Введение

Теоретический физик (1927–1990)
Роберт Карплюс (23 февраля 1927 – 20 марта 1990) был теоретическим физиком и лидером в области образования в области науки.

Ранние годы

Роберт Карплюс родился в Вене, где жил до немецкой оккупации Австрии в 1938 году. Он эмигрировал с матерью и братом, чтобы избежать аншлюса. После шестимесячного пребывания в Швейцарии семья переехала в Соединенные Штаты и поселилась в районе Бостона. В 1943 году он поступил в Гарвардский университет и завершил получение степени доктора философии в возрасте двадцати одного года. Его диссертация под руководством Э. Брайта Уилсона была посвящена микроволновой спектроскопии и включала как экспериментальные, так и теоретические исследования. Коллеги отмечали его блестящий ум, оригинальность, энергичность и жизнерадостный, позитивный взгляд на вещи. Его дед, Иоганн Павел Карплюс (1866–1936), был известным профессором психиатрии в Венском университете. Он приходился племянником по браку знаменитому социологу, философу и музыковеду Теодору В. Адорно и праправнучатым племянником физику Роберту фон Либену. Его брат – лауреат Нобелевской премии Мартин Карплюс, химик из Гарварда.

Ранняя карьера в физике

После окончания учебы Карплюс работал в Институте перспективных исследований в Принстоне, где заинтересовался развивающейся, но еще не подтвержденной теорией квантовой электродинамики (КЭД). Магнитный момент электрона был определен с высокой точностью в результате ряда экспериментов, но лучшие теоретические расчеты этой величины, основанные на квантовой механике, существенно отличались от экспериментальных результатов. Физики проявляли большой интерес к тому, совпадет ли расчет, основанный на КЭД, с экспериментальными данными, но из-за неоднозначности и сложности КЭД никому до сих пор не удавалось провести такой расчет. Карплюс в сотрудничестве с Норманом Кроллом использовал КЭД для вычисления значения магнитного момента электрона. Это был чрезвычайно сложный расчет, потребовавший более года напряженной работы от обоих ученых; соответствие между их результатом и экспериментальными измерениями стало первым, впечатляющим подтверждением КЭД. Карплюс продолжал свою работу на высочайшем уровне в теоретической физике более 10 лет, сначала в Гарварде с 1950 по 1954 год, а затем в Калифорнийском университете в Беркли, опубликовав 50 научных работ, преимущественно по КЭД, но также и в других областях физики, включая эффект Холла, излучение Ван Аллена и космические лучи. Он также с большим интересом занимался экспериментальной работой, изучая химию моментальных снимков фотокамеры "Land Camera" и создавая экспериментальную линию по очистке германия для производства транзисторов. Его статья, написанная совместно с J. M. Luttinger, "Эффект Холла в ферромагнетиках" имеет более 1100 цитирований в научных журналах.

Семейная жизнь

В 1948 году Карплюс женился на Элизабет Фрейзер, с которой познакомился в международной группе любителей народных танцев, организованной им во время учебы в Гарварде. У них родилось семеро детей в период с 1950 по 1962 год. Когда старшей дочери Беверли исполнилось восемь лет, Карплюс принял её приглашение и провёл урок электричества в её третьем классе, используя машину Вимшёрста, доставшуюся ему от деда. К сожалению, хотя детям демонстрация понравилась, урок оказался концептуальным провалом. Это побудило Карплюса задуматься о том, как лучше преподавать науку, и, когда остальные дети пошли в школу, он продолжал посещать их классы с различными научными экспериментами и демонстрациями в формате "покажи и расскажи". Общаясь со своими детьми и их одноклассниками, он всё больше интересовался тем, как дети учатся, как они рассуждают и как формируются их научные представления. Его дочь Беверли Карплюс Хартлайн стала известным физиком, специалистом по научной коммуникации и администратором в сфере образования.

Вторая карьера в научном образовании

В течение нескольких лет Карплюс сменил род деятельности – от теоретической физики к исследованиям в области обучения науке и математике, а затем стал разработчиком учебных программ. Карплюс быстро изучил известные на тот момент сведения о развитии мышления и рассуждений, изучая работы различных психологов, особенно Жана Пиаже. Характерно, что Карплюс сразу же начал формулировать собственные вопросы о мышлении детей, собирать доказательства и разрабатывать собственные интерпретации и объяснения наблюдаемого. Новая страсть Карплюса совпала, во многом случайно, с волной усилий по модернизации американского научного образования, последовавшей за запуском Спутника. Начиная с конца 50-х годов, многие другие ученые также посвятили себя научному образованию и школам, но Карплюс с самого начала стал лидером на начальном этапе обучения. Первоначально Национальный научный фонд (NSF) проявлял значительное нежелание финансировать проекты по разработке учебных программ по естественным наукам для начальной школы, но это препятствие было преодолено в 1959 году, когда Карплюс и три его коллеги получили первый из многих грантов NSF на улучшение содержания естественнонаучного образования в начальной школе. Эта работа выросла в монументальный 15-летний проект под названием Исследование по улучшению учебных программ по естественным наукам (SCIS). Под руководством Карплюса и Герберта Д. Тьера SCIS превратилась в комплексную, тщательно протестированную, практико-ориентированную, лабораторную программу по физике и биологии для 1-6 классов. Роберт Карплюс осознал важность преобразования учебных материалов SCIS для начальной школы в систематический процесс обучения, который позволил бы учителям успешно использовать эти материалы, а учащимся – учиться и получать удовольствие от науки. Он, вместе с другими, разработал стратегию обучения, основанную на цикле обучения. Карплюс распространил теорию Пиаже на студентов колледжей и взрослых; теория Пиаже включала четыре стадии, и он подробно задокументировал мышление детей, обнаружив, что большинство детей переходят с 3-й стадии (конкретные операции) на 4-ю стадию (абстрактное мышление) примерно в 16 лет. Однако Карплюс расширил методологию Пиаже на более старшие группы и обнаружил, что у многих из них есть существенные пробелы в способности использовать абстрактное мышление при решении научных, логических и математических задач. Его самым известным тестом на пропорциональное мышление была задача о мистере Высоком и мистере Низком. Карплюс далее исследовал и задокументировал особенности мышления студентов колледжей и взрослых, когда они сталкивались с проблемами, связанными с этим критическим интеллектуальным переходом, обнаружив, что многие из проблем, которые он, Пиаже и другие считали критическими для младших школьников, остаются актуальными и для взрослых, особенно при решении задач в новой для них области знаний. В 1977 году Карплюс был избран президентом Американской ассоциации учителей физики (AAPT), а в 1978 году Национальная ассоциация учителей естественных наук наградила его своей Наградой за выдающиеся заслуги в области научного образования. Карплюс был председателем Высшей группы по науке и математическому образованию (SESAME) с 1978 по 1980 год. В 1980 году он был удостоен высшей награды AAPT – медали Эрстеда «за его многочисленные вклады в преподавание физики на всех уровнях и особенно за его работу по выявлению последствий исследований развития мышления для преподавания физики». Карплюс был назначен деканом Высшей школы образования Калифорнийского университета в Беркли в 1980 году. Престижная премия Карплюса по химической физике в Гарвардском университете названа в его честь.

Поздние годы

В июне 1982 года, во время пробежки у озера Грин-Лейк в Сиэтле, штат Вашингтон, у Карплюса произошла тяжелая остановка сердца, что положило конец его академической карьере. После восьми лет болезни он скончался 20 марта 1990 года.