国际资讯 | 高中老师,遇见粒子物理学
发布时间 : 2021-01-08

Illustration bySandbox Studio, Chicago with Corinne Mucha


世界各地的研讨会对科学教师进行培训,让他们将粒子物理学融入课堂。

想象一下:一个静止的物体,比如花瓶突然爆炸,碎片飞了起来。给定碎片的最终能量和动量,你能计算出物体在分裂前的质量吗?

戴夫·菲什(Dave Fish)给他的学生们讲了一个常见的动量守恒问题。他描述了顶夸克和顶反夸克转变为其他基本粒子的过程,而不是描述花瓶等宏观物体的爆炸。

菲什教授高中物理,是安大略省圆周理论物理研究院(Perimeter Institute)的驻校教师。菲什说,在加拿大,粒子物理是“老师们往往会把它留到课程结束,然后就没时间了”。“作为高中教师,我们大多数人都对这些内容感到不知所措。”

粒子物理学出现在国际学士学位课程中,这一课程被世界上许多大学确认为进入高等教育的资格。这个科目也出现在一些国家的课程中,比如德国北莱茵-威斯特伐利亚州的课程。但总的来说,“没有多少课程明确地以粒子物理为特色,”欧洲核子研究中心的教师项目经理维纳(jeffwiener)说。“那些通常专注于相当无聊的东西,例如:'命名两个轻子。'”


将粒子纳入课程


许多想教授粒子物理的高中科学教师说,他们觉得自己对这门学科的知识不够,或者不确定如何在不牺牲必修课主题的情况下将其包括在内。

菲什和维纳是众多希望改变这种状况的人中的两个。他们认为有很多机会将粒子物理整合到以普通物理概念为重点的标准课程中。为了教授动量守恒,可以尝试使用发现顶夸克的真实数据(美国能源部费米国家加速器实验室的教育工作者开发的一项活动)。为了演示带电粒子在磁场中的运动,可以展示被称为气泡室的粒子探测器的照片。为了提供圆周运动的例子,可以讨论暗物质的奥秘。

菲什以前的学生之一,尼科莉娜·伊里克(Nikolina Ilic )认为,她在班上进行的一个关于暗物质的项目是她教育的一个转折点。她说:“我意识到我们不知道宇宙的95%是由什么组成的,这让我大吃一惊。”“那是我决定追求粒子物理学的时候。”


“让我们谈谈过程,谈谈粒子物理学家如何分析数据,让我们谈谈他们如何解决问题。"


在不教高中生的那几年,菲什在圆周理论物理研究院主持研讨会,帮助其他老师把粒子物理学带进课堂。每年,来自加拿大和其他国家的大约40或50名教师都会参加为期一周的“爱因斯坦+”研讨会,参加各种合作活动,旨在向他们传授现代物理学知识。其中最受欢迎的是一个卡片排序游戏,教授标准模型的模式和对称性。在每个活动中,"我们要求教师成为学生,提出学生会问的问题,"菲什说。

费米实验室为小学到高中教师举办了类似的教师讲座,内容涵盖各种物理学主题。

由于COVID-19疫情迫使许多项目转移到网上,费米实验室已经倾向于寻找与教师和学生进行虚拟互动的方法。"我们与实验室工作人员进行职业讲座,我们与教师一起创建并虚拟运行的课堂演示,虚拟问科学家,以及周六上午的物理课程。"管理K-12物理科学项目的费米实验室教育项目负责人阿曼达·厄尔利(Amanda Early)说。

每年,费米实验室都会为教育工作者和学生举办项目,让他们参与费米实验室的科学活动。"你越是让学生接触粒子物理学,它的规模和尺度及其好处,孩子们就会看到更多参与科学的机会,"厄尔利说。

2020年,该教育集团旗下的一所暑期中学科学学院专门致力于帮助高中教师根据美国许多州采用的下一代科学标准,调整现代物理课程。来自芝加哥地区和全国各地的大约80名教师参加了这个为期5天的互动式研讨会,该研讨会于2020年通过网络提供。

下一代科学标准没有明确提到粒子物理学。但是,构架它们的交叉概念和科学与工程实践与该主题很好地融合。伊利诺伊州高中科学教师大卫-托普(David Torpe)说,他在费米实验室开设专业发展讲座六年。

"让我们谈谈过程,谈谈粒子物理学家如何分析数据,让我们谈谈他们如何解决问题,"托普说。"能量和因果的想法也很自然地融入其中。我认为一个好的策略是找到一个你觉得有趣的粒子物理学的点,然后在这里或那里引出它。"


