Ako by sa mali učiť prírodné vedy

Ak by som mal povedať, čo ma odjakživa priťahovalo na prírodných vedách, asi by som to zhrnul dvoma slovami – dobrodružstvo a príbeh. Bolo to dobrodružstvo myslenia, objavovania a odhaľovania tých najväčších záhad a tie najúžasnejšie príbehy, ktoré píše príroda.

Práve dobrodružstvo myslenia, objavovania a odhaľovania tajomných príbehov prírody bolo tým, čo ma priviedlo k vede. Ale nielen k vede, človek, ktorý pociťuje úžas nad neuveriteľnou krásou a komplexnosťou prírody, sa s tým úžasom chce podeliť a preto som sa stal aj učiteľom. Neboli v tom žiadne iné pohnútky, nechcel som formovať a vychovávať mladých ľudí, nechcel som ich nijako indoktrinovať, chcem ich len naučiť vnímať tie príbehy a prežívať to dobrodružstvo. To je podľa mňa jediný správny spôsob, ako učiť prírodné vedy.

Varenie podľa kuchárskej knihy

Ak si však položím otázku, či sa tak u nás prírodné vedy učia, nedokážem vo väčšine prípadov odpovedať kladne. Prírodné vedy sa u nás, ale asi je to tak skoro všade vo svete, učia asi ako varenie. Máte také a také ingrediencie, pridáte ich vtedy a vtedy toľko a toľko, varíte to tak dlho a máte navarený obed. Ja som však nikdy nevaril presne podľa receptov, pretože tie človeka oberajú o tvorivosť, o osobný vklad. A takisto je to s učením. Aj ja som sa učil poučky, rovnice a vzorce, počítal som, rysoval som, trápil som sa…

A hlavne som nechápal. To samozrejme neznamená, že som nebol schopný úspešne ukončiť vzdelávací proces, to sa dá zvládnuť aj bez pochopenia toho, čo sa učí. Ale bol som často ukrátený o radosť z pochopenia. Príklad za všetky: na chémii na strednej škole sme sa učili o orbitáloch. Vedel som, že sú to nejaké podivné útvary v atóme, ale vôbec som nechápal, čo vlastne naozaj sú a prečo majú také rozmanité tvary. Predstavoval som si to ako nejaké dráhy elektrónov a veľmi som sa mýlil, pretože my reálne nedokážeme poznať dráhu akejkoľvek elementárnej častice.

Čo orbitály naozaj sú a prečo sú také, aké sú, som pochopil až vďaka jednej populárno-vedeckej knihe, v ktorej bol použitý veľmi pekný príklad so strunami. A strunám som ako školený amatérsky hudobník rozumel veľmi dobre. Takže teraz už viem, že orbitál je priestor v atóme, v ktorom je najpravdepodobnejší výskyt elektrónu s určitými vlastnosťami a jeho tvar je daný jeho energiou a momentom hybnosti. Orbitál je teda priestorovým zobrazením pravdepodobnostnej vlny, ktorá je svojím spôsobom tým istým, čím je vlnenie struny na gitare. A keďže viem, ako sa vlnia struny, viem ako vyzerá stojatá vlna, ktorou orbitál je.

Problém nebol v tom, že by mi nebola povedaná poučka, tú som vedel naspamäť, problém bol v tom, že mi k tej poučke nebol pridaný obraz. A nemyslím tým obrázky orbitálov, tie „guličky“ a všelijaké podivne zamotané „mašličky“ si tiež pamätám. Nebol mi dodaný mentálny obraz, teda niečo také, ako spomínaná gitarová struna. Mojím problémom, alebo možno aj výhodou, je, že na pochopenie potrebujem takýto obraz, ktorý mi dáva zmysel. Keď ho dostanem, viem sa s ním ďalej hrať tak, ako to väčšina ľudí nedokáže. Najmä preto, že sa naučia poučky a myslia si, že tým pochopili nejaký prírodný jav.

