Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методологические основы курса физики. Учебно-методичеcкое пособие
.pdf
осознать наличие зависимости результатов наблюдения от опре-
деленной теоретической концепции и мировоззрения.
С методологической точки зрения важно подчеркивать, что между
показаниями приборов и другими внешними сигналами, зрительными
ощущениями и т. д., дающими определенную информацию об изучаемом
явлении, и научным фактом лежит целая область логического анализа, оп-
ределенная интерпретация явления, научная и методологическая позиция
исследователя. Так, одно и то же наблюдение свободного падения совер-
шенно по-разному объясняли Аристотель и Галилей, в результате чего
можно говорить о двух наблюдениях одного и того же явления — оши-
бочном у древнегреческого ученого и истинном, научном у Галилея. Рас-
сказывая о броуновском движении как экспериментальном доказательстве
существования молекул и их хаотического движения, следует отметить,
что таковым оно стало только через 100 лет после его наблюдения англий-
ским ботаником Броуном, когда физики-теоретики А. Эйнштейн и М.
Смолуховский дали интерпретацию этого наблюдения.
Аналогично, рассеяние α-лучей при их бомбардировке металличе-
ской фольги, наблюдавшееся учениками Резерфорда, само по себе не было
фактом, доказывающим ядерное строение атома. Таковым оно стало лишь
после определенной теоретической интерпретации этого наблюдения, сде-
ланной английским ученым.
5. Методологические обобщения при проведении опытов
Физический опыт представляет собой основную современную фор-
му исследования явлений природы, при которой изучаемые объекты ста-
вятся в специально созданные экспериментатором условия. Следует позна-
комить школьников с основными требованиями, предъявляемыми к совре-
менному физическому эксперименту:
81
1. Сведение к минимуму субъективных факторов путем использования
приборов (в том числе и электронно-вычислительных машин);
2. Постоянное стремление к повышению точности измерения;
3. Возможность воспроизведения опыта в другом месте и другими иссле-
дователями.
Учащимся нужно рассказать о том, что познание окружающего мира
происходило еще на самых ранних ступенях исторического развития чело-
века, но и сегодня характер этого познания принципиально не изменился:
органы чувств человека - единственные каналы, по которым данные о природных процессах поступают в мозг человека.
Вот почему многие основные понятия и определения физики имеют
антропоморфное («человеческое») происхождение, что подчеркнуто в их
названиях: тело, сила, давление, работа, энергия, сопротивление и др.
И в настоящее время, хотя многие наблюдательные и измерительные
процедуры берут на себя приборы, определенная доля субъективности, за-
висящей от наблюдательности, других проявлений человеческой психики
и нервной системы, ума и характера исследователя, присутствует в полу-
чаемых знаниях. Нельзя допустить, чтобы понимание реальности внешне-
го мира у учащихся ограничивалось лишь той областью, которая доступна
органам чувств» человека. В соответствующих местах школьного курса
физики необходимо приводить экспериментальные факты, которые под-
тверждают материальность электромагнитных и гравитационных полей,
атомов и элементарных частиц, недоступных непосредственному воспри-
ятию, а также примеры использования этих явлений в быту, технике и на
производстве. Вместе с тем некоторые субстанции, введенные в разное
время в науку в виде гипотез, рано или поздно отвергались как вымыш-
ленные, ничего не имеющие общего с реальностью, если их существование
прямым или косвенным путем не подтверждалось экспериментом. Эти
82
субстанции получили название принципиально ненаблюдаемых. Таковы
«теплород» и «эфир», с понятиями которых учащиеся знакомятся при изу-
чении молекулярно-кинетической теории, волновой оптики и элементов
теории относительности. С течением времени учащиеся должны усвоить
основной смысл сыгравшего большую роль в развитии физики методологического принципа наблюдаемости.
Следует обратить внимание учащихся на процесс измерения в физи-
ке. С помощью этой экспериментальной процедуры исследователь прове-
ряет и уточняет свои представления об окружающем мире. Процесс изме-
рения всегда есть сопоставление количественной меры определенного
свойства объекта с эталоном, поэтому результат измерения представляет
собой определенное отношение.
