ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟΥ Αριστέα Μπουλουξή ΕΙΔΙΚΟΤΗΤΑ ΠΕ04.01 (Φυσικός) ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΟΜΙΛΟΥ Όμιλος Σύγχρονης Φυσικής: «Από το ορατό στο αόρατο και από το απόλυτο στο σχετικό» http://relativityquantumphysics.blogspot.gr ΤΑΞΕΙΣ Α, Β & Γ Γυμνασίου καθώς και Α Λυκείου του Γυμνασίου και Λυκείου Αναβρύτων, καθώς και όμορων σχολείων ΑΡΙΘΜΟΣ ΜΑΘΗΤΩΝ ΑΝΑΓΚΑΙΟΤΗΤΑ 40 (20 Α, Β Γυμνασίου & 20 Γ Γυμνασίου, Α Λυκείου) Ο Όμιλος Σύγχρονης Φυσικής του Γυμνασίου Αναβρύτων έκλεισε ένα χρόνο λειτουργίας και επιχειρεί να φέρει επαφή τους μαθητές με θέματα σύγχρονης φυσικής, τα οποία δεν διδάσκονται στο σημερινό σχολείο δεν περιλαμβάνονται σε αναλυτικά προγράμματα της δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης και επιπλέον, θεωρούνται εξ ορισμού δύσκολα επειδή διαφοροποιούνται κατά πολύ από τις καθημερινές εμπειρίες. Ωστόσο, κρύβουν μοναδική γοητεία, η οποία απλόχερα χαρίζεται σε όποιον τα προσεγγίζει, πόσο μάλλον όταν διεισδύει κανείς σε αυτά. Η σύγχρονη φυσική περιγράφει τον παράξενο κόσμο που βλέπουμε όταν απομακρυνθούμε από την καθημερινότητα. Χωρίζεται σε δύο μέρη, που το καθένα από αυτά αντιπροσωπεύει μια ριζοσπαστική απομάκρυνση από τους κλασικούς κανόνες. Στη μια πλευρά, η σχετικότητα (η ειδική θεωρία για την ακρίβεια) ασχολείται με τα αντικείμενα που κινούνται πολύ γρήγορα, κοντά στην ταχύτητα του φωτός, ενώ το άλλο μέρος της σύγχρονης φυσικής, η κβαντική φυσική, ασχολείται με τα ηλεκτρόνια και το φως, τα οποία συμπεριφέρονται με το δικό τους μοναδικό τρόπο, τον 1
ονομαζόμενο κβαντομηχανικό. Στον όμιλο αυτό προσεγγίζονται, με ιδιαίτερο σεβασμό στις ιδιαιτερότητες των μαθητών, θέματα της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας, και της κβαντικής φυσικής. Επιχειρείται δε, ομαλή μετάβαση αφενός από τον «απόλυτο χρόνο και χώρο» στον «σχετικό χρόνο και χώρο», και αφετέρου από τον ορατό κόσμο, στον αόρατο κόσμο της δομής του ατόμου. ΣΚΟΠΟΣ Σκοπός του ομίλου είναι η προσέγγιση και η σχετική εξοικείωση των μαθητών με τη σύγχρονη φυσική, ώστε να καλλιεργηθεί θετική στάση απέναντι σε θέματα, όπως η σχετικότητα και η κβαντομηχανική, τα οποία εξ ορισμού θεωρούνται δυσνόητα. Επιπλέον, στοχεύει στην καλλιέργεια επιστημονικών δεξιοτήτων, καθώς και επιστημονικού τρόπου σκέψης. Στο σκοπό αυτό συνεισφέρουν διάφορα μέσα και εργαλεία όπως ποικίλες μέθοδοι διδασκαλίας, αξιοποίηση της ιστορίας των επιστημών και της φύσης της Επιστήμης (Nature of Science), το εργαστήριο φυσικών επιστημών, εκπαιδευτικές επισκέψεις, αξιοποίηση των νέων τεχνολογιών, συνεργασία με φορείς, κ. α. Επιπλέον, αξιοποιούνται οι ικανότητες, δεξιότητες και δυνατότητες των μαθητών, αλλά και η αστείρευτη φαντασία τους, ώστε οι ίδιοι να συμβάλλουν ενεργά στην εξέλιξη της εκπαιδευτικής διαδικασίας και της μάθησης, η οποία δεν είναι μόνο ατομική, αλλά εξ ίσου και συλλογική υπόθεση. ΣΤΟΧΟΙ Εικόνα 1: Οι συμμετέχοντες στο 5 o συνέδριο του Solvay (1927) και πρωταγωνιστές της φυσικής του 20 ου αι. Ειδικότερα, με το πρόγραμμα του ομίλου κατά το σχολικό έτος 2016-17, οι μαθητές επιδιώκεται να: αναγνωρίζουν την ιδιαίτερη αντιμετώπιση του «χώρου» και του «χρόνου» από την ειδική θεωρίας της σχετικότητας. ερμηνεύουν φαινόμενα όπως η διαστολή του χρόνου και η συστολή του μήκους με βάση την ειδική θεωρία της σχετικότητας. επισημαίνουν τους σταθμούς που οδήγησαν στην αποδοχή από την επιστημονική κοινότητα ότι τα άτομα υφίστανται, αλλά και εκείνους που οδήγησαν στο πρώτο κβαντομηχανικό ατομικό πρότυπο. συνειδητοποιήσουν ότι η πορεία προς το άτομο, αλλά και προς το κβαντομηχανικό ατομικό πρότυπο ήταν μια πορεία χρονοβόρα και 2
