I Pracownia Fizyczna w czasach koronawirusa

Bez wątpienia rok 2020 przejdzie do historii jako pierwszy rok ogólnoświatowej pandemii wirusa SARS-CoV-2. Zjawiska, które zmusiło nas do nowego spojrzenia na wiele codziennych aktywności człowieka i do refleksji, między innymi, nad potrzebą oraz celami edukacji.

 

Wszyscy mamy świadomość, że dzięki zdobyczom techniki, rozwojowi oprogramowania i ogólnoświatowego systemu połączeń między komputerami (określanego również jako sieć sieci - Internet) udaje się nam rozwijać tzw. nauczanie zdalne. (Trzeba oddać, że dzieje się to ogromnym wysiłkiem nauczycieli wszystkich etapów edukacyjnych, ale to już temat na inne rozważania.) 

Już samo określenie nauczanie zdalne odsłania słabość takiego podejścia - jestem zagorzałym zwolennikiem określenia uczenie się zdalne. Swoją rolę nauczyciela, ukształtowanego w duchu konstruktywizmu i dostrzegającego potencjał konektywizmu, postrzegam przede wszystkim jako organizatora uczenia się i doskonalenia moich uczniów (studentów). To oni zdobywają kompetencje i to oni są głównymi aktorami tego procesu. My - nauczyciele - pomagamy im wskazując ścieżki, które mogą doprowadzić do sukcesu (nierzadko to wręcz autostrady, choć i dróżki na manowce się zdarzają). 

Izolacja (brak bezpośredniego kontaktu) niewątpliwie ogranicza nasze możliwości i odcina nas od dotychczas podejmowanych form wsparcia w tak rozumianym kształceniu. Jednocześnie, obecna sytuacja, pozwala wypracować i przetestować nowe strategie (wręcz zmusza do tego). 

Zadanie prowadzenia procesu dydaktycznego zdalnie jest szczególnym wyzwaniem w przypadku zajęć o charakterze laboratoryjnym. W kształceniu fizycznym na poziomie wyższym I Pracownia Fizyczna jest przykładem wręcz kanonicznym. Uważam jednak, że zawieszanie tego rodzaju zajęć i niepodejmowanie, chociażby prób działania w przestrzeni zdalnej, można odebrać jest oznaką słabości dydaktycznej. Rozumiem, że jesteśmy świadomi niebezpieczeństw związanych z brakiem kontaktu bezpośredniego oraz niemożliwością udostępnienia zasobów sprzętowych i lokalowych, ale zaproponujmy naszym uczniom (studentom) pracę "na odległość" przy szczególnym wsparciu zdalnym z naszej strony. Uczelnie wyższe to jednostki, które mają prawo, zwłaszcza w obliczu zagrożeń, które wydają się paraliżować ich pracę na wiele tygodni, wymagać od studentów zaangażowania i wysiłków na drodze do realizacji celów edukacyjnych. Oznacza to, że pracując indywidualnie poza uczelnią i współpracując w środowiskach cyfrowych przez nią oferowanych (MS Office) możemy, bez znacznej utraty jakości kształcenia i rezygnacji tylko z niewielkiej części zakładanych efektów uczenia się, zajęcie takie jak I Pracownia Fizyczna prowadzić.

Spróbujmy zacząć od konkretnych treści - poniższą propozycję doświadczeń do wykonania w warunkach domowych sporządzono w oparciu o listę zadań doświadczalnych I Pracowni Fizycznej Uniwersytetu Wrocławskiego (numery ćwiczeń w nawiasach) oraz archiwum Olimpiady Fizycznej Polskiego Towarzystwa Fizycznego (oznaczenia numeru olimpiady i stopnia zawodów). Przy każdej propozycji zamieszczono link do szczegółowego opisu eksperymentu, a w części nawet przykładowych wyników. Organizacja samych spotkań i wsparcia uczniów (studentów) to już indywidualne zadanie każdego z prowadzących zajęcia - z pewnością nieprzerastające jego możliwości. Ostatecznie, jeśli nie jesteśmy przekonani, zapytajmy naszych uczniów (studentów), co o tym sądzą? 

