Critical details, conceptual barriers and teaching approaches to chemical bonding

This thesis presents and analyzes the findings of various researches related to: (1) a teaching intervention that took place in the school year 2014-2015 in a provincial general high school; (2) the answers of high school students and first-year undergraduate students to two metacognitive questions related to the topic of chemical bonding; and (3) the answers given by undergraduate chemistry students, in the June exam of the academic year 2016-2017, at an elective course, to a question related to the visual representations of chemical structures.(1) The didactic intervention took place in the school year 2014 - 2015 in a general high school of a small provincial town. The research involved 78 students from four different classes of the tenth grade. The classes were divided into two control classes (where chemical bonding was taught using the textbook according to the Greek curriculum) and two experimental classes (where the teaching intervention took place and a "teaching material" was used for the teaching of chemical bonding). Almost the same teaching hours were devoted for the teaching of chemical bonding unit in all classes. After completing the teaching of the chemical bonding unit, the students took part in a written test. The students’ scripts were marked and then the results were analyzed. In general, the students' performance was moderate, while no statistical significant differences were detected between the control and the experimental classes. However, in the case of some questions, where the teaching intervention was expexted that it could help the students in their answers, differences were observed. More specifically, in a question related to electrostatic interactions, the performance of the students of the experimental classes was a little better than that of the students of the control classes. However, in the questions related to electronegativity and bond polarity, the performance of the students of of the experimental classes was much better.(2) In the school year 2012 -2013, a research study was carried out on the chapter on chemical bonding in three provincial schools (general high schools), with students of tenth grade. In each school where the study was carried out, the tenth grade classes, were divided into control classes and experimental classes. The answers to two metacognitive questions given by 66 students of the control classess were then analyzed. The same test was also given in the academic year 2012-2013 to 73 first-year students of two university departments. From the answers given to the two metacognitive questions, it emerged that both the pupils and the students considered covalent bonding more difficult than ionic bonding. That neither bonding is difficult was assumed by 12.1% of pupils, while the corresponding percentage for students was 4.1%. That both types of bonding are equally difficult was assumed by 4.5% of pupils and 8.2% of students. The reasons for the difficulty associated with covalent bonding were more numerous than in the case of ionic bonding for both the pupils and the students. In the study of the chemical bonding chapter, 30.3% of the pupils reported difficulties related to specific concepts and topics, 42.4% of the pupils made general remarks about the