Aktivity vo vyučovaní fyziky

Transcript

1 Fakulta matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského Katedra teoretickej fyziky a didaktiky fyziky Aktivity vo vyučovaní fyziky Σµρεκοϖιχα σεπτεµβερ 2006 Zborník príspevkov Knižničné a edičné centrum FMFI UK, Bratislava,

2 Aktivity vo vyučovaní fyziky Zborník príspevkov zo seminára na Smrekovici septembra Seminár sa konal v rámci riešenia projektu ESF SOP ĽZ 2005/1 164 Názorné vyučovanie fyziky s dôrazom na rozvoj kompetencií žiakov potrebných pre uplatnenie v praxi Zostavil: PaedDr. Peter Horváth Recenzenti: Prof. RNDr. Ján Pišút, DrSc. Doc. RNDr. Viera Lapitková PhD. Vydalo: Knižničné a edičné centrum FMFI UK, Bratislava, 2006 Peter Horváth ISBN

3 OBSAH Predhovor... 5 P. Černek, M. Kríž: Všeobecné vzdelávanie na strednej škole inak a efektívnejšie... 7 J. Pišút: O vyučovaní fyziky v projekte Kurikulárna reforma V. Koubek: Modelový experiment: Stanovenie účinnosti elektromotora a generátora napätia P. Horváth: Historický empirický prístup k zavedeniu stavovej rovnice ideálneho plynu P. Horváth: Kyvadlo a žiacke empirické poznávanie V. Lapitková: Skúmanie vlastností slnečného svetla P. Demkanin: VA charakteristika žiarovky fyzikálne úlohy založené na výsledkoch experimentu M. Šedivý, P. Horváth: Analýza mechanického pohybu videomeraním I. Koudelková: Heuréka projekt pro žáky i učitele fyziky L. Dvořák: Vlnení a akustika jednoduché pokusy F. Kundracík: Možnosti využitia fotorezistoru v jednoduchých pokusoch M. Kriško, V. Lapitková: Energetická bilancia vzniku sopky a využitie žiackych aktivít na vyučovacej hodine V. Plášek: Ako učiť žiakov premýšľať M. Lazúr: Experimenty s vedením elektrického prúdu v elektrolytoch I. Trepáč: Využitie appletov a videa v maturitných zadaniach Ľ. Konrád: Jednoduché meranie súčiniteľa trenia Zoznam účastníkov seminára

4 4

5 Predhovor Seminár Aktivity vo vyučovaní fyziky sa uskutočnil v rámci riešenia projektu ESF SOP ĽZ 2005/1-164, kód projektu , Názorné vyučovanie fyziky s dôrazom na rozvoj kompetencií žiakov potrebných pre uplatnenie v praxi. Projekt nadväzuje na projekt ESF Kurikulárna transformácia všeobecnovzdelávacej zložky stredoškolského vzdelávania v procese prípravy mládeže na požiadavky trhu práce, ktorý sa realizuje na Štátnom pedagogickom ústave. Hlavným cieľom projektu je skvalitnenie prípravy mladých ľudí na budúce povolanie prostredníctvom vzdelávania pedagogických pracovníkov (učiteľov fyziky) na vyučovanie aktívnym spôsobom a na rozvíjanie kľúčových kompetencií žiakov. V poslednom období došlo k zníženiu záujmu žiakov o prírodné vedy a techniku. Je to podobný jav, k akému došlo v minulosti v starých krajinách Európskej únie a USA. To vedie k nedostatku odborníkov, vzdelaných v týchto disciplínach, práve v období, keď priemysel a výskumná prax vykazujú zvýšený dopyt po pracovnej sile s týmto vzdelaním. Za jednu z príčin sa považuje, že prírodné vedy, a s nimi aj fyzika, sa na strednej škole podávajú prevažne teoreticky, s množstvom ťažko stráviteľných informácií. V prípade, že sa v rámci vyučovacích hodín realizujú pokusy, majú skôr demonštračný charakter, žiaci dostávajú hotové poznatky, a teda nie sú vedení k tomu, aby získavali vedomosti vlastnou samostatnou prácou. Dôsledkom je, že fyzika sa vo všeobecnosti považuje za ťažkú a nezaujímavú a v živote málo využiteľnú. My sme však presvedčení o tom, že okrem využitia v profesnej praxi sú znalosti fyziky potrebné aj ako súčasť všeobecného vzdelania, ktoré je kľúčovým faktorom pre schopnosť kritického posúdenia zásadných rozhodnutí v osobnom i spoločenskom živote (napr. v prípade referenda týkajúceho sa využívania jadrovej energie je väčší predpoklad zodpovedného rozhodnutia u človeka s náležitým vzdelaním). Spoločnou črtou úvah, ktoré sa týkajú zmien vo vyučovaní, je prechod od dôrazu na množstvo encyklopedických vedomostí k rozvíjaniu kompetencií žiakov. Kompetencie sa však nedajú rozvíjať pasívnym spôsobom, pri ktorom žiaci iba počúvajú výklad učiteľa, ale prostredníctvom samostatných aktivít. Preto má podľa nášho názoru veľký význam zamerať sa na možnosti aktívneho poznávania žiakmi aj v prírodných vedách a vo fyzike. Práve tu sa ponúka cesta výraznejšieho experimentovania na hodinách fyziky. Vhodne navrhnutý experimentálny prístup vedie k rozvoju celej škály kompetencií a z tohto hľadiska je oveľa efektívnejší ako informácie sprostredkované učiteľom formou výkladu, čo je v súčasnosti prevládajúci, a na mnohých školách asi aj jediný postup na hodinách fyziky. Cieľom seminára Aktivity vo vyučovaní fyziky, ako súčasti riešenia projektu, je ukázať učiteľom možnosti vyučovania zameraného na názorné a aktívne metódy získavania vedomostí žiakmi, ako je objavovanie rozvíjanie kompetencií pri aktívnom poznávaní. Pri výbere aktivít pre jednotlivé tvorivé dielne sme vychádzali z možnosti využiť tieto postupy vo vyučovaní. Väčšina prezentovaných vyučovacích postupov bola overená na vyučovaní na gymnáziu alebo na vyučovaní na základnej škole. Mnohé z aktivít sú pripravené na kľúč, aby ich učiteľ mohol okamžite použiť vo vyučovaní. Niektoré z prezentovaných aktivít, ak ich učitelia budú chcieť použiť, budú musieť prispôsobiť svojim podmienkam (vybavenie pomôckami, počet žiakov v triede). Dúfame, že nám učitelia nebudú zazlievať, že pripravujeme aktivity aj pre budúce, snáď vyhovujúcejšie podmienky na školách, najmä čo sa týka výpočtovej techniky a meracích zariadení, ale aj počtu žiakov. Seminár bol pripravený tak, aby učitelia pracovali v menších skupinách, každej zo skupín sa venovali viacerí lektori. Pre učiteľov sme pripravili spolu 10 tvorivých dielní s časovou dotáciou 90 minút na jednu dielňu. Cieľom dielní je vyskúšať si aktívny spôsob 5

6 získavania poznatkov, pričom učitelia vystupujú v role žiakov a vžívajú sa do ich pozície. Veríme, že takýto spôsob práce na seminári môže byť pre učiteľov nielen prínosom, ale aj zážitkom. Nedostatok učebných pomôcok sa aspoň sčasti snažíme riešiť spolu s učiteľmi vývojom žiackej súpravy na optiku a jej následnou distribúciou do škôl zapojených do projektu. Distribuované učebné pomôcky nebudú mať výlučne demonštračný charakter, ale budú určené primárne pre samostatnú prácu žiakov. Každá škola obdrží 8 takýchto súprav. Riešenie projektu bude ďalej pokračovať dištančnou formou, ťažiskom bude didaktické internetové vysielanie s metodickými postupmi, spolu pripravíme aspoň 6 takýchto vysielaní. Od učiteľov budeme žiadať spätnú väzbu o možnostiach využitia získaných poznatkov na vyučovaní a najmä overenie žiackej optickej sústavy a výmenu skúseností s jej využívaním. Aktuálne informácie o projekte a prebiehajúcich aktivitách môžete nájsť na stránke Poďakovať by sme sa chceli všetkým učiteľom, ktorí prejavili záujem o aktívny prístup vo vyučovaní a najmä učiteľom, ktorí na seminári prispeli do burzy nápadov. Do burzy nápadov prispeli: PaedDr. Jozef Beňuška, Mgr. Rudolf Holodňák, PaedDr. Ľubomír Konrád, Mgr. Andrea Kvorková, Mgr. Vladimír Lukáč, Mgr. Ľubica Morková,, RNDr. Tibor Révay, Mgr. Jozef Škarba, RNDr. Jozef Topor, Mgr. Igor Trepáč, RNDr. Slavomír Tuleja, PhD. Poďakovať by sme sa chceli aj Ing. Michalovi Gregorovi za výraznú pomoc pri vypracovaní projektu pre Európsky sociálny fond. Spoločnosti OPTOCON SLOVAKIA, spol. s r.o. ďakujeme za finančnú pomoc pri zabezpečení semináru. Peter Horváth manažér ESF projektu 6

7 Všeobecné vzdelávanie na strednej škole inak a efektívnejšie RNDr. Pavol Černek CSc., Mgr. Martin Kríž Štátny pedagogický ústav v Bratislave Potreba zmeny obsahu vzdelávania Potreba zmeny obsahu vzdelávania a v rámci nej tiež dôraz na doteraz menej používané organizačné formy a metódy vzdelávania patrí dnes k najčastejšie diskutovaným témam nielen v odborných kruhoch, ale aj v laickej verejnosti. Súčasná orientácia vzdelávacieho systému sa pre dobu, v ktorej žijeme, už nehodí a táto skutočnosť je očividná. Európa a s ňou i naša spoločnosť prechádza hlbokými a rozsiahlymi zmenami. Globalizácia ekonomiky prináša so sebou neustále zmeny na trhu práce. V priebehu 10 rokov zastaráva približne 80% technológií. V EÚ zaniká ročne 10 miliónov pracovných miest a vzniká približne rovnaký počet nových. V priemere každý šiesty zamestnanec mení v priebehu roka zamestnanie a každý ôsmy zmení aj odvetvie svojej práce. Celoživotné povolanie je dnes už zriedkavosťou. Naučiť sa učiť sa preto stalo dôležitejšie ako získavanie konkrétnych vedomostí, ktoré rýchlo zastarávajú. V škole už nemá ísť o to, aby sme žiakom sprístupnili čo najširší okruh poznatkov tie sa vďaka moderným IKT stali ľahko dostupnými. Dôraz je potrebné presunúť na osobné kvality žiakov, ich celkovú vybavenosť na poznávanie. Dôležitým prvkom vo vzdelávaní sa má stať nielen schopnosť získať informácie, ale nemenej významnou sa stáva aj schopnosť selektovať ich a kriticky ich spracovať. Zásadne sa však mení celá spoločnosť, nielen ekonomika. Globalizácia so sebou prináša aj tlak na zmenu kultúrnych vzorcov. Dnes učiť sa pre život znamená aj učiť sa vnímať svoju osobnú a kultúrnu identitu a vedieť zvládať také životné situácie, v ktorých sa človek stretáva s inou kultúrou. Je dôležité vedieť autonómne konať, ale aj žiť a pracovať v heterogénnych skupinách. Vo vzdelávaní teda má ísť nielen o rozvoj poznania, ale aj o tréning osobných a sociálnych kompetencií teda o výchovu. Cieľom vzdelávania nie je len príprava kvalifikovanej pracovnej sily. Súkromie človeka a jeho identifikácia s kultúrnym dedičstvom spoločnosti sú pre plnohodnotný život rovnako dôležité, ako uplatnenie sa na trhu práce. Bohaté zdôvodnenie potreby kurikulárnej transformácie obsahujú aj vládne koncepcie Konštantín a Národný program výchovy a vzdelávania v Slovenskej republike na najbližších rokov (Milénium). Princípy kurikulárnej transformácie na strednej škole Práve tieto dokumenty sa stali inšpiráciou pri príprave projektu ESF Kurikulárna transformácia všeobecnovzdelávacej zložky stredoškolského vzdelávania v procese prípravy mládeže na trh práce. Snahou riešiteľov tohto projektu je umožniť realizovať zmeny navrhované v Konštantíne a v Miléniu priamo v triede. Ponúkame alternatívu vzdelávania všeobecnovzdelávacej zložky na strednej škole. V rámci projektu sa zaoberáme tromi typmi stredných škôl: všeobecnovzdelávacou zložkou trojročných učebných odborov SOU, všeobecnovzdelávacou zložkou študijných odborov SOU a SOŠ (ukončené maturitou), gymnaziálnym vzdelávaním na 4-ročných gymnáziách. Kľúčovými východiskami sa pre nás stali a) vo vzťahu k žiakom a školám: - v centre pozornosti má byť žiak; je nutné vychádzať z jeho možností a potrieb, neučiť každého všetko a rovnakým spôsobom, - maximálne dôverovať vedeniam škôl a samotným pedagogickým pracovníkom, 7

8 - prenesenú zodpovednosť na vedenia škôl a pedagogických pracovníkov podporiť čo najväčšou odbornou pomocou a informovanosťou učitelia a riaditelia škôl potrebujú menej príkazov a viac servisnej podpory. b) vo vzťahu k obsahu vzdelávania ako takému: - absolvent školského vzdelávania má byť pripravený vstúpiť do samostatného života; - absolvent školského vzdelávania má byť motivovaný k celoživotnému vzdelávaniu; - školské vzdelávanie má byť súčasťou života človeka nemalo by sa oddeľovať od mimoškolského, neformálneho a záujmového vzdelávania, ale by sa malo spájať so životnou skúsenosťou žiaka, - pri učení je potrebné zamerať sa na rozvíjanie kompetencií žiakov, najmä na rozvíjanie najdôležitejších kľúčových kompetencií, čo je možné prostredníctvom rôznych vhodných obsahov, v rôznych predmetoch alebo oblastiach vzdelávania, pričom musíme mať na pamäti, že kompetencie sa učia, rozvíjajú aj aplikujú prostredníctvom činností. Nové kurikulum, ktoré pripravíme v rámci nášho projektu, nechceme zavádzať plošne na všetky školy. Ponúkame ho ako alternatívu doterajšieho vzdelávania. Chceme aktívnym, zdravo nespokojným školám, sledujúcim trendy vo vzdelávaní v Európe a vo svete, ponúknuť alternatívu k súčasnému kurikulu. Považujeme za prirodzené, že budúcnosti sa vzdelávací program, bude prispôsobovať potrebám praxe podľa skúseností, ktoré nám tieto školy poskytnú. Preto počítame s formou experimentálneho overovania. To je nevyhnutné aj z toho dôvodu, že niektoré prvky, s ktorými v našom projekte počítame, nie sú v súčasnom legislatívnom prostredí realizovateľné. Očakávame však, že nová školská legislatíva bude podľa vzoru ostatných krajín Európy otvárať nové možnosti pre školy, aby mohli tvorivo uplatňovať vlastné predstavy a skúsenosti v procese vzdelávania životaschopných, zdravo sebavedomých a profesionálne dobre pripravených mladých ľudí. Sme presvedčení, že v čase plánovaného zavedenia nášho projektu do praxe, t. j. na začiatku školského roku 2007/08 bude v školských právnych predpisoch len minimum bariér, ktoré by mohli skomplikovať uvedenie nového kurikula do praxe tých škôl, ktoré oň budú mať záujem. Na príklade gymnázií môžeme demonštrovať, ako sa vyššie uvedené princípy premietli do nášho návrhu Rámcového vzdelávacieho programu, ktorý ponúkame ako alternatívu k dnes realizovaným vzdelávacím programom, definovaným platnými učebnými plánmi, učebnými osnovami a vzdelávacími štandardmi. Dvojúrovňová tvorba vzdelávacích programov Naším cieľom je poskytnúť školám väčší priestor na to, aby mohli realizovať vlastné predstavy o obsahu a formách vzdelávania. Obsah vzdelávania by mal byť tvorený na dvoch úrovniach: centrálnej a školskej. Princíp dvojúrovňovej tvorby vzdelávacích programov predpokladá, že základné pedagogické dokumenty na centrálnej úrovni (Rámcový vzdelávací program ďalej v texte len RVP), spolu s istými pravidlami, sú len záväzným podkladom pre tvorbu základných pedagogických dokumentov na školskej úrovni. Predovšetkým by malo byť právom a povinnosťou školy, aby určila samotné vyučovacie predmety, vyučovacie jednotky (nie nutne 45-minútové hodiny) a učebné plány. Pod vyučovacím predmetom nechápeme len súčasnú klasickú podobu predmetov stála časová týždenná dotácia minimálne počas jedného polroka -, ale sem môžeme zahrnúť napr. aj prácu na projekte, kurz a pod., ktoré trvajú len niekoľko týždňov, dní. Pritom tieto vyučovacie predmety sa môžu, ale nemusia zhodovať so vzdelávacími oblasťami. Samozrejme, každý vyučovací predmet musí mať svoje učebné osnovy a vzdelávacie štandardy. Povinnosťou školy je zabezpečiť, aby jej 8

9 školský vzdelávací program (ďalej v texte len ŠVP) plne pokrýval všetky požiadavky stanovené v RVP. Zmyslom RVP je predovšetkým zabezpečiť, aby a) vzdelávanie na všetkých školách smerovalo k naplneniu spoločenskej požiadavky vyjadrenej v celkových cieľoch vzdelávania, b) žiaci dosiahli na školách zabezpečujúcich určitý stupeň vzdelania požadovanú úroveň vedomostí, zručností, schopností a postojov. Naopak, úlohou rámcového vzdelávacieho programu nie je podrobne prikazovať učiteľom, akým témam sa majú venovať, s akou časovou dotáciou a v akom poradí. Z hľadiska určovania obsahu vzdelávania je teda v RVP položený dôraz na výstupnej regulácii, a vstupná je v podstatnej miere oslabená, čím sa vytvára reálny priestor pre školu na vstup do tvorby obsahu vzdelávania. RVP delíme na tri časti: 1. Úvod. 2. Vzdelávacie oblasti. 3. Rámcový učebný plán. Úvod vysvetľuje úlohu a postavenie RVP v zamýšľanom systéme pedagogických dokumentov. Ďalej obsahuje vytýčenie všeobecných cieľov vzdelávania a profil absolventa školy poskytujúcej príslušný stupeň vzdelávania. Napokon pojednáva o kompetenciách a organizačných formách a metódach výučby. Zámerom projektu je podnietiť zásadnú zmenu obsahu vzdelávania aj v tom, že do obsahu vzdelávania popri učive vstupujú ako významný, ba dominantný prvok kompetencie. Práve rozvoj kompetencií žiaka totiž považujeme za najdôležitejší nástroj na dosiahnutie stanovených cieľov vzdelávania. Rozvoj kompetencií žiaka nemožno oddeliť od organizačných foriem a metód výučby, o ktorých sa v úvode k RVP hovorí vo všeobecnej rovine. Rozvoj kompetencií je však vždy viazaný na vedomosti. Kompetencie je možné trénovať a rozvíjať len na konkrétnom obsahu. Tento moment zdôrazňujú rámcové vzdelávacie programy jednotlivých vzdelávacích oblastí. Všetky vzdelávacie oblasti zachovávajú rovnakú logiku vnútorného členenia: 1. Charakteristika oblasti špecifikuje, akým spôsobom vzdelávacia oblasť prispieva k naplneniu všeobecných cieľov vzdelávania, ako sa vnútorne člení a na čo je potrebné v rámci oblasti klásť dôraz. 2. Obsah vzdelávacej oblasti sa delí na výkonový a obsahový štandard. a. Výkonový štandard sa usiluje vyjadriť výkon žiaka, ktorým preukáže úroveň rozvoja kľúčových kompetencií vo väzbe na príslušnú vzdelávaciu oblasť. b. Obsahový štandard stanovuje povinné učivo (pojmy, vzťahy, vlastnosti, procesy), ktoré si má žiak uchovať v pamäti tak, aby ich kedykoľvek mohol vhodným spôsobom použiť. Obsah vzdelávacích oblastí je vždy členený podľa kľúčových kompetencií, čím chceme zdôrazniť, že všetky vzdelávacie oblasti sledujú spoločné vzdelávacie ciele, každá svojim osobitným a špecifickým spôsobom. 3. Ukážka učebných osnov ako nezáväzný dokument, ktorý nie je členený podľa štruktúry kľúčových kompetencií, ale podľa členenia doteraz obvyklého pre danú vzdelávaciu oblasť. Rámcový učebný plán stanovuje minimálne časové dotácie pre jednotlivé vzdelávacie oblasti. Tieto časové dotácie nie sú rozpísané pre jednotlivé ročníky to zostáva v kompetencii školy. Je však povinnosťou školy, aby na zvládnutie obsahu každej vzdelávacej oblasti poskytla počas štyroch (piatich) rokov štúdia v jednotlivých predmetoch aspoň toľko času, koľko stanovuje rámcový učebný plán. Zvyšné hodiny sú disponibilné 9

