15. Čvc 2013 · Sebevzdělávání

Co nás lekce z fyziky může naučit o efektivitě výuky na VŠ?

V sedmdesátých letech 20. století přišel za Davidem Hestenesem kolega s tím, že má problém.

Oba byli v té době profesory fyziky na Arizonské státní univerzitě. Hestenes učil převážně studenty vyšších ročníků, ale jeho kolega měl na starosti předmět pro nováčky zabývající se úvodem do fyziky a studentům se v něm příliš nedařilo. Semestr za semestrem se  úspěšnost u zkoušky nedokázala vyšplhat nad 40 %.

„Všimnul jsem si, že důvod pro tak nízkou úspěšnost se skrývá v tom, že otázky v závěrečném testu jsou především kvalitativního charakteru. Takové otázky vyžadují pochopení konceptů,“ říká Hestenes.

Většina profesorů takovou míru pochopení u svých zkoušek nevyžadovala. Studentům stačilo vyřešit několik ukázkových úloh a zkouškou prošli.

Hestenesovo povšimnutí vedlo k sérii rozhovorů mezi ním a jeho kolegou na téma rozdílu mezi řešením úloh a skutečným pochopením konceptů, ze kterých tyto úlohy vychází. Měli podezření, že studenti se učí pouze řešení konkrétních problémů, aniž by plně pochopili kontext, v němž tyto problémy vznikají.

Zkouška z pochopení

Hestenes a jeden z jeho univerzitních studentů, Ibrahim Halloun, se rozhodli otestovat tuto teorii tím, že přišli se způsobem, jak otestovat u studentů jejich konceptuální pochopení fyziky.

Vytvořili test s výběrem z několik možných odpovědí, který je dnes znám pod názvem Force Concept Invetory neboli FCI. Tady je na ukázku první a asi nejjednodušší otázka v celém testu:

Máme dvě kovové koule stejné velikosti, ale jedna váží dvakrát víc než druhá.  Pokud je zároveň upustíme  ze střechy dvoupatrové budovy, čas, za který dopadnou na zem, bude:

1. zhruba o polovinu kratší pro těžší kouli než pro tu lehčí

2. zhruba o polovinu kratší pro lehčí kouli než pro tu těžší

3. zhruba stejný pro obě koule

4. výrazně kratší pro těžší kouli, ale ne nutně o polovinu

5. výrazně kratší pro lehčí kouli, ale ne nutně o polovinu

Toto je otázka na jeden z nejzákladnějších konceptů ve fyzice, přesto i někteří ze studentů, kteří prošli univerzitním úvodem do této vědní disciplíny, na ni odpovídají špatně. Správná odpověď je jiná, než kterou nám může nabízet intuice. (Ke správné odpovědi se dostaneme za chvíli.)

Hestenes s Hallounem rozdali tento test tisícovce studentů v rámci úvodních předmětů ve fyzice vyučovaných sedmi instruktory na dvou různých školách. Každý z předmětů byl vyučován standardně pomocí přednášek, i když každý z vyučujících měl svůj vlastní styl. Jeden věnoval hodně času názorným ukázkám. Další kladl důraz na řešení úloh. Jiný byl zase teoretickým fyzikem a věnoval spoustu času rozebírání konceptuální struktury.

Studenti v těchto sedmi různých třídách absolvovali test na začátku semestru. Není asi moc překvapující, že si nevedli příliš dobře (i když spousta z nich předtím absolvovala hodiny středoškolské fyziky a Hestenes s Hallounem předpokládali větší úspěšnost).

Studenti poté test absolvovali podruhé na konci semestru a i tentokrát se jim příliš dobře nevedlo. Jejich skóre se zvedlo o pouhých 14%, což znamená, že si z celého semestru odnášeli jen o 14% větší porozumění základním principům fyziky, než jaké měli na jeho začátku.

Tyto výsledky pak byly publikovány v sérii článků v American Journal of Physics v roce 1985. Podle jeho editora byl Hestenes fascinován těmito nálezy, ale ostatní profesory fyziky to příliš nezajímalo. A to dokonce ani ty, kteří se experimentu přímo účastnili. „Jedním z důvodů může být i to, že nevěděli, jak s těmi výsledky naložit,“ říká Hestenes.

Přednášení byl zkrátka způsob, jakým se úvodní kurzy do fyziky vyučovaly. Připustit, že je na něm něco špatného, by znamenalo, že instruktoři fyziky by „museli skutečně změnit svůj přístup k tomu, jak učí,“ tvrdí Hestenes.

