Sborník příspěvků. zahajovací konference projektu

Sborník příspěvků zahajovací konference projektu

Rozvoj profesních kompetencí učitelů fyziky základních a středních škol v Olomouckém kraji

Olomouc 2010

Zpracováno v rámci řešení projektu Evropského sociálního fondu a Olomouckého kraje, OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost: Rozvoj profesních kompetencí učitelů fyziky základních a středních škol v Olomouckém kraji Registrační číslo: CZ.1.07/1.3.13/02.0002 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. První vydání  Slovanské gymnázium Olomouc, 2010 ISBN 978-80-7329-250-8 (Repronis)

Obsah Program zahajovací konference

5

Úvod

7

O. LEPIL: Potřebuje výuka fyziky nové modernizační hnutí?

9

R. KUBÍNEK: Studium fyziky v působnosti Katedry experimentální fyziky PřF UP včera a dnes

24

D. MANDÍKOVÁ: Výsledky českých žáků ve výzkumu TIMSS 2007

39

D. MANDÍKOVÁ: Přehled výsledků českých žáků v přírodních vědách ve výzkumu PISA

69

3

Program zahajovací konference

15. června 2010, aula Přírodovědecké fakulty UP v Olomouci

9:00

Zahájení konference RNDr. Radim Slouka – ředitel Slovanského gymnázia prof. RNDr. Juraj Ševčík – děkan PřF UP Olomouc Představení projektu

9:30

Potřebuje výuka fyziky nové modernizační hnutí? Doc. RNDr. Oldřich Lepil, CSc., Přírodovědecká fakulta UP Olomouc

10:30

Studium fyziky v působnosti Katedry experimentální fyziky PřF UP včera a dnes Doc. RNDr. Roman Kubínek, CSc., Přírodovědecká fakulta UP Olomouc Přestávka s občerstvením

11:45

Výsledky českých žáků ve výzkumu TIMSS 2007 a PISA RNDr. Dana Mandíková, CSc., Matematicko-fyzikální fakulta UK Praha

13:15

Diskuze, občerstvení

14:00

Prohlídky odborných pracovišť PřF UP Olomouc a Slovanského gymnázia

16:30

Ukončení konference

5

Vážené kolegyně a kolegové, otevíráte sborník příspěvků, které zazněly na zahajovací konferenci projektu Rozvoj profesních kompetencí učitelů fyziky základních a středních škol Olomouckého kraje, jež se konala za Vaší hojné účasti 15. června 2010 v aule Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci. Na této konferenci nešlo jen o první seznámení se účastníků tohoto projektu, ale zazněly zde velmi hodnotné a podnětné referáty renomovaných osobností oboru, který se stal nejen Vaším životním povoláním, ale jsme přesvědčeni, že i láskou a posláním. Svědčí o tom právě jednak Vaše přítomnost na červnové konferenci, jednak Vaše zapojení se do dvouletého projektu, jehož cílem je podpořit Vás ve snaze zvýšit úroveň výuky fyziky na školách pomocí nových, moderních metod, které umožní rozvíjet tvořivost a samostatnost žáků například formou tradičních i netradičních experimentů či využitím nových pomůcek. Při přípravě celého projektu jsme vycházeli mimo jiné i ze zkušeností, které jsme získali jako organizátoři obdobného předchozího projektu, realizovaného v období let 2006 – 2008, jenž měl mimořádný ohlas v celém Olomouckém kraji. V rámci nového projektu Vám nabízíme šest samostatných modulů: 1. Kreativita; 2. Projektování výuky fyziky - učitelé učitelům; 3. Užití informačních technologií ve výuce fyziky; 4. Environmentální výchova a fyzika; 5. Nové poznatky ve fyzice a jejich implementace do výuky a školních vzdělávacích programů; 6. Mezipředmětové vztahy – fyzika-biologie-chemie. Důležitou součástí realizace projektu je i akreditace vytvořeného programu dalšího vzdělávání učitelů fyziky. Vzdělávací program byl akreditován MŠMT dne 22. 7. 2010 pod číslem jednacím 16 606/2010-25–465. Z výše uvedeného záměru vyplývá, že jde o projekt náročný a současně vysoce smysluplný. Ke splnění všech jeho vytyčených cílů uskutečníme cyklus praktických seminářů, workshopů, přednášek, exkurzí na výzkumná pracoviště a konzultací. Všechny aktivity dalšího vzdělávání učitelů fyziky budou odpovídat výše uvedeným vzdělávacím modulům a budou rozvrženy do celodenních nebo i vícedenních seminářů. Příkladem může být jednodenní seminář na výzkumném pracovišti solární elektrárny na Pedagogické fakultě Masarykovy univerzity v Brně, dvoudenní seminář na Hvězdárně v Prostějově, který bude věnován problematice vzdělávání v astronomii a astrofyzice, nebo dvoudenní seminář v Centru popularizácie fyziky ve slovenském Martině, kde bude možné aktivně si vyzkoušet množství experimentů s nesložitými pomůckami a získat tak inspiraci pro svou každodenní praxi učitele fyziky. 7

Přínosné a zajímavé pak budou praktické semináře, které se uskuteční přímo na pracovištích fyzikálních ústavů Akademie věd České republiky, kde účastníci projektu absolvují přednášky i praktické ukázky a také se budou moci seznámit s běžně nepřístupným technickým zázemím špičkových pracovišť. Důraz bude kladen na využití výsledků výzkumu v běžné praxi. Účastníci seminářů zhlédnou v činnosti nejmodernější fyzikální přístroje, jako jsou lasery, nejnovější mikroskopy, dalekohledy, urychlovače či jaderný reaktor. Stojíme na prahu náročného dvouletého období, u jehož začátku byla výše zmíněná zahajovací konference, ze které Vám předkládáme sborník přednášek jako připomenutí červnového setkání i jako inspiraci pro Vaši budoucí práci. Za realizační tým projektu Mgr. Martina Malínková a Mgr. Romana Lachnitová, Slovanské gymnázium Olomouc

8

Potřebuje výuka fyziky nové modernizační hnutí?

OLDŘICH LEPIL Přírodovědecká fakulta UP Olomouc Pro středoškolské fyzikální vzdělávání od 60. let 20. století byly charakteristické výrazné modernizační tendence, které se dotýkaly jak koncepce didaktického systému, tak obsahu, metod i prostředků výuky. Zásadním podnětem pro vznik modernizačního hnutí byly úspěchy v oblasti letů do vesmíru a nástup polovodičových technologií a tím podmíněné elektronizace, která postupně zasáhla všechny oblasti společnosti. Tyto pokroky v oblasti vědy a technologií také ukázaly, že škola dostatečně nepřipravuje absolventy, aby mohli co nejlépe zvládat nově kladené požadavky. K tomu přistupuje i jistá nechuť mladé generace studovat poměrně náročné a abstraktní poznatky spojené např. s postupujícím poznáním smyslům nedostupného mikrosvěta. V USA se to již v 50. letech projevilo např. tím, že jen cca 20 % žáků si na střední škole volilo jako učební předmět fyziku. Tato situace vedla k potřebě zásadních přeměn kurikula fyziky, výběru učiva, jeho didaktického zpracování a posílení metod výuky zaměřených zejména na experimentální činnosti žáků. Výsledkem těchto snah je vznik několika velkých, komplexně propracovaných modernizačních projektů fyziky, z nichž největší popularitu získaly projekty: 

Physical Science Study Committee (Tematické celky: Vesmír, Optika a vlny, Mechanika, Elektřina a stavba atomu) [1].



Harvard Project Physics (Tematické celky: Pohyb, Pohyby ve vesmíru, Triumf mechaniky, Světlo a elektromagnetismus, Molekuly, atomy, Jádra atomů) [2].



Nuffield Advanced Science – Physics [3] Pro modernizační hnutí ve fyzice byly podnětné i známé kurzy vysokoškolské fyziky:



Berkeley Physics Course



Feymans Lectures 9

Zmíněné modernizační hnutí nalezlo odraz i v našich školách a z podnětu JČMF byla v roce 1963 svolána konference, na níž byla konstatována naléhavá potřeba změn nejen ve fyzice, ale také v matematice. Aniž bychom podrobněji analyzovali další vývoj a výsledky těchto modernizačních tendencí, můžeme za reflexi světového modernizačního hnutí označit následující: 

Vytvoření uceleného projektu fyziky pro základní fyzikální vzdělávání vybudovaného na integrujících pojmech (látka a těleso, pole, fyzikální veličiny, energie).



Inovaci vybraných témat středoškolské fyziky: Speciální teorie relativity. Základy kvantové fyziky a fyziky mikrosvěta. Integrované poznatkové soustavy (silová pole, kmity a vlny). Doplnění nového tématu učiva elektřiny – polovodiče.



Nové metody výuky. Programované učení. Problémová a skupinová výuka.



Moderní výukové technologie (zpětná projekce, kazetový film, video).

Je samozřejmé, že tyto modernizační tendence nalézaly uplatnění postupně a v různém rozsahu. Pro středoškolskou výuku se však nepodařilo vytvořit nově pojatý ucelený projekt fyziky, který by byl obdobou projektu vytvořeného pro základní školu pod vedením M. CHYTILOVÉ a R. KOLÁŘOVÉ. Nyní, přibližně po padesáti letech, si znovu můžeme položit otázku, zda obsah fyzikálního vzdělávání na střední škole odpovídá aktuálním společenským potřebám. Fyzika jako učební předmět v současném pojetí se formovala ve 2. polovině 19. století a postupně si vytvořila určitou strukturu, jejíž vývoj za uplynulých více než sto let je velmi malý (projevuje se hlavně v učivu elektřiny a fyziky mikrosvěta), ale za 50 let od vzniku modernizačních snah je již zanedbatelný. Spíše jsme svědky omezování rozsahu i obsahu výuky. Zatím co v počátcích fyzikálního vzdělávání bylo možné položit téměř rovnítko mezi fyziku jako vědu a fyziku jako učební předmět, dnes tomu tak už zdaleka není. V minulosti také převažovaly v lidské činnosti profese a pracovní postupy vyžadující např. určité znalosti z mechaniky a termiky (pohyby, vrhy, jednoduché stroje apod.). V dnešním digitalizovaném světě je náplň práce lidí většinou zcela odlišná a na poznatcích z mechaniky a termiky vesměs nezávislá (např. 10

zákonitosti šikmého vrhu byly klíčovou znalostí v oblasti vojenství, dnešní význam tohoto učiva bych viděl jen v tom, že se na příkladu šikmého vrhu pěkně ilustruje postup při počítačovém modelování pohybů. Přesto se stále tyto nejstarší části fyziky stávají v současné škole dominujícími poznatky a posouvají těžiště výuky do její historie. Můžeme si tedy položit otázku, co se vlastně na středních školách vyučuje. Poněvadž závazné osnovy učiva již neexistují a Rámcové vzdělávací programy (RVP) nelze považovat za relevantní dokument k posouzení této otázky, můžeme hledat odpověď třeba z rozsahu, v jakém jsou využívány současné středoškolské učebnice fyziky, jejichž koncepci lze označit za tradiční. S ohledem na omezenou hodinovou dotaci se v praxi nejvíce používá dvoudílná učebnice Fyzika pro střední školy I a II [4], [5]. Na obr. 1 jsou grafem zachyceny prodeje této učebnice od r. 2000 (procentuální vyjádření je odvozeno od průměru prodaných výtisků za celé období). Z grafu je patrný výrazně větší odbyt I. dílu, jehož obsahem je mechanika a termika, zatímco díl II., obsahující kmitání a vlnění, elektřinu a magnetismus, optiku, STR, fyziku mikrosvěta a astrofyziku, se do škol dostává v mnohem menší míře a má v posledních letech klesající trend.

Obr. 1 11

Nemůže nás tedy překvapovat, že dnešního žáka obsah fyziky, který je vlastně spíše historickým přehledem poznatků převážně z 19. a vzdálenějších století, příliš nezaujme. Nejpatrnější je to na poznatcích o metodách, přístrojích a zařízeních pro měření fyzikálních veličin. Např. jedním z nejčastějších měřicích zařízení v našich učebnicích pro základní školu jsou rovnoramenné váhy, které slouží k názornému a didakticky dobře propracovanému výkladu nejen o měření hmotnosti, ale i v jiných částech učiva, např. o vztlakové síle. V praxi však tyto váhy žák mimo školu neuvidí v žádné podobě a jde čistě jen o historickou záležitost. Podobně je tomu i v dalších případech zařízení a poznatků, které jako „trvalky“ nacházejí místo v našich učebnicích po celé 20. století i na začátku 21. století, aniž bychom si dostatečně uvědomovali, že jejich čas v našem životě již minul. Výuka fyziky se také neobejde bez siloměru, který je z didaktických důvodů nenahraditelný, ale z praktického hlediska jde o měřidlo bezvýznamné. Podobných příkladů didakticky zdůvodněných fyzikálních přístrojů bez praktického využití ovšem najdeme v našich učebnicích celou řadu. Jen namátkou, lístkový elektrometr potřebný k demonstracím s proslulou ebonitovou tyčí třenou liščím ohonem, směšovací kalorimetr, kapalinový manometr, ladičku jako zdroj zvuku, kyvadlo, jehož význam stál a padal s použitím jako princip časoměrného zařízení apod. Konečně i zdánlivě moderní poznatky o technických principech stagnují na nejjednodušší úrovni, takže žák, který má v jedné kapse mobil s digitálním fotoaparátem, ve druhé přehrávač MP3 a před sebou LCD displej počítače, končí ve fyzice s elektronikou u usměrňovací diody a v lepším případě u bipolárního tranzistoru. Nicméně do výuky na gymnáziích pronikaly v dávno minulé době s poměrně malým zpožděním i významné objevy a poznatky z oblasti elektromagnetismu (např. praktické využití elektromagnetické indukce v energetice). Známým příkladem návaznosti rozvoje vědy na školní výuku je např. krátká doba potřebná k tomu, aby se do fyzikálního učiva dostaly poznatky o objevu rentgenového záření, oceněného v roce 1901 první Nobelovou cenou. Heslo „Röntgenovy paprsky“ je již v osnovách gymnázia z roku 1908, což je vlastně nejkratší možná doba, poněvadž předcházející osnovy jsou z roku 1898, tedy z doby, kdy vědecká veřejnost tento objev ještě ani neregistrovala. Je však obtížné si představit, že by poznatky oceněné některou ze současných Nobelových cen vůbec měly šanci stát se středoškolským učivem. Např. v roce 2005 byla Nobelova cena za fyziku udělena za příspěvek k teorii optické kohe12

