DIDAKTIKA PRO 2. ST.ZŠ 1. díl

Transkript

1 UNIVERZITA JANA EVANGELISTY PURKYNĚ V ÚSTÍ NAD LABEM PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA DIDAKTIKA PRO 2. ST.ZŠ 1. díl Eva Hejnová

2 OBSAH Obsah 1 Předmluva 2 1 Úvod do předmětu Pojetí didaktiky fyziky Vymezení disciplíny a základní problémové oblasti didaktiky fyziky Aktuální problémy výuky fyziky na základních školách a víceletých gymnáziích. 6 2 Fyzika na základních školách a víceletých gymnáziích Základní pedagogické dokumenty Učebnice pro výuku fyziky na základních školách a víceletých gymnáziích 13 3 Cíle výuky fyziky Rozvíjení fyzikálního myšlení žáků Pojetí a obsah přírodovědné gramotnosti Jazyk školské fyziky Fyzikální pojmy a jejich vytváření ve vyučování fyzice Fyzikální pojmy a jejich klasifikace Definice fyzikálních pojmů Postup při vytváření konkrétních fyzikálních objektů Fyzikální veličiny Postup při zavádění fyzikálních veličin Přírodní zákonitosti a fyzikální zákony Fyzikální zákon Vyvozování fyzikálních zákonů Didaktická analýza učiva 37 6 Výukové metody a organizační formy ve fyzice Modely a modelování ve fyzice Význam modelu ve fyzice Pojem modelu ve fyzice Klasifikace modelů Experiment ve výuce fyziky Význam experimentu ve výuce fyziky Klasifikace experimentů Poznámky k některým typům experimentů Metodika provádění pokusů Demonstrační pokus Frontální pokus Heuristický pokus Přehled literatury vztahující se k problematice školních pokusů.. 61 Literatura. 65 1

3 Předmluva Vážení čtenáři, dostáváte do rukou 1. díl studijního materiálu kurzu Didaktika fyziky pro 2. st. ZŠ, který je určen studentům kombinovaného studia učitelství fyziky pro 2. stupeň základní školy. Dobře však poslouží i ostatním zájemcům, kteří chtějí absolvovat tento kurz. Předpokládáme, že student, který se chystá absolvovat tento předmět, splnil v předchozích semestrech kurzy obecné fyziky (Mechanika, Termika, Elektřina a magnetismus, Kmity a vlny, Optika, Atomová fyzika), které jsou nutným předpokladem pro plné pochopení problematiky související s výkladem učiva na základní škole. Doporučujeme, aby student zároveň s tímto kurzem absolvoval předmět Praktikum školních pokusů a také pedagogickou praxi. Studijní text se snaží kromě tradičních témat postihnout také novější trendy ve výuce přírodovědných předmětů a současnou situaci ve výuce fyziky. Přesto, vzhledem k neustále se měnící situaci v našem školství (přijetí nového školského zákona a s ním související tvorba školních vzdělávacích programů),je nutné sledovat novou literaturu, která se k problematice výuky přírodovědných předmětů (resp. fyziky) vztahuje, včetně literatury časopisecké. Studijní text je rozčleněn do osmi kapitol. První kapitola je věnována pojetí didaktiky fyziky a jejímu vymezení. V závěru této kapitoly je poukázáno na aktuální problémy, se kterými se potýká výuka fyziky na základních školách. Druhá kapitola se zaměřuje především na problematiku fyzikálního vzdělávání na základních školách z kurikulárního hlediska, tj. jejího zajištění základními pedagogickými dokumenty a učebnicemi. Třetí kapitola je věnována rozvíjení cílům výuky fyziky, čtenář je odkazován při studiu této kapitoly na základní literaturu. Čtvrtá kapitola se zaměřuje na rozvoj fyzikálního myšlení žáků (rozebírána je problematika zavádění fyzikálních pojmů a zákonů). Úvod této kapitoly se zaměřuje na přírodovědnou gramotnost žáků, jejíž úroveň je v současné době pravidelně zjišťována v mezinárodních výzkumech, jichž se Česká republika také účastní. Pátá kapitola se zabývá didaktickou analýzou učiva. Šestá kapitola se stručně věnuje výukovým metodám a organizačním formám ve fyzice, čtenář je opět odkázán zejména na studium základní literatury. Sedmá kapitola se zaměřuje na modely a modelování ve fyzice. Poslední, osmá kapitola, se zabývá problematikou pokusů ve výuce fyziky. Jednotlivé typy experimentů jsou ilustrovány na konkrétních příkladech pokusů, které jsou v této kapitole podrobně popsány. V úvodu jednotlivých částí každé kapitoly je zpravidla uveden odkaz na literaturu, kterou by si měl každý student prostudovat, neboť tento text by měl sloužit pouze k vytvoření základní představy o dané problematice. Každá část kapitoly je také většinou v závěru doplněna otázkou nebo otázkami, které studenta vedou k zamyšlení nad problémy, které souvisejí s daným tématem. Přeji si, aby vám studium tohoto textu přineslo nejen poučení, ale i mnoho praktických námětů k vaší výuce ve školách a motivovalo vás i k dalšímu vzdělávání v dané problematice. Všem čtenářům tohoto studijního textu budu velmi vděčná za upozornění na všechny chyby či nedostatky, které v něm naleznou. V Děčíně Eva Hejnová 2

4 1 Úvod do předmětu Zopakujte si poznatky získané v rámci předmětu Obecná didaktika. K opakování můžete využít např. této publikace: KALHOUS, Z., OBST, O. Školní didaktika. 1. vyd. Praha: Portál, 2002, kap.1, s Pojetí didaktiky fyziky Předmětem didaktiky fyziky (často se také užívá pojem teorie vyučování) jsou cíle, obsah a organizační formy ve vyučování. Jejich obecnými řešeními se zabývá obecná didaktika. Specifickými problémy v jednotlivých vyučovacích předmětech se zabývají předmětové didaktiky, resp. oborové didaktiky (např. didaktika přírodovědných předmětů nebo didaktika fyziky). Východiskem pro vymezení toho, čím se zabývá didaktika fyziky, je fyzikální poznání. Dřívější pojetí didaktiky fyziky se vyznačovalo výrazným zaměřením na práci učitelů se žáky s tím, že převažovala především systematizace izolovaně zkoumaných jevů (aplikační a integrační pojetí didaktiky fyziky). V současné škole se dává přednost spíše komunikačnímu pojetí didaktiky fyziky, které klade důraz na souvislý proces předávání fyzikálního poznání, jež přesahuje hranice školy a výuky. Následující tabulka 1.1 popisuje staré a nové paradigma 1 vyučování z několika různých pohledů. Tab. 1.1 Staré a nové paradigma vyučování (podle Kalhous, Obst, 2003, s. 10) Výchozí předpoklad Každý, kdo zná obor může učit. Staré paradigma Nové paradigma Poznání Předáváno učiteli žákům. Společně konstruováno učiteli a žáky. Žáci Pasivní nádoby, které mají být naplněny poznáním učitelů. Aktivní objevitelé, kteří budují a modifikují své poznání. Poslání učitelů Provést ohodnocení žáků a jejich rozdělení do různých vzdělávacích Identifikovat a rozvinout dispozice žáků. a profesních drah. Vztahy Neosobní. Osobně významné sdělování mezi žáky a učiteli. Kontext Soutěživý/individualistický. Kooperativní učení ve třídě, týmová spolupráce ve sboru. Vyučování je velmi složitý proces, který vyžaduje speciální výcvik. 1 Paradigmatem rozumíme podle českého Pedagogického slovníku (Průcha, Walterová, Mareš, 2001, s. 152) obraz předmětu určité vědy (např. teorie vyučování) a jejích výzkumných přístupů. Představuje nejširší konsensus mezi vědci pracujícími v určité oblasti vědeckého výzkumu. Definuje, co má být studováno, jaké otázky a jak mají být kladeny, podle jakých pravidel mají být interpretovány získané výsledky. 3

5 Úkol: Posuďte ze svých osobních zkušeností, které paradigma na našich školách převládá a proč. Předmět didaktiky fyziky v komunikačním pojetí je značně složitý proces předávání a zprostředkování výsledků a metod fyzikálního poznání do vědomí jednotlivců, a tím i do společenského vědomí. Při tomto procesu dochází nejen k přenosu informací, ale i k učení, které postihuje rozvoj žáka nejen v oblasti kognitivní (týkající se především předávání procesů, intelektuálních schopností a dovedností), ale též v oblasti afektivní (tj. formování postojů, volního jednání, citů, ovlivňování sklonů a zájmů, charakterových rysů osobnosti apod.) a psychomotorické (např. vytváření experimentálních dovedností). Předmět didaktiky fyziky se nekryje s předmětem obecné didaktiky a nelze ji považovat výlučně za speciálně pedagogickou disciplínu. Obecná didaktika zkoumá výuku jakou určitý druh výchovy. Výchovně vzdělávacím obsahem didaktiky fyziky je vědecký systém fyziky transformovaný do didaktického systému a realizovaný nejčastěji v samostatném vyučovacím předmětu Fyzika nebo jiném integrovaném předmětu (např. Člověk a příroda). Didaktika fyziky tedy není jen teorií výuky fyziky, ani jen aplikovanou obecnou didaktikou. Pokud jde o výuku, přejímá didaktika fyziky z obecné didaktiky obecné poznatky i pojmovou strukturu. Je zřejmé, že oblast didaktiky fyziky se nekryje ani s oblastí bádání ve fyzice. Fyzika je přírodní věda, která zkoumá nejjednodušší a současně nejobecnější zákonitosti jevů přírody, stavbu a vlastnosti hmoty a zákony jejího pohybu. Cílem fyziky je obohatit lidské poznání a aplikovat fyzikální poznatky v praxi. Cílem didaktiky fyziky je hledání způsobů, jak fyzikální poznání předávat těm, kteří se na jeho přímém objevu nepodíleli a ukázat jim fyziku jako součást všeobecného vzdělání a kultury vůbec. Didaktika fyziky jako disciplína integrující poznatky z fyziky, pedagogiky, psychologie a dalších oborů má přispět k tomu, aby se žáci ve škole místo získávání sumy encyklopedických poznatků učili samostatně myslet, jednat, vést dialog, aby si dovedli vyhledávat potřebné informace, orientovat se v životních situacích a hledat efektivní způsoby jejich řešení. Vazbu fyziky a didaktiky fyziky ukazuje následující tabulka 1.2. Tab. 1.2 Vazba fyziky a didaktiky fyziky (podle (Janás, 1996, s. 9)) Oblast Fyzika (Fyzik) Didaktika fyziky (Učitel fyziky) Předmět zájmu Příroda zkoumání struktury a vlastností Člověk výuka a učení se fyzice látek a fyzikálních polí (vytváře- Předávání fyzikálních poznatků (obsah) ní fyzikálního obrazu světa) (Osvojování si fyzikálního obrazu světa) Cíl Obohacení lidského poznání Vzdělávání a výchova Metody Pozorování a experiment Indukce a dedukce Analýza a syntéza Předvídání Pedagogický experiment (škola) Indukce a dedukce Analýza a syntéza Výklad Tvůrčí činnost žáků Společné Vytváření fyzikálního obrazu světa Rozdílné Cíl tuší Hledá cesty k dosažení cíle Cíl zná Hledá vhodné metody k dosažení cíle 4

6 1.2 Vymezení disciplíny a základní problémové oblasti didaktiky fyziky Do disciplíny didaktika fyziky patří část výchovné sféry, kterou však výrazně přesahuje. Z určitého hlediska patří do didaktiky fyziky jak vybraný systém fyziky s vazbami na okolí fyziky, tak výsledky fyzikálního vzdělání ve společnosti. Okolím fyziky chápeme jednak vědy a oblasti, které do fyziky vstupují jako pomocné (matematika, počítačová technika apod.), jednak přírodní vědy, které fyziku používají jako vědu základní s celým souborem věd hraničních, dále vědy technické, lékařské aj. Fyzikální poznatek prodělává během didaktické komunikace několik výrazných transformací. Zjištění o objektivní realitě, učiněná fyziky většinou měřením, experimentem nebo matematickou dedukcí, musí být formulována slovně, matematicky nebo graficky, aby mohla být publikována, a tak sdělena nejširšímu okruhu fyziků a současně zařazena do vědeckého systému fyziky. Takový fyzikální poznatek je pak transformován do didaktického systému fyziky. Didaktika fyziky musí sledovat celou cestu předávání fyzikálního poznání a prochází tak zcela odlišnými oblastmi myšlení, zkoumání a vyjadřování, které zhruba odpovídají naznačeným transformacím. Následující obrázek 1.1 zachycuje základní problémové oblasti didaktiky fyziky. Obr. 1.1 Základní problémové oblasti didaktiky fyziky (podle (Janás, 1996, s )) (1) Vědecký systém fyziky z hlediska didaktické komunikace Zahrnuje celé poznání ve fyzice, jeho systém, metody i současné prognostické pojetí. Toto poznání zkoumá didaktika fyziky z hlediska jeho sdělitelnosti a možností přenosu. Patří sem např. problémy různého matematického vyjadřování fyzikálních poznatků, soustavy veličin atd. (2) Didaktický systém fyziky Sem patří otázky pojetí fyziky jako předmětu výuky a vzdělání vůbec, struktura cílů výuky i problematika obsahu výuky fyziky. Tvorba didaktického systému předpokládá znalost nebo zkoumání vazeb k dalším prvkům výchovné sféry. Teprve pak mohou být cíle a obsah spojeny v přiměřené učivo v určitém uspořádání vzhledem k vyučování a učení. Tvorba didaktického systému předpokládá vyjasnění povahy fyzi- 5

7 kálních poznatků z hlediska náročnosti jejich osvojování. Didaktický systém fyziky je klíčovou otázkou didaktiky fyziky, neboť volbou určitého modelu je ovlivněn přenos fyzikálního poznání. (3) Výukový projekt fyziky a jeho prostředky Výukový projekt má být realizací didaktického systému fyziky v učebních plánech osnovách, učebnicích, pomůckách atd. Předmětem didaktiky fyziky je teorie tvorby těchto materiálů a pomůcek, hledání jejich vzájemných vztahů a jejich funkce a účinnosti v procesu výuky. Problematika výukových projektů fyziky se nevztahuje jen ke školní výuce dětí a mládeže, ale rovněž k vysokoškolskému studiu a různým formám výchovy a vzdělávání dospělých. (4) Výukový proces fyziky Jedním z nejvýznamnějších problémů didaktiky fyziky je výukový proces specificky uzpůsobený pro komunikaci fyzikálních poznatků. Týká se všech forem výuky, výchovy mimo výuku i sebevzdělávání ve fyzice. Při tomto klasickém didaktickém problému nejde jen o statistický popis a metodické návody, ale o soubor strukturních vztahů mezi cíli, obsahy, organizací, prostředky a metodami výuky v konkrétně podmíněných výukových situacích chápaných jako interakce. (5) Výsledky výuky fyziky a jejich hodnocení Jde o objektivní zjišťování a hodnocení výuky v kterékoli její fázi i výsledků konečných, výsledků příslušného didaktického systému a projektu. (6) Fyzikální vzdělání a jeho uplatnění Sem spadá problematika fyzikálního vzdělání veřejnosti, přínos fyziky ke všeobecnému vzdělání a k rozmanitým potřebám jednotlivce i společnosti. Didaktika fyziky tak zkoumá uplatnění fyzikálního vzdělání mimo vlastní sféru výchovy. (7) Výchova a vzdělávání učitelů fyziky V celém procesu fyzikálního vzdělávání ve škole je rozhodujícím činitelem učitel fyziky. Proto je třeba věnovat pozornost jeho přípravě a dalšímu vzdělávání. (8) Metodologie a historie didaktiky fyziky Každá vědecká disciplína musí současně s řešením jednotlivých problémů řešit svoji metodologii, hledat předmět i metody svého bádání. Musí si být také vědoma historické kontinuity a souvislostí s dalšími (zejména přírodovědnými) obory. 1.3 Aktuální problémy výuky fyziky na základních školách a víceletých gymnáziích V posledních desetiletích 20. století vzniklo mnoho alternativních projektů výuky (např. domácí vyučování, waldorfská škola, ). Přestože se jim dostává velké publicity, převažující skupina žáků se vzdělává ve školách hlavního proudu. Rámcový vzdělávací program a školní vzdělávací programy umožňuje školám velkou autonomii v realizaci vzdělávání s ohledem na konkrétní podmínky školy, ale teprve budoucnost ukáže nakolik tuto příležitost školy a učitelé využijí. Základem soudobé didaktiky zůstává analýza cílů výuky a na ní založený výběr metod vyučování. Stále větší důraz se klade na hodnocení vzdělávacích výsledků. 6

