Strona główna

Wykłady 5,12,19(?) kwietnia 2004 Przeszkody epistemologiczne


Pobieranie 119.77 Kb.
Data20.06.2016
Rozmiar119.77 Kb.
Wykłady 5,12,19(?) kwietnia 2004
Przeszkody epistemologiczne
Pojęcie przeszkody epistemologicznej wprowadził w 1938 roku Gaston Bachelard (1844–1962) w swej pracy La formation de l’esprit scientifique.

Bachelard uważał przeszkody epistemologiczne za bardzo użyteczne pojęcie do badania historii nauki, a zwłaszcza jej przednaukowego okresu, a ściślej okresu przepoczwarzania się nauki do stanu rozwiniętego (w terminologii Thomasa Kuhna w przejściach od okresu przedparadygmatycznego do normalnego).

Badacze historii koncentrują się głównie nie tyle na okresach normalnego rozwoju nauki, ile właśnie na narodzinach nauki, narodzinach nowych pojęć i nowych teorii. Oczywiście narodziny nowej nauki wiążą się zawsze z pokonywaniem przeszkód poznawczych. Po pracach z epistemologii i psychologii genetycznej Piageta stało się jasnym, że pojęcie przeszkody epistemologicznej jest ważnym pojęciem dla badania rozwoju jednostek, jest ważnym dla nauczania.

Przeszkody epistemologiczne w nauczaniu matematyki rozpoznał Brousseau, a następnie zbadała Anna Sierpińska. A oto przykłady przeszkód podanych przez Bachelarda:
1. Przeszkoda pierwszych wrażeń, za którą Bachelard uważa wynoszenie świadectwa zmysłów ponad krytyczną analizę. Ta przeszkoda świadectwa zmysłów jest poważną przeszkodą szczególnie u początkujących uczniów. W tym wykładzie jednak przeszkodę pierwszych wrażeń będziemy rozumieć bardziej ogólnie.

2. Wiedza ogólna jako przeszkoda wiedzy naukowej – wynik myślenia usystematyzowanego. Oznacza to np. tęsknotę do unifikacji – i to nie tylko w okresie przednaukowym, w którym „dla umysłu przednaukowego, urok jedności wyjaśniania zjawisk poprzez jeden rys jest wszechmocny”, lecz może oznaczać blokadę i odrzucanie faktów niepasujących do ogólnie przyjętych teorii w okresie nauki normalnej. Jest to przeszkoda przeciwna do pierwszej, może prowadzić do odrzucenia empiryzmu.


Przeszkody bardziej konkretne:

3. Przeszkoda werbalna, polegająca na używaniu do opisu zjawisk metafor odwołujących się do znajomości swojskich obrazów i odczuć. Bachelard daje przykład z historii fizyki, a mianowicie przyrównywania powietrza do gąbki, ponieważ daje się ono ścieśniać, rozpręża się i zdolne jest do absorpcji substancji płynnych. Ta przeszkoda występuje bardzo wyraźnie w procesie poznawania przez dzieci świata naturalnego.

4. Przeszkoda animistyczna, która fetyszyzuje życie. Zjawiska biologiczne służą do wyjaśniania zjawisk fizycznych.

Jest rzeczą znamienną, że ta przeszkoda, w miarę zmiany otoczenia naturalnego dzieci, które w dzisiejszych czasach zrobiło się techniczne, uległa odwróceniu. To przyrodę ożywioną dzieci tłumaczą poprzez działanie maszyn i urządzeń.

5. Przeszkoda pragmatyczna, a mianowicie uzasadnianie istnienia zjawisk poprzez ich użyteczność.

Ta przeszkoda występuje u dzieci na etapie przedlogicznym (badania Piageta).

6. Przeszkody wiedzy jakościowej:

a/ Odrzucanie matematyki jako środka opisu zjawisk fizycznych. Przeszkoda ta występowała w historii. Np. Newtonowi zarzucano, że jego fizyka była zbyt zmatematyzowana, a zatem niczego nie wyjaśnia. Można zaryzykować stwierdzenie, że współcześnie przeszkoda ta występuje głównie u projektantów programów nauczania fizyki, którzy wyolbrzymiają jej rolę u nieletnich uczniów.

b/ Brak poczucia skali wielkości.

c/ Odmawianie prawa do zaniedbywania. Ta przeszkoda jest uzasadnieniem bardziej szczegółowej przeszkody związanej ze zrozumieniem pojęcia granicy.



7. Przeszkody wiedzy ilościowej:

a/ Matematyzacja zbyt mętna

b/ Matematyzacja zbyt ścisła, lab nawet fałszywie ścisła. Tutaj Bachelard podaje przykłady z fizyki używania nadmiernej dokładności w rachunkach, gdy dokładność pomiaru była mała.

Jak już powiedziano, sformułowania Kuhna o rewolucyjnym charakterze odkryć naukowych, i jego opis przechodzenia z jednego etapu normalnego do innego usprawiedliwiają poszerzenia zastosowania pojęcia przeszkody do opisu przejść pomiędzy kolejnymi okresami nauki normalnej. A nawet więcej, przeszkody epistemologiczne mogą wnieść więcej w rozumienie kierunku rozwoju nauki, co u Kuhna jest najsłabszym elementem. Jednak na podstawie epistemologii, a przede wszystkim psychologii genetycznej Piageta mamy prawo zastosować pojęcie przeszkody epistemologicznej do badania procesów towarzyszących uczeniu się fizyki. Przeszkody epistemologiczne w uczeniu się i nauczaniu matematyki, opierając się na pracach Brousseau, zbadała Anna Sierpińska. Pokazała ona, że przeszkody te są bardzo użytecznym narzędziem w badaniu procesu uczenia się matematyki. Są one nie tylko narzędziem diagnostycznym, lecz również oferują wska­zówki dla nauczycieli.

Sierpińska wymienia następujące cechy przeszkód epistemologicznych związanych z nauczaniem matematyki:

1. Pojęcie przeszkody jest pojęciem względnym.

2. Przeszkody występują parami. Odrzucenie jednej przeszkody powoduje ryzyko wpadnięcia w inną.

3. Przeszkoda na pewnym etapie rozwoju może być podporą.

4. Przeszkoda to nie błąd rozumowania, nieporozumienie czy brak informacji.

5. Przeszkody nie muszą być ujawnione. Mogą się ujawnić a posteriori.

Powyższe cechy (o ile nie potraktować „par" zbyt dosłownie), mają również przeszkody występujące w uczeniu się fizyki. Można mieć nadzieję, że badanie przeszkód epistemologicznych w uczeniu się i nauczaniu fizyki będzie równie płodne jak w matematyce. Pole do badań jest wprost ogromne.

W następnym rozdziale zajmiemy się głównie przeszkodami wynikającymi z konfliktu pomiędzy sposobami widzenia świata przez dorastające dzieci i struktury gotowej fizyki.

Będziemy śledzić manifestowanie się przeszkód natury ogólnej, jak np. bariera pierwszych wrażeń, jak i barier bardziej szczegółowych dotyczących konkretnych zjawisk. Wyniki prac Piageta, będą pomagały w rozumieniu źródła istnienia poszczególnych przeszkód.

Chcemy podkreślić z całą mocą, że pojęcie przeszkody jest relatywne, przeszkoda może wystąpić u nieletniego studiującego, a być niezauważona przez dorosłego. W określaniu środków dydaktycznych chodzi nie o omijanie przeszkód, ile o ich pokonywanie.


Literatura:

Gaston Bachelard, La formation l'esprit scientifique, Paris, Vrin 1938

Thomas Kuhn, Dwa bieguny, PWN, W-wa 1985

Anna Sierpińska, Pojecie przeszkody epistemologicznej w nauczaniu matematyki, Dydaktyka matematyki, 8, 103, 1987

Zofia Gołąb-Meyer, O przeszkodach poznawczych w nauczaniu fizyki, Foton 45, 1996

Zadanie: proszę przypomnieć sobie jakąś przeszkodę poznawcza z czasów szkolnych i sklasyfikować ją.
Trudności poznawcze, cd.
Zderzenie „gotowej nauki” z widzeniem świata przez dziecko

Największą przeszkodą poznawczą w nauce przyrody jest zderzenie gotowej, zaawansowanej nauki, pełnej abstrakcyjnych pojęć opartych na wyrafinowanej matematyce z obrazem świata, bogatym, często niespójnym wewnętrznie, tworzonym przez ucznia.




