Роберт Карплюс: Теориялық физик және ғылымның дамуына қосқан үлесі
Robert Karplus
Роберт Карплюс (1927-1990) – австриялық-американдық физик, ғылымды оқыту саласындағы көшбасшы. Өмірі, білім жолы, және ғылыми еңбектері туралы ақпарат.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Теориялық физик (1927–1990)
Роберт Карплюс (23 ақпан 1927 – 20 наурыз 1990) – теориялық физик және ғылымды оқыту саласындағы жетекші ғалым.
Theoretical physicist (1927–1990)
Robert Karplus (February 23, 1927 – March 20, 1990) was a theoretical physicist and leader in the field of science education.
Ерте өмір
Роберт Карплюс Венада дүниеге келді және 1938 жылы Австрияны Германия басып алғанға дейін сонда өмір сүрді. Ол анасы мен інісімен бірге Аншлюстен қашу үшін эмиграция жасады. Швейцарияда алты ай тұрғаннан кейін отбасы АҚШ-қа көшіп, Бостон аймағына қоныстанды. 1943 жылы Гарвард университетіне қабылданды және жиырма бір жасында докторлық диссертациясын қорғады. Э. Брайт Уилсонның жетекшілігімен жасаған диссертациясы микротолқынды спектроскопияға арналған, және тәжірибелік және теориялық зерттеулерді қамтыды. Ол жұмыс істегендер оның зеректігімен, жаңашылдығымен, энергиясымен және көңілді, оңтайлы көзқарасымен танылды. Оның әкесі Иоганн Пол Карплюс (1866–1936) Вена университетінде психиатрия профессоры болған. Ол әйгілі социолог, философ және музыка зерттеушісі Теодор В. Адорноның туысы, ал физик Роберт фон Либеннің шөбересі. Оның інісі – Нобель сыйлығының лауреаты, Гарвард университетінің химия профессоры Мартин Карплюс.
Robert Karplus was born in Vienna, where he lived until the German occupation of Austria in 1938. He emigrated with his mother and brother to escape the Anschluss. After a six month stay in Switzerland, the family moved to the United States and settled in the Boston area. He entered Harvard University in 1943 and completed his Ph. D at the age of twenty one. His thesis under E. Bright Wilson was on microwave spectroscopy and included both experimental and theoretical work. He was recognized by those he worked with for his brilliance, originality, energy, and cheerful, positive outlook. His grandfather Johann Paul Karplus (1866–1936) was a highly acclaimed professor of psychiatry at the University of Vienna. He is nephew, by marriage, of the famous sociologist, philosopher and musicologist Theodor W. Adorno and grandnephew of the physicist Robert von Lieben. His brother is Nobel laureate Martin Karplus, a Harvard chemist.
Физикадағы алғашқы еңбек жолы
Білімін аяқтағаннан кейін Карплюс Принстонның Жоғары оқу институтында жұмыс істеді, онда ол дамып келе жатқан, бірақ әлі сынақтан өтпеген кванттық электродинамика (КЭД) теориясына қызығушылық танытты. Электрондардың магниттік моменті әртүрлі тәжірибелер арқылы өте дәл анықталған, бірақ кванттық механикаға негізделген осы шаманың ең жақсы теориялық есептеулері тәжірибелік нәтижелермен күрт өзгешеліктерді көрсетті. Физиктердің арасында КЭД негізінде жасалған есептеулер тәжірибелік нәтижелермен сәйкес келе ме, жоқ па деген үлкен қызығушылық болды, бірақ КЭД-нің күрделілігі мен түсініксіздігіне байланысты ешкім мұндай есептеуді жүзеге асыра алмады. Карплюс Норман Кроллмен бірлесіп, КЭД-ді қолданып электронның магниттік моментінің мәнін есептеді. Бұл өте қиын есептеу болды, оның орындалуы екі ғалымнан бір жылдан астам күш-жігерді талап етті; олардың нәтижесі мен тәжірибелік өлшемдердің сәйкес келуі КЭД-нің алғашқы, маңызды растауы болды. Карплюс теориялық физика саласындағы жұмысын 10 жылдан астам уақыт бойы жоғары деңгейде жалғастырды, 1950 жылдан 1954 жылға дейін Гарвардта, содан кейін Берклидегі Калифорния университетінде 50 ғылыми мақала жариялады, олардың көп бөлігі КЭД-ге, сондай-ақ физиканың басқа да салаларына, оның ішінде Холл эффектісі, Ван Аллен сәулесі және ғарыштық сәулелерге арналған. Ол сонымен қатар тәжірибелік жұмыстарды ұнататын, Land Camera жылдам түсірілетін суреттерінің химиясын зерттеді және транзисторлар үшін германийді тазалауға арналған эксперименталдық құрастыру желісін құрды. Оның J. M. Luttinger-мен бірлесіп жазған «Феромагнетиктердегі Холл эффектісі» атты мақаласы 1100-ден астам ғылыми журналда сілтеме жасалған.
