9.1

ÜNİTE 9

PROBLEM ÇÖZME 9.1 Giriş Bu ünitede problem çözme yönteminin fen öğretiminde kullanılması üzerinde durulmaktadır. Yalnız fen disiplinlerinde değil, diğer disiplinlerde, teknolojide, günlük yaşamda sık sık çok çeşitli problemlerle karşılaşır ve çoğu halde de problemleri çözmede güçlük çekeriz. Problemleri belirlemek, çözüm yollarını aramak, çözümün hangi koşullar altında sağlanabileceğini bilmek, problemi çözüp çözümü karar vermede kullanmak problem çözme yetenekleri denilebilecek bir alanı oluşturur. Problem çözme tüm alanlarda kullanılır. Bu nedenle problem çözme yöntemlerinin öğretilmesi her düzeyde okul programlarının amaçları arasındadır. Hatta, eğitim öğretim sürecinde karşılaşılan problemleri çözmede bu kapsama dahil edilebilir (Çepni ve Akdeniz, 1997). Bu ünitenin birinci kısmında genel olarak problem çözme ele alınmıştır. Ünitenin ikinci kısmında araştırma yöntemlerinden biri olarak problem çözme ele alınmıştır. Ünite problem çözme yeterliklerinin geliştirilmesine değindikten sonra basit araç ve gereçleri kullanarak lise fizik bilgisi ile temel bir problem Güneş evi konusu ayrıntılı olarak incelenmiştir. 9.1.1 Amaçlar Bu ünitedeki öğrenme etkinliklerini başarıyla tamamlayan bir öğretmen adayının aşağıdaki davranışları geliştirmesi beklenir. 1 Problem çözme yaklaşımının fen öğretimindeki yerini kavrar. 2 Problem çözme süreçlerini ve becerilerini kavrar. 3 Problem çözme yeterliklerini geliştirmede kullanılan yöntemleri bilir, bu amaçla öğretme

ve öğrenme etkinlikleri düzenleyip uygular. 4 Bir öğretim yöntemi olarak problem çözmeyi bilir, bu yöntemle fen öğretme ve öğrenme

etkinlikleri düzenler ve uygular. 9.2 Fen öğretiminde problem çözme Problem sözcüğünden ne anlıyoruz? İlk akla gelen sayısal yöntemlerle doğru cevabı bulunacak matematik sorularıdır. Buna fen derslerindeki bağıntıların (formüllerin) uygulandığı sayısal sorular da eklenebilir. Bu ünitede problem kavramı daha geniş anlamda ele alınmıştır. Bilim adamları bir olayla karşılaştıklarında o olayı bilimin ilkeleriyle açıklayamıyorlarsa, önceden kestiremiyorlarsa onlar için o olay bir problemdir. Bugün AIDS hastalağına sebep olan virüs bilinmektedir, ancak hastalığın tedavisi bilinmemektedir. Bugün yer sarsıntılarının neden meydana geldiği bilinmektedir, fakat yer sarsıntılarını insanların tehlikeden kaçabileceği kadar önceden kestirmek mümükün değildir. Elektrik enerjisinin transferinde, enerjinin en az %20 si ısı enerjisi olarak kaybolmaktadır, fakat bu güne kadar yapılan çalışmalarda enerji kaybı olmadan elektrik enerjisinin bir yerden başka bir yere nakli yapılamamıştır. Süper iletkenlerin varlığı bilinmektedir fakat ekonomik bir şekilde nasıl kullanıma sunulacakları bilinmemektedir. Buna benzer fen bilimlerinde iyice doğal varlıkları ve olayları inceler. Fen bilimlerinde iyice bilinmeyen birçok varlık, nedenleri

9.2

ortaya çıkarılmayan birçok olay vardır. Dewey problemi şüphe ve belirsizlik uyandıran herhangi bir şey diye tanımlamıştır. Bilimsel ilkelerimizin, tekniklerimizin, araçlarımızın yetersiz kaldığı her yerde problem vardır. Fen öğretiminde problem çözmeyle ilgilenmemizin iki önemli gerekçesi vardır. Bunlardan birincisi programdaki bir fen, öğretmenin rehberliği altında çözen bir öğrencinin problemin içeriği olan konuyu daha etkili olarak öğreneceği hipotezine dayanır. Bu hipotezi doğru kabul ederek, birçok fen konusunu problem çözme yöntemiyle öğretiriz. Öyleyse, problem çözme bir öğretim yöntemidir. İkinci gerekçe problem çözme yönteminin öğretilebileceği ve öğrendikten sonra yeni durumlara da uygulanabileceği yolundaki inancımızdır. Bu hipotezin doğru olduğunu kabul ederek, okul programlarında yalnızca konu içeriğini öğretmek amacıyla değil, aynı zamanda problem çözme yöntemlerini öğretmek amacıyla da problemlere yer verilmelidir. Okul programlarında bazı konuların problem çözme yöntemiyle öğretilmesindeki amaç, öğrencinin problem çözmedeki zihin becerilerini geliştirmek ve bu yolla onun ileride karşılaştığı problemlerin çözümünü kolaylaştırmaktır. Aşağıda problem çözmede kişinin kullandığı zihin becerileri üzerinde durulmaktadır. 9.3 Problem çözme yeterlilikleri Bazı kişilerin çok basit problemleri çözemedikleri, bazı kişilerin de çok karmaşık görünen bir problemi kolayca çözdükleri görülmüştür. Problem çözme ne gibi yeterlilik gerektirir? Bu soruya cevap arama, psikoloğların yanında eğitimcilerin de önemli çabalarından biri olmuştur. Bir kişi bir problemi kendi gayretleriyle çözdüyse, çözüm için gerekli 1) ön bilgilere, 2) becerilere, 3) zihin yeterliklerine sahip olduğu söylenebilir. Burada öğrenci çözüm yolunu ya önceden bilmektedir ya da problemi çözerken bulmuştur. Bir problemin çözümü için gerekli ön bilgiler problem konusu öğrenilirken kazanılır. Sayısal yöntemleri uygulamak, ölçü yapmak, bir araç kullanmak gibi genel beceriler de okul programlarındaki derslerde öğrenilir. Zihin yetenekleri ise insanın zihinini kullandığı her durumda gelişir. Problem çözme becerileri aşağıdaki gibi sıralanır. Birçok yazar problem çözme yeteneklerinden ve becerilerinden söz eder. Bu yetenekler problem durumuna, problemin yapısına, olası çözüm yollarına bağlı olarak temel zihin yeteneklerinden karmaşık üst düzey