10 a o ich využití rozhodne škola, resp. žiak. V konkrétnych číslach ide o takéto proporcie: Zo 123 vyučovacích hodín určuje RVP obsah pre 72 vyučovacích hodín (t.j. 58,5%) a 51 vyučovacích hodín je disponibilných (t.j. 41,5%). Každé 4-ročné gymnázium môže v rámci profilácie školy vyčleniť časť z 51 disponibilných hodín, určiť ich obsah a dať ich žiakovi ako povinné. Táto skutočnosť ale musí byť žiakovi známa už pri nástupe do školy. Škola pri tom musí nechať dostatočný priestor na žiakovu prípravu na maturitnú skúšku. Tým dostáva škola dostatočný priestor na uplatnenie svojich špecifík alebo zamerania. Školou určená povinná zložka je určená predovšetkým na - uplatnenie špecifík školy (napr. národnostné školy, bilingválne gymnáziá), - profiláciu, zameranie školy (športové, jazykové, matematické, výtvarné, počítačové), - posilnenie povinného základu, - požiadavky regiónu. Zvyšné disponibilné hodiny ponechá škola ako voliteľné pre žiaka. Treba poznamenať, že miera voliteľnosti a šírka ponuky voliteľných predmetov je významne ovplyvnená možnosťami konkrétnej školy. Voliteľná zložka disponibilných hodín je určená predovšetkým - na prípravu na maturitnú skúšku, - na osobnú profiláciu žiaka. Disponibilné hodiny 41% Hodiny určené v RVP 59% Obrázok 1: Dvojúrovňová tvorba učebného plánu V kompetencii školy je pripraviť vzdelávací program, ktorý bude skutočne realizovaný v triede. V ňom musí byť zahrnutý štátom určený základ, školou určená povinná zložka a cieľové maturitné požiadavky žiakom vybraných maturitných predmetov. Znamená to, že škola má právo i povinnosť najmä určiť vyučovacie jednotky, ktoré budeme volať vyučovacie predmety, tiež určiť časovú dotáciu jednotlivých vyučovacích predmetov a obdobie, v ktorom má prebiehať. Vyučovacie predmety teda môžu byť rôznorodé z hľadiska o obsahu (môžu sa zhodovať so vzdelávacou oblasťou, pokrývať iba časť vzdelávacej oblasti, alebo prechádzať naprieč viacerými vzdelávacími oblasťami; okrem obsahu predpísaného v RVP môžu obsahovať aj učivo určené školou), o časového rozloženia vzdelávania v ňom (nemusia mať pravidelnú týždennú dotáciu, nemusia prebiehať celý polrok, môžu byť rozdelené na ľubovoľné časové úseky nie nutne 45 minútové), o hodnotenia (slovné, známkou, absolvoval(a). 10

11 Ciele vzdelávania a profil absolventa Pri formulácii obsahu vzdelávania bolo veľmi dôležité vyjadriť zmysel všeobecného vzdelávania pre človeka a pre spoločnosť. Z toho sa totiž odvíja zadanie pre tvorcov ďalších pedagogických dokumentov k čomu má vzdelávanie smerovať, aké ciele má napĺňať, ako má formovať osobnosť žiaka. Náročné odborné diskusie napokon priniesli takéto formulácie: Profil absolventa Osobnostná zrelosť absolventa Dokáže sa v spoločnosti uplatniť ako dospelý človek. Uvedomuje si svoje hodnotové hierarchie, zaujíma samostatné a zodpovedné postoje. Uvedomuje si svoje hlavné silné vlastnosti a rozvojové potreby, je schopný projektovať, organizovať a riadiť svoj život. Snaží sa reflektovať svoje predsudky. Akceptuje druhých ľudí. Má historické vedomie, ujasnenú kultúrnu, etnickú a regionálnu identitu. Kriticky prijíma myšlienky a produkty zo svojho okolia. Pohyb absolventa v spoločnosti Je sebavedomým a zodpovedným občanom, zastáva vlastné postoje. Dokáže efektívne komunikovať rečou (materinskou a jednou cudzou), písmom, gestom, pohybom a chápať komunikáciu druhých. Je schopný zúčastňovať sa života spoločnosti dokáže kooperovať, uzatvárať kompromisy, riešiť konflikty. Príprava absolventa na povolanie Uvedomuje si svoje schopnosti vo vzťahu k učeniu a je motivovaný na celoživotné učenie. Má otvorenú myseľ, dokáže pracovať s informáciami (písanými, zvukovými, obrazovými, v rôznych informačných zdrojoch a médiách). Má kritické a flexibilné myslenie. Je zorientovaný v hlavných skupinách povolaní v blízkej spoločnosti. Má všeobecnú predstavu (absolvent odbornej školy presnejšiu predstavu) o svojom životnom smerovaní v najbližších rokoch. Všeobecné znalosti absolventa Má všeobecné poznatky o svete: o prírode, technike a človeku o ich vzniku a premenách. Vie, ako funguje hmota v rôznych aspektoch (priestor, čas, pohyb, zloženie hmoty), pozná psychické zákonitosti existencie a fungovania človeka, pozná fungovanie spoločnosti v rôznych aspektoch (ekonomický, politický, sociálno-psychologický, kultúrny), pozná hlavné smery premien technológií a techniky. Vníma svet a veci v pohybe a čase. Ciele vzdelávania Všeobecný cieľ Študent je pripravený na samostatný život a na ďalšie vzdelávanie a sebavzdelávanie. Čiastkové ciele Študent sa vie učiť a je motivovaný k celoživotnému učeniu. Študent prejavuje občianske postoje. Študent kriticky a flexibilne myslí, prejavuje tolerantné postoje. Študent je schopný riadiť svoj časový rozvrh a projektovať sebarozvoj. Študent je schopný komunikovať adekvátne situácii. Študent si osvojil všeobecné poznatky o širších súvislostiach vývinu sveta, prírody, indivídua, spoločnosti, kultúry a techniky, sformoval sa jeho všeobecný kultúrno spoločenský rozhľad. V prípade odbornej školy študent chápe svoj odbor v kontextoch iných odborov. 11

12 Kompetencie ako nástroj na dosiahnutie stanovených cieľov Nielen na Slovensku, ale vo všetkých vyspelých štátoch prebiehajú v posledných rokoch významné reformy vo vzdelávaní. Jedným zo spoločných znakov je kladenie dôrazu na kompetencie, či inak povedané (životné) zručnosti. Rôzne tímy odborníkov, nezávisle na sebe, alebo vo vzájomnej komunikácii, potvrdzujú, že práve rozvíjanie kompetencií žiakov je najvhodnejším nástrojom na dosahovanie takých vzdelávacích výsledkov, ktoré sú pre súčasný svet a človeka potrebné. Je snaha definovať a rozvíjať také kompetencie, ktoré sú vhodné na riešenie širokého spektra väčšinou nepredvídateľných problémov a umožnia človeku vyrovnať sa s rýchlymi a častými zmenami v práci, v osobnom i spoločenskom živote a ktoré sú využiteľné vo väčšine povolaní, teda umožnia zastávať celý rad pracovných pozícií. Je dôležité podporovať také postoje, ktoré povzbudzujú osobné vedomie zodpovednosti a vytvárajú kultúru slobody, rovnosti a solidarity. Tieto hodnotové orientácie sú procesuálnymi veličinami, ktoré sa predovšetkým žijú. Na to, aby došlo k efektívnemu osvojovaniu si kľúčových kompetencií, je potrebná zásadná zmena nielen obsahu, ale aj spôsobu vyučovania - využívanie vyučovacích metód a stratégií smerujúcich k participatívnemu, interaktívnemu, zážitkovému učeniu, ktoré je založené na skúsenosti a zároveň je prepojené so životom. Potreba definovania kľúčových kompetencií je daná nutnosťou preformulovať ciele vzdelávania a profil absolventa do podoby zadania pre tvorcov pedagogických dokumentov a pre učiteľov. Kým ciele vzdelávania a profil absolventa sú adresované smerom k spoločnosti, k odberateľom, rodičom a študentom, kľúčové kompetencie sú zadaním pre učiteľa: čo má byť výstupom jeho každodennej práce so študentom. Rôzne skupiny odborníkov definovali rôzne súbory kompetencií, zaradených do rôznych kategórií. Odchýlky pritom neboli príliš veľké a väčšina týchto súborov je vzájomne kompatibilná. Počiatočnú snahu o definovanie vlastného súboru kompetencií sme preto opustili a rozhodli sme sa vybrať niektorý z existujúcich súborov a prevziať ho do RVP. Napokon sme sa rozhodli pre súbor kompetencií definovaných pracovnou skupinou OECD DeSeCo (Definition and Selection of Key Competencies). V tejto štruktúre sú všetky kľúčové kompetencie rozdelené do 3 kategúorií po 3 kompetenciách. I. KATEGÓRIA: INTERAKTÍVNE VYUŽÍVANIE NÁSTROJOV (Funkčné a kognitívne kompetencie) A. Interaktívne používať jazyk, symboly a texty. B. Interaktívne používať poznatky a informácie. C. Interaktívne používať technológiu. II. KATEGÓRIA: INTERAKCIA V RÁMCI HETEROGÉNNYCH SKUPÍN (Sociálne kompetencie) A. Nadviazať dobrý vzťah s ostatnými. B. Kooperovať, pracovať v tímoch. C. Zvládať a riešiť konflikty. III. KATEGÓRIA: AUTONÓMNE SPRÁVANIE SA (Osobné kompetencie) A. Konať v rámci veľkého obrazu/kontextu. B. Utvárať a riadiť životné plány a osobné projekty. C. Brániť a presadzovať práva, záujmy, obmedzenia a potreby. Rovnaký počet hodín hradených z verejných prostriedkov pre všetkých žiakov Na 4-ročných gymnáziách sú v súčasnosti učebné plány s počtom týždenných vyučovacích hodín (1 vyučovacia hodina trvá 45 minút) v ročníku od 28 až do 34, čo za štyri 12

13 roky prináša rozpätie od 118 až do 129 vyučovacích hodín. Tým podľa nás vznikol súčasný diskriminačný faktor, nakoľko - každý žiak má právo na rovnaký objem vzdelávania hradený z verejných zdrojov. - školy v súčasnosti dostávajú rovnaký objem peňazí na žiaka v porovnateľnom štúdiu, ale poskytujú nerovnaký objem vzdelávania. Naša alternatíva navrhuje pre všetky typy a zamerania 4-ročných gymnázií zjednotenie na 123 týždenných hodín počas 4 rokov štúdia. Obsah vzdelávania vzdelávacie oblasti Obsah vzdelávania nedefinujeme pomocou klasických vyučovacích predmetov, ale pomocou 8 vzdelávacích oblastí. Vzdelávacie oblasti chápeme ako integráciu problematiky príbuzných školských predmetov súčasného kurikula, pričom tieto oblasti rešpektujú veľké oblasti života človeka. Vznikli preto, aby sa výchova a vzdelávanie na stredných školách integrovali na báze takýchto oblastí ľudskej existencie. Preto je možné každú oblasť vyučovať prostredníctvom viacerých predmetov tak, aby sa zachytili všetky témy dôležité pre danú oblasť. Vzdelávacie oblasti nekopírujú súčasnú štruktúru vyučovacích predmetov. Krížom cez vzdelávacie oblasti prechádzajú prierezové témy, ktorú budú povinne zakomponované do budúcich predmetov. Jednotlivé oblasti nie je možné oddeliť ostrými hranicami a mnohými súvislosťami sa prekrývajú. Názvy oblastí (aj tém) hovoria skôr o ťažisku problematiky, ktorou sa daná oblasť alebo téma zaoberá. Téma začlenená do určitej oblasti sa nebude vyskytovať len v nej, teda nebude sa preberať len z hľadiska tejto oblasti, ale môže sa vyskytovať aj v iných oblastiach. Začlenenie témy do určitej oblasti hovorí o ťažiskovom hľadisku, ktoré sa uplatní pri tvorbe pedagogických dokumentov k tejto téme. Dnešné predmety sa členia podľa vedných odborov. Budúce vzdelávacie oblasti členíme podľa problematiky, o ktorej sa v škole bude hovoriť, pričom problematika sa nedelí podľa klasifikácie vedných odborov, ale podľa veľkých skupín problémov a otázok, s ktorými sa žiak v živote stretne (Z toho nevyplýva, že problémové vyučovanie by malo byť jedinou či hlavnou metódou. Ide tu o vybudovanie kurikula z východiska, za ktoré považujeme reálne životné situácie.). Preto sme samostatne vyčlenili tri vzdelávacie oblasti, ktoré poskytujú žiakovi základné nástroje pre život. Sú to: Jazyk a komunikácia Základné ciele vzdelávacej oblasti jazyk a komunikácia: Cieľom je, aby žiaci chápali jazyk ako znak národnej a individuálnej identity, ako prostriedok komunikácie a profesionálnej realizácie i prostriedok na vyjadrovanie citov a pocitov. Cieľom je, aby sa žiaci vyjadrovali kultivovane a adekvátne komunikačnej situácii, aby sa formoval ich pozitívny vzťah k spisovnému jazyku ako základnému prostriedku dorozumievania medzi ľuďmi. Cieľom je pripraviť žiakov na celoživotné vzdelávanie naučiť ich využívať jazyk na hľadanie, nachádzanie a spracovanie informácií potrebných pre prípravu vlastných prejavov; naučiť žiakov samostatne študovať odbornú literatúru, citovať z nej a uchovávať informácie. Cieľom je, aby žiaci vedeli tvoriť, analyzovať a upraviť vlastné jazykové prejavy i analyzovať a upraviť cudzie jazykové prejavy z hľadiska dodržiavania zákonitostí jednotlivých jazykových rovín. Cieľom je, aby žiaci pri práci s textom vedeli text analyzovať, interpretovať ho a hodnotiť. 13

14 Cieľom je, aby žiaci chápali kultúrne dedičstvo vlastného národa ako prostriedok kultúrnej tolerancie, ktorá sa odzrkadľuje v názoroch na kultúrne hodnoty iných národov. Cieľom je, aby si žiaci uvedomovali jazykovú a kultúrnu pestrosť v rámci Európy a sveta, ale aj v rámci jednotlivých sociálnych prostredí. Cez pochopenie významu jazyka pre národnú kultúru by mali dospieť k chápaniu odlišností, tolerancii a orientácii v multikultúrnom prostredí. Matematické myslenie a práca s informáciami Vzdelávacia oblasť Matematické myslenie a práca s informáciami si kladie za cieľ, aby študent získal schopnosť používať matematiku a informatiku v bežnom živote (osobnom, občianskom, pracovnom a pod.), rozvíjal svoje formálne a logické myslenie, schopnosť kooperácie a komunikácie, rozvíjal svoje funkčné a kognitívne kompetencie (práca s informáciami, čítanie s porozumením vrátane grafov, tabuliek a diagramov, riešenie problémov, kritické myslenie, kreativita, používanie logických operácií), metakognitívne kompetencie (učiť sa objavovaním, učiť sa učením druhých, definovať reálne ciele, kriticky posudzovať svoje poznatky) a vhodnou voľbou organizačných foriem a metód výučby aj ďalšie kompetencie potrebné v ďalšom živote, naučil sa viaceré metódy na riešenie problémov, rozvíjal schopnosti kooperácie a komunikácie naučil sa spolupracovať v skupine pri riešení problému, spoznal v matematike a informatike súčasť ľudskej kultúry a silný a nevyhnutný nástroj pre spoločnosť. Zdravie a pohyb Všeobecným cieľom vzdelávacej oblasti Zdravie a pohyb je, aby žiaci porozumeli zdraviu ako subjektívnej a objektívnej hodnotovej kategórii, vedeli rozlišovať základné determinanty fyzického zdravia jednotlivca, rozvíjali a budovali zručnosti a kompetencie, ktoré napomáhajú zlepšovať starostlivosťou o svoje telo, zdravie, aktívny pohybový režim a zdravý životný štýl, porozumeli postupom ochrany a upevnenia zdravia, prvej pomoci, princípom predchádzania ochorení a škodlivým návykom, odstraňovania zdravotných porúch, vedeli aplikovať rozvoj pohybových schopností pri zlepšovaní svojej pohybovej výkonnosti a telesnej zdatnosti, boli schopní osvojené pohybové a športové činnosti uplatniť v štruktúre svojho pohybového režimu ako súčasti starostlivosti o svoje zdravie, poznali základy ľudskej reprodukcie, sexuality, porozumeli zásadám prevencie a využitiu zručností prvej pomoci, zodpovedne konali pred, pri a po konkrétnej mimoriadnej udalosti, na konkrétnom, špecifickom obsahu a využívaním vhodných organizačných foriem a metód vzdelávania rozvíjali a posilňovali kľúčové kompetencie. Človek a príroda Vzdelávacia oblasť Človek a príroda si kladie za cieľ, aby študent porozumel vybraným prírodným aspektom vplývajúcim na život človeka a vedel vysvetliť prírodné javy vo svojom okolí, si osvojil niektoré základné pojmy, zákony a metódy prírodným vied, si osvojil základné postupy, ktorými prírodné vedy získavajú nové poznatky, 14

15 vedel získavať informácie o prírode a jej zložkách prostredníctvom vlastných pozorovaní a experimentov v laboratóriu a v prírode, docielil schopnosť pracovať s grafmi, tabuľkami, schémami, obrázkami, náčrtmi a mapami, vedel získavať prírodovedné informácie z prístupných databáz, vytváral si vlastný úsudok o tých aspektoch prírodovedných poznatkov, ktoré sú dôležité pre život spoločnosti. Spoločnosť Vzdelávacia oblasť Spoločnosť si kladie za cieľ, aby žiak: pochopil spoločnosť ako výsledok ľudskej činnosti a chápal miesto človeka v nej v časových a priestorových súvislostiach, sa orientoval na súčasné (ekonomické, právne a občianske) aspekty spoločnosti a poznával, ako sa k týmto aspektom dospelo, poznával etické aspekty súkromného a verejného života, manželstvo a rodičovstvo, rodinné vzťahy a morálku, používal a uplatňoval nové a účinné stratégie, prostriedky a metódy posilnenia vedomej participácie občana na fungovaní demokratickej spoločnosti, rozvíjal svoju tvorivosť, aktivitu, samostatnosť a schopnosť aplikovať získané poznatky v rôznych životných situáciách, chápal a uvedomoval si svoje individuálne práva a povinnosti, zodpovednosť za seba a svoju budúcnosť a budúcnosť svojho mikro- a makrosociálneho prostredia, bol pripravený tolerovať názorovú rôznorodosť, rešpektovať autonómiu a legitimitu rôznych náboženských postojov. Vzdelávacia oblasť Spoločnosť rozvíja myšlienkové operácie, praktické zručnosti a vedomie vlastnej identity žiaka, prispieva k uchovaniu kontinuity tradičných hodnôt našej spoločnosti. Vychováva k vlastenectvu a posilňuje rešpekt k základným princípom demokracie a tolerancie. V súlade s aktuálnymi integračnými procesmi prispieva k vnímaniu vlastenectva a národnej hrdosti v kontexte európanstva a multikulturalizmu. Podpora vedomia neopakovateľnosti a jedinečnosti každého človeka v spoločnosti, jeho úcty k výtvorom predchádzajúcich generácií sú základom pre zodpovedný prístup k životu v demokratickej spoločnosti. Vo vzdelávacom systéme budeme preferovať aktívne občianstvo, aby mladí ľudia videli výsledky svojej osobnej angažovanosti. Táto oblasť v rámci stredoškolského vzdelávania využíva spoločenskovedné poznatky získané v základnom vzdelávaní. Rozvíja a učí žiakov pracovať s nimi a spracovať ich. Žiaci sa učia kriticky reflektovať spoločenskú skutočnosť, posudzovať rôzne postupy k riešeniu problémov každodennej praxe a aplikovať tieto poznatky do súčasnosti cez prizmu osobnej skúsenosti. Jednotlivec Vzdelávacia oblasť Jednotlivec si kladie za cieľ budovať a rozvíjať kľúčové schopnosti vo vzťahu k sebe: sebauvedomenie, sebapoznanie, sebakontrolu, sebaovládanie, sebareguláciu a sebarozvíjanie (kultivovanie a zdokonaľovanie), orientované do vnútra, a to na novo sa formujúcom základe autonómneho konania a vynárajúcej sa novej autenticity a identity, zvýšiť/zlepšiť a rozvinúť schopnosti vo vzťahu k iným: porozumenie iných, rešpekt a úcta k iným, tolerancia k iným a spolužitie s inými - na základe zvládnutia svojej novej autenticity, sociability a adaptability a s cieleným a kontrolovaným používaním nástrojov interaktivity a integrovania sa do heterogénnych i homogénnych skupín, 15

