Toto je druhá část třídílného blogu o výuce fyziky. V první části jsem se věnoval současnému stavu výuky fyziky, který podle mého názoru není příliš uspokojivý. V této druhé části se zamýšlím nad tím, k čemu by měla výuka fyziky sloužit, jaké jsou její cíle; z toho pak se ve třetí části pokusím vyvodit, jaké prostředky by se k dosažení těchto cílů mohly používat.

Připomínám, že tento text vznikl původně jako příspěvek na semináři pro středoškolské učitele fyziky; píši-li tedy v první větě, že se na něčem "všichni shodneme", myslím tím tehdejší posluchače, zatímco zdejší publikum může být i jiného názoru.

Pravděpodobně se tu všichni shodneme, že fyzikální vzdělání má pro člověka velký význam — a nejen pro toho, kdo se bude fyzikou a jejími aplikacemi živit, např. pro inženýra, lékaře, učitele nebo vědce, ale i pro člověka „humanitně orientovaného“ nebo prostě pro „člověka z lidu“. Musíme si však uvědomit, jaký význam to pro ně má, a až podle toho se rozhodovat, jak učit fyziku.

Je extrémně nepravděpodobné, že by někdy ve svém dalším životě nějaký humanitně orientovaný intelektuál nebo „obyčejný člověk z lidu“ potřeboval vypočítat výtokovou rychlost kapaliny z nádoby nebo oběžnou dobu planety. (Je to ostatně velmi málo pravděpodobné i u budoucího profesionálního fyzika.) Jestliže studenti uvidí, že je fyziku učíme, jen abychom je naučili právě tyto velmi speciální dovednosti, nemůžeme od nich očekávat žádnou vstřícnost: vědí velmi dobře, že jim budou k ničemu, a fyziku se budou učit se stejně malou chutí jako dialektický materializmus. S odporem se něco nabiflují a co nejdřív to zase zapomenou. Skutečný význam toho, proč učit fyziku, je totiž v něčem jiném.

Cíl první: Aby si žáci uvědomili, že příroda je poznatelná a předvídatelná.

I když vzdělaný člověk asi nebude počítat oběžnou dobu planety podle třetího Keplerova zákona, je důležité, aby věděl, že se tato doba dá vypočítat, že to není něco náhodného a nevyzpytatelného. Právě toto vědomí poznatelnosti a předvídatelnosti přírody podstatně odlišuje moderního vzdělaného člověka od člověka středověkého nebo od moderního člověka nevzdělaného.

Nejvýznamnějším objevem v historii lidstva totiž byl objev, že příroda se řídí zákony, že o tom, zda bude pršet nebo zda přiletí kometa, nerozhoduje nějaká „vyšší moc“ případ od případu, podle toho, jak se jí zlíbí nebo jak si ji nakloníme svým chováním, modlitbami nebo obětmi. Že zákony, podle kterých se věci v přírodě dějí, můžeme poznat a že jejich pomocí můžeme přírodní děje předvídat a dokonce i ovlivňovat.

Až když si lidé, někdy v době Galileiho a Newtona, uvědomili tuto (zdaleka ne samozřejmou) skutečnost, začal ten úžasný proud nových objevů a vynálezů, od parního stroje přes žárovku a elektromotor až k mikroprocesoru a satelitnímu navigačnímu systému; proud, který umožnil západní společnosti v krátké době zdvojnásobit délku lidského života, prakticky zbavit lidi hladu a strachu z mnoha smrtelných nemocí a který tam většině obyčejných lidí umožňuje žít v pohodlí, jaké v minulosti neměly ani privilegované vrstvy.

Samozřejmě vím, že v mnoha zemích světa nepanuje až taková idyla, jakou jsem právě popsal. Ale právě to podporuje mé přesvědčení o významu tohoto největšího objevu lidstva a o tom, že jedním z hlavních cílů fyzikálního vzdělávání je, aby si ho studenti dobře uvědomili. Existuje totiž významná korelace mezi tímto „povědomím přírodních zákonů“ na jedné straně a bohatstvím a svobodou společnosti na straně druhé. Společnosti, které při svém rozhodování dostatečně nepřihlížejí k poznaným přírodním zákonům a které nevzdělávají svou mládež v jejich duchu, kde důležitější roli hrají jiné, např. náboženské a mystické faktory, takové společnosti jsou pravidelně chudší a méně svobodné než společnosti západního typu. To je také jeden z argumentů pro to, abychom na našich školách učili fyziku.

