Waarom verliezen middelbare scholieren hun interesse in natuurkunde? Waarom loopt Australië achter in de wetenschap, technologie, techniek en wiskunde (STEM)?

Wij in het Einstein-First-project denken dat we het antwoord hebben. Dat komt omdat de internetervaring van leerlingen met wetenschap volledig in strijd is met het schoolcurriculum.

Voor de Nationale Wetenschapsweek, Ik sprak met 650 studenten van 5 tot 11 jaar, ik vroeg of ze van zwarte gaten hadden gehoord. Minstens 80% stak zijn hand op.

Waar vinden we zwarte gaten in het schoolcurriculum? Wij niet. Je kunt niet praten over zwarte gaten met behulp van 19e-eeuwse fysica, omdat ze allemaal over gekromde ruimte en kromgetrokken tijd gaan.

Studenten hebben ons duidelijk gemaakt dat ze denken dat wetenschap op school over 'oude dingen' gaat.

Daarom moeten we het curriculum moderniseren. We moeten 19e-eeuwse concepten vervangen door 21e-eeuwse concepten, en iedereen de taal van de moderne natuurkunde leren, beginnend op de basisschool.

Vandaag lanceren we ons boek Teaching Einsteinian Physics in Schools. Het is ontworpen om een ​​revolutie in de schoolwetenschap te leiden vanaf jaar 3.

Jonge studenten begrijpen Einsteiniaanse concepten

De ontdekkingen van Einstein in 1905 veroorzaakten een conceptuele revolutie. De laatste stappen, Einstein's zwaartekrachttheorie in 1915 en de Broglie's 1924 ontdekking dat alle materie en straling een combinatie hebben van golving en bulletiness (normaal genoemd dualiteit van golfdeeltjes), radicaal veranderde ideeën van natuurkundigen over ruimte, tijd, materie en straling. Deze ontdekkingen zijn de fundamentele concepten voor bijna alle moderne technologie.

Tien jaar geleden vroeg ik:"Is het mogelijk om Einsteiniaanse concepten op de basisschool te onderwijzen?" Collega's zeiden:"Natuurlijk niet. Je moet eerst de natuurkunde van Newton leren!"

Ik reageerde bot! Newtoniaanse fysica is fout, zowel conceptueel als feitelijk. Het zegt dat dingen willekeurig snel kunnen reizen en dat de zwaartekracht onmiddellijk beweegt, de tijd is overal hetzelfde, massa en energie zijn onafhankelijk van elkaar, en het universum loopt als een trein.

Ons team deed een eerste proef met Einsteiniaanse natuurkunde op een basisschool. Onze meest verbazingwekkende ontdekking was dat kinderen niet verbaasd waren:ze namen de ideeën gewoon ter harte. Dit leidde tot acht jaar proeven op verschillende basis- en middelbare scholen.

We leerden de studenten dat licht komt als fotonen met een combinatie van golving en bulletiness, die ruimte wordt gekromd door materie en dit verandert de geometrie, en die tijd is anders op de top van een berg. Niets van dit alles verraste hen in het bijzonder.

En de kinderen vonden het geweldig. Een leraar van jaar 3 zei:"Tegen het einde gebruikten ze woordenschat en begrepen ze concepten die normaal gesproken pas op de middelbare school zouden worden geïntroduceerd. Het was echt moeilijk om ze van hun activiteiten af ​​​​te slepen. Wat verrassend was, was dat ze concepten zo gemakkelijk accepteerden dat vinden de meeste volwassenen en leraren erg moeilijk."

Op activiteiten gebaseerd leren werkt - en het is leuk

De kinderen vinden het op activiteiten gebaseerd leren geweldig. En ze houden van speelgoed, daarom gebruiken we waar mogelijk speelgoed.

We gebruiken Nerf-kanonkogels als speelgoedfotonen, pingpongballen als speelgoedelektronen en speelgoedmoleculen gemaakt van magnetische tennisballen en pingpongballen. Soms gebruiken we speelgoedautootjes als fotonen en gebruiken we objecten met een toenemende massa om hun bulletiness (d.w.z. momentum) te vergroten. Dit speelgoed maakt experimenten mogelijk, zoals de dissociatie van speelgoedmoleculen door speelgoed-UV-fotonen om uit te leggen waarom UV-licht ons DNA kan breken en huidkanker kan veroorzaken, en waarom radio (en 5G!) fotonen veilig zijn omdat ze veel minder bulletiness hebben.

