Abstrak
Energi adalah konsep lintas bidang dalam sains, tetapi mahasiswa sering kali melihat ketidaksesuaian antara bagaimana mata kuliah biologi dan kimia membahas topik tersebut. Tantangan untuk mendamaikan perbedaan disiplin ilmu ini dapat mendorong penalaran yang salah—misalnya, mahasiswa biologi sering kali mengembangkan gagasan yang salah bahwa pemutusan ikatan bersifat eksotermik dan melepaskan energi. Kami berhipotesis bahwa salah satu sumber ketidaksesuaian yang dirasakan ini adalah buku teks biologi dan kimia menggunakan representasi visual yang berbeda tentang pemutusan dan pembentukan ikatan. Kami menganalisis gambar hidrolisis ATP dari 12 buku teks biologi pengantar tingkat perguruan tinggi dan mengkodekan setiap gambar untuk representasi energi, pembentukan ikatan, dan pemutusan ikatan. Sebagai perbandingan, kami menganalisis gambar dari enam buku teks kimia pengantar tingkat perguruan tinggi. Kami menemukan bahwa mayoritas (70%) gambar buku teks biologi menyajikan hidrolisis ATP dalam bentuk “satu reaktan → beberapa produk” dan “lebih banyak ikatan dalam reaktan → lebih sedikit ikatan dalam produk”. Sebaliknya, gambar buku teks kimia dalam bentuk “satu reaktan → beberapa produk” dan “lebih banyak ikatan → lebih sedikit ikatan” sebagian besar merupakan reaksi endotermik, yang secara langsung bertentangan dengan sifat eksotermik hidrolisis ATP. Kami berhipotesis bahwa ketidakkonsistenan visual ini mungkin merupakan faktor yang berkontribusi terhadap kesulitan siswa dalam membangun model mental energi dan ikatan yang koheren.
1. PENDAHULUAN
1.1 Ikatan kimia dan energi
Energi merupakan konsep lintas bidang utama dalam ilmu fisika dan ilmu hayati. 1 – 3 Meskipun hukum fisika yang mengatur energi bersifat universal, disiplin akademis yang berbeda mengadopsi konvensi yang berbeda saat membahas dan mengajarkan topik energi, 4 – 6 yang dapat menyebabkan siswa membangun pemahaman yang terfragmentasi tentang konsep tersebut. Studi sebelumnya menunjukkan bahwa mahasiswa mengonseptualisasikan energi secara berbeda tergantung pada konteks mata kuliah dan kesulitan untuk mentransfer pengetahuan mereka tentang energi lintas disiplin ilmu. 6 , 7 Ini merupakan masalah karena mengembangkan pemahaman yang lengkap tentang energi merupakan prasyarat yang diperlukan untuk memahami banyak fenomena biologis dan fisik.
Salah satu kesalahpahaman yang paling umum tentang energi adalah bahwa pemutusan ikatan kimia melepaskan energi, padahal sebenarnya yang terjadi adalah sebaliknya. 8 – 10 Kesalahpahaman ini khususnya lazim dalam penalaran mahasiswa biologi tentang adenosina trifosfat (ATP), sebuah molekul yang memainkan peran kunci dalam bioenergetika dan metabolisme sel. 11 Ketika molekul ATP dihidrolisis, ATP bereaksi dengan air untuk menghasilkan adenosina difosfat (ADP) dan fosfat anorganik (Pi ) . Reaksi ini melibatkan pemutusan ikatan kovalen dalam molekul ATP untuk menghilangkan gugus fosfat terminal, sebuah proses yang memerlukan masukan energi (konsisten dengan proses apa pun yang melibatkan pemutusan ikatan kimia). Masukan energi ini diimbangi oleh energi yang dilepaskan dalam pembentukan ikatan baru yang lebih stabil dalam produk (ADP dan Pi ) . Karena lebih banyak energi yang dilepaskan daripada yang dikonsumsi dalam reaksi ini, hidrolisis ATP secara keseluruhan merupakan reaksi eksotermik yang melepaskan energi. 12
Ketika mahasiswa biologi diminta untuk menjelaskan mengapa hidrolisis ATP melepaskan energi, jawaban mereka sering kali mengungkap, model mental yang salah tentang energi yang ‘dibebaskan’ saat ikatan putus. 7 , 10 , 11 Dalam satu studi kualitatif, seorang mahasiswa menyatakan bahwa “ ATP, saat ikatan putus, energi dilepaskan … saat salah satu fosfat putus, ia melepaskan energi. Itulah, menurutku, yang membuatku bingung. Karena saat ikatan putus, ia seharusnya menyerap energi. Jadi, aku jadi sangat bingung .”. 7 Mahasiswa biologi lainnya merasakan disonansi serupa antara mata kuliah kimia dan biologi, dengan seorang mahasiswa menyatakan “ Aku baru saja mempelajari sesuatu (ikatan) dalam dua cara yang berlawanan… Sejujurnya, aku masih belum begitu memahaminya. Aku tidak begitu tahu mana yang benar ”. 7 Kebingungan ini mungkin diperburuk oleh penjelasan singkat umum yang menggambarkan ATP sebagai mengandung “ikatan berenergi tinggi”. 13 – 17 Fraseologi ini secara historis telah banyak digunakan dalam buku teks biologi 16 dan dapat berkontribusi pada model mental yang bermasalah tentang ikatan ATP yang ‘meledak’ untuk pecah, mirip dengan bendungan yang tidak stabil yang melepaskan banjir energi saat runtuh. Kesalahpahaman tentang pemutusan ikatan eksotermik juga kemungkinan dipengaruhi oleh teori awam siswa tentang energi, yang terbentuk di luar kelas biologi. Misalnya, dalam satu survei terhadap 600 siswa biokimia dan fisiologi, 80% memilih pemutusan ikatan sebagai penyebab utama pelepasan energi selama pembakaran bahan bakar, yang mungkin mencerminkan banyaknya penjelasan awam yang melibatkan “pemecah bahan kimia” untuk energi. 10
Lebih jauh lagi, penekanan yang diberikan pada hidrolisis ATP dalam buku teks biologi itu sendiri mungkin menyesatkan karena ATP jarang benar-benar dihidrolisis dalam sistem biologis. Hidrolisis ATP biasanya dicirikan sebagai konversi satu langkah ATP menjadi ADP dan fosfat anorganik (Pi ) , disertai dengan pelepasan energi . 13 Pada kenyataannya, proses ATP-coupled dalam biologi benar-benar melibatkan transfer energi , biasanya melalui perantara terfosforilasi reaktif. 18 Meskipun demikian, hidrolisis ATP terus menjadi bagian standar dari kurikulum biologi pengantar, terbukti dari keberadaan topik ini di semua buku teks biologi pengantar. Lebih jauh lagi, hidrolisis ATP secara khusus telah dipilih sebagai topik yang berkontribusi terhadap kesalahpahaman tentang pemutusan ikatan eksotermik, 8 – 10 menjadikannya topik yang memerlukan penyelidikan lebih lanjut. Oleh karena itu, kami membatasi ruang lingkup penelitian ini pada representasi hidrolisis ATP karena topik ini paling langsung menjelaskan potensi perbedaan antara cara berpikir ahli kimia dan ahli biologi.
