Ας δώσουμε μια ευκαιρία στη μοντέρνα Φυσική*

Η αφορμή

Το συζητούσαμε καιρό τώρα και η αφορμή για το άρθρο μας δόθηκε από ένα «διάλογο» μεταξύ δύο Καθηγητών Φυσικής, που ξεκίνησε πριν από ένα περίπου μήνα.

Στις 7 Απριλίου 2016 λοιπόν ο Καθηγητής Θεωρητικής Φυσικής Sean Caroll έκανε ένα tweet: “Κάθε μαθητής Λυκείου θα πρέπει να έρχεται σε επαφή με τις βασικές ποιοτικές ιδέες της Κβαντομηχανικής και της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας», έγραψε.  Την επόμενη κιόλας μέρα έλαβε την απάντηση από τον Καθηγητή Φυσικής και συγγραφέα Chad Orzel , σε άρθρο που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Forbes με τον πολύ εύστοχο τίτλο, «Why Do We Teach ‘Old Physics?’ Because It Works»

Οι λόγοι διατήρησης της διδασκαλίας της «παλιάς» Φυσικής στα Α.Π.Σ.

Στο άρθρο αυτό αναφέρονται οι βασικοί λόγοι για τους οποίους επιλέγεται η διδασκαλία της «παλιάς» κλασικής Φυσικής και όχι των σύγχρονων ιδεών της. Τους αναφέρουμε πολύ συνοπτικά:

– Η κλασική Φυσική «κάνει τη δουλειά της» στην καθημερινή μας ζωή.

– Η κλασική Φυσική αποτελεί προαπαιτούμενο για όσους θα σπουδάσουν Μηχανικοί, Χημικοί, Μαθηματικοί κ.α. Ιδιαίτερα οι Μηχανικοί δεν έχουν ανάγκη την Κβαντική Θεωρία ή τη Σχετικότητα.

– Αν αλλάξουμε τα κεφάλαια της Φυσικής που διδάσκονται, θα πρέπει να αλλάξουμε ταυτόχρονα και τη διδασκαλία των αντίστοιχων Μαθηματικών που συνδέονται με αυτά. Κάτι τέτοιο όμως θα είχε επιπλέον συνέπειες στα αναλυτικά προγράμματα σπουδών.

– Η Κβαντομηχανική και η Θεωρία της Σχετικότητας είναι πολύ ελκυστικές θεωρίες όταν τις εξετάζουμε ποιοτικά. Αν εισέλθουμε όμως σε υπολογισμούς, τότε αντιμετωπίζουμε  ιδιαίτερα σύνθετα μαθηματικά.

– Αν ο λόγος μετάβασης στις σύγχρονες θεωρίες της Φυσικής είναι ότι αυτές είναι πιο ελκυστικές από τις αντίστοιχες «παλιές», τότε απλά μπορούμε να επιλέξουμε πιο ελκυστικούς τρόπους  διδασκαλίας της «παλιάς» Φυσικής αντί να την αλλάξουμε.

Κι όμως… υπάρχει λόγος σοβαρός!

Οι παραπάνω λόγοι είναι πολύ σημαντικοί, ιδιαίτερα όταν αναφέρονται από έναν Καθηγητή Φυσικής που έχει ασχοληθεί με τις σύγχρονες θεωρίες της Φυσικής και έχει συγγράψει σχετικά βιβλία. Ωστόσο υπάρχουν κάποιοι άλλοι περισσότερο σοβαροί και πιο ποιοτικοί λόγοι για τους οποίους θα ήταν χρήσιμη η ένταξη κεφαλαίων της σύγχρονης Φυσικής στα Α.Π.Σ. Ας αναφέρουμε μερικούς:

– Οι σύγχρονες θεωρίες της Φυσικής είναι ιδιαίτερα ελκυστικές για όλους.

– Οι μηχανικοί βασίζονται στη Νευτώνεια Μηχανική. Όμως οι νέες τεχνολογίες απαιτούν πια γνώσεις σύγχρονων θεωριών  (όπως η λειτουργία των GPS για παράδειγμα, που εφαρμόζει τη Θεωρία της Σχετικότητας)

– Άνθρωποι ενήμεροι για τις σύγχρονες θεωρίες λαμβάνουν πιο σωστές αποφάσεις όπως για παράδειγμα η χρήση/διαχείριση της Πυρηνικής Ενέργειας.

