Výzkum americké Národní vědecké nadace (NSF, National Science Foundation) prokázal ve Spojených státech amerických vážný úpadek znalostí a zájmu o vědu ve všech věkových skupinách. (NSF, 2002) Výzkum například uvádí, že pouze 50 procent amerických občanů ví, že Země za jeden rok proletí celou eliptickou dráhu kolem Slunce, že elektrony jsou menší než atomy a že pralidé nežili ve stejné době jako dinosauři. Tyto příklady vážných neznalostí přírodních věd se však promítají také do společenských věd a běžného života amerických občanů.

Článek [X1] představuje ambiciózní projekt, na němž začalo pracovat několika autorů z Univerzity Střední Floridy (UCF, University of Central Florida). Hlavním cílem projektu je zlepšit znalosti veřejnosti o základních principech přírodních věd a tématech, která jsou předmětem studia na středních a vysokých školách. Tento nový přístup "Fyzika ve filmech" používá některé známé a populární filmy pro ilustraci principů fyziky analýzou jednotlivých filmových scén s využitím základních fyzikálních zákonů mechaniky, elektřiny, optiky atd.

Přestože projekt dosud není ukončen, "Fyzika ve filmech" zaznamenala úspěchy a stala se předmětem rozsáhlé diskuse jak mezi studenty Univerzity Střední Floridy, tak mezi učiteli fyziky na amerických středních a vysokých školách.

Podle zkušeností autorů projektu jsou studenti obecně přesvědčeni, že fyzika je obtížná a proto nudná, a že nemá žádný význam pro jejich každodenní život. Autoři projektu, kteří pravidelně vyučují fyziku studenty, pro něž fyzika není hlavním oborem studia, hledali způsob, jak tyto studenty zaujmout tak, aby sami měli zájem získat fyzikální znalosti. Po řadě diskusí a prostudování již existujících projektů autoři projektu dospěli k závěru, že jako nástroj výuky lze použít médium, které se již stalo součástí každodenního života mládeže. Tímto médiem jsou populární filmy, na nichž lze ilustrovat základní principy fyziky a vrcholné objevy vědy a také motivovat studenty, aby se sami stali kritickými pozorovateli světa kolem sebe. Smyslem použití populárních filmů bylo nabídnout studentům takovou výuku fyziky, která by více vycházela z jejich života a navíc odstranila řadu jejich předsudků a omylů.

Projekt "Fyzika ve filmech" byl poprvé nabídnut od léta roku 2002. O principech fyziky studenti diskutovali na základě ukázek z devíti populárních filmů (Speed 2, Armageddon, 2001: A Space Odyssey, The Abyss, Tango & Cash, Contact, Frequency, Eraser, Independence Day). Například hovořili o gravitaci ve filmu "Independence Day", o zákonu zachování hybnosti ve filmu "Tango & Cash" a o rychlosti a zrychlení ve filmu "Speed 2".

Studenti měli nejprve postupně shlédnout vybrané filmy a napsat krátký rozbor fyzikálních principů ze třech scén podle vlastního výběru. Během jednotlivých vyučovacích hodin ve třídách pak asi desetina studentů předneslo svoji analýzu jedné vybrané scény. Psané i přednesené analýzy se staly pak součástí jejich hodnocení.

Příkladem, jak studenti využívali ukázky z filmů pro výklad fyzikálních principů, může být film "Armageddon" (v hlavní roli Bruce Willis). Obrovský asteroid velikosti státu Texas se měl srazit se Zemí. Připomeňme, že dosud neznáme žádný asteroid takové velikosti. Tým astronautů, vybavený vrtnými soupravami pro ropné vrty a zabezpečený kosmickou lodí a kosmickým člunem, dostal za úkol vyvrtat na správném místě do asteroidu díru a do ní umístit jadernou bombu. Jaderný výbuch měl rozštěpit asteroid na na dva velké kusy. Energie jaderného výbuchu měla změnit dráhu a rychlost těchto kusů tak, že oba měly bezpečně minout Zemi.

Odhad hmotnosti asteroidu o velikosti Texasu studenti mohou získat aproximací území Texasu čtvercem o obsahu, který odpovídá ploše území Texasu, a aproximací nepravidelného tvaru asteroidu krychlí. Vynásobením objemu této krychle průměrnou hustotou Země studenti získají odhad hmotnosti asteroidu.

