!!! Fizykoszmary !!!

Witold Szwajkowski
ul. Lazurowa 159 m. 7
01-479 Warszawa
e-mail: [email protected]
tel. 0 604 756 891
Głos w dyskusji na temat podstawy programowej szkolnictwa ogólnego.
!!! Fizykoszmary !!!
Przy pracach nad podstawą programową przedmiotu FIZYKA, powinna być koniecznie wzięta pod
uwagę II zasada empatii dydaktycznej, odkryta w ramach teorii nauczania klasycznego. Aby ją wyjaśnić, należy najpierw zdefiniować kilka pojęć. Pierwsze z nich to WCISK. W teorii nauczania klasycznego pojęcie to nie oznacza dokładnie tego samego, co w mowie potocznej, lecz rozumiane jest jako
oddziaływanie na przyjmującego wiedzę. WCISK jest wielkością konturową, co oznacza, że ma określoną GĘSTOŚĆ, SKUTEK i SKRĘT. SKUTEK wcisku to nie jego efekt, ale po prostu dziedzina wiedzy,
w ramach której WCISK zachodzi. SKRĘT oznacza to, czy w wyniku WCISKU osoba jemu poddana
zdobywa wiedzę (SKRĘT W BOK), czy ją traci (SKRĘT W TYŁ). SKRĘT oznaczamy literą F, a ponieważ
jest to wielkość konturowa, rysujemy nad literą mały kwadracik.
Jeżeli czytelnik dobrnął do tego miejsca i nie doszedł jeszcze do wniosku, że autor
jest idiotą, to należą mu się gratulacje za cierpliwość i wyrozumiałość. Jeżeli jednak
naprawdę chce zrozumieć, co może czuć uczeń gimnazjum przy zgłębianiu podstawowych praw fizyki, to musi przebrnąć jeszcze przez dwa akapity.
W wyniku WCISKU osoba mu poddana przyswaja wiedzę lub ją traci. Proces przyswajania wiedzy
nazywamy PRZYWŁASZCZANIEM. PRZYWŁASZCZANIE też jest wielkością konturową i może być dodatnie lub ujemne. Oznaczamy je literą "a". PRZYWŁASZCZANIE dodatnie ma miejsce wtedy, gdy
uczeń zdobywa wiedzę, a PRZYWŁASZCZANIE ujemne – gdy ją traci. Zależność pomiędzy WCISKIEM
i PRZYWŁASZCZANIEM odkrył uczony Oldton, gdy siedział zmęczony nad książką i opadła mu na nią
głowa. Zależność tę zapisał prostym wzorem:
a = F/m
Występująca w tym wzorze wielkość "m" nie jest wielkością konturową i nazywa się MĘKA. MEKA jest
często mylona ze ZMĘCZENIEM, ale trzeba pamiętać, że to nie to samo. Jak coś robimy na Ziemi, to
nasze zmęczenie będzie dużo większe niż wtedy, gdybyśmy robili to na Księżycu, ale męka będzie taka
sama. II zasada empatii dydaktycznej mówi nam po prostu, że przywłaszczanie wiedzy jest
wprost proporcjonalne do wcisku w przyjmującego i odwrotnie proporcjonalne do jego
męki.
1
Teraz możemy już przejść do FIZYKI. Najpierw uczeń zostaje zapoznany z pojęciem SIŁY. Przeciętny
uczeń zna to słowo z języka potocznego, ale jego znaczenie nie pokrywa się ze znaczeniem fizycznym
pojęcia SIŁA. "Jak nie będziesz Kaziu jadł, to nie będziesz miał siły!". Uczeń musi więc rozszerzyć dobrze znane mu i ugruntowane znaczenie tego słowa na nowe, trudne pojęcie.
To nie wszystko. Natychmiast dowiaduje się, że SIŁA w rozumieniu fizyki to wielkość WEKTOROWA.