Ignorowanie problemów intrygujących dzieci
Nauka szkolna oferuje odpowiedzi na pytania, których dziecko nie zadaje, natomiast IGNORUJE zupełnie te zagadnienia, które dziecko intrygują. A oto zestaw przypadkowych pytań często zadawanych przez dzieci od 6 do 17 lat.

Co się dzieje, gdy się wpadnie do czarnej dziury?

Co się stanie, gdy ciało wpadnie do czarnej dziury?

Czy neutrino potrafi przelecieć przez czarną dziurę?

Czy neutrina wywierają wpływ na życie człowieka i zwierząt?

Co było przed początkiem świata?

Gdzie świat się kończy?

Co jest poza granicą świata?

Czy są inne światy?

Czy da się wynaleźć antyczłowieka?

Po co krowa ma rogi?

Po co jest rosa?

Jak fruwa ptak?

Jak działa telewizor?

Jak powstaje płatek śniegu?

Dlaczego sadza jest czarna?

Dlaczego palec piecze jak się wsadzi do wrzątku?

Dlaczego woda kapie?

Dlaczego czajnik szumi?

Dlaczego czarne (wystawione na słońce) jest gorące?

Dlaczego coś jest słodkie?

Dlaczego jest kawałek tęczy?

Dlaczego coś śmierdzi?

Dlaczego coś się ugina, a co innego nie?

Dlaczego piórka tak śmiesznie szybują?

Dlaczego chmury są pierzaste, a kiedy indziej kłębiaste?

Dlaczego woda z mydłem się pieni?

Dlaczego coś pęka?

Z czego coś jest zrobione? (b. częste pytanie)

Dlaczego drzewo po złamaniu ma drzazgi?

Czy kosmonauta może siusiać?

Jak kamień jest wyrzucany?

Jak on to robi, że leci?

Jak szybuje?

Co się zdarza przy upadku?

Czy są możliwe podróże w czasie?

Czy jest możliwa teleportacja?

Czy to prawda, że cząstki mają kolor?

Nie często (nigdy) słyszy się pytania:

Dlaczego wszystkie przedmioty spadają tak samo? Dlaczego księżyc się kręci wokół Ziemi?

Dlaczego magnesy raz się przyciągają, a raz odpychają?

Dlaczego suma kątów w trójkącie wynosi 180 stopni? Dlaczego tory kamieni maja zawsze podobny kształt?


Na ogół przy tych ostatnich pytaniach dzieci zadawalają się odpowiedzią „bo tak jest”.

Powyższe pytania możemy z grubsza podzielić na trzy kategorie:

a/ pytania natury filozoficzno-kosmologicznej

b/ pytania dotyczące struktury materii

c/ pytania o funkcjonowanie urządzeń, przebieg zdarzeń a u młodszych dzieci o celowość.

Pytania natury filozoficzno-kosmologicznej pojawiają się bardzo wcześnie – najpierw w naiwnej postaci, potem w bardziej dojrzałej formie. Utrzymują się one w zasadzie do końca życia prawie każdego myślącego człowieka. Z tego zainteresowania się problemami ontologicznymi wynika ogromne powodzenie książek popularnonaukowych, takich jak np. Pierwsze Trzy Minuty Weinberga, czy Krótka Historia Czasu Hawkinga, książek niewątpliwie za trudnych dla masowego odbiorcy, ale niestety też wynika powodzenie wszelakiego rodzaju pseudonaukowych pozycji np. Daenikena, czy nawet wręcz pseudonaukowego bełkotu.

Zostawianie tych problemów poza nawiasem szkoły to marnowanie okazji. Zarówno marnowanie okazji do pokazania uczniom naukowych hipotez i teorii, jak i marnowanie szansy na kształtowanie naukowego światopoglądu, jak i na końcu marnowanie szansy na wzbudzenie autentycznego zainteresowania fizyką, astronomią i kosmologią. Niedokształceni uczniowie są łatwym żerem pseudonaukowych bujd. Prawdą jest, że włączenie tych tematów do programu szkolnego natrafia na trudności. Występuje tutaj konflikt epistemologiczny, który polega na tym, że jest trudno mówić o genezie świata uczniom rozumującym na poziomie konkretnym, uczniom z pustką faktograficzną (chodzi o potrzebne do tłumaczenia teorie fizyczne). W historii nauki kosmologia była domeną filozofii; problemy te nurtowały ludzkość od zarania dziejów, nic zatem dziwnego, że nasze dzieci mają podobne problemy. Tymczasem jest możliwe i bardzo potrzebne wprowadzenie tych zagadnień od początku nauczania fizyki.

I tak jak omijanie pytań natury ontologiczno-kosmologicznej jest tylko traconą okazją tak IGNOROWANIE pytań grupy b/ jest poważnym BŁĘDEM, ponieważ zostawia w uczniach wrażenie, że fizyka zajmuje się światem sztucznym, wymyślonym dla siebie. Wrażenie to potęguje się przez to, iż przedstawia się uczniom w to miejsce problemy, które uczniów zupełnie nie interesują! –


i w tym może tkwi najgłębsza przeszkoda epistemologiczna w nauczaniu fizyki. Psycholog Wygotski podkreślał wpływ zainteresowania na uczenie się dziecka. O tym wie każda matka, a twórcy programów szkolnych tak jakby tego nie wiedzieli.

Trudność tkwi w tym, że fizyka rozwinęła się tylko dzięki temu, że zaczęła stawiać i rozwiązywać pytania niejako z innej strony. Część spraw zostawiono filozofom, a przyrodnicy zamiast interesować się ruchem opadającego piórka czy monety zainteresowali się spadaniem WSZYSTKICH ciał. Najpierw rozwiązywali problem cieczy idealnej, a dopiero potem lepkiej (kropelki). Najpierw była mechanika punktu materialnego, a potem bryły sztywnej. Fizyka ciała stałego, dająca odpowiedź na „dziecinne problemy” wymaga mechaniki kwantowej, fizyki statystycznej, które i rozwijały się później, a studiować je można w pewnej nie dowolnej sekwencji. I w tym tkwi konflikt epistemologiczny, on jest nieusuwalny! Dydaktyka fizyki może poszukiwać dróg złagodzenia konfliktu, co więcej powinna szukać dróg pokonania tej przeszkody.

Tak więc konflikt ten to zderzenie struktury „gotowej nauki” z brakiem struktury, czy niedojrzałymi strukturami w myśleniu dziecka czy nowicjusza. David Bohm pisze:

„Studiowanie jakiejkolwiek dziedziny zaczyna się od naturalnego aktu abstrakcji, aby skoncentrować swe ZAINTERESOWANIE na pewnych aspektach zjawiska”.

Tak więc, aby można poświęcić uwagę czemuś trzeba koniecznie wyabstrahować, czy wyizolować pewne cechy z całej nieskończoności i fluktuującej złożoności cech tła zjawiska. A dzieci wybierają inne aspekty niż fizycy.



Globalne struktury nauki contra bogate, krótkoskalowe struktury dziecka
Jak wykazały badania Piageta, a w gruncie rzeczy także Wygotskiego i wielu innych badaczy, umysł dziecka nie jest gotów do budowania ogólnych struktur hierarchicznych. Dziecko ma doskonałą pamięć i kolekcjonuje w niej nowe dane, wrażenia niejako „obok” starych. Rozumienie abstrakcyjnych pojęć z fizyki jest tożsame z plasowaniem tych pojęć w odpowiednim ,,miejscu wiedzy”, jest niekiedy przeorganizowaniem dotychczasowych związków i zależności i ustanowieniem nowych (Piaget). Pojęcia w nauce mają strukturę hierarchiczną. I tak np. rozumienie pojęcia „pędu” to nie tylko znajomość definicji – ,,pęd jest iloczynem masy i prędkości ciała”, lecz rozumienie jego roli w drugiej zasadzie Newtona, zrozumienie uniwersalnej zasady zachowania pędu. Pęd ma być wstawiony w strukturę zawierającą takie pojęcia jak: masa, prędkość, siła, popęd, energia, układ izolowany. Dziecko, a zwykle i młodociany, nie jest dojrzały do dostrzegania globalnych, hierarchicznych struktur.

