Φως: Κυματικό και σωματιδιακό πρότυπο - Εκπαιδευτική πρόταση

Transcript

1 Φως: Κυματικό και σωματιδιακό πρότυπο - Εκπαιδευτική πρόταση Νικόλαος Φ. Βουδούκης Φυσικός-Ραδιοηλεκτρολόγος, M.Sc., Ph.D. Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών Ε.Μ.Π. nvoudoukis@aspete.gr Περίληψη Η παρούσα εργασία αποτελεί μία περιγραφή εκπαιδευτικής πρότασης, ενός τρόπου διδασκαλίας για την ανάδειξη της κβαντικής φύσης του φωτός (κυματοσωματιδιακός δυϊσμός) εστιάζοντας στην επιλογή του καταλληλότερου προτύπου (κυματικού, σωματιδιακού ή και των δύο) του φωτός για την εξήγηση ενός (συγκεκριμένου κάθε φορά) φαινομένου του φωτός σε μαθητές της δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης, αλλά και σε φοιτητές χωρίς υψηλό μαθηματικό υπόβαθρο. Αυτό γίνεται με την πραγματοποίηση πειραμάτων που προτείνονται - με απλά υλικά και με χρήση διάταξης οπτικής καθώς και με τη βοήθεια λογισμικού και τη χρήση υπολογιστών. Η πρόταση συμβάλλει στην προαγωγή του ενοποιητικού χαρακτήρα της φυσικής του φωτός, με τη χρήση ΤΠΕ, παρέχοντας τη δυνατότητα υπέρβασης των εμποδίων που θέτει το υψηλό επίπεδο μαθηματικών γνώσεων της κβαντικής φυσικής. Λέξεις κλειδιά: φως, κυματικό και σωματιδιακό πρότυπο, πειράματα, λογισμικό, εκπαίδευση. Εισαγωγή Δεν είναι γενικά εύκολο σε κάποιον να μελετήσει και να κατανοήσει με ευχέρεια χρόνου και δυνατότητα επαναληψιμότητας τα φαινόμενα που μελετώνται, κάνοντας πειράματα στο κλασικό εργαστήριο. Επίσης, είναι αδύνατη η άμεση εποπτεία των περισσοτέρων από αυτά τα φαινόμενα, καθώς η «εικόνα» που έχουμε για τον κόσμο που μας περιβάλλει περιορίζεται μέσω των αισθητηρίων που διαθέτουμε. Η πραγματοποίηση εργαστηριακών ασκήσεων με τη βοήθεια λογισμικού που προσομοιώνει τα εν λόγω φαινόμενα, έχοντας λάβει υπόψη το μαθηματικό φορμαλισμό που τα συνοδεύει, αποτελεί μία λύση στα προβλήματα που αναφέρθηκαν παραπάνω και συμβάλλει στην κατανόησή τους. Η χρήση των υπολογιστών στην εκπαίδευση στις φυσικές επιστήμες, ανάμεσα στα άλλα πλεονεκτήματα παρέχει τη δυνατότητα για την προσομοίωση και την οπτικοποίηση μοντέλων του μικρόκοσμου αλλά και του μακρόκοσμου. Η οπτικοποίηση και η προσομοίωση χρησιμοποιούνται τόσο στην έρευνα όσο και στην εκπαίδευση για να περιγράψουν και να ερμηνεύσουν φαινόμενα και διαδικασίες (Barnea and Dori, 2000), καθώς και να βοηθήσουν στον έλεγχο και στην ανάπτυξη θεωριών και επιστημονικών προτύπων. Η ίδια η επιστημονική προσπάθεια έχει

