ஜான்ஸ்டோன் முக்கோணம்: 40 ஆண்டுகளாக உலகை மாற்றும் ஓர் எளிய கல்விக் கோட்பாடு

இன்று உலகெங்கிலும் NGSS, IB, Cambridge உள்ளிட்ட நவீன கல்வித் தரநிலைகளில் அறிவியல் கற்பித்தலின் அடிப்படையாக மாறியுள்ளது,1982-ல் ஸ்காட்லாந்து விஞ்ஞானி அலெக்ஸ் ஜான்ஸ்டோன் முன்வைத்த ஒரு எளிய முக்கோணம்.. அப்படி அதில் என்ன இருக்கிறது­?

ஆசிரியர் கரும்பலகையில் H₂O என்று எழுதிவிட்டு, “இது தண்ணீர்” என்கிறார். மாணவன் புரிந்தது போலத் தலையாட்டுகிறான். ஆனால், “பனிக்கட்டி உருகும்போது என்ன நடக்கும்?” என்று ஆசிரியர் கேட்டால், “மூலக்கூறுகள் விரிவடைந்து உருகும் டீச்சர்!” என்று மாணவனிடமிருந்து பதில் வருகிறது.

அறிவியல் கற்பிக்கும் பல ஆசிரியர்களுக்கும் இந்த அனுபவம் நிச்சயம் இருக்கும். ஏன் இப்படி நடக்கிறது? எங்கே நாம் தவறுகிறோம்?

மாணவர்கள் வேதியியல் சமன்பாடுகளையும், இயற்பியல் விதிகளையும் மனப்பாடம் செய்வதில் காட்டும் வேகத்தை, அதன் அடிப்படைத் தத்துவங்களைப் புரிந்துகொள்வதில் காட்டுவதில்லை என்பது பல அறிவியல் ஆசிரியர்களின் தொடர் ஆதங்கம். இதற்கு மாணவர்களின் திறன் காரணம் அல்ல; மாறாக, அறிவியல் கருத்துகளை நாம் அவர்களுக்கு எப்படிக் கடத்துகிறோம் என்பதில்தான் நுட்பம் மறைந்துள்ளது.

ஸ்காட்லாந்தைச் சேர்ந்த வேதியியல் கல்வியாளர் அலெக்ஸ் ஹெச். ஜான்ஸ்டோன் (Alex H. Johnstone, 1930–2017) 1982-ஆம் ஆண்டு முன்மொழிந்த ‘வேதியியல் முக்கோணம்’ (Chemistry Triplet) இந்தக் குறைபாட்டை மிகத் துல்லியமாகச் சுட்டிக்காட்டுகிறது.

வரலாற்றுப் பின்னணி: அறிதல் சுமை என்றால் என்ன?

1980-களில் கிளாஸ்கோ பல்கலைக்கழகப் பேராசிரியரான ஜான்ஸ்டோன் ஒரு முக்கிய ஆராய்ச்சியினை மேற்கொண்டார். ஆசிரியர்கள் வகுப்பறையில் பாடம் நடத்தும்போது, எந்தவிதத் தயக்கமுமின்றி ஒரு பொருளின் தோற்றம், உள்ளே உள்ள அணுக்கள், மற்றும் கரும்பலகையில் எழுதும் சமன்பாடுகள் ஆகிய மூன்றிற்கும் இடையே மிக எளிதாகத் தாவுகிறார்கள்.

ஆனால், புதிதாகப் படிக்கும் மாணவர்களின் உழைக்கும் நினைவகம் (Working Memory), ஒரே நேரத்தில் இந்த மூன்று வேறுபட்ட தகவல்களையும் உள்வாங்க முடியாமல் திணறுகிறது (Cognitive Overload — அதீத அறிதல் சுமை) என்பதை அவர் கண்டுபிடித்தார். இதை விளக்குவதற்காகவே அவர் உருவாக்கிய கருவிதான் ‘ஜான்ஸ்டோன் முக்கோணம்’.

முக்கோணத்தின் மூன்று நிலைகள்: ஒரு விரிவான பார்வை

அறிவியலை, குறிப்பாக பருப்பொருள்களை (Matter) நாம் மூன்று பரிமாணங்களில் அணுகுகிறோம்:

1. பேரியல் நிலை (Macroscopic Level — காணும் உலகம்)

இது நம் அன்றாட வாழ்வில் நாம் கண்களால் காணும், தொட்டு உணரும் உலகம். மாணவர்களுக்கு மிகவும் பரிச்சயமான நிலை இதுதான்.

