Słowo wstępu – matura z fizyki
Zapraszamy do lektury teksty przygotowanego przez Kacpra, prowadzącego kurs do matury z fizyki! Po jego lekturze koniecznie zajrzyj na podstronę w całości poświęconą przygotowaniom maturalnym. Zachęcamy do wzięcia udziału w kursie Indeksu w Kieszeni, dzięki któremu co roku nasi Podopieczni z kapitalnymi wynikami dostają się na swoje wymarzone uczelnie.
„Ważne jest, by nigdy nie przestać pytać.”
Albert Einstein
Szczerze mówiąc, jest to chyba najtrudniejszy i najciekawszy artykuł jaki napisałem – głównie ze względu na fakt, że wiedza w nim zawarta nie jest tak bogato opisana w literaturze czy internecie jak inne tematy okołofizyczne. Dodatkowo temat ten nie jest obecny w żadnym programie nauki fizyki w sposób bezpośredni, więc, poniekąd, pisząc te słowa, chcę dołożyć cegiełkę w tworzeniu nowej doktryny nauczania fizyki w Polsce.
W związku z tym przed napisaniem tego eseju musiałem przejrzeć całą dostępną literaturę w sieci, aby zebrać wszystko w jeden, spójny wywód. Dodatkowo zwlekałem z napisaniem tego artykułu tak długo, gdyż w mojej ocenie to, o czym w nim mowa, stanowi fundament bycia fizykiem lub, ogólniej mówiąc, naukowcem – dlatego zachęcam również biologów, matematyków, chemików, a także wszystkich „mugoli” do zapoznania się z nim. Warto dodać, że wiedza ta jest zdobywana przez naukowców często przypadkiem, w różnych chwilach życia i na swój indywidualny sposób, np. na bazie doświadczeń z pracy czy poczynionych obserwacji.
Jak myślą naukowcy?
Z opisanych powyżej przyczyn moi znajomi na pytanie „Jak myślą naukowcy?” odpowiadali różnie, choć większość z nich łączyła pewne wspólne elementy, które, jak sądzę, należy kształtować od początku edukacji szkolnej. Oczywiście nie jestem pierwszym, który dostrzegł znaczenie myślenia naukowego, jednakże większość polskich artykułów obejmujących ten problem napisana jest po pierwsze – dla studentów, po drugie – w bardzo sformalizowany i nieprzystępny sposób.
Chciałbym przełamać tę regułę, gdyż zmiana sposobu myślenia wraz z wiekiem staje się coraz trudniejsza (choć nie niemożliwa). Tak więc w niniejszym artykule poznasz metodologię naukową, dowiesz się, dlaczego myślenie krytyczne jest ważne, ale także opowiem tobie, jak planować projekty czy eksperymenty nie tylko z perspektywy naukowca, ale także inżyniera bądź menadżera projektów. Wydawać by się mogło, że nie jest to umiejętność potrzebna każdemu – ale przecież każdy ma pewne marzenia… Wystarczy przestać traktować je jako coś nierealnego, a zacząć podchodzić do nich jak do projektu, który wymaga trochę zaangażowania i odrobiny myślenia krytycznego.
Motywacja
Największą nagrodą dla mnie, jako prowadzącego zajęcia, nie jest 100% z matury z fizyki, lecz fakt, że ktoś zaczął myśleć jak prawdziwy fizyk. A co to znaczy? Fizyk to osoba, która poszukuje wyczerpujących odpowiedzi na pytania, a co ważniejsze, nie pozostawia problemów nierozwiązanych. Fizyk nie bierze niczego na wiarę, tylko sam sukcesywnie szuka odpowiedzi i prowadzi dowody, które potwierdzają bądź odrzucają postawioną hipotezę. Dodatkowo potrafi opisywać świat i przenosić go na papier, wykorzystując przy tym często język matematyki.
