)
Za każdym razem, gdy przygotowuję kolejny wykład z fizyki, staram się mieć na uwadze, że uczenie tego przedmiotu ma być przekazywaniem wiedzy, ale zarazem - może i przede wszystkim - ćwiczeniem umiejętności racjonalnego poznawania świata, czyli stosowania metod naukowych. Akurat fizyka dobrze się do tego nadaje, jako że stanowi pod tym względem swego rodzaju wzorzec, który próbują naśladować inne dyscypliny, głównie przyrodnicze, choć również humanistyczne. Z jej ogólnych wyników korzysta też (co dość oczywiste) filozofia przyrody, której „odpryski” stanowią element ogólnego światopoglądu współczesnego wykształconego człowieka.
W charakterze „klasycznego” przedmiotu własnych badań traktuje też fizykę historia i filozofia nauki oraz naukoznawstwo. Te z kolei dyscypliny „mogłyby stanowić także pomoc w dydaktyce dyscyplin naukowych” - pisze Stanisław Kamiński (Pojęcie nauki i klasyfikacja nauk, Wyd. Tow. Naukowego KUL, 1981), na przykład fizyki. Uczenie fizyki nie polega bowiem wyłącznie na przekazywaniu ustalonych stwierdzeń bądź relacji o faktach, jakimi są wyniki obserwacji i eksperymentów, lecz na ukazywaniu, jak fakty te można interpretować na podstawie pewnego abstrakcyjnego modelu - w ramach teorii.
Nauczanie fizyki jako jednego z przedmiotów podstawowych u początków studiów niefizycznych, jak to jest na przykład na kierunkach technicznych, może więc i powinno obejmować również wyraźne odniesienia do problemów należących do filozofii nauki.
Istotną treść fizyki jako nauki stanowią modele i teorie. Są one narzędziami umysłowymi, za pomocą których próbujemy w sposób naukowy zrozumieć Naturę u samych podstaw jej materialnego aspektu. Poznawanie fizyki nie powinno zatem polegać na wtłaczaniu sobie do głowy coraz to nowych formuł i gotowych schematów rozwiązywania problemów (np. zadań), lecz na dochodzeniu do zrozumienia tych modeli i teorii, a poprzez nie rozmaitych zjawisk zachodzących w świecie materii oraz powiązań i zależności między nimi. Zrozumienie pozwala, między innymi, wyciągać ogólne wnioski co do zachowania układów fizycznych w różnych sytuacjach, przewidywać zachodzenie takich czy innych zjawisk.
Rozumienie, o jakim tu mówimy, to wynik naukowego wyjaśniania procesów lub zjawisk, tak jak to wyjaśnianie pojmuje poznający. Z grubsza polega ono na przedstawieniu sobie przezeń tego, co ma być rozumiane, przez to, co w ten czy inny sposób znane (naukowe stwierdzenia o faktach, prawa naukowe, prawidła rozumowania etc.). Efekt wyjaśniania zależy więc od dyspozycji poznającego, jego wiedzy, umiejętności intelektualnych i paradygmatów, w obrębie których pracuje jego myśl. To ostatnie ma istotne znaczenie w obszarze intersubiektywnym.
Modele, które są elementem naukowego wyjaśniania, mają różną naturę. W fizyce najczęściej wykorzystywane są modele teoretyczne i matematyczne. I. Barbour (Mity, modele, paradygmaty, Znak, 1984) określa modele teoretyczne jako „konstrukcje myślowe, mające na celu wyjaśnienie obserwowanych zjawisk”, a dalej pisze, iż „zazwyczaj model taki stanowi wyobrażony mechanizm lub proces, postulowany na podstawie analogii z jakimiś innymi, dobrze znanymi mechanizmami i procesami” i że „służy on nie tylko do formułowania prognoz, lecz przede wszystkim do zrozumienia świata”. Model teoretyczny jest czymś więcej niż tylko odwzorowaniem pewnych cech ilościowych. „Ma z zamierzenia odzwierciedlać głęboką strukturę rzeczywistości”, „jest zobrazowaniem mechanizmu lub procesu, wprowadzonym na podstawie analogii z jakimiś dobrze znanymi mechanizmami lub procesami po to, by zbudować teorię, wiążącą ze sobą pewien zbiór danych obserwacyjnych”. Teoria musi wobec tego zawierać również reguły korespondencji, czyli powiązania obserwowanych cech układów rzeczywistych z określonymi cechami modelu teoretycznego. Z kolei modele matematyczne to symboliczne przedstawienia „ilościowych wartości zmiennych, występujących w systemach fizycznych”. W ramach formalizmu opisują relacje matematyczne między wielkościami mierzalnymi, przypisanymi - poprzez reguły korespondencji - pewnym cechom modelowanego układu rzeczywistego. Stosowane są głównie do przewidywania zachowania się takiego układu.
