ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟΥ Αριστέα Μπουλουξή ΕΙΔΙΚΟΤΗΤΑ ΠΕ04.01 (Φυσικός) ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΟΜΙΛΟΥ Φυσική 20 ου αι.: «Από το ορατό στο αόρατο και από το απόλυτο στο σχετικό» ΤΑΞΕΙΣ Β & Γ ΑΡΙΘΜΟΣ ΜΑΘΗΤΩΝ ΑΝΑΓΚΑΙΟΤΗΤΑ 20 Το 2015, παγκόσμιο έτος φωτός (International year of light) της UNESCO, συμπληρώνονται 110 χρόνια από τη δημοσίευση τεσσάρων εργασιών, ορόσημο για τη σύγχρονη Φυσική, από τον Αϊνστάιν. Το Σεπτέμβριο του 2015, λοιπόν, εγκαινιάζεται ένας όμιλος που φιλοδοξεί να φέρει σε επαφή τους μαθητές με θέματα σύγχρονης φυσικής, τα οποία σχετίζονται στενά με το φως. Τα θέματα αυτά 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, και 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 ονομαζόμενο κβαντομηχανικό. 1
Στον όμιλο αυτό προσεγγίζονται, με ιδιαίτερο σεβασμό στις ιδιαιτερότητες των μαθητών της Β και Γ γυμνασίου, κάποια θέματα της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας, και της κβαντικής φυσικής. Επιχειρείται δε, 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. Εικόνα 1: Οι συμμετέχοντες στο 5 o συνέδριο του Solvay (1927) και ΣΤΟΧΟΙ πρωταγωνιστές της φυσικής του 20 ου αι. Ειδικότερα, με το πρόγραμμα του ομίλου κατά το σχολικό έτος 2015-16, 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 εδική 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 επίπονη, με διαμάχες, συγκρούσεις, ρήξεις και ανατροπές, στην οποία συμμετείχε και συνέβαλε πλήθος επιστημόνων. 2
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 Για το σχολικό έτος 2015-2016 1. Ο απόλυτος χώρος και χρόνος (10 διδακτικές ώρες) 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 2. Ο σχετικός χώρος και χρόνος (10 διδακτικές ώρες) 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. Η πορεία προς το άτομο (4 διδακτικές ώρες) Από τους Προσωκρατικούς Φιλοσόφους στον Αϊνστάιν (1905) 3
4. Στο εσωτερικό του ατόμου η πορεία προς το κβαντομηχανικό ατομικό πρότυπο (16 διδακτικές ώρες) 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 2 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 Ίδρυμα Ευγενίδου Τμήματα: Χημικών Μηχανικών & ΣΕΜΦΕ ΕΜΠ Τμήματα: Φυσικής & Χημείας ΕΚΠΑ Μουσείο Ορυκτολογίας και Πετρολογίας ΕΚΠΑ 4
ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Asimov, I. (1998). Το Χρονικό των Επιστημονικών Ανακαλύψεων. Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο. Baron, J., Blevins, M, & Sawrey, B. (1998). ChemSource (Atomic Structure). National Science Foundation & Chemical Heritage Foundation. Bernstein, J. (1995). Αϊνστάιν. Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης. Ηράκλειο. Brush, S. (1988). The History of Modern Science-A Guide to the Second Scientific Revolution, 1800-1950. Iowa State University Press. Ames. Buttterfield, Η. (1994). Η καταγωγή της σύγχρονης Επιστήμης (1300-1800). Μορφωτικό Ίδρυμα Εθνικής Τραπέζης. Αθήνα. Chad, Ο. (2010). How to Teach Quantum Physics to Your Dog. Chad, Ο. (2012). How to Teach Relativity to Your Dog. Cohen, B. (1994). Revolution in science. The Belknap Press of Harvard University Press. 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. Gilmore, R. (1999). H Αλίκη στη χώρα των κβάντων. Κάτοπτρο. 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. Matthews, M. R. (1994). Science teaching: The role of history and philosophy of science. New York Routledge. 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. Murdoch, D. (1990). Niels Bohr s philosophy of physics. Cambridge University Press. Pais, A. (1994). Einstein lived here. Clarendon Press-Oxford, Oxford University press-new York. Roesky, W. H. & Möckel. (1996). Chemical Curiosities. VCH. Serway (1993). Physics for scientists & engineers, Τόμοι III &IV Σύγχρονη Φυσική. Αθήνα. Silberg (1996). Chemistry. Mosby. Stranad, J. & Podreka, E. (1996). Χώρος και Χρόνος. Εκδόσεις Σαββάλας. Zuo, J., Kim, M., O Keffee, M., Spence J. (1999). Direct observation of d-orbital holes and Cu-Cu bonding in Cu 2O, 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. 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. Κασσέτας Α. Ι. (1996). Το μακρόν Φυσική προ του βραχέως διδάσκω. Σαββάλας. Οικονόμου Ε. Ν. (1995). Η Φυσική σήμερα. Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης. Ηράκλειο. Τραχανάς Σ. (2014). Μεγάλη επιστήμη ενδιαφέρουσες ζωές, Οι πρωταγωνιστές της κβαντικής επανάστασης. Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης. Ιδρυτική δωρεά Πανγκρητικής Ενώσεως Αμερικής. Ηράκλειο. Τσίπης Κ.(1996). Χημεία (Ι. Άτομα & Μόρια). Ζήτη. Χαραλάμπους Σ. (1984). Εισαγωγή στην Ατομική και Μοριακή Φυσική. Ζήτη. Θεσσαλονίκη. Χρηστίδης Θ.Μ. (1990). Ιστορία και Εξέλιξη των Ιδεών στη Φυσική, (η διαμάχη Bohr-Einstein). Υπηρεσία Δημοσιευμάτων Α.Π.Θ. Θεσσαλονίκη. 5