Die Physikstudenten Merrill Asp (links) und Sarthak Gupta (rechts) bei einer Outreach-Veranstaltung an der Westhill High School in Syracuse.
„Wann werde ich das jemals im wirklichen Leben benutzen?“ Das ist der oft gehörte Refrain von Schülern der Mittel- und Oberstufe der Naturwissenschaften, die sich durch Labore und Formeln kämpfen, die sich so weit entfernt von ihrem Alltag wie der Raumfahrt anfühlen. Sarthak Gupta und Merrill Asp, Doktoranden der Hochschule für Künste und Wissenschaften Physikabteilung, arbeiten daran, diese Frage für jeden Schüler einzeln durch praktische Experimente und Demonstrationen in örtlichen Klassenzimmern zu beantworten, dank eines Outreach-Programms, das durch ein Stipendium 2021-22 der New York State Section des Bundesstaates New York finanziert wird Amerikanische Physikalische Gesellschaft (APS).
Kürzlich sprachen wir mit ihnen über die Anfänge des Programms, wie sich ihre Arbeit mit Studierenden bisher entwickelt hat und was sie als Nächstes vorhaben.
F: Wie ist das Physik-Outreach-Programm entstanden?
Merrill Asp: Wir sahen die Finanzierungsmöglichkeit von APS und dachten: „Was können wir zur Öffentlichkeitsarbeit beitragen?“.
Sarthak Gupta: Die Idee, die wir hatten, war, die Forschung von den Universitäten in die Schulen zu bringen, damit die Schüler sehen konnten, wie das, was sie jetzt lernen, in Zukunft verwendet wird.
Asp: Im naturwissenschaftlichen Unterricht kann es sich anfühlen, als wären diese Fächer ein Buch mit sieben Siegeln, als wäre alles bereits herausgefunden. Aber Leute wie wir gehen ständig Forschungsfragen nach, und die größere akademische Welt schaut immer auf unbeantwortete Fragen.
F: Wie weit ist die Reichweite gegangen?
Asp: Unser Stipendium war für Mittel- und Oberschulen. Wir haben bisher acht Klassenzimmer in drei High Schools im Zentrum von New York besucht. Wir besuchten auch das Museum of Science and Technology (MoST), das ein Sommercamp für Kinder im Mittelschulalter betreibt. Das Museum gewährte uns gnädigerweise ein Stück Zeit, um unsere Lektionen auszuprobieren. Wir haben bereits Hunderte von Studenten erreicht.
F: Gab es Herausforderungen bei der Verbindung mit Schulen und dem Erreichen der Bevölkerungsgruppen, die Sie besonders erreichen möchten?
Gupta: Wir haben es gelernt [this outreach] muss ein längerfristiger Prozess sein, um Lehrer zu erreichen, Besuche zu planen – um diese Beziehungen zu fördern und sie dann über die Zeit aufrechtzuerhalten.
F: Abgesehen von der Planung können Ressourcen ein Hindernis bei der Planung von Outreach-Besuchen sein. Was tun Sie dagegen?
Gupta: Wir haben festgestellt, dass nicht alle Schulen über Ausrüstung verfügen, also haben wir das gekauft, was wir brauchten, um autark zu sein. Wir verlangen von den Schulen nichts außer Raum und Zeit.
Merrill Asp (rechts) arbeitet mit Schülern an einer Physikdemonstration.
F: Welche Art von Experimenten haben Sie mit den Klassen durchgeführt und warum haben Sie sie ausgewählt?
Asp: Unser Hintergrund liegt bei uns beiden in der Physik weicher Materie. Was sich mit der Biophysik überschneidet – der Physik lebender Systeme. Es ist nicht das, woran die Leute denken, wenn sie an Physik denken. Aber genau da liegen viele der spannenden offenen Fragen.