difficulties or lack of difficulty and only 3% of the pupils reported difficulties regarding the chapter on the structure of chemical bonds. The corresponding percentages in the students' answers were 43.8%, 19.2% and 0%. Based on the specific classification according to the four Flavell's metacognition categories, most of the answers given by both the pupils and the students belonged to the metacognitive knowledge Flavell category, followed by metacognitive experience category, while a few answers were classified into either the tasks and goals or the strategies or actions category.(3) In the June exam of the academic year 2016-2017, as part of the elective course "Science Education", 15 first-year chemistry students answered a question related to the visual representations of chemical structures. In particular, equal electron density surfaces/electrostatic potential maps for chemical structures resulting from accurate quantum mechanical calculations were used for this representation. Based on the students' answers, it emerged that the visual representations: (i) generally left positive impressions on the students in relation to certain characteristic, e.g., the atoms’ size in molecules, and polarity/bond polarization; (ii) attracted their interest; and (iii) helped them to memorize some characteristics related to chemical bonds. Finally, the students described the specific visual representations as a useful pedagogical tool and that they are better than other visual representations they had encountered before.Στη διατριβή αυτή παρουσιάζονται και αναλύονται τα ευρήματα διαφόρων ερευνών που αφορούν τη διδασκαλία και μάθηση της έννοιας του χημικού δεσμού και σχετίζονται: (1) με διδακτική παρέμβαση που πραγματοποιήθηκε το σχολικό έτος 2014-2015 σε επαρχιακό γενικό λύκειο, (2) με τις απαντήσεις μαθητών α΄ λυκείου και πρωτοετών προπτυχιακών φοιτητών σε δύο μεταγνωστικές ερωτήσεις που σχετίζονται με το θέμα του χημικού δεσμού και (3) με τις απαντήσεις που έδωσαν προπτυχιακοί φοιτητές χημείας, στην εξεταστική του Ιουνίου το ακαδημαϊκό έτος 2016-2017 στο πλαίσιο ενός μαθήματος επιλογής, σε μία ερώτηση σχετική με τις οπτικές αναπαραστάσεις χημικών δομών.(1) Η διδακτική παρέμβαση πραγματοποιήθηκε το σχολικό έτος 2014 – 2015 σε γενικό λύκειο μικρής επαρχιακής πόλης. Στην έρευνα συμμετείχαν 78 μαθητές τεσσάρων διαφορετικών τμημάτων της α΄ τάξης. Τα τμήματα χωρίστηκαν σε δύο τμήματα ελέγχου (όπου διδάχθηκε ο χημικός δεσμός χρησιμοποιώντας το σχολικό βιβλίο σύμφωνα με το Αναλυτικό Πρόγραμμα Σπουδών) και σε δύο τμήματα μεθοδολογίας (όπου πραγματοποιήθηκε η διδακτική παρέμβαση και ακολουθήθηκε για τη διδασκαλία των χημικών δεσμών ένα «διδακτικό υλικό»). Σε όλα τα τμήματα για τη διδασκαλία της ενότητας του χημικού δεσμού αφιερώθηκαν σχεδόν οι ίδιες διδακτικές ώρες. Μετά την ολοκλήρωση της διδασκαλίας της ενότητας του χημικού δεσμού οι μαθητές έλαβαν μέρος σε μια γραπτή δοκιμασία (τεστ). Ακολούθησε διόρθωση των τεστ και στη συνέχεια έγινε επεξεργασία και ανάλυση των αποτελεσμάτων. Γενικά οι επιδόσεις των μαθητών κυμάνθηκαν σε μέτρια επίπεδα και επίσης δεν φάνηκε να υπάρχουν σημαντικές διαφοροποιήσεις μεταξύ των τμημάτων ελέγχου και των τμημάτων μεθοδολογίας. Σε ορισμένες όμως ερωτήσεις, στις οποίες αναμενόταν ότι η διδακτική παρέμβαση μπορεί να βοηθήσει τους μαθητές στις απαντήσεις τους, παρατηρήθηκαν διαφορές. Πιο συγκεκριμένα στην ερώτηση τη σχετική με τις ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις η επίδοση των μαθητών των τμημάτων μεθοδολογίας ήταν λίγο καλύτερη σε σχέση με τους μαθητές των τμήματων ελέγχου. Στις ερωτήσεις όμως που σχετίζονται με την ηλεκτραρνητικότητα και την πολικότητα δεσμού οι επιδόσεις των μαθητών των τμημάτων μεθοδολογίας ήταν πολύ καλύτερες.