Zastosowanie symulacji na lekcjach fizyki – Optyka

Poniższy artykuł jest fragmentem większej całości opublikowanej w periodyku „Edusfera” wydawanym przez ODN Kalisz (do pobrania wyżej).

Myślę, że nikogo nie trzeba przekonywać, iż eksperyment to nieodzowny element nauczania przedmiotów przyrodniczych – w tym między innymi fizyki. Idealną byłaby sytuacja, w której każde zagadnienie zawarte w podstawie programowej, każde prawo fizyki, każde pojęcie byłoby wprowadzane w oparciu o kompletny eksperyment zawierający zbieranie danych i ich analizę lub, w  ostateczności, ilustrowane praktycznym pokazem przez nauczyciela. Tak wyglądałby ideał.

Rzeczywistość klasowo-lekcyjnego systemu nauczania, w którym duże tempo realizacji materiału narzuca ilość i stopień skomplikowania wprowadzanych zagadnień, zmusza nauczycieli do ostrożnego dysponowania czasem i szukania możliwości jego zaoszczędzenia. Sądzę, że każdy z nauczycieli – praktyków zgodziłby się, że najbardziej czasochłonnym elementem realizowanego rozkładu nauczania są właśnie doświadczenia i to na nich opierają się najczęściej pomysły na zaoszczędzenie czasu. Nie chodzi tylko o czas poświęcony na realizację eksperymentu bezpośrednio w czasie lekcji, ale również, a może przede wszystkim, czas poświęcony na działania, nazwijmy to, logistyczne – zebranie potrzebnego sprzętu, jego montaż, przetestowanie, a po przeprowadzonym eksperymencie rozmontowanie
i uporządkowanie.

Drugim elementem ograniczającym liczbę realizowanych eksperymentów są czynniki czysto ekonomiczne. Nawet bardzo dobrze wyposażona pracownia fizyczna nie sprostałaby zapotrzebowaniu na sprzęt, jakie stawiałby przed nauczycielem pomysł realizacji praktycznego eksperymentu do choćby większości zagadnień, dodatkowo w trzydziestoosobowej klasie. Nawet, jeśli podzielimy klasę na liczne – pięcioosobowe zespoły, to i tak potrzebujemy sześciu zestawów laboratoryjnych, które przy bardziej zaawansowanych zagadnieniach kosztują krocie.

Trzecim czynnikiem jest szeroko pojęta logistyka. Jeśli zaplanujemy najprostsze nawet doświadczenie, powiedzmy badanie okresu drgań wahadła matematycznego, to będziemy zmuszeni poświęcić sporą część lekcji na rozdysponowanie sprzętu (w tym przypadku montaż statywów i skonstruowanie przez uczniów wahadeł). Nie bez znaczenia jest również sprawne przeprowadzenie pomiarów, co przy liczebności typowej klasy jest niemałym wyzwaniem.

Kolejnym problemem bywa samo realizowane zagadnienie. Trudno wyobrażać sobie wykonanie w warunkach szkolnych doświadczeń np. z zakresu wstępu do fizyki kwantowej czy fizyki jądrowej. Jak w sposób interesujący i zrozumiały zilustrować takie zagadnienia jak efekt fotoelektryczny, zasada działania reaktora jądrowego czy choćby w sposób uruchamiający wyobraźnię ucznia wyjaśnić zasadę działania cyklotronu zachowując możliwość dopasowywania parametrów oglądanego ruchomego obrazu do pytań zadawanych przez uczniów?

Wszystkie z wymienionych problemów w wystarczającym stopniu zniechęcają do prowadzenia większej niż minimalna liczby eksperymentów w toku lekcji. Tracą jednak one znaczenie w czasie pandemii – w nauczaniu online. W tej bardzo nietypowej sytuacji praktyka laboratoryjna w ramach lekcji sprowadza się w najkorzystniejszym przypadku do pokazów w postaci wyświetlanych filmów, czy to odtwarzanych z różnorodnych serwisów, czy też demonstrowanych przy użyciu kamery internetowej bezpośrednio przez nauczyciela prowadzącego zajęcia. Wadą pierwszego rozwiązania jest brak możliwości „interakcji” – wpływu na przebieg eksperymentu, co nie pozwala na dostosowanie filmu do pytań pojawiających się w dyskusji z uczniami. Problemy w zastosowaniu drugiego pomysłu wymieniłem wcześniej – czas, logistyka, wyposażenie.

Rozwiązaniem większości opisanych problemów jest zastosowanie w pracy z uczniami symulacji komputerowych. Wirtualne laboratoria nie są obarczone problemami logistycznymi. Nie wymagają nakładu pracy, czasu i pieniędzy przy kompletowaniu sprzętu i jego montażu, co pozwala na ich wykorzystanie przez ucznia zarówno w szkole, jak i w domu, w ramach na przykład zleconego przez  nauczyciela projektu. Specyfika symulacji pozwala na ich swobodne wykorzystanie tak w nauczaniu stacjonarnym, jak i online.

W sieci Internet znaleźć można mnóstwo wartościowych serwisów nie tylko komercyjnych, ale także udostępnionych bezpłatnie w celach dydaktycznych, zawierających mniej lub bardziej udane symulacje. Spośród najczęściej używanych w mojej pracy wyróżniłbym prowadzony przez University of Colorado – Phet Interactive Simulations (phet.colorado.edu), serwis autorstwa emerytowanego amerykańskiego nauczyciela fizyki Tom’a Walsh’a – oPhysics (ophysics.com), niemiecki Apps zur Physik stworzony przez Walter’a Fendt’a, czeski serwis vascak.cz prowadzony przez Vladimíra Vaščáka czy Falstad.com (falstad.com/mathphysics.html) zawierający również symulacje mocno wykraczające poza podstawę programową czwartego etapu edukacyjnego.

W załączonym do postu pliku znajduje się uporządkowany zbiór linków prowadzących do symulacji związanych z szeroko pojęta optyką, zarówno falową, jak i geometryczną. Drugi slajd zawiera menu ułatwiające nawigację w dokumencie. Elementy menu stanowią zagadnienia realizowane w ramach lekcji fizyki tak w szkole średniej, jak i – częściowo – podstawowej. Łącznie w dokumencie znajdują się  odnośniki do ponad trzydziestu bardzo dobrze wykonanych i, moim zdaniem, bardzo użytecznych symulacji.