rence (R. J. Glauber, USA) a za příspěvek k rozvoji laserové spektroskopie a k přesnému měření frekvence (J. L. Hall, USA a T. W. Hänsch, Německo). Snadno se přesvědčíme, že obsah výuky optiky na základní úrovni se za sto let prakticky nezměnil a neposkytuje žádný prostor k adekvátnímu objasnění podstaty oceněných objevů kvantové optiky. Optika byla součástí výuky fyziky již v době, kdy se tento učební předmět nazýval silozpyt. Ale postačí, když nahlédneme do osnov fyziky pro gymnázia z roku 1908, které vznikly na základě tzv. Marchetovy reformy (mj. podle ní jsou poprvé do výuky středních škol zařazena praktická cvičení). Optika se vyučovala na konci 8. ročníku (2 hodiny týdně) a předcházela ji témata Nauka o vlnění a Akustika. Obsah tématu Optika je uveden v plném rozsahu [6]: Optika: Opakování učiva z IV. třídy o šíření světla. Domněnky o světle. Určení rychlosti světelné podle Römera a Fizeaua. Fotometrie. Odraz. Obrazy u zrcadel rovinných a kulových. Lom: Úplný odraz. Průchod světla planparalelní destičkou (bez výpočtu), hranolem, minimální úchylka (jen pokusně). Určení indexu lomu. Čočky, výpočet a sestrojení obrazů u čoček, sférická vada. Rozklad barev. Chromatická vada, achromatické čočky. Duha. Spektra emisní a absorpční, nejdůležitější věci ze spektrální analýzy. (Připojí se k tomu některé věci z fyzikální astronomie.) Barvy těles. Krátké poznámky o fluorescenci a fosforescenci. Chemické účinky světla. Tepelné účinky, temné paprsky tepelné. Projekční přístroj, fotografická komora. Oko. Mikroskopy a dioptrické dalekohledy s krátkým výkladem zvětšení. Interference: Barvy tenkých vrstev, ohyb štěrbinou a mřížkou. Polarizace odrazem a jednoduchým lomem, polarizace dvojlomem. Destičky turmalínové. Nicolův hranol, stáčení roviny kmitové (sacharimetr). Není třeba uvádět pro srovnání obsah ještě nedávno používaných osnov. Snad kromě nového hesla holografie v nich najdeme, nebo také nenajdeme, téměř vše, co se učilo již před sto lety. Jenže éra osnov skončila a učitel vytvářející ŠVP bude vycházet z textu RVP. K jakým očekávaným výstupům má jeho vyučovací činnost při výuce optiky směřovat, ukazuje výňatek z RVP gymnaziální vzdělávání, okruh Člověk a příroda ([7], s. 27): 13

ELEKTROMAGNETICKÉ JEVY, SVĚTLO Očekávané výstupy Žák … porovná šíření různých druhů elektromagnetického vlnění v rozličných prostředích využívá zákony šíření světla v prostředí k určování vlastností zobrazení předmětů jednoduchými optickými systémy Učivo … elektromagnetické záření – elektromagnetická vlna; spektrum elektromagnetického záření vlnové vlastnosti světla – šíření a rychlost světla v různých prostředích; stálost rychlosti světla v inerciálních soustavách a některé důsledky této zákonitosti; zákony odrazu a lomu světla, index lomu; optické spektrum; interference světla optické zobrazování – zobrazení odrazem na rovinném a kulovém zrcadle; zobrazení lomem na tenkých čočkách; zorný úhel; oko jako optický systém; lupa Jestliže by učitel při vytváření vlastních osnov v rámci Školního vzdělávacího programu (ŠVP) vycházel jen ze závazného dokumentu, kterým je RVP, pak není divu, že vlastně téměř veškeré výsledky modernizačního úsilí 60. let jsou smazány. Připomeňme, že např. poznatky speciální teorie relativity RVP nezahrnuje vůbec a základy elektroniky začínají a končí u polovodičové diody. Lze tedy jen doufat, že se učitelé ve výuce neomezí jen na minimalizované požadavky RVP, o jejichž výběru bychom mohli v rámci inovačních snah i diskutovat. Pro projektování výuky tak nelze RVP považovat za relevantní dokument. Tím se pro učitele stává učebnice, kterou si pro vlastní vyučovací činnost se žáky 14

zvolí. Učitel základní školy může již vybírat z několika ucelených souborů různých vydavatelů a podle nich pak ŠVP vytvořit. Poněkud jiná je situace na středních školách, pro které jsou k dispozici učebnice nakladatelství Prometheus ve dvou stupních obtížnosti: náročnější osmidílná tematická řada určená spíše pro přírodovědně zaměřenou výuku a jednodušší dvoudílná učebnice zahrnující všechna standardní témata středoškolského učiva minimálně v rozsahu požadavků RVP jak pro gymnaziální vzdělávání, tak pro odborné školy. Kdybychom se opět podívali na učivo optiky, které zpracovává učebnice [8], musíme konstatovat, že obsah této učebnice jde poměrně daleko za požadavky RVP. Výčet učiva optiky, které při striktním omezení výuky na požadavky RVP jsou takzvaně „za čárou“ uvádí příspěvek [9]: Odrazný hranol, optická vlákna, vláknová optika; Hranolový spektroskop; Barva světla, míšení barev; Použití rovinných zrcadel; Zvětšení optického zobrazení, zobrazovací rovnice kulového zrcadla; Optické vady zobrazení čočkou; Podmínky dobrého vidění, setrvačnost zrakového vjemu; Mikroskop, dalekohledy, snímací a projekční přístroje, dataprojektor; Michelsonův interferometr, interference na tenké vrstvě, Newtonova skla; Rozdělení ohybových jevů, omezení rozlišovací schopnosti optických přístrojů; Ohyb na optické mřížce; Holografie; Praktické využití polarizovaného světla; Přenos energie zářením; Luminiscence; Záření černého tělesa, kvantum záření a Planckův zákon; Historie objevu rentgenového záření a laueogram, rentgenová diagnostika; Rentgenová strukturní analýza, Braggova rovnice Odpovědnost za fyzikální vzdělání se tak z centrálních požadavků daných dříve osnovami plně přenáší jak z hlediska obsahu i metod výuky na učitele. Pokud se s ohledem na výběr učiva a kvalitu výuky žák necítí dostatečně připraven k vysokoškolskému studiu tak náročného oboru, jakým současná fyzika je, není divu, že to významným způsobem ovlivňuje zájem o vysokoškolské studium nejen fyziky, ale i technických oborů. Jestliže studium učitelství fyziky ještě vyžaduje zvolit si další předmět, pak v kombinaci s matematikou jde o tak náročné studium, že většinu zájemců odstrašuje. Na otázku položenou v úvodu, zda výuka fyziky potřebuje nové modernizační hnutí, lze tedy odpovědět kladně. Kdo však by se měl tohoto náročného úkolu ujmout? Zdálo by se, že nejvhodnějšími řešiteli by byli didaktikové fyziky. I když je u nás několik pracovišť didaktického zaměření, některá i realizující doktorská studia v oblasti fyzikálního vzdělávání, tematika např. doktorských prací, popř. publikací z nich vyplývajících, signalizuje zaměření spíše na meto15

dy výuky, pokusy s jednoduchými pomůckami, využití IT ve fyzice, různé průzkumy (ne)zájmu žáků o fyziku apod. Bylo by tedy třeba i v této oblasti dosáhnout určitých změn a více pozornosti věnovat i obsahové stránce výuky a její inovaci. Omezený rozsah příspěvku neumožňuje detailněji pojednat o tomto aktuálním tématu. Proto stručně naznačím jen tři základní tendence, které by nové modernizační hnutí mělo zahrnovat: 

inovace



integrace



diferenciace

Některé další problémy, které by bylo třeba při modernizaci výuky fyziky respektovat, byly již uvedeny v seminárních materiálech předcházejícího projektu SGO [10]. V další části tohoto příspěvku se zaměříme v těchto souvislostech jen na nové koncepce obsahu fyzikálního vzdělávání, ilustrované několika ukázkami. Při komplexním přístupu k modernizaci fyzikálního vzdělávání se ovšem všechny tři uvedené tendence budou navzájem prolínat. Inovace znamená v podstatě dvě věci. Provést analýzu tradičního učiva jednak z hlediska současného fyzikálního poznání, jednak z hlediska společenské potřeby jednotlivých poznatků a jejich příspěvku buď ke všeobecnému, nebo odbornému vzdělání žáka. Tato analýza nepochybně ukáže, že v našich učebnicích fyziky je celá řada poznatků, které byly překonány nejen z hlediska vývoje fyziky jako vědecké disciplíny, ale i z hlediska praxe. Některé příklady byly již uvedeny v předcházející části příspěvku. Tradice však tyto poznatky pevně zakotvuje i do současného didaktického systému fyziky a učitelé se s nimi často neradi loučí. Možné řešení je takové, že jako rozšiřující, čili fakultativně zařazované učivo, označíme nejen poznatky náročnější, které výrazněji překračují požadavky RVP, ale i jednoduché poznatky s malým významem pro současné všeobecné vzdělání (namátkou uveďme poznatky o jednoduchých strojích, hydrostatiku, některé poznatky učiva o elektrickém náboji v klidu aj.) Inovace fyzikálního vzdělávání ovšem zahrnuje také zařazení zcela nových fyzikálních poznatků, zejména těch, které přinášejí široce používané praktické aplikace v různých oborech techniky. Existují tendence podřídit obsah výuky fyziky potřebám technické praxe a je skutečností, že v klasickém spektru učebních předmětů všeobecně vzdělávací školy není předmět, který by žáka v oblasti základů technických věd vzdělával. Tuto funkci tedy s větším či spíše 16

s menším úspěchem plní fyzika. Jde tedy o přístup, který požaduje, aby výuka fyziky byla spíše předmětem, který vyučuje základy fyzikálně technických věd. Inovovat lze i dílčí poznatky jejich modernějším pojetím. Příklady lze hledat třeba v učivu blízkém soudobým aplikacím elektroniky. Tak např. tradiční poznatky vakuové elektroniky se s vývojem učiva postupně redukovaly až na poslední příklad televizní obrazovky. To už je však také historie a s nástupem nových zobrazovacích technologií je třeba inovovat také učivo. Zde však narážíme na skutečnost, že moderní aplikace fyzikálních poznatků v technické praxi mají vesměs komplexní charakter. Např. k tomu, abychom mohli žákovi vysvětlit princip zobrazování technologií LCD, potřebujeme jak poznatky tradiční (polarizace světla), tak poznatky nové, pro něž se ještě ve středoškolském učivu nenašlo místo (tekuté krystaly). Podobných příkladů je ovšem mnohem víc a při inovaci učiva budeme narážet na řadu omezení. Vývoj fyziky je dnes velmi diferencovaný a objevují se celé nové obory fyziky, které mají významné místo ve struktuře fyziky jako vědy. Není to tedy jen několik témat tzv. moderní fyziky, na něž byla zaměřena modernizace fyziky v 60. letech. Již jen vývoj fyzikálního poznání směřující na jedné straně do stále menších oblastí mikrosvěta či nanosvěta a na druhé straně pronikání do vesmíru přináší poznatky, které by měla výuka fyziky nějakým způsobem reflektovat. Ale jsou i obory fyziky, které přinášejí nový pohled i na náš svět smyslům dostupných rozměrů. Příkladem mohou být třeba poznatky o tzv. deterministickém chaosu, který přináší nový pohled na děje z běžného života, jako jsou třeba meteorologické děje nebo vývoj populací živočichů. Didaktickým problémem těchto nových poznatků je jejich transformace do podoby sdělitelné v přiměřené podobě na úrovni středoškolské výuky. Určitým pokusem nabídnout učiteli možné řešení ve vybraných tématech fyziky a techniky představuje publikace [11], která vznikla na základě seminárních přednášek projektu SGO. Inovací tedy rozumím jakousi inventuru obsahu školské fyziky, její kritickou analýzu a takový výběr učiva, který by byl v korelaci se současnými požadavky. Do budoucna asi nebude možné vybrat od všeho „něco málo“, ale bude zřejmě nutné opustit historicky vzniklý sled témat od mechaniky až po fyziku mikrosvěta. Integrace představuje jednu z cest k řešení tohoto úkolu. Jde o spojení fyzikálního vzdělávání s ostatními přírodními vědami, což je myšlenka, o níž se u nás poměrně intenzívně uvažovalo již v 70. letech diskusí o tzv. integrované přírodovědě. Domnívám se, že tato myšlenka je znovu aktuální, ale v uvažované integraci bych viděl určitý posun spočívající v posílení vztahu přírodovědného 17

vzdělávání směrem k technickým vědám. Zatím se vesměs hovoří o vzájemné integraci fyziky, chemie a biologie, ale jako nedostatek chápu skutečnost, že fyzika ve svém obsahu v podstatě supluje vzdělání žáků ve vztahu k tak významným technickým odvětvím, jako je elektronika, energetika, dopravní technika atd. Podrobněji o integračních tendencích a možných didaktických systémech integrované přírodovědy pojednává publikace [12]. Diferenciace fyzikálního vzdělávání představuje třetí směřování modernizace výuky. Ta by se měla odvíjet od určité úrovně základního vzdělání a umožňovala by žákům na úrovni středoškolského vzdělávání volit vlastní vzdělávací cesty a odpovídat více za svůj osud. Přitom by existovala i varianta diferenciace „na nulu“, v níž by se student spokojil jen se základní úrovní přírodovědného vzdělání tak, aby si vytvořil odpovídající přírodovědný obraz světa. Cesty, jimiž by bylo možné do budoucna rozvíjet schopnosti žáků v přírodovědném vzdělávání, jsou samozřejmě rovněž velmi diferencované. Je úkolem didaktiků i učitelů fyziky, aby se jimi intenzivněji než dosud zabývali a podíleli se zejména na vytváření nových projektů fyzikálního vzdělávání. To je ovšem velmi náročný úkol, který není řešitelný v krátké době. Je iluzí tvůrců RVP, že jejich zavedením dojde samovolně k jakési „revoluci“ ve školství, že se omezí biflování a posílí tvořivost žáků atd. Chybějí tedy projekty, které by učiteli v tomto směru podaly pomocnou ruku a nevyčerpávaly jeho omezené časové možnosti hledáním nových cest „metodou pokusu a omylu“. Nicméně najdeme příklady projektů v zahraničí, které by mohly být svým způsobem inspirativní ve všech třech uvedených modernizačních tendencích. Pro stručnost uvedeme několik příkladů obsahové struktury projektů s odkazem na zdroje, kde si zájemce může najít další informace. Science for All Americans [13] Jde o ucelený projekt přírodovědného vzdělávání označovaný také jako projekt 2061, což je rok, v němž se má k Zemi znovu přiblížit Halleyova kometa. Projekt vznikl v rámci Americké asociace pro rozvoj přírodních věd (American Association for the Advancement of Science – AAAS) a je určen jako součást kurikula K12 (9-12 ročník školní docházky). Projekt zahrnuje i matematiku, poznatky technických věd, problematiku životního prostředí, poznatky 18

o biologických systémech včetně člověka a také poznatky o lidské společnosti. Poznatky jsou rozděleny do 15 kapitol, z nichž fyzice je věnována kapitola 4 s následujícím obsahem:  Vesmír  Země  Procesy utvářející Zemi  Struktura hmoty  Přeměny energie  Pohyb  Síly v přírodě Horners Advanced Physics Course [14] Značně netradiční koncepci má projekt, který vznikl v Anglii na univerzitě v Yorku jako středoškolský kurz fyziky na vyšší úrovni AS (Advanced Subsidiary). Pro ilustraci zařazujeme obsah kurzu AS i s jeho neobvyklými názvy kapitol, které uvádíme také v původním znění: Kapitoly kurzu Fyzika v práci, při odpočinku a hře Zvuk hudby (Postupné a stojaté vlnění, odraz a lom, fotony a hladiny energie atomu) Technologie ve vesmíru (Obvody stejnosměrného proudu; odpor, proud, elektromotorické napětí a výkon, teplota a odpor, energie a tepelná výměna) Vyšší, rychlejší, silnější (Grafy, pohybové rovnice, střely, síla, hmotnost a zrychlení, kinetická a potenciální energie) Fyzika pro život K nakousnutí - Good Enough to Eat (Viskozita a proudění tekutin, mechanické vlastnosti materiálů, lom a polarizace) Dobývání minulosti - Digging up the Past (Obvody stejnosměrného proudu; odpor, difrakce a superpozice, fotoelektrický jev)

