Varför tappar mellanstadieelever intresset för fysik? Varför hamnar Australien efter i vetenskapen, teknologi, teknik och matematik (STEM)?

Vi i Einstein-First-projektet tror att vi har svaret. Det beror på att elevernas internetupplevelse av naturvetenskap står i fullständig konflikt med skolans läroplan.

För National Science Week, Jag pratade med 650 elever i åldrarna 5 till 11. Jag frågade om de hade hört talas om svarta hål. Minst 80 % räckte upp handen.

Var hittar vi svarta hål i skolans läroplan? Det gör vi inte. Man kan inte prata om svarta hål med hjälp av 1800-talets fysik eftersom de handlar om krökt rymd och skev tid.

Elever har gjort det klart för oss att de tror att naturvetenskap i skolan handlar om "gamla saker".

Det är därför vi måste modernisera läroplanen. Vi måste ersätta 1800-talets begrepp med 2000-talets begrepp, och lär alla språket i modern fysik, börjar i grundskolan.

Idag lanserar vi vår bok Teaching Einsteinian Physics in Schools. Den är utformad för att gå i spetsen för en revolution inom skolvetenskap från och med årskurs 3.

Unga elever förstår Einsteinska begrepp

Einsteins upptäckter 1905 startade en konceptuell revolution. De sista stegen, Einsteins gravitationsteori 1915 och de Broglies upptäckt 1924 att all materia och strålning har en kombination av vågighet och bulletiness (normalt kallad vågpartikeldualitet), radikalt förändrade fysikers idéer om rymden, tid, materia och strålning. Dessa upptäckter är de grundläggande koncepten för nästan all modern teknik.

För tio år sedan frågade jag:"Är det möjligt att lära ut einsteinska begrepp i grundskolan?" Kollegor sa:"Självklart inte. Du måste lära dig Newtons fysik först!"

Jag svarade rakt ut! Newtonsk fysik är fel, både konceptuellt och sakligt. Den säger att saker kan färdas godtyckligt snabbt och gravitationen färdas omedelbart, tiden är densamma överallt, massa och energi är oberoende av varandra, och universum går som en klocka.

Vårt team körde ett första försök att lära ut einsteinsk fysik i en grundskola. Vår mest häpnadsväckande upptäckt var att barn inte blev förvånade:de tog bara idéerna med ro. Detta ledde till åtta års försök i en mängd olika grundskolor och gymnasieskolor.

Vi lärde eleverna att ljus kommer som fotoner som har en kombination av vågighet och bulletiness, att rymden är krökt av materia och detta ändrar geometri, och den tiden är annorlunda på toppen av ett berg. Inget av detta förvånade dem särskilt.

Och barnen älskade det. En lärare i ett år 3 sa:"Till slutet använde de ordförråd och förstod tydligt begrepp som normalt inte skulle introduceras förrän på gymnasiet. Det var verkligen svårt att dra dem bort från sina aktiviteter. Det som var förvånande var att de så lätt accepterade begrepp som de flesta vuxna och lärare tycker är mycket svårt."

Aktivitetsbaserat lärande fungerar – och det är roligt

Barnen älskar det aktivitetsbaserade lärandet. Och de älskar leksaker, så vi använder leksaker där det är möjligt.

Vi använder Nerf-pistolkulor som leksaksfotoner, pingisbollar som leksakselektroner och leksaksmolekyler gjorda av magnetiska tennisbollar och pingisbollar. Ibland använder vi leksaksbilar som fotoner och använder föremål med ökande massa för att öka deras bulletiness (d.v.s. fart). Dessa leksaker tillåter experiment som dissociering av leksaksmolekyler av leksaks-UV-fotoner för att förklara varför UV-ljus kan bryta vårt DNA och orsaka hudcancer, och varför radio (och 5G!) fotoner är säkra eftersom de har mycket mindre bulletiness.