Kluczowymi aspektami są analityczne spojrzenie i logiczność wywodów. To, co jeszcze osobiście cenię, to kreatywne myślenie – poza pudełkiem. Niejednokrotnie, gdy prowadzę zajęcia z dziećmi, równolegle wykonujemy zadania ćwiczące wyobraźnie. Dlaczego? Logika zaprowadzi Cię z punku A do punktu B, a wyobraźnia zaprowadzi Cię wszędzie. Zatem, drogi czytelniku, moim celem czy motywacją napisania serii tych artykułów jest to, abyś spojrzał na fizykę trochę przychylniejszym okiem i zauważył, że fizyka to nie tylko klocek na równi, ale cały sposób myślenia. A kiedy zmieni się twój sposób myślenia, wraz z nim niezaprzeczalnie zmieni się cała reszta.
Kto pyta, nie błądzi, czyli dlaczego nie można się bać zadawać pytań?
Źródło: pixabay.com
Od małego jesteśmy stworzeni do zadawania pytań, a więc poniekąd rodzimy się z podstawową cechą myślenia naukowego – „mamo, tato, a co to jest?” , „a dlaczego tak się dzieje?” itd. Jedyny problem jest taki, że jako społeczeństwo nie radzimy sobie z nimi i dosłownie zabijamy naszych „wewnętrznych” naukowców – rodzice, koledzy czy nauczyciele rzucają często gotowe, niepełne odpowiedzi, nie zachęcają do własnych badań mogących skutkować ciekawymi odkryciami, a, co gorsza, boją się przyznać do braku wiedzy lub kompetencji. Pozostawiają trudności nie w pełni rozwikłane, dając tym przykład, że można zostawiać pytania bez rozwiązań. Trudno się temu dziwić – nie można być ekspertem we wszystkim. Kiedy dziecko pyta się mamy-lekarza, dlaczego tęcza ma tyle kolorów, najczęściej ta nie będzie umiała wytłumaczyć tego w prosty, merytoryczny i naukowy sposób. Opowie o wirusie, lekach, przyczynach chorób, ale nie o tym, jak działa rakieta albo czym jest czarna dziura.
W związku z tym wyłania się pierwszy zasadniczy wniosek – osoby, które nie potrafią wytłumaczyć czegoś w prosty sposób najczęściej same tego dobrze nie rozumieją (a przynajmniej tak mawiał Richard Feynman, taki sławny fizyk). Jeżeli nauczyciel w szkole na zadane pytanie odpowiada nieskładnie i nielogicznie, to zapewne wstydzi się przyznać do braku wiedzy w danym zakresie. Oczywiście cecha ta nie dotyczy tylko nauczycieli, ale tak naprawdę większości populacji. Przyczyn takiego zachowania upatruje się w samym systemie edukacji – od najmłodszych lat jesteśmy społecznie karani za brak wiedzy, np. niskimi ocenami na teście czy wytykaniem błędów i porównywaniem z innymi na forum klasy. Tak dzieje się też później, w innych środowiskach. Charakterystyczne jest, że krytyka czyjejś nietrafionej wypowiedzi zwykle w odczuciu grupy przekłada się na łatkę niewiedzy dotyczącą wszystkich dziedzin – to pogłębia lęk przed nieudzieleniem odpowiedzi.
Druga strona medalu
Te uwagi dotyczą nie tylko nauczycieli – po drugiej stronie jest uczeń i jego strach przed zadawaniem pytań. Później utrzymuje się on aż po studia i dalej. Przyczyną takiego postępowania jest częstokroć wpływ autorytetu. Ktoś sądzi, że dana osoba (nauczyciel, profesor, ekspert) wie więcej niż ona (co może być często prawdą, ale jak to bywa w życiu – nie zawsze). Boi się wówczas, że zada głupie pytanie albo wyjdzie na mniej bystrą. Z własnego doświadczenia wiem, że na studiach mało kto ma odwagę na sali przerwać wykład i zadać pytanie. Wielu mylnie sądzi, że jest to niekulturalne, czy że nie wypada, jednak, co ciekawe, nigdy nie zaobserwowałem, aby było to odebrane przez prowadzącego jako złe zachowanie, ale właśnie pokazywało, że ktoś uważnie słucha.
