DOI: https://doi.org/10.3389/feduc.2026.1737386
تاريخ النشر: 2026-03-09
المؤلف: Claudia Vergara وآخرون
الموضوع الرئيسي: تعليم العلوم وطرق التدريس
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة النماذج الذهنية التي يبنيها طلاب المدارس الابتدائية والمتوسطة في تشيلي بشأن الطبقات الداخلية للأرض، وخاصة في سياق تصوراتهم المسبقة حول الظواهر الجيولوجية مثل الزلازل والبراكين. من خلال تحليل 785 رسمة طلابية من ست مدارس، طور الباحثون مقياسًا موثوقًا لتقييم تمثيلات طبقات الأرض وموقع الصهارة. تكشف النتائج أن معظم الطلاب صوروا طبقات متحدة المركز دون تمييز سمكها أو تسميتها، حيث أظهر طلاب الصفين الخامس والحادي عشر فهمًا أفضل قليلاً للهياكل الداخلية. ومن الجدير بالذكر أن العديد من الطلاب وضعوا الصهارة بشكل غير صحيح في قلب الأرض.
تعترف الدراسة بعدة قيود، بما في ذلك طبيعتها شبه الطولية وغياب المقابلات عبر جميع المستويات التعليمية، مما قد يؤثر على موثوقية الاستنتاجات المستخلصة من رسومات الطلاب الأكبر سنًا. تقترح أن نهج تغيير المفاهيم القائم على النماذج يمكن أن يعزز فهم الطلاب لهيكل الأرض، خاصة فيما يتعلق بموقع الصهارة. يوصي المؤلفون بإجراء أبحاث مستقبلية تشمل دراسات طولية حقيقية وتدخلات تعالج التصورات المسبقة المحددة، بالإضافة إلى التحقيقات حول كيفية تعليم معلمي العلوم لهذه المفاهيم بفعالية. بشكل عام، على الرغم من العيش في منطقة نشطة جيولوجيًا، تتماشى التمثيلات الذهنية للطلاب التشيليين مع النتائج الدولية، مما يشير إلى الحاجة إلى تحسين الاستراتيجيات التربوية لتعزيز فهم أعمق لديناميات الأرض.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى أن طلاب الصف الحادي عشر يظهرون أعلى مستوى من الكفاءة في تصوير طبقات الأرض بدقة، حيث أنتج 31% نماذج علمية دقيقة. تحتوي هذه النماذج على طبقات متحدة المركز ضمن هيكل كروي، مع تحديد صحيح للنواة (الداخلية والخارجية)، الوشاح، والقشرة، وتعكس تناسب الطبقات وفقًا لكثافتها، لا سيما مع قشرة أرق مقارنة بالوشاح. بالمقابل، تنخفض نسبة النماذج الدقيقة بشكل كبير في الصفوف الأدنى، حيث حقق حوالي 10% فقط من طلاب الصف الخامس والسادس والسابع دقة مماثلة، و2.3% فقط في الصف الرابع. أكدت اختبار كروسكال-واليس هذه النتائج، كاشفة عن اختلافات كبيرة في تعقيد الرسومات عبر الصفوف [H(4) = 22.63، p < 0.001]، مع تسليط الضوء بشكل خاص على انخفاض تعقيد الصف الرابع مقارنة بالصفوف الأعلى. بالإضافة إلى ذلك، يُظهر تحليل رسومات النماذج الذهنية بشأن مواقع الصهارة اتجاهًا متسقًا عبر جميع مستويات الصفوف، حيث يضع الطلاب بشكل أساسي الصهارة في قلب أو مركز الأرض. ومع ذلك، يميل طلاب الصف الرابع إلى إنتاج نماذج ذهنية أبسط مقارنة بأقرانهم الأكبر سنًا، كما هو موضح في المقياس المرافق (الجدول 2). وهذا يشير إلى تقدم تطوري في فهم هيكل الأرض والعمليات مع تقدم الطلاب عبر الصفوف.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم فهم الطلاب التشيليين لداخل الأرض من الصف الرابع إلى الصف الحادي عشر من خلال الرسومات والتفسيرات، مما يكشف عن مستوى عام منخفض من الفهم يتماشى مع النتائج من سياقات دولية متنوعة. تألفت العينة من 785 طالبًا من مدارس خاصة مدعومة من الدولة، وتم جمع البيانات باستخدام استبيان موثوق يتضمن مهام رسم ومقابلات. حدد التحليل سبعة نماذج ذهنية بشأن طبقات الأرض وأربعة بشأن موقع الصهارة، مع وجود ارتباط كبير بين تعقيد هذه النماذج. ومن الجدير بالذكر أن العديد من الطلاب أظهروا مفاهيم بديلة، مثل وضع الصهارة في مركز الأرض أو دمج عناصر سطحية في رسوماتهم، مما يشير إلى الاعتماد على تشبيهات يومية بدلاً من الفهم العلمي.
