Új kutatási eredmények Új kutatási eredmények megjelenése az oktatásbanmegjelenése az oktatásban

dr. Maák Pál AndorBME Atomfizika Tanszék

CENTA SZAKMAI NAP – SZEGED 2010

Miről beszélünk - Az új kutatásieredmények értelmezése

1. Olyan elméletek, amelyek bár nem maiak, a fizikai világkép drasztikus változását eredményezték, és az oktatásban középiskoláig csak korlátozottan és elvontan jelentkeznekArisztotelész…

Püthagorasz…Kepler….Newton…

Speciális és általános relativitás-elméletKvantumelméletHatározatlansági relációTöbb dimenziós terek elmélete – Húr (Brán) elmélet

2. Az utóbbi években – évtizedekben keletkezett jelentős, nagy hatású, de nem kevésbé elméleti, de a mindennapokra nagy hatást gyakorló eredmények: pl. tranzisztor, lézer, számítógép, optikai szál3. Olyan eredmények, amelyek nagyon újak, de hatásuk, egyelőre, korlátozott, inkább szűkebb szakterületen van jelentőségük: két-foton mikroszkópia, részecske-párkeltés, Bose-Einstein kondenzátum, stb.

Hasonló jelenségkörök vagy eszközökkülönböző újdonsági kategóriákba sorolhatók

Példa:

Lézer

Gázlézer

Szilárdtest-lézer

Lézerdióda

Nagyteljesítményűszilárdtest-lézer

VCSEL

SOA - erősítő

Sebészeti lézer

Atto-femto-szekundumos

lézer

KrF lézer

Általánosabb, régebbi, de alapvető fogalmak

Utolsó húsz évhez kötött – legújabb fejlesztések

Specifikusabb, de nagy gyakorlati jelentőségű újdonságok

Gyakran használt, használatán keresztül is ismert

Az új eredmények lehetségesszerepe az oktatásban

-Szemléletformálás

-Tárgyi tudás erősítése

-Tájékozódás fejlesztése

-Motiváció

-Szemléltető anyag

-Alkalmazási példák

Fontossági sorrendben?

Szemléletformálás

Világkép-alakítás Korán kezdjük

Egy lehetséges cél: eleve a gondolkodást úgy formálni, hogy képeseklegyenek új dolgokat kreatívan meglátni, és a látható, tapintható valóság korlátait legyőzni – pl. több dimenziót, térgörbületet természetesen kezelniviszonylag kis kortól –

Milyen kortól és milyen mélységig?

Mennyire van rá szükség – hasznos?

Jó példa: a Föld gömbölyű – ma már nagyon kis gyerekek is tudják

Érdemes bevezetni ugyanezt pl. a speciális és általános relativitás-elmélet alapjaira?

A világkép-alakítás lehetősége

Az idő nem telik mindenkinek egyformán

A gravitáció ténylegesen görbíti a teret

Az egyenes bizonyos körülmények között görbe

Alapgondolatok, amelyek már korán bevezethetők:gondolkodás-formálók

A vonatkoztatási rendszerek – mindent valamihez viszonyítunk, semmi sem abszolút

A vonatkoztatási rendszer fogalmának bővítése

Einsteini gondolatkísérlet – jól megérthető és beilleszthető a világképbe

Kvantitatív magyarázat: Egy bizonyos pontig jól kapcsolható a tanult mechanikai fogalmakhoz: gyorsulás, rendszer.

A fizikai, kémiai és biológiai folyamatok időbeli viszonyainak általános fogalmakkal (sebesség, gyorsulás, erők, energia) történő leírása. A mozgás kinematikai és dinamikai leírása, a newtoni képnek mint a tudományos elemzés eszközének elfogadása.

Idézet a NAT-ból:

De a geometriai látókör tágításával foglalkozhatunk!

Riemann felület

Alapvető gondolkodási sémák

Kvantummechanikából:

Létezik egzakt, tőlünk kívül álló valóság?

Mérés és mérendő kapcsolata:

Alapelv: a mérés beavatkozás, amellyel befolyásoljuk a mérendőt

Valamilyen szintű valószínűségi gondolkodás egészen korán elkezdhető

Középiskolában erre lehetne építeni az állapotfüggvény általános fogalmát

Matematikai megalapozás?

C atom külső elektronjainak valószínű helye

http://www.lnhatom.com/pictures.html

Az energia kvantálása

Az anyag atomokra osztásával párhuzamosan lehet bevezetni az energia kvantálásának fogalmát is

csak egy ugrás a fény kvantálása és a fényrészecskék fogalma – kvantitatívan akkor, ha már beszéltünk rezgésekről, és definiáltuka frekvencia fogalmát: n·ħ·ω

Kvalitatívan és kvantitatívan nagyon jó a Bohr modell

Eg1 Eg2Eg3

Eg4

Emelők,gravitációs

Energia:

Nitrogén-atom

Elektronforrás

Ernyő résekkel

Megfigyelő ernyő

Interferencia-kép

Bemutatható az anyag hullámtermészete

Elektron interferencia –Ehhez talán nincs meg a matematikai alap

Vízhullámok interferenciája

Látható, bemutatható, elképzelhető

Analógia

Alapesetben csak kvalitatív kép!