After completing his education Karplus worked at the Institute for Advanced Study in Princeton, where he became interested in the developing, but yet untested, theory of quantum electrodynamics (QED). The magnetic moment of the electron had been determined very precisely by means of a variety of experiments, but the best theoretical calculations of this quantity, based on quantum mechanics, were seriously at variance with the experimental results. There was great interest among physicists in knowing whether or not a calculation based on QED would agree with the experimental results, but because of the ambiguities and complexity of QED, no one had so far been able to do such a calculation. Karplus, in collaboration with Norman Kroll, used QED to calculate the value of the magnetic moment of the electron. This was an extremely difficult calculation, requiring more than a year of intense effort from both men; the agreement between their result and the experimental measurements was the first, dramatic confirmation of QED. Karplus continued his work at the highest level in theoretical physics for more than 10 years, at Harvard from 1950 to 1954 and then at the University of California, Berkeley, publishing 50 research papers, mostly in QED but also in other areas of physics, including the Hall effect, Van Allen radiation, and cosmic rays. He also thoroughly enjoyed experimental work, investigating the chemistry of Land Camera instant pictures and setting up an experimental germanium purification assembly line for transistors. His paper, with J. M. Luttinger, Hall Effect in Ferromagnetics has over 1100 journal citations.
Отбасылық өмір
1948 жылы Карплюс Гарвардта оқып жүрген кезінде ұйымдастырған халықаралық халық би тобында танысқан Элизабет Фрейзерге үйленді. 1950 мен 1962 жылдар аралығында олардың жеті баласы дүниеге келді. Карплюс үлкен баласы Беверли 8 жасқа келгенде, оның үшінші сыныбына электр туралы ғылым сабағын өткізу шақыруын қабылдады, бұл үшін атасынан қалған Вимшұрст машинасынан пайдаланды. Айыныштысы, балалар көрсетуден ләззат алғанмен, сабақ түсініксіздікке ұшырады. Бұл Карплюсты ғылымды қалай тиімді оқыту керектігі туралы ойлануға итермеледі, және қалған балалары мектепке барғанда, ол әртүрлі ғылыми тәжірибелер немесе демонстрациялармен сыныптарға "көрсетіп, айту" арқылы баруын жалғастырды. Балаларымен және олардың сыныптастарымен әңгімелескенде, ол балалардың оқуына, ойлау дағдыларына және ғылыми ұғымдарын қалыптастыруға көбірек қызығушылық таныта бастады. Оның қызы Беверли Карплюс Хартлайн танымал физик, ғылымды насихаттаушы және академиялық басшы болып есімдері шықты.
In 1948, Karplus married Elizabeth Frazier, whom he had met at an international folk dance group he organized while at Harvard. They had seven children born between 1950 and 1962. When the oldest child, Beverly, was 8, Karplus accepted her invitation to present a science lesson on electricity to her third grade class, using the Wimshurst machine he had inherited from his grandfather. Unfortunately, while the children enjoyed the demonstration, the lesson was a conceptual disaster. This stimulated Karplus to think about how to teach science better, and as the other children entered school, he continued to visit their classes on a "show and tell" basis with various science experiments or demonstrations. Conversing with his children and their classmates, he became increasingly interested in children's learning, reasoning, and science concept development. His daughter Beverly Karplus Hartline became a noted physicist, science communicator, and academic administrator.
