Digitální technologie ve výuce fyziky na ZŠ a SŠ

1. Úvodem

Účelné uplatnění digitálních technologií ve výuce fyziky je výhodné pro obě propojující se vzdělávací oblasti informatika a fyzika. Výuka fyziky přispívá k rozvoji informatického myšlení a kompetence k využití prostředků digitálních technologií, a to ve všech aspektech. A naopak, využití digitálních technologií ve výuce přispívá ke zlepšení výsledků vzdělávání a pozitivním změnám postojů žáků k fyzice, k vytváření aktuálního obrazu fyziky jako zajímavého vědního oboru.

2. Postoj žáků k výuce fyziky

Často se lze setkat s názorem, že fyzika je žáky českých škol hodnocena jako nezajímavý a obtížný předmět. Mezinárodní výzkumy PISA a TIMSS odhalily nedostatky v přírodovědné gramotnosti našich žáků. Analýzám výsledků mezinárodních výzkumů, příčinám nedostatků i postojům žáků se věnovaly i aktivity v rámci národní výzkumné činnosti. V roce 2018 v rámci příprav revizí Rámcových vzdělávacích programů vznikla analyticko-syntetická podkladová studie K problematice fyzikálního vzdělávání v ČR před revizemi RVP [1]. Mezi doporučeními k revizím RVP je uveden i požadavek nalézt rozumné využití digitálních technologií ve výuce fyziky. Jako východisko k návrhu řešení využijeme výběr z výsledků rozsáhlého dotazníkového průzkumu popsaného v publikaci L. Dvořák a kol. Lze učit fyziku zajímavěji a lépe? [2]:

1. Fyzika ve škole i mimo školu žáky vyšších ročníků gymnázia a SOŠ spíše nebaví, nicméně získané průměrné hodnoty (2,6 a 2,7) nejsou od středu škály (2,5) příliš vzdáleny. Žáci ZŠ a nižších ročníků gymnázia dokonce vyjádřili mírně nadprůměrný výsledek (2,3), tj. fyzika je spíše baví. Ovšem fyzika je žákům „vzdálená“; dále je pro žáky „nudná“, „složitá“ a „stará“. Pojem fyzika je žáky asociován spíše s pojmy teorie, vzorec, škola a povinnost než s pojmy věda, příroda, svět a láska.
2. Více než 50 % žáků se domnívá, že fyziku budou potřebovat ve svém životě. Fyziku se žáci nejčastěji učí proto, že chtějí mít dobré známky a protože jejich rodiče chtějí, aby měli dobré známky. Žáci vyšších ročníků gymnázia a SOŠ se fyziku učí také proto, že ji podle svého názoru budou potřebovat v budoucím povolání. Nejméně žáků souhlasí s tím, že by se fyziku učili proto, že je baví.
3. Pojem fyzika vnímají žáci značně odděleně od pojmu věda. Žáci, kteří fyziku vnímají spíše jako vědní obor, vnímají fyziku pozitivněji než žáci, kteří ji vnímají spíše jako vyučovací předmět.
4. Žáci obecně preferují ve výuce především témata, která se týkají moderních technologií a vesmíru.
5. Žáci by se ve fyzice chtěli zaměřit především na získávání dovedností užitečných pro život. Nejméně by je pak zajímaly životy vědců a historické souvislosti.
6. Nejoblíbenější činností, kterou by žáci rádi provozovali, je provádění pokusů vlastníma rukama.

Informační zdroje:

[1] Podkladová studie K problematice fyzikálního vzdělávání v ČR před revizemi RVP. Dostupné online: https://kdf.mff.cuni.cz/RVPfyzika/lib/exe/fetch.php?media=podkladova_studie.pdf.

[2] L. Dvořák a kol. Lze učit fyziku zajímavěji a lépe? Dostupné online: https://kdf.mff.cuni.cz/vyzkum/NPVII/PriruckaProUcitele.pdf.

