Odborný článek
Digitalizace ve vzdělávání
Tento článek vznikl jako úvodní vhled do možností realizace experimentu ve výuce fyziky ve všech stupních vzdělávání. Shrnuje základní výhody a nevýhody jednotlivých typů experimentu a obsahuje aktuální informace a odkazy související s danou problematikou. Na tento úvodní článek budou navazovat konkrétní návrhy laboratorních úloh s využitím vzdáleného experimentu, a to se zaměřením na výuku fyziky na ZŠ.
Fyzika jakožto vědní obor stojí na pozorování, experimentech, laboratorní práci a modelování. Všechny zmíněné činnosti jsou dnes realizovány a rozvíjeny díky využití ICT a věda jako taková se bez jejich podpory již prakticky neobejde.
Adekvátní reakcí na tento trend, nejen v přírodních vědách, je snaha o začlenění digitálních technologií již do stupně vzdělávání, aby současná výuka odrážela reálnou potřebu daného oboru. S ohledem na proměnu Rámcových vzdělávacích programů ZŠ a gymnázií je kladen důraz na získání digitálních kompetencí ve vyučovacích předmětech mimo informatiku. Cílem těchto změn je účelná aplikace ICT při řešení reálných úkolů souvisejících s daným oborem. [1]
Fyzikální experiment plní nezastupitelnou roli v pochopení fyzikálních jevů a slouží k ověření hypotéz vystavěných na základě teoretických znalostí. Hlavními benefity využití ICT při fyzikálním experimentu obecně je možnost měření rychlých nebo naopak pomalých dějů, možnost současného měření několika fyzikálních veličin, vizualizace naměřených dat v reálném čase, efektivní zpracování a grafické vyhodnocení získaných výsledků, a to i v případě velkého objemu dat. [2] Při těchto činnostech se rozvíjí především znalost práce v tabulkovém procesoru typu MS Excel, LibreOffice Calc, Gnumeric, OriginLab a další. Ke zpracování laboratorního protokolu se nabízí využití textového procesoru, např. MS Word, LibreOffice Writer, OpenOffice Writer, Apple's iWork atd.
Experiment ve výuce fyziky lze realizovat ve třech základních formách. První formu tvoří reálné experimenty prováděné v tradičních školních laboratořích, ať už s využitím digitálních technologií nebo bez nich. Nesporným benefitem reálného experimentu je rozvoj manuální zručnosti žáků a zapojení maximálního počtu smyslů v procesu učení. [3] Pro přímý export měřených hodnot k dalšímu vizuálnímu zpracování lze využít množství digitálních nástrojů a měřících sond včetně příslušného softwaru, které v ČR nabízejí např. firmy Vernier a Pasco. [4]
Druhou formou jsou virtuální experimenty. Virtuální laboratoř obsahuje virtuální modely reálných úloh, simulace. Jedná se nejčastěji o aplety, které jsou založeny na programovacím jazyku Java (Java applet, JavaScript). V současnosti je na internetu velké množství volně přístupných virtuálních laboratoří. Lze doporučit ucelené a uživatelsky přívětivé animace/simulace V. Vaščáka Fyzika ve škole a simulace University of Colorado at Boulder PhET Interactive Simulations. Simulace PhET jsou dostupné jak v anglické verzi, tak i v českém překladu. [5] V případě stažení simulací do vlastního zařízení není k jejich spuštění již nutné internetové připojení.
Třetí formu experimentů představují vzdálené experimenty. Jedná se o skutečné experimenty, které lze prostřednictvím internetu on-line ovládat, sledovat a měřit reálná data odkudkoliv a kdykoliv. Vzdálené laboratoře procházejí dynamickým vývojem a jejich životnost se bohužel odvíjí od dostatečné finanční a personální kapacity provozujících institucí. [6] Za stabilní vzdálené laboratoře s dlouholetou tradicí lze v ČR považovat Internetové Školní Experimentální Studio (ISES) na MFF UK Praha, vedené doc. RNDr. Františkem Lustigem, CSc., a Remote-LAB GymKT na gymnáziu J. Vrchlického Klatovy, vedené RNDr. Miroslavem Panošem, Ph.D. Experimenty lze uskutečnit i za pomoci chytrých telefonů či tabletů. [7]
Formu experimentu virtuálního a vzdáleného lze doporučit zejména v případech, kdy nejsme schopni provést reálný experiment z materiálních či časových důvodů, a v případě experimentů nebezpečných.