επίπονη, με διαμάχες, συγκρούσεις, ρήξεις και ανατροπές, στην οποία συμμετείχε και συνέβαλε πλήθος επιστημόνων. ερμηνεύουν φαινόμενα της καθημερινής ζωής, όπως τα πυροτεχνήματα, οι λάμπες νέον, τα φθορίζοντα υλικά, κ.α. με αναφορά στο μικρόκοσμο και την ατομική δομή. αναγνωρίζουν και εξοικειωθούν στη χρήση των πολυποίκιλων αναπαραστάσεων που χρησιμοποιούν η φυσική και η χημεία για να περιγράφουν και να ερμηνεύουν φαινόμενα. εφαρμόζουν την επιστημονική μέθοδο για την ερμηνεία φαινομένου και κατ επέκταση για την πραγματοποίηση οποιοδήποτε έργου τούς ανατεθεί. σχεδιάζουν και να πραγματοποιούν απλά πειράματα. χρησιμοποιούν κι αξιοποιούν κατά τη μάθηση εκπαιδευτικά λογισμικά και το διαδίκτυο. εργάζονται ομαδικά καλλιεργώντας κοινωνικές δεξιότητες. αναπτύξουν θετική στάση απέναντι στη φυσική και τη χημεία, αναγνωρίζοντας τη συμβολή τους στην ανάπτυξη του πολιτισμού. ΑΝΑΛΥΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΔΙΔΑΣΚΑΛΙΑΣ/ ΔΡΑΣΕΩΝ Α Ενότητα 1. Η πορεία προς το άτομο Από τους Προσωκρατικούς Φιλοσόφους στον Αϊνστάιν (1905) Για το σχολικό έτος 2015-2016 2. Ο απόλυτος χώρος και χρόνος Χρόνος: μέτρηση χρονικής διάρκειας, προσδιορισμός χρονικής στιγμής Χώρος: μέτρηση απόστασης, προσδιορισμός θέσης σημειακού αντικειμένου σε ευθεία, επίπεδο και χώρο Κίνηση και τα χαρακτηριστικά της ως προς αδρανειακά συστήματα αναφοράς: Η κλασική άποψη η άποψη του Γαλιλαίου και του Νεύτωνα. B Ενότητα 3. Ο σχετικός χώρος και χρόνος Η ανεπάρκεια της κλασικής άποψης. Αξιώματα ειδικής θεωρίας σχετικότητας η άποψη του Αϊνστάιν Ο χρόνος και ο χώρος υπό τους περιορισμούς της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας: σχετικότητα ταυτοχρονισμού, διαστολή του χρόνου, συστολή του μήκους - Παράδοξα 3
4. Στο εσωτερικό του ατόμου η πορεία προς το κβαντομηχανικό ατομικό πρότυπο ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ & ΑΤΟΜΙΚΑ ΦΑΣΜΑΤΑ: Η σωματιδιακή φύση του φωτός Η κυματική φύση των σωμάτων Η αρχή της αβεβαιότητας Η κβαντομηχανική περιγραφή του ατόμου ΠΛΑΙΣΙΩΣΗ ΜΕ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΤΗΣ ΚΑΘΗΜΕΡΙΝΗΣ ΖΩΗΣ: Ατενίζοντας τα άστρα Πυροτεχνήματα Φωτισμός με Νέον Φθορίζοντα υλικά ΩΡΕΣ ΕΒΔΟΜΑΔΙΑΙΩΣ 4 ΔΙΔΑΚΤΙΚΟ ΥΛΙΚΟ Σημειώσεις και φύλλα εργασίας Για την επίτευξη του σκοπού και στόχων θα αξιοποιηθεί κατάλληλο εκπαιδευτικό λογισμικό, αλλά και το διαδίκτυο. Επιπλέον, θα πραγματοποιηθούν πειράματα, στο εργαστήριο, αλλά και νοητικά. ΠΑΡΑΔΟΤΕΑ Σημειώσεις και φύλλα εργασίας Συνθετικές εργασίες μαθητών σε ηλεκτρονική μορφή ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕ ΦΟΡΕΙΣ Τμήματα: Χημικών Μηχανικών & ΣΕΜΦΕ ΕΜΠ Τμήματα: Φυσικής & Χημείας ΕΚΠΑ Τμήμα Διαχείρισης Πολιτισμικού Περιβάλλοντος και Νέων Τεχνολογιών Πανεπιστημίου Πατρών Μουσείο Ορυκτολογίας και Πετρολογίας ΕΚΠΑ Μουσείο Ιστορίας Πανεπιστημίου Αθηνών Ίδρυμα Ευγενίδου ΣΥΜΜΕΤΟΧΗ ΣΕ ΦΕΣΤΙΒΑΛ ΚΑΙ ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΟΥΣ Βραδιά Ερευνητή Athens Science Festival Διεθνής διαγωνισμός μυθιστορήματος κβαντικής φαντασίας: «Quantum Shorts» Πανελλήνιους Αγώνες Κατασκευών και Πειραμάτων Φυσικών Επιστημών 4
ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Akarsu, B. (2011). Instructional designs in quantum physics: A critical review of research. Asian Journal of Applied Sciences, 4 (2), σσ. 112-118. Anderson, R. D. (2002). Reforming Science Teaching: What Research says about Inquiry. Journal of Science Teacher Education, 13 (1), σσ. 1-12. Arriassecq, I., & Greca, I. M. (2007). Approaches to the teaching of special relativity theory in high school and university textbooks of Argentina. Science & Education, 16 (1), σσ. 65-86. Arriassecq, I., & Greca, I. M. (2012). A teaching learning sequence for the special relativity theory at high school level historically and epistemologically contextualized. Science & Education, 21 (6), σσ. 827-851. Asimov, I. (1998). Το Χρονικό των Επιστημονικών Ανακαλύψεων. Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο. Aubusson, P., Griffin, J., & Kearney, M. (2012). Learning beyond the classroom: Implications for school science. Στο Second international handbook of science education (σσ. 1123-1134). Springer Netherlands. Baron, J., Blevins, M, & Sawrey, B. (1998). ChemSource (Atomic Structure). National Science Foundation & Chemical Heritage Foundation. Bernstein, J. (1995). Αϊνστάιν. Ηράκλειο: Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης. Brush, S. (1988). The History of Modern Science-A Guide to the Second Scientific Revolution, 1800-1950. (No. 04; Q125, B8.). Ames, IA: Iowa State University Press. Buttterfield, Η. (1994). Η καταγωγή της σύγχρονης Επιστήμης (1300-1800). Μορφωτικό Ίδρυμα Εθνικής Τραπέζης. Αθήνα. Chiappetta, E. L., & Koballa Jr, T. R. (2014). Science instruction in the middle and secondary schools. College of Education Faculty Publications, Paper 6. source: http://www.amazon.com/science-instruction-middle- Secondary-Schools/dp/0133783766 isbn: 9780133783766. Cohen, B. (1994). Revolution in science. The Belknap Press of Harvard University Press. Crawford, B. A. (2007). Learning to Teach Science as Inquiry in the Rough and Tumble of Practice. Journal of Research in Science Teaching, 44 (4), σσ. 613-642. Crosland, M. (1992). The Science of Matter. Gordon and Breach Science Publishers. Dawkins, R. (2000). Υφαίνοντας το ΟΥΡΑΝΙΟ ΤΟΞΟ. Π. Τραυλός. Feynman, R. (1990). Ο χαρακτήρας του Φυσικού Νόμου. Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης. Ηράκλειο. Gil, D., & Solbes, J. (1993). The introduction of modern physics: overcoming a deformed vision of science. International Journal of Science Education, 15 (3), σσ. 255-260. Gilmore, R. (1999). H Αλίκη στη χώρα των κβάντων. Κάτοπτρο. Greca, I. M., & Freire, O. (2014). Teaching introductory quantum physics and chemistry: caveats from the history of science and science teaching to the training of modern chemists. Chemistry Education Research and Practice, σσ.., 15(3), 286-296. Halliday, D. (2011). Fundamentals of physics / David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker. 9th e. John Wiley & Sons, Inc. Hann, J. (1995). Ανακαλύπτω την Επιστήμη. Ερευνητές. Hawking, S. (2000). Το χρονικό του χρόνου. Κάτοπτρο Hey, T. & Walters, P. (1992). To κβαντικό σύμπαν. Κάτοπτρο. Αθήνα. Holton, G. (1988). Thematic Origins of Sciesntific Thought-Kepler to Einstein. Harvard University Press. Humphreys, C. (1999). Electrons seen in orbit, Nature/Vol. 401/2 