Fizikas izglītības pētniecība ir pasaulē salīdzinoši jauna lieta, bet tās uzietos principus darbā ar fizikas studentiem patlaban cenšas iedzīvināt Latvijas Universitātes (LU) Fizikas, matemātikas un optometrijas fakultātes (FMOF) Fizikas nodaļā, stāsta šīs nodaļas vadītājs, fiziķis un pētnieks Guntars Kitenbergs. ''Mērķis ir panākt, lai studenti, augstskolu beidzot, ir spējīgāki patstāvīgāk domāt, fizikas sakarā pieņemt lēmumus, rīkoties un izmantot apgūto neatkarīgi no izvēlētās karjeras. Ne tikai atcerēties, bet arī pielietot zināšanas. Nevis tikai iezubrīt, bet tiešām saprast,'' saka Guntars, kurš Dienai atklāj arī savu ceļu fizikā.
Maratonists
Fizika un matemātika Guntaram skolas laikā bija sirdij tuvas, pateicoties tam, ka interese bija jau ģimenē un Rīgas 64. vidusskolā paveicās ar skolotājiem – Ilzi Osi matemātikā un Māri Zariņu fizikā. Viņi veltīja daudz laika, ar skolēniem strādājot arī individuāli, Guntaram labi veicās mācību olimpiādēs, skolēnu zinātniski pētnieciskajos darbos. Rezultātā tālākās studijas fizikā šķita tikai loģiskas.
Jau 9. klases nogalē Guntars sāka domāt par akadēmisko karjeru. Tiesa, tagad viņš mēdz piedomāt arī par otru potenciālo fiziķa profesionālās dzīves variantu – inovatīvu, zinātņietilpīgu uzņēmējdarbību. Idejas, ko gribētos pašam realizēt biznesā, Guntaram gan pagaidām nav. ''Skaidrs, ka daudzas zinātniskās idejas paliek tikai atklājuma līmenī. Realizācijai jābūt gan pareizajam laikam, gan pareizajam tehnoloģiskajam lēcienam, lai kaut kas tāds tirgum vispār būtu interesants,'' viņš saka, bet pieļauj – ja saskatītu iespēju, tad mēģinātu to iedarbināt. Akadēmiskā vide ir maratons, tāpēc ir grūti paņemt mazus ''sprintiņus'', lai uz brīdi aizskrietu citā virzienā, taču stabilā sistēmā būtu iespējams daļu laika veltīt arī šādām jaunām iniciatīvām. Ja ne pašam savām, tad atbalstot savu studentu projektus.
Savukārt zinātnē Guntara mērķis ir ''nonākt līdz brīdim, kad varu teikt, ka esmu stabils pētnieks, kas izveidojis savu pētniecības grupu un savu tematiku, un neuztraucos par to, ka kārtējais pētnieciskais projekts beigsies un nezinu, kas notiks tālāk''.
Studējot Guntars konstatēja, ka viņam vairāk patīk un padodas eksperimentālā fizika – veidot kādu eksperimentālu iekārtu, to pilnveidot, darbināt, iegūt mērījumus un tos apstrādāt. Viņš diezgan ilgi meklējis laboratoriju, kurā izstrādāt savu bakalaura darbu. Sākumā pamēģinājis Cietvielu fizikas institūtā, bet izraudzītā tēma līdz galam nesaistīja. Taču tad fakultātes toreizējais dekāns Leonīds Buligins Guntaram ierādīja iepriekš neievērotu vietu – eksperimentālu laboratoriju Teorētiskās fizikas katedrā profesora Andreja Cēbera vadībā. Guntars kļuva par eksperimentālā fiziķa Kaspara Ērgļa kompanjonu, un jaunā fiziķa pētnieciskās intereses sāka attīstīties saistībā ar magnētiskiem mīkstiem materiāliem. LU izceļas ar magnētisma izpēti, un Guntars ne bez lepnuma stāsta par vienu no Fizikas institūta sasniegumiem – Rīgas dinamo eksperimentu, kas savulaik bija pirmais, kurā laboratorijas apstākļos izdevās demonstrēt Zemes, Saules, citu zvaigžņu un pat galaktiku magnētiskā lauka veidošanās principu.