MECHANIKA

1. Niepewności pomiarowe na przykładzie badania okresu drgań wahadła matematycznego (3). Ćwiczenie wymaga pomiaru średnicy kulki za pomocą suwmiarki (koszt zakupu na znanym portalu aukcyjnym to wydatek rzędu 25 PLN - wliczając koszt przesyłki). Kulki o różnych średnicach można wykonać z plasteliny, w takim wariancie aspekty niepewności pomiaru nabiorą dodatkowego kontekstu.
2. Badanie drgań tłumionych (5). Układ pomiarowy można wykonać z pałeczek do jedzenia lub kijków do szaszłyka zamocowanych za pomocą krótkiej nici lub wstążki. Jako element tłumiący może posłużyć kartka bądź gąbka kuchenna.
3. Laboratoryjny eksperyment symulujący powstawanie kraterów na planetach i księżycach, wskutek uderzeń meteorytów (12). Kulki można wykonać z plasteliny, a zamiast piasku sprawdzi się bułka tarta (mąka grubo mielona także). Do pomiaru wysokości miarka budowlana bądź przymiar krawiecki będą dostatecznie dobre.
4. Wyznaczanie siły determinującej konkretny przebieg zjawiska (67/2/2). Do wykonania pomiarów z rzeczy nietypowych niezbędna jest jedynie rolka taśmy klejącej i waga kuchenna.
5. Badanie siły tarcia statycznego papieru o papier (62/2/2). Probówkę szklaną można zastąpić innym walcowym elementem o niewielkim współczynniku tarcia (np.szklanym opakowania po przyprawach, lekach itp.).
6. Badanie częstotliwości drgań brzeszczotu zamocowanego sztywno na jednym końcu (59/2/2). Pozostaje tylko zaznaczyć, że brzeszczot jest ostry i podczas prowadzenia badań należy zachować szczególną ostrożność.

MATERIA I CIEPŁO

1. Wyznaczanie względnej gęstości cieczy i ciał stałych - Waga Jolly’ego (30). Odpowiednik dokładnej wagi sprężynowej można wykonać z elektronicznej wagi kuchennej lub jubilerskiej umożliwiającej pomiar z dokładnością rzędu dziesiątych części grama (koszt zakupu urządzenia na znanym portalu aukcyjnym to wydatek rzędu 25 PLN - wliczając koszt przesyłki). W tym celu należy zamocować centralnie na środku wagi nić i pracować z wagą obróconą (szalka będzie oddalana a nie zbliżana). Waga wskazuje wówczas wynik ujemny, ale wszyscy wiemy dlaczego.
2. Pomiar lepkości cieczy - Metoda Stokesa (36). Pomiar można wykonać w warunkach domowych w butelce PET 1,5 L wypełnionej olejem jadalnym bądź płynem do mycia naczyń. Kulki można przygotować z plasteliny, a dla lubiących wyzwania proponuję całe suszone ziarna grochu, kukurydzy bądź soczewicy. Tylko dla formalności dodam, że w trakcie pomiaru nie ma potrzeby ich wyciągać. Pomiar można także wykonać z wykorzystaniem procedury pomiarów video.
3. Wyznaczanie współczynnika lepkości powietrza (37). Pojemnik na wodę należy wykonać z możliwie najbardziej sztywnej butelki o pojemności 5 l (ewentualnie wzmocnić jej ścianki, by nie zapadały się do wewnątrz). W zakrętce szczelnie mocujemy korek (polecam uszczelnić silikonem), a w niego wbijamy igłę do iniekcji o znanej średnicy (do kupienia za pojedyncze złotówki w aptece).
4. Wyznaczanie zależności ciśnienia pary nasyconej nad roztworem acetonu w wodzie od stężenia objętościowego tego roztworu (68/2/2). Aceton jest składnikiem niektórych zmywaczy do lakierów, można go także nabyć w sklepach chemicznych. Strzykawkę wiadomo gdzie.
5. Wyznaczanie ciepła właściwego ciał stałych metodą kalorymetryczną (26). Eksperymenty z tego działy wymagają posiadania termometru elektronicznego z sondą umożliwiającego pomiar z dokładności rzędu dziesiątych części stopnia (koszt zakupu urządzenia na znanym portalu aukcyjnym to wydatek rzędu 15 PLN - wliczając koszt przesyłki). Naczynie kalorymetryczne można skonstruować z naczyń kuchennych pamiętając jedynie o wyszukaniu stosownych informacji nt. materiału, z którego są wykonane. Jako element badany świetnie sprawdzają się duże nakrętki stalowe lub miedziane (także kulki, śruby, klucze pod warunkiem, że wiemy z jakiego materiału są zrobione - ostatecznie można wyznaczyć ich gęstość i odszukać materiał w tablicach). Skąd wziąć wrzątek pisać nie trzeba, należy jednak zaznaczyć, że zachowanie względów bezpieczeństwa jest konieczne, także w domu.
6. Wyznaczanie ciepła topnienia lodu i skraplania pary wodnej (27). Do uwag zamieszczonych powyżej należy dodać jedynie wskazówkę, że wodę zamraża się w zamrażarce najlepiej w kartonowych pojemnikach po napojach. Po zamarznięciu cieczy wystarczy je rozciąć i usunąć by móc korzystać z lodu. Świetnie sprawdzają się także kubki po jogurtach lub śmietanie.
7. Przewodnictwo cieplne izolatorów (23). To doświadczenie wymaga wprawdzie dwóch termometrów, ale można je przeprowadzić posiadając tylko jedno urządzenie i wykonując pomiar dwukrotnie w takich samych warunkach i mierząc temperaturę w stosownych punktach w czasie. Próbki należy wybrać takie, by ich grubość była znana (wielokrotnie złożone można także zmierzyć suwmiarką i w ten sposób określić grubość pojedynczej warstwy). Jako pojemnik na lód nadają się garnki o odpowiednio dobranych średnicach a źródłem ciepła może być kuchenka (na najmniejszej mocy palinku/grzełce),