September 1999, 21-22. Joesten, M. & Wood, H. (2007). World of Chemistry. Saunders Golden Snburst Series. Kalkanis, G., Hadzidaki, P., & Stavrou, D. (2003). An instructional model for a radical conceptual change towards quantum mechanics concepts. Science Education, 87 (2), σσ. 257-280. Kiray, S. A. (2016). The pre-service science teachers mental models for concept of atoms and learning difficulties. International Journal of Education in Mathematics, Science and Technology, 4 (2), σσ. 147-162. Kontogeorgiou, A., Bellou, J., & Mikropoulos, T. A. (2007). Visualizing the quantum atom. Contributions from Science Education Research, σσ. 465-475. Leach, J. T., & Scott, P. H. (2008). Teaching for conceptual understanding: An approach drawing on individual and sociocultural perspective. Στο S. Vosniadou, International Handbook of Research on Conceptual Change (σσ. 647-675). Routledge. Levrini, O., & Fantini, P. (2013). Encountering productive forms of complexity in learning modern physics. Science & Education, 22 (8), σσ. 1895-1910. Matthews, M. R. (1994). Science teaching: The role of history and philosophy of science. New York Routledge. 5
McComas, W., Clough, M. P., & Almazroa, H. (2002). The role and character of the nature of science in science education. Στο W. McComas (Επιμ.), The nature of science in science education: (3-39). Kluwer Academic Publishers. McMurry F. (1998). Chemistry. Prentice-Hall. Michelini, M., Ragazzon, R., Santi, L., & Stefanel, Α. (2004). Discussion of a didactic proposal on quantum mechanics with secondary school students. Il Nuovo Cimento, 27, σσ. 555-567. Müller, R., & Wiesner, H. (2002). Teaching quantum mechanics on an introductory level. American Journal of Physics, 70 (3), σσ. 200-209. Murdoch, D. (1990). Niels Bohr s philosophy of physics. Cambridge University Press. Nashon, S., Nielsen, W., & Petrina, S. (2008). Whatever happened to STS? Pre-service physics teachers and the history of quantum mechanics., 17(4), 387-401. Science & Education. Niaz, M., & Arelys, M. (2011). Nature of science in general chemistry textbooks. Στο." Nature of Science in General Chemistry Textbooks. (σσ. 1-37). Springer Netherlands. Orzel, C. (2009). How to Teach Quantum Physics to Your Dog. Simon and Schuste. Orzel, C. (2012). How to teach relativity to your dog. Basic Books. Pais, A. (1994). Einstein lived here. Clarendon Press-Oxford, Oxford University press-new York. Roesky, W. H. & Möckel. (1996). Chemical Curiosities. VCH. Sadoglu, G. P., & Akdeniz, A. R. (2015). Turkish Student s Perception about the Black Body Radiation, Photoelectric Effect and Compton Scattering Phenomena. Journal of Studies in Education, 5 (3), σσ. 309-326. Serway (1993). Physics for scientists & engineers, Τόμοι III &IV Σύγχρονη Φυσική. Αθήνα. Silberg (1996). Chemistry. Mosby. Stefani, C., & Tsaparlis, G. (2009). Students' levels of explanations, models, and misconceptions in basic quantum chemistry: A phenomenographic study. Journal of Research in Science Teaching, 46 (5), σσ. 520-536. Stranad, J., & Podreka, E. (1996). Χώρος και Χρόνος. Σαββάλας. Tsaparlis, G., & Papaphotis, G. (2002). Quantum-chemical concepts: Are they suitable for secondary students? Chemistry Education Research and Practice, 3 (2), σσ. 129-144. Tsaparlis, G., & Papaphotis, G. (2009). High school Students' Conceptual