16 zvládnuť životné podmienky a zmeny súčasného sveta osobné, prírodné, spoločenské, kultúrno-historické, skrátka dejinné podmienky a zmeny, ponímané a vyhodnocované z individuálneho hľadiska, zlepšiť - zjemniť, prehĺbiť a rozšíriť osobnú orientáciu vo svojom vnútornom aj vonkajšom svete a naučiť sa objavovať možnosti a príležitosti pre sebarealizáciu, osobnú slobodu a šťastie, naučiť sa obhajovať a presadzovať svoju osobnú skúsenosť, poznanie, presvedčenie a vieru a vedieť uplatňovať tieto svoje schopnosti v nekonfliktných aj v konfliktných situáciách, rozvinúť svoje pracovné návyky, schopnosti a výkon, vytvoriť si svoju osobnú disciplínu, režim a rytmus (uplatniť pritom svoju novo sa rodiacu individualitu, integritu, sociabilitu a prejaviť svoju osobnosť, schopnosť vykonať čin a vytvoriť dielo), byť a zostať pritom dobrou ľudskou bytosťou - človekom, partnerom, členom tímu a občanom bez ohľadu na rolu a funkciu ktorú plní. Kultúra Vzdelávacia oblasť Kultúra rozvíja predovšetkým kultúrne kompetencie žiaka. Oblasť rozvíja u žiaka uvedomelú kultúrnu identitu, jeho porozumenie súčasnej kultúre, jeho schopnosť autonómne ju vnímať, schopnosť zaujímať kultúrne a tolerantné postoje, jeho porozumenie európskej kultúrnej tradície a miesta kultúry v každodennom živote. Vo viacerých témach oblasť rozvíja aj osobnostné kompetencie, kognitívne kompetencie, komunikačné kompetencie a občianske kompetencie. Pretože žiak je komplexnou osobnosťou a nie je možné rozvíjať jeho kompetencie izolovane, niektoré kompetencie sa rozvíjajú cez viaceré témy. Oblasť vedie žiakov k tomu, aby vnímali kultúrne artefakty, kultúrne prejavy a umelecké diela ako prirodzenú súčasť svojho života. Vedie žiakov k samostatnému mysleniu o kultúrnych prejavoch, k tomu, aby ich zhodnocovali v súlade s kultúrnymi a inými humanistickými hodnotami. Orientuje ich v práci masových médií, vedie ich k tomu, aby ich obsahy neprijímali nekriticky, učí ich pracovať s informáciami. Vedie ich k uvedomelej kultúrnej identite a k tolerantným kultúrnym postojom v súčasnom multikultúrnom svete, k chápaniu základov európskej a národnej kultúry v jej súvislostiach. Orientuje ich v súčasných kultúrnych procesoch aj v ich historických koreňoch. Vedie žiakov k porozumeniu európskej ikonografii. Orientuje žiakov aj v širších sociálnych súvislostiach kultúry, vrátane princípov kultúrneho životného štýlu a kultúry správania. V cieľoch (aj v odporúčaných metódach) oblasť rešpektuje cyklus učenia D. Kolba, v ktorom sa kombinuje skúsenosť postavená na osobnom zážitku, reflexia skúsenosti, aktívne odskúšanie svojich poznatkov až po ďalší rozvoj skúsenosti. Cieľavedome rešpektuje aj Gardnerov koncept ôsmich typov inteligencií. Cudzie jazyky Obsah tejto oblasti je riešený v inom projekte ŠPÚ. Časové dotácie pre jednotlivé vzdelávacie oblasti vyjadrujú obr. 2 a 3: 16

17 Jednotlivec 4 Kultúra 4 Spoločnosť 6 Jazyk a komunikácia 6 1. cudzí jazyk 12 Človek a príroda 8 2. cudzí jazyk Zdravie a pohyb Matematické myslenie a práca s informáciami 10 Obrázok 2: Časové dotácie vzdelávacích oblastí Jazyk a komunikácia Disponibilné hodiny 51 Kultúra 4 Spoločnosť 6 Jazyk a komunikácia 6 1. cudzí jazyk cudzí jazyk 12 Matematické myslenie a práca s informáciami 10 Zdravie a pohyb 10 Človek a príroda 8 Jednotlivec 4 1. cudzí jazyk 2. cudzí jazyk Matematické myslenie a práca s informáciami Zdravie a pohyb Človek a príroda Jednotlivec Spoločnosť Kultúra Disponibilné hodiny Obrázok 3: Časové dotácie vzdelávacích oblastí so zohľadnením disponibilných hodín Nové kurikulum a maturita Naším hlavným cieľom je, aby mohli žiaci, ktorí budú vzdelávaní podľa nami navrhovaného kurikula, maturovať z takých maturitných predmetov, ktoré budú vychádzať z podstaty zmeneného obsahu vzdelávania. To znamená, že navrhneme niekoľko nových maturitných predmetov. a) Nový maturitný predmet Slovenský jazyk a kultúra bude zložený z celej oblasti Jazyk a komunikácia a z tej časti oblasti Kultúra, ktorá sa zaoberá literatúrou. Tento predmet by mal rovnakú časovú dotáciu (8 hodín) ako súčasný maturitný predmet Slovenský jazyk a literatúra, úroveň B. Nový maturitný predmet by mohol byť povinným maturitným predmetom v alternatíve k predmetu Slovenský jazyk a literatúra. Iným možným riešením by mohlo byť to, že tento predmet bude zavedený ako Slovenský jazyk a literatúra, úroveň C. b) Nové maturitné predmety Matematické myslenie a práca s informáciami, a Človek a príroda, ktoré by sa skladali z celej príslušnej vzdelávacej oblasti. Oba tieto predmety by sa mali zaradiť do terajšej skupiny prírodovedných predmetov (matematika, informatika, fyzika, chémia, biológia a geografia), z ktorých si každý maturant musí aspoň jeden predmet vybrať. 17

18 c) Ďalšie voliteľné maturitné predmety, ktoré by väčšinou vychádzali z rozšírenia nejakej časti štátom určeného základu v našej alternatíve. Namiesto záveru Nové kurikulum pre stredné školy bude pripravené na uvedenie do praxe na začiatku roka Aby však mohlo byť naozaj realizované v triedach a aby sa tak preverila jeho funkčnosť a kvalita, musí byť splnených niekoľko podmienok: niekoľko škôl musí byť ochotných byť priekopníkmi nového spôsobu tvorby obsahu vzdelávania; táto podmienka je už dnes splnená a experimentálne školy sú pripravené začať s overovaním; učiteľom je potrebné poskytnúť podporu v podobe vzdelávania a tvorby vzdelávacích médií; aj pre splnenie tejto podmienky sa už urobilo dosť predovšetkým formou prípravy projektov a získavania grantov; ministerstvo školstva musí schváliť projekty experimentálneho overovania pre školy, ktoré chcú nové kurikulum overovať; pre školy je potrebné zabezpečiť aj krytie výdavkov na experimentálne overovanie; školská legislatíva by mala postupne odstraňovať bariéry, ktoré bránia plošnému zvedeniu nového spôsobu v tvorbe obsahu vzdelávania. Od splnenia týchto podmienok závisí, či stredné školy na Slovensku dostanú priestor a impulz na toľko žiadanú záasadnú zmenu vo vzdelávaní, alebo či nové kurikulum zostane v zásuvke. Druhá možnosť by však znamenala, že prostriedky vynaložené na kurikulárnu transformáciu z ESF neprinesú žiadny efekt, čo by svedčilo o veľmi neúčelnom využívaní peňazí EÚ. Literatúra: KOUBEK, V., PIŠÚT, J Fyzikálne vzdelávanie: V očakávaní koncepčnej zmeny. In Obzory matematiky, fyziky, informatiky, 50, 1997, s TUREK, I Zvyšovanie efektivity vyučovania. Bratislava : Edukácia, ISBN

19 O vyučovaní fyziky v projekte Kurikulárna reforma Prof. RNDr. Ján Pišút, DrSc. Katedra teoretickej fyziky a didaktiky fyziky, FMFI UK v Bratislave Úvod V súčasnosti začíname pracovať na učebniciach a metodických príručkách pre vyučovanie fyziky v prvých dvoch ročníkoch strednej školy (napríklad 4- ročného gymnázia alebo SOŠ) podľa projektu "Kurikulárna reforma" riešeného na Štátnom pedagogickom ústave. Pri tvorbe učebníc, metodických príručiek a pri ich experimentálnom overovaní budeme spolupracovať s niektorými vyučujúcimi i s našimi mladšími spolupracovníkmi, napríklad s doktorandmi. Cieľom tohto materiálu je poskytnúť im stručnú predstavu o tom, ako bude vyzerať vyučovanie fyziky v projekte Kurikulárna reforma. Podrobnejšiu informáciu o celom projekte možno nájsť v príspevku P. Černeka v tomto zborníku alebo v rozsiahlejšom materiáli na webovej adrese ŠPÚ Obsah 1. Poznámky k nedávnej histórii vzdelávania u nás, k súčasnému stavu a k trendom. 2. Projekt "Kurikulárna reforma riešený na ŠPÚ. 3. Kľúčové (všeobecné) kompetencie. 4. Predmetové kompetencie. 5. Didaktické zásady moderných vzdelávacích programov. 6. Výber tém z prírodných vied a špeciálne z fyziky pre všeobecné vzdelávanie v prvých dvoch ročníkov vyššej strednej školy. 7. Príprava základných pedagogických dokumentov. 8. Záverečné poznámky. 1. Poznámky k nedávnej histórii vzdelávania u nás, k súčasnému stavu a k trendom Súčasný stav vzdelávania na Slovensku je ešte stále značne ovplyvnený reformou vzdelávacej sústavy z rokov Typickým pre ňu bol dôraz na rozsah poznatkov, koncepcia jednotnej školy, predimenzovaný obsah, malá voliteľnosť študijnej cesty pre jednotlivých žiakov. Výsledkom bolo časté memorovanie, neschopnosť žiakov použiť naučené poznatky a frustrácie z preťaženia u niektorých žiakov i učiteľov. Súčasné verzie učebníc fyziky pre gymnáziá vznikli v rámci tejto reformy. Podľa tejto reformy mal študent gymnázia získať úplný a ucelený obraz základných pojmov a zákonov fyziky (a iných disciplín). Viedlo to k prehusteniu osnov a k memorovaniu. Získané poznatky boli povrchné, pri riešení úloh ich študenti často nevedeli použiť a po maturite ich rýchlo zabudli. Druhou myšlienkou bola idea jednotnej školy. Všetci študenti sa mali v princípe učiť a naučiť tú istú látku. Nebolo tomu tak len u nás, aj v mnohých iných krajinách vyzerali základné myšlienky o cieľoch vzdelávania podobne a učebnice boli koncipované podobne ako naše. V 70. rokov bola situácia podobná aj vo viacerých rozvinutých krajinách. V nich ale prebiehali a prebiehajú kontinuálne reformy vzdelávania a dnes je tam situácia vo vzdelávaní podstatne iná ako bola pred 20 až 30 rokmi. Za hlavné ciele reforiem v týchto krajinách možno považovať: - rozvoj schopností (kompetencií) žiakov, - vzdelávanie založené na aktívnej činnosti žiakov (len pri nich sa rozvíjajú schopnosti žiakov), 19

20 - vzdelávanie zamerané na oblasti, ktoré žiak pozná z vlastnej skúsenosti, alebo na tie, ktoré bude pravdepodobne v živote potrebovať, - vyššiu voliteľnosť študijnej cesty (výberové predmety a semináre), - vyššiu autonómiu škôl a učiteľov pri tvorbe obsahu vzdelávania a pri tvorbe rozvrhu hodín. 2. Projekt "Kurikulárna reforma" riešený na ŠPÚ Rozvoj kompetencií a aktivity študentov Vzdelávanie zamerané na rozvoj kompetencií musí byť založené na aktivitách študentov. Pokiaľ je študent pasívnym prijímateľom poznatkov, jeho kompetencie sa nerozvinú. Viaceré moderné zahraničné učebnice kladú dôraz na aktivity študentov a sú podľa toho aj štrukturované. Skladajú sa z dvoch častí. Jednou sú učebné texty pre študenta, ktoré obsahujú aj pracovné listy k jednotlivým aktivitám. Druhou časťou je metodická príručka pre učiteľa s podrobnejšími informáciami a poznámkami o tom, ako usmerňovať samostatnú prácu študentov pri jednotlivých aktivitách. Niekedy sú pracovné listy pre študentov súčasťou metodickej príručky pre učiteľa a ten podľa vlastnej úvahy buď nechá študentov riešiť úlohu bez pracovného listu, alebo pracovné listy pre študentov rozmnoží na kopírovacom zariadení. Aj pri vyučovaní fyziky v projekte "Kurikulárna reforma" budeme postupovať v súlade s týmito zahraničnými trendami a budeme súčasne tvoriť učebnice fyziky aj metodické príručky pre učiteľa. Dôležitý rozdiel medzi doterajšou a novou koncepciou Projekt "Kurikulárna reforma" sa v jednom aspekte podstatne líši od stavu vyučovania podľa súčasných učebníc a základných pedagogických dokumentov. V súčasnosti je študent pripravuje na maturitnú skúšku z fyziky od prvého až po štvrtý ročník. Ak si porovnáme požiadavky na maturitnú skúšku s obsahom učebníc, zistíme, že je to prakticky to isté. Keď študent príde do štvrtého ročníka, viacero vedomostí z učiva prvého ročníka zabudol a dobrý učiteľ mu umožní, aby si to zopakoval na voliteľnom seminári z fyziky, alebo iným spôsobom. Vďaka tomuto systému sa na maturitu z fyziky pripravujú v skutočnosti všetci študenti, aj tí, ktorí o ňu majú záujem (a tých býva okolo 20%), aj tí, ktorí o ňu záujem nemajú (a to je zvyšných približne 80%). Pri vyučovaní podľa projektu "Kurikulárna reforma" budú mať žiaci v prvých dvoch ročníkov napríklad 3-6 hodín týždenne povinného vyučovania prírodovedných predmetov (fyzika, chémia, biológia, geografia, geológia - spolu), ktoré si škola môže zorganizovať buď ako integrované vyučovanie, alebo ako vyučovanie podľa jednotlivých predmetov. V treťom a štvrtom ročníku budú 2-3 hodiny povinného vyučovania prírodovedných predmetov (všetkých spolu), koncipovaných tak, aby to bolo naozaj pre všetkých. Okrem toho bude 4-6 voliteľných hodín fyziky. Až tam bude príprava na maturitu (len pre spomínaných okolo 20%). 3. Kľúčové (všeobecné) kompetencie Kompetencie sa často rozdeľujú na kľúčové (všeobecné) a predmetové. K všeobecným kompetenciám patrí: - čítanie s porozumením a písanie pre porozumenie (vedieť nájsť to, čo je v texte podstatné, vedieť nájsť podstatné súvislosti, vedieť niečo slovom alebo písmom vysvetliť), - schopnosť učiť sa učiť (vedieť analyzovať text učebnice, urobiť si schému súvislostí, nájsť príklady, ktoré niečo potvrdia alebo vyvrátia, dať veci do súvislosti s inými poznatkami). 20

21 - riešenie problémov (analyzovať problém, formulovať hypotézy pre riešenie), - používanie IKT (práca s počítačom, Internet, prezentácia výsledkov na počítači), - personálne kompetencie (organizácia svojho času, vytrvalosť, systematickosť v práci, sebapoznanie), - sociálne kompetencie (spolupráca, empatia - vcítenie sa do potrieb a názorov iných, diskusia, tolerantnosť), - občianske kompetencie (angažovanosť, zodpovednosť). Jednotlivé kľúčové kompetencie sa trocha prelínajú, ale nie je to nič, čo by podstatne komplikovalo prípravu žiakov zameranú na rozvoj kľúčových kompetencií. Každá kľúčová kompetencia zahrnuje viacero schopností žiakov. 4. Predmetové kompetencie Každá vedná oblasť alebo skupina oblastí má svoje špecifické kompetencie. Na ilustráciu tu uvedieme niekoľko kompetencií, ktoré sú dôležité vo fyzike. Väčšina z nich patrí tiež ku kompetenciám ostatných prírodných vied. Niektoré patria aj do iných vied (ekonómia, sociológia): - pozorovanie určitého javu, - výber dôležitých veličín, - hľadanie závislostí medzi veličinami, - meranie, výber dôležitých veličín, vzťahy medzi nimi, - návrh jednoduchého experimentu a jeho uskutočnenie, - formulácia a overovanie hypotéz, - zápis o experimente pomocou textu, schém, náčrtov a obrázkov, čítanie takéhoto zápisu, - zápis závislosti dvoch veličín pomocou grafu alebo funkcie, - formulácia problému alebo otázky, - prepis zadania problému do matematického jazyka, - hľadanie ciest k riešeniu problému a jeho riešenie, - spozorovanie analógií a ich využitie, - modelovanie nejakého procesu iným procesom alebo počítačom, - približné odhady veľkosti niektorých veličín, - vysvetlenie fungovania jednoduchého zariadenia (hračka, domáci spotrebič a pod.), - vysvetlenie niektorých základných experimentov v danej oblasti, - vysvetlenie základných pojmov a zákonov v danej oblasti a ich aplikácia v bežnom živote, - pomocou kritického myslenia vedieť nájsť chyby v argumentácii. 5. Didaktické zásady moderných vzdelávacích programov Moderne koncipované vzdelávacie programy hovoria trocha podrobnejšie aj o tom, ako by žiaci mali pri štúdiu fyziky nadobúdať kompetencie. Základom je schopnosť čítať s porozumením - vo fyzike spojená s verbalizáciou fyzikálnych javov, použitie matematického jazyka, znázorňovanie grafmi a obrázkami a ich čítanie, pozorovanie veličín a ich kvantitatívne vyjadrenie, formulácia hypotéz, modelové predstavy, predpovede výsledkov, možnosť experimentálneho overenia predpovedí, zjednodušenie zložitých podmienok, argumentácia, zápis formuliek. Vyučovanie zamerané na rozvoj kompetencií by malo vychádzať z nasledujúcich didaktických zásad: - vychádzať z predstáv žiakov, 21

22 - základom sú experimenty, ktoré žiaci robia v malých skupinkách svojimi rukami, zásada, ktorá sa v anglickej literatúre nazýva learning by doing, - chyby pri práci na experimente a pri vyjadrovaní žiakov sú prirodzenou a nevyhnutnou vecou a žiakov nemajú demotivovať, - otvorené problémy a získavanie poznatkov objavovaním pomáhajú, - povzbudzujeme kreativitu žiakov, zvlášť povzbudzujeme experimenty, ktoré žiaci aspoň čiastočne navrhli sami, - podobne povzbudzujeme referáty, ktoré žiaci samostatne vypracovali, - pozorované javy majú viesť k otázkam, k vysvetleniu pomocou experimentov, modelov, obrázkov a schém, - používanie nadobudnutých fyzikálnych poznatkov v iných situáciách, - nové poznatky prirodzene vedú k novým otázkam. 6. Výber tém z prírodných vied a špeciálne z fyziky pre všeobecné vzdelávanie v prírodovedných predmetoch v prvých dvoch ročníkoch Na výbere tém v súčasnosti pracujeme. Inšpirovali sme sa pritom aj niekoľkými modernými zahraničnými učebnicami a metodickými postupmi. Témy by mali súvisieť s reálnym životom, malo by to byť niečo, s čím sa žiak v budúcnosti pravdepodobne v nejakom kontexte stretne, a malo by to byť aj zaujímavé. Tu sú niektoré z uvažovaných možností: Vývoj života na Zemi, prirodzený výber, vznik rôznych druhov živočíchov a rastlín, vznik človeka. Zdroje energie a energetika. Doprava. Telekomunikácie. Zvuk a hudba. Ovplyvňovanie životného prostredia ľudskou činnosťou. Schopnosť predpovedať počasie, ale aj to, ako vzniká kolobeh vody v prírode, ako vzniká dážď, ako vzniká búrka. Ľudské telo a udržiavanie zdravia, príčiny chorôb, zdravie a potraviny, liečivá. Poznatky prírodných vied a prístroje a postupy súčasnej medicíny. Mechanizmus dedičnosti aj s klonovaním a genetickým inžinierstvom. Nové látky pripravené chémiou, fyzikou a biológiou. Štruktúra Vesmíru a Veľký Tresk. Vznik Slnečnej sústavy, zdroj energie Slnka. Pochopenie toho ako funguje Slnečná sústava (Kopernik, Kepler, Galilei a Newton) a ako sa to prejavuje - deň a noc, ročné obdobia. Vznik Zeme, vznik kontinentov, kontinentálny drift, sopečná činnosť, zemetrasenia, cunami. Zloženie všetkých látok na Zemi z niekoľkých desiatok typov atómov, pochopenie štruktúry látok ako zložených z atómov a molekúl. Pochopenie štruktúry atómov a molekúl (pre 3. a 4. ročník). Pochopenie štruktúry jadra atómu, jadrových reakcií a využitia jadra (pre 3. a 4. ročník). Poznávanie elementárnych častíc a ich interakcií (pre 3. a 4. ročník). Témy z fyziky, ktorými by sme chceli začať Teplota a teplo (s dôrazom na kontext domácnosti a prírody). 22

23 Elektrina a magnetizmus (baterka, elektrické spotrebiče doma, jednoduché obvody, výroba elektrickej energie). Atmosféra, počasie, životné prostredie. Sily a skladanie síl (v kontexte sťahovania a iných javov z domácnosti). Pohyb a jeho opis (v kontexte dopravy a pod.) Vo vyučovaní pre všetkých by sa určite mal zaviesť pojem priemerná rýchlosť, možno i okamžitá rýchlosť. Newtonov pohybový zákon by nebol pre všetkých, ale len vo výberovom vyučovaní. Dôraz by bol na práci s grafom, čítanie, kreslenie, náčrt. Energia a energetika. Štruktúra látok (plyny, kvapaliny, tuhé látky, všetky látky sa skladajú z atómov), v diskusii sa spomínal sa aj Rutherfordov pokus, jeho interpretácia a existencia jadra. Svetlo a farba, ľudské oko. Zvuk, hudba, mobil. Fyzika a medicína. Toto je určite viac, ako bude možné zaradiť do učebnice. Niekoľko tém si ale musíme čo najskôr rozpracovať podrobnejšie a naučiť sa pri tom, ako to máme robiť. Spomeniem tu ešte ďalšie témy, o ktorých sa v diskusii hovorilo: Science a science fiction. Fyzika v budúcnosti. Astrofyzika, astronautika aspoň trocha pre motiváciu, v spolupráci s prof. Masarikom by sa dalo hovoriť o najnovších otázkach typu život na Marse a pod. Súvislosť fyziky, techniky a technológií a spôsobu života spoločnosti Okrem istého množstva poznatkov a rozvíjania kompetencií by, podľa nášho názoru, malo štúdium fyziky poskytnúť študentom aj možnosť získať informácie o tom, ako súvisí rozvoj fyziky s rozvojom techniky a so spôsobom života našej spoločnosti. Preto budú na viacerých miestach v učebnici vsunuté informácie o súvislosti rozvoja techniky a fyziky so životom spoločnosti. V ideálnom prípade by si žiaci o týchto otázkach pripravovali v malých skupinkách referáty a prezentovali by ich pred triedou. Tieto otázky budú zaradené do vzdelávania v prírodných vedách v rámci oblasti Človek a technika. 7. Príprava základných pedagogických dokumentov Vzhľadom na to, že ciele vzdelávania v prvých dvoch ročníkoch strednej školy sú v projekte "Kurikulárna reforma" koncipované podstatne inak, ako doteraz, aj základné pedagogické dokumenty musia byť zmenené. Pripomeňme si, že základné pedagogické dokumenty obsahujú: - cieľové požiadavky (vzdelávacie štandardy) - čo majú žiaci vedieť, - učebné osnovy - čo sa majú žiaci učiť, - učebný plán (rozvrh hodín). Asi bude najlepšie pripraviť celkom nové cieľové požiadavky na prvú časť všeobecného vzdelávania, teda na prvé dva roky strednej školy. V porovnaní so súčasným stavom, čo približne zodpovedá obsahu učebníc fyziky pre prvé dva ročníky, bude obsah podstatne zredukovaný a do cieľových požiadaviek vstúpia explicitne vymenované 23