Необходимо разъяснять школьникам, что процесс измерения всегда
есть процесс взаимодействия измерительного прибора и самого объекта
исследования. Поэтому важно установить степень изменения реального
процесса, неизбежно происходящего при включении в эксперимент при-
боров.
Особенно важным в физике является точное определение уни-
версальных постоянных, так как от этой точности зависит подтверждение
справедливости той или иной теории или закона. Можно, например, рас-
сказать учащимся, как изменялась точность измерения ускорения свобод-
ного падения тел от Галилея до наших дней.
6. Методологические обобщения при проведении
лабораторных работ
Работая самостоятельно в школьной физической лаборатории (каби-
нете), школьники приобретают технические и интеллектуальные навыки и
умения, в определенной степени аналогичные тем, какие должны быть вы-
работаны у настоящего исследователя-экспериментатора. Этого можно
83
достичь, если школьный эксперимент проводить так, чтобы каждый уче-
ник почувствовал себя «ученым», чтобы он не просто выполнял строго
предписанные инструкции, а самостоятельно планировал, обсуждал и ста-
вил опыты. Творческие радости и огорчения, испытанные им при этом,
помогут ему на своем собственном опыте осознать связь между теорией и
экспериментом. Нельзя научить учащихся понимать работу ученых без то-
го, чтобы сами учащиеся хотя бы время от времени не проделывали науч-
ную (вернее, квазинаучную) работу. Очень важны и сама техника прове-
дения лабораторных работ, ведение записей, систематизация результатов,
получение выводов из результатов работы. Отчет учащихся по лаборатор-
ной работе должен быть максимально кратким, но при этом он должен
включать основные наблюдения, все измерения, схемы конструкций, усо-
вершенствования, вносимые в процессе экспериментирования, конечные
выводы.
Большие возможности для исследовательской работы учащихся и
формирования их экспериментальных навыков могут быть реализованы
при проведении заключительного физического практикума в конце каждого учебного года и на факультативных занятиях в школьной лаборатории.
Разумеется, нельзя ожидать от всех (или даже большинства) уча-
щихся самостоятельного открытия новых для них явлений и закономерно-
стей, однако они могут предложить новую модификацию эксперимента,
подводящего к «открытию» известного закона. Это наиболее высокий уро-
вень усвоения знаний, достигаемый в процессе реализации в школьной
практике исследовательского метода обучения. Конечно, он может быть
применен в работе не со всеми учащимися, а лишь с теми, кто проявляет
повышенный и устойчивый интерес к физике. Однако учителю физики на-
до чаще обращаться к этому методу, позволяющему сформировать у уча-
84
щихся творческие способности. Примерами доступных для учащихся «от-
крытий» могут служить следующие задания-проблемы:
«открытие» закона Гука: обнаружить зависимость между деформацией
(растяжения) и нагрузкой. Объяснить, распространяется ли обнаруженная
закономерность на другие виды деформации. Установить пределы спра-
ведливости полученного закона;
«открытие» закона Бойля—Мариотта: с помощью предлагаемых прибо-
ров получить зависимость между давлением и объемом, занимаемым воз-
духом (газом) при условии постоянства температуры во время экспери-
мента. Проверить полученную закономерность при других значениях тем-
ператур, оставляя ее во время эксперимента неизменной. Определить гра-
ницы справедливости установленной закономерности;
«открытие» законов математического маятника: установить зависимость
периода колебаний от амплитуды, массы, длины математического маятни-
ка. Определить границы справедливости обнаруженного свойства изо-
хронности.
После проведения каждой из этих работ следует сообщить учащимся
об истории открытия законов Гука, Бойля-Мариотта, Галилея и Гюйгенса.
