Konceptuální úlohy a grafické zobrazování ve výuce kvantové fyziky

Ve vysokoškolské výuce, zejména v úvodních kurzech během prvních let studia, se ve světě i v naší republice objevuje posun od tradičně pojaté výuky k aktivizujícím výukovým formám. Výzkumy prováděné v zahraničí jednoznačně ukazují, že jejich prostřednictvím se prohlubuje konceptuální pochopení základních myšlenek, což má pozitivní efekt jak na porozumění probírané látce, ale zlepšuje i následné řemeslné zvládnutí konkrétních technik řešení úloh typických pro dané fyzikální téma.

Konceptuální a aktivizující přístup využíváme ve výuce úvodního kurzu kvantové fyziky pro budoucí středoškolské učitele již několik let, konkrétně se jedná o předmět Úvod do kvantové mechaniky a kvantové teorie (NFUF204) (dříve vyučovaný pod názvem NUFY100 Kvantová mechanika).

Velkou výzvou při koncipování této výuky bylo a neustále je shánění vhodných materiálů – konceptuálních úloh, otázek do diskuze, námětů na skupinovou práci či vhodných nástrojů pro vizualizaci jednotlivých problémů. V případě výuky budoucích středoškolských učitelů je navíc velmi vhodné používat materiály v češtině, aby si budoucí učitelé dostatečně zažili terminologii a mohli dostatečně diskutovat i různé formulace závěrů, protože ve své praxi se budou muset obejít bez matematického aparátu, který tvoří přirozenou a jedinou dostatečně výstižnou „řeč“ kvantové fyziky.

Zde postupně zveřejňujeme materiály, které k této výuce vznikají tak, aby je mohli využít i vyučující kurzů kvantové fyziky na ostatních oborech, ale i vyučující mimo MFF UK.

Budeme rádi za jakoukoli zpětnou vazbu, radu či konstruktivní kritiku těchto materiálů, protože se nejedná o uzavřený celek, ale neustále se rozšiřující a upravovaný soubor.

Zdeňka Koupilová,
zdenka.koupilova [et] mff.cuni.cz

Podrobnosti lze nalézt v článku:

Koupilová Z., Kácovský P. (2020): Conceptual Problems and Graphical Representation in Introductory Course of Quantum Physics. In Džubinská A., Reiffers M. (eds).: 20th Conference of Czech and Slovak Physicists Proceedings.

Kolekce konceptuálních úloh z kvantové mechaniky

Jedná se o soubor úloh určených pro kurz kvantové mechaniky vedený aktivizující formou. Soubor je řazen tématicky a obsahuje úlohy různých typů tzv. „single choice“ a „multiple choice“ otázky využitelné v rámci metody Peer Instruction, otázky vyžadující řazení či třízení pojmů či transformaci poznatku do jiné reprezentace vhodné např. pro skupinovou práci, ale i problémové otázky otevírající širší diskuzi.

Do souboru úloh jsou zařazeny i sekvence úkolů využívající práci s aplety či jinými způsoby grafického znázornění.

Vytvoření souboru otázek je podpořeno v rámci tématické oblasti Inovace výuky kvantové mechaniky (2019-2020).

Překlady apletů z kvantové mechaniky

Jedná se o překlady apletů z kolekce QuViS – The Quantum Mechanics Visualisation Project.

Na překladech pracují Zdeňka Koupilová, Petr Kácovský a Vojtěch Kapsa. Na překladech se dále podílely Alžběta Oplištilová a Zuzana Procházková, studentky MFF UK. Překládání apletů je podpořeno v rámci tématické oblasti Inovace výuky kvantové mechaniky (2019-2020) a Institucionálního rozvojového plánu část FyzWeb (2018-2019).

Aplet zobrazující dvojštěrbinový experiment s elektrony

Simulace znázorňuje stínítko experimentu, na které se skrz dvojitou štěrbinu posílají elektrony. V nastavení experimentu lze zapnout detektor, sledující, kterou štěrbinou elektron prošel, nebo jednotlivé štěrbiny uzavírat. Umožňuje tak přiblížit projevy vlnové i částicové povahy elektronů.

Aplet vyvíjí a testuje v rámci svého doktorského studia Mgr. Jana Legerská.

Zdrojový soubor

Program pro zobrazování vlnové funkce pro vybrané 1D potenciály

Program, který umožňuje zobrazit vlnové funkce a hustoty pravděpodobnosti nalezení částice pro následující jednodimenzionální případy: po částech konstantní potenciál se dvěma skoky (zahrnuje úlohy typu potenciálový stupeň a bariéra, konečně hluboká potenciálová jáma, ale i jejich variace), nekonečně hluboká pravoúhlá potenciálová jáma a lineární harmonický oscilátor. Umožňuje zobrazovat stacionární řešení, ale i jejich lineární kombinace (nestacionární řešení). Kromě samotné prostorové části vlnové funkce zobrazuje pomocí animace i její časový vývoj.

Program vznikl v rámci studentského projektu a jeho autorem je tehdejší student učitelství fyziky Mgr. Tomáš Škraban.

Projekt Orbitaly

Soubor čtyř programů a doprovodného pracovního sešitu s více než 30 úlohami, který vede čtenáře doslova krok za krokem k tomu, aby si vybudoval správnou vizuální představu a průběhu stacionárních řešení atomu vodíku, tedy jinými slovy se detailně seznámil s tvarem orbitalů a jejich vlastnostmi.

Autory projektu je RNDr. Zdeňka Koupilová (Broklová), Ph.D a RNDr. Jan Koupil, Ph.D.