24 všeobecné a predmetové kompetencie. Napríklad tam bude uvedené, že žiak má byť schopný čítať a porozumieť istým typom grafov, že má vedieť grafy nakresliť a pod. Učebné osnovy budú v časti pre všeobecné vzdelávanie (prvé dva ročníky) tiež podstatne zredukované a budú obsahovať relatívne veľa aktivít pre žiakov. Učebný plán bude natoľko flexibilný, aby si ho škola mohla dotvoriť po svojom. 8. Záverečné poznámky Medzinárodné prieskumy výsledkov vzdelávania ukazujú, že dobré výsledky sa dosahujú tam, kde sa zlepšovanie vzdelávania nechápe ako súbor veľkých jednorazových reforiem, sledovaných dlhými obdobiami bez akýchkoľvek zmien, ale ako kontinuálny proces postupného zlepšovania. Aj tu platí, že lepšia je postupná evolúcia ako jednorázové revolúcie. To sa ale dá uskutočniť len pri vysokej samostatnosti škôl, pri aktívnych a motivovaných učiteľoch a pri výmene dobrých skúseností medzi učiteľmi navzájom a medzi učiteľmi a pracovníkmi fakúlt pripravujúcich učiteľov. Súčasný seminár na Smrekovici je podujatím, kde sa takáto výmena skúseností uskutoční. Želám tomuto semináru a jeho organizátorom všetko dobré a to isté prajem aj podobným podujatiam, ktoré sa uskutočnia po ňom. 24

25 Modelový experiment: Stanovenie účinnosti elektromotora a generátora napätia Doc. RNDr. Václav Koubek, CSc. Katedra teoretickej fyziky a didaktiky fyziky, FMFI UK v Bratislave Súčasťou školského opisu fyzikálneho javu by podľa možností mala byť aj jeho prezentácia v praktických súvislostiach. To často vedie k modelovaniu niektorého technického zariadenia, ktoré jav využíva. Na obr. 1 je obrazový model žeriava znázorneného tak, aby študent mohol pri riešení zadanej úlohy použiť údaje, ktoré sú súčasťou popisu obrazu. Modelom úlohovej situácie môže byť aj trojrozmerná školská pomôcka, napr. funčný model hoci detská hračka (pozri obr. 6), umožňujúci vykonať experiment alebo aj meranie a následný výpočet veličín, ktorými jav opisujeme. Mnohí z našich žiakov také pomôcky poznajú dokonca ich sami zostavovali z rôznych, medzi mládežou populárnych stavebníc, akými sú napr. Lego alebo Merkúr. V článku opisujeme experiment modelujúci mostový žeriav (pozri napr. a obr. 7) a meranie účinnosti elektromotora, ktorým ho poháňame (Úloha 1). V ďalšej časti článku (Úloha 2) sa pomocou toho istého modelu rieši problém účinnosti generátora elektrického napätia. Obrázok 1: Obrázok z učebnice fyziky pre 1. ročník štvorročného gymnázia (Koubek, 2004). Treba vypočítať účinnosť stroja žeriava poháňaného elektromotorom. Žiak má pri riešení obidvoch experimentálnych úloh pracovať so vzájomnými vzťahmi veličín W práca, P výkon stroja, P - príkon stroja. V prehľade uvádzame tieto vzťahy a ich vzájomné súvislosti tak, ako ich uvádza učebnica (Koubek, 2004). Výkon P (stroja) sa obvykle definuje vzťahom W P = t (1) (pozri napr. v článku 4.11 učebnice Fyzika pre 1. ročník gymnázia (Koubek, 2004). Vo vzťahu (1) W je (užitočná) práca vykonaná strojom v časovom intervale t, v ktorom stroj pracoval. Z rovnice (1) dostaneme pre prácu vykonanú strojom v časovom intervale t vzťah W = P. t. Aby stroj pracoval, treba mu dodávať energiu. Nie všetka energia E dodaná stroju v časovom intervale t sa využije na užitočnú prácu. Časť energie a aj časť práce stroja sa prejaví zvýšením teploty jeho častí. Preto rozoznávame dva druhy výkonu (pozri napr. článok 4.12 v učebnici Koubek, 2004). 25

26 práca vykonaná strojom výkon = časový interval, W P = t energia dodaná stroju E príkon =, P = časový interval t Stroj nikdy nemôže vykonať prácu väčšiu, ako je energia, ktorú sme doňho vložili protirečilo by to zákonu zachovania energie. Preto príkon stroja je vždy väčší ako jeho výkon. Podiel výkonu a príkonu stroja sa nazýva účinnosť η (eta) alebo po úprave η = výkon stroja príkon stroja P t W η = η = P t E práca vykonanástrojom η = energia dodaná stroju, P η = 1 P (2) Účinnosť stroja môžeme vyjadriť aj ako pomer strojom vykonanej užitočnej práce W ku energii E, ktorú bolo treba stroju dodať, aby prácu vykonal. Účinnosť stroja je vždy menšia ako jedna alebo sa rovná jednej. Výkon a príkon stroja vyjadrujeme v rovnakých jednotkách vo wattoch (W). Preto fyzikálny rozmer (fyzikálna jednotka) veličiny účinnosť η sa rovná jednej. Účinnosť vyjadrujeme buď v desatinných zlomkoch, alebo v percentách. Maximálna účinnosť stroja je 100 %. Úloha 1: Meranie účinnosti elektromotora Na Obr. 2 je znázornený školský fyzikálny experiment, pri ktorom treba stanoviť účinnosť stroja zostaveného z kladky a elektromotora, používaného v praxi na pohon detských hračiek (pozri Obr. 3). Pripojený elektrický obvod s batériou (4,5 V) umožňuje regulovať prúd, a tým aj príkon elektromotora. Elektromotor navíja na svoju os lanko a tak dvíha závažie s hmotnosťou m. Žiak by mal vedieť, že experiment modeluje činnosť mostového žeriava a bolo by vhodné, keby sa s ním zoznámil v skutočnosti alebo hoci aj prostredníctvom internetu (pozri napr. obr. 7, ktorý sme našli na adrese Pri zdvihnutí závažia s hmotnosťou m do výšky h v časovom intervale t vykoná náš stroj prácu, ktorá sa rovná potenciálnej energii závažia vo výške h nad rovinou, v ktorej sa jeho pohyb začal, W = m g h. Stroj preto pracuje s výkonom P = mgh t (3) 26

27 Príkon P elektromotora vypočítame ako súčin napätia U na jeho svorkách a prúdu I, ktorý ním prechádza P = U.I Celková energia dodaná elektromotoru v časovom intervale t sa vypočíta podľa vzťahu E = P. t E = UI t (4) Obrázok 2: Školský experiment Stanovenie účinnosti elektromotora. Vpravo hore je schéma experimentu podporovaného počítačom. Vľavo hore sú odmerané výsledky graf P = P(t), príkon elektromotora v závislosti od času. Vľavo dole je ten istý graf po aplikácii programu Spracovanie/Filtrovanie grafu (Process/Filter graph). 27

28 Obrázok 3: Postup pri aplikácii programu Coach5 Spracovanie/Filtrovanie grafu (Process/Filter graph). Pri "klasickom" fyzikálnom meraní by sme mali merať stály prúd I a stále napätie U a časový interval t. Ak použijeme pri meraní počítač, môžeme ho naprogramovať tak, aby snímal počas intervalu t okamžité hodnoty I a U a aby zobrazoval ich súčin - okamžitú hodnotu príkonu P = UI. Počítač potom kreslí graf závislosti P = P (t) - príkon v závislosti od času. Príklad merania je zobrazený grafom v ľavom hornom okne na Obr. 2. Pri práci motora dochádza k iskreniu na jeho kontaktoch. To sa v grafe zobrazí ihličkovitými výbežkami na čiare grafu. Aby sme ich odstránili, klikneme pravým klávesom myši na obrázok a z ponuky Upravovať (Process) vyberieme funkciu "Filter graph". Ak zvolíme dostatočne široký interval (napr. 20 bodov), môžeme získať graf s dostatočne hladkým priebehom (pozri Obr. 3: "Filtered P "). Tento graf uložíme ako "Nový graf" (New diagram). Plocha každého obdĺžnika v sústave osí súradníc t (čas) a P (príkon) zobrazuje veličinu energia [P ].[t]=[e] (1 W.s = 1 J). Plocha uzavretá pod čiarou grafu nad intervalom t, v ktorom motor pracoval, zodpovedá celkovej energii E (4) elektrického prúdu, dodanej elektromotoru v časovom intervale t. Použijeme ponuku Analyzovať (Analyse) a program Plocha (Area), aby sme túto plochu odmerali v jednotkách Ws = J (wattsekunda = joule). Vypočítanú hodnotu W = mgh a odmeranú hodnotu E dosadíme do vzťahu (2) a určíme účinnosť η, s ktorou pracoval náš modelový stroj. 28

29 Obrázok 4: Použitie programu Coach5 Analyzovať (Analyse) a program Plocha (Area) na stanovenie práce vykonanej elektromotorom v časovom intervale t (0, s). Odmeraná hodnota (okienko Area ) je 0,932 Ws 0,93 J. V uvedenom príklade merania stroj zodvihol závažie s hmotnosťou 20 g do výšky 0,8 m a vykonal prácu W = mgh = 0,02 9,8 0,8 J = 0,1568 J 0,16 J. Na Obr. 3 vidíme hodnotu energie dodanej elektromotoru v časovom intervale t = 1,86 s v okienku Plocha (Area) E = 0,932 Ws 0,93 J. Po dosadení do vzťahu (2) vychádza účinnosť nášho stroja W 0,16 η = = = 0, %. E 0,93 Z výsledku vyplýva, že len malá časť, 17 % energie, ktorú sme v časovom intervale 1,86 s do stroja vložili, sa využila na vykonanie užitočnej práce zodvihnutie bremena. Zvyšok, 83 %, sa stratil pri premene na iné formy energie. Venujme chvíľku času úvahe, na aké všetky možné formy sa mení elektrická energia dodávaná elektromotoru. Určite zistíme, že k stratám energie pri našom experimente dochádza zrejme aj v iných častiach nášho stroja. Preto stanovená hodnota 17 % nezodpovedá len vlastnostiam samotného elektromotora, ale vyjadruje účinnosť celého nášho stroja. 29

30 Úlohy a) Analyzujte váš vlastný experiment a uvážte, v ktorých častiach vášho stroja dochádza k stratám k premenám mechanickej energie na iné, nevratné formy. b) Pri výpočtoch, ktoré sme vykonali, sme za užitočnú prácu stroja považovali zmenu (prírastok) potenciálnej energie závažia. Pri práci stroja sa závažie pohybuje. Uvážte, či by sme hore uvedené výpočty nemali opraviť s ohľadom na kinetickú energiu závažia. c) Upravte experiment tak, aby sa účinnosť stroja zvýšila. Úloha 2: Meranie účinnosti generátora Hračku na Obr. 6 sme použili ako model elektromotora a stanovili sme účinnosť stroja napodobujúceho žeriav. Pri druhom experimente využijeme jej dalšiu vlastnosť: Ak otáčame oskou motorčeka, vzniká na jeho svorkách napätie. Zariadenie na obrázku Obr. 6 môžeme teda použiť dvoma spôsobmi: a) ako elektromotor stroj, ktorý mení elektrickú energiu na mechanickú prácu, b) ako generátor (dynamo) stroj, ktorý mení mechanickú prácu na mechanickú energiu. Schéma usporiadania experimentu so strojom, ktorý nazývame elektrický generátor, je znázornená v pravom hornom okne na Obr. 5. Ak závažie klesá nadol, os generátora sa otáča, na jeho svorkách je napätie a pripojeným obvodom prechádza prúd. Elektrická energia generátora sa v obvode mení spravidla na teplo. Namiesto rezistora R by sme mohli do obvodu zapojiť žiarovku a využiť energiu na jej rozsvietenie. Príkon P teraz predstavuje hodnotu zmeny mechanickej energie dodanej stroju za jednotku času mgh P = t Užitočný výkon je elektrický výkon generátora P = UI a užitočná, využiteľná práca stroja je celková hodnota elektrickej práce W el, ktorú stanovíme podobne ako na Obr. 4 meraním plochy uzavretej pod čiarou grafu (Obr. 5 okno vľavo dole program Analyse/Area). Príklad merania je vyriešený na obr. 5. Pri stanovení účinnosti postupujeme podobne ako pri stanovení účinnosti elektrotora ale s tým rozdielom, že teraz do stroja vkladáme mechanickú energiu a stroj koná elektrickú prácu. η = η = elektrická práca mechanická práca P W = P P el = Wel mgh 30

31 Obrázok 5: Experiment, pri ktorom sa mechanická (potenciálna) energia závažia mení na elektrickú energiu. Zo schémy zapojenia použitého pri meraní na elektromotore sme odstránili batériu chemický zdroj elektrického napätia. Ak závažie klesá nadol, os generátora sa otáča, na jeho svorkách je napätie a pripojeným obvodom prechádza prúd. Úlohy a) Analyzujte váš vlastný experiment a uvážte, v ktorých častiach vášho stroja dochádza k stratám k premenám energie na iné, nevratné formy. b) Pri výpočtoch, ktoré sme vykonali, sme za energiu vloženú do stroja stroja považovali zmenu potenciálnej energie závažia. Pri práci stroja sa závažie pohybuje. Uvážte, či by sme hore uvedené výpočty nemali opraviť s ohľadom na kinetickú energiu závažia. c) Upravte experiment tak, aby sa účinnosť stroja zvýšila. d) Použili sme závažie s hmotnosťou 50 g. Skúste použiť aj iné závažia. Pravdepodobne zistíte, že sa zmenila aj účinnosť vášho stroja. Pozor na nesprávnu interpretáciu výsledku. 31

32 Obrázok 6: Detská hračka elektromotorček na napätie 4,5 V, ktorý pri meraniach používame ako model elektromotora poháňajúceho náš modelový stroj. Jeho hriadeľ sme predĺžili prázdnou trubičkou náplne do guľôčkového pera. Vodiče k nemu pripájame krokosvorkami. Obrázok 7: Fotografia mostového žeriava používaného na prenášanie bremien napr. v továrenských halách alebo na železničných prekladiskách. Žeriav, spolu s motorom a zaveseným bremenom, sa môže pohybovať po masívnych koľajniciach uložených pod strechou haly. Záver Pri riešení obidvoch experimentálnych problémov a s nimi spojených dodatočných úloh by mal žiak získať jasnejšiu prestavu o veličinách výkon, príkon, účinnosť. Čitateľ iste sám usúdi, že didaktická hodnota vykonaných experimentov nie je vo vykonaných meraniach a následných výpočtoch potrebných na spracovanie dát. Učebnicové vzorce si môže experimentátor hocikedy vybaviť v pamäti po nahliadnutí do učebnice. Dôležité sú činnosti, ktoré žiak vykoná pri experimentoch. Mal by si dôkladne premyslieť, ako naplánovať experiment, ktoré veličiny treba pri ňom merať, aké metódy môže použiť pri ich spracovaní a predovšetkým ako interpretovať získané výsledky. Literatúra: KOUBEK,V., ŠABO, I Fyzika pre 1. ročník gymnázia. Bratislava : SPN Mladé letá, ISBN Owerhead Crane, Owerhead Bridge Crane, Mass Crane and Hoist. 32

33 Historický empirický prístup k zavedeniu stavovej rovnice ideálneho plynu PaedDr. Peter Horváth Katedra teoretickej fyziky a didaktiky fyziky, FMFI UK v Bratislave Úvod Učebnica fyziky pre druhý ročník gymnázia sa k stavovej rovnici ideálneho plynu dopracúva teoretickou metódou (Svoboda, 1985, s ). Využíva a spája poznatky z mechaniky, pričom treba aplikovať aj vedomosti z molekulovej a štatistickej fyziky. Odvodenie je pekné a treba pri ňom využiť množstvo dovtedy nadobudnutých poznatkov a schopností, ale pre žiakov je náročné, vyžaduje si značnú schopnosť myslieť abstraktne a ovládanie matematických zručností. Veľká väčšina žiakov tento spôsob výkladu nezvláda. Po zavedení stavovej rovnice sa z nej v učebnici odvodzujú zákony pre izotermický, izochorický a izobarický dej. V historickej poznámke sa potom uvádza, že zákony pre izotermický, izochorický a izobarický dej boli najskôr objavené experimentálne. Teoretický prístup môže vyvolať u žiakov pocit, že fyzika je odtrhnutá od života. Potvrdzovali to odpovede viacerých žiakov v ankete, najmä v kontrolných triedach. Ako príklad teoretického poznatku bez súvislosti s bežným životom žiak kontrolnej triedy uviedol práve stavovú rovnicu. Pre žiakov jednoduchší a aj príťažlivejší spôsob zavedenia stavovej rovnice predstavuje empirický prístup, ktorý navyše sleduje aj historický vývoj, akým sa k stavovej rovnici prišlo. Tento prístup som ako študent prvýkrát videl na seminári z didaktiky fyziky, ktorý viedol a neskôr aj publikoval V. Koubek (1999, s ). V článku je uvedená najprv história stavovej rovnice a potom postup na vyučovacej hodine. Na hodinách postupujeme opačne, najprv zavedieme pomocou empirického prístupu stavovú rovnicu a o histórii sa so žiakmi porozprávame buď počas realizácie niektorého z experimentov, alebo si ju necháme na neskôr. Ak by sme najprv žiakom hovorili o histórii, prezradili by sme im výsledky, ktoré majú sami vyvodiť z meraní. Postup je zvolený tak, že žiakom stačia poznatky o plynoch, ktoré už majú z prvého ročníka, čiže ide o prvé hodiny v druhom ročníku, venované štruktúre a vlastnostiam plynov. História stavovej rovnice Ako už bolo spomenuté, zákony pre izotermický, izobarický a izochorický dej boli najprv objavené empiricky a z nich bola potom odvodená stavová rovnica. Jej teoretické odvodenie na základe kinetickej teórie plynov bolo prijaté neskôr. História stavovej rovnice sa zrejme začína u Roberta Boyla. Na základe experimentov, ktoré Boyle uverejnil roku 1660, vyslovil jeho žiak Richard Towneley roku 1662 hypotézu, podľa ktorej tlak vzduchu je nepriamo úmerný jeho objemu (pri danej teplote). Roku 1679 uverejnil podobné výsledky aj Edme Mariotte. Zákon pre izotermický dej dnes nazývame Boylov-Mariottov zákon. Pojem izotermický dej zaviedol až roku 1859 William Rankine. Tepelnú rozťažnosť vzduchu využíval už Galilei pri konštrukcii svojho teplomeru z roku Po ňom sa teplotnou rozťažnosťou vzduchu zaoberal Guillaume Amontons, ktorý koncom 17. storočia skonštruoval prvý tlakový plynový teplomer. Prvýkrát určil teplotnú rozťažnosť vzduchu roku 1787 Jacques Charles, ale o jeho práci sa svet dozvedel až od Gay-Lussaca. Joseph Gay-Lussac a John Dalton publikovali roku 1802 nezávisle od seba presné merania koeficientu teplotnej rozťažnosti vzduchu. Pri meraní teploty využíval Gay- Lussac Celsiovu stupnicu. Gay-Lussac ukázal, že rovnaký koeficient teplotnej rozťažnosti 33