Atkāpe no magnētisma, toties vērtīga papildu pieredze Guntaram bija, studējot Eiropas Komisijas finansētā Erasmus mundus maģistra programmā nanozinātnēs un nanotehnoloģijās. Gadu viņš pavadīja Lēvenas Katoļu universitātē Beļģijā, gadu – Žozefa Furjē Universitātē Francijā. ''Maģistra darbam Starpdisciplinārās fizikas laboratorijā Grenoblē peldināju mikroaļģes – pētīju, kā ar fizikāliem principiem var skaidrot bioloģiskas sistēmas,'' Guntars teic.
Savukārt doktorantūrā viņš atkal atgriezās pie magnētiskas mīkstas vides un magnētiskiem šķidrumiem un savu doktora darbu izstrādāja, ar vienu kāju esot LU, ar otru – Pjēra un Marijas Kirī Universitātē Parīzē.
Lai ''pagaršo'' zinātni
Pirms četriem gadiem sākot vadīt LU FMOF Fizikas nodaļu, Guntars apzināti mēģinājis vairīties no docētāja pienākumiem, lai vairāk laika atliktu pētniecībai. Nodaļa cenšas turēties pie principa, ka ikviens pasniedzējs ir arī aktīvs zinātnieks, lai spētu sekot savas jomas novitātēm pasaulē un ienest tās arī studiju programmās. ''Tagad cenšos visu savienot. Docēšanā aktīvāk esmu sācis iesaistīties otro gadu,'' Guntars saka un apstiprina, ka starp saviem nākotnes mērķiem redz arī palīdzēšanu studentiem kļūt labākiem par saviem pasniedzējiem.
Maģistrantūrā studējošajiem Guntars māca trīs kursus. Vienā no tiem – Mīkstie nanomateriāli – no eksperimentālās puses var iepazīt polimērus, virsmaktīvās vielas un koloīdus. Otrs kurss – Pētnieciski laboratorijas darbi – studentiem ļauj izvēlēties vairākus no plašāku laboratorijas darbu klāsta pie zinātniekiem laboratorijās. ''Tā ir iespēja ''pagaršot'' zinātni pa īstam ļoti dažādos virzienos – vai nu iepazīt kādas tehnoloģijas, aprīkojumu, vai atsevišķas fizikas tēmas,'' raksturo Guntars un stāsta, ka šis kurss iezīmē jaunu pieeju. Iepriekš topošajiem fiziķiem dominēja fiksēti laboratorijas darbi – ''pavārgrāmata'' priekšā, seko receptei, un sanāks jau iepriekš zināms rezultāts! ''Šobrīd esam pārgājuši uz modeli, kurā ir laboratorijas darbi, kuros mēs arī pasniedzējus un zinātniekus rosinām dot studentiem problēmas, kurām nav skaidra atrisinājuma vai ir elementi, kas raksturo pētnieku ikdienas darbu. Te daudz ko jāmēģina saprast procesā, jāpārbauda hipotēzes,'' Guntars skaidro.
Galvenā doma ir sagatavot studentus tādam pētnieciskajam darbam, kāds tas ir realitātē.
''Ne tikai mācīt viņiem, ka ir svarīgi būt labam pētniekam, bet arī palīdzēt iegūt šīs prasmes, ko no labiem pētniekiem sagaidām.''
Līdzīga ievirze ir arī trešajam studiju kursam Vispārīgo prasmju attīstība, ko Guntars studentiem pasniedz kopā ar kolēģi. Viņš neslēpj, ka kurss ir izmēģinājums, lai beidzot mācītu tās iemaņas, par kurām akadēmiskajās studiju programmās līdz šim bieži tika aizmirsts: piemēram, spēju skaidri komunicēt savas idejas citiem dažādos formātos – sākot no tēzēm, konferencēm, rakstu krājumiem un prezentācijām un beidzot ar Vikipēdijas šķirkļu veidošanu u. tml.