Powtórzę słowa Einsteina ze wstępu – ważne jest, by nigdy nie przestać pytać, gdyż nie ma głupich pytań, a są tylko głupie odpowiedzi. W związku z tym na moich zajęciach zawsze w pierwszym kroku puszczam film Kurzgesagtu, kanału popularnonaukowego na YouTubie, dotyczący „Optymistycznego Nihilizmu” (polecam zobaczyć). Materiał ten pokazuje m.in., że nie powinno się bać popełniania błędów czy zadawania pytań, gdyż przywarą nie jest brak wiedzy, lecz brak chęci poszukiwania prawdy. Tak więc w idealnym świecie, gdy nauczyciel nie zna odpowiedzi na zadane pytanie, powinien odpowiedzieć „nie wiem, ale sprawdzę to dla ciebie” bądź podpowiedzieć gdzie szukać odpowiedzi.
Wychodząc już z tematyki okołoszkolnej, a idąc bardziej w życie, możemy rozszerzyć praktykę zadawania pytań do szerszego pojęcia, jakim jest krytyczne myślenie. W głównej mierze opiera się ono na zadawaniu właściwych pytań. Większość osób zapewne zgodzi się, że krytyczne myślenie jest odwrotnością myślenia automatycznego, które niewiele ma wspólnego z racjonalnym argumentowaniem czy szacowaniem prawdopodobieństwa.
Ale czy na pewno?
Źródło: pixabay.com
W codziennym życiu spotykamy się z wieloma różnymi twierdzeniami, na przykład słyszymy, że „cebula jest lekarstwem na grypę”. „Przecież tak mówią wszyscy, babcia i mama też to powtarzają, widocznie tak musi być” – to myślenie automatyczne, oparte na rozumowaniu na skróty: „Skoro wszyscy tak robią, to coś w tym musi być…” (społeczny dowód słuszności). W człowieku myślącym krytycznie pojawiają się jednak wątpliwości: „Może tak być, ale czy na pewno?”. Zaczyna sprawdzać zasadność twierdzenia, szuka wiarygodnych źródeł i na ich podstawie wyrabia swoje stanowisko.
Oczywiście, ponieważ takich kompetencji nie zdobywa się obecnie w szkole, myślenie krytyczne musi trafić na podatny grunt – kogoś, kto zechce je rozwijać we własnym zakresie. Prof. DiYanni z Nowojorskiego Uniwersytetu podkreśla, że tej kompetencji sprzyjają: otwartość umysłu, uczciwość, elastyczność, wytrwałość, rozsądek, pracowitość i skupienie. Ważne, aby wielokrotnie analizować swoje pomysły i nie bać się zmieniać zdania. Co istotne i zarazem bardzo trudne – należy otworzyć się na alternatywne poglądy, akceptować niuanse i wieloznaczności oraz ciągle się uczyć. Jak widać, prof. DiYanni nie zachęca swoich czytelników do chodzenia na skróty. Człowiek myślący krytycznie ciągle zadaje sobie pytania: „Skąd wiem to, co wiem?”, „Jakie mam dowody na to, co sądzę, że wiem?” itd. Zachęcam więc do denerwowania (niestety) wielu nauczycieli i niezaprzestawania stawiania pytań o rzeczy, których nie rozumiesz. Jeżeli sobie nie radzą, szukaj odpowiedzi gdzie indziej, a jeśli nie wiesz gdzie, zapytaj innych, bo kto pyta, nie błądzi.
Zadawanie pytań, a co dalej?