WEKTOR jest dla większości uczniów nowym, nieznanym i na dodatek zupełnie abstrakcyjnym pojęciem. Nie bez znaczenia jest też sam dźwięk tego słowa, które brzmi prawie tak samo groźnie jak
"logarytm". Ale to nie jest jeszcze największy problem. Uczeń dowiaduje się, że SIŁA ma WARTOŚĆ,
KIERUNEK i ZWROT. WARTOŚĆ siły, której przecież nie widać, zaznacza się na rysunku długością
strzałki, reprezentującej wektor. Właśnie, dlaczego długością, a nie np. grubością lub szerokością
grota strzałki? Tego się przeważnie nie wyjaśnia.
Teraz przyjrzyjmy się pojęciu KIERUNEK. Przed rozpoczęciem nauki fizyki uczeń używał słowa
KIERUNEK w znaczeniu "idę w przeciwnym kierunku", "kierunek w prawo", "właściwy kierunek", itp.
Są to więc znaczenia zupełnie inne niż KIERUNEK w znaczeniu fizycznym, który oznacza linię prostą,
wzdłuż której działa siła. Teraz ma szybko przyzwyczaić się do tego, że to, na co mówił KIERUNEK
musi nazywać słowem ZWROT, a więc jeszcze innym, ugruntowanym i znanym sobie wcześniej słowem, którego używał w zupełnie innych znaczeniach. Np. "zwrot akcji", "zwrot językowy", "zwrot
butelek", "w tył zwrot".
Kolejnym pojęciem, które uczeń musi szybko przyswoić jest PRZYSPIESZENIE. Warto zastanowić się,
co do tej pory przeciętny uczeń rozumiał jako PRZYSPIESZENIE? Można się domyślać, że raczej nie
stałe ZWIĘKSZANIE prędkości, tylko chwilowe, jednorazowe ZWIĘKSZENIE prędkości. "Kazik szedł
wolno, ale jak się zorientował, że może się spóźnić, to przyspieszył". Przyspieszenie jest tym, co Kazik
zrobił, a nie procesem. A więc również w przypadku pojęcia PRZYSPIESZENIA uczeń musi przestawić
się na inne znaczenie słowa, które już wcześniej znał. Dochodzi do tego fakt, że PRZYSPIESZENIE
jest pojęciem trudnym do wyjaśnienia z natury, ponieważ samo zjawisko przyspieszenia jest trudne do
zaobserwowania dla przeciętnego człowieka, bez użycia dokładnych przyrządów pomiarowych
i poznania metody pomiaru.
Załóżmy jednak, że uczniowie zdołają przyswoić sobie zarówno pojęcie SIŁY, poprzez rysowanie strzałek i opartych na nich równoległoboków, jak i PRZYSPIESZENIA, poprzez analizę wykresów ilustrujących zależność prędkości od czasu w ruchu jednostajnie przyspieszonym. Zostaje jeszcze wyjaśnienie
związku, jaki występuje pomiędzy tymi dwiema wielkościami. Tak się składa, że zrozumienie tego
związku zajęło ludzkości kilka tysięcy lat, a pozwolił na to dopiero geniusz Izaaka Newtona. Tymczasem uczniom podaje się wzór wyglądający na bardzo prosty:
a = F/m
i oczekuje się, że tak po prostu go zrozumieją.
Podstawową trudnością w zrozumieniu tak zapisanej zależności jest pojęcie MASY. Również
w przypadku tego pojęcia uczeń musi oderwać się od wszelkich innych znaczeń tego słowa, które znał
i których używał do tej pory, takich jak "masa czekoladowa", "chłodna masa powietrza", "masa ludzi",
"ciemna masa", "Masa i Baranina", a także - co jest chyba najtrudniejsze - od słowa "masa" używanego w znaczeniu "ciężar", ponieważ oznaczenie "kg", czyli jednostka masy, znajduje się np. na "ciężarach" do sztangi, "ciężarkach", itp.
