התיאוריה של הכל: המדריך האולטימטיבי להוראת תיאוריות מדעיות

בשנת 1514 ישב ניקולאוס קופרניקוס והעלה על הכתב תיאוריה מדעית. הוא חשב על התיאוריה למעלה מעשור, אך חשש להעלות אותה על הכתב, בשל היותה מהפכנית כל כך, עד שהוא חשב לעצמו מדי פעם שהתיאוריה אינה מתאימה למציאות שעיניו רואות. יתרה מזאת, הוא חשש שאם יפרסם את רעיונותיו, הוא ירדף על ידי המשטר כמי שטוען נגד האמונות הבסיסיות ביותר שעליהן החיים מבוססים – כדור הארץ הוא מרכז היקום, והשמש סובבת אותו. אך מוחו של קופרניקוס לא נתן לו מנוח, שכן התצפיות האסטרונומיות שביצע לא הסתדרו עם האמונה הבסיסית הזו, ולכן הוא היה חייב להמשיך ולנסח תיאוריה חדשה: כדור הארץ הוא זה המסתובב סביב השמש, ולא להפך.

ומה יעשה כעת המדען המבריק?

אם ניחשתם שיפרסם מיד את ממצאיו, טעיתם טעות מרה. קופרניקוס חקר את ממצאיו, ניסח, שיפר והתייעץ עם עמיתיו למעלה מעשרים שנים נוספות, ואז כתב וניסח את התיאוריה שלו שוב. אך גם אז הוא סירב לפרסם או להרצות בנושא התיאוריה, ורק עם מותו התפרסם כתב ידו בו הוא מציע את התיאוריה ההליוצנטרית, שנחשבת היום לאחת התגליות החשובות בהיסטוריה וכנקודת ההתחלה של המדע המודרני.

ניקולאוס קופרניקוס בציורו של ז'אן מאטג'קו

תיאוריות הן הבסיס לתפיסת העולם שלנו ונקודת הפתיחה של הוראת המדעים
לא רק כשאנו מלמדים על קופרניקוס ועל מבנה מערכת השמש אנו עוסקים בתיאוריות. בהוראה בכלל ובהוראת המדעים בפרט, אנו מלמדים את התלמידים לעיתים קרובות תיאוריות. אין זה מקרי – תיאוריות הן הצורה הרווחת ביותר לתיאור והסבר תופעות ולכן הן מהוות בדרך כלל את הבסיס לתפיסת העולם שלנו.

מתוך כך, עלינו המורים לחשוב איך אנחנו יכולים ללמד כל תיאוריה כך שתקדם את התלמידים הן בתחום הידע של התיאוריה והן באופן כללי בחייהם. כמורה לפיזיקה, אדגים במאמר זה דגשים חשובים בהוראת תיאוריות בתחום הפיזיקה, אך להבנתי על כל המורים לנצל את הוראת התיאוריה לשם התפתחות תלמידיהם, בכל תחום תוכן, ולכן מאמר זה נוגע לכל מורה המלמד/ת תיאוריות.

מהי תיאוריה?
תיאוריה מדעית הינה מערכת מושגים המתבססת על תוצאות של תצפיות וניסויים, כלומר על בסיס אובייקטיבי. אבל למעשה, היא הרבה יותר מכך, שהרי תיאור פשטני של עובדות, או פירוט דברים ידועים אמפירית עדיין לא יוצרים תיאוריה. לעומת תוצאות של ניסוי, התיאוריה מייצגת משהו חדש, הכללה עמוקה יותר של ידע.

אני מציע את ההגדרה הבאה לתיאוריה: תיאוריה הינה מערכת מושגים, חוקים ועקרונות המאוחדים על-ידי קשרים לוגיים ו/או מתמטיים, בעלי תפקידים הסברתיים ונבואיים, אשר מאפשרים לתאר חוקיות מהותית הנצפית במבחן ניסויי של תופעות. מתוך כך, מטרתה של תיאוריה מדעית הינה הסבר של תצפיות, עובדות וניסויים ידועים, אך לא פחות מכך – ניבוי עובדות חדשות ובכך יצירת ידע חדש. לעיתים קרובות, תיאוריה חוזה תופעות אשר לא ניתן למדוד או לראות בהווה, בשל מחסור באמצעי בדיקה. במקרים כאלה נדחית בדיקת התיאוריה עד להופעת דרך בדיקה, ניסוי או תצפית מדוייקת יותר שתאפשר לבחון את ההשערה הנובעת מהתיאוריה.