2 περιγραφεί ως μία διαδικασία δημιουργίας προτύπων με εννοιολογική και προβλεπτική αξία (Gilbert, 1997). Η μελέτη του σωματιδιακού προτύπου με χρήση κατάλληλων πειραμάτωνεπιδείξεων θα λειτουργήσει περισσότερο υποβοηθητικά για την κατανόηση του κυματικού προτύπου και ως συνδετικός κρίκος της σύγχρονης-μετακλασικής φυσικής με την κλασική-νευτώνεια φυσική. Η σημερινή αποδεκτή επιστημονική ερμηνεία για το φως υποστηρίζει ότι είναι κύμα και σωματίδιο ταυτόχρονα (Feynman, 1985). Αμέσως λοιπόν γίνεται αντιληπτή η δυσκολία που υπάρχει στη διδασκαλία αυτής της επιστημονικής ερμηνείας, καθώς δεν είναι δυνατό να έχει κάποιος άμεση εποπτεία αυτής της «εικόνας» του φωτός, χρησιμοποιώντας τις αισθήσεις του. Η κυματική φύση του φωτός αποτελεί χαρακτηριστικό παράδειγμα επιστημονικής ερμηνείας φυσικού φαινομένου, που αποκαλύφθηκε με έναυσμα μαθηματικές διατυπώσεις / εκφράσεις (εξισώσεις Maxwell) πριν παρατηρηθεί στη φύση ή αναδειχθεί και πραγματοποιηθεί / επιβεβαιωθεί στο επιστημονικό εργαστήριο. Μεθοδολογία σχεδιασμού της εκπαιδευτικής πρότασης Το λογισμικό περιλαμβάνει μέσα πολύμορφης επικοινωνίας (multimedia) ενταγμένα σε οθόνες δημιουργημένες στο πρόγραμμα Front Page. Περιέχει πρωτότυπες προσομοιώσεις και οπτικοποιήσεις που έχουν σχεδιαστεί και δημιουργηθεί σε Visual Basic 6.0 (ευχαριστίες οφείλονται στο Δρ Π. Τσάκωνα) καθώς επίσης και πρωτότυπα τρισδιάστατα γραφικά που έχουν σχεδιαστεί σε 3D Studio Max R3.1 Οι θεματικές ενότητες που περιλαμβάνει το λογισμικό της πρότασης είναι οι ακόλουθες επτά (7): Ευθύγραμμη διάδοση, Ανάκλαση, Συμβολή Περίθλαση, Διάθλαση, Απορρόφηση, Ανάλυση Σύνθεση, Πόλωση. Σε κάθε μία από αυτές τις επτά (7) θεματικές ενότητες υπάρχει υλικό που αναφέρεται στο κυματικό και στο σωματιδιακό πρότυπο του φωτός. Το υλικό αυτό είναι το ίδιο σε όλες τις θεματικές - για την διασφάλιση της αυτοτέλειας σε περίπτωση διδασκαλίας μίας συγκεκριμένης θεματικής ενότητας - και η μελέτη του πρέπει να προηγείται της μελέτης του υλικού της κύριας θεματικής (ως εισαγωγή στα διαθέσιμα πρότυπα). Στο βήμα του πειραματισμού περιέχονται πειράματα για πειραματισμό στο κλασικό εργαστήριο με δύο δυνατότητες: με χρήση της διάταξης οπτικής και με απλά υλικά (Voudoukis et all, 2006). Επίσης περιέχεται λογισμικό σε Visual Basic με προσομοίωση (με δυναμική αλλαγή των παραμέτρων) των διαδικασιών-φαινομένων. Η μεθοδολογία που ακολουθούμε στην παρούσα πρόταση περιλαμβάνει τη διατύπωση των ερευνητικών υποθέσεων, τη διατύπωση ερευνητικών ερωτημάτων, την καταγραφή των στόχων μας, τη σχεδίαση του αναλυτικού προγράμματος της διδακτικής μας παρέμβασης, τη σύνθεση του υποστηρικτικού υλικού, την εφαρμογή και αξιολόγηση της πρότασης, τη συλλογή των ερευνητικών δεδομένων, τη στατιστική επεξεργασία τους και την εξαγωγή των συμπερασμάτων.