Warto też zauważyć, że pojęcie MASY również wymyka się intuicyjnemu zrozumieniu przeciętnego
człowieka, nie tylko dziecka. Jest bowiem zupełnie oderwane od doświadczeń życia codziennego.
O tym, że jest to pojęcie niezwykle trudne do zrozumienia, może świadczyć fakt, że jeszcze na począt2
ku XX wieku, a więc ponad 200 lat po Newtonie, niektórzy fizycy uważali, że istnieją dwa rodzaje masy, jedna odpowiadająca za ciężar, a druga za bezwładność ciała.
Właśnie! Masa CIAŁA. Coś, co do tej pory uczeń nazywał przedmiotem lub rzeczą musi nazywać
CIAŁEM. Co prawda fizycznym, ale CIAŁEM, a więc słowem, które w jego dotychczasowym języku
funkcjonowało w zupełnie innym znaczeniu.
Wracając jednak do masy i II zasady dynamiki Newtona, trzeba zwrócić uwagę, że uczniom przedstawia się pogląd, zgodnie z którym MASA jest cechą CIAŁA. Inaczej mówiąc, CIAŁO ma MASĘ i już!
Masę jednak można zmierzyć tylko wtedy, gdy spróbujemy CIAŁO rozpędzać! Fakt istnienia MASY
CIAŁA - w znaczeniu fizyki klasycznej - ujawnia się dopiero wtedy, gdy przyłożymy do niego SIŁĘ!
PRZYSPIESZENIE trudno zobaczyć, natomiast MASY zupełnie nie da się zobaczyć!
Jednostka siły odpowiedzialnej za rozpędzanie masy to 1 Newton, który jest definiowany jako jednostka masy, czyli kilogram, pomnożona przez jednostkę przyspieszenia, czyli metr na sekundę do kwadratu. A 1 kilogram to nic innego jak wielkość umowna, czyli masa kawałka metalu o określonych przez
ludzi własnościach i wymiarach. Równie dobrze można by przyjąć, że siła 1 Newtona to taka siła,
która rozciąga drut o określonej długości i średnicy oraz o określonym składzie o daną długość. Jednostką masy byłaby wtedy jednostka siły, podzielona przez jednostkę przyspieszenia. Dlaczego
uczniom nie wyjaśnia się, z jakiego powodu to właśnie jednostkę masy przyjęto jako podstawową?
Trudność dydaktyczna może wynikać z faktu, iż nie zwraca się uczniom uwagi na to, że II zasada dynamiki Newtona nie była odkryciem związku pomiędzy znanymi i dobrze zdefiniowanymi wielkościami,
tylko nowym, genialnym opisem zjawiska, które ludzie prawdopodobnie rozumieli wcześniej, ale tylko
intuicyjnie. Nowość polegała na użyciu nowego pojęcia, czyli właśnie MASY! MASĘ w fizyce klasycznej - a takiej się uczy w gimnazjum - można zdefiniować tylko jako odwrotność podatności ciała na
przyspieszanie pod działaniem SIŁY. Wszelkie wyjaśnienia podobne do tego, że jest to wielkość, która
jest taka sama na Księżycu jak i na Ziemi są raczej dowodem dydaktycznej bezradności niż kreatywności.
MASĘ można więc traktować jako odwrotność współczynnika proporcjonalności we wzorze wyrażającym związek pomiędzy PRZYSPIESZENIEM, z którym porusza się ciało - czyli skutkiem - a przyczyną,
która przyspieszenie to wywołuje - czyli SIŁĄ jaka działa na dane ciało. Dodatkowa trudność w zrozumieniu tego związku wynika z faktu, że PRZYSPIESZENIE jest wprost proporcjonalne do SIŁY, ale
już odwrotnie proporcjonalne do MASY. Zrozumienie istoty odwrotnej proporcjonalności stanowi poważną trudność dla wielu dorosłych. Tymczasem mamy do czynienia z dziećmi, od których oczekuje
się, że zrozumieją odwrotną proporcjonalność trudnego pojęcia PRZYSPIESZENIA, w stosunku do
MASY, czyli wielkości, której znaczenia nie sposób zrozumieć bez zrozumienia istoty II zasady dynamiki. Być może wcale nie trzeba rozumieć, ani definiować pojęcia MASY, aby zrozumieć związek pomiędzy siłą a przyspieszeniem? A jeżeli już, to pojęcie MASY powinno być wyjaśniane poprzez II zasadę
dynamiki, a nie odwrotnie.
