MGR. ZDENĚK HROMÁDKA, PH.D. 13549@mail.muni.cz DIDAKTIKA FYZIKY 1 PŘEDNÁŠKA 03 (9.4.2021) FYZIKÁLNÍ VZOREC VE VÝUCE FYZIKY ▪ Matematické vztahy mezi fyzikálními veličinami určují do značné míry strukturu vyučování předmětu fyzika na druhém stupni základní školy. ▪ Pamětné učení těchto vztahů je pak jedním z činitelů negativně ovlivňujících oblíbenost předmětu fyzika (srv. Janás 1996, s. 55). ▪ Autoři populárních publikací o fyzice či astronomii v úvodech rádi ujišťují čtenáře, že se ve svých textech pokusí obejít bez nadbytečných „vzorečků“ a rovnic, jelikož prý odrazují čtenáře (např. Stephen Hawking v úvodu knihy Stručná historie času, 2007). FYZIKÁLNÍ VZOREC VE VÝUCE FYZIKY Alternativy k matematickým vzorcům: ▪ Obvykle bývá buď geometrický graf (který laikovi může být nesrozumitelný podobně jako „vzoreček“). ▪ Analogie (která je nutně nepřesná a vždy do jisté míry zavádějící). ▪ Velmi komplikovaný verbální popis. Jako příklad srovnání verbálního a formálně matematického vyjádření fyzikálního vztahu může dobře posloužit všeobecně známý Archimédův zákon. ▪ Ačkoli myšlenka obsažená v Archimédově zákoně je triviální, její slovní formulace (pokud trváme na co nejpřesnějším vyjádření) působí poněkud komplikovaně. FYZIKÁLNÍ VZOREC VE VÝUCE FYZIKY ▪ Při učení fyzikálních vztahů se bohužel stává to, co jistě není cílem žádného učitele, tedy že žáci rezignují na správné pochopení vztahu, a raději se text naučí nazpaměť pro účel úspěchu v testu. ▪ Je jistě efektivnější „nabiflovat se“ výrazově úspornější matematický vztah, než text. Nicméně z hlediska vyšších vzdělávacích cílů jsou v tomto případě oba typy pamětného uchopení učiva stejně bezcenné. ▪ Je třeba učit žáky matematickému porozumění vzorci, jasnému pochopení, co nám vzorec říká o vztahu mezi veličinami. ▪ Je třeba budovat „lásku“ k vzorcům (radost z porozumění novému jazyku – kódu). VZOREC A HISTORIE OBORU FYZIKY ▪ Matematické vztahy mezi veličinami vyjádřené vzorci se do přírodních věd dostávaly postupně a pomalu. Fyzice dlouho chyběla algebra. ▪ Zavádět matematické vztahy do pozemské fyziky se starověkým Řekům moc nedařilo. Matematika se používala především astronomii. ▪ Ve středověku se do Evropy dostává algebra (z arabského světa). ▪ Ve středověků se objevilo několik nesmělých pokusů o matematizaci fyzikálních jevů (například matematický popis rovnoměrně zrychleného pohybu). VZOREC A HISTORIE OBORU FYZIKY Příklad: Mertonský akcelerační teorém, tedy jeden z prvních verbálně vyjádřených pokusů, kterým byl popsán rovnoměrně zrychlený pohyb, jak jej formuloval William Heytesbury v druhé polovině 14. století:  „Jestliže se libovolné pohyblivé těleso zrychluje rovnoměrně z klidu do určitého stupně (rychlosti), pak za určitý časový úsek urazí polovinu vzdálenosti, kterou by urazilo za stejnou dobu, kdyby bylo posunuto rovnoměrnou rychlostí odpovídající konečné rychlosti při pohybu nerovnoměrném. A tedy tento pohyb jako celek bude odpovídat průměrné rychlosti, která je přesně jednou polovinou rychlosti konečné.“ (In Weinberg 2016 s. 152–153). VZOREC A HISTORIE OBORU FYZIKY Kdo byl nejspíš prvním významným propagátorem matematizace fyziky? ▪ Galileo Galilei. ▪ Galilei byl (na rozdíl od většiny současných studentů) naprosto nadšený zjištěním, že výsledky fyzikálních měření lze shrnou algebraickým vzorcem (a pak přesně předpovídat chování tělesa). ▪ K matematizaci fyziky ovšem dochází mezi učenci pozvolna. Ještě Newton formuluje své zákony verbálně nebo geometricky. „TAXONOMIE“ POCHOPENÍ VZORCŮ ŽÁKY Tři úrovně: nultá, aplikační a uvědomělá ▪ Nultá úroveň: Na nulté úrovni je vedle případné neznalosti daného vztahu i naprosté nepochopení jeho významu. ▪ Aplikační úroveň: si žáci pamatují vztah a dokáží pojmenovat jednotlivé veličiny ve vztahu (popřípadě k nim přiřadit příslušné jednotky), dokáží rovněž do proměnných ve vztahu (tedy veličin) dosadit číselné hodnoty a dopočítat se správného výsledku. ▪ Uvědomělá úroveň: Žák dokáže příslušný fyzikální vztah nejen použít, ale také rozumí jeho matematickému smyslu, rozpozná druh závislostí mezi jednotlivými proměnnými (veličinami). V ideálním případě pak dokáže načrtnout i tvar grafu příslušné závislosti. „TAXONOMIE“ POCHOPENÍ VZORCŮ ŽÁKY ▪ V rámci fyziky na základní škole se žáci seznamují téměř výhradně se vztahy vyjadřujícími přímou nebo nepřímou úměrnost, (což je také učivo v matematiky). ▪ Žáci by se měli pokoušet vymýšlet fyzikální vzorce sami (už proto, že jsou si většinou podobné). Příklady zavádění vzorců: ▪ Hustota a houba ▪ Zaměstnanec a výkon ▪ Hydrostatická tlaková síla POUŽITÁ LITERATURA: ▪ HAWKING, S. Stručná historie času. 2. vydání. Praha : Argo, 2007. ISBN 978-80-7203-946-3. ▪ HROMÁDKA, Z. „Vzorečky“ ve fyzice na základní škole In Metodický portál RVP. Praha: VUP, 2019, dostupné: ▪ JANÁS, J. Kapitoly z didaktiky fyziky. Brno : Pedagogická fakulta MU, 1996. ISBN 80-210- 1334-6. ▪ WEINBERG, S. Jak vyložit svět (objevování moderní vědy). 1. vydání. Bratislava : Slovart, 2016. 430 s. ISBN 978-80-7529-008-3. FYZIKÁLNÍ ÚLOHY VE FYZICE (FÚ) ▪ Prostředek k osvojování poznatků a dovedností. ▪ Prostředek k rozvíjení fyzikálního myšlení. ▪ Aktivizuje žáky k samostatné práci. ▪ Slouží ke kontrole vědomostí (poskytuje zpětnou vazbu). KLASIKACE FÚ Podle formální povahy: ▪ Kvantitativní (numerické, algebraické, geometrické, grafické) ▪ Kvalitativní (problémové; otázka „Proč?“; pokus, úvaha) Podle formy zadání: ▪ Textové ▪ Obrazové ▪ Experimentální FÚ VE VÝUCE ▪ Nezačínáme s početními úlohami ale s problémovými (fyzika spočívá především ve fyzikálním myšlení ne v počítání). ▪ Dbáme na postupnost. ▪ Podstatou fyzikálních úloh nemají být početní operace, ale fyzikální úvaha. STRATEGIE ŘEŠENÍ FYZIKÁLNÍCH ÚLOH ▪ Čtení textu ▪ Zápis veličin (převod jednotek) ▪ Náčrt situace (je-li užitečný) ▪ Obecné řešení ▪ Rozměrová zkouška ▪ Numerické řešení ▪ Konstrukce grafu (je-li to na místě) ▪ Odpověď (popř. diskuse řešení). POUŽITÁ LITERATURA: ▪ JANÁS, J. Kapitoly z didaktiky fyziky. Brno : Pedagogická fakulta MU, 1996. ISBN 80-210- 1334-6. METODY (SLOVNÍ): Monologické metody: ▪ Vysvětlování: Postupný, účelný a výstižný výklad, ve kterém se učitel zaměřuje zejména na objasňování vztahů a zákonitostí. ▪ Přednáška: Přednáška je způsob předávání poznatků prostřednictvím jazykově a logicky skvěle připraveného a prezentovaného projevu. Obvykle má tři části – vyvolání zájmu (úvod); následuje samotný výklad a v závěru může v rámci přednášky dojít k rekapitulaci. ▪ Vyprávění: citově podbarvený způsob verbálního zprostředkovávání poznatků ▪ Instruktáž: teoretický (slovní nebo písemný) přenos poznatků, který předchází praktické činnosti (Kalhous, Obst 2009 s. 317) Dialogické metody (metody založené na přímé interakci učitele a žáků): ▪ Rozhovor: Jev se osvětluje prostřednictvím formy otázek a odpovědí (užívá se při seznámení s učivem, při upevňování vědomostí, při kontrole získaných vědomostí) ▪ Dialog: je to rozvinutější forma, než samotný rozhovor – dochází ke komunikaci učitele a žáka navzájem (předmět dialogu by měl být pro žáky zajímavý) ▪ Diskuse: vzájemná diskuse, do které jsou zapojeni (pokud možno) všichni členové skupiny. ▪ Brainstorming (burza nápadů): Podpora tvořivosti při hledání nových řešení problémů prostřednictvím spontánních nápadů, které jsou zapisovány a podněcují tak další myšlenky. Teprve po pauze se