Pro toho, kdo četl první část blogu, jistě nemusím uvádět, že slovy "aby se žáci naučili, že příroda je poznatelná a předvídatelná" nemyslím, že si to na konci jedné hodiny napíší do sešitu a další hodinu dostanou při zkoušení otázku "Jaká je příroda?" Ne že by vadilo, když jim to učitel občas explicite připomene, ale zde vůbec nejde o zapamatování si faktu, jde o získání pocitu, povědomí, přesvědčení nebo jak to nazvat.

Možná nejpřesnější by bylo přirovnat to k víře (náboženské, politické apod.). Já zde vyznávám, že věřím, že příroda se řídí zákony, že tyto zákony můžeme poznat a že pomocí poznaných zákonů můžeme přírodu ovlivňovat - ke svému dobru nebo taky ke zlu. Taková víra se nedá nabiflovat, ta se získá až po letech poctivé fyzikální práce ve škole i jinde.

Podaří-li se nám dosáhnout tohoto cíle, vyrostou z našich žáků racionálně uvažující lidé, kteří se nebudou bát řešit reálné problémy. Nejen ty fyzikální.

Cíl druhý: aby se žáci naučili zjišťovat pravdu a myslet kriticky

Vzdělaný člověk, i když nebude vědcem, by měl znát a běžně používat některé vědecké metody, postupy. Věda (jakákoliv, nejen fyzika), totiž není jen nějaká sbírka faktů nebo zákonů — je to především po staletí zdokonalovaná metoda zjišťování a ověřování pravdy.

Když výzkumníci na klinice zjišťují, zda určitá chemická látka může přispět k léčení určité choroby, nebo ne, postupují podle přísných pravidel: kromě skupiny pacientů, kteří zkoumanou látku dostávají, je i kontrolní skupina, která místo toho dostává placebo, a kdo dostává placebo a kdo zkoumanou látku, to nevědí dokonce ani lékaři, kteří s pacienty přicházejí do styku a popisují vývoj jejich zdravotního stavu. Výsledky se zpracovávají prověřenými statistickými metodami, zkoumá se, zda případný rozdíl mezi testovací a kontrolní skupinou pacientů nemohl být jen náhodný — zda je zlepšení stavu po léku skutečně statisticky významné.

Tedy vlastnosti a účinky všech statisíců látek využívaných v medicíně jsou specializovaná fakta, jejichž většinu si budoucí lékař nebude a nemůže pamatovat — bude znát ty, které běžně předepisuje, a ty ostatní, když potřebuje, najde v příručkách. Ale velmi důležité je, aby student medicíny pochopil, jak se zjišťuje, zda látky mají léčebné účinky. Právě to totiž odlišuje lékaře, který ví, že pravda se musí zjišťovat složitými postupy, od léčitele, který se takovými detaily nezabývá a „pravdu“ prostě „vycítí“.

Také ve fyzice je podstatné, aby se student učil, jak se hledá pravda — že to děláme buď experimenty, podle určitých pravidel, včetně statistického zpracování a určení chyby, nebo určitými matematickými a logickými postupy. Proto například není důležité říkat studentům, že se Země dělí na kůru, plášť a jádro, ale jak jsme na to přišli, jaký je význam těchto vrstev, proč si myslíme, že tam jsou. Proto je také na školním výkladu o Keplerových zákonech nejdůležitější to, jak na ně Kepler přišel.

