Dlaczego ignorancja w dziedzinie fizyki nie jest w Polsce powodem do wstydu,
a fizyka nie stanowi części powszechnie uznanego
kanonu wykształcenia ogólnego?

Jan Blinowski

Od dłuższego już czasu nurtuje mnie pytanie, dlaczego niemal każda poznawana na gruncie towarzyskim osoba, niezależnie od wieku, zawodu i płci, gdy tylko dowie się, że jestem fizykiem rozbrajająco się uśmiecha i z pewnym odcieniem dumy w głosie mówi: Ach fizyka..., z fizyki nigdy nic nie rozumiałem, lub: No, z fizyki to byłem w szkole kompletnym zerem. Nigdy nie słyszałem, by ktoś równie łatwo i z równą dumą spowiadał się z braku umiejętności pisania ortograficznego, nieprzeczytania Pana Tadeusza lub nieznajomości arytmetyki. Co sprawia, że każdy fizyk traktowany jest w towarzystwie jak człowiek nieco nawiedzony, nieszkodliwy wariat, który być może jest bardzo mądry, ale właściwie nic z tego nie wynika i lepiej, by się zajął czymś rozsądniejszym? Czym wytłumaczyć fakt, że fizyka, choć uczona w każdej polskiej szkole, nie stanowi integralnej części uznanego powszechnie kanonu wykształcenia ogólnego? Dlaczego wstyd przyznać się do nieznajomości Ulissesa, a cywilizowani na pozór ludzie nie wiedzą, po co są trzy przewody w kablu elektrycznym do żelazka i wcale się tego nie wstydzą. Dlaczego nawet w Komitecie Badań Naukowych można znaleźć leżące obok komputerów tajemnicze pudełeczka zwane ekranami, mające chronić użytkowników przed zgubnymi skutkami promieniowania?

Na ubiegłorocznym zjeździe Polskiego Towarzystwa Fizycznego w Katowicach Władysław Błasiak z krakowskiej WSP przedstawił bardzo ciekawe i równie zastanawiające wyniki badań swego zespołu nad stopniem zainteresowania młodzieży szkolnymi przedmiotami nauczania. Okazało się, że fizyka z pierwszego miejsca w klasie VI (początek systematycznej nauki) spada w zastraszającym tempie na ostatnie miejsce w końcowej fazie szkoły.

CZYJA WINA?

Gdy zacząłem pisać serię podręczników fizyki do liceum, zapoznałem się od nowa z programami nauczania fizyki w polskich szkołach oraz istniejącymi podręcznikami. Wyczuliłem też ucho na opowieści przyjaciół o przeżyciach szkolnych ich dzieci. Pozwoliło mi to zobaczyć związek między wynikami badań zespołu krakowskiego, a pytaniami postawionymi wyżej. Zrozumiałem, że nie da się wyjaśnić niskiego poziomu wiedzy fizycznej w Polsce brakiem wyposażenia szkolnych pracowni fizycznych, zmniejszoną liczbą godzin nauczania fizyki w szkołach, brakiem odpowiedniego przygotowania zawodowego nauczycieli, czy wreszcie brakiem materialnej motywacji do ich pracy. Taka właśnie uproszczona diagnoza jest dość powszechna w środowisku nauczycieli fizyki, o czym świadczyła zresztą dyskusja dydaktyczna podczas zjadu PTF. Jestem przekonany, że odpowiedź jest bardziej złożona. Fizyka jest źle nauczana i za stan ten współodpowiedzialne jest całe środowisko fizyków, nie tylko nauczyciele, i nie tylko w Polsce.

Fizyka powstała dla objaśniania zjawisk obserwowanych w otaczającym świecie i stanowi podstawę poznania przyrody nieożywionej, poczynając od elementarnych cząstek mikroświata, na galaktykach kończąc. Od pewnego czasu wiele wskazuje na to, że ma też wiele do powiedzenia w sprawach przyrody ożywionej. Nie ulega również wątpliwości, że bez rozumienia przynajmniej niektórych działów fizyki nie można w dzisiejszym świecie myśleć o twórczym wkładzie w rozwój techniki. Nie można było przypadkiem wynaleźć radia, lasera, obwodu scalonego, mikroprocesora, pamięci magnetycznej, kolorowego telewizora, noktowizora, holografii, telefaksu, bomby atomowej, elektrowni jądrowej itd. Wszystkie te zdobycze cywilizacji XX wieku, podobnie jak XIX-wieczna żarówka, prądnica, silnik elektryczny i spalinowy, telegraf, telefon mogły powstać dopiero wtedy, gdy zrozumiano dobrze fizyczne podstawy ich działania.

