Данный элективный курс углубляет знания учащихся о методе научного познания, вносит вклад в развитие мышления учащихся, позволяет школьникам проводить на своем уровне научные исследования.
Цель курса:
- ввести понятие моделирования и модели,
- дать классификацию моделей,
- раскрыть роль моделей в физике.
Задачи курса:
1) ознакомить учащихся с моделированием как методом научного познания;
2) формировать научное мировоззрение учащихся;
3) научить учащихся деятельности моделирования путем создания различных моделей.
Содержание курса (8 часов)
Тема 1. Введение. Лекция. (1 час)
Знакомство с курсом.
Во все века жила, затаена,
Надежда – вскрыть все таинства природы. (В. Брюсов)
Наука представляет собой монумент, воздвигаемый ради блага общества. Каждый гражданин должен внести в него что-нибудь сообразно своим талантам. (Ш. Кулон)
Нас окружает сложный и многогранный мир. Предметом изучения школьного курса физики являются вещество, поле, а также физические явления. Для изучения этого в физике используется научный метод познания мира.
Этапы научного познания:
1) Поиск характерных явлений.
Чтобы познать новое явление, исследователь накапливает и систематизирует известные об этом явлении факты.
2) Изучение явлений.
Постановка проблемы.
3) Гипотеза (научное предположение).
На этом этапе создаются модели реальных объектов.
4) Закон.
На основании гипотезы приходят к теоретическим выводам, к законам.
5) Эксперимент.
Результаты эксперимента либо подтверждают выводы ученого, либо отвергают, заявляя: нужно думать дальше.
Основоположником современного метода познания нужно считать Г. Галилея.
Галилей выделял в методе научного познания четыре фазы:
- чувственный опыт;
- выдвижение гипотезы в виде аксиомы;
- математическое развитие аксиомы и вывод логических следствий;
- экспериментальная проверка гипотезы и вытекающих из нее следствий.
Что лежит в основе этого метода? Опыт, эксперимент. “Опыт – это язык, на котором можно беседовать с природой”. Г. Галилей.
Суть современного метода познания в его модельности.
Моделирование – метод научного познания, который включает построение моделей и изучение их с целью получения новых сведений о рассматриваемых физических объектах.
Модель – абстрактная система, являющаяся упрощенной копией исследуемой реальной физической системы.
Тема 2. Моделирование как общенаучный метод познания. Лекция (1 час)
Метод моделирования применяется не только в физике. Он применяется в математике (модели графиков, траекторий движения, модели фигур). Метод применяется в информатике. С точки зрения информатики, решение любой производственной или научной задачи описывается следующей технологической цепочкой: реальный объект – модель – алгоритм – программа – результаты – реальный объект”. В этой цепочке очень важную роль играет звено “модель”.
Метод моделирования применяется в биологии. Таким образом, моделирование является общенаучным методом.
Тема 3.Моделирование в истории физики. Семинар (1 час)
На данном занятии рассматривается роль ученых, внесших значительный вклад в становление и развитие понятий модели и метода моделирования. Учащиеся готовят сообщения по плану:
Краткая биографическая справка;
Научная деятельность ученого.
На семинаре заслушиваются выступления учащихся о Г. Галилее, И. Ньютоне, М. Фарадее, Д.К. Максвелле, У. Томсоне, Д.Д. Томсоне, Э. Резерфорде, А. Эйнштейне.
Тема 4. Моделирование и модель. Лекция (1 час)
Первоначальное значение слова “модель” связано с архитектурой. В эпоху средневековья оно обозначало масштаб, в котором выражались все пропорции здания. В дальнейшем оно приняло значение образца, по которому что-то создается в искусстве. В последствии понятием модели стали пользоваться в научных исследованиях. Изучаемый объект (ввиду его значительной сложности) заменяют другим, более простым и доступным для исследования.
Модель при этом должна:
- иметь границы применимости;
- совпадать с заданной точностью по своим свойствам со свойствами реального объекта;
- существовать в рамках какой-либо теории;
- допускать простое математическое описание.
Этапы моделирования:
1 этап. Выделение предмета моделирования.
2 этап. Этап построения модели.
3 этап. Этап исследования модели.
4 этап. Этап переноса знаний с модели на оригинал.
5 этап. Этап проверки переноса знаний с модели на оригинал.
Тема 5. Виды моделей. Лекция (1 час)
- Материальная модель – это предмет, подобный оригиналу и способный заменить его в процессе эксперимента (или познания). Их назначение – воспроизведение структуры, характера протекания, сущности изучаемого процесса. Примеры таких моделей: авто- и авиамодели, лабораторные работы, аналогии.
- Идеальная модель – это модель, которую конструируют мысленно. Она может фиксироваться при помощи рисунков, определенных символов (знаков). Примеры таких моделей: описание того или иного процесса, графики, таблицы, формулы.
- Компьютерные модели вбирают в себя большое число аспектов моделируемой физической реальности.
Тема 6. Практикум по моделированию (2 часа)
Для проведения практикума используется оборудование кабинета физики. Занятия проводятся с использованием компьютера.
Тема 7. Заключительное занятие (1 час).
Презентация созданных моделей. Учащиеся получают задания: создать модели физических объектов, явлений, процессов и подготовить презентацию моделей.
Учащиеся работают в группах, созданных по желанию.
Учащиеся создали следующие модели:
I. Материальные.
- Модель линзы.
- Модель перископа.
- Модель диффузии.
- Модель кубической решетки и упаковки частиц.
II. Компьютерные.
- Модель зависимости силы трения от массы тела.
- Модель синтеза гелия.
- Модель диффузии.
- Модель движения Земли вокруг Солнца.
- Модель испарения и конденсации.
- Модель взаимодействия электрических зарядов.
Презентация “Моделирование в физике” представлена в приложении 1.