Ako na to?

Tým sa dostávam k meritu veci, ako by sa podľa mňa mali učiť prírodné vedy? Uvediem tu teraz niekoľko bodov a tie následne rozvediem. Prvoradé je nadšenie. Druhá musí byť zrozumiteľnosť. Nemenej dôležité je však aj vysvetľovanie na príkladoch. Ďalšou podmienkou pre učiteľa prírodných vied musí byť vysvetľovanie od základov. A samozrejme schopnosť vyzdvihnúť to, čo je dôležité, ale uviesť aj to, čo je menej podstatné, ale zaujímavé.

Ako je to s tým nadšením? Ak učiteľ nie je nadšený tým, čo učí, nikdy to nebude učiť dobre. Použijem príklad, ktorý sa netýka priamo prírodných vied, ale je mojou najlepšou životnou skúsenosťou s rôznym prístupom k učeniu. Mal som na gymnáziu slovenčinárku zo starej školy – prísnu, dôslednú a mierne povedané strašidelnú. Každý sa na jej hodiny musel poriadne pripravovať, takže účel to naoko splnilo, všetci, alebo aspoň väčšina, sa učili. Lenže asi nebude náhoda, že ku starovekej a stredovekej literatúre nemám veľký vzťah, čo je mi aj dosť ľúto, pretože ma to určite pripravilo o veľa skvostov.

Potom však odišla do dôchodku a nahradil ju mladý nadšený učiteľ. Ten učiteľ zo mňa spravil grafomana, pretože som prišiel na to, aké krásne je vyjadrovať sa slovami a aké krásne sú samotné slová. Úlohou učiteľa by teda nemalo byť to, že vycvičí študentov tak, aby sa naučili všetko. To sa predsa ani nedá, každý človek priebežne zabúda preňho nepodstatné (a niekedy aj podstatné) veci. Úlohou učiteľa je vyvolať v študentovi záujem o predmet. Ak má študent záujem, učí sa dobrovoľne a často aj mimovoľne, čo je asi najlepší spôsob učenia.

Hovoríme zrozumiteľne

Druhým parametrom učiteľa by mala byť zrozumiteľnosť. Tá sa spája so schopnosťou používať prirovnania, podobenstvá. Spomínal som už orbitály, tam bol problém s komplikovanosťou ich samotných. Orbitály sú totiž dosť komplikovaná záležitosť z oblasti kvantovej mechaniky, čo je jedna z najmenej pochopiteľných vecí, aké poznáme. Sám mám osobnú skúsenosť, keď som známemu, ktorý je síce veľmi inteligentný, ale nemá prírodovedné vzdelanie, vysvetľoval rádioaktívny rozpad jadier. Keď som používal fyzikálne pojmy, nedokázal to pochopiť. Keď som však použil možno najhlúpejšie podobenstvo, aké mi napadlo, pochopil to. Samozrejme, že bolo veľmi kuriózne a trochu šialené, použil som príklad skupiny korytnačiek, do ktorej vrazí ďalšia korytnačka a rozbije celú skupinku na dve. Na jeden z najrýchlejších prírodných procesov som použil ako príklad jedno z najpomalších zvierat a predsa to bolo zrozumiteľné. Pretože dôležitý je proces, teda príbeh, nie herci.