Einsteiniaanse fysica heeft een enorme verklarende kracht, of het nu op het niveau van kwantuminteracties of zwaartekracht is. Einsteiniaanse zwaartekracht beschrijft de ruimte als een elastisch weefsel. We gebruiken lycra als onze tweedimensionale speelgoedruimtetijd. Het uitrekken van ruimte en tijd is gemakkelijk te meten en bijna alle zwaartekrachtverschijnselen kunnen worden waargenomen door verschillende ballen op de lycra te rollen, zoals onderstaande video laat zien.

Studenten op alle niveaus spelen graag met deze ruimtetijdsimulators. Ze bestuderen hoe fotonbanen worden afgebogen als de ruimte gekromd is, hoe zwaartekrachtgradiënten kometen verscheuren, hoe banen hun oriëntatie in de ruimte veranderen (precessie genoemd), hoe sterren en planeten ontstaan ​​en hoe sterrenstelsels hun vorm krijgen. Zoals een leraar van jaar 7 zei:"[Het] maakt het veel gemakkelijker om met studenten over interessante dingen te praten, zoals de laatste ontdekking van een zwart gat."

Lessen die onze wereld zin geven

De absorptie van infraroodfotonen door CO₂-moleculen zorgt voor klimaatverandering. Met speelgoedmoleculen die door magneten bij elkaar worden gehouden, kunnen leerlingen de verschillende manieren verkennen waarop een CO₂-molecuul trilt in vergelijking met een O₂-molecuul, en leer hoe fotonabsorptie dit veroorzaakt.

We combineren ons speelgoed met echte maar relatief goedkope apparaten, zoals zonnepanelen, elektrische boren, LED-verlichting en laserpointers.

Met laserpointers kan de golving van licht worden onderzocht in een hele reeks interferentie-experimenten. Zonnepanelen tonen bulletiness, fotonen die elektronen uitstoten, en zijn ideaal voor bijna alle elektriciteits- en energiestudies op de lagere en middelbare school. Een zonnepaneel kan een 12V elektrische boor aandrijven, die kan worden gebruikt voor hijsen, wrijvingswarmte creëren en energie gebruiken die afkomstig is van het omzetten van fotonen in een stroom elektronen - het foto-elektrische effect waarvoor Einstein de Nobelprijs won.

Leraren helpen hun angsten te overwinnen

Het grootste obstakel voor de introductie van Einsteiniaanse fysica is de angstfactor voor leraren. Mensen beweren nog steeds dat het te moeilijk is voor leraren. We hebben ontdekt dat als we de activiteit op de eerste plaats zetten, zoals geometrie op woks bijvoorbeeld, leraren zonder wetenschappelijke achtergrond begrijpen gemakkelijk het concept dat de vorm van de ruimte kan worden gemeten door meetkunde.

Het onderwijzen van Einsteiniaanse natuurkunde op scholen is gebaseerd op internationale ervaring met meer dan 20 auteurs. Het wordt gepresenteerd op het niveau dat nodig is voor schoolleraren, inclusief wat materiaal voor senior high school.

Het is vrij van enge vergelijkingen omdat deze, of het nu Einsteiniaans of Newtoniaans is, hebben geen plaats in het schoolcurriculum. In plaats daarvan leren we veel over hoe om te gaan met de enorme aantallen en kleine aantallen die we moeten bedenken om met het universum om te gaan, evenals waarschijnlijkheid en "de wiskunde van pijlen" (vectoren), omdat deze krachtige concepten voor iedereen belangrijk zijn.

De meeste studenten zullen zich niet specialiseren in natuurkunde. Het doel van Einstein-First is dat alle studenten de verplichte jaren van de wetenschap moeten afronden met de basiskennis en woordenschat van ons beste begrip van het fysieke universum.

Na het testen van ons jaar 7 programma over zwaartekracht, een leraar meldde:"De lessen bevatten het modelleren van concepten met hands-on 'concreet' materiaal, een educatieve benadering die multisensorische leermogelijkheden biedt waardoor alle studenten met succes kunnen worden opgenomen."

"Meisjes profiteren vooral van de manier waarop het programma wordt gepresenteerd met groepslessen en activiteiten. Het is niet intimiderend, en docenten zoals ik genieten van het programma omdat het mijn lesgeven veel waardevoller maakt."

"Het opvallende aan de Einsteiniaanse natuurkundelessen is dat studenten volledig betrokken zijn, verstoring is zeldzaam, en studenten met leerproblemen zijn praktisch niet te onderscheiden van reguliere studenten."

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.