8 Mnohé výzkumy (např. Třetí mezinárodní výzkum přírodovědného vzdělávání (TIMSS) a Program pro mezinárodní hodnocení žáků (PISA) ukázaly, že fyzika zpravidla nepatří mezi oblíbené předměty. Fyziku žáci často nechápou jako předmět, kde se dozvídají stále něco nového, zajímavého a užitečného, učí se chápat děje v přírodě i funkci současných technických zařízení. Žáci nevidí ve fyzice živou vědu, kterou se zabývají u nás i ve světě týmy lidí s často velmi náročnými experimentálními zařízeními. Často bývá spíše přáním, aby učitel fyziky byl osobností budící respekt jak svými lidskými vlastnostmi, tak svými odbornými schopnostmi, na kterém je vidět, že je pro něho fyzika koníčkem. Na druhou stranu každý z nás dokáže nalézt množství příkladů, kdy náš každodenní život ovládají fyzikální principy. V uplynulých letech se stále více obyvatel technologicky pokročilého světa ve stále větší míře stalo závislými na komplexních technologiích jako jsou například počítače, dopravní systémy a telekomunikace. Pro drtivou většinu lidí jsou však moderní technologické výdobytky zcela odcizené, pocházející z jiného světa. Jen se kupují, používají a zahazují. Není potřeba je vymýšlet, rozumět jim, opravovat je. To dělá úzce specializovaná skupina lidí. Všeobecné povědomí o přírodních vědách, zejména pokud se týká klíčových oblastí jako fyzika a příbuzné obory, je pozoruhodně nízké. Uveďme alespoň několik příčin výše uvedených skutečností tak, jak je většinou formulují odborníci, kteří se věnují problematice vzdělávání: Většině učitelů na základní škole chybí reálná zkušenost s vědou. Standardní přednášky na vysoké škole směřují k předložení základních informací; cvičení, praktika a semináře vedou k omezenému zvládnutí základních dovedností, ale skutečná vlastní zkušenost s řešením vědeckého problému se získává zřejmě jen prací na diplomové práci s byť drobným, ale vědeckým cílem. Nedostatek kvalifikovaných a aktivních učitelů. Může za to několik faktorů: malý zájem o studium učitelství, řada vystudovaných učitelů nakonec buď učit nejde nebo od učení dříve či později odchází. Příčinou jsou relativně špatné platové podmínky a velmi malá možnost kariérního růstu, v neposlední řadě také psychická náročnost tohoto povolání. Vysoký věkový průměr učitelů fyziky. Mnoho učitelů je blízko nebo už v důchodovém věku. S tím samozřejmě souvisí i kvalita výuky. Někteří starší učitelé mají zavedené své vyučovací metody, většinou standardní a nic nového se učit nechtějí, i když právě věk by mohl být jejich předností, protože by mohli mít široký přehled o vývoji vědy, ke kterému došlo během jejich pedagogické praxe. Technika velmi pokročila dopředu, například počítače už jsou běžnou součástí našich životů a děti s nimi umí pracovat mnohdy lépe než jejich učitelé. Učitel by měl být schopen ukázat možnosti jejich využití při výuce fyziky i samostudiu. Měl by seznamovat děti s technickými novinkami a vysvětlovat jim jejich princip. Fyziku učí často lidé, kteří tento předmět nevystudovali a nemají k němu žádný bližší vztah. To vede často k tomu, že postrádají nadšení pro svůj předmět, nedokážou děti motivovat a danou látku jim dostatečně přiblížit a vysvětlit, schází jim potřebný nadhled (a solidní fyzikální základy). Důsledkem toho je, že si jen málo studentů zvolí jako svůj 7

9 studijní předmět právě fyziku, a tak na vysokých školách ubývá studentů, kteří by chtěli studovat učitelství tohoto předmětu. Uveďme nyní, jaké existují cesty k nápravě výše popsaného neradostného stavu: Začít s jednoduchými pokusy a ukázkou, co to vlastně fyzika je (např. v rámci vyučování přírodovědy na 1. stupni základních škol), pokud možno dříve než ve 12 letech, kdy standardně začíná výuka fyziky na většině škol. Dělat hodiny fyziky pro většinu žáků zajímavější, ubrat matematiky. Podepřít výuku fyziky na zkušenostech z každodenního života. Výuka fyziky by měla být založena na každodenní zkušenosti, aby nebyla pro žáky něco, co s normálním životem nemá nic společného. Proto je např. důležité zdůraznit při výuce roli fyzikálních hraček a pokusů s jednoduchými pomůckami, které mají výrazný motivační charakter, vyvolávají řadu otázek a vedou přirozeně k poznání. Podporovat další vzdělávání učitelů. Vytvořit a zpřístupnit řadu výukových metod a materiálů, které prokazatelně účinně zvyšují zájem mládeže o přírodní vědy. Zkoumat, objevit a ocenit různé metody v užívání internetových prostředků. Udržet a rozšířit síť expertů v oblasti fyzikálního vzdělávání a popularizace fyziky z celé Evropy. Tvořit a distribuovat textové, obrazové i video materiály zdůrazňující stanoviska a doporučení těchto expertů. Úkol: Zamyslete se nad následujícími problémy: 1. Proč žáci podle vás často považují fyziku za příliš obtížný předmět a nechtějí se jí věnovat ve svém dalším vzdělávání? 2. Uměli byste žákům odpovědět na jejich častou otázku Proč se musíme učit fyziku? 3. Jakými způsoby je podle vás možné zlepšit výuku fyziky na našich základních školách? 4. Jaký by měl být podle vás ideální učitel fyziky? Máte jasnou představu, jak by bylo možné tohoto ideálu dosáhnout? 8

10 2 Fyzika na základních školách a víceletých gymnáziích 2.1 Základní pedagogické dokumenty Prostudujte Rámcový vzdělávací program pro základní vzdělávání, kterého se týká následující text. V aktualizované podobě ho naleznete na WWW stránkách některé z těchto institucí: Výzkumný ústav pedagogický v Praze ( Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ( Ústav pro informace ve vzdělávání ( V roce 2004 byl přijat nový školský zákon, jehož součástí je tzv. Rámcový vzdělávací program pro základní vzdělávání (dále jen RVP ZV), jenž se stane významným dokumentem usměrňujícím vzdělávání na všech typech škol, které poskytují základní vzdělávání. RVP ZV vychází z analýz a hodnocení vývoje základního vzdělávání, které se v posledních letech uskutečnily a které vyústily v koncepci programu rozvoje vzdělávání, prezentovanou v Bílé knize (2001). RVP ZV navazuje na dosavadní vzdělávací programy používané na základních školách a podle nově vzniklých potřeb je dotváří. V budoucnu by tak tento dokument měl nahradit dosavadní Standard základního vzdělávání. Rámcový vzdělávací program pro základní vzdělávání: vymezuje tři období (etapy) vzdělávání (1. období: 1. až 3. ročník, 2. období: 4. a 5. ročník, 3. období: 6. až 9. ročník); specifikuje úroveň klíčových kompetencí, jíž by měli žáci v základním vzdělávání dosáhnout; vymezuje pojetí oblastí vzdělávání, cíle a obsah jednotlivých částí a oborů vzdělávání; vymezuje závazný vzdělávací obsah (očekávané výstupy a učivo) na úrovni, kterou si mají osvojit žáci v základním vzdělávání; uvádí zásady, podle kterých má škola zpracovávat vlastní školní vzdělávací program; naznačuje, jakým způsobem má škola přemýšlet o vzdělávacích prioritách, o krátkodobé i perspektivní realizaci vzdělávání ve svých konkrétních podmínkách a s konkrétními žáky, o spolupráci s rodiči atd.; je pro školy východiskem pro tvorbu učebního plánu, pro vlastní výběr předmětů a jejich strukturaci, pro formulaci vlastních dlouhodobých cílů i pro návrh konkrétního způsobu jejich realizace; umožňuje pedagogickou autonomii škol a tvořivost učitelů při dotváření učebního plánu, vytváření vazeb mezi vzdělávacími oblastmi a obory, rozhodování o podobě (integraci) vzdělávacích předmětů, při výběru učiva, metod a forem výuky, při vytváření vhodného klimatu pro učení a život školy atd. neobsahuje učební osnovy, ale stanovuje nezbytné učivo v jednotlivých oborech vzdělávání vedoucí k získání očekávaných kompetencí; umožňuje realizaci systému evaluace výsledků vzdělávání (vnitřní i vnější), především systematickou tvorbou evaluačních nástrojů, vycházejících z konkrétních úkolů škol a očekávaných kompetencí žáků. 9

11 Tabulka 2.1 ukazuje, jak vypadá Rámcový učební plán pro základní vzdělávání (dále jen RUP). Tab. 2.1 Rámcový učební plán pro základní vzdělávání Vzdělávací oblasti Obory vzdělávacích oblastí 1. stupeň 2. stupeň ročník ročník a odpovídající ročníky víceletých středních škol Minimální časová dotace Český jazyk a literatura Jazyk a jazyková Cizí jazyk 9 komunikace 18 Další cizí jazyk - Matematika a její aplikace Informační a komunikační technologie 1 2 Člověk a jeho svět 12 - Člověk a společnost Člověk a příroda Umění a kultura Člověk a zdraví Dějepis Výchova k občanství Fyzika - Chemie - Přírodopis Zeměpis - Hudební výchova Výtvarná výchova Výchova ke zdraví - Tělesná výchova 10 Člověk a svět práce 5 4 Celková minimální časová dotace Disponibilní časová dotace 9 10 Celková časová dotace Časové dotace pro jednotlivé vzdělávací oblasti jsou v RUP vymezeny na úrovni minimální časové dotace, která je závazná. Znamená to, že škola nesmí ve svém učebním plánu stanovit u žádného předmětu vycházejícího z oboru vzdělávací oblasti nižší hodinovou dotaci, než uvádí RUP. Číslo udává, kolik hodin týdně musí škola minimálně věnovat dané vzdělávací oblasti - oborům dané vzdělávací oblasti ve všech ročnících příslušného stupně. Celková minimální časová dotace činí na 2. stupni základní školy (v ročníku) a v nižších ročnících víceletých středních škol 112 hodin. Rozdíl mezi celkovou a minimální časovou dotací (pro 2. stupeň je to 10 hodin) tvoří tzv. disponibilní časovou dotaci, která je určena k posílení časové dotace vzdělávacích oblastí nad stanovené minimum, k vytváření nabídky volitelných předmětů a k realizaci průřezových témat

12 Na základě RUP vytvářejí školy učební plán svého školního vzdělávacího programu a transformují v něm obory vzdělávacích oblastí do samostatných vyučovacích předmětů, případně do jiných organizačních forem výuky. Fyzika (společně s chemií, přírodopisem a zeměpisem) je oborem vzdělávací oblasti Člověk a příroda. Tyto přírodovědné předměty se realizují na 2. stupni základního vzdělávání zpravidla v samostatných vyučovacích předmětech, mohou se však vyučovat také jako jeden integrovaný předmět. Vzdělávací oblast Člověk a příroda zahrnuje široký okruh otázek spojených se zkoumáním přírody. Poskytuje žákům prostředky a metody pro hlubší porozumění přírodním faktům a jejich zákonitostem. Dává jim tím i potřebný základ pro lepší porozumění a využívání současných technologií a pomáhá jim lépe se orientovat v běžném životě. V této vzdělávací oblasti dostávají žáci příležitost poznávat přírodu jako systém, jehož součásti jsou vzájemně propojeny, působí na sebe a ovlivňují se. Na tomto poznání je založeno i pochopení důležitosti udržování přírodní rovnováhy pro existenci živých soustav, včetně člověka. Vzdělávací oblast také významně podporuje vytváření otevřeného myšlení (přístupného alternativním názorům), kritického myšlení a logického uvažování. Obory vzdělávací oblasti Člověk a příroda, jimiž jsou Fyzika, Chemie, Přírodopis a Zeměpis, svým činnostním a badatelským charakterem výuky umožňují žákům hlouběji porozumět zákonitostem přírodních procesů, a tím si uvědomovat i užitečnost přírodovědných poznatků a jejich aplikací v praktickém životě. Zvláště významné je, že při studiu přírody specifickými poznávacími metodami si žáci osvojují i důležité dovednosti. Jedná se především o rozvíjení dovednosti soustavně, objektivně a spolehlivě pozorovat, experimentovat a měřit, vytvářet a ověřovat hypotézy o podstatě pozorovaných přírodních jevů, analyzovat výsledky tohoto ověřování a vyvozovat z nich závěry. Žáci se tak učí zkoumat příčiny přírodních procesů, souvislosti či vztahy mezi nimi, klást si otázky (Jak? Proč? Co se stane, jestliže?) a hledat na ně odpovědi, vysvětlovat pozorované jevy, hledat a řešit poznávací nebo praktické problémy, využívat poznání zákonitostí přírodních procesů pro jejich předvídání či ovlivňování. Ve výše zmíněných vzdělávacích oborech žáci postupně poznávají složitost a mnohotvárnost skutečnosti, jsou vedeni k tomu, aby chápali podstatné souvislosti mezi stavem přírody a lidskou činností, především pak závislost člověka na přírodních zdrojích a vlivy lidské činnosti na stav životního prostředí a na lidské zdraví. Učí se poznávat změny probíhající v přírodě, odhalovat příčiny a následky ovlivňování důležitých místních i globálních ekosystémů a uvědoměle využívat své přírodovědné poznání ve prospěch ochrany životního prostředí. Komplexní pohled na vztah mezi člověkem a přírodou, jehož významnou součástí je i uvědomování si pozitivního vlivu přírody na citový život člověka, utváří - vedle fyzikálního, chemického a přírodopisného vzdělávání - také vzdělávání zeměpisné, které umožňuje žákům postupně se seznámit se souvislostmi přírodních podmínek a života lidí v blízkém okolí, v regionech, na celém území ČR, v Evropě i ve světě. Vzdělávací obsah přírodovědného i společenskovědního charakteru oboru Zeměpis je v zájmu zachování celistvosti oboru umístěn v této vzdělávací oblasti. Vzdělávací oblast Člověk a příroda navazuje na vzdělávací oblast Člověk a jeho svět (která na elementární úrovni přibližuje přírodovědné poznávání žákům 1. stupně základního vzdělávání) a kooperuje se vzdělávacími oblastmi Matematika a její aplika- 11

13 ce, Člověk a společnost, Člověk a zdraví a Člověk a svět práce a přirozeně i s dalšími vzdělávacími oblastmi. Oblast Člověk a příroda přispívá k utváření a rozvíjení klíčových kompetencí tím, že vede žáka k: zkoumání přírodních faktů a jejich souvislostí s využitím různých empirických metod poznávání (pozorování, měření, experiment) i různých metod racionálního uvažování; vytváření potřeby klást si otázky o způsobu a příčinách různých přírodních procesů, správně tyto otázky formulovat a hledat na ně adekvátní odpovědi; osvojování systému přírodovědného poznávání a jeho využívání k efektivnímu řešení přiměřeně obtížných problémů; rozvíjení způsobu myšlení, které vyžaduje ověřování vyslovovaných domněnek o přírodních faktech více nezávislými způsoby; posuzování důležitosti, spolehlivosti a správnosti získaných přírodovědných dat pro potvrzení nebo vyvrácení vyslovovaných hypotéz či závěrů; vyhledávání potřebných údajů v různých zdrojích informací při řešení přírodovědných, popř. technických problémů, včetně těch, které souvisejí s běžným životem; zapojování do aktivit směřujících k šetrnému chování k přírodním systémům, ke svému zdraví i zdraví ostatních lidí; porozumění souvislostem mezi činnostmi lidí a stavem přírodního a životního prostředí; způsobům uvažování a jednání preferujících co nejefektivnější využívání zdrojů energie v praxi, včetně co nejširšího využívání jejích obnovitelných zdrojů, zejména pak slunečního záření, větru, vody a biomasy; rozvíjení dovedností vhodně se chovat při kontaktu s objekty či situacemi potenciálně či aktuálně ohrožujícími životy, zdraví, majetek nebo životní prostředí lidí. 12

14 Ukázka vymezení vzdělávacího obsahu oboru fyzika (část věnovaná tématu Pohyb a síla) Očekávané výstupy Žák rozhodne, zda je dané těleso je v klidu či pohybu vůči jinému tělesu, a využívá s porozuměním při řešení problémů a úloh vztah mezi rychlostí, dráhou a časem u rovnoměrného pohybu těles; změří velikost působící síly a určí její směr; určí v konkrétní situaci síly působící na těleso a jejich výslednici; využívá Newtonovy zákony pro objasňování či předvídání změn pohybu při působení stálé výsledné síly v jednoduchých situacích; aplikuje poznatky o rovnováze na páce a pevné kladce při řešení praktických problémů. Učivo gravitační pole a gravitační síla přímá úměrnost mezi gravitační silou a hmotností tělesa; tlaková síla a tlak vztah mezi tlakovou silou, tlakem a obsahem plochy, na niž síla působí; třecí síla smykové tření, přímá úměrnost velikosti třecí a tlakové síly, ovlivňování velikosti třecí síly v praxi; výslednice dvou sil stejných nebo opačných směrů; Newtonovy zákony první, druhý (kvalitativně) a třetí; otáčivé účinky síly. Zdroj: Úkoly: 1. Prostudujte podrobně části Rámcového vzdělávacího programu, které se týkají fyzikálního vzdělávání žáků (zejména ty části, které se týkají očekávaných výstupů a učiva). 2. Myslíte si, že můžeme ve fyzice naučit všechny žáky všemu, co předepisují Očekávané výstupy a Učivo? Jak si představujete diferenciaci ve vyučování fyzice? 2.2 Učebnice pro výuku fyziky na základních školách a víceletých gymnáziích Zajistěte si alespoň jednu ucelenou řadu učebnic pro výuku fyziky na základních školách a víceletých gymnáziích. Při zpracování určitého tématu (např. při přípravě na vyučovací hodinu) byste měli mít možnost nahlédnout i do dalších učebnic. Důležitou roli při výuce fyziky mají učebnice. Děti s nimi pracují nejen v hodinách, ale používají je i doma. Proto by měly být srozumitelné, aby se podle nich děti mohly snadno učit samy. Měly by obsahovat návody na jednoduché úlohy a experimenty, které si děti mohou doma samy nebo za pomoci rodičů vyzkoušet. 13