Jede unserer Demos stellt ein einzelnes Konzept vor – eines ist Diffusion, ein anderes ist Viskoelastizität. Zuerst mit Definitionen, dann zeigen, wie sie funktionieren.
F: Beginnen wir mit der Diffusionslektion. Wie funktioniert es?
Asp: Wir bringen ein ziemlich leistungsfähiges Mikroskop mit. Die Probe ist nur ein Brunnen mit Wasser, aber darin befinden sich winzige mikroskopisch kleine Styroporkügelchen. Im Mikroskop können Sie sehen, wie diese Kugeln von all diesen Wassermolekülen angestoßen und herumgerüttelt werden. Wir betrachten etwas in einem so kleinen Maßstab, dass Sie tatsächlich Diffusion sehen können – etwas, das sich von einer höheren Konzentration zu einer niedrigeren bewegt – in Echtzeit.
Nach der Demo machen wir eine Gruppenaktivität mit einem Modell namens the zielloser Spaziergang. Wir geben allen Schülern Millimeterpapier und achtseitige Würfel, und sie würfeln und simulieren auf ihrem Millimeterpapier eine zufällige Bewegungsbahn. Am Ende können wir all diese Simulationen zusammenfügen und zeigen, wie diese zufälligen Pfade zusammengenommen etwas simulieren, das sich ausbreitet. Das ist Diffusion.
F: Und Viskoelastizität?
Gupta: Die Idee ist, dass es Materialien gibt, die elastisch sind [or solid-like]– wie ein Gummiband, das gedehnt werden kann und wieder seine Form annimmt – und einige, die viskos sind und fließen, wie Honig. Aber es gibt auch Materialien, die dazwischen liegen, mit Eigenschaften von beidem.
Wir zeigen eine Demo mit einem Tischrheometer [an accessible and portable version of a lab tool that measures viscoelastic properties, developed a couple of summers ago in the lab of Professor Alison Patteson with local high school physics teacher Elise Jutzeler]. Es ist im Grunde eine Platte, die herunterkommt und sich dreht. das Material [it’s measuring] wird sich bewegen, dann wird es zurückgehen. Wie viel es zurückgeht, hängt davon ab, wie elastisch es ist.
Dann machen wir eine lustige Aktivität. Wir lassen die Schüler einen Schleim aus Borax, Kleber, Wasser und Lebensmittelfarbe herstellen. Je mehr Borax Sie in der Lösung haben, desto elastischer wird der Schleim. Um die Viskosität zu verstehen, kneifen Sie einfach den Schleim: Wenn er viskos ist, fließt er langsam herunter. Aber wenn nicht, bleibt es wo es ist. Für das Gummiband
Ein Student streckt Schleim aus, der durch Mischen von Borax, Klebstoff, Wasser und Lebensmittelfarbe hergestellt wurde.
Eigenschaft, Sie machen einfach einen Ball und lassen ihn auf den Tisch fallen: Wenn er elastisch ist, springt er; Wenn nicht, wird es im Grunde … spritzen.
F: Wie lassen sich diese Lektionen in reale Anwendungen übersetzen?
Asp: Diffusion ist ein wichtiger Prozess dafür, wie Zellen Nahrung aufnehmen, wie sie Abfallstoffe ausscheiden, wie Sauerstoff im Blut transportiert wird – alles angetrieben durch Diffusion.
Gupta: Gewebe in unserem Körper sind viskoelastische Materialien. Wenn sich Zellen von einem Ort zum anderen bewegen, gehen sie durch Gewebe.
Asp: Es wurde viel darüber geforscht, wie Krebszellen oder Tumorzellen in verschiedene Teile des Körpers wandern können – und was ihnen dies ermöglicht, hängt stark davon ab, wie sehr das Gewebe und die Zellen fest oder flüssig sind . Wir müssen verstehen, wie diese Veränderungen ablaufen, um Krebsmetastasen zu verstehen.
F: Wie haben die Schüler den Unterricht erhalten?
