النموذج الجسيمي للمادّة

النموذج الجسيمي للمادّة هو نموذج نظري، مقبول في المجتمع العلمي، ويعتمد على عدّة مبادئ وفرضيات حدّدها العلماء. بواسطة هذا النموذج يمكن تفسير كثير من الظواهر المألوفة التي تتعلّق بتصرّف الموادّ، على سبيل المثال، الانضغاط والذوبان والانتشار وتغيّر حالة المادّة وتغيّرات ضغط الغاز. أهمّ المبادئ والفرضيات المشمولة في إطار النموذج الجسيمي هي: جميع الموادّ في العالَم مبنية من جسيمات (ذرّات وجزيئات)؛ بين الجسيمات يوجد فراغ. تتميّز الموادّ في العالَم فيما بينها بنوع الجسيمات التي تركّبها وبترتيبها؛ تتواجد الجسيمات في كلّ جسم في حركة دائمة وعشوائية بأشكال حركة مختلفة كما سنأتي على وصفه في مقدّمة الموضوع الفرعي الأوّل. يتحرّك كلّ جسيم بسرعة معيّنة والسرعة المتوسّطة للجسيمات، في جسم معيّن، تنعكس في درجة الحرارة التي تُقاس للجسم. في الحالة الغازية، السرعة المتوسّطة للجسيمات في وعاء مغلق، تؤثّر على شدّة اصطدامات الجسيمات بجدار الوعاء، ولذلك تؤثّر على الضغط الذي يتكوّن في الوعاء. يؤدّي تسخين أو تبريد الموادّ إلى تغيّرات في المادّة وسوف نتناول ذلك بتوسّع في هذه الوحدة.

المهارات- خلفية عامّة والقدرات المطلوبة

·         معالجة وعرض المعلومات

يتناول الطلاّب في هذا الفصل قراءة وبناء الجداول والرسوم البيانية في سياق التفسير الجسيمي للظواهر في الموادّ. كما نوصي بالعمل على عرض المعرفة التي اكتسبها الطلاّب بطرق عرض مختلفة.

مقارنة وملاءمة: في إجراء المقارنة، على الطالب تشخيص التشابه والاختلاف المرتبطين بظواهر الموادّ المختلفة؛ كما عليهم المقارنة بين مميّزات الحالات المختلفة للمادّة. على الطالب أن يلائم ظواهر- للموادّ، وأن يفسّر العلاقة بين الحالات المختلفة للمادّة- وبين مميّزاتها. تتيح المقارنة والملاءمة تنظيم المعلومات وإيجاد العلاقات بين المركِّبات. تشتمل مهارة المقارنة على استعمال معايير ملائمة للمقارنة، التي تمكّن تنظيم المعلومات وتصنيفها وملاءمتها واستنتاج استنتاجات والتعميم على أساسها- ملاءمات.

الجدول: تمّ تناول الجداول أيضًا في الوحدة الأولى. من خلال جمع وتنظيم المعلومات في جدول، يمكن إجراء مقارنة وإبراز نقاط التشابه والاختلاف في المبنى الجسيمي للموادّ المختلفة وفي صفاتها. من أجل أن يفعّل الطلاّب هذه المهارة يتوجّب عليهم التعرّف على أنواع مختلفة من الجداول، وإجادة قراءة الجداول، وبناء جدول بسيط، وتقييم الأفضليات والسلبيات المنوطة بهذا النوع من العرض، وإدراك أنّه عندما يُطلب منهم التصنيف والمقارنة من الجدير اختيار العرض من خلال الجداول.

الرسم البياني: في فحص العلاقة بين متغيّرات، مثل: ضغط ودرجة حرارة وحجم وسرعة الجسيمات، يتمّ استعمال قراءة الرسوم البيانية الملائمة. يتعرّف الطلاّب على مركِّبات الرسم البياني (هيئة المحاور، تدريج قيم المحاور، أسماء المحاور، العناوين)، ويتعرّفون على قراءة معطيات في الرسم البياني بصورة صحيحة ويستنتجون استنتاجات وفقًا لذلك. يجب أن يتلاءم مستوى العمل على الرسوم البيانية مع مستوى الطلاّب. في هذه المرحلة يُطلب من الطلاّب في الأساس فهم وقراءة معلومات في الرسم البياني وليس رسم رسم بياني بأنفسهم.    