nápady analyzují a hledá se jejich racionální základ. METODY (SLOVNÍ): METODY NÁZORNÉ, DEMONSTRAČNÍ ▪ Metody demonstrační mají ve vyučování (zejména přírodních věd) obrovské uplatnění. Mohou sloužit k jasnému objasnění daného jevu či k zřetelné vizualizaci nějakého objektu. ▪ Žáci vedeni k jasnému názoru. Důraz na názorné, demonstrační vyučovací metody má tradici už u Jana Amose Komenského. Ačkoli současná vývojová psychologie poněkud koriguje nadšení z univerzálního prospěchu demonstračních a názorných metod, které díky realistické povaze objasňování jevů a vztahů mohou do jisté míry brzdit rozvoj abstraktního myšlení u dospívajících, nicméně zaujímají stále tyto metody ve vyučování nenahraditelné místo. ▪ Názornosti se dosahuje především prostřednictvím didaktických pomůcek, prostředků (viz Didaktické prostředky). METODY PRAKTICKÝCH ČINNOSTÍ ▪ Ukazuje se, že velmi vhodný způsob, jak objasnit daný jev je, když se žákovi umožní, aby si názor vytvořil sám prostřednictvím samostatné (popř. skupinové) práce např. s danou pomůckou. ▪ Pomocí metody praktických činností získává žák velice efektivně příslušné vědomosti, ale také dovednosti. ▪ Mezi metody praktické činnosti můžeme zařadit například: laboratorní práce, ostatní praktické činnosti (pěstitelské, chovatelské, pohybové, výtvarné, zdravotnické, technické, kuchařské, aj.). ▪ Mezi nezastupitelné metody při přípravě žáků (učňů či studentů) na zaměstnání je učení praxí. AKTIVIZAČNÍ VÝUKOVÉ METODY ▪ heuristické: Učební úlohy jsou zkonstruovány tak, aby představovaly rozpor – obtíž, což vyžaduje samostatné řešení spočívající v jednotlivých krocích, jimiž se žák (na základě již poznaného) dostává postupně k řešení problému (podle Bloomovy taxonomie se jedná o úroveň aplikace). ▪ hra: Správně didakticky připravená hra má velký didaktický význam zejména u dětí předškolního věku. ▪ situační: Problém se řeší zpravidla skupinově prostřednictvím výběru nejvhodnějšího z nabídnutých řešení. Konfrontují se názory, postoje, vědomosti a dovednosti aktérů AKTIVIZAČNÍ VÝUKOVÉ METODY ▪ inscenační: využívají se prvky dramatické výchovy, jednotliví žáci rozhodují ve vybraných nebo přiřazených rolích ▪ televizní (filmová) výuka: Didakticky korektně a obratně zpracovaný výukový pořad, může umožnit efektivní získávání poznatků. ▪ výuka podporovaná počítačem: Počítač, projektor a interaktivní tabule jsou dnes běžnými didaktickými pomůckami. Žáci se dnes učí jednak prostřednictvím počítačů ale i práci s počítači. UČENÍ Z TEXTU ▪ Jednou z povinností učitele je, aby naučil žáky, jak pracovat s učebnicí nebo obecně s psaným textem (celá řada využitelných textů pro výuku je dnes dostupná na internetu). ▪ Učitel by měl přimět žáky k čím dál větší samostatnosti při práci s učebnicí. ▪ Žáci si postupně osvojují schopnost porozumět obsahu učebnice (nejen textu, ale také obrázkům, mapám, schématům, grafům a diagramům), učí se z textu, kriticky text hodnotí, vybírají z textu podstatné informace (provádějí konspektování popř. excerpování) ▪ konspektování: pořizování si výpisků z části dané knihy ▪ excerpování: pořizování si výpisků z celé knihy POUŽITÁ LITERATURA: ▪ JANÁS, J. Kapitoly z didaktiky fyziky. Brno : Pedagogická fakulta MU, 1996. ISBN 80-210- 1334-6. ▪ KALHOUS, Z., OBST, O. a kol. Školní didaktika. Praha : Portál, 2002. ISBN 80-7178-253-X. BADATELSKÁ METODA Připomíná průběh skutečného výzkumu: ▪ Žáci si kladou otázky (výzkumné otázky). ▪ Žáci formulují hypotézy. ▪ Žáci operacionalizují hypotézy. ▪ Žáci navrhnou postup zkoumání (testování hypotéz). ▪ Žáci provádějí pokusy (měření). ▪ Žáci vyhodnotí a interpretují výsledky měření. ▪ Žáci zformulují výstup (publikace výsledků).