Asp: In allen Klassen waren die Schüler sehr engagiert und zeigten Interesse, aber am Ende der meisten Unterrichtsstunden gibt es ein oder zwei Kinder, die viele, viele zusätzliche Fragen haben. Am Ende werden wir uns mit ihnen über unsere Forschung unterhalten.
Gupta: Wir haben auch Anerkennung von Lehrern erhalten, weil sie diese Punkte zwischen dem, was sie lehren, und ihrer realen Bedeutung verbinden. Sie haben uns gesagt, dass die Kinder darauf warten, dass wir wiederkommen!
F: Und haben Sie irgendwelche Pläne, wie Sie diesen Enthusiasmus am Laufen halten können?
Sarthak Gupta präsentiert in einer Klasse elastische Materialien.
Gupta: Die Forschung zeigt uns, dass der einmalige Besuch eines Highschool-Klassenzimmers nicht ausreicht, damit die Schüler das Gelernte behalten können. Teil des Plans war also von Anfang an, jedes Klassenzimmer mehrfach zu besuchen. Um zu sehen, wie sich ihr Grad an Engagement und Verständnis im Laufe der Wochen verändert hat. Wir hoffen, dass wir dazu in der Lage sind.
Asp: Und in Zukunft möchten wir, anstatt unsere Sachen in die Klassenzimmer zu bringen, etwas organisieren, um die Schüler an einen neuen Ort zu bringen, z. B. auf den Campus, wo wir neue Arten von realen Demos in praktischer Form durchführen können Mode. Die einzigartige Erinnerung daran könnte einen erheblichen Einfluss auf die Schüler haben.
Gupta: [Another possibility is] die Verbindung der Labore, die wir hier haben, mit örtlichen Schulen durch Forschungspraktika. So können Abiturienten den Spaß und den Alltag eines Forschers miterleben.
Gupta: Aber [for now] Wir ermutigen die Schüler auch, mehr aus eigener Kraft zu lernen. Physik ist ein Gemeinschaftsfach, daher geben wir ihnen nach jeder Demo ein Arbeitsblatt und ermutigen sie, in Gruppen zu sprechen. Wir geben auch ein Handout mit Ressourcen und weiteren Informationen über den Unterricht. Auf der Rückseite haben wir eine Biografie eines Physikers aus einer unterrepräsentierten Minderheit mit Links, um mehr zu erfahren. Um sie zu zeigen, muss man kein Physiker sein. Wir wollen sie inspirieren.
Wir sagen ihnen, was Sie jetzt lernen, wir tun dies täglich in unserer Forschung. Es gibt Probleme, die noch nicht gelöst sind – niemand kennt die Antwort. Aber du kannst es tun.
Über das Outreach-Programm
Finanzierung: ein Stipendium der New York State Section des Amerikanische Physikalische Gesellschaft
Zeitleiste: Antrag im Frühjahr 2021 bewilligt; Das Programm wurde im Laufe des Sommers entwickelt, und im Herbst begann die Öffentlichkeitsarbeit in den örtlichen Schulen
Teilnehmende Schulen (derzeit): Westhill High School, Jamesville-Dewitt High School in Syracuse und mit der TST P-TECH Academy in Dryden, New York. Und das Sommercamp-Programm im Milton J Rubenstein Museum für Wissenschaft und Technologie (MoST)
Team: Sarthak Gupta Sonstiges Merrill Aspsowie sechs weitere Doktoranden und Studenten: Renita Saldanha, Prashali Chauhan, Nimisha Krishnan, Matt Cufari, Daniel Paradiso und Shabeeb Ameen.
Betreuung durch Professoren Alison Patteson Sonstiges Jens Schwarzsowie Abteilungsleiter Professor Jennifer Ross und Lehrlaborleiter Sam Sampere.
Bewertungsunterstützung durch die Shaw-Zentrum.
-Geschichte von Laura Wallis.