Zdeněk Hromádka: Teorie relativity na základní škole? (Do jaké míry může učitel zjednodušovat?)

Jestliže se například nějaký vědec pokouší o veřejnou popularizaci svého oboru, vždy do jisté míry riskuje, že mu přísní kolegové experti neodpustí nepřiměřené zjednodušování, které vede k nepřesnostem. Najít správné východisko, kdy jsou experti ochotní tolerovat míru popularizace, a současně je předložená teorie srozumitelná poučeným laikům, je vždy obtížné (a mnohým vědcům se to velmi nevyplatilo). Učitel se s touto otázkou potýká neustále, ovšem s tím rozdílem, že nebývá vystaven přísným pohledům vědeckých expertů. To je jistě úleva, na druhou stranu však učitel v tom případě postrádá zpětnou vazbu a neví, jestli se už při své didaktické transformaci učiva nedopustil zkreslení tak významného, že vlastně učí nesmysly.

Nejistý učitel se naštěstí může vždy obrátit na autoritu učebnice a spolehnout se, že její autoři poučeně a moudře rozhodli o podobě předávaných informací. Tím se ale učitel své odpovědnosti nezříká. Je přímo odpovědný za rozhodnutí pasivně přijmout didaktickou koncepci autorů učebnic.

Když jsem začal učit fyziku na základní škole, velmi mě zarazilo, že v učebnici, kterou jsem měl k dispozici, se vůbec nehovořilo o tak důležitém pojmu, jakým je tíhová síla. Byla v podstatě zastoupena silou gravitační. Jistě by autoři dokázali toto zásadní zjednodušení ospravedlnit, pro mě však už bylo obtížně přijatelné, protože generovalo další významné nepřesnosti. Pokud je například použit jednoduchý matematický vztah pro výpočet tíhové síly jako nástroj k výpočtu velikosti síly gravitační, rozchází se tento postup zásadně s gravitačním zákonem a po přestupu na střední školu může takto zkreslená zafixovaná vědomost způsobit studentům značné potíže. S kolegou jsme se dohodli, že tíhovou sílu vyučovat budeme a prosadili jsme to do našeho ŠVP.

Domnívám se, že je v mnoha ohledech legitimní použít při výuce i velmi zjednodušený model zastupující skutečnou vědeckou teorii, jsem ale také přesvědčen, že je důležité informovat žáky o tom, že obsah výuky byl z dobrých důvodů upraven (či zkreslen) a neodráží přesně stav současného vědeckého poznání. Například, jestliže pro názornost učitel zavede do výuky zjednodušený planetární model atomu, měl by žákům přiznat, že předvádí pouze základní intuitivní představu o struktuře atomu, a že tento model už věda dávno opustila.

V oblasti mechaniky je to podobné. Základní představu o povaze pohybu těles předložil Isaac Newton ve svých pohybových zákonech. A teorie Newtonovské fyziky velmi dobře sloužila popisu světa po dobu 200 let. Od roku 1905 však začala být nahrazována Einsteinovou teorií relativity. O této aktuální teorii se obvykle na základní škole příliš nehovoří. Zde si většinou vystačíme se základy Newtonovy fyziky, která se dá velmi dobře aplikovat v důvěrně známém světě běžných rozměrů a nízkých rychlostí. Jsem však přesvědčen, že je vhodné upozorňovat žáky na to, že se pohybujeme v rámci teorie, která má omezenou platnost, a že skutečná věda již pracuje s teorií jinou (obecnější a také obtížnější). Potvrdilo se mi, že lze efektivně motivovat žáky poučením, že vedle teorie, která je obsahem učiva, existuje zajímavější teorie, která přesněji popisuje svět, ale zatím je jim z didaktických důvodů její obsah odpírán.

Nadanější žáci se často začínají iniciativně (a do jisté míry subverzivně) touto „tajemnou“ teorií zabývat. Speciální teorie relativity dráždí lidský rozum tím, že jde do značné míry proti intuici a „zdravému rozumu“. Absolutní prostor a absolutní čas se zde stávají relativními proměnnými, závislými na pohybovém stavu pozorovatele, zatímco se objevuje nová invariantní, pro všechny pozorovatele shodná rychlost světla ve vakuu. Představa, že v závislosti na rychlosti tělesa se pro vnějšího pozorovatele mění délka i hmotnost tohoto tělesa a že pro něj platí jiný čas, je pro mnohé žáky fascinující zjištění. Přičemž často není potřeba pouštět se do obtížnějších matematických vztahů a postačí vhodný výklad s příklady a myšlenkovými experimenty jitřícími fantazii.

Na druhou stranu celá řada matematických vztahů, které vycházejí ze speciální teorie relativity, má potenciál pro aplikaci na základní škole. Jistě, v základoškolské fyzice převažuje aplikace velmi jednoduchých fyzikálních vztahů zpravidla vyjadřujících přímou nebo nepřímou úměrnost mezi veličinami. Ale v základoškolské matematice je tomu jinak. Ukazuje se, že zatímco žáci si ze základní školy často přinášejí na střední školu slušné dovednosti v oblasti úprav rovnic a algebraických výrazů, mají-li tyto dovednosti aplikovat v oblasti středoškolských fyzikálních vztahů, selhávají. Proto se domnívám, že je užitečné používat často fyzikální vztahy pro procvičování algebry. A mohou to být klidně vztahy přesahující úroveň základoškolské fyziky. Ale byla by škoda použít tyto vztahy pouze jako materiál pro trénink matematických operací. Bez odborného komentáře k jejich fyzikálnímu významu by to byla promarněná příležitost k vytvoření užitečné mezipředmětové vazby.


Celý text se vzorovou úlohou naleznete zde