15 K pochopení učiva pomáhají i názorné obrázky či grafy. Je vhodné, pokud učitel může při přípravě na své hodiny čerpat z několika učebnic fyziky. V některé jsou dobře zpracované pokusy k danému učivu, v jiné jsou uvedena jednoduchá a pro děti srozumitelná vysvětlení, někde můžeme najít zajímavé historické poznámky apod. Učitel, který nemá na dané téma vyhraněný vlastní názor, hledá v učebnici návod, jak ono téma vyložit. Pro výuku fyziky na základních školách a víceletých gymnáziích bylo po roce 1989 vydáno několik řad učebnic. KOLÁŘOVÁ, R., BOHUNĚK, J. Fyzika pro ročník základní školy. Vydalo nakladatelství Prometheus. Učebnice této řady vznikly přepracováním již mnoho let osvědčené řady učebnic (JANOVIČ, J. a kol. Fyzika pro 6. ročník ZŠ, BOHUNĚK, J. a kol. Fyzika pro 7. ročník ZŠ, KOLÁŘOVÁ, R. a kol. Fyzika pro 8. ročník ZŠ učebnice této řady byly rozděleny na studijní část A a pracovní část B), která byla zpracována na základě mnoha připomínek učitelů základních škol a odborné skupiny Fyzikální pedagogické sekce JČMF (Jednota českých matematiků a fyziků) pro výuku fyziky na základní škole. Učebnice nové řady (formát A5) jsou přepracovány tak, aby rozvržení učiva plně odpovídalo vzdělávacímu programu Základní škola. Učebnice nové řady již nejsou rozděleny na studijní část A a pracovní část B. Po výkladové části, která je doplněna obrázky nebo fotografiemi, následují otázky, úlohy a návody na jednoduché pokusy, jež jsou také doprovázené řadou ilustrací. Důležité fyzikální poznatky jsou zvýrazněny v barevném rámečku. V učebnicích je také řada řešených příkladů, návody k laboratorním úlohám a výsledky úloh. V každém ročníku jsou učebnice doplněny také pracovními sešity, které lze využít především pro individuální práci žáků (BOHUNĚK, J. Pracovní sešit k učebnici fyziky). Umožní jim rychle si ověřit (bez zdlouhavého opisování zadání), jak učivu porozuměli. V závěru pracovních sešitů jsou listy pro zpracování laboratorních úloh. Tato nová řada učebnic je doplněna souborem tematických prověrek (BOHU- NĚK, J., HEJNOVÁ, E. Tematické prověrky z učiva fyziky základní školy). Tematické prověrky lze použít k diagnostickému ověření stavu vědomostí a dovedností žáků, ke shrnutí a upevňování učiva dílčích témat, ke klasifikaci na závěr určitého tematického celku (jako jeden z ukazatelů) nebo ke klasifikaci při závěrečném opakování několika tematických celků. Všechny prověrky včetně jejich řešení jsou uvedeny také na doprovodném CD. Elektronická verze testů učiteli umožňuje sestavit si vlastní verzi prověrky, v níž použije jen vybrané úlohy, v libovolné prověrce může také měnit texty úloh, nebo vytvářet a zařazovat do prověrek své vlastní příklady. Kromě toho je možné k této řadě využívat také metodickou příručku KOLÁŘOVÁ, R. Příručka učitele fyziky na základní škole s náměty pro tvorbu ŠVP. 14

16 ROJKO, M., aj. Fyzika kolem nás (Fyzika 1-4 pro základní a občanskou školu). Vydalo nakladatelství Scientia. Všechny díly této učebnice byly vydány v učitelské a žákovské verzi (učebnice mají formát A4). Učitelská verze těchto učebnic je oproti žákovské verzi obohacena o rady pro učitele (v barevném pruhu na každé stránce učebnice), jak které téma dětem co nejlépe přiblížit, na co si dát pozor, jakou terminologii používat, návody na další pokusy apod. Žáci v učebnicích najdou mnoho obrázků a grafů vysvětlujících různé fyzikální zákony, úlohy a návody na samostatnou práci a jednoduché experimenty. Důraz je kladen zejména na provázání fyziky s běžným životem. První díl této řady učebnic má převážně motivační charakter a směřuje k probuzení zájmu žáků o pochopení fyzikálních jevů, se kterými se běžně setkávají. V dalších dílech se pak objevují některé základní kvantitativní vztahy a jsou zdůrazňovány souvislosti jednotlivých témat a syntetický pohled na svět. Tyto učebnice umožňují častější zařazení heuristických metod ve výuce fyziky a aktivnější účast žáků v hodinách. Analýzou konkrétních situací (v učebnicích je množství fotografií) žáci směřují k obecnějším fyzikálním poznatkům, které však neztrácejí svůj reálný obsah. MACHÁČEK, M. Fyzika pro základní školy a víceletá gymnázia. Vydalo nakladatelství Prometheus. Přepracovaná řada učebnic (formát A4) je psána tak, aby vyhovovala co nejširšímu okruhu žáků i učitelů. Obsahuje dvě úrovně výkladu. Základní úroveň obsahuje učivo požadované Standardem základního vzdělávání v hloubce přiměřené průměrným žákům při týdenní dotaci 1 nebo 2 hodin. Rozšiřující úroveň je vhodná pro studijně orientované žáky a pro nižší ročníky víceletých gymnázií. Učebnice pro 6. až 8. ročník jsou rozděleny do dvou dílů, učebnice pro 9. ročník je jednodílná. Učebnice jsou psány jazykem žákům dobře srozumitelným, učivo je vykládáno na příkladech a jevech běžného denního života v přírodě, technice, sportu apod. Obsahují řadu opakovacích otázek před výkladem i po něm, opakovací kapitoly se stručným shrnutím probraného učiva a slovníčkem nových pojmů. Na úvodní straně každé kapitoly je doporučení, co si mají žáci zopakovat pro lepší pochopení dané látky a co nového se v kapitole naučí. I v této učebnici jsou důležité poznatky zvýrazněny barevným rámečkem. Každá učebnice obsahuje velké množství standardních i problémových úloh, řadu řešených příkladů, a také náměty na laboratorní práce. Součástí je mnoho názorných ilustrací, pokusů a praktických příkladů na využití fyzikálních jevů. Učebnice v každém ročníku jsou doplněny stručnou metodickou příručkou a pracovními sešity (MACHÁ- ČEK, M. Pracovní sešit k učebnici FYZIKA pro základní školy a víceletá gymnázia), které zefektivňuje a oživuje práci ve škole, usnadňuje diferenciaci žáků a umožňuje individuální zadávání úloh. 15

17 JÁCHIM, F., TESAŘ, J. Fyzika pro 6. až 9. ročník základní školy. Vydalo Státní pedagogické nakladatelství. Jedná se o několikadílnou řadu učebnic fyziky pro 2. stupeň ZŠ, jednotlivé díly zahrnují tématické celky (např. Měření fyzikálních veličin). Pro každý ročník je určena jedna učebnice formátu A5. Učebnice rozlišují základní a rozšiřující učivo, obsahují množství úkolů a cvičení včetně praktických pokusů. Snazší práci s učebnicí umožňují malé obrázky po straně textu úloh, které označují složitost úlohy, zda je početní, na procvičení dovedností a odhadu, domácí úkol apod. Na začátku každé kapitoly jsou nakresleny vtipné obrázky navozující téma, které se bude probírat. Následuje vlastní výklad učiva, červeně zvýrazněné poznatky k zapamatování, modře rozšiřující učivo a někde i historické poznámky vztahující se k danému tématu, které jsou pro děti velmi zajímavé a nové učivo oživí. Na závěr kapitol je uvedeno několik úloh. Na konci každého většího tématického celku je uvedena laboratorní úloha. Lustigová, Z. Fyzika pro ročník základních škol a nižší ročníky víceletých gymnázií. Vydalo nakladatelství Fortuna. Tato řada učebnic (formátu A4) zahrnuje dva svazky (1. část zahrnuje učivo fyziky pro 6. a 7. ročník, 2. část pro 8. a 9. ročník). V každé kapitole jsou kromě vlastního výkladu učiva i části oddělené čarou Zamyslete se, Zkuste si sami a Zopakujte si. Část Zamyslete se nabádá děti znovu popřemýšlet nad některými fyzikálními problémy, které se vztahují k dané látce, nebo mají žáci za úkol vysvětlit nějaký fyzikální jev na základě svých získaných vědomostí. Zkuste si sami je část, ve které se objevují návody na domácí ale i školní experimenty většinou s velmi jednoduchými a levnými pomůckami. Část Zopakujte si je shrnutím probraného učiva dané kapitoly. Početní úlohy na procvičení učiva chybí, někde je uvedeno jen doporučení, aby si děti něco spočítaly samy. Rauner, K. a kol. Fyzika pro 6. ročník základní školy a primu víceletého gymnázia. Vydalo nakladatelství Fraus. V roce 2004 vyšla první učebnice (formátu A4), v současné době je tato řada již úplná. Učebnice je doplněna podrobnou metodickou příručkou a pracovním sešitem, který obsahuje Přehled učiva. Tento třídílný komplet je dosud nejkomplexněji zpracovaným materiálem pro výuku fyziky. Autoři počítají s tím, že jej bude možné použít v počátcích realizace Rámcového vzdělávacího programu. Proto je hlavní důraz kladen na praktické aplikace fyziky, které prolínají celým učivem a umožňují získat žákům představu o fyzice jako o užitečném předmětu s mimořádným vztahem k praxi. Úkoly v pracovním sešitu jsou směrovány k tomu, aby si žáci ve škole i doma všechny fyzikální poznatky co nejvíce osahali ; pestrost úkolů včetně fyzikálních doplňovaček a dalších motivačních úkolů pak rozvíjí zájem žáků o fyziku. 16

18 Texty v příručce jsou zpracovány tak, že každé kapitole je věnována jedna dvoustrana, která představuje návrh přípravy učitele na příslušnou vyučovací hodinu. V příručce je možné nově nalézt informace o mezipředmětových vazbách, odkazy na zajímavé internetové adresy a jsou zde také uvedena řešení úkolů i odpovědi na otázky z textu učebnice i pracovního sešitu. Úkol: Porovnejte zpracování vybraného tématu (např. Archimédova zákona) v jednotlivých výše uvedených učebnicích. 3 Cíle výuky fyziky Prostudujte doporučenou literaturu: Svoboda, E., Kolářová, R. Didaktika fyziky základní a střední školy: vybrané kapitoly (skriptum). Praha: Karolinum, 2006, str Úkoly: 1. Prostudujte Rámcový vzdělávací program pro základní vzdělávání a pozornost soustřeďte na podrobnější rozbor klíčových kompetencí a na očekávané výstupy jednotlivých fyzikáních témat. Pokuste se o konkrétní formulace těchto výstupů pro školní vzdělávací program (pokud učíte ve škole, srovnejte tyto formulace se ŠVP, který ve škole používáte). 2. Zpracujte tématický plán pro vybrané téma podle vzoru z výše uvedené literatury, který naleznete na str

19 4 Rozvíjení fyzikálního myšlení žáků 4.1 Pojetí a obsah přírodovědné gramotnosti Téma gramotnosti v přeneseném slova smyslu, tedy jako souboru základních znalostí a dovedností z různých oborů lidské činnosti, nezbytných pro úspěšné uplatnění v moderní společnosti, se stává v poslední době velmi aktuálním při diskusích pedagogických pracovníků a tvůrců školské politiky ve všech vyspělých zemích a začíná výrazně ovlivňovat náplň vzdělávání ve školách na celém světě. Snahy posunout školní vzdělávání od klasických školních znalostí k jejich aplikaci a rozvoji dovedností potřebných pro úspěšné uplatnění v životě jsou patrné i v našem vzdělávacím systému. První významný krok na cestě k současnému pojetí přírodovědné gramotnosti byl učiněn nejprve v rámci výzkumu TIMSS 2 (Třetí mezinárodní výzkum matematické a přírodovědné vzdělanosti). Rozhodnutí zařadit do tohoto výzkumu měření přírodovědné gramotnosti představovalo velkou výzvu, protože do té doby neexistovala její ucelená koncepce, a ani obecně přijímaná představa o tom, co vlastně představuje. Výzkum TIMSS vyzdvihuje význam základních představ přírodních věd s tím, že je třeba jít spíše do hloubky než do šířky, dále zdůrazňuje propojení matematiky a přírodních věd s jinými obory lidské činnosti, schopnost žáků provádět samostatný výzkum a jasně sdělit své postupy i svá zjištění. Kromě toho zdůrazňuje význam analytických schopností a myšlenkových postupů, které jsou pro matematiku a přírodní vědy typické. Ještě významnější než výše uvedené aspekty je skutečnost, že matematika a přírodovědné disciplíny jsou produkty lidského myšlení a lidské aktivity. Zkoumání těchto disciplín umožňuje sledovat, jakým způsobem lidé vytvářejí myšlenky, jak je testují a dále používají, na jakém podkladě je přijímají či odmítají. Velký význam je přikládán argumentaci, která je důležitou složkou našeho života; a také praktickým činnostem, které jsou veřejností oceňovány daleko více než teoretické znalosti. Výzkum TIMSS vymezil pět složek přírodovědné gramotnosti. Těmi jsou podle přírodovědné učivo, společenský vliv přírodních věd, přírodovědná argumentace, společensko-historický vývoj přírodních věd a pozitivní vztah k přírodním vědám. Tvůrci tohoto koncepčního rámce přírodovědné gramotnosti zdůrazňují, že má být hodnoceno především to, co zůstalo z koncepčního učení, a nikoliv schopnost vybavit si detailní faktické informace. Položky testující přírodovědnou gramotnost žáků mají být zasazeny do kontextu situací z běžného života, tedy nemají být formulovány abstraktně nebo ponechány bez kontextu. Dále mají žáci prokázat svoji přírodovědnou gramotnost tím, že dokáží logicky a rozumně myslet, když se v životě dostanou do situací, které mají souvislost s matematikou či přírodními vědami nebo přijdou do styku s údaji z těchto oblastí. 2 Mezinárodní výzkum TIMSS se uskutečnil v roce 1995 a účastnilo se ho více než 40 zemí z celého světa. V České republice se do výzkumu TIMSS zapojilo přes žáků a 950 učitelů z 500 náhodně vybraných základních a středních škol. Výzkum zjišťoval znalosti žáků v matematice a přírodovědných předmětech, a také faktory, které tyto znalosti ovlivňují. V České republice se tento výzkum setkal s velkým zájmem, protože nám poprvé v historii umožnil srovnat znalosti a dovednosti našich žáků a jejich vrstevníků z jiných zemí. 18

20 Ještě revolučnější podobu pojetí přírodovědné gramotnosti dal mezinárodní výzkum PISA 3 (Program pro mezinárodní hodnocení žáků). Tvůrci tohoto výzkumu vycházejí z toho, že ačkoliv je důležité si v průběhu studia osvojit konkrétní znalosti, užití těchto znalostí v dospělém životě závisí hlavně na tom, jak si jednotlivec osvojil širší pojmy a dovednosti. Např. v rámci diskusí o přírodovědné tematice, vedených ve společnosti dospělých, mají menší hodnotu konkrétní znalosti, jako jsou jména určitých rostlin nebo zvířat, než porozumění širším pojmům a tématům, jako je např. spotřeba energie či lidské zdraví. Dále se tito odborníci shodují v tom, že žáci se nemohou naučit ve škole vše, co budou potřebovat v dospělosti, musí si však vytvořit předpoklady pro další úspěšné vzdělávání. Žáci musí být schopni organizovat a řídit své vlastní vzdělávání, umět se učit samostatně i ve skupinách a umět překonávat těžkosti vzdělávacího procesu. To vyžaduje, aby si byli vědomi svých myšlenkových pochodů, vzdělávacích strategií a postupů. Tradiční školní osnovy tak, jak je známe např. i v našem vzdělávacím systému, totiž tradičně kladou menší důraz na dovednosti, které jsou potřebné pro všeobecné použití v dospělém životě. Ještě méně se tradiční osnovy zaměřují na obecnější schopnosti prolínající všemi předměty, na řešení problémů a používání vlastních způsobů myšlení v konkrétních životních situacích. Pro výzkum PISA byla na základě výše uvedených skutečností vytvořena následující definice přírodovědné gramotnosti: Přírodovědná gramotnost je schopnost využívat přírodovědné vědomosti, klást otázky a na základě důkazů vyvozovat závěry vedoucí k porozumění a usnadňující rozhodování týkající se přirozeného světa a změn, které v něm nastaly v důsledku lidské činnosti. Definice přírodovědné gramotnosti dále zahrnuje tři hlediska: postupy, obsah a situace. Přírodovědnými postupy označují tvůrci výzkumu PISA široké spektrum dovedností, které mají žáci při řešení úlohy vykonávat. Výzkum PISA se zaměřuje na následujících pět postupů: rozpoznání otázek, které je možno zodpovědět pomocí vědeckého zkoumání; určení důkazů nezbytných pro vyvození určitého závěru; vyvozování závěrů z předložených poznatků nebo posouzení závěrů; formulace závěrů a jejich srozumitelné vyjádření; porozumění přírodovědným pojmům a poznatkům. K tomu, aby žáci porozuměli jevům, se kterými se v přírodě setkávají, potřebují získat řadu přírodovědných poznatků. Z oblasti fyziky mají ve výzkumu PISA zastoupení např. téma Přeměny energie a téma Síla a pohyb. Charakteristickým rysem výzkumu PISA je, že přírodovědná gramotnost je zkoumána v situacích každodenního života, nikoliv v prostředí školní třídy nebo laboratoře. Obsah testových položek je volen převážně ze tří oblastí: život a zdraví, Země a životní prostředí, technika. 3 Výzkum PISA je zaměřen na patnáctileté žáky, neboť cílem je zjistit celkový přínos vzdělávacích systémů ve věku, kdy je školní docházka ještě většinou všeobecná. Do tohoto výzkumu je zapojeno 32 zemí, přičemž v každé zemi je obvykle testováno až žáků. V roce 2000 proběhla na našich základních a středních školách první fáze mezinárodního výzkumu PISA, které se zúčastnilo více než patnáctiletých žáků z posledních ročníků základních a z prvních ročníků středních škol. 19