1.2 Kerangka sumber daya
Kerangka teoritis yang membantu untuk mengkarakterisasi konsepsi siswa tentang energi adalah kerangka sumber daya , yang awalnya dikembangkan oleh para peneliti pendidikan fisika. 19 – 21 Kerangka sumber daya menyatakan bahwa siswa memiliki seperangkat sumber daya kognitif, yang masing-masing mewakili bagian terpisah dari pengetahuan konseptual mereka. Siswa mengaktifkan sumber daya yang berbeda dalam konteks yang berbeda, dan mengakses subset yang tidak lengkap dari sumber daya ini dapat mengarah pada kesimpulan yang salah. Misalnya, siswa biologi mungkin memiliki sumber daya konseptual bahwa ‘hidrolisis ATP melepaskan energi’ dan bahwa ‘hidrolisis ATP melibatkan pemutusan ikatan fosfodiester’. Meskipun sumber daya ini mewakili pernyataan yang benar dengan sendirinya, jika diaktifkan secara terpisah, sumber daya ini dapat mengarah pada kesimpulan yang salah bahwa hidrolisis ATP melepaskan energi karena pemutusan ikatan fosfodiester melepaskan energi. Memang, siswa biologi mungkin juga memiliki sumber daya konseptual bahwa ‘pemutusan ikatan kimia memerlukan energi’, yang mungkin diperoleh dari kursus kimia sebelumnya atau saat ini. Tetapi jika sumber daya penting ini dibiarkan tidak aktif, fakta penting ini dapat diabaikan, sehingga mengarahkan siswa pada kesimpulan yang salah bahwa pemutusan ikatan melepaskan energi. Dengan cara ini, kerangka sumber daya menyediakan lensa yang lebih rinci untuk menjelaskan kesalahan dalam penalaran siswa; alih-alih melihat kesalahan sebagai keyakinan yang tetap dan monolitik, kita dapat melihatnya sebagai sesuatu yang berasal dari aktivasi sumber daya konseptual yang tidak lengkap. Kerangka ini menjelaskan bagaimana siswa dapat sampai pada kesimpulan yang salah bahkan ketika semua bagian pengetahuan yang mendasarinya benar secara individual. Lebih jauh, kerangka sumber daya memperhitungkan ketegangan yang dialami siswa ketika mereka mendeteksi telah ” mempelajari sesuatu dengan dua cara yang berlawanan” , misalnya ketika mereka merancang penjelasan (misalnya, “memutus ikatan dalam ATP melepaskan energi”) yang secara langsung bertentangan dengan sumber daya konseptual yang ada (misalnya, “memutus ikatan kimia membutuhkan energi”).
1.3 Mengkarakterisasikan perbedaan disiplin ilmu
Langkah awal yang penting dalam memahami mengapa siswa mempersepsikan konsep yang sama (hidrolisis ATP) secara berbeda dalam kimia dibandingkan biologi adalah dengan mengkarakterisasi sumber daya instruksional apa yang ditemui siswa di kelas biologi dan kimia. Kami mengusulkan bahwa salah satu sumber ketidaksesuaian disiplin ilmu adalah bahwa setiap bidang menggunakan representasi visual ikatan kimia yang berbeda, yang dapat memaparkan siswa pada model pemutusan dan pembentukan ikatan yang saling bertentangan. Representasi visual sangat penting untuk biologi dan kimia karena “membantu membuat yang tak terlihat menjadi terlihat dan yang rumit menjadi sederhana”. 22 Sering kali, tidak ada satu cara yang “tepat” untuk merepresentasikan sesuatu di dunia molekuler. Misalnya, satu protein dapat direpresentasikan menggunakan model bola dan tongkat, model pengisian ruang, atau tulang punggung pita. Contoh ini menunjukkan kegunaan dan keterbatasan representasi visual; representasi dapat menyoroti berbagai fitur penting dari fenomena, tetapi representasi tersebut tentu tidak lengkap dan harus menghilangkan detail penting. Saat mempelajari suatu konsep untuk pertama kalinya, tugas siswa adalah menghubungkan representasi visual ini menjadi satu kesatuan yang utuh. Namun, penelitian terdahulu menunjukkan bahwa siswa kesulitan untuk menghubungkan beberapa representasi visual dari fenomena yang sama, dengan berfokus pada perbedaan di tingkat permukaan meskipun konsep dasarnya sama.23 , 24 Oleh karena itu, jika ahli biologi dan ahli kimia menggunakan representasi visual yang berbeda tentang ATP dan ikatan, perbedaan visual permukaan tersebut dapat mengaburkan bagi siswa bagaimana hukum energi yang mendasarinya sebenarnya sama di kedua disiplin ilmu tersebut .