நடைமுறை உதாரணம்: இரும்பு ஆணி துருப்பிடிப்பதைப் பார்ப்பது, நீர் கொதித்து ஆவியாவதைப் பார்ப்பது, உப்பு நீரில் கரைவதைக் காண்பது.

2. நுண்ணியல் நிலை (Sub-microscopic Level — மறைந்த உலகம்)

இது பேரியல் மாற்றங்களுக்குக் காரணமாக அமையும், ஆனால் நம் கண்களுக்குப் புலப்படாத துகள்களின் உலகம். அணுக்கள், மூலக்கூறுகள், அயனிகள் மற்றும் அவற்றின் இயக்கங்கள் இந்த நிலையில் அடங்கும்.

நடைமுறை உதாரணம்: நீர் கொதிக்கும்போது H₂O மூலக்கூறுகளுக்கு இடையிலான ஹைட்ரஜன் பிணைப்பு (Hydrogen bonds) உடைந்து, மூலக்கூறுகள் ஒன்றையொன்று விலகி வேகமாக நகர்வது.

3. குறியீட்டு நிலை (Symbolic Level — பதிவு செய்யும் உலகம்)

பார்த்ததையும் (பேரியல்), கற்பனை செய்ததையும் (நுண்ணியல்) காகிதத்தில் பதிவு செய்யப் பயன்படும் மொழியே குறியீட்டு நிலை. வேதியியல் சமன்பாடுகள், குறியீடுகள், கணித வாய்ப்பாடுகள் ஆகியவை இதில் அடங்கும்.

நடைமுறை உதாரணம்: H₂O(l) → H₂O(g) என்று கரும்பலகையில் எழுதுவது.

ஓர் உதாரணம்: சர்க்கரை நீரில் கரைவது

நடுநிலைப் பாடத்திட்டத்தில் வரும் ஓர் எளிய உதாரணத்தை மூன்று நிலைகளிலும் பார்ப்போம்:

நிலை	என்ன நடக்கிறது?
பேரியல்	தண்ணீரில் சர்க்கரை மறைகிறது; நீர் இனிப்பாக மாறுகிறது.
நுண்ணியல்	சர்க்கரை மூலக்கூறுகள் (சுக்ரோஸ்) தனித்தனியாக நீர் மூலக்கூறுகளுக்கு இடையே பரவுகின்றன. சர்க்கரை மூலக்கூறுகள் மறைய‌வில்லை — கண்ணுக்குத் தெரியாமல் சிதறுகின்றன.
குறியீடு	C₁₂H₂₂O₁₁(s) → C₁₂H₂₂O₁₁(aq)

இந்த மூன்று நிலைகளும் ஒரே நேரத்தில் இணையும்போதுதான், ‘கரைதல்’ என்பதன் உண்மையான அர்த்தம் மாணவனுக்குப் புரியும்.

மையச் சிக்கல்: பேரியல் பண்புகளை நுண்துகள்களுக்குப் பொருத்துதல்

ஆசிரியர்களும் பாடநூல் உருவாக்குபவர்களும் எதிர்கொள்ளும் மிகப்பெரிய சவால் இதுதான்: மாணவர்கள் தாங்கள் கண்ணால் காணும் பேரியல் பண்புகளை, அப்படியே கண்ணுக்குத் தெரியாத நுண்துகள்களுக்கும் (அணுக்கள்/மூலக்கூறுகளுக்கு) பொருத்திப் பார்த்துத் தவறான முடிவுகளுக்கு (Misconceptions) வருகிறார்கள்.

பருப்பொருள் என்பது தனித்தனித் துகள்களால் (Discrete particles) ஆனது என்ற எண்ணம் இளம் மாணவர்களுக்கு இயல்பாகத் தோன்றுவதில்லை. அவர்கள் பொருளைத் தொடர்ச்சியான ஒன்றாகவே (Continuous matter) பார்க்கிறார்கள். இதனால் ஏற்படும் குழப்பங்கள் பல:

