فیزیک را چگونه آموزش دهیم؟
-
مترجم دکتر روح الله خلیلی بروجنی از سازمان پژوهش و برنامهریزی آموزشی
-
ماریسیو پیتروکلا
فایلهای مرتبط
۱۳۹۹/۰۵/۱۱
در مواجهه با تحولات فراگیر جهانی که در طول پنجاه سال گذشته اتفاق افتاده است، این پرسش که: فیزیک را چگونه آموزش دهیم؟ تاکنون توسط بسیاری از فیزیکدانان سراسر جهان مطرح شده است. در این چند دهه شاهد انتشار پرفروشترین کتاب برای آموزش فیزیک پایه در سطح دانشگاهی بودهایم. نخستین بار در سال 1960 فیزیک هالیدی و رزنیک برای دانشجویان علوم و مهندسی چاپ شد (در ویراست دهم با عنوان مبانی فیزیک2 چاپ شده است). این کتاب که آموزش فیزیک پایه در سطح دانشگاه را دنبال میکند در آموزش فیزیک دوره متوسطه نیز به شدت مؤثر واقع شده است. هدف اولیه مؤلفان این کتاب ایجاد جامعهای از محققان علوم و مهندسی بود که بتوانند پس از انقلاب صنعتی، فناوری و دانش بنیادی را برای بهرهمندی جامعه ایجاد و عرضه کنند.
هر چند کتاب هالیدی و رزنیک همچنان مرجع اصلی برای آموزش فیزیک در سراسر جهان است، اما تردید نیست که اوایل قرن بیستویکم با اواخر دهه 1950 میلادی بسیار متفاوت است. در جامعه امروز چالشهای زیادی برای افراد وجود دارد. با پیشرفت علم و فناوری، ما به مرزهایی از دانش و توانمندیهای پیچیده و خارقالعاده رسیدهایم که هیچکس مطلقاً قادر به درک و شناخت کامل آنها نیست.
در عین حال، این شرایط بیسابقه تنوعی از آینده محتمل را بهوجود میآورد که لازم است ما، بهمنظور پرورش نظرات و تصمیمگیریهای قاطع، از آنها آگاهی داشته باشیم. بهطور کلی، دو تحول اساسی بر زندگی امروز بشر تأثیرگذار است. این دو تحول یکی پایان طبیعت و دیگری پایان سنت 3 است. هر دوی اینها با رشد روزافزون علم و فناوری در ارتباط هستند، اگرچه کاملاً مشخص نشدهاند.
جهان طبیعی، که بشر از ابتدای خلقتش به تدریج آموخته بود که چگونه با آن سروکار داشته باشد و آن را بشناسد، دیگر وجود ندارد. در طی هفتادوپنج سال گذشته، بشر به آنچه طبیعت میتواند برای ما انجام دهد کمتر توجه کرده و بیشتر نگران آن چیزی بوده است که خود با طبیعت انجام داده است. آگاهی ما از اینکه تخریب محیطی که در آن زندگی میکنیم شروع شده است، چیزی است که سابقهاش حداقل به دهه هشتاد میلادی قرن گذشته باز میگردد. اما آنچه امروزه بیش از پیش آشکار شده این است که زیستگاههای انسانی به وسیله طبیعت احاطه نشدهاند بلکه برعکس، طبیعت توسط بشریت احاطه شده است. این احاطه به حدی است که حفاظت از منابع حیاتوحش، اعم از حفاظت از طبیعت، جنگلها، تالابها، رودخانهها، چشمهها، اقیانوسها و غیره به پروژههایی برای گروههای حامی محیطزیست تبدیل شده است. این انتقال برای ورود ما به جامعه ریسک (براساس تعریف بِک4 (1988) اساسی و بنیادی است. هم اینکه ما در یک جامعه پساطبیعت زندگی میکنیم و شاهدیم که چگونه علم و فناوری، طبیعت را به طبیعتْ فناوری و به تعبیری طبیعتِ فناورانه تبدیل کرده است.
