Κάποιες σκέψεις που αφορούν την εκπαιδευτική διαδικασία στο μάθημα της Φυσικής.
Θερμότητα, κύματα και διακρότημα υπό διερεύνηση
Τι συμβαίνει όταν η Φυσική εγκαταλείπει τον πίνακα και επιστρέφει εκεί όπου γεννήθηκε δηλαδή στο εργαστήριο; Όταν παύει να είναι μια ακολουθία τύπων προς απομνημόνευση και μετατρέπεται σε φαινόμενο, ερώτημα και βιωματική εμπειρία;
Σε μια σχολική τάξη, μαθητές της Γ΄ Λυκείου δεν κλήθηκαν να απαντήσουν σε ένα προκαθορισμένο ερώτημα, αλλά να διερευνήσουν ένα φαινόμενο. Μια θερμική πηγή, ένας σωλήνας και ένας ήχος αποτέλεσαν την αφετηρία για μια σειρά από παρατηρήσεις και απορίες: πότε και γιατί παράγεται ήχος, πώς μεταβάλλεται, και τι συμβαίνει όταν συνυπάρχουν διαφορετικά ηχητικά κύματα στον ίδιο χώρο. Οι απαντήσεις δεν προϋπήρχαν· προέκυψαν μέσα από πειραματισμό, μετρήσεις και συζήτηση, στο πλαίσιο ενός πειράματος θερμοακουστικής που έφερε τη σύγχρονη Φυσική στο σχολικό εργαστήριο.
Από τη θερμότητα… στο διακρότημα
Η αφορμή για τη δραστηριότητα δόθηκε από την ενότητα της Γ΄ Λυκείου που αφορά τη σύνθεση των ταλαντώσεων και ειδικότερα το φαινόμενο του διακροτήματος. Πρόκειται για μια ενότητα που, στην πράξη, διδάσκεται σχεδόν αποκλειστικά στον πίνακα: επίλυση ασκήσεων με τους τύπους των ταλαντώσεων, εξαγωγή της σχέσης της απομάκρυνσης για τη σύνθεση δύο αρμονικών ταλαντώσεων ίδιας διεύθυνσης που γίνονται γύρω από το ίδιο σημείο με το ίδιο πλάτος και διαφορετικές συχνότητες και έμφαση σε τεχνικές λεπτομέρειες, καθώς οι μαθητές προετοιμάζονται για τις πανελλαδικές εξετάσεις. Ουσιαστικά, στη συγκεκριμένη ενότητα οι μαθητές, τόσο στα δημόσια σχολεία όσο και στα φροντιστήρια, μαθαίνουν πώς μπορούν να προσθέσουν δύο ημίτονα και να αναπαράγουν μια νέα κυματομορφή, αυτή που κοσμεί και το οπισθόφυλλο του βιβλίου προσανατολισμού. Πρόκειται, όμως, κυρίως για μια αλγεβρική άσκηση στη σύνθεση συναρτήσεων και όχι για τη μελέτη ενός φυσικού φαινομένου, καθώς ο ήχος, η παραγωγή του και η αντίληψή του παραμένουν εκτός συζήτησης.
Το σημαντικό όμως δεν είναι πώς λύνεται μια άσκηση με ένα τύπο στον πίνακα, ούτε πώς υπολογίζουμε την περίοδο του διακροτήματος. Το ζητούμενο είναι τι πραγματικά συμβαίνει στο φυσικό σύστημα όταν δύο ήχοι με πολύ κοντινές συχνότητες συνυπάρχουν στον ίδιο χώρο. Πώς γεννιέται το φαινόμενο, πώς γίνεται αντιληπτό και πώς μπορεί να μελετηθεί πειραματικά.
Αυτό το ερώτημα άνοιξε τον δρόμο μέσω της εκπαιδευτικής διαδικασίας προς έναν λιγότερο γνωστό αλλά απολύτως σύγχρονο τομέα της Φυσικής: τη θερμοακουστική.
Τι πραγματικά μελετά η θερμοακουστική
Η θερμοακουστική είναι ένας σύγχρονος τομέας της Φυσικής που μελετά την αλληλεπίδραση μεταξύ θερμικών διεργασιών και ακουστικών φαινομένων σε αέρια μέσα. Εξετάζει πώς η μεταφορά θερμότητας, μέσω μεταβολών της πίεσης, της θερμοκρασίας και της πυκνότητας ενός αερίου, μπορεί να συνδεθεί με μηχανικές ταλαντώσεις και να οδηγήσει στη δημιουργία ή στην ενίσχυση ηχητικών κυμάτων. Αποτελεί, παράλληλα, ένα ιδιαίτερα πρόσφορο πεδίο για να αποσαφηνιστεί η διαφορά ανάμεσα στη θερμότητα, τη θερμοκρασία και την εσωτερική ενέργεια, έννοιες που συχνά συγχέονται στη σχολική διδασκαλία. Η θερμότητα δεν είναι μορφή ενέργειας που «υπάρχει», αλλά ενέργεια που μεταφέρεται λόγω διαφοράς θερμοκρασίας. Η εσωτερική ενέργεια είναι ιδιότητα του συστήματος, ενώ το ακουστικό κύμα δεν είναι ενέργεια, αλλά μηχανική διαταραχή που διαδίδεται μέσω του μέσου.
