Позойский С.В., Галузо И.В. О роли фундаментальных научных экспериментов в формировании

Одним из путей формирования методологического компонента знаний в общеобразовательных учебных заведениях является обогащение содержания предмета элементами теории познания (Е. В. Савелова, Б. И. Спасский, В. С. Леднев, В. Н. Мощанский и др.). Проблема построения модели деятельности учителя по формированию методологического компонента знаний учащихся, адекватного современному состоянию науки, рассматривалась в исследованиях Н. Г. Блинковой, В. С. Степина и других [1].

Рассмотрим проблему формирования методологического компонента знаний учащихся в аспекте фундаментальных научных экспериментов (на примере курса физики).

Система физического образования формировалась в процессе многолетней практики преподавания физики. Усилиями ряда поколений ученых, методистов, учителей были определены оптимальное содержание и структура курса физики, а также система учебного физического эксперимента. Вместе с тем, в силу сложившихся в настоящее время организационно-материальных условий, наблюдается тенденция снижения качества подготовки школьников по физике. К главнейшим организационно-материальным условиям следует отнести следующие.

1. Сокращение учебного времени на изучение школьного курса физики.

2. Разрушение системы обеспечения школ учебным физическим оборудованием. Многие учителя лишились возможности проводить значительную часть даже тех лабораторных работ и демонстрационных опытов, которые предусмотрены программой по физике. Данная проблема обострилась и тем, что из нынешних программ по физике исчез серьезный раздел «Физический практикум», когда учащиеся в специально отведенное время проводили самостоятельные работы с исследовательской направленностью.

Проблема содержания любого учебного предмета, его соотношение с содержанием соответствующей науки является постоянным дискуссионным полем ученых, методистов, учителей и авторов учебников. Основным принципом отбора содержания современного школьного курса физики является генерализация, суть которой сводится к выделению стержневых идей и объединению вокруг них программного учебного материала. Группировка учебного материала осуществляется на основе физических теорий, что определяется значением теории в науке как основной и ведущей формы знания. При этом важно, что теория позволяет не только объяснять процессы и явления, но и предсказывать их ход, устанавливать новые закономерности. Группировка материала вокруг физических теорий дает возможность передать учащимся не только определенную сумму знаний, но и сформировать у них умения использовать эти знания для объяснения и предсказания явлений. Кроме того, поскольку физические теории входят в естественно-научную картину мира, то подобная группировка материала способствует формированию у учащихся научного мировоззрения.

Реализация принципа генерализации позволяет в определенной степени снять противоречие между необходимостью повышения научного уровня курса физики, отражения в нем вопросов современной физики и сокращением времени на его изучение.

Изучение физики в общеобразовательной школе направлено на достижение ряда целей, среди которых главенствующее место занимает ознакомление с методами познания природы [2, с. 3]. Опыт работы учителей и специально проводимые исследования позволили установить, что одно из эффективных направлений совершенствования обучения физике — ознакомление учащихся с теоретическими и экспериментальными методами, специфичными для физической науки [3].

В связи с этим важное дидактическое и методическое значение имеют те физические методы исследования, развитие которых привело к величайшим открытиям, имевшим революционизирующее значение для человечества. Педагогический эффект использования сведений об этих методах значительно возрастает, когда они становятся не столько объектом, сколько средством изучения учебного материала. В этом случае методы физической науки выполняют в учебно-воспитательном процессе познавательные, развивающие, образовательные, воспитывающие, политехнические и другие функции обучения.

Ознакомление учащихся с методами научного познания — это один из эффективных способов повышения интереса к учению. Включение методов научного познания в учебный процесс позволяет активизировать деятельность учащихся, создавать на уроках ситуации научного поиска и проблемного обучения. Овладение методами научного познания и данными, полученными с помощью этих методов, способствует развитию мышления школьников. Не случайно на самом раннем этапе изучения курса физики в школе вопросам методологии научных исследований уделяется самое пристальное внимание. Так, в учебном пособии по физике для VIкласса (§ 3. Методы изучения в физике), в самом начале изучения этого предмета, школьники знакомятся с основными задачами, которые решает физика как наука [4, с. 13-16]. Эти задачи — обнаружение явления, его исследование, а затем объяснение данного явления. Далее с учащимися рассматривают, как они решаются и какие методы для этого используются в физике. В итоге (на конкретных примерах) учащиеся выходят на алгоритмическую цепочку действий ученого-исследователя:

наблюдение → эксперимент → факты → закон → гипотеза → эксперимент → теория.

Таким образом, учащиеся в самом начале изучения курса физики получают представление о научном пути познания окружающего мира.