9.3

yeteneklere kadar değişebilir. Watts (1991), problem çözme becerileri olarak aşağıdaki listeyi (s.40-44) vermektedir. Keşif yetenekleri Problemi ayırt edip tanımlama Problemin belirgin niteliklerini görme Çözüm yolları üretme Çözümü sınama ve doğrulama Sonuç çıkarma Hayal yetenekleri Kendini başka yerde, zamanda ve rolde görebilme Deneyimler sonunda hayalleri yeniden düzenleme Gözlem yetenekleri Gözlenen varlıkların ve olayların renk, şekil, büyüklük, dağılım, vb. gibi niteliklerini görme Doğru ve duyarlı gözlem yapma Gözlem verilerini kaydetme, sınıflama, sıralama Gözlemleri yorumlama İnceleme ve düzenleme yetenekleri Bilgi bulma ve toplama Bilgileri sınıflama, sıralama, diğer yöntemlerle işleme Bilgileri yorumlayıp kanıtları değerlendirme Zamanı iyi kullanma Sayısal yetenekler Tahmin etme, kestirme Ölçme Sayısal ilişkileri kavrama Şekilleri ve yapıları kavrama Sayısal işlemleri yapabilme Pratik beceriler El becerileri Araç kullanma becerileri İletişim becerileri Sözlü ifadeyi, yazılı metinleri, grafik ve diğer sembolik materyalleri doğru anlama Yanlış anlaşılmaya yer bırakmadan sözlü, yazılı ve diğer sembolik yollarla düşündüğünü anlatma Sosyal nitelikler Başkalarıyla iletişim kurma Başkalarıyla ortak çalışma Fikirleri çeşitli şekillerde ifade etme Diğer kişilerin görüşlerini dikkate alma Sözel olmayan iletişim biçimlerini tanıma

9.4

Bu listede eğitimden amaçların davranışların çoğu yer almaktadır. Öyleyse, problem çözme tüm öğretim işlemlerinde uygulanabilecek kadar geneldir. Bu yetenekler sadece problem çözmeye özgü olmayıp diğer yöntemler içinde yer yer geçerlidirler. Problem çözmede kullanılan el ve zihin becerilerinin toplamı bir problem çözme süreci oluşturur. Problem çözme süreçlerinin toplamı da problem çözme yöntemini oluşturur. 9.3.1 Problem çözme yeterliklerinin geliştirilmesi Problem çözmeye özgü beceri ve yetenekler öğrencilere sistemli bir yaklaşımla problemler çözdürülerek kazandırabilir. Fizik öğretiminde problemler fizik konularından seçilir. Problemlerin güçlük dereceleri de öğretimin amacına göre ayarlanır. Problemler, içerikleri ve çözüm yolları bakımından, aşağıdaki dört düzeyde olabilirler. Düzey 1 Öğrenci problemi geçmişte görmüş ve çözmüştür. Problem içeriği ve çözüm yolu öğrenci için yeni değildir. Öğrencinin önceden çözdüğü problemi aynı yöntemle tekrar çözmesi sadece problem içeriğini ve çözüm yolunu pekiştirir. Bu düzeydeki bir problemi çözmekle öğrenci yeni bir şey öğrenmiş olmaz. Sınıfta öğretmen veya öğrenci tarafından çözülen herhangi bir problemin, öğrenci tarafından daha sonra, tekrar tekrar çözümlenmesi buna örnek verilebilir. Düzey 2 Problemin içeriği öğrenci için yenidir, fakat problem tipi ve çözüm yolu yeni değildir. Öğrenci problem tipini tanır ve daha önce başarıyla uyguladığı çözüm yolunu bu probleme de uygulayarak doğru çözüme ulaşır. Bu durumda problemin içeriği yeni olmakla birlikte problem tipi yeni olmadığı için öğrenci ancak çözüm yolunu tekrarlayarak pekiştirir; aynı tipten problemlerle karşılaştığında aynı çözüm yolunu uygulama olasılığı artar. Fizik derslerinde öğrenilmiş olan herhangi bir formülün aynı konuda değişik problemlerin çözümünde kullanılması buna örnek verilebilir. Arşimet prensibini kullanarak, suyun kaldırma kuvetiyle ilgili bir örnek çözüp daha sonra yoğunluğu farklı olan sıvılarla ilgili problemler çözmek bu kategoriye girmektedir. Düzey 3 Problem, öğrencinin ilk defa karşılaştığı tipten bir problemdir; ancak öğrencinin daha önce başka bir probleme uyguladığı bir yöntemle çözülebilecek niteliktedir. Öğrenci önceden bildiği bir çözüm yolunun yeni probleme de uygulanabileceğini görür, çözümü uygular ve başarılı sonuca varır. Bu durumda öğrenci çözüm yolunun başka problemlerede uygulanabileceğini öğrenmiş olur. Öğrencinin daha önce fizik laboratuvarlarında bilgi, beceri ve teknikleri yeni karşılaştığı kazandığı bir durumda kullanıp; o problemi çözmesi yatay düzlemde cizmin sürtünme katsayısını grafik yöntemiyle bulan bir öğrenci, aynı yöntemi kullanarak eğik düzlemdeki sürtünme katsayısınıda bulabilir. Düzey 4 Öğrenci için problem yenidir ve öğrencinin henüz bilmediği bir çözüm yolu gerektirir. Öğrenci kendi gayretleriyle veya öğretmenin vereceği ipuçlarıyla doğru çözüm yolunu bulur, probleme uygular ve doğru sonuca ulaşır. Bu durumda öğrenci hem yeni tip problemi hem de