• தடிமனும் கடினமும்: “தாமிரக் கம்பி தடிமனாகவும் கடினமாகவும் இருக்கிறது. எனவே, தாமிர அணுவும் தடிமனாக, கடினமாக இருக்கும்.” (உண்மையில் அணுக்களுக்குத் தடிமன் கிடையாது; கடினத்தன்மை என்பது பிணைப்பின் வலிமையைப் பொறுத்தது.)
• நிறம்: “தங்கம் மஞ்சள் நிறமாக இருக்கிறது; எனவே, தங்க அணுவும் மஞ்சள் நிறமாகத்தான் இருக்கும்.” (உண்மையில் ஒற்றை அணுவிற்கு நிறம் கிடையாது; நிறம் ஒளியின் பிரதிபலிப்பால் உருவாவது.)
• வெப்பநிலை மற்றும் நிலை மாற்றம்: “திடப்பொருள் ஒன்று உருகும்போது, திரவ மூலக்கூறு உருகுகிறது. திரவம் ஆவியாகும்போது, மூலக்கூறு விரிவடைந்து ஆவியாக மாறுகிறது.” (உண்மையில் மூலக்கூறின் அளவில் எந்த மாற்றமும் ஏற்படுவதில்லை. அவற்றுக்கு இடையிலான ‘இடைவெளி’ மட்டுமே அதிகரிக்கிறது.)

இன்றைய உலகக் கல்வி: ஜான்ஸ்டோன் முக்கோணம் எங்கெல்லாம்?

40 ஆண்டுகளுக்கு முன் முன்வைக்கப்பட்ட இந்த எளிய கருவி, இன்று உலகெங்கிலும் உள்ள நவீன கல்வித் தரநிலைகளில் ஒரு அடிப்படையாக மாறியுள்ளது. சுவாரஸ்யமாக, இந்த முக்கோணம் இன்று வேதியியலுக்கு மட்டுமின்றி இயற்பியல், உயிரியல், புவியியல் ஆகிய அனைத்துத் துறைகளுக்கும் விரிவுபடுத்தப்பட்டுள்ளது.

1. NGSS (Next Generation Science Standards) — அமெரிக்கா

அமெரிக்காவின் தற்போதைய அறிவியல் தரநிலையான NGSS-ன் ஒரு முக்கிய “Science & Engineering Practice” ஆகவே “மாதிரிகளை உருவாக்குதலும் பயன்படுத்துதலும்” (Developing and Using Models) குறிப்பிடப்பட்டுள்ளது — இது நேரடியாக ஜான்ஸ்டோனின் அணுகுமுறையிலிருந்து உந்துதல் பெற்றது. மாணவர்கள் வெறுமனே சமன்பாடு ΔH = Σ(பிணைப்பு ஆற்றல்) கணக்கிடுவதில் நிற்காமல், மூலக்கூறு மட்டத்தில் என்ன நடக்கிறது என்பதை விளக்க வேண்டும் என்பதே NGSS-ன் நோக்கம்.

2. Royal Society of Chemistry (RSC) — பிரிட்டன்

பிரிட்டிஷ் வேதியியல் கழகம், 11–14 மற்றும் 14–16 வயது மாணவர்களுக்காகப் பிரத்யேகமான “Johnstone’s Triangle Worksheets” தொகுப்பினையே வெளியிட்டுள்ளது. ஆசிரியர்கள் ஒரு கருத்தை அறிமுகப்படுத்தும்போது, மூன்று நிலைகளையும் ஒரே வேலைத்தாளில் இணைத்துக் காட்ட இவை உதவுகின்றன — எடுத்துக்காட்டாக, இடப்பெயர்ச்சி வினையில் (displacement reaction) நிற மாற்றம் (பேரியல்), அயனிகளின் இயக்கம் (நுண்ணியல்), மற்றும் சமன்பாடு (குறியீடு) ஆகிய மூன்றும் ஒரே பக்கத்தில்.

3. Modeling Instruction™ — அமெரிக்க உயர்நிலைப்பள்ளிகள்

Arizona State University-ல் தொடங்கப்பட்ட இந்த சர்வதேசக் கற்பித்தல் முறை, ஜான்ஸ்டோன் முக்கோணத்தை அதன் கருவாகக் கொண்டுள்ளது. “மாணவர்கள் ஏன் இவ்வளவு துகள் வரைபடங்கள் வரைய வேண்டும்?” என்ற கேள்விக்குப் பதில், “ஏனெனில் நுண்ணியல் நிலையை வரைய வரைய அதுவே அவர்கள் சிந்தனையின் ஒரு பகுதியாகி விடுகிறது” என்பதே இம்முறையின் தத்துவம்.

4. Threshold Concepts & Backward Course Design

2024-ஆம் ஆண்டில் அமெரிக்காவின் Emory பல்கலைக்கழகம் வெளியிட்ட ஓர் ஆராய்ச்சி (Journal of Chemical Education), இடைமூலக்கூறு விசைகளை (Intermolecular Forces) கற்பிக்க ஜான்ஸ்டோன் முக்கோணத்தைப் பயன்படுத்தி ஒரு முழு மதிப்பீட்டு வழிமுறையையே (Assessment Rubric) உருவாக்கியுள்ளது. மாணவர்களின் புரிதலை மூன்று நிலைகளிலும் தனித்தனியாகச் சோதிப்பதால், அவர்கள் எங்கே சிக்கிக் கொள்கிறார்கள் என்பதை ஆசிரியர் துல்லியமாகக் கண்டறிய முடிகிறது.