Ғылым білім берудегі екінші мансап
Бірнеше жыл ішінде Карплюс теориялық физикадан ғылым мен математиканы зерттеуге, содан кейін оқу бағдарламаларын әзірлеуге өтті. Карплюс ойлау және логикалық ой-өрістің дамуы туралы бұрыннан белгілі мәліметтерді тез меңгерді, түрлі психологтарды, әсіресе Жан Пиажені зерттеді. Карплюс балалардың ойлау қабілетіне қатысты өзінің сұрақтарын қойып, деректер жинап, байқағандарын түсіндірудің өзіндік интерпретациясын жасады. Карплюстың жаңа құмарлығы, сәйкес келіп, АҚШ ғылым білімін жаңартуға бағытталған Спутник толқынынан кейінгі күш-жігермен тұспа-тұс келді. 1950-ші жылдардың соңында көптеген ғалымдар да ғылым біліміне және мектептерге белсенді атсалысты, бірақ Карплюс бастапқыда бастауыш білім беру деңгейінде жетекші болды. Ұлттық ғылым қоры (NSF) бастауыш деңгейдегі ғылым оқу бағдарламаларын қаржыландыруға бастапқыда қарсылық көрсетті, бірақ 1959 жылы Карплюс пен үш әріптесі бастауыш деңгейдегі ғылым мазмұнын жақсартуға арналған алғашқы NSF грантын алғанда бұл мәселе шешілді. Бұл жұмыс 15 жылдық монументалды жобаға айналды, ол «Ғылым оқу бағдарламасын жетілдіру» (SCIS) деп аталды. Карплюс пен Герберт Д. Тиердің басшылығымен SCIS физикалық және биологиялық ғылымдар бойынша 1-6 сыныптарға арналған кешенді, толық сынақтан өткен, тәжірибеге негізделген, зертханалық бағдарламаға айналды. Роберт Карплюс SCIS бастауыш ғылым материалдарын оқытушыларға осы материалдарды тиімді пайдалануға мүмкіндік беретін, сонымен бірге оқушыларға ғылымды оқып үйренуге және оған қызығушылық танытуға көмектесетін жүйелі оқыту процесіне айналдырудың маңыздылығын түсінді. Ол және басқалар оқыту циклының оқыту стратегиясын жасады. Карплюс Пиаже теориясын колледж студенттері мен ересектерге де қатысты қолданды; Пиаже теориясы төрт кезеңді қамтыды және ол балалардың ойлауын егжей-тегжейлі зерттеді, көптеген балалар шамамен 16 жасқа келгенде 3-кезеңнен (нақты операциялар) 4-кезеңге (абстрактілі ойлау) өтетінін анықтады. Карплюс Пиаже әдістемесін үлкен жастағы топтарға қолданды және осы адамдардың көптегісінің ғылыми, логикалық және математикалық мәселелерді шешуде абстрактілі ойлауды қолдану қабілетінде елеулі кемшіліктер бар екенін анықтады. Оның пропорционалдық ойлауды сынаудың ең танымал әдісі – «Мырза Биік және Мырза Қысқа» мәселесі болды. Карплюс колледж студенттері мен ересектердің ойлауын осы маңызды интеллектуалды өзгерістерге қатысты мәселелерді зерттеді және құжаттады, ол Пиаже және басқалар жас оқушылар үшін маңызды деп тапқан көптеген мәселелер мен қиындықтар үлкендер үшін де өзекті екенін анықтады, әсіресе олар үшін жаңа пән саласындағы мәселені шешуге тырысқанда. 1977 жылы Карплюс Америка физика мұғалімдері қауымдастығының (AAPT) президенті болып сайланды, ал 1978 жылы Ұлттық ғылым мұғалімдері қауымдастығы оған ғылым біліміне қосқан еңбегі үшін өздерінің марапатын табыс етті. Карплюс 1978-1980 жылдары ғылым және математика білімі бойынша аспирантура тобының (SESAME) төрағасы болды. 1980 жылы ол AAPT-нің ең жоғары наградасы – «физиканы барлық деңгейде оқытуға қосқан көптеген еңбегі үшін және әсіресе ойлауды дамыту зерттеулерінің физика оқытуына қатысты салдарының ашылуы үшін» Оерстед медалімен марапатталды. Карплюс 1980 жылы UC Беркли білім беру мектебінің деканы болып тағайындалды. Гарвардтағы химиялық физика бойынша Карплюс сыйлығы оның құрметіне аталды.
