Öğrencilere, bilimin doğasını yeterince anlamaları için yardım etmek fen öğretiminin en temel amaçları arasındadır.(1) Yapılan araştırmalar gerek fen öğrencilerinin gerekse fen öğretmenlerinin bilimin doğasına dair kabul edilen bilimsel yaklaşımla uyumlu olmayan kavramlara sahip olduklarını göstermektedir.2-7Geçerli yaklaşıma göre, fen öğretiminde içerik amaç değil, bilimsel sürecin doğasının öğretimi için bir araçtır. Bu nedenle, bilimin doğasının öğretimi için uygun araçların(içeriğin) seçimi önemlidir.

Bilimin en önemli karakteristiklerinden birisi de ampirik (deneysel) olmasıdır. Fen öğretimi, sadece bilimin ampirik doğasını vurgulayarak değil, temel keşfe dayalı prensipleri vurgulayarak da kavramsal anlamayı kolaylaştırabilir.Öğrencilerin bilimin doğasını anlamasını istiyorsak bilimin ampirik doğasını vurgulamak yeterli değildir. Bu çalışmada, bilimde keşfe dayalı prensiplere dikkat çekilerek, gravitasyon konusunun bilimin doğasının birçok yönünün öğretimi için uygun bir konu olduğu tartışılacaktır.

Keşfe dayalı prensipler

1897’de Thomson’un katot ışınlarıyla deneyler yaparken elektronu keşfettiğine inanılır.Thomson’un katot ışınlarının e/m değerini belirlemesi önemli bir deneysel sonuçtur. Fakat, Thomson e/m değerini belirleyen ne tek ne de ilk kişidir. Kaufmann (1897) ve Wiechert (1897) de aynı yıl Thomson’un bulduğu e/m değeriyle aynı değeri, belirlemişlerdir.Bilim, deneyseldir dediğimizde bilimin bu önemli yönünü göz ardı etmiş oluruz.

Böylece, Thomson,Kaufmann ve Wiechert’in çalışmaları arasındaki fark tam olarak görülemez. Kaufmann, elde ettiği bu deneysel sonuçlardan hiçbir sonuç çıkaramadı. Wiechert ise katot ışını parçacıklarının evrensel nitelikte çok küçük parçacıklar olduğunu anlamasına rağmen Thomson’un yaptığı zihinsel tahlilden çok uzaktı.Bu parçacıkların atomların temel bileşenleri olduğu fikrini asla yakalayamadı. Böylece, Wiechert katot ışınlarıyla ilgili uzun süredir devam eden tartışmalara bir çözüm getirmesine rağmen, elektronun keşfeden kişi olamadı. e/m oranının deneysel olarak belirlenmesinin arkasındaki mantık, keşfe dayalı (heuristic) bir prensiple Thomson tarafından sağlandı.(3 ) Thomson e/m oranını belirleyeceği deneyi yapmadan önce,

“Eğer bu oran sabit çıkmazsa katot ışınları iyon olarak, tam aksine eğer sabit çıkarsa bunlar temel yüklü parçacık olarak tanımlayacağım.”

şeklinde düşündü.

Yine, elektronun yükünün belirlenmesi için Milikan’ın yağ damlası deneyi, bilim tarihindeki önemli deneylerden birisidir.Yukarıda yaklaşım dikkate alındığında, Milikan elektronun yükünü belirlerken elinde bir elektron teorisini olduğunu ve bu teoriye göre bir deney keşfettiği görülebilir. Milikan, deneyini yaparken elektronun varlığını ve böylece deneysel olarak belirlenmesini ortaya koyan bir elektron teorisi mevcuttu. Temel bir yükün varlığı kabulü olmaksızın, Milikan’ın elindeki deneysel verilerinin hiçbir anlamı olmayacaktır.(4 )