3 Το εκπαιδευτικό υλικό που υποστηρίζει την παρέμβαση περιλαμβάνει φύλλα εργασίας σε έντυπη μορφή, αλλά το βασικό τμήμα του είναι σε ηλεκτρονική μορφή και ο υπολογιστής θεωρείται αναπόσπαστο εργαλείο για την υποστήριξη της προτεινόμενης διδακτικής εργαστηριακής προσέγγισης. Ειδικά όσον αφορά στα πειράματα, στο προτεινόμενο λογισμικό περιλαμβάνονται οι οδηγίες οργάνωσης και εκτέλεσής τους. Επίσης υπάρχουν ερωτήσεις ιδιαίτερου ενδιαφέροντος-θέματα προβληματισμού προς απάντηση για περαιτέρω μελέτη και έρευνα (στο σπίτι), που αναφέρονται σε κάθε θεματική ενότητα. Οι στόχοι της πρότασής μας είναι: Συνοπτική περιγραφή των στόχων της πρότασης - να χρησιμοποιήσουμε αποδεικτικό και ερμηνευτικό πειραματισμό για τη διδασκαλία του προτύπου του φωτός και την ανάδειξη της διττής φύσης του (κυματοσωματιδιακός δυϊσμός) - να συνθέσουμε / δημιουργήσουμε ηλεκτρονικό εκπαιδευτικό υλικό, στο οποίο θα περιλαμβάνονται προσομοιώσεις και οπτικοποιήσεις καθώς και κλασικές εργαστηριακές πρακτικές (πειράματα στο εργαστήριο), ώστε να είναι εφικτή η επιλογή του καταλληλότερου προτύπου του φωτός για την εξήγηση ενός φαινομένου του, καθώς και (να συνθέσουμε / δημιουργήσουμε) μια σειρά μαθημάτων-θεματικών ενοτήτων με συγκεκριμένη δομή για το πρότυπο του φωτός, που να αποτελεί έναν τρόπο διδασκαλίας για το πρότυπο του φωτός και να απευθύνεται σε μαθητές λυκείου και πιθανώς σε φοιτητές, - να σχεδιάσουμε μια διδακτική παρέμβαση, με βάση το παραπάνω υλικό και τη σειρά μαθημάτων θεματικών ενοτήτων, να εφαρμόσουμε και να αξιολογήσουμε τη διδακτική παρέμβαση σε μαθητές λυκείου, - να αξιολογήσουμε το εκπαιδευτικό λογισμικό. Τα καινοτομικά χαρακτηριστικά της εκπαιδευτικής παρέμβασης Τα καινοτομικά χαρακτηριστικά της εκπαιδευτικής παρέμβασης αφορούν: - στο μετασχηματισμό επιστημονικών κβαντικών προτύπων σε εκπαιδευτικά πρότυπα - στην προσπάθεια εισαγωγής της μετακλασικής φυσικής σε ευρύτερο κύκλο μαθητών δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης (λυκείου) ) καθώς και φοιτητών, ακόμη και τμημάτων που δεν έχουν ως κύριο γνωσιακό αντικείμενο τη φυσική (Voudoukis et al, 2007 & Voudoukis et al, 2009) - στη χρήση των μεθόδων και των τεχνικών της στοχαστικής ανάλυσης, και ειδικότερα των μεθόδων και των τεχνικών Monte Carlo, για την προσομοίωση και δυναμική οπτικοποίηση του μικρόκοσμου (στο μέρος που αφορά το πρότυπο του