نیاز فعلی به خلقِ مداوم دانش و فناوری ریسکهای متنوعی را به همراه دارد: تخریب محیط زیست، افزایش فقر، گسترش نابرابریها، محرومیت اقلیتها و غیره.
در اینجا لازم است برخی از تحولات مهم در زمینه پیدایش جامعه علمی5 را برجسته کنیم؛ تحولاتی که اساساً با این ریسکها مرتبط هستند:
- در طول دو قرن گذشته، علم و فناوری به گونهای توسعه یافتهاند که به سنگ بنای سنت غربی6 تبدیل شدهاند.
- دانش علمی که پیش از این توسط بسیاری آموخته میشد (و هنوز هم برخی میآموزند) همواره قادر به غلبه بر سنتهای قدیمی بوده است، اما امروز به نوعی به یک امر معین، قدرت خاص و مطمئن تبدیل شده است.
- از آنجا که هر چه علم و فناوری پیچیدهتر شوند، بیشتر از زندگی مردم فاصله میگیرند، مردم به آنها بهعنوان ابزاری برای ایجاد امنیت بیشتر ارج مینهند.
- در صورت عدم دسترسی به آموزش و اطلاعاتی که به مردم امکان شکلدهی به نظراتشان را بدهد (همچنین محاسبه و مدیریت ریسکهای احتمالی)، مردم عادی به دنبال نظرات کارشناسان (دانشمندان و مهندسان) میروند.
- پس هم اینک به روشهایی نیاز داریم تا میان گفتوگو و درگیری بیشتر با علم و فناوری از یک سو و دانشآموزان و به طور کلی شهروندان از سوی دیگر رابطهای برقرار کنیم.
اکنون در پاسخ به این پرسش که چه انواعی از دانش علمی باید آموزش داده شود؟ نقش و اهمیت علمی پدیدار و برجستهتر میشود که در شکلگیری بنیان وجدان اجتماعی7 در فرد مؤثرتر باشد. حوزه فیزیک (تأثیرگذار بر شناخت و درک دانشآموزان از دنیای اطراف) در این فرایند حرف زیادی برای گفتن دارد و گزارش کمیسیون اروپا از گروه متخصصین آموزش علوم (2015) نیز این موضوع را تأیید میکند: «ما به علم نیاز داریم تا به طور واقعبینانه، سیاستها و خطمشیها را اطلاع رسانی کنیم. ما به علم نیاز داریم تا شهروندان و سیاستمداران را به روشی مطمئن و قابل دسترس آگاه سازیم. ما باید با یکدیگر تصمیم بگیریم (به جای موضعگیریهای قطبی شده) و مسئولیت تصمیمهایی را برعهده بگیریم که متکی بر شواهد علمی صحیح باشند. (صفحه 5)
تا در خصوص چگونگی آموزش و یادگیری فیزیک فکری نشود، این نوع نیازها برآورده نخواهد شد. در این مضمون: پژوهشهای آموزش علوم، نوآوری و شیوههای کار باید پاسخگوی نیازها و بلند پروازیهای جامعه باشد و ارزشهای آن را بازتاب دهد. (صفحه 6)
برای این کار باید به سه پرسش اساسی پاسخ دهیم: چرا آموزش میدهیم؟ چه چیزی آموزش میدهیم؟ چگونه آموزش میدهیم؟
کتاب ارتقاء آموزش فیزیک برای رفع نیازهای جامعه8 در پی پاسخ به بخشی از این پرسشها از نقطهنظر پژوهش در آموزش فیزیک است.
بخش اول این کتاب، به تأثیر علم و فناوری در آموزش فیزیک میپردازد و توجه عمده آن معطوف به رایانه، فناوری برای آموزش و مفاهیمِ جدیدِ کار شده در مدرسه است.
