¿Por qué los estudiantes de secundaria pierden interés en la física? ¿Por qué Australia se está quedando atrás en ciencia? tecnología, ingeniería y matemáticas (STEM)?

En el proyecto Einstein-First pensamos que tenemos la respuesta. Esto se debe a que la experiencia científica de los estudiantes en Internet está en completo conflicto con el plan de estudios de la escuela.

Para la Semana Nacional de la Ciencia, Hablé con 650 estudiantes de entre 5 y 11 años. Les pregunté si habían oído hablar de los agujeros negros. Al menos el 80% levantó la mano.

¿Dónde encontramos los agujeros negros en el currículo escolar? Nosotros no No se puede hablar de agujeros negros usando la física del siglo XIX porque se trata de espacio curvo y tiempo deformado.

Los estudiantes nos han dejado en claro que creen que la ciencia en la escuela se trata de "cosas viejas".

Por eso debemos modernizar el plan de estudios. Debemos reemplazar los conceptos del siglo XIX por conceptos del siglo XXI, y enseñar a todos el lenguaje de la física moderna, comenzando en la escuela primaria.

Hoy lanzamos nuestro libro Teaching Einsteinian Physics in Schools. Está diseñado para encabezar una revolución en las ciencias escolares a partir del tercer año.

Los jóvenes estudiantes comprenden los conceptos einsteinianos

Los descubrimientos de Einstein en 1905 iniciaron una revolución conceptual. Los pasos finales La teoría de la gravedad de Einstein en 1915 y el descubrimiento de De Broglie en 1924 de que toda la materia y la radiación tienen una combinación de ondulación y amplitud (normalmente llamada dualidad onda-partícula), cambiaron radicalmente las ideas de los físicos sobre el espacio, tiempo, materia y radiación. Estos descubrimientos son los conceptos fundamentales de casi toda la tecnología moderna.

Hace diez años pregunté:"¿Es posible enseñar conceptos einsteinianos en la escuela primaria?" Los colegas dijeron:"Por supuesto que no. ¡Primero tienes que aprender la física de Newton!"

¡Respondí sin rodeos! La física newtoniana está mal tanto conceptual como fácticamente. Dice que las cosas pueden viajar arbitrariamente rápido y la gravedad viaja instantáneamente, el tiempo es el mismo en todas partes, la masa y la energía son independientes entre sí, y el universo funciona como un reloj.

Nuestro equipo realizó una prueba inicial en la que enseñaba física de Einstein en una escuela primaria. Nuestro descubrimiento más asombroso fue que los niños no se asombraron:simplemente tomaron las ideas con calma. Esto llevó a ocho años de pruebas en una variedad de escuelas primarias y secundarias.

Les enseñamos a los estudiantes que la luz viene en forma de fotones que tienen una combinación de ondulación y bala, que el espacio está curvado por la materia y esto cambia la geometría, y ese tiempo es diferente en la cima de una montaña. Nada de esto los sorprendió particularmente.

Y a los niños les encantó. Un maestro de tercer año dijo:"Al final, estaban usando vocabulario y comprendiendo claramente conceptos que normalmente no se introducirían hasta la escuela secundaria. Fue realmente difícil alejarlos de sus actividades. Lo sorprendente fue que aceptaban conceptos con tanta facilidad que la mayoría de los adultos y profesores encuentran muy difícil ".

El aprendizaje basado en actividades funciona y es divertido

A los niños les encanta el aprendizaje basado en actividades. Y les encantan los juguetes por eso usamos juguetes siempre que sea posible.

Usamos balas de pistola Nerf como fotones de juguete, pelotas de ping-pong como electrones de juguete y moléculas de juguete hechas de pelotas de tenis magnéticas y pelotas de ping-pong. A veces usamos autos de juguete como fotones y usamos objetos con masa creciente para aumentar su capacidad de bala (es decir, su impulso). Estos juguetes permiten experimentos como la disociación de moléculas de juguete por fotones UV de juguete para explicar por qué la luz ultravioleta puede romper nuestro ADN y causar cáncer de piel. y por qué los fotones de radio (¡y 5G!) son seguros porque tienen mucha menos bala.

