Esej 

Maria Fiałkowska

Reforma systemu edukacji szansą na trwałą wiedzę z fizyki

Nikt nie może uważać się za człowieka wykształconego,
jeśli nie zna choć trochę podstaw nauk przyrodniczych.
Nauki te mają głębokie, filozoficzne znaczenie
i kształtują nowe sposoby rozumienia rzeczywistości.
 
James Haught, Fizyka w nanosekundę

Przez wiele lat istniała w Polsce moda na deklarowanie niechęci do przedmiotów ścisłych, a nawet na chlubienie się nieznajomością tych dziedzin wiedzy. Wypowiedzi w stylu "nigdy nie umiałem matematyki i fizyki", "fizyka była zawsze moją piętą Achillesową", wygłaszane często z pewną dozą kokieterii, można było usłyszeć nie tylko w gronie znajomych, ale i w publicznych wystąpieniach znanych osób w środkach masowego przekazu.
 
W 2005 r., ogłoszonym przez ONZ Światowym Rokiem Fizyki w związku z setną rocznicą opublikowania teorii względności Einsteina, przystąpią do matury pierwsi absolwenci zreformowanej polskiej szkoły. Czy oni również, za kilka lub kilkanaście lat, będą wygłaszać podobne opinie? Czy wyniesiona ze szkoły wiedza o zjawiskach zachodzących w otaczającym nas świecie szybko ulegnie zapomnieniu? Reforma systemu edukacji stwarza szansę na zmianę istniejącego, nader smutnego stanu rzeczy pod warunkiem, że jej główne idee nie zagubią się we wciąż słabo finansowanych szkołach, a cele nauczania przedmiotów przyrodniczych będą rzetelnie realizowane na wszystkich poziomach nauczania.
 
  Pierwsze zetknięcie uczniów z wiedzą o zjawiskach fizycznych następuje w szkole podstawowej na lekcjach biologii. Naturalna ciekawość poznawcza i dociekliwość dzieci w wieku 10-13 lat sprzyja rozbudzaniu ich zainteresowania światem przyrody, pomaga uczyć obserwowania zjawisk, rozwijać spostrzegawczość i dociekliwość, kształtować logiczne myślenie i postawę badawczą.
 
Jako odrębny przedmiot fizyka pojawia się już w gimnazjum. Jednym z głównych celów nauczania na tym poziomie jest kształtowanie podstawowych pojęć z języka nauki, zapoznanie uczniów z podstawowymi prawami fizyki makroskopowej oraz elementarnymi metodami badawczymi, dzięki czemu uczą się oni rozumieć rolę eksperymentu w kontekście omawianego przedmiotu. Duży nacisk kładzie się w gimnazjum na pokazanie związku fizyki z życiem codziennym i z jej zastosowaniami w technice, medycynie czy ekologii.
 
W szkołach ponadgimnazjalnych nauczanie fizyki odbywa się na dwóch poziomach. Poziom podstawowy, tzw. kanon, jest obowiązkowy dla wszystkich uczniów, poziom rozszerzony zaś - dla przyszłych studentów studiów ścisłych, przyrodniczych i technicznych.
 
Według obowiązującej Podstawy programowej, głównym celem kanonu jest wykształcenie w uczniach refleksji filozoficzno-przyrodniczej, wynikającej ze świadomości praw rządzących makro i mikroświatem oraz pokazanie związku współczesnej wiedzy fizycznej z różnymi dziedzinami ludzkiej działalności.
 
Zgodnie z założeniami reformy, poziom rozszerzony powinno się realizować po zakończeniu kanonu, gdyż niektóre zagadnienia omawiane są wyłącznie w kursie podstawowym. W skład omawianych zagadnień wchodzą: elementy szczególnej teorii względności, transport energii, światło i jego rola w przyrodzie, fizyka jądrowa i jej zastosowania, budowa i ewolucja Wszechświata, jedność makro i mikroświata, fizyka a filozofia, narzędzia współczesnej fizyki.
 
Większość tych zagadnień pojawiła się w "szkolnej fizyce" po raz pierwszy, a ich realizowanie sprawiało początkowo nauczycielom wiele trudności. Konieczność uczenia w sposób kompleksowy i problemowy, niezgodny z tradycyjnym układem treści, stanowiła dla nich ogromne wyzwanie. Stworzyła jednak możliwość przybliżenia uczniom "wielkiej fizyki", intrygującej i interesującej, zasadniczo różnej od tej "szkolnej", na ogół nielubianej i nudnej.
 
