Experimenty z jadrovej fyziky na gymnáziách

1. Experimenty z jadrovej fyziky na gymnáziách PaedDr. Ľuboš Krišťák, PhD.

2. Obsah • 1 Úvod • 2 Analýza súčasného stavu vyučovania jadrovej fyziky • 2.1 Výskum v oblasti používania experimentov z jadrovej fyziky vo vyučovaní • 2.2 Vyučovanie jadrovej fyziky • 2.3 Komparácia učebných textov na Slovensku a v zahraničí • 3 Ciele a hypotézy práce • 4 Návrh zmien • 4.1 Parciálne zmeny v obsahu učiva • 4.2 Príprava experimentov • 5 Pedagogický experiment • 5.1 Výber vhodných tried • 5.2 Analýza didaktických testov • 5.3 Vyhodnotenie didaktických testov • 5.4 Vyhodnotenie dotazníka • Závery • 6.1 Závery vyplývajúce z pedagogického experimentu • 6.2 Prínos a usmernenie pre prax

3. 1 Úvod Súčasný stav vyučovania fyziky na gymnáziách • vedomosti u žiakov sú povrchné, často faktografického charakteru • neschopnosť žiakov aplikovať poznatky na javy v bežnom živote • pri riešení problémov – snaha o nájdenie vhodného matematického vzťahu bez hlbšieho pochopenia – neschopnosť vyvodiť závery • nízka obľúbenosť fyziky u žiakov Príčiny • reforma vzdelávacieho systému v rokoch 1975 až 1985 – „idea jednotnej školy“ • prehustenie osnov – memorovanie bez pochopenia fyzikálnej podstaty • nízka názornosť, monotónne učebnice, malý počet experimentov a praktických aplikácií Riešenia • reforma fyzikálneho vzdelávania • koncepcia redukcie učiva a hodinových dotácií nie je reforma • analýza vzdelávacích systémov v zahraničí • potreba prebudovať osnovy od základu, nové metódy, nový obsah • potreba nových učebníc, rôznych alternatív • tvorba rozličných variantov školských vzdelávacích programov (3+1, 2+2 ...)

4. Súčasný stav vyučovania jadrovej fyziky na gymnáziách • vedomosti žiakov z jadrovej fyziky sú len faktografického charakteru • reálne predstavy žiakov o rádioaktívnom žiarení sú príliš povrchné • prílišná teoretickosť daného tematického celku • absencia experimentov z jadrovej fyziky Jednou z možností ako odstrániť prílišnú teoretickosť a náročnosť danej kapitoly je zaradenie experimentov, ktoré: • vo svojej podstate najlepšie kopírujú reálne situácie zo života • môžu zvýšiť názornosť fyzikálnych javov • môžu prispieť k zvýšeniu záujmu žiakov o fyziku

5. 2 Analýza súčasného stavu vyučovania jadrovej fyziky na Slovensku a v zahraničí 2.1 Výskum v oblasti používania experimentov z jadrovej fyziky vo vyučovaní Klasické experimenty • V Anglicku, Nemecku, Rakúsku a Česku sme nezistili, že by bol v súčasnosti vykonávaný výskum v oblasti použitia klasických experimentov z jadrovej fyziky Počítačom podporované experimenty • Tufts University, Oregon University, Dickinson College (USA) • Helsinská univerzita (Helsinki, Fínsko), University of Ljubljana (Slovinsko), Universitat Politecnica de Catalunya (Barcelona, Španielsko), Katedra didaktiky fyziky MF fakulty v Prahe, Katedra fyziky prírodovednej fakulty Ostravskej univerzity, • Center for Microcomputer Applications (CMA, Amstel Institute University of Amsterdam, Holandsko), Leybold (LD Didactics, Hurth, Nemecko), Phywe Systeme GmbH (Goettingen, Nemecko), NTL (Neutal, Rakúsko)