2. Tárgyi tudás erősítése

1. Új kutatási eredmény bemutatása, hogy ismerjék és használni tudják

2. Már használt technológiai vívmány magyarázata, működésének megértése

Fel kell építeni a fizikai képet (kvalitatív vagy kvantitatív modellt)a kívánt újdonság megértéséhez – különben elfelejtik

Pl.: Olvasmány a szupravezetésről –

Fizikai képbe beépül és megmarad ha vannak alapozó mágnesség ismeretek - spin és domén fogalmának ismerete üdvös

Kísérleti tapasztalatokra is lehet alapozni – vizuális hatás – gyakorlati eredménye nagy, a fizikai megértés korlátozott

Fontos a célkitűzés, hogy milyen szinten szeretnénk megismertetni az újdonságot!

Az új eredmények megismerésének szintjei

Hallottam róla szint - tudom, hogy létezik, nem ismeretlen a szó, vagy fogalom

Használati szint – tudom, hogy létezik és megjelenik a mindennapi életemben

Kvalitatív ismereti szint - el tudom mondani, hogy működik, milyen jelenségeken alapul,

értelmezni tudomKvantitatív ismereti szint –

tudom, hogy kapcsolódik matematikailag a hozzá vezető jelenségekhez, matematikai MODELLT tudok alkotni róla

Az utolsó szint általában csak a saját szakterületre jellemző, ha az adott kutatási eredmény nem annyira alapvető, hogy mindent befolyásol, pl. újfajta számítógép

A kutatási eredmények bemutatásakor az oktatás során nagyon fontos kitűzni a célszintet!

Alapozás és felépítmény

Pl. a lézer működésének és tulajdonságainak megértése

mindennapos használati tárgy – CD-k, DVD-k, mutatópálcák, optikai csatolók

Alap: fény anyag kölcsönhatásabszorpció

indukált emisszióspontán emisszió

Erősítés lehetősége, foton-sokszorozás

Rezonátor szerepe – irányszelekció – geometriai optikai kép

Lézerfény és termikus fényforrás összehasonlítása

-Fényes-Irányított-Interferenciára képes

A tengellyel nem párhuzamos sugár előbb-utóbb kilép - nem erősödik

Hasonló fotonok alkotják

3. A tájékozódás fejlesztése

Kiigazodni napjaink információ és fogalom özönében

A cél nem a fizikai modell valamilyen szintű kiterjesztése az újdonságra (sokszor túl bonyolult), hanem valamihez kötése, elhelyezése a világban

Pl. napjaink hívószavai: fluoreszcencia mikroszkóp fekete lyuk frekvencia-fésű nanotechnológia részecskegyorsító

Pár mondatos, fizikai jellegű magyarázat elégTankönyvi, vagy azon kívüli olvasmányok, internet-linkek elegendőek és hasznosak

4. Motiváció

Megismerésre, tanulásra ösztönöz

Növeli a tudomány erejébe vetett hitet!

A kutatás eredménye lenyűgözhet, imponál

Rejtélyek, hátborzongató izgalmak

Kicsit tálalás (találós) kérdése

Milyen gyorsan hat a gravitációs erő?

Hogy lehet a semmiből részecske-antirészecske párt kelteni?

Mi van a fekete lyukon túl?

Hány dimenziós a világegyetem?

5. Szemléltetőeszközök

Új fejlesztésű eszközök, anyagok sokszor nagyon jól használhatók akár a klasszikus tananyag megismertetésére is

Számítógépes eszközök

Kísérleti berendezések

Érdekes: WiiMOTE

Tartalmaz gyorsulásmérőt és infravörös pozícióérzékelőteredetileg játékvezérléshez

6. Saját eredmények is eljutnak a diákokhoz

Kutatási területek:

-Akuszto- és elektrooptikai eszközök fejlesztése

-femtoszekundumos lézerekhez-fluoreszcencia-mikroszkóphoz-holográfiához-anyagvizsgálathoz-spektroszkópiához

lézerfényhang

-Mérőkészülékek fejlesztése-fluoreszcencia (sokféle)-dinnyeminősítő-félvezetőgyártáshoz

- Napelemek modellezéseNyílt napok (évente)

nov. 28 legközelebbSzökőévente egyszer a médiában

Ismeretterjesztő előadások

Köszönöm a figyelmet!