Einsteinsk fysik har enorm förklaringskraft, oavsett om det är på nivån av kvantinteraktioner eller gravitation. Einsteinsk gravitation beskriver rymden som ett elastiskt tyg. Vi använder lycra som vår tvådimensionella leksaksrymdtid. Sträckningen av rum och tid är lätt att mäta och nästan alla gravitationsfenomen kan observeras genom att rulla olika bollar på lycran, som videon nedan visar.

Elever på alla nivåer älskar att leka med dessa rymdtidssimulatorer. De studerar hur fotonbanor avböjs när rymden är krökt, hur gravitationsgradientkrafter river upp kometer, hur banor ändrar sin orientering i rymden (kallad precession), hur stjärnor och planeter bildas och hur galaxer får sina former. Som en lärare i årskurs 7 sa:"[Det] gör det mycket lättare att prata med elever om intressanta saker, som den senaste upptäckten av det svarta hålet."

Lektioner som ger mening om vår värld

Absorptionen av infraröda fotoner av CO₂-molekyler driver klimatförändringarna. Leksaksmolekyler som hålls samman av magneter låter eleverna utforska de olika sätt en CO₂-molekyl vibrerar på jämfört med en O₂-molekyl, och lär dig hur fotonabsorption orsakar detta.

Vi kombinerar våra leksaker med riktiga men relativt billiga enheter, som solpaneler, elektriska borrar, LED-lampor och laserpekare.

Laserpekare gör att ljusets vågighet kan utforskas i en hel rad interferensexperiment. Solpaneler visar bulletiness, fotoner som skjuter ut elektroner, och är idealiska för nästan alla el- och energistudier på låg- och mellanstadiet. En solpanel kan driva en 12V elektrisk borr, som kan användas för att lyfta, skapa friktionsvärme och använda energi som kommer från att omvandla fotoner till en ström av elektroner – den fotoelektriska effekt som Einstein vann Nobelpriset för.

Hjälpa lärare att övervinna sina rädslor

Det största hindret för att introducera einsteinsk fysik är skrämselfaktorn för lärare. Folk hävdar fortfarande att det är för svårt för lärare. Vi har hittat om vi sätter aktiviteten först, som geometri på wokar till exempel, lärare utan naturvetenskaplig bakgrund förstår lätt konceptet att formen på rymden kan mätas med geometri.

Att undervisa i Einsteinsk fysik i skolor är baserad på internationell erfarenhet som involverar mer än 20 författare. Den presenteras på den nivå som behövs för skollärare, inklusive en del material för gymnasiet.

Det är fritt från skrämmande ekvationer eftersom dessa, vare sig det är einsteinskt eller newtonskt, har ingen plats i skolans läroplan. Istället lär vi ut massor om hur vi ska hantera de enorma siffror och små siffror vi måste tänka oss för att hantera universum, samt sannolikhet och "pilarnas matematik" (vektorer) eftersom dessa kraftfulla begrepp är viktiga för alla.

De flesta studenter kommer inte att specialisera sig i fysik. Målet med Einstein-First är att alla elever ska avsluta de obligatoriska åren i naturvetenskap med den grundläggande kunskapen och vokabulären för vår bästa förståelse av det fysiska universum.

Efter att ha provat vårt år 7-program om gravitation, en lärare rapporterade:"Lektionerna innehåller modellering av koncept med praktiskt "konkret" material, ett instruktionssätt som ger multisensoriska lärandemöjligheter som gör att alla elever framgångsrikt kan inkluderas."

"Tjejer drar särskilt nytta av hur programmet presenteras med gruppinlärning och aktiviteter. Det är inte skrämmande, och lärare som jag tycker om programmet eftersom det gör att min undervisning känns mycket mer värd."

"Det anmärkningsvärda med de Einsteinska fysiklektionerna är att eleverna är helt engagerade, störningar är sällsynta, och elever med inlärningssvårigheter är praktiskt taget omöjliga att skilja från vanliga elever."

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.