34 ako vzduch má kyslík, dusík, oxid uhličitý a iné plyny. Podľa Gay-Lussaca pre objem (ideálneho) plynu V pri teplote t v C platí: V = V0 ( 1+ γt), kde V 0 je objem plynu pri 0 C a γ je koeficient tepelnej rozťažnosti plynu. Daná rovnica predstavuje jednu z možných matematických formulácií Gay-Lussacovho zákona pre 1 izobarický dej. Pri teplote t = sa objem plynu podľa Gay-Lussaca rovná nule. Táto γ teplota predstavuje absolútnu teplotnú nulu. Na základe svojich meraní určil Gay-Lussac absolútnu nulu pri teplote 267 C. Obrázok 1: Závislosť objemu plynu od teploty Ďalšie závery z Gay-Lussacových výskumov publikoval roku 1811 Amadeo Avogadro, ktorý okrem iného zaviedol pojem molekula a vyslovil vetu, podľa ktorej je v rovnakých objemoch plynných látok pri danom tlaku a objeme rovnaký počet molekúl. Stavovú rovnicu ideálneho plynu odvodil kombináciou Boylovho-Mariottovho zákona a Gay-Lussacovho zákona roku 1824 Sadi Carnot. Jeho zápis spresnil roku 1834 Clapeyron. Clapeyronov zápis bol pv = R( t), kde p je tlak, V je objem plynu, R je univerzálna plynová konštanta a t je teplota v C. Presnejšie merania absolútnej nuly urobil v r Fredrik Rudberg a v roku 1840 Gustav Magnus. Ďalšie merania uskutočnil v rokoch 1840 až 1842 Henri Regnault, ktorý určil absolútnu nulu na 272,75 C a prišiel k záveru, že plynové teplomery s rôznymi plynmi neposkytujú rovnaké hodnoty pri meraní teploty a že stavová rovnica platí pre reálne plyny iba približne. Neexistujúci plyn, pre ktorý táto rovnica platí presne, nazval dokonalým plynom. Roku 1848 navrhol Wiliam Thomson (Lord Kelvin) absolútnu termodynamickú teplotnú stupnicu, ktorá nezávisí od použitej teplomernej látky. Úpravami tejto stupnice v roku 1854, ktorú vykonali Thomson a James Joule, a definitívnou úpravou až v roku 1954 bola zavedená dnes používaná termodynamická teplotná stupnica, kde teplotu meriame v kelvinoch. Čo sa týka teoretického odvodenia, roku 1738 Daniel Bernoulli odvodil vzťah pre tlak plynu zo zmeny hybnosti častíc narážajúcich na steny nádoby. Svojím postupom predbehol dobu o vyše 100 rokov. Tú istú úvahu ako D. Bernoulli použil roku 1857 Rudolf Clausius, ktorý v roku 1862 zaviedol pojem ideálny plyn a stavovú rovnicu molu ideálneho plynu napísal v tvare pv = RT, kde p je tlak, V je objem, R je univerzálna plynová konštanta a T je teplota meraná na termodynamickej stupnici, ktorú zaviedol Kelvin. Tieto informácie o histórii stavovej 34

35 rovnice a histórii Kelvinovej stupnice sú spracované na základe prác R. Zajaca a J. Šebestu (1990) a R. Zajaca a J. Chrapana (1986, s ). Priebeh hodiny V súlade s historickým kontextom budeme uskutočňovať so žiakmi sériu experimentov. Učivo je v súčasných osnovách zaradené na gymnáziu do druhého ročníka. Už v prvom ročníku pri rozvíjaní pojmu tlak predvádzame pokusy demonštrujúce atmosferický tlak. Veľmi populárne sú napríklad demonštrácie pomocou vývevy, ako napr. nafúknutie balónika pod zvonom vývevy, žiakom sa páčia aj Magdeburské pologule (Obrázok 3). Obrázok 2: Dobová kresba pokusu s Magdeburskými pologuľami publikovaná v knihe Otta von Guerickeho z roku 1672, Obrázok 3: Magdeburské pologule, učebná pomôcka Pred odvodením stavovej rovnice si tieto pokusy v druhom ročníku zopakujeme. Pohráme sa aj s jednoduchým teplomerom, ktorý využíva teplotnú rozťažnosť plynu (Obrázky 4 a 5), a PET fľašou s uzavretým vzduchom, ktorú umiestnime do chladničky, alebo, ak je vonku zima, tak von. Fľaša sa v chladnom prostredí stiahne. 35

36 Obrázok 4: Jednoduchý teplomer využívajúci teplotnú rozťažnosť vzduchu. Obrázok 5: Zohrievaním teplomera sa v ňom rozpína vzduchová bublina a v trubičke stúpa voda. Aj pri samotnom odvodzovaní stavovej rovnice postupujeme na základe experimentov, v súlade s historickým kontextom. Podobne ako v histórii, aj my začneme izotermickým dejom. Pri meraniach využívame počítač. Plyn, v našom prípade vzduch, uzavrieme do striekačky a na jej koniec pripojíme tlakový senzor. Tento zapojíme k počítaču (Obrázok 6). Na obrazovke sa bude zobrazovať tlak v striekačke. Striekačka má stupnicu s hodnotami objemu. Pri stlačení plynu v striekačke narastie tlak, pri zväčšení objemu plynu v striekačke tlak klesá. Hodnoty si zaznamenávame do počítača a hneď si ich aj nechávame vykresľovať do grafu (Obrázok 7). Po skončení merania vyzveme žiakov: Skúste zistiť zákonitosť, vzťah medzi nameranými hodnotami. Z grafu žiaci poľahky určia, že medzi tlakom a objemom plynu uzavretého v striekačke je nepriama úmernosť. Takto sme odvodili Boylov-Mariottov zákon: 36

37 1 p, V resp. konšt1 p = V alebo p. V = konšt 1, kde p je tlak plynu, V je jeho objem a konšt 1 je konštanta. Platnosť tohto vzťahu si žiaci overia tak, že príslušné dvojice číselných hodnôt tlaku a objemu navzájom vynásobia. Pre každú z vynásobených dvojíc dostanú (takmer) rovnaké čísla. Pre dva stavy uzavretého plynu, ak sa jeho teplota nemení, ale mení sa jeho objem, a tým aj tlak, teda platí: p 1. V1 = p2. V2. Obrázok 6: Striekačka pripojená na tlakový snímač, ktorý je zapojený na počítač súpravou CoachLab 2. Obrázok 7: Obrazovka počítača po skončení merania izotermického deja. 37

38 Teraz pristúpme k izochorickému deju. Izochorický dej budeme skúmať na vzduchu uzavretom v sklenenej banke, ku ktorej opäť pripojíme pomocou hadičky tlakový snímač (Obrázok 8). Banku umiestnime do rýchlovarnej kanvice so studenou vodou. Do vody v rýchlovarnej kanvici umiestnime ešte teplotný snímač, taktiež pripojený k počítaču (Obrázok 9). Obrázok 8: Súprava na meranie izochorického deja. Experiment nastavíme tak, aby sa nám na obrazovke zobrazoval graf závislosti tlaku od teploty, prípadne spolu s ním aj okamžité hodnoty tlaku v banke a teploty vody v kanvici. Predpokladáme, že teplota vzduchu v banke sa rovná teplote vody v kanvici. Pri meraní teploty používame, rovnako ako Gay-Lussac, Celsiovu stupnicu. Obrázok 9: Nádobku a teplotný snímač umiestnime do rýchlovarnej kanvice. Začneme meranie, zapneme kanvicu. Na obrazovke sa začne vykresľovať graf závislosti tlaku a teploty vzduchu v banke (Obrázok 10). Kým sa nám zohrieva voda v kanvici, môžeme využiť čas na žiacke otázky, alebo môžeme žiakom porozprávať o vzniku Celsiovej a Kelvinovej stupnice. Meranie skončíme pri teplote 80 až 90 C a vypneme kanvicu. 38

39 Obrázok 10: Závislosť medzi tlakom a teplotou uzavretého plynu, spracovaná pomocou programu Coach 5. Z nameraného grafu jasne vidno, že závislosť medzi tlakom a teplotou uzavretého plynu je lineárna. Náš graf sa však nezačína v bode 0. Čo keby sme plyn nezohrievali, ale ochladzovali. Teplota by zrejme klesala. Dokedy by klesala? To už sa dopracúvame k absolútnej teplotnej nule, podobne ako Gay-Lussac (len na grafe s tlakom, nie s objemom), čo je podľa môjho názoru najkrajšia časť tohto merania (Obrázok 11). Obrázok 11: Lineárnou aproximáciou sa pri tlaku 0 kpa dostaneme k absolútnej teplotnej nule. V mieste, kde predĺženie grafu pretne teplotnú os, krásne vychádza približná hodnota absolútnej teplotnej nuly. Aby sme závislosť medzi tlakom a teplotou zapísali čo najkrajšie a matematicky čo najjednoduchšie, oplatí sa nám nahradiť Celsiovu stupnicu inou, takou, ktorá sa začína v absolútnej teplotnej nule. Preto je vhodné zaviesť Kelvinovu stupnicu. Z nášho grafu (približne) vidno, kde sa začína táto supnica. Teraz už môžeme napísať Charlesov zákon v tvare: p T, alebo p = konšt2. T, alebo p = konšt. 2 T 39

40 V týchto vzťahoch je p tlak, T termodynamická teplota a žiakom treba dobre zdôrazniť, že tu vystupuje iná konštanta ako pri izotermickom deji, preto ju označujeme indexom 2. Pre dva stavy toho istého plynu, ak sa nemení objem plynu, môžeme napísať: p 1 p = 2. T1 T2 K stavovej rovnici sa možno dopracovať jednoduchými úvahami. Pre izotermický dej sme našli vzťah: p. V = konšt 1. Teplota sa nemení. Čiže môžeme napísať aj: p. V konšt1 =, T T a pretože na pravej strane vystupujú dve konštanty, konšt 1 a teplota T, možno napísať: pv. = konšt. T Podobne sme pre izochorický dej našli vzťah p = konšt. 2 T V tomto prípade sa nemenil objem, teda možno napísať: pv. = konšt2. V, T a pretože na pravej strane vystupujú dve konštanty, konšt 2 a objem V, možno napísať: pv. = konšt. T pv. Vidíme, že pre oba deje platilo = konšt, čo je matematická formulácia stavovej T rovnice ideálneho plynu. Táto platí pre akékoľvek prechody plynu z jedného stavu do druhého za predpokladu, že nám plyn neuniká alebo sa jeho hmotnosť nezväčšuje. Ostáva ešte prediskutovať, od čoho ešte závisí tlak, ak fixujeme objem a teplotu? Napríklad hustíme koleso alebo basketbalovú loptu. Ich teplota ani objem sa výrazne nemenía, ale tlak narastá. Teda tlak plynu závisí ešte aj od množstva plynu v uzavretej nádobe. p N, kde N je počet častíc plynu. Preto môžeme stavovú rovnicu spresniť: pv. = N. k, T kde k je Boltzmannova konštanta. Organizačné poznámky a didaktický komentár Ešte pred hodinou venovanou zavedeniu stavovej rovnice sa naozaj oplatí zopakovať si so žiakmi pokusy demonštrujúce atmosférický tlak a pokusy na teplotnú rozťažnosť vzduchu. Takisto treba pred odvodením stavovej rovnice zaviesť príslušné stavové veličiny, ale nie je nutné pripomínať termodynamickú Kelvinovu stupnicu. Tá sa nám pri analýze pokusu krásne ponúkne sama. Ako sme spomínali v úvode, najprv zavedieme pomocou empirického prístupu stavovú rovnicu a o histórii sa so žiakmi porozprávame buď počas realizácie niektorého z experimentov, alebo si ju necháme na neskôr, aby sme neprišli o možnosť samostatného žiackeho objavovania závislostí. 40

41 Meranie izochorického deja je možné aj zrýchliť, a to tak, že si dopredu pripravíme niekoľko nádob, asi 8, s vodou s teplotami od C do C. Banku so vzduchom potom postupne ponárame do pripravených nádob s vodou, pričom meriame teplotu vody a tlak v nádobe. Zo získaných príslušných dvojíc vyhotovíme tabuľku a graf. Meranie izotermického a izochorického deja pripravíme na delenú hodinu, kde je len polovica žiakov z triedy. Samotné merania izotermického a izochorického deje sa dajú stihnúť na jednej hodine. Počítač s príslušenstvom a pomôcky si treba pripraviť a vyskúšať dopredu, aby na hodine nevznikli časové straty kvôli technickým problémom. Pri samotnom meraní treba dať pozor, aby banka bola celá ponorená vo vode, a zároveň, aby sa nedotýkala výhrevného telesa. Banku zvykneme zaťažovať kovovou obrúčkou, aby nestúpala nahor, a cez hadičku, ku ktorej je pripojený senzor, ju vrchnákom kanvice pridržiavame, aby neklesla úplne dolu k výhrevnému telesu. Podobne ani teplotný snímač sa nemá dotýkať výhrevného telesa. Ak všetko dobre vychádza, dá sa na hodine stihnúť aj odvodenie stavovej rovnice. Je to však pre žiakov veľa informácií naraz. Preto sa zvykneme na nasledujúcej hodine k výsledkom merania a ich dôsledkom vrátiť a pozrieť sa na ne ešte raz pomaly. Ak nemáme k dispozícii počítačovú súpravu, môžeme namiesto počítačových senzorov použiť obyčajný teplomer a lekársky tlakomer. Lekársky tlakomer, ktorý sa dá kúpiť v predajni zdravotníckych potrieb, slúži na meranie tlaku krvi (Obrázky 12, 13). Nemusíme kupovať celú súpravu na meranie krvného tlaku (cca 900 Sk), stačí nám náhradný diel z tejto súpravy, samotný tlakomer (cca 250 Sk). Obrázok 12: Súprava na meranie izochorického deja s pripojeným lekárskym tlakomerom. Pri meraní lekárskym tlakomerom sa žiaci naučia rozpoznávať jednotku tlaku, používanú v medicíne. Ide o milimeter ortuťového stĺpca (mmhg, 1 mmhg = 133,322 Pa, čo je 1 Torr). Pri meraní potom treba túto jednotku previesť do sústavy SI, kde je jednotkou tlaku pascal. Uvedomiť si treba aj to, že nulu ukazuje tento tlakomer pri atmosferickom tlaku, čiže meria vlastne pretlak oproti atmosférickému tlaku. Teda k odmeranému tlaku po premene na pascaly (alebo kilopascaly) treba ešte pripočítať atmosferický tlak, približne 100 kpa. Pri meraní izotermického deja treba dať pozor, aby sme nestláčali striekačku príliš silno a nepoškodili si tak tlakomer prekročením jeho rozsahu. Ak máme teplomerov a tlakomerov viac, meranie môžu uskutočňovať sami žiaci v skupinkách a výsledky si navzájom porovnať, prípadne spojiť. Takto môžeme rozvíjať kompetenciu realizovať experiment, napísať o ňom zápis, zapísať výsledky meraní graficky. Získavať z grafov nové informácie, navrhovať hypotézy, hľadať a matematicky formulovať funkčné závislosti medzi veličinami. 41

42 V praxi sa nám potvrdzuje, že pre žiakov je historicko-empirický prístup k zavedeniu stavovej rovnice ľahší ako jej teoretické odvodenie z kinetickej teórie. Ak má niekto zo žiakov záujem, môže si teoretický prístup pozrieť doma. Dobrú známku si zaslúži žiak, ktorý si sám naštuduje odvodenie z učebnice a vysvetlí ho spolužiakom na hodine. Teoretické odvodenie stavovej rovnice z kinetickej teórie zvyknem dávať na písomke ako bonusovú úlohu, pričom žiaci dopredu vedia, že tam bude práve táto bonusová úloha. Obrázok 13: Súprava na meranie izotermického deja spripojeným lekárskym tlakomerom. Po odvodení stavovej rovnice je vhodné žiakov upozorniť na poznávací postup vo fyzike. Na začiatku je experiment a meranie. Z nich bol empiricky odvodený zákon. Neskôr bol zákon vysvetlený na základe hypotézy o mechanizme deja (teoretické odvodenie). Hypotéza bola overená pomocou odvodenia dôsledkov z nej vyplývajúcich (väčšie množstvo plynu v uzavretej nádobe spôsobí zvýšenie tlaku). Literatúra: KOUBEK V Fyzikálne experimenty a modely v školskom mikropočítačom podporovanom laboratóriu. Bratislava : Matematicko-fyzikálna fakulta Univerzity Komenského, ISBN SVOBODA, E. a kol Fyzika pre 2. ročník gymnázia. 1. vyd. Bratislava : SPN, ZAJAC, R., CHRAPAN, J Dejiny fyziky. Vysokoškolské skriptá. Bratislava: Matematicko-fyzikálna fakulta Univerzity Komenského, ZAJAC, R. ŠEBESTA, J.: 1990 Historické pramene súčasnej fyziky 1: Od Aristotela po Boltzmanna. Bratislava : Alfa, ISBN

43 Kyvadlo a žiacke empirické poznávanie PaedDr. Peter Horváth Katedra teoretickej fyziky a didaktiky fyziky FMFI UK v Bratislave Úvod Je známe, že ak na nejaký poznatok prídeme sami, pamätáme si ho lepšie, ako keď nám ten istý poznatok niekto povie, alebo si ho prečítame. Túto skutočnosť môžeme využiť aj na vyučovaní. Som presvedčený, že najužitočnejšie sú tie experimenty, ktoré realizujú žiaci samostatne, a z nich sú najlepšie tie, ktoré rozvíjajú tvorivosť žiakov. Veľmi vhodnou témou na samostatné žiacke aktivity je skúmanie, od čoho závisí perióda kmitu matematického kyvadla. Táto úloha patrí medzi úlohy s dobre definovaným cieľom, ktorý ale nenaznačuje cesty k nemu. Týmto spĺňa podmienky pre označenie tvorivá úloha (Jurčová 2001, s. 76). Cieľom ukážky je opísať skúsenosti z konkrétnych vyučovacích hodín, na ktorých žiaci sami objavovali nové poznatky a oboznámili sa s tým, ako pracuje fyzika pri získavaní nových poznatkov. Moja snaha bola, aby dvoj- až trojčlenné skupiny žiakov pracovali čo najsamostatnejšie, aby na všetko, čo sa dá, prišli sami. Trvácnosť a kvalita vedomostí bola po roku porovnaná s triedami, ktoré postupovali klasickým spôsobom. Zadanie úlohy Úlohu som zadal gymnazistom-tretiakom pred začiatkom preberania učiva o kmitaní a vlnení. Z témy Mechanické kmitanie a vlnenie absolvovali pred touto prácou iba motivačné rozprávanie o využití kmitania a vlnenia v praxi, o tom, že veľa procesov v prírode a spoločnosti je periodických. Úlohu v tejto podobe je možné riešiť aj po prebratí učiva o mechanickom kmitaní pružinového oscilátora, ale ešte pred prebratím učiva o kyvadlách. Žiaci boli rozdelení do dvoj- až trojčlenných skupín a dostali úlohu: Zistite, aká je perióda kmitov 5-metrového kyvadla so závažím s hmotnosťou 1 kg. Bolo nutné vysvetliť pojem perióda kmitov. Od vyučujúceho mali k dispozícii stopky, uhlomer, dĺžkové meradlo, vlákna, množstvo závaží na zavesenie s hmotnosťami od 20 g do 200 g a milimetrový papier. Prinesené vlákna sa pretrhli, ak sa na ne pokúšali zavesiť závažia s celkovou hmotnosťou nad 1 kg. Neexistoval žiadny písomný návod. Určitou formou návodu boli učiteľom prinesené pomôcky na stole. Nebolo povolené používať literatúru, nesmeli opustiť triedu, ani sa vykláňať z okna (najvtipnejší chceli merať periódu kyvadla visiaceho z okna triedy na druhom poschodí). Naopak, ich povinnosťou bolo zdokumentovať písomne každú činnosť a všetky výsledky pozorovaní a meraní. Vzorové riešenie úlohy Začať môžeme napríklad zisťovaním závislosti periódy kmitu kyvadla od jeho hmotnosti. Vyslovíme hypotézu, že perióda kmitu závisí (nezávisí) od hmotnosti kyvadla. Experimentovaním môžeme túto hypotézu vyvrátiť (potvrdiť). Merať stopkami periódu jedného kmitu nie je asi najpresnejšie. Meranie spresníme tak, že budeme merať naraz dobu viacerých kmitov, napríklad desiatich, a výslednú periódu zistíme vydelením nameranej hodnoty číslom 10. Meriame periódu kmitu kyvadla s fixovanou dĺžkou, meníme hmotnosť závažia. Vyskúšať môžeme viac sérií meraní. V jednej sérii merania môžeme napríklad zisťovať, či perióda 30-centimerového kyvadla závisí od hmotnosti závažia, druhá séria by mohla byť s kyvadlom s dĺžkou 50 cm, pričom sa opäť zisťuje, či perióda jeho kmitov závisí od hmotnosti závažia. Záver z týchto sérií meraní je, že perióda kyvadla nezávisí od jeho hmotnosti. 43

