9.4 Klasifikácia experimentov
Podľa Demkanina a kol. (2006) v školskom prostredí rozlišujeme niekoľko typov experimentov podľa poznávacích funkcií, podľa cieľu ktorý má plniť, podľa zaradenia do rôznych fáz vyučovacích hodín a podľa mnohých ďalších kritérií.
Klasifikácia podľa toho, kto experiment vykonáva:
1. demonštračné experimenty,
2. frontálne experimenty,
3. skupinové experimenty.
Klasifikácia podľa toho, aké materiálne vybavenie je potrebné k realizácii experimentu:
4. domáce experimenty a pokusy s jednoduchými pomôckami,
5. experimenty s použitím laboratórnych prostriedkov,
6. počítačom podporované experimenty.
Klasifikácia podľa vzťahu experimentu k poznávaným objektom:
7. reálne experimenty,
8. modelové experimenty,
9. myšlienkové experimenty.
Klasifikácia podľa organizačnej formy:
10. laboratórne práce,
11. dlhodobé pozorovania a merania,
12. terénne experimenty.
9.4.1 Demonštračné experimenty
Demonštračný experiment má byť zaradený do výkladu témy, do ktorej organicky patrí. Má byť názorný, jednoduchý, pochopiteľný a presvedčivý, aby upriamoval pozornosť žiakov na javy, ktoré sú cieľom demonštrácie. Je dôležité, aby bola zabezpečená dobrá viditeľnosť pre všetkých žiakov. Tempo uskutočňovania by malo vždy zodpovedať tempu, ktorým ho žiaci vnímajú. Demonštračný experiment musí byť presvedčivý, žiak nesmie pochybovať o správnosti výsledkov. Každá vyučovacia hodina by mala byť obohatená vhodným počtom experimentov. Demonštrácia môže byť sprevádzaná náčrtom na tabuli.
Z hľadiska získavania vedomostí žiakov je žiaduce, aby boli žiaci pri demonštračnom experimente aktívne zapojení. Dosiahnuť sa to dá napríklad využitím metódy ILD (interactive lecture demonstration) od autorov Sokoloff, Thornton (2004). Na Slovensku sa tejto metóde venovali hlavne na univerzite v Košiciach (Hanč, 2008), (Hanč, Ješková, 2008),ale aj na FMFI UK v Bratislave (Horváth, 2017), (Wannous, Horváth, 2017) a ďalší autori.
Priebeh a implementáciu metódy ILD uvádzajú Hanč a Ješková (2008, s. 8). Schematicky je znázornená na obrázku 9.1.Počas výučby sa výklad systematicky dopĺňa radom premyslených jednoduchých demonštrácií (4-6 počas jednej hodiny), ktoré sa koncentrujú na základné a najdôležitejšie pojmy a to v nasledujúcich krokoch:
- Učiteľ opíše jednoduchú demonštráciu a zrealizuje ju bez zobrazení výsledkov merania.
- Žiaci sú potom požiadaní o vytvorenie vlastných predpovedí (hypotéz) a ich zápis do predpovedných listov so svojím menom, ktoré sú po prednáške odovzdané vyučujúcemu. Po zápise predpovedí žiaci v malých skupinách (2-3) diskutujú o svojich predpokladoch a snažia sa navzájom presvedčiť o ich správnosti. Učiteľ sleduje dané diskusie.
- V ďalšom učiteľ vyzýva aj na celotriednu diskusiu a na tabuľu, prípadne fóliu (na počítači s dataprojektorom) zapisuje rozličné spoločné predpoklady žiakov, pričom žiaci si navzájom vypočujú stručné argumenty vedúce k týmto predpokladom. Ak je hypotéz málo alebo v rámci nich nie sú také, čo reprezentujú tradičné nesprávne predstavy, učiteľ ich doplní napr. komentárom „v minulom roku žiaci urobili tieto hypotézy“. Tento krok v prípade nedostatku času môže byť vynechaný.