·         تطرّق وجيه لنماذج نظرية ومحسوسة ( تجسيدية)، استعمال النموذج والقدرة على تناول محدوداته

يستعملون في المجالات العلمية نماذج مختلفة لفهم وتفسير الظواهر والتجارب. يطوّر العلماء نماذج رياضية ونظرية ويستعملونها. لتوضيح المصطلحات التي تتناول المبنى الجسيمي للمادّة مثلاً، يطوّر العلماء والمشتغلون في تدريس العلوم، نماذج تجسيدية مختلفة لعرض ظواهر ومبانٍ وكذلك جوانب معيّنة للنموذج الجسيمي.

النماذج النظرية

النموذج الجسيمي للمادّة (الذي يفترض أنّ الجسيمات تتصرّف "ككرات صلبة") هو مثال لنموذج نظري، مقبول في المجتمع العلمي، ويعتمد على عدّة مبادئ وفرضيات علمية. يمكن بواسطته تفسير كثير من الظواهر المتعلّقة بتصرّف الموادّ وصفاتها، لكن ليس جميعها [مثلاً، لا يتطرّق النموذج إلى نظرية جسيم- موجة (المشمول في الميكانيكا الكمّية) ولذلك ظاهرة كلون المادّة، لا يمكن تفسيرها بواسطة النموذج]. في مستوى تدريس العلوم في المدرسة الابتدائية النموذج كافٍ وملائم. من المهمّ الحديث مع الطلاّب عن محدودات النماذج العلمية النظرية، وعن العلاقة بين النموذج النظري والتجارب المختبرية وبين ظواهر في الطبيعة ونقل الرسالة التي مفادها أنّ النظرية العلمية صحيحة طالما لم تُدحض بواسطة تجارب أو ظواهر تناقضها.

النماذج التجسيدية ( المحسوسة)

تساعد النماذج التجسيدية الباحثين ومهنيين آخرين في تجسيد ظواهر وأفكار ومبانٍ وغيرها، وكذلك في التواصل مع زملائهم.

على سبيل المثال- نماذج البنايات أو أجسام مختلفة، بمقياس رسم معيّن (بما في ذلك مجسّم الكرة الأرضية)، التي يستعملها المهندسون والمصمّمون، هي نماذج تجسيدية. بمساعدة هذه النماذج يستطيع المصمّم تجسيد جوانب معيّنة يعنى التشديد عليها في نتاجاته. بنفس الطريقة، يستعمل العلماء نماذج تجسيدية من أجل عرض نماذج نظرية أو عمليات علمية أو مبانٍ لأجسام ومنظومات. على سبيل المثال- يمكن عرض الجسيمات بواسطة نموذج تجسيدي (محسوس أو محوسَب) لكرات صلبة موجودة في حركة، الذي يُستعمل لتجسيد مميّزات الحالات المختلفة للمادّة وظواهر مثل الانضغاط والانتشار وضغط الغاز. نموذج تجسيدي لكرتين موصولتين بواسطة عصًى أو نابض يمثّل رباطًا (كيميائيًا) بين جسيمين.

الحديث مع الطلاّب عن محدودات النماذج التجسيدية هو أمر ضروري وحيوي. على سبيل المثال، نموذج لبيت مصنوع من الكرتون يمكنه أن يمثّل مبنى البيت لكنّه لا يمثّل الموادّ التي بُني منها أو حجمه الحقيقي. صحيح أنّ النموذج التجسيدي يجسّد جوانب معيّنة، لكنّه خاطئ بالطبع من جوانب أخرى. على سبيل المثال: عند التطرّق إلى نموذج تجسيدي للرباط الكيميائي- في الواقع الذرّة ليست كرة صلبة والرباط الذي بين الذرّتين بالطبع ليس عصًى أو نابضًا؛ الرسم التوضيحي الذي يبيّن نقاطًا موزّعة بصورة متجانسة داخل قنينة- من جهة يمثّل النموذج الجسيمي للهواء: يمثّل جسيمات والأبعاد التي بينها (الفراغ) والتوزيع المتجانس للغاز في القنينة؛ ومن جهة أخرى، لا يمثّل (ولا يمكن إطلاقًا التمثيل بصورة تجسيدية) عدد الجسيمات في القنينة في الواقع وحجمها الحقيقي والأبعاد التي بينها وسرعة الجسيمات الحقيقية.