Spousta z nich jednoduše tuto studii ignorovalo a dělali věci tak jako předtím. Trvali na tom, že jejich přednášky zcela vyhovují.

První, kdo to vzal vážně

Eric Mazur byl podle Hestenese jiný. „On byl prvním, kdo si vzal výsledky studie skutečně k srdci.“

Mazur je profesorem fyziky na Harvardově univerzitě. Na Hestenesovy články narazil v roce 1990, tedy pět let poté, co vyšly.

Abyste pochopili, proč na Mazura články tolik zapůsobily, je potřeba znát trochu z jeho historie. Mazur vyrůstal s vidinou toho, že se stane astronomem. „Když mi bylo pět let, zamiloval jsem se do vesmíru,“ říká. „Snažil jsem se dostat do rukou všechny dostupné knihy o astronomii. Svět vědy mě neuvěřitelně vzrušoval.“

Když se ale Mazur dostal na univerzitu, předměty z astronomie nesnášel. „Celé to bylo o tom tvrdnout na přednáškách, psát si na papír poznámky, které jste se potom museli nadrtit a papouškovat je zpátky vyučujícím u zkoušek. Celá krása astronomie se rozmělnila v posedlosti detaily a důrazem na memorizování.“

A tak změnil obor na fyziku. Sedět na nudných přednáškách z fyziky mu tolik nelámalo srdce. Časem se mu podařilo získat Ph.D. a stálé místo na Harvardově univerzitě. Jako většina doktorandů, ani on nedostal žádný výcvik v tom, jak vyučovat.

„Prostě jsem napodoboval to, jak učili mě. Myslím, že tak to dělají všichni. Zkrátka  jsem začal přednášet.“

Ukázalo se, že přednášení zbožňuje. Je mnohem zábavnější být na pódiu a mluvit než sedět v hledišti a poslouchat. Podle Mazura tohle přednáška přesně je – představení. Rozhodl se, že to bude představení zábavné.

„Díky vybavení, které máme k dispozici zde na Harvardu, se moje přednášky staly skutečně okázalými, jako nějaká Hollywoodská show. Používal jsem chytlavé ukázky nebo dokonce jezdil po přednáškové místnosti v raketovém autě.“

Mazurovi studenti tenhle způsob výuky evidentně milovali. Jeho přednášky byly nabité a dostával pravidelně skvělé hodnocení od studentů na konci semestru.

„Docela dlouho jsem si říkal, že dělám skutečně dobrou práci,“ říká Mazur.

Ne mí studenti

Potom si Mazur přečetl článek od Hestenese a Hallouna. Jeho první reakce bylo výsledky zavrhnout. Jednalo se přece o tak základní materiál. Byl si jistý, že jeho studenti jej zvládali.

Ale co když ne? Jak nudné by bylo učit se fyziku a nikdy nepochopit základní koncepty, které činí fyziku tak fascinující. Mazur si vybavil svoje zkušenosti s hodinami astronomie. Pokud se jeho studenti jen memorizovali informace a učili řešit úlohy bez hlubšího pochopení, pak to potřeboval vědět a něco s tím začít dělat. Rozdal jim proto FCI testy a nestačil se divit.

„Nevedlo se jim moc dobře,“ řekl Mazur. „Popravdě, když studenti uviděli testy, které jsem jim rozdal, někteří za mnou přišli a ptali se mě, jak mají na otázky odpovědět. Podle toho, co jsem je učil, nebo způsobem, jakým o těchto věcech normálně přemýšlejí? Tehdy mi došlo, že tu doopravdy není něco v pořádku.“

Mazur a ostatní fyzikové pochopili, že jedním z důvodů, proč je pro studenty tak těžké naučit se koncepty fyziky je, že studenti přichází do třídy s již existujícím pevně ukotveným intuitivním pochopením toho, jak fyzikální svět funguje.

„S tímto intuitivním modelem světa můžeme dost dobře fungovat,“ tvrdí Mazur. „Můžeme pomocí něj posunout židli po podlaze či hodit míč, a to i když jsme předtím nikdy nestudovali parabolické trajektorie nebo nepochopili, jak fungují fyzikální zákony a zákon tření.“ Ukazuje se ale, že velké množství těchto na intuici založených názorů se neshoduje s tím, co fyzikové objevili o tom, jak náš svět ve skutečnosti funguje.