Źródło: pixabay.com
Musimy zacząć od zdefiniowania dwóch pojęć zanim zaczniemy opowiadać o metodologii naukowej. Pierwsze pytanie, jakie musimy sobie postawić, to czym jest nauka? Z definicji zaproponowanej przez Radę Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego nauka to:
Systematyczne przedsięwzięcie gromadzenia wiedzy o świecie i porządkowania tej wiedzy w zwartej postaci weryfikowalnych praw i teorii. Sukces i wiarygodność nauki są oparte na gotowości naukowców do:
1.Poddawania (wystawiania) swoich idei i wyników na niezależne sprawdzanie (weryfikowanie) i odtwarzanie przez innych naukowców; wymaga to pełnej i otwartej wymiany danych, procedur i materiałów.
2.Porzucania (odstępowaniu) lub modyfikowania przyjętych wniosków, kiedy zostają one skonfrontowane z pełniejszymi lub bardziej wiarygodnymi dowodami doświadczalnymi.
Sama definicja jest napisana strasznie patetycznie, jednakże mam nadzieję, że dostrzegasz już w niej istotę myślenia krytycznego i zadawania pytań. Jest to fundament i pierwszy punkt wyjścia, każdego wielkiego odkrycia naukowego, projektu, czy biznesu.
Czym zatem jest fizyka?
Drugie pojęcie, które musimy sobie wyjaśnić, a może tylko przypomnieć, to słowo „fizyka”. Szczerze mówiąc: fizyka to wszystko, gdyż fizyka to podstawowa nauka przyrodnicza, która zajmuje się badaniem właściwości materii i zjawisk zachodzących we wszechświecie. Tak więc fizyka to nie tylko szkolne zasady zachowania Newtona, ale także: dlaczego żarówka świeci, dlaczego lodówka chłodzi, dlaczego most stoi, a samochód jeździ.
Credo fizyki czy, mówiąc ogólniej, metodologii naukowej, w uproszczeniu polega na:
1.Postawieniu problemu poprzez zadanie pytania bądź postawienie tezy albo hipotezy, a następnie obserwowaniu rzeczy (ciał), osób, czy zjawisk (np. jak rzucić kamieniem, aby zrobić na jeziorze jak najwięcej nim kaczek?);
2.Przeprowadzeniu reaserch’u i zbudowaniu wstępnego modelu/projektu. Należy wybrać ważne czynniki, wysunąć centralne hipotezy i opracować założenia pomocnicze o wzajemnych zależnościach czynników i, w miarę możliwości, wyrażenia modelu w języku matematyki (np. w kontekście wspomnianych wyżej kaczek budowa prototypu maszyny z możliwością regulacji kąta wystrzału, siły, wysokości itd.)
3.Wykonywaniu eksperymentów (także myślowych i komputerowych), tzn. sprawdzeniu hipotez;
4.Wyciąganiu i formułowaniu wniosków w postaci możliwie ogólnych teorii, a następnie porównaniu wniosków z prognozami. W przypadku kaczek będzie to przeniesienie wyników eksperymentu i nauczenie samego siebie dobrze rzucać kamieniami o wodę.
Etapy projektowe dla typowego licealisty.
Inżynierowie podpunkt trzeci częstokroć rozumieją jako wykonanie taniego modelu prototypowego, na którym mogą testować parametry układu. Dzięki niemu mają możliwość weryfikować, czy wszystko co założyli na etapie planowania, ma ręce i nogi. Kiedy zweryfikują podstawowe hipotezy i zmodyfikują swoje założenia, dopiero przystępują do budowy maszyny w pełnej skali. Mówi o tym wspaniale Mark Rober w jednym z odcinków „Rock Skip Robot – The Science of Perfect Rock Skipping”(warto zresztą obejrzeć samemu!). Jak widać, metodologia fizyki/naukowa polega na obserwacji zjawisk i procesów, prowadzeniu doświadczeń, wykonywaniu pomiarów, wysuwaniu nowych koncepcji, pojęć oraz idei, stawianiu hipotez, odkrywaniu praw i zasad, budowaniu modeli oraz teorii, które następnie stosowane są do przewidywania właściwości materiałów lub przebiegu zjawisk (niezbędnych także do produkcji dóbr materialnych, np. twojego telefonu czy laptopa).