Aynı deneysel verilerin farklı şekilde yorumlanmasının başka bir örneğini Rudherford ve Thomson’un atom modellerinde görebiliriz. Rutherford alfa parçacıklarıyla yaptığı deneyle sonucunda nükleer atom modelini ileri sürmüştür. Thomson ve arkadaşları alfa parçacıklarıyla yapmış oldukları deneylerde Rudherford’la aynı sonuçları buldular.Bu deneysel verilere dayanarak, alfa parçacıklarının büyük açılarda saçılmaları için Thomson bileşik saçılma hipotezini ileri sürerken, Rudherford tekli saçılma hipotezini ileri sürmüştür.Bu iki hipotez iki farklı atom modelinin ortaya çıkmasına neden olmuştur.(5 )

Gravitasyon’un öyküsünde bilimin kristalize olmuş şekli görülebilir.Gravitasyon, tarih boyunca teorilerin en geçerli test alanlarından birisi olmuştur.Yukarıdan bakıldığında yere doğru hareket eden nesneler, ilk çağlardan bu yana, insanoğlunun tecrübe alanını işgal etmiş bir olgudur. İnsanlar eski zamanlardan beri bu olguyu anlamaya ve açıklamaya çalışmıştır.Bu olguyla ilgili ilk açıklamayı antik Yunan’da görmekteyiz. Aristo’nun (M.Ö. 384-322) kapsamlı doğa felsefesi içerisinde, düşen nesneler önemli bir yer tutmaktadır.Ona göre evrende her elementin ( toprak, su, hava ve ateş) bir yeri vardır. En altta su, onun üzerinde toprak, toprağın üzerinde hava ve havanın üzerinde ise ateş yer almaktadır.Tüm maddeler bu dört elementten oluşmaktadır.

Bir eşyanın özelliklerini belirleyen şey, bu elementlerin o eşya içerisinde bulunma oranlarıdır.Maddelerin duyu organlarımızla algıladığımız tüm özelliklerini (renk, koku vb.) belirleyen bu oranlardır.Bu yerden ayrı düştüğünde yeniden ait olduğu yere dönmek ister ve buna çalışır. Buhar hâlinde havaya çıkan su, yağmur olarak ait olduğu yere (yeryüzüne) iner.Yukarıdan bırakılan bir taş parçasının hareketi ise benzer şekilde ait olduğu yere gitme eğiliminin bir sonucudur (Şekil 1). Yakılan ateşin yukarı doğru yönlenmiş alevlerinin nedeni en üst tabakada bulunan yerine gitme isteğidir6.

 

Ayrıca, Aristo’ya göre bir cismin hareketinin sürdürmesi ancak onu hareket ettiren şeyle temasının kesilmemesini gerektirir. Aristo’nun bu yaklaşımında, hareketi antropomorfolojik ( insan merkezli ) bir açıdan dikkate aldığı görülmektedir. Aristo’nun bu yaklaşımı binlerce yıl boyunca gücünü kaybetmeksizin geçerliliğini sürdürmüştür. 17. yüzyıla gelindiğinde Galileo’nun açtığı yolda,Newton’un(1642-1727) bu olguya yeni bir çehre kazandırdığını görmekteyiz. Newton gravitasyonu, kütleler arasında, uzaktan birbirine etkidiğini varsaydığı kuvvet kavramını dikkate alarak açıklama yoluna gitmiştir. Böylece, Newton, keşfe dayalı (heuristic) bir prensip ileri sürmüştür.

 

F=G(m₁m₂)/R²

eşitliği ile gravitasyonu basit ve güçlü bir temele oturtmuştur. Ona göre yukarıdan bıraktığımızda nesnelerin hareketi dünyanın o nesneye uyguladığı çekim kuvvetinin bir sonucudur (Şekil 2). Kuvvet nedir? Newton’un sisteminde kuvvet standart bir kütleye kazandırdığı ivmeyle tanımlanmıştır. Başka bir ifadeyle nesnelerin hareketinde meydana gelen değişimler, o nesneye, etkidiğini düşündüğümüz kuvvet kavramını atfetmemize neden olmaktadır.Epistemolojik açıdan bakıldığında hareket kuvvetten doğmamış, kuvvet hareketten kaynaklanmıştır. 1789 yılında Henry Cavendish, Newton’un ortaya koyduğu bu keşfe dayalı (heuristic) prensibi dikkate alarak “dünyanın tartılması” adını verdiği deneyini yapmıştır. Cavendish, bu deneyi yapmadan önce elinde bir gravitasyon teorisi vardı.Newton’un kütlesel çekim hipotezi olmadan Cavendish’in deneysel bulgularının bir anlam ifade etmesi düşünülemez.

