na pitanje da opišu razliku izmeĊu diskretnog i kontinuiranog spektra

bio je:

„Kontinuirani spektar sadrži sve valne duljine, a diskretni samo neke.“

Ipak kod nekih studenata se i nakon rješavanja zadaće u aplikaciji i korištenja simulatora

zadržalo poistovjećivanje diskretnog spektra i ogibnog uzorka:

„Kontinuirani – stalni, neprekidni spektar. Diskretni – ima minimume i maksimume.“

„Kod diskretnog su linije vidljivo odvojene i pokazuju jasno boju.“

„U diskretnom spektru jasno možemo vidjeti razlike među određenim komponentama

spektra (diskretne linije), dok u kontinuiranom imamo skup puno više komponenti koje ne

možemo jasno razlučiti jednu od druge.“

Tablica: Pregled studentskih odgovora na 3. pitanje u posttestu (slika).

Ponuđeni odgovori N = 47

a) Slika na zastoru će ostati jednaka. 0

b) Na zastoru će se vidjeti jedna bijela linija na sredini zastora i linijski

spektar lijevo i desno od te linije. 51%

c) Na zastoru će se vidjeti crno-bijeli minimumi i maksimumi. 32%

d) Ĉitav zastor će biti jednoliko osvijetljen. 0

e) Niti jedan odgovor nije toĉan. 17%

33

Analizom odgovora na treće pitanje u posttestu uvidjelo se da pojedini studenti, kao i u

predtestu, i dalje pokazuju nedostatak razumijevanja uloge optiĉke rešetke i što se dogaĊa

kada svjetlost padne na optiĉku rešetku:

„Zato što optička rešetka daje linijski spektar.“

„Zrake koje upadaju okomito na optičku rešetku tvore bijelu liniju, a ostale zrake prelaze

duži put (utječe na valnu duljinu), tj. odbijaju se o rešetku pod drugačijim kutom, pa

vidimo spektar lijevo i desno.“

Ĉak oko 30% studenata zakljuĉilo je da će prolaskom bijele svjetlosti kroz rešetku nastati

crno-bijeli minimumi i maksimumi. Iz navedenih objašnjenja može se zakljuĉiti da

studenti pojavu ogiba površno razumiju te da razlaganje bijele svijetlosti na sastavne boje

povezuju iskljuĉivo s upotrebom prizme.

„Optička rešetka se sastoji od niza pukotina. Kada puštamo svjetlost kroz te pukotine,

valovi svjetlosti se ili zbrajaju (konstruktivna interferencija) ili poništavaju (destruktivna).

Na zastoru vidimo bijele pruge (max. intenzitet svjetlosti) i tamne pruge (intenzitet

svjetlosti je 0).“

Posttest je takoĊer pokazao da studenti i nakon korištenja aplikacije ne razumiju pojam

linijskog i kontinuiranog spektra:

„Pukotina na slici je široka te ćemo propuštanjem kroz optičku rešetku dobiti bijelu liniju

na sredini, a sa strane linijski spektar (nema ogiba).“

„Postojati će jedna bijela linija na sredini zaslona, linijski spektar lijevo i desno od te

linije, zatim tamne pruge (također lijevo i desno), zatim opet spektar, pa tamne pruge..“

34

5 Zaključak

Cilj ovog rada bio je razvoj raĉunalne aplikacije koja bi pomogla studentima u razvijanju

funkcionalnog razumijevanja atomskih spektara. Kako bi osmišljena aplikacija imala

pozitivan uĉinak bilo je nužno prilikom razvoja uzeti u obzir miskoncepcije koje studenti

imaju o atomskim spektrima te pronaći najbolji oblik primjene same aplikacije.

Aplikacija je namijenjena studentima koji su već savladali kolegije osnova fizike koji

ukljuĉuju fizikalnu optiku i uvod u kvantnu fiziku u kojem se obraĊuju spektri i procesi

nastanka spektara. Oĉekuje se da su se studenti tijekom tih kolegija upoznali s optiĉkim

elementima, kako funkcioniraju pojedini elementi te koje je njihova uloga. TakoĊer

studenti bi trebali moći prepoznati kontinuirani i diskretni spektar te razumijeti da je vrsta

spektra karakteristika izvora.

Kroz predtest koji su studenti rješavali prije korištenja aplikacije identificirane su brojne

poteškoće. Samo je nekoliko studenata povezalo nastali spektar s vrstom izvora. Većina

studenata povezala je vrstu nastalog spektra s korištenim optiĉkim instrumentima. TakoĊer

velik broj studenata diskretnim spektrom podrazumijevala je monokromatske uzorke.