19

Operace s náhradními díly - Spare Part Surgery (Struktura a vlastnosti materiálů, Dopplerův jev, odraz, lom, čočky) Advancing Physics [15] je rovněž netradičně koncipovaný anglický projekt vypracovaný Institutem fyziky (Institute of Physics – IOP) v Londýně. Obsah kurzu Fyzika v akci 1. Zobrazování zobrazování, zpracování obrazu, čočky a optika, bity a byty, ideje informatiky 2. Snímání přístrojové vybavení, užití senzorů, proud, rozdíl potenciálů, výkon, teorie obvodů stejnosměrného proudu, dělič napětí 3. Signalizace digitální signál, telefon, rádio a televize, spektra a polarizace, vlnový rozsah a informace Návrhář materiálů 4. Testování materiálů Mechanické a elektrické vlastnosti materiálů, druhy a užití materiálů 5. Hledání uvnitř materiálů Využití vlastností materiálů podle struktury a různých měřítek, navrhování nových materiálů. Seznámení s procesy 6. Vlnové vlastnosti Superpozice vln, stojaté vlny, barva tenkých vrstev, dvojštěrbina, optická mřížka, ohyb, ohybové obrazce 7. Kvantové vlastnosti Kvantové vlastnosti fotonu a elektronu, energie E = hf, různé projevy kvantových vlastností Prostor a čas 8. Zobrazení prostoru a času Vektor, skládání vektorů, posunutí a rychlost, prostor pod grafy 20

9. Výpočet budoucího pohybu Relativní rychlost, zrychlení, pohybové rovnice, F = ma, výpočet „krok za krokem“, gravitační pole, síla, práce výkon Exploring Integrated Science [16] Projekt je příkladem středoškolského kurzu integrované přírodovědy, vypracovaný dvojicí autorů (B. E. Baaquie a F. H. Willeboordse) z National University of Singapore. Každá kapitola učebnice projektu je spojena s klíčovou otázkou k danému tématu:

Table of Contents Chapter Topic 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Our Universe: Numbers in Our World: Energy: Atoms:

The Question Where Are We? How Do We Reach Infinity and Beyond?

Why Can Sunlight Power the World? Why Are the Elements So Different from Each Other? Combining Atoms: How Do Atoms Bond? Fluids: How Does Water Flow? Materials: Why Is Steel Strong and Glass Fragile? Polymers: Why Is Rubber Elastic? Sparks in Nature: What Is Electricity? Odor: Why Can We Smell Perfume? Sound: Why Can We Hear Music? Nature’s Solar Why Are Leaves Green? Cells: 21

13 14 15 16 17 18 19 20

Vision: Biopolymers: Proteins: RNA: DNA: Information: Nanoworld: Complexity:

21 22 23

Evolution: Relativity: Quantum Mechanics I: Quantum Mechanics II:

24

Why Can We See Sunlight? Why Does Life Use Polymers? Who Does All the Work? Jack of All Trades, Master of None? What Determines the Structure of DNA? Does DNA Compute? Why Can a Gecko Climb a Wall? Why Do We Need Only a Small Number of Genes? Why Are There Many Species? Why Does E = mc2? Why Are There Black Lines in the Spectrum of the Sun? Is Nature Counterintuitive?

Na několika příkladech ze zahraničí jsme ukázali některé možnosti přestavby kursu středoškolské fyziky. Ty lze chápat jen jako inspiraci a jejich přímé převzetí by v našich podmínkách bylo stěží akceptovatelné. V každém případě asi nebude do budoucna možné budovat didaktický systém fyziky na tradičním uspořádání jednotlivých tematických celků a bude nutné provést kritický výběr učiva. Východiskem tohoto výběru však vždy musí být samotný vědní základ učebního předmětu a není možné brát jako kritérium výběru třeba zajímavost tématu, jeho atraktivitu či motivační funkci. S těmito koncepcemi se setkáváme např. v některých projektech v duchu hesla Science is fun. Tento přístup, v němž není východiskem předmět, ale samotný žák, je podroben zásadní kritice v [17]. Jeho nebezpečí spočívá v příslibu získat vzdělání bez námahy, poznat jen to, co je zábavné a snadné, a získat mylnou představu života bez odpovědnosti a pracovního úsilí.

22

Literatura [1] < http://libraries.mit.edu/archives/exhibits/pssc/> [2] < http://en.wikipedia.org/wiki/Harvard_Project_Physics> [3] < http://www.nuffieldcurriculumcentre.org/> [4] Lepil, O. - Bednařík, M. - Hýblová, R.: Fyzika pro střední školy I, 4. přepracované vydání, Prometheus, Praha 2000, 267 s. ISBN 978-80-7196-184-0 [5] Lepil, O. - Bednařík, M. - Hýblová, R.: Fyzika pro střední školy II, 3. přepracované vydání, Prometheus, Praha 2000, 312 s. ISBN 978-80-7196-185-7 [6] Vašek, L.: Příspěvek k hodnocení vývoje učebních osnov fyziky na našich středních školách, habilitační spis, Univerzita Palackého, Olomouc. [7] Rámcový vzdělávací program pro gymnázia, VÚP Praha 2007. ISBN 97880-87000-11-3 Dostupné na: http://www.vuppraha.cz/ [8] Lepil, O.: Fyzika pro gymnázia. Optika, Prometheus, Praha 2002, ISBN 978-80-7196-237-3 [9] Hubeňák, J.: Hezká optika s LCD a LED. MFI 19 (2010), č. 8. s. 470. [10] Lepil, O.: Vývoj didaktického systému fyziky jako východisko tvorby ŠVP. In: Sborník seminárních materiálů, Repronis, Olomouc 2008. ISBN 97880-7329-182-2 [11] Lepil, O. a kol.: Fyzika aktuálně, příručka nejen pro učitele, Prometheus, Praha 2009. ISBN 978-80-7196-381-3 [12] Lepil, O. – Bílek, M.: Integrovaná přírodověda. Vydavatelství UP, Olomouc 2006. ISBN 80-244-1391-4 [13] [14] [15] [16] [17] Lacina, A.: Aktuální problémy českého fyzikálního vzdělávání, Čs. čas. fyz. 54 (2004), č. 2, s. 92.

23

Studium fyziky v působnosti Katedry experimentální fyziky PřF UP včera a dnes

ROMAN KUBÍNEK Katedra experimentální fyziky PřF UP, Olomouc Cílem příspěvku, který byl přednesen na konferenci pořádané SGO Olomouc 15. 6. 2010, bylo představit Katedru experimentální fyziky (dále KEF) Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci (dále PřF UP), která připravuje středoškolské učitele fyziky. Zúčastněným pedagogům, z nichž většina studovala učitelskou fyziku právě na PřF UP, byly představeny současné podmínky studia, zejména v kontextu se sníženým zájmem o studium fyziky a popularizační aktivity, které katedra vyvíjí pro zvýšení zájmu o studium. Pedagogům byly představeny možnosti další spolupráce, která by mohla vést k doporučení studovat fyziku v příznivých prostorových, personálních a materiálních podmínkách olomoucké Přírodovědecké fakulty. Několik klíčových dat z dějin olomoucké fyziky V samotných počátcích byla katedra součástí Pedagogické fakulty, na níž byl zřízen v roce 1946 fyzikální ústav. Samostatná katedra fyziky vznikla v roce 1954 a jejím prvním vedoucím se stal prof. dr. Josef Fuka (obr. 1). V roce 1960 vzniklo oddělení katedry teoretické fyziky a astronomie pod vedením prof. dr. Bedřicha Havelky, DrSc. To nastartovalo snahy o korektní pojmenování obou pracovišť, a tak v roce 1960 došlo ke změně názvů na Katedru experimentální fyziky a metodiky fyziky a v roce 1962 vznikla Katedry optiky a jemné mechaniky, vedená prof. dr. Engelbertem Keprtem. Z té doby, na základě vhodného tandemu metodika prof. Fuky a optika prof. Havelky, vznikly vysokoškolské učebnice fyziky, které jsou dodnes doporučovány studentům k přípravě na zkoušky z předmětů v základním kurzu fyziky. V roce 1975 došlo k úpravě struktury fyzikálních kateder tak, že byly ustaveny katedry dvě: Katedra fyziky a didaktiky fyziky a Katedra optiky a jemné me24

chaniky. Od roku 1975 převzal vedení katedry po prof. dr Josefu Fukovi prof. RNDr. Ivan Cabák, CSc. Až do roku 1978 byla katedra jen garantem studia učitelství fyziky. V roce 1978 se stala ještě garantem odborného studia v oboru „biofyzika a chemická fyzika“. V souladu s tím byla v rámci katedry postupně vytvořena dvě oddělení: didaktiky fyziky a didaktické techniky (od r. 1980, jehož vedoucím byl donedávna doc. RNDr. Oldřich Lepil, CSc.) a biofyziky (jež od počátku v r. 1989 vedl do r. 2008 prof. RNDr. Jan Nauš, CSc.).

Obr. 1 Prof. Fuka při oslavě 60. narozenin Novodobá historie po roce 1989 přinesla změnu názvu katedry do současné podoby s vedoucím katedry prof. RNDr. Ing. Jaroslavem Pospíšilem, DrSc. V roce 1992 se katedra stala garantem dalšího oboru studia - aplikované fyziky se zaměřením na přístrojovou fyziku a metrologii. Od roku 1993 byl vedoucím katedry doc. RNDr. Vladislav Kolesnikov, CSc. a od roku 2000 pak katedru vede doc. RNDr. Roman Kubínek, CSc., a to s přestávkou v letech 2006 až 2010, kdy katedru vedl prof. RNDr. Miroslav Mašláň, CSc. Ten vedoucí post „předal“ zpět po svém zvolení rektorem olomoucké univerzity v roce 2010. 25

Mimochodem, je zajímavé, že oba poslední rektoři se rekrutovali z řad členů KEF. Před prof. Mašláněm (obr. 2) byl rektorem prof. RNDr. Lubomír Dvořák, CSc. (obr. 3). Ten byl mimo jiné po dvě období i děkanem Přírodovědecké fakulty a rektorem UP. Je pravděpodobné, že jejich fyzikální specializace a systematické využívání mozku v exaktní vědě přispěly k formování logických závěrů při vedení fakulty i univerzity. V roce 2006 na oddělení didaktiky přestoupila část pedagogů ze zrušené Katedry teoretické fyziky.

Obr. 2 prof. RNDr. Miroslav Mašláň, CSc.

Obr. 3 prof. RNDr. Lubomír Dvořák, CSc.

Sídlo katedry Sídlo katedry experimentální fyziky se několikrát změnilo. Dlouhé roky katedra sídlila na tř. Svobody 26 (dříve Leninova tř., viz obr. 4) v budově, která měla tu úžasnou schopnost, že v zimě „hřála“ a v létě „chladila“. Festovní zdi budovy byly rovněž optimální pro citlivá fyzikální měření. S rostoucím počtem oborů na fakultě vznikala potřeba vybudovat pro fakultu nové sídlo. Řada pracovišť, 26

zejména chemických a matematických, byla dislokována po celém městě. Je paradoxní, že pokud fyzika byla dlouho na jednom místě v centru města, měly problémy s umístěním ostatní obory. Ty se soustředily v roce 2009 do nové budovy na tř. 17. listopadu (obr. 5), ale fyzika skončila na několika místech ve městě. Oddělení biofyziky ve staré budově, pracoviště spadající do oddělení aplikované fyziky se nachází ve výzkumných laboratořích v areálu Holice a konečně oddělení didaktiky se po krátké zastávce v budově bývalých vývojových a laboratoří a dílen UP usadilo v nové budově. Ta svým architektonickým pojetím způsobila rozruch mezi olomouckou veřejností, z níž část budovu zatracovala a část obdivovala. Je třeba říct, že jsme do ní šli především s pocitem konečného vyřešení prostorových problému a pocit hrdosti k této budově byl na druhém místě. „Dětské nemoci“ budovy v podobě zcela nepochopitelných závad, které se projevily po prvním roce užívání, nás však rychle přinutily z optimismu a pýchy vystřízlivět.

