Učitelství fyziky

Garantující pracoviště: Katedra didaktiky fyziky
Oborový garant:  doc. RNDr. Zdeněk Drozd, Ph.D. (KDF)
Garant za pedagogiku a psychologii: doc. PhDr. Isabella Pavelková, CSc. (KDF)

Charakteristika studijního oboru:
Studium připravuje učitele fyziky pro střední a základní školy. Navazuje na bakalářské studium, z něhož si student přinesl základní odborné znalosti potřebné pro výuku fyziky na základní a na střední škole. Studium vedle některých náročnějších partií fyziky zahrnuje zejména profesní přípravu (pedagogicko-psychologické předměty, základy školského managementu, didaktiku fyziky, praktika školních pokusů, pedagogická praxe). Široká nabídka volitelných předmětů a volba tématu diplomové práce umožňuje studentům rozšířit si vzdělání v oblastech, které je zajímají a ve kterých se chtějí profilovat. Studium je také zaměřeno na problematiku oborové didaktiky (i z praktického hlediska provádění fyzikálních experimentů), pedagogiky a psychologie. Fyzikální předměty jsou zaměřeny na moderní partie fyziky (jaderná fyzika, fyzikální obraz světa) na témata, která sehrála klíčovou roli v aplikačních oblastech (předmět Fyzika kondenzovaného stavu) a na oblast "mezních oborů" (astronomie a astrofyzika). Důležitou součástí výuky v Mgr. studiu jsou také pedagogické praxe.

Cíle studia a profil absolventa:
Cílem je vychovat kvalitní učitele fyziky velmi dobře připravené po odborné i profesní stránce, rozvinout jejich osobnost, aby uměli jak zaujmout žáky pro své předměty, tak je vést a vychovávat po lidské stránce. Z absolventů by měli vyrůst učitelé, kteří dokáží podněcovat své žáky k aktivní práci, budou s nimi schopni komunikovat i mimo svou odbornost, dokáží se tomuto umění v průběhu své kariéry učitele dále učit, a kteří se budou chtít sami dále rozvíjet a zvládnou měnící se roli učitele v dnešním i budoucím světě. Absolvent je plně kvalifikovaným učitelem fyziky pro střední a základní školu. Má dostatečně široké a hluboké odborné znalosti základů fyziky, aby dokázal pracovat i s talentovanými žáky. Umí tyto znalosti aplikovat na řešení problémů, využívat při provádění a vyhodnocování experimentů a v diskusích zahrnujících souvislosti s moderními technologiemi a běžným životem. Umí rozvíjet znalosti a dovednosti žáků týkající se fyziky na úrovni střední a základní školy. Dokáže aplikovat dostatečně široké spektrum metod a forem výuky, umí samostatně řídit práci žáků a reagovat na nejrůznější situace vzniklé ve výuce. Umí využívat informační a komunikační technologie. Prokazuje potřebné znalosti z pedagogicko-psychologických předmětů tvořících základ jeho profesní orientace a umí těchto znalostí aktivně využívat. Má praktické zkušenosti s výukou ve škole a základní znalosti o organizaci práce školy. V rámci diplomové práce získal hlubší vědomosti z některé části fyziky nebo z problematiky vzdělávání v tomto oboru (ev. z druhého aprobačního oboru). Díky tomu je schopen komunikovat se specialisty. Znalosti a dovednosti získané a rozvinuté během studia tvoří kvalitní východisko pro jeho další vzdělávání a celoživotní profesní růst; může je též případně uplatnit i v jiných povoláních, zejména v těch, kde uplatní exaktní myšlení v kombinaci s obecnějšími osobnostními kompetencemi.

Doporučený průběh studia

Student si k povinné výuce zapisuje ještě výběrovou výuku a doporučené volitelné předměty minimálně v takovém rozsahu, aby za celé studium získal alespoň počet kreditů nutných k připuštění ke státní závěrečné zkoušce. Povinná výuka je v následujících přehledech vyznačena tučným písmem.

1. rok studia

¹ Kurz je organizován jednorázově zpravidla v letním semestru. Informace jsou vždy před začátkem semestru na http://physics.mff.cuni.cz/vyuka/zfp/ .

2. rok studia

Další doporučené volitelné předměty

Některé volitelné předměty nemusí být v tomto akademickém roce vyučovány.

Požadavky znalostí ke státní závěrečné zkoušce z fyziky a didaktiky fyziky

Odborná témata

Student musí prokázat dostatečný fyzikální nadhled nad partiemi fyziky, které bude ve své praxi vyučovat. Musí proto prokázat znalost klíčových experimentů a základních fyzikálních teorií a jejich vzájemných souvislostí. Musí umět vysvětlit a ilustrovat podstatu a význam základních fyzikálních veličin, zákonů a jejich důsledků, experimentálních metod a praktických aplikací. K tomu patří pochopení pojmů a zákonů prolínajících celou fyzikou (energie, hybnost, zákony zachování, rovnice kontinuity, potenciály, pohybové rovnice, oscilace, vlny, postuláty základních teorií), vztahů jednotlivých partií a mezí jejich platnosti a znalost jednotek veličin a hodnot základních fyzikálních konstant.