6. 2.1 Výskum v oblasti používania experimentov z jadrovej fyziky vo vyučovaní Na Slovensku sa problematike počítačom podporovaných experimentov venuje niekoľko pracovísk napr.: • Oddelenie didaktiky fyziky katedry teoretickej fyziky a didaktiky fyziky Fakulty matematiky, fyziky a informatiky UK v Bratislave, • Katedra fyziky Fakulty prírodných vied UKF v Nitre, • Katedra fyziky Fakulty prírodných vied UMB v Banskej Bystrici, • Katedra fyziky Fakulty humanitných a prírodných vied PU v Prešove. Aktívna účasť slovenských pracovísk v projektoch s danou problematikou • Tempus AC-JEP 13101-98 Innovation of teacher training in Physics and Math (Bratislava, Nitra), • Tempus JEP 0119/91/93 Microcomputer Based Laboratory Applied in Physics Education and Teacher Training (Bratislava, Nitra), • Tempus JEP-09272-95 Science Teacher Training (Banská Bystrica, Nitra, Prešov), • Computerised Laboratory in Science and Technology Teaching (ComLab I, ComLab II) (Banská Bystrica).

7. 2.2 Vyučovanie jadrovej fyziky Slovensko • jadrová fyzika preberaná v poslednom ročníku vyučovania fyziky • tematický celok „Atómové jadrá a elementárne častice“ • žiadne experimenty Česká republika • rámcový charakter učebných osnov • tematický celok „Jadrová fyzika“ • experimenty – súprava GAMABETA Rakúsko • jadrová fyzika preberaná v poslednom ročníku vyučovania fyziky • jadrová fyzika preberaná v troch kapitolách „Atómová fyzika“, „Atómové jadro“, „Ochrana pred žiarením“ • v učebných osnovách zaradené pokusy z jadrovej fyziky Anglicko • A – level učebnica – jadrová fyzika preberaná v poslednom ročníku • jadrová fyzika preberaná v tematickom celku „Vnútro atómu“ • experimenty z jadrovej fyziky zaradené v učebnici

8. 2.3 Komparácia učebných textov na Slovensku a v zahraničí Porovnali sme učebnice používané na Slovensku, v Rakúsku a v Anglicku: - Pišút, J. et al: Fyzika pre 4. ročník gymnázií - Schreiner, J.: Physik 4 - Breithaupt, J.: Understanding Physics for Advanced Level Students • porovnávali sme obsahovú stránku, grafickú a používanie experimentov • všeobecne sa obsahy dosť podobajú Tab.1 Porovnanie učebníc v číslach pre kapitolu jadrová fyzika

9. 3 Ciele a hypotézy Hlavný cieľ bol tvorba a overenie použitia klasických experimentov z jadrovej fyziky vo vyučovacom procese na gymnáziách a porovnanie so súčasným vyučovaním (bez použitia experimentov),z čoho sa odvíjali čiastkové ciele: 1. Analyzovať súčasný stav vyučovania jadrovej fyziky na gymnáziách na Slovensku a v zahraničí na základe týchto kritérií: • obsah učiva • používanie experimentov vo vyučovaní jadrovej fyziky 2. Pre potreby použitia experimentov vo vyučovacom procese navrhnúť parciálne zmeny v učebných plánoch: • v učivách venovaných rádioaktívnemu žiareniu rozšíriť vlastnosti žiarenia a zaradiť niekoľko experimentov, • zaradiť praktické laboratórne meranie do záveru tematického celku. 3. Navrhnúť a vypracovať súbor klasických experimentov nadväzujúcich na obsah a ciele tematického celku „Atómové jadrá a elementárne častice“.