ایان لارنس9 در نخستین مقاله بخش اول کتاب با عنوان: توسعه محاورهای ایدههای شاگردان به کمک محاسبه در کلاس درس با ساده نگه داشتن آن10، میگوید که رایانهها میتوانند ابزاری مفید برای ارائه باشند. بسیاری از مشکلات موجود در یادگیری فیزیک، به بازنمایش11 جهان به خودتان وابسته است: تصور کردن جهان به غیر از آن چیزی که واقعاً هست و سپس نتیجهگیری با آن تصور، انتظارات جدیدی را در مورد جهانی که در آن زندگی میکنیم به وجود میآورد. در حین این فرایند، برای زنده نگهداشتن فیزیک در کلاسهای درس، به ابزاری حساس و انعطافپذیر نیاز است تا بتوان معلمان را در آموزش فیزیک به شاگردان ترغیب کرد. یک بررسی دقیق در مورد امکانات و سختیهای موجود در روشهای ممکن برای برنامه آموزشی فیزیک، پیشنهاد میکند که گزینههای متنوعتری را به جای آموزش مبتنی بر جبر و حسابان استفاده کنند.
این مقاله از تجربه چند سال کار با ابزارهای مدلسازی محاسباتی توسط معلمان و دانشآموزان (11-8 ساله) و همچنین کار قابل توجهی که در زمینه ساخت مراتب تدریس انجام شده و نیز کمکی که به حمایت از «تدریس فیزیک در مراحل پایه و پیشرفته» شده، استفاده کرده است. مرکز توجه به سمت استفاده از نمایش نموداری است بدون اینکه قادر به حمایت از ایدههای روبه رشد در الگوهای تدریس باشد، ضمن اینکه در حال جستوجوی راهی جدید برای سادهسازی روشی با ارزشهای فرهنگی و ساده نگه داشتن اجرای آن هستیم که معلمان به استفاده از آن ترغیب شوند.
تام الرمیجر12 به پرسشهایی مانند «چگونه آموزش فیزیک را برای دانشآموزان دبیرستانی چالشبرانگیزتر و جذابتر کنیم؟ یا چگونه میتوان تفکر خلاق، توانایی حل مسئله و سایر مهارتهای شناختی را تقویت کرد؟» پاسخ میدهد. در بسیاری کشورها، دولتها مایلند علم و فناوری را در مدارس توسعه دهند و در این راستا در آمریکا STEAM (سرحرفِ علوم، فناوری، مهندسی، هنر و ریاضیات)13، در اتحادیه اروپا IBSE (سر حرفِ آموزش علوم مبتنی بر کاوشگری)14 و در آلمان MINT (سر حرفِ ریاضیات، انفورماتیک، علم و فناوری)15 جدیدترین کلمات اختصاری در این زمینه هستند. آیا کاربرد فناوری در آموزش فیزیک میتواند ما را به اهداف موردنظر نزدیکتر کند؟ واضح است که فناوری میتواند آموزش فیزیک را بیشتر به زندگی واقعی مرتبط سازد و امکان تحقیق را برای خود دانشآموزان فراهم کند. کاربرد فناوری فقط روشی دیگر برای آموزش نیست بلکه مزیتهای زیادی به روش آموزش اضافه میکند؛ و این امری است که برای دهها سال شناخته شده است اما هنوز کاربرد کمی دارد. چند مورد از این کاربرد مانند اندازهگیری با حسگرها، اندازهگیریهای ویدئویی و مدلسازی این مزایا را نشان میدهند.
مارسیا بگالی و یوتابیلو16 فعالیتهایی را معرفی میکنند که طی آن مؤسسات تحقیقاتی و دانشگاههای سراسر جهان دانشجویان و معلمان خود را برای برنامه یک روزه دعوت میکنند تا زندگی با تحقیقات پایه را تجربه کنند. این کلاسهای بینالمللی17 به دانشآموزان این امکان را میدهد تا با تجزیه و تحلیل دادههای واقعی که از برخورددهنده بزرگ هادرونی18 در سرِن گرفته شده است برای یک روز فیزیکدان ذرات بنیادی باشند. این پروژه که در هر سال بیش از 13000 دانشآموز دبیرستانی را از چهل و شش کشور جهان جذب میکند پیوندی بین آموزش علوم در مدارس و پژوهشهای علمی مدرن به وجود میآورد. شرکتکنندگان میتوانند نیروهای بنیادی (نیروهای تعاملی) و اجزای طبیعت را کشف کنند و اطلاعاتی در مورد اکتشافات نوین و قابل توجه در زمینه فیزیک ذرات، مثل کشف بوزون هیگز، به دست آورند. افزون بر این، آنها میتوانند در تحقیقاتی مهم سهیم شوند و درک خود را از علمی و پژوهش علمی بهبود بخشند. این برنامه تجربههای ارزشمندی را به آموزش فیزیک میافزاید که باعث تقویت علاقه دانشآموزان به علم میشود.
قسمت دوم این کتاب، به ارزیابی موضوعات خاص در مورد روشهای شناخته شده آموزش فیزیک پرداخته و آن بر پایه روش آموزشی دانشآموز محور و آزمایشهای ساده است.
در مقالهای دیگر از این کتاب لئوس دوژاک19 در مورد آزمایشهای ساده، ارزان، قابل انجام در زمان کوتاه و با نتایج جالب بررسیهایی انجام میدهد. آزمایشهای ساده مدتهاست که در کلاسهای فیزیک اجرا میشود، با این حال، باید دید امروزه چگونه است؟ و آیا این آزمایشها میتوانند با آنچه فناوری اطلاعات و ارتباطات، فناوریهای نوین و اسباببازیهای پیشرفته جذاب و با کیفیت برای ما و دانشآموزانمان فراهم میکنند، رقابت کنند؟ آیا انجام آزمایشهای ساده (با چند نی نوشابه، میله، نخ و ...) در عصر اینترنت- با هزاران اپلیکیشن، آزمایشگاههای مجازی و امکان مشاهده آخرین دستاوردهای فیزیک در مؤسسههای بینالمللی چندمیلیونی، آن هم فقط با یک کلیک، دیگر منسوخ و مضحک نیست؟ به نظر ما نه! و هدف از این مقاله این است که نشان داده شود آزمایشهای ساده هنوز نمردهاند و این آزمایشها توانایی بیشتری از فقط یک واکنش «وای، چه جالب!» دانشآموزان دارند. و ما فکر میکنیم که این نظریه چیزی است که احتمالاً معلمان و مربیان فیزیک هم با آن موافق هستند. ما چنین آزمایشهایی را دوست داریم و عقیده اکثرمان این است که آنها مفید و کاربردی هستند. با این حال، این نباید فقط یک باور کورکورانه باشد. بنابراین هدف از این مقاله، حمایت از این ادعا با نمونههای ملموس است (امیدوارم حداقل برخی از آنها بری مخاطبان جدید باشند). بنابراین، سعی شده است که به این باور مقداری چاشنی اضافه شود که آزمایشهای ساده میتوانند در دورههای آینده در آموزش فیزیک جایگاه و رویکرد خوبی داشته باشند.
در قسمت سوم، تمرکز روی نتایج تحقیقات مبتنی بر فیزیک رایج و سنتی خوهد بود.
جنارو گویساسولا20 با توجه به روشهای مختلف برای تحلیل یادگیری دانشآموزان، نمای کلی این روند را ترسیم کرده است. هدف این فصل توصیف و بحث درباره رویکردهای تدریس و پیشرفت دانشآموزان در موضوعات خاص برنامه درسی در سطح دانشگاهی است. در سطح دانشگاهی، آموزش علوم و فناوری باید جمعیت متنوع دانشآموزان را پوشش دهد اما به شکلی که در واقع استفاده از دانش اهمیت بیشتری از فقط حفظ کردن آن داشته باشد. وی چارچوبهای رویکرد آموزش و ویژگیهای مختلف آنها (مانند انتقال مطالب، نظارت صریح بر یادگیری دانشآموزان و ارزیابی) را مورد بحث و مقایسه قرار میدهد و خطوط متفاوتی از رویکردهای تدریس را ترسیم میکند.
کریستیانو متوس روی جستوجوی گزینههای جایگزین برای آموزش سنتی کار میکند. هدف اصلی، بومیسازیِ گزینههای جایگزین تدریس در حلقه فعالیتهای آموزشوپرورش است، زیرا فعالیت آموزش عالی بخشی از یک نظام آموزشی بزرگتر است که مدرسه ابتدایی را به دوران کاری کارآمد وصل میکند.