21 Na závěr ještě uveďme, že kromě snahy po vymezení přírodovědné gramotnosti se nejnověji trendy ve vzdělávání zaměřují na formulování a výběr tzv. klíčových kompetencí (viz Rámcový vzdělávací program). Klíčové kompetence byly definovány jako ty kompetence, které představují přenosný a univerzálně použitelný soubor vědomostí, dovedností a postojů, které potřebuje každý jedinec pro své osobní naplnění a rozvoj, pro zapojení se do společnosti a úspěšnou zaměstnatelnost. Pro tvůrce RVP ZV představují klíčové kompetence souhrn vědomostí, dovedností, schopností, postojů a hodnot důležitých pro osobní rozvoj a uplatnění každého člena společnosti. V etapě základního vzdělávání jsou pak za tyto klíčové kompetence považovány: kompetence k učení; kompetence k řešení problémů; kompetence komunikativní; kompetence sociální a personální; kompetence občanské a kompetence pracovní. Pokud bychom chtěli shrnout to, co bylo uvedeno výše, lze říci, že současné pojetí přírodovědného vzdělání, které by měli ve škole získat všichni žáci, zdůrazňuje rozvoj obecného porozumění důležitým pojmům; porozumění metodám, pomocí kterých věda získává důkazy na podporu svých tvrzení; pochopení silných stránek vědy i jejích omezení ve skutečném světě; schopnost z předkládaných skutečností a informací vyvodit správné a podložené závěry, na základě předložených důkazů kriticky posoudit výroky lidí a odlišit názory od tvrzení podložených důkazy. U žáků, ze kterých se v budoucnosti stanou vědci, by vzdělání mělo být ještě rozšířeno o důkladné studium vědeckých myšlenek a o rozvoj schopnosti vědecky pracovat. Koncept přírodovědné gramotnosti naznačuje, co by mělo být při vyučování přírodovědným předmětům podstatné a na co by měl být kladen důraz, co by nemělo být opomenuto a co je naopak považováno z hlediska přírodovědné gramotnosti za méně důležité. Jedním ze směrů, který byl těmito výzkumy naznačen, je např. zřejmý odklon od probírání velkého množství pojmů a poznatků k tomu, abychom dali žákům možnost sledovat a zažít vývoj jen několika nejdůležitějších vědeckých idejí, zato však v takovém rozsahu a takovým tempem, aby jejich znalosti nebyly pouze deklarativní, ale spíše operační. Úkoly: 1. Seznamte se s hlavními cíly přírodovědného vzělávání na základní škole, jak je formulovali autoři publikace KOLÁŘOVÁ, R. aj. Co by měl žák základní školy umět z fyziky, chemie a přírodopisu (Návrh evaluačních kritérií přírodovědného vzdělávání na základní škole) (viz tabulka 3.1 na následující straně). 2. Přemýšlejte, zda je výčet těchto cílů úplný vzhledem k tomu, co bylo napsáno o pojetí a obsahu přírodovědné vzdělanosti. 3. Formulujte ke každému cíli konkrétní příklad, který se vztahuje k výuce fyziky na základní škole. 20

22 Tab. 4.1 Hlavní cíle přírodovědného vzdělávání na základní škole A. Identifikace a správné užívání pojmů Žák by měl umět správně užívat základní pojmy a také je identifikovat v reálných situacích. B. Kvalitativní popis objektů, systémů a jevů a jejich klasifikace Žák by měl umět popsat, zapsat a popřípadě i načrtnout objekt, systém nebo jev, který pozoruje; podle skutečnosti, modelu nebo nákresu by měl umět popsat stavbu systému; měl by umět najít zřejmé společné i rozdílné vlastnosti látek, předmětů nebo jevů. C. Vysvětlení jevů Žák by měl umět vysvětlit některé jevy pomocí známých zákonů nebo pomocí jednodušších jevů; v jednoduchých případech by měl umět vysvětlit princip fungování určitého systému. Měl by také umět uvést některé jevy jako argumenty pro určitý model. D. Určování kauzálních souvislostí a předpovídání jevů Žák by měl umět v jednoduchých případech předpovědět, co se v určité situaci stane; rozhodnout, je-li za určitých okolností určitý jev možný, nebo ne; v jednoduchých případech jevů, které spolu souvisejí, určit, co je příčina a co následek. E. Pozorování, experimentování, měření a odhady Žák by měl umět provést jednoduchý experiment podle návodu; navrhnout a provést jednoduchý experiment, který ukazuje určitý jev nebo dává odpověď na určitou otázku - sem patří především měření a odhady některých veličin a dále shromažďování a vhodné uspořádání dat. Žák by měl také umět přibližně realizovat některé fyzikální jednotky a manipulovat s některými přístroji. F. Kvantitativní popis Žák by měl umět vypočítat některé veličiny z jiných. Měl by také v jednoduchých případech porovnat dvě veličiny stejného druhu nebo říci, jak se určitá veličina mění. Měl by umět určit hodnotu některých veličin z grafu nebo z tabulky a obráceně, měl by umět z daných (zejména naměřených, pozorovaných nebo vypočítaných) veličin sestavit tabulku nebo graf. G. Aplikace přírodovědných poznatků Žák by měl umět popsat některé přírodní nebo umělé systémy a v jednoduchých případech popsat princip jejich fungování; uvést příklady aplikace určitých přírodních jevů; rozhodnout, kdy je daný jev výhodný a kdy nevýhodný, posoudit důsledky určitého jevu nebo lidské činnosti z ekologického, ekonomického nebo zdravotního hlediska. + dvě další obecné kompetence, které jsou velmi důležité nejen pro přírodní vědy: a) s porozuměním číst přiměřeně složitý text (např. přírodovědný); b) vyhledat potřebný údaj v jednoduché příručce, zejména v učebnici, v tabulkách pro ZŠ, v klíči přírodnin, encyklopedii, slovníku cizích slov apod. Zdroj: KOLÁŘOVÁ, R. aj. Co by měl žák základní školy umět z fyziky, chemie a přírodopisu (Návrh evaluačních kritérií přírodovědného vzdělávání na základní škole). 1. vyd. Praha: Prometheus,

23 4.2 Jazyk školské fyziky Prostudujte doporučenou literaturu: KAŠPAR, E. Didaktika fyziky (Obecné otázky). 1. vyd. Praha: SPN, 1978, s FENCLOVÁ, J. Didaktické myšlení a jednání učitele fyziky. 1. vyd. Praha: SPN, 1984, s Je zřejmé, že jazyk školské fyziky nemůže být z pedagogicko-psychologických i didaktických důvodů shodný s jazykem odborné vědy. Je nutné mít na paměti, že jazyk, který používá učitel a schopnost i způsob jeho vyjadřování přímo ovlivňují učení žáků. Proto je důležité, aby učitel užíval zavedenou terminologii školské fyziky. Význam fyzikálních pojmů je přesně určen: buď plyne ze zkušenosti, nebo je určen definicí. Značné potíže ve snaze o přesné vyjadřovaní často činí mnohovýznamnost slov. Např. ve větě Je tam teplo. nemyslíme v běžné mluvě teplo, ale teplotu. Podobné problémy činí slovo práce ( Jdu do práce ), jehož používání v běžné řeči často neodpovídá definici fyzikální veličiny práce (tj. součin síly a dráhy, po které stálá síla působí na těleso, přičemž směr síly je stejný jako směr tečny v každém místě dráhy). Každý učitel by měl umět stručně a jasně vyjádřit slovy určitou myšlenku tak, aby mu žáci rozuměli. Mnohé bariéry v komunikaci mezi učitelem a jeho žáky způsobuje právě jeho řeč. Jedná se často o tyto příčiny: Učitel užívá přemíru odborných výrazů a cizích slov, často zbytečných. Někteří učitelé fyziky užívají technický slang ve snaze demonstrovat svoji odbornost a imponovat dětem (např. šťáva = elektrický proud). Nutné odborné výrazy užívá učitel často jen po krátkém vysvětlení, nebo po formální definici, aniž by se přesvědčil, zda jim žáci rozumějí. Učitel užívá zbytečně často určité odborné i všeobecné fráze jako: Je v relaci s, Je funkcí něčeho apod. Takové vyjadřování je však velmi vzdálené jazyku žáků. Úkoly: 1. Připravte si krátký výklad na vámi zvolené téma z fyziky. Přednášejte o něm nahlas přesně 10 min. Přednášku nečtěte ani se nedívejte do poznámek. Hlasem zvýrazňujte to, co si posluchači mají zapamatovat. Mluvte spisovně. 2. Natočte na videozáznam nebo magnetofonový pásek 10 min vlastního vyučování a 10 min vyučování svého kolegy. Volte výkladovou část výukové hodiny, kdy mluví převážně učitel. Z obou záznamů pak vypište: odborné výrazy již vysvětlené; odborné výrazy dosud nevysvětlené; zbytečné odborné výrazy a cizí slova; fráze a obraty, které by žákům mohly dělat potíže. 22

24 4.3 Fyzikální pojmy a jejich vytváření ve vyučování fyzice Prostudujte doporučenou literaturu: KAŠPAR, E. Didaktika fyziky (Obecné otázky). 1. vyd. Praha: SPN, 1978, s Fyzikální pojmy a jejich klasifikace V každé vědě jsou základními stavebními prvky poznání pojmy, tj. slova s přesně vymezeným obsahem. Ve fyzice jsou to fyzikální pojmy, které jsou však obsahově velmi rozmanité a ve školské fyzice je nelze vytvářet tak přesně, jak je fyzikální věda definuje nebo vymezuje. Ve školské fyzice jsou zejména prvopočátečně zaváděné fyzikální pojmy z psychologických a didaktických důvodů zaváděny ve zjednodušeném tvaru a postupně se rozvíjejí a prohlubují. Kromě důvodů psychologicko-didaktických, které souvisejí ze zákonitostmi vývoje intelektu žáka, s jeho tělesným a duševním růstem, je zdrojem obtíží při výuce i skutečnost, že mnohé fyzikální pojmy (zejména základní) jsou velmi abstraktní, příp. nejsou ve fyzice přesně definovány (např. energie). Vždy je však nutné dodržovat dvě hlavní zásady: 1. Nic z toho, co se žáci dovídají, nemá být v rozporu s vědou. 2. Vše, co se žáci dovídají, jim má být srozumitelné. Školská fyzika obsahuje nejen fyzikální pojmy, ale také pojmy, které přebírá z běžného života, případně z jiných věd, zejména z matematiky. Dále zahrnuje pojmy fyzikální, které buď vznikly při poznávání světa jako specificky fyzikální pojmy, nebo je fyzika převzala a přetvořila nebo zpřesnila tak, že nabyly obsahu a rozsahu specificky fyzikálního pojmu (např. práce). Stejně jako ve vědecké fyzice, tak i ve fyzice školské považujeme některé pojmy za základní (tyto pojmy nelze definicí odvodit z nadřazených pojmů; jsou velmi abstraktní; pro mnohé z nich neexistuje ve školské fyzice definice, nebo je z didaktických důvodů nevhodná; žáci chápou tyto pojmy především intuitivně). Jsou to jednak pojmy převzaté z běžného života, které plynou ze zkušenosti (prostor, hmota, čas, síla aj.), jednak dorozumívací pojmy (velikost, tvar aj.) a pojmy převzaté z matematiky (číslo, délka, přímka aj.). V tabulce 3.2 je uveden příklad klasifikačního schématu pojmů, které se vyskytují ve školské fyzice. Klasifikace pojmů nemá pro vlastní vyučovací proces praktický význam, ale pro učitele fyziky je nutné, aby uměl zařadit daný pojem do didaktického systému fyziky a volit vhodný způsob jeho utváření. Učitel si má být vědom hierarchie pojmů také proto, aby nežádal od žáků definování pojmů, které definovat nelze, nebo které jsou příliš abstraktní apod. 23

25 Tab. 4.2 Možná klasifikace pojmů školské fyziky (podle obsahu) I. Pojmy konkrétních fyzikálních a fyzikálně technických objektů 1. Materiální objekty fyzikálního studia (elektron, sluneční spektrum, ) 2. Materiální prostředky k fyzikálnímu pozorování (ampérmetr, barometr,.) 3. Předměty technické aplikace (dioda, transformátor, ) II. Pojmy abstraktních fyzikálních jevů 1. Abstraktní objekty fyzikálního studia (hmotný bod, paprsek, ) 2. Stavy a děje (pohyb bodu, rovnováha sil, šíření světla, ) 3. Kvalitativní vlastnosti (tvar tělesa, barva tělesa, ) III. Pojmy pro kvantitativní vyjádření fyzikálních jevů a objektů 1. Veličiny obecné (rychlost, elektrický odpor, ) 2. Konstanty (rychlost světla ve vakuu, hustota vody, měrný odpor hliníku, ) 3. Jednotky fyzikálních veličin (kilogram, volt, ) 4. Vztahy pro vyjádření závislostí (Ohmův zákon, podmínka rovnováhy na páce,charakteristika diody ) IV. Teorie a třídící pojmy (Bohrův model atomu, optika, ) V. Metody fyzikálního měření (metody měření rychlosti, ) Definice fyzikálních pojmů Jak již bylo výše uvedeno, pro mnohé pojmy užívané ve školské fyzice definice neexistuje nebo nebývá vhodná z didaktických důvodů. Učitel však musí přesnou definici znát (pokud existuje), aby se mohl jestliže zavádí pojem v přibližném smyslu vystříhat nesprávností, které by později musel vyvracet. Přesnou definici má znát též k tomu, aby mohl zvážit stupeň obtížnosti daného pojmu a aby jej podle toho správně zařadil do učiva a stanovil vhodnou metodiku jeho výkladu. Rozhodně není vhodné požadovat po žácích, aby se definicím učili zpaměti! Úplného pochopení obsahu a rozsahu pojmu je možno dosáhnout teprve, když žák poznal a procvičil pojem ve vhodných souvislostech, což bývá obvykle dlouhodobější záležitost. Na základní škole proto používáme často tzv. neúplné definice, pomocí nichž postupně objasňujeme obsah a rozsah pojmu. Mnoho definic, se kterými se bohužel setkáme i v učebnicích, je nesprávných. Správná definice musí úplně určovat obsah a rozsah definovaného pojmu pomocí pojmů známých. O tom, zda je daný výrok definicí, se snadno přesvědčíme tak, že větu obrátíme. Platí-li věta obrácená také, pak lze původní větu považovat za úplnou definici. Příklady chybných definic Jednoduchý stroj je zařízení, které slouží k usnadnění práce. Tato věta je sice správná, ale není definicí jednoduchého stroje, neboť neplatí věta obrácená: Zařízení (každé), které slouží k usnadnění práce, je jednoduchý stroj. Např. elektrický motor slouží také k usnadnění práce a není to jednoduchý stroj. Energie je schopnost tělesa konat práci. Tato věta je logicky zcela chybná, neboť energie (je fyzikální veličina) je schopnost (není fyzikální veličina). 24

26 Ve výkladu fyzikálních pojmů se velmi často uplatní definice popisná a definice výčtem. V případě popisné definice uvedeme popis a fyzikální podstatu jevu nebo fyzikální funkci zařízení. Popis je vhodné provádět na skutečném přístroji, zařízení nebo alespoň na modelu či náčrtu. Příklad Houpačka i pravítko jsou příklady zařízení, které nazýváme páka. Je to tyč, která je otáčivá kolem osy. Někdy není možné definovat pojem jinak než výčtem zástupců, které patří do rozsahu pojmu. Příklad Jednoduché stroje jsou páka, kladka, kolo na hřídeli, nakloněná rovina, klín a šroub Postup při vytváření konkrétních fyzikálních objektů Do této skupiny patří velká část objektů, jejichž vlastnosti a zákonitosti jsou vlastním předmětem fyzikálního studia (atom, ), všechny materiální prostředky studia (přístroje atd.) a také všechny technické aplikace (vývěva, kalorimetr, transformátor, ). Postup při vytváření většiny těchto pojmů lze uspořádat podle schématu, které je uvedeno v tab. 3.3: Tab. 4.3 Schéma postupu při vytváření konkrétních fyzikálních objektů 1. Základní odvození (expozice): a) Vytvoření konkrétní představy o složení a fyzikální funkci typického zástupce (předmětu). b) Označení termínem (názvem, popř. s vysvětlením etymologie slova). c) Definice pojmu (vnějšně popisná i funkční). 2. Zobecňování: a) Určení základních znaků pojmu (vlastnosti a fyzikální funkce) na základě rozsáhlejšího materiálu faktů a představ. b) Zpřesňování pojmu konfrontací předmětu s příbuznými, ale jinými předměty, které s ním mají některé znaky společné. c) Definice obecná. 3. Obohacování obsahu a utvrzování pojmu: a) Zjištění a osvojení teoretických fyzikálních souvislostí. b) Užití v praxi (demonstrace, vlastní laboratorní práce žáků, řešení úloh, jiné aplikace). Při vytváření pojmu bychom měli vycházet vždy z principu názornosti. Žáci mají mít zpočátku vždy určitou představu typického konkrétního představitele. Např. teploměr, přístroj k měření teploty je pojem abstraktní, proto je třeba ukázat např. rtuťový teploměr. Žáci nepoznají skutečný přístroj, jestliže s ním byli seznámeni pouze teoreticky náčrtem a popisem funkce. Pojem se postupně zpřesňuje. Zobecnění pojmu pak musí být založen na dostatečně rozsáhlém zkušenostním materiálu. 25