Η θερμοακουστική μελετά συγκεκριμένα πώς, σε κατάλληλες συνθήκες, η μεταφορά θερμότητας μπορεί να αλληλεπιδράσει με τις μηχανικές ταλαντώσεις ενός αερίου, οδηγώντας στη δημιουργία ή στην ενίσχυση ακουστικών κυμάτων. Η αλληλεπίδραση αυτή χρησιμοποιείται σε θερμοακουστικές μηχανές και ψυκτικά συστήματα χωρίς κινούμενα μέρη, σε κρυογονικούς ψύκτες για δορυφόρους, σε ηλιακούς θερμοακουστικούς ψύκτες, στην ανάκτηση απορριπτόμενης θερμότητας σε βιομηχανίες, στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από θερμότητα και ακόμη σε διαχωρισμό μιγμάτων αερίων. Πρόκειται για τεχνολογίες που αξιοποιούν απλά, φιλικά προς το περιβάλλον αέρια, με υψηλή αξιοπιστία και ελάχιστη συντήρηση, καθιστώντας τη θερμοακουστική μια σύγχρονη, βιώσιμη εναλλακτική στις συμβατικές θερμικές μηχανές.
Κριτήριο του Rayleigh
Η βασική αρχή που διέπει το φαινόμενο περιγράφεται από το κριτήριο του Rayleigh: όταν προσφέρεται θερμότητα στο αέριο τη στιγμή της μέγιστης συμπίεσης ή αφαιρείται θερμότητα τη στιγμή της μέγιστης αραίωσης, τότε το ακουστικό κύμα ενισχύεται.
Η εξήγηση βρίσκεται στον συγχρονισμό θερμικής διεργασίας και ταλάντωσης. Η παροχή θερμότητας αυξάνει την πίεση τη στιγμή που αυτή ήδη μεγιστοποιείται, ενώ η αφαίρεση θερμότητας κατά την αραίωση τη μειώνει περαιτέρω. Έτσι, μέρος της εσωτερικής ενέργειας του συστήματος μετατρέπεται σε μηχανικό έργο που διατηρεί και ενισχύει το ηχητικό κύμα.
Από την επιστημονική έρευνα στη σχολική τάξη
Η ιδέα για την υλοποίηση του πειράματος βασίστηκε σε παρουσίαση που πραγματοποιήθηκε στο ΕΚΦΕ Κω, από τον υπεύθυνο του Εργαστηριακού Κέντρου Φυσικών Επιστημών Παπαδάκη Ιωάννη, όπου παρουσιάστηκε μια απλή θερμοακουστική διάταξη προσαρμοσμένη στις δυνατότητες του σχολικού εργαστηρίου. Το ζητούμενο όμως δεν ήταν απλώς η αναπαραγωγή ενός εντυπωσιακού φαινομένου, αλλά η ένταξή του σε μια διδακτική λογική που δίνει προτεραιότητα στη διερεύνηση.
Η Φυσική ως ανοιχτή διερεύνηση
Το φαινόμενο παρουσιάστηκε ως πρόβλημα προς διερεύνηση. Η προσέγγιση βασίστηκε στην ανοιχτή διερεύνηση (open inquiry): οι μαθητές, με τη βοήθεια ενός φυλλομετρητή στον διαδραστικό πίνακα και ενός εργαλείου τεχνητής νοημοσύνης, χωρίς συγκεκριμένες οδηγίες, αποφάσισαν οι ίδιοι το ερευνητικό ερώτημα, τη διαδικασία, τις μεταβλητές και τον τρόπο καταγραφής των δεδομένων.