החלק שאסור לוותר עליו: אופן התפתחות תיאוריות וידע מדעי
כאשר אנו מלמדים תיאוריה מסויימת, חשוב שלא נחמיץ את ההזדמנות ללמד את תלמידינו מסר חשוב – "התפתחות המדע מתרחשת רק מפני שהוא משמיד באכזריות את המבנה שאותו הוא בעצמו הקים לפני זמן מה בקפדנות רבה" (אמיל דורקהיים, 1912). המדע מתפתח כאשר לפתע פתאום, מה שנחשב כאמת, הופך ל"טעות". לפני שאסביר משפט זה, אבהיר שלדעתי בו טמון מסר שחשוב ביותר להעביר לתלמידינו – המסר כי גם המדענים הדגולים ביותר אינם צודקים תמיד. כלומר – המדע טועה ולכן כמובן שמותר לתלמידים לטעות, והדבר אף רצוי, כי כך מתרחשת התקדמות. 

במהותה, תיאוריה צריכה להסביר ולפרש את כל הידיעות האימפריות שהצטברו עד כה לגבי התופעה בה היא עוסקת. מלבד זאת, התיאוריה נדרשת לחזות נכון תוצאות של ניסויים חדשים. מתוך כך, עולה הצורך בתיאוריה חדשה כאשר מתגלה ידיעה אמפירית כלשהי הסותרת את התיאוריה הרווחת. כך למשל, בסוף המאה ה-19, מדען צרפתי בשם אנרי בקרל שדמיונו שולהב מגילוי קרני הרנטגן, החל לעסוק בחיפוש קרינה אחרת. הוא ניסה להאיר על חומרים שונים, במטרה לבחון האם הם יפלטו קרינה בתגובה לכך שהוארו. יום אחד, בסיום יום העבודה, בקרל השאיר בטעות חתיכה של בצר אורניום על לוח צילום. למחרת, הוא גילה כי למרות שהאורניום לא הואר, על לוח הצילום נוצרו עקבות המעידות על השפעת אור. תופעה תמוהה זו לא הסתדרה עם אף תיאוריה שבקרל הכיר. לאחר מחקר נוסף וחשיבה רבה, התברר שהקרינה שגרמה לתופעה הגיעה מהאורניום עצמו, ללא שום צורך בעירור ממקור אנרגיה חיצוני. ההסבר לתופעה זו דרש את יצירתה של תיאוריה חדשה ששינתה את התפיסה המדעית באותה התקופה מקצה לקצה – התיאוריה העוסקת בהתפרקות האטום.

הממצא שהוביל לתיאורית התפרקות האטום - לוח הצילום של אנרי בקרל ועליו עקבות שנוצרו בשל קרינת אורניום

מתוך כך, כל תיאוריה עוברת 3 דרגות התפתחות:

1. קודם כל התיאוריה נחשבת כאינה מתקבלת על הדעת ומסרבים לקבל אותה למדע. את הוגה התיאוריה בדרך כלל מבטלים, מתייחסים אליו כשוטה או כמי שיצא מדעתו. לעיתים קרובות, כמו בחייו של קופרניקוס, הוגה התיאוריה עצמו חושד ברעיונותיו ואף מכחיש אותם.  חוסר ההכרה הזה קרה לטובים וגדולים, כך למשל איינשטיין פירסם את תורת היחסות ואת תורת האפקט הפוטואלקטרי בשנת 1905, אך את פרס הנובל קיבל עבור תורת האפקט הפוטואלקטרי רק ב-1921. איינשטיין לא זכה בפרס נובל עבור כל העבודות, הגילויים והמאמרים בתורת היחסות שכן התיאוריה נראתה קיצונית מדי לוועדת הפרס.

2. נוצרת הכרה בתיאוריה, הממסד המדעי מתחיל לקבלה, הוגה התיאוריה זוכה בהכרה על פי רוב והתיאוריה הופכת לחלק בלתי נפרד של המדע.