把教师带到CERN,把CERN带给教师


在大洋彼岸的欧洲,欧洲核子研究中心(CERN)的教师项目每年吸引来自世界各地的1000多名高中教师来到日内瓦。在物理讲座之间,教师们参观实验室,并与欧洲核子研究中心的科学家们进行问答。

“我们的想法是,回到墨西哥后,我们将成为大使,并鼓励一些学生看到去欧洲核子研究中心做研究是可能的,”2019年参加西班牙语教师项目的爱德华多?莫拉莱斯?甘博亚(Eduardo Morales Gamboa)表示。

自从参观了巨大的CMS探测器,并在自制的云室中看到了粒子轨迹之后,他就把粒子物理学以及由此产生的许多有用的应用纳入了他关于科学、技术和社会交叉的课堂讨论中。他说,他希望最终能和学生们一起建造一个云室。

根据维纳的说法,甘博亚的经历是很常见的。许多教师项目的校友甚至回到欧洲核子研究中心,这次带着他们的学生一起旅行,以激发下一代对粒子物理的热情。

欧洲核子研究中心外联工作的成功,部分源于与物理教育研究的整合。事实上,欧洲核子研究中心的教师项目不仅旨在向与会者传授粒子物理学的知识,还旨在传授科学教学的最佳实践方法。

其中一种做法是让学生经历“预测-观察-解释”的周期。“你鼓励学生们在做实验之前对将要发生的事情做出预测。通过这种方式,你可以确保他们首先激活自己之前的知识,并对结果感到好奇,”负责协调欧洲核子研究中心动手学习实验室的朱莉娅·沃伊特(Julia Woithe)说。“然后,如果他们对观察到的结果感到惊讶,他们需要在团队中找出如何解释他们的预测和观察到的差异。这通常会带来一个强大的“尤里卡!”(发现了! ) 时刻”。

除了在CERN举办活动外,维纳去年还前往印度,与日内瓦国际学校(International Schoolof Geneva)的教育工作者合作开展第一个南亚科学教育项目。来自该地区的80名教师参加了新德里诺伊达希夫·纳达尔学校为期一周的课程。

莎拉特(Vinita Sharat)是这所学校的STEAM协调员,她教授粒子物理已经有十年了,但她记得最初遇到来自她以前工作过的组织的阻力。她表示:“第一个挑战是改变权威人士的心态。”“他们问我为什么要教这个,因为它不在教学大纲的范围内。”

另一方面,她的学生却毫无疑虑。有些人发现粒子物理学非常吸引人,他们会在网上呆到半夜,与莎拉特讨论夸克和轻子。她说:“学生们总是准备好学习一些与自然有关的东西。”

莎拉特在她的粒子物理课程中,鼓励学生写诗、制作视频或编排舞蹈来解释他们正在学习的概念,从而培养学生创造性的一面。和菲什一样,沙拉特也和她以前的几个学生保持着联系,她启发了这些学生从事物理学事业。


“一切的基础”


在完成CERN在她学校的项目后,莎拉特希望南亚更多的老师能把粒子物理学带到他们的课堂上。维纳计划未来在世界各地领导更多的教学研讨会。

目前,由于COVID-19疫情暂停了个人职业发展研讨会。但是老师们仍然可以从网上获得一些资源:CERN的动手学习实验室(Cool lab)(最近由沃伊特管理)、Peripher Institute、Fermilab和QuarkNet提供免费的交互式教学材料下载。

对甘博亚来说,在高中教授粒子物理的好处不仅仅是激励一些学生追求这一领域的职业。谈论与工程的联系表明抽象的科学思想是如何与日常生活联系起来的,同时描述大规模的国际项目传达了现代科学关键的合作精神。

斯泰西·盖茨(Stacy Gates)是伊利诺斯州一所高中的科学老师,她在2020年与托普一起教授费米实验室的暑期中学物理学院,她强调教授粒子物理可以培养批判性思维。她说:“我鼓励我的学生,当他们不相信粒子可以以某种方式表现时,就来质疑我。”“这是一项非常重要的技能,因为这就是科学家所做的。他们质疑一切,他们试图证明和反驳。”

莎拉特同意粒子物理学蕴含着宝贵的经验。她说,无论她的学生在生活中走向何方,她都希望他们明白“粒子物理是一切的基础”。

“我们应该知道我们存在的理由。我们应该知道我们是由什么组成的。”


翻译:槟榔郭