Obr. 4 „Stará“ budova Přírodovědecké fakulty

27

Obr. 5 „Nová“ budova Přírodovědecké fakulty Studium fyziky ve třetím tisíciletí Do třetího tisíciletí vstoupila olomoucká fyzika s vědomím, že konkurence vysokých škol, které vzdělávají odborné fyziky i učitele fyziky, narostla. Jako houby po dešti vznikaly mimo jiné soukromé vysoké školy, které lákaly středoškoláky na relativně snadno dosažitelné vzdělání v humanitních oborech, ekonomii, cestovním ruchu, logistice, managementu a dalších oborech s atraktivními názvy. Letmý pohled na histogram na obr. 6 ukazuje, že počet absolventů učitelské fyziky se postupně snižoval. Od roku 2006, kdy končili první absolventi navazujícího magisterského programu fyzika pro učitele, se drží přibližně na počtu 5. Relativně vysoký sloupec u bakalářského studia neučitelských studijních oborů je výrazně zkreslen trvalým zájmem o obor „Optometrie“, pro který může Katedra optiky dokonce konat přijímací zkoušky a vybírat si ze skupiny kvalitnějších uchazečů. Nabídka studijních oborů garantovaných Katedrou experimentální fyziky Vzdělávání učitelů fyziky je nabízeno v kombinaci s matematikou, výpočetní technikou, chemií a biologií. Je však třeba konstatovat, že očekávaná odezva na zařazení atraktivnějších oborů biologie a výpočetní techniky větší zájem 28

o studium nepřinesla. Pouze kombinace s matematikou nabízí kvalifikovanou přípravu učitelů fyziky. Výborná znalost matematiky jim totiž umožní používat nezbytný matematický aparát pro fyziku. Ostatní studenti, kteří si zvolili kombinaci s jinými přírodovědnými předměty, musí matematiku slušně ovládat nebo si její znalosti osvojit v některém z nabízených seminářů matematiky pro fyziky. Na učitelské studium je možné navázat doktorským studiem v oboru „Didaktika fyziky“ (získání vědecké hodnosti Ph.D.), případně vykonáním rigorózního řízení (k získání titulu RNDr.)

Obr. 6 Histogram absolventů fyziky na PřF UP v letech 2001 - 2009 Pro doplnění uveďme, co KEF dále středoškolákům nabízí. Je to například „Biofyzika“, kterou lze studovat v bakalářském, magisterském i doktorském studiu. Stejně je akreditována i „Molekulární biofyzika“ a „Aplikovaná fyzika“. Nejmladším oborem je „Nanotechnologie“, který je nabízen pouze v navazujícím magisterském studiu. V uvedených oborech je možné konat rovněž rigorózní řízení pro získání titulu RNDr.

29

Pro pořádek doplňme, že obor Fyzika nabízí ještě obor „Optika a optoelektronika“, „Obecná fyzika a matematická fyzika“ a „Optimetrie“, které nabízí Katedra optiky, a obor „Přístrojová fyzika“, nabízený Společnou laboratoří UP a FzÚ AV ČR. Stručně si představme jednotlivé obory garantované KEF. Biofyzika a molekulová biofyzika jsou moderní a perspektivní obory využívající špičkových fyzikálních experimentálních a teoretických metod ke studiu procesů v živých systémech. Oddělení biofyziky KEF na PřF UP se zaměřuje na: Stresy rostlin - velká část vědecké činnosti se zaměřuje na zkoumání biofyzikálních procesů probíhajících v rostlinách, fotosyntézu, rostlinnou fyziologii a odezvu rostlin na stres (obr. 7).

Obr. 7 Ilustrační obrázek k tematice „stresy rostlin“ Modelování biofyzikálních procesů - teoretická simulace na základě matematických modelů, popisujících fyzikální podstatu daných procesů. Převážně modelování signálů odrážejících funkci fotosyntézy (obr. 8).

30

Obr. 8 Ilustrační obrázek k „modelování biofyzikálních procesů“ Studium reaktivních forem kyslíku v živých organismech (ROS) pro objasnění mechanismů tvorby radikálových a neradikálových forem ROS v biologických systémech (obr. 9). 31

Obr. 9 Znázornění dějů ve fotosystémech umístěných v tylakoidních membránách chloroplastů Strukturně-funkční vlastnosti nukleových kyselin a proteinů a jejich interakce - předmětem výzkumu jsou modifikace nukleových kyselin (zejména DNA) cytostatiky odvozenými od komplexů přechodných kovů (obr. 10).

Obr. 10 Ilustrační obrázek molekuly DNA interagující s proteinem

32

Lidský hlas a funkce hlasivek - biomechanika a fyziologická akustika lidského hlasu. Studium procesů kmitání hlasivek u osob zdravých a nemocných s cílem zlepšit diagnostiku poruch hlasu (obr. 11).

Obr. 11 Pohled na hlasivkové vazy Obor Aplikovaná fyzika je relativně mladý. První koncepce oboru vznikala na začátku 90. let jako reakce na změněné společenské podmínky a příchod odlišného způsobu řízení a provádění výroby, který klade náročné podmínky jak na vývojové pracovníky, tak na pracovníky přímo ve výrobě. První studenti oboru nastoupili do magisterského studia v roce 1992. V průběhu dalších let se vyvíjel tlak na přizpůsobení studia pro odborníky s nižším stupněm vzdělání, kteří jsou schopni rychleji nastoupit do praxe a nepotřebují exaktní fyzikální vzdělání. Reakcí na tento tlak byl vznik samostatného nenavazujícího bakalářského studia Přístrojová fyzika, které vychází z předmětů oboru Aplikovaná fyzika. Obr. 12 Student oboru aplikovaná fyzika při výměně kapalného helia v supravodivém magnetu Nejmladším oborem na katedře je obor Nanotechnologie. Podmínkou pro přijetí do magisterského studijního oboru Nanotechnologie je absolvování bakalářského studijního oboru přírodovědného či technického zaměření. Obor si klade za cíl vychovávat absolventy s orientací na nanotechnologie, jejich rozvoj 33

a aplikace. Cílem je rovněž vychovávat absolventy se samostatným a tvořivým a interdisciplinárním přístupem k experimentální práci v oborech orientovaných na vývoj a aplikace nanomateriálů, s důrazem na vysokou profesionalitu v interdisciplinárních oborech na rozhraní matematiky, fyziky, chemie, molekulární biologie a informatiky.

Obr. 13 Obrázek nanotrubičky v transmisním elektronovém mikroskopu Katedra disponuje výukovými i výzkumnými laboratořemi. Studenti se dostanou do výzkumných laboratoří, vybavených špičkovou technikou, zejména v souvislosti s výukou odborných předmětů a při řešení bakalářských a diplomových prací. Laboratoře pro učitelství fyziky slouží pro získání základních experimentálních dovedností v klasických oborech fyziky. Jedná se o Laboratoř pro mechaniku, kmity, vlny a akustiku, Laboratoř pro molekulovou fyziku a termodynamiku, Laboratoř elektřiny a elektroniky, Laboratoř optiky, Laboratoř školních pokusů a Laboratoř didaktiky fyziky. Výzkumných laboratoří je velké množství a odkazy na ně může zájemce nalézt na stránkách katedry pod jednotlivými odděleními:

34

Popularizační aktivity a akce katedry pro základní a střední školy (víceletá gymnázia) Univerzita dětského věku. K Univerzitě 3. věku, určené pro seniory, byl v roce 2008 vytvořen ekvivalent, a to originální vzdělávací akce pro děti od 8 do 12 let. Již na tři stovky dětí si vyzkoušely, jak probíhá studium na vysoké škole od imatrikulace až po promoci. Během přednášek účastníci zhlédli řadu atraktivních experimentů. Nechyběla řada atraktivních pokusů, které si mohli účastníci sami vyzkoušet. Tím se Přírodovědecká fakulta snaží hledat další, nové způsoby, jak zlepšit vnímání přírodních věd v očích veřejnosti. Fyzika u toho samozřejmě nemohla chybět a nabídla témata elektřiny, magnetizmu i astronomie. Garantem je vedení PřF UP.

Obr. 14 Záběr na slib u příležitosti imatrikulace dětských studentů Olomoucký fyzikální kaleidoskop je ryze fyzikální akcí. Odborníci z fyzikálních pracovišť Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého uspořádali fyzikální kaleidoskop v roce 2010 již posedmé. Cílem semináře je představit fyziku jako zajímavý i dobrodružný obor a přilákat nové studenty. Pravidelně na 400 zájemců ze strany studentů středních škol se může podívat do výukových i specializovaných laboratoří a vybrat si některé z nabízených populárně vědeckých přednášek. Garantem akce je prof. RNDr. Miloslav Dušek, Ph.D. 35

Obr. 15 Záběr na účastníky OFK Jarmark chemie, fyziky a matematiky je již tradiční akcí, kterou pořádá fakulta ve spolupráci se zainteresovanými katedrami. Nejprve byl jarmark pořádán na podporu předmětů, které mezi studenty nepatří k nejoblíbenějším. Poslední dva z celkem 10 dosavadních ročníků byly již konány jako „přírodovědný jarmark“ a organizovaly jej všechny katedry, garantující 5 základních oborů studovaných na PřF – fyziku, chemii, matematiku, biologii a vědy o zemi.

Obr. 16 Momentka z přírodovědného jarmarku 36

Fyzikální olympiáda. Na pracovišti Katedry experimentální fyziky sídlí krajská komise fyzikální olympiády, kterou garantuje Mgr. Lukáš Richterek, Ph.D. Fermiho problémy. Katedra experimentální fyziky Přírodovědecké fakulty UP v Olomouci vyhlašuje pravidelně soutěž pro žáky a studenty základních a středních škol. Soutěžícími se mohou stát jednotlivci nebo kolektivy, kteří musí vyřešit několik Fermiho úloh. Úlohy pojmenované po italském fyzikovi Enrico Fermim, který byl známý pro svou neobvyklou schopnost jednoduchým a rychlým způsobem řádově odhadnout fyzikální veličiny. Při řešení nejde tedy o přesné vyčíslení výsledků, ale jen o řádově správný odhad s pomocí jednoduchých fyzikálních vztahů, zkušeností z každodenního života a s trochou zdravého rozumu. Výsledky se dají v mnoha případech snadno prověřit a většinou odhad překvapivě dobře souhlasí se skutečnou hodnotou. Soutěž garantuje RNDr. Renata Holubová, CSc. – vedoucí oddělení didaktiky fyziky KEF.

Obr. 17 Soustředění při řešení příkladů fyzikální olympiády Projekt Badatel (Otevřená věda) nabízí středoškolským studentům bezplatnou možnost stát se součástí špičkových vědeckých týmů. Nabízí radost z vědy, přičemž základním kamenem je dobrovolná práce bez formálních omezení. Staví na motivaci, nikoli jen na IQ, předchozích dobrých výsledcích nebo výsledcích nějakého testu. Úspěšným studentům umožňuje prezentovat své vý37

sledky na seminářích, konferencích, v soutěžích nebo časopisech. Důležité je, že projekt umožní navázat nové kontakty a přátelství. Garantem soutěže je pracovník oddělení biofyziky doc. RNDr. Martin Kubala, Ph.D. Blízká budoucnost Přírodovědecká fakulta Univerzity Palackého byla úspěšná ve výběrovém řízení evropských projektů v rámci Operačního programu „Výzkum a vývoj pro inovace“. Z toho vyplývá pro oddělení biofyziky zapojení do Centra regionu Haná pro biotechnologický a zemědělský výzkum, které bude vybudováno v lokalitě Holice v ulici Šlechtitelů. Jedním z cílů tohoto projektu je integrace a podpora vzdělávání, vědy a výzkumu, vybudování výzkumné infrastruktury v oblasti biotechnologií a vytvoření pracovních míst a rozvoje lidských zdrojů. Podobný význam má Regionální centrum pokročilých technologií a materiálů, budované rovněž v Holici, které má podpořit odborníky v aplikovaném fyzikálním, optickém a chemickém výzkumu.

Obr. 18 Pohled na architektonickou studii modernizovaného areálu v Holici

38

Výsledky českých žáků ve výzkumu TIMSS 2007

DANA MANDÍKOVÁ Katedra didaktiky fyziky MFF UK, V Holešovičkách 2, Praha 8 [email protected]

1 Charakteristika výzkumu TIMSS TIMSS (zkratka pro Trends in International Mathematics and Science Study) je mezinárodním výzkumem matematického a přírodovědného vzdělávání. Výzkum TIMSS je zaměřen na školní vědomosti a dovednosti rozvíjené ve výuce a vychází z učebních osnov matematiky a přírodovědných předmětů zúčastněných zemí. Vědomosti a dovednosti se zjišťují pomocí písemných testů, které obsahují úlohy z matematiky a přírodních věd. Součástí výzkumu je i dotazníkové šetření mezi ţáky, učiteli matematiky a přírodovědných předmětů a řediteli škol. Otázky se týkají např. postojů ţáků, metod výuky, školního prostředí. Výzkum je zaměřen na věkové kategorie devítiletých a třináctiletých ţáků a na ţáky v posledních ročnících středních škol. Probíhá ve čtyřletých cyklech od roku 1995. Česká republika se do něj zapojila v letech 1995, 1999 a 2007. V roce 1995 byly testovány všechny věkové kategorie, v roce 1999 jen třináctiletí ţáci, v roce 2007 pak devítiletí a třináctiletí ţáci. V České republice se výzkumu v roce 2007 účastnili ţáci 4. a 8. ročníku základních škol a odpovídajících ročníků víceletých gymnázií. Celkem to bylo více neţ 9000 ţáků z 291 škol a více neţ 1 300 jejich učitelů.

39

2 Koncepce výzkumu a prezentace výsledků Výsledky ţáků jsou v matematice i přírodních vědách hodnoceny ze dvou pohledů, označovaných jako obsah a operace. Obsah je vymezen učivem, jehoţ zvládnutí je testováno. Operace jsou vymezeny dovednostmi, které mají ţáci při práci s učivem prokázat. Ve výzkumu TIMSS 2007 byly sledovány oblasti učiva uvedené v tabulce 1. Tabulka 1 Oblasti učiva Matematika 4. ročník čísla geometrické tvary a měření znázornění dat

8. ročník čísla algebra

geometrie data a pravděpodobnost i učiva sledované ve výzkumu TIMSS 2007

Přírodní vědy 4. ročník nauka o ţivé přírodě nauka o neţivé přírodě nauka o Zemi

8. ročník biologie chemie fyzika vědy o Zemi

Dovednosti sledované ve výzkumu TIMSS 2007 byly následující:  prokazování znalostí  pouţívání znalostí (aplikace)  uvaţování Úlohy pouţívané ve výzkumu TIMSS lze tedy třídit podle obsahové a operační sloţky. Další dělení úloh je podle typu odpovědi, a to na úlohy s výběrem odpovědi a na úlohy s otevřenou odpovědí. Výsledky zemí jsou ve výzkumu TIMSS prezentovány dvěma způsoby. Prvním je prezentace pomocí skórů (počtu bodů), které vyjadřují úspěšnost ţáků na škálách výsledků. Pro matematiku a pro přírodní vědy byly v obou ročnících vytvořeny jednak škály celkové, jednak škály dílčí pro jednotlivé oblasti učiva a dovednosti. Škály byly vytvořeny tak, aby umoţňovaly srovnávat výsledky ţáků v průběhu času. 40

Základem druhého způsobu prezentace výsledků ţáků jsou čtyři vědomostní úrovně. Kaţdá úroveň je určena minimálním počtem bodů, kterého musí ţák dosáhnout. Výsledky zemí jsou pak vyjádřeny procentuálním zastoupením jejich ţáků na jednotlivých vědomostních úrovních.