9.5

onun çözüm yolunu öğrenmiştir. Tübitak’ın proji yarışmaları buna örnek olarak verilebilir. Problem olarak, mıknatızların manyetik alanlarından faydalanarak bir sisteme enerji vermeden, enerji elde edilebilirmi şeklindeki bir probleme bu uygun bir örnektir. Yukarıdaki analizden anlaşılacağı gibi ilk iki düzeydeki problemler ancak içeriği ve çözüm yolunu pekiştirmekte, öğrenciye yeni bir problem tipi veya çözüm yolu öğretmemektedir. Ne yazık ki fizik kitaplarından çoğunlukla bu tip problemler ünite “alıştırma” sonlarında alıştırma olarak verilir. Üçüncü düzeydeki problemler okul programlarımızda az da olsa yer almakla birlikte, dördüncü düzeydeki problemler pek az görülür. Öğrenciye yaygın kullanılabilen çözüm yolları öğretmek her programda amaç olmalıdır; onun için üçüncü düzeydeki problemler seçilmelidir. Ayrıca bu amaçla yetinilmemeli, öğrencinin kendi gayretiyle yeni çözüm yollarını bulacağı tipten problemler de programlarda yer almalıdır. Aşağıda, problem çözme yeterliklerinin geliştirilmesi için bazı öneriler aşağıda sıralamışlardır. 1 Öğrencinin ilgisini çeken, doğal ve fiziksel olayları içeren ve diğer derslerle

ilişkilendirilebilen problemleri seçin. 2 Öğrencilerin problemi anlamalarını, sınırlarını belirlemelerini sağlayın. 3 Problemin çözümü için gerekli ön bilgi, beceri ve yetenekleri belirleyin. Öğrenci bunlarda

yetersizse ön hazırlık yapın. 4 Öğrencilerden çözüm önerileri alın. Öğrenciler çözüm önerisi üretemiyorlarsa problemi

alt problemlere bölün, gerekirse ipuçları verin. 5 Problemi çözdürün ve çözümün doğru olup olmadığını çözümde kullanılandan farklı bir

yöntemle sınayın. 6 Problemin daha kolay, daha kısa, daha farklı çözüm yolu olup olmadığını tartışın. 7 Çözüm yolunun diğer problemlere uygulanabilirliğini ve genellenebilirliğini tartışın. 9.4 Öğretim yöntemi olarak problem çözme Problem çözme yoluyla öğrenme Dewey’in etkisiyle eğitime girmiştir ve epistoemolojik temeli itibariyle onun ‘problem çözme yoluyla düşünme’ dediği altı basamaklı bir yönteme dayanır (Dewey, 1933). Dewey’in Amerikan eğitiminde çok etkili olduğu 1930’lu ve 1940’lı yıllarda okul programlarına öğrenciyi kendi etkinlikleriyle bulmaya, düşünmeye ve öğrenmeye götüren yöntemler girmiştir. Ayrıca 1960’lı yıllarda geliştirilmelerine hız verilen fen programları da yine geniş ölçüde öğrenciyi kendi etkinlikleriyle öğrenmeye götürür. Bu programlarda esas itibariyle Dewey’in problem çözme basamakları veya onun küçük değişikliklerle uyarlanmış şekilleri öğretim yöntemi olarak önerilmiştir. Dewey’in önerdiği yöntem, kısaltılmış haliyle şöyle özetlenebilir (Turgut, 1991). 1 Problem durumu kişiyi rahatsız eden bir şüphe veya belirsizlikten doğar. 2 Kişi basitleştirme, idealleştirme, sınırlama gibi süreçlerle problemi tanımlar. 3 Kişi belirlediği probleme olası çözüm yolları arar; en olası özümü seçer ve çözümü hipotezleştirir. 4 Kişi en olası çözüm yolunu dener.