Учащиеся получают удовлетворение от того, «что у них получилось так,
как у знаменитого физика», что и им доступно изучение природы. В про-
цессе проведения подобных заданий у учащихся формируются экспери-
ментальные умения обобщенного, методологического характера:
точно и кратко описать ход эксперимента; подметить различия между
тем, что ожидал получить от эксперимента и что в действительности получил;
«читать» и использовать графики и таблицы в процессе эксперимента;
отличать существенное от второстепенного;
85
сделать предсказание дальнейшего хода эксперимента;
самостоятельно выдвинуть гипотезу (или сделать вывод), объясняющую
результаты эксперимента;
придумать дополнительный, контрольный эксперимент, подтверждаю-
щий или опровергающий предложенную гипотезу и т. д.
К обобщенным умениям экспериментального характера относятся и
такие приемы обобщения и предсказания результатов эксперимента, как
интерполяция и экстраполяция, широко используемые в научных ис-
следованиях, но не нашедшие еще широкого применения в школьной
практике.
Большое дидактическое значение имеют лабораторные работы, яв-
ляющиеся модификациями исторических опытов. Они способствуют раз-
витию у школьников таких качеств экспериментатора, как изобретатель-
ность, находчивость, наблюдательность, трудолюбие. Простота обору-
дования, наглядность и убедительность таких опытов позволяют с боль-
шой эффективностью использовать их в школьном курсе. Приведем со-
держание и методику постановки на уроках некоторых из разработанных
нами подобных работ.
Вопросы и задания
1. Какая разница между физическим экспериментом и техническим изме-
рением?
2. Для чего в науке необходима точность измерения?
3. В каких случаях точность измерения ускорения свободного падения
играет важную роль, а в каких можно ограничиться его приближенным
значением 9,8 м/с
2
?
4. Определение массы, температуры, промежутков времени, длин и ряда
других физических величин называют операциональным. Что это означает?
86
5. Какие экспериментальные факты свидетельствуют о том, что в газах
притяжение молекул друг к другу слабое, а в жидкостях достаточно
сильное?
6. Какой вклад в наши знания об атомах и молекулах внесли следущие
эксперименты: а) броуновское движение; б) диффузия; в) опыт Штерна; г) опыт Рэлея?
7. Что подразумевается под законом в науке (почему природа им «почи-
няется»)? Приведите примеры из курса физики.
8. Соответствует ли постоянство скорости света нашему «здравому
смыслу»?
9. Для чего нужно сооружать дорогостоящие ускорители частиц?
10. Какой вклад в знания об изучении света внесли следующие экспери-
менты: а) опыты Столетова по фотоэффекту; б) опыты Лебедева; в)
опыты Франка-Герца?
11. Характеризуя проделанный эксперимент, дают ему оценку «ус-
пешный». Как это понять? Какие требования необходимо предъявить к
научному эксперименту?
12. Сумеете ли вы убедить идеалиста, что независимо от нас в природе
существует Солнце, Луна, сила гравитации, электромагнитное поле и
т.д.?
13. В чем отличие науки от суеверия и религии?
Рекомендуемая литература
1. Голин, Г.М. Вопросы методологии физики в курсе средней школы: кн.
для учителя. - М.: Просвещение, 1987.
2. Кохановский, В. П. Философия и методология науки. – Ростов н/Д,
1999.
3. Рузавин, Г.И. Методология научного исследования: учебное пособие.
- М.:ЮНИТИ, 1999.
87
Тема 7. Формирование знаний о теории и методах
теоретического познания
План:
1. Идеализация и моделирование;
2. Аналогия;
3. Мысленный эксперимент;
4. Гипотеза;
5. Физическая теория.
1. Идеализация и моделирование.
Формирование у школьников теоретического метода идеализации
представляет собой длительный и сложный процесс. Было бы ошибочным
считать, что умение идеализировать реальные объекты или явления появ-
ляется при изучении физики стихийно.