·         بناء حجاج

تكون النقاشات في الصفّ مثمرة وناجعة إذا شملت حجاجات وحجاجات مناقضة. لذلك، مهارة الحجاج هي مهارة مركزية في تطوير التفكير الحواري. يكتسب الطلاّب مهارة بناء الحجاج (الحجاج هو ادّعاء معلَّل) الذي يشتمل على تعليل من نوع التفسير العلمي والذي يعتمد على براهين أو على نظرية. على الطلاّب التعرّف على مبنى الحجاج وتشخيص مركِّبَيْه- الادّعاء والتعليل. في إطار تعلّم النموذج الجسيمي للمادّة، يتوجّب على الطلاّب معرفة صياغة ادّعاء وتوفير تعليل الذي هو عمليًا عبارة عن تفسير علمي يعتمد على مبادئ النموذج الجسيمي (نوصي بالاستعانة بنموذج التعليم- "ندعّي في العلم").  

·         عزل المتغيّرات

عزل المتغيّرات هي عملية يفحصون فيها مدى تأثير عامل معيّن (العامل المؤثِّر) على عامل آخر/ ظاهرة/ عملية/ حدث (العامل المتأثّر) بواسطة تجربة أو بحث، بحيث يغيّرون العامل المؤثِّر فقط، في حين تبقى بقيّة المتغيّرات المشاركة ثابتة. هذه عملية تسبق إجراء التجربة هدفها تحديد لأيّ عامل توجد علاقة سببية مع النتيجة.

على سبيل المثال، في إطار النموذج الجسيمي للغاز، لفحص العلاقة بين درجة حرارة غاز معيّن وضغطه، يجب الحرص على أن يكون الحجم ثابتًا في الوعاء الذي يتواجد الغاز فيه وعلى كمّية ثابتة من الغاز، وتغيير أحد المتغيّرين فقط (الضغط أو درجة الحرارة). بهذه الطريقة، التي نعزل فيها المتغيّرات (في هذه الحالة درجة الحرارة والضغط)، في حين يُحفظ نوع الغاز وعدد الجسيمات والحجم ثابتة، يمكن بدقّة صياغة العلاقة بين المتغيّرين والتوصّل إلى استنتاج علمي. 

 

فهم "النموذج الجسيمي للمادّة" يتطلّب أحيانًا تغييرًا إدراكيًا لدى الطلاّب. لإحداث تغيير إدراكي ملحوظ لدى الطلاّب نوصي بالتعليم وفقًا لتوجّه يكون الطلاّب فعّالين فيه ومشاركين في عملية التعلّم؛ إحدى الطرق الملائمة لذلك هي "التعليم الحواري". "التعليم الحواري" (رون، 1993) أو "مباحثات حول العلم" (Negotiating Knowledge) يتميّز بأنّه يجرى خلال الدروس نقاشات صفّية، بين المعلّم والطلاّب، وبين الطلاّب أنفسهم، بحيث لا يكون المعلّم المتحدّث  الوحيد في الصفّ. حسب هذه الطريقة يُفترض أن يرجئ إعطاء الإجابة الصحيحة وإتاحة الفرصة للطلاّب نقاش إمكانيات وتوجهات مختلفة فيما بينهم والتوصّل إلى قرار. تعتبر هذه الوسيلة هامّة في تعليم مواضيع منوطة بتغيير إدراكي وتستدعي "صراعًا ذهنيًا". في هذه الطريقة التعليمية من المهمّ الحرص على عدم الانتقال إلى طريقة "البينغ بونغ" التي يسأل فيها المعلّم سؤالاً وينتظر الإجابة الصحيحة، وينتقل إلى السؤال التالي، وهكذا. صحيح أنّه يمكن بهذه الطريقة الحصول على مشاركة أكبر من جانب الطلاّب خلال الدرس، إلاّ أنّ ذلك ليس حوارًا، ولا يحقّق الهدف الأساسي الذي يقف في أساس التعليم بواسطة المباحثات الصفّية- تغيير المصطلحات والمفاهيم" (من مقال يرد في المرشد للمعلّم في موضوع الفراغ والجسيمات).