4 φωτός) από τον ηλεκτρονικό υπολογιστή με χρήση τυχαίων αριθμών (Gilbert, 1997). Στο υποστηρικτικό υλικό της εκπαιδευτικής παρέμβασης, χρησιμοποιείται ως εργαλείο, λογισμικό που προσομοιώνει / οπτικοποιεί με δυναμικό τρόπο τις πιθανοκρατικές και στοχαστικές διαδικασίες του μικρόκοσμου (Gilbert & Boulter, 1998). Η εκπαιδευτική διαδικασία υποστηρίχθηκε από τις σύγχρονες τεχνολογίες πληροφόρησης και τις μεθόδους / τεχνικές της στοχαστικής ανάλυσης για την προσομοίωση και δυναμική οπτικοποίηση των δομών, των αλληλεπιδράσεων, των κινήσεων και των διαδικασιών του μικρόκοσμου, σύμφωνα με τα κβαντικά πρότυπα - στο συνδυασμό κατά τη διδασκαλία λογισμικού (ηλεκτρονικού υπολογιστή) και κλασικού πειραματισμού (εργαστηρίου σε «εργαστηριακό πάγκο») (Voudoukis et all, 2010) - στην προαγωγή του ενοποιητικού / συνεκτικού χαρακτήρα της επιστήμης όπως γίνεται αποδεκτός από τις σύγχρονες θεωρίες και στη συμβολή στη διαμόρφωση θετικής στάσης προς τη φυσική Στάδια υλοποίησης της διδακτικής πρότασης Η δομή του Εκπαιδευτικού Λογισμικού - Περιγραφή Η σχεδίαση του εκπαιδευτικού λογισμικού, το οποίο έχει αναπτυχθεί με τη χρήση του προγράμματος Front Page, πραγματοποιήθηκε με βάση τα παρακάτω βήματα: α) Έναυσμα ενδιαφέροντος, β) Διατύπωση Υποθέσεων, γ) Πειραματισμός, δ) Διατύπωση Συμπερασμάτων, ε) Εφαρμογή και Γενίκευση. Εικόνα 1. Αρχική οθόνη του εκπαιδευτικού λογισμικού

5 Κάθε ομάδα μαθητών χρησιμοποιεί τον Η/Υ του εργαστηρίου που αντιστοιχεί σε αυτήν. Στον Η/Υ υπάρχει το υποστηρικτικό υλικό λογισμικό. Με βάση οδηγίες φύλλα εργασίας που δίνονται σε μορφή φυλλαδίου οι μαθητές χειρίζονται το υλικό. Όταν χρειάζεται (με βάση τις οδηγίες) «αφήνουν» τον Η/Υ και «πηγαίνουν» στον εργαστηριακό πάγκο για να εκτελέσουν πείραμα ή να δουν κάποιο εξάρτημα ή διάταξη. Στα φύλλα εργασίας τα οποία παραδίδονται στο τέλος καταγράφουν τις μετρήσεις και τις παρατηρήσεις τους. Δημιουργείται με τον τρόπο αυτό μία αρκετά επιτυχημένη αλληλεπίδραση Η/Υ (με δημιουργία υλικού που καλύπτει πλήρως την άσκηση, ακολουθώντας την εκπαιδευτική μεθοδολογία των πέντε βημάτων) και κλασικού εργαστηρίου (με πραγματοποίηση διάταξης, λήψη μετρήσεων κλπ.). Όλες οι θεματικές ενότητες περιέχουν ως εισαγωγικές υποενότητες το κυματικό και το σωματιδιακό πρότυπο του φωτός. Εικόνα 2. (α) Έναυσμα: Σωματίδια-Φωτόνια σε οπτική ίνα (β) Προσομοίωση: Συμβολή Επίπεδων Κυμάτων σε Επιφάνεια (Οπτικοποίηση) Παράδειγμα - Θεματική ενότητα: Ανάκλαση του φωτός Η αρχική οθόνη της θεματικής ενότητας είναι η ακόλουθη. Εικόνα 3. Αρχική οθόνη της θεματικής ενότητας Ανάκλαση του φωτός

6 Στο λογισμικό μελετάται με τη βοήθεια των προσομοιώσεων η ανάκλαση. Οι δραστηριότητες είναι οι εξής: 1.Κατοπτρική ανάκλαση φωτός, 2.Διάχυση φωτός, 3.