تشير النتائج إلى مسار تطوري في نماذج الطلاب الذهنية، حيث تتطور الآراء البسيطة الأولية إلى فهم أكثر تعقيدًا مع تقدمهم عبر الصفوف. ومع ذلك، استمرت المفاهيم الخاطئة، خاصة فيما يتعلق بموقع الصهارة، حتى بين الطلاب الأكبر سنًا. تؤكد الدراسة على فائدة الرسومات كأداة معرفية لاستكشاف نماذج الطلاب الذهنية وأصول مفاهيمهم الخاطئة. تدعو إلى استخدام أساليب تعليمية قائمة على النماذج ومناقشات حول السياق التاريخي لتعزيز فهم هيكل الأرض. تشمل القيود الطبيعة شبه الطولية للدراسة وغياب المقابلات عبر جميع الصفوف، مما يشير إلى الحاجة إلى مزيد من الأبحاث الطولية واستراتيجيات تربوية لمعالجة المفاهيم الخاطئة المحددة بفعالية.
DOI: https://doi.org/10.3389/feduc.2026.1737386
Publication Date: 2026-03-09
Author(s): Claudia Vergara et al.
Primary Topic: Science Education and Pedagogy
Overview
This study investigates the mental models that Chilean primary and middle school students construct regarding the Earth’s internal layers, particularly in the context of their preconceptions about geological phenomena such as earthquakes and volcanoes. Analyzing 785 student drawings from six schools, the researchers developed a validated rubric to assess the representations of the Earth’s layers and the placement of magma. The findings reveal that most students depicted concentric layers without distinguishing their thickness or naming them, with fifth and eleventh graders showing a slightly better understanding of internal structures. Notably, many students incorrectly positioned magma at the Earth’s core.
The study acknowledges several limitations, including its pseudo-longitudinal nature and the absence of interviews across all educational levels, which may affect the reliability of the conclusions drawn from older students’ drawings. It suggests that a model-based conceptual change approach could enhance students’ understanding of Earth’s structure, particularly regarding magma’s location. The authors recommend future research to include true longitudinal studies and interventions that address identified preconceptions, as well as investigations into how science teachers can effectively teach these concepts. Overall, despite living in a geologically active region, the mental representations of the Chilean students align with international findings, indicating a need for improved pedagogical strategies to foster a deeper understanding of Earth’s dynamics.
Results
The results of the study indicate that eleventh-grade students exhibit the highest proficiency in accurately depicting the Earth’s layers, with 31% producing scientifically accurate models. These models feature concentric layers within a spherical structure, correctly identifying the core (inner and outer), mantle, and crust, and reflecting the proportionality of the layers according to their density, notably with a thinner crust compared to the mantle. In contrast, the percentage of accurate models significantly decreases in lower grades, with only about 10% of fifth, sixth, and seventh graders achieving similar accuracy, and a mere 2.3% in fourth grade. The Kruskal-Wallis test confirmed these findings, revealing significant differences in drawing sophistication across grades [H(4) = 22.63, p < 0.001], particularly highlighting the fourth grade's lower sophistication compared to higher grades. Additionally, the analysis of mental model drawings regarding magma locations shows a consistent trend across all grade levels, with students predominantly placing magma in the core or center of the Earth. However, fourth graders tend to produce simpler mental models compared to their older peers, as illustrated in the accompanying rubric (Table 2). This suggests a developmental progression in understanding Earth's structure and processes as students advance through grades.
Discussion
In this study, the understanding of the Earth’s interior among Chilean students from 4th to 11th grades was assessed through drawings and explanations, revealing a generally low level of comprehension consistent with findings from various international contexts. The sample comprised 785 students from state-subsidized private schools, and data were collected using a validated questionnaire that included drawing tasks and interviews. The analysis identified seven mental models regarding the Earth’s layers and four concerning the location of magma, with a significant correlation between the sophistication of these models. Notably, many students exhibited alternative conceptions, such as placing magma at the Earth’s center or incorporating surface elements into their drawings, indicating a reliance on everyday analogies rather than scientific understanding.
The findings suggest a developmental trajectory in students’ mental models, where initial simplistic views evolve into more complex understandings as they progress through grades. However, misconceptions, particularly regarding magma’s location, persisted even among older students. The study emphasizes the utility of drawings as a cognitive tool to explore students’ mental models and the origins of their misconceptions. It advocates for model-based teaching approaches and historical context discussions to enhance comprehension of Earth’s structure. Limitations include the pseudo-longitudinal nature of the study and the absence of interviews across all grades, indicating a need for further longitudinal research and pedagogical strategies to address identified misconceptions effectively.