3. Cesty k oživení zájmu a zlepšení kompetencí žáků

Z výsledků mezinárodních šetření i uvedených tuzemských dotazníkových průzkumů lze vyvodit možnosti, jak zlepšit výsledky vzdělávání i postoje žáků k výuce fyziky a fyzice jako vědnímu oboru:

• Představit fyziku jako dynamicky se rozvíjející vědu, která nabízí a hledá cesty k řešení aktuálních problémů civilizace na Zemi, vytvářela a vytváří základy technických řešení současných i budoucích problémů; nabízí významné příležitosti uplatnění pro zvídavé žáky i pro ty, kteří se chtějí věnovat fyzice profesně.
• Ukázat, že výuka fyziky na ZŠ a SŠ používá – byť na zjednodušených modelech – obdobné postupy (experimenty, teoretické úvahy, diskuse, týmová práce), jaké se uplatňují ve vědním oboru.
• Vyjít vstříc zájmu žáků o nejnovější výsledky vědního oboru fyzika, o aplikace fyzikálních jevů a zákonů v praxi, resp. v oboru vzdělání žáků, a nalézt vhodný způsob, jak žákům vysvětlit i nejnovější technologie, s nimiž se již setkávají v praxi a které jsou založené na jevech, které nejsou prozatím zařazeny do učiva běžného kurzu fyziky (např. nanotechnologie, výzkumy na urychlovačích, laserové technologie, …). V SOŠ pak zdůrazňovat zejména aplikace v oboru vzdělání žáků.
• Vyjít vstříc zájmu žáků o aktivní činnosti (bádání, měření, experimenty). Nutno dodat, že je k tomu třeba vybírat problémy pro žáky uchopitelné a používat prostředky, které jsou žákům blízké, jsou součástí světa, ve kterém žijí. Z tohoto pohledu je využití prostředků DT výbornou příležitostí.
• Vyjít vstříc zájmu žáků na získávání dovedností užitečných pro život diskusemi o aplikacích, v dnešní praxi často spojených s digitálními technologiemi.

Navržené směry jsou v souladu s doporučeními analyticko-syntetické podkladové studie K problematice fyzikálního vzdělávání v ČR před revizemi RVP [1] a při jejich uskutečnění lze efektivně využít digitální technologie.

4. Digitální technologie ve vědě a ve výuce fyziky

Fyzika je dnes vědní obor, v němž se základní i aplikovaný výzkum bez digitálních technologií neobejde. Ve velkých vědeckých projektech, jako jsou například mezinárodní kosmická stanice ISS [1], laboratoř pro sledování gravitačních vln LIGO [2], Evropská organizace pro jaderný výzkum CERN [3], Laserové centrum Dolní Břežany ELI Beamlines [4] nebo právě budovaný mezinárodní termonukleární experimentální reaktor ITER [5], se digitální technologie prolínají celým procesem vědecké práce – od přípravy experimentů k jejich řízení a poté sběru a analýze získaných dat. Nezastupitelnou roli hrají technologie při přípravě modelů přírodních jevů – např. v meteorologii nebo klimatologii [6]. V neposlední řadě pak prostřednictvím snadného sdílení dat či pořádáním videokonferencí usnadňují spolupráci mezinárodních týmů.

Využití digitálních technologií umožňuje přiblížit výuku fyziky procesům a aktuálnímu stavu fyziky jakožto vědního oboru tím, že ve výuce nabízí

• výbornou možnost ukázat postupy fyzikálního bádání na zjednodušených modelech při žákovských experimentech či při zpracování dat, a to prostředky, které jsou žákům blízké;
• příležitost simulovat experimenty, modelovat jevy a graficky objasňovat zákonitosti jevů, které nelze v podmínkách základní nebo střední školy zkoumat přímo;
• možnost vyhledávat a zpracovat informace z otevřených zdrojů, zejména v žákovských projektech a komplexních úlohách na bázi fyziky;
• příležitost využít prostředků digitální technologie při prezentacích výsledků bádání a zajímavých informací;
• možnost řešit s fyzikou spojené problémy diskusí mezi žáky různých škol, zahraniční nevyjímaje, či prostřednictvím videokonferencí;
• možnost využívat digitální technologie při řízení procesu výuky.

Zapojení digitální technologie do výuky nemůže být další časovou a obsahovou přítěží – pro učitele v přípravě i v organizaci výuky, pro žáky v nárocích na mimoškolní přípravu. Vhodné nasazení digitální technologie může přispět k vyšší efektivitě výuky tím, že napomůže k rychlejšímu pochopení učiva i tomu, že výuka žáky zaujme a pozitivně motivuje.

Nemá-li se záměr minout s realitou výuky, musí mít učitelé k dispozici dobře připravenou a dostupnou metodickou podporu. Již dnes jsou dostupné metodické materiály, které je možno přímo využít, případně se jimi inspirovat a přizpůsobit je podmínkám výuky na konkrétní škole. Příklady takových materiálů uvádíme v následující kapitole. Tuto nabídku je třeba neustále doplňovat a připravovat další metodické náměty vhodné k okamžitému využití. Nabídka metodických materiálů musí být pestrá a musí respektovat rozdílné podmínky škol mj. i z hlediska vybavení prostředky digitálních technologií.

