Animace pro STR - případová studie

Animace pro STR - případová studie Jindřiška Svobodová1, Jana Jurmanová2, Jan Novotný3 Masarykova univerzita v Brně Abstrakt Výzkumné téma bylo zvoleno v souvislosti s řešením inovačního projektu pro přípravu budoucích učitelů fyziky. Případovou studii jsme naplánovali tak, aby poodhalila, jak respondenti propojují své dosavadní dílčí dovednosti při řešení problémových úloh v úvodním kurzu Speciální teorie relativity. Dalším cílem bylo vyhodnotit, zda zhlédnutí animací s tématikou speciální teorie relativity nějakým způsobem ovlivní jejich přístup k řešení. Abstract The paper focuses on the description of the research within the activities realized in a project aimed at training future physics teachers. In the current period, video materials and tests thematically oriented on Special Theory of Relativity (STR), are being piloted. In this paper, special attention will be paid to preparation of case study which can reveal if students use their interdisciplinary knowledge in solving problem situations in STR. The paper also summarizes the benefits and risks of using case study for teaching science. Klíčová slova: případová studie, problémové úlohy, functional skills, mezioborové vazby Key words: case study, problem tasks, functional skills, cross-sectional topics

Úvod Způsobilosti potřebné pro řešení úloh se během života vyvíjejí. Schopnost provádět operace, kroky a úvahy vedoucí k úspěšnému řešení problému závisí jak na osobních dispozicích člověka, tak na předaných dovednostech a znalostech. Konečný přístup k vlastnímu řešení úlohy pak bývá kombinací naučených postupů a intuitivních úvah. Náš zájem byl dvojí. Jednak jsme chtěli posoudit, jak se užití animací s tématikou STR projeví na jejich přístupu k probírané problematice. Jednak jsme se pokusili identifikovat případná nepřesná, nesprávná nebo neúplná pojetí studenta v těch oblastech, která mohou bránit a či omezovat pochopení konceptu STR. Snažili jsme se vyvolat upřímné projevy studentů ke zkoumaným záležitostem, abychom mohli zaznamenat a vyhodnotit jejich autentické reakce. Studentům byl předložen soubor otázek, nad nimiž se vedla rozprava. Cílem nebylo individuální prověřování znalostí, ale snaha porozumět, kde student naráží na překážky. Jako metoda průzkumu byla zvolena metoda případová studie, která se v souvislosti s aktivizačními formami výuky užívá stále častěji. Případová studie se hodí k průzkumnému a vysvětlujícímu typu výzkumu. Rozhovor vedený v případové studii dává možnost podání vysvětlení. Naše studie byla zaměřena na níže uvedené výzkumné otázky. Design studie byl sestaven tak, aby participantů byli vtaženi do konkrétní předpřipravené situace. Výsledkem studie byl popis získaných údajů, na jehož podkladě jsme se pokusili o odhad

1

[email protected]. Katedra fyziky, chemie a odborného vzdělávání MU [email protected] Ústav fyzikální elektroniky MU 3 [email protected] Katedra fyziky, chemie a odborného vzdělávání MU 2

1

proměnných, které se ukazovaly pro studovaný problém jako důležité. V rámci možností jsme kategorizované údaje vyhodnotili.