OPTYKA

1. Wyznaczanie ogniskowej soczewek cienkich za pomocą ławy optycznej (61). Z ławą nie powinno być problemów wszak to przede wszystkim długa linijka (papierowe przymiary przyklejone do stołu wystarczą). Na latarkę - źródło światła - można nakleić przesłonę z otworami w kształcie litery F i całość zamocować (choćby na garnku). Soczewki można wyciąć z żelatyny pamiętając, że od ich kształtu zależy ogniskowa i zamontować np. w statywie z butelki PET (przeciętej i z otworem, w którym zamocujemy nieruchomo soczewkę). Doświadczenie należy przeprowadzić sprawnie, żelatyna w temperaturze pokojowej odmawia współpracy dość szybko.
2. Dyfrakcja światła na szczelinie (63). To klasyczne doświadczenie, do którego niezbędne jest źródło światła spójnego i monochromatycznego - nawet najtańszy wskaźnik laserowy jest dostatecznie dobry (koszt zakupu urządzenia na znanym portalu aukcyjnym to wydatek rzędu 15 PLN - wliczając koszt przesyłki). Trudnością może być wykonanie szczelin o znanej szerokości, ale tu z pomocą przychodzą żyletki, położone jedna na drugiej i odpowiednio wsunięte pozwalają uzyskać szczeliny o wielokrotności ich grubości.
3. Wyznaczanie stosunku gęstość ścieżek płyty DVD oraz CD (58/2/2). Tu chyba tylko tradycyjna żarówka może sprawić problem, któż ich jeszcze używa? Szczęśliwie te małej mocy są nadal w sprzedaży.
4. Wyznaczanie współczynnik załamania światła materiału, z którego wykonana jest soczewka (64/2/2). Tylko soczewkę trzeba mieć (może być z żelatyny) i wcale nie musi być soczewką Fresnela (te także łatwo kupić ... na znanym portalu aukcyjnym).

Jestem w pełni świadom, że każdemu z tych "domowych zestawów pomiarowych" daleko do pracownianych stanowisk doświadczalnych, ale nie wygląd i laboratoryjny sznyt jest tu kluczowy - wszak mamy wyjątkową sytuację. Mimo trudnych warunków podejmijmy działania zmierzające do kształcenia kompetencji badawczych. Powyższe propozycje bez wątpienia mogą być w tym celu wykorzystane z powodzeniem. Zaryzykowałbym stwierdzenie, że nie możemy zaszkodzić, a "w tym szaleństwie jest metoda".

Zupełnie na marginesie dodaję, że koszt zakupu wszystkich materiałów i przyrządów niezbędnych do wykonania powyżej opisanych doświadczeń (siedemnastu!) nie powinien przekroczyć 250 PLN, a to suma porównywalna z kosztami dojazdu na zajęcia przez cały semestr (o innych potencjalnych kosztach nie wspominając).

 

Oczywiście mam świadomość, że są zajęcia laboratoryjne, których bez specjalistycznej pracowni nie da się przeprowadzić, ale I Pracowania Fizyczna do nich nie należy. Gdy ktoś komentując moje rozważania i konkluzję powie: Statek tonie, a on prosi orkiestrę by grała, odpowiem: Statek gwałtownie zmienił kurs, ale także orkiestra robi wszystko by nie zatonął. Do tego potrzebne są wszystkie ręce na pokładzie.

P.S. Pracowania Problemów Fizycznych to przy takim spojrzeniu na proces kształcenia, w mojej opinii, dużo prostsze zadanie niż I Pracownia Fizyczna. Wszak tematyka badań jest tutaj wzorowana na Turnieju Młodych Fizyków - zawodach międzynarodowych dla uczniów szkół średnich, którzy często mierzą się z problemami konkursowymi w zaciszu domowym, a sprawozdania mają formę prezentacji a nie formalnych raportów.