H.W. de Regt i D. Dieks w artykule (http://philsci-archive.pitt.edu/archive/00001354/01/Synthese-revision.doc) poświęconym zagadnieniu istoty naukowego zrozumienia zauważają, że to, co się w nauce uważa za zrozumiałe, zmienia się wraz z rozwojem nauki i ludzkiej myśli, a ogólniej - zależy od kontekstu (intelektualnego, historycznego etc.). Cytują między innymi stwierdzenie W. Thomsona, lorda Kelvina, dla którego rozumienie jakiegoś przedmiotu badań fizycznych było równoznaczne z umiejętnością wyobrażenia sobie lub zbudowania jego mechanicznego modelu.
Stanowisko lorda Kelvina jest jawnym wyrazem dominującego wśród fizyków drugiej połowy XIX w. paradygmatu mechanistycznego. Często przywoływanym przykładem jest kinetyczna teoria gazów, w której makroskopowe zachowania układu i niektóre wielkości termodynamiczne są wyjaśniane i obliczane na bazie modelu gazu jako zbioru małych sprężystych kulek, których ruch podlega zasadom mechaniki klasycznej. W tym duchu funkcjonuje jednak i dziś wiele innych modeli składających się na teorie fizyczne. Można je zaliczyć do typu modeli redukcjonistycznych, mechanistyczno-przyczynowych, bo na podstawie mechanicznych własności układu zredukowanego do prostych elementów i znanych oddziaływań tychże wyciągane są wnioski co do przyczyn i sposobu zachowania całego układu. W przypadku kinetycznej teorii gazów „redukcja” do poziomu mikroskopowego - gaz jako zbiór poruszających się kulek - stanowi element wyjaśnienia, jak ruch i oddziaływania tych kulek, o dynamice znanej z mechaniki klasycznej, przejawią się na poziomie makroskopowym w postaci zależności między makroskopowymi parametrami, takimi jak objętość, ciśnienie i temperatura.
De Regt i Dieks piszą o uprawianiu nauki i dlatego wdają się w spór o poznawczy status zrozumienia. W perspektywie pragmatycznej uważają wyjaśnianie prowadzące do zrozumienia za jeden z istotnych poznawczych celów uprawiania nauki, stając w opozycji do poglądów Hempela, a współcześnie van Fraasena. Dla tych filozofów bowiem zrozumienie jest „produktem ubocznym” badań naukowych, pojawiającym się na poziomie subiektywnym, a jako takie jest nieistotne z punktu widzenia filozofii nauki i epistemologii, a wymiar pragmatyczny stoi w sprzeczności z wymiarem poznawczym nauki.
Oprócz przywołanych wyjaśnień naukowych typu redukcjonistycznego, mechanistyczno-przyczynowego, Regt i Dieks piszą też o koncepcjach unifikacjonistycznych. Twierdzi się w nich, że podstawą wyjaśniania naukowego są teorie opisujące jakiś aspekt świata w sposób zunifikowany, bardziej jednolity niż (mniej wyjaśniające) teorie cząstkowe. W tym wypadku również mamy do czynienia z pewną formą redukcji, polegającą na zmniejszeniu liczby zjawisk (i ich teorii) uważanych za odrębne, wzajemnie nie powiązane.