Ανάκλαση σε πρίσμα Στην «Κατοπτρική Ανάκλαση Φωτός» και στη «Διάχυση φωτός» υπάρχουν οι επιλογές: Αρχικός Προσανατολισμός Ακτίνας Φωτός, Το φως είναι... σωμάτιο - κύμα, Εμφάνιση Ακτινών, Διάστιχο, Χρώμα, Πλήθος, Πάχος Σχεδίασης, Σχεδίαση Ανακλώμενης, Σχεδίαση Κάθετης, Προέκταση Προσπίπτουσας, Τυχαίο Χρώμα Σχεδίασης, Βραδύτητα προσομοίωσης, Επαναφορά, Προσομοίωση(/Παύση), Αποθήκευση, Εκτύπωση, Έξοδος. Στην «Ανάκλαση σε Πρίσμα» υπάρχουν επιπλέον (εκτός των προηγούμενων) και οι επιλογές για το πρίσμα: Μέγεθος, Σχήμα (μενού επιλογών: Επιλογή χρήστη, τρίγωνο, Ανάποδο Τρίγωνο, Διαμάντι, Τετράγωνο, Άστρο). Εικόνα 4. (α) Προσομοίωση: κατοπτρική ανάκλαση φωτός (φως σωμάτιο) (β)προσομοίωση : διάχυση φωτός (φως κύμα) Εικόνα 5. Παράδειγμα αντιστοιχίας πειραμάτων και προσομοιώσεων λογισμικού Φύλλο Εργασίας

7 Oμάδα/Ονόματα:... Μάθημα/Εργαστήριο (Ημέρα-Ώρες):... Ημερομηνία :... Θεματική ενότητα : Ανάκλαση του φωτός 1. Στην επιφάνεια εργασίας επιλέξτε: «Ανάκλαση». 2. Στη συνέχεια επιλέξτε το εικονίδιο: «Έναυσμα». 3. Παρατηρήστε τις εικόνες και μελετήστε τα κείμενα (όσα νομίζετε ή όποια υποδείξει ο εκπαιδευτής σας). 4. Επιλέξτε το εικονίδιο: «Υποθέσεις». 5. Διατυπώστε τις υποθέσεις σας Επιλέξτε το εικονίδιο: «Πειραματισμός». 6. Εκτελέστε τα πειράματα, που θα σας υποδείξει ο εκπαιδευτής, από τα προτεινόμενα με χρήση της διάταξης οπτικής ή με απλά υλικά. Επίσης με τη βοήθεια του λογισμικού εκτελέστε πειράματα αξιοποιώντας τις επιλογές και τις δυνατότητες που είναι διαθέσιμες (προτείνονται ενδεικτικά κάποια). 7. Επιλέξτε το εικονίδιο: «Συμπεράσματα». 8. Μελετήστε τα συμπεράσματα. 9. Επιλέξτε το εικονίδιο: «Εφαρμογές». 10. Μελετήστε το κείμενο. 11. Επιλέξτε «Αρχική σελίδα». Ακολουθούν «Εργασίες-Ερωτήσεις» που δίνονται για το σπίτι με σκοπό την εμπέδωση του μαθήματος. Αξιολόγηση της εκπαιδευτικής παρέμβασης θα μπορούσε να γίνει με συμπλήρωση από τους μαθητές pre-test πριν τη διδασκαλία, post-test μετά τη διδασκαλία και finaltest κάποιο χρονικό διάστημα (ένα ως δύο μήνες) μετά τη διδασκαλία. Κάθε test μπορεί να αποτελείται από δέκα (10) ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής με τέσσερις (4) επιλογές απάντησης (α, β, γ, δ) η κάθε ερώτηση. Συμπεράσματα 'Έχει γίνει πλέον ευρέως αποδεκτό το γεγονός ότι η εκπαιδευτική διαδικασία οφείλει να μεταφέρει, σε όλες τις βαθμίδες, το επιστημονικό περιεχόμενο της φυσικής ως το αντικείμενο μιας ενιαίας θεωρίας. Δυστυχώς όμως υπάρχει έλλειψη διδακτικών στρατηγικών που θα έδιναν τη δυνατότητα υπέρβασης των εμποδίων που θέτει το υψηλό επίπεδο μαθηματικών γνώσεων το οποίο απαιτεί η κβαντική φυσική. Η φυσική του φωτός θα έπρεπε να διδαχθεί ως «ενοποιημένη» θεωρία, τονίζοντας ότι η σωματιδιακή και η κυματική θεωρία είναι προσεγγίσεις μίας θεωρίας και είναι έγκυρες κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες (Feynman, Leighton & Sands, 1977). Όταν αυτές οι συνθήκες-προϋποθέσεις ικανοποιούνται, είναι αποδεκτή η χρήση είτε της σωματιδιακής είτε της κυματικής προσέγγισης είτε και των δύο.