FyzWeb Konceptuální úlohy a grafické zobrazování ve výuce kvantové fyziky
Novinky Kalendář Články Odpovědna Pokusy a materiály Exkurze Výročí Odkazy Kontakty		Konceptuální úlohy a grafické zobrazování ve výuce kvantové fyziky Ve vysokoškolské výuce, zejména v úvodních kurzech během prvních let studia, se ve světě i v naší republice objevuje posun od tradičně pojaté výuky k aktivizujícím výukovým formám. Výzkumy prováděné v zahraničí jednoznačně ukazují, že jejich prostřednictvím se prohlubuje konceptuální pochopení základních myšlenek, což má pozitivní efekt jak na porozumění probírané látce, ale zlepšuje i následné řemeslné zvládnutí konkrétních technik řešení úloh typických pro dané fyzikální téma. Konceptuální a aktivizující přístup využíváme ve výuce úvodního kurzu kvantové fyziky pro budoucí středoškolské učitele již několik let, konkrétně se jedná o předmět Úvod do kvantové mechaniky a kvantové teorie (NFUF204) (dříve vyučovaný pod názvem NUFY100 Kvantová mechanika). Velkou výzvou při koncipování této výuky bylo a neustále je shánění vhodných materiálů – konceptuálních úloh, otázek do diskuze, námětů na skupinovou práci či vhodných nástrojů pro vizualizaci jednotlivých problémů. V případě výuky budoucích středoškolských učitelů je navíc velmi vhodné používat materiály v češtině, aby si budoucí učitelé dostatečně zažili terminologii a mohli dostatečně diskutovat i různé formulace závěrů, protože ve své praxi se budou muset obejít bez matematického aparátu, který tvoří přirozenou a jedinou dostatečně výstižnou „řeč“ kvantové fyziky. Zde postupně zveřejňujeme materiály, které k této výuce vznikají tak, aby je mohli využít i vyučující kurzů kvantové fyziky na ostatních oborech, ale i vyučující mimo MFF UK. Budeme rádi za jakoukoli zpětnou vazbu, radu či konstruktivní kritiku těchto materiálů, protože se nejedná o uzavřený celek, ale neustále se rozšiřující a upravovaný soubor. Zdeňka Koupilová, zdenka.koupilova [et] mff.cuni.cz Podrobnosti lze nalézt v článku: Koupilová Z., Kácovský P. (2020): Conceptual Problems and Graphical Representation in Introductory Course of Quantum Physics. In Džubinská A., Reiffers M. (eds).: 20th Conference of Czech and Slovak Physicists Proceedings. Kolekce konceptuálních úloh z kvantové mechaniky Jedná se o soubor úloh určených pro kurz kvantové mechaniky vedený aktivizující formou. Soubor je řazen tématicky a obsahuje úlohy různých typů tzv. „single choice“ a „multiple choice“ otázky využitelné v rámci metody Peer Instruction, otázky vyžadující řazení či třízení pojmů či transformaci poznatku do jiné reprezentace vhodné např. pro skupinovou práci, ale i problémové otázky otevírající širší diskuzi. Do souboru úloh jsou zařazeny i sekvence úkolů využívající práci s aplety či jinými způsoby grafického znázornění. Vytvoření souboru otázek je podpořeno v rámci tématické oblasti Inovace výuky kvantové mechaniky (2019-2020). Překlady apletů z kvantové mechaniky Jedná se o překlady apletů z kolekce QuViS – The Quantum Mechanics Visualisation Project. Na překladech pracují Zdeňka Koupilová, Petr Kácovský a Vojtěch Kapsa. Na překladech se dále podílely Alžběta Oplištilová a Zuzana Procházková, studentky MFF UK. Překládání apletů je podpořeno v rámci tématické oblasti Inovace výuky kvantové mechaniky (2019-2020) a Institucionálního rozvojového plánu část FyzWeb (2018-2019). Aplet zobrazující dvojštěrbinový experiment s elektrony Simulace znázorňuje stínítko experimentu, na které se skrz dvojitou štěrbinu posílají elektrony. V nastavení experimentu lze zapnout detektor, sledující, kterou štěrbinou elektron prošel, nebo jednotlivé štěrbiny uzavírat. Umožňuje tak přiblížit projevy vlnové i částicové povahy elektronů. Aplet vyvíjí a testuje v rámci svého doktorského studia Mgr. Jana Legerská. Zdrojový soubor Program pro zobrazování vlnové funkce pro vybrané 1D potenciály Program, který umožňuje zobrazit vlnové funkce a hustoty pravděpodobnosti nalezení částice pro následující jednodimenzionální případy: po částech konstantní potenciál se dvěma skoky (zahrnuje úlohy typu potenciálový stupeň a bariéra, konečně hluboká potenciálová jáma, ale i jejich variace), nekonečně hluboká pravoúhlá potenciálová jáma a lineární harmonický oscilátor. Umožňuje zobrazovat stacionární řešení, ale i jejich lineární kombinace (nestacionární řešení). Kromě samotné prostorové části vlnové funkce zobrazuje pomocí animace i její časový vývoj. Program vznikl v rámci studentského projektu a jeho autorem je tehdejší student učitelství fyziky Mgr. Tomáš Škraban. Projekt Orbitaly Soubor čtyř programů a doprovodného pracovního sešitu s více než 30 úlohami, který vede čtenáře doslova krok za krokem k tomu, aby si vybudoval správnou vizuální představu a průběhu stacionárních řešení atomu vodíku, tedy jinými slovy se detailně seznámil s tvarem orbitalů a jejich vlastnostmi. Autory projektu je RNDr. Zdeňka Koupilová (Broklová), Ph.D a RNDr. Jan Koupil, Ph.D.