Czajnik elektryczny

Poprawna odpowiedź

1. Tak,

2. Nie.

Wymaganie ogólne

3 Wskazywanie w otaczającej rzeczywistości przykładów zjawisk opisywanych za pomocą poznanych praw i zależności fizycznych.

Wymaganie szczegółowe

4.10. Elektryczność. Uczeń posługuje się pojęciem pracy i mocy prądu elektrycznego
8.2. Wymagania przekrojowe. Uczeń wyodrębnia zjawisko z kontekstu, wskazuje czynniki istotne i nieistotne dla wyniku doświadczenia

Komentarz

Zadanie dotyczy fundamentalnego w fizyce pojęcia mocy i energii. Jego kontekst, zaczerpnięty z życia codziennego, sprawia, że zadanie nie ma charakteru abstrakcyjnego, lecz opisuje sytuację, która dotyczy każdego użytkownika urządzeń elektrycznych. 

Zadanie było sprawdzane w ramach badania Laboratorium Myślenia na grupie siedmiu tysięcy uczniów pierwszej klasy szkoły ponadgimnazjalnej. Poprawnie rozwiązało je 46,3% osób biorących udział w badaniu. Zadanie sprawdza rozumienie pojęcia mocy urządzenia elektrycznego w sytuacji, w której urządzenie to ma wykonać z góry zadaną pracę. W tym przypadku chodzi o zagotowanie tej samej ilości wody, a proces ten wymaga dostarczenia określonej ilości energii elektrycznej, która następnie spowoduje wzrost energii wewnętrznej wody.

Skoro w każdym z czajników chcemy zagotować dokładnie tę samą ilość wody, w obu musimy podnieść jej temperaturę od mniej więcej 20 do 100^oC. A więc niezależnie od tego, na który czajnik się zdecydujemy, musimy dostarczyć tę samą ilość energii. W czajniku o większej mocy znamionowej będziemy wobec tego podgrzewać wodę krócej, zgodnie z definicją pracy wykonanej przez urządzenie elektryczne:. W takim razie, kupując czajnik o mniejszej mocy, nie zaoszczędzimy na energii elektrycznej, ponieważ płacimy za wykorzystane kilowatogodziny.

Ocena poprawności pierwszego stwierdzenia okazała się łatwa – poprawną odpowiedź zaznaczyło 84,9% uczniów. Nawet w grupie uczniów osiągających najsłabsze wyniki z całości testu częściej wybierana była odpowiedź poprawna (67,7%). W grupie najlepszych uczniów odsetek prawidłowych odpowiedzi wyniósł aż  93,5%.  Z kolei drugie stwierdzenie stanowiło dla uczniów zupełną zagadkę. Poprawnej odpowiedzi udzieliło 47,5% badanych osób, a rozkład prawdopodobieństwa udzielenia tej odpowiedzi był bliski rozkładowi losowemu. Druga część zadania bardzo słabo różnicuje uczniów. Uzyskane wyniki wskazują na fakt, że edukacja szkolna w pewnych aspektach nadal przegrywa ze stereotypami lub błędną intuicją.

Wydawałoby się, że skoro uczeń ma świadomość, że większa moc czajnika oznacza szybsze gotowanie, to ma również (przynajmniej intuicyjnie poprawne) wyczucie pojęcia mocy. Idąc tokiem rozumowania prowadzącym do udzielenia poprawnej odpowiedzi w wierszu 1., uczeń powinien bez wysiłku stwierdzić, że czajnik o mniejszej mocy będzie musiał dłużej pracować, aby zagotować litr wody. W tym kontekście uznanie za poprawną odpowiedź stwierdzenia, że koszt takiego dłuższego gotowania może być mniejszy, jest zaskakujące.

Wykorzystując zadanie do pracy na lekcji, warto podkreślić, że niezależnie od mocy czajnika, energia potrzebna do zagotowania litra wody jest taka sama. Nawet jeśli uwzględnimy straty energii, to niewątpliwie będą one większe przy powolnym grzaniu niż przy szybkim, co prowadzi do odrzucenia stwierdzenia mówiącego o oszczędności kosztów poprzez gotowanie wody w czajniku o małej mocy. Należy również zwrócić uwagę na to, że opisana w zadaniu sytuacja nie jest tożsama z sytuacją, gdy mamy porównać koszty eksploatacji dwóch żarówek, przykładowo o mocy 20 W i 100 W. W tym przypadku używanie żarówki o mniejszej mocy rzeczywiście prowadzi do oszczędności energii.

Nauczyciel powinien mieć świadomość, że zautomatyzowane myślenie na poziomie skojarzeń stanowi w przypadku drugiego stwierdzenia silną konkurencję dla rozumowania analitycznego. Jest to bardzo niepokojące, ponieważ budzi obawy co do umiejętności pogłębionego spojrzenia uczniów na otaczającą ich rzeczywistość. Nawet wśród uczniów, którzy najlepiej poradzili sobie z rozwiązaniem całego testu, obserwujemy wyraźny problem z przeprowadzeniem odpowiedniego rozumowania, które bazowałoby na wykorzystaniu  związku między mocą i energią, prowadząc do poprawnego wyniku. W przypadku tego zadania bardzo silnie wpływa na jego rozwiązywalność odruchowe kojarzenie niskiej mocy urządzenia z małym zużyciem energii, które nie jest adekwatne do opisanej w zadaniu sytuacji.