- Nakoniec žiaci zaznamenávajú do predpovedného listu svoje definitívne odpovede, pre ktoré sa rozhodli (napr. inou farbou alebo typom písma). Po tomto kroku vykonáva učiteľ demonštráciu aj so zobrazením výsledkov meraní. Napr. pri detekcii pohybu Thronton využíva ultrasonický detektor pohybu prepojený s počítačom, ktorý rýchlo zozbierava namerané údaje z detektora a okamžite vykresľuje vysokokvalitné dáta do grafu. Graf je hneď zobrazený na plátne pomocou multimediálneho projektora, takže žiak pri vykonávaní pohybu učiteľa vidí súčasne aj vytváranie zodpovedajúceho grafu.
- Niekoľko žiakov opíše výsledky experimentov, prebehne krátka diskusia a žiaci si správne výsledky zapisujú do výsledkových listov, ktoré si ponechávajú a využívajú v ďalšom štúdiu. Pre utvrdenie žiaci alebo učiteľ preberú prípadne nejakú analogickú fyzikálnu situáciu (t.j. situáciu z rôznym kontextom, ale založenú na tých istých pojmoch). Potom učiteľ prechádza na ďalšiu demonštráciu.
9.4.2 Frontálne žiacke experimenty
Sú to spravidla jednoduché fyzikálne experimenty, ktoré konajú súčasne všetci žiaci v triede v rámci jednej časti vyučovacej hodiny pod priamym vedením učiteľa. Takéto experimenty majú nielen rovnaký obsah, ale žiaci majú mať aj rovnaké pomôcky. Pri opise jednotlivých experimentov vychádzame z publikácie Janovič a kol. (1990, s. 172-174).
9.4.3 Skupinové žiacke experimenty
Uplatňujú sa pri skupinovom vyučovaní. Žiaci pracujú s rovnakým návodom, ale s mierne odlišnými pomôckami. Od frontálnych sa líšia predovšetkým menšou účasťou učiteľa na príprave a konaní experimentu. Ako príklad uvedieme určovanie závislosti veľkosti trecej sily od hmotnosti telesa. Každá skupina žiakov pracuje s rovnakým postupom, ale jedna skupina ako podložku využíva hladký povrch stola, iná drsný povrch police a ďalšia napr. brúsny papier. Všetky skupiny by mali dospieť k zisteniu, že trecia sila závisí priamoúmerne od hmotnosti telesa. Dôležitou fázou pri skupinovom experimente je prezentácia výsledkov jednotlivých skupín pred celou triedou. V rámci zobrazenia výsledkov všetkých skupín na grafe závislosti trecej sily od hmotnosti telesa, žiaci zistia, že hoci sú všetky závislosti lineárne, čiara grafu jednotlivých závislostí nemá rovnaký sklon. V rámci diskusie zistia, že dôvodom je rôzna podložka, a teda veľkosť trecej sily závisí aj od iného faktoru. Vďaka skupinovej práci žiaci dospejú k ďalšiemu poznatku.
9.4.4 Domáce experimenty s jednoduchými pomôckami
Spravidla takto označujeme také experimenty, ktorý je možné z pohľadu dostupnosti potrebných pomôcok ľahko uskutočniť, neznamená, že je z fyzikálneho hľadiska jednoduchý.