Výzkumné otázky Případová studie v zkoumaném prostoru vycházela z hlavní výzkumné otázky: „Jak studenta ovlivní animace (tématicky věnované STR) ve sledovaných ukazatelích?“ Díky bohatému datovému materiálu, který jsme shromáždili, pokusili jsme se vyhodnotit i podotázky komparativní povahy: V jakých ukazatelích jsou největší rozdíly studenty seznámené s animacemi? Jsou významné rozdíly mezi dispozicemi studenta ve sledovaných kategoriích a úspěšným zvládnutím úloh v testu? Dále jsme hledali vztah mezi určitými znaky zaznamenanými ve studentských výpovědích, jako korelační otázky jsme si vymezili: Existuje vztah mezi geometrickou (grafickou) zdatností a zdatností pro řešení předložených úloh? Má schopnost studenta jasně formulovat svůj postup vliv na jeho výsledek? Je dovednost zakreslit graf v souřadnicích t, x je významně větší než úroveň dovednosti zakreslit diagram x,t? Mezi sledované projevy patřily: schopnost rozpoznat situace v zadání, vytvářet si vhodné reprezentace úloh, dovednost grafického zachycení situace, dovednost pracovat s formalismy, schopnost užívat nově zavedené pojmy, vyvozovat závěry apod. Na základě výzkumných otázek a prvotní analýzy záznamů bylo pro studii vybráno těchto dvanáct ukazatelů: 1. pozorné čtení úlohy 2. prvotní přijetí úlohy (bez intervence tazatele) 3. srozumitelnost ve sdělování vlastního postupu 4. schopnost přeformulování úlohu vlastními slovy 5. adekvátnost grafického znázornění, vizualizace úlohy 6. použití poznatků ze STR 7. přenos poznatků či dovedností z jiné disciplíny (geometrie, aj.) 8. úsudek – řešení, vyvozené úvahou 9. vědomí opodstatněnosti přístupu a závěrů 10. kreativita – schopnost vidět nově (ochota riskovat) 11. úspěšnost úloh 12. schopnost udržení trvalé pozornosti První ukazatel téměř podmiňuje úspěch. Druhý ukazatel vyjadřuje motivaci studenta a jeho chuť se s otázkou poprat, ukáže, zda animace ovlivní jedince, kteří se snaží vyhnout výkonové situaci. Třetí a čtvrtý ukazatel vychází z předpokladu, že dovednost formulovat nejen postup svého řešení a své kroky (racionálně podložené) ale i to, co je tušené, je důležitá pro jakékoli hlubší studium obecně. Dokážu-li popsat, proč věci dělám tak, jak je dělám, z čeho vycházím, o co se opírám, mohu zpětně najít příčiny svého případného nezdaru. Vizualizace problému zvýší názornost zkoumaného problému. Šestý a sedmý ukazatel vyjadřuje míru přenosu znalostí. Osmý a devátý ukazatel bývají pro analytickosyntetické úvahy klíčové. Kreativita je předpokladem pro hledání nových řešení.

2

Jedenáctý ukazatel posuzuje úroveň splnění úkolu. Dvanáctý ukazatel vyjadřuje schopnost probanda udržet pozornost po delší dobu i nad fádními úkoly. Design případové studie Výzkum probíhal v průběhu jarního semestru 2013. Pro lepší uvedení do případu považuji za vhodné představit stručnou charakteristiku tazatelů i participantů. Společným rysem probandů bylo to, že mají přírodovědné vzdělání minimálně na úrovni 2. ročníku studia a všichni se připravují na učitelské povolání. Tazatelé byli učitelé, kteří oslovené studenty zrovna neučili, ale znali se. V počáteční etapě jsme vyhodnotili pouze případy studentů fyziky, kteří absolvovali kurz STR. Posléze jsme soubor rozšířili o studenty, kteří zatím STR neprošli a studenty přírodních věd vůbec. U všech skupin studentů byl ponechán dostatek času na myšlenkové zpracování úloh. Polovině probandů byly (před rozdáním otázek, ovšem po předběžném souhlase účasti na studii) promítnuty komiksové animace s tématikou STR, které mimo jiné vedly k navození pohody a dobré nálady. Vlastní studie se pak realizovala formou rozpravy nad předloženými otázkami, které participanti měli dopředu k dispozici. Sběr dat byl prováděn nad předloženými 15 úkoly, které respondent mohl v předstihu promyslet. Rozhovory se zaznamenávaly do diktafonu. Tazatel byl spíše pozorovatelem, během rozpravy si dělal průběžné poznámky, sledoval i k neverbální projevy studenta, jeho zásahy se omezovaly na dodání sebedůvěry studentovi a provokaci jen tam, kde studentova odpověď zcela chyběla nebo byla příliš strohá. Následovala deskripce dat podle zvolených kritérií: pro vyjádření míry splnění ukazatele sledovaného jevu byla zvolena škála 0 - jev se nevyskytl, odpověď byla nedostatečná, 0.5 - jev se vyskytl částečně, odpověď byla částečně správná, 1- jev se vyskytl, odpověď byla správná. Způsob kategorizace do shrnujících ukazatelů vyplynul na povrch v průběhu analýzy záznamů. Zajímali jsme se ukazatele, které přirozeně stály ve středu našeho zájmu. Výstupem je řada grafů a popisů konkrétního případu odpovědi, které byly nějak poučné či pozoruhodné. Ukázky animací

