"Любая физическая теория, которая противоречит существованию человека, очевидно неверна…"
(П. Девис)
Учителя, работающие в школах гуманитарного профиля, сталкиваются с такой проблемой: с одной стороны, на изучение физики выделяется предельно малое количество часов, с другой – 50% ребят выбирают для дальнейшего обучения не гуманитарный, а естественнонаучный и технический профиль. При переходе к преподаванию интегрированного курса "Естествознание", предусмотренном концепцией профильной школы, проблема не потеряет своей актуальности. Какие подходы выбрать для обучения физике, не превращая уроки в рассказы о физике и физиках?
Говорят, что у хорошей хозяйки пропадает только петушиный крик. А у хорошего изобретателя – не пропадает даже уличный шум (например, выпускаемые голландской фирмой "Филипс" светофоры имеют аккумуляторы, заряжающиеся от уличного шума – бесплатного ресурса). Есть даже идея полезного использования домашнего шума: если делать обои из полимерной пьезоэлектрической пленки (преобразователь механических колебаний в электрическую энергию), то, чем больше будут шуметь соседи, тем больше вы сэкономите электроэнергии.
В природе, как у самой лучшей хозяйки, ничего не пропадает впустую: полностью безотходное "производство" (например, круговорот веществ в биосфере).
Как учителю сделать свое "производство" безотходным? Как хотя бы на шаг приблизится к идеальному конечному результату?
Как применить популярный в науке близкий по смыслу логико-философский принцип “бритвы Оккама” (напрасно пытаться сделать посредством большего то, что может быть сделано посредством меньшего)? Ведь этот принцип используется и в искусстве. Например, известный художник В.Ф.Рындин, оформляя один из своих первых спектаклей, повесил на декорацию деревенской изгороди валенок, и изгородь ожила; окрыленный похвалой, он повесил второй валенок, и его раскритиковали: “Один валенок – образ, а два валенка – обувь”.
Что является "малым" в обучении? Выход на качественно новый уровень – выстраивать информацию структурно и знакомить учащихся уже с системой, в которой легче просматриваются закономерности развития понятий и явлений, переход одной информации в другую и взаимосвязь между ними. И тогда выясняется, что все учебные предметы связаны между собой.
В процессе своего образования личность должна актуализировать, освоить всю культуру. То есть, необходим переход от философской логики “наукоучения”, характерной для разума познающего (XVII – XIX в) – к разуму, стремящемуся понять культуру в ее всеобщих опто-логических предположениях (XXI в).
Вне зависимости от сферы культурной деятельности человек, прежде всего, хочет понимать мир, в котором живет, и свое место в этом мире.
Без знания законов природы, без умения пользоваться ими невозможно безопасное и продуктивное существование личности.
Физика является важнейшей составляющей культурологического образования человека. И основная задача курса физики в рамках этого подхода – экстраполировать физические законы на человеческие проблемы.
Законы физики универсальны: они неизменны в пространстве и во времени. На нашей Земле действуют точно такие же физические законы, как и на далеких звездах. Нашим потомкам не придется открывать их заново – через тысячу лет будут действовать точно такие же законы, как и сейчас и как тысячу лет назад. Новые законы не отменяют старых, а только корректируют, дополняют и углубляют наши представления об окружающем мире.
Достаточно вспомнить развитие лишь одной области физики – механики от сочинений Аристотеля (4 в. до н.э.) и “теории Эпициклов” древних греков, идей Н.Коперника об относительности движения и необходимости выбора системы отсчета (16 в.), от начала установления законов механического движения и, наконец, окончательной формулировки И.Ньютоном основных законов классической механики (17 в.), до теории относительности А.Эйнштейна (Начало 20 в.) и до возникновения релятивистской механики, частным случаем которой является механика Ньютона, и квантовой механики, частным случаем которой является классическая механика. Релятивистская квантовая механика ждет своего завершения.
Человек – физическая система, часть природы. Законы физики позволяют познавать не только природу, но и себя, как ее составную часть.
Метод познания тоже един для естественных и гуманитарных дисциплин.
При упоминании о “физическом мышлении”, о его логике, речь идет не о физике, а именно о логике мысли физика, биолога или гуманитария, которая для определенного исторического периода одна и та же.