20. yüzyılın başlarında gravitasyona yeni bir bakış açısı Einstein(1897-1955)’dan gelmiştir.Einstein yukarıdan bırakılan nesnenin hareketini, onların üzerine dünyanın uzaktan etkidiğini düşündüğü kuvvetle değil, uzayın eğriliği (ya da şekli) ile açıklayarak yeni bir keşfe dayalı prensip ortaya koymuştur (Şekil 3). Ona göre, nesnelerin hareketi, dünyanın ona etkidiği çekim kuvvetinden değil, kütlelerin uzayın yapısını bozmasının (ya da bükmesinin) bir sonucudur. Ona göre ay dünyanın çevresinde, dünya onu çektiği için değil, dünyanın kütlesi nedeniyle, ayın bulunduğu uzayın eğik olması nedeniyle dönmektedir.

 

Daha sonraları, gravitasyon kütleler arasında taşınan“graviton” adı verilen bir temel parçacığın varlığı ile açıklanmaya çalışılmıştır (Şekil 4). Gravitasyon’un bu uzun ve ilginç öyküsü bitmiş değildir.

Tüm bu yaklaşımlarda geçen kavramların doğasının anlaşılması bilimin kavramsal olarak anlaşılması açısından önemlidir. Newton’un yaklaşımındaki kuvvet ve nesne kavramlarının doğasının anlaşılması bilimin temel karakteristiklerinin bilinmesi açısından önemlidir.Kuvvet ve nesne kavramlarına fiziksel dünyadaki karşılıkları açısından bakıldığında, kuvvetin soyut, söz konusu nesnenin ise somut olduğu görülecektir. “Kuvvet”, düşen nesnelerle yapılan gözlemlerin, bize varlığını kesinlikle kabul etmemizi zorunlu kıldığı bir kavram değildir. Bu nedenle “kuvvet”, gözlenen olgunun açıklanması için ileri sürülen, icat edilen zihinsel bir üründür. Fakat söz konusu nesne böyle değildir. Bu ayrım Newton ve Einstein’ın yaklaşımları karşılaştırıldığında daha açık olacaktır. Einstein’ın aynı gözlemi açıklarken kuvvet kavramını kullanmaması, kuvvet kavramının insan zihninin bir ürünü olduğunu gösterdiğinden, bu kavramın doğasını daha belirgin hâle getirmektedir. Einstein’ın yaklaşımında kuvvet kavramının yerini ''alan'' kavramı almaktadır. Bu da “alan” ve “kuvvet” kavramlarının kavramsal olarak ortak karakteristiğini ortaya koymaktadır. Böylece aynı gözlem farklı şekillerde yorumlanmaktadır. Yine bu yorum, bize Newton’da kuvvet-hareket, Einstein’da ise alan-hareket ilişkisinin zorunlu ampirik bir ilişki olmadığını ortaya koymaktadır. Çünkü hareket, alana atfedileceği gibi kuvvete de atfedilebilmektedir.

Epistemolojik açıdan bu yaklaşımların hangisi tercih edilmelidir? Aristo’nun yaklaşımı Einstein’ın yaklaşımına tercih edilebilir mi? Ya da Einstein’ın yaklaşımı Newton’un yaklaşımına tercih edilebilir mi? Gerçekte bunu belirlemek için geçerli bir yöntem yoktur.  Kuhn ( 7 ) bununla ilgili olarak

“...Newton mekaniğinin, Aristo mekaniğini daha ileri götürdüğünden ve Einstein’ın bulmaca çözücü araçlarının Newton’unkilerden daha iyi olduğundan hiçbir kuşkum yok. Fakat, bu süreklilikte ben hiçbir tutarlı varlık bilimsel gelişme yönü görmüyorum.Tam tersi, önemli birçok bakımdan (her bakımdan olmasa da) Einstein’ın genel görelik kuramı Aristo’nun kuramına, her ikisinin Newton’unkine olduğundan çok daha yakındır.”

ifadeleriyle bu düşünceyi ortaya koymaktadır.