Intuice většině lidí napoví, že pokud hodíte různě vážící koule ze střechy dvoupatrové budovy, ta těžší z nich dopadne jako první. Tak tomu ale není. Odpověď na výše zmíněnou otázku je odpověď číslo 3, tedy že obě dopadnou ve stejnou chvíli.

Výsledky z FCI testů vypovídají, že většina studentů si z předmětů postavených na klasických přednáškách příliš dobré pochopení základních konceptů fyziky neodnese. Je pro ně obtížné je pochopit i proto, že už si ve své hlavě nesou koncepty světa, které jsou s těmito novými v přímém rozporu.

„Jakmile jednou proniknete do fyziky, dokážete tyto dva druhy konceptů propojit a uvidíte všechno kolem sebe jako součást jednoho rámce, v němž působí stabilní sestava zákonů. Myslím si, že v současnosti si po úvodních kurzech fyziky většina studentů ponechává své intuitivní vidění světa,“ říká Mazur.

Memorizují se věci, které slyší od svých profesorů a poté jim je papouškují zpátky u zkoušek místo toho, aby nové znalosti provázali s jejich vlastní představou, jak fyzikální svět funguje. Způsob, jakým se Mazur naučil fyziku, bylo naučit se ji na vlastní pěst. „Nejsem tím, kdo jsem dnes, díky svému školnímu vzdělání jako spíš jemu navzdory.“

„Naučili se to sami.“

David Hestenes tvrdí, že tento příběh je pravdivý pro mnoho studentů.

„Pokud se podíváte, co se děje v úvodních kurzech i na těch nejlepších školách, zjistíte, že tyto kurzy fungují pro zhruba tak 10% studentů,“ říká. „A myslím si, že všechny důkazy nasvědčují tomu, že těchto 10% by se fyziku naučilo i bez vyučujících. V podstatě se učí samostatně.“

Na základě informací, které se fyzikové dozvěděli o problémech tradičního vyučování, vzniklo celé nové odvětví výzkumu vzdělávání. Existují skupiny zabývající se výzkumem vyučování fyziky na tuctech univerzit a k dispozici je i dlouhý seznam ověřených studií potvrzujících jejich výsledky.

Studenti musí být aktivní při vytváření svých znalostí,“ říká Hestenes. „Nemohou je jen pasivně přijímat.“

Myšlenka, že lidé se učí lépe, pokud jsou aktivně zapojeni, je jedním z hlavních objevů kognitivního výzkumu posledních desetiletí.

„Studenti přicházejí do třídy s předpojatými názory na to, jak svět funguje,“ tvrdí jedna ze zpráv National Research Council. „Pokud se s těmito již existujícími názory nepracuje, je možné, že se jim nepodaří pochopit nové koncepty a informace, které jsou jim předkládány nebo se je naučí pouze za účelem složení zkoušky, ale mimo třídu se opět vrátí ke svému původnímu pojetí.“

Změňme způsob, jakým profesoři učí

V průběhu posledních let vyvinuli výzkumníci a instruktoři celou řadu technik interaktivního zapojení, které se ukázaly být pro vyučování velkého množství studentů efektivnější než klasické přednášky. Mazur používá přístup, který nazývá „instrukce od vrstevníků“. Je těžké zjistit, kolik vyučujících používá tyto metody ve svých třídách. Experti ale tvrdí, že většina velkých úvodních kurzů (obzvláště v přírodních vědách) je stále vyučována pomocí konvenčních metod.

Mazur tvrdí, že i dnes, roky po publikaci prvních článků o FCI testu a zavedení mnoha programů v rámci Physics Education Research, má mnoho profesorů problém přiznat si, že by mohl být problém s tím, jak své předměty vyučují.

„Většina lidí, kteří dnes učí, jsou produktem tohoto přístupu k vyučování,“ říká. „Jim se v rámci něj podařilo uspět.“ Podle něj existují i lidé jako on, kteří se učili sami, protože je látka zajímala a měli motivaci se jí naučit. Profesoři by se měli podle Mazura začít víc snažit, jelikož ekonomika se neustále mění a v současnosti je potřeba více úspěšných studentů než v minulosti.

Mazur věří, že hlavní výzvou pro vyučující v 21. století je najít nové způsoby, jak oslovit co nejvíce studentů a pomoci jim učit se lépe, než kdy oni sami pokládali za možné.

Share Button