Undervisning i Einsteinsk fysik i skolerne

Hvorfor mister mellemskoleelever interessen for fysik? Hvorfor sakker Australien bagud i videnskaben, teknologi, teknik og matematik (STEM)?

Vi i Einstein-First-projektet tror, ​​vi har svaret. Det skyldes, at elevernes internetoplevelse af naturfag er i fuldstændig modstrid med skolens læreplan.

Til National Science Week, Jeg talte med 650 elever i alderen fra 5 til 11. Jeg spurgte, om de havde hørt om sorte huller. Mindst 80 % rakte hånden op.

Hvor finder vi sorte huller i skolens læseplaner? Det gør vi ikke. Du kan ikke tale om sorte huller ved at bruge det 19. århundredes fysik, fordi de alle handler om buet rum og skæv tid.

Elever har gjort det klart for os, at de tror, ​​at naturvidenskab i skolen handler om "gamle ting".

Derfor skal vi modernisere læseplanen. Vi skal erstatte det 19. århundredes begreber med det 21. århundredes begreber, og lære alle sproget i moderne fysik, starter i folkeskolen.

I dag lancerer vi vores bog Teaching Einsteinian Physics in Schools. Det er designet til at stå i spidsen for en revolution inden for skolevidenskab fra og med 3. år.

Unge studerende forstår de einsteinske begreber

Einsteins opdagelser i 1905 startede en konceptuel revolution. De sidste trin, Einsteins tyngdekraftsteori i 1915 og de Broglies opdagelse fra 1924 om, at alt stof og stråling har en kombination af bølgethed og bulletiness (normalt kaldet bølgepartikeldualitet), radikalt ændrede fysikeres idéer om rummet, tid, stof og stråling. Disse opdagelser er de grundlæggende koncepter for næsten al moderne teknologi.

For ti år siden spurgte jeg:"Er det muligt at undervise i einsteinske begreber i folkeskolen?" Kolleger sagde:"Selvfølgelig ikke. Du skal først lære Newtons fysik!"

Jeg svarede ligeud! Newtonsk fysik er forkert, både konceptuelt og faktuelt. Den siger, at ting kan rejse vilkårligt hurtigt, og tyngdekraften rejser øjeblikkeligt, tiden er den samme overalt, masse og energi er uafhængige af hinanden, og universet kører som et urværk.

Vores team kørte en indledende prøve med undervisning i einsteinsk fysik i en folkeskole. Vores mest forbløffende opdagelse var, at børn ikke var forbløffede:de tog bare ideerne med ro. Dette førte til otte års forsøg i en række folkeskoler og gymnasier.

Vi lærte eleverne, at lys kommer som fotoner, der har en kombination af bølgethed og bulletiness, at rummet er buet af stof og dette ændrer geometri, og den tid er anderledes på toppen af ​​et bjerg. Intet af dette overraskede dem særligt.

Og børnene elskede det. En lærer på 3 år sagde:"Til sidst brugte de ordforråd og forstod klart begreber, som normalt ikke ville blive introduceret før gymnasiet. Det var virkelig svært at trække dem væk fra deres aktiviteter. Det overraskende var, at de så let accepterede begreber som de fleste voksne og lærere har meget svært ved."

Aktivitetsbaseret læring virker – og det er sjovt

Børnene elsker den aktivitetsbaserede læring. Og de elsker legetøj, så vi bruger legetøj, hvor det er muligt.

Vi bruger Nerf-pistolkugler som legetøjsfotoner, pingpongbolde som legetøjselektroner og legetøjsmolekyler lavet af magnetiske tennisbolde og pingpongbolde. Nogle gange bruger vi legetøjsbiler som fotoner og bruger objekter med stigende masse for at øge deres bulletiness (dvs. momentum). Disse legetøj tillader eksperimenter såsom dissociering af legetøjsmolekyler af legetøjs UV-fotoner for at forklare, hvorfor UV-lys kan bryde vores DNA og forårsage hudkræft, og hvorfor radio (og 5G!) fotoner er sikre, fordi de har meget mindre bulletiness.

