Pourquoi les collégiens se désintéressent-ils de la physique ? Pourquoi l'Australie prend-elle du retard dans le domaine scientifique, La technologie, ingénierie et mathématiques (STEM)?

Nous, dans le projet Einstein-First, pensons avoir la réponse. C'est parce que l'expérience Internet des élèves en matière de sciences est en conflit complet avec le programme scolaire.

Pour la Semaine nationale de la science, J'ai parlé à 650 étudiants âgés de 5 à 11 ans. Je leur ai demandé s'ils avaient entendu parler des trous noirs. Au moins 80% ont levé la main.

Où trouve-t-on des trous noirs dans les programmes scolaires ? Nous ne le faisons pas. Vous ne pouvez pas parler de trous noirs en utilisant la physique du XIXe siècle, car ils concernent tous l'espace courbe et le temps déformé.

Les élèves nous ont clairement fait comprendre qu'ils pensaient que la science à l'école concernait les « vieux trucs ».

C'est pourquoi nous devons moderniser le curriculum. Nous devons remplacer les concepts du XIXe siècle par des concepts du XXIe siècle, et enseigner à tous le langage de la physique moderne, dès l'école primaire.

Aujourd'hui, nous lançons notre livre Enseigner la physique einsteinienne dans les écoles. Il est conçu pour être le fer de lance d'une révolution dans les sciences scolaires à partir de la troisième année.

Les jeunes étudiants saisissent les concepts einsteiniens

Les découvertes d'Einstein en 1905 ont déclenché une révolution conceptuelle. Les dernières étapes, La théorie de la gravité d'Einstein en 1915 et la découverte de de Broglie en 1924 selon laquelle toute matière et tout rayonnement ont une combinaison d'ondulation et d'instabilité (normalement appelée dualité de particule d'onde), a radicalement changé les idées des physiciens sur l'espace, temps, matière et rayonnement. Ces découvertes sont les concepts fondamentaux de presque toutes les technologies modernes.

Il y a dix ans, j'ai demandé :« Est-il possible d'enseigner les concepts einsteiniens à l'école primaire ? Des collègues ont dit:"Bien sûr que non. Vous devez d'abord apprendre la physique de Newton!"

J'ai répondu franchement ! La physique newtonienne est fausse, à la fois conceptuellement et factuellement. Il dit que les choses peuvent voyager à une vitesse arbitraire et que la gravité voyage instantanément, le temps est le même partout, la masse et l'énergie sont indépendantes l'une de l'autre, et l'univers fonctionne comme une horloge.

Notre équipe a mené un premier essai d'enseignement de la physique einsteinienne dans une école primaire. Notre découverte la plus étonnante a été que les enfants n'étaient pas étonnés :ils ont juste pris les idées dans leur foulée. Cela a conduit à huit années d'essais dans une variété d'écoles primaires et secondaires.

Nous avons enseigné aux étudiants que la lumière se présente sous forme de photons qui ont une combinaison d'ondulation et de bulletins, que l'espace est courbé par la matière et cela change la géométrie, et ce temps est différent au sommet d'une montagne. Rien de tout cela ne les a particulièrement surpris.

Et les enfants ont adoré. Un enseignant de 3e année a déclaré :« À la fin, ils utilisaient le vocabulaire et comprenaient clairement des concepts qui ne seraient normalement pas introduits avant le lycée. Il était vraiment difficile de les éloigner de leurs activités. Ce qui était surprenant, c'est qu'ils acceptaient si facilement les concepts. que la plupart des adultes et des enseignants trouvent très difficile."

L'apprentissage basé sur les activités fonctionne et c'est amusant

Les enfants adorent l'apprentissage par activités. Et ils aiment les jouets, nous utilisons donc des jouets dans la mesure du possible.

Nous utilisons des balles de pistolet Nerf comme photons jouets, balles de ping-pong en tant qu'électrons jouets et molécules jouets constituées de balles de tennis magnétiques et de balles de ping-pong. Parfois, nous utilisons des petites voitures comme photons et utilisons des objets de masse croissante pour augmenter leur émission (c'est-à-dire leur élan). Ces jouets permettent des expériences telles que la dissociation de molécules de jouets par des photons UV de jouets pour expliquer pourquoi la lumière UV peut briser notre ADN et provoquer le cancer de la peau, et pourquoi les photons radio (et 5G !) sont sûrs car ils ont beaucoup moins de bulletins.

