Составитель: Ст. преподаватель кафедры математики и естественных дисциплин Коршунова И.В. |
Дата: 20.12.2000 г. |
Методологические аспекты школьного курса физики.
Поскольку физическая наука включает в себя не только систему знаний, но и процесс добывания этих знаний, необходимо овладение методологией науки. Понятие ''методология'' является производным от понятия ''метод'' (компонент науки, который связан с действиями исследователя, его планами решения той или иной познавательной задачи). Сюда входят разнообразные эмпирические и теоретические приёмы, систематическое применение которых к достижению поставленной цели.
Для реализации на практике образовательных и воспитательных функций методологии науки необходимо разработать целостную систему формирования у учащихся методологических знаний и умений. С точки зрения основных задач совершенствования обучения эти знания и умения должны:
· служить сознательному усвоению физических знаний, углубленному пониманию сути изучаемых явлений и закономерностей;
· способствовать правильного, научного мировоззрения;
· раскрывать характер и динамику научного познания, вооружать учащегося общенаучными методами познаниями;
· способствовать преодолению узкопрактического понимания физики как науки, показывая последнюю как один из аспектов общечеловеческой культуры и основу современной техники;
· содействовать развитию любознательности, интереса к овладению знаниями, творческих способностей и физического мышления, интеллектуальных умений;
· способствовать формированию таких черт личности как гуманизм и гражданственность, трудолюбие, стремление приносить людям пользу.
Методологические знания в курсе физики – это обобщённые знания о методах и структуре физической науки, основных закономерностях её функционирования и развития. Эти знания не являются какими-то внешними, привнесёнными в основы физики, дополнительными к предметным, в традиционном смысле слова, знаниями; наоборот, они внутренне присущи современному курсу физики.
Система методологических знаний и умений включает в себя следующие направления, вокруг которых обобщается весь учебный материал курса физики средней школы:
1. Научный эксперимент и методы экспериментального познания.
2. Физическая теория и методы теоретического познания.
3. Стержневые методологические идеи физики.
4. Основные закономерности развития физики.
Рассмотрим основные методологические и методические черты каждого из этих направлений:
1. Научный эксперимент и методы экспериментального познания.
Различают два метода эмпирического познания – наблюдение и эксперимент.
Наблюдение – это целенаправленное восприятие явлений окружающей действительности, в ходе которого получают знания в внешних сторонах, свойствах и отношениях изучаемых объектов.
Под экспериментом понимают такую практически-познавательную деятельность человека, когда последний активно вмешивается в протекание изучаемого процесса.
Что касается термина ''опыт'', то в науке его используют предельно широко – как всю совокупность практических взаимоотношений между человеком и материальным миром, как результат освоения действительности. В истории физики этот термин означает эксперимент или наблюдение, проведенные учёными. В методике преподавания физики термин ''опыт'' используют чаще других, когда речь идёт о самостоятельном эксперименте или наблюдении учащегося в процессе лабораторного практикума и фронтальных лабораторных работ или демонстрации учителя, за которой учащийся наблюдает.
Необходимость формирования у школьников глубоких знаний о сущности экспериментального познания определяется той ролью, которую играет эксперимент в физических исследованиях:
Формирование экспериментальных знаний и умений осуществляется в двух основных формах: проведение учебного эксперимента и ознакомление с историческими опытами, сыгравшими большую роль в развитии физической науки.
Учителю необходимо включить в учебный процесс целый комплекс экспериментальных умений методологического характера: описать наблюдение или эксперимент; подметить различие между тем, что ожидалось получить и что в действительности получилось в ходе эксперимента; отличить в нём существенное от второстепенного; сделать предсказание дальнейшего хода эксперимента; самостоятельно выдвинуть гипотезу, объясняющую полученный результат; использовать графики и таблицы.
2. Физическая теория и методы теоретического познания.
К методам теоретического познания относятся: абстрагирование, идеализация, моделирование, сравнение, аналогия, гипотеза и мысленный эксперимент.
Выделим характерные черты каждого метода:
1. А б с т р а г и р о в а н и е - отвлечение от несущественных в данном исследовании свойств исследуемого объекта или же выделение у объекта свойств, которые должны стать предметом самостоятельного исследования. Например, изучая законы взаимодействия электрических заряженных частиц, можно абстрагироваться от их гравитационного взаимодействия, ибо оно во много раз слабее электромагнитного.
2. И д е а л и з а ц и я – это мысленное образование абстрактных объектов в результате отвлечения от принципиальной невозможности осуществить их практически.
В физике идеализация осуществляется в двух формах:
а/. идеализация самих объектов (например, введение понятия абсолютно твёрдого тела, идеальный газ, материальная точка и т.д.);
б/. идеализация условий, в которых находится объект (например, ИСО, аднабатической оболочки, замкнутая система и др.).