3 Celkové výsledky a jejich vývoj V roce 2007 i v roce 1995 byli v České republice testováni ţáci 4. a 8. ročníku, v roce 1999 ţáci 8. ročníku. Dají se proto sledovat změny ve výsledcích ţáků těchto dvou populací v průběhu dvanácti let. 3.1 Matematika 4. ročník Výsledek českých ţáků 4. ročníku v matematice byl podprůměrný. Čeští ţáci zaostali za ţáky sousedních států i za ţáky ostatních členských zemí EU, které se do výzkumu zapojily. Průměrný výsledek jednotlivých zemí je uveden v tabulce 2. Česká republika patřila k zemím, jejichţ ţáci 4. ročníku se od roku 1995 v matematice statisticky významně zhoršili. Toto zhoršení bylo největší ze všech evropských zemí a členských zemí OECD, které se do výzkumu v obou letech zapojily (viz tabulka 3). Nejniţší vědomostní úrovně nedosáhlo v České republice 12 % ţáků 4. ročníku. Tito ţáci budou mít pravděpodobně problémy v dalším vzdělávání, zejména v matematice. Od roku 1995 došlo rovněţ k poklesu počtu výborných ţáků na 3. a 4. vědomostní úrovni. Pokles byl největší ze zemí zapojených do obou šetření. Čeští chlapci byli v matematice poněkud lepší neţ dívky, rozdíl ale nebyl nijak výrazný a od roku 1995 se nezměnil.

41

Tabulka 2 Průměrný výsledek jednotlivých zemí (TIMSS 2007 – matematika 4. ročník) Země Hongkong Singapur Tchaj-wan Japonsko Kazachstán

Průměr 60 5 9 576 568 549

▲ ▲ ▲ ▲ ▲

Rusko

544

▲

Anglie Lotyšsko Nizozemsko Litva USA Německo Dánsko Austrálie Maďarsko Itálie Rakousko Švédsko

541 537 535 530 529 525 523 516 510 507 505 503

▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲

Země Slovinsko Arménie Slovensko Skotsko Nový Zéland Česká republika Norsko Ukrajina Gruzie Írán Alţírsko Kolumbie Maroko Salvador Tunisko Kuvajt Katar Jemen

Průměr

Průměr škály TIMSS je 500. Průměrný výsledek země ▲ je statisticky významně lepší neţ výsledek ČR ■ není statisticky významně rozdílný od výsledku ČR ▼ je statisticky významně horší neţ výsledek ČR je statisticky významně lepší neţ průměr škály TIMSS není statisticky významně rozdílný od průměru škály TIMSS je statisticky významně horší neţ průměr škály TIMSS

42

Průměr 502 500 496 494 492

▲ ▲ ■ ▲ ■

486 473 469 438 402 378 355 341 330 327 316 296 224

▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼

Tabulka 3 Porovnání výsledků r. 2007 a 1995 v evropských zemích a v zemích OECD (TIMSS 2007 – matematika, 4. ročník) Země jsou řazeny sestupně podle rozdílu ve výsledcích r. 2007 a 1995.

Země Anglie Slovinsko Lotyšsko Nový Zéland Austrálie USA Japonsko Skotsko Norsko Maďarsko Nizozemsko Rakousko Česká rep.

Průměrný výsledek 2007 1995 541 484 502 462 537 499 492 469 516 529 568 494 473 510 535 505 486

495 518 567 493 476 521 549 531 541

Rozdíl

57 40 38 23

▲ ▲ ▲ ▲

22 11 1 1 -3 -12 -14 25 -54

▲ ▲ ■ ■ ■ ▼ ▼ ▼ ▼

▲ Výsledek v roce 2007 je statisticky významně lepší neţ v roce 1995 ■ Výsledek v roce 2007 se statisticky významně neliší oproti roku 1995 ▼ Výsledek v roce 2007 je statisticky významně horší neţ v roce 1995

43

Výsledky na dílčích škálách Česká republika patřila mezi dvanáct zemí, které měly ve všech třech oblastech učiva výsledek podprůměrný. Nejhorší výsledky prokázali čeští ţáci při řešení úloh z oblasti čísel. V této oblasti byli čeští chlapci úspěšnější neţ dívky, v obou zbývajících oblastech (geometrické tvary a měření; znázornění dat) byly jejich výsledky srovnatelné, podobně jako ve většině evropských zemí. Čeští ţáci byli průměrní při pouţívání znalostí, ale při jejich prokazování a v uvaţování byli podprůměrní, v oblasti prokazování znalostí si přitom vedli nejhůře. V pouţívání znalostí byli čeští chlapci úspěšnější neţ dívky, jinak byly výsledky chlapců a dívek srovnatelné.

3.2 Matematika 8. ročník V 8. ročníku dosáhli ţáci České republiky průměrného výsledku. Z evropských zemí měli lepší výsledek jen ţáci z Maďarska. Průměrný výsledek jednotlivých zemí je uveden v tabulce 4. Od roku 1995 se výsledky českých ţáků 8. ročníku v matematice výrazně zhoršily (viz tabulka 5). Toto zhoršení (o 42 bodů) bylo třetí největší ze všech evropských zemí a členských zemí OECD, které se do výzkumu v obou letech zapojily. Do roku 1999 přitom klesl výsledek českých ţáků nejvíce ze všech zúčastněných zemí (o 26 bodů). Nejniţší vědomostní úrovně nedosáhlo v České republice 8 % ţáků 8. ročníku. Od roku 1995 došlo také k poklesu počtu výborných ţáků na 3. a 4. vědomostní úrovni. Ze zemí zapojených do obou šetření byl tento pokles druhý největší po Švédsku. Výsledky českých chlapců a dívek se téměř nelišily. V roce 1999 sice Česká republika patřila k zemím s největším rozdílem ve prospěch chlapců, od té doby se však jejich výsledek zhoršil mnohem více neţ výsledek dívek.

44

Tabulka 4 Průměrný výsledek jednotlivých zemí (TIMSS 2007 – matematika, 8. ročník) Země Průměr Tchaj-wan 598 ▲ Ukrajina Korejská republika 597 ▲ Rumunsko Singapur 593 ▲ Bosna a Hercegovina Hongkong 572 ▲ Libanon Japonsko 570 ▲ Tunisko Maďarsko 517 ▲ Gruzie Anglie 513 ■ Írán Rusko 512 ■ Bahrajn USA 508 ■ Indonésie Litva 506 ■ Sýrie Egypt Česká republika 504 Slovinsko 501 ■ Alţírsko Arménie 499 ■ Maroko Austrálie 496 ■ Kolumbie Švédsko 491 ▼ Omán Malta 488 ▼ Palestina Skotsko 487 ▼ Botswana Srbsko 486 ▼ Kuvajt Itálie 480 ▼ Salvador Malajsie 474 ▼ Saúdská Arábie Norsko 469 ▼ Ghana Kypr 465 ▼ Katar Bulharsko 464 ▼ Izrael 463 ▼ Průměr Průměr škály TIMSS je 500. Průměrný výsledek země ▲ je statisticky významně lepší neţ výsledek ČR ■ není statisticky významně rozdílný od výsledku ČR ▼ je statisticky významně horší neţ výsledek ČR je statisticky významně lepší neţ průměr škály TIMSS není statisticky významně rozdílný od průměru škály TIMSS je statisticky významně horší neţ průměr škály TIMSS

45

462 461 456 449 420 410 403 398 397 395 391 387 381 380 372 367 364 354 340 329 309 307

▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼

Tabulka 5 Vývoj výsledků v letech 1995, 1999 a 2007 (matematika, 8. ročník) Rok 1995

Rok 1999

Rok 2007 Korejská republika Singapur Hongkong Japonsko Maďarsko Anglie Rusko USA Litva Česká republika Kypr Bulharsko Rumunsko Írán

Singapur Korejská republika Japonsko Hongkong Česká republika Maďarsko Bulharsko Rusko Anglie US Rumunsko Litva Kypr Írán

609 581 581 569 546 527 527 524 498 492 474 472 468 418

Singapur Korejská republika Hongkong Japonsko Maďarsko Rusko Česká republika Bulharsko USA Anglie Litva Kypr Rumunsko Írán

604 587 582 579 532 526 520 511 502 496 482 476 472 422

Průměr

520

Průměr

521 Průměr

Průměrný výsledek země ▲ je statisticky významně lepší neţ výsledek ČR ■ není statisticky významně rozdílný od výsledku ČR ▼ je statisticky významně horší neţ výsledek ČR je statisticky významně lepší neţ průměr škály TIMSS není statisticky významně rozdílný od průměru škály TIMSS je statisticky významně horší neţ průměr škály TIMSS

46

597 593 572 570 517 513 512 508 506 504 465 464 461 403 513

Výsledky na dílčích škálách Čeští ţáci byli nadprůměrní v aritmetice a v oblasti data a pravděpodobnost, průměrní při řešení geometrických úloh a podprůměrní v algebře. Podobně jako ve většině evropských zemí byli čeští chlapci lepší neţ dívky v aritmetice a dívky naopak v algebře. V porovnání s výsledky z roku 1999 (viz graf 1) se čeští ţáci 8. ročníku výrazně zhoršili v algebře (o 30 bodů) a v geometrii (o 15 bodů). Čeští chlapci se zhoršili ve všech čtyřech oblastech učiva, dívky v algebře a geometrii. Ve všech třech oblastech dovedností byl výsledek českých ţáků přibliţně stejný a odpovídal hodnotě mezinárodního průměru. Dívky byly lepší v prokazování znalostí a v uvaţování, chlapci naopak dokázali znalosti lépe aplikovat. Graf 1 Oblasti učiva, vývoj v čase – matematika, 8. ročník 520 510 500 1999 2007

490 480 470 460 Čísla

Algebra

Geometrie

Data

Výsledky žáků základních škol a víceletých gymnázií Stejně jako v roce 1999 byly v matematice velké rozdíly ve výsledcích ţáků základních škol a víceletých gymnázií (viz graf 2). Výsledky ţáků víceletých gymnázií v matematice se od roku 1999 výrazněji nezměnily. U ţáků základních škol došlo ke zhoršení, zejména v algebře a geometrii. Na základních školách se významně zhoršili chlapci, výsledky dívek zůstaly téměř stejné.

47

Graf 2 Výsledek podle typu školy - matematika 630 610 590 570 550 530 510 490 470 450 Základní školy

Víceletá gymnázia

1999

2007

3.3 Přírodní vědy 4. ročník Výsledek českých ţáků 4. ročníku v přírodních vědách byl na rozdíl od matematiky nadprůměrný. Ţáci většiny zúčastněných evropských zemí (včetně sousedních) přesto dosáhli lepších výsledků. Průměrný výsledek jednotlivých zemí je uveden v tabulce 6. Od roku 1995 došlo k významnému zhoršení výsledků devítiletých ţáků v přírodních vědách v pěti zemích. Patří mezi ně i Česká republika, kde byl zjištěn druhý nejvyšší pokles v celkovém výsledku po Norsku (viz tabulku 7). Vysokou míru osvojení přírodovědného učiva (třetí a čtvrtá vědomostní úroveň) prokázala přibliţně jedna třetina českých ţáků 4. ročníku. Nejniţší úrovně nedosáhlo 7 % českých ţáků. Od roku 1995 do roku 2007 se zastoupení českých ţáků 4. ročníku na dvou nejvyšších úrovních významně zmenšilo, jednalo se o třetí největší pokles v zemích, které se výzkumu zúčastnily v obou letech. Přestoţe se od roku 1995 výsledek českých chlapců zhoršil více neţ výsledek dívek (o 22 bodů oproti 12), měli chlapci v roce 2007 lepší výsledek neţ dívky. Česká republika patřila v přírodních vědách stejně jako v matematice k zemím s menším rozdílem ve výsledcích dobrých a slabých ţáků.

48

Tabulka 6 Průměrný výsledek jednotlivých zemí (TIMSS 2007 – přírodní vědy, 4. ročník) Země Průměr Singapur 587 ▲ Česká republika Tchaj-wan 557 ▲ Litva Hongkong 554 ▲ Nový Zéland Japonsko 548 ▲ Skotsko Rusko 546 ▲ Arménie Lotyšsko 542 ▲ Norsko Anglie 542 ▲ Ukrajina USA 539 ▲ Írán Maďarsko 536 ▲ Gruzie Itálie 535 ▲ Kolumbie Kazachstán 533 ▲ Salvador Německo 528 ▲ Alţírsko Austrálie 527 ▲ Kuvajt Slovensko 526 ■ Tunisko Rakousko 526 ▲ Maroko Švédsko 525 ▲ Katar Nizozemsko 523 ▲ Jemen Slovinsko 518 ■ Dánsko 517 ■ Průměr Průměr škály TIMSS je 500.