Так, размышляя о принципах Бора, речь нужно вести о всеобщих (для мышления нового времени) логических принципах, обнаруженных Бором в их определенной форме.
Методы статистической физики – например, распределение молекул идеального газа по скоростям (распределение Максвелла) – можно применить для оценки распределения людей по возрасту, росту, продолжительности жизни, политическим пристрастиям. Наиболее вероятной скорости молекул соответствует в случае выборной кампании кандидатура народного избранника, за которого проголосовала большая часть людей.
Определив в качестве основы культурное развитие ребенка, я для эффективности интеллектуального развития в качестве приоритета выбрала развитие мышления и под них структурировала учебный процесс.
В основе сильного мышления лежат творческие способности и жесткость реальной диалектики.
Мышлению, основанному на диалектике, присущи три основные черты: способность видеть связи явлений и объектов, то есть системное видение мира; способность формулировать противоречия; способность видеть любой объект в развитии (его прошлое, настоящее и будущее), см. системный оператор, "рис.1", [1]. В этом состоит культура мышления как естественнонаучного, так и гуманитарного.
Развитие идет путем образования и усложнения систем. От “клеток” к системам. Например, локомотив (клетка) —> ж/д транспорт (система), телефонный аппарат (клетка) —> телефонная сеть (система). Войдя в систему, “клетка” работает более эффективно и быстро развивается, но зато она зависит от системы, не может существовать без нее. Современная техника – техника систем.
Понимание универсальных законов природы помогает не только создать мотивацию, оно важно и для того, чтобы закрыть доступ в юные головы различным фантомам, т.е. для того, чтобы противостоять невежеству, которое расцветает в обществе.
Успешная и интересная работа по развитию системного видения мира путем выделения общего культурного ядра в каждом блоке материала и разработки иерархии понятий привели меня к идее составления универсальной структурной схемы – одной на весь курс физики 7 – 11 классов, "рис.2". На каждом этапе изучения понятий заполняется соответствующий уровень.
Так как основная структурная схема не должна быть перегруженной, то по мере формирования понятий схема будет развиваться не в двух, а в трех измерениях.
Перед учеником 7 класса – чистый двойной лист бумаги или лист формата А4, на который в последующем он наклеит цветные кружки или прямоугольники и карандашом нанесет связи между элементами.
При знакомстве учащихся с новым понятием акцент делаю не только на определение "места" этого понятия в универсальной структурной схеме, но и отрабатываю системный подход изучения данного понятия с помощью системного оператора. При первом знакомстве с системным оператором (6 экранов "волшебного телевизора"), представляем под- и надсистему (ПС, НС) знакомого понятия (системы, С), а также прошлое (ПС), настоящее (С) и будущее системы (БС). За деревом надо видеть не только лес, но и биосферу вообще, и не только лист, но и клетку листа. Говоря о теле, видеть систему тел, Планету, Вселенную, и отдельные части тела (молекулы, атомы, элементарные частицы).
Если меняется часть системы, меняется и целое (система). Например, ребенок упал, разбил коленку – страдает весь организм. Произошла авария (например, выброс любого вида топлива) – нанесен экологический вред всей системе (планете).
Очень часто наши экологические, социальные, экономические и политические потрясения происходят потому, что не учитывается этот факт.
Для нанесения элементов универсальной схемы удобно использовать блокнот с самоклеющимися листочками, их легко заменить, расположить более рационально. Кроме того, помня о подсистеме, можно под каждый из них подложить листочек с новой структурной схемой, а лучше с указанием "пути", по которому можно найти информацию о данном объекте (№ страницы или какой-либо удобный шифр). Аналогия – туристская карта-схема города (или музея). Желая познакомиться с незнакомым городом, мы покупаем карту-схему. Для обзорной экскурсии достаточно. Глубина дальнейшего изучения физического понятия (объекта города, зала музея) будет зависеть от наших пристрастий (на карте-схеме можно будет найти выбранный объект крупным планом на следующих страницах).
Лист – универсальную структурную схему удобно хранить в прозрачном файле, к нему скоро добавятся второй, третий и т. д. Каждый из них будет обогащаться новыми понятиями, связями, способами использования (в том числе и неожиданными).