S hledáním pravdy úzce souvisí i kritické myšlení, kritický přístup k informacím. Na každém kroku nás zaplavují informace od politiků, novinářů, prodejců i třeba od sousedů. Tyto informace musíme hodnotit podle jejich spolehlivosti i významu pro nás; když špatně vyhodnotíme například informaci z reklamy, zbytečně vyhodíme spoustu peněz za hlouposti. Kritické myšlení je přece v každodenním životě mimořádně důležité. Kde už se ho mají studenti učit, když ne v hodinách fyziky? Místo toho se tam učí nazpaměť Archimédovy zákony, kterým, jak ukazuje můj úvodní příklad ze Slaného, stejně nerozumějí.

Cíl třetí: aby se žáci naučili techniky fyzikální práce

Studenti, a teď mám ovšem na mysli hlavně ty, kteří se budou přírodním vědám a jejich aplikacím věnovat i ve své další práci, by se měli naučit určité obecné techniky fyzikální práce. Sem patří např. volba modelů, získávání potřebných informací, práce s veličinami a jednotkami, práce s grafy a tabulkami, práce s chybou, deduk¬tivní a induktivní postup, experimentální dovednosti (ty samy zahrnují nespočet "technik"), zvažování stability systémů, využívání symetrie, řádové odhady, využívání závislosti jedné veličiny na druhé (např. lineární, logaritmické), zanedbávání jedné veli¬činy proti druhé, užívání lineárního přiblížení k obecné funkci, práce s vektory, odhad vývoje systému podle pohybové rovnice, a řadu dalších — uvádím zde jen náhodný výběr.

Vysoké školy přírodovědného a technického zaměření by tyto dovednosti u svých nastupujících studentů jistě uvítaly daleko víc než to, že umějí mechanicky odříkávat různé zákony a poučky.

Většina z uvedených „technik fyzikální práce“ se používá i v řadě dalších oborů, nejen ve fyzice. Například naučí-li se studenti rozhodovat, kterou veličinu můžeme zanedbat a kterou ne, bude jim to prospěšné v každodenním kvantitativním rozhodování, především v rozhodování ekonomickém. O významu technické, experimentální gramotnosti v běžném životě snad není ani třeba mluvit.

Cíl čtvrtý: aby se žáci naučili řešit fyzikální problémy

Některé z těchto problémů jsou velmi jednoduché a setká se s nimi každý, například když mu přestane svítit světlo nebo když připravuje postřik o dané koncentraci; konec konců ty tak zvané „zlaté české ruce“, jestli ještě existují, znamenají právě schopnost řešit běžné praktické technické problémy, kde se vyskytnou. Jiné problémy jsou složitější a budou se s nimi v praxi setkávat například lékaři nebo inženýři.

O problémech jsem zde mluvil už několikrát, takže pro upřesnění: Dosáhneme-li prvního ze zde uvedených cílů, pak se náš žák, když narazí na problém, nepůjde pomodlit, ale pokusí se ho vyřešit sám. Dosáhneme-li druhého cíle, dokáže při analýze problému kriticky myslet a rozhodnout, které informace jsou pravdivé a které ne. Dosáhneme-li třetího cíle, bude náš žák dostatečně manuálně zručný a matematicky i jinak zdatný, aby dokázal dělat dílčí kroky při řešení problémů.

K úspěšnému řešení problémů samozřejmě nestačí jen znát fyzikální vztahy, poučky a definice, stejně jako k úspěšnému hraní fotbalu nestačí znát pravidla. Ale dokonce ani samo ovládání „technik fyzikální práce“, o kterém jsem mluvil před okamžikem, není postačující podmínkou k tomu, aby člověk uměl dobře řešit problémy — je jasné, že tady je třeba ještě něco navíc. Právě tato dovednost je ale pro praxi mimořádně důležitá. Člověk, byť zručný, který v určitém oboru neumí řešit problémy, tam může vykonávat jen rutinní práce. Nechceme-li, aby z nás byla jen „montážní dílna“ Evropy, musíme učit studenty, jak řešit problémy.