Informační zdroje:

[1] NASA: International Space Station. Dostupné online: https://www.nasa.gov/mission_pages/station/main/index.html.

[2] LIGO: Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory. Dostupné online: https://www.ligo.caltech.edu/.

[3] Výzkumná infrastruktura CERN‑CZ. Dostupné online: http://www.particle.cz/infrastructures/CERN-CZ/.

[4] ELI Beamlines: Nejintenzivnější laser na světě. Dostupné online: https://www.eli-beams.eu/cs/.

[5] Velké výzkumné infrastruktury: ITER – International Thermonuclear Experimental Reactor. Dostupné online: https://www.vyzkumne-infrastruktury.cz/mezinarodni-organizace-vyzkumu/iter/.

[6] Brožková, R.: Jak spočítat počasí. Vesmír 89, 738–744, 2010. Dostupné online: https://vesmir.cz/cz/casopis/archiv-casopisu/2010/cislo-12/jak-spocitat-pocasi.html.

5. Několik konkrétních příkladů aneb kde se inspirovat

Role DT ve fyzikálním vzdělávání může být velmi různorodá – v některých případech jde spíše o doplnění nebo ozvláštnění jinak „nedigitální“ výuky, jindy může být vyučovací hodina na nových technologiích založena zcela. Níže je uvedeno několik oblastí využití DT ve výuce fyziky, a to společně s konkrétními příklady možných aktivit a odkazy na již publikované materiály. Uvádíme materiály, které jsou volně dostupné a často byly vytvořeny aktivními učiteli fyziky, kteří s nimi mají ze své výuky autentickou zkušenost.

• Zpracování veřejně dostupných dat: Na internetu se lze volně dostat k rozsáhlým databázím, které mohou poskytovat i údaje zajímavé pro fyzikální vzdělávání – např. může jít o surová data naměřená v rámci vědeckého experimentu apod. Ve výuce se nabízí možnost pomocí tabulkových editorů (třeba MS Excel) tato data zpracovávat – vytvářet grafy, hledat předpisy matematických závislostí apod. Ukázkou takového přístupu je například práce s databázemi vlastností atomových jader [1, 2] nebo se seznamem solárních elektráren v ČR [3].
• Simulace a applety: Simulace, applety a animace do fyzikálního vzdělávání v posledních letech neodmyslitelně patří a jejich dostupnost pro výuku se i díky překladům do češtiny stále zlepšuje. Kromě názornosti a dynamických prvků applety často nabízejí i jakési virtuální měření – zobrazují dopočítávané hodnoty veličin, které aktuálně zobrazené situaci odpovídají. Jako užitečné odkazy lze uvést například stránky projektu PheT Interactive Simulations [4] nebo sbírku fyzikálních animací na portále GeoGebra [5].
• Vizualizace dějů, které okem nezaznamenáme: Rozvoj digitálních technologií s sebou nese i neustále klesající ceny zařízení, které nám umožňují sledovat i jevy, jež by jinak zůstávaly našemu zraku utajeny. Mezi atraktivní pomůcky, které mají ve výuce fyziky potenciálně široké využití, patří například termovizní kamery [6] nebo jednoduché digitální mikroskopy [7].
• Počítačem podporovaný experiment: Kromě výše uvedených pomůcek je tu široká paleta zařízení, která jsou přímo určena k využití v rámci přírodovědného vzdělávání – jde například o školní experimentální systémy Vernier či PASCO, které nabízejí desítky čidel pro měření konkrétních fyzikálních veličin; náměty na experimenty jsou dostupné nebo odkazované z webových stránek prodejců. Jako měřicí zařízení lze využít také chytré telefony, které mají integrované senzory využitelné ve výuce – např. akcelerometr, luxmetr či hlukoměr [8]; stejně tak lze využít zabudovaný fotoaparát/kameru [9].
• Vzdálené laboratoře: Zejména pro školy, které nedisponují experimentálním vybavením, může být zajímavou cestou vzdálený přístup k experimentům provozovaným pod záštitou jiných pracovišť, např. univerzit [10]. Z důvěrně známého prostředí své učebny tak mohou žáci nastavovat počáteční podmínky experimentů, zasahovat do jejich průběhu a měřit příslušné veličiny.
• Robotizace: V souvislosti s průmyslem 4.0 se hovoří o robotizaci a automatizaci prakticky ve všech průmyslových odvětvích; do školního prostředí se tento trend dostává například prostřednictvím platformy Arduino, která potenciálně spojuje výuku informatiky (programování) s výukou fyziky (měření pomocí čidel), jak ilustrují například [11, 12]. Větší novinkou ve školách jsou pak ozoboti, miniaturní roboti schopní sledovat předkreslenou dráhu, kteří kromě výuky programování poslouží i fyzikářům [13].
• Modelování: Fyzikální modelování není žádnou novinkou, ale prostředí, ve kterých se odehrává, jsou uživatelsky přívětivější a umožňují tak jeho snazší zapojení do výuky – příkladem může být intuitivní použití jazyka Visual Python [14] nebo hravého prostředí platformy Algodoo.
• 3D tisk: Rychle se rozvíjející 3D tisk může být využit například pro výrobu vlastních fyzikálních pomůcek [15], některé již hotové modely obsahuje databáze [16].
• Učební platformy: Digitální technologie mohou proměňovat nejenom obsah a formy výuky, ale také podobu celého vzdělávacího procesu. Učební platformy umožňují elektronizované testování studentů, automatizované procvičování rutinních znalostí, vedení sdílených diskusí nad daným problémem nebo využití výukových her. Mezi známé platformy tohoto typu patří Kahoot! nebo Moodle.
• Sdílení výukových materiálů: Jediným kliknutím se ale dostaneme i k mnoha dalším zajímavým materiálům, které jsou volně dostupné. Krásná fyzikální videa nabízí například YouTube (zmiňme namátkou kanály NASA, CERNu nebo Hubbleova teleskopu), bohatým zdrojem řešených úloh a námětů na experimenty jsou sbírky [17] a [18].