Rezultati zadaće u aplikaciji naizgled su vrlo dobri, no analizom objašnjenja i rezultata

posttesta može se zakljuĉiti da su studenti zadaću rješavali prisjećajući se gotovih

odgovora, a ne razmišljajući o tome kako doista nastaje pojedini uzorak. Osim na rezultate

zadaće u aplikaciji, obraćena je pozornost na vrijeme provedeno na simulatoru

analizirajući broj klikova mišem. Ĉak oko 20% studenata napravilo je manje od 10 klikova

mišem na simulatoru, što pokazuje da nisu bili osobito motivirani za uĉenje.

U rezultatima posttesta pokazalo se da su mnogi studenti zadržali miskoncepcije o

atomskim spektrima. Većina studenata i dalje ne razumije pojmove diskretnog i

kontinuiranog spektra. TakoĊer se pokazalo da studenti ne razumiju kako funkcionira

optiĉka rešetka i koja je njena uloga u nastajanju spektra.

35

Uzimajući u obzir rezultate predtesta, aplikacije i posttesta može se zakljuĉiti da

primjenom aplikacije kao domaće zadaće koju su studenti rješavali iz svojih domova, nisu

ostvareni dovoljno dobri rezultati. Studenti su i nakon rješavanja zadaće u aplikaciji i

korištenja simulatora postigli nezadovoljavajuće rezultate na posttestu. Razlozi tome

vjerojatno su nedovoljna intelektualna angažiranost studenata pri samostalnom radu u

njihovim domovima te odreĊena doza anonimnosti koju pruža ovakav naĉin uĉenja.

Primjena razvijene aplikacije imala bi puno veću uĉinkovitost ukoliko bi se odvijala nakon

završenih predavanja koja obuhvaćaju temu atomskih spektara te uz prisustvo nastavnika.

Nastavnik bi trebao inzistirati na odgovaranje potpitanja postavljenih u dijelu aplikacije sa

simulatorom i poticati raspravu kroz koju će studenti preispitivati svoje ideje i

miskoncepcije te razvijati funkcionalno razumijevanje atomskih spektara i uloge dijelova

eksperimentalnog postava u nastanku spektara.

36

6 Literatura

[1] Lana Ivanjek, An investigation of conceptual understanding of atomic spectra among

university students.: Doktorska disertacija, Sveuĉilište u Zagrebu, 2012.

[2] Rudolf Krsnik, "Uĉenik i uĉenje fizike: što govore rezultati istraživanja," in Peti hrvatski

simpozij o nastavi fizike: Učenik - aktivni sudionik u nastavi fizike., 2001.

[3] Planinić Maja, "Interaktivni naĉini pouĉavanja fizike," in Deveti hrvatski simpozij o

nastavi fizike: Interaktivna nastava fizike., 2009.

[4] Francisco Esquembre, "Computers in Physics Education ," Computer Physics

Communications , vol. 147, no. 1-2, 2002.

[5] L. McDermott, P. Shaffer, & Physics Education Group, and University of Washington,

Tutorials in Introductory Physics, 1st ed.: Upper Saddle River: Prentice Ha., 2002.

[6] N. Simić, T. Andreis, and M. Plavĉić, Fizika 4, udžbenik za četvrti razred gimnazije.

Zagreb: Profil International, 2009.

[7] Vladimir Paar, Fizika 4, udžbenik za četvrti razred gimnazije. Zagreb: Školska knjiga,

2004.

[8] Hugh D. Young and Roger A. Freedman, University Physics. San Francisco, CA: Pearson

Education Inc., 2004.

[9] Danijel Džambo, Računalna implemetnacija testa i tečaja iz razumijevanja Newtonovih

zakona.: Diplomski rad, Sveuĉilište u Zagrebu, 2009.

[10] Milan Đurić, Izrada interaktivne animacije u Javi za simuliranje gibanja i

superponiranja valnih paketa.: Diplomski rad, Sveuĉilište u Zagrebu, 2006.

[11] Krešimir Tuk, Izrada interaktivne animacije u Javi za simuliranje gibanja tijela u

sustavima koji se vrte.: Diplomski rad, Sveuĉilište u Zagrebu, 2007.

[12] Nada Brković, Zbirka zadataka iz fizike III. dio. Zagreb: LUK d.o.o., 2001.

[13] Jorge A. Trindade Carlos Fiolhais, "Use of Computers in Physics Education," in

Euroconference '98 - New Technologies for Higher Education, Aveiro, 1998.

[14] Celal Bayrak, "Effects of Computer Simulations Programs on University Students’

Achievments in Physics," Turkish Online Journal of Distance Education, vol. 9, no. 4,

2008.

[15] Maja Planinić, "Kako uĉeniĉke intuitivne ideje utjeĉu na nastavu fizike," in Šesti simpozij

Hrvatskog fizikalnog društva o nastavi fizike: Problemski i istraživački usmjerena nastave

fizike., 2003.