Didaktická kazuistika: Archimédovo nadlehčování – sekvence jednoduchých experimentů

2. 8. 2019 Petr Kácovský

Základním nástrojem, který fyzika jako vědní obor využívá při vytváření obrazu světa kolem nás, je experiment. Do výuky fyziky se tato skutečnost promítá v podobě školního experimentu, který – s metodickým přesahem – simuluje práci vědce a bývá vnímán jako klíčový prvek ve výuce všech přírodních věd. Oproti vědeckému experimentu, jenž má typicky objevnou či ověřovací funkci, je školní experiment charakteristický také svojí didaktickou funkcí (Svoboda & Kolářová, 2006), která značně určuje jeho podobu.

Pochopitelně najdeme mezi fyzikálními tématy taková, která vzhledem ke svému vzdělávacímu obsahu použití školního experimentu limitují; jsou to například jaderná fyzika nebo astronomie. Na druhou stranu, některé partie fyziky nabízejí možnost vytvořit sekvencí jednoduchých experimentů rozsáhlé struktury pojmů a jejich vzájemných vztahů. Žáci mají v takových situacích nejenom možnost objevovat nové fyzikální zákonitosti, ale také být součástí procesu, který ukazuje, jak fyzika coby vědní obor buduje své poznání. V této kazuistice bude metodou 3A (Janík et al., 2013) rozebrána vyučovací hodina spadající do mechaniky tekutin, která k řetězení jednoduchých školních experimentů svojí strukturou vybízí.

Ačkoliv se žáci s pojmem vztlaková síla setkávají na základní škole (viz Rámcový vzdělávací program pro základní vzdělávání, 2016, s. 64^[1]) obvykle až v sedmém nebo osmém ročníku, mají s důsledky této síly bohaté předchozí zkušenosti – otázka, proč železná kotva klesá ve vodě ke dnu, zatímco loď vyrobená taktéž ze železa se na hladině udrží, se přirozeně objevuje již mnohem dříve. Běžná každodenní zkušenost s jevy vysvětlovanými pomocí vztlakové síly vede ke vzniku rozličných prekoncepcí, které s sebou žáci přinášejí do výuky. Příkladem takové miskoncepce je přesvědčení, že v kapalině je gravitační síla slabší než ve vzduchu, popřípadě že tato síla dokonce v kapalině směřuje svisle vzhůru (Mandíková & Trna, 2011). Je-li naším cílem napomáhat utváření odpovídajících žákovských představ vhodnými experimenty, musíme přirozeně věnovat pozornost tomu, jak jsou myšlenky žáků strukturovány ještě před vstupem do třídy, pod vlivem jejich předchozích zkušeností.

Anotace

Kontext výukové situace – cíl, téma, návaznost obsahu

Pro potřeby této kazuistiky byl využit záznam výuky pořízený v rámci videostudie TIMSS v roce 1999 (The TIMSS Video Study, 1999). Hodina fyziky, která je dále studována, proběhla v osmé třídě základní školy za přítomnosti 23 žáků a byla třetí ze sekvence celkem čtyř hodin věnovaných vztlakové síle působící na tělesa ponořená v tekutině. Právě nadlehčování těles v tekutinách (v dané situaci: v kapalinách) je jádrovým obsahem vybrané hodiny.

V předcházející hodině se žáci zabývali – jak naznačují na videu patrné zápisky v jejich sešitech – chováním látek různé hustoty v tíhovém poli. Studovaná hodina má dvě základní části. V první části odvozuje učitelka pomocí jednoduchých experimentů vztah pro výpočet vztlakové síly působící na těleso ponořené v tekutině, který je matematickým popisem Archimédova zákona, ve druhé části pak se žáky upevňuje dovednost aplikovat poznatky o rozdílné hustotě dvou látek při řešení problémů. Výuka zjevně směřuje k dokončení a k závěrečnému opakování celé kapitoly o vztlaku/vztlakové síle.