Ada banyak literatur tentang representasi visual dalam sumber daya instruksional biologi dan kimia, yang biasanya berfokus pada buku teks sains. Beberapa kelompok telah membuat tabulasi jumlah, jenis, dan tingkat representasi dalam buku teks kimia, 25 – 28 dan yang lain telah berfokus pada buku teks biologi. 29 , 30 Sejauh pengetahuan kami, semua penelitian tersebut berfokus pada biologi atau kimia, dan tidak ada yang membuat perbandingan langsung antara keduanya. Mengingat bahwa mahasiswa berjuang untuk menghubungkan representasi visual yang berbeda, dan mereka terutama berjuang untuk merekonsiliasi konsep kimia dan biologi, kami berusaha untuk secara tepat mengkarakterisasi bagaimana representasi visual ikatan berbeda di seluruh buku teks biologi dan kimia pengantar. Secara khusus, kami mengeksplorasi pertanyaan penelitian berikut.
Representasi visual apa yang digunakan dalam buku teks biologi untuk menggambarkan energi dan hidrolisis ATP?
Bagaimana representasi energi dan hidrolisis ATP dalam buku teks biologi dibandingkan dengan representasi pemutusan ikatan, pembentukan ikatan, dan energi dalam buku teks kimia?
Mempelajari gambar-gambar buku teks relevan karena banyak instruktur sering menggunakan gambar-gambar ini sebagai dasar untuk slide kuliah mereka; bahkan jika siswa sendiri mungkin tidak membaca buku teks, mereka akan sering menemukan gambar-gambar dari buku teks tersebut dalam materi kursus mereka. Oleh karena itu, jika buku teks biologi berisi fitur-fitur yang bertentangan dengan apa yang dipelajari siswa dalam kimia, ini dapat menyebabkan kebingungan. Lebih jauh, beberapa instruktur biologi mungkin merasa tidak percaya diri mengajar tentang ATP 13 dan sering menggunakan materi buku teks untuk menyegarkan pengetahuan subjek mereka sendiri sebelum mengajar. Dengan menunjukkan representasi visual mana yang digunakan di seluruh sumber daya pengajaran biologi dan kimia, kami berharap untuk memotivasi pekerjaan di masa mendatang tentang apakah dan bagaimana perbedaan tersebut dapat berkontribusi pada konsepsi alternatif siswa. Studi saat ini merupakan langkah pertama untuk mencapai tujuan ini, dengan mengungkap bagaimana buku teks biologi dan kimia berbeda dalam presentasi visual mereka tentang konsep-konsep lintas bidang ini.
2 METODE
2.1 Memilih angka untuk analisis
Pertama, kami mengidentifikasi satu set 10 buku teks biologi pengantar tingkat perguruan tinggi (Tabel Tambahan 1 ), yang semuanya diterbitkan dalam 8 tahun terakhir. Set buku teks ini dipilih dengan menggunakan daftar buku teks Simon et al. 31 sebagai titik awal. Secara total, kami mengidentifikasi 30 gambar yang menggambarkan hidrolisis ATP, berkisar dari satu hingga lima gambar per buku teks. Untuk memaksimalkan objektivitas dalam proses pemilihan gambar, satu pembuat kode (MY) mengidentifikasi gambar pertama di mana hidrolisis ATP terwakili dalam setiap buku teks. Kemudian, semua gambar berikutnya yang menggambarkan hidrolisis ATP dari bab yang sama dikompilasi untuk analisis. Karena semua buku teks pada dasarnya memiliki urutan konten yang sama, setiap gambar pada akhirnya berasal dari bab ‘pengantar metabolisme’. Setiap gambar di bab-bab selanjutnya, bahkan jika mereka berisi ATP, dikecualikan dari analisis. Kriteria inklusi yang ketat ini dipilih sehingga semua gambar secara khusus tentang hidrolisis ATP, bukan ilustrasi yang berfokus pada fenomena biologis lain di mana ATP kebetulan berperan. Misalnya, setiap buku teks juga memuat gambar yang menggambarkan transportasi membran dan fisiologi otot di bab-bab selanjutnya, yang menyertakan ATP, meskipun fokus setiap ilustrasi bukanlah ATP itu sendiri. Gambar-gambar tersebut dikecualikan dari cakupan analisis. Tujuan kami adalah agar gambar-gambar tersebut menangkap apa yang dialami siswa selama paparan pertama mereka terhadap hidrolisis ATP sebagai reaksi pelepasan energi.
Lebih jauh, gambar-gambar dari bab respirasi dan fotosintesis berikutnya, yang memuat tulisan ‘ATP’ di hampir setiap gambar dan jalur metabolisme, juga dikecualikan dari cakupan saat ini. Alasan biologis tambahan untuk membenarkan pengecualian ini adalah karena reaksi penggandengan yang dimediasi ATP lebih kompleks daripada sekadar reaksi hidrolisis sederhana. Banyak dari proses yang bergantung pada ATP yang disertakan dalam bab respirasi dan fotosintesis melibatkan fosforilasi untuk membentuk zat antara yang reaktif, misalnya dalam sintesis glutamin 18 ; dapat dikatakan, ‘hidrolisis’ saja akan menjadi label yang terlalu reduksionis untuk peran yang dimainkan ATP dalam reaksi-reaksi ini. Kami memilih untuk membatasi cakupan kami pada hidrolisis ATP karena (a) terdapat kesalahpahaman yang terdokumentasi secara luas tentang topik ini khususnya, (b) baik atau buruk, topik ini diajarkan secara luas di kelas-kelas biologi, ditunjukkan oleh keberadaannya di buku-buku pelajaran biologi, dan (c) tujuan kami adalah untuk menyelami secara mendalam representasi visual yang digunakan untuk satu konsep tertentu, sebagai lawan dari memberikan pandangan holistik tentang reaksi penggandengan ATP secara umum. Dalam semua buku teks biologi yang dipelajari, gambaran hidrolisis ATP secara langsung mendahului gambaran reaksi ATP-coupled yang lebih bermakna secara biologis yang melibatkan zat antara terfosforilasi. Penelitian selanjutnya akan menyelidiki bagaimana reaksi ATP-coupled yang lebih kompleks (dan lebih relevan secara biologis) ini disajikan. Kami berpendapat bahwa fokus penelitian ini sebenarnya bukan tentang hidrolisis ATP itu sendiri, melainkan bagaimana reaksi ini menjadi studi kasus tentang bagaimana buku teks biologi secara visual merepresentasikan energi dan ikatan kimia.
Kemudian, kami menganalisis sampel praktis dari enam buku teks kimia pengantar tingkat perguruan tinggi (Tabel Tambahan 2 ), yang semuanya diterbitkan dalam 8 tahun terakhir. Karena hidrolisis ATP bukanlah topik inti dari kurikulum kimia umum, seperti yang diharapkan, sebagian besar buku teks ini memuat paling banyak satu gambar yang mewakili ATP, jika ada. Kami malah berfokus pada representasi visual ikatan kimia, pembentukan ikatan, dan pemutusan ikatan secara umum . Untuk melakukan ini, kami mengidentifikasi total 33 gambar di seluruh buku teks kimia, berkisar antara enam hingga sebelas gambar per teks. Untuk menentukan gambar mana yang akan dipilih, kami mencari kata-kata “reaksi eksotermik” dan “pemutus ikatan” di buku teks dan menemukan bab pertama di mana kedua frasa itu muncul bersamaan. Akibatnya, semua gambar ini berasal dari bab-bab di mana ikatan kimia dan energi pertama kali diperkenalkan, sama seperti gambar-gambar biologi berasal dari bab di mana hidrolisis ATP pertama kali diperkenalkan.
2.2 Mengembangkan buku kode
Satu pembuat kode (MY) memilih satu buku teks biologi dan satu buku teks kimia dan menggunakan pendekatan induktif 32 untuk mencantumkan sebanyak mungkin fitur visual pada setiap gambar yang dipilih. Daftar fitur ini adalah buku kode awal, yang kemudian direvisi melalui diskusi dengan peneliti lain (DLN dan LKW). Jika memungkinkan, kami mencoba membuat setiap kode sebagai properti visual objektif yang tidak memerlukan pengetahuan biologi atau kimia untuk mendeteksinya (misalnya, ‘termasuk air’, ‘menampilkan motif petir’). Ini dilakukan dalam upaya untuk meningkatkan keandalan antar penilai dan untuk memungkinkan kode melampaui konten disiplin ilmu tertentu, sehingga memungkinkan skema pengodean yang sama berlaku untuk gambar biologi dan kimia. Berdasarkan pendekatan ini, kami membuat buku kode yang ditunjukkan pada Tabel 1 .
TABEL 1. Deskripsi buku kode untuk menganalisis gambar buku teks biologi dan kimia.
Kode Keterangan
Tingkat representasi struktural Struktur kimia lengkap, struktur parsial/kartun, atau keseluruhan tanpa bagian (misalnya, ATP direpresentasikan sebagai lingkaran monolitik dengan teks ‘ATP’ di dalamnya)
Penyertaan energi Apakah ‘energi’ tercantum dalam kata-kata di suatu tempat dalam gambar, bersama dengan reaktan atau produk?
Penyertaan air ( Khusus untuk gambar buku teks biologi ) Apakah “air” tercantum dalam kata-kata atau diilustrasikan di suatu tempat dalam gambar?
Penggunaan motif petir/halo Apakah desain petir ditemukan di suatu tempat pada gambar (misalnya, reaktan dan/atau produk yang terbungkus dalam bentuk gigi gergaji berwarna kuning?).
Jumlah ikatan pada reaktan versus produk Berapa banyak ikatan yang diilustrasikan dalam reaktan versus dalam produk? Untuk struktur parsial/kartun, jumlah titik kontak yang ditunjukkan dalam molekul reaktan versus produk.
Jumlah reaktan berbeda versus produk Berapa banyak reaktan dan produk yang berbeda? (misalnya, reaksi A + B → C akan dikodekan sebagai dua reaktan berbeda dan satu produk berbeda.)
Alat bantu visual lainnya Alat bantu visual apa lagi yang ada untuk mendukung penalaran? Kami mengkodekan apakah gambar tersebut memilih satu ikatan sebagai ‘ikatan berenergi tinggi’, apakah gambar tersebut menggunakan diagram koordinat reaksi atau menggambarkan siklus energi, dan apakah gambar tersebut secara lengkap menyebutkan ikatan yang putus dan terbentuk dalam reaktan dan produk.
2.3 Pengkodean dan penentuan reliabilitas antar penilai
Dua pembuat kode (MY dan BCA) secara independen mengodekan gambar dari dua buku teks biologi dan kimia yang sama, menggunakan kategori buku kode yang diuraikan dalam Tabel 1. Kemudian, para pembuat kode bertemu untuk menyempurnakan kriteria pengodean dan menghilangkan ambiguitas kasus-kasus ekstrem, dan mereka masing-masing mengodekan gambar yang tersisa secara independen. Kami menggunakan paket R psych untuk menghitung koefisien kappa Cohen 33 , 34 untuk reliabilitas antar penilai, yang masing-masing adalah 0,84 dan 0,88 untuk gambar biologi dan kimia, yang menunjukkan kesepakatan yang kuat. Para pembuat kode kemudian bertemu untuk mencapai resolusi atas ketidaksepakatan dan menyelesaikan pengodean semua gambar hingga mencapai konsensus penuh. Data yang ditunjukkan di sisa makalah ini mewakili kode konsensus antara MY dan BCA
3 HASIL
3.1 Representasi visual ATP dalam buku teks biologi perguruan tinggi
Kami mengkodekan setiap gambar hidrolisis ATP berdasarkan tingkat representasi strukturalnya, mengkategorikan setiap gambar ke dalam satu dari tiga kelompok: utuh tanpa bagian, struktur parsial/kartun, dan struktur kimia lengkap. Gambar 1 menunjukkan reka ulang gambar representatif dari setiap kategori. Perhatikan bahwa kategori ‘struktur kimia lengkap’ juga berisi representasi visual yang menampilkan struktur rangka parsial, seperti tempat basa nitrogen (adenin) dan ribosa digambar dalam bentuk rangka. Selama gugus fosfat (peserta aktif utama dalam reaksi hidrolisis) digambar secara lengkap, gambar tersebut dimasukkan ke dalam kategori ‘struktur kimia lengkap’. Mayoritas (57%) gambar hidrolisis ATP merepresentasikan ATP secara keseluruhan tanpa subbagian internal, 47% gambar menyertakan struktur parsial/kartun, dan 20% menunjukkan struktur kimia lengkap. Persentase ini berjumlah di atas 100% karena beberapa gambar menggunakan beberapa tingkat representasi dalam ilustrasi yang sama, misalnya menunjukkan ATP dalam bentuk kartun dengan kotak keterangan yang memperbesar struktur kimia gugus fosfat.
Tingkat representasi struktural hidrolisis ATP pada gambar buku teks biologi perguruan tinggi ( n = 30).
Kami juga mengkodekan setiap gambar buku teks biologi untuk representasi energinya. Mayoritas (74%) gambar biologi menyertakan teks ‘energi’, meskipun lokasinya tidak konsisten. Banyak (27%) gambar memposisikan ‘energi’ berdekatan dengan produk hidrolisis (yaitu, pada level yang sama dengan ADP dan Pi ) , sementara yang lain (47%) memposisikan ‘energi’ di sebelah panah reaksi (yaitu, di antara reaktan dan produk). Lebih jauh lagi, sebagian besar (86%) gambar menyertakan beberapa varian motif petir/halo (Gambar 2 ), meskipun lokasi dan makna halo ini heterogen baik di seluruh maupun di dalam teks. Pada 43% gambar, motif halo mengelilingi molekul ATP; pada 23% gambar, halo mengelilingi kata ‘energi’; dan pada 20% gambar, baik molekul ATP maupun energi dikelilingi oleh halo. Lebih jauh lagi, tidak ada keterangan gambar yang menyertakan deskripsi teks apa pun yang secara eksplisit merujuk pada motif halo atau apa artinya.
Penggunaan motif halo untuk menggambarkan energi dan/atau ATP pada gambar buku teks biologi perguruan tinggi ( n = 30).
3.2 Perbandingan representasi visual pada buku teks biologi dan kimia
Kami menemukan bahwa gambar buku teks biologi dan kimia menggunakan alat bantu visual untuk lebih memperkuat mekanisme dan arah transformasi energi. Gambar buku teks biologi, dan pada tingkat yang lebih rendah kimia, menggunakan siklus energi (seperti yang ditunjukkan di bagian atas Gambar 3 ) untuk menggambarkan arah masukan dan keluaran energi dan untuk menekankan sifat reversibel reaksi kimia. Sementara 37% gambar buku teks biologi secara eksplisit menggunakan siklus untuk menggambarkan hidrolisis/sintesis ATP, hanya 18% gambar kimia yang menggambarkan siklus energi.
Prevalensi alat bantu visual untuk mendukung penalaran tentang energi dalam buku teks biologi perguruan tinggi ( n = 30) dan buku teks kimia perguruan tinggi ( n = 33).
Sementara siklus energi umum terdapat pada buku teks biologi dan kimia, alat bantu visual lainnya lebih terkotak-kotak menurut disiplin ilmu. Khususnya, 13% tokoh biologi memilih “ikatan berenergi tinggi” dalam reaktan sebagai kekuatan pendorong reaksi, sedangkan tidak ada tokoh kimia yang menyoroti ikatan tunggal dengan cara ini. Meskipun 13% merupakan persentase yang relatif rendah (mungkin menunjukkan tren umum yang menjauh dari jenis representasi ini), temuan ini tetap menyoroti bahwa metafora pemutusan “ikatan berenergi tinggi” pada dasarnya tidak ada dalam kimia.
Buku teks kimia juga menggunakan alat bantu visual lain yang sebagian besar tidak ada dalam buku teks biologi. Mayoritas (74%) gambar kimia menggunakan diagram koordinat reaksi untuk menunjukkan bagaimana energi berubah sebagai fungsi dari tingkat reaksi, sedangkan hanya satu gambar biologi yang menggunakan ini dalam konteks ATP. Lebih jauh, 50% gambar kimia secara eksplisit menyebutkan semua ikatan yang putus dan terbentuk dalam reaktan versus produk, sedangkan ini dilakukan hanya dalam satu gambar biologi. Setiap buku teks kimia menyebutkan ikatan dalam layanan untuk menghitung energi reaksi keseluruhan, mengurangi energi yang dilepaskan melalui pembentukan ikatan produk dari energi yang dibutuhkan untuk memutus ikatan reaktan. Contoh-contoh tersebut secara eksplisit menyoroti sifat eksotermik dari pembentukan ikatan dan sifat endotermik dari pemutusan ikatan, ide kunci yang tersirat atau tidak ada dalam gambar biologi.
Selanjutnya kami mengkarakterisasi atribut spesifik reaktan dan produk yang digambarkan dalam gambar buku teks biologi dan kimia. Kami menemukan bahwa 64% gambar biologi tidak menyertakan air meskipun perannya yang penting dalam hidrolisis ATP. Dengan kata lain, 64% dari semua gambar biologi berbentuk ATP → ADP + Pi ( Gambar 4a ). Untuk menggeneralisasi hasil ini di luar ATP, kami memutuskan untuk mengklasifikasikan gambar-gambar ini sebagai ‘satu reaktan → beberapa produk’, untuk menangkap rasio reaktan versus produk yang digambarkan secara eksplisit. Selanjutnya, kami mencari semua gambar buku teks kimia dalam bentuk ‘satu reaktan → beberapa produk’ atau ‘beberapa reaktan → satu produk’, dan kami menentukan apakah setiap reaksi bersifat eksotermik atau endotermik.
Rasio reaktan dan produk yang berbeda pada gambar buku teks biologi dan kimia. (a) Ilustrasi representatif hidrolisis ATP pada buku teks biologi perguruan tinggi, menunjukkan satu reaktan (ATP) menjadi beberapa produk (ADP dan Pi ) (b) Diagram batang bertumpuk yang membandingkan rasio reaktan: produk dalam reaksi endotermik versus eksotermik pada gambar buku teks kimia.
Gambar 4b menunjukkan bahwa 100% gambar kimia dalam bentuk ‘satu reaktan → beberapa produk’ menggambarkan reaksi endotermik. Hampir semua reaksi tersebut merupakan contoh dekomposisi termal, di mana satu reaktan tunggal terurai menjadi bagian-bagian penyusunnya. Satu peringatan adalah bahwa dalam bab-bab selanjutnya dari buku teks kimia (di luar cakupan analisis ini), terkadang ada reaksi yang tampaknya melanggar tren ini. Misalnya, kerusakan ozon (O 3 → O 2 + O) tampaknya merupakan ‘satu reaktan → beberapa produk’ tetapi sebenarnya eksotermik. Akan tetapi, kerusakan ozon sebenarnya merupakan reaksi multi-tahap yang terdiri dari langkah-langkah dasar yang lebih kecil, dan dalam langkah-langkah dasar ini, semua reaksi yang merupakan ‘satu reaktan → beberapa produk’ bersifat endotermik. Analisis kami saat ini menunjukkan bahwa siswa umumnya tidak menemukan reaksi multi-tahap yang tampaknya melanggar tren di awal buku teks kimia mereka. Selain itu, kami menemukan bahwa 100% gambar kimia dalam bentuk ‘beberapa reaktan → satu produk’ menggambarkan reaksi eksotermik. Hasil ini penting karena sangat bertentangan dengan representasi hidrolisis ATP dalam buku teks biologi. Meskipun ‘satu reaktan → beberapa produk’ secara universal digunakan untuk proses endotermik dalam kimia, 67% gambar biologi merepresentasikan ATP dengan cara ini, padahal hidrolisis ATP sebenarnya eksotermik. Dengan kata lain, tidak ada satu pun gambar buku teks kimia yang merepresentasikan proses eksotermik dalam bentuk ‘satu reaktan → beberapa produk’, meskipun ini adalah representasi modal hidrolisis ATP dalam buku teks biologi.
Tentu saja, hidrolisis ATP sebenarnya bukan ‘satu reaktan → beberapa produk’ meskipun diilustrasikan seperti itu. Jika air disertakan dalam gambar-gambar ini, prosesnya akan menjadi ‘beberapa reaktan → beberapa produk’. Tidak seperti ‘satu reaktan → beberapa produk’ atau ‘beberapa reaktan → satu produk’, yang secara universal dikaitkan dengan reaksi endotermik dan eksotermik, ‘beberapa reaktan → beberapa produk’ dapat bersifat eksotermik dan endotermik. Memang, dalam gambar buku teks kimia terdapat banyak contoh reaksi eksotermik dan endotermik yang merupakan ‘beberapa reaktan → beberapa produk’, yang menunjukkan bahwa konfigurasi ini cocok untuk kedua jenis reaksi. Ini terutama karena jika suatu reaksi eksotermik, maka reaksi baliknya adalah endotermik dan sebaliknya (baik reaktan maju maupun mundur tetap menjadi ‘beberapa reaktan → beberapa produk’).
Bahasa Indonesia: Selain jumlah reaktan dan produk yang ditampilkan, fitur menonjol lain dari gambar biologi dan kimia adalah jumlah total ikatan yang ditampilkan dalam reaktan dan produk. Pertimbangkan gambar representatif hidrolisis ATP yang ditunjukkan pada Gambar 5a . Meskipun ini adalah representasi kartun ATP, masih ada empat subbagian berbeda yang ditampilkan (adenosin dan tiga fosfat terpisah), yang digabungkan dengan total 3 garis/ikatan penghubung. Sebaliknya, hanya dua garis/ikatan penghubung yang digambarkan dalam produk. Faktanya, 80% gambar biologi merepresentasikan ATP dengan cara ini, dalam bentuk ‘lebih banyak ikatan dalam reaktan → lebih sedikit ikatan dalam produk’. Sekali lagi, kami mengidentifikasi semua gambar kimia dalam bentuk ‘lebih banyak ikatan → lebih sedikit ikatan’ dan ‘lebih sedikit ikatan → lebih banyak ikatan’ dan mengkategorikan setiap reaksi sebagai eksotermik atau endotermik.
Rasio ikatan pada reaktan dan produk dalam gambar buku teks biologi dan kimia. (a) Ilustrasi representatif hidrolisis ATP dalam buku teks biologi perguruan tinggi, menunjukkan lebih banyak ikatan pada reaktan (ATP) dan lebih sedikit ikatan pada produk (ADP dan Pi ) (b) Bagan batang bertumpuk yang membandingkan rasio ikatan dalam reaksi endotermik dengan reaksi eksotermik dalam gambar buku teks kimia.
Gambar 5b menunjukkan bahwa 92% gambar kimia yang menyatakan ‘lebih banyak ikatan → lebih sedikit ikatan’ bersifat endotermik, dan 8% bersifat eksotermik. Perbedaannya bahkan lebih tajam dalam kategori ‘lebih sedikit ikatan → lebih banyak ikatan’, di mana 100% reaksi ini bersifat eksotermik. Perhatikan lagi kontradiksi antara gambar buku teks kimia dan biologi. Meskipun hidrolisis ATP digambarkan sebagai ‘lebih banyak ikatan → lebih sedikit ikatan’ dalam buku teks biologi, dalam buku teks kimia sebagian besar reaksi tersebut bersifat endotermik.
Yang penting, hasil pada Gambar 5b tidak sehitam-putih seperti pada Gambar 4b . Memang, bisa ada reaksi eksotermik yang ‘lebih banyak ikatan → lebih sedikit ikatan’, karena eksotermisitas suatu reaksi lebih dari sekadar menghitung jumlah ikatan. Kekuatan ikatan pada akhirnya menjadi faktor penentu; jika suatu reaksi melepaskan lebih banyak energi dalam membentuk ikatan produk daripada yang dibutuhkan untuk memutus ikatan reaktan, maka reaksi tersebut eksotermik. Oleh karena itu, sangat mungkin bagi reaksi eksotermik untuk berbentuk ‘lebih banyak ikatan → lebih sedikit ikatan’, asalkan ikatan yang diputus dalam reaktan relatif lemah, dan ikatan dalam produk kuat dan melepaskan cukup energi saat terbentuk untuk mengimbangi masukan energi awal yang dibutuhkan. Namun, contoh-contoh seperti itu adalah minoritas (7%), dan sebagian besar reaksi eksotermik yang dilihat oleh mahasiswa kimia adalah ‘lebih sedikit ikatan → lebih banyak ikatan’. Ini merupakan contoh kontras representasional utama lainnya antara biologi dan kimia.
4 DISKUSI
4.1 Representasi hidrolisis ATP dalam buku teks biologi
Pekerjaan kami telah menjelaskan sejumlah perbedaan utama antara representasi visual hidrolisis ATP dalam buku teks biologi dan representasi reaksi eksotermik dalam buku teks kimia. Pertama, kami menemukan bahwa buku teks biologi dan kimia menggunakan alat bantu visual yang berbeda untuk mendukung penalaran tentang transfer energi yang mendasari dalam suatu reaksi. Gambar biologi menyoroti “ikatan berenergi tinggi” dalam reaktan, sedangkan tidak ada gambar kimia yang memilih satu ikatan sebagai agen kausal untuk suatu reaksi. Lebih jauh, gambar kimia lebih cenderung menggunakan diagram koordinat reaksi dan menghitung setiap ikatan yang putus dan terbentuk. Peringatan penting untuk temuan ini adalah bahwa konteksnya bervariasi dari gambar ke gambar. Meskipun semua gambar buku teks biologi dirancang khusus untuk menjelaskan hidrolisis ATP, gambar buku teks kimia diambil dari bab yang lebih luas tentang energetika reaksi secara umum. Karena konteksnya bervariasi di antara gambar, perubahan konteks mungkin lebih memotivasi penggunaan alat bantu visual tertentu daripada yang lain. Misalnya, gambar buku teks kimia yang diambil dari konteks menjelaskan pembentukan senyawa ionik lebih cenderung menggunakan diagram koordinat reaksi untuk menggambar siklus Born-Haber. Oleh karena itu, ketergantungan konteks ini membatasi kemampuan kita untuk membuat perbandingan langsung satu-satu antara biologi dan kimia. Meskipun demikian, kami percaya bahwa membuat perbandingan umum masih berharga karena semua gambar buku teks kimia masih berfokus pada tema umum mengapa reaksi bersifat eksotermik atau endotermik dari sudut pandang pemutusan/pembentukan ikatan. Lebih jauh, kami mencoba mengambil gambar buku teks kimia dari bab paling umum tentang energetika kimia secara lebih luas, dibandingkan dengan bab yang memiliki fokus kontekstual yang lebih spesifik (misalnya, ikatan ionik). Oleh karena itu, perbedaan utama antara gambar kimia dan biologi masih berharga untuk ditunjukkan – misalnya, perlu dicatat bahwa bahkan dengan konteks kimia yang luas ini, konsep “ikatan berenergi tinggi” tunggal tidak muncul sekali pun dalam gambar buku teks kimia mana pun untuk membenarkan energetika reaksi. Sayangnya, variabilitas konteks ini bukanlah variabel yang dapat kami kendalikan, meskipun kami mencoba memilih bab buku teks kimia yang paling terkait secara tematis dengan pemutusan/pembentukan ikatan dan eksotermisitas/endotermisitas, karena ini adalah topik khusus yang paling sulit dipahami siswa dalam menjelaskan hidrolisis ATP. 10
Kedua, buku teks biologi tidak konsisten dalam penggunaan halo visual untuk mewakili energi dan ATP. Studi sebelumnya telah mendokumentasikan bahwa siswa terkadang bingung tentang sifat ATP dan energi. Misalnya, dalam satu studi, seorang siswa menggambarkan ATP sebagai ” suatu bentuk energi yang dapat membantu terjadinya reaksi “. 7 Siswa lain memberikan deskripsi ATP yang terlalu disederhanakan sebagai setara dengan energi itu sendiri, yang bertentangan dengan karakterisasi ATP yang lebih akurat sebagai molekul penyimpanan. Kami berspekulasi bahwa salah satu sumber kebingungan ini bisa jadi adalah gambar buku teks di mana ATP dan energi keduanya disorot dengan halo atau dilambangkan dengan ledakan eksplosif. Gambar-gambar seperti itu dapat menyebabkan siswa menggambar kesetaraan palsu antara molekul ATP dan energi, yang berpotensi menyiratkan bahwa molekul ATP lebih mirip konstitusinya dengan energi daripada dengan molekul ADP (yang digambar tanpa halo di sekitarnya).
Lebih jauh, kami menemukan bahwa mayoritas representasi buku teks biologi tentang hidrolisis ATP berbentuk “satu reaktan → beberapa produk” dan “lebih banyak ikatan dalam reaktan → lebih sedikit ikatan dalam produk”, yang merupakan kebalikan dari bagaimana buku teks kimia biasanya merepresentasikan proses eksotermik. Salah satu alasan mengapa buku teks biologi mungkin memilih untuk menghilangkan air (sehingga menciptakan kesan “satu reaktan → beberapa produk”) adalah karena semua reaksi biologis diasumsikan terjadi dalam media berair, oleh karena itu orang dapat berpendapat bahwa memasukkan H 2 O dalam diagram mungkin tampak berlebihan. Sementara seorang mahasiswa sarjana mungkin tahu bahwa sel terdiri dari 70% air, tidak secara eksplisit menunjukkan molekul air dalam reaksi hidrolisis dapat secara tidak sengaja menghilangkan konteks penting bagi pelajar. Oleh karena itu, penelitian di masa mendatang akan mengeksplorasi sejauh mana pengecualian air mengarah pada interpretasi gambar yang sangat berbeda oleh siswa. Kami berspekulasi bahwa menunjukkan hidrolisis ATP sebagai “lebih banyak ikatan → lebih sedikit ikatan” juga dapat menjadi faktor yang berkontribusi dalam pemikiran siswa bahwa hidrolisis ATP murni merupakan reaksi pemutusan ikatan dan bukan pembentukan ikatan. Yang penting, pekerjaan di masa mendatang diperlukan untuk memverifikasi hipotesis ini dan menentukan representasi visual mana yang bermakna bagi interpretasi siswa terhadap gambar tersebut. Meskipun demikian, kami percaya penelitian kami merupakan langkah awal yang penting dalam menyoroti apa yang sebenarnya terkandung dalam representasi visual tersebut, menyediakan serangkaian variabel untuk dimanipulasi dalam pekerjaan di masa mendatang.
4.2 Kerangka kerja yang diusulkan untuk sumber daya konseptual siswa tentang hidrolisis ATP
Berdasarkan hasil kami, kami mengusulkan model yang ditunjukkan pada Gambar 6 dari sumber daya kognitif siswa mengenai energi dan ikatan. Dalam model ini, sumber daya konseptual yang biasanya diperoleh dalam sumber daya instruksional biologi diberi kode warna biru, dan yang dari kimia diberi kode warna oranye. Berdasarkan model ini, kita dapat berhipotesis bagaimana inaktivasi sebagian sumber daya siswa dapat mengarah pada kesimpulan yang salah tentang mekanisme hidrolisis ATP. Misalnya, jika siswa hanya mengaktifkan sumber daya 1 dan 2 dari Gambar 6 (“Hidrolisis ATP melibatkan pemutusan ikatan fosfodiester” + “Hidrolisis ATP melepaskan energi”), ini dapat mengarah pada kesimpulan yang salah bahwa “Hidrolisis ATP melepaskan energi karena pemutusan ikatan yang tidak stabil melepaskan energi”. Dalam menarik kesimpulan seperti itu, siswa tidak mengakses sumber daya kimia mereka bahwa “membentuk ikatan melepaskan energi” dan “memutus ikatan membutuhkan energi”.
Model yang diusulkan untuk sumber daya konseptual siswa tentang energi dan ikatan, dan bagaimana aktivasi sebagian sumber daya ini dapat mengarah pada kesimpulan yang salah tentang hidrolisis ATP. Kesimpulan yang salah ditunjukkan dengan tanda bintang.
Kami berhipotesis bahwa ada beberapa alasan mengapa siswa membiarkan sumber daya konseptual khusus kimia mereka tidak aktif. Salah satu kemungkinan adalah bahwa sumber daya tertentu memang hilang sejak awal. Misalnya, siswa mungkin tidak memiliki pengetahuan bahwa “hidrolisis ATP melibatkan pembentukan ikatan baru yang stabil dalam produk”, alih-alih secara keliru mempercayai bahwa hidrolisis ATP hanya melibatkan pemutusan ikatan. Oleh karena itu, jika pembentukan ikatan tidak dikenali sebagai komponen utama reaksi, tidak ada alasan untuk mengaktifkan sumber daya kimia yang menyatakan bahwa “pembentukan ikatan melepaskan energi”. Selain itu, representasi visual yang berbeda dapat secara berbeda mempersiapkan siswa untuk mengaktifkan subset sumber daya tertentu. Misalnya, jika siswa selalu melihat hidrolisis ATP dalam bentuk “lebih banyak ikatan dalam reaktan → lebih sedikit ikatan dalam produk”, ini dapat lebih mengarahkan perhatian mereka ke pemutusan ikatan sebagai komponen penting dari hidrolisis ATP. Akhirnya, siswa mungkin menyadari sumber daya konseptual kimia mereka tetapi secara aktif menekannya, karena mereka mengantisipasi bahwa memunculkan sumber daya tersebut dapat menciptakan disonansi kognitif. Misalnya, seorang siswa dalam studi sebelumnya menyatakan, “ Saya merasa saya bisa membaginya ke dalam dua cara, jadi saya mengerti mengapa seseorang akan mengatakan salah satu atau yang lain, tetapi untuk biologi saya tahu apa yang [instruktur] ingin kita katakan dan untuk kimia saya tahu apa yang harus kita katakan ”. 7 Pekerjaan di masa depan akan mengeksplorasi sejauh mana representasi visual yang berbeda berkontribusi pada siswa dalam mengembangkan seperangkat sumber daya konseptual yang terpadu atau tidak selaras.
4.3 Keterbatasan dan pekerjaan masa depan
Ada sejumlah keterbatasan dalam karya ini. Meskipun kami berusaha mengkarakterisasi perbedaan antara representasi visual biologi dan kimia, karya ini tidak mensurvei siswa tentang bagaimana mereka menanggapi perbedaan tersebut. Karya selanjutnya akan menyelidiki bagaimana siswa menafsirkan berbagai jenis representasi visual yang diidentifikasi di sini, dan apakah representasi yang berbeda mengarahkan siswa untuk mengaktifkan sumber daya konseptual yang berbeda. Mengkarakterisasi secara tepat perbedaan dalam apa yang dilihat siswa merupakan prasyarat yang diperlukan untuk memahami dampak perbedaan tersebut pada penalaran siswa.
Kedua, cakupan analisis buku teks kami hanya berfokus pada gambar dan bukan teks. Fokus pada representasi visual atas teks ini merupakan tren yang lebih luas dalam studi analisis buku teks, 28 dan penelitian selanjutnya akan mengeksplorasi bagaimana hidrolisis ATP dijelaskan dalam isi buku teks biologi. Selain itu, kami berharap untuk mengeksplorasi bagaimana instruktur menjelaskan hidrolisis dan ikatan ATP dalam konteks kelas mereka yang sebenarnya. Lebih jauh, buku teks hanyalah salah satu dari banyak sumber daya instruksional yang digunakan oleh siswa: penelitian selanjutnya dapat berfokus pada karakterisasi video biologi daring untuk memperluas cakupan sumber daya yang dikarakterisasi.
Singkatnya, karya ini menyajikan kemungkinan faktor yang berkontribusi terhadap pemahaman siswa yang terfragmentasi tentang ikatan kimia dan energi. Kami mengusulkan bahwa representasi visual yang saling bertentangan di seluruh mata kuliah kimia dan biologi dapat menyebabkan sumber daya konseptual yang saling bertentangan tentang ATP dan ikatan, dan kami menyediakan titik awal untuk karya selanjutnya yang menyelidiki dampak perbedaan visual ini pada pengetahuan siswa.