44 Ďalšia séria meraní môže byť zameraná na stanovenie závislosti periódy od počiatočnej výchylky závažia. Postup bude podobný, ako v prvom prípade, len meníme počiatočnú výchylku závažia. Pomocou meraní zistíme, že perióda málo závisí od počiatočnej výchylky. Pri malých uhloch, do 10 stupňov, je táto závislosť našou aparatúrou nemerateľná. Nasledujúcou sériou meraní budeme zisťovať závislosť periódy kmitov kyvadla od dĺžky závesu. Hneď z prvých meraní je zrejmé, že perióda významne závisí od dĺžky vlákna. Pre väčšinu žiakov je prirodzené vysloviť hypotézu, že ide o priamu úmernosť. Stopkami odmeriame periódu kmitov aspoň 10 kyvadiel s rôznou dĺžkou. Dobré je, keď využijeme celú výšku triedy na vytvorenie kyvadiel s rôznymi dĺžkami. Postupujeme od najkratšieho kyvadla (alebo najdlhšieho), výsledky zapíšeme do tabuľky. Stačí zbežný pohľad na hodnoty v tabuľke a malo by byť zrejmé, že závislosť medzi dĺžkou kyvadla a periódou kmitu nie je lineárna. Z daných nameraných hodnôt zostrojíme graf. Z neho odhadneme matematickú závislosť T = k. l, kde k je konštanta. Zistíme hodnotu konštanty k=2, (dĺžku kyvadla meriame v metroch a periódu v sekundách). Ak máme k dispozícii počítač, môžeme naniesť danú závislosť do počítača a nechať si danú konštantu vypočítať počítačom. Overiť danú závislosť môžeme pomocou kyvadiel takých dĺžok, ktoré sme nemali pri hľadaní predchádzajúcej závislosti. Teraz nám ostáva vyriešiť úlohu, aká je perióda kmitov 5- metrového kyvadla. Táto dĺžka bola zvolená tak, aby sa výsledok dal overiť v telocvični. Kyvadlo sme uchytili na záves na kruhy, ako závažie nám slúžila litrová PET fľaša naplnená vodou. Obrázok 1: Namerané výsledky periód kyvadiel s rôznou dĺžkou spracované v tabuľke a grafe Osnova vzorového postupu Formulácia hypotézy 1: Perióda kmitov závisí od hmotnosti závažia. Návrh a zostavenie aparatúry, zostrojenie kyvadla. Návrh vhodného spôsobu merania, budeme merať čas viacerých kmitov, napríklad 10. Realizácia meraní. Záver: Perióda kmitov nezávisí od hmotnosti závažia Formulácia hypotézy 2: Perióda kmitov závisí od výchylky kyvadla. Meracia aparatúra a realizácia ako predtým, len meníme počiatočnú výchylku kyvadla. Záver: Perióda kmitov závisí od počiatočnej výchylky málo, pri malých uhloch, do 10 stupňov, závislosť nie je týmito pomôckami merateľná. 44

45 Formulácia hypotézy 3: Perióda kmitov závisí od dĺžky kyvadla. Meraním sa hypotéza potvrdí. Formulácia hypotézy 4: Perióda kmitov závisí od dĺžky kyvadla priamo úmerne. Na základe spracovania výsledkov (tabuľka, graf) sa hypotéza 4 zamieta. Hypotéza 5: Závislosť je odmocninová: T = k. l, kde k je konštanta. Nájdenie konštanty k z grafu, prípadne z tabuľky. Výpočet periódy 5-metrového kyvadla, overenie výsledku T = 2. l aj v telocvični. Záver: Perióda kyvadla nezávisí od hmotnosti závažia a pri malých výchylkách nezávisí od počiatočnej výchylky. Závisí od dĺžky závesu, pričom matematicky túto závislosť zapíšeme ako T = 2. l. Z toho vyplýva, že perióda 5-metrového kyvadla je približne 4,5 s, čo sme overili v telocvični. V závere uvádzame aj príklad spracovaného žiackeho protokolu. Žiacke riešenia, komentáre a didaktické poznámky Samotná realizácia úlohy v tejto forme vyžaduje, podľa mojej skúsenosti, tri vyučovacie hodiny, dve na samostatné riešenie žiakmi a aspoň časť tretej na zhrnutie výsledkov a overenie v telocvični. Podľa toho, koľko máme na hodine času, možno žiakom viac alebo menej pomáhať pri stanovovaní čiastkových cieľov a ich riešení. Na začiatku prvej hodiny bola zadaná úloha a žiaci mali začať pracovať. Takýto typ úlohy riešili prvýkrát. Chvíľu, asi 10 minút, trvalo, kým sa žiaci spamätali a zistili, že im naozaj nemienim na začiatku pomáhať. Po asi desiatich minútach jednotlivé skupiny postupne začali pracovať. Krátko potom, ako naštartovala prvá skupina, začali pracovať aj ostatné. Prvý problém, ktorý žiaci museli vyriešiť, bol, ako a kde si zostroja kyvadlo. Niektoré skupiny držali špagát v ruke, iné využili na zavesenie rôzne predmety, napríklad stôl, stoličky, háčiky na stene, háčiky na tabuli. Pri prvých meraniach postupovali žiaci veľkou väčšinou chaoticky, nemali pri získavaní dát systém. Niektorým skupinám som naznačil, aby nemerali periódu jediného kmitu, ale viacerých, aby ich meranie bolo presnejšie. Na začiatku meraní sa často stávalo, že pri sérii meraní menili naraz dva parametre. Napríklad predĺžili kyvadlo, aj zväčšili jeho hmotnosť. Tu im bolo treba vysvetliť, prečo je nutné zvoliť si jednu premennú a ostatné parametre fixovať. Žiaci boli náchylní vyslovovať predčasné závery z malého počtu meraní. Napríklad na základe dvoch meraní vyslovili hypotézu, že perióda kmitu kyvadla závisí od jeho dĺžky lineárne. Na základe tejto neprávnej hypotézy potom nesprávne určili periódu kmitu päťmetrového kyvadla. Preto som ich často navádzal vetičkou: Over!. Overiť svoju hypotézu mali tak, že si vypočítali, aká má byť perióda kyvadla s takou dĺžkou, akú ešte nepoužili. Následne si dané kyvadlo zostrojili a jeho periódu odmerali. Na prvej hodine skupiny obyčajne stihli odmerať závislosť periódy od jedného, výnimočne od dvoch parametrov. Snažil som sa situáciu organizovať tak, aby závislosť periódy od dĺžky kyvadla merali skupiny ako poslednú. Preto túto závislosť na prvej hodine ešte vyšetriť nestačili.. Na druhej hodine potom pokračovali v meraní závislostí. Na tejto hodine sa skupiny dostali aj k meraniu závislosti periódy kyvadla od dĺžky závesu. Viacerým skupinám bolo treba výraznejšie pomáhať najmä pri spracovávaní experimentálnych dát. Niektorým bolo treba dokonca naznačiť, aby si výsledky písali do tabuľky a aby z tabuľky urobili graf. Po zostrojení grafu bolo treba viacerým našepkať, aby skúsili z grafu uhádnuť funkciu, matematickú závislosť. Niektoré skupiny ju sformulovali opačne - ako závislosť 45

46 1 2 dĺžky kyvadla od periódy ( l = T, dĺžka je meraná v metroch a perióda v sekundách), asi 4 kvadratická závislosť je pre nich ľahšia ako odmocnina. Bolo im treba vysvetliť, čo bola nezávislá a čo závislá premenná. Väčšina skupín sa na konci druhej hodiny dopracovala až k matematickej závislosti T = k. l, respektíve po výpočte, ak meriame dĺžku v metroch a periódu v sekundách, k závislosti T = 2. l. Vyskytli sa skupiny, ktoré merali dĺžku v centimetroch. Potom je konštanta k=0,2. Snažil som sa, aby každá zo skupín mala na konci hodiny zostrojený graf závislosti periódy kmitu od dĺžky kyvadla, alebo aspoň tabuľku. Skupina, ktorá mala zostrojenú iba tabuľku (vyskytla sa jedna), mala zostrojiť graf z nameraných hodnôt v tabuľke graf doma. Výsledky meraní mali žiaci doma spracovať a na ďalšej hodine odovzdať. Niektoré skupiny sa ešte k celkovému výsledku nedopracovali, ale aj od nich som chcel, aby svoje výsledky meraní doma spracovali a odovzdali. Na tretej hodine sme pokračovali v práci. Skupinám, ktoré ešte nemali výsledok, pomáhali ostatní, ktorí ho už dosiahli. K správnemu výsledku sa nakoniec dopracovali všetky skupiny, aj keď, ako už bolo spomenuté, niektorým bolo treba výraznejšie pomôcť. Potom sme išli výsledok overiť do telocvične. Fľašu naplnenú vodou sme zavesili špagát príslušnej dĺžky a vytiahli hore na závese na kruhy a odmerali periódu. Po návrate do triedy sme ešte raz spolu zhrnuli vzorový postup a riešenie. Žiaci boli upozornení, že práve sami objavili a absolvovali postup, akým sa veľmi často získavajú nové poznatky. Na nové poznatky prichádzajú ľudia svojou prácou a nič nezaručuje, že sú vždy úplne správne. Každý (fyzikálny) poznatok je výsledkom ľudského pozorovania a intelektuálnej činnosti, čo nezaručuje jeho platnosť a neznamená, že sme ho dokázali. Výsledok sme dávali aj do historického kontextu, spomenutá bola Galileiho historka s chrámovými lustrami. Galilei si údajne už ako dieťa všimol, že perióda kmitu chrámových lustrov pri malých výchylkách nezávisí od výchylky. Na konci hodiny sme sa potom rozprávali, kde by sa dal náš nový poznatok využiť, spomenuli sme aj kyvadlové hodiny. Hlavným prínosom tejto úlohy nie je nový poznatok, ale oboznámenie sa žiakov s experimentálnou metódou získavania poznatkov. Máme daný problém, na začiatku nie je jasná cesta k nemu. Pri riešení úlohy mali žiaci možnosť uplatniť kreativitu, samostatne navrhovať a realizovať merania. Žiaci (možno nevedome) formulujú hypotézy, navrhujú, ako ich overiť. Zisťujú, že cesta za vedomostiam býva kľukatá, nie všetky hypotézy sa potvrdia, takže treba hľadať chyby v hypotézach a v argumentácii. Hodnotné je aj spracovanie nameraných veličín matematickými metódami, tabuľkou, grafom a hľadanie závislosti, novej informácie, z grafu. Z experimentov vypracovali protokol, uskutočnili teda zápis o experimente. Prácou v skupinách rozvíjali kompetenciu spolupracovať s druhými, kooperatívne riešiť problémy, komunikovať. Až na záver spracovania výsledkov sa hľadaná závislosť formuluje matematickým vzorcom, v tomto prípade ide o kinematický opis. Teoretické zdôvodnenie experimentálne nájdenej závislosti na základe analógie sily pružnosti pružinového oscilátora a sily smerujúcej do rovnovážnej polohy kyvadla sme urobili neskôr. Ešte jedna organizačná poznámka. Pri riešení úlohy by bolo ideálne, aby aspoň prvé dve hodiny bola trieda rozdelená na polovicu. V našich podmienkach je v triede 34 až 36 žiakov a s takýmto počtom sa nedajú riešiť tvorivé úlohy z fyziky, pri ktorých treba žiakov v skupinách usmerňovať. V našom prípade boli na prvej a druhej hodine triedy delené, na tretej už bola celá trieda. Medzi dvoma delenými hodinami sme na nedelených hodinách fyziky o kyvadle nerozprávali, zaoberali sme sa inými témami. Určite by bolo vhodnejšie mať dve delené hodiny po sebe, aby sa zbytočne netrieštila pozornosť. K poznatku o kyvadle by sa dalo dopracovať viacerými spôsobmi, napríklad matematickým odvodením, demonštrovaním závislostí na základe učiteľského experimentu, 46

47 overovaním závislosti podľa presného návodu. Samostatné poznávanie vyžaduje na vyučovaní oproti iným postupom najviac času. To, že je to efektívne využitý čas, demonštrujú výsledky testu, ktorý bol študentom zadaný (Horváth, 2006). Hlavným prínosom tejto úlohy bolo, že žiaci zistili, ako sa fyzika dopracúva k novým poznatkom, a že si experimentálnu metódu sami zažili. Mali sme možnosť sledovať cestu vzniku žiackych vedomostí o kyvadle od ich nadobudnutia, v našich podmienkach zatiaľ netradičným spôsobom, až po testovanie s časovým odstupom jeden rok. Vďaka heuristickej metóde je nadobudnutá vedomosť hlbšia, kvalitnejšia a trvácnejšia. Žiaci, ktorí sami objavili, od čoho závisí perióda kmitu kyvadla, riešili úlohu, pri ktorej bolo treba tento poznatok aplikovať, v priemere lepšie, ako tí žiaci, ktorí išli klasickou teoretickou cestou a poznatok potom overovali na laboratórnom cvičení s presným návodom. Podobný námet, aký sme použili v tejto práci, možno nájsť aj u Z. Drozda (2005), ktorý závislosť periódy kmitu kyvadla od jeho dĺžky, získanú na hodinách fyziky na gymnáziu empiricky, s obľubou overuje na pražskom Nuselskom moste vysokom 42 metrov. Literatúra: DROZD, Z Hrátky s kyvadlem. In DVOŘÁK, L. (ed.): Sborník konferencí projektu Heuréka: Dílny heuréky , Náchod , Praha : Promethaus, s JURČOVÁ, M. a kol Didaktika fyziky rozvíjanie tvorivosti žiakov a študentov. Bratislava : Univerzita Komenského, ISBN HORVÁTH, P Empirické metódy vo vyučovaní na gymnáziu, dizertačná práca. Bratislava : KTFDF FMFI UK Bratislava,

48 48

49 49

50 50

51 Skúmanie vlastností slnečného svetla Doc. RNDr. Viera Lapitková, CSc. Katedra teoretickej fyziky a didaktiky fyziky, FMFI UK v Bratislave Aktivity zamerané na skúmanie slnečného svetla majú za cieľ dotvárať u žiakov pojem energie, ktorý je integrujúcim pojmom v obsahu vyučovania fyziky na základnej škole, ako aj na gymnáziu. Dá sa teda povedať, že je integrujúcim prírodovedným pojmom. V obsahoch vyučovania prírodovedných predmetov sa žiakom sprístupňujú postupne, v malých krokoch, fragmenty vedomostí o energii v prírode a jej premenách. Preto cieľom aktivít zaradených pod názov Skúmanie vlastností slnečného svetla je aj pochopenie prírodného procesu, začínajúceho sa energiou slnečného svetla a končiaceho sa vytvorením biomasy, ktorá je zdrojom potravy, a teda aj energie pre človeka. Prv, ako rozoberieme jednotlivé žiacke aktivity, je nutné povedať, že celá koncepcia práce so žiakmi je iná, ako sme zvyknutí zo súčasných programov vyučovania fyziky. Aktívnou, samostatnou prácou v skupinách by sa žiaci mali dopracovať k novým poznatkom. Tak v tomto príspevku, ako aj v názve seminára sa uvádza termín aktivita. Pod aktivitou budeme rozumieť samostatnú experimentálnu a myšlienkovú činnosť žiakov, ktorá vedie k novým vedomostiam v podobe pojmov, faktov či vzťahov medzi pojmami. Samostatnú činnosť žiakov usmerňuje jednak vzdelávací program v písomnej podobe a tiež učiteľ. Skupinky žiakov (dvojice, štvorice) riešia zadané problémy a špecifickým spôsobom tak napodobňujú prácu vedcov objavujú, z ich hľadiska, nové skutočnosti. V našom prípade ide o poznávanie vlastností slnečného svetla a pochopenie procesu premeny energie slnečného svetla na energiu obsiahnutú v rastlinnej biomase. Prostredníctvom aktivít by mal žiak skúmať nasledovné vlastnosti slnečného svetla: - premena slnečného žiarenia na teplo, - rozklad slnečného svetla, - prepúšťanie a absorpcia svetla, - premena slnečného svetla na energiu chemickej väzby v rastlinách (fotosyntéza). Zadania pre žiacke aktivity 1-4, ktoré uvádzame nižšie, sú zoradené tak, aby žiak po ich absolvovaní dokázal opísať cestu premien energie, ktorá sa začína energiou slnečného svetla a končí energiou nahromadenou v rastlinách. V rámci tohto kľúčového cieľa sa žiak oboznamuje aj s novými fyzikálnymi pojmami, javmi či metódami, ako je: - premena svetla na teplo, - slnečné spektrum, - prepúšťanie a absorpcia svetla, - metóda spektrálnej analýzy, - metóda stanovovania energetickej hodnoty potravín. Aktivity majú aj medzipredmetový aspekt, pretože ich obsahom je aj jav fotosyntézy vo vzťahu so slnečným svetlom a jeho premenou na chemickú energiu. Problémy, ktoré žiaci v rámci aktivít riešia, sú zoradené nasledovne: 51

52 1. Slnečné žiarenie a teplo Navrhni metódu, aby si mohol zistiť, koľko tepla vznikne dopadom slnečného žiarenia na plochu 1 cm 2 zemského povrchu za 1 minútu. 2.Slnečné svetlo a spektrum Ktoré farby tvoria slnečné spektrum? Ktoré farby spektra prepúšťajú a ktoré absorbujú farebné kvapaliny v hranole? Ktoré farby spektra odrážajú a ktoré absorbujú nepriehľadné farebné povrchy? 3. Prepúšťanie a absorpcia svetla filtrami a rastlinami Ktoré farby spektra prepúšťajú a ktoré absorbujú filtre a listy rastlín? Ktoré farby spektra sú absorbované extraktami listových pigmentov? 4. Energia v rastlinách Koľko tepla vznikne horením rastlinnej biomasy? Ako je uvedené vyššie, skupinky žiakov vytvárajú pracovné tímy, ktoré v diskusii zjednocujú svoje názory napr. na spôsob riešenia prvého problému a hľadajú jednotlivé odpovede na zhrňujúce otázky v zadaní žiackej aktivity. Postup spracovaný v zadaní aktivity je didakticky transformovaným postupom vedeckej práce. Dnešný vedec fyzik, aby objavil a pochopil nové fyzikálne poznatky, potrebuje k vedeckej práci - kvalitné experimentálne údaje, ktoré si vyžadujú moderné zariadenia, nové technológie, - dobré počítačové zázemie na riadenie experimentu a spracovanie dát, - teoretické vysvetlenie, ku ktorému sa dopracuje interpretáciou dát, simulovaním procesov, modelovaním javov a vytvorením teórii. Nový poznatok sa stáva súčasťou poznania v danom odbore až vtedy, ak vedec (tím) pracujúci na danom probléme svoje závery obháji pred odbornou komunitou. Ak chceme uvedený postup primeraným spôsobom transformovať na školské podmienky, potom by mal žiak na vyučovaní riešiť problémy, navrhovať a uplatňovať postupy na ich riešenie. Na to musí mať k dispozícii pomôcky a počítač. Mal by vedieť navrhnúť experimentálne zariadenie, brať do úvahy presnosť merania, namerané údaje spracovať formou tabuľky a grafu. Interpretácia zistení si vyžaduje schopnosti čítania grafu, hľadania vzťahov a príčinných súvislostí. V neposlednom rade, podobne ako vedec, musí žiak vedieť svoje tvrdenia obhájiť, dokázať ich aj na iných prípadoch či modeloch a presvedčiť spolužiakov o pravdivosti svojich záverov a tvrdení. Uvedený poznávací prístup sa realizuje aj pri aktivitách zahrnutých do témy Skúmanie vlastností slnečného svetla. 52

53 Ďalej rozoberieme jednotlivé aktivity, ktorých zadanie bude mať jednotnú štruktúru: Úvod. Problém. Pomôcky. Postup. Zhrnutie. Pred samotným zadaním aktivity sa v tejto štúdii uvádza didaktický rozbor, ktorého cieľom je zaradiť aktivitu aj do súčasných programov vyučovania. Na niektorých miestach sú v zadaní uvedené metodické poznámky, v ktorých uvádzame vlastné skúsenosti z ich vyučovania. Aktivity vychádzajú z programu FAST (Pottenger, 1997), ktorý sa viac ako desať rokov na Slovensku používa. Vybrali a upravili sme ich tak, aby naplnili vo vyučovaní vyššie uvedené ciele. Rozpracovanie aktivít na skúmanie vlastností slnečného svetla 1. Slnečné žiarenie a teplo Didaktický rozbor aktivity V tejto aktivite pracujeme s pojmami slnečné žiarenie a slnečné svetlo. Do obsahu pojmu slnečné žiarenie zahŕňame zložky slnečného žiarenia : ultrafialovú (7 % celkovej energie elmag. slnečného žiarenia), svetlo (48 %), infračervenú (45 %). V ostatných aktivitách, okrem tejto prvej, pôjde o skúmanie vlastností viditeľnej zložky spektra slnečného žiarenia o svetlo. Aktivitu možno zaradiť do vyučovania aj samostatne, bez riešenia troch následných aktivít. Napokon úloha s rovnakým problémom je uvedená v učebnici Fyzika pre 9. ročník (Janovič, 2004, s.115, ú.č. 4). Rovnako dobre možno túto aktivitu zaradiť do vyučovania na gymnáziu pri preberaní tematického celku Teplota a teplo(pišút, 2005). Podmienkou pre jej riešenie je, aby žiaci ovládali výpočet tepla, vedeli navrhnúť jednoduchú aparatúru, merať teplotu a čas, navrhnúť tabuľku pre zápis odmeraných veličín, vyhľadať si hmotnostnú tepelnú kapacitu (c) látok, prípadne poznali hmotnostnú tepelnú kapacitu vody.v aktivite sa vyžaduje zostrojenie grafu z nameraných hodnôt času a teploty. V reťazci súboru aktivít má prvá aktivita - Skúmanie vlastností slnečného svetla za cieľ dokázať, že svetlo je energia, ktorú možno aj kvantitatívne určiť. Úvod Slnko je dôležitý činiteľ pre náš život, a preto sa budeme venovať jeho štúdiu. Slnečné žiarenie udržuje teplotu našej Zeme, a tým umožňuje existenciu života na nej, teda aj rast rastlín. Štúdium vlastností slnečného svetla začneme tým, že sa pokúsime zistiť veľkosť tepla, ktoré vzniká dopadom slnečného žiarenia na zemský povrch slnečnú konštantu. Zistená hodnota tepla bude mierou pre slnečnú energiu, ktorá dosahuje zemský povrch. Problém Navrhni metódu, aby si mohol zistiť, koľko tepla vyprodukuje slnečné žiarenie dopadajúce na plochu 1 cm 2 zemského povrchu za 1 minútu. Pomôcky 53

