الخواص الفيزيائية للمادة

الخواص الفيزيائية للمادة

تتميّز الموادّ بواسطة صفات مختلفة يمكن فحصها وقياسها بواسطة فحوص وأجهزة ملائمة؛ تتميّز المادّة بواسطة صفاتها، كالكثافة والتوصيل الكهربائي والتوصيل الحراري وصفات ميكانيكية (كالصلابة، إمكانية التسطيح) والمغناطيسية ودرجة حرارة الانصهار والغليان. يُعرَّف "الجسم"، في هذا الإطار، على أنّه جسم ما مصنوع من مادّة/ موادّ. أي كمّية محدَّدة من المادّة تتميّز بكتلة وحجم (يمكن قياسهما) وبشكل (هندسي أو غير هندسي). في درجة حرارة الغرفة (^o25 درجة مئوية) تتواجد الموادّ في حالات المادّة الصلبة أو السائلة أو الغازية. جزء من الموادّ يمكنها أن تنتقل من حالة معيّنة إلى حالة أخرى دون تغيّر في تركيبها الكيميائي، في عمليات تغيير كالصَّهر والغلي والتجميد والتبخير والتكثيف والتسامي. يحدث التغيير من حالة إلى أخرى في عمليتَي التبريد والتسخين أو في أعقاب تغيير الضغط. خلال التغيير في حالة المادّة تبقى درجة الحرارة ثابتة. عندما تكون المجموعة مغلقة، تبقى الكتلة ثابتة خلال التغيير. لاحظوا أنّ الكثير من الموادّ التي حولنا هي خليط من عدّة موادّ، لذلك لا يمكنها التواجد في أكثر من حالة واحدة؛ على سبيل المثال، الورق لا يمكنه أن يكون في حالة سائلة أو غازية، فهو يحترق في التسخين أي أنّه يغيّر تركيبه الكيميائي. معرفة صفات الموادّ هي ضرورية عندما يخطّطون إنتاج وتصميم منتَج معيّن. في عملية التخطيط تُتّخذ قرارات بشأن الموادّ التي يُركَّب منها المنتَج وفقًا لصفاتها وغايات استعمال المنتَج.

المهارات

في إطار تدريس العلوم والتكنولوجيا في المدرسة الإعدادية، نتناول إكساب المهارات والتمرّن عليها وتطبيقها. مضامين وحدة تخطيط التعليم- التعلّم- التقييم هذه تضع أمام الطلاّب أحداثًا تعلّمية (مثلاً، مشاهدات وتجارب في المختبر) عليهم العمل فيها حسب إرشادات، واستعمال أجهزة قياس، وإجراء مشاهدات وقياسات، وتسجيلها وتقديم تقرير عنها. على الطلاّب تنظيم وعرض المعلومات التي تمّ جمعها وإجراء مقارنات وملاءمة صفة المادّة لاستعمالها وبناء حجاج ملائم.

من بين المهارات الواردة أعلاه، تمّ اختيار عدد من المهارات المركزية التي نقترح إكسابها للطلاّب بصورة واضحة وواعية من خلال استعمال هذه الوحدة. يتطرّق جزء من المهارات إلى أعمال يطبّقها الطالب على بنود معرفة قائمة (مثلاً، قراءة معطيات أو نصوص والاستماع لمحاضرة)، وجزء آخر يتطرّق إلى أعمال يُنتِج فيها الطالب بنود معرفة (مثلاً، كتابة نصّ، عرض معلومات بواسطة جدول أو رسم بياني وعرض معلومات بصورة شفهية). وفقًا لذلك، ستتضمّن هذه الوحدة تطرّقًا إلى قراءة الجداول البسيطة وبنائها.

- إجراء تصنيف ومقارنة وملاءمة

التصنيف معدّ للتقسيم حسب معيار متّفق عليه مسبقًا. المقارنة هي إستراتيجية تفكير يشخّصون فيها التشابه والاختلاف بين الموادّ المختلفة، هذا بغرض إتاحة الفرصة لفهم أفضل لصفات الموادّ، الصفات المشتركة والصفات المميّزة. تُستعمل المقارنة للتصنيف وللتقسيم ولتعميم وتخصيص مصطلحات جديدة وتمكّن تنظيمًا للمعلومات وإيجاد العلاقات بين المركّبات المختلفة. يُقصد بمصطلح الملاءمة الملاءمة بين الموضوع وغايته أو بين الموضوع ومميّزاته أو أهدافه. في هذه الوحدة يُطلب من الطلاّب ملاءمة المادّة لاستعمالها أو المادّة لصفاتها كما يُطلب منهم الملاءمة بين المصطلح ودلالته/ تعريفه. في مهارة المقارنة هناك استعمال لمعايير/ مقاييس ملائمة للمقارنة، تتيح المعايير/ المقاييس للطالب تنظيم المعلومات وتصنيفها وملاءمتها واستنتاج استنتاجات وخلق تعميمات.