Výuková situace, kterou se zabývá tato kazuistika, nastala v první části výše popsané hodiny (stopáž 0:15–5:48). V této situaci provádí učitelka tři jednoduché experimenty, kterými se snaží ukázat, na čem závisí velikost síly, která v kapalině nadlehčuje ponořené těleso.

Z psychodidaktického pohledu představuje učivo o nadlehčování v kapalinách značně náročnou partii, která – pokud není učitelem vhodně uchopena – působí obtíže žákům na základních i na středních školách. O tom, zda těleso klesne ke dnu, nebo vyplave na hladinu, nerozhoduje samotná velikost vztlakové síly, ale výslednice vztlakové síly a síly tíhové. Namísto tohoto vysvětlení žáci často inklinují ke zjednodušení, že pod hladinou je „menší gravitace“. Dalším výukově náročným místem je matematizace vztahu pro výpočet vztlakové síly. Zde se v součinu setkává objem ponořené části tělesa a hustota kapaliny, do které bylo ponořeno – je to pravděpodobně poprvé, kdy se žáci setkávají s tím, že se tyto dvě veličiny nevztahují obě ke stejnému tělesu.

 

Didaktické uchopení obsahu – činnosti učitele a žáků

Tři experimenty tvořící základ naší výukové situace jsou pojaty jako ryze demonstrační, kdy učitelka stojí za katedrou a předvádí experimenty žákům; přitom klade otázky, které směřují jak k popisu, tak k vysvětlení pozorovaných jevů. Žáci se hlásí, aby byli vyvoláni a mohli sdělit své (obvykle stručné) postřehy či úvahy.

V prvním pokusu učitelka zavěšuje kámen na siloměr a naráz ho ponoří do vody, přičemž vyžaduje od žáků pouze popis experimentu. Učitelka v této chvíli velmi vhodně odděluje dvě činnosti: aby žáci nejdříve popsali své pozorování a teprve poté hledali jeho fyzikální vysvětlení. Právě přesné pozorování a výstižné popsání jevu je důležitým předpokladem pro jeho následné hlubší analyzování a zasazení do širších souvislostí. Tyto dvě fáze ve výuce fyziky bohužel často splývají, jak se ukáže hned v následujícím experimentu. Učitelka v něm provádí opět vkládání kamene do vody, ale o poznání pomaleji, aby bylo patrné, že síla měřená siloměrem klesá s objemem ponořené části kamene. Ve třetím experimentu pak učitelka demonstruje, že siloměr ukáže rozdílné hodnoty, pokud kámen ponoříme do obyčejné vody, resp. do osolené vody. Tento závěrečný experiment má značný motivační potenciál, který není příliš využit (více viz bod Analýza); vhodné je však vyvolání žákyně, která přichází k pracovnímu stolu odečíst hodnoty ze siloměru.

Analýza

Strukturace obsahu – rozbor s využitím konceptového diagramu

Strukturu rozebírané výukové situace lze ilustrovat pomocí konceptového diagramu níže. Tematická vrstva je v případě studované situace zaplněna zejména objekty, se kterými se žáci setkají prostřednictvím pozorování; ústředním bodem této vrstvy jsou změny údajů měřených siloměrem, jejichž pozorování využívají žáci jako východisko pro veškeré své úvahy ve všech experimentech, které se pokoušejí interpretovat. Tento mechanismus je v kvantitativních pokusech mnohem obecnější, než jak by se mohlo zdát z kontextu naší situace – právě přes změny měřených hodnot vede ve fyzice obecně cesta z tematické do konceptové vrstvy, cesta od čísla a jeho změn k příčinám, které tyto změny způsobují. V našem případě je klíčový přesun od měnících se údajů na siloměru k intuitivně dobře srozumitelnému pojmu nadlehčování. S ním sousedí v konceptové vrstvě i představa „menší gravitace“, která pro žáky představuje alternativní vysvětlení pozorovaných experimentů, fyzikálně nekorektní, ale jednoduché a intuitivní.