3. М о д е л и р о в а н и е – материальное или мысленное создание искусственных систем, которых воссоздают определённые свойства изучаемых объектов. А сами эти искусственные системы являются моделями.
Любая модель, хотя бы и частично, должна отражать реальные свойства и установить существенные взаимосвязи, хотя она и не всегда может содержать все характерные черты моделируемого объекта или явления. Так, моделью молекулы в ''молекулярной физике'' является твёрдый неделимый шарик. Его движение происходит по законам Ньютона, а взаимодействие с другими молекулами – шариками – по закону абсолютно упругих столкновений.
Важную дидактическую и методологическую роль в курсе физики играют так же наглядные модели: броуновское движение, кристаллические решётки различных веществ, линии напряженности электрического поля и т.д.
4. С р а в н е н и е – это установление сходства и различия между объектами. Например, при сравнении закона Кулона и ЗВТ обнаруживается, что они различны по физическому содержанию, но одинаковы по своей математической структуре. При использовании метода сравнения необходимо помнить, что сравнение не объясняет явление, но помогает уяснить его сущность.
5. А н а л о г и я – метод познания, при котором из сходства некоторых признаков двух или более объектов делается вывод о сходстве других их признаков.
Например, тот факт, что звук и свет сопровождаются одними и теми же явлениями – отражением, преломлением, дисперсией, интерференцией и др., привёл Гюйгенса к мысли о волновой природе света.
Условия успешного применения метода аналогии заключается в следующем:
а/. сходные признаки объектов должны быть существенными, и их число должно быть максимальным;
б/. разные признаки у объектов должны быть несущественными, и их число должно быть минимальным.
Правильность аналогии всегда проверяется в конечном счёте практикой. Ценность аналогии заключается в том, что она ведёт к выдвижению гипотез.
6. Г и п о т е з о й – называется выдвигаемое на основе известных фактов предположение о непосредственно ненаблюдаемых формах связи явлений или внутренних механизмах, обуславливающих эти явления и присущие им формам связи. Гипотеза не просто регистрирует и суммирует известные старые и новые факты, а пытается дать им объяснение, в силу чего её содержание значительно богаче тех данных, на которые она опирается.
Научную гипотезу характеризуют следующие черты:
1. Обязательное согласование гипотезы с тем фактическим материалом, для объяснения которого она выдвигается.
2. Принципиальная проверяемость гипотезы.
3. Логическая простота.
4. Надежность гипотезы.
Приведём обобщённую схему, отражающую логику включения гипотезы в процессе объяснения нового материала.
|
Гипотеза: вещество обладает внутренней энергией.
|
7. М ы с л е н н ы й э к с п е р и м е н т - это теоретический анализ такой экспериментальной ситуации, которую никогда нельзя создать в действительности. Он ведёт к глубокому пониманию действительных экспериментов, к установлению законов природы и более глубокому проникновению в сущность физических теорий.
Мысленный эксперимент применяют, например, при выводе формулы Архимедовой силы; при выводе основного уравнения МКТ идеального газа.
Перейдём к следующему уровню теоретического познания – физической теории. При изучении школьного курса физики учащихся необходимо познакомить с важнейшими характеристиками научной теории. К ним относятся:
1. Достоверность и соответствие результатам эксперимента.
2. Не описание фактов, а их объяснение.
3. Теория должна быть эвристической и предсказательной, (т.е. давать новые знания, первоначально в неё заложенные).
4. Концентрированность и общность (исходя из небольшого числа основных положений можно было получать различные следствия и охватывать довольно большое число реальных явлений).
5. Внутренняя непротиворечивость и способность к усовершенствованию.
Любая физическая теория соответствует следующей структуре:
|
|
В школьном курсе физики изучаются следующие теории: классическая механика Галлилея - Ньютона, МКТ идеального газа, теория электромагнитного поля, СТО, атомная теория Бора.
3. Стержневые методологические идеи физики:
1. Идея э л е м е н т а р н о с т и – характеризует фундаментальную сущность физической картины мира, стимулируя проникновение научного познания вглубь материи.
Например, в электронной теории, изучаемой в курсе электродинамики, структурной единицей материи является электрон. Здесь понятие элементарности связывается с понятием частицы как ''кирпичика'' материального объекта и с элементарностью количественной меры свойства частицы – электрического заряда. Заряд электрона – наименьшее количество электричества, далее неделимое.
2. Идея с о х р а н е н и я . Учитель знакомит учащихся с различными проявлениями идеи сохранения в связи с изучением закона сохранения количества вещества, импульса, момента импульса, энергии, электрического заряда. Законы сохранения выступают в роли некоего принципа ''запрета'', заранее отвергающего любые теоретические построения, если в них происходит нарушение хотя бы одного их перечисленных законов. Таков способ изучения физических явлений.
