מדע חישובי בינ-תחומי – פיזיקה כימית וביולוגית: מקצוע מורחב תוספתי לתלמידי מדעים בתיכון

צוות מוביל

חברי הפרויקט

חברי פרויקט בעבר

  • ד"ר חיים אדרי
  • לביא ביגמן
  • פנינה חג'ג'
  • ד"ר אהד כהן
  • ד"ר שלי לבנה
  • ד"ר אלון לנגבהיים
  • פרופ' רות צ'באי
  • אלכס ריבשטיין
  • ד"ר נאוה שולמן

אדמיניסטרציה:

תקציר

בעולם המדעי והטכנולוגי העכשווי קיים עניין גובר בנושאים בינתחומיים. בפרט, מודלים מפושטים המעוגנים במושגים ועקרונות פיזיקליים משמשים להסבר תופעות היווצרות מבנים במערכות רבות חלקיקים, אשר נמצאות בליבת המחקר בכימיה, ביולוגיה והנדסת חומרים. אולם, תוכנית הלימודים העל יסודית בפיזיקה עוסקת במערכות של 1-2 חלקיקים, ואינן מתמקדות בתהליך של פישוט תופעות מורכבות, ובמסגרת המושגית לניתוח תופעות במערכות מרובות חלקיקים.

מ"ח בינתחומי (מדע חישובי בינתחומי – פיזיקה כימית וביולוגית) פותח לענות לאתגרים אלה, בשיתוף פעולה בין המחלקה להוראת המדעים, המחלקה לפיזיקה כימית  וביולוגית, ומכון דוידסון לחינוך מדעי במכון ויצמן למדע.

מקצוע הבחירה "מ"ח בינתחומי-פיזיקה כימית וביולוגית"  נלמד שלוש שנים (כיתות י'-י"ב)  ומכוון לתלמידי תיכון במגמות מדעיות בעלי מסוגלות ועניין בלמידה בינתחומית מבוססת פרויקטים. המקצוע מתמקד בגישות חישוביות (דוגמת מודלים של דינמיקה מולקולרית ומהלך אקראי להתפתחות בזמן) ואנליטיות (דוגמת יסודות התרמודינמיקה הסטטיסטית לתאור התנהגות  המערכת במצבי שיווי משקל) לניתוח תופעות שהן במרכז העניין של מדע עכשווי בינתחומי: התארגנות עצמית ויצירת מבנים במערכות מרובות חלקיקים.

רצף ההוראה כולל מספר מאפיינים חדשניים, המסייעים להפחתת העומס הקוגניטיבי ולהתגברות על פערים בהמשגה של מכניקה סטטיסטית, המופיעים  בתוכניות מסורתיות ללימוד פיזיקה ברמת מבוא ופיזיקה תרמית:

  • מודלים דינמיים במערכות רבות חלקיקים, המבוססים על מכניקה ניוטונית, מקדימים מודלים סטטיסטיים. תהליך "גרעון גס" במרחב ובזמן מסייע להבהרת המעבר מהתנהגות דטרמיניסטית לסטוכסטית במערכות אלה.
  • ניתוח תופעת פיזור אנרגיה (מגע תרמי) מבוצע באנלוגיה לפיזור מרחבי של חלקיקים בדיפוזיה, בהתבסס על אנטרופיה והחוק השני של התרמודימיקה.
  • סידור מחדש של רצף הלימוד במכניקה סטטיסטית מפריד בין אנרגיה קינטית ופוטנציאלית, בהתאם לחוסר התלות ביניהן במערכות רבות חלקיקים. אנרגיה קינטית נידונה בהקשר למגע תרמי, בעוד אנרגיה פוטנציאלית מוצגת לאחר מכן בהקשר ליצירת מבנים, עבור חלקיקים עם אינטראקציה בעלת טווח סופי.

הפיתוח מבוסס המחקר של מ"ח בינתחומי התבסס על תכנית חלוץ בשם חומר רך. הוא נערך במסגרת המושגית של MER (Educational Reconstruction), הכולל שלושה ממדים איטרטיביים:

  1. אנליזה של מבנה הדעת: הבהרת התוכן המדעי המתאים לתלמידי תיכון, בחירת הרעיונות המרכזיים וארגונם למבנה דעת קוהרנטי.
  2. עיצוב ההוראה: כולל יישום עקרונות פדגוגיים לתכנון סביבת הלמידה, תוך התחשבות באילוצי הטמעת התוכנית.
  3. מחקר אמפירי: כולל חקר תפיסות התלמידים, פרקטיקות, הישגים ותהליכי למידה בהקשר התוכנית.

מימדי ה MER יושמו ב 3 מחזורי פיתוח עוקבים, בהם כל מחזור הותאם ושופר על פי ממצאי המחקר האמפירי של מחזורי הטמעה קודמים. מחזור הפיתוח הראשון התבסס על ממצאי המחקר בתכנית חלוץ בשם "חומר רך ומבולגן".