W świetle powyższych uwag, tocząca się dyskusja, dotycząca podstawy programowej przedmiotu
FIZYKA dla gimnazjum: „Czy wyjaśniać II zasadę dynamiki Newtona poprzez zależność a = F/m, czy
poprzez zasadę zachowania pędu?” wydaje się nieco oderwana od możliwości percepcyjnych przeciętnego człowieka. Dla większości ludzi opisane wyżej trudności w zrozumieniu podstawowych pojęć
mechaniki klasycznej okazują się barierą NIE DO POKONANIA. Można to bardzo łatwo sprawdzić
przeprowadzając prostą ankietę wśród przypadkowej grupy ludzi legitymujących się wykształceniem
średnim, a nawet wyższym.
3
Prawdopodobnie ci, którzy wzięli na dobre rozbrat z fizyką już na etapie obecnego gimnazjum, sami
słusznie uznali, że język, którym próbuje im się wyjaśnić pojęcia i prawa fizyki, wykracza poza ich
zdolności adaptacyjne, a same pojęcia wyjaśniane tym językiem są na tyle abstrakcyjne, że są oceniane jako do niczego nie przydatne. II zasada dynamiki Newtona ma więc podobną wartość co cytowana wcześniej "II zasada empatii dydaktycznej". Dalszą naukę fizyki wspominają więc jako koszmar,
polegający na pamięciowym przyswajaniu pojęć i faktów i uczeniu się na pamięć sposobów rozwiązywania zadań, w celu zaliczenia przedmiotu, a nie zaspokojenia ciekawości poznawczej.
Czy można uczyć inaczej? W świetle dotychczasowych efektów nauczania fizyki w szkołach wydaje
się, że przynajmniej warto próbować. Zacznijmy od języka. Aby wyjaśnić jakieś zjawisko, wcale nie
trzeba wcześniej definiować pojęć, które są z tym zjawiskiem związane. Może warto właśnie skupić
się najpierw na wyjaśnieniu i zrozumieniu istoty zjawiska przy pomocy takich pojęć, które uczniowie
znają i rozumieją, aby później poprzez to zjawisko wprowadzać, definiować oraz uściślać pojęcia,
szczególnie te najtrudniejsze?
Co by się złego stało, gdyby nie zaczynać od definiowania pojęcia SIŁY, tylko odwołać się do doświadczenia dzieci i zwrócić im uwagę, że przedmiot lub rzecz (nie ciało!) można ciągnąć lub popychać (nie
oddziaływać!) mocniej lub słabiej. Dzieci wiedzą, że przedmiot np. wózek, który się ciągnie lub popycha, rozpędza się (nie przyspiesza!). Druga zasada dynamiki brzmiałaby więc tak: "Wózek ciągnięty
mocniej rozpędza się szybciej (czyli w krótszym czasie)."
Można teraz spytać, czy każdy wózek, który jest ciągnięty tak samo mocno, będzie rozpędzał się tak
samo szybko. Trudno wyobrazić sobie, żeby nawet przeciętny uczeń nie wyczuwał, że nie - że "szybkość rozpędzania" od czegoś jeszcze zależy. Po co jednak wprowadzać pojęcie MASY – słowo, które
kojarzy się uczniom z czymś zupełnie innym, a na dodatek wymaga wprowadzenia pojęcia odwrotnej
proporcjonalności. Może warto, dla celów dydaktycznych, wprowadzić wygodniejsze w użyciu pojęcie
odwrotne do masy, czyli LEKKOŚĆ?