27 Příklad Ilustrujme tento postup na případě vytváření pojmu transformátor (v textu vyjadřuje značení P i demonstrační nebo frontální experiment, který by měl být při zavádění pojmu transformátor proveden). 1. Expozice a) Vytvoření konkrétní představy o složení a fyzikální funkci typického zástupce. Demonstrace školního rozkladného transformátoru. Popis a vysvětlení funkce. Transformace napětí (P 1 ). b) Označení termínem - transformátor (etymologie slova: transformo = přeměňovati). c) Definice pojmu Definice popisná: 2 cívky na společném železném jádře. Definice funkční: zařízení, které slouží k přeměně napětí střídavého proudu. 2. Zobecňování a) Určení základních znaků pojmu na základě rozsáhlejšího materiálu faktů a představ. Transformace nahoru, dolů, stejné (P 2 ). Závěr: transformátor přeměňuje napětí střídavého proudu na napětí vyšší, nižší nebo stejné. Transformátor s otevřeným jádrem induktor (P 3 ). b) Zpřesňování pojmu konfrontací předmětu s příbuznými předměty. Potenciometr jeho funkce (Ohmův zákon) (P 4 ). Transformátor (elektromagnetická indukce). Induktor (P 5 ). c) Definice obecná Transformátor je zařízení (bez mechanického pohybu) na přeměnu střídavého napětí, založené na elektromagnetické indukci. 3. Rozšiřování a) Zjištění a osvojení teoretických fyzikálních souvislostí. N2 Transformační poměr k =. N U 2 I1 Platnost zákona zachování energie P 1 = P 2 =. U1 I2 b) Užití v praxi 1 Svařování (P 6 ), postupné zapojování žárovek (P 7 ), tavení cínu (P 8 ). Z tohoto schématu je zřejmé, že objasňování a osvojování pojmů transformátor je dlouhodobý a složitý proces, který určitě nelze omezit pouze na hodinu výkladu a na další hodinu, v níž se pojem zkouší. Ve schématu např. není uvedeno procvičování na úlohách, popř. také provedení laboratorní práce. Velmi důležitou složkou procesu vytváření a zpřesňování pojmu je srovnávání a správné zařazování předmětů, které jsou příbuzné složením, popř. i fyzikální funkcí. V našem příkladu byly uvedeny paralely: transformátor potenciometr. 26

28 4.3.4 Fyzikální veličiny Rozsáhlou a důležitou skupinou pojmů ve fyzice jsou veličiny. Fyzikální veličiny jsou pojmy, které jsou symbolickým vyjádřením jevů, jejichž hlavní vlastností je velikost a které jsou buď přímo měřitelné, nebo alespoň takové, že jejich velikost můžeme stanovit jinou metodou. Nebo jinak řečeno: Veličiny jsou fyzikální vlastnosti, stavy a změny hmotných objektů, které je možno měřit. Při výkladu určité veličiny se často stírá rozdíl kvalita pojmu, jako by veličina byla pouhým číslem. Proto je velmi důležité vést žáky k tomu, aby důsledně k číslu, které vyjadřuje velikost veličiny, připisovali její jednotku 4. Při vytváření pojmu fyzikální veličiny je též důležitá její názorná představa. V některých případech je tento úkol velmi obtížný, nebo nemožný (např. v případě práce, elektrického proudu, ), v jiných případech je to úloha snadná. Např. jednotku hmotnosti (1 kg) můžeme realizovat tak, že ji znázorníme hmotností vody o objemu 1 dm 3 nebo dáme dětem do ruky kilogramové závaží, či např. sáček rýže o hmotnosti 1 kg. 1 N si mohou žáci představit jako sílu, kterou natahuje pružinu 100 g tabulka čokolády. Velmi důležité je vést žáky k tomu, aby měli alespoň orientační představu o velikosti některých důležitých veličin a uměli odhadovat jejich velikost (např. průměrná rychlost chodce, ). Každá veličina je zařazena do systému fyzikálních veličin buď jako základní veličina, nebo jako veličina odvozená ze základních. Veličina základní se určuje tak, že se stanoví její jednotka jako základní a popíše se metoda, kterou se velikost veličiny stanoví. Odvozená veličina se zavádí se definičním vztahem, který má tvar fyzikálního vzorce. Příklad Hustotu látky zavedeme pomocí definičního vztahu m ρ =. V Podobně i jednotky mohou být základní (m, kg, ) a odvozené (m 2, N, Pa, ). Dále rozlišujeme ještě jednotky doplňkové (vedlejší) (l, Whod, t, min, ) a násobné a dílčí (mm, km, g, ). Velikost veličiny, stanovená pomocí určité jednotky, je zpravidla relativní, tj. závisí na podmínkách, v nichž právě je nositel vlastnosti, jejíž velikost veličina udává. Např. hustota plynu závisí na tlaku, měrné teplo závisí na teplotě látky apod. Závislost veličiny na fyzikálním stavu tělesa je zřejmá zejména u materiálových konstant (hustota, ), méně už si žáci uvědomují, že relativní jsou téměř všechny veličiny a jen některé jsou nezávislé na vztažném systému nebo na jiných fyzikálních podmínkách (rychlost světla ve vakuu, elektrický náboj). 4 Některé nejasnosti plynou při zavádění a užívání pojmů rozměr veličiny a rozměr jednotky. Na školách je zaveden pouze rozměr jednotky, a mluví-li se o rozměru veličiny, myslí se tím vždy rozměr její jednotky. Např. rozměr síly je kg.m.s -2. Dále by učitel neměl zaměňovat pojmy rozměr jednotky, název jednotky a značka jednotky. Např. v soustavě SI je název jednotky síly newton, její rozměr kg.m.s -2 a značka N. 27

29 Mnohé veličiny mají smysl jen pro určité formy hmoty. Např. pojem teplota je statistický a pozbývá smyslu pro izolované částice hmoty, jako je atom nebo elektron. Stejně tak jiné látkové konstanty (např. hustota) pozbývají smyslu pro elementární částice. Proto je nutné vysvětlovat žákům již při výkladu veličin, že mají smysl jen pro nositele, pro kterého byly odvozeny. Zavedení nové veličiny souvisí zpravidla s objevením a matematickým vyjádřením nějakého fyzikálního zákona. Uvědomělé pochopení smyslu veličiny pak závisí především na znalosti souvisejících fyzikálních jevů a jejich zákonů. Proto výklad a pochopení pojmu určité veličiny je zpravidla proces dlouhodobý s rostoucí hloubkou a šířkou znalostí fyzikálních jevů a jejich znalostí se jeho obsah obohacuje, objasňuje a zpřesňuje. Fyzikální veličinu X vyjadřujeme součinem její číselné hodnoty {X} a její jednotky [X] X = {X}.[X]. Příklad m = 5 kg Vyskytne-li se operace se dvěma nebo více veličinami, lze počítat podle algebraických pravidel jak číselnou velikost nové veličiny, tak fyzikální rozměr její jednotky, a z něho určit jednotku. Příklad Práce W W = Fs, F = 20 N, s = 10 m {W} = {F}{s} = = 200 [W] = [F] [s] = N. m W = 200 N.m = 200 J Na základní škole jsou však běžnější následující zápisy: W = Fs = 20 N. 10 m = 200 J nebo W = Fs = J = 200 J. Jak již bylo uvedeno v části kap , nesplňují některé definice fyzikálních veličin všechny požadavky na ně kladené. Bohužel se s nimi můžeme setkat i v učebnicích. První skupina těchto definic má tvar: 1. Výkon je práce vykonaná za jednotku času. 2. Rychlost rovnoměrného pohybu je rovna dráze, kterou těleso urazí za jednotku času. Obsah těchto vět je velmi konkrétní, ale formulace je logicky chybná, neboť věty vyjadřují, že dvě různé veličiny jsou téhož druhu: výkon je práce atd. 28

30 Podobnou námitku lze uvést i proti definici, která má tento tvar: 3. Rychlost rovnoměrného pohybu měříme dráhou, vykonanou za časovou jednotku. Rychlost je totiž možno měřit jen rychlostí, kterou zvolíme za jednotkovou, a nikoliv dráhou. Přesto se při vysvětlování obsahu pojmu některých veličin uchylujeme k tomuto způsobu vyjádření, právě pro konkrétnost výroků, a to zejména na základním stupni, kdy je třeba vytvářet nejjednodušší konkrétní představy při tvoření pojmu veličiny. Protože si však žáci mají zvykat na to, že u rychlosti nejde ani o dráhu ani o čas, ale o veličinu kvalitativně rozdílnou, není vhodné upouštět od správného označování jednotek, pokud jsou na tomto stupni odvozeny (m/s). Druhá skupina definic se snaží vyjádřit, že nejde o veličinu téhož druhu, tím, že nahrazuje slova je, nazývá se, rovná se apod. vazbou rovná se číselně apod. 4. Výkon se číselně rovná práci vykonané za jednotku času. Tento způsob sice dává správné vyjádření, ale toto vyjádření je příliš neurčité, neboť je výpovědí pouze o číselné velikosti veličiny. Nic neříká např. o fyzikálním rozměru definované veličiny. Třetí skupina definic představuje matematické vyjádření. Např. 5. Práce je součin síly a dráhy, v jejímž směru síla působí. Pro formulace tohoto typu mluví skutečnost, že výroku v nich odpovídá určitá operace, kterou je v určité soustavě veličin pojem nové veličiny tvořen. Ale tyto věty, stejně jako věta 6. Rychlost se měří podílem dráhy a času, nejsou definicemi v přírodovědeckém smyslu. Jde spíš o určení metody, jak změřit velikost veličiny a určit její rozměr, jsou-li známy veličiny, s jejichž pomocí definiční vztah novou veličinu určuje. Ukázky správných definic fyzikálních veličin Výkon Výkon určíme pomocí práce vykonané za jednotku času. nebo Vykonané práci za jednu sekundu říkáme výkon. Rychlost Rychlost rovnoměrného pohybu určíme tak, že dráhu s dělíme dobou pohybu t. Práce Práci určíme tak, že velikost působící síly F násobíme drahou s (omezujeme se přitom pouze na případ, kdy se působením stálé síly F posune těleso po přímé dráze s ve směru působící síly). 29

31 4.3.5 Postup při zavádění fyzikálních veličin Postup při zavádění fyzikálních veličin je podobný jako bylo uvedeno v tabulce 3.3. Ilustrujme nyní výše uvedený postup na případě zavádění pojmu elektrický odpor (v textu opět vyjadřuje značení P i demonstrační nebo frontální experiment, který by měl být při zavádění pojmu elektrický odpor proveden). Příklad 1. Expozice a) Elektrický odpor jako vlastnost vodiče zeslabovat elektrický proud. Vkládání různých drátů, špejlí, apod. do elektrického obvodu a sledování indikátoru (světla žárovky) (P 1 ). b) Z téhož pokusu vytvořit závěr, že různé vodiče zeslabují proud v obvodu různě a veličina, která tuto vlastnost vyjadřuje se nazývá elektrický odpor. Značka veličiny je R. c) Jednotkou veličiny R je 1 ohm, značka Ω (bez definice!). d) Rezistor vkládáme do obvodu. Napětí volíme U 0, 2 U 0, 3 U 0. Měříme proud I (P 2 ). Zapíšeme naměřené hodnoty do tabulky. Sestrojíme graf I = f (U). Vyslovíme závěr: Elektrický proud je přímo úměrný napětí. 2. Zobecňování a) Vypočteme I U pro rezistor R1 a pro rezistor R 2. Vyslovíme závěr: poměr I U je pro daný rezistor konstantní. b) Pro různé rezistory je podíl I U různý. c) Podíl I U určuje velikost elektrického odporu R vodiče. U R = (definice) I [R] = Ω 1V d) Jednotka: 1 Ω = ; 1 kω, 1 MΩ. 1 A Závěr: Veličina R vyjadřuje kvantitativně vlastnost vodiče zmenšovat elektrický proud. 3. Rozšiřování a) Pokusně ověříme vztahy R = f(l), R = f(s), R = f(ρ) a uvedeme matematické vyjádření pouze slovní vyjádření l R = ρ. nebo S (upřesnění pojmu elektrický odpor). odpor drátu = měrný elektrický odpor. délka drátu / průřez drátu b) Reostat, potenciometr jejich funkce. c) Pojem elektrický odpor se dále obohacuje a prohlubuje při sériovém a paralelním zapojování spotřebičů, při probírání vedení elektrického proudu v kapalinách a plynech a ukazuje se závislost odporu na teplotě a na osvětlení (termistory, fotoodpory apod.). 30

32 Úkoly: 1. Rozmyslete si, jak byste nározně realizovali jednotky hmotnosti (1 kg, 1 g), objemu (1 l, 1 m 3, 1 ml), tlaku (Pa), času (s). Inspiraci můžete najít např. v učebnicích pro základní školu. 2. Promyslete si, jak byste zavedli pojem konkrétního fyzikálního objektu (např. čočky, páky, ) na základní škole. 3. Promyslete si, jak byste zavedli fyzikální veličinu (rychlost, teplotu, hustotu) na základní škole. 4.4 Přírodní zákonitosti a fyzikální zákony Prostudujte doporučenou literaturu: KAŠPAR, E. Didaktika fyziky (Obecné otázky). 1. vyd. Praha: SPN, 1978, s Fyzika jako věda studuje určitou rozsáhlou skupinu přírodních jevů, pátrá po zákonitostech, jimiž se tyto jevy řídí, a objevené skutečnosti vyjadřuje různým způsobem: kvalitativním popisem fyzikálních jevů, tj. stavů a dějů, dále kvantitativní formulací objevených zákonitostí ve tvaru fyzikálních zákonů, a konečně budováním hlubšího obrazu o podstatě fyzikálních jevů, což uskutečňuje domněnkami (hypotézami) a fyzikálními teoriemi. V počátečním stádiu vývoje fyzikálního poznání převládá fenomenologický popis, zpočátku kvalitativní. S postupným prohlubováním a rozšiřováním poznání se stále výrazněji uplatňuje popis kvantitativní. Nejdůležitějšími fyzikálními souvislostmi jsou fyzikální závislosti mezi veličinami a příčinnost jevů. Studium fyzikálních závislostí vede k fyzikálním zákonům, objevení příčinnosti vede k hlubšímu porozumění přírodním dějům a k vyslovení domněnky či teorie. V souhlase s tím se tomuto vývoji přizpůsobuje i školská fyzika. V prvopočátečních fyzikálních tématech na elementárním stupni se žáci poučují nesouvisle o různých fyzikálních jevech ze svého okolí (o teplotě, o zemském magnetismu apod.). Později na 2. stupni základní školy převládá při fyzikálním vzdělávání fenomenologický výklad fyzikálních jevů, kvantitativně vyjádřené zákony se tu vyskytují v menší míře, přičemž jsou převážně formulovány pro konkrétní případy (zákon rovnováhy na páce pro případ, že ramena sil splývají se spojnicemi působišť sil s osou; Ohmův zákon pro případ, že uvažujeme odpor celého vnějšího obvodu a za napětí považujeme napětí svorkového zdroje, při zanedbatelně malém odporu zdroje atd.). 31

33 4.4.1 Fyzikální zákon Každý fyzikální zákon musí splňovat dvě vlastnosti: 1. Je odvozen ze zkušenosti, z pozorování přírodních dějů. 2. Druhým znakem je jeho bezvýjimečná platnost (za přesně vymezených podmínek). Ve fyzice se setkáváme se závislostmi, které mají povahu spíše kvalitativní výpovědi (Ampérovo pravidlo, Lenzovo pravidlo). Avšak nejdůležitější závislosti ve fyzice jsou kvantitativní povahy. Podle obecnosti jejich platnosti je lze rozdělit na: pravidla, zákony a principy. Zákony, které nemají bezvýjimečnou platnost, se nazývají pravidla. Např. věta Látky při zahřívání zvětšují svůj objem neplatí bez výjimky (anomálie vody) a nemá tudíž přísnou platnost fyzikálního zákona. Přesněji by měla věta znít Látky zpravidla (nebo: až na výjimky) při zahřívání zvětšují svůj objem. Názvem pravidlo se ve fyzice označují také věty, které sice mají bezvýjimečnou platnost, ale nemají povahu přírodního zákona, nýbrž smluvené dohody. Např. pravidlo o směru elektrického proudu ve vedení od kladného k zápornému pólu platí vždy, ale má pouze platnost dohody. Naproti tomu některé věty označované názvem pravidlo mají povahu fyzikálního zákona. Např. Ampérovo pravidlo o vychylování severního pólu magnetky v poli přímého vodiče je vlastně fyzikální zákon. Prodloužení pružného drátu je přímo úměrné napínající síle je fyzikální zákon, protože platí bez výjimky pro danou pružnou deformaci. Tato platnost je sice ve skutečnosti omezena podmínkou, že prodloužení drátu je malé, ale to nemá vliv na obecnost platnosti zákona v našem smyslu, neboť obor platnosti je vymezen podmínkami u každého fyzikálního zákona. Fyzikální zákon je určitá výpověď o odhalené zákonitosti. Z tohoto stanoviska je fyzikální zákon vždy odrazem reality, která byla zjištěna přírodovědnými metodami zkoumání přírody. Ve školní fyzice se však často slovem zákon označuje výpověď, která nemá tuto povahu, tj. nebyla odvozena jako vztah mezi veličinami z pozorování určitých dějů nebo stavů v přírodě, nýbrž má povahu dohody, definice. Např. v případě tvrzení Platí-li pro pohyb bodu nebo translační pohyb absolutně tuhého tělesa přímá úměrnost mezi dráhou a časem podle vztahu s = vt (v = konst.), pak pohyb nazýváme rovnoměrný se jedná v podstatě o definici určitého druhu pohybu. Na tom nic nemění skutečnost, že lze tuto definici nahradit jinou, která je s ní ekvivalentní, např. Rovnoměrný pohyb bodu je ten, při němž rychlost zůstává konstantní. Rozdíl je jen v tom, že tato věta předpokládá, že veličina rychlost byla již definována. Proto by neměly být závislosti, jako např. s = v t apod. nazývány zákony, zejména ne fyzikálními, už také proto, že tyto závislosti platí i pro myšlené děje, které nemají s fyzikální realitou nic společného. Zcela jiná situace však nastane, jestliže jde o určitý pohyb. Zjistíme-li např., že závislost dráhy středu Země při pohybu kolem Slunce lze vyjádřit vztahem s = v t, kde v = 30 km.s -1, pak jde o přírodní zákon, neboť závislost byla nalezena zkoumáním skutečného děje. 32

34 1 2 Podobně kinematický vtah s = at (a = konst.) je vlastně definiční vztah pohybu rovnoměrně zrychleného, nebo z jiného definičního vztahu v = a t (a = konst.) 2 odvozený, nikoliv však přírodní zákon v pravém smyslu. Pomocí vztahů pro dráhu nebo rychlost zde vlastně definujeme, který pohyb nazýváme rovnoměrně zrychlený. Avšak 1 2 vztahy s = at nebo v = a t, které odvodíme měřením pro určitý pohyb, např. pro volný pád, jsou přírodní zákony, neboť byly nalezeny pozorováním skutečných 2 dějů. Stejně jako v matematice lze i ve fyzice poznatky uspořádat v logický systém s několik základními zákony, tj. všechny fyzikální zákony nejsou rovnocenné nebo navzájem nezávislé, některé zákony lze vyvozovat z druhých. Ty, které lze nadřadit ostatním, nazýváme principy. Plynou ze zkušenosti a byly zpravidla odvozeny zobecněním dílčích zákonů. Lze je ověřovat na konkrétních jevech a důsledcích, ale nelze je přímo dokázat ani experimentem, ani odvozením z jiných, obecnějších zákonů. Takovými nadřazenými zákony jsou Newtonovy pohybové zákony (např. zákon setrvačnosti nelze dokázat, všechny jeho důsledky jsou však ve shodě se skutečností), zákon zachování hmotnosti, zákon zachování energie aj. Fyzikální děje jsou odvozovány a formulovány za určitých předpokladů, často pro modelové děje s abstraktními objekty (hmotný bod, absolutně tuhé těleso, ideální kapalina atd.). Ve školské fyzice se často zapomíná, že platnost fyzikálních zákonů je omezena podmínkami, za kterých byly odvozeny. Příklad Ohmův zákon platí pro rezistor (obvod), který má konstantní odpor. Elektrický odpor však závisí na teplotě. Proto je vhodné při experimentálním odvozování tohoto zákona použít např. konstantanový drát, jehož odpor se s měnící teplotou znatelně nemění. Chceme-li kvantitativní zákon formálně vyjádřit, provedeme to některou z obvyklých forem v matematice: analyticky, tabulkou nebo graficky. Zápis zákona v matematickém vyjádření (ve tvaru vzorce ) nesmí však ohrozit objasnění fyzikální povahy závislosti Vyvozování fyzikálních zákonů Uvědomělé pochopení obsahu fyzikální zákonitosti či jiné fyzikální závislosti je důležitým předstupněm matematického vyjádření. Proto by mělo každé vyvozování fyzikální závislosti vycházet z experimentu jako prostředku k objevení hledaného zákona. V počátečních tématech, v nichž se žák setkává s matematickým vyjádřením vztahů, mají matematickou závislost vždy objevit sami žáci. Proto je vhodné začít nejprve s nejjednodušší závislostí, s přímou úměrností (např. s odvozením vztahu mezi prodloužením pružiny a hmotností zavěšených závaží). Přitom žák vlastním měřením získává dvě řady číselných hodnot a tabulka, kterou z naměřených hodnot sestrojuje, je vlastně prvním vyjádřením nalezeného zákona. Ale tabulku nepovažujeme za konečné stadium vyjádření zákona, neboť je to vyjádření hrubé (obsahuje jen diskrétní hodnoty) a často nepřehledné. Proto se vždy snažíme nalezenou závislost vyjádřit analyticky nebo graficky. Grafické znázornění jako vyjádření zákona má proti analytickému tu přednost, 33

35 že ho lze užít vždycky, tedy i případech kdy analytické vyjádření není možné nebo je neznáme. Proto dbáme na to, aby si každý žák sestrojil svůj vlastní graf hledané fyzikální závislosti. Na základní škole je vhodné vyjádřit každý fyzikální zákon nejprve slovy, teprve poté lze případně užít i vyjádření pomocí vzorce. Žák nemá znát nikdy vzorec bez slovního vysvětlení jeho významu. Ve fyzice nejde o to, aby žák zákony uměl, ale aby jim především rozuměl a dovedl jich použít. Píše-li žák např. vztah pro Ohmův zákon U = R I, neměl by jej vyslovovat ve značkách (U se rovná R krát I), nýbrž v příslušných fyzikálních termínech ( Napětí U je rovno součinu odporu R a proudu I ). V učebnicích i ve školní praxi se klade důraz na slovní vyjádření zákonů. Je však třeba říci, že ne všechny věty vyjadřující slovně zákon, odvozený ve formě matematického vzorce, jej po fyzikální stránce objasňují. Často nečiní nic jiného, než že jej parafrázují slovy, popisem čistě matematických operací, jež jsou ostatně již ze vzorce na první pohled zřejmé. 34

36 Ukázka zjišťování závislosti prodloužení pružiny a gumového vlákna na počtu zavěšených závaží (matiček) Zdroj: ROJKO, M., aj. Fyzika kolem nás (Fyzika 1 pro základní a občanskou školu). 1. vyd. Praha: Scientia, 1995, s

37 Při vyvozování zákona nesmíme zapomenout, že nemají všechny stejnou povahu. Je nutno předem rozhodnout, zda odvozený vtah je definicí nebo důsledkem definice, či zda vyjadřuje přírodní zákon, který byl odvozen studiem (měřením závislosti dvou nebo více veličin). Výklad v obou případech se bude podstatně lišit. Pro definiční vztah je charakteristické, že jej nelze objevit pozorováním přírodních jevů. Vysvětleme si tuto skutečnost na příkladě. Vzorec pro mechanickou práci W = F. s je typickým představitelem definičního vztahu. Tento vztah, podobně jako řada jiných definičních vztahů, je zvláštní tím, že nevyjadřuje nově objevenou závislost mezi dvěma veličinami, které byly již dříve navzájem nezávisle do fyziky zavedeny, nýbrž jako definice zavádí novou veličinu pomocí veličin již známých. V našem případě nelze vztah W = F. s ani nalézt měřením, neboť nemáme měřítko pro velikost práce, ani odvodit ze zkušenosti žáků, protože odjinud veličinu mechanická práce neznají. O tom, že nejde o přírodní zákon, nýbrž o definiční vztah, svědčí i okolnost, že ve vzorci není konstanta úměrnosti, jejíž fyzikální smysl bychom mohli rozborem hledat a nalézt. Při výkladu mechanické práce se obyčejně postupuje tak, že např. posouváme těleso (kvádr) po vodorovném stole a žákům předvádíme, že velikost práce roste s velikostí dráhy a že práce je tím větší, čím větší síla působí. Ve skutečnosti těmito pokusy nic neodvozujeme, neboť tyto závislosti z nich neplynou. Vlastní zkušenost žáků z běžného života je často jiná; člověk koná práci např. i tehdy, když drží břemeno, aniž koná mechanickou práci, jak ji zavádí fyzika. Proto je vhodnější při vyučování zavést tento pojem definicí a nevyvozovat jej z pokusů. Pokud učitel tyto pokusy provádí, musí být zcela zřejmé, že ráz těchto demonstrací nemá nic společného s pokusy při vyhledávání fyzikálních zákonů. Fyzikální zákony jsou v podstatě soudy, kterými jsou navzájem spjaty fyzikální pojmy (veličiny). Toto sepětí je ve vyučování výsledkem experimentů, plyne ze zkušenosti. Ve škole, zejména na nižším stupni, nehledáme, zda jeden zákon plyne logicky z druhého, nebo zda platí samostatně. Proto také nerozlišujeme mezi principy a zákony a experimentálně vyvozujeme i zákony, které jakožto principy jsou nedokazatelné. Při objasňování fyzikálních zákonů postupujeme analogicky jako u pojmů konkrétních fyzikálních objektů. Lze jej naznačit v těchto krocích: 1. Vlastní odvození závislosti a) Získávání číselného materiálu z experimentů. b) Vyhledání závislosti. c) Vyslovení obecného zákona. d) Vyjádření závislosti v konečně matematické formě (algebraické nebo grafické nebo obojí). e) Diskuse oboru platnosti zákona. 36

38 2. Zobecnění platnosti zákona a) Rozšiřování platnosti zákona. b) Zpřesňování významu zákona. c) Přesná formulace zákona. 3. Obohacování obsahu zákona a utvrzování zákona. a) Zjišťování a osvojování teoretických souvislostí. b) Praktické využití Úkol: Promyslete si, jak byste postupovali při objasňování fyzikálního zákona (např. Archimédova zákona). Rozpracujte vámi navržený postup podle výše uvedených bodů. 5 Didaktická analýza učiva Prostudujte doporučenou literaturu: Fenclová, J. Didaktické myšlení a jednání učitele fyziky. Praha: SPN, 1984, s Osnovy zahrnují obsah učiva zpravidla pouze v jednotlivých heslech, která jsou více či méně rozpracovaná. Osnovy by měl vytvářet sám učitel na základě Rámcového vzdělávacího programu na základě heslovitého seznamu učiva a očekávaných výstupů - dovedností, kterých by měl žák dosáhnout. Záleží pak na každém učiteli, aby si uvědomil fyzikální význam určitého hesla a provedl jeho didaktickou analýzu. Teprve potom bude schopen porozumět rozpracování učiva v učebnicích a bude také schopen provést jeho kritický rozbor. Didaktická analýza určitého fyzikálního pojmu musí vycházet ze znalosti jeho fyzikálního obsahu. Jako příklad fyzikální a didaktické analýzy učiva můžeme rozebrat Archimédův zákon, který jistě patří mezi základní učivo. Rámcový vzdělávací program pro ZŠ uvádí pod heslem očekávané výstupy text předpoví z analýzy sil působících na těleso v klidné tekutině chování tělesa v ní a pod heslem učivo pak uvádí Archimédův zákon vztlaková síla, potápění, vznášení se a plování těles v klidných tekutinách. Na základní škole je pak Archimédův zákon zpravidla formulován takto : Na těleso ponořené do kapaliny působí svisle vzhůru vztlaková síla. Velikost vztlakové síly F vz se rovná gravitační síle F g působící na kapalinu stejného objemu, jako je objem ponořené části tělesa. Platí F vz = Vρg, kde V je objem ponořené části tělesa v kapalině o hustotě ρ k. Následující rozbor ukazuje ukázku didaktické analýzy učiva. 37

39 38

40 Se žáky je možné provádět i jiné vhodné úvodní experimenty. Žáci by si měli sami osahat vztlakovou sílu tím, že budou do vody ponořovat plastové láhve prázdné (tj. plné vzduchu) a plné vody. Důležité je, aby si uvědomili, že při ponořování láhve do vody vzrůstá vztlaková síla stejně u láhve s vodou jako u láhve se vzduchem u láhve se vzduchem to pociťujeme jako sílu, která vytlačuje láhev z vody vzhůru, zatímco u láhve s vodou to pociťujeme jako ubývání tíhy (velikost vztlakové síly je v obou případech stejná!). 39

41 Další vhodný pokus na ukázání velikosti vztlakové síly: do akvária nebo větší nádoby ponoříme sáček, který je naplněný vodou. 40

42 Úkol: O tom, že žáci správně pochopili Archimédův zákon, se můžeme přesvědčit např. řešením vhodných problémových (kvalitativních) úloh. Promyslete si, jak byste odpověděli na následující otázky: 1. Na koncích rovnoramenné páky otáčivé kolem vodorovné osy O jsou zavěšena dvě plná tělesa různého objemu (např. jedno ze železa, druhé z hliníku). Páka je v rovnovážné poloze. Změní se rovnováha, když ponoříme obě tělesa do vody? Jestliže ano, jak a proč? 2. Předchozí úlohu obměníme tak, že páka je v rovnovážné poloze pod recipientem vývěvy. Co pozorujeme, jestliže vyčerpáme pod recipientem vzduch? 3. Na páce, která je otáčivá kolem osy O umístěné v 1/3 délky páky jsou zavěšeny dvě plné koule různého poloměru. Koule jsou vyrobeny ze stejného materiálu Páka je v rovnovážné poloze. Změní se rovnováha, když ponoříme obě tělesa do vody? Jestliže ano, jak a proč? Změní se rovnováha, jestliže umístíme páku s koulemi pod recipient vývěvy a pod recipientem vyčerpáme vzduch? 41

43 6 Výukové metody a organizační formy ve fyzice Prostudujte doporučenou literaturu: Svoboda, E., Kolářová, R. Didaktika fyziky základní a střední školy: vybrané kapitoly (skriptum). Praha: Karolinum, 2006, str Úkoly: 1. Vyberte si z učiva základní školy vhodnou část pro výklad v rozsahu asi 15 min. Stanovte výukové cíle, náročnost učiva, metodu výuky a navrhněte strukturu výkladu. 2. Uveďte příklady pro uskutečnění heuristické metody v hodině fyziky, zvláště pak pro heuristický rozhovor a heuristický pokus. 3. Uveďte alespoň tři konkrétní fyzikální témata vhodná pro skupoinovou výuku, která by nahradila tradiční výklad učitele fyziky. Jedno z témat rozpracujte podrobněji tak, aby bylo připraveno k zadání pro jednu vyučovací hodinu ve škole. 7 Modely a modelování ve vyučování fyzice Prostudujte doporučenou literaturu: KAŠPAR, E. Didaktika fyziky (Obecné otázky). 1. vyd. Praha: SPN, 1978, s Význam modelu ve fyzice Jedním ze základních požadavků vyučování fyzice na základní škole je vytváření představ a pojmů na základě vjemů a konkrétních poznatků získaných pomocí smyslů. Opíráme-li se o smyslové vjemy, využíváme jednoho ze základních didaktických principů, principu názornosti. Se smyslovou stránkou poznání ovšem nelze vystačit. Mnoho fyzikální poznatky jsou smyslovému vnímání nedostupné. Často se musíme proto opírat o zkušenosti a poznatky, které žáci získali během předchozí výuky. Modely se používaly od samého vzniku fyziky jako jeden z nejvýznamnějších prostředků velmi efektivního budování fyzikálních teorií i k jejich názornému výkladu. Termín modle se rozšířil teprve v 19. století, ale mnohé modely vytvářeli fyzikové již dříve (např. Galileo, Newton aj.). 7.2 Pojem modelu ve fyzice Model představuje jednak myšlenkově nebo i prakticky zhotovenou strukturu, zobrazující určitou část skutečnosti ve zjednodušené (schematizované nebo idealizované) a názorné formě, jednak zobrazení určité oblasti jevu pomocí jiné oblasti, která je lépe dostupná smyslovému vnímání nebo myšlení. 42

44 V prvním slova smyslu vystupuje model vždy jako určitá idealizace, zjednodušená skutečnost, přičemž se samotný ráz a stupeň zjednodušení může u daného modelu s časem měnit (např. model ideálního plynu). Ve druhém případě splývá pojem modelu s pojmem fyzikální analogie, což znamená vztah shodnosti soustav tvořených elementy různé fyzikální podstaty, avšak se stejnou strukturou (např. proudění vody a elektrický proud). Žáky vedeme k poznání, že model je prostředkem zobrazení skutečnosti, ale žádným modelem nemůžeme zobrazit skutečný jev přesně. Žák si obvykle vytváří vlastní představy o fungování světa, jakýsi zjednodušený model reality. Žáci často dělají při používání modelů následující chyby: a) model ztotožňují s realitou (např. model atomu), b) užívají model mimo hranice platnosti (např. u rovnoměrného přímočarého pohybu tělesa zpravidla zanedbáváme tření), c) domnívají se, že daný modle je jediný možný, d) pracují s modely, které nejsou jasně definovány. 7.3 Klasifikace modelů Podle formy, tj. podle způsobu, jakým jsou fyzikální objekty a jevy modelovány, dělíme modely na materiální (reálně existující) a modely ideální (myšlenkové). A. Modely materiální dělíme dále na: 1. prostorově podobné makety, zmenšeniny, zvětšeniny (např. Sluneční soustava, krystalická mřížka, křídlo letadla atd.) 2. fyzicky podobné napodobují dynamiku modelovaného procesu, základem je fyzikální podoba modelu a objektu (např. Juliův vlnostroj, Machův vlnostroj, přístroj pro studium šíření vln na vodní hladině atd.) 3. matematicky podobné modelují funkční závislost fyzikálních veličin (např. trajektorie stopa na obrazovce (vrhy, pohyby družic, aplety atd.), nemají s objektem stejnou fyzikální podstatu a nezachovávají ani geometrickou ani fyzikální podobu, mezi modelem a skutečností je vztah analogie, která buď vystihuje strukturu nebo funkci (např. pomocí mech. oscilátoru modelujeme děje v soustavě elektromagnetického oscilátoru). B. Modely ideální Jedná se zpravidla modely myšlenkové, ale mohou být převedeny i do nějaké materiální formy, zpravidla jsou vyjadřovány pomocí obrázku, nákresu atd. Obvykle nezobrazují modelovanou skutečnost přesně, jsou určitým zjednodušením. Dělíme je na: 1. obrazné (ikonické) ilustrují neznámý nebo nedostupný předmět nebo jev pomocí předmětu nebo jevu známého a) modely na základe idealizace jedna důležitá vlastnost je abstrakcí zdůrazněna, ostatní zanedbány. Může se jednat o idealizaci objektu (např. hmotný bod, bodový náboj, světelný paprsek, tuhé těleso, ideální kapalina), znázornění fyzikální teorie (např. kinetická teorie plynu představa plynu jako soustavy chaoticky se pohybujících pružných koulí) nebo aproximuje matematickou koncepci fyzikální teorie (např. potenciálová jáma). b) modely na základě analogie mohou být buď fyzikální (např. Coulombův zákon a Newtonův gravitační zákon), nebo formální (např. elektrický proud a proudící kapalina) 43