9.6

5 Deneme doğru çözüme götürürse, hipotez doğrulandığı için bir genelleme olarak kişinin bilgi hazinesine eklenir. Çözüm yolu doğru çözüme götürdüğü için kişinin problem çözme yeterliklerine eklenir. 6 Deneme doğru çözüme götürmezse problem durumu devam eder. Uyumlu bir kişi geriye dönerek problemi, olası çözüm yollarını, deneme yöntemini gözden geçirir ve seçtiği diğer bir hipotezi tekrar deneme. 9.4.1 Problem çözme yönteminin öğretimde uygulanması Problem çözme modelinin bir öğretim yöntemi olarak yukarıdaki beş veya altı basamakta ve o sırayla uygulanması gerekir. Her basamakta öğretmenin dikkate alması gereken noktalar aşağıda özetlenmiştir. 1 Problem durumu Bu yöntemin bir öğretim metodu olarak uygulanmasında öğretmenin problemi seçme özgürlüğü yoktur. Çünkü problemi öğretilecek konu belirler. Öte yandan öğrencilerin de problemi seçme özgürlüğü yoktur. Bu yöntemle incelenecek konuyu öğrencilerin incelenmeye değer bir problem olarak algılamalarını sağlamak öğretmene düşer. Problem durumunu öğrenciye mal etmek için aşağıdaki tekniklerden yararlanılır. • Öğrencinin beklentisine ters düşen bir gözlem veya deney yapmasını sağlamak. • Öğrencinin yanlış inançlarına ters sonuç veren bir deney yaptırmak. • Öğrencinin ulaşacağı bir amaca ulaşmasını engelleyen bir durum yaratmak. Problem çözme yöntemini kullanan programlarda bu tür deneylerin örnekleri bulunur. Örnek: Yüzme konusunu bu yöntemle işleyecekseniz birbirninin aynı iki şişe mantarından birinin içine bir iki çivi gizleyin. Öğrencilere ‘bu mantarları suya atsak ne olur?’ sorusunu sorunuz. Beklenen cevap her iki mantarın suda yüzeceği mealindedir. Mantarları suya atarak birinin yüzüp diğerinin battığını öğrencilere gösterin. Mantarlardan biri yüzdüğü halde diğerinin niçin battığını, mantarı inceletmeden tartıştırın. (Bu tartışmada doğru cevaba gidilmese bile yüzme konusuna bir problemle girilmiş olur). 2 Problemi belirleme Öğrenciler problemi kavrasalar bile kesin dille söyleyemezler. Öğretmen önce problemi basitleştirmeye, incelenecek olayı incelenmeyecek olaylardan ayırt etmeye yardım eder. Daha sonra problem basamaklara veya alt problemlere bölünür. Bu çalışmanın sonucunda öğrenciler problemi kesin çizgileriyle belirleyip açık bir dille yazar. 3 Hipotez kurma Belirlenmiş probleme olası çözüm yolları aranır. Öğrencilerin düşüncelerini özgürce ifade etmeleri, doğruluğundan emin olmasalar bile bazı çözüm yolları üretmeleri teşvik edilir. Önerilen çözüm yolları toplanır, herbir öneri üzerinde tartışma açılır; olası çözüm yollarından biri denenmek üzere seçilir. Fizik derslerinde incelenecek konularda olası çözüm yolları bazan bir gözlem veya deney yapılıp veri toplanmasını gerektirir. Bu nedenle olası çözüm yolu bir deney önerisi haline gelir. Hipotez deneyden beklenen sonuçtur. 4 Çözüm yolunu deneme

