Východiská projektu
Výučba špeciálnej teórie relativity (ŠTR) V súčasnosti nie je na stredných školách ŠTR zaradená do učebných
osnov. Niektoré školy ju vyučujú ako rozširujúce učivo. Učitelia
postupujú pri jej výklade zväčša podľa starej učebnice z 80-tych rokov.
Nezdôrazňujú udalosť, priestoročas a priestoročasový interval ako
fundamentálne pojmy v teórii. Používajú zastaralý, negeometrický pohľad
na hmotnosť, ktorý tvrdí, že hmotnosť sa s rýchlosťou častice zväčšuje.
Istú zmenu prináša nová učebnica pre 4. ročník. V nej sa už pristupuje
k teórii modernejším spôsobom. Avšak tento spôsob je pre učiteľov
neznámy. Preto by bolo potrebné poskytnúť učiteľom stredných škôl
učebný materiál zaoberajúci sa vo svete rozšíreným prístupom k výkladu
ŠTR. Vo vyspelých krajinách je v súčasnosti veľmi populárna kniha
Spacetime Physics od Edwina Taylora a Johna Archibalda Wheelera, ktorá
je svetovo uznývaným úvodom do špeciálnej teórie relativity. Podľa nás
by bolo veľmi užitočné oboznámiť učiteľskú obec so slovenským prekladom
tejto knihy.
Edwin Taylor vydal k tejto knihe začiatkom 90 rokov softvér v dnes už
zastaralom jazyku cT. Týmto softvérom E. Taylor v roku 1988 zvítazil v
prestížnej súťaži EDUCOM/NCRIPTAL Higher Education Softvare Awards.
Bolo by veľmi užitočné tento softvér prerobiť do Javy, čo je aj jeden z
cieľov navrhovaného projektu. Autor pri predbežných rozhovoroch
súhlasil s prerobením softvéru do Javy a ponúkol aj spoluprácu.
Výučba základov kvantovej mechaniky (ZKM)
Koncom 70-tých rokov uviedol vynikajúci americký fyzik Richard Feynman
sériu prednášok z kvantovej mechaniky pre laickú verejnosť. V roku 1985
boli tieto prednášky zaoberajúce sa jeho formuláciou kvantovej fyziky
publikované v knihe QED: nezvyčajná teória svetla a látky. Táto
formulácia je konceptuálne jednoduchšia ako tradičná Schrödingerova
formulácia, súvisí s myšlienkami a pojmami teórie relativity, čo vedie
k vzájomnej podpore a lepšiemu zvládnutiu teórie relativity a kvantovej
fyziky. V súčasnosti sa tento prístup bohato využíva v časticovej
fyzike, fyzike tuhých látok, polymérov, štatistickej fyzike, či fyzike
chaosu. V polovici deväťdesiatich rokov sa v didaktike kvantovej
mechaniky stal istým medzníkom kurz Edwina Taylora z USA určený pre
vysokoškolských študentov, ktorých hlavných odborom nie je fyzika,
stredoškolských učiteľov a nadaných študentov stredných škôl. Tento
kurz sa začal prvýkrát učiť v akademickom roku 1995/1996. Prezentácia
kurzu založená na Feynmanovej knihe QED využíva interaktívny softvér,
pričom kurz nepresahuje matematický aparát našej strednej školy.
Doterajšie výsledky ukazujú, že táto formulácia je pre študenta
začiatočníka prijateľnejšia ako Schrödingerova. V roku 1997 na základe iniciatívy Institute of Physics pod vedením Jona
Ogborna vo Veľkej Británii vzniklo úsilie o reformu kurikula fyziky
úrovne A pre posledné dva ročníky stredných škôl. Dôvodom bol neustály
pokles počtu študentov, ktorí si vyberali túto úroveň. Na druhej strane
k tomu viedol rozvoj nových technológii za posledných 15 rokov, ktorý
by výučba fyziky nemala ignorovať, ak chce osloviť širšie spektrum
študentov. Inštitút dospel k záveru, že nový kurz by mal odzrkadľovať
istý rozsah moderných aktivít a trendov vo fyzike a neučiť len fyziku
do roku 1900. Preto došlo k adaptácii Taylorovho kurzu do jednej
samostatnej kapitoly nových učebníc pre stredné školy vo Veľkej
Británii aj s doprovodným softvérom. Fundamentálne myšlienky
Feynmanovej kvantovej mechaniky sa tak stali základným učivom pre
fyziku úrovne A.