515 514 504 500 484 477 474 436 418 400 390 354 348 318 297 294 197

Průměrný výsledek země ▲ je statisticky významně lepší neţ výsledek ČR ■ není statisticky významně rozdílný od výsledku ČR ▼ je statisticky významně horší neţ výsledek ČR je statisticky významně lepší neţ průměr škály TIMSS není statisticky významně rozdílný od průměru škály TIMSS je statisticky významně horší neţ průměr škály TIMSS

ě Průměr 49

■ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼

Tabulka 7 Porovnání výsledků r. 2007 a 1995 v evropských zemích a v zemích OECD (TIMSS 2007 – přírodní vědy, 4. ročník) Země jsou řazeny sestupně podle rozdílu ve výsledcích r. 2007 a 1995. Země Lotyšsko Slovinsko Maďarsko Anglie Austrálie Nový Zéland USA Japonsko Nizozemsko Rakousko Skotsko Česká republika Norsko

Průměrný výsledek 2007 1995 542 486 518 464 536 508 542 528 527 521 504 505 539 542 548 553 523 530 526 538 500 514 515 532 477 504

rozdíl 56 54 28 14 6 -1 -3 -5 -7 12 -14 -7 -27

▲ ▲ ▲ ▲ ■ ■ ■ ▼ ■ ▼ ▼ ▼ ▼

▲ Výsledek v roce 2007 je statisticky významně lepší neţ v roce 1995 ■ Výsledek v roce 2007 se statisticky významně neliší oproti roku 1995 ▼ Výsledek v roce 2007 je statisticky významně horší neţ v roce 1995

50

Výsledky na dílčích škálách Celkem v devatenácti ze všech zúčastněných zemí prokázali devítiletí ţáci nadprůměrný výsledek na všech šesti dílčích škálách. Z toho jich bylo dvanáct v Evropě a patří mezi ně také Česká republika. Čeští devítiletí ţáci si poradili relativně lépe s úlohami o ţivé přírodě a o Zemi neţ s úlohami o neţivé přírodě (viz graf 3). Lepší byli téţ v prokazování znalostí neţ v jejich pouţívání a v uvaţování (viz graf 4). Čeští chlapci byli úspěšnější neţ dívky při řešení úloh z oblasti nauky o Zemi, lepší byli také při prokazování a pouţívání znalostí. Dívky naopak lépe obstály v uvaţování. Graf 3 Oblasti učiva – přírodověda, 4. ročník 522 520 518 516 514 512 510 508 506 Nauka o živé přírodě

Nauka o Nauka o Zemi neživé přírodě

Graf 4 Dovednosti – přírodověda, 4. ročník 522 520 518 516 514 512 510 508 506 Znalosti

Aplikace

51

Uvažování

3.4 Přírodní vědy 8. ročník Čeští ţáci 8. ročníku dosáhli v přírodních vědách nadprůměrného výsledku. Významně lepší výsledek měli pouze ţáci ze Singapuru, Tchaj-wanu, Japonska a Korejské republiky. Průměrný výsledek jednotlivých zemí je uveden v tabulce 8. Od roku 1995 do roku 1999 došlo v České republice k druhému největšímu poklesu výsledků. Od roku 1999 do roku 2007 jiţ k dalšímu zhoršení nedošlo (viz tabulku 9). V České republice bylo v 8. ročníku na dvou nejvyšších vědomostních úrovních více neţ 40 % ţáků, coţ ji řadí mezi nejúspěšnější evropské země. V 8. ročníku navíc patřila Česká republika k zemím s nejmenším zastoupením ţáků (3 %), kteří nedosáhli ani nejniţší úrovně. Od roku 1995 do roku 2007 se zastoupení českých ţáků 8. ročníku na dvou nejvyšších úrovních významně zmenšilo. Pokles byl třetí největší po Švédsku a po Norsku v zemích, které se výzkumu zúčastnily v obou letech. K této změně došlo zejména v období od roku 1995 do roku 1999, od té doby se zastoupení českých ţáků na dvou nejvyšších úrovních jiţ téměř nezměnilo. Výsledek českých chlapců v roce 2007 byl lepší neţ výsledek dívek. Přesto šlo o menší rozdíl neţ v letech 1995 a 1999. Výsledky chlapců a dívek se totiţ zhoršily od roku 1995 do roku 1999 zhruba stejně, po roce 1999 se dále zhoršili jen chlapci, zatímco dívky se zlepšily. Rozdíl ve výsledcích obou pohlaví se tak sníţil. Rozdíly mezi dobrými a slabými ţáky v České republice byly v mezinárodním srovnání malé.

52

Tabulka 8 Průměrný výsledek jednotlivých zemí (TIMSS 2007 - přírodní vědy, 8. ročník) Země Průměr Singapur 567 ▲ Bahrajn 467 ▼ Tchaj-wan 561 ▲ Bosna a Herc. 466 ▼ Japonsko 554 ▲ Rumunsko 462 ▼ Korejská republika 553 ▲ Írán 459 ▼ Anglie 542 ■ Malta 457 ▼ Maďarsko 539 ■ Turecko 454 ▼ Sýrie 452 ▼ Česká republika 539 Slovinsko 538 ■ Kypr 452 ▼ Hongkong 530 ■ Tunisko 445 ▼ Rusko 530 ▼ Indonésie 427 ▼ USA 520 ▼ Omán 423 ▼ Litva 519 ▼ Gruzie 421 ▼ Austrálie 515 ▼ Kuvajt 418 ▼ Švédsko 511 ▼ Kolumbie 417 ▼ Skotsko 496 ▼ Libanon 414 ▼ Itálie 495 ▼ Egypt 408 ▼ Arménie 488 ▼ Alţírsko 408 ▼ Norsko 487 ▼ Palestina 404 ▼ Ukrajina 485 ▼ Saúdská Arábie 403 ▼ Jordánsko 482 ▼ Maroko 402 ▼ Malajsie 471 ▼ Salvador 387 ▼ Thajsko 471 ▼ Botswana 355 ▼ Srbsko 470 ▼ Katar 319 ▼ Bulharsko 470 ▼ Ghana 303 ▼ Izrael 468 ▼ Průměr škály TIMSS je 500. Průměrný výsledek země ▲ je statisticky významně lepší neţ výsledek ČR ■ není statisticky významně rozdílný od výsledku ČR ▼ je statisticky významně horší neţ výsledek ČR je statisticky významně lepší než průměr škály TIMSS není statisticky významně rozdílný od průměru škály TIMSS je statisticky významně horší než průměr škály TIMSS

53

Tabulka 9 Vývoj výsledků v letech 1995, 1999 a 2007 (přírodní vědy, 8. ročník) Rok 1995 Singapur Česká republika

580

Rok 1999 Singapur

568

555

Maďarsko

552

Rok 2007 Singapur

567

554

Japonsko

550

Japonsko Korejská republika

Korejská republika

546

Korejská republika

549

Anglie

541

Maďarsko Anglie Rusko USA Hongkong Rumunsko Litva Írán Kypr

537 533 523 513 510 471 464 463 452

Česká republika Anglie Hongkong Rusko USA Litva Rumunsko Kypr Írán

539 538 530 529 515 488 472 460 448

Česká republika Maďarsko Hongkong Rusko USA Litva Rumunsko Írán Kypr

539 539 530 530 520 519 462 459 452

Průměr

518

Průměr

520

Japonsko

Průměr

515

statisticky významně lepší výsledek než průměr zemí výsledek není statisticky významně rozdílný od průměru zemí statisticky významně horší výsledek než průměr zemí

54

554 553

Výsledky na dílčích škálách Česká republika měla spolu s dalšími devíti zeměmi nadprůměrný výsledek ve všech oblastech učiva i ve všech oblastech dovedností. Výsledky českých ţáků v jednotlivých oblastech se příliš nelišily. Srovnání výsledků v jednotlivých oblastech v roce 1999 a 2007 je v grafu 5. Čeští chlapci měli lepší výsledky neţ dívky ve fyzice a v zeměpisu. Úspěšnější byli také v prokazování znalostí a v jejich pouţívání. V ostatních oblastech byly výsledky chlapců a dívek stejné. Od roku 1999 se české dívky zlepšily ve všech oblastech učiva kromě biologie. Graf 5 Oblasti učiva, vývoj v čase – přírodní vědy, 8. ročník 545 540 535 530 525 520 515 510 505 500

1999 2007

Fyzika

Chemie

Biologie

Zeměpis

Výsledky žáků základních škol a víceletých gymnázií Podobně jako v matematice byly i v přírodních vědách velké rozdíly ve výsledcích ţáků základních škol a víceletých gymnázií (viz graf 6). Od roku 1999 se přitom výsledky obou skupin ţáků v přírodních vědách celkově výrazněji nezměnily. Ţáci základních škol se zhoršili v biologii a zlepšili se stejně jako gymnazisté v chemii. Na základních školách se podobně jako v matematice významně zhoršili chlapci, výsledky dívek zůstaly téměř stejné.

55

Graf 6 Výsledek podle typu školy – přírodní vědy

56

4 Výsledky ve fyzikálních úlohách Čeští ţáci 8. ročníku dosáhli ve fyzice průměrné úspěšnosti 50,4 %, coţ byl výsledek srovnatelný s ostatními oblastmi. Průměrná úspěšnost v ostatních zemích byla významně niţší, a to 38,1 %. Významně lepšího výsledku dosáhly čtyři země – Singapur, Korea, Japonsko a Tchaj-wan, srovnatelného výsledku pak ještě Anglie, Maďarsko a Hongkong (viz tabulka 10). Výsledek ostatních zemí byl významně horší. Od roku 1995 do roku 1999 se výsledek českých ţáků v úlohách z fyziky statisticky významně zhoršil. Od roku 1999 do roku 2007 se čeští ţáci mírně zlepšili, přičemţ zlepšení bylo výraznější u dívek. Fyzikální úlohy spadaly do šesti tematických celků. Nejniţší úspěšnost byla v úlohách z elektřiny a magnetismu. Rozdíly výsledků mezi tématy však nejsou významné. Průměrnou úspěšnost českých ţáků i ţáků ostatních zemí zachycuje graf 71. V pěti tématech byli lepší čeští chlapci neţ dívky, nejvíce v úlohách týkajících se světla. Naopak dívky byly lepší v úlohách týkajících se zvuku. Tabulka 10 Výsledky ve fyzice Země Singapur Korea Japonsko Tchaj-wan Anglie Maďarsko Česká republika Hongkong Slovinsko Rusko

Průměr 575 571 558 554 545 541 537 528 524 519

▲ ▲ ▲ ▲ ● ● ● ▼ ▼

▲ – výsledek významně lepší neţ ČR ● – výsledek se významně neliší od ČR ▼ – výsledek významně horší neţ ČR 1

Graf zpracován na základě dat poskytnutých ÚIV. 57

Graf 7 Průměrná úspěšnost podle tématu – fyzika, 8. ročník

Úloh z fyziky bylo celkem 51. Tři z těchto úloh byly tvořeny dvěma samostatnými otázkami a u jedné úlohy bylo pět podotázek. Celkem bylo tedy hodnoceno 58 otázek. Texty uvolněných úloh spolu s výsledky českých ţáků i mezinárodními průměry a podrobnými komentáři lze nalézt v publikaci Tomášek, V. a kol.: Výzkum TIMSS 2007. Úlohy z přírodních věd pro 8. ročník. ÚIV, Praha 2009. (Dostupné na http://www.uiv.cz/soubor/4022.) 4.1 Srovnání s mezinárodním průměrem Výsledku horšího neţ mezinárodní průměr dosáhli čeští ţáci v 7 otázkách z 58, rozdíl byl přitom významný jen u 4 z nich. Největší rozdíl, 14,9 %, byl u níţe uvedené úlohy týkající se elektromagnetu. Příklad 1: Úloha nejhůře řešená oproti mezinárodnímu průměru.

58

Obrázek ukazuje železný hřebík, kolem kterého je omotaný izolovaný drát. Drát je připojen k baterii. Co se s hřebíkem stane, bude-li drátem procházet proud? A) Hřebík se roztaví. B) Hřebíkem bude procházet elektrický proud. C) Hřebík se stane magnetem. D) S hřebíkem se nestane nic. Tabulka 11 Zastoupení odpovědí Výzkum v roce / populace 2007 / 8. ročník ČR [%] 2007 / 8. ročník mezinárodní [%]

A 1,6 3,0

B 44,2 40,3

C 22,0 36,9

D 31,2 18,4

Ost. 1,0 1,4

Naopak o více neţ 20 % nad mezinárodním průměrem byli čeští ţáci v 17 otázkách. Největší rozdíl, 45,0 % ve prospěch českých ţáků, byl v úloze, kde bylo třeba určit, který předmět se pouţívá jako páka. Z uvolněných úloh byla oproti mezinárodnímu průměru nejlépe řešena (o 26,3 %) úloha na zakreslení hladiny vody v nakloněné nádobě. Příklad 2 Uvolněná úloha nejlépe řešená oproti mezinárodnímu průměru. Otevřená trubice ve tvaru písmene U je naplněná vodou tak, jak ukazuje obrázek.

Nádobu nakloníme tak, že z jedné strany právě začíná odkapávat voda. Do následujícího obrázku znázorni, kde je nyní hladina vody.

59

Tabulka 12 Průměrná úspěšnost Výzkum v roce / populace

průměr

dívky

1999 / 8. ročník ČR [%]

58,4

48,4

69,1

1999 / 8. ročník mezinárodní [%]

43,9

37,2

50,7

2007 / 8. ročník ČR [%]

60,5

53,1

68,4


34,2

30,1

38,4

chlapci

4.2 Nejhůře řešené úlohy v absolutních hodnotách Úspěšnosti horší neţ 50 % dosáhli čeští ţáci v 25 otázkách, pod 25 % to pak bylo 7 otázek. K nejhůře řešeným úlohám patřily níţe uvedené úlohy na paralelní zapojení spotřebičů (Příklad 3), páku (Příklad 4) a jiţ zmiňovaná úloha na elektromagnet (Příklad 1). Pět ze sedmi úloh s nejslabším výsledkem bylo na aplikaci znalostí, po jedné pak na uvaţování a prokazování znalosti. Šest z těchto úloh bylo s tvorbou odpovědi a jedna s výběrem odpovědi. Příklad 3: Úloha s nízkou úspěšností řešení V domácnostech jsou spotřebiče do elektrických obvodů zapojovány vedle sebe (paralelně), a nikoli za sebou (sériově). Jakou výhodu má zapojení vedle sebe? Tabulka 13 Průměrná úspěšnost Výzkum v roce / populace

průměr

dívky

chlapci

2007 / 8. ročník ČR [%]

16,1

13,6

18,6


17,5

17,6

17,4

Příklad 4 Úloha s nízkou úspěšností řešení Petr a Zuzka se učili o Cheopsově pyramidě objevené v Egyptě. Zajímalo je, jak byli tehdejší Egypťané schopni zvedat kamenné kvádry při stavbě pyramidy. Hledali na internetu a našli následující obrázek. 60

Petr si nebyl jistý, zda obrázek správně pochopil. Zuzka mu tedy nakreslila následující obrázek, aby lépe pochopil, jak byly kameny zvedány.

A. Části egyptské páky přiřaďte k částem páky na Zuzčině obrázku. První řádek je již hotový. Zuzčin obrázek

Egyptská páka

síla

otroci táhnou směrem dolů

břemeno osa rameno páky

61


průměr

dívky

chlapci

2007 / 8. ročník ČR [%]

20,6

20,0

21,0


19,1

18,9

19,2

B. Petr a Zuzka se dočetli, že šest mužů dokázalo dohromady uzvednout kámen o tíze 30 000 newtonů. Každý muž tedy musel být schopen zvednout jednu šestinu této tíhy (5 000 newtonů). Petr a Zuzka se rozhodli vypočítat, jakou silou musel každý muž působit na dřevěnou kládu. Na dalším obrázku vidíš, jak Petr dokreslil do Zuzčina obrázku délku ramen páky.