( Thomas Samuel Kuhn (d. 18 Temmuz 1922 - ö. 17 Haziran 1996) Amerikalı Filozof ve bilim tarihçisidir. Kuhn'un en önemli yapıtı "The Structure of Scientific Revolutions" adlı kitabıdır. )

Bu ise bize bilimin birikimsel olarak ilerlemediğini göstermektedir.Bilim tarihinin kesintilerle dolu bir süreç olduğu gravitasyon’un bu öyküsünde açıkça görülmektedir. Ayrıca, bu durum bilimin mutlak gerçeklerle ilgilenmediğini de göstermektedir.

Bu çalışmanın yazarlarından Yalçın, üç dönemden beri kimya öğretmenliği öğrencilerine olan derslerin de bilimin doğasıyla ilgili konularda gravitasyon’un bu öyküsünü anlatmış, öğrencilerin ilgiyle izlediğini gözlemiştir. Ayrıca, öğrencilerden ilginç cevaplar almıştır.Bu cevaplar, bu konunun bilimin doğasının öğretiminde ne kadar önemli bir materyal olabileceğini göstermesinin yanı sıra, öğrencilerin bilimin doğasına dair bilgi eksikliklerini de ortaya koymaktadır.

Aşağıda, derslerde öğrencilerin vermiş olduğu bazı cevaplar yer almaktadır.

“Nasıl olur, madem aynı şeyler farklı şekilde yorumlanıyorsa, bilgisayarlar, cep telefonları ve televizyonlar nasıl yapıyorlar.”

“Öyleyse biz bunları boşuna mı öğreniyoruz.”

Bilimin doğasının tam olarak anlaşılamaması öğrencilerin düşünce ve hayal gücünü kısıtlamaktadır.Aşağıda bunu gösteren bir diyalog yer almaktadır.

Yalçın:“...bu nedenle arkadaşlar, bu olguya (gravitasyon) farklı gözlerle bakabilmek gerekir. Bunların dışında bir bakış açısı geliştirmeliyiz...”

Öğrenci (1): “Öyleyse hocam bu olayı çekmeyle değil de itmeye açıklayamaz mıyız?”

Bu cevap hayal gücünün ve bağımsız düşünme yeteneğinin seviyesini göstermektedir. Nobel Ödüllü Fizik Profesörü Richard P.Feynman’ın şu sözleri (8),

“...bize gerekli olan şey hayal gücüdür; ama korkunç bir deli gömleği giydirilmiş hayal gücü. Dünyaya yepyeni bir bakış açısı bulmamız gerek ve bu bakış açısı bilinen her şeyle uyumlu olmalı. Ancak tahminler bir yerde bir şeylere ters düşmeli; yoksa ilginç olmaz. Bununla beraber ters düştüğü konuda da doğa ile uyum içinde olmalıdır.Gözlemlenmiş bulunan her şeyle tamamen uyum içinde olan, ancak başka bir noktada ters düşen bir bakış açısı bulabilirseniz büyük bir iş yapmış olursunuz.Sınanmış bütün teoriler yönünden denendiğinde uyumlu, ama bir başka kapsamda farklı sonuçlar veren; hatta sonuçları doğayla uyuşmayan bir teori bulmak hemen hemen olanaksızdır; ama tamamen değil. Yeni bir teori düşünmek son derece zordur ve olağan üstü bir hayal gücü gerektirir...”

hayal gücünün ve bağımsız düşünmenin bilimsel süreçteki önemine dikkat çekmektedir.

Öğrenci (2): “(Einstein’ın yaklaşımına göre tahtaya çizilmiş olan “alan” çizgilerini göstererek, Şekil 3) Peki hocam bu eğrileri biz niçin göremiyoruz?”

Yalçın:“Newton’un “kuvvet”ini görebiliyor musun?”

Öğrenci (3): “Evet haklısınız, onu da göremiyoruz.Bunu hiç düşünmemiştim.”

Ayrıca, gravitasyon, bilimsel bilginin teorik ve ampirik kavramları arasındaki ayırımın gösterilmesi için kullanılabilecek bir konudur.