Within a few years, Karplus had changed careers—from theoretical physics, to research on science and math learning, and then to curriculum developer. Karplus quickly learned what was already known about the development of thinking and reasoning, studying various psychologists, especially Jean Piaget. Characteristically, Karplus also immediately began generating his own questions about children's thinking, collecting evidence, and developing his own interpretations and explanations of what he observed. Karplus’ new passion coincided, serendipitously, with the post Sputnik wave of efforts to upgrade US science education. Beginning in the late 50s, many other scientists also devoted themselves to science education and the schools, but Karplus was from the start a leader at the elementary level. Initially there was substantial reluctance at the National Science Foundation (NSF) to fund science curriculum projects at the elementary level, but this was overcome in 1959, when Karplus and three colleagues received the first of many NSF grants for the improvement of science content at the elementary level. This work evolved into a monumental 15 year effort called the Science Curriculum Improvement Study (SCIS). Under the direction of Karplus and Herbert D. Thier, SCIS became a comprehensive, fully tested, hands on, laboratory based program in both physical and biological science for grades K 6. Robert Karplus realized the importance of converting the SCIS elementary science materials into a systematic teaching process that would enable teachers to successfully use these materials while enabling students to learn and enjoy science. He, along with others, developed the learning cycle instructional strategy. Karplus extended Piaget's theory to college students and adults; Piaget's theory included four stages, and he had documented children's thinking in great detail, finding that most children made the transition from the 3rd stage (concrete operations) to the 4th stage (abstract reasoning) by about 16 years of age. Karplus, however, extended Piaget's methodology to older groups and found that many of these individuals had important gaps in their ability to use abstract reasoning in solving scientific, logical, and mathematical problems. His most famous test of proportional reasoning was the Mr. Tall Mr. Short problem. Karplus further explored and documented the details of college students’ and adults’ thinking as they confronted the issues involved in this critical intellectual transition, finding that many of the issues and problems that he, Piaget, and others had discovered as critical for younger students were still relevant for older individuals, particularly when they were attempting to solve a problem in a discipline that was new to them. In 1977 Karplus was elected president of the American Association of Physics Teachers (AAPT), and in 1978 the National Science Teachers Association awarded him their Citation for Distinguished Service to Science Education. Karplus was chairman of the Graduate Group in Science and Mathematics Education (SESAME) from 1978 to 1980. In 1980 he was awarded the AAPT's highest honor, the Oersted Medal, "for his many contributions to physics teaching at all levels and especially for his work in revealing the implications for physics teaching of research in the development of reasoning." Karplus was appointed the dean of the UC Berkeley Graduate School of Education in 1980. The prestigious Karplus Prize in Chemical Physics at Harvard is named after him.
Кейінгі өмірі
1982 жылдың маусым айында Сиэтл қаласындағы Грин-Лейк көлінің жанында жүгіріп бара жатқанда Карплюстың қанағаттандырмайтын жүрек тоқтауы болды, осы оқиға оның академиялық қызметіне нүкте қойды. Сегіз жылға созылған аурудан кейін, ол 1990 жылдың 20 наурызында дүние салды.
In June 1982 while jogging at Green Lake in Seattle, Washington, Karplus suffered a severe cardiac arrest that ended his academic career. After an eight year illness, he died on March 20, 1990.