V učebnici si našel vzorec, který pro tuto páku platí:

Jakou sílu musel každý muž vynaložit, aby zvedl kvádr? ______________ newtonů

62


průměr

dívky

chlapci

2007 / 8. ročník ČR [%]

12,9

11,2

14,5


12,4

12,1

12,6

63

5 Obliba matematiky a přírodních věd 5.1 Obliba ve 4. ročníku Aby bylo moţné sledovat postoje ţáků k jednotlivým předmětům, byl ve výzkumu TIMSS na základě odpovědí ţáků v dotaznících zkonstruován tzv. index kladného vztahu žáků k matematice a index kladného vztahu k přírodovědě. Česká republika se zařadila mezi země s nejniţší hodnotou indexu v matematice i v přírodovědě. Zhoršení vztahu ţáků k matematice bylo zjištěno ve všech evropských zemích, které se do výzkumu zapojily v roce 1995 i 2007. K největšímu zhoršení vztahu ţáků k oběma předmětům došlo v Anglii, v České republice a ve Slovinsku. V tabulce 16 jsou uvedena procenta ţáků, kteří uváděli daný stupeň obliby matematiky a přírodovědy pro rok 1995 a 2007. Tabulka 16 Obliba matematiky a přírodovědy – 4. ročník Matematiku/ Přírodovědu mám …. Matematika Přírodověda

Stupeň oblíbenosti (ţáci v %) Velmi Rád(a) Nerad(a) rád(a) 1995 2007 1995 2007 1995 2007 36 47 48 25 13 13 37 48 46 24 12 14

Velmi nerad(a) 1995 2007 4 15 5 14

5.2 Obliba v 8. ročníku Také pro 8. ročník byl zkonstruován index kladného vztahu žáka k matematice a indexy kladného vztahu k přírodovědným předmětům. Česká republika se zařadila mezi země s nízkou hodnotou indexu v matematice, ve fyzice a v zeměpisu. Ve všech zúčastněných evropských zemích s výjimkou Ruska došlo v roce 2007 k významnému zhoršení vztahu ţáků k matematice a fyzice ve srovnání s lety 1995 a 1999. V České republice se však průměrná hodnota indexu od roku 1999 výrazně sníţila ve všech sledovaných předmětech kromě chemie. Nejoblíbenějším přírodovědným předmětem zůstala biologie.

64

Po mírném nárůstu obliby matematiky a přírodovědných předmětů, který byl zaznamenán v roce 1999, došlo v roce 2007 k jejímu opětovnému poklesu (viz graf 8). Největší pokles byl přitom zaznamenán u matematiky, fyziky a zeměpisu, jejichţ obliba je v průměru ještě menší neţ v roce 1995. Graf 8 Průměrná obliba předmětů v ČR v letech 1995, 1999, 2007 – 8. ročník

Zastoupení ţáků, kteří daný předmět mají „velmi rádi“ (viz graf 9), se sice poněkud zvýšilo, ale podstatně více vzrostlo zastoupení ţáků, kteří daný předmět mají „velmi neradi“ (viz graf 10). Pro všechny sledované předměty platí, ţe ţáci, kteří mají lepší vztah k předmětu a mají ho raději, dosahují lepšího výsledku. Graf 9 Podíl ţáků, kteří měli předměty „velmi rádi“ v letech 1995, 1999, 2007 – 8. ročník

65

Graf 10 Podíl ţáků, kteří měli předměty „velmi neradi“ v letech 1995, 1999, 2007 – 8. ročník

66

6 Závěr Čeští ţáci 4. i 8. ročníku dosáhli v roce 1995 velmi dobrých výsledků. V přírodních vědách i v matematice patřili mezi nejúspěšnější. Šetření TIMSS 1999 zachytilo zhoršení výsledků českých ţáků 8. ročníku, které je připisováno změnám spojeným s rozloţením učiva do delšího časového období a s přesunem některých tematických celků do vyšších ročníků, k němuţ došlo v důsledku prodlouţení délky výuky na základních školách z osmi na devět let ve školním roce 1995/96. V roce 2007 byl výsledek českých ţáků 4. ročníku v matematice podprůměrný a výsledek ţáků 8. ročníků průměrný. V obou ročnících došlo k významnému zhoršení oproti roku 1995. Ţáci 8. ročníku se zhoršili i vzhledem k výsledku v roce 1999. Došlo také celkově k poklesu obliby matematiky, a to u obou ročníků. V přírodních vědách si vedli čeští ţáci lépe, jejich výsledek byl v roce 2007 v obou ročnících nadprůměrný. Ţáci 4. ročníku se přesto oproti roku 1995 významně zhoršili. Výsledek ţáků 8. ročníku byl na úrovni roku 1999. Od roku 1995 se zhoršil také vztah ţáků 4. ročníku k přírodovědě. Významně se oproti letům 1995 a 1999 zhoršil také vztah ţáků 8. ročníku k fyzice. Celkově poklesla obliba všech přírodovědných předmětů s výjimkou chemie. Ve školním roce 2007/08 začala realizace kurikulární reformy ve všech základních školách. Výzkum TIMSS 2007 tak nejen postihuje další změny ve vědomostech a dovednostech ţáků od roku 1999, ale zachycuje téţ výchozí stav v době zahájení reformy. Další šetření výzkumu TIMSS proběhne v roce 2011, v ČR se ho zúčastní ţáci 4. ročníků. *** Další informace a materiály k výzkumu TIMSS lze nalézt v níţe uvedených publikacích a na adresách: Mezinárodní stránky: http://www.uiv.cz/clanek/244/1198 Národní stránky: http://timssandpirls.bc.edu/TIMSS2007/index.html

67

Literatura [1] TOMÁŠEK, V. a kolektiv: Výzkum TIMSS 2007. Obstojí čeští žáci v mezinárodní konkurenci? Praha, ÚIV, 2008. [2] MANDÍKOVÁ, D., TOMÁŠEK, V: Výsledky českých žáků ve výzkumu TIMSS 2007. MFI, 19, č. 5, Prométheus, Praha 2010. s. 275-291. ISSN 1210-1761 [3] PALEČKOVÁ, J., TOMÁŠEK, V.: Posun ve znalostech čtrnáctiletých žáků v matematice a přírodních vědách. Zpráva o výsledcích mezinárodního výzkumu TIMSS. Praha, ÚIV, 2001. [4] PALEČKOVÁ, J., TOMÁŠEK, V., STRAKOVÁ, J.: Třetí mezinárodní výzkum matematického a přírodovědného vzdělávání. Výsledky žáků 7. a 8. ročníků, přírodovědné předměty. Praha, ÚIV, 1997. [5] TOMÁŠEK, V., STRAKOVÁ, J., PALEČKOVÁ, J.: Třetí mezinárodní výzkum matematického a přírodovědného vzdělávání. Výsledky žáků 3. a 4. ročníků – matematika, přírodověda. Praha, ÚIV, 1998. [6] MARTIN, M. O., MULLIS, I.V. S., & FOY, P. (with OLSON, J. F., ERBERBER, E., PREUSCHOFF, C., ARORA, A. & GALIA, J.): TIMSS 2007 International Mathematics and Science Report: Findings from IEA’s Trends in International Mathematics and Science Study at the Fourth and Eighth Grades. Chestnut Hill, MA: TIMSS & PIRLS International Study Center, Boston College. Published December 2008, Revised August 2009(dostupné na adrese: http://timssandpirls.bc.edu/TIMSS2007/intl_reports.html)

68

Přehled výsledků českých žáků v přírodních vědách ve výzkumu PISA

DANA MANDÍKOVÁ Katedra didaktiky fyziky MFF UK, V Holešovičkách 2, Praha 8 [email protected]

1 Charakteristika výzkumu PISA (Programme for International Student Assessment) je mezinárodní výzkum čtenářské, matematické a přírodovědné gramotnosti patnáctiletých ţáků. Pořádá ho Organizace pro hospodářskou spolupráci (OECD). Výzkum PISA je zaměřen především na zjištění praktických znalostí a dovedností ţáků a jejich schopnost pouţít je v běţném ţivotě. Gramotnost, kterou výzkum zkoumá, je chápána jako soubor vědomostí a dovedností nezbytných pro ţivot. Přírodovědná gramotnost je pro potřeby výzkumu vymezena následujícím způsobem: Přírodovědná gramotnost je schopnost využívat přírodovědné vědomosti, klást otázky a z daných skutečností vyvozovat závěry, které vedou k porozumění světu přírody a pomáhají v rozhodování o něm a o změnách působených lidskou činností. Čtyři hlavní sloţky přírodovědné gramotnosti jsou: 

základní přírodovědné vědomosti, kterých by ţáci měli nabýt,



kompetence, které by si ţáci měli osvojit a naučit se je pouţívat,



kontext, ve kterém se ţáci s přírodovědnými problémy setkávají,



postoje ţáků k přírodním vědám.

69

Vztah jednotlivých sloţek znázorňuje následující schéma:

Kontext životní situace obsahující prvky přírodních věd a techniky

Kompetence  rozpoznávání přírodovědných otázek  vysvětlování jevů pomocí přírodních věd  používání vědeckých důkazů

Vědomosti  vědomosti z přírodních věd (o světě přírody)  vědomosti o přírodních vědách (o vědě samotné)

Postoje reakce na přírodovědná témata  zájem  uznání hodnoty vědeckého výzkumu  odpovědnost

Výzkum probíhá ve tříletých fázích, v kaţdé z nich je jedné ze tří sledovaných oblastí věnována zvýšená pozornost. V roce 2000 výzkum zjišťoval především čtenářskou gramotnost, v roce 2003 matematickou gramotnost a v roce 2006 přírodovědnou gramotnost. V roce 2006 se výzkum zaměřil také na zjišťování vztahu ţáků k přírodním vědám, jejich postojů k moţnému uplatnění v přírodovědných oborech a k tomu, co jim škola v této oblasti studia nabízí. V roce 2009 byla v centru pozornosti opět čtenářská gramotnost. Výsledky tohoto šetření budou zveřejněny na konci roku 2010. Informace se získávají formou písemného testování ţáků a dotazníkovým šetřením mezi ţáky a řediteli škol.

70

2 Úlohy výzkumu PISA Typické úlohy výzkumu PISA tvoří větší komplex otázek, které zkoumají jedno určité téma. Úlohy obvykle uvádí více či méně rozsáhlý text, graf, obrázek nebo jiný písemný materiál, ke kterému se vztahují následující otázky. Otázky mohou být následujícího typu: 

Otázky s výběrem odpovědi: ţáci vybírají jedinou správnou odpověď ze 4 – 5 nabízených moţností.



Komplexní otázky s výběrem odpovědi: ţáci vybírají jednu z odpovědí Ano/Ne v souboru minimálně dvou otázek.



Uzavřené otázky s tvorbou odpovědi: Ţáci vytvářejí vlastní odpověď, jedná se však o odpověď vyjádřenou jedním či několika slovy (uvedení výsledku výpočtu, dokreslení symbolu do obrázku apod.).



Otevřené otázky s tvorbou odpovědi: Ţáci odpovídají vlastními slovy, jedná se o odpověď rozsáhlejší (zdůvodnění, jak dospěli ke svému závěru, uvedení argumentů podporujících správnost či nesprávnost určitého tvrzení apod.).

Pro představu o charakteru přírodovědných úloh pouţívaných ve výzkumu uvádíme ukázku jedné z uvolněných úloh. Další úlohy naleznete např. v publikaci [1].

71

SKLENÍKOVÝ EFEKT Přečti si text a odpověz na otázky, které jsou za ním uvedeny. SKLENÍKOVÝ EFEKT: SKUTEČNOST, NEBO VÝMYSL? Živé věci potřebují k přežití energii. Energie, která udržuje život na Zemi, přichází ze Slunce, které je velmi žhavé, a tak vyzařuje energii do vesmíru. Nepatrná část této energie se dostává na Zemi. Zemská atmosféra působí jako ochranná pokrývka povrchu naší planety a zabraňuje změnám teploty, které by existovaly ve světě bez vzduchu. Většina vyzářené energie přicházející ze Slunce prochází zemskou atmosférou. Země něco z této energie pohltí a něco se od zemského povrchu odrazí zpět. Část této odražené energie pohltí atmosféra. V důsledku toho je průměrná teplota nad zemským povrchem vyšší, než by byla, kdyby nebylo atmosféry. Zemská atmosféra má stejný účinek jako skleník, odtud tedy pochází termín skleníkový efekt. Říká se, že skleníkový efekt v průběhu dvacátého století zesílil. Faktem je, že průměrná teplota zemské atmosféry vzrostla. V novinách a časopisech se často tvrdí, že hlavní příčinou vzrůstu teploty ve dvacátém století jsou rostoucí emise oxidu uhličitého. Žáka Ondru začal zajímat možný vztah mezi průměrnou teplotou zemské atmosféry a emisemi oxidu uhličitého na Zemi. V knihovně našel následující dva grafy.

72

Ondra z těchto dvou grafů usoudil, že je jisté, že vzrůst průměrné teploty zemské atmosféry je způsobený vzrůstem emisí oxidu uhličitého. Otázka 1: SKLENÍKOVÝ EFEKT Co v těchto grafech podporuje Ondrův závěr? ………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………..

73

Otázka 2: SKLENÍKOVÝ EFEKT Žákyně Jana nesouhlasí s Ondrovým závěrem. Porovnává oba grafy a říká, že některé části grafů jeho závěr nepodporují. Uveď příklad části grafů, která nepodporuje Ondrův závěr. Vysvětli svou odpověď. ………………………………………………………………………………..... ………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………..

Otázka 3: SKLENÍKOVÝ EFEKT Ondra trvá na svém závěru, že růst průměrné teploty zemské atmosféry je způsoben vzrůstem emisí oxidu uhličitého. Ale Jana si myslí, že jeho závěr je ukvapený. Říká: „Než uděláš tento závěr, musíš si být jistý, že ostatní faktory, které by mohly ovlivnit skleníkový efekt, se nemění.“ Jmenuj jeden z faktorů, které má Jana na mysli. ………………………………………………………………………………..... ………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………..