Świadomość ważności i użyteczności fizyki dotarła z całą mocą do elit politycznych po wybuchu pierwszej bomby atomowej, ponad wszelką wątpliwość skonstruowanej przez fizyków. Szok atomowy niewątpliwie przyczynił się do tego, że po II wojnie światowej w krajach uprzemysłowionych lawinowo wzrosły fundusze na badania fizyczne i liczba fizyków, kształconych i opłacanych z pieniędzy podatników. Wywarło to wielki wpływ na miejsce fizyki w szkołach, na programy i metodykę nauczania. W Polsce nakłady na badania naukowe nigdy wprawdzie nie były imponujące, ale do wzrostu znaczenia fizyki przyczyniało się stałe zapotrzebowanie gospodarki socjalistycznej na specjalistów z wykształceniem technicznym. Główną funkcją nauczania fizyki w szkołach stało się nie tyle wzbogacenie wykształcenia ogólnego i podniesienie kultury technicznej społeczeństwa, ile przygotowanie uczniów do przyszłych studiów fizycznych lub technicznych. Te właśnie studia uznane zostały powszechnie, nie tylko w Polsce, za najważniejsze dla społeczeństwa przyszłości. Programy fizyki w szkołach i sposób jej nauczania kształtowały się w funkcji wymagań politechnik i wydziałów fizyki uniwersytetów, czasem uczelni medycznych.

ABSTRAKCJA

Oto na przykład od dłuższego czasu w większości polskich politechnik, zanim z braku kandydatów zaczęto likwidować egzaminy wstępne, ograniczono je do sprawdzania umiejętności rozwiązywania zadań rachunkowych z fizyki. Dla wielu nauczycieli wykształcenie tej umiejętności stało się podstawowym celem nauczania fizyki. Do dziś znaczna liczba nauczycieli, zaniedbując kształcenie intuicji, doświadczenia i pokazy, stara się zmusić uczniów do rozwiązywania ogromnej liczby coraz bardziej wymyślnych zadań rachunkowych. W ogromnej większości zadania te odnoszą się do sytuacji nie mających żadnego znaczenia w praktyce, wymyślonych wyłącznie na potrzeby zadania. Oto ulubione zadanie nauczyciela pierwszej klasy jednego z najbardziej znanych liceów warszawskich (nauczyciela, który w ciągu trzech lat nie pokazał uczniom ani jednego doświadczenia): Lejek o kącie rozwarcia 2a i współczynniku tarcia spoczynkowego f obraca się z prędkością kątową w wokół pionowej osi symetrii w jednorodnym polu grawitacyjnym. W jakim zakresie odległości od osi obrotu należy umieścić na lejku punkt materialny, aby nie zmieniał swej odległości od osi obrotu? Jest to być może bardzo dobre zadanie na ćwiczenia rachunkowe I roku uniwersyteckich studiów fizyki, gdzie przyszli fizycy mają uzyskać sprawność rachunkową. Kilka tego rodzaju zadań z całą pewnością wystarczy jednak, by zniechęcić raz na zawsze do fizyki wszystkich, którzy nie łączą swojej przyszłości zawodowej z tą dziedziną i nigdy w życiu zadań rachunkowych z fizyki rozwiązywać już nie będą. Każdy pamięta zapewne z własnych doświadczeń szkolnych, że nawet zadania tekstowe z arytmetyki zawsze sprawiały największe trudności uczniom pozbawionym zdolności matematycznych. Sądzę, że zadań rachunkowych z fizyki w fazie kształcenia ogólnego nie powinno być wiele, a każde winno spełniać wyraźnie określoną funkcję dydaktyczną - najczęściej uczyć oszacowania spotykanych w praktyce życia codziennego wielkości fizycznych - sił, energii, czy prądów.

FIZYKA I ŚWIAT

Podstawowym problemem nauczania fizyki, na co niestety fizycy nie mają wpływu, jest ogromna różnorodność i złożoność zjawisk fizycznych w otaczającym nas świecie. Matematycy mogą bez trudności wybrać pewne wąskie i dostatecznie proste pojęciowo działy arytmetyki, algebry i geometrii, a następnie nauczyć ich w szkole od początku do końca w dobrze określonej kolejności. Do tabliczki mnożenia nie jest potrzebna znajomość ułamków, a do rozwiązywania równań kwadratowych nie potrzeba trygonometrii. I jednego i drugiego wystarczy nauczyć się raz i nie ma konieczności uczyć się tego samego wielokrotnie. Matematyka szkolna tworzy pewien zamknięty system logiczny. Dlatego uczniowie nie odczuwają na ogół braku informacji o rozmaitych obiektach matematycznych niespotykanych w szkole - o liczbach zespolonych, tensorach, kwaternionach czy przestrzeniach włóknistych. W odróżnieniu od matematyków, fizycy nie są niezależni w selekcji materiału nauczania szkolnego. W znacznej mierze wyboru dokonuje za nas otaczający świat. Zjawiska bardzo częste, jak wrzenie wody, tarcie czy spadanie ze stołu, lub zjawiska bardzo spektakularne, jak tęcza czy wybuch bomby atomowej, same domagają się wyjaśnienia. Naturalna jest chęć zrozumienia, dlaczego świeci Słońce i jak działa silnik spalinowy.

