Vyučovanie fyziky

 

11.1 Sprostredkovanie informácie vo vyučovaní fyziky.

 

 

Poznámka

V náučných slovníkoch (pozri napr. Malú československú encyklopédiu) nachádzame ob­vykle pre pojem informácia význam – „..správa podávaná ústne, písomne alebo iným spô­sobom (s pomocou signálov, technických prostriedkov)..“.

Podstatným znakom informácie je teda jej šírenie a zdielanie viacerými osobami. Pri práci s ňou sa zrejme nezaobídeme bez niekoľkých ďalších pojmov z teórie informácie, ktorými sú napr. signál, správa, kód, kódovanie, redundancia, vysielač, príjemca, informačný ka­nál,..

Teória informácie je vedný odbor, zaoberajúci sa najvšeobecnejšími otázkami prenosu správ. Obsah slova správa je pri tom veľmi široký – nachádzame v ňom niele každé ústne alebo písomné odvzdanie informácie ale napr. aj sprostredkovanie informácie od červe­ného svetla na semafóre, od stupnice meracieho prístroja v laboratóriu ale aj napr od usporiadaného súboru symbolov veličín, ktoré opisujú priebeh fyzikálneho deja.

 

Sprostredkovanie školskej fyzikálnej informácie

Vyučovací proces, ktorým sa zaoberáme, je typickým prípadom širenia informácie. Preto by ho mal z tohoto hľadiska vnímať aj učiteľ a rešpektovať zákonitosti, ktoré so šírenim infor­mácie súvisia a ktoré skúma teória informácie.

Pokúsme sa použiť prostriedky teórie informácie pri modelovaní vyučovania. Pri vyučovaní fyziky je spravidla predmetom, o ktorom treba žiaka informovať, fyzikálny jav  pozorovaný na určitom objekte. Termín pozorovanie tu treba chápať fyzikálnym spôsobom – teda ako pojem, v ktorom sú obsiahnuté všetky možné spôsoby vnímania objektu – od vnímania neozbrojeným okom až k údajom zaznamenaných na pristrojoch. V školskom prostredí, v prenesenom slova zmysle, často ide o pozorovanie modelového objektu, alebo jeho ideál­nej realizácie.

Učiteľ obvykle získa o objekte informáciu ako určitú predstavu (P) a rozhodne sa, že o nej bude informovať žiaka. Premení preto svoju predstavu P na množinu S elementárnych správ s1, s2, s3, ...sn, ktoré presunie k žiakovi vhodne zvoleným informačným kanálom (obr. 11-1-1). Žiak množinu učiteľom vyslaných správ prijme a vybuduje si pomocou nej svoju vlastnú predstavu P2 o jave, o ktorom ho učiteľ informuje.

 

 


 


Obr. 11-1-1 Sprostredkovanie informácie od učiteľa (vysielač) k žiakovi (prijímač).

V spodnej časti obrázku je naznačená podstata jednej z príčin neúspešného prenosu správy: Zásoba znakov ZV utvorených vo vysielači, v ktorých sú zakódované elementárne správy, sa líši od zásoby znakov ZP, ktorou disponuje prijímač. Úspešný prenos správy teda môže prebehnúť len pomocou znakov ZS, ktoré sa nachádzajú v spoločnej časti množín ZV, ZP.

 

 

Z obrázku, ktorým sme sa pokúsili modelovať prenos správy od učiteľa k žiakovi je zrejmé,  že správa S zložená z elementárnych správ (s1, s2, s3...sn) sa dostáva k žiakovi informač­ným kanálom v podobe signálnych prvkov

(x1, x2, x3,.. xn).

Vďaka objektívnym aj subjek­tívnym vplyvom dochádza v informačnom kanále k skresleniu a výpadkom signálu. Preto žiakom prijatý signálny súbor X´

(x1´,x2´, x3´,.. xn´),

sa môže líšiť od vyslaného súboru X. V dôsledku toho aj žiakom zostavená správa S´ o objekte, zložená z elementárnych prvkov s1´, s2´, s3´,.. sn´, môže viesť k odlišnej predstave P2 odlišnej od predstavy P1, ktorú má o tom istom jave učiteľ.

 

Pokiaľ je však žiak dostatočne aktívny a zavčasu príde na nedostatky v svojej predstave P´, môže si od učiteľa vyžiadať dodatočnú informáciu, ktorú použije pri korekcii nesprávne pochopených. Z tohoto dôvodu je informačný kanál na obr. 11-1-1 naznačený ako dvojsmerný a z toho istého dôvodu je v školskej praxi tak dôležitá metóda rozhovoru známa z pedagogiky.  