در همین راستا، ر.لیمینانا، آ.منارگوس و س. رزا توسعه توالی آموزش و یادگیری را براساس ساختار حل مسئله معرفی میکنند که باعث ایجاد یک محیط آزمایشی میشود که دانشآموزان و معلمان باید برای پیشبرد/ حل مسئله، اجرای طرح و تجزیه و تحلیل نتایج، یک استراتژی محتمل طراحی کنند.
ماریسا میشلینی و آلبرتو استفانل «نوآوری در آموزش و یادگیری فیزیک برای موفقیت در فیزیک مقدماتی در رشتههای زیستمحیطی و در مورد شارهها» را ارائه میدهند. مدلهای مداخلهای مبتنی بر تحقیق، در دو سال گذشته برای مدرک در دانشگاه اودین، مورد مطالعه قرار گرفتهاند. جنبههای اصلی که باید با آنها روبهرو شد عبارت است از:
الف. طراحی مجدد روشی برای آموزش فیزیک، بهگونهای که نقش آن مشخص کردن درجه اهمیت یک موضوع خاص باشد؛ و این عبارت است از: تغییر روشهای دستیابی فیزیک، تغییر نقش هر موضوع و مجزا کردن برنامههای کاربردی فیزیک در هر رشته تخصصی و در مقاطع تحصیلی مختلف.
ب. ارائه ابزار و روشهایی برای ایجاد توانمندی ویژه از فیزیک در رشتههای مختلف.
ج. با شخصیسازی راهبردها، دانشآموزان قادر به ایجاد نقش فعال در یادگیری فیزیک هستند و به آنها فرصتی برای اختصاص روشهای فیزیک کاربردی میدهد.
د. حمایت از یادگیری دانشآموزان به روشهای چند وظیفهای با استفاده از ابزار فناوری اطلاعات و ارتباطات، فعالیتهای آزمایشگاهی، حل مسئله و ارزیابی گامبهگام نتایج یادگیری انجام میشود.
جنارو زاوالا21 موضوع «طراحی مسئله براساس چارچوبهای شناختی برای آموزش فیزیک» را ارائه میدهد. این روش طوری طراحی شده است که میتواند تقریباً در هر مکانی و بدون نیاز به تجهیزات به اجرا در آید. در این طرح که دانشآموزان در گروههای سه یا چهار نفره با یکدیگر مشارکت میکنند. طراحان یک مسئله سنتی را به یک مسئله با قالب آموزشی تبدیل میکنند و دانشآموز از مراحل استدلال علمی برای ساخت ایدهها (روش داربستهای شناختی) استفاده میکند. در این بخش چند مثال ارائه میشود و نتایج استدلال دانشآموزان مورد بررسی قرار میگیرد.
میلا کریجوسکایا 22 با «بررسی روابط بین شهود، استدلال و درک مفهومی در فیزیک» سر و کار دارد. او روشهای مختلفی را در یک پروژه در حال انجام با تمرکز بر استدلال دانشآموزان در فیزیک، اعمال کرده است که به او این امکان را میدهد که استدلال، شهود و درک مفهومی در فیزیک را از یکدیگر جدا کند. نظریه پردازش دوگانه برای پاسخگویی به الگوهای مشاهده شده در پاسخ دانشآموزان استفاده میشود. دادههای مربوط به دورههای فیزیک مقدماتی ارائه خواهد شد و پیامدهای مربوط به آموزش نیز مورد بحث قرار خواهد گرفت.
لازم است خاطرنشان کنیم که پیشرفتهایی صورت گرفته است، اما برای شناسایی اثربخشی رویکردها در کشورهای مختلف با زمینهها و برنامههای مشابه، نیاز به کار بیشتری است. نتایج نوآوری باید تکرارپذیر باشند (که اغلب این اتفاق نمیافتد) تا پایهای معقول از مطالب آموزشی را تشکیل دهد.