Параллельно со структурной схемой формирую понимание того, что часть зависит от целого, а целое от частей. Если изменить молекулу, произойдут ли изменения в под- и надсистемах? Например, если изменить состав молекулы; увеличить или уменьшить размер молекулы в 10, 1000 раз? Каким станет тело, как оно будет взаимодействовать с неизменившейся окружающей средой?
В качестве домашнего задания предлагаю потренироваться в составлении структурных схем различных объектов. Например, построить генеалогическое дерево и попытаться представить себе ситуацию, в которой отсутствовало бы одно звено. Или структурную схему музыкального произведения, в котором изменилась одна нота. А можно структурную схему литературного произведения, в котором “исчез” или изменился только один герой. Или со всей одежды исчезли пуговицы. Что произойдет, если молекула воды потеряет только один атом кислорода ?
Параллельно с системным подходом формирую представление об основных методах познания (наблюдение —> мысль —> опыт —> знание).
Важно построить знакомство с методами познания так, чтобы спровоцировать умственную деятельность учащихся, ведь умственная деятельность является одной и той же для ученого и для учащегося третьего класса школы, различие лишь в степени, а не в роде. Школьник, изучающий физику, является физиком и для него легче изучать науку, действуя подобно ученому-физику, чем усваивать сведения, предлагаемые в готовом виде. Поэтому знакомство с каждым основным понятием стремлюсь начать с эксперимента. (Чем он проще и нагляднее, тем лучше).
Кроме формирования основных методов познания, выполнение экспериментальных заданий имеет еще целый ряд преимуществ: они всегда интересны, способствуют интеллектуальному развитию учащихся, соответствуют жизненной установке людей, которые должны постоянно анализировать свои жизненные ситуации. Необходимо обращать внимание не только на ход эксперимента или ход решения задачи, но и на универсальность приема, с помощью которого получен результат.
Важно так построить изложение классической физики, чтобы не абсолютизировать классические воззрения, а сразу же указывать на их неполноту, ограниченность, отмечать развитие взглядов ( системный оператор).
Для каждого раздела программы веду картотеку (прежде бумажную, теперь и электронную), максимально облегчающую подготовку к теме (материал готовлю именно к теме, а не к отдельно взятому уроку, лишь потом распределяя его по урокам).
Приведу некоторые фрагменты картотеки.
Папка "МКТ\Диффузия\Актуально":
Проблема загрязнения воды, атмосферы, понятие ПДК. Вопрос очистки воды, воздуха жилых помещений от пыли.
Папка "МКТ\Диффузия\От клеток к системам":
Пример “клетка” —> “система”. Первый пылесос (построенный в 1901 году) едва умещался в повозке, которую с трудом тащили две дюжие лошади. Это сооружение подъезжало к дому, рабочие разматывали шланг, протягивали его в комнату, запускали двигатель – и чистка начиналась. Сразу же собиралась толпа: над грохочущей машиной смеялись, в нее кидали камнями. Конструкцию пылесоса совершенствовали, но в подсистеме (пылесос) не решалась задача: неприятная и экологически небезопасная процедура очистки фильтра после уборки. Эту проблему удалось решить, только перейдя к системе. Во Франции существует полисистема для жилых домов: в квартиры проложены трубы и вмонтированы в стены приемные розетки, к которым можно подключить шланг с насадкой.
Папка "Тепловые явления\Применение":
При нагревании тела расширяются, следовательно, это явление можно использовать во всех случаях, когда требуется осуществить небольшие, но очень точные перемещения, вместо того, чтобы затрачивать огромные усилия на конструирование точных механических устройств. При этом достигается немыслимая для механики точность – атомные размеры перемещения.
Л.Н.Толстой описал остроумный способ, с помощью которого наполеоновский инженер Молар выправил стены музея искусств и ремесел в Париже: он пропустил сквозь стены болты и, попеременно нагревая и охлаждая их, подтягивал гайки.
Папка "Давление жидкости\Применение":
При строительстве Исаакиевского собора в Петербурге потребовалось строго по одному уровню срубить верхние концы свай – котлован залили водой (свободная поверхность жидкости в гравитационном поле Земли расположилась горизонтально). Этот способ можно применить для подпиливания ножек у табурета (“Коротка у стула ножка …”).