 

Korekcia nesprávne pochopenej informácie

Nie všetci žiaci sú natoľko aktívni, aby sa každá chybná predstava o jave, ktorý je predmetom učiteľovho výkladu, dala korigovať na mieste – hneď vtedy, keď vznikne. Schopný učiteľ preto vždy sám podniká kroky, ktorými sa o úspešnosti sprostredkovania informácie presvedčil. Do vyučovacieho procesu vloží ďalší kanál ako spätnú vazbu, ktorou získava správy o kvalite vyučovania v podobe výsledkov skúšania, písomných prác, testov... V prípade, že sa presvedčí, že u nezanedbateľného počtu žiakov došlo k vzniku nesprávnej predstavy P´ o tom čo vyučoval, pátra po príčinách.

 

Príčin nesprávne prijatej informácie a teda aj vzniku neadekvátnej predstavy P´, môže byť samozrejme mnoho. So skúmaním treba začať u zdroja informácie, ktorý stojí na začiatku celej prenosovej časti. Je to samotný objekt, či jav, o ktorom má vyučovanie informovať.

Dobrý učiteľ obvykle nebýva presvedčený o svojej neomylnosti a preto preskúma najprv ako vznikla jeho vlastná predstava P o jave, ktorý chce žiakom sprostredkovať. Správa S, ktorú na základe svojej vlastnej predstavy P vytvorí, je vlastne systém poznatkov, spojených navzájom funkčnými väzbami. Ak niektorý z týchto prvkov je pre opis správania objektu podstatný a ak ho učiteľ napriek tomu do správy S nevloží, neobjaví sa tento prvok ani v žiakom prijatej správe S´. Správa S´ potom činnosť objektu neobjasňuje a žiakova predstava P´ o objekte je nesprávna – napriek tomu, že prenosový informačný kanál fungoval bezchybne.

 

Uveďme jednoduchý príklad.

Pri výklade vlastností pozdĺžneho mechanického vlnenia učiteľ často používa ako ilustračné príklady javy, ktoré sú źiakovi známe. Obľúbeným príkladom sú vlny, vyvolávané v lete vetrom v láne obilia.

Žiaľ, tento model nie je izomorfný model postupného vlnenia: Lán obilia sa v skutočnosti síce správa akoby ním postupovalo vlnenie, avšak podstatný prvok štruktúry – pružná väzba medzi klasmi chýba. Žiak si spravidla na základe takejto (neúplnej) správy o jave vytvorí chybnú vlastnú predstavu – nepochopí, že charakteristickým znakom šírenia postupného vlnenia je prenos energie, ktorý umožňujú práve väzby v prostredí, ktorým vlnenie postupuje.

 

V uvedenom prípade pochybil učiteľ – neupozornil žiaka na homomorfizmus použitého modelu. Korekcia nie je zložitá – na vyučovanie sa treba lepšie a dôslednejšie pripraviť a vložiť doň správu s takými prvkami, ktoré sú nutné na vysvetlenie javu.

Ak však didaktický postup pri príprave správy S o objekte bol správny, ostáva učiteľovi len aby príčiny nesprávneho žiackeho chápania javu hľadal v ďalších častiach prenosu správy S.

 

Odlišnosti v štruktúre vyslanej a prijatej správy mávajú spra­vidla dve príčiny, ktorými sú zlá kvalita informačného kanálu a nevhodne zvolené kódovanie.

 

Doprava signálu informačným kanálom

Z predchádzajúcich niekoľkých odstavcov vyplýva, že z učiteľovho didaktického hľadiska treba sprostredkovať dobre zostavenú informáciu tak, aby sa žiacka predstava P´ o skúmanom objekte čo najlepšie zhodovala s jeho vlastnou predstavou P.

V ideálnom prípade sa signál X dopraví do prijímača tak, že prijatý signál X´ sa bude skladať zo signálnych prvkov xi´, totožných so signálnymi prvkami xi vyslaného signálu X. Z hľadiska teórie informácie to znamená, že správu S treba vyslať tak, aby ani pri jej pre­mene na signál X, ani pri doprave signálu nedošlo k poškodeniu alebo dokonca k zániku niektoých jej prvkov.