تشديدات في تعليم النموذج الجسيمي:

·         نوصي بشدّة دمج الرواية التاريخية للنموذج الجسيمي، وبذلك منح شرعية لمفاهيم الطلاّب لمبنى المادّة (كمفهوم أنّ المادّة متسلسلة وغير منقطعة). هناك أهمّية كبيرة لإقحام الطلاّب إلى الطريقة التي يعمل العلم بها، وإشراكهم في أفكار فلاسفة العلم وعلماء من العصر الحاضر الذين توصّلوا من معرفتهم المتعمّقة لظواهر مختلفة وكثيرة إلى مجمل نظرية النموذج الجسيمي.

·         تناول النموذج الجسيمي للمادّة يستدعي استعمالاً واسعًا لمصطلح النموذج، من المهمّ التحدّث مع الطلاّب حول الحاجة للنموذج وحول الفروق بين الواقع والنموذج وحول نقاط قوّة ونقاط ضعف النموذج. هنا المكان للتحدّث مع الطلاّب حول المصطلحين النموذج النظري والنموذج التجسيدي.

·         من المهمّ التشديد على أنّه ليس كلّ الصفات موجودة في الجسيم الواحد، صفات المادّة هي لمجموعة الجسيمات وليست لجسيم واحد. على سبيل المثال جسيم الكبريت ليس أصفر وجسيم الحديد غير موصل للكهرباء.  

·         عندما نطلع الطلاّب على النموذج الجسيمي للمادّة وعلى الفروق بين الحالات المختلفة للمادّة نوصي بسؤال الطلاّب عن دلالة المصطلح "حالات المادّة". تحدّثوا مع الطلاّب بكلمات تذكر حالات المادّة كحال وأحوال، من هنا يمكن إدراك أنّنا نتحدّث عن حالة تنظّم الجسيمات في المادّة.

·         من المهمّ التشديد على أنّ كثيرًا من صفات المادّة تتحدّد حسب نوع الجسيمات وتنظّمها (ترتيبها) وقوى الجذب التي بينها. أي ما الذي يفرّق بين الموادّ المختلفة. من شأن ذلك أن يساعد الطلاّب في تفسير الظواهر في مستوى الماكرو في تعلّمهم اللاحق في موضوع الموادّ أيضًا.

·         بسبب حقيقة كون النموذج مجرّدًا جدًّا، من المهمّ في الصفّ استعمال وسائل تجسيدية كثيرة ومنوّعة قدر الإمكان. عرض في الصفّ محاكاة محوسبة ("رحلة في عالَم الجسيمات")، أفلام رسوم متحرّكة، صور عروض، "آلة الكرات" ونماذج تجسّد النموذج الجسيمي للمادّة. كذلك إتاحة الفرصة للطلاّب رسم أو الاستعانة بالملصقات. يمكن الاقتراح على الطلاّب دمج رسوم في تفسيراتهم (انظروا توجيهات للموادّ التعليمية في جدول التعليم- التعلّم- التقييم).

·         من المهمّ التفريق في كلّ ظاهرة بين وصف الظاهرة (مستوى الماكرو)- ماذا نرى؟ وبين التفسير العلمي (مستوى الميكرو)- كيف نفسّر حسب النموذج الجسيمي؟

·         عندما نمثّل ونفسّر في الصفّ ظواهر معيّنة، من المهمّ الحرص على مراحل مرتّبة للعرض أو المشاهدة أو التجربة. بعد عرض المنظومة بكلّ مركِّباتها أو بعد أن تمّ توضيح التجربة، نوصي بالطلب من الطلاّب صياغة فرضية كتابية- ماذا تظنّون أنّه سيحدث، وتفسير فرضيتهم، وعندها مشاهدة العرض أو إجراء التجربة. بعد ذلك كتابة ما يرونه وفحص مدى ملاءمة فرضيتهم. في النهاية عليهم تفسير الظاهرة بمستوى الميكرو. يمكن الاستعانة بوسيلة لمشاهدة التمثيل  (peoe  - رابط لصفحة إنترنت).