Informační zdroje:

[1] Koupilová, Z.: Co se můžeme dozvědět o atomovém jádru? In: Dílny Heuréky 2013 (Sborník konference projektu Heuréka), s. 45‒53, 2014, Praha: Nakladatelství P3K. Dostupné online: https://kdf.mff.cuni.cz/heureka/sborniky/DilnyHeureky_2013.pdf.

Poznámka: Příspěvky z konference Dílny Heuréky (tato konference je zmíněna i v některých dalších referencích) mohou odkazovat na přiložené přílohy. Ty lze nalézt u příslušného roku konání na stránce https://kdf.mff.cuni.cz/heureka/sborniky/.

[2] Koupilová, Z.: Co všechno se lze dozvědět z hmotností atomových jader? In: Dílny Heuréky 2014 (Sborník konference projektu Heuréka), s. 92‒107, 2015, Praha: Matfyzpress. Dostupné online: https://kdf.mff.cuni.cz/heureka/sborniky/DilnyHeureky_2014.pdf.

[3] Holman, L.: Dálkový průzkum Země – Analýza družicového snímku. In: Dílny Heuréky 2016 (Sborník konference projektu Heuréka), s. 24‒41, 2017, Praha: Matfyzpress. Dostupné online: https://kdf.mff.cuni.cz/heureka/sborniky/DilnyHeureky_2016.pdf.

[4] University of Colorado Boulder: PheT Interactive Simulations. Dostupné online: https://phet.colorado.edu/cs/simulations/category/physics.

[5] Geogebra: Materiály. Dostupné online: https://www.geogebra.org/search/fyzika.

[6] Kácovský, P.: Experimenty podporující výuku termodynamiky na středoškolské úrovni. Disertační práce na MFF UK, s. 67‒109, 2016. Dostupné online: http://kdf.mff.cuni.cz/~kacovsky/disertace.pdf.

[7] Kusák, R.: Jak se dívat do mikrosvěta pomocí mobilu a USB mikroskopu. In: Dílny Heuréky 2017 (Sborník konference projektu Heuréka), s. 55‒59, 2018, Praha: Matfyzpress. Dostupné online: https://kdf.mff.cuni.cz/heureka/sborniky/DilnyHeureky_2017.pdf.

[8] Vochozka, V.: Multimediální výuka fyziky. Disertační práce na FP ZČU v Plzni, s. 57‒67, 2017. Dostupné online: https://dspace5.zcu.cz/bitstream/11025/28417/1/Multimedialni_vyuka_fyziky-Vladimir_Vochozka2017_Disertacni_prace.pdf.

[9] Kusák, R.: Použití kamery mobilních telefonů a tabletů. In: Dílny Heuréky 2016 (Sborník konference projektu Heuréka), s. 93‒115, 2017, Praha: Matfyzpress. Dostupné online: https://kdf.mff.cuni.cz/heureka/sborniky/DilnyHeureky_2016.pdf.