Oczywiście kanon to także tzw. fizyka klasyczna, opis ruchów, zasady dynamiki Newtona, prawo zachowania energii i inne podstawowe zagadnienia, o których każdy z nas kiedyś również dowiadywał się w szkole. Niewielu jednak ludzi, niezwiązanych profesjonalnie z fizyką, pamięta, o czym mówi np. prawo Ohma, prawa Keplera czy pierwsza zasada termodynamiki. Naturalnie - nie każdy musi pamiętać szczegółowe wzory czy treść praw fizyki. Ważne, by jego wiedza pomagała zrozumieć świat przyrody, pozwalała wykorzystywać w życiu naukowe informacje i odróżniać je od innych - pseudonaukowych lub fałszywych. Odpowiedzialny i rzetelny nauczyciel, przystępując do realizowania podstawowego kursu fizyki, powinien odpowiedzieć sobie na pytanie, w jak trwałą wiedzę z fizyki chce "wyposażyć" swoich uczniów, a następnie konsekwentnie dążyć do celu. Dziś, w XXI w., jest chyba dla wszystkich oczywiste, że wiedza o przyrodzie i umiejętności ukształtowane podczas uczenia się fizyki na poziomie podstawowym powinny mieć znaczący udział w ogólnym wykształceniu absolwentów szkół ponadgimnazjalnych.
 
Wybór najistotniejszych zagadnień stanowiących "wiedzę z fizyki na całe życie" jest oczywiście trudny i dyskusyjny, więc przedstawione poniżej "pensum trwałej wiedzy" należy traktować jako propozycję.

Oddziaływania

Ciała makroskopowe oddziałują wzajemnie: bezpośrednio (stykając się z sobą), albo na odległość (poprzez pola). Oddziaływania ciał "na odległość" to oddziaływania grawitacyjne i elektromagnetyczne. Oddziaływania bezpośrednie opisujemy jako wynik oddziaływań elektromagnetycznych cząsteczek wchodzących w skład tych ciał. Zaś oddziaływania cząsteczek mikroskopowych to oddziaływania grawitacyjne, elektromagnetyczne i jądrowe (słabe i silne).
 
Miarą oddziaływań są siły. Jeśli siły nie działają lub równoważą się, ciało spoczywa bądź porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym. Działanie siły jest konieczne do zmiany ruchu. Te stwierdzenia wynikają z deterministycznych praw Newtona opisujących otaczający nas makroskopowy świat. Determinizm polega na tym, że znając położenie, prędkość ciała w pewnej chwili i działające na nie siły, możemy obliczyć położenie i prędkość ciała w dowolnej, późniejszej chwili. Podstawę sformułowania praw Newtona stanowiło rozumowanie indukcyjne.
 
Człowiek potrafi wykorzystywać występujące w przyrodzie siły (na przykład siłę ciężkości, sprężystości, tarcia, siłę elektrodynamiczną).

Szczególna teoria względności

Żadnej informacji nie można przesłać z szybkością większą niż 300000 km/s. Z tego faktu wynika cały szereg konsekwencji (np. zmiana "zwykłego" przepisu na składanie prędkości). Pojęcie upływu czasu nie jest bezwzględne. Jest to fakt stwierdzony doświadczalnie, a przewidywany przez szczególną teorię względności Einsteina. Jeśli ciało porusza się w jakimś układzie z szybkością bliską c, to z punktu widzenia obserwatora z tego układu, wszelkie procesy zachodzące w ciele (nawet np. proces starzenia się!), zachodzą wolniej niż dla obserwatora z układu, w którym ciało spoczywa.
 
Teoria względności została sformułowana przez Einsteina w wyniku rozumowania hipotetyczno-dedukcyjnego. Potem odkryto zjawiska, potwierdzające tę teorię.

Energia i jej przemiany

W przyrodzie obowiązuje zasada zachowania energii. Z teorii względności wynika, że każde ciało posiada energię spoczynkową. Jeśli ciała oddziałujące siłami przyciągania łączą się w układ, to część ich sumarycznej energii spoczynkowej zmienia się w inne rodzaje energii. Najbardziej efektywnym źródłem energii są procesy łączenia się lekkich jąder (fuzja jądrowa). W taki sposób powstaje energia słoneczna, która jest transportowana w postaci promieniowania elektromagnetycznego i na Ziemi ulega przemianom w inne rodzaje energii. Różnice w energiach wiązania jąder różnej wielkości dają możliwość uzyskiwania energii w zjawisku rozszczepienia.

Modele w opisie przyrody

Do opisu otaczającego nas świata budujemy modele, które coraz lepiej odwzorowują rzeczywistość. Są to np.: model oscylatora harmonicznego, model gazu doskonałego, model Bohra budowy atomu wodoru itp. Modelami posługujemy się np. do opisu budowy i wyjaśniania właściwości ciał. Z właściwościami mechanicznymi, elektrycznymi, magnetycznymi i optycznymi ciał związane są możliwości ich praktycznego wykorzystania.
 