Pēta, kā mācīt un mācīties
Minētie jauninājumi iekļaujas pētījumos balstītā studentcentrētā fizikas izglītības procesā, ko patlaban cenšas iedzīvināt LU FMOF Fizikas nodaļa. Lieli nopelni tajā esot Guntara kolēģim Ģirtam Baranovam, kurš seko līdzi zinātnieku atziņām par fizikas apguvi. Pirms gadiem 10–20 ASV aizsākās zinātnes virziens, ko sauc par fizikas izglītības pētniecību (Physics Education Research), un tas atšķirībā no ierastās fizikas didaktikas fizikas apguves procesam pieiet izteikti zinātniski – cenšoties pierādīt vai apgāzt kaut kādas hipotēzes ar matemātisku mērījumu veikšanu. ''Klasiskais jautājums, no kā šis virziens ir sācies: vai lekcijas ir efektīvākais veids, kā iemācīt studentiem saprast to fiziku, ko mēs gribam, lai viņi zinātu? Var raudzīties uz beigu punktu – vai absolventi spēj izdarīt to, ko no viņiem sagaidām, – un vērot, kas mainās šajā galarezultātā, pamainot dažādus mācību procesa elementus,'' Guntars stāsta. Šo pētījumu gaita un rezultāti aprakstīti zinātniskajā literatūrā.
Secināts, ka aktīvas mācību metodes fizikas apguvē ir efektīvākas nekā lekcijas. Dažādiem grupu izmēriem un mācību vielai paņēmieni ir dažādi, taču, piemēram, ļoti iedarbīga metode, ko mēģina izmantot arī LU FMOF Fizikas nodaļā, ir t. s. vienaudžu instrukcija (peer instruction).
Guntars skaidro: ''Pasniedzējs studentiem ir izstāstījis kādu konceptu, vai studenti par to ir izlasījuši mājās. Pasniedzējs testa veidā uzdod studentiem konceptuālus jautājumus un pēc atbildēm secina, ka daļa šo konceptu ir sapratusi un spēj pielietot, bet daļa ne. Tālāk viņš nevis metas skaidrot pareizās atbildes, bet ļauj studentiem savā starpā par tām padiskutēt. Ir pierādīts, ka vienaudži, kuri konceptu apguvuši tikko, spēj to izskaidrot daudz vieglāk un precīzāk nekā pasniedzējs, kurš to apguvis sen un studentiem uz tāfeles raksta jau 20 gadu. Šī metode strādā pat ļoti lielām auditorijām.'' Tiesa, izņemtās vielas apjoms šādā nodarbībā var sanākt būtiski mazāks, nekā ''dragājot'' uz priekšu lekcijas veidā, toties rezultāts studentu smadzenēs ir vairāk iegūlies un praktiskāks.
Vai fiziku var iemācīt laboratorijas darbos? Fizikas izglītības pētnieki atbild: var, tikai tas ir ļoti neefektīvi. Laika patēriņa un apgūstamo konceptu daudzuma dēļ.
Tomēr Guntars uzsver, ka tas nenozīmē, ka laboratorijas darbi nav vajadzīgi. Svarīgākais – ko tajos mācīt. ''Lekcijās neiemācīsi, kā atšķirt pareizu un nepareizu mērījumu, kā izvēlēties pareizu mērīšanas metodi utt. Tāpēc mēs LU laboratorijas darbus pārveidojam, lai tie vairs nav tikai ''izpildi, kas rakstīts priekšā'', bet lai studenti mēģina saprast, kas notiek.''