3. Идея с и м м е т р и и. Эта идея констатирует существование всеобщей и универсальной особенности материальных явлений, законов природы, связанное с неизменностью некоторых важнейших аспектов относительно определённой группы преобразований.
Принцип симметрии представляет собой более общую конструкцию, чем законы. Это функция ''управления'' законами. Она была раскрыта в истории физики теоремой Эмми Нетер, согласно которой с каждой физической теорией можно связать некоторую фундаментальную группу симметрии. В частности, теорема Нетер показала возможность вывода классических законов – сохранения энергии, импульса и момента импульса, как следствий соответственно однородности времени, однородности и изотропности пространства.
Симметрия в природных условиях и в процессе познания отражает внутреннее единство, стройность и гармоничность окружающего мира.
4. Идея е д и н с т в а ф и з и ч е с к о й к а р т и н ы м и р а.
Эта идея в школьном курсе физики должна отражать важнейший принцип естествознания, согласно которому развитие науки приводит к устойчивой и целостной картине миропонимания, на основе которой происходит объяснение реальных процессов. ФКМ, будучи идеальной моделью природы, выполняет в науке прежде всего объяснительную функцию. Частные физические теории, хотя и описывают явления, но глубокая их интерпретация, раскрытие связей между явлениями даются только на основе определённой ФКМ.
В настоящее время учёные стремятся к охвату всех явлений единой теоретической системой. Например, физики – теоретики сейчас увлечены поиском ''Великого объединения'' всех видов взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, слабого и сильного на основе единой теории.
4. Основные закономерности развития физики.
1. Обусловленность развития физики социальными процессами, общим уровнем культуры и потребностями техники.
Показ этой закономерности развития физической науки позволяет представить в сознании учащихся науку неотделимой от других областей человеческого знания. Учащиеся должны понимать, почему, например, законы движения были открыты именно в XVII веке, а термодинамика как теория тепловых процессов возникла лишь в середине XIX в. и т.д. Следует также подчеркнуть, что многие важные открытия в физике появились как ответ на ''социальный заказ эпохи'', а не как случайное проявление гениальности отдельных личностей. Вот почему, когда приходит время данному открытию, оно неизбежно происходит, и зачастую его совершают несколько учёных, независимо друг от друга.
2. Чередование ''спокойных'' периодов и ''революционных'' скачков в развитии физики.
Суть данной закономерности заключается в следующем: существующая теория много лет успешно объясняла определённый круг физических явлений и казалась логическим совершенством, как вдруг обнаруживается новый факт, не согласующийся с этой теорией. Тогда наиболее смелые исследователи выдвигают ''безумные'' идеи, закладывая их в основу новой теории. Делается новый шаг на пути познания природы человеком. Подобные революции в истории физики немногочисленны, и, как правило, сопровождались сменой научной картины мира.
3. Наличие границ применимости физических понятий и законов на каждом этапе развития науки.
Физика – наука экспериментальная, а эксперимент никогда не бывает абсолютно точным, поэтому наши сведения о природе на каждом историческом этапе ограничены и несовершенны, но на последующих этапах они уточняются и расширяются. Например, при изучении классической механики следует рассказать о границах применимости законов Ньютона. Эти границы определяются, с одной стороны, скоростью движения материальных объектов, а с другой – размерами макромира. Эти значения конкретизируются затем в процесс изучения двух современных теорий: СТО и квантовой теории.
Знакомство с границами применимости знаний даёт возможность сформировать у учащихся представление о диалектическом пути человеческого познания природы.
4. Преемственность в развитии физических явлений.
Развитие физических знаний - закономерное и последовательное обобщение, в процессе которого обнаруживается преемственность научного знания и объективная целостность физических теорий. Как отмечал А. Энштейн, ''лучший удел физической теории состоит в том, чтобы указать путь создания новой, более общей теории, в рамках которой она сама остаётся предельным случаем''. Это так называемый ''принцип соответствия''. В его основе лежит положение о том, что выдвигаемые квантовые теории должны при больших квантовых числах давать результаты, соответствующие классическим представлениям.
Литература:
1. Голин Г.М. Вопросы методологии физики в курсе средней школы. – М.: Просвещение, 1987.
2. Ефименко В. Ф. Методологические вопросы школьного курса физики. – М.: Педагогика,1976.
3. Мултановский В.В. Физические взаимодействия и картина мира в школьном курсе. – М.: Просвещение,1977.
4. Семыкин Н П., Любичанковский В.А. Методологические вопросы в курсе физики средней школы. - М.: Просвещение, 1979 г.
5. Тарасов Л.В. Современная физика в средней школе. - М.: Просвещение, 1990 г.