Fakt tej niedojrzałości był już dostrzegany na początku naszego stulecia, skoro Marian Smoluchowski w swym Poradniku dla Samouków w 1917 roku pisał expressis verbis, że dziecko ma dojrzeć do abstrakcyjnych definicji. Wiele uwagi poświęcił temu zagadnieniu Piaget w swym klasycznym dziele Od logiki dziecka do logiki młodzieży. Przypominam co powiedział znany matematyk Hans Freudenthal wypowiadając się na temat nauczania matematyki powiedział:

„Dzieło Piageta nie dostarcza żadnego argumentu ze strony psychologii rozwojowej na rzecz propagowania nauczania ustrukturowanego według jakiejś nauki. Przeciwnie, istnieją argumenty przeciwne [...] Wszystkie systemy matematyczne ukazują hierarchię wychodzącą od struktur ubogich i prowadzącą ku wzbogaconym [...] Struktury ubogie są w matematyce wysoce abstrakcyjne [...] W praktyce konkretyzacja bywa sztuczna czy wręcz fałszywa [...] Uczniom należy pokazać struktury niematematyczne po to, by zapoznać ich ze strukturyzacją, zubażaniem, matematyzacją, aby im dać odkryć siłę struktur ubogich wewnątrz bogatych”.

Otóż „gotowa” fizyka też ma silnie zhierarchizowaną strukturę. Na szczęście w fizyce raczej nie ma mowy o fałszywej konkretyzacji, aczkolwiek sztuczna, czy nie we właściwej kolejności może mieć miejsce (np. trafny, lub nie, dobór przykładów paradygmatycznych). Taką strukturą niematematyczną, o której mówi Freudenthal może być po prostu fizyka.

Gwoli sprawiedliwości historycznej, trzeba przypomnieć, że tak znamienity psycholog jak Wygotski wysoko cenił nauczanie idące od struktur ubogich ku bogatym. Wszelako, z wieloma obwarowaniami! Dostrzegał on bardzo wyraźnie największe niebezpieczeństwo tego podejścia, a mianowicie werbalizację.

Bogate struktury oznaczają na przykład budowę i strukturę materii, to znaczy efekty drugiego rzędu przy pominięciu efektów pierwszego rzędu. Tak więc, dziecka nie interesuje zasada bezwładności, za to dostrzega ono mechanizmy tarcia.

Jest to nieusuwalna, bardzo istotna bariera epistemologiczna. Można w prawidłowo prowadzonym procesie nauczania łagodzić skutki tej przeszkody. Można wykorzystać doskonałą pamięć dzieci (mnemosyne period) i zatem ich zdolność do gromadzenia szeroko pojętych faktów doświadczalnych, ich prostego opisu. Ta baza faktów jest początkowo organizowana bez hierarchicznej struktury, nowe fakty są w pamięci niejako „obok” starych. Ta szeroka baza jest niezbędna przy nauce fizyki. Naukę fizyki może doskonale rozpoczynać od budowy szerokiej bazy – w sensie dosłownym bazy eksperymentalnej, jak i bazy paradygmatycznych przykładów zadań.

W geografii sprawę można rozwiązać prościej: należy naukę rozpocząć od tego co bliskie i dzieje się w małej skali czasowej. A więc najprzód ulica, dzielnica, miasto, region i dopiero później państwo i cała kula ziemska będą przedmiotem ,,badań” dzieci.

Podobnie powinno być w nauce przyrody: najprzód o roślinach w ogrodzie i zwierzętach domowych. Na tej zasadzie opartych jest wiele programów nauczania o środowisku.
Bariera pierwszych pojęć, pierwszych wrażeń i doznań
Przez „pierwsze pojęcia”, pierwsze pseudopojęcia, pierwsze wrażenia, pierwszy sposób zrozumienia, mamy na myśli takie, które wryły się w pamięć, zostały dobrze świadomie zasymilowane i służą następnie jako punkty odniesienia dla następnych wydarzeń myślowych.

Bariera ,,pierwszych wydarzeń myślowych” występuje wtedy, gdy nowych nie można bezkonfliktowo tak po prostu „dołożyć” do starego zbioru. I tu w zasadzie są dwie możliwości: „nowe” jest dokładane do kolekcji jako „nowy” ośrodek kondensacji (np. rozszczepienie światła w pryzmacie widziane po raz pierwszy świadomie), lub „nowe” wymaga przeorganizowania dotychczasowej wiedzy (opisane u Piageta). W jednym i drugim przypadku dołączenie „nowego” wymaga wysiłku intelektualnego. Niemożność pokonania bariery nowości powoduje często zjawisko nazywane błędnymi koncepcjami (misconceptions). I chociaż wiedza dziecka jest jeszcze bardzo słabo ustrukturowana to jednak występują w niej ośrodki kondensacji, wydarzenia kondensujące i zarazem odpychające „nowe” zdarzenia. Te ośrodki kondensacji to „pierwsze świadome” wydarzenia intelektualne. „Nowe” są albo podobne, albo „przeciwne”, albo muszą stać się nowymi „pierwszymi”. W wielu przypadkach ten awans na bycie „pierwszymi” wiąże się z rewolucją, przestrukturowaniem dotychczasowej wiedzy (Piaget) – ale to wymaga już znaczniejszego stopnia rozwoju.

Bywa, że te „pierwsze wydarzenia" spełniają bardzo pożyteczną rolę i są skarbnicą, z której korzysta nauczyciel. Takimi „pierwszymi wydarzeniami” korzystnymi w nauczaniu będzie wspomniane rozszczepienie światła w pryzmacie, obserwacja unoszącego się balonika, czy też działanie puszki Faradaya.

Opanowanie w pierwszej kolejności dzielenia liczb większych przez mniejsze jest barierą przy rozumieniu sensu dzielenia mniejszych liczb przez większe. Barierą jest rozumienie wartości średniej arytmetycznej przy nauce średniej prędkości, barierą jest obserwacja, że ciśnienie wzrasta, gdy rośnie temperatura, dla zrozumienia równania stanu gazu doskonałego. Zrozumienie i zasymilowanie mechaniki klasycznej newtonowskiej dla wielu uczniów jest barierą przy poznawaniu mechaniki relatywistycznej i kwantowej.


Bariera przekraczania skal
Psycholog Stanley Hali powiedział, że dziecko interesuje się tym co jest w zasięgu jego ręki. Ten horyzont dostępnych zdarzeń powiększa się w miarę rozwoju jednostki. Jednakowoż bez specjalnego wysiłku ze strony uczącego się, bez świadomego uczenia się, pozostaje on ograniczony nie tylko do zjawisk i skal makroświata, lecz nawet w tym makroświecie do zjawisk z bardzo wąskiego pasma czasoprzestrzeni i widma energetycznego. Większość jednostek fizycznych kg, m, godzina, kWh, jest tak dobrana, że małe liczby opisują dobrze obznajomione zjawiska i wielkości. I to jest dobrze. Uczniowie maja jednak kłopoty, barierę do pokonania, kiedy jednostki nie są „dopasowane” do zjawisk i trzeba operować bardzo dużymi lub bardzo małymi liczbami. I wprawdzie ilość maki potrzebnej do wypieku ciasta to jeden czy dwa kg, ale masa wagonu czy statku to mogą być tysiące ton. Ciśnienie trzeba określać w hPa, prąd elektryczny w mA, a pojemność w pF. Często w takich wypadkach, „duże” jednostki funkcjonują niejako oddzielnie od podstawowych, np. tona i kg, sekunda, doba, hektar i metr kwadratowy. Umiejętność wiązania tych oddzielnych jednostek wymaga wprawy i ćwiczenia.

Duże liczby, niewyobrażalne, sprawiają dzieciom trudność, dzieciom jest obojętne czy jest mowa o milionie czy o miliardzie. Z drugiej strony występuje fascynacja dużymi liczbami (ma ona ontologiczne podłoże).

Zabiegi dydaktyczne służące ułatwianiu przekraczania bariery skal są dość dobrze opracowane. Klasyczną pozycją jest stara książeczka Boeke. W książce tej autor wychodzi od zdjęcia dziewczynki siedzącej na krześle na boisku szkolnym i w kolejnych zdjęciach ukazuje świat w powiększeniach (co dziesięć), by dojść do odległych galaktyk, by z kolei w kolejnych pomniejszeniach dojść do budowy jąder. Na pomyśle Boekego zbudowano doskonały film video. Wielu nauczycieli ma swoje własne dobre metody. Dobre efekty przynoszą metody modelowe (układ słoneczny). „Szokujące” przykłady też odnoszą pożądane skutki. Dobre wyniki przynoszą gry w zgadywanie.
Zadanie

Zaproponuj model układu planetarnego. Zaproponuj grę w zgadywanie wartości jakichś wielkości fizycznych (np. jak daleko?, jaka masa?, ile kosztuje?).
Widzenie zmian i różnic. Niezauważanie stanów stacjonarnych
Dzieci, jak zresztą i dorośli zwracają uwagę przede wszystkim na różnice. Są to obserwacje dobrze udokumentowane przez neurologów i psychologów.

