Schrödinger, Gamow a Kaku: jak učit fyziku zajímavěji?

Každý dobrý učitel si přirozeně klade otázku, jak předkládat probíranou vědeckou disciplínu lépe, než jak to činil doposud. Didaktika fyziky má u nás silnou prvorepublikovou tradici, ale ta byla zpřetrhána válkou a následujícími čtyřiceti lety totality. Minulý režim vnímal fyziku jako jeden z nástrojů na budování vědeckého světonázoru či ateistického přesvědčení žáků, což se zcela přirozeně odráželo také v tom, jak byla látka didakticky zpracována.

Současné učebnice pak na tuto dvojí tradici navazují ve snaze o maximální rigoróznost a pečlivost. Může se tak nakonec zdát, že fyzika se zabývá hmotnými body, přímkami či polem, ale nikoli přírodou. Jestliže se o fyzice mluví jako o vědě, která zkoumá neživou přírodu, je třeba to považovat za redukcionismus zcela nepřijatelný. Fyzika je vědou o přírodě a to by se mělo v praktickém výkladu látky využívat.

V následujícím textu se pokusíme ukázat přístup, který se v pedagogickém úsilí objevil u tří velkých osobností moderní fyziky: E. Schrödingera, G. Gamowa a M. Kaku. Ač mohou na první pohled fyzici, kteří se věnovali základům kvantové mechaniky, mikrovlnnému reliktnímu záření či teorii strun působit pro běžný středoškolský výklad vzdáleně, doufáme, že mohou učitele v mnohém inspirovat a podporovat.

Jejich společným rysem přitom je, že více než na rigorózně přesný výklad sází na intuici, zábavu, příběh. Snaží se své posluchače vtáhnout do podivuhodného světa přírody a jejích zákonů a dávají mu prostor k hledání nových témat či řešení. Jistě není možné vystavět fyziku na čistě hravém, nematematickém výkladu, ale stejně tak je třeba, aby se z výuky fyziky nestala disciplína matematiky, do které vstupují axiomy, se kterými je jen třeba se vhodným početním způsobem vypořádat. Optimum mezi oběma koncepty si již musí najít každý pedagog sám.

Co je život?

Erwin Schrödinger je všeobecně znám jako jeden ze zakladatelů kvantové mechaniky a každý zná jeho vlnovou rovnici nebo ilustraci neurčitosti na příkladu s kočkou v krabici s radioaktivním zářičem. Jednou z jeho nejvýznamnějších knih je publikace nesoucí název Co je život?, ve které mistrně spojuje fyziku a biologii. Sadou jednoduchých úvah dochází k tomu, že musí existovat nosič dědičné informace, že bude mít dvoušroubovicový tvar a aperiodickou strukturu.

Na knize je zajímavé to, jakým způsobem se snaží živou přírodu spojovat se základními fyzikálními poznatky. Ptá se, proč nemůže oko vidět jednotlivé atomy a elegantně ukazuje, že by taková skutečnost vedla k nemožnosti pozorovat zajímavější makroskopické fenomény. Fyzika v živé přírodě je obecně mimořádně zajímavou a pro studenty atraktivní oblastí, které se vyplatí věnovat – od teorie až po experiment.

Jen namátkou lze vybrat hledání vztahu mezi délkou kroku, nohy a rychlostí chůze; jak skáče akrobatický lyžař; co se s lidským tělem děje ve stavu bez tíže; proč mohou ptáci létat nebo proč lidské oko umí detekovat právě takovou vlnovou délku světla, jakou detekuje. Často jednoduché úvahy či výpočty mohou vést k probuzení zájmu o fyziku jako o vědu, která může mnohé říci k tomu, proč je svět kolem nás právě takový a ne jiný.

Pan Tompkins v říši divů

Jiný přístup k tomu, jak popularizovat fyzikální témata nabízí George Gamow ve své knize Pan Tompkins v říši divů. Gamow dokázal vysvětlit mechanismus alfa rozpadu, později předpověděl existenci reliktního mikrovlnného záření, které představuje jeden z nejdůležitějších zdrojů kosmologických poznatků o vzniku a vývoji vesmíru. Také jej nelze tedy podezřívat z toho, že by fyziku neuměl nebo nebral vážně. Ostatně jeho kniha o panu Tompkinsovi je brána jako vzor toho, jak lze fyziku popularizovat.