9.7

Problem deneysel yöntemle çözülecekse, deney ve ölçümler yapılır. Deneyin beklenen sonucu vermesi halinde sonuç bir genelleme olarak öğrenciye kendi ifadesiyle yazdırılır. Gerekirse deneysel yöntem de basamaklarıyla yazdırılır. Problemin çözümü düzenlenmiş bir deneyle değil de gözlem ve veri toplama yoluyla yapılacaksa veriler yorumlanır, sonuca varılır ve sonuç yine öğrenciye kendi ifadesiyle yazdırılır. 5 Geriye dönme Hipoteze uygun bir sonuç yapılan deneyler alınamasa öğrenciler durumu tartışarak değerlendiremezler. Çoğu halde problemde önemli bir kusur bulunmaz. Onun için geri dönerek olası çözümleri gözden geçirmek, hatalı yapıldığından şüphelenilen basamaktan başlayarak işlemleri tekrar etmek gerekebilir. Başarısızlığa uğrayan çözümlerde gayretlerin boşa gitmediği, başarısız bir denemeden de bazı şeyler öğrenilebileceği öğrencilerle tartışılmalıdır. 9.5. Problem çözme yöntemi ile ilgili örnek bir etkinlik Bu etkinlikte, basit araç ve gereç kullanarak okul fiziğinin problem çözme durumunda nasıl kullanılacağı konusu irdelenmektedir. Okul fiziğinde pratik problem çözme konusunda eğitim programı malzemesinin planlanması, tasarımlanması ve yapılması için bir model olarak sunulmaktadır. Örnekler, konumun (Kuzey veya Güney), tasarımın (Düz çatı/eğik çatı) ve inşaatın nasıl etkili olduğunu göstermek için verilmiştir. Amaç: Basit araç ve gereçleri kullanarak lise fizik bilgisi ile temel bir problemi çözmek. Burada temel problem olarak ‘güneş evi’ alınmıştır. Hedef davranışlar 1 Lise fizik bilgisinin temel bir problemin çözümünde nasıl kullanabileceğini kavramak 2 Küçük gruplar halinde çalışmanın önemini anlamak 3 Basit araç ve gereç kullanarak okul fiziği ile ilgili problem çözmek. Etkinlik 1 güneş evi Amaç: Pasif güneş enerjisi kullanacak evin tasarımı, konumu ve inşaatını etkileyebilen faktörleri belirlemek. İşlem yolu: Küçük gruplar halinde çalışarak, pasif güneş enerjisi kullanacak evin TASARIMI, KONUMU ve İNŞAATINI etkileyebilen etmenleri tartışın ve yazın. Pasif güneş evi, sadece ev için gereken ısıyı toplayan, depolayan ve dağıtan mimari ve yapısal ögeleri kullanmak için tasarımlanır. Aktif güneş evi istenmeyen ısıyı gereken evlere verebilen ek araçları (örn. klima) içerir. Bir evin aşağıdaki üç maddeyi gerektirdiğini varsayın: 1 Yazın minimum ısı kazanımı 2 Kışın maksimum ısı kazanımı 3 Kışın minimum ısı kaybı

9.8

Tanımladığınız etmenlerden birisi için bir veya birden fazla termometre kullanarak ölçümler almanızı mümkün kılacak en basit araç gereç bulun veya yapın. Bu incelemeyi anlamlı sonuçlar elde edip edemiyeceğinizi denemek için yürütün. İncelemenizi tamamladığınızda grup olarak tartışın ve sonuçlarınızı yazın. 1 Öğrencilere sorulacak anahtar sorular, Örn. ............................................. sa ne olur? En iyi tasarım hangisi, bu mu yoksa Evin niçin ........................................... gereksinimi vardır? 2 Benzer bir inceleme yapmak için aday öğretmenlerin gereksinim duyacağı malzemeler -

neler olabilir? Tartışın. 3 İncelemeyi yapabilmeleri için öğrencilere vereceğiniz (veya tahtaya yazacağınız)

bilgilerin doğru sırada olmasına özen gösterin. 4 Öğrencilerin yapmasını istediğiniz temel tahmin veya hipotezler, 5 Sonuçlar nasıl kaydedilecek. 6 Sonuçlar nasıl kullanılabilir: soracağınız anahtar soruları yazın. 7 Başka hangi incelemeler bunu izleyebilir. Güneş Evi incelemesi ile ilgili bilgi sayfası bu etkinliğin sonunda verilmektedir. Bunları sadece etkinliği yerine getirdikten sonra irdeleyiniz. Etkinlik 2 evlerde güneş enerjisi Amaç: Evlerde güneş enerjisi ile ilgili soruları cevaplamak. İşlem yolu: Denemeniz için aşağıda bir kaç soru verilmiştir. Bunları ya kendi başınıza deneyebilirsiniz ya da sınıfınızdaki diğer öğrencilerden bir veya ikisiyle çalışabilirsiniz. Böylece çözümleri birbirinizle “tartışabilir” ve birbirinizden birşeyler öğrenebilirsiniz. Sorular 1 Elektrik akımı, iki uç arasında potansiyel farkı olduğunda var olan elektrik yükü akışıdır. Aynı şekilde termal iletim, iki uç arasında sıcaklık farkı olduğunda var olan enerji akışıdır. Bundan dolayı elektriksel denklemlerle termal denklemler arasında benzerlik vardır. Aşağıdaki tabloyu tamamlayabilir misiniz? Elektrik akımı Termal iletim Potansiyel fark V volt Sıcaklık farkı t akım = akış hızı? akış hızı?

9.9

İlişki: V= ? ∆t = ?

Direnç R = slA

Temel direnç R’ = ?

s= dirençlilik olduğunda (k’ = termal iletkenlik olduğunda,

veya R = ? 1A

k yi içeren bir denklem yazın)

k= iletkenlik olduğunda

2 Elektiriksel dirençler R1 ve R2 paralel olduğunda 1A

=? ortaya çıkar. Burada R= toplam

dirençtir. Termal direnç R ve R2 için benzer bir denklem yazın ve bir duvar ve pencere içeren bir evdeki güç kaybını hesaplarken bunun ne demek olduğunu açıklayın. Şimdi 3. soruyu deneyin. 3 Bir tuğla duvarın ölçüleri 4x3 metredir ve 1x1.5 metrelik bir penceresi vardır. Tuğlanın kalınlığı 0.1 m. ve camın kalınlığı 4 mm dir. Bu veriler ışığında aşağıdakileri bulunuz? a Camın termal direnci (k cam = Wm-1 K-1) b Tuğlanın termal direnci (k tuğla = 0.6 Wm-1 K-1) Dışarıdaki sıcaklık 0°C, içerideki sıcaklık 20°C ise aşağıdakileri bulunuz? c Tuğladan olan güç kaybı d Pencereden olan güç kaybı e Toplam güç kaybı. 4 Bir yalıtım tabakası tuğla duvara yerleştirirse bu paralel olan dirençlere mi yok seri olan

