فیزیک مفهومی

سخنرانی پل جی هیویت – قسمت ششم
باید به دانش جو یاد داد که اول مفهوم را بفهمد بعد محاسبه کند. من متقاعد شده‌ام که هر چه فاصله این دو مرحله بیشتر باشد بهتر است. اگر دانش جو قبل از خواندن درسهای معمول فیزیک یک درس فیزیک مفهومی بگیرد آن وقت هیچ مشکلی در استدلال مفهومی برایش پیش نمی‌آید. این چیزی است که در مورد دانشجوها امتحان شده. آنها یک پایه مفهومی برای خودشان می‌سازند که بتوانند کل فیزیک را از آن بررسی کنند. آن وقت این پایه برای ایشان «تخته پرشی» می‌شود که از آن به سطح بالاتری بپرند، یعنی به درس بعدی مسئله‌دار. فکر می‌کنم احساس بیشتر معلمها این باشد که فیزیک مفهومی و فیزیک سنتی را می‌شود هم زمان تدریس کرد. من با این عقیده موافق نیستم و می‌خواهم قدری اغراق کنم تا حرفم را بقبولانم. من می‌گویم که آموزش هم زمان فیزیک مفهومی و سنتی مثل این می‌ماند که بخواهیم به بچه‌ای که تازه دارد راه می‌افتد رقصیدن یاد بدهیم.اکثر بچه‌ها از این کار در می‌مانند و آن وقت توی دنیا افرادی که حرکات موزون را بدانند کم پیدا می‌شود. در مورد دانش جوها هم همین طور است که از فیزیک طفره می‌روند یا در آن موفق نمی‌شوند. آنها قبل از آن که جا پای محکمی در استدلال مفهومی دست و پا کنند تمام زحمتهاشان را صرف حل کردن مسائل ریاضی می‌کنند.
بر می‌گردیم به قضیه طفل نوپا و حرکات موزون. هستند بچه‌هایی که می‌توانند در مرحله راه رفتن حرکات موزون را هم یاد بگیرند اما فقط تعداد کمی از آنها نتیجه کارشان درخشان است، و اگر این چند تا هم در آینده معلم بشوند لابد از شاگردهاشان همین انتظار را دارند. این تله‌ای است که ما به راحتی در آن می‌افتیم. ما معلمها یک چیز مشترک داریم: همه‌امان توانسته‌ایم در مرحله راه رفتن حرکات موزون را هم یاد بگیریم، و انتظار داریم شاگردهامان هم همین کار را بکنند. کسانی را هم پیدا می‌کنیم که بتوانند و این باعث دلگرمی‌مان می‌شود. برای شاگردانی که کندتر هستند و لنگ می‌زنند فکر چاره می‌کنیم که بتوانند حرکات موزون را یاد بگیرند، و البته این را مسلم فرض کرده‌ایم که راه رفتن را بلدند. باید این روش را وارونه کنیم. کمکشان کنیم که قبل از یاد گرفتن حرکات موزون بتوانند قرص و محکم راه بروند. برایشان یک درس مقدماتی ترتیب بدهیم که بتوانند قبل از مواجهه با فیزیک پایه سنتی مفاهیم اساسی را یاد بگیرند.
فقط چند تا مثال ذکر می‌کنم تا نشان بدهم که چرا مفهوم باید مقدم بر محاسبه باشدمدار الکتریکی ساده شکل زیر را در نظر بگیرید:
این مدار شامل یک emf ثابت، یک آمپر متر و سه تا لامپ یک جور است. آیا قبل از پرداختن به محاسبه، دانش جو نباید بتواند به یک چنین سؤالات بنیادی‌ای جواب دهد:
(1) روشنایی لامپها نسبت به هم چقدر است؟
(2) خارج کردن لامپ A از مدار چه تأثیری روی روشنایی لامپهای دیگر می‌گذارد؟ اگر به جای لامپ A لامپ B را از مدار خارج کنیم چطور؟
(3) در هر یک از این موارد آمپر متر چه تغییراتی را نشان می‌دهد؟ آیا شدت جریان زیاد می‌شود، کم می‌شود یا اصلاً تغییر نمی‌کند؟ چرا؟
(4) اگر نقاط a و b را با یک تکه سیم به هم وصل کنیم چه اتفاقی می‌افتد؟ انتظار دارید که در روشنایی نسبی لامپها و جریان آمپر متر چه تغییراتی ببینید؟
اینها سؤالاتی مفهومی هستند که جوابهای کیفی دارند و از میان سؤالات مشابهی اقتباس شده‌اند که آرنولد آرونز در دانشگاه واشنگتن از یک کلاس فیزیک (با مبنای ریاضی) پرسیده است.