45 2. grafické - rozlišujeme modely obrazové (např. siločáry znázorňující elektrické pole, magnetické indukční čáry), nebo znakové (např. schémata, značky, grafy, strukturní vzorce atd.) 3. myšlenkové experimenty (často se používají zejména ve speciální teorie relativity) Úkoly: 1. Promyslete si, jak byste postupovali při modelování statických fyzikálních polí na ZŠ (elektrostatické a magnetické pole). Předveďte základní experimenty při zavádění elektrostatického nebo magnetického pole. Uveďte, v čem se tyto modely shodují a v čem jsou odlišné. 2. Promyslete si, jak byste postupovali při zavádění pojmu atom na ZŠ. Uveďte, jaké modely atomu známe a jaké z nich byste použili na ZŠ. Nakreslete tyto modely. 3. Uveďte jaké jsou výhody a nevýhody Machova a Juliova vlnostroje z hlediska jejich vhodnosti pro modelování mechanického vlnění. 4. Objasněte vodní analogii elektrického proudu (nalezněte analogii mezi gravitačním a elektrické polem, konkrétně najděte analogické pojmy z oblasti gravitačního pole pro vodiče, elektrický náboj, elektrický potenciál,elektrické napětí, elektrický proud, 1 volt). 44

46 8 Experiment ve výuce fyziky 5 Prostudujte doporučenou literaturu: KAŠPAR, E. Didaktika fyziky (Obecné otázky). 1. vyd. Praha: SPN, 1978, s Význam experimentu ve výuce fyziky Fyzika je přírodovědní disciplína, která má experimentální charakter, proto by měly být pokusy zařazovány do výuky dle možností co nejčastěji. Oživí hodinu, děti baví, motivují a díky nim si mohou fyziku osahat. Pomáhají jim také pochopit nejednu fyzikální teorii, kterou by bez nich jen uměly odříkat, ale nevěděly by, o čem vlastně je Klasifikace experimentů 1. dle osoby experimentujícího učitelské žákovské 2. podle organizační formy výuky demonstrační frontální skupinové laboratorní práce domácí 3. podle didaktické role a zařazení heuristické motivační ověřovací ilustrační demonstrace aplikace fyzikálního poznatku historické opakující prohlubující 4. podle logické povahy kvantitativní kvalitativní 5 Mnoho námětů k pokusům bylo v této kapitole čerpáno z disertační práce M. Urbanové (viz seznam literatury). Ukázky pokusů z této práce jsou většinou uvedeny drobnějším písmem v šedých rámečcích. Autorka práce zde většinou popisuje své konkrétní zkušenosti s prováděním popisovaných pokusů ve škole. 45

47 5. podle použitých prostředků reálné modelové (počítačové modelování) Poznámky k některým typům experimentů Demonstrační pokus Demonstračním pokusem zpravidla rozumíme experiment navozený za určitých podmínek, který slouží k výkladu a objasnění nových fyzikálních poznatků. Zpravidla ho provádí sám učitel (popřípadě vybraný žák). Nejčastěji slouží k motivaci příslušného výkladu, objasnění nových fyzikálních poznatků, při opakování a prohlubování učiva nebo při kontrole vědomostí žáků. Nevýhodou demonstračního pokusu bývá pasivita žáků při jeho sledování, tj. žáci pasivně sledují výklad bez vlastní činnosti (manuální i myšlenkové), někdy může být potlačen heuristický charakter pokusu žáci pozorují fyzikální jevy, na něž byli učitelem předem upozorněni. Problémem může být také nedostatečná viditelnost pro všechny žáky, nedostatečná zpětná vazba (učitel komunikuje pouze s několika žáky). 46

48 Ukázky demonstračních pokusů První ukázkou je Faradayův pokus, při němž se pohybem magnetu v cívce indukuje proud. Pro demonstraci nám postačí ampérmetr, dva vodiče, cívka a magnet. Tento pokus se ale nemusí ukazovat tradičně, tedy tak, že před žáky začne učitel pohybovat magnetem v cívce a upozorní je na pohyb ručičky ampérmetru. Je možné to provést také naopak. M. Urbanová popisuje postup předvádění experimentu takto: Měla jsem už připravený pokus, magnet byl v cívce, nepohyboval se, tedy se neindukoval žádný proud, ručička ampérmetru stála. Žákům jsem vysvětlila, jak Faraday prováděl své pokusy. Při pohledu na ručičku našeho ampérmetru ale bylo jasné, že nám se to nepodařilo. Takže jsem vytáhla magnet a chtěla ho odnést do kabinetu. V tom ale žáci zareagovali - ručička se pohnula! Potom šlo jen o to, vyzkoušet různé pohyby magnetu a pro jistotu ještě různé cívky a magnety a dojít k závěru, že na indukci proudu v cívce je nutný pohyb magnetu uvnitř cívky (nebo cívky kolem magnetu) a ne jen jeho přítomnost. Pokud má učitel v kabinetě dost měřících přístrojů, mohou tyto pokusy s různými cívkami a magnety vyzkoušet děti ve skupinách a pak prodiskutovat výsledky svých pokusů. Tomuto pokusu ale samozřejmě předcházel Oerstedův pokus (viz dále). Při něm jsme s dětmi přišly (díky vychýlení magnetky v blízkosti vodiče) na to, že okolo vodiče s proudem je magnetické pole. Tím jsme si propojily elektřinu a magnetismus. Děti možná napadne, že by se to třeba dalo udělat i obráceně (když ne, tak je k tomu učitel jemně dostrká ). V prvním případě pohnul vodič s proudem magnetkou, co takhle zkusit, jestli by magnet pohnul vodičem nebo dokonce udělal ve vodiči proud. První nápad odpovídá pokusu s elektromagnetickou houpačkou, tedy ukázce toho, že magnet způsobí vychýlení vodiče, kterým teče proud. Postačí k tomu opět vodič, podkovovitý magnet a baterie (12 V). U-magnet postavíme vedle baterie a vodič dáme jako houpačku tak, aby procházel mezi jeho póly. Jeden konec vodiče připojíme krokodýlkem k baterii. Když se krátce dotkneme druhým koncem vodiče baterie, vodič sebou škubne a vychýlí se na krátký okamžik z rovnovážné polohy na jednu stranu. Děti pak mohou vymýšlet, jak pokus udělat, aby se vodič vychýlil na druhou stranu (buď otočit polaritu magnetu nebo směr elektrického proudu ve vodiči). Na tyto dvě varianty přijdou děti už na základní škole. Vysvětlení je však pro ně těžší. Na vodič, kterým protéká elektrický proud, působí v magnetickém poli síla kolmá na vodič. V magnetickém poli podkovovitého magnetu je pouze jedna část "houpačky", síla na ní působící má vodorovný směr a uvede houpačku do pohybu. Druhý nápad odpovídá výše uvedenému Faradayovu pokusu. 47

49 Další pokus je ukázkou velikosti atmosférického tlaku: Zničení plechovky tlakem vzduchu. Jedná se o velmi efektní pokus. Na tento pokus nám postačí hliníková plechovka od coca-coly, kahan a větší nádoba se studenou vodou. Do plechovky nalijeme trochu vody, vezmeme ji do kleští nebo chňapky a zahříváme nad kahanem, dokud se voda nezačne vypařovat. Potom plechovku otočíme dnem vzhůru a ponoříme do nádoby s vodou. Ozve se praskavý zvuk a plechovka se zmačká. Co se stalo? Když se vzduch v plechovce ohřál, vzrostl jeho tlak a trochu ho uniklo ven. Navíc voda, kterou jsme tam nalili, se při zahřívání vypařovala a pára se musela o prostor v plechovce dělit se vzduchem. Když se plechovka ochladila (studenou vodou), vzduch uvnitř se ochladil taky a pára z trochy nalité vody zkondenzovala. Tlak vzduchu a páry uvnitř plechovky klesl a větší tlak vzduchu vnější atmosféry plechovku rozmačkal. Otvor v plechovce sice dovoluje okolní vodě vběhnout do plechovky, ale voda to nestihne tak rychle, aby zabránila rozmačkání plechovky. Je toto vysvětlení správné? Kdybychom do plechovky nenalili vodu, nevznikla by pára a za deformaci by muselo odpovídat ochlazení a následné zmenšení tlaku horkého vzduchu v plechovce. Zkusili jsme to. Na obrázku vidíte plechovku s opáleným dnem, která přežila ochlazení bez úhony. Dále jsme zkusili víčko zcela vyříznout a pokus i s vodou opakovat. Plechovka opět vydržela, neboť voda do ní mohla rychleji natéct a kompenzovat snížení tlaku. Tyto dodatečné pokusy nedokazují naše vysvětlení, ale testují, že naše pochopení dokáže vysvětlit i modifikovanou situaci. Když se řekne, že atmosférický tlak má velikost 100 kpa, tak si asi děti pod tímto číslem nedokáží nic představit. Nemají představu, jak velký nebo malý tlak to vlastně je. Proto je dobré zkusit s nimi vypočítat, jak těžké závaží bychom museli na tu naši plechovku postavit, aby to odpovídalo velikosti atmosférického tlaku. poloměr víčka r = 3,2 cm plocha víčka = π.r 2 = 32 cm 2 atmosférický tlak = 100 kpa = N/m 2 = 10 N/cm 2 ; síla = plocha víčka. tlak = 32 cm N/cm 2 = 320 N hmotnost závaží v kg = síla v newtonech/10 = 32 kg Na víčko plechovky pro uvedené hodnoty tedy vychází závaží o hmotnosti asi 32 kg. Bylo by dobré, kdyby si děti uvědomily, že tlak vzduchu působí na 1 cm 2 zhruba stejnou silou jako kilogramové závaží. Tato prostá zkušenost je zcela zatemněna použitím jednotek SI a správným školním způsobem výpočtu. Na celou plechovku včetně pláště je to zhruba čtyřnásobek. Ve třídě může učitel klidně na plechovku dupnout a "udělat" tak atmosférický tlak vzduchu, který na plechovku působí při tomto pokusu. 48

50 Frontální pokus Frontální pokus (z hlediska osoby experimentujícího označovaný často také jako žákovský) uskutečňují žáci samostatně nebo v malých skupinách (skupinové nebo párové vyučování). Z hlediska jeho didaktické role může být zařazen jako motivační, heuristický, problémový, nebo ověřovací. Je prostředkem k rozvíjení tvůrčí a poznávací aktivity žáka, který si při tomto pokusu přímo sám osahá daný fyzikální problém. Žák by ale neměl jen pozorovat. Učitel by ho měl vést například k popsání a vysvětlení pozorovaného jevu, ke zpracování naměřených veličin a vyvození závěrů z daných výsledků. Frontální pokusy mají před učitelovu demonstrací výhodu v tom, že žáci se aktivně účastní výuky (učí se manipulovat s fyzikálními pomůckami a přístroji, vytvářet strategie řešení problémů, učí se experimentálnímu ověřování hypotéz, samostatnosti, ). Proto by měl tento způsob výkladu fyzikálního učiva převládat. Nevýhodou jsou velké nároky na pomůcky. Kromě toho je frontální vyučování mnohem náročnější na čas a je i organizačně náročné. Pro úspěšné zvládnutí tohoto způsobu vyučování je nezbytné přehledné uložení pomůcek, pečlivá příprava pomůcek před hodinou a také důkladné seznámení žáků s pomůckami, se kterými budou pracovat (např. se stavebnicemi). Co všechno vede elektrický proud? Žáci dostanou k dispozici vodiče, kroko-svorky, plochou baterii a malou žárovku. Nejdřív vyzkouší, zda žárovka svítí a pak budou postupně zapojovat do svého jednoduchého elektrického obvodu různé předměty, které si na hodinu přinesou (například brčko, kus drátu, bavlnku, minci, tužku, klíče) a pozorovat, kdy žárovka bude svítit a kdy ne. Při tomto pokusu je lepší, když všichni žáci nemají stejné předměty, aby společně odhalili co nejvíce vodičů a nevodičů elektrického proudu. Místo ploché baterie je lepší použít pouzdra dvě tužkové baterie, vlastní baterie vytáhnou žáci ze svých walkmanů. 2. Newtonův zákon Zákon setrvačnosti. Pro žáky je tato látka velice těžká na pochopení, protože přece ke každému pohybu je zapotřebí síla! Děti dostanou skleničku a kousek tvrdého papíru. Na skleničku položí papír a na něj (nad otvor skleničky) minci. Úkolem je, vymyslet, jak dostat minci do sklenice, aniž by se jí dotkli. Většina z nich tento fígl zná, horší je to se správným fyzikálním vysvětlením. Pokud papír strhneme do strany dostatečně rychle, nestačí třecí síly mezi papírem a mincí udělit minci stejné zrychlení, jako má papír. Mince zůstane na místě a po odstranění papíru spadne do sklenice. Děti mohou vyzkoušet, že opravdu záleží na tom, jak rychle zatáhnou za papír. Při pomalém táhnutí se mince pohybuje s papírem. O něco těžší variantou je místo rovného papíru použít papírový prstenec. Do prstence vsuneme tužku a prudce jí musíme udeřit do prstence ve vodorovném směru, aby mince spadla tam, kam potřebujeme. Nebo děti mohou vyzkoušet jinou variantu tohoto pokusu: na papírovém pásku stojí sklenička. Pásek se jednou rukou drží a prsty druhé ruky se do něj prudce uhodí sklenička zůstane stát! 49

51 Ještě efektnější varianta tohoto pokusu, která se objevuje občas i ve filmech, je s ubrusem a sadou skleniček nebo porcelánu. Jedině opravdu rychlým trhnutím ubrusu zůstanou skleničky stát na stole na svém původním místě. Bezpečně lze tento pokus vyzkoušet s plastovými kelímky a tácky. Tím se můžeme dostat i k diskusi, že k urychlení více hmotného tělesa je zapotřebí větší síla, resp. že k pohnutí s lehkým táckem nebo prázdným kelímkem stačí i malé tření. Děti si tento pokus můžou vyzkoušet nejdřív s prázdným kelímkem, potom s kelímkem naplněným vodou. Na čem závisí velikost tření? Děti mají prozkoumat, na čem všem závisí velikost tření. Z předchozích hodin fyziky vědí, že tření je síla, která zastaví například pohyb kuličky, když do ní cvrnkneme nebo sáňky, když jedeme z kopce. Nejdřív by si tedy měly děti osahat, na čem všem může velikost tření záviset. Na začátku pokusů s dětmi prodiskutujeme jejich názory na velikost tření v různých případech nebo jejich návrhy na jednotlivé pokusy. Pak už děti mohou zkusit potvrdit nebo vyvrátit své hypotézy jednoduchými pokusy například s malými dřevěnými kvádry, kterými je většinou vybaven školní kabinet, knihami nebo školními penály (představivosti se meze nekladou). Závisí velikost tření na hmotnosti pohybujícího se tělesa? Nejdřív děti zkusí pohybovat přibližně rovnoměrně s jedním kvádrem, postupně si naloží větší zátěž. Když kvádry chybí, zatlačí kamarád na kvádr rukou. Čím větší náklad máme, tím hůře se nám s ním pohybuje! Může záviset tření na povrchu, po kterém se těleso pohybuje? Děti mohou kromě školní lavice vyzkoušet podlahu nebo písek. Nechte děti, ať vymyslí, jak snížit tření klouzání a valení. Kdy je tření náš nepřítel a kdy je kamarád? Prodiskutujte s dětmi, co by bylo, kdyby tření nebylo. Spoustu věcí děláme, aniž si uvědomíme, že nebýt tření všechno by se kutálelo a klouzalo po sobě. Kdyby nebylo tření, hřebíky by vypadávaly z prkna, šrouby by se povolovaly, padala by nám čepice, brýle, ponožky i boty. Nemohli bychom ani chodit ani psát. Auta ani ostatní dopravní prostředky by nejezdily. Nic bychom neudrželi ani v rukou. Děti ale určitě při této debatě napadnou i situace, kdy tření není náš kamarád, kdy nám vadí a tak se ho snažíme zmenšovat už uvedeným valením a klouzáním například kuličková ložiska. Děti také na toto téma mohou vyzkoušet několik domácích pokusů: k prvnímu postačí obyčejná PET láhev naplníme láhev vodou a zkusíme ji zvednout jednou rukou. Potom celou láhev omastíme olejem a zkusíme to znovu. Nebo zkusíme vytáhnout vánočního kapra (nebo jiný tatínkův rybářský úlovek) z vany holýma rukama. Děti mohou vymyslet zlepšovák, jak to udělat, aby nám rybička nevyklouzla nebo další příklady ze života, kde se uplatňuje tření. Kde ho využíváme a kde se ho naopak snažíme zmenšovat. Reálný pokus Reálný pokus předvádí fyzikální jev a jeho zákonitosti přímo (viz výše uvedené příklady pokusů). Modelový pokus Modelový pokus slouží k demonstraci jevu, který není smyslovému vnímání přímo dostupný. Pokusem tedy nepředvádíme skutečný zkoumaný jev, ale jeho náhradu (materiální nebo na počítači). K demonstraci používáme model, který je zjednodušením, zobecněním nebo idealizací skutečného případu. 6 6 O modelech a modelování bude podrobněji pojednáno v dalších dílech tohoto studijního textu. 50