La física de Einstein tiene un enorme poder explicativo, ya sea a nivel de interacciones cuánticas o de gravedad. La gravedad de Einstein describe el espacio como una tela elástica. Usamos lycra como nuestro espacio-tiempo de juguete bidimensional. El estiramiento del espacio y el tiempo se mide fácilmente y casi todos los fenómenos gravitacionales se pueden observar haciendo rodar varias bolas sobre la lycra, como muestra el video a continuación.

A los estudiantes de todos los niveles les encanta jugar con estos simuladores de espacio-tiempo. Estudian cómo se desvían las trayectorias de los fotones cuando el espacio es curvo, cómo las fuerzas del gradiente de gravedad destruyen los cometas, cómo las órbitas cambian su orientación en el espacio (llamado precesión), cómo se forman las estrellas y los planetas y cómo las galaxias adquieren su forma. Como dijo un maestro de séptimo año:"[Esto] hace que sea mucho más fácil hablar con los estudiantes sobre cosas interesantes, como el último descubrimiento de un agujero negro ".

Lecciones que dan sentido a nuestro mundo

La absorción de fotones infrarrojos por moléculas de CO₂ impulsa el cambio climático. Las moléculas de juguete unidas por imanes permiten a los estudiantes explorar las diferentes formas en que una molécula de CO₂ vibra en comparación con una molécula de O₂. y aprenda cómo la absorción de fotones causa esto.

Combinamos nuestros juguetes con dispositivos reales pero relativamente económicos, como paneles solares, taladros eléctricos, Luces LED y punteros láser.

Los punteros láser permiten explorar la ondulación de la luz en una amplia gama de experimentos de interferencia. Los paneles solares demuestran capacidad de bala, fotones que expulsan electrones, y son ideales para casi todos los estudios de electricidad y energía en la escuela primaria y secundaria. Un panel solar puede accionar un taladro eléctrico de 12V, que se puede utilizar para levantar, creando calor por fricción y usando energía que proviene de convertir fotones en una corriente de electrones, el efecto fotoeléctrico por el que Einstein ganó el Premio Nobel.

Ayudar a los profesores a superar sus miedos

El mayor obstáculo para la introducción de la física de Einstein es el factor de miedo para los profesores. La gente todavía dice que es demasiado difícil para los profesores. Hemos descubierto que si ponemos la actividad en primer lugar, como la geometría en los woks, por ejemplo, los profesores sin conocimientos científicos captan fácilmente el concepto de que la forma del espacio se puede medir haciendo geometría.

La enseñanza de la física de Einstein en las escuelas se basa en la experiencia internacional en la que participan más de 20 autores. Se presenta al nivel necesario para los maestros de escuela, incluyendo algún material para la escuela secundaria superior.

Está libre de ecuaciones aterradoras porque estas, ya sea einsteiniano o newtoniano, no tienen lugar en el plan de estudios de la escuela. En cambio, enseñamos mucho sobre cómo lidiar con los números enormes y pequeños que debemos concebir para lidiar con el universo, así como la probabilidad y "las matemáticas de las flechas" (vectores) porque estos poderosos conceptos son importantes para todos.

La mayoría de los estudiantes no se especializarán en física. El objetivo de Einstein-First es que todos los estudiantes deben terminar los años obligatorios de ciencia con el conocimiento básico y el vocabulario de nuestra mejor comprensión del universo físico.

Después de probar nuestro programa de séptimo año sobre gravedad, un maestro informó:"Las lecciones presentan el modelado de conceptos con materiales prácticos 'concretos', un enfoque de instrucción que brinda oportunidades de aprendizaje multisensorial que permite que todos los estudiantes se incluyan con éxito ".

"Las niñas se benefician especialmente de la forma en que se presenta el programa con actividades y aprendizaje en grupo. No es intimidante, y los profesores como yo disfrutamos del programa porque hace que mi enseñanza se sienta mucho más valiosa ".

"Lo notable de las lecciones de física de Einstein es que los estudiantes están completamente comprometidos, la interrupción es rara, y los estudiantes con dificultades de aprendizaje son prácticamente indistinguibles de los estudiantes ordinarios ".

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original.