Формирование знаний школьников о структуре физической теории

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

  • 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.
  • Следующий: