H ένταξη της “Πειραματικής Μεθόδου Έρευνας” στο Σχολείο

H ένταξη της “Πειραματικής Μεθόδου Έρευνας” στο Σχολείο

«Το πιο σημαντικό στην επιστήμη δεν είναι η συλλογή νέων γεγονότων, αλλά η ανακάλυψη νέων τρόπων να σκεφτούμε γι αυτά»
William Lawrence Bragg, Βρετανός, βραβείο Νόμπελ Φυσικής (1915)

Σε μια αναζήτηση μου χρειάστηκε να γράψω τη φράση  “What’s science” στο Google και βρέθηκα μπροστά στην ιστοσελίδα http://undsci.berkeley.edu/index.php…( Museum of Paleontology of the University of California at Berkeley, in collaboration with a diverse group of scientists and teachers, and was funded by the National Science Foundation.). Εκεί, βρήκα μια ολοκληρωμένη προσέγγιση αναφορικά με την ένταξη της «πειραματικής μεθόδου έρευνας» (φυσικός κόσμος, γεγονότα, παρατήρηση, υπόθεση, πείραμα, δεδομένα, νόμοι, θεωρίες, μοντέλα κ.λ.π.)  και απευθύνεται στη σχολική τάξη και όχι στον επιστήμονα.

Τα πιο σημαντικά θέματα αυτής της ιστοσελίδας, κατά τη γνώμη μου, ήταν το διάγραμμα που παρουσιάζει τη δομή της επιστημονική έρευνας (προσαρμοσμένη σε διαφορετικές βαθμίδες εκπαίδευσης) και η συλλογή των «misconceptions» – λανθασμένων αντιλήψεων ή παρανοήσεων (καθηγητών αλλά και σχολικών εγχειριδίων) σχετικών με τη διδασκαλία της «πειραματικής μεθόδου».

Σκέφτηκα ότι για το πείραμα και τα σχετικά περί αυτού είχα γράψει ήδη σ’ ένα άρθρο μου στο περιοδικό «Φυσικός Κόσμος» (ένα τεύχος του 1985)  της «Ένωσης Ελλήνων Φυσικών»  καθώς και σε μερικά άλλα άρθρα ή αναρτήσεις  που ήταν προσανατολισμένες στην «Ιστορία της Διδασκαλίας της Φυσικής στο Σχολείο».

Τα αναζήτησα και σκέφτηκα να τα αναδιαμορφώσω παίρνοντας υπόψη μου και μερικά νεώτερα δεδομένα (ένα βίντεο και μια προσομοίωση).  Μ’ αυτό τον τρόπο θεωρώ ότι συμπληρώνεται κάπως η εικόνα της πειραματικής μεθόδου έρευνας που παρουσίασα στην  προηγούμενη ανάρτηση στο blog μου (http://makolas.blogspot.gr/2013/06/projects.html με τίτλο «Ένα πείραμα – υπόδειγμα ηλικίας τριακοσίων πενήντα περίπου χρόνων».

1. Εισαγωγικό σημείωμα

Στον ελλαδικό χώρο και στις αρχές του 19ου αιώνα, θεσμικά τουλάχιστον, απουσιάζουν οι συγκεκριμένες αναφορές στην “πειραματική μέθοδο έρευνας”. Για πρώτη φορά φαίνεται να κάνουν την εμφάνισή τους μόλις το 1897 με την παραδοχή του  σκοπού της διδασκαλίας της Φυσικής στο Ελληνικό Σχολείο και στο Γυμνάσιο:
“Κατανόησις των σπουδαιοτάτων φυσικών φαινομένων δια παρατηρήσεων και πειραμάτων, αλλά και δια στοιχειωδών μαθηματικών αποδείξεων….”
(Βλέπε και το άρθρο μου “Σκοπεύσεις της Φυσικής στην ελληνική εκπαίδευση του 19ου αιώνα”)
Τα μόνα στοιχεία που έχουμε στη διάθεσή μας είναι τα βιβλία Φυσικής που κυκλοφόρησαν στην εκπαίδευση και είχαν επίδραση στους μεταγενέστερους. Τα βιβλία αυτά είναι:
–Απολογία (1780) του Ιώσηπου Μοισιόδακα
–Επιτομή Φυσικής (1812) του Δημητρίου Δάρβαρι
–Φυσική Πειραματική (1812) του Κωνσταντίνου Βαρδαλάχου
–Στοιχεία Πειραματικής Φυσικής και Μετεωρολογίας (1840) του Εμμανουήλ Ψύχα
–Στοιχεία Πειραματικής Φυσικής και Μετεωρολογίας (1857)   του Α. Γανώτου (μετάφραση του Ι.    Παυλίδου)
–Φυσική (1863) του Καμπέρ

Παρακάτω παραθέτουμε ορισμένα αποσπάσματα από τα παραπάνω βιβλία:

Ιώσηπος Μοισιόδακας
“Οφείλω να θεωρώ τα φυσικά όντα ως έχουσιν αυτά καθ’ αυτά…….. τα πράγματα είναι θεωρητέα κατά τας φυσικάς περιστάσεις και καταστάσεις αυτών, ουχί καθώς ο νούς δύναται να εκλαμβάνη αυτά. Προς στάθμην λέει η παροιμία, να τίθηται ή πέτρα, ουχί η στάθμη προς την πέτραν. Όστις φυσιολογεί αλλεοτρόπως ο τοιούτος είναι όμοιος τω βλέποντι τα αντικείμενα υπόχλωρα ή κυανά, διότι παρατηρεί αυτά δια υαλίνων υποχλώρων ή κυανών. Πλήν προς άνδρα εραστήν της αληθείας αρκούσι τυχόν και ταύτα”.
Σύμφωνα με το Μοισιόδακα ο άνθρωπος είναι ικανός να γνωρίσει τον κόσμο με τη βοήθεια των αισθήσεων αλλά, ακολουθώντας τον Καρτέσιο δεν είναι πρόθυμος να δεχτεί χωρίς κριτική όσα αντιλαμβάνεται ο άνθρωπος με τις με τις αισθήσεις του.

“Η φύσις φαίνεται πώς ηθέλησε να παίξη μετά του ανθρώπου . Όθεν ούτε άλλον οδηγόν έδωκεν αυτώ, ει μη την απατηλήν αίσθησιν, ήτις, αδιακόπως απατά αυτόν”.

Δημήτριος Δάρβαρις
“Τας αιτίας των φαινομένων ανακαλύπτομεν ημείς περισσότερον δια της πείρας, την οποίαν κάμνομεν δια των οργάνων των αισθήσεων μας. Η πείρα δε θεμελιούται εις την παρατήρησιν και εις το πείραμα.
Παρατήρησις είναι η προσεκτική επίστασις εις τα φαινόμενα, τα οποία τα σώματα αυτά καθ’ έαυτά χωρίς καμίαν τέχνην ή επιμέλειαν μας δείχνουσι.
Πείραμα δε ακριβής επίστασις εις τα φαινόμενα, τα οποία μας δείχνουσι τα σώματα, όταν μεταβάλλωμεν ημείς δια της τέχνης ή της επιμέλείας μας.
Παρατήρησιν κάμνομεν, όταν παρ. χάριν πρσέχωμεν εις το ύδωρ, το οποίον υπό του ψύχους γίνεται πάγος. Πείραμα δε, όταν μιγνύοντες άλας με χιόνια κάμνωμεν το ύδωρ να παγόνη και πλησίον της καμίνου. Ωσαύτως παρατήρησις είναι η θεωρία των εκλείψεων του ηλίου και της σελήνης δια του τηλεσκοπίου. Πείραμα δε ή αραίωσις του αέρος δια της πνευματικής αντλίας”.

Βαρδαλάχος Κων/νος
“Με δύο τρόπους φθάνει ο Φυσικός εις το σκοπούμενο τέλος, με την πείραν και με την παρατήρησιν. Όταν δεν είναι δυνατόν να μεταχειρισθή ταύτας, έχει οδηγόν την αναλογία, την οποίαν όμως με πολλήν προσοχή πρέπει να μεταχειρίζηται διότι το πολύ εις αυτόν θάρρος επροξένησεν ατοπήματα μεγάλα”.

Ψύχας Εμμανουήλ
“Η πείρα και η παρατήρησις είναι το χαρακτηριστικόν της φιλοσοφίας των φυσικών επιστημών. Οι δε αρχαίοι αντί να σπουδάζωσι και να ερευνώσι την φύσιν, κατεγίνοντο εις ματαίας θεωρίας, ήτοι εφιλονείκουν περί της διαιρέσεως της ύλης, προσδιώριζον τον αριθμόν των στοιχείων, έπλαττον καθ’ εκάστην συστήματα δια να εξηγήσωσι τον σχηματισμόν της επιφανείας της γης και κατεγίνοντο να εξηγήσωσι την αρχή της μορφώσεώς της”.
…. η πείρα είναι η πηγή, εξής τας περί του αντικειμένου αυτής γνώσεις αντλεί, εν πειράμασιν αυτάς επεκτείνουσα, βασανίζουσα και επιβεβαιούσα”. Αποδίδουσα δε η φυσική αιτίοις τισι τα απλά είτε γενικά ταύτα φαινόμενα, και δεικνύουσα την εν τη κατά νόμους παραγωγή αυτών μετ? αλλήλων αλληλουχίαν, είναι εξηγητική των φαινομένων τούτων επιστήμη”.

Γανώτου (Ganot)

“Παρατήρησις λέγεται αυτή μεν η κατ’ αίσθησιν αντίληψης, αλλά καθότι διευθύνομεν εκουσίως και επίτηδες την προσοχήν ημών εις τα αντικείμενα της αντιλήψεως, και παρακολουθούμεν μάλιστα αυτοίς και όπου αν ζητώσιν να υπεκφεύγωσιν αυτήν.
Πείραμα δε είναι η γένεσις φαινομένων εκείνη, την οποίας δια τεχνητών μέσων είτε οργάνων και σκευασμάτων είτε απλώς δια τεχνητής ενεργεία, καθ’ ωρισμένας όμως περιστάσεις και σχέσεις των αντικειμένων εκ προθέσεως προκαλούμεν, ίνα λάβωσιν γνώσιν των νόμων των φαινομένων, κατορθούντες ούτω, προς τη εξακριβώσει των εμπειρικών ημών γνώσεων, και να ευρύνωμεν τον κύκλον αυτών” (Σημείωση του μεταφραστή Ι. Παυλίδη, καθηγητή του Γυμνασίου Αθηνών)