Prečo k takým poškodeniam dochádza, vyplýva obvykle z kvality prenosového kanálu. Prenosový kanál ovplyvňujú šumy, ktoré sú príčinou, že do prijímača sa niektoré signálne prvky dostanú skreslené alebo sa tam nedostanú vôbec. Správa S´ ktorú na základe poškodených signálnych prvkov zostavíme, potom nemôže byť totožná (z hľadiska systémového prístupu izomorfná) s pôvodne vyslanou správou S.

 

Ako je to s kvalitou informačných kanálov v školskej praxi?

Informačné kanály používané pri vyučovaní bývajú veľmi rozmanité. Najčastejšie používa­ným kanálom je pravdepodobne učiteľov slovný prejav. Veľmi často sa kombinuje s optickým kanálom a s písomným učiteľovým prejavom, zobrazeným na tabuli, alebo s učebnicovým textom, s pozorovaním obrazových a trojrozmerných pomôcok, experimentov, videozáznamov,...

Šum v týchto informačných kanáloch vzniká napr. neočakávanými pohybmi a zvukmi v triede – každým vyrušovaním žiaka jeho okolím. Prispieva k nemu aj okamžitá žiakova indispozícia a nepozornosť, alebo aj jeho vady sluchu, či zraku.  Niektoré šumy môžu byť spôsobené aj indispozíciou učiteľa, alebo jeho obmedzenou vyjadrovacou schopnosťou. Nie zriedkavým zdrojom šumov bývajú žiaľ aj učebnicové prieklepy a nejasne formulované texty.

 

Kódovanie správy

Ako vyplýva z predchádzajúceho textu a z obrázku 11-1-1, pred dopravou správy od vysielača do prijímača treba správu S premeniť na signál X. Pri tejto premene priraďujeme vo vysielači každej elementárnej správe si signálny prvok xi. Tento proces nazývame kódo­vanie a súhrn pravidiel, ktorými sa pri tom riadime, nazývame kód.

Naopak, po prijatí signálu v prijímači prebehne dekódovanie – každému prijatému signál­nemu prvku sa priradí elementárna správa.

Je zrejmé, že keď má byť proces kódovania a dekódovania úspešný musia obidve strany informačného kanálu používať ten istý kód – inými slovami – príjemcovi musia byť známe kódové pravidlá použité vo vysielači.

K chybnému kódovaniu dochádza obvykle vtedy, keď učiteľ použije kódový prvok – napr. symbol, matematickú operáciu, vzťah,.. – ktorý žiak nepozná – napr. keď pri odvodení vzťahu pre dostredivé zrýchlenie použije goniometrické funkcie alebo vlastnosti vektorov, ktoré žiak ešte neovláda.

 

Nadbytočnosť kódu – redundancia

Ako sme už spomenuli, správa S vyslaná učiteľom často nie je prijatá žiakom ako izomorfný súbor S´ elementárnych správ. Je to zapríčinené šumom alebo nevhodným kódom, ktorý učiteľ neoprávnene použil.

Aby sme tým žiakom, ktorí prijali poškodenú správu, poskytli príležitosť urobiť potrebné korekcie – poškodené prvky správy nahradiť – vyšlú sa obvykle niektoré alebo aj všetky prvky správy viackrát, buď v rovnakej podobe, rovnakými signálmi ako pôvodná správa alebo v inej podobe – s použitím iného kódu.

Ak učiteľ správu jednoducho opakuje – vyšle ju v podobe toho istého signálu ako pôvodne – môže žiak opraviť prvky deformované pri prvom prenose šumom. Opakovanie správy však nedáva žiakovi možnosť korigovať elementárne prvky správy nepochopené v dôsledku nevhodného kódovania.

Ak však vyšle učiteľ tú istú správu iným informačným kanálom než pôvodne, zakódovanú inými pravidlami, máva spravidla väčšiu nádej, že žiak pochopí aj tie signálne prvky, ktoré mu v pôvodnej správe boli nejasné. Vtedy hovoríme, že prenos správy prebehol s určitou nadbytočnosťou kódu, ktorú nazývame redundancia.

Veľkosť redundancie, s ktorou učiteľ pracuje, závisí od viacerých faktorov.

 

Učiteľov postup s redundantnými prvkami ukážeme na jednoduchom príklade vyučovacej situácie z tematického celku Kirchhofove zákony. Súčasťou učiteľovho postupu je výkladov´q úloha (U1) zadaná textom (Text) a obrázkom (Obr. 11-1-2):

 

U1

Text

Na obrázku 12-4-1 je elektrický obvod so zdrojom elektrického napätia, s reostatom, rezistorom s elektrickým odporom R, ampérmetrom s vnútorným odporom RA, ktoré sú spojené sériovo. Paralelne k svorkám rezistora pripojený voltmeter s vnútorným odporom RV.