Preto sa učiteľ nesmie báť používať podobenstvá, nech už vyzerajú na prvý pohľad akokoľvek šialene. Môj ďalší príklad podivného, ale účinného podobenstva som si vymyslel na vysvetlenie vzniku rtg. žiarenia. Atómový obal som prirovnal k obecenstvu na rockovom koncerte. Nie na koncerte klasickej hudby alebo jazzu, tam majú návštevníci väčšinou dané sedadlá, na ktorých sedia, nech sa deje čokoľvek. Na rockovom koncerte je najlepší prvý rad hneď na zábradlí. Človek má dokonalý výhľad na hudobníkov, môže sa opierať, takže je v oveľa stabilnejšej pozícii a míňa menej energie. Druhý rad je oveľa horší. Problém nastáva, keď človek „visiaci“ na zábradlí vypije priveľa piva a musí ísť na malú potrebu, čím uvoľní miesto v prvom rade. Okamžite sa tam dostane človek z druhého radu, ktorému hneď klesne napätie vyplývajúceho z neustáleho ohrozenia okolitými ľuďmi a nemusí ani vynakladať energiu na neustále zmeny polohy hlavy v dôsledku zacláňania výhľadu hlavami z prvého radu. Túto radostnú udalosť môže sprevádzať aj radostný výkrik, ktorý je paralelou k vyžiareniu rtg. žiarenia elektrónom, ktorý „zoskočil“ na nižšiu energetickú hladinu. Ďalšie zvláštne podobenstvo, avšak tiež ľahko predstaviteľné a pochopiteľné. Nebojme sa teda používať podobenstvá, používal ich predsa aj Ježiš a on bol jeden z najlepších učiteľov, keďže sa jeho „látka“ prednáša aj dve tisícročia po jeho smrti.

Na našich školách je však problémom aj iný druh nezrozumiteľnosti. To je taká, že ako študent naozaj nerozumiete, pretože učiteľ k vám rozpráva v nejakom cudzom jazyku. Je to vraj jazyk vedy. Ja ho samozrejme tiež používam, keď píšem vedecké články. Ale keď chcem hovoriť so študentmi, ktorí prišli zo strednej školy a o svojom novom študijnom odbore nevedia skoro nič, musím tomu prispôsobiť svoj jazyk. Problémom však často býva to, že profesori už nevedia alebo nechcú používať normálnu ľudskú reč preto, že buď zabudli na to, že voľakedy ju aj oni používali a vôbec nerozumeli tej vedeckej, alebo je to jednoducho „pod ich úroveň“.

Pre koho však robíme vedu? Pre seba a pár ďalších vyvolených, ktorí dokážu pochopiť? Alebo ju robíme pre ľudí a pre spoločnosť? Preto by sme nemali zabúdať hovoriť aj ľudskou rečou. Najdôležitejšie je to vtedy, keď hovoríme s mladými ľuďmi, ktorí by mali záujem o náš odbor. Lebo ich nezrozumiteľnosť nášho jazyka môže akurát tak odradiť. Kto by išiel robiť niečo, čomu vôbec nerozumie? Horším prípadom je, keď sa používaním „vysokého vedeckého jazyka“ zakrýva neschopnosť skutočného pochopenia predmetu štúdia samotným učiteľom.

Bohužiaľ sa to stáva veľmi často. Takýchto učiteľov spoznáte ľahko. Rozprávajú, ako keby zjedli a strávili slovník cudzích slov. Keď sa ich však opýtate na niečo, čo ste nepochopili, odpovedajú ešte nepochopiteľnejšie. A najmä veľmi často prídete na to, že ani nebývajú vedecky aktívni. Na univerzitách je totiž za štandardných okolností povinnosťou učiteľa vedecky pracovať, publikovať svoje výsledky. Takíto učitelia buď nepublikujú skoro vôbec, alebo ich publikácie majú nizučkú citovanosť, čo je zrkadlom nielen dôležitosti, ale aj pochopiteľnosti a zmyslu vedeckej publikácie.

Začíname od začiatku

Vysvetľovanie od základov je ďalšou podmienkou výučby prírodných vied. Veľmi často sa totiž nejaký prírodný proces alebo jav zadefinuje, používa sa, ale nevysvetlí sa jeho príčina. Toto je dogmatizmus blížiaci sa náboženskému a ako taký nemá vo vede čo hľadať. Povinnosťou vedca a teda aj študenta prírodných vied je pýtať sa nielen „ako?“, „kde?“, ale aj „prečo?“. A to „prečo?“ býva pre vedca to najdôležitejšie, pretože to vedie k novým objavom. A k tomu predsa chceme viesť aj študentov. Takže ak povieme „čo“, „kde“ a „kedy“, musíme povedať aj „prečo“. Opäť príklad empirický.