Pohled na vztahy mezi úrovněmi didaktické transformace obsahu odpovídá jednomu ze základních modelů výuky fyziky, kde koncepty zastřešují poznatky získané pozorováním či experimentem. Jinými slovy, propojení tematické a konceptové vrstvy je poměrně bohaté, přičemž převažuje abstrakce nad operacionalizací. Jak je patrné, situace je skoupá na propojení konceptové vrstvy s vrstvou kompetenční, převažuje zaměření na oborový obsah.

 

Obrázek 1. Konceptový diagram.

Transkript výukové situace (časový výřez 1:05–5:58)

U: „Takže se do toho pustíme. Já jsem si tady přichystala kámen a… jakým způsobem zjistím, jakou silou za něj tahá Země? Jak to můžu zjistit… Pavle?“ [V ruce drží kámen zavěšený na provázku.]

Pavel: „Změřím to siloměrem.“

U: „Změříme siloměrem. Takže já to zkusím. Takže my se budeme pozorně dívat. [Zavěšuje provázek s kamenem na siloměr.] Nemusíme mít nějakou přesnou hodnotu, stačí, když budeme vidět červený/bílý proužek, kolik asi. A teď se budeme dívat, co se bude dít. [Noří kámen do vody, siloměr ukáže menší hodnotu.] Čeho všeho jsme si všimli. Čeho všeho jsme si všimli, Aničko?“

Anička: „Že nejdřív působila gravitace a po ponoření se zmenšila váha, kterou musíme přenášet ten kámen, protože začalo působit i nadlehčování.“

U: „Tak, a na mě to bylo příliš složitý, zkusíme to po částech. Nejprve – čeho jsme si všimli, bez ohledu na to, že se jedná o fyziku. Čeho všeho jsme si mohli všimnout… Moniko?“

Monika: „Že siloměr ukazuje míň.“

U: „Ukazuje míň. Všimnul si někdo ještě čeho… Moniko?“

Monika: „Zvedla se hladina vody.“

U: „Zvedla se hladina vody, výborně. A teď se budeme dívat ještě jednou pozorně a dáme to dohromady všechno. [Nyní noří kámen do vody velmi pomalu.] Budeme dívat se na ten kámen i na ten siloměr. Všímáte si něčeho dohromady… Zuzko?“

Zuzka: „Čím víc je pod vodou, tím je menší gravitace.“

U: „Myslíte, že je menší gravitace? Šár… Deniso?“

Denisa: „Tím je větší nadlehčování.“

U: „Tím je větší nadlehčování. Takže, co mi ukazuje vlastně ten siloměr, ukazuje přímo to nadlehčování, anebo rozdíl mezi gravitací a nadlehčováním?“

Ž: „Ukazuje rozdíl mezi nadlehčováním a gravitací.“

U: „Nadlehčováním a gravitací. Myslíte, že i má ruka cejtí teď v tom ten rozdíl, nebo ne? Myslíte, že teď [Kámen je ponořený.] ten siloměr a kámen se mi drží lépe, anebo se mi drží lépe takto? [Vytahuje kámen na vzduch.] Tomá… Jakube!“

Jakub: „No, když je ve vodě, tak se vám drží líp.“

U: „Se mně drží líp – proč?“

Jakub: „Protože to nadlehčuje ten kámen, a tím pádem vám to připadá lehčí.“

U: „Pomáhá mně, že jo, pomáhá mně. Podívejte se, já tady mám dvě vody. Díváme se teď hodně pozorně… Já to dám do druhý vody. Káťa půjde blíž, aby to mohla přečíst, Káťo, pojď. Kolik ukazuje siloměr teď?“

