Вопросу включения методологических знаний в курс физики средней школы посвящены работы известных отечественных учёных, таких, как В.Ф.Ефименко, Г.М.Голин, А.А.Бух, В.Г.Разумовский, Б.И.Спасский, В.В.Мултановский, А.А.Пинский, Н.С.Пурышева и др. Г.М.Голин [1] выделил следующую систему методологических знаний:
- Научный эксперимент и методы экспериментального (эмпирического) познания.
- Физическая теория и методы теоретического познания.
- Стержневые методологические идеи физики.
- Основные закономерности развития физики.
Одним из элементов данной системы является физическая теория и методы теоретического познания. Физическая теория – это целостная система физических знаний, в полной мере описывающая определённый круг явлений и являющаяся одним из структурных элементов физической картины мира (см. табл.1).
Физическая картина мира |
||
Исходные философские идеи и понятия |
Физические теории |
Связи между теориями |
Материя, движение, пространство и время, взаимодействие. |
Классическая механика |
Принципы: соответствия, дополнительности, симметрии, причинности |
Таблица 1. Структура физической картины мира
Школьный курс физики структурирован вокруг четырёх фундаментальных физических теорий: классической механики, молекулярно-кинетической теории, электродинамики, квантовой теории. Теоретическое ядро школьного курса физики воплощает четыре указанные фундаментальные теории, специально адаптированные для школьного курса. “Это позволяет выделить в курсе физики генеральные направления в виде учебно-методических линий и затем формировать весь материал вокруг этих линий. Такая генерализация учебного материала позволяет обеспечивать формирование у учащихся адекватных представлений о структуре современной физики, а также реализацию теоретического способа обучения…” [2. С. 33]. Генерализация учебного материала направлена на обеспечение качественного усвоения системы знаний, являющихся научной базой общего политехнического образования, на обеспечение эффективности учебного процесса и глубокого и цельного восприятия определённой области знаний; на формирование и развитие творческого, научно-теоретического способа мышления.
ФИЗИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ |
|||
Основание |
Ядро |
Следствия |
Интерпретация |
Эмпирический базис. Система понятий. Модели. |
Законы. Законы сохранения. Принципы и постулаты. Фунд. физ. Постоянные. |
Объяснение эмпирических фактов и предсказание нового. | Истолкование основных понятий и законов. Границы применимости теории. |
Таблица 2. Структура физической теории
Опираясь на работы В.Ф.Ефименко [3], В.В.Мултановский [4] выделил следующие структурные элементы физической теории: основание, ядро, следствия и интерпретации (см. табл.2). В рамках школьного курса физики наиболее полно могут быть рассмотрены структура классической механики (см. табл.3) и молекулярно-кинетической теории. Полностью раскрыть структуру такой фундаментальной теории как классическая электродинамика не представляется возможным (в частности, вследствие недостаточного математического аппарата школьника). Однако в этом случае формирование знаний у учащихся о структуре физической теории можно осуществить на примере частной теории – теории Друде-Лоренца (см. табл.4).
КЛАССИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА |
|||
Основание |
Ядро |
Следствия |
Интерпретация |
наблюдение явлений (движение тел, свободное падение, колебание маятника…)
мат. точка, абс.тв.тело
|
законы Ньютона, движения абс. тв. тел, закон всемирного тяготения
ЗСЭ, ЗСИ, ЗСМИ
Дальнодействия, независимости действия сил, относительности Галилея
Однородности и изотропности пространства, однородности времени.
гравит. постоянная |
Открытие планет Нептун и Плутон |
Границы применимости теории: макроскопические тела |
Таблица 3. Структура классической механики
КЛАССИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕОРИЯ ДРУДЕ-ЛОРЕНЦА |
|||
Основание |
Ядро |
Следствия |
Интерпретация |
1) Опыт Рикке (1901); 2)Опыт Мандельштама и Папалекси (1913); 3) Опыт Толмена и Стюарта (1916). |
Основные положения теории: 1) Движение электронов подчиняется законам классической механики. 2) Электроны друг с другом не взаимодействуют. 3) Электроны взаимодействуют только с ионами кристаллической решётки, взаимодействие это сводится к соударению. 4) В промежутках между соударениями электроны движутся свободно. 5) Электроны проводимости образуют электронный газ, подобно идеальному газу, “электронный газ” подчиняется законам идеального газа. |
|
Границы применимости и недостатки теории: классическая теория не может объяснить закон Дюлонга и Пти, температурную зависимость удельного сопротивления металлов, сверхпроводимость. |
Таблица 4. Структура классической электронной теории Друде-Лоренца
Структура физической теории, представленная в таблице 4, может быть использована для структурирования содержания обобщающего урока по теме “Электрический ток в металлах”, который является первым уроком при изучении темы “Электрический ток в различных средах” в 10 классе. Обобщение и систематизация знаний на уровне физической теории способствует осознанию учащимися методологических знаний, пониманию логики процесса познания. Очень важно в этом случае, чтобы процесс познания предстал перед учащимися в динамике. Именно в этом случае наиболее полно может быть отражён методологический характер знания. В соответствие с чем, развёртывание учебного материала целесообразно осуществлять согласно этапам цикла познания: опытные факты > гипотеза (модель) > теоретические следствия > эксперимент (см. табл.5). При этом опорный конспект в тетради учащихся может быть представлен в виде таблицы 4.
Факты |
Гипотезы |
Теоретические следствия |
Эксперимент |
1) Опыт Рикке (1901); 2)Опыт Мандельштама и Папалекси (1913); 3) Опыт Толмена и Стюарта (1916). |
Электронная проводимость металлов. Модель движения свободных электронов в кристаллической решётке при отсутствии и наличии электрического поля |
|
Экспериментальная проверка законов Ома и Джоуля-Ленца. |
Таблица 5. Обобщение учебного материала при изучении темы “Электрический ток в металлах”
Рассмотрение границ применимости теории Друде-Лоренца оградит учеников от догматизма при изучении физики. Очень важно, чтобы изученный материал не рассматривался учащимися как завершённая схема, лишённая противоречий. Необходимо, чтобы школьники понимали, что абсолютная истина не достижима, а процесс познания – это постоянное стремление к абсолютной истине через ряд сменяющих друг друга истин относительных. Тем самым учитель подводит их к пониманию сути методологического принципа соответствия. (Впоследствии можно коснуться и содержания другого методологического принципа – принципа дополнительности, указав на то, что теория Максвелла и теория Друде-Лоренца описывают явление электропроводности с разных точек зрения и тем самым дополняют друг друга.)
В <приложении 1> представлен подробный план-конспект урока-обобщения по теме “Электрический ток в металлах”, в <приложении 2> – обобщённый план изучения раздела “Электрический ток в различных средах” и обобщённый план изучения физической теории, в <приложении 3> – компьютерная презентация по теме.
Литература
- Голин Г.М. Вопросы методологии физики в курсе средней школы. – М. Просвещение, 1987.
- Маншиньян А.А. Теоретические основы создания и применения технологий обучения. – М.: Прометей, 1999. - 136 с.
- Ефименко В.Ф. Методологические вопросы школьного курса физики. – М.: Педагогика, 1976. - 224 с.
- Мултановский В.В. Физические взаимодействия и картина мира в школьном курсе – М.: Просвещение, 1977. - 168 с.
- Теория и методика обучения физике в школе: Общие вопросы: Учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений / С.Е.Каменецкий, Н.С.Пурышева, Н.Е.Важеевская и др.; Под ред. С.Е.Каменецкого, Н.С.Пурышевой. – М.: Издательский центр “Академия”, 2000. - 368 с.