10. 4. Vypracovať metodiku a didaktiku použitia experimentov z jadrovej fyziky vo vyučovaní. 5. Vypracovať metodické listy pre učiteľov a žiacke pracovné listy pre každý experiment. 6. Ako alternatívu ku klasickým experimentov vypracovať kompatibilné reálne počítačom podporované experimenty nadväzujúce na obsah a ciele tematického celku „Atómové jadrá a elementárne častice“ vrátane metodických listov pre učiteľov a žiackych pracovných listov pre každý experiment. 7. Vytvorenie súborov na CD disku, ktoré budú obsahovať: • pozmenené učebné texty, • metodické a žiacke pracovné listy ku všetkým klasickým a reálnym počítačom podporovaným experimentom. 8. Realizovať pedagogický experiment, ktorého cieľom bolo zistiť do akej miery môže využívanie experimentov (klasických) z jadrovej fyziky prispieť: • k zvýšeniu aktívneho poznávania na hodinách fyziky, • k zlepšeniu vedomostnej úrovne z danej oblasti fyziky, • k zlepšeniu vzťahu žiakov k fyzike.

11. Na základe stanovených cieľov boli formulované jednotlivé hypotézy: Hypotéza 1 (H1) • Využívanie experimentov z jadrovej fyziky prispeje k dosiahnutiu vyššej vedomostnej úrovne u žiakov v danej tematickej oblasti. Hypotéza 2 (H2) • Využívanie experimentov z jadrovej fyziky prispeje k zlepšeniu vzťahu žiakov k predmetu fyzika. Hypotéza 3 (H3) • Zaradenie experimentov z jadrovej fyziky signifikantne neovplyvní obsah tematického celku „Atómové jadrá a elementárne častice“.

12. 4 Návrh zmien 4.1 Parciálne zmeny v obsahu učiva • zmeny potrebné pre zaradenie experimentov • minimálne zavádzanie nových pojmov • celkovo pridaných desať experimentov + laboratórne meranie 4.2 Príprava experimentov • metodika a didaktika použitia experimentov z jadrovej fyziky • vypracovanie metodických listov pre učiteľov a pracovných listov pre žiakov - príklad pracovného listu pre žiakov • alternatívne počítačom podporované experimenty (http://www.e-prolab.com/en/index.html) (patria k výstupom medzinárodného projektu Leonardo da Vinci SI 143 008 ComLab-SciTech II)

13. 5 Pedagogický experiment 5.1 Výber vhodných tried • pedagogický experiment bol realizovaný na dvoch gymnáziách počas dvoch rokov • celkovo sa pedagogického experimentu zúčastnilo 337 žiakov • žiaci boli rozdelení v kontrolných a experimentálnych skupinách • výber a rozdelenie vhodných tried bol uskutočnený na základe vedomostnej úrovne žiakov z fyziky (posledné dve známky z fyziky na vysvedčení) Graf 1 Rozloženie vedomostnej úrovne z fyziky Graf 2 Rozloženie vedomostnej úrovne z fyziky na polroku vo 4. ročníku(BB 2005/2006) na konci 2. ročníka (ZV 2006/2007)

14. 5.2 Analýza didaktických testov • po skončení výberu tried sa uskutočnil pedagogický experiment • v roku 2005/2006 na gymnáziu v BB a v roku 2006/2007 na gymnáziách v BB a ZV • preberal sa tematický celok „Atómové jadrá a elementárne častice“ • v kontrolných triedach sa učilo klasicky (bez použitia experimentov) • v experimentálnych triedach bol použitý pozmenený učebný text vrátane experimentov • v závere tematického celku laboratórne meranie • po prebratí tematického celku absolvovali všetky skupiny didaktický test • použitý test bol neštandardizovaný • obsahoval desať úloh, obsah sme konzultovali s vyučujúcimi • bolo použité zložité skórovanie • namiesto priemerného skóre sme určovali vážené skóre testu

15. Základné charakteristiky didaktického testu: Tab. 2 Pridelené body a skórovanie jednotlivých úloh didaktického testu Tab. 3 Charakteristiky jednotlivých testov pre kontrolné a experimentálne triedy