Káťa: „Siloměr ukazuje jedna a půl.“

U: „Jedna a čtvrt. Jedna a čtvrt, protože já ti to takhle povytáhnu, abys viděla tu stupnici celou.“

Káťa: „Jo, jedna a čtvrt.“

U: „Jedna a čtvrt. Kolik ukazuje teď?“

Káťa: „Teď ukazuje jedna a půl.“

U: „Jedna a půl, Káťo, můžeš si sednout. Čím to je, čím to může být… Ondro?“

Ondra: „Ta druhá voda je slaná.“

U: „A tu druhou, myslíš kterou? Tudle. Tak. Jakou mám možnost zjistit, že je opravdu slaná? Jak to mám zjistit, Zuzko? Vochutnat ji! A myslíte, že když jsme tady dohromady s chemiky, že ji můžu chutnat, co? Takže my se spolehneme na to, co víme. Prosím vás, Ondro, proč ses rozhodl, že je ta druhá slaná?“

Ondra: „Má větší hustotu, a tím pádem to víc nadnáší.“

U: „Víc nadnáší. Takže já to zkusím napsat, co my jsme vlastně tímhle zjistili. My jsme zjistili, že to nadlehčování, že bude nějakým způsobem souviset s objemem toho tělesa – vy mi poradíte písmenko – které? Objem tělesa… Petro?“

Petra: „Vé.“

U: „Písmenko vé, a nějakým způsobem ještě bude souviset, jak říkal Ondra… Tomáši?“

Tomáš: „S hustotou vody.“

U: „S hustotou vody… a buď vody, anebo můžeme to už vzít kapaliny. A tady mi poraďte písmenko… Aničko?“

Anička: „Ró.“

U: „Písmenko ró, výborně. Tak tohle je pravda, to jsme si ukázali, že s tím to nadlehčování souvisí.“

 

Rozbor transformace obsahu s výhledem k alteraci

U fyzikálního experimentu můžeme odlišit tři jeho základní složky: složku vědeckou, technickou a metodickou (Trna, 2013). Z pohledu těchto jednotlivých složek provedeme analýzu předváděných experimentů.

Vědecká složka pokusu (a obecně celé výuky) je v prostředí základní školy limitována kognitivními a matematickými možnostmi žáků, a učitel tak vždy při didaktické transformaci hledá rovnováhu mezi srozumitelností a odbornou korektností své výuky. V rozebírané situaci se toto hledání rovnováhy nejvíce projevuje ve zvolené terminologii, kdy učitelka – v souladu se zvyklostmi ZŠ – běžně používá pojem gravitace (ve významu gravitační síla) namísto fyzikálně přesnějšího tíhová síla. Dále se pak učitelka celou dobu vyhýbá spojení vztlaková síla a namísto něj používá slovo nadlehčování, které nepatří mezi běžně zažité fyzikální pojmy. Lze považovat za problematické, že se tak volně zaměňuje silové působení (jež je příčinou nadlehčování) s vlastním nadlehčováním jakožto důsledkem vztlakové síly, stírá se logická vazba mezi příčinou a následkem. Výuková situace však ukazuje, že žáci jsou s termínem nadlehčování sžiti natolik, že jim nebrání ve vyvozování logických závěrů, a jeho používání tak nehodnotíme jako nedostatek.

Technická složka předvedených experimentů byla zvládnuta bez zásadních obtíží, poněkud limitující jsou ale malé rozměry použitých pomůcek, které žákům v zadních řadách znesnadňují pozorování. V případě posledního experimentu se slanou a obyčejnou vodou je pak patrný prostor pro vylepšení – hodnoty naměřené siloměrem v těchto dvou kapalinách jsou si poměrně blízké, čímž pokus ztrácí přesvědčivost. Možné úpravy tohoto pokusu jsou uvedeny v bodu Alterace.

Metodická složka nabízí největší prostor pro změny. Jako nevyužitý potenciál situace lze vnímat fakt, že žádný z experimentů není svěřen přímo žákům; další běh hodiny přitom ukáže, že žáci mají po celou dobu na lavicích nádobky s vodou, kde by mohli sami experimentovat. Rozebíraná situace obecně postrádá aktivitu žáků – veškeré dění ve třídě je zaměřeno na učitelku, žáci pouze formulují krátké odpovědi; situace vyznívá poněkud didakticky prkenně a dává menší prostor k rozvoji komunikační kompetence žáků. Ze způsobu, jakým žáci reagují, lze soudit, že jsou na tento styl práce zvyklí.

Výběr prováděných experimentů lze v dané situaci ocenit jako vhodný, jejich řazení i systém heuristických otázek má logickou a přirozeně plynoucí strukturu. Učitelka umně využívá první experiment k tomu, aby žáky uvedla do fyzikální situace, a ve druhém experimentu svůj předchozí postup pouze pomalu opakuje, ovšem vyzývá žáky k podrobnějšímu pozorování a završuje pokus již jasně vysloveným závěrem: „Čím víc je těleso pod vodou, tím větší je nadlehčování.“ Kladně lze ohodnotit také zařazení pokusu se slanou vodou až na závěr studované sekvence – vliv hustoty kapaliny na výsledek experimentu je méně intuitivní než zřejmý vliv objemu ponořeného tělesa, a z tohoto důvodu by nebylo vhodné jeho prokazováním začínat.

Učitelka se ovšem během sekvence dopouští dvou didaktických přehmatů, které stojí za okomentování. Prvním je situace, kdy žákyně Zuzka odpovídá, že „…čím víc je (předmět) pod vodou, tím je menší gravitace“. Jde o zásadní miskoncepci, kterou ale učitelka přechází bez povšimnutí a přijímá další, již správné vysvětlení pokusu, aniž by se pokusila opustit svoji logickou linku a zamyslet se se žáky nad Zuzčiným tvrzením. Žáci jsou přitom v době probírání látky téměř jistě vybaveni předchozími znalostmi o gravitační síle, umí spočítat její velikost a vědí, že závisí pouze na hmotnosti tělesa, která se pod vodou jistě nezměnila. Druhým didakticky sporným bodem je situace, kdy učitelka žákům sděluje, že jedna voda je slaná, ale vzápětí jim nepřímo zakazuje tuto skutečnost ověřit, tj. vodu ochutnat. Argumentace učitelky má možná výchovný potenciál ve vztahu k výuce chemie, ale působí uměle. Učitelka tím jde proti myšlence fyziky jako takové, která neustále pracuje s ověřováním hypotéz – zde je přímému ověření hypotézy zabráněno, a žákům nezbývá než učitelce věřit. Ochutnání slané vody alespoň jedním žákem přitom mohlo být nejen vítaným oživením hodiny, ale také aktivizačním prvkem s předpokladem trvalejší fixace poznatku.

Alterace

Posouzení kvality výukové situace

Navzdory výše uvedeným nedostatkům je naše výuková situace příkladem poměrně fungující výuky, kde žáci plní pokyny učitele, odvozují z experimentálních poznatků obecnější závěry a připravují se na matematické zformulování vztahu pro vztlakovou sílu v tekutinách. Výukovou situaci ovšem vnímáme jako nerozvinutou, protože nevyužívá svůj potenciál pro podporu komunikačních a sociálně-personálních kompetencí (experimentování ve skupině, samostatné zaznamenávání výsledků, porovnání a diskuse napříč skupinami apod.).

Návrh alterace a její přezkoumání

Popíšeme nyní možnou alteraci, která vychází z rámce původní hodiny, ale aktivizuje žáky a upozaďuje centrální roli učitelky. Žáci se v úvodu hodiny rozdělí na dvojice, ve kterých budou sami provádět první dva experimenty; tento prvek posiluje v naší výukové situaci rozvíjení komunikačních a sociálně-personálních kompetencí. Každá dvojice žáků bude mít na lavici připravenou nádobu s vodou a předmět (kámen) zavěšený na provázku. Navíc dostávají žáci k vyplnění krátký pracovní list (viz níže), event. jej učitelka promítne pomocí dataprojektoru a žáci si ho přepíší do sešitů.

 

Obrázek 2. Návrh pracovního listu pro žáky.

První a druhý odstavec pracovního listu vyžadují po žácích, aby zapsali svá pozorování týkající se vody a siloměru; tato pozorování se odehrávají čistě v tematické rovině, cílí na změny sledovaných jevů a neočekávají od žáků užití fyzikálních pojmů, ale čistě popis sledované situace. Teprve třetí odstavec vyzývá žáky k tomu, aby se pokusili pozorovaný jev vysvětlit – je to první místo pracovního listu, kde se objevuje přechod do konceptové vrstvy k fyzikálně zavedeným pojmům. Jakmile jsou žáci s vyplněním pracovního listu hotovi, vždy dvě dvojice žáků si vzájemně porovnají své záznamy. Teprve poté vstupuje do situace učitelka a pod jejím vedením pak žáci společně formulují vysvětlení experimentů.

Třetí experiment provádí sama učitelka, pozve žáky, aby obstoupili katedru a všichni dobře viděli. Učitelka použije dvě stejně naplněné nádoby s kapalinami dostatečně odlišných hustot (například slaná voda a líh), aby bylo patrné, že při ponoření kamene do hustší z nich je nadlehčující vztlaková síla výrazně větší než v případě kapaliny s menší hustotou. Zvýraznění tohoto jevu lze dosáhnout i tím, že namísto kamene učitelka použije předmět vyrobený z materiálu o menší hustotě (některé plasty), čímž vzroste vliv vztlakové síly ve srovnání se silou tíhovou. Žáci mají za úkol jev nahlas nekomentovat, ale vrátit se do lavic a zde do pracovního listu zapsat jak své pozorování, tak hypotézu, jíž by jev vysvětlili. Rozhovor učitelky s žáky by mohl vypadat následovně:

U: „Tak, zkuste někdo zformulovat, co jsme vlastně viděli, co jsme pozorovali.“

ŽŽ: „No, v nádobce nalevo ukazoval siloměr méně než napravo.“

U: „Aha – a proč by to tak mohlo být?“

ŽŽ: „Asi je tam jiná kapalina?“

U: „Fajn, to by mohla být. A v čem by byla jiná?“

ŽŽ: „No… jako… měla by jinou hustotu?“

U: „Jasně, a která by tedy měla větší hustotu, ta vlevo nebo ta vpravo?“

ŽŽ: „No… Větší hustotu bude mít ta vlevo, protože víc nadlehčuje.“

U: „Jasně, tak to máme nějaký tip – ale jak byste o něm někoho přesvědčili? Můžeme se o tom nějak přesvědčit, že ta kapalina vlevo má větší hustotu?“

ŽZ: „Hustotoměrem!“ [Smích.]

U: „No, budete se divit, ale něco takového skutečně existuje, jen se tomu říká hustoměr. Takže to by šlo. Ale já bych to chtěla jinak, nějak jednodušeji. Té kapaliny je v obou nádobách stejně, stejný objem, a vy říkáte, že mají jinou hustotu – čím by se ty nádoby teda měly ještě lišit?“

ŽŽ: „Budou jinak vážit… Aha, takže podle hmotnosti!“

U: „Tak si to pojďte vyzkoušet, jen to neochutnávejte. A můžete si tipnout, jaké kapaliny to jsou.“

[Komentář: Je důležité, aby žáci měli možnost si skutečně vzít nádobky do rukou a ověřit, že líh má výrazně menší hmotnost než stejný objem slané vody. Poté, co to (alespoň někteří) žáci udělají, se učitelka doptá na tipy žáků, o jaké kapaliny by mohlo jít. Nakonec tuto informaci sdělí včetně hustot obou kapalin.]

U: „Tak, a teď mi ještě povězte – co bychom museli změnit, aby siloměr v nádobce vlevo ukazoval pořád méně než vpravo, ale ne o tolik – co můžu udělat?“

ŽŽ: „No, nechám tam líh a místo slané vody vezmu něco s menší hustotou… třeba obyčejnou vodu.

U: „Ano, to by šlo. Je ještě jiná možnost?“

ŽŽ: „Nešlo by nechat tu slanou vodu a místo lihu vzít naopak něco hustšího?“

U: „A třeba co?“

ŽŽ: „No, třeba zase obyčejnou vodu.“

U: „Dobře, tak to vyzkoušíme.“

[Komentář: Pokud zvolí učitelka tento přístup, tj. zkoumá, jak by si žáci poradili s problémovou situací, měla by pak provést reálný experiment, který jejich návrhy potvrdí/vyvrátí.]

 

Hypotéza v první části ukázky („kapalina vlevo má větší hustotu než kapalina vpravo“) zjevně vzniká na základě pozorování jevů, tj. tematické vrstvy, při jejím formulování ale žáci využívají abstrakci a vztahují tak vyvozené závěry na širší množinu jevů. Na výrocích z výše navržené konverzace tak lze názorně ukázat přechod mezi tematickou vrstvou („v nádobce vlevo ukazoval siloměr méně než napravo“) a vrstvou konceptovou („větší hustotu bude mít ta vlevo, protože víc nadlehčuje“) – první tvrzení nevyužívá fyzikální terminologii a nezmiňuje se o příčinách, druhé už je fyzikálně hodnotné. Význam vytváření hypotézy lze tedy vidět i v tom, že proces jejího vzniku nutí žáky operovat v konceptové vrstvě s fyzikálními pojmy (např. hustota, nadlehčování, objem, hmotnost) a fixovat je tak v jejich sémantickém systému.

Velmi důležitá je část mezi výše uvedenými komentáři, ve které musí žáci použít dříve nabyté poznatky v nové situaci, a naplno se projevuje, nakolik nové látce porozuměli. Lze si povšimnout, že problém, který učitelka žákům v hypotetické konverzaci zadává k řešení („co bychom museli změnit, aby siloměr v nádobce vlevo ukazoval pořád méně než vpravo, ale ne o tolik“), je formulován v tematické vrstvě, tj. vychází z chování siloměru, ale odpověď je žáky předkládána (a učitelkou očekávána) v rovině konceptové, s použitím pojmu hustota. Bezproblémová abstrakce, resp. operacionalizace mezi těmito vrstvami je tedy předpokladem zdárného vyřešení problému a ukázkou obecnějšího myšlenkového mechanismu, který spadá do rozvíjení kompetence k řešení problémů.

Závěr situace již probíhá beze změny – učitelka zapíše na tabuli dva základní zjištěné poznatky, tj. závislost vztlakové síly („síly nadlehčování“) na objemu ponořeného tělesa a na hustotě kapaliny.

Navrhovaná alterace je časově náročnější než původní podoba výukové situace tak, jak byla odučena. Časový aspekt je v reálné výuce zásadní a je třeba brát jej v úvahu vzhledem k potenciálnímu přínosu, který může delší aktivita poskytnout. Je proto vždy na zvážení učitele, zda sáhne ke kompetenčně bohatší aktivitě třeba i na úkor času, který bude muset u jiných oborových témat obětovat.

Dále klade alterace vyšší nároky na vybavení žáků pomůckami – každá dvojice by měla pracovat s vlastním siloměrem, s vlastní nádobou a s vlastním závažím (kamenem). Jde ovšem o pomůcky běžně dostupné ve většině přírodovědných kabinetů, takže tato bariéra by neměla být závažná; navíc nádobu s vodou žáci v dalším průběhu hodiny pro své vlastní experimentování dále využili.

Závěrem

S využitím metodiky 3A byla rozebrána výuková situace z hodiny fyziky na základní škole, která byla věnovaná přípravným úvahám před formulováním matematického vztahu pro výpočet vztlakové síly. Cílem učitelky v této situaci bylo zapojit žáky do vyvozování souvislostí vyplývajících ze tří jednoduchých experimentů. Navrhovaná alterace se zaměřuje na posílení vlastní aktivity žáků v hodině a jeho prostřednictvím na posílení komunikačních a sociálně-personálních kompetencí. Akcentuje také podporu fyzikálně „užitečného“ myšlení, které je možné popsat schématem: pozorování experimentu – návrh hypotézy – ověření hypotézy – vyřešení dalšího, příbuzného problému pomocí zjištěných údajů.

Tento řetězec činností přesahuje svou obecností rámec fyzikálního vzdělávání a navržená alterace sleduje jeho jednotlivé kroky. Úvodní pozorování fyzikálních nástrojů a jevů naplňuje tematickou vrstvu didaktické transformace obsahu a žáci na něm pracují ve dvojicích, což zajišťuje přesnější zachycení pozorované situace („více očí více vidí“). Navazující krok, tj. navržení hypotézy vysvětlující experiment, představuje abstrakci ze světa objektů do světa konceptů a je spojeno s precizováním pojmů a přechodem do fyzikální terminologie – pro tento účel se žáci spojují do čtveřic, protože autor této kazuistiky vychází z vlastní zkušenosti, že spolupracující žáci jsou obvykle schopni rozpoznat, kdo je v rámci jejich skupiny nositelem přesných formulací a fyzikálně korektních závěrů, a tomuto jedinci pak naslouchat. Ověřování hypotéz a řešení příbuzných problémů (v alteraci jde o to, jak zmenšit rozdíl hodnot měřených siloměry) pak vyžaduje myšlenkovou manipulaci s právě ukotvenými koncepty, která nás již přenáší do kompetenční vrstvy, jmenovitě k cílenému rozvoji kompetence k řešení problémů. Celý řetězec přitom má potenciál k rozvoji kompetence k učení, neboť ukazuje typickou výstavbu poznání v přírodních vědách.

RNDr. Petr Kácovský, Ph.D. vystudoval obor Učitelství fyziky a matematiky na Matematicko-fyzikální fakultě UK, v oboru Didaktika fyziky a obecné otázky fyziky, poté tamtéž absolvoval také navazující doktorské studium. V současné době působí jako vědecký pracovník na katedře didaktiky fyziky MFF UK a jeho práce se zaměřuje na experimenty ve výuce fyziky, jejich přípravu, začlenění do výuky a případný přínos k porozumění studentů. Současně vyučuje fyziku na osmiletém gymnáziu v Praze.

Kontakt: petr.kacovsky@mff.cuni.cz

Literatura

Janík, T. et al. (2013). Kvalita (ve) vzdělávání: obsahově zaměřený přístup ke zkoumání a zlepšování výuky. Brno: Masarykova univerzita.

Mandíková, D., & Trna, J. (2011). Žákovské prekoncepce ve výuce fyziky. Brno: Paido.

(2016). Rámcový vzdělávací program pro základní vzdělávání. Dostupné on-line z: http://www.msmt.cz/file/37052/  [cit. 7. 11. 2016].

Svoboda, E., & Kolářová, R. (2006). Didaktika fyziky základní a střední školy: Vybrané kapitoly. Praha: Karolinum.

(1999). The TIMSS Video Study. Dostupné on-line z: http://www.timssvideo.com/videos/science/Czech%20Republic[cit. 30. 10. 2016].

Trna, J. (2013). Výuková situace: Setrvačnost těles v jednoduchých experimentech ve fyzice. Komenský, 137(4), 39–45.