Jednocześnie następuje wzbogacenie obrazu świata dzięki dostrzeżeniu powiązań czy wspólnych cech charakterystycznych dla różnych elementów rzeczywistości. W tym ujęciu można próbować uzasadniać „wypieranie” czy też „wchłanianie” niektórych teorii przez nowsze, bardziej ogólne, a więc dające lepsze wyjaśnianie i rozumienie, jak to miało miejsce na przykład z newtonowską teorią grawitacji i ogólną teorią względności. Unifikacja teorii pozwala uzyskać bardziej ogólny i wszechstronny naukowy obraz rzeczywistości. De Regt i Dieks zwracają jednak uwagę, że wyjaśnianie oparte na unifikacji, podobnie jak wspomniane poprzednio mechanistyczno-przyczynowe, nie wyczerpuje całości rzeczywistych działań intelektualnych (prowadzonych przez naukowców), które przyczyniają się do lepszego rozumienia świata i opisujących go w ramach nauki teorii.
Trzecim czynnikiem, mającym wpływ na rozumienie typu naukowego, na który zwracają uwagę przywołani autorzy, jest poglądowość czy też obrazowość modeli i teorii. Kryterium to należy niewątpliwie do bardziej subiektywnych niż redukowalność typu kauzalnego czy moc unifikacyjna. Ma jednak spore znaczenie dla efektywności wyjaśniania naukowego w procesie nauczania, przy czym w tej sytuacji obrazowość bliższa jest paradygmatowi myślenia potocznego niż naukowo-teoretycznego.
Niezależnie od sporów filozoficznych w zakresie istoty nauki, w pragmatycznym aspekcie dydaktyki naukowej wyjaśnianie i zrozumienie jest bodaj najważniejszym celem. Z tego też względu duże znaczenie w dydaktyce fizyki, zwłaszcza ogólnej, mają również wspomniane wyżej modele budowane na podstawie „przebrzmiałego” paradygmatu mechanistycznego. De Regt i Dieks piszą w odniesieniu do działań naukowych, iż samo posiadanie teorii to za mało. „Powinno się też dać użyć tej teorii w celu otrzymania przewidywań dotyczących zjawiska lub jego opisu. Stąd zaś wynika, że nie tylko wiedza na temat praw i teorii (oraz warunków stanowiących „tło” zagadnienia), lecz również pewne szczególne umiejętności użytkownika tej wiedzy są potrzebne do osiągnięcia poznawczych celów nauki”. Tym bardziej odnosi się to do wyniku procesu dydaktycznego.
Nauczanie fizyki powinno polegać na przekazywaniu wiedzy na temat zasad budowania i interpretowania modeli teoretycznych, w szczególności reguł korespondencji oraz „wyciągania” z teorii wielkości i zachowań, które można porównać z obserwowanymi cechami rozpatrywanych układów fizycznych. Bardzo ważne jest przy tym wyraźne zwracanie uwagi na precyzję i znaczenia używanych pojęć, zwłaszcza tych, które mają swoje odpowiedniki w języku potocznym, a których znaczenie naukowe jest ściśle określone i zwykle różni się od potocznego.
Oczywiście, w przypadku korzystania z modeli zmatematyzowanych (jak większość modeli teoretycznych fizyki), konieczne jest przy tym, by uczący się umiał się posługiwać stosowanym formalnym aparatem matematycznym, przynajmniej na tyle, by rozumieć operacje prowadzące do końcowych wniosków - interpretowanych w terminach rzeczywistości fizycznej.
Z tego, co powiedziano powyżej, warto zdawać sobie sprawę, przystępując do nauczania studentów nie tylko fizyki, ale także innych dziedzin nauk przyrodniczych, które nie są przedmiotami kierunkowymi dla danego kierunku studiów. Warto bowiem, by słuchacze mieli okazję, być może ostatnią w życiu (o ile sami nie będą zainteresowani pogłębianiem swojej wiedzy w tym zakresie), dokładniej poznać i zrozumieć zarówno treść teorii naukowych, jak też związaną z nimi epistemologię i metodologię. Dzięki temu być może zyskają mocniejsze podstawy racjonalnego światopoglądu i krytycznego myślenia, będą mniej podatni na pseudonaukowy bełkot czy opisane przez A. Sokala i J. Bricmonta „modne bzdury”, a ich książkę na przykład będą w stanie zrozumieć.
ogólnopolski miesięcznik