Model cząsteczkowej budowy materii służy do wyjaśniania przemian energii wewnętrznej. Istnieją ograniczenia związane z przemianą energii wewnętrznej w pracę mechaniczną.
 
W przyrodzie zachodzą samorzutnie procesy nieodwracalne od stanu uporządkowania do chaosu. Przejście od chaosu do uporządkowania, np. budowa wysoko uorganizowanych form życia, wymaga dostarczenia energii.

Promieniowanie elektromagnetyczne

Fala elektromagnetyczna to przenikające się wzajemnie pola elektryczne i magnetyczne, przenoszące w próżni energię z szybkością c. Pełny zakres częstotliwości różnych rodzajów fal elektromagnetycznych to widmo fal elektromagnetycznych.
 
Promieniowanie elektromagnetyczne ma naturę dualną. W niektórych zjawiskach (np. dyfrakcji, interferencji) zachowuje się jak fala, w innych (np. w zjawisku fotoelektrycznym) jak strumień cząstek zwanych fotonami.
 
Światło widzialne stanowi wąski przedział widma fal elektromagnetycznych, a różnym częstotliwościom odpowiadają różne barwy. Najczęściej obserwowane w przyrodzie i wykorzystywane w przyrządach optycznych zjawiska falowe to: odbicie światła, załamanie, dyfrakcja, interferencja i polaryzacja.
 
Zjawisko fotoelektryczne, które znalazło szereg zastosowań (fotokomórka) można wytłumaczyć tylko na gruncie kwantowej teorii światła.
 
Emisję promieniowania elektromagnetycznego przez atom wodoru można wytłumaczyć korzystając z modelu Bohra, ale nie jest to model spójny logicznie. Gorzej też tłumaczy on widma atomów wieloelektronowych i cząsteczek. Teoria fizyczna, która dobrze tłumaczy te zjawiska, nazywa się mechaniką kwantową.
 
Każde ciało w postaci pary lub gazu - pobudzone do świecenia - wysyła charakterystyczne dla siebie widmo liniowe (pasmowe). Daje to możliwość analizy spektralnej, bardzo czułej metody wykrywania pierwiastków, także w odległych gwiazdach.

Promieniotwórczość

Promieniotwórczość jest naturalnym zjawiskiem w przyrodzie. Polega ona na emisji różnych cząstek z jąder atomów. Pierwiastki promieniotwórcze wykorzystuje się w medycynie i technice.

Makro- i mikroświat

Dualizm korpuskularno-falowy dotyczy nie tylko światła, ale również materii. Każdemu ciału posiadającemu pęd można przypisać falę o określonej długości. Dla ciał makroskopowych jest ona niemierzalnie mała. Natomiast dla ciał mikroskopowych możemy obserwować zjawiska falowe.
 
W makroświecie dokonywanie pomiaru nie wpływa na stan mierzonego obiektu, natomiast w mikroświecie w wyniku pomiaru stan obiektu ulega zmianie. Niedokładność pomiaru w makroświecie jest spowodowana niedoskonałością naszych zmysłów, niedoskonałością używanych przyrządów i naturalną zmiennością badanego obiektu. Niedokładność pomiaru w mikroświecie nie wynika z niedoskonałości naszych zmysłów lub niedoskonałości przyrządów pomiarowych, lecz jest właściwością przyrody. Zjawiska zachodzące w mikroświecie są opisywane przez prawa mechaniki kwantowej. Są to prawa indeterministyczne: na podstawie znajomości stanu układu w danej chwili nie można jednoznacznie przewidzieć jego ewolucji.

Budowa i ewolucja Wszechświata

Systematyczne przesunięcie linii widmowych w stronę fal długich, obserwowane w badaniach światła dochodzącego do nas od gwiazd i galaktyk, tłumaczymy oddalaniem się ich od Ziemi. Jest to związane z efektem Dopplera. W akustyce efekt ten polega na zmianie wysokości odbieranego dźwięku na skutek względnego ruchu źródła i odbiornika, a w optyce na (wynikającej ze zmiany częstotliwości) zmianie barwy odbieranego światła na skutek względnego ruchu źródła światła i odbiornika.
 
W chwili obecnej uznajemy za prawdziwą hipotezę powstania Wszechświata w Wielkim Wybuchu przed około 15 miliardami lat. Od tej chwili Wszechświat rozszerza się i stygnie. Dowodem słuszności tej hipotezy jest odkryte niedawno promieniowanie elektromagnetyczne zwane promieniowaniem reliktowym lub promieniowaniem tła, które powstało krótko po Wielkim Wybuchu.
 
Oprócz materii widzialnej (gwiazdy, galaktyki) Wszechświat wypełniony jest niewidoczną "ciemną materią". Losy Wszechświata zależą od gęstości wypełniającej go materii (ale na razie nie potrafimy dokładnie wyznaczyć tej gęstości).
 

Maria Fiałkowska