·         تُدمَج خلال التدريس أسئلة تقييم من أنواع مختلفة يتمرّن الطلاّب من خلالها على التعليل والحجاج والتفسير العلمي. نوصي بتكريس وقت لبناء إجابة للأسئلة التي تتطلّب بناء حجاج/ تفسير.

·         نقترح استعمال بنية الحجاج (الذي تعليله من نوع التفسير العلمي). يمكن الاستعانة بالموادّ التي تمّ تطويرها في المركز القطري لمعلّمي العلوم والتكنولوجيا في المدارس الإعدادية: 1. "ادّعاءات في العلم"     http://clickit.ort.org.il/files/upl/904401940/240217572.doc

2. قاعدة بناء التفسير (انظروا الجدول في الصفحة التالية).

·         نوصي بالعمل مع الطلاّب بمساعدة "الأسس\الارتكازات" التي تساعدهم في تفسير ظواهر في الموادّ من خلال تطرّق إلى المركِّبات المركزية للنموذج الجسيمي للمادّة: في التطرّق إلى مادّة معيّنة- يفحص الطلاّب إذا طرأ تغيير على سرعة حركة الجسيمات، على القوى التي تعمل بينها، على تنظّمها- ترتيبها. من المهمّ التطرّق في كلّ ظاهرة إلى كتلة المادّة أو إلى عدد الجسيمات. بعد إزالة " الأسس\الارتكازات " يمكن في المرحلة الأولى تزويد الطلاّب بمجمّع يشمل المركِّبات المختلفة والطلب منهم اختيار المركِّبات اللازمة فقط لتفسير الظاهرة.

·         نوصي بالاستعانة بقاعدة بناء الحجاج التي توفّر "ركيزة" للطلاّب في طريقهم لبناء حجاج تعليله من نوع تفسير.

قالب بناء الحجاج (ادّعاء + تفسير علمي) في مجال الموادّ من جانب جسيمي

يمثّل الجدول التالي مركِّبات النموذج الجسيمي التي نوصي بالتطرّق إليها (إلى جزء منها أو إلى جميعها) عندما نقدّم تفسيرًا بواسطة النموذج الجسيمي:

صفوا الظاهرة بالمستوى الماكروسكوبي                                                           

فيما يلي جدول يساعد في بناء تفسير لظواهر من خلال استعمال النموذج الجسيمي للمادّة:

التفسير حسب النموذج الجسيمي	التغيير الذي طرأ ازداد/ قلّ/ لم يتغيّر	مركِّبات النموذج الجسيمي
		نوع الجسيمات
		عدد الجسيمات
		السرعة المتوسّطة للجسيمات
		البعد بين الجسيمات
		تنظّم الجسيمات
		عدد الاصطدامات لوحدة مساحة (بالتطرّق إلى الغاز فقط)

صياغة حجاج (ادّعاء + تعليل):

الموضوع "حالات وتغيّرات المادّة- النموذج الجسيمي" مقسّم إلى موضوعين فرعيين:

1. مبادئ النموذج الجسيمي- تفسير ظواهر ومميّزات حالات المادّة (بدون التسخين أو التبريد).

2. تأثير التسخين والتبريد على التغيّرات الفيزيائية التي تحدث في المادّة:

         أ. عمليات تسخين وتبريد المادّة، التي تؤدّي إلى تغييرات في درجة الحرارة.

         ب عمليات تسخين وتبريد المادّة، التي تؤدّي إلى تغييرات في حالة المادة.

     لكلّ موضوع فرعي سيتم عرض المركِّبات التالية:

·                       خلفية علمية للمعلم

·                       اقتراحات تعليمية وتشمل:

ü       الصعوبات المتوقّعة في هذا الموضوع الفرعي.

ü       وصف عملية التدريس الذي يعرض اقتراحًا لتسلسل تدريس الموضوع الفرعي من خلال التوجيه إلى فعاليات اساسية تمهيدية لتحقيق الأهداف التعليمية وكذلك يعرض طرقاً لدمج المهارات في المضامين.

ü        جدول تخطيط التدريس- التعلّم- التقييم الذي يعرض اقتراحات لتسلسل التدريس وتوجيهات إلى موادّ تعليمية قائمة وإلى مهمّات تقييمية من المجمّع.