CC BY
56
#
О результативности выбранного подхода к формированию ключевых образовательных компетенций в классе физико-математического профиля (эксперимент осуществлялся в течение учебного года) свидетельствует положительная динамика развитости содержательных компонентов операционно-технологической ключевой образовательной компетенции у учащихся: владение приемами действий в нестандартных ситуациях - 30-55%; способность генерировать новые идеи - 27-60%; гибкость владения методами познания - 32-48%.
Отметим, что рассмотренные нами примеры не являются исчерпывающими. Они лишь подтверждают тот факт, что отдельно взятый урок и учебный предмет, в частности физика, открывают возможности для формирования арсенала ключевых образовательных компетенций у учащихся профильных классов (при выборе надлежащей технологии и содержания обучения), необходимых для будущей профессиональной деятельности.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ
1. Концепция развития образования в среднесрочной перспективе. - М.: ИОСО РАО. - 1998. - С. 63-117.
2. Кузнецов А. А. Разработка Федеральных государственных стандартов // Педагогика. - 2009. - № 4. - С. 3-10.
3. Степанов С. В. Ключевые компетенции в современной школе: новые требования к содержанию образования и педагогу // Наука и школа. -
2009. - № 1. - С. 8-10.
4. Хуторской А. В. Ключевые компетенции как компонент личностно ориентированной парадигмы образования // Народное образование. -2004. - № 5. - С. 58-64.
5. Хуторской А. В. Ключевые компетенции. Технология конструирования // Народное образование. - 2003. - № 5. - С. 55-60.
6. Хуторской А. В. Методика личностно ориентированного обучения. Как обучать всех по-разному?: Пособие для учителя. - М.: ВЛАДОС-ПРЕСС, 2005. - 383 с.
7. Артемова Л. К. Профильное обучение: опыт, проблемы, пути решения // Педагогическое образование и наука. - 2003. - № 1. - С. 46-51.
8. Артемова Л. К. Качество обучения как основа формирования образовательно-профессионального маршрута старшеклассников // Теория и практика педагогической науки в современном мире: традиции, проблемы, инновации: Материалы междунар. науч.-практ. конф. Ч. III. - Новокузнецк: Изд-во КузГПА,
2010. - С. 3-9.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПИСАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ РАЗНОЙ ПРИРОДЫ
ENERGY METHOD OF THE DESCRIPTION OF THE PHYSICAL PHENOMENA OF VARIOUS PROVENANCE
Г. П. Стефанова, А. С. Исмухамбетова
В данной статье выделены ситуации, в которых возникла потребность в описании физических явлений разной природы энергетическим методом, а также во введении новых энергетических величин, описывающих разные физические явления.
Ключевые слова: энергетический метод, энергетические величины, работа, энергия, закон сохранения энергии.
G. P. Stefanova, A. S. Ismukhambetova
The article singles out situations which necessitated the description of physical phenomena of different provenance by means of energy method as well as the introduction of new energy variables that describe different physical phenomena.
Keywords: energy method, energy variables, work, energy, law of the conservation to energy.
Энергетический метод является универсальным для описания физических явлений разной природы. Однако при обучении физике у обучаемых формируется представление, что этот метод широко применяется лишь для описания механических явлений. Как показывает
практика, учащиеся не осознают необходимости введения этого метода и возможности его применения для описания явлений другой природы. В большинстве учебников и учебных пособий не приводятся ситуации, в которых возникают непреодолимые трудности в решении задач на
Ф
основе существующих знаний. Именно эти представления являются причиной введения новых величин и законов, а также новых терминов, применяемых для описания явлений, протекающих в этих ситуациях.
Эволюция введения энергетических понятий и анализ их содержания позволили нам выявить ситуации, в которых оказалось невозможным решение проблем на основе динамического метода.
Описание механических явлений с помощью законов Ньютона позволяет решать множество практических задач при условии, что масса тела при движении не меняется и силы не зависят от скоростей тел по отношению к выбранной системе отсчета. Действительно, для ответа на вопрос, как протекает механический процесс, надо использовать закон, описывающий поведение системы в течение любого элементарно малого промежутка времени, то есть дифференциальный закон движения - второй закон Ньютона для каждого из тел и третий закон там, где это необходимо.
Возникает вопрос, зачем понадобились новые физические величины (работа А, энергия Ек, Епот.), новые законы (закон сохранения импульса, закон сохранения энергии), если многие задачи можно решать, применяя законы Ньютона?
В XVII в. возникла ситуация, связанная с изучением различных случаев упругого соударения двух шаров. Записывая уравнения движения для каждого из взаимодействующих тел, получали результаты, противоречащие экспериментам. Дело в том, что при ударах, взрывах возникают переменные силы, действующие на тела или части тела, и применять динамический метод в этих случаях нельзя.
Выход из этой ситуации был найден Гюйгенсом, который экспериментально доказал, что при соударении двух тел сумма произведений их масс на квадраты их скоростей остается неизменной до и после удара, то есть ш1У12 + ш2У22 = ш1(У1')2 + ш2(У2'у. Это положение получило название теоремы живых сил. Но Гюйгенс в то же время не обратил особого внимания на величину шУ2 и не счел возможным рассматривать ее в качестве меры механического движения.
Спор ученых о том, что выбрать в качестве меры движения тела - шУ или шР, - оставался открытым.
В качестве меры движения Лейбниц предложил шУ2, назвав эту величину «живой силой». Пытаясь доказать постоянство «живой силы» во всех известных ему явлениях, Лейбниц по существу подошел к идее сохранения и превращения энергии.
Идеи Лейбница получают развитие в работах И. Бер-нулли. Бернулли считал, что если в механических процессах «живая сила» исчезает, то это значит, что исчезает способность производить работу. «Живая сила» просто превращается в другую форму.
Понятие же энергии было впервые введено в науку Т. Юнгом в 1807 г. Затем в науку было введено понятие работы, а в качестве «живой силы» уже рассматривалась величина не шУ2, а шУ2/2.
Энергетический метод решения задач в механике представляет собой систему действий, определяемую целью составить уравнение движения, связывающее изменение механической энергии тела с причиной, вызвавшей это изменение. Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие действия:
1) выбрать I и II состояния тела;
2) выбрать нулевой уровень потенциальной энергии;
3) найти значения энергии тела в первом состоянии;
4) найти значение энергии тела во втором состоянии;
5) установить изменение энергии;
6) установить, является ли данное тело замкнутой системой. Если нет, то определить работу внешних сил, действующих на тело;
7) установить, действуют ли внутри этой системы внутренние диссипативные силы. Если да, то найти работу этих сил;
8) составить уравнение, связывающее изменение энергии тела с работой внешних и внутренних диссипа-тивных сил для данной конкретной ситуации [1, с. 92].
Таким образом, в механике потребность в разработке энергетического метода возникла из конкретной ситуации кратковременных взаимодействий движущихся тел, для описания поведения которых нельзя было применять динамический метод.
Выясним, какая ситуация позволила применить этот метод для описания тепловых явлений.
В начале XX в. в рамках молекулярно-кинетической теории были предприняты попытки описания поведения огромного числа взаимодействующих между собой частиц, из которых состоят тела, на основе динамического метода. Направление движения, скорость, длина свободного пробега каждой молекулы в результате взаимодействия (беспорядочного столкновения) постоянно и хаотически меняются. Силы, возникающие при взаимодействии молекул, не являются постоянными. По этим причинам применять динамический метод для описания такой системы нельзя.
Поэтому Рудольф Клаузиус вводит новую физическую величину - внутреннюю энергию, под которой понимает совокупность кинетической энергии движения молекул и потенциальной энергии всех видов их взаимодействий. Внутренняя энергия изменяется либо вследствие теплообмена с другими телами или вследствие совершения над телом (или самим телом) работы. Соотношение АП = Q + А называется первым законом (началом) термодинамики, который является законом сохранения и превращения энергии для описания тепловых процессов. На основе этого закона разработан термодинамический метод решения задач на тепловые явления. Суть его заключается в следующем: сначала выясняются условия изменения теплового состояния тел (системы тел) (А = 0, Ш = Q = 0, Ш = А; Ш = 0, Q = -А'; Ли = Q + А), далее записывается первое начало термодинамики с учетом этих условий. Энергетический метод, который был применен для описания тепловых явлений, получил название термодинамического метода.
Рассмотрим электрические явления. Электростатика изучает условия равновесия неподвижных заряженных частиц в электростатическом поле. Такие явления не требуют применения энергетического метода. Если же возникает ситуация, в которой рассматривается движение заряженных частиц в электростатическом поле, то со стороны электростатического поля действуют переменные силы. При этом скорость движения заряженных частиц будет изменяться. Динамическим методом в этой ситуации пользоваться нельзя. Энергетический метод в подобных ситуациях работает, однако нулевой уровень потенциальной энергии электростатического поля выбирается произвольно.
Все явления, связанные с электрическим током, изучаются по его действиям: тепловому, магнитному, химическому. Другими словами, происходит преобразование энергии электрического поля в другие виды энергии, то есть электрическое поле совершает работу. Вводятся энергетические понятия: работа сторонних сил, работа электрического тока, энергия электрического поля, закон Джоуля - Ленца, энергия магнитного поля.
При изучении квантовых явлений, таких как фотоэффект, эффект Комптона, давление света, возникает ситуация с описанием движения квантовых частиц, например фотонов, которые не имеют массы покоя и движутся со скоростью света. Понятно, что динамическим методом пользоваться нельзя (масса частиц, движущихся со скоростью света, является переменной). Возникает потребность перехода на другой язык описания квантовых явлений. Вводятся новые энергетические величины: энергия кванта, импульс фотона, кинетическая энергия частиц, работа выхода.
Таким образом, при изучении явлений разной природы энергетический метод их описания всегда возникал из конкретной ситуации (потребности). Можно заметить, что были все основания для введения совершенно новых понятий, которые побуждают ученых переходить на другой способ описания этих явлений.
Этот небольшой экскурс в историю введения энергетических понятий и применение энергетического метода для описания явлений разной природы убеждает в том, что и в процессе обучения физике учащихся и студентов необходимо создавать такие ситуации, из которых возникала бы потребность введения новых физических величин.
Анализ существующих комплектов учебников по физике таких известных авторов, как А. В. Перышкин, А. А. Пинский, В. Г. Разумовский, С. В. Громов, Н. А. Родина, А. Е. Гуревич и др., позволил установить отсутствие ситуаций, в которых возникает потребность во введении энергетических понятий, описывающих явления разной природы. Описание таких ситуаций не приведены в методической литературе для учителей физики. Кроме того, специально проведенный педагогический эксперимент показал, что применение учащимися энергетического метода осуществляется в основном при решении задач механики. Отдельные действия этого метода специально
не формируются. Поэтому в целом этот метод усваивается не всеми учащимися (аналитический отчет о результатах ЕГЭ по физике) [2; 3].
Поэтому необходимо разработать такую методику введения энергетических понятий для описания физических явлений разной природы, основой которой явились бы ситуации, создающие потребность перехода на другой способ, язык описания этих явлений. Кроме того, надо разработать методику формирования у учащихся энергетического метода решения физических задач, в условиях которых описываются физические явления разной природы.
Приведем пример ситуации, создающей потребность перехода на другой способ описания явлений при изучении темы «Молекулярно-кинетическая теория идеального газа». Простой моделью систем многих частиц является идеальный газ, состоящий из точечных материальных частиц с конечной массой, между которыми отсутствует сила, действующая на расстоянии, и которые сталкиваются между собой по закону соударения шаров. Поэтому, зная положение и скорости всех частиц газа в некоторый момент времени, можно вычислить их положение и скорости во все последующие моменты времени. Однако вся эта информация необозрима для нашего мысленного взгляда, не говоря уже о технической неосуществимости ее обработки. При нормальных условиях в 1 см3 воздуха содержится примерно 2,7 • 1019 молекул. Это означает, что для записи в некоторый момент времени положений и скоростей всех молекул потребовалось бы зафиксировать 6 • 2,7 • 1019 чисел. Если бы некоторое устройство фиксировало бы их со скоростью 1 млн чисел в секунду, то потребовалось бы 6 • 2,7 • 1013 с, что приблизительно равно 6 млн лет. Если по этим данным необходимо вычислить, например, кинетическую энергию частиц, причем счет вести со скоростью 1 млн операций в секунду, то потребуется примерно 21 млн лет, не считая 2 млн лет на фиксацию значений кинетической энергии для всех молекул. И это только для одного момента времени для молекул в 1 см3 воздуха при нормальных условиях. Ясно, что динамическое описание таких систем неосуществимо с технической, непригодно с теоретической и бесполезно с практической точек зрения.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ
1. Анофрикова С. В., Стефанова Г. П.. Применение задач в процессе обучения физике: Учеб. пособие для студентов физич. ф-тов пед. ин-тов. М.: Прометей, 1991. - 176 с.
2. Васильева Т. Б., Иванова И. Н. Физика. Естествознание. Содержание образования: Сб. нормативно-правовых документов и методических материалов. - М.: Вентана-Граф, 2007. -208 с.
3. Демидова М. Ю, Никифоров Г. Г. Основные результаты ЕГЭ-2007 по физике // Физика в школе. - 2008. - № 3, 4.
#
4. Соколовский Ю. И. Понятие работы и закон сохранения энергии. - М.: Изд-во АПН РСФСР, 1962. - 344 с.
5. Гельфер Я. М. Закон сохранения и превращения энергии. - М.: Учпедгиз, 1958. - 260 с.
6. Кудрявцев П. С. История физики. - М.: Учпедгиз, 1956. - 560 с.
7. Матвеев А. Н. Молекулярная физика: Учеб. пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1981. -400 с.
АТРИБУТИВНАЯ МОДЕЛЬ ПОНЯТИЯ «МАТЕРИЯ» КАК МЕТОДОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНОВА ПОСТРОЕНИЯ И РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННОЙ ОБЩЕНАУЧНОЙ КАРТИНЫ МИРА
THE ATTRIBUTIVE MODEL OF THE CONCEPT OF "MATTER" AS A METHODOLOGICAL BASIS OF THE CONSTRUCTION AND DEVELOPMENT OF MODERN GENERAL SCIENTIFIC CONCEPTION OF THE WORLD
С. М. Похлебаев, И. А. Третьякова
Разработана атрибутивная модель понятия «материя», которая может определять общую стратегию формирования современной общенаучной картины мира у учащихся и студентов при изучении естественнонаучных дисциплин.
Ключевые слова: материя, движение, категория, принцип, картина мира, методология, мышление, мировоззрение, образование.
S. M. Pohlebaev, I. A. Tretjakova
The articles illustrates the results of the development of the attributive model of the concept "matter" , which can shape and determine the overall strategy of the formation of the modern general scientific conception of the world by pupils and students in the study of natural sciences.
Keywords: matter, motion, category, principle, world-view (conception of the world), methodology, mindset, outlook, education.
Современная стратегия теоретического естествознания и естественнонаучного образования направлена на формирование целостного миропонимания и современного научного мировоззрения. Новая парадигма меняет узкоспециальные цели на приобретение обобщенных знаний о глубинных сущностях окружающего мира, на развитие научных форм мышления.
В рамках философского знания функцию интегрально-обобщенной формы выполняет система философских категорий и принципов, которые составляют ядро научной картины мира. В научной картине мира различают частные и общая научные картины мира. Из них последняя обладает самым мощным методологическим потенциалом. Это обусловлено тем, что ее основу образуют наиболее общие философские категории и принципы [1, с. 340]. Ключевым понятием общей научной картины мира является понятие «материя». Поэтому неслучайно В. И. Ленин подчеркивал, что «картина мира есть картина того, как материя движется и как "материямыслит"» [2, с. 375]. Категория материи как наиболее общее понятие является основной содержательной формой постижения самых общих закономерностей бытия. Обладая мощным методологическим потенциалом, данная категория определяет стратегию решения глобальных проблем, возникающих в разных сферах человеческой деятельности.
Всеобщие принципы общей научной картины мира заимствованы также из философии диалектического материализма, где в качестве методологии выступают и материализм и диалектика. Такими принципами являются: принцип материального единства мира, принцип неисчерпаемости материи, принципы развития и взаимосвязи, которые отражают в самом общем виде сущность бытия. Таким образом, основой формирования и эволюции общей научной картины мира являются философские знания, обладающие наибольшим объемом и широтой, позволяя сформировать самые общие представления о мире.
Огромный мировоззренческий потенциал современной научной картины мира должен использоваться в качестве философско-методологической основы не только в сфере науки, но и в сфере образования. Это детерминировано прежде всего ее универсальными методологическими функциями:
- способность быть связующим звеном между наукой, теорией, философией и культурой;
- обеспечение наглядности менее наглядным теоретическим конструктам;
- наличие эвристического потенциала, участие в выдвижении и элиминации гипотез;
- ориентация субъекта на способы решения научных проблем и выбора возможных средств;
Ф