- عرض المعلومات وَ/ أو المعرفة

عرض المعرفة التي بناها الطلاّب يمكن أن يتمّ بطرق متنوّعة. المعلومات التي يجمعها الطلاّب وينظّمونها أو المعرفة التي يعدّونها ويبنونها يمكن أن تنعكس بطرق عرض مختلفة.

سوف نركّز في هذه الوحدة على عرض المعرفة بواسطة الجدول. في هذه الوحدة نقترح التركيز في أنواع الجداول التالية: جدول تصنيف، جدول مقارنة، جدول ملاءمة. الجداول الأكثر تعقيدًا سيتمّ الحديث عنها في الوحدات المقبلة. من خلال تنظيم المعلومات التي يجمعها الطلاّب في جدول، يمكن إجراء مقارنة وإبراز نقاط الشبه والاختلاف القائمة بين الموادّ التي تتطرّق إليها المعلومات في هذه الوحدة.

من أجل أن يفعّل الطلاّب هذه المهارة، يتوجّب عليهم التعرّف على جداول مختلفة ومعرفة قراءة الجدول وبناء جدول بسيط وفهم/ تقييم الأفضليات والسلبيات المنوطة بهذا النوع من العرض وإدراك أنّه عندما يُطلب منهم إجراء مقارنة (مثلاً، بين صفات الموادّ أو بين موادّ مختلفة) يجدر بهم اختيار العرض بواسطة الجدول.

- تشخيص الحجاج وبناؤه

الحجاج بمستوى تشخيص مركِّبَي الحجاج وبناء حجاج بسيط.

الحجاج هو ادّعاء معلَّل. على الطلاّب التعرّف على مبنى الحجاج وتشخيص مركِّبَيْه- الادّعاء والتعليل. على الطلاّب معرفة صياغة ادّعاء وتقديم تعليل من نوع "دليل"، على سبيل المثال في الحجاج التالي: "أقترح عدم مسك ملعقة معدنية باليد لخلط الحساء المغلي، لأنّ الملعقة تسخن جدًّا وتسبّب حروقًا في كفّ اليد"، أو تعليل من نوع "تفسير"، على سبيل المثال في الحجاج التالي: " أقترح عدم استعمال ملعقة معدنية لخلط الحساء المغلي، لأنّني أعلم أنّ المعادن موصِلة جيّدة للحرارة ونتيجة لذلك يمكن أن نحترق". في هذه المرحلة من تعلّمهم يُطلب من الطلاّب في الأساس تعليل بالمستوى التجريبي (الأدلّة). لاحقًا ستعتمد التعليلات أيضًا على معلومات علمية حقيقية أو حتّى في مستوى النموذج والنظرية (مثلاً- النموذج الجسيمي).

موضوع "الموادّ- صفاتها واستعمالاتها" مقسّم إلى ثلاثة مواضيع فرعية:

الموضوع "المواد – صفاتها واستعمالاتها" مقسم الى ثلاثة مواضع فرعية:

1.      صفات الموادّ

2.      الكتلة والحجم والكثافة

3.      حالات المادّة والانتقالات بينها

تُعرض في كلّ موضوع فرعي المركّبات التالية:

·            خلفية علمية

·            اقتراحات للتدريس وفيها:

-            وصف عملية التعليم، الذي يعرض اقتراحًا لتسلسل تعليم الموضوع الفرعي إلى جانب توجيه إلى فعاليات مفتاحية لتحقيق أهداف التعليم، وكذلك عرض طرق لدمج المهارات في المضامين.

-            الصعوبات المتوقّعة في هذا الموضوع الفرعي.

-            جدول تخطيط التعليم- التعلّم- التقييم الذي يعرض اقتراحات لتسلسلات التعليم وتوجيهات إلى موادّ تعليمية قائمة وإلى مهمّات تقييمية من المجمّع.

خلفية علمية

تتميّز المادّة بمجمل صفاتها. تتناول هذه الوحدة في الأساس الصفات الفيزيائية وتتطرّق إلى الظواهر المختلفة في المستوى العياني (الماكرو).

فيما يلي عدّة أمثلة لصفات الموادّ:

حالة المادّة- صفة للمادّة تصف طريقة تراكم الجسيمات المبنية منها. يتعلّم الطلاّب في هذه المرحلة تشخيص وتمييز حالات المادّة الثلاث (الصلبة والسائلة والغازية) والانتقالات بينها في المستوى العياني(الماكرو).