16. 5.3 Vyhodnotenie didaktických testov V úvode testu vo všetkých skupinách bola stanovená nulová hypotéza H0: pričom hladinu významnosti sme zvolili α= 0,5. V prípade zamietnutia nulovej hypotézy bola prijatá alternatívna hypotéza H1: resp. H1: predpokladali sme, že v experimentálnych skupinách dosiahnu žiaci vyššiu vedomostnú úroveň z fyziky, preto sme otázku formulovali ako jednostranný test vychádzali sme pritom z pilotného prieskumu, ktorý sme uskutočnili v šk. roku 2004/2005, rovnako aj po konzultáciách s učiteľmi fyziky na gymnáziách z niektorých krajín EU na overenie vyslovených hypotéz sme zvolili test rozdielu aritmetických priemerov, vychádzali sme z t-rozdelenia kde sv je vážený priemer smerodajných odchýliek, n1, n2 sú počty žiakov v experimentálnej a kontrolnej triede

17. Gymnázium Banská Bystrica 2005/2006 Tab. 4 Štatistické vyhodnotenie testu – BB 2005/2006 Na základe kritéria |t|> t0,05;114 môžeme nulovú hypotézu H0 zamietnuť a prijať alternatívnu hypotézu H1: Priemerné skóre žiakov experimentálnej skupiny (E1_1 + E2_1) je vyššie ako priemerné skóre žiakov kontrolnej skupiny (K1_1 + K2_1)

18. Tab. 5 Frekvenčná tabuľka pre didaktický test – BB 2005/2006 Graf 3 Výsledky didaktického testu v kontrolnej a experimentálnej skupine BB 2005/2006

19. Gymnázium Banská Bystrica 2006/2007 Tab. 6 Štatistické vyhodnotenie testu – BB 2006/2007 Na základe kritéria |t|> t0,05;113 môžeme nulovú hypotézu H0 zamietnuť a prijať alternatívnu hypotézu H1: Priemerné skóre žiakov experimentálnej skupiny (E1_2 + E2_2) je vyššie ako priemerné skóre žiakov kontrolnej skupiny (K1_2 + K2_2)

20. Tab. 7 Frekvenčná tabuľka pre didaktický test – BB 2006/2007 Graf 4 Výsledky didaktického testu v kontrolnej a experimentálnej skupine BB 2006/2007

21. Gymnázium Zvolen 2006/2007 Tab. 8 Štatistické vyhodnotenie testu – ZV 2006/2007 Na základe kritéria |t|> t0,05;110môžeme nulovú hypotézu H0 zamietnuť a prijať alternatívnu hypotézu H1: Priemerné skóre žiakov experimentálnej skupiny (E1_3 + E2_3) je vyššie ako priemerné skóre žiakov kontrolnej skupiny (K1_3 + K2_3)

22. Tab.9 Frekvenčná tabuľka pre didaktický test – ZV 2006/2007 Graf 5 Výsledky didaktického testu v kontrolnej a experimentálnej skupine ZV 2006/2007

23. 5.4 Vyhodnotenie dotazníka • cieľom dotazníka bolo zistiť postoje žiakov k vyučovaciemu predmetu fyzika • použili sme metódu sémantického diferenciálu vytvoreného zo siedmych sedembodových škál (na opačných koncoch boli bipolárne adjektíva) • dotazník bol použitý aj vo forme pretestu, aj vo forme posttestu Výsledky dotazníka: • u žiakov kontrolných skupín v dotazníku pred preberaním jadrovej fyziky a v dotazníku po preberaní jadrovej fyziky nedošlo k výraznejším rozdielom • u žiakov experimentálnych skupín nastal viditeľný posun v pozitívnom smere Graf 6 Vyhodnotenie dotazníka pre K1_3 + K2_3 Graf 7 Vyhodnotenie dotazníka pre E1_3 a E2_3