Napsal jsem sbírku maturitních příkladů, které mi vůbec nepřipadají skutečně těžké: k vyřešení průměrného příkladu z ní je třeba využít jednoho až dvou známých a jednoduchých fyzikálních vztahů a vykonat přibližně tři až čtyři aritmetické operace. Přesto si myslím, že si s nimi mnozí studenti na počátku nebudou vědět rady. Nemají totiž v řešení problémů praxi. Učitelé říkají: na řešení příkladů prostě nemáme čas, protože musíme probrat všechno učivo.

Cíl pátý: aby žáci měli fyziku rádi

Konečně pátým, ale nikoliv nejmenším obecným cílem, který bychom měli mít na paměti, je vrátit fyzice lidskou tvář, abych si vypůjčil známý, i když trochu zprofanovaný termín — prostě učinit ji přitažlivou. Z různých výzkumů vyplývá, že fyzika patří k nejméně oblíbeným předmětům, většinou dokonce žebříček neoblíbenosti vede. A nejen to; v jednom výzkumu České školní inspekce vyšlo, že ji studenti považují za předmět, který jim bude nejméně užitečný. Upřímně řečeno, v lecčem je chápu a v některých případech, záleží na škole a na učiteli, bych s nimi i souhlasil.

Proč nemají studenti fyziku rádi? V úvodu učebnice Fyzika pro gymnázia - Mechanika se píše, že studium fyziky vyžaduje „značné myšlenkové úsilí“. Ale například matematika vyžaduje také „myšlenkové úsilí“, a přitom je její obliba podstatně vyšší. Možná to líp vysvětluje další věta z citovaného úvodu: „Fyzika totiž vyžaduje znalost mnoha faktů, které je třeba si zapamatovat.“ Jestliže fyziku učíme jako snůšku faktů k zapamatování, a ne jako krásný systém, v němž všechno logicky souvisí se vším, když od studentů vyžadujeme, aby se vyjadřovali šroubovaným, nepřirozeným jazykem, když klademe větší důraz na rigidní terminologii než na to, abychom ukázali aplikace fyziky všude okolo nás, pak se ani nemůžeme moc divit, že ve studiu fyziky nevidí většina studentů nic příjemného.

Tento stav má ovšem několik velmi nešťastných důsledků. Především když mají studenti nějaký předmět neradi, tak se ho moc dobře nenaučí. Za druhé, málo studentů se hlásí na vysoké školy, v nichž je fyzika důležitá, tedy zejména na techniky; a to neblaze ovlivňuje úroveň našeho národního hospodářství. A za třetí, dnešní studenti jsou zítřejší voliči, daňoví poplatníci, a někteří z nich i zítřejší politici; to, jak je dnes vzděláváme a vychováváme, silně ovlivní priority našeho státu v budoucnosti. To není až tak abstraktní myšlenka, jak by se mohlo zdát. V našem parlamentu je 281 poslanců a senátorů a patrně všichni prošli aspoň střední školou. Kolik z nich ale ví, k čemu je věda vůbec a fyzika zvlášť? A jak může být lidem užitečná? Ze střední školy si nejspíš odnesli představu fyziky jako nezáživné sbírky nesrozumitelných faktů a terminologického pedantství, která s reálným životem nemá skoro nic společného. Tito lidé schvalují státní rozpočet a v něm také peníze na základní výzkum i na školství. Není už z tohoto důvodu, když ne z jiných, rozumné, abychom studentům ukazovali, k čemu je fyzika užitečná? A jak je zajímavá?


Vyjmenoval jsem tady pět obecných cílů, k nimž by podle mého názoru měla směřovat výuka fyziky. Jaké prostředky k těmto cílům povedou? Potřebujeme nějaký fyzikální „materiál“, na kterém budeme učit řešit problémy, ukazovat kritické myšlení, práci s chybou nebo třeba lineární přiblížení. K obecným cílům, které jsem uvedl výše (a ke kterým se jistě dají najít i další), se můžeme přibližovat jen výukou velice konkrétní fyziky. Důležité ale je, abychom tyto hlavní cíle neztráceli z očí: budou nám vodítkem pro to, jak učit a jak ne.

O některých konkrétních prostředcích k dosažení těchto cílů budu mluvit v třetí části tohoto blogu.

Martin Macháček