Pro výpočet účinku použité jaderné bomby studenti mohou vycházet z předpokladu, že její účinnost odpovídá účinnosti asi 100 tisíc jaderných bomb svržených na Hirošimu. Současné jaderné hlavice mají účinnost asi 1000 jaderných bomb svržených na Hirošimu. Dále mohou předpokládat, že oba kusy asteroidu budou mít stejnou hmotnost a každý kus asteroidu získá stejnou energii, přičemž mohou zanedbat ztrátu energie vynaloženou na rozštěpení asteroidu.

Pro fyzikální analýzu celé situace se použije zákon zachování energie, zákon zachování hybnosti, sčítání vektorů rychlostí a gravitační zákon. Asteroid o původní hmotnosti 105.10²⁰ kg a pohybující se rychlostí 22000 m/s by se jaderným výbuchem rozpadl na dva stejné kusy o hmotnostech 52,5.10²⁰ kg. Jaderný výbuch by každému kusu předal energii 2,5.10¹⁸ J. Kinetická energie každého kusu ve směru kolmém na původní dráhu asteroidu by byla

2,5.10¹⁸ = m.v²/2 =  52,5.10^10 . v²/2

Rychlost každého kusu ve směru kolmém na původní dráhu asteroidu by tedy byla v = 0,03 m/s. Za dvě hodiny po jaderném výbuchu by se každý kus vzdálil od své původní dráhy pouze o

s = v.t = 0,03 . 7200 = 216 m

Studenti byli výsledkem značně překvapeni. Za dvě hodiny po jaderném výbuchu by se oba kusy asteroidu velikosti Texasu od sebe vzdálily pouze o 440 metrů! Z tohoto výsledku vyplývá, že celý film byl postaven na nereálných fyzikálních výsledcích. Studenti pak mohou diskutovat o tom, zda a proč důležité, aby americká vláda investovala značné finanční prostředky do projektu detekce těles ohrožujících Zemi.

Od počátku projektu "Fyzika ve filmech" byl používán systém pro záznam odpovědí (personal response system), který každému studentovi umožňoval zaznamenat svoji přítomnost a odpovědi na otázky kladené učitelem. Systém okamžitě odpovědi potvrzoval, umožňoval jejich změny, zobrazoval správné výsledky a také poskytoval histogram všech odpovědí studentů na otázky tak, aby každý student měl možnost srovnání s třídou jako celkem.

Přítomnost studentů a jejich odpovědi zaznamenával třídní počítač. Systém proto byl schopen také vyhodnotit názory studentů týkající se různých aspektů celého učebního kursu.

Později byl celý projekt "Fyzika ve filmech" rozšířen tak, aby pokud možno pokrýval celou tradiční výuku fyziky. Původně nebyla věnována zvláštní pozornost žánru zvolených filmů. Později se však autoři projektu rozhodli filmy rozdělit do různých žánrů tak, aby co nejlépe vyhovovaly zájmům studentů a potřebám jejich učitelů. Filmy byly proto rozděleny do několika žánrů nebo témat: akční a dobrodružné filmy, science fiction, superhrdinové, moderní fyzika, astronomie, pseudověda a metafyzika. V létě a na podzim roku 2003 autoři projektu poprvé použili filmy z žánru superhrdinů a pseudovědy.

Částečná motivace pro použití filmů o superhrdinech vycházela z učebního kursu Jima Kakaliose na Minnesotské univerzitě v Twin Cities. Kakalios vedl úspěšný kurs fyziky založený na comicsech o superhrdinech. Projekt "Fyzika ve filmech o superhrdinech" doplnil Kakaliosovo úsilí nahrazením statických obrázků ukázkami z filmů. Autoři projektu použili některé oblíbené americké filmy o superhrdinech (Superman, Batman, Batman Returns, Batman & Robin, Batman Forever, Spiderman, X-Men, Daredevil, X2, The Hulk).

V době konání učebního kursu dva z filmů ještě nebyly k dispozici na videokazetách nebo DVD discích. Studenti proto filmy měli shlédnout v kinech. Nikdo z nich si nestěžoval a do kina vyrazila současně téměř celá třída.

Tématický obsah projektu "Fyzika ve filmech" původně sledoval tradiční výuku fyziky. Výuka přitom byla ve srovnání s typickými učebnicemi fyziky poněkud odlehčena. V projektu "Fyzika ve filmech o superhrdinech" se autoři projektu ještě více odchýlili od tradičních způsobů výuky fyziky a vycházeli z některých netradičních knih (jako např. "The Science of Superheroes"). Autoři těchto knih často používali fyzikální principy, aby své superhrdiny přiblížili reálným fyzikálním možnostem. Učitelé fyziky na filmech o superhrdinech mohou ukázat, jak fyzikální zákony vylučují některé velice efektní činy superhrdinů.