Καμπέρ
“Φύσις ενταύθα καλείται το σύνολο εκείνων όσα υποπίπτουσιν εις τας αισθήσεις ημών, ή το σύνολον των αισθητών όντων. Αι αισθήσεις είναι οι μεταξύ του πνεύματος και της φύσεως αυτής αρμόδιοι είναι οι μεταξύ του πνεύματος και της φύσεως αυτής αρμόδιοι και ιδιάζοντες μεσίται, αύται αναγγέλλουσιν εις το πνεύμα την παρουσίαν των εκτός αυτού ευρισκομένων όντων, δι αυτών εν ενί λόγω λαμβάνει γνώσιν του έξω κόσμου. Είναι αδύνατον ο νούς να σχηματίση την ιδέαν μέρους τινός της φύσεως, άν μή πρότερον τούτο παραταθή εις την αίσθησιν. “Ουδέν έν τώ νώ, ό μη πρότερον εν της αισθήσει”.

Με βάση τις απόψεις των συγγραφέων των πιο πάνω έξι βιβλίων Φυσικής που κυκλοφόρησαν τη διάρκεια του 19ου αιώνα και παίρνοντας υπόψη μας το σημερινό πρόγραμμα σπουδών και τα αντίστοιχα σχολικά βιβλία οδηγηθήκαμε στα παρακάτω συμπεράσματα.

1. Το 19ο αιώνα απουσιάζει η ιδέα της μέτρησης και της σημασίας της στην πειραματική μέθοδο έρευνας. Επιπλέον δεν γίνεται σημαντική αναφορά στην χρησιμότητα των Μαθηματικών στην πειραματική διαδικασία. Στα βιβλία του 19ου αιώνα απουσιάζουν οι απαραίτητες στην πειραματική μέθοδο έρευνας αναπαραστάσεις όπως είναι οι Πίνακες τιμών και οι Γραφικές Παραστάσεις.
2. Η παρατήρηση και το πείραμα, θεωρητικά τουλάχιστον, αποτελούν μέρη της επιστημονικής μεθοδολογίας από την αρχή της διδασκαλίας της Φυσικής στην ελληνική εκπαίδευση του 19ου αιώνα.
3. Όλοι οι συγγραφείς υποστηρίζουν τις απόψεις που εκφράζουν οι νεωτερικοί Φιλόσοφοι όπως ο Νεύτωνας και αντιπαρατίθενται με όσα υποστηρίζουν οι Αριστοτελικοί. Το νέο, η πειραματική μέθοδος έρευνας, αντιπαραβάλλεται με το παλιό, τις Αριστοτελικές θεωρίες.
4. Οι περισσότεροι δέχονται ότι για τη μελέτη των φυσικών φαινομένων δεν αρκεί ούτε η διανοητική οδός ούτε οι αισθήσεις. Ιδιαίτερα ο Ιώσηπος Μοισιόδακας (Απολογία, 1780) αναφέρεται στο ρόλο των αισθήσεων:

“Η φύσις φαίνεται πώς ηθέλησε να παίξη μετά του ανθρώπου . Όθεν ούτε άλλον οδηγόν έδωκεν αυτώ, ει μη την απατηλήν αίσθησιν, ήτις, αδιακόπως απατά αυτόν”.

Σήμερα, στο Πρόγραμμα Σπουδών Γυμνασίου προτάσσονται οι σκοποί της διδασκαλίας της Φυσικής για τις Β’  και Γ’ τάξεις. Ένας από αυτούς αναφέρεται συγκεκριμένα στους όρους “πείραμα” και “παρατήρηση”:
“Η διδασκαλία των Φ.Ε. θα πρέπει να συμβάλλει: Στη διαρκή επαφή του μαθητή με τον επιστημονικό τρόπο σκέψης και την επιστημονική μεθοδολογία (παρατήρηση, συγκέντρωση – αξιοποίηση πληροφοριών από διάφορες πηγές, ικανότητα γενίκευσης καθώς και κατασκευής προτύπων)”.
Πιο συγκεκριμένα, στο πρόγραμμα Φυσικής Β’ Γυμνασίου, διατυπώνεται ο στόχος:
“Οι μαθητές επιδιώκεται: Να περιγράφουν τα βασικά στοιχεία της επιστημονικής μεθόδου”.
Προτείνεται μάλιστα να διδάσκεται σε μια ενότητα μαζί με τις μετρήσεις και μονάδες μέτρησης (σύνολο 2 ωρών).
Η Φυσική Λυκείου διδάσκεται και στις τρεις τάξεις και είναι μάθημα γενικών γνώσεων. Παρατίθενται συνολικά 8 σκοποί της διδασκαλίας. Στους δύο πρώτους σκοπούς αναφέρονται ρητά οι όροι “πείραμα” και “παρατήρηση”:
“Οι μαθητές:
— Να προσεγγίσουν ποιοτικά, ποσοτικά και πειραματικά βασικές έννοιες και νόμους της Φυσικής, οι οποίοι θα τους επιτρέψουν να κατανοήσουν πώς λειτουργούν πολλές συσκευές και μηχανές από την καθημερινή ζωή, καθώς επίσης και μερικά τυπικά φυσικά φαινόμενα που θα συναντήσουν στη ζωή τους.
— Να ασκηθούν στην παρατήρηση, περιγραφή / ερμηνεία και πρόβλεψη των φυσικών φαινομένων”.

2.Η πειραματική μεθοδολογία ως γέφυρα ανάμεσα στα γεγονότα και τις ιδέες
(Το άρθρο πρωτο-δημοσιεύτηκε στο περιοδικό της Ένωσης Ελλήνων Φυσικών «Φυσικός Κόσμος» τεύχος 100, 1985, με τίτλο «Ένα πείραμα – υπόδειγμα ηλικίας τριακοσίων πενήντα περίπου χρόνων».
Σ’ αυτήν την εργασία, πρόθεσή μου δεν είναι να εκθέσω τη μια και μοναδική, την «αυθεντική» πειραματική μέθοδο έρευνας αλλά να προσπαθήσω να επισημάνω κάποια γενικά γνωρίσματά της και να φωτίσω ορισμένες μόνο πλευρές της. Ένα καλό παράδειγμα, δανεισμένο από την ιστορία των ιδεών της Φυσικής, είναι αυτό που αναφέρεται στο στοχασμό του Ιταλού Torricelli και στο αποφασιστικό πείραμα που ο Γάλλος Pascal υπέδειξε να πραγματοποιηθεί για να αποδείξει την ύπαρξη της ατμοσφαιρικής πίεσης. Πυρήνας της προβληματικής μου είναι η θέση που λέει ότι: «Η διεξαγωγή του πειράματος δεν αποτελεί παρά μια μόνο στιγμή, ένα επεισόδιο σημαντικό στην πειραματική μέθοδο έρευνας».

Το σκηνικό του προβλήματος
α. Αν ανοίξουμε το βιβλίο Φυσικής (Β’ τάξη Γυμνασίου, 1985) στη σελίδα 91, θα διαβάσουμε κάτω από την ενότητα με τίτλο «Πείραμα Torricelli):
«Γεμίζουμε με υδράργυρο ένα γυάλινο σωλήνα που έχει μήκος 1 m περίπου, κλείνουμε το στόμιο του με το δάκτυλό μας και τον αναποδογυρίζουμε σε μια μικρή λεκάνη με υδράργυρο, φροντίζοντας να φέρουμε το στόμιό του κάτω από την επιφάνεια του υδραργύρου».
Για το ίδιο πείραμα παρόμοια λογική ακολουθείται και στο βιβλίο Φυσικής (Α’ τάξη Λυκείου, του Α. Μάζη, 1984):
«…Γεμίζουμε το σωλήνα τελείως με υδράργυρο, κλείνουμε με το δάκτυλό μας το σωλήνα και τον αναποδογυρίζουμε βυθίζοντας την ανοιχτή άκρη του μέσα σε λεκάνη με υδράργυρο».
Πρόκειται για παρουσίαση του πειράματος που πραγματοποίησε ο Evangelista Torricelli το 1643 χωρίς όμως να συζητιέται καθόλου ούτε το πρόβλημα που αντιμετώπιζε ούτε η υπόθεση την οποία αυτός διατύπωσε ούτε η πορεία της σκέψης του μέχρι τη διεξαγωγή του περίφημου πειράματος του. Από την άλλη, εφόσον διαθέτουμε τα απαραίτητα όργανα και τη διάθεση, μπορούμε πράγματι να αναπαράγουμε το πείραμα του Torricelli και να παρατηρήσουμε όσα γράφονται στα βιβλία.
Είμαστε, άραγε, ικανοποιημένοι μένοντας μόνο σ’ αυτό;
Μπορεί η διεξαγωγή του πειράματος και η διατύπωση κάποιων συμπερασμάτων να θεωρηθεί ότι καλλιεργεί την πειραματική μέθοδο έρευνας των φαινομένων;

Η πειραματική μέθοδος έρευνας
Μια σύντομη αναδρομή στην Ιστορία των Επιστημών και ο εντοπισμός των κυριότερων γνωρισμάτων της, μπορούν να αποτελέσουν το σκηνικό μέσα στο οποίο θα αναπτυχθεί το θέμα μας.
α. Η ληξιαρχική πράξη γεννήσεως της επιστήμης
Πρέπει να διευκρινίσουμε πρώτα απ’ όλα ότι η επιστήμη είναι μια ανθρώπινη δραστηριότητα που δεν γεννήθηκε ξαφνικά μια ωραία μέρα στο κεφάλι ενός σοφού, αλλά χαρακτηρίζεται από ιστορικές, κοινωνικοπολιτικές, τεχνολογικές και ψυχολογικές συνθήκες. Επιπλέον, να προσθέσουμε ότι η επιστήμη είναι μια δραστηριότητα η οποία δεν είχε πάντοτε ούτε την ισχύ ούτε την έκταση που γνωρίζει στις μέρες μας. Εμφανίστηκε και επεκτάθηκε με αργό ρυθμό και με τρόπο άνισο στα υπόλοιπα μέρη του πλανήτη.
Διακρίνουμε δύο ληξιαρχικές πράξεις γεννήσεως της επιστήμης:
i) Πρωτοεμφανίστηκε με τη μορφή των Μαθηματικών, της Λογικής και της Αστρονομίας την αρχαιότητα. Ο χαρακτήρας της ήταν θεωρητικός με την έννοια ότι δεν είχε καμιά προαίρεση να εξυπηρετήσει μια οποιαδήποτε απ’ τις ανάγκες της πρακτικής ζωής. Η λειτουργία της ήταν μάλλον να ψυχαγωγεί, να καλλιεργεί τους πολίτες και να προσφέρει μια συνολική εικόνα του κόσμου.
ii) Μια πραγματική κοσμογονία συντελείται στην ευρωπαϊκή σκέψη κατά το δέκατο έβδομο αιώνα, παράλληλα με την εμφάνιση στο προσκήνιο της τάξης των εμπόρων. Η επιστήμη παίρνει μια μορφή εντελώς διαφορετική απ’ αυτήν που γνώριζε μέχρι εκείνη την περίοδο. Διαμορφώνεται πάνω στις νέες κοινωνικοοικονομικές συνθήκες που θα τη σφραγίσουν ανεξίτηλα.
Τώρα, η επιστήμη αρνείται το αποκλειστικά θεωρητικό της πρόσωπο και αναζητάει την καινούρια της ταυτότητα τόσο στο να οριοθετήσει το αντικείμενό της όσο και στο να επεξεργαστεί μια μεθοδολογία έρευνας. Πιο συγκεκριμένα, ιδιαίτερο ενδιαφέρον αποκτάει ο φυσικός κόσμος ο οποίος εξάπτει τα πιο ανήσυχα μυαλά της εποχής και καθίσταται το αντικείμενο της νέας Φυσικής.
Η Φύση γίνεται ένα αντικείμενο για τον άνθρωπο, ένα «πράγμα» από το οποίο η μπουρζουαζία ονειρεύεται να οικειοποιηθεί αντλώντας όσο το δυνατόν πιο πολλά οφέλη. Από τη γέννησή της η Φυσική θα συνδεθεί όχι μόνο με την τεχνολογία αλλά και με τη μεταφυσική σκέψη. Στην πορεία της θα γνωρίσει τεράστιες επιτυχίες και προοδευτικά θα αποτελέσει το κυριότερο στήριγμα των παραγωγικών δυνάμεων. Εκείνο, όμως, που πραγματικά φέρνει την επανάσταση στη σκέψη και γίνεται μοχλός στην οικοδόμηση των γνώσεων της Φυσικής είναι η πειραματική μέθοδος έρευνας που πρώτη εγκαινιάζει.
Η αμφιβολία στο παλιό μπαίνει στην ημερησία διάταξη, τα αναμφισβήτητα για αιώνες δόγματα πέφτουν το ένα μετά το άλλο. Ο ερευνητής εγκαταλείπει την αυθεντία της δεσπόζουσας «Αριστοτελικής Φυσικής»  και η ρήξη μαζί της είναι ολοκληρωτική.
Αντί να αναζητάει τις απαντήσεις των ερωτημάτων που θέτει στη φύση μέσα από τα βιβλία, προτιμάει να στραφεί προς την ίδια την πραγματικότητα για να την ανακρίνει. Η Επιστήμη δεν είναι πια ένα τελειωμένο σύστημα γνώσεων αλλά κριτική γνώση που υπόσχεται πολλά.

β. Η πειραματική μεθοδολογία ως γέφυρα ανάμεσα στα γεγονότα και τις ιδέες
Η καινούρια μέθοδος έρευνας του φυσικού κόσμου αποτέλεσε το αναπνευστικό σύστημα της επιστήμης. Να απαντήσουμε με δυο λόγια στο ερώτημα «τι είναι η πειραματική μεθοδολογία» είναι μια πολύ δύσκολη υπόθεση. Εξάλλου κανέναν αμύητο δεν μπορεί να ικανοποιεί ένας ορισμός της με φράσεις όπως:
«είναι ένα αποτελεσματικό εργαλείο να ανακρίνουμε τη φύση»
«είναι η γέφυρα ανάμεσα στα γεγονότα και τις ιδέες».

Τι προηγήθηκε
Βρισκόμαστε στις αρχές του 17ου αιώνα. Η ατμοσφαιρική πίεση είναι έννοια για την οποία οι άνθρωποι της εποχής δεν είχαν την παραμικρή ιδέα. Εκείνο που γνώριζαν πραγματικά ήταν πώς να βγάζουν νερό από ένα πηγάδι με τη χρήση της αντλίας. Η ανύψωση του νερού στο σωλήνα της αντλίας μπορούσε να εξηγηθεί με την επίκληση του Αριστοτελικού δόγματος που υποστήριζε ότι η «Η φύση απεχθάνεται το κενό».
Η αναγνώριση του προβλήματος
Ένα απρόσμενο γεγονός προκαλεί τα πρώτα ερωτήματα. Το νερό του σωλήνα της αντλίας αρνείται να ανέβει σε ύψος μεγαλύτερο από δέκα περίπου μέτρα (10,3 m). Ο κηπουρός που διαπίστωσε το παράξενο φαινόμενο ζήτησε από το Γαλιλαίο να του εξηγήσει τι συμβαίνει.