آرونز می‌نویسد که فقط سی و پنج در صد از شاگردها توانستند به این سؤالات درست جواب بدهند. شصت و پنج در صد بقیه که جواب ندادند اغلب آنهایی بودند که می‌توانستند قانون کیرشف را برای حل مسائل خیلی پیچیده‌تر در مدارهایی که شامل چند تا emf می‌شود به کار ببرند. نتایج این بررسی‌ها برای چندمین بار نشان داد که دانش جویان – حتی دانش جویان ممتاز – مفاهیمی را که خیلی راحت برای حل مسائل کتابهای استاندارد فیزیک به کار می‌گیرند (و موفق هم می‌شوند) درک نگرده‌اند. تازه مگر خودمان این را تجربه نکرده‌ایم؟
یک مثال ساده‌تر را در نظر گیرید. آیا شاگرد نباید بلد باشد که چرا یک پرنده می‌تواند به سلامت روی سیم لخت ولتاژ قوی بنشیند، اما اگر همین پرنده پاهایش را دو طرف یک «بار» الکتریکی بگذارد سلامتی‌اش به خطر می‌افتد؟
شاگردهای شما باید بتوانند کشش نسبی نخ را دریک مسئله استاتیکی ساده تخمین بزنند. باید روشهای مختلف این برآورد را به آنها یاد بدهید. چرا نباید از آنها بخواهیم که قبل از محاسبه تخمین بزنند. این با اولین نتیجه اخلاقی جان ویلر هم می‌خواند که گفته است «هرگز شروع به محاسبه چیزی نکنید مگر آن که جوابش را بدانید.» مفهومی کردن باید مقدم بر محاسبه باشد.
دو تا توصیه دارم، اولی تهیه دیدن یک درس فیزیک کاملاً مفهومی است که اولین درس فیزیکی باشد که دانش جویان می‌گیرند. این درس می‌تواند یا فقط مخصوص رشته‌های علمی باشد، و یا به رشته‌های غیر علمی هم تدریس شود. البته جای منطقی‌اش در دوره دبیرستان است. این روزها در خیلی از دبیستانهای امریکا درس فیزیک ارائه نمی‌شود که در این صورت باید این درس مفهومی را در سطح فوق دیپلم ارائه کرد، و یا در دانشکده‌هایی که گرفتن این جور درسها برای ئانش جویان علوم و مهندسی اجباری است. اگر فیزیک مفهومی را هم یک چیز حاشیه‌ای و «تزیینی» تلقی کنیم اغلب مؤسسات آموزشی آن را صرفاً یک درس جنبی به حساب می‌آورند که گرفتنش اجباری نیست. اما اگر چنین درسی را یک بخش اساسی آموزش فیزیک بدانیم خیلی بعید است که آن را توی برنامه نیاورند.
توصیه دوم من به آن عده از شما بر می‌گردد که در حال حاضر دارید دروس غیر مقدماتی و استاندارد فیزیک را تدریس می‌کنید. اگر به ارزش آموزش فیزیک مفهومی واقف هستید به شما سفارش می‌کنم که در قسمتی از سؤالات امتحانی از شاگردانتان استدلال مفهومی بخواهید و برای این سؤالات نمره‌ای قائل بشوید که در نتیجه امتحان آنها مؤثر باشد. دانش جو معمولاً به درک مفاهیم اعتنا نمی‌کند مگر آن که بداند که سر امتحان باید مفاهیم خیلی اساسی فیزیک را به صورت کیفی توضیح بدهد، و در بعضی موارد بتواند مفاهیم شبیه یا مربوط به هم را تشخیص بدهد. و یا معنی قوانین مختلف فیزیک را بلد باشد و در باره پیامدها و کار بردهای آنها بحث کند. به این ترتیب دانش جو مرحله به مرحله تشویق می‌شود که مفاهیم بیشتری را یاد بگیرد.
درک مفهومی فیزیک و وصول به یک دید کلی باید اولین هدف در آموزش فیزیک باشد. بگذارید بعد از این که دانش جو این مرحله را پشت سر گذاشت آن وقت به روشهای زیبای ریاضی بپردازد تا به لطف معلومات اولیه‌ای که از مفاهیم دارد بتواند به درک عمیقتری برسد. بهتر است قبل از این که نگران اندازه گیری دُم فیل باشیم اول بیاییم کل هیکلش را ورانداز کنیم.