Testovanie a výučba podľa materiálov tohto projektu na všetkých
britských stredných školách začala v roku 2000 a v roku 2003 boli
publikované aj prvé výsledky s veľmi pozitívnym ohlasom tejto reformy. Na našich vysokých školách sa viac ako polstoročie vyučuje úvod do
kvantovej mechaniky cez Schrödingerovu formuláciu, ktorá vyžaduje istú
úroveň matematickej prípravy, s ktorou má väčšina terajších študentov
problém a z toho dôvodu nemá možnosť hlbšie pochopiť myšlienky modernej
fyziky. V súčasnosti (od roku 1995) sa na našich gymnáziách upustilo od
výučby základných myšlienok kvantovej mechaniky založenej na
Schrödingerovej formulácii, ktorej prezentácia v rámci strednej školy
bola naozaj náročná. Preto sa učí len niekoľko základných myšlienok
mikrosveta, akým je fotoelektrický jav, či polokvantový Bohrov model
atómu. Fyzika patrí medzi nepopulárne predmety o počet študentov
maturantov s fyziky neustále klesá. V roku 2000 vyšiel preklad knihy
Feynmanovej knihy QED na Slovensku a v rokoch 2001-2003 sa začali prvé
pokusy s výučbou Feynmanovej kvantovej mechaniky s talentovanými
študentmi. Výsledky ukazujú pozitívny ohlas a taktiež smer v tom, že
výučba kvantovej mechaniky pomocou počítačov na základe Feynmanových
myšlienok si vyžaduje aj novú prípravu terajších aj budúcich
stredoškolských učiteľov, čo by bolo možné dosiahnuť novými kurzami na
vysokých školách. Výučba modelovania fyzikálnych javov vo všeobecnej
fyzike Táto téma patrí na stredných školách na fyzikálne krúžky. Na obyčajných
hodinách sa študent s numerickým modelovaním fyzikálnych javov
nestretne. Na modelovanie sa používa buď tabuľkový procesor (Excel)
alebo programovací jazyk, napríklad Pascal. V obidvoch prípadoch je
problém s grafickým výstupom, prípadne s animáciou. Tiež je tu problém
s nepripravenosťou učiteľov na numerické modelovanie. Navrhujeme využiť
existujúce prostredie Easy Java Simulations od Francesca Esquembreho,
ktoré umožňuje interaktívnym spôsobom vytvárať java applety so
simuláciami, pričom sa od študenta (učiteľa) nevyžaduje skoro žiadna
znalosť programovacieho jazyka Java. Programy majú pekný grafický
výstup, vo forme Java appletu, ktorý zväčša animuje daný fyzikálny jav
a dá sa publikovať na internete. Bolo by užitočné tento program
lokalizovať do slovenčiny. Podobne by bolo potrebné urobiť slovenskú
verziu manuálu k tomuto programu.
Pre náročnejších záujemcov o modelovanie vytvoriť zbierku jednoduchých
programov v jazyku objektového programovania JAVA s použitím balíka
Open Source Physics. Okrem prostredia EJS je veľmi efektívna (aj efektná) výučba všeobecnej
fyziky pomocou fyzletov Dnes sú vo svete veľmi úspešné fyzlety, ktorých
autorom je Wolfgang Christian z Davidson College, USA. Fyzlety
predstavujú špeciálny druh skriptovateľných JAVA appletov vložených do
html stránok. Existuje kniha s CD, v ktorej je okolo 800 fyzletov vo
forme ilustrácií, bádaní a problémov. | 