 

 


Obr. 12-1-2.

 


Žiaka sa ešte predbežne na nič nepýtame – len mu predložíme úlohovú situáciu – raz v podobe samotného textu, druhý raz v podobe obrázku.

-        Ak mu predložíme text, očakávame, že si o elektrickom obvode vytvorí predstavu, ktorá korešponduje schéme nakreslenej na obr. 11-1-2.

-        Rovnako očakávame, že bude schopný slovne opísať obvod spôsobom približne zhodným so zadaním, ktoré sme označili ako Text, ak mu predložíme samotný obrázok.

 

Každý z uvedených spôsobov zadania predstavuje sám o sebe tú istú úlohovú situáciu, sprostredkovanú s minimálnou redundanciou – každý element správy je kódovaný iba raz.

Zrejme nemôžeme očakávať, že v skupine tridsiatich žiakov všetci správne dekódujú všetky signály zaradených do Textu. Iste sa nájdu aj takí žiaci, ktorí si nebudú vedieť spomenúť aký je rozdiel medzi jednoduchým a rozvetveným elektrickým obvodom, alebo si pletú paralelné a sériové spojenie prvkov obvodu. Tí iste budú vedieť oceniť redundantnú informáciu – nadbytočný kód, ktorý ponúka obrázok a budú v ňom chýbajúcu informáciu hľadať.

Rovnako nemožno očakávať, že všetci žiaci si dobre pamätajú všetky značky, ktorými sa vo fyzike znázorňujú prvky obvodu – zdroj napätia, reostat, vnútorný odpor meracieho prístroja,... Tí žiaci budú rozhodne hľadať redundantnú informáciu v texte.

 

Pre ilustráciu uvádzame niekoľko otázok – jednoduchých uloh, ktorými sa majú žiaci ďalej zaoberať:

 

a)     Skúmajte cestu elektrického prúdu od kladnej svorky zdroja, pozdĺž elektrického obvodu. V uzle sa prúd rozvetvuje.

b)    Prekreslite schému do vášho zošita a znázornite šípkami cestu prúdu do uzla a von z neho. Podobné značenie prúdov urobte aj pre ďalší uzol.

c)     Je zrejmé, že zákon zachovania platí aj pre elektrický náboj. Nikde v obvode sa náboj nemôže stratiť a naopak, ani z ničoho vznikať. Elektrický náboj DQ, vstupujúci v určitom časovom intervale Dt do uzla, sa rozdelí na časti DQ1 a DQ2   do vetiev tak, že je splnený vzťah

DQ = DQ1 + DQ2.                   (1)

Vzťah musí byť splnený aj pri výstupe z druhého uzla.

d)    Prúdy vo vetvách medzi uzlami nášho obvodu sme označili IV, I. Vysvetlite, prečo pre celkový prúd IA, vstupujúci do uzla (a vystupujúci z ďalšieho uzla) platí vzťah

IA = I + IV.

Ako to súvisí so vzťahom (1)? Uvážte, či to nejak ovplyvní meranie odporu R.

e)     Vysvetlite, prečo by mal mať kvalitný voltmeter čo najväčší odpor.

 

Poznámky

-          Už sme uviedli, že úloha sa použije ako výkladová úloha v téme Kirchhofove zákony. Učiteľ sleduje cieľ – použiť názorný prostriedok – schému elektrického obvodu – aby objasnil javy, ktoré súvisia s vetvením prúdu v tej časti obvodu, v ktorej je zaradený voltmeter. Preto predkladá úlohu s veľkou redundanciou tak, aby jej každý žiak schéme porozumel a získal jasnú predstavu o úlohovej situácii, v ktorej sa má problém ovplyvnenia obvodu voltmetrom riešiť.

-          Možno na ďalšej vyučovacej hodine predloží učiteľ podobný text úlohy bez sprievodnej schémy. Bude požadovať, aby žiaci schému nakreslili na základe textom sprostredkovanej informácie. To však už bude úloha riešená z iného didaktického dôvodu – v inej vyučovacej situácii. Aj redundancia, ktorú učiteľ použije, bude zrejme menšia.

-          Navrhujeme čitateľovi, aby z predchádzajúcej úlohy vybral všetky použité signálne prvky a uvedomil si, koľko ich musí žiak dekódovať, aby úlohu mohol začať riešiť. Skúste si potom urobiť záver o "zložitosti", či "jednoduchosti" úlohy.