54 Metodické poznámky Súčasťou návrhu metódy má byť aj návrh zariadenia, na ktoré bude dopadať slnečné žiarenie. Ďalej by mal žiak navrhnúť meradlá na meranie hodnôt fyzikálnych veličín súvisiacich s výpočtom prijatého tepla, veľkosti plochy a času. Na Obr. 1 je uvedený možný návrh aparatúry. Obrázok 1: Jeden z možných spôsobov návrhu aparatúry Postup 1. Navrhni a zostroj zariadenie, v ktorom budeš zachytávať slnečné žiarenie a merať hodnoty potrebné na určenie tepla. 2. Zostroj tabuľku na zaznamenanie údajov merania v intervaloch 30 s počas 5 minút. 3. Z nameraných hodnôt teploty a času zostroj graf. Zhrnutie 1. Koľko tepla sa vyprodukuje dopadom slnečného žiarenia na celú plochu zariadenia za 1 minútu? 2. Koľko tepla sa vyprodukuje dopadom slnečného žiarenia na plochu 1 cm 2 zariadenia za 1 minútu? 3. Porovnaj svoje hodnoty slnečnej konštanty s hodnotami spolužiakov. Ako sa dajú vysvetliť rozdiely vo výsledkoch? 4. Vytvor úlohu, v ktorej by sa počítala veľkosť slnečnej energie dopadajúcej na rôzne veľké časti povrchu Zeme za rôzny čas. 5. Aké argumenty by si použil na podporu tvrdenia, že slnečné svetlo je forma energie? Metodické poznámky Slnečná konštanta je definovaná ako celkový žiarivý tok Slnka dopadajúci kolmo na plochu 1 m 2 vo vzdialenosti 1 AU. Jej stredná hodnota je 1369 W. m -2 [Mechlová, 1999]. Na gymnáziu možno využiť uvedenú hodnotu slnečnej konštanty na prepočty jednotiek, pretože žiaci budú počítať slnečnú konštantu v jednotke J/min. cm 2. Ďalej je možné viesť diskusiu aj o pojme žiarivý tok, čo je však presahuje rámec osnov fyziky gymnázia. Informácie o metódach merania slnečnej konštanty možno nájsť aj na internete, napr

55 2. Slnečné svetlo a spektrum Didaktický rozbor aktivity Pojmy, s ktorými žiaci pracujú, sú odrazené, prepustené a absorbované svetlo, rozklad svetla, spektrum, farby spektra. Aktivita sa realizuje na vyučovaní témy Rozklad svetla, 1.18 Rozklad slnečného svetla optickým hranolom. Základy farebného videnia v 9. ročníku ZŠ. Na gymnáziu je vhodná pri odučení témy 2. Elektromagnetické vlny a optika, 2.4 Základné vlastnosti svetla (Pišút, 2003). Pre vysvetlenie javov v aktivite by mali žiaci poznať zákon odrazu a lomu svetla a druhy optických prostredí, prípadne na gymnáziu základy vlnenia. Cieľom aktivity je priviesť žiakov k poznaniu, že - slnečné svetlo je zložené svetlo a možno ho rozložiť na farebné zložky, - pri rozklade svetla farebnými hranolmi sa niektoré zložky spektra absorbujú a niektoré sú prepustené, - pri dopade farieb spektra na farebné povrchy sa niektoré farby odrazia od povrchu, iné sú absorbované. K celkovej predstave o toku energie v prírode by mala aktivita prispieť poznatkom, že časť slnečnej energie, dopadajúcej napríklad na listy rastlín, sa absorbuje. Úvod Svetlo dopadujúce na predmet sa môže od neho odraziť, prejsť cezeň, resp. Byť ním absorbované. Podľa správania sa svetla v kontakte s predmetom hovoríme o svetle odrazenom, prepustenom či absorbovanom. Na skúmanie prepusteného a absorbovaného svetla použijeme hranoly, ktoré možno naplniť farebnými kvapalinami. Svetlo, ktoré prejde bezfarebným hranolom, vytvorí farebný svetelný pás spektrum. Problémy Zisti: - ktoré farby tvoria spektrum, - ktoré farby spektra prepúšťajú a ktoré absorbujú farebné kvapaliny v hranole, - ktoré farby spektra odrážajú a ktoré absorbujú nepriehľadné farebné povrchy. Pomôcky Duté hranoly, potravinové farby, sada farebných povrchov, biely povrch, voda. Obrázok 2: Pomôcky k aktivite Slnečné svetlo a spektrum 55

56 Postup 1. Zisti, ktoré farby tvorí spektrum. Hranol naplnený čistou vodou umiestni na slnečné svetlo tak, aby si získal spektrum a mohol ho pozorovať na bielom povrchu (Obr. 3). Napíš farby spektra do rámčeka pod obrázok. hranol Farby spektra sú: biely povrch Obrázok 3: Skúmanie farieb spektra slnečného svetla 2. Na základe úsudku vyslov hypotézy, ktoré farby spektra prepustia a ktoré absorbujú farebné kvapaliny v hranoloch, zaznač ich do tabuľky a potom svoj predpoklad over pokusom. Postupuj podobne ako v bode 1.(Vytvor si skratky pre jednotlivé farby.) Tabuľka 2.1: Záznam pozorovaní prepustených a absorbovaných farieb spektra farebnými kvapalinami Zdroj svetla: Farba vody v Farba prepusteného svetla Farba absorbovaného svetla hranole Predpoklad Skutočnosť Predpoklad Skutočnosť Modrá Zelená Červená Žltá 3. Zisti, ktoré farby spektra odrážajú a ktoré absorbujú nepriesvitné farebné povrchy. Na biely papier zachyť spektrum vytvorené hranolom s bezfarebnou vodou. Zameň biely papier farebnými papiermi a zaznamenávaj do tabuľky 2.2 odrazené farby spektra od 56

57 farebného povrchu. Pred vykonaním pozorovania urob a zapíš do tabuľky svoj predpoklad. Doplň v tabuľke absorbované zložky spektra. Tabuľka 2.2 Záznam pozorovaní odrazených a absorbovaných farieb spektra farebnými povrchmi Zdroj svetla: Farba povrchu Modrá Farba odrazeného svetla Farba absorbovaného svetla Predpoklad Skutočnosť Predpoklad Skutočnosť Zelená Červená Žltá Zhrnutie 1. Porovnaj výsledky skúmaní uvedené v tabuľkách 2.1 a 2.2. V čom sa výsledky podobajú? V čom sa výsledky líšia? 2. Akou hypotézou vysvetlíš prepúšťanie a absorpciu svetla farebnými kvapalinami? 3. Akou hypotézou vysvetlíš odraz a absorpciu svetla farebnými povrchmi? 3. Prepúšťanie a absorpcia svetla filtrami a rastlinami Didaktický rozbor aktivity Kľúčovými pojmami aktivity sú spektrum, absorbované a prepustené svetlo, svetelná energia, spektroskop, fotosyntéza. So stručným vysvetlením fotosyntézy sa žiaci stretávajú v prírodopise 5. ročníka a s podrobnejším výkladom v 1. ročníku gymnázia. So spektroskopom súvisí aj metóda často používaná v prírodných vedách na identifikáciu látok. Toto učivo sa nachádza v učebnici fyziky pre 4. ročník (Pišút, 2003) v téme 2.4 Základné vlastnosti svetla. Spektroskop pre žiacke aktivity je možné zhotoviť aj v podobe čiernej skrinky z tvrdého čierneho papiera (Obr. 4). Súčasťou spektroskopu je difrakčná mriežka, ktorou je na obrázku mriežka z plastu. Mriežku možno zhotoviť aj z použitého CD. Na realizáciu aktivity sú potrebné extrakty pigmentov z rôznofarebných listov rastlín. Extrakt listových pigmentov dostaneme vyluhovaním listov rastlín v alkohole. Cieľom aktivity je zistenie, že listy rastlín absorbujú zložky farieb spektra a za podpory absorbovanej slnečnej energie prebieha v nich fotosyntéza. Dôležité je aj porovnanie získaných spektier z plastových filtrov a listov rastlín. Úvod V našom výskume použijeme zariadenie, ktoré sa volá spektroskop. Prechodom svetla cez spektroskop vzniká spektrum, a to pomocou difrakčnej mriežky, ktorou je jemne ryhovaný plast. Ďalej budeme pracovať s extraktmi listových pigmentov. Pigmenty sú látky v telách rastlín, ktoré spôsobujú ich zafarbenie. 57

58 Problém Ktoré farby spektra prepúšťajú a ktoré absorbujú filtre a listy rastlín? Ktoré farby spektra sú absorbované extraktami listových pigmentov? Pomôcky Spektroskop, sada farebných filtrov, difrakčná mriežka, rôznofarebné listy rastlín, extrakty listových pigmentov. Obrázok 4: Pomôcky k aktivite Prepúšťanie a absorbcia svetla filtrami a rastlinami Postup 1. Zisti, ktoré farby spektra prepúšťajú a ktoré absorbujú filtre rôznych farieb. Pred každým pozorovaním urob a zaznač do Tabuľky 3.1 svoj predpoklad. Tabuľka 3.1 Záznam pozorovaní prepustených a absorbovaných farieb spektra farebnými Filtrami Zdroj svetla: Farba filtra Bezfarebný Farba prepusteného svetla Farba absorbovaného svetla Predpoklad Skutočnosť Predpoklad Skutočnosť Modrá Zelená Červená Žltá 2. Zisti, ktoré farby spektra prepúšťajú a ktoré absorbujú listy rastlín rôznych farieb. Pred každým pozorovaním urob a zaznač do Tabuľky 3.2 svoj predpoklad. 58

59 Obrázok 5: Použitie spektroskopu na skúmanie prepusteného svetla Tabuľka 3.2 Záznam pozorovaní prepustených a absorbovaných farieb spektra farebnými listami rastlín Zdroj svetla: Opis listu Biely list Farba prepusteného svetla Farba absorbovaného svetla Predpoklad Skutočnosť Predpoklad Skutočnosť Okvetný lístok Zelený list Červený list Žltý list 3. Zisti, ktoré farby spektra prepúšťajú a ktoré absorbujú extrakty listových pigmentov. Pred každým pozorovaním urob a zaznač do Tabuľky 3.3 svoj predpoklad. Tabuľka 3.3 Záznam pozorovaní prepustených a absorbovaných farieb spektra extraktami listových pigmentov Zdroj svetla: Farba listu, z ktorého bol extrahovaný pigment Biela Farba prepusteného svetla Farba absorbovaného svetla Predpoklad Skutočnosť Predpoklad Skutočnosť Zelená Červená Žltá 59

60 Zhrnutie 1. Ktoré farby svetla prechádzajú farebnými filtrami a ktoré sú nimi absorbované? 2. Ktoré farby svetla prechádzajú listami rastlín a ktoré sú nimi absorbované? 3. Ktoré farby svetla prechádzajú extraktami listových pigmentov a ktoré sú nimi absorbované? Metodické poznámky Aktivita vytvára predstavy o pojme energia v medzipredmetových súvislostiach medzi fyzikou a biológiou. Základnými pojmami sú svetlo, teplo, premena energie. Ide o skúmanie spektra listov rastlín a zamýšľanie sa nad absorbovanými zložkami svetla v rastlinách. Žiaci tak spoznávajú proces, pri ktorom sa slnečná energia mení na energiu chemickú, keď sa z oxidu uhličitého a vody tvoria sacharidy, čiže z anorganických látok vznikajú látky organické, pričom sa do vzduchu uvoľňuje kyslík. Chemickou reakciou možno tento proces zapísať: 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O kj List rastliny ako orgán fotosyntézy absorbuje len približne 2% naň dopadajúcej žiarivej energie Slnka, zvyšok odráža alebo prepúšťa. To, že list absorbuje zložky svetla, sa žiaci presvedčia skúmaním spektra. K pojmu energia sa dospeje zamýšľaním sa nad otázkou, čo sa s absorbovaným svetlom v rastline deje. 4. Energia v rastlinách Didaktický rozbor aktivity Rastliny absorbujú energiu vo forme slnečného svetla a pomocou živín produkujú biomasu. Biomasa uchováva energiu, ktorú možno horením premeniť na teplo, a tak určiť jej energetickú hodnotu. Vhodnou rastlinou, ktorú možno v školských podmienkach spáliť, je vlašský orech. V úvodnej diskusii žiaci by mali navrhnúť spôsob, ako určiť energiu v orechu, a tiež navrhnúť pokus a aparatúru, ktorú by bolo vhodné použiť. Úvodná diskusia k spaľovaniu orecha by mala viesť k výpočtu tepla odovzdaného horením orecha vode, k prepočtu tepla na 100g hmotnosti orecha a k poznaniu, že výsledok je iba približný, pretože časť tepla unikne do okolia. V záverečnej diskusii sa hodnoty tepla, vypočítané v jednotlivých skupinách žiakov, porovnajú s hodnotou uvedenou v energetických tabuľkách potravín, ktorá je 2717 kj na 100 g orechov. Aktivitu možno zaradiť do vyučovania na gymnáziu pri preberaní tematického celku Teplota a teplo (Pišút, 2005) a vo vyučovaní fyziky v 9. ročníku. Cieľom aktivity je vytvárať predstavu o premene a ceste premeny energie v prírode. Úvod Listy zelených rastlín majú pigmenty, ktoré môžu absorbovať svetlo. Absorpcia slnečného svetla rastlinou je jednou z podmienok jej rastu. Rastom rastliny sa zväčšuje jej hmotnosť, čo odborne nazývame biomasa. Rast biomasy zelených rastlín súvisí s absorbovaným svetlom. 60

61 Niektoré zelené rastliny sú zdrojom potravy pre zvieraté ale aj ľudí, sú teda pre nich zdrojom energie. Laboratórnymi metódami vieme zistiť množstvo energie v rastlinách tým, že ju premeníme na teplo. Problém Koľko tepla vznikne horením rastlinnej biomasy? Pomôcky Plechovka s objemom 2-4 litre, skúmavka, teplomer, odmerný valec, korková zátka, hliníková fólia, špendlík, vlašský orech, podložka z ohňovzdorného materiálu, nožnice na plech. Obrázok 6: Schéma pokusu Postup 1. Uprav plechovku tak, ako je to znázornené v schéme, to znamená vystrihni otvory v tvare V na obvode plechovky tam, kde je odstránené dno. Na opačnej strane urob do vrchnáka otvor pre skúmavku. 2. Nasaď do korkovej zátky špendlík a obaľ ju hliníkovou fóliou, aby si zabránil jej zhoreniu. 3. Do skúmavky nalej 20 ml vody. 4. Odmeraj počiatočnú teplotu vody v skúmavke a zaznač si ju. 5. Odstráň vonkajší obal, šupku, z kúska vlašského orecha a odváž ho. Nemal by vážiť viac ako 0,2 g. (Pozn.: Vodu v skúmavke by spaľovanie orecha nemalo doviesť do varu.) 6. Nasaď orech na koniec špendlíka. 7. Zapáľ orech a polož ho do plechovky tak, aby zohrieval vodu v skúmavke. 8. Odmeraj teplotu vody v skúmavke po spálení orecha a zaznač si ju. 9. Zbytok orecha po spálení nechaj vychladnúť a odváž ho. Zhrnutie 1. Vysvetli, prečo je dôležité spáliť len také množstvo orecha, aby sa voda nedostala do varu. 2. Vypočítaj teplo, ktoré prijala voda spálením orecha. 61

62 3. Uveď dôkazy tvrdenia energia je uložená v rastlinnej biomase. 4. Ako možno porovnať energiu v rôznych druhoch orechov (vlašský, lieskový, arašid)? Ktorý orech obsahuje najviac energie na gram biomasy? 5. Čo by sa stalo s energiou orecha, keby si ho namiesto spálenia zjedol? Metodické poznámky Uvedené aktivity (1, 2, 3, 4) vytvárajú predpoklad na to, že žiaci vyriešia nasledovnú úlohu: Opíš cestu energie, ktorá sa začína energiou slnečného žiarenia, pokračuje jeho absorpciou listami stromu orecha a končí sa spálením orieška v plechovkovom kalorimetri. Literatúra: POTTENGER III., M. F., YOUNG, B. D., KLEMM, B. E Prírodoveda FAST 2: Pohyb látok a energie v biosfére. Bratislava : Štátny pedagogický ústav, JANOVIČ, V., CHALUPKOVÁ, A., LAPITKOVÁ, V Fyzika pre 9. ročník základných škôl. 1. vyd. Bratislava : SPN, ISBN MECHLOVÁ. E. KOŠŤÁL, K. a kol Výkladový slovník fyziky pro základní vysokoškolský kurz. Praha: Prometheus, 1999 s.588. ISBN PIŠÚT, J. a kol Fyzika pre 2. ročník gymnázii. Bratislava : SPN, 2005, s ISBN PIŠÚT, J. a kol Fyzika pre 4. ročník gymnázii. Bratislava : SPN, 2003, s ISBN

63 VA charakteristika žiarovky fyzikálne úlohy založené na výsledkoch experimentu. RNDr. Peter Demkanin, PhD. Katedra teoretickej fyziky a didaktiky fyziky, FMFI UK v Bratislave 1. Ciele fyzikálneho vzdelávania Spoločným poslaním štúdia prírodovedných predmetov je zabezpečiť, aby sa žiaci oboznámili so spôsobmi vedeckej práce a komunikácie medzi vedcami, ako i s niektorými poznatkami z oblasti prírodných vied. Vedecká práca môže prebiehať rôznymi formami, ale vo všeobecnosti zahŕňa formulovanie a testovanie hypotéz prostredníctvom pozorovania, merania a experimentov. Práve možnosť overovania hypotéz je jedinečnou možnosťou prírodných vied. V tomto duchu maturitné štúdium prírodných vied je zacielené na: - poskytnutie príležitostí pre prírodovedné skúmanie a tvorivosť v kontexte, ktoré stimuluje a podnecuje žiakov - poskytnutie základných poznatkov a metód z oblasti prírodných vied a základov techniky - poskytnutie priestoru žiakom na aplikovanie základných poznatkov a postupov prírodných vied a základov techniky - rozvoj schopností analyzovať, vyhodnocovať a syntetizovať informácie - podporovanie porozumenia pre efektívnu spoluprácu a komunikáciu počas prírodovedných aktivít - rozvoj experimentálnych zručností - pestovanie povedomia morálnych, etických, sociálnych, ekonomických a environmentálnych implikácií využívania prírodovedných poznatkov a techniky - rozvoj porozumenia možností a obmedzení prírodných vied a vedcov - podporovanie porozumenia vzťahov medzi prírodnými vedami navzájom a širokými možnosťami použitia metód typických pre prírodné vedy Počas maturitného štúdia fyziky (aj iných prírodných vied ako chémie, alebo biológie) by žiak mal: - pochopiť, aplikovať a použiť: - fakty a súvislosti, - metódy a postupy, - terminológiu ako nástroj efektívnej komunikácie, - metódy prezentácie prírodovedných informácií, - vytvárať, analyzovať a vyhodnocovať: - hypotézy, otázky hodné skúmania, - metódy a postupy skúmania, - vysvetlenia javov, - rozvíjať osobnostné zručnosti kooperácie, vytrvalosti, zodpovednosti v oblasti efektívneho skúmania a riešenia úloh, - rozvíjať manipulačné zručnosti smerujúce k presnému a bezpečnému skúmaniu predmetov a javov. 63

64 O úlohách fyzikálneho (prírodovedného) vzdelávania žiakov stredných škôl, ktorí z fyziky nematurujú sa v tomto období vedú zásadné odborné diskusie a preto sa tomuto problému na tomto mieste nebudeme podrobnejšie venovať. Je dôležité si uvedomiť, že učiteľ fyziky na väčšine stredných škôl je postavený do situácie učiť nielen fyziku ako súčasť prírodných vied, ale aj fyziku ako súčasť základov technológií. Uvedomenie si rozdielu medzi týmito dvoma prístupmi môže zamedziť niektorým zbytočným nedorozumeniam medzi učiteľom a žiakmi. Zatiaľ, čo úlohou prírodných vied je prírodu poznávať, úlohou technológií je prírodu si prispôsobiť. Zo strany žiakov často vychádzajú dva druhy otázok: prečo sa to mám učiť, keď to nikdy v živote nebudem potrebovať? a prečo sa neučíme napríklad opraviť si mikrovlnku?. Jednou z úloh všeobecného vzdelávania je rozvinúť v žiakoch schopnosti neskôr sa naučiť to, čo v konkrétnom zamestnaní budú potrebovať. Je vhodné si uvedomiť na jednej strane populárny výrok: všetko čo v živote potrebujem som sa naučil v materskej škôlke, na druhej strane to, že človek sa učí po celý život a pri dynamike súčasného života nemožno vystačiť s poznatkami a postupmi, ktoré sa naučíme v škole. Ako rozhodnúť, či sa budeme v rámci povinného všeobecného vzdelávania učiť, ako funguje mikrovlnka, alebo radšej ako funguje televízor? Takto položené otázky bez poznania kontextu, v ktorom boli položené, sú mätúce a nemožno na ne jednoznačne odpovedať. Javí sa vhodnejšie zaoberať sa nielen poznatkami, s ktorými by sa mal žiak oboznámiť, ale aj (a asi hlavne) kompetenciami, ktoré by sme chceli (mali) v žiakovi rozvinúť. 2. Pozorovanie, meranie, experiment V rámci fyzikálneho laboratória rozvíjame najmä empirické metódy poznávania. Základné rozdelenie empirických metód je: - pozorovanie, - meranie, - experiment. Pozorovanie Pozorovanie je bežná činnosť, ktorou sa zaoberáme takmer vždy, často aj neuvedomele. Zámerné pozorovanie javov je jednou z dôležitých metód, ktorými fyzika poznáva svet. Zriedkakedy si uvedomujeme, že každý predmet, alebo dej spravidla pozorujeme dvakrát: prvý krát objekt (alebo dej) pozorujeme len zbežne, aby sme sa s ním zoznámili, uvedomili si aký je jeho celkový vzhľad, aké sú širšie súvislosti predmetu, alebo deja s okolím, druhý krát si už vyberáme len určité časti a vlastnosti objektu (alebo deja) a uvedomele si všímame len vlastnosti dôležité pre získanie poznatku, ktorý nás zaujíma. Schopnosť uvedomele pozorovať javy nám je síce vrodená, ale je možné (a potrebné) ju vedome rozvíjať. S touto schopnosťou úzko súvisí schopnosť byť zvedavý (zvedavosť). Zvedavosť je veľmi dôležitá v každej z oblastí života človeka. Prírodovedné predmety majú možnosti a povinnosť uvedomele ju rozvíjať, na druhej strane môžeme prirodzenú zvedavosť žiakov aj potláčať. Na úrovni maturanta môžeme pozorovať napríklad: Dopplerov jav na výlete stojac pri ceste sa započúvame do zvuku okoloidúceho auta 64