Sú to experimenty realizované nenáročnými, každému učiteľovi a hlavne aj každému žiakovi dostupnými pomôckami. Dostupnosť pomôcok potrebných k takémuto experimentovaniu umožňuje žiakovi, na rozdiel od pokusov realizovaných síce efektnými príp. modernými, ale žiakovi neprístupnými pomôckami, uskutočniť si predvádzaný pokus aj doma. Tu si ho môže viackrát zopakovať a pokojne sa zamyslieť nad jeho priebehom. Pokiaľ mu nevyjde na prvýkrát, môže ho zopakovať viackrát, čo ho zároveň vedie k premýšľaniu, k hľadaniu príčiny neúspechu. Žiak si pri ňom bezprostredne overuje užitočnosť osvojovaných fyzikálnych poznatkov a je nútený samostatne a tvorivo uplatňovať svoje vedomosti nadobudnuté pri vyučovaní fyziky. Takéto žiacke experimenty predstavujú významný prostriedok pre formovanie osobnosti žiaka. Takto získané vedomosti sú hlbšie a trvalejšie než pri osvojovaní učiva inými metódami. (Onderová, 2001)
9.4.5 Experimenty s použitím laboratórnych prostriedkov
Ako už názov napovedá, ide o experimenty, pri ktorých žiak využíva materiálne vybavenie dostupné v laboratóriu. Ide o učebné pomôcky, zväčša vyvinuté na skúmanie javov.
9.4.6 Počítačom podporované experimenty
Týmto experimentom sa venuje publikácia od Demkanina a kol. (2006). Ide o experimenty, ktoré sa uskutočňujú využitím počítača. Z pohľadu empirického poznávania je možné rozdeliť možnosti použitia počítača pri experimentálnej činnosti žiakov do piatich skupín takto (Demkanin a kol., 2006):
A. reálne experimenty riadené počítačom – počítač priamo riadi niektoré parametre deja, ktoré reálne prebiehajú – zároveň zaznamenáva a spracováva dáta,
B. reálne experimenty, kde fyzikálne veličiny sú merané a následne spracovávané počítačom – počítač slúži ako viac meracích prístrojov, namerané dáta spracováva a upravuje do formy vhodnej na ich interpretáciu.
C. interaktívne simulované experimenty s výstupmi vo forme animácií – applety znázorňujúce fyzikálne deje, kde program dovoľuje užívateľsky jednoduchý spôsobom meniť jeden, alebo viac parametrov deja,
D. simulované deje bez možnosti meniť parametre dejov (animácie, videozáznamy doplnené animáciami),
E. simulované experimenty, matematické modely s výstupmi vo forme grafov, tabuliek.
Efektívnosť a výhody počítačového experimentu ovplyvňuje viacero faktorov. Za výber je v konečnom dôsledku zodpovedný učiteľ, ktorý musí zvážiť najmä úroveň žiakov, vybavenie učebne, ciele vyučovacej sekvencie a časovú dotáciu.
9.4.7 Reálny experiment
Reálny experiment skúma prírodný objekt, originálny objekt.Nie však všetky prírodné objekty sú prístupné priamemu experimentálnemu skúmaniu, preto sa niekedy experiment nezameriava na originálny objekt, ale na jeho model alebo jeho myšlienkový model. Preto poznáme ešte modelový a myšlienkový experiment.
9.4.8 Modelový experiment
Pravé (reálne) a modelové experimenty možno podľa ich vzťahu k poznávaným objektom jednoducho klasifikovať (Koubek a kol., 1991, s. 21):
Model je nahradenie komplexného systému systémom, ktorý je pokladaný za jednoduchší a o ktorom sa predpokladá, že má isté vlastnosti, ktoré sú zhodné s tými, ktoré boli vybrané pre štúdium na originálnom systéme.(Janovič, 1990, s. 54)
Priradenie prvkov modelu
Model ju určitý systém, buď myslený, alebo reálne existujúci, ktorý v určitom stupni zhody reprodukuje iný systém (originál) a zastupuje ho v procese poznania tak, že v rámci danej reprodukcie možno jeho skúmaním získať informácie o origináli (Černík a kol. 1980). Pri modeloch rozlišujeme dva druhy, a to izomorfný a homomorfný model (Koubek a kol., 1999, s. 26-27). O izomorfizme hovoríme, ak medzi prvkami jedného z objektov (systémov) existuje určitý vzťah, potom medzi korešpondujúcimi prvkami druhého objektu existuje zodpovedajúci vzťah. Ide o taký vzťah medzi systémami, ktorý je podmienený existenciou aspoň jedného vzájomne jednoznačného zobrazenia jej prvkov pri zachovaní vzťahov medzi nimi. Homomorfizmus znamená, že existuje len priradenie medzi prvkami a nie medzi ich vzájomnými vzťahmi (väzbami).
Ako príklad môžeme uviesť modelovanie plynu v nádobe pomocou predstáv známych z molekulovej fyziky, pričom sa na vzduchovom stole pohybujú malé magnety predstavujúce molekuly plynu. Ak uvážime vzájomné priradenie medzi prvkami modelu a originálu, tak magnety predstavujú častice a magnetické sily predstavujú odpudivé sily medzi časticami. Ide o izomorfný model. Pri pružinovom vlnostroji (obrázok 9.2) sú závity modelmi častíc a sily, ktorými na seba závity pôsobia, sú modelmi pružných väzbových síl v prostredí. Tiež ide o izomorfný model.
Jav postupného pozdĺžneho mechanického vlnenia šíriaceho sa pružným prostredím (napr. pružnou kovovou tyčou) v smere určitej osi zobrazuje Machov vlnostroj (obrázok 9.3). Tu však chýba analógia pružnej väzby medzi závažiami kyvadiel. Preto Machov vlnostroj možno považovať len za homomorfný model bodového radu v pružnom prostredí.
9.4.9 Myšlienkový experiment
„Myšlienkový experiment je chápaný ako poznávacia činnosť, ktorá obyčajne predchádza materiálnej realizácii experimentu. Je to spôsob myslenia, v ktorom sa všetko, čo sa deje v konkrétnej forme, podobne deje aj v abstrakcii a v ktorom sa neprihliada na všetky prípady prekážok. Nezávislosť myšlienkového experimentu na materiálnych prostriedkoch je veľmi významná, lebo umožňuje jeho samostatnú existenciu ako teoretickej metódy poznania. Myšlienkový experiment je jedným z typov modelového experimentu a môže teda existovať v dvojakej podobe:
a. myšlienkový experiment ako samostatná logická konštrukcia, ktorú je treba vybudovať tam, kde materiálna realizácia nie je možná alebo vhodná,
b. myšlienkový experiment ako fáza materiálne realizovaných činností.“ (Gajdúšek, 2001)
9.4.10 Laboratórne práce
„Laboratórna práca môže byť krátkodobá alebo dlhodobá. Vykonáva sa spravidla v špeciálnom prostredí – osobitne upravenej učebni. Žiaci pracujú samostatne, podľa inštruktáže učiteľa. Prostredníctvom laboratórnej práce sa môže prebrané učivo upevňovať, doplňovať, precvičovať, môže sa experimentálne overovať. Na prácu sa musí zodpovedne pripraviť učiteľ aj žiaci, osobitnú pozornosť je potrebné venovať otázkam bezpečnosti a ochrany zdravia. O postupe a výsledkoch meraní v laboratórnej práci žiaci vedú písomné záznamy.“ (Dravecký, [n.d.], s. 50)
9.4.11 Dlhodobé pozorovania a merania
Dlhodobé pozorovania a merania sa na rozdiel od laboratórnych môžu uskutočňovať aj mimo triedu. Môže ísť o meranie objemu vody z nádob rôzneho tvaru pri vyparovaní. Toto meranie sa uskutočňuje týždeň, prípadne aj dlhšie. Mimo triedu môže ísť napr. o zaznamenávanie teploty vzduchu na okennom teplomere počas celého mesiaca, či pozorovanie pohybu Slnka po oblohe počas dňa.
9.4.12 Terénne experimenty
Terénne experimenty sa, ako už názov napovedá, uskutočňujú mimo školu – v meste, v prírode...Takýmito experimentami sa zaoberal Trenčan (2016). Môže ísť napr. o meranie rýchlosti električky pomocou akcelerometra alebo meranie teploty v závislosti od výšky.