Η επιλογή της ανοιχτής διερεύνησης δεν είναι παιδαγωγική πολυτέλεια. Όταν δίνονται αναλυτικές οδηγίες, οι μαθητές μαθαίνουν απλώς να εκτελούν, γεγονός που συχνά τους μετατρέπει σε παθητικούς εκτελεστές. Αντίθετα, η κριτική ικανότητα καλλιεργείται όταν οι ίδιοι αυτενεργούν, σχεδιάζουν, υλοποιούν και αξιολογούν την πειραματική διαδικασία. Ο ρόλος του εκπαιδευτικού σε αυτή την περίπτωση περιορίζεται συνειδητά σε αυτόν του υποστηρικτή και συνομιλητή. Ιδιαίτερη σημασία έχει αυτό σε τάξεις της Γ΄ Λυκείου, όπου συχνά υπάρχουν μαθητές που δεν στοχεύουν στην είσοδο στην τριτοβάθμια εκπαίδευση, αλλά επιδιώκουν την ολοκλήρωση της φοίτησής τους με την απόκτηση του απολυτηρίου. Οι μαθητές αυτοί, όταν η διδασκαλία περιορίζεται αποκλειστικά στην επίλυση τυποποιημένων ασκήσεων πανελλαδικού τύπου, τείνουν να αποστασιοποιούνται και να μη συμμετέχουν ενεργά στη μαθησιακή διαδικασία. Η ανοιχτή διερεύνηση και η δυνατότητα μιας πιο εξατομικευμένης παιδαγωγικής προσέγγισης μπορούν να λειτουργήσουν ως γέφυρα επανασύνδεσης με το μάθημα, προωθώντας στην πράξη αυτό που συχνά περιγράφεται ως συμπερίληψη.
Σωλήνες Sondhauss με υλικά καθημερινής χρήσης
Οι μαθητές κατασκεύασαν δύο σωλήνες Sondhauss χρησιμοποιώντας υλικά καθημερινής χρήσης, όπως δείχνεται στην προηγούμενη εικόνα δηλαδή: σύρμα κουζίνας, χαρτί κουζίνας, γκαζάκια και έναν αναπτήρα. Από το σχολικό εργαστήριο Φυσικής χρειάστηκαν μόνο δύο γυάλινοι σωλήνες και ορθοστάτες για τη στήριξή τους, γεγονός που υπογραμμίζει ότι, με ελάχιστο εργαστηριακό εξοπλισμό, το πείραμα μπορεί να αναπαραχθεί με ασφάλεια και από τους ίδιους τους μαθητές.
Η διεθνής πρακτική είναι τα πειράματα να γίνονται με υλικά καθημερινής χρήσης που οι μαθητές μπορούν εύκολα να βρουν όχι μόνο στο εργαστήριο Φυσικής αλλά και στο σπίτι τους, ενισχύοντας τη σύνδεση της σχολικής Φυσικής με την καθημερινή εμπειρία.
Μήκος σωλήνα, συχνότητα και δεδομένα
Ένα από τα βασικά ερωτήματα που τέθηκαν από τους ίδιους τους μαθητές αφορούσε τη σχέση μεταξύ του μήκους του σωλήνα και της συχνότητας του παραγόμενου ήχου. Για τη μέτρηση της συχνότητας κάθε ηχητικής πηγής, πριν τη δημιουργία του διακροτήματος, χρησιμοποιήθηκε το ελεύθερο λογισμικό phyphox σε κινητές συσκευές.
Τα δεδομένα αποτυπώθηκαν σε γραφικές παραστάσεις συχνότητας–μήκους, από τις οποίες προέκυψε καθαρά ότι όσο αυξάνεται το μήκος του σωλήνα, η θεμελιώδης συχνότητα μειώνεται, σύμφωνα με το μοντέλο των στάσιμων κυμάτων. Το διάγραμμα λειτούργησε ως εργαλείο ερμηνείας και όχι απλώς ως επιβεβαίωση θεωρίας.
Το διακρότημα ως εμπειρία
Όταν οι δύο σωλήνες λειτούργησαν ταυτόχρονα, οι μαθητές άκουσαν καθαρά το διακρότημα: την περιοδική αυξομείωση της έντασης του ήχου, αποτέλεσμα της συμβολής δύο ηχητικών κυμάτων με ελαφρώς διαφορετικές συχνότητες. Ένα φαινόμενο που συνήθως παραμένει αφηρημένο —ένα σχήμα στο βιβλίο ή μια μαθηματική περιγραφή στον πίνακα— μετατράπηκε σε βιωματική εμπειρία.
Ο εκπαιδευτικός παρότρυνε τους μαθητές να φωτογραφίσουν και να βιντεοσκοπήσουν το πείραμα και να το μοιραστούν στα μέσα κοινωνικής τους δικτύωσης. Όχι ως «εντυπωσιασμό», αλλά ως πράξη διάχυσης της επιστημονικής εμπειρίας: η Φυσική να βγει από το τετράδιο και το εργαστήριο και να βρεθεί στον δημόσιο χώρο όπου σήμερα διαμορφώνονται αντιλήψεις, στάσεις και —συχνά— παρανοήσεις.