Овладение учащимися методом идеализации предполагает оп-
ределенный мыслительный процесс, который включает целый ряд этапов:
1) выделение среди множества объектов или явлений предмета идеализации;
2) отделение в выделенном объекте или явлении существенных аспектов
(свойств) от второстепенных, с учетом того, что идеализация должна слу-
жить хорошим приближением реального процесса;
3) доведение выделенного свойства (аспекта) до предельного значения;
4) формулировка этого идеализированного объекта или явления;
5) включение идеализированного объекта в физический закон, теорию
и т.д.;
6) использование полученной идеализации.
На протяжении курса физики учащиеся неоднократно знакомятся с
методом теоретического исследования, а это позволяет им усвоить мысль,
что умение правильно идеализировать изучаемые процессы и объекты яв-
88
ляется важным методологическим условием, обеспечивающим успех в их
учебной работе.
Одна из первых идеализаций в курсе физики — понятие ма-
териальной точки. Если не акцентировать внимание учащихся на том фак-
те, что материальная точка есть идеализация реальных тел, связанная с
пренебрежением размерами тела, но обладающая массой и другими харак-
теристиками движения, то может возникнуть опасность, что школьники
будут представлять материальную точку только в геометрическом смысле
(они и говорят часто: «материальная точка — это точка...»). В дальнейшем
учащиеся встречаются с другими «точечными» идеализациями: молекулой
идеального газа, точечным зарядом, математическим маятником. При изу-
чении законов движения они рассматривают также идеализированные ус-
ловия движения тел (полное отсутствие сопротивления среды и действия
окружающих тел, в том числе и тяготения Земли, на данное тело и т. д.),
которые не имеют места в процессах с реальными телами. Здесь следует
подчеркнуть, что подобные идеализации позволили Галилею и Ньютону
правильно объяснить многие механические процессы.
В дальнейшем, при изучении механики школьники встречаются с та-
кими идеализациями, как «абсолютно твердое тело», «абсолютно упругое
тело», «идеальная жидкость». Постепенно у них формируется правильный
методологический подход к изучению механических процессов: начинать
рассмотрение с самых простых, наиболее близких к идеальным процессов,
переходя затем к реальным.
Важным примером идеализации является понятие изолированной
системы в механике, термодинамике, электростатике. Изолированная сис-
тема — совокупность тел, взаимодействующих только между собой, но ни
с каким другим телом, не входящим в эту систему. Для таких систем в
школьном курсе физики сформулированы механические законы сохране-
89
ния импульса и энергии, закон сохранения электрических зарядов. Школь-
ники усваивают такой факт, что механические процессы — это идеализа-
ция, в отдельности они в природе не встречаются, а всегда сопровождают-
ся тепловыми, электрическими и другими явлениями.
При изучении принципов работы тепловых двигателей в учебнике
упоминается об идеальной тепловой машине Карно и приводится формула
КПД такой машины. Знакомство школьников с идеализацией реальных
процессов продолжается в разделе «Электродинамика». Так, при изучении
полной цепи переменного тока отмечается, что хотя любой реальный про-
водник, включенный в электрическую цепь, одновременно обладает тремя
видами сопротивления: омическим, емкостным и индуктивным, однако для
облегчения изучения и выявления закономерностей учащиеся рассматри-
вают вначале ток в идеальных цепях, содержащих только один вид нагруз-
ки, переходя затем к процессам, встречающимся в действительности. При
изучении колебаний в пружинном маятнике, а затем и распространения в
нем продольных волн в качестве объекта изучения этих процессов вы-
бирается идеальная пружина, обладающая рядом свойств, отсутствующих
в действительности. Так, идеальная пружина совершенно лишена «внут-
реннего сопротивления», в результате чего волновой процесс в ней про-
должается бесконечно долго.
Отмечая, что в идеальной пружине можно пренебречь затуханием
волнового процесса, необходимо обратить внимание учащихся и на усло-
вие выбора любой идеализации: последняя должна служить хорошим при-
ближением реального процесса. В данном случае таким условием является
достаточно малый промежуток времени, в течение которого не должно
происходить значительного ослабления волнового процесса.
С идеализацией непосредственно связан другой метод теорети-
ческого познания — моделирование, когда создаются копии (модели) ре-
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]