Wystawy zabawek fizycznych, stałe (PAP Słupsk, Uniwersytet Łódzki, w Białymstoku, Pałac Młodzieży Katowice, Muzeum w Szczecinie i inne), czasowe (Zjazdy PTF), czy objazdowe (zob. słupska wypożyczalnia zabawek [1]) są bez wątpienia widowiskowe i interesujące. Ale właśnie ten ludyczny charakter wystaw jest też ich słabą stroną - zwiedzający koncentrują się bardziej na atrakcyjnej formie obiektów niż na zjawiskach fizycznych, które są podstawą ich działania.

Jak przejść od "zabawnego pokazywania" do "nauczania fizyki"? Pierwszym sposobem jest grupowanie zabawek w zestawy, według praw fizycznych, które one pokazują. Dla przykładu na wystawie PTF w Gdańsku w temacie "soczewki" pokazane zostały zarówno gotowe przyrządy optyczne (zabawkowe lornetki, lunety, mikroskopy), okulary (krótkowidza, dalekowidza), szklane kuliste i cylindryczne uchwyty do notatek (ze sklepu z kosmetykami), kawałki cylindrycznego pręta z pleksiglasu, weneckie szklane cukierki (o kształcie cylindrycznym lub kulistym), czy nawet butelki i szklanki z wodą. Niedostatkiem dydaktycznym takich zestawów pozostaje nadal brak bezpośredniej weryfikacji ilościowych aspektów praw fizycznych. Jaśniej: nadal brakuje ławy optycznej i soczewek o ściśle określonych wymiarach, tak aby można zweryfikować prawo Newtona soczewek cienkich.

Z technicznego punktu widzenia wyposażenie laboratorium szkolnego nie jest dziś problemem - firmy amerykańskie [2], włoskie [3], słowackie [4], holenderskie [5] oferują gotowe zestawy do nauczania wszystkich działów fizyki. W miarę kompletne laboratoria, nawet sterowane komputerowo, można zakupić już w granicach 10 tys. euro. Pojawiają się jednak problemy organizacyjne i kadrowe.

1. Standardy doświadczeń sterowanych komputerowo, a nawet samo wyposażenie pomiarowe zmienia się szybko i trudno oczekiwać od nauczyciela, aby te zmiany był w stanie śledzić na bieżąco. Prawie, że prawie, z nostalgią należałoby wspominać czasy "Cezalu".
2. Wracając do kwestii technicznych, w wielu przypadkach, jak np. "zwierciadeł" pewnej renomowanej firmy, są one wykonane tandetnie, z taniego plastiku i nie spełniają swej funkcji przyrządu pomiarowego.
3. Kolejnym poważnym problemem są kwestie lokalowe szkół - laboratoria fizyczne wymagają sporo miejsca.

Suma tych trudności nie jest bynajmniej specyfiką polskiego szkolnictwa. Rozwiązaniem, które proponujemy mogą być "regionalne" laboratoria dydaktyczne.

Tego typu laboratorium np. jest prowadzone przez Muzeum Przyrodnicze w Trydencie (miasto 100-tysięczne). Powstało ono jako przedłużenie działalności "zabawkarskiej" prof. Vittorio Zanettiego z tutejszego Uniwersytetu. Zestawy zabawek i przyrządów dotyczące poszczególnych działów fizyki zostały złożone do oddzielnych pudeł i umieszczone w szafach jednej z sal wykładowych Muzeum. Nauczyciele gimnazjów, zamiast przeprowadzać doświadczenia we własnych szkołach, zamawiają wizyty w Muzeum (planując je z wyprzedzeniem na cały rok szkolny). Przeprowadzaniem lekcji zajmują się młodzi absolwenci fizyki lub matematyki, zatrudnieni przez Muzeum w ramach umów zleceń.

Wydaje się, że podobne rozwiązanie jest możliwe w Polsce. Po pierwsze, organizacyjnie szkoły nie są jednostkami ministerialnymi ale administracji regionalnej. W budżecie województwa zatrudnienie jednego - dwóch nauczycieli nie jest sporym wydatkiem, jeśli zastąpi on wiele drobnych (i najczęściej niewykorzystanych) laboratoriów w poszczególnych szkołach. Po drugie, w szkolnictwie polskim "wycieczki szkolne" są jedną z tradycyjnych metod dydaktycznych. Zwiedzanie "kącika fizyki" w Muzeum Techniki może być cennym uzupełnieniem wycieczki do Warszawy, o ile byłoby wzbogacone 45-minutową lekcją o prawach fizyki, z notatkami dla ucznia. Zresztą zaczątki podobnych muzeów są i w innych miastach, jak Szczecin czy Łódź.