Εκπαίδευση η μόνη λύση
Η παρουσίαση αυτής της εκπαιδευτικής πρότασης δεν αφορά μόνο τη Φυσική. Αφορά τον ίδιο τον ρόλο του σχολείου σε μια κοινωνία όπου ο ανορθολογισμός δεν βρίσκεται πια στο περιθώριο, αλλά συχνά καταλαμβάνει τον δημόσιο λόγο. Το κρίσιμο ζητούμενο της εκπαίδευσης δεν είναι η απομνημόνευση θέσεων ή η υιοθέτηση απόψεων, αλλά η απόκτηση εργαλείων κρίσης: η ικανότητα να αξιολογείται ένας ισχυρισμός με βάση τη λογική και την επιστημονική μέθοδο, ανεξάρτητα από το κύρος, τη θέση ή την προβολή εκείνου που τον διατυπώνει. Δεν έχει σημασία ποιος μιλά· σημασία έχει τι λέει και αν αυτό που λέει αντέχει στον έλεγχο.
Όπως επισημαίνει ο Jacques Barzun, η εστίαση της προσοχής, η προσεκτική παρακολούθηση ενός συλλογισμού, η αναγνώριση μιας ασάφειας ή ενός λογικού άλματος, ο έλεγχος των υποθέσεων μέσω αντιπαραδειγμάτων και η οργάνωση της σκέψης δεν αποτελούν αφηρημένες δεξιότητες. Καλλιεργούνται μόνο μέσα από τη συστηματική ενασχόληση με συγκεκριμένα προβλήματα, μέσα από τις δυσκολίες, τις αποτυχίες και τις αναθεωρήσεις που συνοδεύουν κάθε ουσιαστική μαθησιακή διαδικασία.
Σε αυτό το πλαίσιο, δεν μπορεί να γίνεται ανεκτό στον δημόσιο λόγο να τίθεται υπό αμφισβήτηση η επιστημονικότητα της θεωρίας της εξέλιξης από πρόσωπα με παιδαγωγικό ρόλο, ούτε να εξισώνονται τεκμηριωμένες επιστημονικές θεωρίες με προσωπικές απόψεις. Η εκπαίδευση οφείλει να θωρακίζει τους μαθητές απέναντι σε τέτοιες συγχύσεις, όχι διδάσκοντάς τους «σωστές απαντήσεις», αλλά μαθαίνοντάς τους πώς να ελέγχουν την εγκυρότητα ενός ισχυρισμού.
Ο ανορθολογισμός δεν αποτελεί πρόβλημα μόνο «μακρινών χωρών». Είναι εύκολο να δείξει κανείς παραδείγματα αλλού —όπως την εισαγωγή μαθημάτων αστρολογίας σε πανεπιστήμια της Ινδίας ή τις θεωρίες περί επίπεδης Γης— και ταυτόχρονα να αδυνατεί να αναγνωρίσει τον ίδιο μηχανισμό όταν εκδηλώνεται στον άμεσο κοινωνικό του περίγυρο. Όταν, για παράδειγμα, δημόσια πρόσωπα μιλούν με τον αέρα αυθεντίας για ζητήματα στα οποία δεν διαθέτουν επιστημονική ή θεσμική αρμοδιότητα, το πρόβλημα δεν είναι το πρόσωπο, αλλά η απουσία κριτικού φίλτρου από το ακροατήριο.
Σε έναν τέτοιο κόσμο, η Φυσική —και γενικότερα οι Φυσικές Επιστήμες— δεν έχουν απλώς γνωστικό ρόλο. Λειτουργούν ως εργαστήρια σκέψης. Και το σχολείο, αν θέλει να επιτελέσει τον μορφωτικό του ρόλο, δεν μπορεί να περιορίζεται στην προετοιμασία εξετάσεων, αλλά οφείλει να καλλιεργεί πολίτες ικανούς να σκέφτονται, να αμφισβητούν και να τεκμηριώνουν.
Την ίδια στιγμή, η τεχνητή νοημοσύνη αποτελεί ήδη εργαλείο στα χέρια των μαθητών. Μπορεί να λειτουργήσει υποστηρικτικά, αλλά εγκυμονεί και σοβαρούς κινδύνους, όταν αντικαθιστά τη σκέψη με έτοιμες λύσεις και υπονομεύει την κριτική ικανότητα.
Σε αυτό το περιβάλλον, η πειραματική και διερευνητική Φυσική δεν είναι απλώς μια διδακτική επιλογή. Είναι πράξη παιδαγωγικής και κοινωνικής ευθύνης. Είναι ο τρόπος με τον οποίο το σχολείο μπορεί να καλλιεργήσει πολίτες που σκέφτονται, αμφισβητούν και κατανοούν τον κόσμο.
Η Φυσική στο εργαστήριο, όχι στον πίνακα, δεν είναι σύνθημα. Είναι αναγκαιότητα.
Παναγιώτης Πετρίδης Φυσικός
Εσπερινό Γυμνάσιο με Λ.Τ. Κω
