Kvantefysikkens utvikling : i fysikklærebøker, vitenskapshistorien og undervisning

Abstract

For mer enn 60 år siden gjorde vitenskapshistorikeren I. Bernhard Cohen (1950) fysikklærere oppmerksom på at fremstillingen av den klassiske fysikkens utvikling i mange lærebøker er forvrengt. Cohen (1950) hevdet at den virkelige historien blir endret på en systematisk måte for å gi studentene inntrykk av at fysikken har en nøkkel, kalt den vitenskapelige metode, som sørger for at utviklingen alltid er lineær. <br> Tidlig på 60-tallet påpekte fysikeren og vitenskapshistorikeren Martin Klein at det finnes en etablert fremstilling av Plancks og Einsteins bidrag til utviklingen av kvantefysikken som ikke er basert på historiske kilder, men bygger på myter (Klein, 1962, 1963). <br> I del I av denne avhandlingen blir fremstillingen av kvantefysikkens tidlige utvikling i anerkjente lærebøker og fagbøker undersøkt, og sammenliknet med versjonene som Klein karakteriserte som svært misvisende, og som seinere er blitt omtalt som mytiske eller kvasihistorier (Whitaker, 1979; Kragh 1992, 2000). Konklusjonen av undersøkelsen er at mytene lever i beste velgående i bøkenes formidling av forhistorien til og gangen i Plancks og Einsteins arbeider. Lærebøkene og fagbøkene gir inntrykk av at fremstillingen er et historisk sammendrag av de viktigste begivenhetene som førte til kvanteteoriene, men det er et sammendrag av myter som blir presentert. I denne avhandlingen blir det dessuten påvist at de utvalgte bøkenes fremstilling av Bohrs utvikling av en modell for atomet og teori for hydrogenatomet også er bygd på myter og er en kvasihistorie. <br> Avhandlingens del II gir en fremstilling av kvantefysikkens utvikling basert på primær og sekundærkilder. Hensikten er å dokumentere påstandene om myter og kvasihistorier i de undersøkte bøkene og gi fysikklærere og forfattere en samlet historisk fremstilling til bruk i formidling og undervisning. <br> Resultater fra internasjonale undersøkelser viser at mange fysikkstudenter og elever som mestrer å bruke fysikkens likninger til å løse kompliserte kvantitative oppgaver ikke svarer riktig på enkle kvalitative spørsmål om betydningen av klassiske og kvantefysiske begreper (Viennot, 1979; Angell, 1996; Mahajan, 2001; Falk, 2007). Årsaken til elevenes problemer med å forstå betydningen av kvantefysiske begreper, er i følge flere forskere at kvantefysiske begreper i undervisning og lærebøker blir introdusert gjennom halv-klassiske modeller og klassiske analogier (Fischler & Lichtfeldt, 1992; Hadzidaki, 2008). <br> I del III blir resultater fra internasjonale studier av elevers og studenters forståelse av kvantefysiske begreper og fenomener presentert og diskutert. Resultater fra en undersøkelse gjennomført i denne avhandlingen av norske lærebøkers fremstillinger av begrepet foton viser at forfatterne velger klassiske bilder, modeller og analogier for å beskrive kvanteegenskapene til strålingen. En betingelse for å oppnå meningsfull forståelse av kvantefysikk er en erkjennelse av at kvantefysiske fenomener bryter med sentrale prinsipper i klassisk fysikk. Bøkene i denne undersøkelsen gjør det motsatte, de skjuler forskjellen mellom den klassiske fysikkens og kvantefysikkens beskrivelse av stråling. Fysikere, fysikklærere og vitenskapshistorikere har diskutert om fysikkhistorie i fysikkundervisningen er en fordel for elevenes begrepsforståelse helt siden slutten av 1800-tallet. I del III blir det gitt en oversikt over erfaringer og resultater fra prosjektet Project Physics fra USA hvor alle fysikkens temaer ble undervist i en historisk kontekst. I det siste kapittelet i denne delen blir gjennomføringen av og resultatene fra prosjektet ”Kvantefysikkens historie i klasserommet” beskrevet. Undervisningen i dette prosjektet var basert på historiske tekster tilpasset norske elevers kunnskaper og læreplanens mål for opplæringen i kvantefysikk i Fysikk 2 i videregående skole. De fleste elevene oppnådde målene om kvalitativ forståelse av sentrale kvantefysiske begreper og fenomener. Elevenes testbesvarelser viste at mange også mestret å uttrykke sin forståelse på en presis og meningsfull måte etter å ha gjennomgått det historiske undervisningsopplegget. Del IV oppsummerer og diskuterer avhandlingens hovedpunkter.

Early in the 1960s the physicist and historian of science Martin Klein pointed out that there exists a representation of Planck's and Einstein's contributions to the development of quantum physics that is not based on historical sources (Klein, 1962, 1963). <br> In part I of this thesis the representation of the early development of quantum physics in highly recognized textbooks is presented and compared to the versions that Klein characterized as being mythical or quasihistorical (Whitaker, 1979; Kragh 1992, 2000). The conclusion of the investigations is that the myths are very much alive in the textbook versions of the prehistory of and the development of Planck's and Einstein's work. The books give the impression that they present a summary of the most important events that led to the quantum theories, but in reality it is a summary of myths that is presented. In this thesis it is pointed out that the way a set of chosen books represent Bohr's development of a model of the atom and the theory of the hydrogen atom is indeed also a quasihistory. <br> In part II a detailed representation of the development of quantum physics based on historical sources is presented. The purpose of this is to document the claims about myths and quasihistory in the investigated books, and to give physics teachers and authors a representation to be used in teaching. In part III the project "History of Quantum Physics in the Classroom" is being presented. Students from two Physics 2 classes in Norwegian upper secondary school replaced their textbooks with historical texts adjusted to the students’ knowledge and the goals of the national curriculum for the training in quantum physics. The teacher’s role was to teach the historical development and support students in putting their understanding of the concepts into words through discussions. The results of a written test showed that most of the students achieved a qualitative understanding of the quantum physical concepts and phenomena as required curriculum and mastered to express their understanding in a precise and meaningful way.