Dostrzega się ruch, granicę między jasnym a ciemnym. Reaguje się na ciała o temperaturze innej niż otoczenie – ciepłe lub zimne. Natomiast rzeczy i zjawiska pozbawione cech szczególnych, podobne do otoczenia, umykają uwadze.

Dziecko obserwując kolegę na huśtawce widzi przede wszystkim zmiany: początek huśtania, rozpędzanie huśtawki, hamowanie, zanik ruchu (tarcie). Szkolna mechanika klasyczna oferuje opis zjawisk in­wariantnych wobec transformacji odbicia czasu (t —>• —t): np. ruch harmoniczny z zachowaniem energii mechanicznej. Takie zjawiska nie są obserwowane przez dziecko, ponieważ nie zachodzą w życiu codziennym. W demonstrowanych w szkole sytuacjach modelowych uwaga dziecka koncentruje się też na zmianach a nie na regularności ruchu. Ruch jednostajny jest nieciekawy – natomiast problem JAK DO NIEGO DOSZŁO jest ciekawy i ważny. A akurat ten problem jest pomijany.

Istnieją podejścia do nauczania mechaniki i termodynamiki bazujące na tej właśnie cesze umysłu. Np. propozycja Jona Ogborna naukę o cieple rozpoczyna od termodynamiki nierównowagowej. Rozpoczynanie nauki o elektryczności od omawiania prądów a nie od elektrostatyki, jak czynił to już dawno Piekara, a lansuje w Stanach Melin Steinberg, jest zgodne z właściwością dziecięcej spostrzegawczości i zainteresowań. Dość konsekwentnie przestrzega tego szkoła Karlsruhe.


Bariera języka

Interferencja języka potocznego i naukowego
Interferencja języka potocznego i naukowego jest bardzo istotną przeszkodą poznawczą. Zjawisko to zostało dość dobrze zbadane, jeśli idzie o pojęcia z mechaniki i nauki o cieple oraz optyki. Ośrodki ame­rykańskie, angielski, francuski dużo uwagi poświęciły temu zagadnieniu. W Polsce ośrodek poznański prowadzi badania w tej dziedzinie. Problem ten jest ściśle związany z tzw. wiedzą potoczną uczniów. Szczególnie drastycznie problem tej interferencji występuje w mechanice i nauce o cieple. Takie słowa jak siła, moc, praca, energetyczny, mocny, silny mają nie tylko szersze i niezbyt ściśle określone znaczenie potoczne, ale wręcz sprzeczne z fizyczną definicją (np. praca, która jest na ogół rozumiana jako wydatkowanie energii, wysiłek). Potoczne znaczenie „moc” nie zawiera elementu czasowego, a oznacza coś bliższego raczej energii potencjalnej, czy wewnętrznej. „Pęd” jest bliższy energii kinetycznej w potocznym rozumieniu. Jak wykazały badania Szkoły Karlsruhe „ciepło” jest raczej rozumiane jako entropia. Łatwo sobie wyobrazić, do jakiego zamieszania pojęciowego to prowadzi. Takie zamieszanie manifestuje się powstawaniem u uczniów tzw. „błędnych koncepcji” (misconceptions).

Sprawa wbrew pozorom nie jest prosta do rozwiązania. Nie można bowiem od początku procesu nauczania posługiwać się ścisłym, naukowym językiem. Niektóre definicje są zbyt trudne, by je na początku podawać explicite, trzeba je wprowadzać stopniowo. Po drugie, i może co ważniejsze, musimy się z uczniami porozumiewać językiem dla nich zrozumiałym, czyli potocznym, a więc niejako w założeniu używającym nieprawidłowo pojęć fizycznych. Przy wielkiej czujności, można jednak wyprowadzać uczniów z tej pułapki, za każdym razem w takim wypadku, bardzo starannie zaznaczając, że „tak mówi się w życiu potocznym” i mówiąc następnie to samo w języku poprawnej fizyki. Jest to dokładnie tak, jak uczenie nowego języka w kontekstach. Można mieć nadzieję, że język ścisły fizyki uściśli potoczny i nikt np. nie będzie mówił, „że w oceanie jest zgromadzone ciepło”, tylko że jest zgromadzona energia. Nazywanie tego co widać nad dzióbkiem czajnika ,,parą”, chociaż nieprawidłowe, jest w gruncie rzeczy mało szkodliwe, ponieważ nie prowadzi do żadnego zamieszania pojęciowego. Nie dawałabym za to dzieciom dwój, nie sądzę bowiem by w tej materii uległo zmianie potoczne słownictwo.


Zadanie

Poleć uczniom wypisywanie dowolnych zdań z użyciem słów: siła, energia, moc, pęd. Zastanów się czy znaczeniowo ich użycie jest poprawne. Odszukaj połączenia znaczeniowe.
Wyrazy obcego pochodzenia
Następną przeszkodą jest nasycenie słownictwa naukowego wyrazami obcego pochodzenia, dotyczącymi pojęć i własności abstrakcyjnych. W dzisiejszych czasach młodzież nie uczy się łaciny ani greki a początki angielskiego też nie są pomocne, bo zakres słownictwa który młodzież poznaje na lekcjach angielskiego niekoniecznie pokrywa się z naukowym. Dzieci nie znają znaczenia przedrostków „ekwi”, „izo”, „bi”, „dys”, „anty”, „a”, „pro”, „contra”. Nie znają znaczenia słów „globalny”, „lokalny”, „uniwersalny”, „zunifikowany”, „deterministyczny”, „implikacja”, „alternatywa”, „indukcja” „homogeniczny”, „heterogeniczny” i wielu, wielu innych pojęć potrzebnych nie tylko na lekcjach fizyki. W mojej praktyce szkolnej nie zdarzało mi się, by uczniowie spontanicznie pytali o znaczenie tych słów. Uczą się ich z kontekstu. Jeśli jednak jest to w kontekście nowego, jeszcze nie zrozumiałego pojęcia fizycznego, to trudność zrozumienia wzrasta niebotycznie. O tym się zapomina, bo dla nas są to od dawna znane i zadomowione pojęcia. Moje badania wskazują, że nawet dzieci z kręgów inteligenckich w pierwszej klasie licealnej nie znają powyższych słów obcego pochodzenia.

Uczniom najczęściej przedrostek „homo” kojarzy się z serkiem lub homoseksualistą, względnie z człowiekiem. Nie mają pojęcia dlaczego w nazwie serka i opisie pederasty przedrostek ma to samo uzasadnienie.