Методы физической науки подразделяются на теоретические и экспериментальные. Особый интерес среди последних представляют фундаментальные эксперименты[1]. Какие эксперименты являются фундаментальными (или их иногда называют решающими)? Это эксперименты, которые определили становление и развитие физической науки, явились ее экспериментальной основой. Впервые разработка методических основ изучения таких экспериментов в школьном курсе физики была предпринята Л. И. Резниковым [5].

Условно фундаментальные эксперименты можно классифицировать на несколько групп.

1.     Эксперименты, приведшие к открытию наиболее важных физических законов: колебания математического маятника (Г. Галилей); электродинамики (Ш. Кулон, Г. Ом, Э. Ленц, Дж. Джоуль, А. Ампер); фотоэффекта (А. Г. Столетов); основных газовых законов (Р. Бойль, Э. Мариотт, Ж. Шарль и др.).

2.     Эксперименты, в результате которых были открыты новые физические явления, не предсказанные существовавшими в то время теориями: электрический ток (Л. Гальвани); магнитные свойства тока (Г. Эрстед); внешний фотоэффект (Г. Герц); рентгеновское излучение (В. Рентген); естественная радиоактивность (А. Беккерель); деление ядер урана под действием нейтронов (О. Ган и Ф. Штрассман).

3.     Эксперименты, положенные в основу физической теории или подтверждающие ее следствия: электронная теория строения вещества (Дж. Томсон); электронная проводимость металлов (Э. Рикке, Л. И. Мандельштам, Н. Д. Папалекси, Р. Толмен, Ч. Стюарт); молекулярно-кинетическая теория строения вещества (Р. Броун, Ж. Перрен); измерение скоростей газовых молекул и проверка распределения молекул по скоростям (О. Штерн); квантовая теория света (А. Г. Столетов, А. Ф. Иоффе, Н. И. Добронравов, Р. Милликен, П. И. Лукирский, С. С. Прилежаев); рассеивание рентгеновского излучения атомами легких элементов (А. Комптон); дискретность энергетических атомных уравнений (Д. Франк и Г. Герц); исследование флуктуации света (В. Боте и С. И. Вавилов).

4.     Эксперименты, с помощью которых были впервые определены физические константы: гравитационная постоянная (Г. Кавендиш); скорость света в воздухе и воде (О. Рёмер, А. Физо, Л. Фуко, А. Майкельсон); элементарный электрический заряд (Р. Милликен, А. Ф. Иоффе).

Не все экспериментальные методы физики могут стать объектом изучения в школе. В связи с этим встает вопрос о критериях их отбора. Прежде всего в школьный курс физики должны быть включены те экспериментальные методы, которые сыграли важную роль в формировании научных теорий, изучаемых в школе в соответствии с рассмотренным выше принципом генерализации знаний. Затем методы, позволившие открыть физические законы, закономерности, явления, процессы. Наконец, методы, нашедшие широкое практическое применение в различных областях науки и техники как основополагающие. Таким образом, в курсе физики должны найти свое отражение прежде всего те экспериментальные методы, которые сыграли решающую роль в развитии самой науки. Например, метод атомных и молекулярных пучков в молекулярной физике и электродинамике, метод спектрального анализа в оптике, квантовой физике и астрономии, метод рентгеноструктурного анализа в физике твердого тела и др.

При изучении фундаментальных физических экспериментов могут быть использованы различные формы учебных занятий. При этом весьма важно, чтобы учащиеся не только знали экспериментальный метод, но и овладевали характерной для него совокупностью умений. В каждом конкретном случае следует обращать внимание учеников на формулирование проблемы или научной задачи, постановку гипотезы, рассмотрение физического принципа действия экспериментальной установки, планирование и проведение эксперимента, соотнесение или сравнение полученных данных с гипотезой или выводами из нее (подтверждение или опровержение гипотезы), применение обнаруженных закономерностей.

Целостное представление об экспериментальном методе формируется у учащихся при ознакомлении с конкретным фундаментальным экспериментальным методом физики во время изучения программного материала. Здесь учащийся «вводится» в технологию получения научного факта, новой информации, которые в развитии физической науки оказались очень важными.

В школьной практике эксперимент, экспериментальный метод и экспериментальная деятельность учащихся реализуются в основном при постановке демонстрационных и лабораторных опытов в проблемно-поисковом и исследовательском методах обучения. Фундаментальные научные эксперименты имеют ряд существенных особенностей и отличий от школьных демонстраций и лабораторных опытов, что выделяет их в отдельную группу экспериментальных основ физики и требует особого подхода к их изучению. Отличия заключаются в следующем.