La physique einsteinienne a un énorme pouvoir explicatif, que ce soit au niveau des interactions quantiques ou de la gravité. La gravité einsteinienne décrit l'espace comme un tissu élastique. Nous utilisons le lycra comme espace-temps jouet bidimensionnel. L'étirement de l'espace et du temps se mesure facilement et presque tous les phénomènes gravitationnels peuvent être observés en faisant rouler diverses balles sur le lycra, comme le montre la vidéo ci-dessous.

Les élèves de tous niveaux adorent jouer avec ces simulateurs spatio-temporels. Ils étudient comment les trajectoires des photons sont déviées lorsque l'espace est courbé, comment les forces du gradient de gravité déchirent les comètes, comment les orbites changent leur orientation dans l'espace (appelée précession), comment les étoiles et les planètes se forment et comment les galaxies prennent leur forme. Comme l'a dit un enseignant de 7e :« [Ça] permet de parler beaucoup plus facilement aux élèves de choses intéressantes, comme la dernière découverte de trou noir."

Des leçons qui donnent du sens à notre monde

L'absorption des photons infrarouges par les molécules de CO₂ entraîne le changement climatique. Des molécules jouets maintenues ensemble par des aimants permettent aux élèves d'explorer les différentes façons dont une molécule de CO₂ vibre par rapport à une molécule d'O₂, et découvrez comment l'absorption de photons provoque cela.

Nous combinons nos jouets avec des appareils réels mais relativement peu coûteux, comme les panneaux solaires, perceuses électriques, Lumières LED et pointeurs laser.

Les pointeurs laser permettent d'explorer l'ondulation de la lumière dans toute une gamme d'expériences d'interférence. Les panneaux solaires font preuve de bulletiness, photons éjectant des électrons, et sont idéales pour presque toutes les études d'électricité et d'énergie au primaire et au collège. Un panneau solaire peut entraîner une perceuse électrique 12V, qui peut être utilisé pour le levage, créant de la chaleur de friction et utilisant l'énergie provenant de la conversion de photons en un flux d'électrons, l'effet photoélectrique pour lequel Einstein a remporté le prix Nobel.

Aider les enseignants à surmonter leurs peurs

Le plus grand obstacle à l'introduction de la physique einsteinienne est la peur des enseignants. Les gens prétendent encore que c'est trop difficile pour les enseignants. Nous avons trouvé si nous mettons l'activité en premier, comme la géométrie sur les woks par exemple, les enseignants sans formation scientifique comprennent facilement le concept selon lequel la forme de l'espace peut être mesurée en faisant de la géométrie.

L'enseignement de la physique einsteinienne dans les écoles est basé sur une expérience internationale impliquant plus de 20 auteurs. Il est présenté au niveau requis pour les enseignants des écoles, y compris du matériel pour le lycée.

Il est exempt d'équations effrayantes parce que celles-ci, qu'ils soient einsteiniens ou newtoniens, n'ont pas leur place dans le programme scolaire. Au lieu de cela, nous enseignons beaucoup sur la façon de gérer les nombres énormes et minuscules que nous devons envisager pour faire face à l'univers, ainsi que les probabilités et "les maths des flèches" (vecteurs) car ces concepts puissants sont importants pour tout le monde.

La plupart des étudiants ne se spécialiseront pas en physique. L'objectif d'Einstein-First est que tous les élèves terminent les années obligatoires de sciences avec les connaissances de base et le vocabulaire de notre meilleure compréhension de l'univers physique.

Après avoir testé notre programme de 7e année sur la gravité, un enseignant a rapporté :« Les leçons comportent la modélisation de concepts avec du matériel « concret » pratique, une approche pédagogique qui offre des opportunités d'apprentissage multisensoriel permettant à tous les élèves d'être inclus avec succès."

« Les filles bénéficient particulièrement de la façon dont le programme est présenté avec des apprentissages et des activités de groupe. Ce n'est pas intimidant, et les enseignants comme moi apprécient le programme parce qu'il rend mon enseignement beaucoup plus utile. »

« La chose remarquable à propos des cours de physique einsteinienne est que les étudiants sont pleinement engagés, les perturbations sont rares, et les étudiants ayant des difficultés d'apprentissage sont pratiquement impossibles à distinguer des étudiants ordinaires. »

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.