74

3 Výsledky českých žáků ve výzkumu PISA 2000 a 2003 Pro prezentaci výsledků v přírodovědné gramotnosti byla v roce 2000 i 2003 pouţita jedna škála charakterizující schopnosti ţáků s průměrem 500 bodů a směrodatnou odchylkou 100. Celkové výsledky českých ţáků v testu přírodovědné gramotnosti v roce 2000 a 2003 zachycují tabulky 1 a 2. V obou letech byly výsledky českých ţáků nadprůměrné. V roce 2000 dosáhlo statisticky lepšího výsledku 7 zemí, v roce 2003 pak jen 2 země. Od roku 2000 do roku 2003 se výsledek našich ţáků statisticky významně zlepšil. Ke zlepšení došlo zejména u ţáků s lepšími výsledky, v důsledku toho se zároveň zvětšil rozdíl mezi dobrými a slabšími ţáky. Tabulka 1 Výsledky PISA 2000 – přírodovědná gramotnost Země Korea Japonsko Finsko Velká Británie Kanada Nový Zéland Austrálie Rakousko Irsko Švédsko Česká republika Francie Norsko USA Maďarsko Island Belgie Švýcarsko Španělsko Německo

Průměr 552 550 538 532 529 528 528 519 513 512 511 500 500 99 496 496 496 496 491 487

Tabulka 2 Výsledky PISA 2003 – přírodovědná gramotnost ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ● ● ● ● ● ● ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼

75

Země Finsko Japonsko Hongkong Korea Lichtenštejnsko Austrálie Macao Nizozemí Česká republika Nový Zéland Kanada Švýcarsko Francie Belgie Švédsko Irsko Maďarsko Německo Polsko Slovensko

Průměr 548 548 539 538 525 525 525 524 523 521 519 513 511 509 506 505 503 502 498 495

▲ ▲ ● ● ● ● ● ● ● ● ● ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼

Polsko Dánsko Itálie Lichtenštejnsko Řecko Rusko Lotyšsko Portugalsko Lucembursko Mexiko Brazílie

483 481 478 476 461 460 460 459 443 422 375

▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼

Island USA Rakousko Rusko Lotyšsko Španělsko Itálie Norsko Lucembursko Řecko Dánsko Portugalsko Uruguay Srbsko Turecko Thajsko Mexiko Indonésie Brazílie Tunisko

Průměrný výsledek země ▲ je statisticky významně lepší než výsledek ČR ●

statisticky významně se neliší od výsledku ČR

▼ je statisticky významně horší než výsledek ČR

je statisticky významně lepší než mezinárodní průměr neliší se od mezinárodního průměru je statisticky významně nižší než mezinárodní průměr

76

495 491 491 489 489 487 486 484 483 481 475 468 438 436 434 429 405 395 390 385

▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼

4 Výsledky českých žáků ve výzkumu PISA 2006 Výsledky jednotlivých zemí byly v tomto výzkumu prezentovány dvěma různými způsoby: 

pomocí skórů (počtu bodů) na škálách výsledků, které vyjadřují úspěšnost ţáků při řešení testových úloh;

Výzkum uvádí jednak průměrný výsledek ţáků na jedné celkové přírodovědné škále, jednak jejich výsledky v různých dílčích oblastech, pro které jsou vytvořeny dílčí škály. Dílčích škál bylo vytvořeno celkem sedm. Tři pro jednotlivé kompetence, tři pro vědomosti z přírodních věd (neţivé systémy, ţivé systémy, systémy Země a vesmíru) a jedna společná pro vědomosti o přírodních vědách. 

pomocí šesti úrovní způsobilosti, na nichţ se ţáci mohou nacházet (blíţe v [2]).

4.1 Celkové výsledky Celkové výsledky v testu přírodovědné gramotnosti v roce 2006 uvádí tabulka 3. Čeští ţáci dosáhli nadprůměrného výsledku. Statisticky významně lepších bylo jen 9 zemí. Česká republika patří ale k zemím, kde byl nadprůměrný rozdíl mezi dobrými a slabými ţáky.

Tabulka 3 Výsledky PISA 2006 – přírodovědná gramotnost Země Finsko Hongkong Kanada Tchaj-wan Estonsko Japonsko Nový Zéland Austrálie Nizozemí

Průměr 563 542 534 532 531 531 530 527 525

Země Slovensko Španělsko Litva Norsko Lucembursko Rusko Itálie Portugalsko Řecko

▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲

77

Průměr 488 488 488 487 486 479 475 474 473

▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼

Lichtenštejnsko Korejská republika Slovinsko Německo Velká Británie Česká republika Švýcarsko Macao Rakousko Belgie Irsko Maďarsko Švédsko Polsko Dánsko Francie Chorvatsko Island Lotyšsko USA

522 522 519 516 515 513 512 511 511 510 508 504 503 498 496 495 493 491 490 489

● ● ● ● ●

Izrael Chile Srbsko Bulharsko Uruguay Turecko Jordánsko Thajsko Rumunsko Černá Hora Mexiko Indonésie Argentina Brazílie Kolumbie Tunisko Ázerbájdţán Katar Kyrgyzstán

● ● ● ● ● ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼

Průměrný výsledek země ▲ je statisticky významně lepší než výsledek ČR ●

statisticky významně se neliší od výsledku ČR

▼ je statisticky významně horší než výsledek ČR

je statisticky významně lepší než mezinárodní průměr neliší se od mezinárodního průměru je statisticky významně nižší než mezinárodní průměr

78

454 438 436 434 428 424 422 421 418 412 410 393 391 390 388 386 382 349 322

▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼

4.2 Výsledky na dílčích škálách Srovnáním výsledků ţáků na dílčích škálách s jejich celkovým výsledkem v přírodovědném testu lze určit, ve kterých dílčích oblastech jsou ţáci více nebo méně úspěšní. Kompetenční škály Čeští ţáci jsou více úspěšní na škále vysvětlování jevů pomocí přírodních věd (aplikace vědomostí) a méně úspěšní na škále rozpoznávání přírodovědných otázek (rozpoznávání otázek, které lze vědecky zodpovědět). Obdobně jsou na tom i ţáci Maďarska, Slovenska, Estonska, Polska a Litvy. Výsledky českých a slovenských ţáků jsou navíc výrazně horší i na škále pouţívání vědeckých důkazů (interpretace a pouţívání vědeckého dokazování). V tabulce 4 je uvedeno, nakolik je výsledek ţáků příslušné země na konkrétní dílčí škále lepší nebo horší neţ celkový výsledek v přírodovědném testu. Tabulka 4 Rozdíly ve výsledcích na kompetenčních škálách Celkový průměr přírodní vědy Česká republika Maďarsko Slovensko Estonsko Polsko Litva Finsko

Kompetence Rozpoznávání přírodovědných otázek

Vysvětlování jevů pomocí přírodních věd

Pouţívání vědeckých důkazů

513

-12

15

-12

504 488 531 498 488 563

-21 -13 -16 -15 -12 -8

14 13 9 8 7 3

-7 -11 0 -4 -1 4

Na celkové přírodovědné škále téměř neexistují významnější rozdíly ve výsledcích českých chlapců a dívek, na dílčích škálách je však situace jiná. České dívky mají výrazně lepší výsledky neţ chlapci na kompetenční škále rozpoznávání přírodovědných otázek. Naopak čeští chlapci jsou lepší neţ dívky ve vysvětlování jevů pomocí přírodních věd, přičemţ tento rozdíl patří mezi zúčastněnými zeměmi k největším. Na škále pouţívání vědeckých důkazů se

79

výsledky českých chlapců a dívek neliší. Obdobná situace je ve většině zemí OECD. Vědomostní škály Výsledky českých ţáků na škále vědomosti o přírodních vědách (vědecké postupy) jsou výrazně horší neţ jejich výsledky na škále vědomosti z přírodních věd (znalost obsahu). Rozdíl mezi výsledky na obou škálách je v České republice největší ze zemí OECD. Druhý a třetí největší rozdíl byl shledán v Maďarsku a na Slovensku. Výsledky ţáků v oblasti vědomosti z přírodních věd byly sledovány na třech škálách. Maďarsko a Česká republika jsou dvě země OECD s nejlepším relativním výsledkem na škále neţivé systémy (fyzika, chemie). Spolu se Slovenskem, Švédskem, Slovinskem a Rumunskem tvoří skupinu šesti evropských zemí, jejichţ ţáci dosáhli na této škále výrazně lepších výsledků neţ na celkové přírodovědné škále. V tabulce 5 je uvedeno, nakolik je výsledek ţáků příslušné země na konkrétní dílčí vědomostní škále lepší nebo horší neţ celkový výsledek v přírodovědném testu. Tabulka 5 Rozdíly ve výsledcích na vědomostních škálách Celkový průměr přírodní vědy Česká republika Maďarsko Slovensko Švédsko Slovinsko Rumunsko Finsko

Vědomosti o přírodních vědách

Vědomosti z přírodních věd Neţivé Ţivé Země systémy systémy a vesmír

513

-14

21

12

13

504 488 503 519 418 563

-12 -10 -5 -9 -6 -6

29 15 14 12 10 -4

5 11 8 -2 8 11

9 15 -5 15 -12 -9

Na škále neţivé systémy měli chlapci ve všech zemích OECD výrazně lepší výsledky neţ dívky. Česká republika však spolu s Rakouskem, Maďarskem a Slovenskem patří k zemím s největším rozdílem ve výsledcích chlapců a dívek. Na škále ţivé systémy nebylo v zúčastněných zemích pozorováno mnoho významnějších rozdílů mezi chlapci a dívkami. Mezi země bez výraz80

ných rozdílů patří i Česká republika. Největší rozdíl mezi chlapci a dívkami ze všech zúčastněných zemí na škále systémy Země a vesmíru byl zjištěn v České republice. Jde o oblast, kde jsou lepší výsledky chlapců obecným trendem. 4.3 Rozdíly ve výsledcích ţáků různých typů škol Česká republika patří k zemím, kde jsou velké rozdíly ve výsledcích ţáků různých typů škol. Výsledky jsou uvedeny v tabulce 6. Nejlepších výsledků dosáhli stejně jako v předchozích šetřeních ţáci gymnázií, nejhůře si vedli ţáci nematuritního středoškolského studia a speciálních škol. Značné rozdíly mezi ţáky různých typů škol se objevují rovněţ na třech dílčích kompetenčních škálách. Nejvyrovnanější výsledky na jednotlivých kompetenčních škálách mají ţáci čtyřletých gymnázií, největší rozdíly pozorujeme u ţáků středního odborného studia bez maturity a do značné míry téţ u ţáků základních škol. U ţáků dvou posledních jmenovaných typů škol je přitom zřejmé, ţe osvojování dovednosti vysvětlování jevů pomocí přírodních věd probíhá zejména na úkor dovednosti pouţívání vědeckých důkazů. Tabulka 6 Výsledky podle typů škol Celkový průměr přírodní vědy

Kompetence Rozpoznávání přírodovědných otázek

Vysvětlování jevů pomocí přírodních věd

Pouţívání vědeckých důkazů

Základní škola

488

-9

15

-17

Víceleté gymnázium

628

-18

11

2

Čtyřleté gymnázium

613

-11

3

4

SOŠ, SOU s maturitou

542

-12

12

-4

SOŠ, SOU bez maturity

443

-13

24

-25

Speciální škola

375

--

--

--

ČR

513

-12

15

-12

81

5 Závěr Čeští ţáci dosahují ve výzkumu PISA v oblasti přírodních věd dlouhodobě nadprůměrné výsledky. Jak ukázal výzkum PISA 2006, který se přírodními vědami zabýval hlouběji, silnou stránkou českých ţáků jsou především faktické znalosti. Problémy jim pak dělá např. vytváření hypotéz, vyuţívání různých výzkumných metod, experimentování, získávání a interpretace dat, posuzování výsledků výzkumu, formulování a dokazování závěrů. Výsledky českých ţáků v oblasti vědomostí z přírodních věd byly výrazně lepší neţ výsledky v oblasti vědomostí o přírodních vědách. Výborní byli čeští ţáci zejména v oblasti fyziky a chemie (škála neţivé systémy). Co se týče zkoumaných kompetencí, byli čeští ţáci úspěšnější při aplikaci vědomostí (škála vysvětlování jevů pomocí přírodních věd) neţ při rozpoznávání otázek, které lze vědecky zkoumat (škála rozpoznávání přírodovědných otázek) a při interpretaci a pouţívání vědeckého dokazování (škála pouţívání vědeckých důkazů). Podobně na tom jsou i ţáci Maďarska a Slovenska. Česká republika patří k zemím, kde jsou velké rozdíly mezi nejlepšími a nejslabšími ţáky. Značné jsou také rozdíly ve výsledcích ţáků různých typů škol. Rozdíly mezi různými typy škol v České republice jsou velkou měrou způsobeny tím, ţe se v nich shromaţďují ţáci s podobným socioekonomickým zázemím. Na výběr školy (zejména při přechodu ze základních škol na víceletá gymnázia nebo do jazykových a jinak specializovaných tříd) má pak silný vliv rodinné zázemí ţáků.

* * * Další informace a materiály k výzkumu PISA lze nalézt v níţe uvedených publikacích a na adresách: Mezinárodní stránky: http://www.pisa.oecd.org Národní stránky: http://www.uiv.cz/rubrika/67

82

Literatura [1] FRÝZKOVÁ, M., PALEČKOVÁ, J.: Přírodovědné úlohy výzkumu PISA. ÚIV, Praha 2007. [2] PALEČKOVÁ, J. a kol.: Hlavní zjištění výzkumu PISA 2006. Poradí si žáci s přírodními vědami? ÚIV, Praha 2007. [3] PALEČKOVÁ, J., TOMÁŠEK, V.: Učení pro zítřek. Praha, ÚIV, 2005. [4] STRAKOVÁ, J. a kol.: Vědomosti a dovednosti pro život. Čtenářská, matematická a přírodovědná gramotnost patnáctiletých žáků. Praha, ÚIV, 2002. [5] MANDÍKOVÁ, D., PALEČKOVÁ, J.: Přírodovědná gramotnost českých žáků – výsledky výzkumu PISA 2006. MFI 18, č. 4, Prometheus, Praha 2008. s. 214-229.

83

Sborník příspěvků zahajovací konference projektu Rozvoj profesních kompetencí učitelů fyziky základních a středních škol v Olomouckém kraji Slovanské gymnázium Olomouc Vydal: Repronis v Ostravě roku 2010 Technická úprava textu: doc. RNDr. Oldřich Lepil, CSc. Návrh obálky: Vít Stanovský Jazyková úprava: Mgr. Luděk Bartoš Tisk: Repronis s.r.o., Ostrava Počet stran: 84 Náklad: 100 ks Vydání: první ISBN 978-80-7329-250-8 Publikace je neprodejná

Sborník příspěvků. zahajovací konference projektu

Recommend Documents