Η σκέψη του Γαλιλαίου ήταν εγκλωβισμένη στο Αριστοτελικό δόγμα και η ερμηνεία που έδωσε ήταν ανακριβής. Ισχυρίστηκε ότι το νερό δεν μπορεί να ξεπεράσει αυτό το ύψος επειδή η «απέχθεια» της φύσης για το κενό έχει τα όριά της. Για την περίπτωση του νερού στο σωλήνα της αντλίας η φύση περιορίζει την «απέχθεια» για το κενό στο ύψος των 10,3 μέτρων. Το αίτιο του φαινομένου της ανύψωσης του νερού και πάλι αποδίδεται στο Αριστοτελικό δόγμα.

Ο Torricelli και η πρώτη απόπειρα έρευνας
Ένα μόλις χρόνο μετά το θάνατο του Γαλιλαίου, το 1643, ο μαθητής του Torricelli αμφισβητεί το Αριστοτελικό δόγμα και προτείνει τη δική του ερμηνεία για το φαινόμενο.
Πρώτα απ’ όλα ΦΑΝΤΑΖΕΤΑΙ ότι η Γη ολόκληρη «κολυμπάει» μέσα σε ωκεανό από αέρα ο οποίος εξαιτίας του βάρους του προκαλεί πίεση στην επιφάνεια της γης. Η πρωτότυπη σκέψη του βασίστηκε στη ΓΝΩΣΗ ότι ο αέρας έχει βάρος και στη μεταφορά της γνωστής έννοιας «πίεση» από τα υγρά στον ατμοσφαιρικό αέρα.
Ισχυρίζεται ότι η πίεση στην επιφάνεια του νερού θα πρέπει να είναι το ΑΙΤΙΟ για την ανύψωση του νερού στο σωλήνα της αντλίας.
Διατυπώνει, έτσι, μια ΥΠΟΘΕΣΗ τολμηρή αφού έχει το πνευματικό θάρρος να αγνοήσει το κυρίαρχο δόγμα που κανείς, στη συγκεκριμένη περίπτωση δεν τολμούσε να θέσει σε αμφισβήτηση. Ένας απευθείας ΕΛΕΓΧΟΣ της υπόθεσης δεν είναι δυνατός.
Ο Torricelli μπροστά στη δυσκολία, προσανατολίζει τη σκέψη του σε μια έμμεση ΕΠΑΛΗΘΕΥΣΗ. Σκέφτεται πως αν αντικαταστήσει το νερό του σωλήνα μ’ ένα άλλο υγρό μεγαλύτερου ειδικού βάρους, όπως είναι ο υδράργυρος, η πίεση του αέρα θα μπορούσε αυτή τη φορά να εξισορροπήσει μια στήλη υδραργύρου σε ύψος μικρότερο από 10,3 μέτρων.
Είναι σε θέση, μάλιστα, να ΠΡΟΒΛΕΨΕΙ ακριβώς πόσο θα είναι αυτό το ύψος, αφού γνωρίζει ότι το ειδικό βάρος του υδραργύρου είναι περίπου 14 φορές μεγαλύτερο απ’ αυτό του νερού.
Στη συνέχεια, ΥΠΟΛΟΓΙΖΕΙ ότι ο υδράργυρος θα πρέπει να συγκρατείται εντός του σωλήνα σε ύψος 76 εκατοστών. Επιπλέον, ο Torricelli δεν είχε παρά να ΕΠΙΝΟΗΣΕΙ μια πειραματική διάταξη η οποία να του επιτρέπει την επαλήθευση της πρόβλεψής του. Με μια απλή και έξυπνη στη σύλληψη διάταξη, η πρόβλεψη του βγαίνει αληθινή. Ο υδράργυρος επίμονα στέκεται σε ύψος 76 εκατοστών από την επιφάνεια του υδραργύρου της λεκάνης, ακόμα κι αν ο σωλήνας βρίσκεται σε κλίση.

Αυτό που στην πραγματικότητα ο Torricelli απέδειξε είναι ότι μια ορισμένη δράση προξενεί μια ανύψωση του υγρού στο σωλήνα σε ύψη που εξαρτώνται από το ειδικό βάρος τους. Ότι η δράση – αίτιο της ανύψωσης προέρχεται συγκεκριμένα από τον ατμοσφαιρικό αέρα δεν το αποδεικνύει το πείραμά του με αποφασιστικό τρόπο.
Ο Pascal παίρνει τη σκυτάλη
Από την εποχή του Γαλιλαίου η ανάπτυξη της σύγχρονης επιστήμης φαίνεται περισσότερο σαν γενικό κίνημα και είναι σχεδόν αδύνατο να παρασταθεί ως περίπτωση μεμονωμένων προσπαθειών. Τα μηνύματα από τα πειράματα γρήγορα έφτασαν στο Παρίσι το οποίο χάρη στο δραστήριο Mersenne έγινε το πνευματικό κέντρο της Ευρώπης στα μέσα της τρίτης δεκαετίας του 17ου αιώνα.
Η υπόθεση του Torricelli γοήτευσε τον Pascal ο οποίος κατανόησε τη σημασία που θα είχε η πραγματοποίηση ενός αποφασιστικού (κρίσιμου) πειράματος.
ΣΚΕΦΤΗΚΕ ότι η πίεση του αέρα σ’ ένα ψηλό βουνό θα είναι μικρότερη απ’ αυτήν στην πεδιάδα. Διατυπώνει την εξής ΥΠΟΘΕΣΗ:
αν η πίεση του αέρα είναι πράγματι το αίτιο για την ανύψωση του υδραργύρου στο βαρομετρικό σωλήνα του Torricelli, τότε σε ένα ορισμένο υψόμετρο ο υδράργυρος θα στεκόταν σε ύψος μικρότερο από 76 εκατοστά.
Ο Pascal ζούσε στη Νορμανδία μια περιοχή χωρίς ψηλά βουνά. Ζήτησε, λοιπόν, από το γαμπρό του Perier που κατοικούσε στο Clermond – Ferrand να πραγματοποιήσει το πείραμα για να επαληθευθεί οριστικά η υπόθεση του Torricelli.