Difficulties and Attempts at Conceptual Change: The case of basic quantum chemical concepts. International Journal of Science Education, 31 (7), σσ. 895-930. Velentzas, A., & Halkia, K. (2013). The use of thought experiments in teaching physics to upper secondary-level students: Two examples from the theory of relativity. International Journal of Science Education, 35 (18), σσ. 3026-3049. Velentzas, Α., Halkia, Κ., & Skordoulis, C. (2007). Thought experiments in the theory of relativity and in quantum mechanics: Their presence in textbooks and in popular science books. Science & Education, 16 (3-5), σσ. 353-370. Windschitl, Μ. (2002). Inquiry Projects in Science Teacher Education: What can investigative experiences reveal about teacher thinking and eventual classroom practice?,. Science Education, 87, σσ. 112-143. Zuo, J., Kim, M., O Keffee, M., Spence J. (1999). Direct observation of d-orbital holes and Cu-Cu bonding in Cu 2 O, Nature/Vol. 401/2, 49-52. Αραμπατζής, Θ. (1996). Σκέψεις για την ιστοριογραφία των επιστημονικών ανακαλύψεων: η περίπτωση του ηλεκτρονίου. Περιοδικό Νεύσις 5. Νεφέλη. Φθινόπωρο-Χειμώνας 1996. Βάρβογλης, Χ. & Σειραδάκης, Ι. (1986). Εισαγωγή στη Σύγχρονη Αστρονομία. Υπηρεσία Δημοσιευμάτων Α.Π.Θ. Θεσσαλονίκη. Βιδάκη, Ε. (2002). Διαθεματική Ολική προσέγγιση στη διδασκαλία και τη μάθηση με τη βοήθεια των νέων τεχνολογιών: Μια κριτική εκπαιδευτική έρευνα δράσης. Στο Α. Δημητρακοπούλου (Επιμ.), Οι ΤΠΕ στην Εκπαίδευση. Α, σσ. 107-118. Ρόδος: Καστανιώτη. Βλαχάκης, Γ. (επιμέλεια). (1996). Η ιστορική εξέλιξη της Χημείας στην Ελλάδα. Πρακτικά Πανελληνίου Συμποσίου 14-15 Οκτωβρίου 1994. Ένωση Ελλήνων Χημικών. Αθήνα. Γρυπαίος, Μ. Ε. (1972). Μαθήματα Κβαντομηχανικής. Υπηρεσία Δημοσιευμάτων Α.Π.Θ. Θεσσαλονίκη. Δημητριάδη Κ., Χαλκιά Κ., & Σκορδούλης Κ. (2009). Διδακτική προσέγγιση της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας στη Β/θμια εκπαίδευση. 6 ο Πανελλήνιο Συνέδριο Διδακτικής των Φ. Ε. και Ν. Τ. στην Εκπαίδευση. Φλώρινα. Δημητριάδη, Κ. (2012). Διδασκαλία βασικών εννοιών της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας στη δευτεροβάθμια εκπαίδευση: διερεύνηση διαδικασιών μάθησης. Διδακτορική Διατριβή: ΕΚΠΑ. Κασσέτας, Α. Ι. (1996). Το μακρόν Φυσική προ του βραχέως διδάσκω. Σαββάλας. Οικονόμου, Ε. Ν. (1995). Η Φυσική σήμερα. Ηράκλειο: Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης. Τραχανάς, Σ. (2014). Μεγάλη επιστήμη ενδιαφέρουσες ζωές, Οι πρωταγωνιστές της κβαντικής επανάστασης. Ηράκλειο: Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης. Ιδρυτική δωρεά Πανγκρητικής Ενώσεως Αμερικής.. 6
Τραχανάς, Σ. (2015). Εισαγωγή στην Κβαντική Φυσική-1, Διαδικτυακό μάθημα,. Mathesis/CUP. Τσελφές, Β., & Παρούση, Α. (2015). Με Οδηγό την Ιστορία των Ιδεών για το Φως. Στο Β. Τσελφές, & Α. Παρούση, Θέατρο και επιστήμη στην εκπαίδευση (σ. κεφ. 6). Αθήνα: Σύνδεσμος Ελληνικών Ακαδημαϊκών Βιβλιοθηκών. Τσίπης, Κ. (1996). Χημεία (Ι. Άτομα & Μόρια). Ζήτη. Χαραλάμπους, Σ. (1984). Εισαγωγή στην Ατομική και Μοριακή Φυσική. Ζήτη. Θεσσαλονίκη. Χατζηδάκη, Π. (2006). Εννοιολογική αλλαγή και επιστημονικός ορθολογισμός: Niels Bohr και το πρόβλημα της φυσικής πραγματικότητας στην κβαντική φυσική. Αθήνα: ΕΚΠΑ. Χρηστίδης, Θ.Μ. (1990). Ιστορία και Εξέλιξη των Ιδεών στη Φυσική, (η διαμάχη Bohr-Einstein). Υπηρεσία Δημοσιευμάτων Α.Π.Θ. Θεσσαλονίκη. 7