Pod koniec XX wieku stykamy się w życiu codziennym z coraz bardziej wyrafinowanymi urządzeniami technicznymi. Stąd bardzo powszechna jest tendencja do rozszerzania programów nauczania fizyki pod hasłami: "Jak to, na granicy XXI wieku dzieci mają kończyć szkołę nie wiedząc jak działa laser, komputer, reaktor atomowy itd.?" Do wyjaśnienia zasad ich działania nie wystarcza fizyka klasyczna, pytamy więc: Czy wolno pozbawić uczniów informacji o teorii względności, mechanice kwantowej czy fizyce jądrowej?

CIEKAWOŚĆ I METODA

Świat wokół nas jest zbyt złożony, by wszystko w nim wyjaśnić w krótkim czasie nauki szkolnej. Im więcej staramy się wyjaśnić, tym bardziej powierzchownie możemy to zrobić. Nauka fizyki w szkole zostaje sprowadzona do informacji popularnonaukowej, którą można przyswoić, ale nie da się zrozumieć. Informacja taka, pozbawiona dowodu doświadczalnego, elementu rygorystycznego rozumowania i opisu ilościowego, nie daje podstaw do odróżniania prawdy od iluzji, uczy bezkrytycznej akceptacji każdej naukowej i paranaukowej nowinki. Zaciera się granica między rzeczywistością a filmami science fiction, w których lasery rozkruszają skały, antygrawitacja chroni przed strumieniami antymaterii, roboty i komputery opanowują myśli i pętlami czasu w wielowymiarowej zakrzywionej przestrzeni ingerują w przyszłość świata. Stąd już tylko krok do wiary w diagnostyczne możliwości wahadełek, w skorupki od jajek pod telewizorem, zabezpieczające przed promieniowaniem, i w kratę kosmiczną, przed którą mogą uchronić różdżkarze.

Ogromnie trudno jest znaleźć kompromis między dążeniem do zaspokojenia inspirowanej światem zewnętrznym potrzeby informacyjnej a dostępnym pojęciowo dla uczniów rzeczywistym wyjaśnieniem tego świata. Nie namawiam do rezygnacji z ciekawostek z zakresu współczesnej fizyki i techniki, ale uważam, że w szkole trzeba bardzo wyraźnie oddzielić informacje tego rodzaju od podstawowego materiału, który powinien być w pełni zrozumiały dla każdego ucznia. Na przykład, próby przedstawiania w szkole średniej podstaw szczególnej teorii względności uważam za bezwzględnie szkodliwe, choć istnienie tej teorii i pewne jej wnioski mogą i chyba powinny być sygnalizowane.

WARTOŚĆ EKSPERYMENTU

Zasadniczym celem nauczania fizyki w fazie kształcenia ogólnego powinno być wyrobienie powszechnego przekonania, że istnieją pewne prawa fizyczne rządzące światem wokół nas - prawo zachowania energii, zasady dynamiki i termodynamiki itd. Zasady te nie pozwalają nam w dowolny sposób kształtować świat, za to bardzo pomagają zrozumieć, jak można z tego świata korzystać. Fizyka powinna bardzo mocno nawiązywać do doświadczenia i uczyć zdrowego sceptycyzmu, powinna uświadamiać, że hipotezy naukowe dopiero wtedy mają wartość i mogą stać się teoriami naukowymi, gdy są weryfikowalne eksperymentalnie. Taki sceptycyzm miałby, swoją drogą, zastosowanie nie tylko w obrębie fizyki.

Zjawiska obserwowane w otaczającym świecie, nawet te pozornie najprostsze, są niestety w ogromnej większości zbyt złożone, by wszystkie ich aspekty raz na zawsze wyjaśnić w czasie szkolnej nauki. Fizyka musi kluczyć, powtarzać, odkładać na później. Co gorsza, zamiast wyjaśniać wprost rzeczywistość, musi często obracać się w ramach niezmiernie uproszczonych modeli rzeczywistości. Modele, umiejętność wyboru najważniejszych czynników i pomijania pozostałych stanowią nieodłączną cechę i jednocześnie wielką zaletę fizyki. Jednym z niebezpieczeństw, którego, jak sądzę, nie udało się nam uniknąć, jest odrywanie się tych modeli od rzeczywistości w świadomości uczniowskiej. Żądanie od uczniów, by konsekwentnie używali określeń takich, jak "punkt materialny" czy "ciało fizyczne", by wbrew językowi codziennemu odróżniali "prędkość" od "szybkości", by używali terminu "przyspieszenie" w odniesieniu do hamującego samochodu, by nie wierzyli w istnienie "siły odśrodkowej" - wyrabia w nich przekonanie o rozdźwięku między fizyką a rzeczywistością.