8 Συμπερασματικά η παρούσα πρόταση / εκπαιδευτική παρέμβαση αποτελεί την παρουσίαση, εφαρμογή και αξιολόγηση ενός τρόπου διδασκαλίας των ιδιοτήτων και του προτύπου του φωτός (κυματοσωματιδιακός δυισμός). Πρόκειται δηλαδή για μία πρόταση μετασχηματισμού επιστημονικών προτύπων της μετακλασικής φυσικής σε εκπαιδευτικά πρότυπα. Αυτό γίνεται με τη δημιουργία πρωτότυπου λογισμικού και τη δόμηση-ανάπτυξη μιας σειράς επτά (7) δίωρων μαθημάτων-εργαστηριακών ασκήσεων με τη χρήση υπολογιστών και την εκτέλεση πειραμάτων σε «εργαστηριακό πάγκο» όπου αυτό είναι εφικτό. Η εκπαιδευτική πρόταση απευθύνεται σε μαθητές της δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης, αλλά και σε φοιτητές χωρίς υψηλό μαθηματικό υπόβαθρο. Βιβλιογραφικές αναφορές Barnea, N. (2000), Teaching and learning about chemistry and modeling with a computer-managed modeling system, in Gilbert, J.K. & Boulter, C. (eds.), Developing Models in Science Education, Dordrecht: Kluwer, pp Fetherstonhaugh, T., & Treagust, D.F. (1992). Students understanding of light and its properties: teaching to engender conceptual change. Science Education, 76, Feynman, R. P. (1985). QED: The strange theory of light and matter. Princeton, New Jersey: Princeton University Press. Feynman, R., Leighton R. & Sands, M. (1977), The Feynman Lectures on Physics (6 th reprint), Reading MA: Addison-Wesley. Gilbert, J.K. (1997) (Ed). Exploring Models and Modeling in Science and Technology Education. The University of Reading, The New Bulmershe Papers, UK. Gilbert J., Boulter C. (1998), Learning through models and modeling, in Frazer, B. & Tobin, K. (eds), The international Handbook of Science Education, Dordrecht: Kluwer, pp Voudoukis N., Oikonomidis S. and Kalkanis G. (2006) Hands-on Activities with LEDs and Light, HSCI2006, 3rd International Conference on Hands-on Science, University of Minho, September 4-9, Braga, Portugal Voudoukis N., Kalkanis G. (2007) Students Understanding and Teachers Education on Wave - Particle Duality A Proposal for Scientific to Educational Models Transformation, ESERA conference Research and the quality of science education, Malmö, Sweden Voudoukis N., Kalkanis G. (2009) Non Major Science Students / Future Teachers Understanding and Education on Special Theory of Relativity A Proposal for Scientific to Educational Models Transformation, 13th Biennal Conference EARLI 2009, August 25-29, Amsterdam, the Netherlands Voudoukis N., Kalkanis G. (2009) An Application and Assessment of a Model for Teaching / Understanding Photoelectric Effect in Non-Major Science University Students / Prospective Teachers Education A Proposal for Scientific to Educational Models Transformation, ESERA conference, August 31st - September 4 th, Istanbul, Turkey,

9 Voudoukis N., Kalkanis G. (2010) ''Hands-on Educational Experimentation with LEDs, Optical Fibers and Photodiodes in a Modern Technology Dependent Society'', HSCI2006, 5 th International Conference on Hands-on Science, University of Rethymno, July Crete, Greece