Fot 1. Latarka, wykorzystująca do działania prawo indukcji Faradaya - "ładowane" przez potrząsanie lub naciskanie dźwigni, powodującej obracanie się cewki w polu magnesu.

Współtwórcami takich laboratoriów powinny być oczywiście szkoły wyższe: większość z nich ma nadal szafy pełne młynków Crooksa czy rurek do promieni katodowych. W czasach monitorów plazmowych rurki katodowe nie mogą pozostawać "tabu" zastrzeżonym dla studentów a powinny być wystawione razem ze starymi oscyloskopami (jak w Muzeum Techniki, brawo za pomysł!), czy wreszcie nowoczesnymi monitorami, w których zbliżenie magnesu (odpowiednio silnego, gdyż energia elektronów w rurze katodowej wynosi 45 keV) powoduje "rozjechanie się" kolorów.

Fot. 2. Zapalacz do gazu działający na zasadzie cewki Rumkorffa (przerywaczem jest układ elektroniczny)

Na XXXVIII Zjeździe PTF w Gdańsku przedstawiliśmy propozycję takiego laboratorium do praw elektromagnetyzmu. Dla przykładu, prawo indukcji Faradaya pokazywaliśmy zarówno za pomocą cewki wirującej w polu magnesu stałego (jeszcze z "Cezalu") jak i dużej cewki (Helmholtza) wirującej powoli w polu magnetycznym Ziemi [6]. Z kolekcji zabawek pożyczyliśmy dwie latarki, "ładowane" przez potrząsanie (zob. foto 1). Zmienne pole magnetyczne (wytworzone przez kilkukilogramowy zwój drutu transformatorowego o przekroju 2 mm, podłączony do sieci 220 V) generuje w przewodniku prądu Foucaulta - sztabka miedzi jest z tego pola wypychana (a sztabka stalowa wciągana i silnie grzana przez tarcie wewnętrzne przemagnesowywanych domen ferromagnetyka). To sama ciężka cewka może stać się silnikiem elektrycznym - w jej polu wiruje miedziana obrączka (o ile zakryje się za pomocą aluminiowej płytki połowę cewki, o czym pisze jedynie Feynman). W zestawie Pasco znajduje się (niestety, kosztujące kilkaset $) "działo indukcyjne" - obrączka aluminiowa wyrzucana na 2 metry w górę po włączeniu pola magnetycznego. Zasadę indukcji wzajemnej dwóch obwodów prądu pokazywała zarówno stara cewka Rumkorffa, zapalacz do gazu działający na zasadzie tej cewki (w którym przerywaczem jest układ elektroniczny, foto 3) oraz cewka zapłonowa z fiata 126p.

Foto 3. XXXIII Zjazd PTF w Gdańsku - wystawa "204 lata ogniwa Volty". Uczniowie liceum przy zbiorach z magnetostatyki - "zabawkowych" (wiszące hantle, pióra) i tych z szaf szkolnych (duża igła magnetyczna).

Ilościowa analiza prawa Faraday-Lenza wymaga całkowania wytworzonego prądu w funkcji czasu w miarę wsuwania (wysuwania) magnesu - do czego jest niezbędny prosty zestaw podłączony do komputera typu IBM lub kalkulatora typu Texas a będący np. w ofercie firmy EduMad. Wszystkie te przyrządy mieszczą się w dużym pudle i raz "rozpracowane" są proste w obsłudze.

Wystawa-laboratorium elektromagnetyzmu wzbudzała niemniejszy entuzjazm uczniów jak wystawy zabawek fizycznych, zob. foto 4. Niezależnie od swojego znacznie wyższego, "licealnego" poziomu merytorycznego. I to pomimo, że w Polsce prawdziwego liceum już nie ma. Ale o tym innym razem.

P.S.
Okazuje się, że problemy z nauczaniem fizyki mają nie tylko nauczyciele polscy. Szczególnie na poziomie gimnazjalnym (wreszcie w tym roku, po 50 latach nieudanego eksperymentu, zlikwidowano we Włoszech gimnazja i wprowadzono 8-klasową szkołę podstawową). Silnym elementem szkolnictwa włoskiego pozostają 5-letnie licea, z łaciną, fizyką laboratoryjną, elementami analizy matematycznej. 3-letnie liceum istnieje w Ludowej Republice Chin. I jest, jak to mówi mój chiński kolega, jedynie "kiepski kurs przygotowawczy na wyższą uczelnię", który wszyscy uczniowie muszą uzupełniać lekcjami prywatnymi.