В 80-е годы 20 века академик А. П. Ершов выдвинул лозунг «Программирование – вторая грамотность», и в обязательную программу школьного обучения был включен новый предмет – информатика. Благодаря этому стратегически-упреждающему действию Россия, несмотря на все внутренние трудности, смогла войти в 21 век в качестве одной из немногих стран, готовых к цифровой технологической революции. Мы полагаем, что в 21 веке технологическое развитие будет напрямую обусловлено квантовыми технологиями, и следует выдвинуть новый лозунг для школьного образования: «квантовая физика – вторая грамотность». Основы квантовой физики и специфических для нее способов мышления должны передаваться учащимся уже со старших классов средней школы – в этом залог и будущего развития и технологической безопасности страны.
Насколько задача преподавания квантовой физики в школе вообще решаема? Традиционно в вузах квантовая физика преподается не раньше, чем на 3-ем курсе, на базе изученных высшей математики и классической физики. Предмет является исключительно трудным, большая часть студентов оказываются не способными освоить его. Однако запрос на квантовых физиков и квантовых инженеров растет и будет нарастать, вызывая насущную потребность в создании более эффективных технологий обучения предмету. В ответ на этот вызов стали появляются различные попытки перестроить преподавание квантовой физики, приблизить его к запросам квантовой инженерии и квантовых технологий.
В указанном контексте актуален сетевой проект «Рули фотоном».
Это один из сетевых проектов, реализуемых в рамках программы «Школы наставников».
Особенности исследовательских проектов по физике
Уровень предметных знаний в школьных курсах физики и математики позволяет полноценно реализовать в исследовательских проектах характерные особенности физических исследований:
представление объекта исследования в физических моделях;
математическое описание объекта, построенное на основе моделей, выполнение теоретических расчетов;
инженерное проектирование и изготовление экспериментальной установки;
проведение измерений физических величин с требуемой точностью и получение эмпирических данных;
сопоставление теоретических расчетов и эмпирических данных с использованием таблиц и графиков.
Физические модели и их употребление учащиеся осваивают, прежде всего, за счет решения задач по физике. Для формирования исследовательских компетенции школьников необходимо уделять значительное внимание работе с задачами – разбору типовых и нестандартных задач, решению так называемых оценочных задач (с нечетко поставленными условиями). Важно специально прорабатывать схемы и чертежи, с помощью которых решается задача. Особенно тщательно следует обсуждать условия и допущения, при которых строится решение задачи. Нужно учить школьников различным приемам: варьированию параметров и осуществлению предельных переходов, оценки по порядку величины, выделению симметрии в объекте, работе с идеализированными объектами (введению невесомых, нерастяжимых нитей и стержней, или, наоборот, пружин, мысленному наложению и удалению связей между частями объекта и пр.) и др. Все это формирует способности моделирования и мысленного экспериментирования.
При усвоении тех или иных понятий («сила трения», «теплоемкость», «электрическое сопротивление», «индуктивность») очень важно добиваться того, чтобы учащиеся в итоге овладели структурой – целостной «связкой», «паттерном» – разных знаний, которые составляют понятие. Это такие знания, как:
знаковая модель, схема;
математическая формула, закон;
график функции, выражающий формулу;
типичный пример, на котором иллюстрируется легче всего понимается данное понятие;
характерные численные значения величин и их размерности.
Именно такой вид физических понятий позволяет использовать их при моделировании и решении физических задач. Физические модели при этом конструируются из моделей понятий подобно тому, как из панелей собирается дом, при этом параллельно из формул, «привязанных к понятиям», строится система уравнений.
Описанный выше способ решения физических задач на основе моделей, физических понятий и математических уравнений в полной мере должен «работать» и в школьном физическом исследовании.
Главная особенность исследования от решения задач из задачника в том, что необходимо постоянно выявлять расхождение между расчетом и данными реальных измерений. Именно это расхождение является «мотором», продвигающим все исследование.
Всякое расхождение расчета и измерений понуждает искать причины, уточнять схемы измерений, условия и границы применимости модели, а, зачастую, полностью перестраивать модель. Эта работа является важнейшей частью всей исследовательской деятельности.
Та особенность физики, что она является точной, математизированной наукой, позволяет в полной мере использовать данный «мотор» для полноценного разворачивания школьных исследовательских проектов.
Основы квантовой физики должны преподаваться на материале одной отдельной предметной области – физики фотонов.
Программа должна состоять из трех частей.
Часть 1. Пропедевтика.
1. Пропедевтика должна включать:
- необходимые разделы математики:
- основы теории вероятностей;
- векторы и элементы линейной алгебры;
- тригонометрия;
- комплексные числа.
2. необходимые разделы физики:
- история исследований света;
- волновая оптика.
Часть 2. Основы квантовой физики и квантового мышления.
Основы квантовой физики преподаются в активной форме развивающего образовательного погружения. Погружение проводится в течение 5-6 дней.
Технология образовательных погружений обеспечивает перестройку способов мышления, характерных для освоенной школьниками классической физики, формирует новое понимание и новые способы мышления. Основной результат: вхождение школьников в новую для них действительность квантовой физики и приобретение способности ориентироваться в ней.
В ходе погружения активно используются компьютерная игра, симулирующая проведение квантовых оптических экспериментов.
Часть 3. Квантовые эксперименты и технологии.
Эта часть обеспечивает закрепление полученных знаний. Кроме того, она обеспечивает осведомление школьников о современных и перспективных квантовых технологиях, способствует ориентации и самоопределению относительно возможных будущих профессий кантового физика и квантового инженера.
В этой части изучаются технологические принципы квантовой связи, квантовой телепортации, квантового компьютера. Решаются соответствующие квантовые задачи на основе компьютерной игры-симулятора. Школьники проектируют и рассчитывают квантовые эксперименты.
Команда:
Научный консультант:
Павел Анатольевич Французов — кандидат физико - математических наук, физик - теоретик.
Андрей Витальевич Наумов — доктор физико-математических наук, профессор Российской академии наук (РАН).
Материалы:
1.Образовательные записи, направленные на популяризацию и вовлечение младших школьников в квантовую физику.
В малоосвещённом интерьере, за круглым столом, группа детей, незаметно для себя, погружается в тему исследования частицы фотона по принципу от общего к частному. Начиная с размышлений о понятии света в целом. В общении с ведущим дети задают вопросы «Что такое свет? Что произойдет, если он исчезнет?» и сами ищут ответы на них, обращаясь к собственному жизненному опыту и к своим представлениям о том, что такое свет и зачем он нужен. Также, участники детского круглого стола, погружаются в историю (краткий сценарий) о девочке Лизе, которая однажды обнаружила, что свет пропал, поэтому она отправилась на его поиски. Во второй части фильма дети с ведущими переходят на вторую площадку, яркий белый интерьер, и через актерские этюды и пластику тела «проживают» разные состояния фотона – волна и частица, отражают связь света с растительным миром. Заканчивается фильм этюдом на тему опыта по улавливанию испытуемым одного фотона. На протяжении всего происходящего в кадре, дети получают некоторые знания о свойствах фотона через игру, через чувства, через яркие положительные эмоции. Такой метод способствует лучшему усвоению получаемых знаний, а также стимулирует интерес к изучению фотона.
3.
4.Образовательная программа, пропедевтика:
5. Презентация: "Квантовая физика для школьников или Рули фотоном!"