3

Ukázky úkolů a konkrétních vybraných odpovědí Zde uvádíme na ukázku několik úloh, u nichž jsme zaznamenali neočekávané nebo zajímavé situace. Souvisí nějak nesoučasnost pozorování blesku a hromu s relativistickou nesoučasností událostí? Výpověď: asi ne, protože tuhle věc využívají lidé dlouho a to by na tu teorii relativity již přišlo mnohem dříve. Výpověď: hrom se přece nepozoruje, ale slyší, pokud je to takhle myšleno, tak to nesoučasné je pro člověka vzdáleného od místa, kam uhodilo. Výpověď: relativistické to bude, protože teorie relativity obecně postihuje všechny časové posuny, jen při běžných situacích se to neprojeví. Výpověď: nesouvisí, je to podobné jako když nám zprávu ze stejného místa přinesou dva různě rychlí poslové. 1.

Policejní auto vysílá při jízdě městem světelné signalizační záblesky. Představují tyto záblesky soumístné události? Výpověď: soumístné nemohou být, když to auto jede. Výpověď: jak vznikají ty záblesky, běhají po tom autě? Výpověď: jak pro koho… 2.

Dva stromy jsou od sebe od 600m. Stojíte přesně v polovině vzdálenosti mezi oběma stromy. Váš kolega se nachází u prvního stromu. A, Do obou stromů udeří blesk. Váš kolega na základě svých měření zjišťuje, že oba blesky byly současné. Jak jste to viděli vy? Vysvětlete. B, Blesky udeří znovu. Tentokrát váš kolega vidí oba záblesky světla ve stejném časovém okamžiku. Co jste viděli vy? Byly zásahy blesků současné? Výpověď:v A, kolega tu korekci na vzdálenost provede nebo ne? Budu vycházet z toho, že to měření bylo jím takto vyhodnoceno, oba jsme ve stejné vztažné soustavě, takže pak jsem blesky taky viděl současně. Výpověď: Jejda, tady je to A stejné jako B, nebo není? Teď to chápu, no jo ale z toho plyne, že mám ty předchozí úlohy špatně. 3.

4.

Osobní automobil ujede za jednu hodinu 100 km, nákladní za tutéž dobu 50 km. Oba automobily vyjíždějí ze stejného místa ve stejném okamžiku. Oba se pohybují rovnoměrným přímočarým pohybem stejným směrem. Zakreslete graf závislosti polohy automobilu na čase (souřadnice t,x) za předpokladu, že pohyb považujete za rovnoměrný přímočarý. Zakreslete totéž do Minkowského diagramu (souřadnice x,ct 4

místo času vynášíme na svislou osu jeho součin s rychlostí světla, abychom na obou osách měli stejné rozměr délky ve stejném měřítku).

Výpověď: Minkovského diagram, to si nepamatuji, to dělat nebudu.(Tazatel: v závorce je postup), jenže ono je to nějaké divné, bude to veliké na té ose, zkusím to teda nějak zakreslit. Výpověď:Tak jsem to tam zakreslila, ale rychlostí světla to násobit nebudu. (Tazatel: Proč?), no to by vyšlo moc velký a hezky by se mi to tam nevešlo, takto je lépe srozumitelné pro lidi. Událost A nastala v prostoročasových souřadnicích (300 m, 2 s). Událost B se vyskytuje v souřadnicích (1200 m, 6 s). Mohla A být příčinou B? Událost C nastala v prostoročasových souřadnicích (2400 m, 8 s). Mohla A být příčinou C? Výpověď: Tak jsem si vše zakreslila do bodů v grafu x, t a proložila přímkami. Tak dál nevím, co s tím. Tak nějak jsme to dělali v STR. Výpověď:Já myslím, že to první mohlo souviset s A a to druhé, to C možná taky. (Tazatel:existuje nějaké kritérium, podle něhož se rozhodujete?) No, asi to musí ležet někde v tom prostoročase, někde v budoucnu… ale to já přece zatím nevím, když je to v budoucnu ? 5.