[10] Lustig, F.: Jak si jednoduše postavit svůj vlastní vzdálený experiment na mobilních a dotykových zařízeních. In: Veletrh nápadů učitelů fyziky 20, s. 168‒176, 2016, Praha: Nakladatelství P3K. Dostupné online: http://vnuf.cz/sbornik/rocniky/Veletrh_20_(Praha_2015).pdf.

[11] Jílek, M.: Hrátky s Arduinem. In: Dílny Heuréky 2015 (Sborník konference projektu Heuréka), s. 64‒68, 2016, Praha: Matfyzpress. Dostupné online: https://kdf.mff.cuni.cz/heureka/sborniky/DilnyHeureky_2015.pdf.

[12] Jílek, M.: Měříme s Arduinem. In: Dílny Heuréky 2016 (Sborník konference projektu Heuréka), s. 47‒50, 2017, Praha: Matfyzpress. Dostupné online: https://kdf.mff.cuni.cz/heureka/sborniky/DilnyHeureky_2016.pdf.

[13] Baierlová, Š., Králíková, M.: Ozoboti ve výuce fyziky. In: Dílny Heuréky 2019 (Sborník konference projektu Heuréka), s. 9‒18, 2020, Praha: Matfyzpress. Dostupné online: http://kdf.mff.cuni.cz/heureka/sborniky/DilnyHeureky_2019.pdf.

[14] Ryston, M.: Fyzikální animace ve Visual Pythonu. In: Dílny Heuréky 2017 (Sborník konference projektu Heuréka), s. 85‒87, 2018, Praha: Matfyzpress. Dostupné online: http://kdf.mff.cuni.cz/heureka/sborniky/DilnyHeureky_2017.pdf.

[15] Vochozka, V., Šerý, M.: Tvorba fyzikálních pomůcek 3D modelováním, 3D tiskem a CNC frézkou. In: Veletrh nápadů učitelů fyziky 23, s. 235‒242, 2018, České Budějovice: Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích. Dostupné online: http://home.pf.jcu.cz/~vnufcb/CD/pdf/VNUF23_37.pdf.

[16] Fyzikář 3D. Dostupné online: https://fyzikar3d.wordpress.com/.

[17] Sbírka řešených úloh. Dostupné online: http://reseneulohy.cz/cs/fyzika.

[18] Sbírka fyzikálních pokusů. Dostupné online: http://fyzikalnipokusy.cz/cs/fyzika.

6. Závěr

Využití digitálních technologií ve výuce fyziky není jediný, vše řešící způsob zlepšení současného stavu fyzikálního vzdělávání na ZŠ a SŠ, ale nelze jej opominout. Digitální technologie může významně k pozitivní změně výuky fyziky přispět, je-li vhodně použita. Cílem je přiblížit výuku fyziky světu, ve kterém současní žáci žijí, jejich vnímání světa, jeho problémům a technologiím, s nimiž se setkávají a které používají. Cílem je zvýšení zájmu žáků o fyziku a zlepšení jejich přírodovědné kompetence zejména v oblasti fyzikálního vzdělávání. A to se všemi pozitivními důsledky, které s tím souvisejí; uveďme alespoň vliv na volbu povolání.

Formální úpravy RVP, metodická doporučení a modelové ŠVP vytvářejí jen půdu pro realizaci uvedených záměrů. Rozhodující jsou role učitele a podmínky, za nichž má učitel žádoucí změnu realizovat. Vybavení škol/žáků potřebnou technikou je věcí reálných možností. Je velmi výhodné, využívá-li žák při výuce co nejvíce digitální technologie a prostředky, které používá i mimo vyučování – zde např. chytré mobily vybavené patřičným softwarem, na SOŠ i technologie a prostředky, které používá v odborném vzdělávání.

Aplikaci digitálních technologií ve výuce je třeba podpořit nabídkou dobře zpracovaných a dobře dostupných metodických materiálů, které přesvědčí učitele, že účelné použití digitální technologie výuku zefektivní, že je pro výsledky vzdělávání žáků i pro práci učitele výhodné. Zkušenost ukazuje, že nejlepší metodické materiály vznikají ze spojení pedagogické praxe s vývojem vědního oboru. Vítaným příspěvkem jsou všechny náměty a zkušenosti ze škol i vědeckých pracovišť k použití digitálních technologií ve výuce fyziky. Zdařilé a inspirativní příklady a náměty uveřejní Národní pedagogický institut České republiky na Metodickém portálu RVP.CZ a dalších portálech zabývajících se uplatněním digitálních technologií ve výuce.

7. Poděkování

Děkuji pracovníkům Katedry didaktiky fyziky Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy za významné podněty a příspěvky k tomuto textu, za jejich vstřícnost a ochotu přispět k jeho vzniku.