Perché gli studenti delle scuole medie stanno perdendo interesse per la fisica? Perché l'Australia è in ritardo nella scienza? tecnologia, ingegneria e matematica (STEM)?

Noi del progetto Einstein-First pensiamo di avere la risposta. È perché l'esperienza scientifica su Internet degli studenti è in completo conflitto con il curriculum scolastico.

Per la Settimana Nazionale della Scienza, Ho parlato con 650 studenti di età compresa tra i 5 e gli 11 anni. Ho chiesto se avessero sentito parlare di buchi neri. Almeno l'80% ha alzato la mano.

Dove troviamo i buchi neri nel curriculum scolastico? Non lo facciamo. Non puoi parlare di buchi neri usando la fisica del 19° secolo perché riguardano lo spazio curvo e il tempo deformato.

Gli studenti ci hanno chiarito che pensano che la scienza a scuola riguardi "roba vecchia".

Ecco perché dobbiamo modernizzare il curriculum. Dobbiamo sostituire i concetti del 19° secolo con i concetti del 21° secolo, e insegnare a tutti il ​​linguaggio della fisica moderna, a partire dalla scuola primaria.

Oggi lanciamo il nostro libro Insegnare la fisica einsteiniana nelle scuole. È progettato per guidare una rivoluzione nella scienza scolastica a partire dal terzo anno.

I giovani studenti afferrano i concetti di Einstein

Le scoperte di Einstein nel 1905 diedero inizio a una rivoluzione concettuale. Gli ultimi passaggi, La teoria della gravità di Einstein nel 1915 e la scoperta di de Broglie del 1924 che tutta la materia e la radiazione hanno una combinazione di ondulazione e bolle (normalmente chiamata dualità delle particelle d'onda), ha cambiato radicalmente le idee dei fisici sullo spazio, tempo, materia e radiazione. Queste scoperte sono i concetti fondamentali per quasi tutta la tecnologia moderna.

Dieci anni fa mi sono chiesto:"È possibile insegnare concetti einsteiniani nella scuola primaria?" I colleghi hanno detto:"Naturalmente no. Devi prima imparare la fisica di Newton!"

Ho risposto senza mezzi termini! La fisica newtoniana è sbagliata, sia concettualmente che di fatto. Dice che le cose possono viaggiare arbitrariamente veloci e la gravità viaggia istantaneamente, il tempo è lo stesso ovunque, massa ed energia sono indipendenti l'una dall'altra, e l'universo funziona come un orologio.

Il nostro team ha condotto una prova iniziale insegnando la fisica einsteiniana in una scuola elementare. La nostra scoperta più sorprendente è stata che i bambini non si sono stupiti:hanno semplicemente preso le idee con calma. Ciò ha portato a otto anni di prove in una varietà di scuole primarie e superiori.

Abbiamo insegnato agli studenti che la luce arriva sotto forma di fotoni che hanno una combinazione di ondulazione e proiettile, che lo spazio è curvato dalla materia e questo cambia geometria, e quel tempo è diverso in cima a una montagna. Niente di tutto questo li sorprese particolarmente.

E ai bambini è piaciuto molto. Un insegnante del terzo anno ha detto:"Alla fine stavano usando il vocabolario e comprendendo chiaramente concetti che normalmente non sarebbero stati introdotti fino al liceo. È stato davvero difficile trascinarli via dalle loro attività. Ciò che è stato sorprendente è che hanno accettato così facilmente i concetti che la maggior parte degli adulti e degli insegnanti trova molto difficile."

L'apprendimento basato sulle attività funziona ed è divertente

I bambini amano l'apprendimento basato sulle attività. E amano i giocattoli, quindi usiamo giocattoli ove possibile.

Usiamo proiettili di pistola Nerf come fotoni giocattolo, palline da ping-pong come elettroni giocattolo e molecole giocattolo fatte di palline da tennis magnetiche e palline da ping-pong. A volte usiamo macchinine come fotoni e usiamo oggetti con massa crescente per aumentare la loro proiettile (cioè quantità di moto). Questi giocattoli consentono esperimenti come la dissociazione di molecole giocattolo da fotoni UV giocattolo per spiegare perché la luce UV può rompere il nostro DNA e causare il cancro della pelle, e perché i fotoni radio (e 5G!) sono sicuri perché hanno molto meno bollettino.