5. PhET Interactive Simulations — Colorado பல்கலைக்கழகம்

உலகில் மிகவும் பயன்படுத்தப்படும் இலவசக் கல்விக் கருவியான PhET, அதன் வடிவமைப்பு கொள்கையாகவே ஜான்ஸ்டோன் முக்கோணத்தைக் கொண்டுள்ளது. ஒவ்வொரு simulation-லும் “பேரியல் தோற்றம் ↔ மூலக்கூறு இயக்கம் ↔ சமன்பாடு” என்ற மூன்று காட்சிகளும் ஒரே நேரத்தில் காண்பிக்கப்படுகின்றன.

6. Sjöström & Talanquer (2014) — நான்காவது பரிமாணம்

இது மிக சமீபத்திய வளர்ச்சி. ஜான்ஸ்டோனின் மூன்று நிலைகளுடன், ‘மனித பரிமாணம்’ (Human Element) என்ற நான்காவது நிலையை சேர்க்க வேண்டும் என்ற கருத்து வலுப்பெறுகிறது. அதாவது, அறிவியல் கருத்துகள் மாணவர்களின் அன்றாட வாழ்வோடும், சமூக சூழலோடும் எப்படித் தொடர்புபடுகின்றன என்பதையும் கற்பிக்க வேண்டும். எடுத்துக்காட்டாக, காற்று மாசு பற்றிக் கற்பிக்கும்போது மாணவர்கள் வாழும் ஊரின் காற்றுத் தர அளவையும் இணைத்தால், கற்றல் ஆழமாகும்.

தீர்வுகள் — பாடநூல் ஆசிரியர்கள் கவனிக்க வேண்டியவை

மாணவர்களின் இந்தக் குழப்பங்களுக்குப் பாடநூல் வடிவமைப்பே பல நேரங்களில் காரணமாகிவிடுகிறது. இதைச் சரிசெய்ய:

1. ‘ஜம்ப்’ அடிக்க வேண்டாம்! (Avoid jumping corners)

“மெக்னீசியம் நாடா காற்றில் எரிந்து வெள்ளை நிறச் சாம்பலாகிறது” (Macro) என்று கூறிவிட்டு, அடுத்த வரியிலேயே 2Mg + O₂ → 2MgO (Symbolic) என்று சமன்பாட்டைக் கொடுத்துவிடுகிறோம். நடுவில் உள்ள அணுக்களின் பிணைப்பை (Micro) புறக்கணிக்கக் கூடாது. எந்தவொரு நிகழ்வையும் பேரியல் ➡️ நுண்ணியல் ➡️ குறியீடு என்ற வரிசையில்தான் விளக்க வேண்டும்.

2. வார்த்தைகளில் அதீதக் கவனம் தேவை

“பனிக்கட்டி உருகுகிறது” என்பது சரி. ஆனால், “மூலக்கூறுகள் உருகுகின்றன” என்று எழுதுவது மாபெரும் பிழை. பொருளின் ஒட்டுமொத்தப் பண்பும், தனித்தனித் துகளின் பண்பும் வெவ்வேறானவை என்பதைப் பாடநூலின் தொடக்கத்திலேயே பெட்டிச் செய்தியாக அழுத்தமாகப் பதிவு செய்ய வேண்டும்.

3. படங்களின் வடிவமைப்பு (Visual Representation)

ஒரு முகவை நீருக்குள், H₂O மூலக்கூறுகள் நீந்துவது போன்ற படங்களைத் தவிர்க்க வேண்டும். நீரே மூலக்கூறுகளின் கூட்டமைப்புதான் என்பதைக் குறிக்கும் தெளிவான உருப்பெருக்கப் படங்களை (Magnified models) பயன்படுத்த வேண்டும்.

தீர்வுகள் — வகுப்பறை ஆசிரியர்களுக்கான செயல்வழி குறிப்புகள்

1. நேரடியாகக் கேள்விகளை எழுப்புதல்

வகுப்பில் மாணவர்களைப் பார்த்து நேரடியாகவே கேளுங்கள்: “தாமிரக் கம்பி சிவப்பு-பழுப்பு நிறத்தில் உள்ளதே, தாமிர அணு என்ன நிறத்தில் இருக்கும்?”. அவர்களின் பதில்களை விவாதிப்பதன் மூலமே தவறான புரிதல்களைக் களைய முடியும்.

