Формирование знаний школьников о структуре физической теории

Разделы: Физика


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:

  1. Научный эксперимент и методы экспериментального (эмпирического) познания.
  2. Физическая теория и методы теоретического познания.
  3. Стержневые методологические идеи физики.
  4. 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
Статистическая физика
Электродинамика
Квантовая теория

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

  • Эмпирический базис:

наблюдение явлений (движение тел, свободное падение, колебание маятника…)

  • Система понятий:

  • Модели:

мат. точка, абс.тв.тело

  • Кинематические уравнения движения
  • Законы:

законы Ньютона, движения абс. тв. тел, закон всемирного тяготения

  • Законы сохранения:

ЗСЭ, ЗСИ, ЗСМИ

  • Принципы:

Дальнодействия, независимости действия сил, относительности Галилея

  • Постулаты:

Однородности и изотропности пространства, однородности времени.

  • Фунд. физ. постоянные:

гравит. постоянная

  • Объяснение различных видов движения
  • Решение прямой и обратной задачи механики
  • Применение законов в технике (космос, самолёты, транспорт…)
  • Предсказание:

Открытие планет Нептун и Плутон

Границы применимости теории:

макроскопические тела

Таблица 3. Структура классической механики

КЛАССИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕОРИЯ ДРУДЕ-ЛОРЕНЦА

Основание

Ядро

Следствия

Интерпретация

  • Эмпирический базис:

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.

  • Вывод закона Ома.
  • ВАХ металлов.
  • Объяснение природы сопротивления металлов.
  • Вывод закона Джоуля-Ленца.

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

  • Вывод закона Ома.
  • ВАХ металлов.
  • Вывод закона Джоуля-Ленца.
  • Объяснение природы сопротивления металлов.

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

  1. Голин Г.М. Вопросы методологии физики в курсе средней школы. – М. Просвещение, 1987.
  2. Маншиньян А.А. Теоретические основы создания и применения технологий обучения. – М.: Прометей, 1999. - 136 с.
  3. Ефименко В.Ф. Методологические вопросы школьного курса физики. – М.: Педагогика, 1976. - 224 с.
  4. Мултановский В.В. Физические взаимодействия и картина мира в школьном курсе – М.: Просвещение, 1977. - 168 с.
  5. 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.