1. 1.            Фундаментальные научные эксперименты в большинстве своем выступают как источник принципиально важных знаний в системе физического образования и современной научной картины мира.
2. 2.            Структура и содержание фундаментального научного эксперимента отражают в себе процесс познания, творческий поиск ученого. Это позволяет сделать заключение о том, что материал по этим экспериментам является полезным в организации активной учебно-познавательной деятельности учащихся при изучении физики.
3. 3.            В развитии физической науки фундаментальные эксперименты стали важными вехами. На каждом этапе истории физики возникали такие ситуации, когда для разрешения противоречий приходилось ставить решающие эксперименты. В связи с этим сведения по истории физической науки могут быть полезными для развития мышления, творчества и рационализаторства школьников.

В учебном процессе указанные особенности взаимосвязаны. При его организации возможны варианты, обусловленные тем, что материальная и методическая оснащенность того или иного фундаментального эксперимента неодинакова. Одни из экспериментов могут быть продемонстрированы учащимся на имеющемся в школе оборудовании (например, опыты Г. Галилея, М. Фарадея, X. Эрстеда), другие — на моделях (эксперименты Р. Толмена и Т. Стюарта). Ряд фундаментальных экспериментов не воспроизводим в школьных условиях и не имеет аналогов в виде моделей. Здесь на помощь могут прийти видеофрагменты и мультимедийные средства наглядности.

Вместе с тем во всех случаях оправдывает себя приведенная ниже последовательность рассмотрения фундаментального эксперимента.

1. 1.            Исторический этап в развитии физики. Учитель рассказывает о сложившейся к моменту проведения фундаментального эксперимента обстановке в той области науки, к которой он относится. Приводятся различные мнения.
2. 2.            Выясняется основное назначение фундаментального эксперимента. Например, в экспериментах Г. Герца ставилась цель определить, существуют ли на самом деле электромагнитные волны. Естественно, возникала проблема получения и обнаружения таких волн[2].
3. 3.            Разработка экспериментального метода, т.е. формирование гипотезы, создание или подбор экспериментального оборудования, проведение эксперимента, фиксация и способы анализа полученных данных.
4. 4.            Описание хода, условий эксперимента. Здесь важно обратить внимание на выяснение физического принципа, осуществленного в эксперименте. Полезно указать на встретившиеся трудности при проведении экспериментов, путей их преодоления, на оригинальность подхода ученого. Безусловно, вызовет интерес у учащихся и личность самого ученого (его взгляды, убеждения, общественная деятельность).
5. 5.            Обобщения по результатам фундаментального эксперимента. Они необходимы для осмысления полученных данных, их значимости в физической картине мира, а также для философской и мировоззренческой оценок роли использованных экспериментальных методов познания природы.

Таким образом, включение методов научного познания в учебный процесс позволяет активизировать деятельность учащихся, создавать на уроках ситуации научного поиска, способствующие развитию их мышления. Введение в содержание курса физики для школьников сведений о фундаментальных экспериментах позволит в какой-то мере компенсировать пробелы в экспериментальном обосновании изучаемого школьниками теоретического материала.

1. 1.                Блинкова Н.Г. Модель деятельности учителя по формированию современного методологического компонента знаний учащихся в средней школе // Фiзiка: праблемы выкладання. — 2004. — № 1(36). — С. 3-6.
2. 2.                Программа для учреждений, обеспечивающих получение общего среднего образования. Физика. VI-IX классы / А. К. Горбацевич, Н. Ф. Горовая, В. В. Жилко и др. — Мн.: Национальный институт образования, 2003. — 31 с.
3. 3.                Фундаментальные опыты по физике в средних ПТУ /С. Л. Вольштейн, Н. И. Иванова, С.В. Позойский, В.В. Усанов. — Мн.: Выш. школа, 1982. — 176 с.
4. 4.                Исаченкова Л.Б., Лещинский Ю.Д.Физика: Учеб. пособие для 6-го класса учреждений, обеспечивающих получение общ. Сред, образования, с рус. яз. обучения с 12-летним сроком обучения. — Мн.: Нар. асвета, 2003. — 190 с.
5. 5.                Резников Л. И.Фундаментальные научные эксперименты в школьном курсе физики // Советская педагогика. — 1973. — № 10. — С. 39-45.

[1] Говоря о генезисе экспериментального метода в науке, отметим, что термин «эксперимент» (от лат. experimentum) означает «проба», «опыт». Этот метод возник в естествознании нового времени (Г. Галилей, У. Гильберт), а его философское осмысление дано в работах Ф. Бэкона. Эксперимент как научный метод позволяет исследовать явления природы в контролируемых и управляемых условиях.

[2] Следует отметить, что при целевой постановке некоторых опытов получался и непредвиденный результат. Например, знаменитые опыты X. Эрстеда, В. Рентгена, А. Беккереля и др.