لورنس وینت23 در فصل خود اظهار داشت که در آموزش علوم تفکر انتقادی را بسیار مهم میداند. اما تمرکز کنونی، که در بیشتر کشورها بر شایستگیهای قابل مشاهده است، باعث کاهش ساختار مفهومی منابع مورد استفاده در آموزش میشود. سپس یک سؤال اساسی مطرح میشود: آیا تصور مفهومی و تحولات اساسی بهطور جداگانه مثمرثمر هستند؟ از نظر عملیاتی آیا میتوان تفکر انتقادی را در دانشآموزان بدون ساختار مفهومی پرورش داد؟ براساس چارچوب معرفتشناختی که به نقش محوری جستوجو در انسجام علم تأکید میکند، مطالبی که باید آموزش داده شود به تبادل نظر بین تجزیه و تحلیل کامل محتوا و آنچه ما بهعنوان ایدههای دانشآموزان قدیم میشناسیم اشاره میکند.
یافتهها حاکی از آن است که اکثر دانشآموزان قبل از شروع انتقاد، نیاز به رسیدن به آستانه درک و فهم بیشتر دارند. به عنوان مثال، نیازی به دانستن چگونگی کار با رادیو کربنها نیست که بخواهیم بعد از خواندن متنی ناقص در مورد «اگر هیچ واپاشی رادیواکتیو در جو وجود نداشته باشد، غلظت اتمهای C14 در جو نسبت به زمان ثابت هستند» سؤال بپرسیم. با وجود این مشاهده میشود که تا زمانی که درک مشخصی از این پدیده حاصل نشود، چنین سؤالاتی توسط دانشآموزان مطرح نمیشود. پس از رسیدن به این آستانه (وابسته به هر فرد)، سؤالات مهم و انتقادی برای درک مطلب بهوجود میآید که این پدیده را با عنوان سندروم «انتقاد با تأخیر» توصیف میکنیم.
برای تعداد کمی از شرکتکنندگان (دو نفر از ده نفر) با توجه به ناقص بودن توضیح مطلب مورد نظر، شاهد عدم انتقاد و سؤال بودیم. این دانشجویان موضوع مورد بحث را از قبل خیلی خوب میدانستند. بنابراین آنها بهطور ناخودآگاه آنچه را میخواندند، در ذهنشان کامل میکردند و در نتیجه به نظر خودشان مطلب بدون نقص بیان شده بود. ما این پدیده را با عنوان سندروم «قضاوت متخصص بیهوشی» توصیف میکنیم.
تانجا تاجمل24 در فصل خود به «تنوع در آموزش فیزیک» از دیدگاه نظری و گفتمان- تحلیلی میپردازد. گفتمان «تنوع» از دیدگاههای مختلف مورد بررسی قرار میگیرد. با توجه به انگیزههای مختلف در ترویج تنوع (کارآمد و همچنین آزادی بخش) آگاهی کامل معلمان فیزیک و محققان آموزشوپرورش درباره تنوع، اهمیت فزایندهای پیدا میکند. توصیف مفهومی متداول از تنوع، به ویژه از طریق طبقهبندی افراد با ویژگیهای خاص، خطر تبعیض را به همراه دارد. در این بخش، چشمانداز حقوق بشر بهعنوان رویکردی برای درک جامع تنوع در آموزش فیزیک برجسته میشود.
پینوشتها
1. Mauricio Pietrocola
2. Fundamentals of Physics
3. The end of nature and the end of tradition
4. Beck
5. Science- society
6. Western tradition
7. Social conscience
8. Upgrading physics education to meet the needs of society (Springer Nature Switzerland AG 2019)
9.Ian Lawrence
10. Dialogic Development of Children's Ideas Using Computation in the Classroom: keeping it Simple
11. re- representing
12. Tom Ellermeijer
13. Science Technology Engineering Art and Mathematics
14. Inquirey- Based Science Education
15. Mathematik Informatik Naturwissenschaft und Technik
16.Marcia Begalli and Uta Bilow
17. www. Physicsmasterclasses. org
18. Large Hadron Collider (LHC)
19. Leos Dvorak
20. Jenaro Guisasola
21.Genaro Zavala
22. Mila Kryjevskaia
23. Laurence Viennot
24. Tanja Tajmel
۹۱۰