Šī fizikas apguves paradigmas maiņa līdz šim bijusi izplatītāka ASV universitātēs, no kurām nāk arī fizikas izglītības pētniecības aizsācēji. Lai gan pērn LU FMOF Fizikas nodaļā izveidota Fizikas izglītības pētniecības katedra un ir speciālists, kurš pasniedzējiem palīdz iedzīvināt praksē jaunās metodes, Guntars atzīst, ka LU šai ziņā ir vēl bērnu autiņos. Nav gan izslēgts, ka, sekmīgi pārņemot šo pieeju, ar laiku varētu palīdzēt to sākt praktizēt arī citām mūsu reģiona augstskolām. Galu galā problēmas, ko jaunais piegājiens cenšas risināt, visā pasaulē ir vienādas: fizikas programmu absolvents nav gluži tāds, kādu viņu gribētos redzēt, turklāt dinamiski mainās arī darba tirgus vajadzības, tāpēc līdzšinējais ''šablons'' vairs īsti neder.
Pētījumi rāda, ka jaunā pieeja pozitīvi ietekmē arī studentu motivāciju – viņi mazāk atbirst no fizikas studijām, jo redz, kā šīs zināšanas ir pielietojamas.
Ezers ar spirtu
Studēt fiziku augstskolā sāk gan olimpiāžu spīdekļi, gan jaunieši, kas fizikas eksāmenu nolikuši vāji. Arī motivācija ir atšķirīga, un to lielā mērā iespaido tas, ka nav izdevies veiksmīgi nokomunicēt, ko tad fiziķi mūsdienās īsti dara, atzīst Guntars. ''Daudziem joprojām ir stereotipi, ka, pabeidzot fiziķus, varēsi būt tikai zinātnieks, pasniedzējs vai skolotājs. Taču liela daļa absolventu nokļūst inovatīvos uzņēmumos gan Latvijā, gan ārzemēs, kas meklē cilvēkus, kuri spēj saprast sarežģītus fizikas procesus, detaļas, spēj pētnieciski pieiet jaunām problēmām un ieviest ražošanā jaunus produktus vai jaunas tehnoloģijas.'' Pēc Guntara domām, fiziku ir vērts studēt gan daudzveidīgo karjeras perspektīvu dēļ, gan tāpēc, ka tas ir gana izaicinošs priekšmets, kas dod labu pamatu tālākajai izglītībai dažādās specifiskākās jomās. ''Mums patīk saprast pasauli,'' Guntars smaida.
Protams, lai izvēlētos, ir jāsaprot, ko gribas ilgtermiņā. Te noder dažādu lietu izmēģināšana vēl skolas laikā. Guntars stāsta, ka, piemēram, LU Jauno fiziķu skolas nodarbībās jaunieši mēdz sajust gan to, ka fizika ir viņu ceļš, gan to, ka tā galīgi nevilina. Iespējas sevi izaicināt un pamēģināt ir arī olimpiādes, zinātniski pētnieciskie darbi, arī skolēnu erudīcijas konkurss Fizmix eksperiments, kurā Guntars darbojas kā mentors.
Tomēr, lai skolēni būtu gatavāki studēt fiziku labā līmenī, visizšķirošākais ir pedagogi skolā. ''Kamēr skolotāja darba novērtējums nebūs tik augsts, cik tas ir pelnīts, akūtais fizikas skolotāju trūkums būs sāpīgs jautājums,'' Guntars uzskata. Viņš priecājas par jauno Skola 2030 izglītības ietvaru, kas paredz ar skolēniem vairāk runāt par kopsakarībām, nevis sausiem likumiem, taču uzsver, ka viss būs atkarīgs no izpildījuma kvalitātes. Tāpēc svarīgs ir atbalsts pedagogiem – gan saturiskais, gan iedrošinošais mēģināt jaunus risinājumus.
''Man skolas laikā ļoti patika, ka mūsu fizikas skolotājs spēja daudzas teorētiskas lietas sasaistīt ar reāliem piemēriem, bieži vien joku līmenī. Piemēram: iedomāsimies, ka jums ir ezers ar spirtu. Nē, labāk man ir ezers ar spirtu. Un tālāk sekoja uzdevums par spirta īpašībām,'' Guntars atceras.
Aizrauj arī skolotāja vai augstskolas pasniedzēja entuziasms – ka viņš deg par šo jomu, tur roku uz pulsa saistībā ar tās aktualitātēm un prot fizikas detaļas ielikt kopējā perspektīvā