Oproti Schrödingerovi jde cestou smyšleného světa, kde jsou základní fyzikální konstanty mnohem menší nebo mnohem větší než ve světě našem. A ukazuje, jak by to vypadalo, kdyby vše na první pohled bylo stejné, ale změnila se třeba rychlost světla. Čtenář po přečtení knihy získá dobrou představu o tom, jaké fenomény jsou spojené s principem neurčitosti nebo se speciální relativitou.

Jeho pojetí přitom má vše, co dnešní pedagogický marketing požaduje – silný příběh, emoce, zápletku (slečnu), ale také profesora, který vše vysvětlí a přivede na pravou míru. S emocionálně laděným příběhem dobře pracuje paměť žáka, vysvětlení pak vede k hlubšímu pochopení fenoménů. Také dnešní učitel může pomocí podobných příběhů vtáhnout žáky do problematiky základních fyzikálních zákonů. Představivost je jednou z nejdůležitějších dovedností fyzika a již od prvních fyzikálních krůčků by se měla rozvíjet. Podivné světy s dobrým zadáním jsou přitom ideálním tréninkovým prostředím.

Fyzika nemožného

Michio Kaku je známým americkým popularizátorem vědy a jedním ze zakladatelů strunové teorie pole. Jednou z knih, kterou by měl jistě znát každý učitel fyziky je publikace Fyzika nemožného. V ní se věnuje jednotlivým technickým problémům, jako jsou světelné meče, silová pole, teleportace či čtení myšlenek z hlediska fyziky. Snaží se jednoduchou formou odpovědět na to, zda jsou zařízení umožňující všechny tyto sci-fi aktivity možné, jakou by vyžadovala energii a zda principálně odporují nějakému fyzikálnímu zákonu či nikoli.

V době kdy v kinech běží nový díl hvězdných válek si lze těžko představit zajímavější hodinu, než tu, která rozebírá energii laseru na hvězdě smrti, světelné meče a další zajímavé jevy, které se zde objevují. Nejde přitom o nějaké prázdné mluvení do větru – Kaku spojuje dobrou znalost fyzikálních zákonů a principů, přes které se nelze nikdy dostat, a technická řešení. Studenti se tak mohou alespoň populární formou seznámit s tématy, kterým se moderní fyzika věnuje – od Bose-Einsteinova kondenzátu, přes nanotechnologie až po teorii strun.

Jestliže se hovoří o tom, že výuka by měla obsahovat jak znalosti základních zákonů přírody tak také moderní prvky, aby nebyla jen muzeologickou exkurzí po dějinách vědy, tak Kaku (ale nejen on) ukazují, že to lze atraktivním způsobem propojit.

Závěrem

Ukázali jsme tři zajímavé možnosti, jak klasickou výuku fyziky s experimenty, matematikou a odvozováním posunout do světa, který je pro studenty zajímavý a přitažlivý. Nechat je přemýšlet o přírodě kolem sebe (Schrödinger) a naučit se na ni aplikovat základní fyzikální představy, přemýšlet o tom, jaké jsou vlastnosti vesmíru a co je ovlivňuje (Gamow) a to vše spojit s moderní technikou, kterou znají žáci z filmů či knih (Kaku).

Takto koncipovaná výuka zřejmě neobjasní všechny vznesené otázky a bude mnohem náročnější na fundovanost pedagoga i jeho literární a vypravěčský talent. Ale ukáže, že fyzika je hravou, zábavnou vědou, ve které je cesta za poznáním dobrodružná a krásná. I když třeba někdy roubená náročnou matematikou nebo abstraktním myšlením. A hlavně – bude předmětem, kde se budou ptát a který je bude bavit.

Příspěvek byl napsán v rámci řešení operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost: Moduly jako prostředek inovace v integraci výuky moderní fyziky a chemie, Reg.c.: CZ.1.07/2.2.00/28.01 82.

Literatura a použité zdroje

SCHRÖDINGER, Erwin. Co je život?: Duch a hmota ; K mému životu. 1. vyd. Brno: Vutium, 2004. 254 s. ISBN 802143175x.

KAKU, Michio. Fyzika nemožného. Praha: Argo, 2010. 291 s. ISBN 9788025702093.

GAMOW, George. Pan Tompkins v říši divů. 1. vyd. Praha: Mladá fronta, 1986. 225 s.

DVOŘÁK, Leoš. Lze učit fyziku zajímavěji a lépe? Příručka pro učitele. Praha: Matfyzpress, 2008. 163 s.