Zadanie

Przeprowadź z uczniami test sprawdzający rozumienie słów obcego pochodzenia.
Język logiki
Poważną przeszkodą, jest potoczne używanie spójników logicznych w inny sposób niż w języku naukowym. Alternatywa w języku potocznym rozumiana jest zawsze jako alternatywa z wykluczeniem. Rozróżnienie pomiędzy implikacją a tożsamością zależy od kontekstu, nawet jeśli używana są łączniki, „jeśli, to”, nie mówiąc już o „bowiem”, „ponieważ”. Mylona jest zależność przyczynowa z logiczna. Formalne, świadome używanie reguł logicznych oderwanych od kontekstu wymaga jak to wykazał Piaget, pełni rozwoju myślenia formalnego, które nie jest przez wszystkich osiągane. Wydaje się, że znaczna część społeczeństwa nigdy tego stanu nie osiąga. Stosuje rozumowania poprawne logicznie jedynie w znanych sobie sytuacjach. Dziesięć lat temu przeprowadzałam standardowe testy w grupie 11-latków, piętnastolatków (klasa uniwersytecka) i dorosłych. Zadziwiająco spora część (porównywalna z dorosłymi), bo około 40% jedenastolatków radziło sobie z zadaniami. Najlepsze wyniki mieli licealiści. Wszystkie błędy wynikały z nieumiejętności oderwania się od kontekstu i formal­nego zastosowania (dla wszystkich grup) reguł logiki.
Przedwczesna werbalizacja, formalizacja
Przedwczesna werbalizacja, a zwłaszcza wymaganie od uczniów werbalnego odtwarzania wiedzy powoduje nie tylko uczenie się na pamięć, lecz w ogóle blokuje proces myślenia, który ma służyć pełnemu zrozumieniu pojęć fizycznych. Smoluchowski w 1917 roku w swoim Poradniku dla Samouków przestrzegał przed podawaniem dzieciom definicji, gdy są jeszcze do nich nie przygotowane. Fizyka operuje abstrakcyjnymi pojęciami, które są ze sobą powiązane zależnościami, które mają ścisły sens jako abstrakty, lecz w przeciwieństwie do pojęć matematycznych mają mieć związek z fizyczną rzeczywistością. Jeśli się zbyt szybko zwerbalizuje pojęcie, poda jego ścisłą definicję, bez należytego uzasadnienia jego korzeni w realności fizycznej, to potem nie ma szans by uczeń był w stanie dokonywać odwrotnej operacji, to jest stosować dane pojęcie do opisu rzeczywistości. Jeśli do tego dokłada się słabe rozumienie używanych struktur matematycznych, to uczniowi nic innego nie pozostaje, jak werbalne pamiętanie bez rozumienia. Wprawdzie Wygotski uważa, że werbalne nazwanie, definicja, ułatwia dochodzenie do rozumienia, to jednak to może mieć zastosowanie jedynie do przypadków, kiedy uczeń ma szansę ćwiczyć dane pojęcie w ogromnej ilości przykładów. To może tyczyć np. kwestii cen i kosztów pola powierzchni. Japończycy w ten sposób uczą dzieci działań na ułamkach. Dzieci wykonują dziesiątki przykładów, recytując chórem odpowiednie reguły. U nas też się tak dawniej uczyło. Nowoczesna dydaktyka zarzuca ten sposób. Nie jest jasnym, czy jednak ta metoda wcześniejszego mechanicznego utrwalania nie przynosi czasami pozytywnych rezultatów (opóźnione efekty).
Bariera rozwoju myślenia formalnego
Aby uczyć się fizyki trzeba być gotowym do tworzenia i rozumienia pojęć abstrakcyjnych, do organizowania ich w struktury. Jak wykazał w swych eksperymentach dydaktycznych Piaget, dziecko i małoletni uczeń nie są jeszcze do tego procesu dojrzali. Jak wykazały badania amerykańskie studenci collegeów, którzy nie uczyli się uprzednio fizyki ani w wystarczającym stopniu matematyki, też nie są dojrzali do takiego procesu. I to jest bardzo istotna przeszkoda.

Jednakowoż jest możliwym nauczanie, mimo że poziom myślenia formalnego nie jest osiągnięty. Bo chociaż uczeń nie jest w stanie rozumować formalnie w oderwaniu od kontekstu, robi to dobrze w konkretnych sytuacjach. Z tego powodu kurs propedeutyczny jest możliwy. Co więcej jest on bardzo potrzebny. Dzięki niemu uczeń będzie przygotowany do właściwej nauki. Wedle Wygotskiego dzięki takiej nauce wykształci nawet umiejętności myślenia formalnego.

Krótko scharakteryzował cechy myślenia konkretnego Karplus. Podkreślić należy jeszcze raz, że w tym okresie występuje trudność w dokonywaniu transferu z jednej dziedziny na drugą!

W szkole rozpoczyna się naukę fizyki, gdy uczeń jest na ogół jeszcze na etapie II klasyfikacji piagetowskiej. Myśli konkretami. Jak to wygląda na poszczególnych etapach, przy rozwiązywaniu poszczególnych zadań jest u Piageta ilustrowane cytatami. Badałam nasze dzieci, wyniki pokrywają się, dostaję niemal identyczne odpowiedzi. Z badań tych wynika, że absolutnie będzie skazane na niepowodzenie nauczanie ze zbyt wczesnym pełnym formalizmem matematycznym. Nie dziwią olbrzymie trudności-uczniów klas VII rozpoczynających naukę kinematyki. Stąd takie powodzenie metod „odkrywamy sami fizykę”. Oczywiście ono ma zalety, jeśli idzie o nauczanie wstępne, i jest może jedynym słusznym. Należy jednak pamiętać, że jest to jedynie przygotowywanie do nauki.


Bariera wiedzy matematycznej
Bariera wiedzy matematycznej jest nierozerwalnie związana z rozwojem fizyki. Rozwój fizyki odbywa się na ogół przez znalezienie odpowiedniego aparatu matematycznego potrzebnego do zbudowania modelu, teorii. Nie zawsze matematyka czekała „gotowa” na zastosowanie. Wielokroć w historii to fizyka wymuszała rozwój odpowiedniego działu matematyki. Tak było z rachunkiem różniczkowym i całkowym. I jeśli nawet matematyka była gotowa, to i tak fizyk musiał ją odkryć dla siebie. Tak było w przypadku Einsteina, który uczył się geometrii nieeuklidesowej doskonale znanej Hilbertowi, któremu z kolei brakło wiedzy i intuicji fizycznej. Fizyka jest nierozerwalnie splatana z matematyką. Jednakowoż potoczne powiedzenie, że matematyka jest narzędziem fizyki jest bardzo spłycające – i to nie tylko dlatego, że matematyka czerpała inspirację z fizyki. Relacja ta jest bardziej skomplikowana. Trudno sobie wyobrazić czym byłaby matematyka bez empirii, np. geometria. Freudenthal mówi o matematyzacji rzeczywistości. Wprawdzie fizyka nie uzurpuje sobie wypełnienia całej rzeczywistości – lecz niewątpliwie cała fizyka jest przykładem takiej matematyzacji. Taka interpretacja jest bliższa poznawaniu i konstruowaniu matematyki razem ze sformułowaniem modeli rzeczywistości – a więc nie najpierw matematyka a dopiero potem jej zastosowania. Zeldowicz swój wykład rachunku różniczkowego i całkowego prowadzi na przykładzie kinematyki. Zakłada, że intuicyjne rozumienie pojęcia fizycznego będzie pomocne w budowaniu pojęć matematycznych (różniczki, całki). W takim duchu jest propozycja Freudenthala wpro­wadzania eksponenty – poprzez przykład rozpadu radioaktywnego.

W praktyce jednak, w nauczaniu fizyki, wcześniejsze oswojenie ucznia z pojęciami matematycznymi jest niezbędne. Niezbędna jest też pewna rzemieślnicza biegłość, nawyki. Poczynając od rozumienia zwykłej proporcji, pojęcia pola powierzchni, objętości w szkole podstawowej aż do funkcji specjalnych przy studiowaniu mechaniki kwantowej – brak odpowiedniej wiedzy matematycznej stanowi przeszkodę w rozumieniu nowych pojęć. Braki w wiedzy matematycznej, mogą powodować przeszkodę nie do przebycia. Bariera wiedzy ma­tematycznej ujawnia się w tych działach fizyki, w których stosowanie odpowiedniego aparatu matematycznego jest w szkołę niemożliwe. Te działy to mechanika i elektrodynamika. Już takie zwykłe pojęcie jak prędkość zawiera w sobie przejście graniczne, elementy rachunku różniczkowego i całkowego. W elektrodynamice jest jeszcze trudniejsza sytuacja bo jest zaangażowana geometria różniczkowa. Do sformułowania praw Maxwella są potrzebne zaawansowane pojęcia, nie są one łatwe do modelowego przedstawienia. To jest bardzo istotna przeszkoda. Nasi uczniowie nie mają na ogół geniuszu Faradaya, który obchodził się bez Maxwellowskiego formalizmu. Trudności te zostały w znacznym stopniu rozpoznane przez dydaktyków matematyki.

Zapominanie o tej przeszkodzie jest poważnym błędem dydaktycznym. Zapoznawanie się z matematyką najeżone jest trudnościami poznawczymi.

Lwia ich część przenosi się na fizykę. Jest to jednak przeszkoda, którą przy starannie ułożonym programie można w znacznym stopniu zniwelować. Wedle zdania niektórych fizyków (np. Ginzburga, patrz Foton 83, 2003, Wywiad), niezbędne są duże ilości ćwiczeń rachunkowych, po prostu musztry rachunkowej. Natomiast unikanie za wszelką cenę opisu matematycznego, przynajmniej w niektórych działach fizyki (np. mechanika) jest bardzo krótkotrwałą receptą, nieskuteczną w długofalowym nauczaniu.

Z wszelką pewnością karygodnym błędem jest stosowanie fałszywych uproszczeń matematycznych. Nie tylko nie prowadzą do lepszego rozumienia, lecz dają ułudę rozumienia. Na etapie szkoły podstawowej rozpoczynania nauki fizyki potrzebna jest elementarna umiejętność dodawania, odejmowania, operowania liczbami ujemnymi, mnożenia, dzielenia, rozumienia sensu osi liczbowej, znajomości podstaw geometrii, która jawi się jako pierwsza nauka ściśle empiryczna. Intuicyjne rozumienie pojęcia wektorów jest też bardzo pomocne.
Zadanie

Przypomnij sobie przykłady swojej praktyki szkolnej, w których brak elementarnej wiedzy matematycznej utrudniał, czy uniemożliwiał uczniom zrozumienie jakiegoś pojęcia fizycznego, czy prawa fizyki.
Obserwowanie przyrody.
Wykonywanie doświadczeń przez nieletnich uczniów


Obserwowanie przyrody przez uczniów różni się bardzo od obserwacji wykonywanych przez fizyka.

