אריאל אברשקין דוקטורט 2020

פיזיקה בהנחיית: 'פרופ עידית ירושלמי

חיבור זה מציג פיתוח מבוסס מחקר של יחידה קוריקולרית 'תרמודינמיקה סטטיסטית' המהווה חלק מתוכנית הלימודים "מדע חישובי בינתחומי: פיזיקה כימית וביולוגית" )מ"ח...

בינתחומי(, המיועדת לתלמידי תיכון מתעניינים ובעלי יכולת. תוכנית זו מתמקדת במידול פיזיקלי, אנליטי וחישובי, של תופעות התארגנות עצמית במערכות רבות חלקיקים, בהן לחלקיקים אינטראקציה בעלת טווח סופי זה עם זה, להן יישומים גם בכימיה וביולוגיה. התוכנית נענית לדרישה ההולכת וגוברת לבינתחומיות בהוראת המדעים, כמו גם לשילוב מיומנויות מדעיות אותנטיות בהן. פיתוח היחידה כולל ארגון חדשני של רצף ההוראה ומפריד את המבנה המסורתי של הוראת אנרגיה קינטית ופוטנציאלית, הנלמדות ומומשגות בדרך כלל יחדיו. במקום מבנה זה, אנרגיה קינטית מוצגת בהקשר של מגע תרמי ואנרגיה פוטנציאלית בהקשרים של אינטראקציות בין חלקיקים – קשרים כימיים וספיחה. ארגון זה של רצף ההוראה מונע אי רציפויות במסגרת המושגית )דטרמיניסטית / סטוכסטית( המופיעים בתוכניות הלימוד המסורתיות, ומאפשר רצף הוראה עקבי הנערך כולו במסגרת של מערכות רבות חלקיקים. פרויקטי סוף השנה שביצעו התלמידים כללו פיתוח מודלים אנליטיים וחישוביים לספיחה במסגרת מידול פיזיקלי מפושט של מערכות ביולוגיות, תוך שימוש במינימיזציה של אנרגיה חופשית ובהסתברות בולצמן בהתאמה. המחקר האמפירי בוצע בשני הקשרים: שליפה ושימוש, שביצעו התלמידים, ב מושגים תרמו-סטטיסטיים בפתרון בעיות במגע תרמי, במסגרת מבחן אמצע שנה, ושני מקרי בוחן הכוללים ראיונות עומק עם תלמידים בהקשר פרויקטי הסיום שלהם. הממצאים ממבחן אמצע השנה הדגימו כי, במידה רבה, תלמידים שולפים ומשתמשים במושגים תרמו-סטטיסטיים שונים באופן הולם, אך עם זאת חשפו נטייה של תלמידים לטעון כי אנטרופיה עולה תמיד, גם במערכת לא מבודדת. הממצאים מראיונות סוף השנה הציגו כי תלמידה מצטיינת אחת אכן ביססה לעצמה את התרמודינמיקה הסטטיסטית כמסגרת עבודה, בעלת ארגון ידע קשיח; תלמידה זו גם הציגה בעלות ניכרת על המודלים שפיתחה בפרויקט הסיום שלה. התלמידה במקרה הבוחן השני הציגה ידע מוגבל יותר ומגוון של תפיסות אלטרנטיביות, המאותתים על חוסר התקדמות ממודלים דינמיים וחשיבה סיבתית למודלים סטטיסטיים. ממצאים אלה מצביעים על יכולת התוכנית לפתח הבנה מושגית של תרמודינמיקה סטטיסטית, תוך העדר כמעט מוחלט של תפיסות שגויות, בקרב תלמידים מסוימים. הממצאים מצביעים גם על הצורך במספר התאמות בתוכנית, בפרט בהחצנת המעבר ממודלים דינמיים לסטטיסטיים, בכדי לשפר את נגישותה לתלמידים שונים.