Zajímavým řešením může být vytvoření hybridu laboratoří, jehož prostřednictvím by bylo možné postupně vybudovat důvěru studentů ve všechny tři zmíněné formy experimentu. Myšlenkou je utvořit pracovní týmy, které zpracovávají zadanou úlohu odlišnými způsoby – tradičním, virtuálním a vzdáleným experimentem. [8] Zároveň se při této laboratorní práci utváří prostor pro prezentaci a sdílení výsledků a dat mezi žáky navzájem. Žáci vlastními zkušenostmi identifikují přednosti a slabá místa jednotlivých přístupů k experimentální práci. V digitální oblasti lze tímto přístupem prohlubovat znalosti nástrojů pro tvorbu prezentací, jako je např. MS PowerPoint, Impress, Canva, či nástrojů umožňujících týmovou spolupráci jako přenos a sdílení dat, např. cloudové úložiště MS OneDrive nebo Google Drive.
Pokročilou možnost pro rozvoj fyzikálních dovedností a digitálních kompetencí zároveň nabízí vlastní tvorba virtuálních či vzdálených experimentů. Tyto činnosti lze doporučit především pro studenty gymnázií, žáky a studenty nadané a jako náplň fyzikálních či technických seminářů. Tvorba simulací je již proces, který vyžaduje specifické znalosti dle dané použité aplikace, především matematický popis fyzikálního jevu a základy programování. Aplikace pro tvorbu simulací jsou například JavaScript Simulations, Algodoo a Blender. Tvorbou vzdálených fyzikálních experimentů na platformě Arduino s využitím měřicího systému ISES se zabývá doc. RNDr. František Lustig, který nabízí podporu v podobě vzdělávacích kurzů. Jedná se o využití jednotlivých modulů stavebnice k realizaci vlastního vzdáleného experimentu. [9]
BARTOŠEK, Miroslav. Digitální technologie ve výuce fyziky na ZŠ a SŠ [online]. 2020. [cit. 2023-04-06]. Dostupné z: https://clanky.rvp.cz/clanek/c/Z/22442/DIGITALNI-TECHNOLOGIE-VE-VYUCE-FYZIKY-NA-ZS-A-SS.html.
LÁTAL, František. Disertační práce: Vzdáleně ovládané experimenty ve výuce fyziky. Olomouc: Univerzita Palackého, 2012.
DOSTÁL, Jiří. EXPERIMENT JAKO SOUČÁST BADATELSKY ORIENTOVANÉ VÝUKY [online]. 2013. [cit. 2023-04-06]. Dostupné z: https://www.researchgate.net/publication/279981135_EXPERIMENT_AS_PART_OF_INQUIRY-BASED_INSTRUCTION.
KÁCOVSKÝ, Petr. Diplomová práce: Využívání dataloggerů ve výuce fyziky (se zaměřením na systém Vernier). Praha: MFF UK, 2012.
SEIFERT, Robert. PhET je (konečně) česky! [online]. 2013. [cit. 2023-04-06]. Dostupné z: http://fyzweb.cz/materialy/vlachovice/2013/materialy/seifert/c-seifert-phet_cesky.pdf.
BROM, Pavel. Integrovaný e-learning v oblasti kvantové fyziky a optiky [online]. 2018. [cit. 2023-04-06]. Dostupné z: https://dspace.cuni.cz/bitstream/handle/20.500.11956/103638/140070071.pdf?sequence=1&isAllowed=y.
LUSTIG, František. VZDÁLENÉ LABORATOŘE NA MOBILNÍCH ZAŘÍZENÍCH [online]. 2014. [cit. 2023-04-06]. Dostupné z: https://tvv-journal.upol.cz/pdfs/tvv/2014/01/48.pdf.
LUSTIG, František. NOVÉ TRENDY V TRADIČNÍCH, VZDÁLENÝCH A VIRTUÁLNÍCH LABARATOŘÍCH [online]. 2011. [cit. 2023-04-06]. Dostupné z: https://tvv-journal.upol.cz/pdfs/tvv/2011/01/02.pdf.
LUSTIG, František. Výukový kurz „Jednoduché Hands-on-Remote fyzikální experimenty s Arduinem [online]. 2019. [cit. 2023-04-06]. Dostupné z: https://www.ises.info/old-site/clanky_pdf/Vyukovy_kurz_prispevek.pdf.
Tento materiál je publikován pod licencí Creative Commons – Uveďte původ – Neužívejte komerčně – Nezpracovávejte 3.0 ČR.