2. லெகோவும், பிக்சல்களும் (Effective Analogies)

நுண்ணியல் உலகைக் கற்பனை செய்ய அன்றாட உதாரணங்களைப் பயன்படுத்துங்கள்:

• டிஜிட்டல் திரை (Pixels): “டிவியில் தோன்றும் முழுப் படமும் (Macro) அருகில் சென்று பார்த்தால் தனித்தனிப் புள்ளிகளால் (Pixels — Micro) ஆனது. ஒற்றைப் புள்ளிக்கு முழுப் படத்தின் வடிவம் இருக்காது.”
• லெகோ கட்டைகள் (Lego): “லெகோ கட்டைகளால் கட்டப்பட்ட வீட்டைப் (Macro) பிரித்தால் தனித்தனி பிளாஸ்டிக் கட்டிகள் (Micro) கிடைக்கும். வீட்டிற்கு இருக்கும் ‘வாசல்’ என்ற பண்பு, ஒற்றைக் கட்டிக்கு இருக்காது.”
• மணல் கடற்கரை: “கடற்கரையின் ‘மென்மை’ என்பது ஒரு பேரியல் பண்பு. ஆனால் ஒற்றை மணல் துகள் மென்மையானதல்ல — கூர்மையானது!”

3. சிமுலேஷன்கள் (Simulations & Models)

நுண்ணியல் நிலையைக் கரும்பலகையில் வரைந்து காட்டுவது கடினம். PhET Interactive Simulations போன்ற இலவசக் கணினி மென்பொருள்களைப் பயன்படுத்தி, வெப்பநிலை மாறும்போது மூலக்கூறுகள் எப்படி வேகமாக நகர்கின்றன, இடைவெளி எப்படி மாறுகிறது என்பதைக் கண்கூடாகக் காட்டலாம்.

4. மூன்று நிலை வேலைத்தாள் (Three-Level Worksheet)

ஒரு A4 தாளை மூன்று பகுதியாகப் பிரியுங்கள் — பேரியல், நுண்ணியல், குறியீடு. ஒரு வேதிவினையை இந்த மூன்று பகுதியிலும் மாணவர்களையே வரைந்து/எழுதும்படிச் சொல்லுங்கள். எந்தப் பகுதியில் அவர்கள் தயங்குகிறார்களோ, அதுதான் அவர்களின் பலவீனம். RSC பல்கலைக்கழகம் இந்த வேலைத்தாள் முறையை உலகளாவிய ரீதியில் பரிந்துரைக்கிறது.

நிறைவாக…

கண்ணால் காண்பதில் (Macro) தொடங்கி, மெதுவாக அணுக்களின் உலகிற்குள் (Sub-micro) அவர்களை அழைத்துச் சென்று, இறுதியாக சமன்பாடுகள் (Symbolic) என்ற குறியீட்டு முறைக்குக் கொண்டு வாருங்கள். ஒரு மாணவன் பொருளின் பண்பிற்கும், ஒற்றைத் துகளின் பண்பிற்கும் உள்ள வித்தியாசத்தை எப்போது பகுத்தறிகிறானோ, அப்போது உங்கள் வகுப்பறையில் அறிவியல் என்பது மனப்பாடப் பாடமாக இல்லாமல், ஆழமான புரிதலின் திறவுகோலாக மாறும்!

அடுத்த முறை மாணவர்களிடம் பேசும்போது ஒரு கேள்வியை கூடுதலாக சேர்ப்போம் — “இது நம் கண்களுக்கு எப்படித் தெரிகிறது? உள்ளே என்ன நடக்கிறது?” இந்த ஒரு கேள்வி, மாணவர்களின் சிந்தனையை எங்கெங்கோ அழைத்துச் செல்லக்கூடும்.

தொடர்ந்து பேசுவோம் – சாக்பீஸ்டைரி

மேலும் படிக்க (Further Reading)

• Johnstone, A. H. (1982). Macro- and micro-chemistry. School Science Review, 64, 377–379. (மூல ஆராய்ச்சிக் கட்டுரை)
• Royal Society of Chemistry — Improve students’ understanding with Johnstone’s triangle
• PhET Interactive Simulations (தமிழில்) — phet.colorado.edu/ta
• Reid, N. (2021). The Johnstone Triangle. Royal Society of Chemistry. (விரிவான நூல்)

---

இந்தக் கட்டுரை பற்றிய உங்கள் கருத்துகளையும், உங்கள் வகுப்பறை அனுபவங்களையும் கீழே பகிருங்கள்.