الكثافة (الكتلة النوعية) للمادّة تعرّفنا على كمّية المادّة (الكتلة) الموجودة في حجم معطى (الكثافة= الكتلة/ الحجم). المادّة "الثقيلة"* هي مادّة كثافتها عالية والمادّة "الخفيفة"* هي مادّة كثافتها منخفضة. سنتناول هذه الصفة بتوسّع في الموضوع الفرعي الثاني الذي يتناول الكتلة والحجم أيضًا.

البصرية- الصفات البصرية للمادّة تصف ردّ فعل المادّة على الضوء الساقط عليها (نفاذية وانعكاس وانكسار وما شابه). مثلاً، الشفافية هي صفة تصف قدرة المادّة على إتاحة مرور الشعاعات الضوئية عبرها.

التوصيل الكهربائي- صفة تصف قدرة المادّة على تمرير تيّار كهربائي عبرها. هناك درجات متفاوتة للتوصيل الكهربائي. في أحد طرفَي المحور المتّصل للدرجات المتفاوتة للتوصيل الكهربائي، يمكن إيجاد موادّ موصِلة جيّدة وتسمّى "موصِلة (كعناصر فلزّية معيّنة) وفي الطرف الثاني موادّ توصيلها قابل للإهمال وتسمّى "عازلة" (كالخشب والبلاستيك البسيط والكلكر).

التوصيل الحراري- صفة تصف مدى نقل الحرارة بواسطة المادّة.

صفات ميكانيكية- صفات تصف ردّ فعل (تصرّف) المادّة في أعقاب تأثير قوى خارجية عليها، مثلاً: القوّة- صفة تصف صمود المادّة أمام قوى الشدّ وَ/ أو الضغط وَ/ أو الانهيار؛ المرونة- صفة تصف قدرة المادّة التي تؤثّر عليها قوّة على العودة إلى حالتها الأوّلية بعد توقّف التأثير بالقوّة عليها؛ اللدانة- قدرة المادّة على تغيير شكلها نتيجة التأثير بقوّة عليها. عند توقّف التأثير بالقوّة لا تعود المادّة إلى شكلها السابق وتبقى بشكلها الجديد؛ الصلابة- قدرة المادّة على الصمود أمام الغرز والخدش وتغيير الشكل.

الذائبية- صفة للمادّة تصف قدرتها على أن تكون مُذابة في مادّة أخرى (المذيبة)، بحيث يتكوّن محلول (خليط متجانس). يتعلّم الطلاّب في هذه المرحلة  صفة الذائبية في المستوى العياني (الماكرو)، وفي وحدة التعليم- التعلّم- التقييم التي سيتمّ تطويرها للصفّ الثامن سيتعلّمون هذه الصفة بتوسّع وبالمستوى الدقيق.

قابلية الاشتعال- صفة للموادّ تتعلّق بقدرتها على الاشتعال بوجود الأوكسجين.

*ملاحظة بالنسبة لنَسْب صفة "ثقيلة" أو "خفيفة" للمادّة- القصد هو الكتلة النوعية (الكثافة) للمادّة، أي صفة نسبية تنبع من المقارنة بين مادّتين حجمهما متطابق لكنّ كتلتهما مختلفة.

صفات الغازات التي تركّب الهواء

الهواء هو خليط من الغازات. يحتوي هواء الغرفة على حوالي %78 من غاز النيتروجين، وعلى حوالي %21 من غاز الأوكسجين، وعلى حوالي %0.03 من غاز ثاني أكسيد الكربون، وما تبقّى غازات مختلفة أخرى (كالهيدروجين والأرجون) التي تشكّل أقلّ من واحد بالمئة.

 الأوكسجين هو أحد مركِّبات الهواء. في درجة حرارة الغرفة الأوكسجين هو غاز عديم اللون والرائحة ويساعد على الاشتعال وحيوي للتنفّس. ثاني أكسيد الكربون هو أيضًا غاز (في درجة حرارة الغرفة) عديم اللون والرائحة، وهو مادّة تطفئ الاشتعال وأثقل من الهواء وتنطلق في التنفّس (وتسبّب ضررًا إذا لم تنطلق وتتراكم في الجسم). الهيدروجين هو غاز عديم اللون والرائحة وأخفّ من الهواء وقابل للانفجار. تُحدَّد استعمالات هذه الغازات بمدى كبير وفقًا لصفاتها.