1. Klasická mechanika a teorie relativity
Základní principy nerelativistické mechaniky. Kinematický popis a pohybové rovnice soustavy částic, tuhého tělesa a kontinua. Zákony zachování. Inerciální a neinerciální soustavy souřadnic. Pohyb částic v homogenním a centrálním silovém poli. Kmity. Vlny v pružném prostředí a tekutinách. Meze klasické mechaniky. Základní postuláty speciální teorie relativity, význam a důsledky Lorentzovy transformace. Relativistická dynamika. Pokusy ověřující důsledky STR. Vztah klasické mechaniky a STR. Prostor, čas a kauzalita; čtyřrozměrný prostoročas. Základní ideje obecné teorie relativity.

2. Elektrodynamika
Základní elektrické a magnetické jevy a jejich kvantitativní formulace. Náboje a látky v elektrických a magnetických polích. Elektromagnetické pole jako samostatný objekt. Maxwellovy rovnice. Energie a hybnost elektromagnetického pole. Rovinné elektromagnetické vlny. Polarizace. Ohyb, interference a lom rovinných elektromagnetických vln. Generování elektromagnetických vln; retardace, koherence vlnění. Meze klasické elektrodynamiky.

3. Termodynamika a statistická fyzika
Přehled základních termodynamických zákonů a jejich důsledků. Teoretická východiska statistické fyziky a statistický popis různých typů systému. Základní veličiny popisující stav systému v termodynamice a ve statistické fyzice, propojení obou popisů.

4. Fyzika mikrosvěta
Experimenty vedoucí ke vzniku kvantové fyziky, příklady odlišného chování mikroskopických objektů v porovnání s klasickými systémy. Formální schéma kvantové mechaniky (přehled postulátů a jejich hlavních důsledků). Současný popis částicového složení látky na různých škálách (molekuly, atomy, jádra, ...). Atomové jádro (složení, charakteristiky). Vazebná energie jádra, vazebné síly. Modely jader. Radioaktivita. Jaderné reakce (s využitím v energetice). Elementární částice, jejich vlastnosti a interakce. Experimenty jaderné a částicové fyziky.

5. Fyzika kondenzovaného stavu
Struktura kondenzovaných látek (krystalické a amorfní látky, symetrie, Millerovy indexy, reciproká mříž). Vazby v kondenzovaných látkách (iontová vazba, kovalentní vazba, kovová vazba, Van der Waalsova vazba, vodíkový můstek). Difrakce rentgenového záření na krystalech. Poruchy krystalových struktur (bodové poruchy, dislokace, napěťové pole dislokace, dvojčatění, vrstevné chyby, hranice zrn a subzrn). Deformace krystalických látek (elastická deformace, Hookův zákon, elastické konstanty, plastická deformace, mechanizmy plastické deformace). Kmity mříže a tepelné vlastnosti materiálů (základní myšlenky, fonony, Einsteinova a Debyeova teorie tepelné kapacity mřížky). Elektrony v krystalických látkách (valenční elektrony v PL, Fermiho plyn volných elektronů, vliv vnějších polí, elektron v periodickém poli, pásová teorie PL). Polovodiče (vlastní a příměsové polovodiče, p-n přechod, dioda, tranzistor). Základy supravodivosti (Meissnerův jev, izotopický jev, supravodiče I. a II. druhu, perzistentní proud, Cooperovy páry).

6. Fyzika hvězd a vesmíru
Základy moderních astronomických a astrofyzikálních představ o hvězdách a vesmíru.

Didaktická témata

Student musí mikrovýstupem prokázat schopnost samostatně vyložit zadané téma z níže uvedených okruhů učiva zahrnující demonstrační pokus. Musí umět vysvětlit souvislost pokročilejších partií s příslušnými částmi látky probíranými na střední i základní škole a bez nepřípustného zkreslení objasnit danou problematiku na úrovni přístupné žákům střední, popřípadě základní školy. Musí prokázat znalost cílů a obsahu fyzikálního vzdělávání na střední a základní škole a schopnost navrhovat alternativní způsoby projekce fyzikálních poznatků do učiva příslušných typů škol. Předmětem diskuse může být i struktura učiva fyziky na SŠ a ZŠ, zavádění fyzikálních veličin, zákonů a teorií do učiva, metody a prostředky ve výuce fyziky, metodika řešení fyzikálních úloh a  didaktické funkce pokusů, diagnostické metody.

Student také musí při mikrovýstupu prokázat znalost obsluhy a fyzikálního principu činnosti přístrojů užívaných ve výuce fyziky na školách.

Témata výstupů

1. Zákon zachování hybnosti dvou těles

2. Rovnoměrně zrychlený přímočarý pohyb

3. Archimédův zákon pro kapaliny a plyny

4. Hydrostatická tlaková síla a hydrostatický tlak

5. Mechanické vlnění

6. Mechanické kmitání

7. Odraz a lom světla

8. Jednoduché optické přístroje (lupa, mikroskop, dalekohled)

9. Teplotní roztažnost (délková i objemová)

10. Přenos tepla (vedením, prouděním, zářením)

11. Kapacita deskového kondenzátoru

12. Elektrostatická indukce

13. Ohmův zákon pro část obvodu a pro uzavřený obvod

14. Magnetické pole vodiče a cívky s proudem

15. Elektromagnetická indukce

16. Transformátor

17. Polovodičová dioda a její použití

18. Bipolární tranzistor a jeho užití jako spínače, nebo zesilovače

19. Obvod střídavého proudu s R, L, C 

20. Elektromagnetické vlnění