65 Lom svetla zdanlivá hĺbka, ceruzka v nádobe s vodou javy z geometrickej optiky súvisiace s lomom a s odrazom svetla Interferencia svetla pri odraze od CD média pri odraze monochromatického a bieleho svetla Šírenie zvuku počas letných večerov na výlete najmä pri jazere počuť vzdialené zvuky výrazne zreteľnejšie, než cez deň Absorpcia žiarenia (svetla) čiernym matným povrchom za slnečného počasia je teplota tesne nad čiernym matným povrchom osvetleným slnečným žiarením výrazne vyššia, než nad bielym lesklým povrchom Úloha: Pomenujte javy, ktoré môžete pozorovať práve tam, kde sa nachádzate Úloha: Navrhnite ďalšie javy, ktoré môžu slúžiť na rozvíjanie schopnosti uvedomelého pozorovania a pokúste sa k navrhnutým javom odhadnúť primeraný vek žiakov. Meranie Fyzika objekty a javy nielen pozoruje, slovne opisuje a kvalitatívne vysvetľuje, ale každú vlastnosť objektu sa snaží určiť aj kvantitatívne - stanoviť jej veľkosť. Kvantitatívne vyjadrená vlastnosť objektu sa nazýva fyzikálna veličina. Meranie môžeme považovať za porovnávanie (vhodným spôsobom) s istým štandardom, s istou jednotkou fyzikálnej veličiny. Po každom meraní by sme mali sformulovať záver zhodnotiť výsledky a použitú metódu merania. Priame a nepriame meranie Niektoré vlastnosti objektov (a ich kvantitatívne vyjadrenie fyzikálnymi veličinami) je možné merať priamym porovnávaním s meradlom. Napríklad pri meraní rozmerov knihy stačí priložiť ku knihe pravítko a vhodným spôsobom odčítať zo stupnice pravítka. Podobne pri meraní elektrického prúdu ampérmetrom stačí vhodne zapojiť ampérmeter do obvodu a odčítať hodnotu zo stupnice. Pri meraní plošného obsahu listu papiera by sme mohli k papieru priložiť priesvitnú fóliu so štvorčekmi 1cm x 1 cm a spočítať, koľko takýchto štvorčekov obsahuje náš list priamo by sme zistili plošný obsah listu v jednotkách 1 cm 2. V tomto prípade je však jednoduchšie zvoliť nepriame meranie dĺžky strán listu odmeriame pravítkom a tieto údaje vynásobíme. Priame meranie Nepriame meranie Hodnotu veličiny zisťujeme na stupniciach meradiel, alebo porovnaním s realizáciou ich jednotiek (napr. závaží). Hodnotu veličiny vypočítame zo vzťahu, ktorým veličina súvisí s inými, priamo meranými veličinami. Pokúsme sa uviesť príklady niektorých fyzikálnych veličín a meracích prístrojov, s ktorými by sa mal žiak v rámci všeobecného vzdelania oboznámiť: Priame meranie: dĺžka pravítko, meracie pásmo, posuvné meradlo alebo mikrometer, hmotnosť rovnoramenné váhy, elektronické váhy, 65

66 objem kvapaliny odmerný valec, čas stopky, metronóm, teplota teplomer kvapalinový, teplomer elektronický, veľkosť sily silomer, tlak vzduchu tlakový senzor, elektrický prúd ampérmeter, elektrické napätie voltmeter, relatívna vlhkosť vzduchu senzor vlhkosti, veľkosť zložky vektora magnetickej indukcie senzor magnetickej indukcie. Nepriame meranie: dĺžka merania veľkých vzdialeností s použitím zvuku, dĺžka merania krátkych vzdialeností použitím interferencie svetla, veľkosť rýchlosti telesa, veľkosť tiažového zrýchlenia, veľkosť zrýchlenia telesa, veľkosť sily deformácia pružiny, koeficient šmykového trenia naklonenou rovinou; ťahovou silou, tlak vzduchu kvapalinovým U-manometerom, hustota telesa - z hmotnosti a objemu, elektrický príkon z napätia a prúdu, elektrický odpor z napätia a prúdu, frekvencia porovnávaním so známou frekvenciou (Lissajousove krivky, rázy), ohnisková vzdialenosť šošovky, vlnová dĺžka svetla (istej farby svetla) - hranolom, mriežkou, index lomu polvalca. Úloha experimentu v žiackom poznávaní Experiment je popri pozorovaní a meraní ďalšou metódou empirického poznávania. Charakteristickým znakom experimentu sú zásahy do skúmaného javu: Snažíme sa upraviť skúmaný jav tak, aby sme vedeli odpovedať na skúmanú otázku, alebo aby sme vedeli potvrdiť, či vyvrátiť hypotézu. Spravidla sa snažíme vytvoriť podmienky experimentu tak, aby sa súčasne menili len dve vlastnosti, ktoré sa navzájom ovplyvňujú. Závislosť týchto dvoch veličín potom skúmame. Experimenty môžu byť kvalitatívne i kvantitatívne. Experimenty sú zmysluplné zvyčajne vtedy, ak spĺňajú nasledovnú schému: - vieme, na akú otázku hľadáme odpoveď jasne definovaný problém, - navrhneme možnú odpoveď na našu otázku (zvyčajne je možné takýto návrh aj zdôvodniť) a navrhneme ako možno potvrdiť, alebo vyvrátiť navrhnutú odpoveď hypotéza, - navrhneme, ako získať potrebné informácie postup experimentu/merania. - získame a zaznamenáme všetky potrebné informácie zaznamenanie dát, - analyzujeme namerané dáta spracovanie dát, 66

67 - analyzujeme výsledky, rozhodneme o odpovedi na otázku, navrhneme postup pre hľadanie presnejšej odpovede na otázku diskusia a závery. 3. Vzájomná závislosť dvoch fyzikálnych veličín k aktivite na workshope učiteľov K regulovateľnému zdroju napätia pripojte kus drôtu (učiteľ vám pomôže vybrať), ampérmeter a voltmeter podľa schémy na obrázku. Drôt je na obrázku označený písmenom R. A R V Postupne meňte napätie zdroja a do tabuľky zapisujte hodnoty meraného napätia a prúdu (uvedomte si, ktoré údaje musí tabuľa obsahovať tak, aby zaznamenala výsledok merania čo najpresnejšie). Údaje z tabuľky zobrazte aj v grafe závislosti prúdu prechádzajúceho vodičom od napätia na svorkách vodiča (prúd je na osi y, napätie na osi x). Porovnajte výhody a nevýhody záznamu výsledkov merania tabuľkou a grafom. Úloha: V meraní z predchádzajúceho textu sme namerali sme údaje uvedené v tabuľke: Číslo merania U [V] ± 0,01 I [ma] ± , , , , ,5 61 Zakreslite tieto údaje vo vhodnom grafe. Pomocou grafu určte, aký prúd prechádzal drôtom pri napätí a) 2,32 V, b) 7,2 V 67

68 Rovnaké meranie sme robili so žiarovkou. Žiarovka obsahuje volfrámové vlákno, ktoré tiež môžeme považovať za kúsok drôtu. Napriek tomu sme namerali kvalitatívne inú závislosť: Sem vložte VA charakteristiku žiarovky, ktorú ste namerali. Poznačte si tiež údaje napísané na žiarovke. Pokúsme sa vysvetliť rozdiely. Môžeme začať pri tom, čo sa prejavuje navonok. Kus drôtu nesvietil, vlákno žiarovky svieti. Prečo vlákno žiarovky svieti? Pretože je zohriate na vysokú teplotu. Môže mať zmena teploty vplyv na tvar grafu závislosti prúdu od napätia? Odpoveď by sme mali hľadať experimentom. Jednu z veličín napätie, alebo prúd budeme udržiavať konštantnú (my sme zvolili napätie) a budeme meniť teplotu drôtu. Budeme pri tom pozorovať zmeny prúdu. (Ak máme prostriedky na meranie teploty drôtu, potom môžeme zakresliť graf závislosti elektrického prúdu od teploty pri konštantnom napätí.) Pomer prúdu prechádzajúceho vodičom a napätia na jeho svorkách nazývame elektrický odpor a označujeme písmenom R. jednotkou elektrického odporu je ohm, označujeme ho písmenom Ω. Elektrický vodič má odpor 1 Ω, ak pri napätí na jeho svorkách1v ním prechádza prúd 1 A. Závislosť z úlohy môžeme vyjadriť aj grafom závislosti odporu drôtu od jeho teploty. Teleso (elektronickú súčiastku), ktorého význačnou fyzikálnou veličinou je elektrický odpor, nazývame rezistor. Pre rezistor platí Ohmov zákon: Prúd prechádzajúci rezistorom je priamo úmerný napätiu na jeho svorkách. (teda odpor rezistora je konštantný, nezávislý od pripojeného napätia). Pre žiarovku Ohmov zákon neplatí. Prečítajte si poznámky o sériovom a paralelnom zapojení rezistorov (najlepšie v rámci domácej úlohy) a potom vyriešte nasledujúce úlohy. Na tomto mieste si môžeme predstaviť úlohy, ktoré jednak rozvíjajú žiacke kompetencie, a na druhej strane pomáhajú učiteľovi hodnotiť stupeň ich rozvinutia. Jedna z úloh by mohla vyzerať napríklad tak, že máme zadané VA charakteristiky dvoch žiaroviek (v jednom grafe), jedna s nominálnym napätím 6V, druhá 4,5V a pomocou grafu máme určiť prúd prechádzajúci žiarovkami pri ich sériovom zapojení ku zdroju s napätím 4,5V. Spresnenie zadania úlohy, ako aj navrhovanie ďalších úloh bude súčasťou programu workshopu. 68

69 Analýza mechanického pohybu videomeraním PaedDr. Peter Horváth, Mgr. Miroslav Šedivý Katedra teoretickej fyziky a didaktiky fyziky, FMFI UK v Bratislave Úvod Rýchly rozvoj spotrebnej elektroniky a výpočtovej techniky nám vytvára nové možnosti postupov pri vyučovaní. V súčasnosti široko dostupné digitálne fotoaparáty a videokamery umožňujú zaznamenať priebeh mnohých fyzikálnych javov. Pomocou počítača ich môžeme presne a rýchlo analyzovať. Takýmto spôsobom vieme urobiť merania, ktoré by boli klasickými pomôckami nemožné alebo veľmi obťažné. Medzi žiakmi sú počítačom podporované experimenty populárne a ich problematike by mohla byť venovaná celá jedna rozsiahla práca. V tomto článku sa budeme podrobne venovať zaznamenaniu jednoduchých mechanickým pohybov formou videa a jeho následnej fyzikálnej analýze. Priebeh hodiny Necháme padať loptičku pred pokreslenou tabuľou. Jej pád nasnímame obyčajným digitálnym fotoaparátom. Nasnímané video s letiacou loptičkou prenesieme do počítača. Prezerať ho môžeme v ľubovoľnom programe, pri ktorom sa dajú prehliadať jednotlivé snímky, napríklad Quick Time Player alebo BSplayer. My sme na hodine použili programy Viana (Lepil, 2004), a Coach 5. Prezeraním jednotlivých snímok vieme určiť, kde sa loptička nachádzala v príslušnom čase. Tieto jej polohy zaznamenáme nakreslením značiek na tabuľu, pred ktorou loptička preletela (Jílek, 2004). K polohám pripíšeme aj časy od začiatku pádu. Potom odmeriame vzdialenosť jednotlivých značiek od počiatočnej polohy, a tým zistíme, akú vzdialenosť loptička prešla od začiatku pohybu k jednotlivým zaznamenaným polohám. Obrázok 1.: Pripravené videomeranie voľného pádu loptičky Z týchto údajov potom žiaci na milimetrový papier sami vykresľujú graf závislosti prejdenej dráhy od času. Z grafu by malo byť vidno, že pohyb bol rovnomerne zrýchlený. Z nameraných údajov, času začiatku pádu, času posledného nasnímaného bodu a jeho 69

70 vzdialenosti od začiatočného bodu, vypočítame zrýchlenie. Na hodine sme si so žiakmi ukázali, ako by mal graf vyzerať. Meranie sme spracovali aj pomocou programu Coach 5. Na obrázku je tiež spracovaná závislosť rýchlosti loptičky od času. Na tieto merania nadväzuje v prvom ročníku videomeranie zvislého vrhu. Neskôr na seminári z fyziky v treťom alebo vo štvrtom ročníku uskutočníme aj videomeranie šikmého vrhu a kmitov pružinového oscilátora. Študenti tieto videomerania využijú aj pri maturitnej skúške. Obrázok 2.: Voľný pád loptičky spracovaný pomocou programu Coach 5 Obrázok 3. Závislosť dráhy loptičky od času pri voľnom páde, spracované Coach 5 70

71 Obrázok 4.: Zvislý vrh spracovaný pomocou Coach 5 Obrázok 5.: Šikmý vrh spracovaný pomocou Coach 5 71

72 Obrázok 6.: Kmity pružinového oscilátora spracované pomocou Coach 5 Organizačné poznámky a didaktický komentár Celé videomeranie si treba dopredu dobre odskúšať, čo je časovo náročné, najmä v podmienkach strednej školy, kde treba štúdio vytvoriť v laboratóriu alebo v triede. Ak nechceme merania žiakom iba predvádzať, ale chceme, aby skupiny žiakov samostatne pracovali s počítačom, vzniknú isté nároky aj na hardvérové vybavenie. V počítačových učebniach však obyčajne prebieha vyučovanie informatiky. Istou možnosťou na riešenie tejto dilemy je organizácia vyučovania, pri ktorej rôzne skupiny žiakov riešia rôzne úlohy, čo je však náročné pre učiteľa. Neviem, či učiteľ stihne spolupracovať s jednotlivými skupinami, ak skupiny nie sú dostatočne samostatné. Určite sa to nedá dokázať na jednohodinovke, ale treba aspoň dvojhodinovku. Takto organizovanú prácu máme odskúšanú na výberovom seminári z fyziky. Učiteľ musí veľmi dobre ovládať softvér, s ktorým pracuje. Ak uvážime zaťaženosť stredoškolského učiteľa, u ktorého nie je výnimkou 25 odučených hodín za týždeň, plus niekoľko suplovaných, je časová náročnosť poctivej prípravy na takéto hodiny až za hranicou jeho možností. Z tohto hľadiska sa nám zdá Coach 5 veľmi náročný, aspoň kým si učitelia budú musieť prácu sami naprogramovať a pripraviť. Možným riešením by bolo, keby dostali pripravené nastavenia pre merania, teda aj s grafmi, tabuľkami a najlepšie s obrázkom, ako dané meranie pripraviť, na čom sa na našej katedre pracuje. Jednoduchšie sa používa voľne dostupný program Viana. Program je schopný vykresliť závislosť okamžitej polohy, rýchlosti a zrýchlenia od času, tieto grafy netreba nastavovať, ako v programe Coach 5. Program Viana dokáže sám automaticky zaznamenať polohy nasnímaného pohybujúceho sa telesa, alebo môžeme zaznamenávať polohu manuálne pomocou myši, podobne ako v Coach 5. Pri spracovaní výsledkov merania však Viana poskytuje oproti Coach 5 menšie možnosti práce s grafom a slúži výhradne iba pre videomerania. Avšak vďaka jednoduchšiemu ovládaniu a menšiemu počtu odklikov je pre rýchlu prácu na vyučovacej hodine Viana výhodnejšia. 72

73 Na našich hodinách zvykneme niekedy kombinovať obidva programy, pričom využívame výhody každého z nich. Ak chceme, aby žiaci rýchlo dospeli k aktivite, napríklad aby mohli začať zostrojovať graf závislosti prejdenej dráhy od času, používame na odčítanie polohy z obrázka Vianu. V čase, keď si žiaci robia manuálne na milimetrový papier graf, ja spracúvam výsledky pomocou Coach 5. V prvom ročníku, pri skúmaní voľného pádu, sme pomocou Viany prezerali pohyb loptičky, ale spracovanie výsledkov meraní som robil v Coach 5, lebo Viana nedokáže otočiť osi. Zaznamenaný pohyb smeroval nadol a graf závislosti okamžitej polohy od času by potom taktiež klesal. Možné riešenie by bolo otočiť fotoaparát pri snímaní. Programov vhodných na videoanalýzu možno na internete nájsť viac, jednoduché ovládanie a pohodlný prenos dát do Excelu umožňuje program EasyVid. Pre počítačom podporované merania obzvlášť platí, že si treba dať pozor na primeranosť pre žiakov. Niekedy sa totiž stáva, aj na praktikách na vysokej škole, že študentov nútime do počítačom podporovaných experimentov, pričom, ale pretože študenti nerozumejú podstate fyzikálneho javu, je počítač iba komplikáciou navyše. Napriek uvedeným skutočnostiam je používanie výpočtovej techniky dnes samozrejmosťou a aj pri vyučovaní fyziky poskytuje nové možnosti, výrazne šetrí čas a zjednodušuje prácu. Pomocou počítača možno uskutočňovať merania nerealizovateľné klasickým spôsobom. Mnohí žiaci sa rýchlo a ľahko učia používať nové počítačové programy, čo môže byť pre nich na hodinách výhodou. Používaním výpočtovej techniky rozvíjame u žiakov kompetencie spojené s počítačovou gramotnosťou, kompetencie získavať a spracovať informácie, čo využijú nielen na hodinách fyziky. Obrázok 7.: Analýza zvislého vrhu v programe Viana 73

74 Obrázok 8.: Zaznamenané polohy loptičky pri zvislom vrhu pomocou programu Viana Obrázok 9.: Odmeraná závislosť okamžitej výšky loptičky od času pri zvislom vrhu, Viana 74

75 Obrázok 10: Odmeraná závislosť okamžitej rýchlosti loptičky od času pri zvislom vrhu, Viana Úlohu s meraním tiažového zrýchlenia sme v prvom ročníku zaradili po prebratí voľného pádu. Pracovali sme na delenej hodine v skupinách. Keďže išlo o naše prvé pokusy s videomeraniami vo vyučovaní, pomáhali nám kolegovia doktorandi z FMFI UK. Každá zo žiackych skupín mala technického poradcu a vlastný počítač alebo notebook, pomocou ktorého prezerala videozáznam. Na seminári fyziky pre žiakov tretích a štvrtých ročníkov sme analýzy vrhov zaradili pri opakovaní pohybov telies v tiažovom poli Zeme a na domácu úlohu študenti realizovali videomeranie zvislého vrhu pomocou programu Viana. Seminaristi realizovali aj videomeranie kmitavého pohybu a na normálnej hodine úspešne prezentovali jeho výsledky ostatným spolužiakom. Videomerania sa dajú robiť aj s celou polovicou triedy: obraz premietame na plátno pomocou dataprojektoru. Meranie je potom pre celú veľkú skupinu iba jedno. Nabudúce, ak sa bude dať, vytvoríme viac pracovísk pre žiakov, pričom učiteľ bude podávať návod pomocou jedného počítača. Jeho aktivity budú premietané na plátno. Žiaci si budú svoje merania robiť s učiteľovou pomocou na svojich pracoviskách. Podobne realizovali otvorené laboratórium pre študentov stredných škôl na oddelení didaktiky fyziky na Katedre experimentálnej fyziky Prírodovedeckej fakulty UPJŠ v Košiciach a plánuje sa aj na našej Katedre teoretickej fyziky a didaktiky fyziky FMFI UK. Žiaci prvých ročníkov spracovali z meraní protokol, čím sa u nich rozvíja kompetencia uskutočniť zápis o experimente, výsledky meraní spracovali ako tabuľky a grafy. Žiaci vyšších ročníkov navyše navrhovali a realizovali na seminári z fyziky experiment sami, formulovali hypotézy, navrhli tvary jednotlivých grafov, overovali hypotézy, interpretovali výsledky získané z grafov, zisťovali, kde mohli pri meraní nastať chyby. Vždy išlo o skupinovú prácu, takže sa rozvíjajú kompetencie spolupracovať a kooperatívne riešiť problémy. Pri prezentovaní výsledkov meraní sa rozvíjali komunikačné schopnosti, ústne vyjadrovanie, vysvetľovanie a komunikovanie informácií. 75