Ako študent som sa učil o jave zvanom luminiscencia. Tú pozná každý, kto niekedy vlastnil ručičkové hodinky, ktoré v tme fosforeskujú. Fosforeskujú akoby samé od seba, bez toho, že by ručičky boli pripojené na nejaký špecifický zdroj energie. Tým zdrojom energie je svetlo, napríklad slnečné, a materiál na povrchu ručičiek ho dokáže ukladať a v tme vyžarovať. Podobné vlastnosti majú aj niektoré minerály. Napríklad scheelit môže mať vo viditeľnom svetle žltohnedú farbu, v ultrafialovom svetle však začne zdanlivo neprirodzene svietiť na žlto alebo modro. Je to výborná indikačná vlastnosť na rozpoznanie scheelitu, takže sme sa to naučili. Nenaučili sme sa však, prečo vlastne scheelit, ale aj desiatky ďalších minerálov svieti v UV svetle.

Opäť, až s odstupom času, som sa naučil, prečo luminiscencia vôbec vzniká. A tiež som zistil, prečo sa to vlastne nevysvetľovalo. Nevysvetľovalo sa to preto, že je to vraj pre študentov mineralógie príliš ťažké. Luminiscencia je totiž jav, ktorý súvisí s kvantovou fyzikou, vyskytujú sa v ňom pojmy ako valenčný pás, vodivostný pás, zakázaný pás, excitácia elektrónov, luminofóry a podobne. Len mi príde zvláštne, že stredoškolákov učíme o orbitáloch, ale princípy luminiscencie sú pre vysokoškolákov príliš komplikované. A pritom to stačí dobre vysvetliť a pochopiť sa dá jedno aj druhé. Podmienkou je však pochopenie aj u učiteľa a schopnosť nepodceňovať inteligenciu študentov. Väčšinou to je totiž tak, že oni len nepoznajú náš slovník, ale chápať dokážu všeličo.

A nakoniec tu máme schopnosť vyzdvihnúť to podstatné. Veľa učiteľov si totiž neuvedomuje, že študenti nemajú iba ten ich predmet a dokonca veľa študentov má ten ich predmet iba z povinnosti, aby mali dostatok kreditov na prechod do vyššieho ročníka. Takí učitelia vyžadujú od študentov vedomosti takmer na úrovni ich samotných. To samozrejme nie je možné, vo väčšine prípadov sa potom študenti uchyľujú buď k bifľovaniu, to jest neefektívnemu krátkodobému natlačeniu neužitočných slovných spojení a definícií do hlavy, alebo v horšom prípade rovno k podvodom, ako je opisovanie a používanie ťahákov. Ak má byť toto cieľom vyučovania na univerzitách, tak ďakujem, radšej pôjdem robiť niečo užitočnejšie.

Dôležité i zaujímavé

Na druhej strane máme prípady, keď podstatné prírodné javy a fyzikálne veličiny nie sú dostatočne zdôraznené. Čím dlhšie pracujem vo vede, tým viac prichádzam na to, že jednou z najvýznamnejších fyzikálnych veličín je hybnosť. Hybnosť častice rozhoduje o tom, akú intenzitu bude mať napríklad difraktované žiarenie, ktoré využívam vo svojej praxi. Hybnosť je rodná sestra energie a spolu s ich bratom momentom hybnosti sú základnými a definujúcimi fyzikálnymi veličinami v celom vesmíre. Títo súrodenci nám definujú základne fyzikálne symetrie, vďaka ktorým je vedecký výskum vôbec možný.