Nauczanie przyrody ma dać uczniom zrozumienie podstawowych praw przyrody, umiejętności właściwego opisu zjawisk w przyrodzie i w technice, umiejętności przewidywania rozwoju zjawisk w przyszłości lub zjawisk jeszcze nieznanych. Ma nauczyć porządkowania, selekcjonowania, analizowania i syntetyzowania faktów. Ma nauczyć formułowania i weryfikacji hipotez.

Ponieważ nasze zainteresowanie skupia się na naukach przyrodniczych, które są naukami doświadczalnymi, skupimy uwagę na sposobie obserwacji i wykonywania doświadczeń. Fundamentalna funkcja doświadczeń szkolnych w nauczaniu przyrody to budowanie bazy pod nauki przyrodnicze. Oprócz tego doświadczenia mają przyuczać uczniów do nabycia pewnych nawyków i umiejętności przydatnych w innych dziedzinach życia. Są to: systematyczność, porządek, umiejętność odczytywania przyrządów pomiarowych, zapis pomiarów, odczytywanie wykresów, przetwarzanie danych, bezpieczeństwo pracy, organizacja pracy, komunikowanie innym swoich obserwacji, umiejętność krytycznej analizy. I chociaż powyższe umiejętności zdobywają uczniowie nie tylko na lekcjach fizyki i ogólnie przyrody to jednak przyroda, a szczególnie fizyka są szczególnie kształcące. Mamy podstawy mieć nadzieję, że jeśli nawet nie od razu, to w przyszłości, nastąpi transfer zdobytych na lekcjach fizyki umiejętności i nawyków na inne dziedziny wiedzy i życia potocznego.

Tak więc interesuje nas rola doświadczenia w rozumieniu fizyki jako takiej. Rola eksperymentu w fizyce jako nauce nie wymaga dyskusji. Fizyka zaczyna się od obserwacji i eksperymentu, doświadczenie jest też ostatecznym kryterium użyteczności teorii fizycznych. Skoro tak, to jest jasnym, iż obserwacja i eksperymentowanie, zarówno samodzielne jak i nauczycielskie demonstracje powinny być dominujące w początkowych stadiach nauczania fizyki.

W początkowym okresie życia i uczenia się dziecko kumuluje swoje dane empiryczne o świecie zewnętrznym, słabo je jeszcze ustrukturyzowując. Przeważa kolekcjonowanie danych. Zestawiane są wydarzenia analogiczne. Znacznie lepiej są pamiętane pierwsze wydarzenia i doświadczenia. Pierwsze, to znaczy nie podobne do pozostałych. Lepiej są pamiętane wrażenia i doświadczenia związane z przeżyciami emocjonalnymi takimi jak: zdziwienie, przyjemność, strach.

Należy sobie jednak zdać sprawę ze znanego faktu, że patrząc na to samo, każdy postrzega nieco inne rzeczy i własności, że dzieci postrzegają, czy raczej są zainteresowane innymi cechami zjawisk niż dorośli, i niż fizyka dostrzega. Stanowi to podstawową trudność w nauczaniu fizyki. Jedyna metoda złagodzenia tej trudności prowadzi, po dokładnym rozpoznaniu postrzegania i zainteresowań dzieci, do przeorganizowania programu fizyki. Uważam, że dzieci są bardziej zainteresowane strukturą materii, jej cechami (stąd powszechne zainteresowanie chemią), niż globalnymi cechami opisywanymi przez prawa Newtona. Początkowe nauczanie powinno się raczej skoncentrować na gromadzeniu danych empirycznych, na strukturze materii. Taki jest program fizyki dla klas VI. Badania wskazują na duże zainteresowanie fizyką uczniów klas szóstych i dramatyczny spadek zainteresowania w klasach siódmych.

Na pierwszy rzut oka wydawałoby się, iż każda demonstracja i każde doświadczenie jest równie cenne. Tak jednak nie jest, bowiem celem demonstracji jest już konkretne wprowadzenie, czy przygotowanie rozumienia pojęć fizycznych i matematycznych. Wyjaśnię, co mam na myśli przez chybione, lub może mało efektywne doświadczenia.



Przykład 1) W pierwszej klasie siedmiolatkom wprowadza się liczby naturalne. Tradycyjnie robi się to demonstrując zbiory o liczebności danej liczby naturalnej (patrz rozdział o formowaniu się pojęć matematycznych i logiki). Jako przykład zbioru podałam dzieciom (to jest narysowałam na tablicy) 10 gołych stóp (na rysunku poniżej)

Otóż kształt tych stóp tak dzieci rozbawił, iż zupełnie odwróciły one uwagę od tego, co było moim celem.

Przykład 2) Przy demonstrowaniu dzieciom połączeń szeregowych i równoległych zupełnie przypadkowo używałam kabli czerwonych dla połączeń szeregowych, a niebieskich dla równoległych. Okazało się, że była to dla dzieci istotna różnica między tymi przypadkami.

Dalszy proces nauczania wykazał, iż rozumienie istoty przepływu prądu elektrycznego jest już możliwe dla uczonych dzieci. Eksperyment jednak rozpraszał uwagę. Trudność polega na tym, iż nie zawsze zdajemy sobie sprawę z tego, na co zwracają uwagę dzieci. Już nawet pobieżna analiza wypowiedzi dzieci uczących się dynamiki wskazuje, iż przy obserwowaniu ruchów są one zainteresowane detalami ruchu (jak się koła kręcą, jak się piórko przewraca, czy przy drodze jest stacja benzynowa). Większość 12-, 13-, a nawet 14-latków nie jest jeszcze gotowa myśleć o ruchu jak o ruchu punktu materialnego po torze. Przy obserwacjach zjawisk na stole, czy linii powietrznej interesuje dzieci raczej mechanizm dmuchania i utrzymywania krążków na stole w powietrzu. W tym sensie przedwczesne demonstracje na stole powietrznym są chybione. Nie twierdzę, iż są zupełnie stracone. Wiele dzieci później, będąc bardziej przygotowanymi do zrozumienia mechaniki „wyciągnie” je z pamięci.

W tym samym sensie chybione mogą być demonstracje modelowe. Tak jest wtedy, gdy funkcjonowanie modelu jest bardziej atrakcyjne i zajmujące niż omawiany proces. Jako przykład może służyć model oddziaływań molekularnych demonstrowany na monetach pływających w cieczy (szósta klasa). Uczniowie są zafascynowani mechanizmem unoszenia monet na błonce powierzchniowej oraz mechanizmem przyciągania się monet.

Nie sposób jest podać receptę gwarantującą powodzenie demonstracji czy eksperymentu. Trzeba słuchać i obserwować reakcje dzieci i uczniów.

Przypomnijmy jeszcze raz. Świadomy pokaz i doświadczenie ma na celu:

1. nauczenie skupienia uwagi na pewnych istotnych cechach zjawisk i umiejętność eliminowania nieistotnych cech;

2. nauczenie umiejętności opisu obserwacji (początkowo językiem potocznym). Chodzi zarówno o werbalizację jak wykonanie rysunku i zrobienie notatki;

3. dokonanie jakichś pomiarów;

4. dokonanie refleksji nad powtarzalnością wyników, niedokładnością pomiarów;

5. dokonanie refleksji nad sposobem potwierdzania wyników;

6. ćwiczenie umiejętności wyciągania wniosków – lecz nie przedwcześnie

Punkty 4/, 5/ i 6/ wymagają już od ucznia pewnej dojrzałości w myśleniu formalnym. Niektórzy uczniowie nie są jeszcze gotowi do wykonywania punktów 5/ i 6/. Wtedy jednak punkty l/, 2/ i 3/ też mają swoją wagę i są cenne.

Należy zwrócić uwagę na to, że młodzi uczniowie mają tendencję do wyciągania przedwcześnie wniosków bez należytych przesłanek. Chęć uogólnienia totalnego występuje często przed umiejętnością dokonywania transferu z jednego zjawiska na inne, z jednej dziedziny na drugą. To może potem powodować przeszkodę w rozumieniu innych, niż obserwowane, zjawisk. Trzeba być czujnym, czy przypadkiem taka sytuacja nie ma miejsca.