Zetknięcie z rzeczywistością
Teorie fizyczne poddawane są weryfikacji pod kątem ich zgodności z rzeczywistością (mówimy, że poddawane są weryfikacji doświadczalnej). Z płynących stąd wniosków wyłania się wiedza mniej lub bardziej użyteczna, która pozwala ludzkości zrobić kolejny krok na przód w poznaniu świata.
Dla porównania zobacz, jakie fazy projektu wyszczególnia menadżer projektów:
1. Faza początkowa – tworzenie koncepcji, zakres projektu, problematyka, cele;
2.Faza planowania – działania, rezultaty, produkty, harmonogram projektu, podział zadań i koszty;
3.Faza realizacji – zadania i podzadania, punkty kontrolne realizacji, akcje zapobiegawcze i naprawcze;
4.Faza końcowa – prezentacja produktu finalnego, sprzedaż, dokumentacja, wyciąganie wniosków.
Zauważ, że język, za pomocą którego osoba ze środowiska biznesowego opisuje kolejne etapy realizacji projektu, jest nieco inny niż osoby z kręgów naukowych. Mimo, że obydwoje kładą nacisk na co innego – naukowiec na rozwój wiedzy, a menadżer projektów na aspekty finansowe czy prawne, to mają wspólne cechy – zaczynają od postawienia odpowiednich pytań, próby znalezienia rozwiązań poprzez zaplanowanie działań, zrealizowania kilku czynności, a następnie wyciągnięcia odpowiednich wniosków.
Choć brzmi to banalnie, to wątpię, że kiedykolwiek ktoś w szkole starał się wytłumaczyć ci sens doświadczeń. Wielu nauczycieli pomija je sądząc, że nic nie wnoszą do twojego poznania czy wyników na maturze. O ile co do drugiego argumentu można się kłócić, co ten pierwszy jest jak najbardziej błędny. Rezygnując z doświadczeń naukowych spychają w kąt całą metodologię naukową i sposób, w jaki fizycy kreują postęp w nauce. Również jednak gdy mowa o sprawdzaniu wiedzy, to w mojej ocenie myślenie naukowe jest kluczem do rozwiązywania zadań o wyższym stopniu trudności niż „podstaw do wzoru”.
W szczególności można to zaobserwować na olimpiadzie z fizyki, gdzie budujesz model (teoretyczny), zastanawiasz się, co jest ważne a co nie. Szukasz odpowiedzi na postawione pytanie, np. jaka jest prędkość samochodu czy jaka jest moc pola magnetycznego. Zatem, drogi czytelniku, jeżeli zależy ci na zrozumieniu fizyki, musisz zacząć zadawać pytania i szukać odpowiedzi samemu bądź u mądrych i inteligentnych ludzi!
Podsumowanie
Wyjątkowo w tej części to ja zadam parę pytań, np. jak oceniasz fizykę w waszej szkole? Czy boisz się zadawać pytania? Dlaczego ich nie stawiasz? Ile rzeczy przyjmujesz na wiarę? Czy zostawiasz pytania bez odpowiedzi?
Pamiętaj! Ważne jest, aby nigdy nie przestać pytać. Ciekawość nie istnieje bez przyczyny. Wystarczy więc, jeśli spróbujemy zrozumieć choć trochę tej tajemnicy każdego dnia. Nigdy nie trać świętej ciekawości, bo kto nie potrafi pytać, ten nie potrafi żyć.
Pamiętajcie również o prowadzonym przeze mnie kursie do matury z fizyki na który możecie dopisać się w dowolnej chwili! Wszystkie szczegóły dostępne pod tym linkiem.
Autor tekstu: Kacper Raciu Raciborski