(2) Τη σχολική χρονιά 2012 -2013 πραγματοποιήθηκε έρευνα στο κεφάλαιο του χημικού δεσμού σε τρία επαρχιακά σχολεία (γενικά λύκεια) με μαθητές που φοιτούσαν στην Α΄ λυκείου. Τα τμήματα της Α΄ λυκείου, σε κάθε σχολείο που πραγματοποιήθηκε η έρευνα, χωρίστηκαν σε τμήματα ελέγχου και σε πειραματικά τμήματα. Στη συνέχεια αναλύθηκαν τα αποτελέσματα των απαντήσεων που έδωσαν 66 μαθητές των τμημάτων ελέγχου σε δύο μεταγνωστικές ερωτήσεις. Επίσης το ακαδημαϊκό έτος 2012-2013 το ίδιο τεστ δόθηκε και σε 73 πρωτοετείς φοιτητές δύο πανεπιστημιακών τμημάτων. Από τα αποτελέσματα των απαντήσεων, που έδωσαν οι μαθητές και οι φοιτητές στις δύο μεταγνωστικές ερωτήσεις, προέκυψε ότι τόσο οι μαθητές όσο και οι φοιτητές θεώρησαν τον ομοιοπολικό δεσμό δυσκολότερο από τον ιοντικό. Κανένας δεσμός δεν είναι δύσκολος απάντησε το 12,1% των μαθητών, ενώ το αντίστοιχο ποσοστό για τους φοιτητές ήταν 4,1%. Και οι δύο δεσμοί είναι εξίσου δύσκολοι απαντά το 4,5% των μαθητών και το 8,2% των φοιτητών. Οι λόγοι δυσκολίας που σχετίζονται με τον ομοιοπολικό δεσμό είναι περισσότεροι σε σχέση με τον ιοντικό τόσο στην περίπτωση των μαθητών όσο και στην περίπτωση των φοιτητών. Κατά τη μελέτη του κεφαλαίου του χημικού δεσμού, το 30,3% των μαθητών ανέφεραν δυσκολίες που σχετίζονται με συγκεκριμένες έννοιες και θέματα, το 42,4% των μαθητών ανέφεραν γενικές παρατηρήσεις σχετικά με τις δυσκολίες ή την έλλειψη δυσκολίας και μόνο το 3% των μαθητών αναφέρει δυσκολίες που αφορούν τη δομή του κεφαλαίου των χημικών δεσμών. Τα αντίστοιχα ποσοστά στις απαντήσεις των φοιτητών ήταν 43,8%, 19,2 % και 0%. Με βάση την ειδική ταξινόμηση σύμφωνα με τις τέσσερις κατηγορίες της μεταγνώσης του Flavell, οι περισσότερες απαντήσεις που δίνουν τόσο οι μαθητές όσο και οι φοιτητές ανήκουν στην κατηγορία της μεταγνωστικής γνώσης και ακολουθεί η κατηγορία της μεταγνωστικής εμπειρίας, ενώ λίγες απαντήσεις ταξινομήθηκαν στις κατηγορίες είτε έργα και στόχοι είτε στρατηγικές ή ενέργειες.(3) Το ακαδημαϊκό έτος 2016-2017, στην εξεταστική του Ιουνίου, στο πλαίσιο του μαθήματος επιλογής «Διδακτική Φυσικών Επιστημών», 15 πρωτοετείς φοιτητές χημείας απάντησαν σε μια ερώτηση σχετική με τις οπτικές αναπαραστάσεις χημικών δομών. Ειδικότερα, για την αναπαράσταση αυτή χρησιμοποιήθηκαν επιφάνειες ίσης ηλεκτρονιακής πυκνότητας/χάρτες ηλεκτροστατικού δυναμικού για χημικές δομές που προκύπτουν από ακριβείς κβαντομηχανικούς υπολογισμούς. Με βάση τις απαντήσεις των φοιτητών προέκυψε ότι οι συγκεκριμένες οπτικές αναπαραστάσεις (i) άφησαν γενικά θετικές εντυπώσεις στους φοιτητές σε σχέση με: ορισμένα χαρακτηριστικά, π.χ. το μέγεθος των ατόμων στα μόρια και η πολικότητα/πόλωση δεσμού, (ii) προσέλκυσαν το ενδιαφέρον τους και (iii) τους βοήθησαν να απομνημονεύσουν κάποια χαρακτηριστικά που σχετίζονται με τους χημικούς δεσμούς. Τέλος οι φοιτητές χαρακτήρισαν τις συγκεκριμένες οπτικές αναπαραστάσεις ως ένα χρήσιμο παιδαγωγικό εργαλείο και ότι είναι καλύτερες σε σχέση με άλλες οπτικές αναπαραστάσεις που είχαν συναντήσει