Niespodzianka w czasie doświadczeń
Element niespodzianki występujący w czasie eksperymentowania jest bardzo ważny. Nie tylko odkrywa nowe zjawiska, wyprowadza ze stanu równowagi, lecz ułatwia zapamiętanie. Należy jednak pamiętać, że zadziwiające doświadczenie, nieobjaśnione lub przynajmniej nieopi­sane prawidłowo jest bez wartości, a czasem nawet szkodliwe.

A oto przykłady doświadczeń budzących zdziwienie uczniów.




1) Relegacja lodu


Blok lodu przecinany przez obciążony drut zamarza z powro­tem. To doświadczenie pozwoli zapamiętać, iż temperatura topnienia zależy od ciśnienia

2) Odwrócona szklanka z wodą


W
kartka papieru

oda nie wylewa się. Doświadczenie ma za zadanie ilustrować istnienie ciśnienia atmosferycznego powietrza. Tłumaczenie zjawiska nie jest „czyste”. Pomija się istotną rolę napięcia po­wierzchniowego. Niektórzy uczniowie myślą, że decydującą rolę gra obecność, czy też brak, pęcherzyków powietrza w wodzie.

3) Woda na tłustym sicie

Dobre doświadczenie jak i wiele innych ilustrujących napięcie powierzchniowe, siły przylegania (np. włoskowatość). Sam opis zjawiska jest już kształcący.


4) Unoszenie balonu napełnionego gorącym powietrzem

5) Widok „złamanej” łyżeczki w szklance

6) Fontanna

7) Wirująca kropla wody na patelni
A oto doświadczenia i obserwacje tak powszechne, że uczniowie tracą nimi zainteresowanie:

1. Pływanie

2. Widok kropli kapiących z kranu

3. Topienie lodu i śniegu

4. Rozpuszczanie soli, cukru

5. Zmiana objętości poduszki przy ściskaniu

6. Elastyczność piłki

7. Gotowanie wody

Zadaniem nauczyciela jest sprowokowanie ucznia do refleksji nad zjawiskiem, które jest bardzo oswojone. Do przedstawienia sytuacji podobnej do obznajomionej, ale jednak innej, do sprowokowania zga­dywania przebiegu zjawiska.

Na zakończenie parę praktycznych uwag:

• Dobrze jest na początku (przez ograniczony czas) pozwolić uczniom na swobodną obserwację," wymianę między nimi uwag. Warto podsłu­chać na czym się koncentrują.

• Dopiero po tym należy ukierunkować obserwowanie i eksperymentowanie. Dzieci mają zdawać sobie sprawę, że to nie zabawa.

• Wykonywanie obserwacji i doświadczeń bez omówienia i interpretacji wyników jest prawie pozbawione wartości, a pozostawienie uczniów ze zła interpretacją jest wręcz szkodliwe.

• Należy być świadomym, że dla niektórych dzieci nowość, niespodzianka, a nawet pewne niebezpieczeństwo stanowią wyzwanie i prowokują do pracy, zaś inne dzieci boją się i zniechęcają do aktywności.

Doświadczenia wykonane przez uczniów można podzielić na grupy:

1. Wykonywane przez nie spontanicznie, nieświadomie. To jest proces, który się odbywa bez przerwy od wczesnego dzieciństwa. Rolą nauczyciela jest uświadomienie tych doświadczeń i ich werbalizacja.

2. Obserwacje i doświadczenie planowane.

Część doświadczeń i obserwacji jest neutralna dla dzieci, nie wzbudza ani emocji ani zainteresowania. Dzieci nie interesuje wynik doświadczenia. Jeśli doświadczenie jest ważne to nauczyciel powinien wzbudzić zainteresowanie. Łatwiej jest z doświadczeniem, które zawiera element niespodzianki. Tu jednak łatwo o zaprzepaszczenie rezultatu przez niewłaściwą interpretację lub jej brak.

Przy planowaniu doświadczeń i obserwacji nauczyciel powinien wziąć pod uwagę:

l/ wrodzoną ciekawość dzieci,

2/ ich eksploracyjną naturę,

3/ ich aktywność,

4/ ich dobrą pamięć,

5/ ich zafascynowanie nowościami,

6/ ich zauważanie różnic a nie stanów stacjonarnych,

7/ ich zwracanie uwagi na szczegóły,

8/ ich myślenie teleologiczne (szukanie celowości),

9/ ich sposób klasyfikacji,

10/ ich trudności z dokonywaniem transferu,

11/ ich skłonności do przedwczesnych wniosków,

12/ ich akceptację sprzeczności,

13/ ich trudności w werbalizacji.

Ostatnio w modzie jest używanie zabawek jako elementów demonstracyjnych. Właściwa zabawka we właściwym czasie jest doskonałym narzędziem. Wzbudza zainteresowanie, często zawiera element niespodzianki. Jednak często działanie zabawek jest uwikłane w zawiły z punktu widzenia fizyki kontekst i tłumaczenie (prawidłowe) działania zabawki jest trudne.

Samo oddanie np. „joja” do zabawy uczniom jest jeszcze mało kształcące. Zwykle nauczycielowi chodzi w tym przypadku o ilustrację prawa zachowania energii. Uczniów interesuje jednak też mechanizm rozwijania szpuli, a zwłaszcza interesuje ich moment „powrotu”, odbicia, jak się uczniowie wyrażają. Jak nauczyciel będzie to tłumaczył?

Bystry uczeń może w zakamuflowany sposób (tym trudniejszy do odczytania przez nauczyciela) zapytać o zachowanie krętu. Czy nauczyciel (i uczeń) jest przygotowany do udzielenia prawidłowej od­powiedzi?

Zabawki, jako narzędzie demonstracji spełniają wtedy zadanie, gdy tłumaczenie zjawiska NIE wykracza poza możliwości ucznia.

Pomimo to demonstracja precesji prostego bąka jest warta zachodu. Uczeń ma zapamiętać, że bąk precesuje. Uczeń ma zapamiętać, że światło rozczepia się na pryzmacie („tak jest i koniec na razie”). Tutaj nie ma maskujących efektów. Natomiast pokazywanie na lekcji ptaszka poruszającego się skokami po drgającym pręcie mija się z celem. Poprawne tłumaczenie jest zbyt trudne dla uczniów.
Zadanie

Podaj przykłady pouczających zabawek i takich, które mogą wprowadzić poznawczy chaos.

Przykłady: trudności poznawcze występujące w czasie
zblokowanych demonstracji fizycznych

Brak czasu na wykonywanie w czasie lekcji fizyki rutynowych doświadczeń i demonstracji spowodował organizowanie dla uczniów skondensowanych seansów z demonstracjami. Stały się one okazją do zaobserwowania trudności poznawczych uczniów.

7 grudnia 1994 roku w Instytucie Fizyki UJ odbył się godzinny pokaz demonstracji dla uczniów szkół podstawowych. Tytuł pokazów „O przyczynach ruchu”. W konstrukcji logicznej wykładu wzięto pod uwagę sposób postrzegania ruchów przez dzieci, a więc następujący schemat:

• jak wprawić ciało w ruch

• jak utrzymać ciało w ruchu

• hamowanie

Po zademonstrowaniu – bez omawiania – całego szeregu ruchów spowodowanych różnymi siłami (grawitacja, siły elektryczne, magnetyczne) przystąpiono do krótkiego przedstawienia idei wykładu (zgodnie z zaleceniami Zofii Krygowskiej, by dzieci wiedziały a priori do czego zmierza dany tok rozumowania).

W dużym skrócie polegało to na tym, że powiedziano dzieciom, iż powyż­sze patrzenie zastąpimy innym punktem widzenia. Widzenie arystotelesowskie zastąpimy niutonowskim. Powiedziano uczniom, że najpierw zajmiemy się opisem ruchu, koniecznością wprowadzenia układu współrzędnych, przyuważymy względność ruchu, przyuważymy wyróżnioną rolę ruchów ze stałą prędkością, rozważymy wszechobecne tarcie i jako ukoronowanie przypomnimy zasadę Newtona. Po tym jeszcze raz obejrzano wszystkie już raz demonstrowane i do­datkowe doświadczenia. Następnie przeanalizowano je wedle pierwszego schematu, ale sprawdzając słuszność praw Newtona.

Uczniom rozdano około stu ankiet, w których zapytano uczniów o najciekawsze doświadczenia, doświadczenia budzące zdumienie, oraz poproszono o wskazanie niezrozumiałych doświadczeń i części wykładu.

