Модели и моделирование в процессе обучения физике в школе. Классификации моделей. Дидактический смысл и функции моделей уроков (на примере темы/раздела, программы/учебника «…» школьного курса физики по выбору студента).

Варианты определения модели

• МОДЕЛЬ - это объект, который отражает некоторые стороны изучаемого объекта или явления, существенные с точки зрения цели исследования.

• МОДЕЛЬ - мысленная или материальная система, которая, отображая или воспроизводя объект исследования, способна замещать его так, что ее изучение дает нам новую информацию об этом объекте (В. А. Штофф)

• Модель - искусственно созданный объект в виде схемы, чертежа, логико-математических знаковых формул, физической конструкции и т. п., который, будучи аналогичен (подобен, сходен) исследуемому объекту, отображает и воспроизводит в более простом, уменьшенном виде структуру, свойства, взаимосвязи и отношения между элементами исследуемого объекта.

(Н. И. Кондаков).

• Модель - есть система, исследование которой служит средством для получения информации о другой системе.

• «Модель - вспомогательный объект, выбранный или преобразованный в познавательных целях, дающий новую информацию об основном объекте» (А. М. Новиков).

Замена одного объекта (процесса или явления) другим, но сохраняющим все существенные свойства исходного объекта (процесса или явления), называется МОДЕЛИРОВАНИЕМ, а сам заменяющий объект называется МОДЕЛЬЮ исходного объекта.

Смысл моделирования заключа­ется в замене исследуемого объекта другим, специально для этого созданным, но сохраняющим характеристики реального объекта, необходимые для его изучения. Под моделью следует понимать такую мысленно представляемую или материально реализованную систему, которая, отображая или воспроизводя объект исследова­ния, способна замещать его так, что ее изучение дает новую ин­формацию об объекте.

В школьном курсе физики широко представлены самые разнообразные физические модели: материальная точка, абсолютно уп­ругое тело, идеальный газ, кристаллическая решетка, математиче­ский маятник, световой луч и пр.

При изучении этих понятий очень важно подчеркивать их модельный характер. Так, матери­альная точка может быть моделью реального объекта при усло­вии, что размеры объекта малы по сравнению с радиусом его дей­ствия. Для кинематики (в классической механике), задачей кото­рой является определение положения тела в пространстве в опре­деленный момент времени, все свойства тела, кроме его размеров, не имеют значения и от них можно абстрагироваться. Учащиеся анализируют различные ситуации и решают вопрос о возможно­сти использования модели материальной точки. Происходит ос­воение школьниками метода моделирования.

В процессе обучения очень важно показать учащимся, что один реальный объект может быть замещен различными моделями в зависимости от целей исследования и, следовательно, существенных сторон отображаемого моделью объекта.

Например: свойства света в процессе его распространения и взаимодействия с веществом могут описываться двумя моделями - корпускуляр­ной и волновой.

Понимание возможности существования различ­ных моделей одного и того же физического объекта позволит из­бежать традиционных для учащихся ошибок, когда физическая реальность (объект) отождествляется в сознании школьников с моделью.

Самостоятельно моделировать физические явления и процессы школьники учатся в процессе решения задач, когда при анализе условия они должны выделить в конкретной ситуации ту модель, к которой далее может быть применен соответствующий физиче­ский закон. Например, прежде чем использовать закон Клапейро­на - Менделеева при решении задачи, школьники должны обос­новать правомерность замены реального газа идеальным (т.е. подтвердить условие не слишком высокого давления и не слиш­ком низких температур).

Особая роль в обучении физике принадлежит так называемым учебным моделям. Для более осознанного восприятия школьника­ми физических объектов или явлений целесообразно в ряде случа­ев заменять их специально сконструированными наглядными моделями, в которых существенные характеристики представлены в более доступной и наглядной форме (модель броуновского движения, модели опыта Штерна и давления газа, модели электрических и магнитных по­лей с помощью железных опилок, модель продольной и попереч­ной волн и многие другие).

В физической науке при создании модели происходит абстрагирование, отвлечение от действительности, выделение сторон главных, существенных для данного этапа и уровня познания объ­екта и явления. После построения модели происходит изучение этой модели, а не реального объекта или явления. Правомерность выводов, полученных при изучении модели, проверяется при вы­яснении соответствия этих выводов научному эксперименту либо результатам их практического применения.

Изучаемые на уроках физики объекты и явления можно, в частности, разделить на вещественные макрообъекты и физические явления, воспринимаемые непосредственно органами чувств, и чувственно невоспринимаемые микрообъекты и полевые объекты, а также микроявленпя.

Модели непосредственно воспринимаемых объектов и явлений могут быть получены с помощью предельного перехода. В этом случае осуществляется рассмотрение некоторого набора объектов или явлений, обладающих определенным свойством, в порядке убывания или возрастания этого свойства. Далее должна быть совершена мысленная операция - должен быть сделан вывод о существовании мысленного объекта или явления, либо лишенного данного свойства, либо обладающего им в наивысшей степени. Таким путем можно вводить модели материальной точки (идеального объекта, не имеющего пространственной протяженности, но способного двигаться и взаимодействовать), равномерного движения (явления, не имеющего такого свой­ства, как изменение скорости) и многие другие.

Модели микрообъектов и микроявлений, не оказывающих непосредственного воздействия на органы чувств, могут быть полу­чены путем приписывания некоторых свойств микрообъекту или микроявлению. Так можно ввести модели идеального газа, элек­тронного газа,…. Однако есть модели микрообъектов, которые нельзя получить путем приписывания. К таким моделям относятся, в частно­сти, модели электрона, фотона. Модели электро­на, фотона появились в науке как тео­ретические конструкты. Дальнейшее развитие физики (в ее экспе­риментальной части и практических приложениях) подтвердило правомерность и плодотворность использования этих моделей и, следовательно, существование соответствующих объектов.

Введение моделей разных видов происходит по-разному. Если вводится модель для вещественного макрообъекта или наблюдаемого непосредственно физического явления, то целесообразно организовать наблюдение объектов или явлении, причем очеред­ность этого наблюдения определить, исходя из степени выражен­ности некоторого свойства, общего для этих объектов или явле­ний. В итоге таких наблюдений учащиеся смогут при незначи­тельной помощи учителя сделать вывод о том, что можно гово­рить об объекте или явлении, вообще не обладающем данным свойством или обладающем им в «бесконечно большой» степени. Например, можно подобрать различные отражающие поверхности и расположить их по мере убывания отражающей способности (или возрастания поглощательной способности) вплоть до поверхности, вызывающей ощущение черного цвета. Учащимся не трудно будет сделать вывод о том, что можно представить себе поверхность, совсем не способную отражать электромагнитное излучение. Учителю останется лишь сообщить, что тело, поглощающее полностью падающее на него электромагнитное излучение, называется абсолютно черным телом.

При построении модели микрообъекта или микропроцесса путем приписывания происходят два процесса: абстрагирование и собственно приписывание. В начале на основе предшествующего опыта с опорой на имеющиеся знания учащихся необходимо договориться, от существования каких свойств у моделируемых объек­тов и явлений можно отвлечься, абстрагироваться. То, что осталось после абстрагирования, следует приписать будущей модели. Так, при построении модели идеального газа можно в ходе беседы с учащимися выяснить, целесообразно ли рассматривать на­личие у частиц газа формы, возможности химических превращений, пусть малых, но конечных размеров и пр. В итоге рассуждений необходимо прийти к выводу о том, что частицы газа можно считать материальными точками, и таким образом приписать идеальному газу первое свойство: этот газ имеет в качестве частиц материальные точки. Рассматривая принципиальную воз­можность сталкиваться для частиц газа, учащиеся должны прийти к выводу о возможности абстрагироваться от характера этих со­ударений и, следовательно, приписать соударениям частиц газа упругий характер как самый «удобный» для дальнейших рассуж­дений. Затем должны последовать выводы о возможности от­влечься от взаимодействия частиц газа путем притяжения и учи­тывать лишь отталкивание при соударениях. Эта возможность возникает, поскольку расстояния между частицами в газе велики по сравнению с размерами самих частиц. На основании того, что учащимся из всех видов механических движений наиболее хорошо известны равномерное и равноускоренное, подчиняющиеся зако­нам Ньютона, можно подвести учащихся к выводу о целесообраз­ности приписать движению частиц газа такое свойство, как под­чинение законам Ньютона. Так будет завершено построение мо­дели идеального газа как системы способных к упругим соударе­ниям материальных точек, подчиняющихся законам динамики Ньютона.

Когда на уроке идет речь о таких объектах, как электрон, квант, электромагнитное поле и пр., т.е. фактически вводятся особые модели - теоретические конструкты, для которых необхо­димо специально обосновывать само существование материаль­ных объектов - прообразов данных моделей, то наиболее прием­лемым путем введения соответствующих понятий при изучении физики в школе выступает использование исторического мате­риала, показывающего появление их в истории науки. Обычно в практике работы учителя поступают именно так, не говорят во­обще о моделях электрона, кванта, поля, а рассматривают исто­рию развития знаний об этих объектах и обосновывают их материальность.