dirençlere mi eşittir? 5 Üçüncü sorudaki tuğla duvar termal iletkenliği 0.05 Wm-1 K-1 olan 10 mm lik faybır tahat ile yalıtılmışsa aşağıdakileri bulun; a Tahtanın termal direnci. b Tuğla ve faybır tahtadan olan güç kaybı. 6 Üçüncü sorudaki güç kaybı sonuçlarına tekrar bakın. Bu değerin çok yüksek, çok düşük veya doğru olduğu kanısında mısınız? 3.sorudaki varsayımları kullanarak şekil 9.1’i tamamlayın.

9.10

Uygulamada bu şekil doğru mudur? Bunu ortaya çıkarmak için öğrencilerle hangi basit deneyleri kullanabilirsiniz? Basit deneylerin sonucunu gösteren sıcaklığa karşı uzaklığın grafiğin taslağın çizin. Basit fizik madelinde hangi değişiklikleri önerebilirsiniz? 7 Yüzey direnç katsayılarının (bir metre karenin yüzey termal direnci) tipik değerleri

şöyledir: iç yüzeyler: 0.13 m2 K-1 dış yüzyler: 0.06 m2 K-1 Toplam ısı düşüşünün 20 C olduğu bir durumda ve 6mm kalınlıkta 1 m2 pencere yoluyla oluşan güç kaybını hesaplamak için bu verileri ve camın termal iletimi için 1 Wm-1 K-1 değerini kullanın. Bu değeri iç ve dış hava yüzeyi termal dirençlerin etkisi hesaba katılmadan bulunan pencereden olan güç kaybıyla karşılaştırın. Her iki değerle ilgili yorumlar yapın. 8 Yedinci sorudaki herhangi bir ilgili veriyi kullanarak her bir termal dirençten olan sıcaklık farkını hesaplamak için seri halindeki elektrik dirençlerinin bağlanması kuralını kullanın. 9 Çift camlı pencerede ilave bir termal direnç vardır - iki cam arasında tutulan hava- Aralık 20 mm olduğu zaman bu direncin tipik değeri 2.1 x10-1 m2 KW-1 dir. Aşağıdakileri bulmak için 7.sorudak verileri ve 8.sorudaki fikirleri kullanın. a Pencereden olan güç kaybı b Sistemdeki termal dirençler boyunca oluşan sıcaklık farklılıkları. Sonra bu sonuçları göstermek için uzaklığa karşı sıcaklık grafiğinin taslağını çizin. Güç kaybını 7.sorudaki sonuçlarla karşılaştırın ve bulduğunuz değer üzerinde yorum yapın.

9.11

Bilgi Sayfası Güneş Evi İncelemeleri İnceleme: 1 Güneş enerjisi ile evin ısınmasında etmenlerden birisi, evin KONUMU olduğundan anahtar soru şöyledir: Soru: Güneş enerjisinden en yüksek düzeyde yararlanmak için ev hangi yöne doğru bakmalıdır? Sonra öğrencilere “Bunu bulmak için kutuyu, termometreyi ve pusulayı nasıl kullanabiliriz?” Sorusunu sorun. Bu sorudan sonra öğretmen öğrencilerle, incelemenin tasarlanması ve planlanmasını yapabilir. Araç-gereçler: 60x30x30 cm boyutlarında 2 karton kutu, yapışkan bant, cam veya saydam selofen, 2 termometre, pusula İşlem yolu:

1 Kutuların ikisini de beyaza boyayın. 2 Her kutunun bir tarafından 25x25 cm boyutlarında kare şeklinde bir

pencere açınız. Şekil 9.2’ye bakın. 3 Kutuların pencere açtığınız taarfına karşı gelen taraftan delik açın ve

termometrenin haznesini buradan içeriye sokun. Termometreyi sıkıca tutturmak için bant kullanın. Termometrenin kolayca okunabilecek şekilde olmasına dikkat edin.

4 Kutuların üst kısmını bantla kapatın. 5 Pencere açmak için kestiğiniz yere cam veya selofan yerleştirin.

Şekil 9.2

9.12

6 Pusulayı kullanarak kutuların birini penceresi kuzeye, diğerini güneye bakacak şekilde yerleştirin. Her iki kutunun da güneş altında olmasına dikkat edin.

Burada öğrenciler için esas tahmin veya hipotez yönle ilgilidir. Öğrencilere ‘Her iki evde, daha çok ısı kazandıran yön ile ilgili nedenlerinizi yazınız’ deyiniz. Sonuçları kaydetmek için tipik öneriler şöyledir:

7 Her beş dakikada bir kutudaki sıcaklığı okuyun ve sonuçları bir tabloya kaydedin.

8 Sıcaklıkları sabit bir sıcaklığa erişinceye kadar okumaya ve

kaydetmeye devam edin (Çok sıcak bir günse okumaları her beş dakika yerine her iki dakikada bir yapınız).