استغلال المعرفة حول صفات الموادّ لاحتياجات الإنسان

تتيح المعلومات التي تتعلّق بصفات الموادّ ملاءمة المادّة للمنتَج الذي نعنى بإنتاجه. على سبيل المثال، لإنتاج نظّارات شمسية ينبغي استغلال المعلومات التي تتعلّق بالصفات البصرية للمادّة التي تُصنع منها العدسات. استغلال المعلومات التي تتعلّق بصفات الموادّ يمكن أن ينعكس في الأعمال اليومية، مثلاً، علمنا بأنّ الأوكسجين الذي في الهواء حيوي للتنفّس، يؤدّي بالغوّاصين إلى التزوّد بوعاء أوكسجين في أعماق البحر، في عملية تحضير القهوة يتمّ استغلال المعلومات التي تتعلّق بذائبية السكّر في الماء في درجات حرارة مختلفة، ولخلط الحساء الساخن يستعمل الإنسان العاقل ملعقة مصنوعة من الخشب كي تعزل الحرارة.

وصف عملية التعليم

الاعتبارات: اختيار هذا الموضوع الفرعي كفاتحة لوحدة التعليم- التعلّم- التقييم، "الموادّ- صفاتها واستعمالاتها" ينبع من التطرّق إلى معلومات الطلاّب السابقة حول صفات الموادّ واستعمالاتها في الحياة اليومية ومن تعلّمهم لموضوع العلوم والتكنولوجيا في المدرسة الابتدائية.

في هذا القسم نقترح إطلاع الطلاّب على صفات كثيرة قدر الإمكان. لذلك، نوصي بعدد من التجارب القصيرة التي يقارن الطلاّب من خلالها بين صفات الموادّ المختلفة. على سبيل المثال، نعرض للطلاّب أجسامًا متطابقة مصنوعة من موادّ مختلفة (الحديد والنحاس والخشب والبلاستيك والزجاج)، وعليهم التطرّق في كلّ مرّة إلى صفة معيّنة والمقارنة بين الأجسام المختلفة من ناحية هذه الصفة. مثلاً، مقارنة التوصيل الكهربائي للأجسام المختلفة. في هذ القسم يفحص الطلاّب صفات السوائل المختلفة أيضًا مثلاً، ويكون عليهم مقارنة مدى شفافية السوائل المختلفة أو مدى لزوجتها (مقارنة بين الزيت والعسل والماء). نوصي بالتطرّق إلى سوائل عديمة اللون والتي ليست ماءً والتشديد على صفاتها المختلفة، مثلاً، الأستون (الذي رائحته شديدة ومتطاير وقابل للاشتعال)، الإيثانول (الذي رائحته شديدة وقابل للاشتعال) سواء في النقاش في الصفّ وسواء في إعطاء أمثلة وفي تجارب الطالب. هذا هو المكان أيضًا لتمييز الغازات كالأوكسجين وثاني أكسيد الكربون والهيدروجين. يمكن مثلاً مقارنة مدى اشتعالها وكثافتها. هذا أيضًا المكان للعمل على مهارة التصنيف واستعمال الجداول وعروض بصرية أخرى (كشجرة التصنيف) لعرضها. يستدعي تمييز ومقارنة صفات الموادّ حوارًا حول أفضليات عرض المعلومات ونتائج التجارب المختلفة في جدول. بعد التعرّف على صفات الموادّ، يميّز الطلاّب الموادّ المختلفة بواسطة مجمل صفاتها التي نعرفها (اللون والتوصيل الكهربائي/ الحراري والمرونة والشفافية وغيرها).

من المهمّ في هذه المرحلة إجراء نقاش حول أهمّية المعلومات التي تتعلّق بصفات الموادّ. نوصي بإحضار أغراض مختلفة إلى الصفّ (نظّارات، كؤوس، سكاكين، حقائب مصنوعة من موادّ مختلفة) والتحدّث عن الموادّ التي صُنعت منها هذه الأغراض والاعتبارات التي كانت للمنتِج في اختيار هذه الموادّ لبنائها.

نقترح في هذا القسم التمرّن في الصفّ على بناء حجاج في اختيار الموادّ لإنتاج المنتَجات. نوصي باستعمال نموذج التعليم الادّعاء في العلم في موضوع الموادّ وصفاتها.