LODÓWKA CZY ENTROPIA?

Inne zagrożenie niesie ze sobą dość częsta tendencja do pomijania związku fizyki z tą częścią techniki, która stała się już trwałym elementem naszego życia codziennego - tendencja przedstawiania fizyki jako filozofii przyrody, skupiającej się głównie na konstrukcji mikroświata i Wszechświata, obszarów wymykających się bezpośredniej obserwacji i badaniu doświadczalnemu w pracowni szkolnej. Odnoszę wrażenie, że z programów szkolnych zniknęły proste, przekonujące przykłady zastosowań fizyki. Zniknęły lub zostały sprowadzone do wzmianek: maszyny proste-dźwignie, przekładnie, kołowroty. Zniknęły instrumenty muzyczne, pojawiły się fale materii. Mało mówi się o przyrządach optycznych, znacznie więcej o falowej naturze światła, którą zresztą później trzeba zakwestionować. Zniknęła zasada działania lodówki, pojawiła się entropia. Wyprowadzanie równania gazu doskonałego zastąpiło doświadczalne badania przemian gazowych i silników cieplnych. Przykłady takie można mnożyć. Obawiam się, że procent ludzi zainteresowanych filozofią przyrody i granicami poznania jest mniejszy niż wydaje się fizykom.

Drugi szok atomowy, jakim była katastrofa w elektrowni jądrowej w Czarnobylu, oznaczał koniec wielu złudzeń co do wartości nauk ścisłych i technicznych jako panaceum na wszystkie problemy współczesnego świata. Niewątpliwie przyczyniło się to do ukształtowania pewnych postaw antynaukowych we wszystkich krajach wysoko rozwiniętych. Obawiam się jednak, że znaczny udział w kształtowaniu tych postaw mają również błędy nauczania fizyki. Zmiany społeczno-polityczne zachodzące w Polsce w ostatnim dziesięcioleciu, zmieniające prestiż społeczny różnych dziedzin aktywności zawodowej, dodatkowo zmniejszyły u nas zainteresowanie młodzieży naukami ścisłymi, a fizyką szczególnie. Sądzę, że tendencja ta musi ulec odwróceniu, jeśli chcemy, jako naród, z ufnością patrzeć w przyszłość. Wymaga to krytycznego spojrzenia na stan nauczania fizyki w szkołach. Sygnalizowana reforma systemu szkolnego może temu sprzyjać, pod warunkiem jednak, abyśmy nie zostali zmuszeni do działań pozornych przez nadmierny pośpiech biurokratyczny. Nie ma gotowej recepty na to, jakie rozwiązania należy przyjąć. Dopuszczona obecnie różnorodność programowa w szkołach pozwala wypróbować wiele rozmaitych wariantów, bez obawy, że źle wykształcimy całe pokolenie. Nie ulega jednak dla mnie wątpliwości, że fizyka, nauczana jako przedmiot ogólnokształcący, musi, w zacznie większym stopniu niż obecnie, zostać powiązana z doświadczeniem i życiem codziennym. Tylko wtedy stworzona będzie szansa na zainteresowane uczestnictwo w lekcjach większego niż obecnie procentu młodzieży, także tej nie mającej umiłowania do abstrakcji, ale pragnącej zrozumieć schemat samochodowej instalacji elektrycznej czy odróżniać prąd trójfazowy od jednofazowego. (Już przeczuwam w tym miejscu wątpliwości niektórych czytelników, dlaczego pominąłem prąd dwufazowy.) Praktyka dowodzi, że najlepsi fizycy-eksperymentatorzy nie rekrutują się spośród uczniów o zacięciu do abstrakcji. Na wykształcenie fizyka wystarczy zresztą czasu w liceum matematyczno-fizycznym i w uniwersytecie.

Marzy mi się także, by w fazie kształcenia ogólnego, w tej samej klasie, nauczyciel fizyki nie kierował się fałszywie pojętą zasadą sprawiedliwości i by różnicował wymagania dla różnych uczniów, zależnie od ich zainteresowań i możliwości. Obawiam się, niestety, że choć dobre przykłady na świecie istnieją, do takich zmian szkoła polska nie jest jeszcze gotowa.

Prof. dr hab. Jan Blinowski, fizyk teoretyk ciała stałego, pracuje w Instytucie Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Warszawskiego.

Uwagi.