)
Jeszcze raz przychodzi mi wrci do tematu nauczania fizyki, bdcej nauk z jednej strony silnie sformalizowan, a z drugiej przyrodnicz, w sensie opisywania rzeczywistej materii. Dyscyplina ta stanowi jeden z podstawowych przedmiotw nauczania u pocztku wielu kierunkw studiw. Dla wikszoci studentw jest to zarazem ostatni systematyczny kontakt z t dziedzin wiedzy, jeli akurat nie wybior specjalnoci, w ktrej konieczne jest szerokie i intensywne korzystanie z metod czy teorii nalecych do fizyki.
Fizyka u pocztku swych dziejw nowoytnych okrelana bya, przynajmniej w tradycji anglosaskiej, jako filozofia naturalna, co zwracao uwag z jednej strony na jej charakter teoretyczny, a z drugiej na bezporednie odniesienia do szeroko pojmowanej Natury - rzeczywistoci materialnej. Oczywiste wydaje si zatem podejcie do nauczania tej dziedziny oparte na dowiadczeniu, z ktrego cz obejmuje proste wiadectwa zmysw, reszta za wymaga zrozumienia elementw teoretycznych, lecych u podstaw interpretacji bardziej skomplikowanych obserwacji, czynionych czsto za pomoc specjalnych przyrzdw.
U podoa owego podejcia powinna lee „filozofia” usilnego pokazywania, e omawiane w podrcznikach i na salach wykadowych teorie, wraz z zawartymi w nich formuami matematycznymi, cho czsto zdaj si by mocno abstrakcyjne, odnosz si jednak do konkretnych, obserwowalnych obiektw i zjawisk. Z tego wzgldu integraln czci nauczania podstaw fizyki czy te tak zwanej fizyki oglnej, powinien by bliski kontakt z materi i jej omawianymi cechami, przyjmujcy tradycyjnie posta demonstracji w trakcie wykadu oraz wicze laboratoryjnych. Ta ostatnia forma zaj powinna pozwoli na poziomie do elementarnym dostrzec zwizki midzy rzeczywistymi wasnociami obiektw materialnych a ich teoretyczn - jakociow i ilociow - reprezentacj w postaci symboli i formalnych relacji midzy nimi.
W caym systemie edukacji fizyka traktowana jest jako jedna z podstawowych dziedzin wiedzy, niezbdnych do oglnego wyksztacenia czowieka. Jako przedmiot jest obecna w programach nauczania oglnego gimnazjum i szk rednich. W kontekcie tego, co napisano wyej o nauczaniu fizyki, wielce budujca jest lektura podstawy programowej do gimnazjum. Wrd celw edukacyjnych wymienia si tam „poznanie podstawowych praw opisujcych przebieg zjawisk fizycznych i astronomicznych w przyrodzie” oraz „wykorzystanie wiedzy fizycznej w praktyce ycia codziennego”, a jako zadania szkoy wskazuje midzy innymi „zapoznanie uczniw z podstawowymi prawami przyrody” i „stworzenie moliwoci przeprowadzania dowiadcze fizycznych”. Nawet pobiena obserwacja realiw szkolnych wskazuje jednak, e nierzadko deklaracje sobie, a ycie sobie. Realizacja wymienionych celw i zada bywa symboliczna lub zgoa adna. Nauczanie fizyki odbywa si gwnie na tablicy - na poziomie abstrakcji i sw.
Efekty nadmiernego teoretyzowania u pocztku nauczania fizyki w szkole odbijaj si wyranie w dalszym cigu edukacji w tym zakresie, take na poziomie wyszym. Przejawy tego mam okazj dostrzec, prowadzc na przykad wiczenia laboratoryjne ze studentami pierwszego roku, dla ktrych fizyka jest tylko jednym z paru przedmiotw „oglnorozwojowych”, nie bdc ani dyscyplin podstawow tego kierunku studiw, ani nawet - przynajmniej w opinii studiujcych - specjalnie potrzebn w dalszym cigu ksztacenia. W trakcie zaj laboratoryjnych maj oni do czynienia z materi dotykaln - rzeczywistymi przedmiotami, substancjami i rozmaitymi ukadami fizycznymi, ktre mierz, wa i dokonuj na nich innych pomiarw.