Myšlenky nebo teorie se označují jako pseudověda, pokud jsou v rozporu s vědeckými daty, avšak jsou prezentovány jako vědecké teorie. Omyl nebo chyba v interpretaci vědeckých dat však není příznakem pseudovědy. Pseudovědou jsou úmyslně mylné interpretace skutečností nebo neověřená tvrzení. Autoři projektu "Fyzika ve filmech" za pseudovědecké označili filmy založené na tématech nebo jevech, které jsou v rozporu s vědeckými fakty. Takových filmů je jistě celá řada, avšak autoři projektu vybrali pouze ty filmy, které studenti již viděli nebo o nich věděli.

Mezi pseudovědecká témata kromě jiných patří:

• magie v rozporu se všeobecně platnými fyzikálními zákony
• cestování do minulosti nebo zastavení času v rozporu s teorií relativity a kvantovou fyzikou
• nerozbitelnost materiálu v rozporu s fyzikou pevných látek
• oživlé mrtvoly (zombie) v rozporu s biochemickými procesy v organismu
• duchové v rozporu s fundamentálními interakcemi hmoty
• vesmírní vetřelci v rozporu s výsledky pozorování vesmíru

Alternativního způsobu výuky fyziky v rámci projektu "Fyzika ve filmech" se do konce roku 2002 zúčastnilo asi 1600 studentů. Autoři projektu shromažďovali výsledky studentů při zkouškách a hodnocení kursů fyziky studenty.

Autoři projektu "Fyzika ve filmech" porovnali skóre výsledků zkoušek třídy s tradiční výukou fyziky a s výukou v rámci jejich projektu "Fyzika ve filmech". Zjistili, že průměrné skóre třídy s výukou v rámci projektu "Fyzika ve filmech" bylo kromě první zkoušky lepší než průměrné skóre třídy s tradiční výukou. Avšak tento statistický výsledek nelze považovat za dostatečně hodnověrný. Hodnověrnějšího výsledku by bylo dosaženo, pokud by obě třídy prošly nejprve tradiční výukou a následně výukou v rámci projektu "Fyzika ve filmech" a také pokud by byl testován větší počet tříd sestavených z náhodně vybraných studentů.

Studenti ve svém hodnocení kursů odpovídali na několik otázek. Většina studentů se shodla, že kursy fyziky v rámci projektu "Fyzika ve filmech" byly zajímavější než standardní výuka fyziky. Dále se většina studentů shodla na tom, že se během kursu něco z fyziky naučili a že by takový kurs doporučili také svým kamarádům a přátelům. Většina studentů se také shodla na tom, že vybraná témata z filmů byla zajímavá.

Bohužel, ani kurs "Fyzika ve filmech" u studentů příliš nezměnil hluboce zakořeněný odpor k vědě. Asi 51 procent studentů potvrdilo, že vědu nemají rádi a že po ukončení kursu se o fyziku nebo o přírodní vědy již nebudou dále zajímat.

Výsledky projektu "Fyzika ve filmech" prokázaly, že tento způsob výuky může být jednou z vhodných alternativ k tradiční výuce fyziky a obecněji přírodních věd. Kurs probudil zájem studentů a zvýšil jejich úspěšnost. Podobně motivujícím způsobem výuky může být metoda označovaná jako "error prune". Při této metodě vyučující během výkladu udělá úmyslně několik chyb. Úkolem studentů je tyto chyby odhalit a v diskusi je vysvětlit. Studenti jsou před výkladem informováni o počtu chyb, které se ve výkladu objeví. Chyby musí být dostatečně zjevné, aby studenti měli šanci je odhalit.

Autoři projektu "Fyzika ve filmech" mají v úmyslu ve svém projektu pokračovat. Změna negativního postoje veřejnosti a řady studentů středních a vysokých škol k přírodním vědám bude však pomalá a obtížná.

Jedním z cílů autorů projektu je zvýšit zájem o přírodní vědy a ukázat, že porozumění základům přírodním věd může člověka obohatit a odměnit. Projekt "Fyzika ve filmech" lze poměrně snadno využít v amerických i evropských školách. Navíc lze tento projekt rozšířit také do jiných předmětů přírodních a humanitních věd, jako je astronomie a astrofyzika, biologie, chemie, technika, archeologie a anthropologie, filozofie, historie, právo atd.

Odkazy a literatura:

[X1] Costas Efthimiou and Ralph A. Llewellyn: Cinema as a tool for science literacy.Department of Physics, University of Central Florida, Orlando, United States of America. 16 Apr 2004. physics/0404078 e-Print archive. Los Alamos National Laboratory. US National Science Foundation.