24. V závere dotazníka sme žiakom položili dve otázky: Čo sa vám páčilo na experimentoch z jadrovej fyziky? • „skúsili sme si to na vlastnej koži“ • „práca s rádioaktívnym materiálom nemôže byť nezaujímavá“ • „dovolilo mi to pochopiť vlastnosti žiarenia“ • „konečne sme niečo videli aj na vlastné oči“ • „zaobišiel by som sa aj bez toho, ale pomohlo mi to pochopiť niektoré veci“ Myslíte si, že experimenty sú potrebné? • „áno, názorne ukážu mnohé princípy“ • „nie sú dosť zaujímavé s pomôckami, ktoré sú dostupné“ • „skôr pochopím teóriu, keď poznám aj prax“ • „robia fyziku zaujímavejšou“ • „koho to nebaví, nepomôžu ani labáky“

25. 6 Závery 6.1 Závery vyplývajúce z pedagogického experimentu 1.Používanie experimentov z jadrovej fyziky vo vyučovacom procese prispelo k dosiahnutiu vyššej vedomostnej úrovni u žiakov experimentálnych tried v danej tematickej oblasti, čím sa potvrdila hypotéza H1. 2. Používanie žiackych a demonštračných experimentov, rovnako aj praktického laboratórneho merania z jadrovej fyziky vo vyučovaní prispieva k vyššej názornosti preberaného učiva, zapája žiakov vo všetkých fázach procesu, čím ich aktivizuje k aktívnej práci, v prípade žiackych experimentov rozvíja ich schopnosť samostatne pracovať. Okrem toho približuje žiakom prácu s rádioaktívnymi látkami v skutočných vedeckých laboratóriách. 3. Požívaním experimentov z jadrovej fyziky vo vyučovaní sa v experimentálnych skupinách vzťah žiakov k fyzike zlepšil, po absolvovaní výučby jadrovej fyziky s využitím experimentov ohodnotili žiaci fyziku ako zaujímavejší a zrozumiteľnejší predmet. Krivky sa síce stále pohybovali v negatívnych, prípadne neutrálnych hraniciach, avšak je možné konštatovať, že došlo k určitému posunu v pozitívnom smere.

26. 4. Z výsledkov dotazníka taktiež vyplýva, že experimenty z jadrovej fyziky zvyšujú u žiakov obľúbenosť a atraktívnosť vyučovacieho predmetu fyzika. (z bodov 3 a 4 vyplýva potvrdenie hypotézy H2) 5. Keďže vo všetkých kontrolných a všetkých experimentálnych skupinách bolo prebrané takmer to isté učivo za tú istú časovú jednotku a  zaraďovanie nových pojmov do upravených textov pre experimentálne skupiny bolo minimálne, je možné konštatovať, že experimenty z jadrovej fyziky signifikantne neovplyvnili obsah tematického celku „Atómové jadrá a elementárne častice“, čím sa potvrdila hypotéza H3.

27. 6.2 Prínos Ako prínosy môžeme označiť: • hĺbkovú analýzu, ktorú sme získali analyzovaním súčasného stavu vyučovania jadrovej fyziky na gymnáziách na Slovensku a v niektorých krajinách Európskej únie, • vypracovaný súbor klasických a kompatibilných reálnych počítačom podporovaných experimentov nadväzujúcich na obsah a ciele tematického celku „Atómové jadrá a elementárne častice“ vrátane metodických listov pre učiteľov a žiackych pracovných listov pre žiakov v tlačenej, ale aj v elektronickej podobe, • vypracovanú metodiku a didaktiku použitia experimentov vo vyučovaní • prípravu a realizovanie pedagogického experimentu, ktorým sme zistili a poukázali na nedostatky súčasného vyučovania jadrovej fyziky na Slovenských gymnáziách, navrhli riešenie, ktoré túto situáciu zlepší, vrátane spôsobu ako to uskutočniť

28. Ďakujem za pozornosť