Папка "Агрегатные состояния\Применение\Приемы РТВ (Развития Творческого Воображения)":
Прием инверсии. Угостить ребят шоколадными конфетами с начинкой из сиропа, после чего предложить придумать способ заполнения шоколада сиропом. Если они холодные, то процесс заполнения идет медленно, если горячие – быстро, но шоколад плавится и много конфет уходит в брак. На помощь приходит прием инверсии – “сделай наоборот” курса РТВ ТРИЗ: так как сироп греть нельзя (шоколад плавится), то нужно его заморозить в формочках, а затем окунуть в шоколад.
В процессе обучения в классе и дома предлагаю составить вопросы по теме, которые начинаются со слов: ”Почему…”, "Как" и “Можно ли …”, “Является ли …”, “Что нужно сделать, чтобы …”, “Что произойдет, если …”. Сильные вопросы обязательно оцениваю.
В качестве домашнего задания желающим предлагаю придумать антивещество, антисистему или ответить на вопросы: Что такое пустота? Можно ли лепить пустоту? Как слепить дырку? Как сделать дырявую скульптуру? Можно ли слепить воздух? Что такое “пустое место”? “пустая история”? “пустой человек”? Эти вопросы интересно обсудить и во время классного часа.
Методы обучения должны соответствовать дидактической цели, содержанию учебного материала и фактору интеллекта.
Выбрав в качестве приоритета развитие
мышления и помня о том, что в основе сильного
мышления лежат творческие способности и
диалектические принципы, результаты усвоения
знаний удобно анализировать и фиксировать в
определенном виде деятельности:
а) по распознаванию;
б) по воспроизведению;
в) по решению типовой задачи на основе
усвоенного алгоритма;
г) по решению нетиповой задачи на основе
применения знаний в новых условиях (то есть в
задаче должен присутствовать элемент
субъективной новизны).
Если результаты пунктов а) — в) могут быть определены достаточно легко с помощью самостоятельных, контрольных работ, тестовых заданий, то результат творческой деятельности (пункт г) проверить сложно. Какой выбрать критерий?
Объективным показателем для регистрации творческого процесса служит КГР (кожно-гальванический рефлекс) – изменение разности электрических потенциалов между двумя участками кожи или изменение электрического сопротивления кожи, например, ладони.
Существуют ли такие объективные показатели для регистрации творческого процесса, которыми можно было бы воспользоваться учителю?
Кроме регистрации эмоциональной активности при решении творческих задач установлено [2], что по успешности их решения можно судить о творческих способностях учащихся. Следуя описанной методике, предлагая учащимся тренировочные и творческие задачи по одной и той же теме и одинаковым количеством “логических шагов” (односложные) установила, что разрыв между успешностью решения тренировочных и творческих задач при систематической тренировке в решении творческих задач и системном изучении материала уменьшается. Это уменьшение составляет от 20 до 50% в зависимости от изучаемой темы.
Кроме того, оптимизма добавляют и призовые места на районных, городских и вузовских олимпиадах (не смотря на гуманитарный профиль школы).
Таким образом, творчество учащихся в процессе обучения – необходимый завершающий этап овладения знаниями.
Универсальный подход можно успешно применять и во внеклассной работе.
В качестве примера приведу фрагменты классного часа, проведенного в начале1999-2000 учебного года в 10а классе нашей школы.
…Сегодня, 1 сентября, праздник Знаний. Познание, понимание, рассудок, способность мышления можно объединить одним термином – интеллект.
Выбором формы обучения вы определили себе путь интеллектуального развития и тем самым определили своё желание примкнуть в будущем к замечательному отряду интеллигенции, то есть к "общественному слою людей, профессионально занимающихся умственным, творческим трудом, развитием и распространением культуры" (БСЭ).
Перед нами ступенька, качественно новый уровень. Шагнуть или не шагнуть? Сможем или не сможем?
(Играет тихая "космическая" музыка)
Прежде чем решить эту проблему, давайте зададим себе вопрос "зачем?" (беру в руки глобус, вращаю). Такой видна наша планета из космоса. Посмотрите, как она прекрасна, как уязвима…
О, как ничтожество земное
Язвило окрылённый дух!