Wiele pojęć funkcjonuje razem ze swoimi pojęciami odwrotnymi, których używa się wtedy, kiedy jest
to wygodniejsze. Np. krzywizna okręgu jest odwrotnością jego promienia, a częstotliwość drgań jest
odwrotnością ich okresu. Ponadto słowo LEKKOŚĆ ( L=1/m, gdzie m oznacza masę) kojarzy się pozytywnie, jest intuicyjnie zrozumiałe i - co najważniejsze - nie ma innych, znanych uczniom ustalonych
i konkretnych znaczeń. Jak można zwiększyć lekkość wózka? Oczywiście zdejmując coś z niego!
A więc wózek będzie się rozpędzał szybciej, gdy będziemy go mocniej ciągnąć lub gdy zwiększymy
jego lekkość. A gdy jednocześnie zwiększymy lekkość wózka i będziemy go mocniej ciągnąć, to rozpędzi się jeszcze szybciej. Może warto upewnić się, czy dzieci rozumieją sens i istotę tak opisanego zjawiska, zanim zacznie się im wyjaśniać i definiować pojęcia SIŁY, MASY i PRZYSPIESZENIA, nie mówiąc
już o PĘDZIE, PRACY i ENERGII?
II zasada dynamiki i związane z nią pojęcia to oczywiście tylko pretekst do zasygnalizowania niezwykle
ważkiego problemu oświatowego. Jest to praktyczny przykład jednej z najważniejszych i najtrudniejszych do przejścia barier poznawczych, które piętrzą się przed uczniami, ale także przed nauczycielami
i rodzicami, szczególnie w przedmiotach przyrodniczych. Wspólną cechą tych barier jest to, że bez ich
pokonania dalsza nauka danego przedmiotu staje się jałowa. W najlepszym wypadku opiera się na
zapamiętywaniu i przypadkowym kojarzeniu poszczególnych zagadnień, a nie na zrozumieniu ich istoty
i związków przyczynowo-skutkowych.
Uczniowie, którzy nie mogą pokonać jakiejś bariery poznawczej, zniechęcają się do danego przedmiotu. Nabierają nieuzasadnionego przekonania, że nie są i nigdy nie będą w stanie zrozumieć pewnych
zagadnień. Często przekonanie to staje się tak silne i głębokie, że przenosi się na ich dorosłe życie,
przez co nigdy już nie podejmują próby, aby zrozumieć to, do czego się kiedyś skutecznie zniechęcili
4
jako uczniowie. Nie są więc w stanie pomóc w nauce swoim dzieciom, które w szkole spotykają się
z dokładnie tym samym problemem, co kiedyś ich rodzice.
Jeżeli osoby takie nie mają w swoim najbliższym środowisku kogoś, kto pomoże ich dzieciom zrozumieć trudne dla nich zagadnienia z danego przedmiotu, to albo płacą za korepetycje, albo zostawiają
sprawy własnemu biegowi. Generalnie rzecz biorąc, polega on na „wdrażaniu” dziecka do „radzenia
sobie jakoś”. Dzieci zostają więc niejako naprowadzone na wniosek, że najbardziej efektywnym sposobem „zaliczenia” przedmiotu nie jest wcale zrozumienie na czym polega istota rzeczy, ale raczej
robienie wrażenia, że się ją rozumie lub przynajmniej próbuje zrozumieć. Nie uczą się jak przełamywać bariery poznawcze, tylko jak je skutecznie omijać.
Z tego punktu widzenia lepiej by było, gdyby dzieci te nie zetknęły się z tymi barierami w ogóle. Szkoda, że w praktyce pedagogicznej nie obowiązuje odpowiednik zasady obowiązującej w medycynie:
„Przede wszystkim nie szkodzić”, która brzmiałaby „Przede wszystkim nie zniechęcać”.
5