La fisica einsteiniana ha un enorme potere esplicativo, sia a livello di interazioni quantistiche che di gravità. La gravità einsteiniana descrive lo spazio come un tessuto elastico. Usiamo la lycra come nostro spaziotempo giocattolo bidimensionale. L'allungamento dello spazio e del tempo è facilmente misurabile e quasi tutti i fenomeni gravitazionali possono essere osservati facendo rotolare varie palline sulla lycra, come mostra il video qui sotto.

Gli studenti di tutti i livelli adorano giocare con questi simulatori spazio-temporali. Studiano come vengono deviate le traiettorie dei fotoni quando lo spazio è curvo, come le forze del gradiente gravitazionale distruggono le comete, come le orbite cambiano il loro orientamento nello spazio (chiamato precessione), come si formano le stelle e i pianeti e come le galassie prendono le loro forme. Come ha detto un insegnante del settimo anno:"[Rende] molto più facile parlare agli studenti di cose interessanti, come l'ultima scoperta di un buco nero."

Lezioni che danno un senso al nostro mondo

L'assorbimento dei fotoni infrarossi da parte delle molecole di CO₂ determina il cambiamento climatico. Le molecole giocattolo tenute insieme da magneti consentono agli studenti di esplorare i diversi modi in cui una molecola di CO₂ vibra rispetto a una molecola di O₂, e scopri come l'assorbimento dei fotoni provoca questo.

Combiniamo i nostri giocattoli con dispositivi reali ma relativamente economici, come i pannelli solari, trapani elettrici, Luci a LED e puntatori laser.

I puntatori laser consentono di esplorare l'ondulazione della luce in un'intera gamma di esperimenti di interferenza. I pannelli solari dimostrano prontezza, fotoni che emettono elettroni, e sono ideali per quasi tutti gli studi sull'elettricità e sull'energia della scuola primaria e media. Un pannello solare può azionare un trapano elettrico da 12V, che può essere utilizzato per il sollevamento, creando calore per attrito e utilizzando l'energia che deriva dalla conversione dei fotoni in un flusso di elettroni, l'effetto fotoelettrico per il quale Einstein vinse il Premio Nobel.

Aiutare gli insegnanti a superare le proprie paure

Il più grande ostacolo all'introduzione della fisica einsteiniana è il fattore di paura per gli insegnanti. La gente sostiene ancora che sia troppo difficile per gli insegnanti. Abbiamo scoperto che se mettiamo l'attività al primo posto, come la geometria sui wok per esempio, gli insegnanti senza un background scientifico afferrano facilmente il concetto che la forma dello spazio può essere misurata facendo geometria.

L'insegnamento della fisica einsteiniana nelle scuole si basa su un'esperienza internazionale che coinvolge più di 20 autori. Viene presentato al livello necessario per gli insegnanti della scuola, compreso del materiale per il liceo.

È privo di equazioni spaventose perché queste, che sia einsteiniano o newtoniano, non trovano posto nel curriculum scolastico. Invece insegniamo molto su come affrontare i numeri enormi e i numeri minuscoli che dobbiamo prevedere per affrontare l'universo, così come la probabilità e "la matematica delle frecce" (vettori) perché questi potenti concetti sono importanti per tutti.

La maggior parte degli studenti non si specializzerà in fisica. L'obiettivo di Einstein-First è che tutti gli studenti dovrebbero finire gli anni obbligatori di scienze con le conoscenze di base e il vocabolario della nostra migliore comprensione dell'universo fisico.

Dopo aver provato il nostro programma dell'anno 7 sulla gravità, un insegnante ha riferito:"Le lezioni prevedono la modellazione di concetti con materiali 'concreti' pratici, un approccio didattico che fornisce opportunità di apprendimento multisensoriale consentendo a tutti gli studenti di essere inclusi con successo."

"Le ragazze beneficiano soprattutto del modo in cui il programma è presentato con l'apprendimento e le attività di gruppo. Non è intimidatorio, e gli insegnanti come me apprezzano il programma perché fa sentire il mio insegnamento molto più utile."

"La cosa notevole delle lezioni di fisica einsteiniana è che gli studenti sono completamente coinvolti, l'interruzione è rara, e gli studenti con difficoltà di apprendimento sono praticamente indistinguibili dagli studenti ordinari".

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.