Квант для всех: как учителя и школьники осваивают самый сложный раздел физики

Даже умудрённые опытом преподаватели физики порой испытывают неуверенность, когда дело касается квантовой механики.
Но новаторский проект, развёрнутый в Университете штата Техас в Арлингтоне, помогает студентам и педагогам освоить эту сложную область знаний.
Квантовая физика исследует поведение микроскопических частиц материи, таких как атомы и электроны. Квантовая теория отличается от классических канонов физики тем, что квантовый мир характеризуется непредсказуемостью: частицы могут в одно и то же время существовать в нескольких состояниях (суперпозиция), моментально взаимодействовать на расстоянии (квантовая перепутанность) и проявлять свойства как волн, так и частиц. Квантовые вычисления базируются именно на этих принципах, так же как высокоточные сенсоры и передовые материалы.
В средней школе Arlington Martin собралось около полусотни старшеклассников и учителей, чтобы углубиться в изучение квантовой физики.
Проект под названием "Квант для всех", ссылка на который приведена в конце статьи, был разработан преподавателем программы UTeach, Карен Джо Матслер.
По словам Матслер, само слово "квант" вызывает тревогу не только у студентов, но и у многих преподавателей. Она подчёркивает, что разработала эту программу, чтобы предоставить учителям инструменты и понятный язык для разъяснения этих сложных концепций.
Квантовая физика является основой многих современных технологий, от смартфонов до МРТ и систем защиты информации. Однако в школах ей уделяется недостаточно внимания, из-за чего ученики упускают шанс построить карьеру в этой перспективной и высокооплачиваемой сфере.
Прогнозируется, что к 2028 году объем рынка квантовых технологий достигнет 44 миллиардов долларов, но компании сталкиваются с острой нехваткой квалифицированных специалистов. В настоящее время на каждого специалиста приходится три открытые вакансии.
Программа Матслер призвана решить эту проблему. Благодаря гранту в 1 миллион долларов от Национального фонда науки, школьные преподаватели получают готовые учебные материалы и методики. Сначала их обучают, а затем они могут применить полученные знания на практике, проводя уроки для школьников.
Аманда Бенсон, учитель физики в Arlington Martin, признает, что когда в 2024 году в школьную программу включили квантовую физику, она не знала, как объяснить ее ученикам, поскольку все казалось слишком абстрактным. Но "Квант для всех" предоставил ей конкретные примеры, которые позволяют ей продемонстрировать, как квантовые технологии используются в реальной жизни.
Виктор Сервантес, учитель физики из Форни, отмечает, что квантовые технологии настолько новые, что учителя и ученики часто изучают их вместе, что способствует укреплению взаимопонимания.
По словам Сервантеса, дети приходят в восторг, когда осознают, что "квант" это не просто модное слово из научно-фантастических фильмов, а реальная научная область. Они также чувствуют себя первопроходцами, поскольку эта сфера активно развивается.
Хайме Говеа, учитель физики из Мескита, добавляет, что квантовую физику часто оставляют на конец учебного года, а затем просто пропускают из-за ее сложности. Однако ученики не боятся, они либо заинтересованы, либо вообще не понимают, о чем речь, что позволяет им объяснить материал, пока они не успели испугаться.
Лорен Адамс, учитель биологии из Форт-Уэрта, отмечает, что программа помогает показать взаимосвязь между различными науками.
Она подчеркивает, что дети часто воспринимают биологию, химию и физику как отдельные дисциплины. Однако, объяснение того, как квантовые принципы применяются в медицине, например, в МРТ или лечении, позволяет им увидеть общую картину.
Программа "Квант для всех" нацелена на решение трех основных задач:
Дефицит квалифицированных кадров путем подготовки нового поколения инженеров и ученых для быстро развивающейся отрасли.
Пробелы в образовании путем предоставления учителям инструментов, которых раньше не было.
Низкая мотивация учащихся путем демонстрации того, что сложная наука может быть понятной и полезной в жизни.
Главное преимущество программы заключается в ее комплексном подходе. Вместо разрозненных лекций учителя получают методические материалы, которые можно интегрировать в учебный план. А школьники видят перспективы, от медицинских технологий до информационных систем.
Необходимо отметить, что программа делает упор на энтузиазм преподавателей, но упускает из виду:
Недостаток времени учебная программа и без того перегружена.
Различный уровень подготовки не все преподаватели смогут быстро освоить квантовые концепции.
Техническое оснащение для проведения экспериментов в обычных школах может не хватить оборудования.
Без поддержки государства и дополнительного финансирования проект рискует остаться локальной инициативой, сообщает innovanews.

Обратите внимание: "Мне плевать на нормативы": Попутчица начала скандалить, требуя выключить кондиционер в душном поезде