О, как величество родное
Меня охватывало вдруг!
(Александр Леонидович Чижевский)
Плоды интеллекта могут её разрушить, погубить (набросила на глобус чёрный платок) и она будет безжизненна.… А могут украсить (поднесла глобус к вазе с цветами). А чаще всего, одно и то же изобретение, как и любое явление природы, и вредно, и полезно.
Добро и зло – две части одного целого. Ни одного из этих понятий не появилось бы без другого, и в каждом из них проявляется его противоположность.
Приведу примеры [3]. История про ветер:
"Жил-был ветер. Этот ветер сделали люди. Они его сделали умным. Ветер всегда помогал людям. Когда приходило время посева, он разбрасывал семена по полю. Когда приходило время снимать урожай, он сдувал все плоды на мельницу. Когда в деревню вступали враги, ветер сгонял тучи к солнцу, и наступала темнота, и враги уходили. Так ветер помогал людям".
С другой стороны, легко привести примеры противоположного действия ветра (ураганы, цунами).
Однажды группа учащихся получила задание придумать фантастическое растение. Один мальчик нарисовал красным фломастером небольшое голое деревце и подписал: “Красное оно потому, что когда человек идёт мимо растения, то оно вытягивает ветки и сосёт кровь”.
Ну, как ваша реакция на растение-вампир? Жутковато? А можно использовать это растение во благо? (Обсуждение… и его итог).
Можно! Например, вместо лечебных пиявок (продавать в аптеке); кровь в растении не портится, использовать её при операциях (банк крови)…
Открытия и исследования сами по себе замечательны (например, последние: геном человека, клонирование…). Результат зависит от их применения. От умения решать противоречие "хорошо – плохо", "добро – зло" зависит здоровье, жизнь и процветание наше, наших детей, последующих поколений (глобальные проблемы… экологические, экономические, социальные…).
Так что же вы предпочитаете: знать или не знать? На столе стоит закрытая коробочка – чёрный ящик. Хотите знать, что в нём? Учащиеся: "Конечно!" Кто хочет посмотреть? Желающих оказывается много, выбираю одного из них, того, что проявляет наибольшее желание заглянуть внутрь. Учащийся, не задумываясь, хочет открыть ящик…
Стоп! А вдруг там взрывное устройство или неизлечимый вирус, и мы все погибнем?
Узнать так просто ничего нельзя. Это грубо, примитивно, опасно. Процесс познания сложен. Нужно уметь исследовать, анализировать, делать выводы, прогнозировать. Ведь всё в природе взаимосвязано. Если изменилась часть, неизбежно изменится и сама система.
Мы – часть системы "Планета" ("Вселенная").
Вы пришли в школу без сменной обуви, дежурный пропустил, учитель не заметил.… В чём негатив? Пыль проникла в бронхи, лёгкие (диффузия), здоровье одноклассников ухудшилось, средний показатель здоровья на планете ухудшился, здоровье ваших детей в будущем также ухудшилось. Это уже происходит, не просто ведь создаются системы очистки воздуха, и такое распространение получила люстра Чижевского.
Другой пример. Вы не доучили, не додумали, не дочитали; учитель не спросил, “двойку” не поставил, родители не поругали. А ваш интеллект оказался ниже, средний интеллектуальный уровень класса, школы, города, страны и всего человечества ниже…
Выкурил сигарету, употребил наркотики… Нужно продолжать?
Итак, сегодня подумайте над вопросом "зачем?", а завтра смело и решительно шагнём на следующую интеллектуальную ступеньку.
Литература.
1. Альтшуллер Г. С. Творчество как точная наука. М; "Сов. радио", 1979.
2. Разумовский В. Г. Развитие творческих способностей учащихся. М; "Просвещение", 1978.
3. Система Триз-Шанс П24 Педагогика + ТРИЗ. Сборник. Выпуск 1. Гомель; ИПП "Сож", 1996.
4. Саламатов Ю. П. Как стать изобретателем. 50 часов творчества. Кн. для учителя. М; "Просвещение", 1990.
5. Шанс на приключение / Сост. А. Б. Селюцкий. Петрозаводск; "Карелия", 1991.