Sonra öğrencilerden sonuçları iki şekilde tablo ve grafik şeklinde kaydetmelerini isteyin. Sonuçlarla ilgili temel sorular şöyle olabilir: ‘Kuzeye bakan kutudaki ısının en yükseğe erişmesi ne kadar zaman aldı?’ ‘Güneye bakan kutudaki ısının en yükseğe erişmesi ne kadar zaman aldı?’ ‘Ilık kış güneşinden yararlanması için, evin penceresi ne yöne doğru bakmalıdır?’ ‘Yazın güneşin ısıtma etkisini en aza nasıl indirirsiniz?’ Ek bilgiler Kış güneşinden en yüksek düzeyde yararlanmak için güneye bakan duvarda maksimum pencere alanının olması gerekir. Fakat yazın öğle güneşinin ısısını almamak istersiniz. Bu durumda çatının tasarımı bir etmendir. Şekil 9.3’e bakın.

9.13

9.14

Beyaz perdeler yazın ısının yansımasına yardımcı olabilir. Evin rengi bir etmendir bunun için inceleme iki siyap kutuyla tekrarlanabilir. Ek incelemeler bunu izleyebilir-veya farklı öğrenci grupları farklı yönler üzerinde çalışabilir. Özet kılavuz aşağıdadır. İnceleme 2 Soru: Çatının şekli evin içindeki sıcaklığı etkiler mi? İnceleme 3 Soru: Isı kaybını veya binanın içiyle çevresi arasında biriken ısıyı nasıl azaltabiliriz? Araç-gereçler: İnceleme 1 deki gibi termometre hala içerde olan iki ev (ikisinin de tepeleri düz) 4 termometre (her ev için 2 tane) Bant Yalıtım malzemeleri (oluklu mukavva, styrofoam veya kağıt)

9.15

Şekil 9.5

Ek bilgiler Yalıtım iki türlü çalışır. Evin içinde serin hava tutulmuşsa yalıtın ısıyı dışarıda tutabilir (Şema 1). Kışın ısı kaynaklarından sağlanan ısı yalıtımla içeride tutulabilir (Şema 2). Şemadaki oklar yansıyan ısıyı göstermektedir.

Şekil 9.6 Şekil 9.7 Bu yolla ev sahipleri kışın ısınmak için yazın serinlemek için enerji kullanımlarını azaltabilirler. Etkiyi artırmak için tavandaki yalıtım kadar duvarlar arasındaki yalıtımdanda yararlanılabilir. Toprağın içinde veya kısmen toprakla örtülü evler inşa ederek ısıtma ve soğutma maliyetleri %80 azaltılabilir.

9.16

9.5 Etkinlikler a Aşağıdakileri üç dörtlü gruplarda tartışın ve sonuçlarını rapor haline getirin. a Fen bilimlerine özgü problem tipleri var mıdır? Örnekler bulun. b Fen bilimlerindeki problemlere özgü çözüm yolları var mıdır? Örnek problemler bulup çözün. c Problem çözmede ipuçları ne iş görür? Öğretimde yararlanılacak bir ipucu hangi özelliklerde olmalıdır? d Problem çözme öğrencinin zihin yeteneklerini nasıl geliştirir? e Problem çözme bu ünitedeki önerilere uygun olarak öğretilirse, fizik öğretiminde ne yararlar sağlar? f Bir öğretmen öğrencilere yazılı çözüm gerektiren problemler vermiş; ayrıca problemi çözerken akıllarından neler geçtiğini basamak basamak yazmalarını istemiştir. Sonra her öğrencinin çözümünü ve zihinden geçen düşünme sürecini kendisiyle tartışmıştır. Bu yöntem ne yarar sağlar? 1 Fizik müfredatından bir konu secerek hangi düzeyde problemler içerdiğini grup arkadaşlarınızla tartışın. 2 8.3.1’de verilen her bir düzeye uygun birer problem önerin. Bu önerilerinizi grup arkadaşlarınızla tartışın. Sonuçları rapor halinde öğretim elemanına sunun. Kaynaklar Dewey, John (1910, 1933). How We Think. Boston : D.C. Heath. Turgut, M.F. (1991). Fizik Öğretiminde Çağdaş Metotlar. Sempozyum - 90. Türk

Fizik Vakfı 1990 Sempozyumu Tebliğleri. Ankara.: Türk Gizik Vakfı. S. 1-7.

Watts, M. (1991). The Science of Problem Solving, A Practical Guide for Science

Teachers. London: Cassell Educ.Ltd. Çepni, S. ve Akdeniz, A.R.C (1991). Fizik öğretmenlerinin yetiştirilmesinde yeni bir

yaklaşım. Hacettepe Üniversitesi Eğitim Fakültesi Dergisi. S.12. (baskıda).

9.17

Ekler: Evlerde Güneş Enerjisi Etkinlik 2 deki soruların cevapları Soru 1 Sıcaklık farkı için t ve enerji akış hızı w watt için, ∆t=wR’ (V=i R ile karşılaştırın) burada R’ = termal direnç (KW-1) dir.

ve R= 1k '

= 1A

dır (R’= 1k '

= 1A

ile karşılaştırın)

Burada k = termal iletkenlik (Wm-1 K-1) ve 1 uzunluk ve A alan ve k=elektriksel iletkenliktir. Soru 2

Elektriksel dirençler için 1R

= 1

1R+ 1

2R (R=toplam direnç)

Termal dirençler için 1R'

= 1

1R'+ 1

2R' (R’=toplam termel direnç)

ve sabit ∆t, Wα 1R'

veya

Toplam güç kaybı=pencereden güç kaybı+tuğladan güç kaybı Soru 3

9.18

a R = 1k '

= 1A

= 4 101 5

3x −

.= 2.7x10-3 KW-1

(Aday öğretmenlerin yaptıkları hatalar genellikle birimlerin kullanımıyla ilgilidir. (mm→ m)). b Tuğla duvarın alanı=(4x3) - 1.5 = 10.5 m2 (Aday öğretmenlerin hataları alanla ilgildir). Öyleyse R = 16x10-3 KW-1 dir.

c Güç kaybı= w = ∆tR'

= 20158 10 3. x − = 1.3 KW

d Aynı şekilde pencere için: güç kaybı = 7.5 KW e 8.8 KW

Aday öğretmenleri 1R'

= 1R b'

+ 1R s'

(b=tuğla,g = cam) kullanarak

toplam termal direnç Rt bulmaları için teşvik edin.

Rt = 2.28x10-3 KW-1 dır, ve toplam güç kaybı daha önce olduğu gibi = ∆tR t'

= 8.8KW dır.

Soru 4 ve 5 Bir duvarın yalıtımı dizideki dirençlere eşittir.

Tahta için: R’= 10 5

1010 5

2

. .

−

= 19x10-3 KW-1

Tuğla için: R’ = 15.8x10-3 KW-1 Toplam R’= 34.8x10-3 KW-1

Bu nedenle w = ∆tR t'

= 20348.

103 = 575W dir.

9.19

Soru 6 Bu basit modeli kullandığımızda güç kaybı çok fazladır. Soru 3 e bakın: ilk grafik şöyledir. Öğrencilerle yapılan basit deneyler yukarıdaki grafiği doğrulamamaktadır. Örneğin, ellerinizi yüzünüzü ya da burnunuzu kullanarak pencereye ne kadar çok yaklaşırsanız o derece soğuk hissedersiniz ve uzaklığa karşı termometre okumaları bunu doğrular. Daha iyi grafik şöyledir: Her cam yüzeyine yakın sıcaklığın düştüğü bir hava tabakası vardır. Bu hava tabakası evin içinden dışına doğru olan enerji akımına karşı bir direnç oluşturur. Toplam termal direnç: iç yüzey tabakası direnci, camın termal direnci ve dış yüzey tabakası direncinin toplamıdır. Soru 7

Camın termal direnci R1 = 1k A'

= 6 0 101 1

3. xx

−

= 6.0x10-3 KW

1m2 için toplam termal direnç = iç hava yüzeyi direnci + cam direnci + dış direnç = 3.13+0.006+0.06=0.196 KW-1

Güç kaybı/m2 = ∆tR toplam'

= 20196

= 102 W.

9.20

Yüzey dirençleri göz önüne alınmazsı şunu elde ederiz:

Camdan güç kaybı= ∆tR cam'

= 20106

3. = 3.33KW

Bulunan bu değer gerceğinden 30 kez büyüktür. Bu da basit modelin verdiği değerlerin beklenenden çok yüksek olduğunu gösterir. Soru 8 R1 R2 R3 Seri haldeki elektriksel dirençler için ←V1→ ←V2→ ←V3→

=VR

1

1

= VR

2

2

=VR

3

3

= ( )

' ' 'V V VR R R

1 2 3

1 2 3

+ ++ +

Aynı şekilde termal dirençler için:

W= ∆TR toplam'

= ∆TR

1

1'=∆TR

2

2'=∆TR

3

3'

Böylece 200196.

=∆T1

013. vb.

Bize şunları verir: ∆T1= 6.1C° = iç hava tabakasında sıcaklık düşmesi ∆T2= 13.31C° = cam hava tabakasında sıcaklık düşmesi ∆T3= 0.61C° = dış hava tabakasında sıcaklık düşmesi Soru 9 Her metre kare için toplam termal direnç bu termal dirençlerin toplamıdır: iç hava yüzeyi + cam + tutulan hava + cam + dış hava yüzeyi Bu da şöyledir: 0.13 +.006 + 06 +.21 = .412 KW-1

Toplam güç kaybı = ∆TR toplam'

= 20412

= 48.5 W/m2

Tek pencere camı için değer 102 W/m2 idi ve %50 güç kaybı kabul edilebilir bir “gerçek” değildir.

9.21

Sıcaklık düşmesi değerleri (soru 8 deki aynı yaklaşımı kullanarak) şöyledir. Sıcaklık düşüşü Termal direnç 6.3 iç yüzey hava tabakası 0.3 ilk pencere camı 10.2 yüzümüzle cam arasındaki boşluk 0.3 ikinci cam 2.9 dış hava tabakası Grafik şöyledir: