Javaslat a mechanika tanítás megújítására
Martinás Katalin
ELTE
Válságban van a fizika oktatása. A fizika egyszerű, szép és a természetről szól. Ezt mi, fizikusok tudjuk- de sajnos a fizika oktatásunk ezt a tudást a diákok egy jelentős része felé nem képes közvetíteni. A diákok (és a felnőttek) inkább űgy vélik, hogy a fizika nehéz és érthetetlen. A diákok (és a felnőttek zöme is) a fizikát nem a természet tudományának érzi, hanem egy autista, önmagáról szóló érthetetlen elméletnek, amelynek számukra semmi haszna.
Miért ez a kis hatékonyság? Szokás ezért a tanárokat hibáztatni- pedig a tanáraik rendelkeznek azzal a tudással, ami az eredményes oktatáshoz kell- és tanáraink zöme is szereti a szakmáját és szeret(ne) jól tanítani. Természetes, hogy a jobb munkafeltételek, továbbképzések, irodalom biztosítása, több pénz a laborokra – javítana a tanítás hatékonyságán - de nagy a diszkrepancia a tanáraink tudása, erőfeszítése és az eredmény között. Szokás a tankönyveket is szidni. De a tankönyveink is jók. Tipikus válaszként a fizikához való viszonyra egy középiskolás lánnyal való beszélgetésemet mesélem el. (A tanára évfolyamtársam volt, de ezt csak a beszélgetés végén árultam el.) A diák elmondta nekem, hogy a fizika tanára, Kati néni a legjobb fej a tanáraik között. Meg is tanulom, és ötösöm van de „ Én nem vagyok elég okos ahhoz, hogy megértsem”. – azért vannak néhányan, akik olyan okosak, hogy meg is értik - de Kati nénit mindenki szereti.
Ha nem a tanár és nem a tankönyv a hibás, akkor meg kell keresni a probléma gyökerét. Vagy a gyerekben vagy a koncepcióban lehet csak a hiba. Vannak olyan gyerekek is, akik szeretik a fizikát, és vagyunk ilyenek néhányan felnőttek is. Azért lettünk fizikusok és/vagy fizika tanárok, mert számunkra a fizika érdekes, szép és egyszerű volt. Csak sajnos az elmúlt időszakban inkább csökkent, mint nőtt a fizikát élvező diákok száma.
Szerintem a fizika oktatás koncepciója miatt jelentkezik a probléma, amely koncepció nem veszi figyelembe az életkori sajátságokat. A mechanika tanítása tradicionálisan abból indul ki, hogy a gyermek egy naiv, hibás (arisztoteliánus) világképpel rendelkezik, amelyről a fizika órákon meg kell mutatni, hogy helytelen. Helyette egy igaz, newtoni képet adunk, amely a teljes világ leírása. .
Saját tapasztalataim alapján ezt a programot a gyerekeknek csak egy kis része tudja befogadni. A másik rész feladja a küzdelmet, és abbahagyja a fizika megértését. Ettől kezdve meg sem próbálja azt. Úgy véli, hogy a fizika tanár olyat mond, ami számára nem igaz. (Természetesen, ahhoz, hogy a gyerek ezt ki merje mondani -kell legalább egy, a fizikát értőnek tekintett szülő.) A szokásos reakció az, hogy ő naiv és buta (hiszen az arisztoteliánus képben látja a világot), tehát a fizika nem róla szól, nem neki való. Versként megtanulja, azt ami kötelező- ha jó jegyet akar a család, akkor külön tanár beidomítja a példa megoldásra - azután pedig gyorsan elfelejt mindent. Szülőként meg se próbál segíteni, sőt olyan mérnökkel is találkoztam, aki nem tudott a fiának kémia és fizika problémáiban segíteni.
A felmérések helyett a saját esetemet ismertetem most. Gyermekeim jó iskolákba, jó tanárokhoz jártak. Fizikából azonban súlyos problémák jelentkeztek. Fiam általános iskolás korában sokszor érezte úgy, hogy ő nem érti a fizikát. Az egyik problémája: a következő volt:
-Azt tanultuk, hogy a „magára hagyott test megtartja mozgásállapotát”. Nem értem. Ezek szerint a tankönyv írója és Marika néni (fizika tanárja) még nem hallott a Big Bang-ről? Ha a világ maga véges, akkor mi értelme van az örökké való mozgásról beszélni. És úgy látszik, hogy a Marika néni még soha nem ült autóban. Próbálja magára hagyni az autóját, meglátja, hogy leáll az autó benzin nélkül.
Megértettem a problémáját. Általános iskolás korban a magára hagyott test egy olyan absztrakció, amit nem tud elképzelni a legtöbb gyerek. Szerintük az a magára hagyott, amit magára hagytunk, azaz nem mozgatunk. Ha példákkal valahogy közelebb hozzuk, ahogy a tanár is megtette (de arra a fiam nem figyelt), akkor megérti a különbséget. De a problémáján ez sem segített. Nem tudta elképzelni, hogy ez miért lehet érdekes számára. Miért hasznos egy ilyen nem létező világról tanulni? Mi köze van ennek a valósághoz?
Természetesen vannak olyan gyerekek, akik már 12 éves korban megértik az absztrakciót, és megértik azt a csodát, hogy a newtoni mechanikával a természet leírásának és megértésének egy hatékony eszközét kapták meg. A többségnél viszont sajnos a problémák sem kerülnek napvilágra, és marad az a hit, hogy ő a buta. Sajnos a szülői tapasztalatok erősítik ezt a hozzáállást, hiszen általában a szülők sem értik a fizikát. Néha előfordul, hogy középiskolában (amikor már érettebb, magasabb absztrakciós szinttel rendelkezik a diák) helyre áll a megértés, de sajnálatos módon kevés ilyen esettel találkoztam.
A diagnózis már sugallja a választ. Ha azt akarjuk, hogy a fizika a természet tudománya legyen, akkor természettudományként kell tanítani. A gyerek saját tapasztalataiból kell kiindulni, és nem azt kell tanítani, hogy hibás a szemlélete, hanem azt, hogy a világ megismerhető a tapasztalataiból kiindulva. A Newtoni mechanikát csak középiskolában szabadna tanítani, mert addigra már kifejlődik az az absztrakciós szint, amelynél az alapfogalmak taníthatók.
A fizika oktatás feladata a tapasztalatok és a tudományos fogalmak közötti kapcsolat megteremtése kell, hogy legyen. Általános iskolában az axiómák helyett a lendületet vezessük be a tapasztalatok, a megfigyelések alapján. A lendület fogalmán és a lendület megmaradás törvényén alapuló oktatás a hagyományos oktatással szemben több előnyös tulajdonsággal is rendelkezik. A gyerek saját tapasztalatainak rendszerezésével vezethető be, és nincs szükség absztrakt, nehezen érthető fogalmakra. Nincs szükség a magára hagyott test, a tömegpont, és a vákuum fogalmainak erőltetésére. Továbbá, a kísérleteket a gyerekek maguk végezhetik, nem kellenek drága berendezések – még fizika labor sem kell hozzá. Az osztályteremben megvalósíthatóak.
Egy lehetséges tananyag felépítést vázolok fel. Mivel itt lényegében a meglévő tananyag átcsoportosításról lenne szó – csak a címszavakat adom meg.
A tananyag 6 blokkból állna:
1. Bevezetés a természettudományba
Sebesség, tömeg, távolság
Van egy jelentős különbség a mai gyerekek és a korábbiak között. A barkácsolás gyakorlatilag eltűnt a gyermeki tevékenységből- ezért a mai gyerekek fizikai adat ismerete (mi milyen hosszú, hány kilós,..) még annál is kisebb, mint amivel mi rendelkeztünk. A legózás és a számítógép sok előnyös tulajdonságot kifejleszt, de nem tanítja meg azt, hogy „Mi mennyi?” Pedig a fizika a matematika nyelvén szól hozzánk. A természet sok jellemzője mérhető mennyiséggel reprezentálható. Ennek felismertetéséhez (megtanításához) a gyerekekkel sok sok mérést szükséges elvégeztetni, hogy kialakuljon a becslés képessége.
Ezután a jellemző méreteket már összegyűjthetik és megbeszélhetik.
A pontos matematikai definíció helyett a környező világ jellemző értékeit, nagyságát kell megtanítani. Radnóti Katalinnal elkészítettünk egy oktatási segédanyagot, amellyel kb. a nagyságok és a mérések megtaníthatóak. Javaslatunk, hogy először a körülöttük lévő tárgyakat mérjék le, és azután következhet az adat gyűjtés a világban előforduló jellemző nagyságokról. A mérésekhez nem kellenek különleges eszközök, nincs igazán anyagi vonzatuk. De arra gondoltunk például, hogy ha a tanterem mérése a feladat, amit le kell mérni méterben, lábbal, lépéssel -akkor egy részük („becsapva a tanárt”) csak egy mérést végez és átszámítja a mértékegységeket- így ezzel megtanulja a mértékegységeket is.
2. A mechanikai tapasztalatok megerősítése-
Mozgatáshoz erő kell..
(A hétköznapi életben és a gyerek nyelv használatában az erő és az energia nem válik szét- a pontos definíciót érdemesebb későbbre hagyni.)
Az erő (energia befektetés) a sebességgel arányos. Rugós-erőmérővel be is mutatható. Ezután annak bemutatása következzék, hogy ez az arányosság nem természettörvény- csak közelítés. Kitérhetünk arra, hogy a bonyolultabb rendszereknél (autó) van egy optimális sebesség, amelynél minimális az üzemanyag fogyasztás. Ugyanígy az embernek is megvan a saját tempója- amikor legkevésbé fárad el.
3. A mozgáshoz nem kell mindig erőkifejtés.
A lendület – és megmaradása
Példák arra, hogy nem kell állandó erőhatás a mozgás fenntartásához..
Miért nem kell állandóan tekerni a biciklin?
Mi mozgatja a kilőtt nyílvesszőt?...
Miért esünk el, ha nem kapaszkodunk a villamoson?
A természet nyelvén megfogalmazva: van egy mennyiség- a lendület- ami fokozatosan tűnik el.
Kísérletekkel (inga, kis kocsi, pénz pöckölés...) be lehet mutatni, hogy a lendület mérhető, és a lendület a tömeg és a sebesség. szorzata.
Természettörvény kimondása következhet- a világunkban a lendület megmarad.
Példák keresése- például a rakéta működése.
4. A lendület változása-
Tapasztalat: a leejtett tárgyak lendülete változik. Lejtős kísérlettel megmutatjuk, hogy a lendület változása időben állandó.
Az erő bevezetése. (Ezzel vissza is térünk a történelmi úthoz, az eredeti newtoni bevezetéshez).
Beszéljük meg, hogy mikor arányos az erő a sebességgel- és mikor igaz, hogy az erő a lendület megváltozását adja meg.
Miért nem esnek akkor azonos sebességgel a testek? Itt bevezethető a légüres tér- a vákuum. (Vákuum az, amelyben azonos sebességgel esnek- mert nincs lendület átadás.)
5. A logikai teljesség megkövetelné, hogy példákon keresztül a perdületet és megmaradását is vezessük be már az általánosban.
6. A Newton törvények bevezetése
Valószínű, hogy ez már csak középiskolában valósítható meg- amikor az axiomatikus rendszerekről és a matematikai zártságról beszélhetünk.
A lendület átadás hiányával bevezethetjük a légüres teret, és ezután már bevezethető a magára hagyott test fogalma is- olyan test, amelynek a lendülete nem változik. Azaz légüres térben van és nincs erőhatás.
.