Το 1648 ο Perier ακολουθεί τις λεπτομερείς οδηγίες του Pascal και κάνει τις απαραίτητες μετρήσεις. Τα δεδομένα από το πείραμα δικαιώνουν τον Torricelli και δίνουν το τελειωτικό χτύπημα στο δόγμα «η φύση απεχθάνεται το κενό». Από τότε, μια καινούρια

εποχή ανοίγεται στη μελέτη των αερίων.

3.Ένα μοντέλο επιστημονικής έρευνας
Από τη διαδρομή που ακολούθησε η ανθρώπινη σκέψη σ’ αυτήν τη συγκεκριμένη ανακάλυψη, εντελώς σχηματικά, συνοψίζουμε τα κυριότερα συμπεράσματά μας τα οποία έχουν και μια γενικότερη ισχύ.

1. Η αναγνώριση ότι υπάρχει μια προβληματική κατάσταση και η επιστημονική περιέργεια να την διερευνήσουμε συστηματικά, είναι σημεία αφετηρίας της πειραματικής μεθόδου έρευνας.
2. Η απάντηση σε ερωτήματα που ο ερευνητής θέτει στη φύση συναρτάται με μια δεσπόζουσα θεωρία, εδώ με το Αριστοτελικό δόγμα.
3. Το να διατυπώνουμε υποθέσεις (δυνατές λύσεις ενός προβλήματος) είναι συστατικό στοιχείο της επιστημονικής σκέψης. Ο ερευνητής προχωράει στη διεξαγωγή ενός πειράματος εφ’ όσον η σκέψη του οδηγείται από μια λογική υπόθεση την οποία θα υποβάλλει για επαλήθευση.
4. Η επινόηση κατάλληλων πειραματικών διατάξεων και συνθηκών διεξαγωγής του πειράματος είναι από τις σοβαρότερες στιγμές της πειραματικής μεθόδου έρευνας.
5. Το να φανταζόμαστε παράγοντες που μπορούν να επηρεάζουν την εκδήλωση ενός φαινομένου είναι μια νοητική λειτουργία την οποία συναντάμε στην πορεία της έρευνας.
6. Οι μετρήσεις και η συστηματική επεξεργασία όλων των μηνυμάτων που περιέχονται σ’ αυτές είναι ιδιαίτερο επεισόδιο το οποίο εκφράζει τον ποσοτικό χαρακτήρα του πειράματος.
7. Η κατασκευή απλών οργάνων, η διεξαγωγή του πειράματος με τους απαιτούμενους χειρισμούς και η ακρίβεια στις μετρήσεις, είναι δεξιότητες απολύτως αναγκαίες.
8. Η διαδικασία της σύνθεσης και της γενίκευσης απαιτούν χρήση της μαθηματικής γλώσσας.
9. Η αμφιβολία και η αμφισβήτηση είναι στοιχεία της επιστημονικής μεθόδου έρευνας σε όλες τις βαθμίδες της εκπαίδευσης.

Η διαδρομή της σκέψης από το Γαλιλαίο μέχρι το Pascal μας πείθει ότι η πειραματική μεθοδολογία είναι ένα πανίσχυρο εργαλείο που επιτρέπει στον άνθρωπο να επεκτείνει το σύνολο των γνώσεων του ή να αναθεωρήσει ένα μέρος του.
Αν μάλιστα, θελήσουμε να απεικονίσουμε με συνοπτικό τρόπο αυτή τη διαδρομή θα το καταφέρουμε μ’ ένα απλοποιημένο διάγραμμα, όπως αυτό που ακολουθεί, με την προειδοποίηση ότι δεν συνιστά μια αλάνθαστη συνταγή και άκαμπτη πορεία έρευνας.