3. ההנחות והרעיונות הבסיסיים של התיאוריה הופכים לנחשבים כברורים מאליהם, הם נלמדים ונתפסים כבסיס הידע בתחום ומדענים מחליטים שיש צורך לפתח את הרעיונות הבסיסיים והעיקריים שלה.

השלב הבא בחייה של התיאוריה, הינו בדרך כלל מציאת ממצא שאינו מתאים לתיאוריה, ובכך הפרכה שלה או צורך בהתאמתה, לכדי תיאוריה חדשה.

בהתבסס על דרגות ההתפתחות של התיאוריות, ישנה חשיבות גדולה לקיים שיחה עם התלמידים על כך שפרדוקסים הם המניעים את המדע – מציאת ידיעה אמפירית שאינה תואמת את התיאוריה מובילה להתאמתה או ליצירת תיאוריה חדשה ורק כך המדע מתקדם. המדע, שהאידיאל שלו הינו התאמה קפדנית, הגיונית ונטולת פגמים של כל חלקיו, מתקדם אך ורק דרך אי-התאמות ומציאתם של פגמים – פרדוקסים, ואז תיקונם.

 המדע מתקדם אך ורק דרך אי-התאמות ומציאתם של פגמים ואז תיקונם.

מודל – הבסיס להיווצרותה של תיאוריה
תיאוריות שלמות ומושלמות מתחילות תמיד מבסיס "מגושם" ופשוט הנקרא מודל. המודל המדעי דומה מאוד למודל שבו משתמש אדריכל כאשר הוא יוצר מודל ארכיטקטוני – דגם מוקטן של המבנה אותו הוא מתכנן לבנות. לרוב האנשים יותר קל להבהיר את המהות של בעיה כלשהי ולהבין את פתרונותיה בעזרת דימויים מוחשיים ולא באמצעות שיקולים מופשטים. לכן מודלים מאוד חיוניים למדענים בשלבים הראשונים של התפתחות התאוריה.

סיכום: 4 דברים שאסור לפספס כשמלמדים תיאוריות
1. כאשר מלמדים תיאוריה, יש ללמד את התלמידים לא רק את הרעיון המרכזי בתיאוריה עצמה ואת הרעיונות שחיזקו את התיאוריה, אלא גם את הרעיונות שהיו קיימים לפני התיאוריה הנוכחית ואת המהפכה המדעית שהתרחשה על מנת שהתיאוריה החדשה תחשב ל"סטנדרט המדעי" של התקופה. מתודה מעניינת במיוחד עבור התלמידים היא הסבר פשוט של התיאוריה הקודמת ואז הצגת הנתון שהפריך אותה, באופן שחושף את הפרדוקס עבור התלמידים ומעורר חשיבה וסקרנות אצלם.

2. הדגישו בפני התלמידים כי פרדוקסים ואי התאמות מובילים להתפתחות מדעית על ידי שבירת התיאוריה הקיימת ויצירת מודל חדש. במסגרת הוראה זו הבהירו שכפי שהמדע "טועה" וכך הוא מתקדם, כך גם בלמידה שלנו – גם אנחנו מתקדמים ולומדים דרך טעויות, ולכן כאשר התלמידים עושים טעות, מדובר למעשה בדבר מבורך המעיד על התפתחות.

3. בעת שהינכם מלמדים, הדגישו בפני התלמידים כי המדע והתרבות כרוכים זה בזה, וכי אופן ההתפתחות שלהם הוא זהה. הבהירו להם כיצד הפרכת התיאוריה הישנה והתבססותה של התיאוריה החדשה השפיעה על העולם באותה התקופה ואף איך רעיונות אלו השפיעו על חייהם שלהם היום.

4. כאשר הנכם מציגים תיאוריה חדשה או חוקרים אותה יחד עם התלמידים, שימו לב לסקרנות המסתתרת בכל תלמיד ותלמידה. כאשר הסקרנות של תלמידינו מתעוררת, הם יכולים ליצור פיתוחי תיאוריות חדשים וחדשניים ומודלים מוצלחים ובלתי צפויים. לנו, המורים, יכולה להיות על כך השפעה מכרעת.