52 Děti vědí, že auto nejezdí samo od sebe, ale jako zdroj energie potřebuje benzín. Všichni už ale nevědí, jak je to uděláno, že benzín auto pohání. Ve většině kabinetů fyziky se najdou modely motorů (viz. obrázky). Na nich může učitel dětem jednoduše vysvětlit princip čtyřtaktního i dvoutaktního spalovacího motoru. Čtyřtaktní motor (viz obrázek 1): První otáčka 1. sání píst nasává přes otevřený ventil směs chladného vzduchu a paliva. Pak se ventil uzavře. 2. stlačování píst směs stlačuje, přitom se směs zahřívá. Ve vhodném okamžiku je zapálena elektrickou jiskrou. Druhá otáčka 3. rozpínání po výbuchu od elektrické jiskry spaliny tlačí píst a tím pomocí klikového mechanismu roztáčí setrvačník. 4. výfuk píst poháněný setrvačníkem vytlačí spaliny přes otevřený výfukový ventil do ovzduší, pak se ventil opět uzavře. Ve dvoutaktním motoru (viz obrázek 2) probíhá nejdřív současně sání a stlačování, potom rozpínání a výfuk. obrázek 1 obrázek 2 Téma motorů je velmi široké a učitel tak má možnost zadat žákům třeba různé referáty děti mohou vyhledat zajímavosti z historie různých druhů motorů, kde se používají, které mají největší výkon, jak se liší zážehový a vznětový motor apod. Myšlenkový pokus Jedná se o pokusy, které provádíme pouze v hlavě. Těmito pokusy můžeme zkoumat situace vědecky možné, i když někdy prakticky neuskutečnitelné. Metoda modelového i myšlenkového pokusu má ovšem svá omezení a nikdy nemůže nahradit reálný experiment. Na druhé straně jsou simulace podstatným nástrojem současné profesionální fyziky i dalších oborů např. simulace nahradily reálné zkoušky jaderných zbraní. Myšlenkové pokusy se ale na základní škole většinou neprovádí. Pro mladší děti jsou lepší pro správné pochopení daného jevu pokusy reálné. Typickým příkladem myšlenkových pokusů jsou pokusy vztahující se k teorii relativity (probírané částečně na střední, podrobněji pak na vysoké škole). 51

53 Kvalitativní pokus Obsahem kvantitativního pokusu je ukázka existence fyzikálního jevu a nikoli kvantitativní určení vztahu mezi fyzikálními veličinami. Na základě pozorování pak rozhodujeme, zda zkoumaný objekt má nebo nemá danou charakteristickou vlastnost. Zejména pro menší děti by měly tyto pokusy převládat, protože díky nim získají zkušenosti v oblastech, kde dosud žádné vlastní zkušenosti neměly. Typickým příkladem ukázky nějakého fyzikálního jevu je hoření papíru. Učitel ukáže dětem, že plamenem kahanu může zapálit proužek papíru. To pro děti není žádnou novinkou. Stejně tak jako skutečnost, že kovová tyčka nehoří. Překvapující pro ně ale bude to, že papír nemusí hořet vždycky. Učitel omotá proužek papíru těsně kolem kovové tyčky a přilepí jeho konec izolepou. V tomto případě se mu papír nad plamenem hodně dlouho nepodaří zapálit, pouze ho začadí. Vysvětlení experimentu spočívá v tom, že kovová tyčka odvede teplo z plamene a papír se tak nezahřeje na svou zápalnou teplotu (233 C). Podobně můžeme děti přesvědčit, že se dá ohřát voda i v papírovém kelímku. Příčina je v tom, že voda, která má velké měrné teplo, vysává z papíru přebytek tepla a znemožní, aby jeho teplota stoupla na jeho zápalnou teplotu. Papír neshoří, i když jej plamen olizuje. Na konci tohoto experimentování mohou děti přemýšlet nad tím, co se stane s kelímkem, když z něj všechna voda vyvře. Kvantitativní pokus Účelem kvantitativního pokusu je měření různých fyzikálních veličin, zpravidla v závislosti na cíleně měněných podmínkách pokusu (nejčastěji charakterizovaných opět hodnotami fyzikálních veličin, zjišťování zákonitostí a jejich vyjadřování v matematické podobě. Experimentální činností, kterou si žáci při těchto pokusech procvičí, je měření. Neméně důležité je ale ono nalézání souvislostí a zákonitostí při změně podmínek experimentu. Zde hraje podstatnou roli učitel, který může vše předem prozradit nebo naopak děti k poznání dovést. Dovednost změřit různé fyzikální veličiny by si měli osvojit už žáci na základní škole. Úplným základem by mělo být rutinní měření tj. žáci by zcela automaticky měli umět změřit například délku předmětu, jeho hmotnost, napětí a proud atd. S tím je spojená i znalost převodů jednotek a určitá představa o nich (tužka měří několik centimetrů nebo metrů, školní aktovka váží několik kilogramů nebo tun, ). Jako další úkoly je vhodné zadávat úlohy typu: Jak tlustý je jeden list papíru ve tvém sešitě? Bydlíte v paneláku nebo domku, napadlo vás někdy, jak je vysoký? Navrhněte, co nejvíce metod, jak to zjistit. Odhadněte objem svého těla a navrhněte, jak ho změřit (ověřte si to domácím pokusem), Je například užitečné procvičit odhad žáků při měření času, délky nebo hmotnosti. Až druhou fází jsou samostatné laboratorní úlohy, které mohou být o něco složitější a také vyžadují větší přesnost (děti tak opět získají představu o přesnosti měření různými měřidly). 52

54 Většina dětí se bez problémů naučí změřit například délku nebo hmotnost nějakého předmětu, čas pohybu autíčka při jednoduchém experimentu apod. Při těchto rutinních měřeních je ale mohou napadnout dotazy typu, jak se dá vůbec zvážit Země (nebo jiná obří tělesa), jak změřit poloměr Země nebo Slunce, jak se dá změřit stáří vesmíru, jak malý je atom a jak velký je vesmír, jak archeologové určí stáří nálezu a spousta dalších otázek, které mohou učiteli pěkně zatopit. Jak tedy změřit poloměr a obvod naší planety? Na způsob výpočtu přišel jako první už Eratosthenes, řecký učenec žijící ve 3. století př.n.l. Když viděl lodě mizející na obzoru, začal pochybovat o tom, že je Země plochá. Během cesty do egyptského Asuánu zjistil, že při letním slunovratu dopadají sluneční paprsky i do těch nejhlubších studní a že je tedy v této době Slunce přesně v nadhlavníku. O rok později ve stejnou dobu, když byl zpět v Alexandrii, si všiml, že se tam paprsky odchylují Slunce nestojí přímo v zenitu. Buď tedy sluneční paprsky mezi Alexandrií a Asuánem nebyly rovnoběžné, což bylo vzhledem ke vzdálenosti Slunce od Země nepravděpodobné, nebo nebyly rovnoběžné obě studně a paprsky do nich dopadaly pod odlišnými úhly. To ale znamená, že Země není plochá ale kulatá. K výpočtu jejího poloměru a obvodu potřeboval znát dvě věci vzdálenost mezi Asuánem a Alexandrií (asi 800 km), kterou mu změřili oddaní pomocníci a odchylku v dopadu slunečních paprsků, kterou změřil na 7,2. 7 je zhruba 1/50 z 360, což je úplný obvod Země. (800 km 50 = km obvod zeměkoule) Poloměr vypočítal přibližně na 6350 km. Současná měření pomocí satelitů udávají hodnotu 6378,140 km pro poloměr zeměkoule na rovníku, její obvod je tedy jen o 75 kilometrů větší, než určil Eratosthenes. Heuristický pokus Tento typ pokusu zaujímá ve vyučování zvlášť významné místo, neboť žák se při něm účastní odhalování pro něj dosud neznámých fyzikálních jevů a jejich zákonitostí, stává se z velké míry anebo vůbec sám jejich objevitelem, a tím napodobuje činnost experimentálního fyzika. Lze říci, že téměř každý pokus může být heuristický - záleží jen na učiteli a jeho schopnostech, jak navodí tu správnou objevitelskou atmosféru a jak umí svými dotazy děti dostat jen krůček před daný objev. Při této metodice provádění pokusu pak žáci mohou zažít onen vzrušující pocit, že na něco přišli sami. Ověřovací pokus Tento typ pokusu zařazujeme zpravidla v případě, že je nový zákon žákům dogmaticky sdělen (např. z důvodu úspory času). Ale i v těchto případech by měla být platnost zákona prokázána - ověřena - provedením vhodných ověřovacích pokusů. Žáci by si měli uvědomit, že zákon či teorii nelze dokázat, ale vyvrátit tomu, co se nepodařilo vyvrátit, věříme. Ohmův zákon ověříme třeba na rezistoru a současně ukážeme, že po překročení povoleného výkonu (který je na něm buď napsán nebo ho zjistíme z katalogu) přestane být závislost napětí a proudu lineární, případně rezistor shoří. Cena rezistoru je však bohatě vyvážena zkušeností, že fyzikální zákony platí jen v jistém oboru podmínek. 53

55 Ilustrační pokus Ilustračními pokusy je velká většina kvalitativních pokusů, u nichž jde o to, aby se žák seznámil s tím, jak jev vypadá. Mnoho ilustračních pokusů může mít i heuristickou funkci. Např. při demonstraci hranolového spektra, se žáci nejen pasivně seznamují s tím, jak hranolové spektrum vypadá, ale mohou být současně vedeni k tomu, aby sami vyhledali, jaký je sled barev ve spektru a které barvě přísluší větší úhel lomu. Ilustrační pokusy mohou být i kvantitativní; v tom případě mají mnoho společných rysů s pokusy ověřovacími. Liší se od nich především povahou poznatku, k němuž náležejí. Typickými příklady ilustračních pokusů kvantitativní povahy jsou demonstrace v kinematice pohybu bodu; při těchto pokusech neodvozujeme zákony, nýbrž předvádíme pohyb a jeho vlastnosti nikoli za účelem heuristického odvození nových vztahů, nýbrž pro zvýšení názornosti. Motivační pokus Motivační pokus slouží k probuzení zájmu žáka o nové téma, učitel ho většinou zařazuje před výklad. Tento typ pokusu bývá zpravidla jednoduchý, nevyžaduje přesné vyhodnocení výsledků pozorování. Velmi dobré je také použít nějaké netradiční pomůcky (např. hračky) nebo zařadit pokus, který má nečekaný konec (např. desetník položený na vodní hladině), případně je doprovázen různými efekty (hořením, syčením, bouchnutím). Jak dostat vajíčko do sklenice? Do skleněné láhve se širším hrdlem (např. od kečupu nebo mléka) dáme zapálený proužek papíru (nebo postačí vhodit pár zapálených sirek) a pak rychle na hrdlo posadíme natvrdo uvařené a oloupané vajíčko špičkou dovnitř (viz obrázek). Vhodné je ještě potřít hrdlo láhve olejem. Vajíčko se vcucne dovnitř láhve. Tento pokus je velmi oblíbený, určitě i tím, že si ho děti mohou klidně vyzkoušet doma. Jeho fyzikální vysvětlení už tak jednoduché není. Co se tedy při tomto pokusu vlastně děje? Plamen zahřeje vzduch uvnitř láhve a část vzduchu unikne ven. Spalováním papíru také vznikne CO 2 a horká vodní pára. Jakmile zakryjeme hrdlo láhve vajíčkem, hoření brzy skončí, protože zamezíme přístup kyslíku. Plyny v láhvi se ochladí a vodní pára kondenzuje, což vede k poklesu tlaku plynů v láhvi. Vnější atmosférický tlak je větší než tlak plynů uvnitř a proto vnější tlaková (atmosférická) síla vtlačí vajíčko do láhve. Aplikační pokus Aplikačním pokusem objasňujeme příliš abstraktní poznatky na konkrétním využití, zejména v technických aplikacích. Např. odraz světla na zrcadle můžeme využít při konstrukci periskopu nebo kaleidoskopu. Výrobu těchto pomůcek je vhodné zadat žákům jako domácí úkol. 54

56 Periskop Periskopy používají například ponorky při ponoření těsně pod hladinu. Je v nich ale navíc řada čoček, aby periskop fungoval i jako dalekohled. Díky periskopu, který si děti samy vyrobí, můžou například vidět za plot, který je vyšší než oni. Určitě by se dal použít ve škole na opisování, i když to není moc nenápadná metoda. (Učitel může nechat děti vymýšlet další použití periskopů.) Na výrobu periskopu budeme potřebovat úzkou, dlouhou krabici (například od mléka, klidně můžeme spojit i víc krabic, aby byl periskop delší), dvě zrcátka, špejle a nůžky. V horní a dolní části protějších stran vyřežeme pravoúhlé otvory (viz obrázek). Za tyto otvory přilepíme nebo pomocí špejlí upevníme zrcátka pod úhlem 45. Paprsek se tak odráží od prvního zrcátka ke druhému a od něj pak k pozorovateli. Nejčastěji se používají dvě zrcátka. Obraz, který potom vidíte, není stranově převrácený, protože převrácení od jednoho zrcadla se vyruší odrazem od druhého. Kaleidoskop Kaleidoskop je v nejednodušším provedení trubička z tvrdého papíru, uvnitř které jsou tři nebo více rovinných zrcátek a několik barevných sklíček. Při otáčení kaleidoskopu se sklíčka různě přesypávají a v zrcátkách vidíme hezké pravidelné obrazce. Jak tedy vznikají? Pokud postavíme před dvě zrcátka, která spolu svírají úhel α, nějaký předmět, uvidíme nejen předmět, ale i jeho obraz v každém zrcátku a pak také obraz obrazu z druhého zrcadla atd. Nejlepší je, když si toto vysvětlení děti nakreslí, pohrají si se zrcátky, sledují počty obrazů svého obličeje pro různá vzájemná nastavení zrcátek. Jestliže velikost úhlu α při vynásobení celým číslem dává 360, potom vidíme pravidelný obrazec, který se skládá z n dílů (n = 360 /α). Historický pokus Jedná se často o pokusy, které znamenaly v historii fyziky významný krok kupředu (např. Torricelliho pokus, pokus s magdeburskými koulemi atd.). Historický pokus může být i heuristicky využit k vyvození nových poznatků. Některé z těchto pokusů můžeme realizovat i v rámci vyučování s dostupnými pomůckami. Při předvádění pokusů tohoto druhu bychom měli děti upozornit na jejich význam pro další rozvoj fyzikálního poznání. Proto je vhodné uvést stručně historické souvislosti pokusů. 55

57 Torricelliho pokus (1643) se stal základem pro měření atmosférického tlaku. Ve škole se kvůli jedovatosti rtuť nepoužívá, ale velice efektní je zopakovat tento pokus s vodou; stačí na to hadice dlouhá alespoň 10 m, na jednom konci zaslepená a kbelík s vodou. Hadici naplníme vodou (doporučuje se použít čistou, neobarvenou vodu), spustíme ji z okna třídy nebo na schodišti a otevřený konec držíme nad kbelíkem. Atmosférický tlak je právě tak velký, že udrží sloupec zhruba 10 m vody. Pokud nainstalujeme hadici s vodou tak, aby vydržela několik dní, můžeme pozorovat změny atmosférického tlaku a například předpovídat bouřky. Evangelista Torricelli ( ) byl italský fyzik, který zkoumal účinky zemské tíže na kapaliny. Pro rychlost výtoku otvorem ve stěně nádoby v hloubce h pod hladinou nalezl vztah, podobný jako platí pro rychlost volného pádu po uražení dráhy h. V roce 1641 zavrhl aristotelovský pojem horror vacui a zavedl označení atmosférický tlak vzduchu. Jeho proslulý pokus s trubicí naplněnou rtutí vyvolal řadu otázek a zdaleka ne všichni byli o vzduchoprázdnu nad rtuťovým sloupcem přesvědčeni. Aristoteliky, ale i příznivce Descarta, pokus nepřesvědčil a stále tvrdili, že v uzavřeném prostoru nad rtutí cosi je, "neboť sklo má velmi jemné póry, jimiž mohou pronikat paprsky světla, magnetu a jiné velmi drobounké částečky hmoty". V této době definitivně padl názor na vzduch jako bezhmotnou a beztížnou substanci ve smyslu antického učení o čtyřech živlech. V roce 1644 vynalezl Torricelli rtuťový barometr. Pokoušel se také sestrojit rtuťový teploměr. 56