Aká je však moja skúsenosť? Študenti príliš často nevedia, čo je vlastne hybnosť, nieto ešte aká je dôležitá. Prečo je to tak? Pretože hybnosť sa učí ako jedna z mnohých fyzikálnych veličín a väčšia pozornosť sa venuje napríklad aj tlaku, ktorý je iba dôsledkom hybnosti. Študenti teda vedia všetko o tlaku, o elektrickom prúde, alebo o rádioaktívnom žiarení, ale netušia, prečo je napríklad alfa žiarenie pri priamom kontakte s živým tkanivom vo vnútri organizmu nebezpečnejšie a lokálne spôsobuje väčšiu škodu, ako beta alebo gama žiarenie. A pritom je to o hybnosti častíc žiarenia. Teda veľmi dôležitá fyzikálna veličina, ktorá dokáže vysvetliť veľa fyzikálnych javov, ostáva nedôležitá a v dôsledku toho nevyužitá. Takto sa sami pripravujeme o prostriedok pre lepšie pochopenie prírodných procesov.

Ale treba povedať, že je dobré oboznámiť študentov aj s „pikoškami“, teda informáciami, ktoré nie sú až také dôležité a nepatria medzi základné, ale dobre opisujú dôsledky nejakého javu. Najmä ak sú tieto „pikošky“ dostatočne názorné a pochopiteľné. Je dobré tiež ukázať študentom prírodných vied na vysokej škole aj niečo z pokročilejšieho výskumu v prednášanej oblasti, najmä ak ide o výsledky vlastného výskumu. Úlohou vysokoškolského vzdelávania totiž nie je iba produkcia ľudí s titulmi, ktorí ovládajú kvantum vedomostí vo svojom vednom odbore, ale najmä mysliacich ľudí, ktorí dokážu svoje vedomosti zúročiť v praxi.

A preto sa musia dozvedieť, čo tá prax obnáša. A najlepšie je, ak im to povie človek, ktorý ju pozná. A v prípade vedy sú to práve vedci, čo tú prax vykonávajú. Univerzitné prírodovedné vzdelávanie je totiž svojím spôsobom alternatívou stredoškolského remeselného. Tak, ako by sa absolventi odborov, ako je inštalatér, automechanik, či kuchár, mali učiť od inštalatérov, automechanikov a kuchárov, ktorí majú praktické skúsenosti, rovnako by aj na univerzitách v odboroch prírodovedného zamerania mali učiť vedci s bohatými praktickými skúsenosťami. A tie získavajú práve pri vlastnom výskume. Takí vedci/učitelia naozaj vedia, čo je dôležité pre prax, pretože sa jej sami venujú.

Najdôležitejší je príbeh

Nemusíme však učiť úplne všetko. Univerzity sú o špecializácii, dostatok všeobecných vedomostí sa predpokladá už u absolventov stredných škôl. Že je prax iná, to je na inú debatu, ale malo by to tak byť. Preto ak niekto chce byť paleontológ, nemusí poznať všetky kryštálové tvary v grupe 23. A naopak mineralóg nemusí poznať vedúcu skamenelinu devónu. Ale obaja by mali vedieť, že grupa 23 patrí do kubickej sústavy a devón je perióda paleozoika. A práve to je o rozlišovaní dôležitých a špecializovaných informácií, ktoré by mal študentom poskytnúť rozhľadený vysokoškolský pedagóg.

Najdôležitejší zo všetkého je však ten v úvode spomínaný príbeh. Učiteľ musí byť rozprávačom príbehov, lebo ľudia sú prirodzene oveľa lepšími poslucháčmi príbehov ako poučiek. Aj ten zdanlivo „najsuchší“ a najbanálnejší prírodný jav sa môže zmeniť na úžasný príbeh, ak je správne porozprávaný, ak má zápletku aj katarziu. A práve preto som sa stal učiteľom, lebo milujem príbehy.