Rozpulte úhel, jehož vrchol je nedostupný. Udělejte náčrtek a slovně popište postup. Výpověď: No, jak nedostupný, tomu jsem nerozuměl. (Tazatel pomáhá.)Aha, no tak to by mělo jít, já bych to řešil přes kružnice, vepsal bych tam v různých místech dvě kružnice a ty středy budou na ose úhlu.

6.

Výzkumná zjištění Jak již bylo výše zmíněno, hledali jsme odpověď na otázku, zda se vnější popud formou atraktivní animace (věnované STR) projeví na výkonu studenta a jak se projeví. Z grafického znázornění výsledků studie je vidět rozdílná distribuce „plnění“ ukazatelů u studentů první a druhé skupiny. Připomeňme si, že první skupina studentů byla oslovena učiteli, zda přijmou a vypracují sadu úkolů a posléze byla seznámena s veselou asi 20 minutovou animací. Druhá skupina byla pouze učiteli oslovena, ale animaci neshlédla. Sledovali jsme znaky, které postihují určité subjektivní dovednosti a přístupy studentů. Vidíme, že hodnoty ukazatele první skupiny se od hodnot druhé skupiny liší, nejmarkantnější posílení bylo vyhodnoceno v kategoriích grafické znázornění, užití poznatků STR (přestože většina úloh tyto znalosti nevyžadovala), přenos poznatků z jiné disciplíny a kreativita. První skupina vykazovala rovněž větší odvahu v přijetí úloh, a měla lepší schopnost přeformulovat úlohu vlastními slovy. I celková úspěšnost byla významně větší.

5

Obr. 1 Výsledky skupiny A_A - studenti prošli kurzem STR a shlédli animaci

Obr. 2 Výsledky skupiny N_A - studenti prošli kurzem STR a animaci neviděli

Závěr Vzhledem k dosud malému počtu vyhodnocených respondentů, svou roli na výsledcích sehrávají i osobnostní proměnné studentů, které samozřejmě i mohou dominovat. Nicméně lze uzavřít, že shlédnutí animací jistě není ztraceným časem ve výuce. Nabízí se ještě prozkoumat otázka, zda by efekt byl stejný, pokud by se studenti na animace dívali samostatně jen třeba za domácí úkol či z vlastní zvědavosti. Dedikace Tato publikace vznikla v rámci projektu CZ.1.07/2.2.00/28.0182 "Moduly jako prostředek inovace v integraci výuky moderní fyziky a chemie" 6

řešeného na Pedagogické fakultě MU a Přírodovědecké fakultě UPOL. Literatura NOVOTNÝ, Jan, Jana JURMANOVÁ, Jan GERŠL a Marta SVOBODOVÁ. Základy teorie relativity. Elportál, Brno: Masarykova univerzita, 2006. ISSN 1802-128X. JURMANOVÁ, Jana, Jan NOVOTNÝ a Jan GERŠL. Multimediální CD "Úvod do speciální a obecné teorie relativity". In Pedagogický software 2006. první. České Budějovice: Scientific Pedagogical Publishing, 2006. s. 208-210, Lepil, O., et al. (1995). Fyzika: Sbírka úloh pro střední školy. Praha: Prometheus. Scarl, D. (2003). How to solve problems: For success in freshman physics, engineering and beyond.New York: Dosoris Press. Van Heuvelen, A. (1991). Learning to think like a physicist: A review or research-based instructionalstrategies. American Journal of Physics, 59(10), 891–897.

7