Το «κομμάτιασμα» που υιοθετούμε εδώ, δικαιολογείται μόνο από το γεγονός ότι οι διάφορες συνιστώσες της μεθόδου θέτουν συγκεκριμένα προβλήματα αν ειδωθούν μέσα από τη σκοπιά της παιδαγωγικής. Η πορεία από το πρόβλημα στη γενίκευση δεν είναι γραμμική αλλά χαρακτηρίζεται από το πήγαινε – έλα της σκέψης μεταξύ των ξεχωριστών επεισοδίων.
Εύκολα αναγνωρίζει κανείς τώρα ότι η διεξαγωγή του πειράματος και οι μετρήσεις δεν είναι παρά μια μόνο «στιγμή» ένα επεισόδιο στο διάλογο του ερευνητή με τη φύση. Συνείδηση γι αυτό έχουν ακόμα και οι μικροί μαθητές όπως δείχνουν οι έρευνες (R. Driver, 1973). Σε παιδιά ηλικίας 12-13 χρόνων προτάθηκε να μελετήσουν δυνάμεις και κινήσεις με τη βοήθεια ενός αριθμού αντικειμένων και τους τέθηκε η ερώτηση:
«Τι χρειάζεται για να πραγματοποιήσετε ένα πείραμα;».
Οι απαντήσει διατηρούν γενικά τρία χαρακτηριστικά:
– μια ερώτηση
– το κατάλληλο υλικό για να μπορούμε να απαντήσουμε στην ερώτηση
– και δυνατή επιθυμία να θέσουμε το ερώτημα και να απαντήσουμε σ’ αυτό.
Και για τους μαθητές, επομένως, το πείραμα δεν έχει νόημα παρά μόνο στο εσωτερικό μιας γενικότερης προβληματικής.

Και σήμερα τι;
1. Στα βιβλία Φυσικής που εκδίδονται στη χώρα μας τα τελευταία χρόνια, οι συγγραφείς θεωρούν σκόπιμο να προτάσσουν στον πρόλογο ή την εισαγωγή τους την άποψη που έχουν για το τι είναι παρατήρηση και τι πείραμα (βλέπε Ο.Ε.Δ.Β., Βιβλίο Φυσικής Β’ Γυμνασίου, 2004 – 2005) σύμφωνα με τις επιταγές του Αναλυτικού Προγράμματος:
“Οι μαθητές επιδιώκεται: Να περιγράφουν τα βασικά στοιχεία της επιστημονικής μεθόδου”.
Σ’ αυτό το βιβλίο, μάλιστα, προτείνονται και ερωτήσεις όπως:
• Τι είναι πείραμα; (ερώτηση 8)
• Ποια είναι τα βασικά στοιχεία της επιστημονικής μεθόδου; (ερώτηση 9)
• Ποια σχέση υπάρχει μεταξύ ενός φαινομένου, ενός νόμου και μιας θεωρίας; (ερώτηση 10)
• Με ποιο τρόπο ελέγχεται μια θεωρία; (ερώτηση 11)
• Γιατί η προσπάθεια να κατανοήσουμε τη φύση δεν τελειώνει ποτέ; (ερώτηση 12)

Θεωρούμε ότι το να προτάσσονται οι ορισμοί των όρων “παρατήρηση” και “πείραμα” στην πρώτη διδακτική ώρα διδασκαλίας στην Β’ τάξη του Γυμνασίου και μάλιστα  “εφάπαξ” δεν εξυπηρετεί τους μαθητές και την καλλιέργεια της πειραματικής μεθόδου έρευνας.

Ας σημειωθεί ότι το ίδιο υποστηρίζεται και στον ιστότοπο (http://undsci.berkeley.edu/teaching/misconceptions2.php (τελευταία πρόσβαση 17/7/2013) που αναφερθήκαμε στην εισαγωγή μας.

MISCONCEPTION: Η φύση και η διαδικασία της επιστήμης μπορεί να διδαχθεί σε μια ενότητα στην αρχή της σχολικής χρονιάς.
Διόρθωση: Οι έννοιες που αφορούν τη φύση και τη διαδικασία της επιστήμης οφείλουν να εισάγονται κα να αναθεωρούνται κατά τη διάρκεια της σχολικής χρονιάς σε ποικίλα περιβάλλοντα (εργαστηριακές δραστηριότητες, παραδείγματα ανακαλύψεων από τη ιστορία της επιστήμης και τη σύγχρονη εκδοχή της).
Μια συζήτηση για τα ζητήματα που τίθενται με τους δύο παραπάνω όρους θα πρέπει να γίνεται μόνο εφόσον οι μαθητές έχουν εξοικειωθεί κάπως με την πραγματοποίηση πειραμάτων στην τάξη ή στο εργαστήριο που κάνουν οι ίδιοι οι μαθητές. Με άλλα λόγια χρειάζεται να έχουν αποκτήσει οι μαθητές κάποιες εμπειρίες και μετά να γίνει η συζήτηση και οι επισημάνσεις του διδάσκοντα και με λίγα λόγια προτείνουμε ο στόχος αυτός να είναι στόχος μιας ολόκληρης χρονιάς και σε κάθε ευκαιρία.
2. Το πείραμα του Torricelli δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί στο σχολικό εργαστήριο εφόσον ο υδράργυρος απαγορεύεται να χρησιμοποιηθεί. Επομένως, είμαστε υποχρεωμένοι να αξιοποιήσουμε μια προσομοίωση του πειράματος του Torricelli με υδράργυρο σε σωλήνα.

http://demonstrations.wolfram.com/TorricellisExperiment/

3. Πώς οι μαθητές θα μπορούσαν να πραγματοποιήσουν το πείραμα του Torricelli;

Στο παρακάτω  βίντεο βλέπουμε μια ομάδα μαθητών να πραγματοποιούν το πείραμα του Torricelli με νερό στο σωλήνα.

Πηγή: Νίκος Δαπόντες