– Ως ποια ηλικία των μαθητών μας έχουμε το δικαίωμα εμείς οι εκπαιδευτικοί να τους διδάσκουμε «παλιές» θεωρίες που πολύ καλά γνωρίζουμε ότι δεν είναι απολύτως αληθείς;

– Μέχρι πότε θα συνεχίζουμε να διδάσκουμε θεωρίες Φυσικής, από τις οποίες οι πιο πρόσφατες εδραιώθηκαν πριν από 200 χρόνια;

– Είμαστε τόσο σίγουροι ότι οι μαθητές δεν μπορούν να κατανοήσουν τη σύγχρονη Φυσική;  Ένα παιδί που δέχεται ότι η Γη είναι στρογγυλή, γιατί να μην αποδεχτεί σχετικιστικά φαινόμενα;

Με ποιους τρόπους διδασκαλίας;

Καταρχήν αναφερόμαστε στην ποιοτική εισαγωγή των Σύγχρονων Θεωριών της Φυσικής στο Α.Π.Σ. Τρόποι διδασκαλίας λοιπόν υπάρχουν πολλοί, αρκεί να υπάρχει φαντασία. Πρόσφατο παράδειγμα αποτελεί η δράση που πραγματοποιήθηκε στα σχολεία της Γαλικίας (Ισπανία) που είναι ενταγμένα στην UNESCO. Στο «Σχετικιστικό Εργαστήρι», όπως ονομάστηκε, εξάχρονα παιδιά ήρθαν σε επαφή με τις έννοιες της  Σχετικότητας, υπό το πρίσμα της ενσυναίσθησης («Ζωγραφίζω τα πράγματα που σου αρέσουν», «Συζητήσεις με ανταλλαγή της οπτικής γωνίας», «Παίζοντας τον καθρέπτη σου»).

Η πιο ενδιαφέρουσα τεχνική πρόταση βεβαίως προέρχεται προς το παρόν από το Virginia Tech. University, όπου ο καθηγητής Tatsu Takeuchi παρουσιάζει με γεωμετρικό τρόπο τις αρχές της Ειδικής Σχετικότητας (http://www.phys.vt.edu/~takeuchi/relativity/notes/index.html).

Γεωμετρία λοιπόν

Ο Πυθαγόρας, ο Ευκλείδης και άλλοι μεγάλοι Έλληνες φιλόσοφοι είχαν θεμελιώσει τη γραφική μέθοδο και λίγο αργότερα (πριν από 2400 χρόνια) ο Αριστοτέλης είχε αναπαραστήσει  με γεωμετρικό τρόπο την έννοια του χωροχρόνου στα «Φυσικά». Μια ενδεικτική αναπαράσταση των λεγομένων του στο Βιβλίο 6, Κεφ ΙΙ (232b, 25) δίνεται εδώ: http://www.mathpages.com/home/kmath219/kmath219.htm

Πολλά χρόνια αργότερα ο τρόπος με τον οποίο ο Newton και o Galileo παρουσίασαν  τις θεωρίες τους (που αποτέλεσαν τα θεμέλια της «παλιά» κλασικής φυσικής) βασίστηκε στη Γεωμετρία.

Και φυσικά οι σύγχρονες θεωρίες φυσικής φροντίζουν να προβάλλονται μέσω γεωμετρικών αναπαραστάσεων. Ενδεικτικά παραθέτουμε την αναπαράσταση του χωροχρόνου, όπως αποτυπώθηκε από τον μεγάλο μαθηματικό  Hermann Minkowski και αναπτύχθηκε από τη Θεωρία της Σχετικότητας του Albert Einstein (μια ενδεικτική παρουσίαση εδώ: Department of History and Philosophy of Science, University of Pittsburgh). Με παρόμοιο τρόπο μπορούν να αναπαρασταθούν έννοιες της Κβαντομηχανικής. Ενδεικτικά αναφέρουμε ως ένα πιο σύνθετο παράδειγμα το «The Quantum Mechanics Visualization Project», του University of St. Andrews.

Δεν είναι τυχαίο το γεγονός ότι ο θεμελιωτής του STEM (Science, Technology, Engineering and Mathematics), του προγράμματος που αναφέρεται στην αναμόρφωσης της εκπαιδευτικής πολιτικής  στα πεδία των Φυσικών Επιστημών, της Τεχνολογίας, της Μηχανικής και των Μαθηματικών είναι ο Καθηγητής Θεωρητικής Φυσικής David Orlin Hestenes, ο οποίος είναι ο αρχιτέκτονας  της Γεωμετρικής Άλγεβρας  ως μιας ενιαίας γλώσσας Μαθηματικών και Φυσικής.

Η Γεωμετρία έχει τη δύναμη να επιτρέπει στους ανθρώπους να μπορούν να σκέφτονται μόνοι τους από τη στιγμή που έχουν αντικρίσει  τις βασικές οπτικές αναπαραστάσεις των σχέσεων και της συμπεριφοράς των γεωμετρικών αντικειμένων: Τις ευθείες και καμπύλες γραμμές, το μέτρο και τη κλίση τους, τις αναλογίες των τμημάτων τους, την παραλληλία, τα σημεία επαφής τους, και κατ’ επέκταση τη χρονική στιγμή (ως μια οριζόντια), την ακινησία (ως μία κατακόρυφη), το φως ως μία διαγώνια ευθεία κ.λ.π.

Τέλος η φυσική ερμηνεία των γεωμετρικών αναπαραστάσεων, του χωροχρόνου για παράδειγμα, αποτελούν το κλειδί που επιτρέπει στους ανθρώπους να καταλάβουν από μόνοι τους τα εντυπωσιακά φυσικά φαινόμενα και τις διαφορές τους από τις εντυπωσιακές ανοησίες.

Ποιες αλλαγές απαιτούνται στα Α.Π.Σ. (Αναλυτικά Προγράμματα Σπουδών);

Η απλή ποιοτική ένταξη των σύγχρονων θεωριών της Φυσικής δεν χρειάζεται καμία απολύτως αναμόρφωση. Είναι απλά απαραίτητες οι προσθήκες των σχετικών πεδίων στα βιβλία Φυσικής σε όλες τις βαθμίδες της εκπαίδευσης.

Εφόσον όμως αναφερόμαστε σε μία σοβαρή και αποφασιστική ένταξη των νέων Θεωριών της Φυσικής στα Α.Π.Σ. τότε θα χρειαστεί η αναμόρφωση τους στο πεδίο των Μαθηματικών και όχι της Φυσικής! Πιο συγκεκριμένα είναι απαραίτητη η ενδυνάμωση της θέσης της Γεωμετρίας στην Πρωτοβάθμια και Δευτεροβάθμια Εκπαίδευση, σε βάρος της άλγεβρας και του Μαθηματικού Λογισμού. Με αυτόν τον τρόπο οι μαθητές θα διαθέτουν τις απαραίτητες γνώσεις και τα εργαλεία, που σε συνδυασμό με τις προσβάσιμες μέσω διαδικτύου πληροφορίες, θα μπορούσαν να μελετήσουν πολλά διαφορετικά πεδία της Φυσικής, συμπεριλαμβανομένης της μοντέρνας Φυσικής

Εν κατακλείδι

Οι αρχαίοι Έλληνες είχαν εισαγάγει πριν από χιλιετίες έννοιες κόντρα στη λογική, όπως τη σφαιρική Γη, τη σχέση χώρου και χρόνου κ.α.  Ίσως είναι η ώρα τώρα και για μας να επιταχύνουμε τις αλλαγές στη διδασκαλία της Φυσικής δίχως να περιμένουμε να περάσει ακόμη μία χιλιετία…

Μανόλης Κουσλόγλου, Φυσικός, MSc Ηλεκτρονικής Φυσικής

Xabier Prado, Physics & Chemistry Teacher, PhD in Science Teaching

* Το άρθρο πρωτοδημοσιεύθηκε στο eduportal.gr και έχει κάνει μέχρι σήμερα συνολικά πάνω από 12.000 θεάσεις, ενώ έχει κατατεθεί ως πρόταση στο ΥΠ.Π.Ε.Θ, στο πλαίσιο του ανοικτού διαλόγου για την Παιδεία. Επίσης έχει ήδη μεταφραστεί στην Αγγλική γλώσσα με τίτλο "Give Modern Physics a Chance” και έχει αποσταλεί στους αναφερόμενους μέσα σε αυτό φορείς (Η.Π.Α.). Για αντίστοιχους λόγους μεταφράστηκε  στην Ισπανική και την Πορτογαλική γλώσσα.

Πηγή φωτογραφίας: http://www.thegreatcourses.com