Pomimo iż sala wykładowa była przepełniona dzieci z uwagą i zaciekawieniem śledziły zarówno wykład (z dialogiem) jak i przede wszystkim same demonstracje.

Na pytanie „Co ci się najbardziej podobało?” dzieci odpowiadały – demonstracje. Z poszczególnych demonstracji wymieniano najczęściej ruch grającej piłki, doświadczenie z kołem rowerowym, doświadczenie na linii powietrznej z wagonikami, ruch ciężkiej kuli (żyroskop). Właściwie prawie każde z pokazywanych doświadczeń komuś podobało się najbardziej. Doświadczenia, które podobały się najbardziej to były te same, które najbardziej zadziwiły.

80% dzieci odpowiedziało, że zrozumiało wszystko, co było na wykładzie. Jednak część wyartykułowała niezrozumiałe fakty. Dotyczyły one ruchu żyroskopu, koła rowerowego i zjawisk elektromagnetycznych (ruch ramki z prądem w polu magnetycznym). Wprawdzie nieliczna, ale jednak niezaniedbywalna część twierdziła, że nie zrozu­miała słownego wykładu. Część uczniów narzekała, że najpierw były skomasowane doświadczenia bez objaśnień (jedna dziewczynka nawet napisała, że doświadczenia były chaotyczne), a tłumaczenia następowały dopiero później.

Oczywiście to bardzo dobrze, gdy doświadczenia podobają się i zadziwiają. Między innymi po to właśnie urządza się takie pokazy. Źle jednak, gdy zaciekawia i intryguje nie to co ma służyć konkretnemu celowi – w tym wypadku chodziło o egzemplifikacje praw Newtona.

Ewidentnym błędem było użycie grającej piłki (piłki do demonstracji efektu Dopplera) do pokazywania rzutów i dyskusji rzutu. Dzieci skoncentrowały się na dźwięku i na pewno wielu z nich umknęło uwagi to, że trajektoria piłki była identyczna z trajektorią wody tryskającej z węża gumowego, i że była identyczna z krzywą wytyczoną przez drewniane kuleczki wiszące na sznurkach o długościach wyliczonych z funkcji kwadratowej.

Celem doświadczeń było pokazanie ogólnej własności ruchu w polu sił jednorodnych – dzieci jednak skupiały zainteresowanie na nieistotnych do tego opisu szczegółach. Jest to typowy przykład omawianej uprzednio przeszkody zderzenia opisu rzeczywistości przez gotową naukę z opisem jej przez dzieci.

Chybione było doświadczenie ze spuszczaniem z balkonu dwóch lin z kulkami drewnianymi: jednej z kulkami w równych odstępach, a drugiej z odstępami kwadratowymi. Efekt był słabo słyszalny i dzieci nie wiedziały, co ma to doświadczenie pokazywać. Nie widziały celu doświadczenia, bowiem to nie była prosta obserwacja zjawisk zachodzących w życiu, (gdy np. demonstrowaliśmy ruchy wagonika z różnym tarciem), lecz doświadczenie ustawione, aby coś pokazać. Dzieci nie uchwyciły celu.

Nie będą te doświadczenia zmarnowane, jeśli nauczyciele do nich wrócą na lekcjach i bez pośpiechu przeanalizują je.

Dzieciom niesłychanie podobały się doświadczenia na linii powietrznej oraz giroskop na poduszce powietrznej. Nota bene tylko jedno dziecko zapamiętało nazwę giroskopu. Pomimo, iż wydawało mi się, że zwrócono uwagę na to, że to nie powietrze porusza giroskop oraz wagoniki na linii, to jednak dzieci tego nie zaakceptowały. O giroskopie napisały „kula poruszana powietrzem”. Giroskop był użyty w czasie tych demonstracji jako element ludyczny (i to się sprawdziło) i jako przykład eliminowania czy zmniejszania tarcia (tak jak i linia powietrzna). Ten cel nie został osiągnięty. Doświadczenia na linii powietrznej są dla uczniów intrygujące, jednakże by odniosły zamierzone cele nie mogą być przeprowadzane w pośpiechu. Najprzód uczniowie muszą się zapoznać z działaniem linii i rolą poduszki powietrznej.

Doświadczenie pokazujące siłę elektrodynamiczną umieszczone w zestawie doświadczeń i pokazane w pośpiechu bez możliwości oswojenia się z tą siłą oraz bez należytego wytłumaczenia pozostawiły w uczniach wrażenie chaosu – według niektórych uczniów doświadczenia te nie pasowały do reszty. Czyli fiasko dydaktyczne, chodziło przecież o wskazanie takich samych skutków działania różnych sił (ruch).

Okazuje się, że dzieci nie są jeszcze gotowe na takie globalne spojrzenie na fizykę, a już na pewno nie w trakcie jednej godziny wykładu i demonstracji! Czy to jednak oznacza, że nie należy od początku czynić prób globalnego patrzenia na dynamikę? Chyba nie, raczej jest to wskazówka, iż droga ta jest trudna i powinna być przebywana bez pośpiechu. Piękna logiczna konstrukcja wykładu była jasna dla prowadzącego wykład – dzieci jej nie dostrzegły. I chociaż dalej uważam, iż dynamikę należy pokazywać przez rozważanie trzech faz ruchu (zaczynając od końca, czyli od hamowania) to jednak musi się to odbywać małymi kroczkami. Skróty mogą prowadzić na manowce. Uczniowie odniosą korzyść z wyżej opisanych demonstracji tylko wtedy, gdy nauczyciele później, w toku nauczania odniosą się do ogląda­nych demonstracji i przeanalizują je z uczniami.

Elegancja i logiczna konstrukcja wykładu czy lekcji służą zadowoleniu wykładowcy i nauczyciela. Myśli ucznia meandrują w różne strony, uczeń jest „po drodze” zainteresowany ubocznymi z punktu widzenia głównego wątku szczegółami. Uczeń wtedy nie nadąża za głównym tokiem wykładu i lekcji, gubi się. Jest wielką sztuką antycypacja ważniejszych uczniowskich meandrów – pozwala to szybciej i efektywniej prowadzić uczniów do celu – jakim jest również poznanie „gotowej fizyki”.

Przykładem bardzo fachowo poprowadzonej lekcji z doświadczeniami wykonywanymi przez dzieci jest lekcja przeprowadzona przez Marię Skłodowską-Curie.

Oto fragment scenariusz lekcji poświęconej pływaniu ciał.

– Wiemy, że w czystej wodzie jajka opadają na dno. Jajka włożyliśmy do słonej wody. Jak widzimy, pływają, ponieważ ich gęstość jest mniejsza, niż słonej wody. Dolejcie teraz wszyscy wody czystej do słonej, aż jej gęstość stanie się taka sama, jak gęstość jajek. Rozpoznacie to po tym, że jajka będą wtedy pływały zawieszone w wodzie.
Wszystkim dzieciom doświadczenie udaje się wspaniale.

– A teraz zrobimy bardzo piękne doświadczenie. Oto dwie zlewki. W jednej jest woda i oliwa: oliwa pływa po wierzchu, ponieważ jej gęstość jest mniejsza od gęstości wody. W drugiej jest oliwa i alkohol; tu oliwa jest na dnie, ponieważ ma większa gęstość, niż alkohol. Skoro oliwa wypływa na powierzchnię wody, a w alkoholu opada na dno zlewki, można zrobić taką mieszaninę wody i alkoholu, żeby oliwa ani nie tonęła, ani nie pływała po powierzchni. Zobaczycie, że oliwa przybierze wtedy kształt kulki i jak to ładnie wygląda.

Musimy próbować na chybił trafił. Gdy oliwa wypływa, to oznacza, że dodaliśmy do naszej mieszaniny za dużo wody; jeżeli opada na dno naczynia, to dlatego, że dolaliśmy zbyt dużo alkoholu.

Każdemu dziecku udaje się w końcu uformować piękną, złocistożółtą kulę zawieszoną, w cieczy. Wszystkie dzieci są zachwycone.




Literatura:



Foton 45 (1996) O przeszkodach poznawczych w nauczaniu fizyki, Zofia Gołąb-Meyer

A. Sierpińska Pojęcie przeszkody epistemologicznej w nauczaniu matematyki, Dydaktyka matematyki 8, Nr 3 (1987)



Lekcje Marii Skłodowskiej-Curie. Notatki Isabelle Chavannes z 1907 roku, WSiP, Warszawa (2004)





©snauka.pl 2016
wyślij wiadomość