Wyniki owych bezporednich pomiarw su nastpnie do obliczania tych czy innych parametrw pochodnych, a czasami tylko do okrelenia pewnych charakterystycznych cech badanego ukadu. Bywa, e owe wielkoci czy cechy pochodne maj do abstrakcyjny charakter, wszelako s szczegowo omawiane na zajciach teoretycznych. W sumie suchacze powinni dostrzega zwizki tych wielkoci z caoci teoretycznego, fizycznego obrazu wiata, jak rwnie z wykonywanymi pomiarami, a wic konkretnymi ukadami fizycznymi, z ktrymi mieli bezporedni kontakt.
Zrywanie zwizku midzy rzeczywistoci fizyczn a jej symboliczn reprezentacj na papierze pojawia si ju na etapie notowania wynikw pomiarw. Na przykad studenci wa albo mierz jakie obiekty, po czym zapisuj w odpowiedniej tabeli pomiarw, nie zawsze od razu zwracajc uwag na waciwy zapis uywanych jednostek. Pniej, na etapie opracowania wynikw, liczby otrzymane z pomiarw s uywane do obliczania innych wielkoci, ktre czsto mona oceni midzy innymi pod ktem sensownoci przez proste skojarzenie z rzeczywistoci.
Na przykad, w trakcie jednego z wicze student mierzy za pomoc suwmiarki dugoci bokw niewielkiego prostopadocianu, a nastpnie, w ramach opracowania wynikw, oblicza jego objto. Formularz sprawozdania zawiera tabelk do wpisywania wynikw pomiarw i oblicze. Poszczeglne rubryki maj zwykle w nagwkach wpisane jednostki, w jakich powinny by zapisane poszczeglne wielkoci, przy czym jednostki owe dobrane s tak, by w trakcie pniejszych oblicze nie trzeba ju byo we wzorach troska si o ich uzgadnianie (konieczne dla zachowania sensownoci wynikw). W celu wyliczenia wielkoci kocowych wystarczy po prostu wstawi do odpowiednich wzorw zapisane w tabelach liczby i wykona na kalkulatorze odpowiednie dziaania arytmetyczne.
Problemy pojawiaj si ju na etapie wspomnianego obliczania objtoci. Samo to, e student mnoy przez siebie liczby wyraone w milimetrach czy centymetrach, a wynik zapisuje w metrach szeciennych, mona zoy na karb nieuwagi lub niefrasobliwoci. Gorzej jednak, gdy do otrzymanego wyniku podchodzi zupenie bezkrytycznie, nie zastanawiajc si z reguy, jak uzyskana liczba (w danych jednostkach) ma si do rzeczywistoci. A chodzi o dostrzeenie rozbienoci midzy liczb wyraajc objto pudeka od zapaek a kubatur przecitnego pokoju. By moe nieumiejtno prostej oceny sensownoci otrzymanego wyniku to tylko przejaw zbyt lekkiego podejcia do wykonywanego zadania. Ale gbsze drenie tematu, to jest zapytanie studentw na okoliczno zwizku uzyskanych wynikw z rzeczywistoci i zdrowym rozsdkiem, wskazuje na gbsze przyczyny popenianych bdw.
Skonny jestem postawi tez, e jednym z powodw tego zrywania zwizkw midzy elementami rzeczywistoci a ich symboliczn reprezentacj jest sposb nauczania nauk cisych w szkole, ktry za D.W. Hoggiem i S. Mahajanem (arXiv.org:physics/0412107) mona okreli jako scholastyczny. Sprawia on, i wynik pomiaru zapisany przez studenta na papierze staje si abstraktem nie podlegajcym konfrontacji choby tylko z prost intuicj, wynikajc z powszedniego dowiadczenia sensorycznego, uzupenionego chwil umysowej refleksji.
Wspomniani przed chwil autorzy, piszc o scholastycznym podejciu w nauczaniu fizyki, przywouj przykady zagadnie omwionych w popularnych podrcznikach dla studentw, uywanych take do szeroko w naszych uczelniach. Te ksikowe przykady maj zilustrowa okrelone zagadnienia teoretyczne, przybliy je do rzeczywistoci materialnej, ale s ogromnie odlege od zwykego dowiadczenia. Jako przykad podaj analiz ruchu piki golfowej, majc stanowi ilustracj problemu ruchu ciaa materialnego w jednorodnym polu grawitacyjnym, zamieszczon w jednym z najbardziej znanych podrcznikw fizyki dla inynierw i przyrodnikw. Jak si mona domyla, wzicie w charakterze przykadowego ciaa piki golfowej miao na celu zblienie treci problemu do powszednich obserwacji bd dowiadcze (przynajmniej amerykaskiego studenta).
Podstawowy zarzut nieadekwatnoci tej analizy ruchu piki w odniesieniu do realiw fizycznych dotyczy zastosowania standardowej - przynajmniej przy omawianiu pocztkowych zagadnie mechaniki w wikszoci podrcznikw i zbiorw zada - procedury pomijania wpywu oporu powietrza na ruch rozwaanego obiektu. Hogg i Mahajan pokazuj, e takie uproszczenie zagadnienia ruchu piki jest nieuprawnione. Ju do elementarne oszacowanie wielkoci si dziaajcych podczas ruchu piki pokazuje, i w pomijany opr powietrza ma na jej ruch wpyw bardzo znaczcy. Zatem owo upraszczajce pominicie powoduje, e sam problem staje si czysto „akademicki”, przestaje si dawa skonfrontowa z dowiadczeniem.
Ograniczenie reprezentacji zjawiska do tych tylko aspektw, ktre daj si zanalizowa za pomoc elementarnego aparatu formalnego (jak rwnanie kwadratowe), pozwala atwo pokaza na przykad zastosowanie drugiej zasady Newtona do problemu ruchu ciaa pod wpywem staej siy. Zarazem jednak niewaciwy wybr rzeczywistego ukadu jako podstawy do takiej redukcji moe spowodowa, e ewentualna prba eksperymentalnej weryfikacji przewidywa teoretycznych jest z gry skazana na niepowodzenie. Co gorsza, w krytycznym umyle moe wzbudzi wtpliwoci co do susznoci owej teorii, skoro pozwala si tak atwo sfalsyfikowa za pomoc prostych pomiarw. W wietle takich przykadw dla nauczanych teoria pozostaje tworem czysto abstrakcyjnym, ograniczonym w swym znaczeniu do formalnych manipulacji na pewnych symbolach. Sformuowania problemw za pomoc nazw rzeczywistych obiektw mona traktowa najwyej jako pewne metafory, a poznawanie fizyki zacz pojmowa jako egzegez tekstw podrcznikowych - scholastycznie.
Oczywicie, idealizacja obiektw i zjawisk jest jednym z zasadniczych dziaa w ramach metody naukowego poznawania wiata. Jednak idealizujc przedmiot rozwaa poprzez wyabstrahowanie tylko nielicznych cech obiektu lub zjawiska, naley si upewni, i te pomijane maj w istocie niewielki wpyw na przebieg zdarze w rzeczywistej sytuacji. W praktyce dla kadego z rozpatrywanych ukadw naley najpierw oszacowa wpyw poszczeglnych czynnikw na przebieg zdarze i dopiero stosownie do ich wzgldnego wkadu cz zaniedba, godzc si na niewielki i w pewnym stopniu kontrolowany margines bdu przewidywa teoretycznych w porwnaniu z rzeczywistoci.
Ilociowe uzasadnienie zaniedbania na przykad efektw oporu powietrza przy rozpatrywaniu niezbyt szybkiego ruchu gstego ciaa w pobliu powierzchni Ziemi jest potrzebne nie tylko po to, by nastpnie analizowa taki ruch bardzo prostymi rodkami formalnymi, ale rwnie do zrozumienia procesu tworzenia wiedzy naukowej - uoglniania przez abstrahowanie istotnych elementw ukadw rzeczywistych i reprezentowania ich w postaci symbolicznej. A jak ju kiedy pisaem, jednym z celw nauczania fizyki powinno by ukazanie metody naukowej analizy rzeczywistoci.
Pozostaje wic zaapelowa do uczcych fizyki, by starali si w pracy dydaktycznej „wrci do korzeni” tej dyscypliny i umiejtnie ukazywali nie tylko pikno i spjno teoretycznego obrazu wiata, lecz na kadym kroku starali si podkrela zwizek teorii z rzeczywistoci fizyczn. T drog mona bowiem, niejako przy okazji, zrealizowa jeszcze jeden wany cel edukacji - uzasadni warto nauki jako racjonalnej, a zarazem skutecznej refleksji intelektualnej nad wiatem, w ktrym yjemy.