המחקר אודות תפיסות והבנת התלמידים בנוגע לידע התוכן של מכניקה סטטיסטית, וכן בנוגע לפרקטיקות מידול, כלל את העבודות הבאות:

  1. חקירת תפיסות התלמידים בנוגע לפרקטיקות מידול; כיצד הם מבחינים בין עקרונות מדעיים, ההליך החישובי והמשגות אפיסטמיות (לדוגמא, הנחות פישוט) בהקשר של מערכות בנות שני חלקיקים ורבות חלקיקים (תזה, חיים אדרי, מנחים: פרופ' עידית ירושלמי, פרופ' בת-שבע אלון).
  2. חקר הבנת התלמידים את מושגי ועקרונות המכניקה הסטטיסטית בהקשר פיזור מרחבי, וכן העדפת התלמידים את המסגרת הסטטיסטית לעומת הדינמית (תזה, אריאל שטיינר, מנחים: פרופ' עידית ירושלמי, פרופ' שמואל שפרן)
  3. חקירת השליפה והשימוש שעושים תלמידים במרכיבי ידע של מכניקה סטטיסטית, כמו גם מידת הקוהרנטיות של ארגון הידע שלהם, דפוסי טיעון אלטרנטיביים, והעדפה של מידול דינמי לעומת סטטיסטי. המחקר בוצע בהקשר של תופעות פיזור אנרגיה (מגע תרמי) ויצירת מבנים (ספיחה) (תזה, אריאל אברשקין, מנחים: פרופ' עידית ירושלמי, פרופ' שמואל שפרן).

לקריאה נוספת:

·      Abrashkin A. (2021). Statistical thermodynamics – Research-Based Development of a Curricular Unit in an Interdisciplinary Computational Science Program. (Unpublished doctoral dissertation). Rehovot, Israel: The Weizmann Institute of Science

·   Langbeheim, E., Abrashkin, A., Steiner, A., Edri, H., Safran, S., & Yerushalmi, E. (2020). Shifting the learning gears: redesigning a project-based course on soft matter through the perspective of constructionism. Phys Rev – PER, 16(2), 020147.

·   Langbeheim, E. (2020). Simulating the Effects of Excluded-Volume Interactions in Polymer Solutions. Journal of Chemical Education, 97(6), 1613-1619.‏ https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.0c00003

·       Edri H. (2019). Bringing Simplification Assumptions to the Forefront in Chemical and Biological Physics: Research-Based Development of an Introductory Computational Science Curriculum. (Unpublished doctoral dissertation). Rehovot, Israel: The Weizmann Institute of Science.

·       Steiner A. (2019). Research based design of an instroctural unit Statistical mechanics – model of the diffusion phenomenon. (Unpublished doctoral dissertation). Rehovot, Israel: The Weizmann Institute of Science.

·   Langbeheim, E., Edri, H., Schulmann, N., Safran, S., & Yerushalmi, E. (2019). Extending the Boundaries of High-School Physics: Introducing Computational Modeling of Complex Systems. In Sunal C. S., Sunal D. W., Harrell J. W. & Shemwell J. T. (Eds.). Physics Teaching and Learning. (pp. 111-134) Charlotte, NY.

·   Langbeheim, E., Safran, S. A. & Yerushalmi, E. (2016). Engagement in theoretical modelling in research apprenticeships for capable high school students. In Taber, K. S., & Sumida, M. (Eds.). International Perspectives on Science Education for the Gifted: Key issues and challenges. (pp. 61-74). Routledge.

·   Langbeheim, E., Safran, S. A., & Yerushalmi, E. (2014), Visualizing the Entropy Change of a Thermal Reservoir, J. Chem. Educ., 91 (3), pp 380–385; DOI: 10.1021/ed400180w

·   Yerushalmi, E., (2013), Editorial: The challenge of teaching soft matter at the introductory level, Soft matter, 9, (pp 5316-5318), RSC publication, DOI: 10.1039/C3SM90028B

·   Langbeheim, E., Livne, S., Safran, S. A., & Yerushalmi, E., (2013), Evolution in students' understanding of thermal physics with increasing complexity, Phys Rev – ST PER ,9, 020117, DOI:10.1103/PhysRevSTPER.9.020117.

·   Langbeheim, E., Livne, S., Safran, S. A., & Yerushalmi, E. (2012) Introductory physics going soft, Am. J. Phys. 80, 51-60, doi:10.1119/1.3647995.

לנגבהיים א. ליבנה ש. שפרן ש. ירושלמי ע. מגן א. (2012), התארגנות עצמית בחומרים רכים,  על-כימיה

ליצירת קשר