Einsteinsk fysik har enorm forklaringskraft, hvad enten det er på niveau med kvanteinteraktioner eller tyngdekraft. Einsteinsk tyngdekraft beskriver rummet som et elastisk stof. Vi bruger lycra som vores todimensionelle legetøj rumtid. Strækningen af ​​rum og tid er let at måle, og næsten alle gravitationsfænomener kan observeres ved at rulle forskellige bolde på lycraen, som videoen nedenfor viser.

Elever på alle niveauer elsker at lege med disse rumtidssimulatorer. De studerer, hvordan fotonbaner afbøjes, når rummet er buet, hvordan gravitationsgradientkræfter river kometer op, hvordan baner ændrer deres orientering i rummet (kaldet præcession), hvordan stjerner og planeter dannes, og hvordan galakser får deres former. Som en lærer på 7. år sagde:"[Det] gør det meget nemmere at tale med eleverne om interessante ting, som den seneste opdagelse af sorte hul."

Lektioner, der giver mening i vores verden

Absorptionen af ​​infrarøde fotoner af CO₂-molekyler driver klimaændringerne. Legetøjsmolekyler holdt sammen af ​​magneter giver eleverne mulighed for at udforske de forskellige måder et CO₂-molekyle vibrerer på sammenlignet med et O₂-molekyle, og lær hvordan fotonabsorption forårsager dette.

Vi kombinerer vores legetøj med rigtige, men relativt billige enheder, såsom solpaneler, elektriske boremaskiner, LED-lys og laserpointere.

Laserpointere gør det muligt at udforske lysets bølgeevne i en lang række interferenseksperimenter. Solpaneler demonstrerer bulletiness, fotoner, der udsender elektroner, og er ideelle til næsten alle el- og energistudier i folkeskolen og mellemtrinnet. Et solpanel kan drive en 12V elektrisk boremaskine, som kan bruges til at løfte, skabe friktionsvarme og bruge energi, der kommer fra at konvertere fotoner til en strøm af elektroner - den fotoelektriske effekt, som Einstein vandt Nobelprisen for.

Hjælper lærere med at overvinde deres frygt

Den største hindring for at introducere einsteinsk fysik er skræmmefaktoren for lærere. Folk hævder stadig, at det er for svært for lærere. Vi har fundet ud af, om vi sætter aktiviteten først, som geometri på woks for eksempel, lærere uden naturvidenskabelig baggrund forstår nemt konceptet om, at rummets form kan måles ved hjælp af geometri.

At undervise i Einsteinsk fysik i skoler er baseret på international erfaring med mere end 20 forfattere. Det præsenteres på det niveau, der er nødvendigt for skolelærere, herunder noget materiale til gymnasiet.

Det er fri for skræmmende ligninger, fordi disse, uanset om det er einsteinsk eller newtonsk, ingen plads i skolens læseplan. I stedet lærer vi en masse om, hvordan vi skal håndtere de enorme tal og små tal, vi må forestille os for at håndtere universet, samt sandsynlighed og "pilenes matematik" (vektorer), fordi disse kraftfulde begreber er vigtige for alle.

De fleste studerende vil ikke specialisere sig i fysik. Målet med Einstein-First er, at alle elever skal afslutte de obligatoriske naturvidenskabelige år med den grundlæggende viden og ordforråd for vores bedste forståelse af det fysiske univers.

Efter at have prøvet vores år 7-program om tyngdekraft, en lærer rapporterede:"Lektionerne indeholder modellering af koncepter med praktiske 'konkrete' materialer, en instruktionstilgang, der giver multisensoriske læringsmuligheder, der gør det muligt for alle elever at blive inkluderet med succes."

"Piger nyder især godt af den måde, programmet præsenteres på med gruppelæring og aktiviteter. Det er ikke skræmmende, og lærere som mig selv nyder programmet, fordi det får min undervisning til at føles meget mere værd."

"Det bemærkelsesværdige ved de einsteinske fysiktimer er, at eleverne er fuldt engagerede, forstyrrelse er sjælden, og elever med indlæringsvanskeligheder kan praktisk talt ikke skelnes fra almindelige elever."

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.