Öğrenci (4): “Kuvvetin varlığına elmanın varlığına inandığım kadar inanıyorum.Elma üzerine kuvvet etkimese niye hareket etsin ki?”

Öğrenciler, teorilerde geçen teorik ve ampirik kavramlar arasında ayrım yapamamaktadır.Onu dünyaya çektiğini düşündükleri kuvvetle bırakılan eşya arasındaki ayrımın farkında değillerdir. Yukarıdan bırakılan eşya ile onu dünyaya çektiğini düşündükleri kuvvetin varlığına inançları aynı düzeydedir.Eşyayı gördüğü için varlığına ne kadar inanıyorsa görmediği fakat eşyaya etkidiğini düşündüğü kuvvetin varlığına da o derece inanmaktadır.

Teorik ve ampirik kavramlar arasındaki ayrımın yapılamaması, aynı olguyu farklı bir teori çerçevesinde değerlendirilmesinde de problemlere sebep olmaktadır.Öğrencilerde teorik ve ampirik kavramlar arasında tek fark olarak birinin görülebilir diğerinin ise görülemez fakat her ikisinin de mevcut olduğu inancı hâkimdir. Varlığı yönünden ikisi arasında kesinlikle bir fark gözetilmemektedir. Teorik ve ampirik kavramların eşdeğer tutulmaları sonucu, öğrencilerde saat gibi çalışan, kendine özgü bir takım çarkları ve dişlileri olan, görünen ve görünmeyen (fakat var olan) kavramların karşılık geldiği nesnelerin deterministik bir ilişki çerçevesinde bağlantılı olduğu mekanik bir doğa anlayışı gelişmektedir. Bu yaklaşım, insanın, değiştirilebilme ve yorumlanabilme gibi özelliğe sahip teorik kavramı, gözleme dayalı ampirik kavrama indirgemektedir.Fen eğitiminde amaç bireye bilimsel düşünce yeteneği kazandırmaktır. Yani, fen öğretimi bilimsel bilgi yığınlarının bireye kazandırılması değil bu bilimsel bilgilerin elde ediliş yönteminin öğretimi olmalıdır.Bu nedenle, gravitasyon’un bu öyküsünün, bilimin bir çok karakteristiğinin öğretimi için iyi bir konu olabileceği açıktır. Gravitasyon’un bu sürecinde bilimsel bilginin ampirik ve teorik bileşenleri arasındaki ayrımı daha açık bir şekilde görebilmekteyiz. Gravitasyon konusu, bilimin aşağıdaki karakteristiklerinin öğrencilere kazandırılması için kullanılabilir.

1. Bilim mutlak gerçeklerle ilgilenmez.Bilim, mutlak gerçekliğe ulaşmayı hedeflemez. Bilimsel bilgi, insan yorumudur. Bilim, insanların tabiatı anlamak için oluşturdukları bir zihinsel girişimdir. Gravitasyon’a dair gerek Newton’un gerekse Einstein’ın yaklaşımları onların hayal güçlerinin bir ürünüdür.

2. Nedensellik deneysel bir zorunluluk değildir.Nedensellik teorik bir prensiptir, yani insan zihninin bir ürünüdür. Tabiatta nedensellik gizli olarak bulunan bir prensip değildir.

3. Bilim değişkendir.Farklı dönemlerde farklı yaklaşımların benimsenmesi söz konusudur.Bu ise bize bilimin belli dönem ve zamanlarda bilim adamlarının uzlaşmasından başka bir şey olmadığını göstermektedir.

4. Bilim birikimsel bir şekilde ilerlemez.Aksine, kesintilerle ilerler.Geçen uzun zamanda Newton’un yaklaşımı, Aristo’nun, Einstein’ın yaklaşımı ise Newton’un yaklaşımının yerini almıştır.

5. Keşfe dayalı (Heuristic) prensipleri bulmanın belirli bir metodu yoktur. Bu prensiplerin ortaya konması psikolojik bir süreçtir. Bu prensipler, sezgisel olarak ortaya atılırlar. Ne Newton ne de Einstein, bu prensiplere ulaştıkları bir yöntemden bahsetmezler.

6.Teorilerde teorik ve ampirik olmak üzere iki tür kavram vardır.