يمكن لعب "لعبة العبث"- ماذا يحدث لو صنعنا بطانيّة من الكرتون، نظّارات نظر من الورق، حقيبة من السكّر، طنجرة من البلاستيك، أو كتابًا من الحديد؟

   

صعوبات مميّزة من أبحاث في تعليم العلوم

1.     يجد الطلاّب من المدرسة الابتدائية وحتّى الإعدادية صعوبة في شرح ما هي المادّة وتصنيف الأجسام وتحديد إذا كانت بالفعل موادّ. اتّضح أنّ إدراك الأطفال صغيري السنّ لمصطاح المادّة لا يشمل جميع الموادّ، وهناك أطفال يشملون في مصطلح المادّة أيضًا أشياء أخرى ليست "موادّ". على سبيل المثال، كثير من الطلاّب لا يعتقدون أنّ اللحم أو الدم أو الغاز هي موادّ، ومن جهة أخرى هناك طلاّب ينظرون إلى "الظلّ" على أنّه مادّة.

2.     التفريق بين مصطلح المادّة ومصطلح الجسم: حقيقة كون الأجسام مصنوعة من موادّ تصعّب على الطلاّب التفريق بين المصطلحين. فهم المصطلحين مادّة وجسم يتطوّر بالتوازي لدى الأطفال.

3.     وُجد أنّ الطلاّب يطوّرون "نموذجًا أصليًا" للموادّ المختلفة. فيما يلي أمثلة لإدراكات خاطئة شائعة:

·      جميع السوائل الشفّافة وعديمة اللون هي ماء.

·      جميع الغازات هي هواء.

·      جميع المعادن هي حديد.

·      جميع الموادّ البلاستيكية الشفّافة هي نايلون.

·      كلّ مسحوق هو سائل.

·      الموادّ اللزجة أو السوائل الملوّنة ليست سوائل.

4.     الكثير من أبناء 13-15 يعتقدون أنّ الغاز عديم الكتلة.

توصيات لمواجهة الصعوبات

1.     يتمّ التفريق بين الجسم والمادّة بواسطة التفريق بين الصفات التي تُحفَظ في المادّة حتّى بعد كسرها، مثل: الكثافة، حالة المادّة، درجة الحرارة، النشاط الكيميائي. وصفات تتغيّر بعد كسر الجسم، مثل: الكتلة، الحجم، الشكل.

2.     التطرّق إلى أخطاء الطلاّب والإثبات بواسطة التجارب أنّ:

-   ليس كلّ سائل شفّاف هو ماء.

-        الهواء هو مادّة تحتلّ حيّزًا ولها كتلة.

-        المساحيق هي أيضًا موادّ صلبة.

3.     التحدّث مع الطلاّب عن المواضيع بطريقة "النقاش الموجّه المفتوح" الذي يتطرّق فيه الطلاّب إلى الظواهر من خلال عرض حجاج ملائم.

يعرض الجدول التالي اقتراحات لتسلسل التعليم/ التعلّم/ التقييم للموضوع الفرعي صفات الموادّ. يشمل الجدول تطرّقًا إلى المصطلحات والأفكار المركزية ترافقها فعاليات مفتاحية (تجارب موصى بها، محاكاة للواقع، مشاكل، جولات، أفلام)، وتوجيهًا إلى الكتب التعليمية في العلوم والتكنولوجيا للمدارس الإعدادية (الوحدات التعليمية، مواقع في الإنترنت وغير ذلك) وتوجيهًا إلى مهمّات التقييم.

المواضيع	مجال الساعات الموصى به	مصطلحات وأفكار	مهارات	فعاليات مفتاحية	توجيه إلى مهمّات التقييم
صفات الموادّ	4-8	- صفات الموادّ- تتميّز المادّة بمجمل صفاتها. التفريق بين الجسم والمادّة صفات ومميّزات الغازات التي تركّب الهواء  - هناك علاقة بين صفات الموادّ واستعمالاتها	مشاهدات قياسات تصنيف ومقارنة عرض المعلومات في جدول حجاج	تجربة: فحص صفات عدّة موادّ: ألومونيوم، نحاس، بلاستيك، زجاج، رصاص، مطّاط، بلاستلينا، خشب، حديد، مغنيسيوم، كلكر، غاز الطبخ، ثاني أكسيد الكربون. إجمال وعرض المشاهدات والنتائج في جدول. "خلط الزيت والماء ومحلول السكّر المركّز" تجربة: فحص صفات الغازات: الأوكسجين: زيادة اشتعال عود. ثاني أكسيد الكربون: مياه كلس صافية، "مغارة الكلاب"، إطفاء عود مشتعل الهيدروجين: تجسيد التجارب التي لم يُصادق على إجرائها حجاج في سياق اختيار الموادّ لبناء المنتَجات توسّع: طفو أجسام على سطح الماء نوصي بتعليم هذه الصفة بعد فهم المصطلح كثافة، أي بعد تعليم تعليم الفصل عن الكتلة والحجم.	1,2,3,8, 11,12, 17,18,19, 22,27 4,5,6 7,10,13 14,15,16 20,23,24 25,26