为什么中学生对物理失去兴趣?为什么澳大利亚在科学、技术、工程和数学 (STEM) 方面落后?我们在爱因斯坦第一项目中认为我们有答案。这是因为学生的网络科学体验与学校课程完全冲突。

在国家科学周，我采访了 650 名 5 到 11 岁的学生。我问他们是否听说过黑洞。至少 80% 的人举了手。

我们在哪里可以找到学校课程中的黑洞?我们没有。你不能用 19 世纪的物理学来谈论黑洞，因为它们都是关于弯曲的空间和扭曲的时间。

学生们向我们明确表示，他们认为学校里的科学是关于“老东西”的。

这就是为什么我们必须使课程现代化。我们必须用 21 世纪的概念代替 19 世纪的概念，从小学开始就向每个人传授现代物理学的语言。

今天，我们推出了我们的书《在学校教爱因斯坦物理学》。它旨在从 3 年级开始引领学校科学革命。

年轻学生掌握爱因斯坦的概念

爱因斯坦在 1905 年的发现开启了一场概念革命。最后一步，爱因斯坦在 1915 年的引力理论和德布罗意在 1924 年发现所有物质和辐射都具有波动性和性的组合(通常称为波粒二象性)，彻底改变了物理学家对空间、时间、物质和辐射的看法。这些发现是几乎所有现代技术的基本概念。

学生在时空模拟器上探索轨道。图片来源：Einstein-First，作者提供

十年前我问：“在小学可以教授爱因斯坦的概念吗?” 同事说：“当然不是，你要先学好牛顿物理!”

我直截了当地回答!牛顿物理学在概念上和事实上都是错误的。它说事物可以任意快地传播，重力瞬时传播，时间处处相同，质量和能量相互独立，宇宙像发条一样运转。

我们的团队在一所小学进行了一项教授爱因斯坦物理学的初步试验。我们最惊人的发现是孩子们并不感到惊讶：他们只是从容地接受这些想法。这导致在各种小学和高中进行八年的试验。

我们告诉学生，光以光子的形式出现，具有波动性和性的组合，空间因物质而弯曲，这会改变几何形状，并且在山顶上时间是不同的。这一切都没有让他们特别惊讶。

孩子们喜欢它。一位三年级的老师说：“到最后，他们都在使用词汇，并且清楚地理解了通常直到高中才会引入的概念。真的很难把他们从活动中拉出来。令人惊讶的是，他们如此容易接受概念大多数成年人和老师都觉得很难。”

基于活动的学习有效——而且很有趣

孩子们喜欢以活动为基础的学习。他们喜欢玩具，所以我们尽可能使用玩具。

我们使用 Nerf 枪弹作为玩具光子，乒乓球作为玩具电子，以及由磁性网球和乒乓球制成的玩具分子。有时我们使用玩具车作为光子并使用质量不断增加的物体来增加它们的性(即动量)。这些玩具允许通过玩具紫外线光子分解玩具分子等实验来解释为什么紫外线会破坏我们的 DNA 并导致皮肤癌，以及为什么无线电(和 5G!)光子是安全的，因为它们的性要低得多。

学生使用 nerf 枪来了解光子如何喷射电子。图片来源：Einstein-First，作者提供

爱因斯坦物理学具有巨大的解释力，无论是在量子相互作用还是引力层面。爱因斯坦的引力将空间描述为弹性织物。我们使用莱卡作为我们的二维玩具时空。空间和时间的拉伸很容易测量，几乎所有的引力现象都可以通过在莱卡上滚动各种球来观察，如下面的视频所示。

各个级别的学生都喜欢玩这些时空模拟器。他们研究了空间弯曲时光子轨迹如何偏转，重力梯度力如何撕裂彗星，轨道如何改变它们在空间中的方向(称为进动)，恒星和行星如何形成以及星系如何形成它们的形状。正如一位 7 年级老师所说：“[它] 让与学生谈论有趣的事情变得更加容易，比如最新的黑洞发现。”

使我们的世界有意义的课程

二氧化碳分子对红外光子的吸收推动了气候变化。由磁铁固定在一起的玩具分子让学生能够探索 CO₂ 分子与 O₂ 分子相比振动的不同方式，并了解光子吸收如何导致这种情况。

我们将我们的玩具与真实但成本相对较低的设备相结合，例如太阳能电池板、电钻、LED 灯和激光笔。

激光指示器允许在一系列干涉实验中探索光的波动。太阳能电池板显示出性，光子会发射电子，是中小学几乎所有电力和能源研究的理想选择。太阳能电池板可以驱动 12V 电钻，电钻可用于提升、产生摩擦热和利用将光子转化为电子流所产生的能量——爱因斯坦获得诺贝尔奖的光电效应。

帮助教师克服恐惧

引入爱因斯坦物理学的最大障碍是教师的恐惧因素。人们仍然声称这对老师来说太难了。我们发现如果我们把活动放在第一位，比如炒锅上的几何，没有科学背景的老师很容易掌握空间形状可以通过几何测量的概念。

3 年级及以上的学生参加了爱因斯坦物理课程的试验。

在学校教授爱因斯坦物理学是基于涉及 20 多位作者的国际经验。它以学校教师所需的水平呈现，包括一些高中材料。

它没有可怕的方程，因为这些，无论是爱因斯坦式还是牛顿式，在学校课程中都没有立足之地。相反，我们教了很多关于如何处理我们必须设想处理宇宙的巨大数字和微小数字，以及概率和“箭头数学”(向量)，因为这些强大的概念对每个人都很重要。

大多数学生不会专攻物理。爱因斯坦至上的目标是所有学生都应该用我们对物理宇宙最好的理解的基本知识和词汇来完成必修的科学年。

在试用了我们的 7 年级重力课程后，一位老师报告说：“这些课程的特点是使用动手'具体'材料对概念进行建模，这是一种提供多感官学习机会的教学方法，让所有学生都能成功地融入其中。”

“女孩们尤其受益于该计划以小组学习和活动的方式呈现。这并不令人生畏，像我这样的老师喜欢这个计划，因为它让我的教学感觉更有价值。”

“爱因斯坦物理课程的显着特点是学生全神贯注，很少有中断，学习困难的学生与主流学生几乎没有区别。”