CC BY
18Педагогика
УДК 372.853
кандидат педагогических наук, доцент Кирюхина Наталия Владимировна
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Калужский государственный университет имени К.Э. Циолковского» (г. Калуга); студент Жидких Алина Андреевна
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Калужский государственный университет имени К.Э. Циолковского» (г. Калуга); студент Винихина Александра Вячеславовна
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Калужский государственный университет имени К.Э. Циолковского» (г. Калуга)
ФОРМИРОВАНИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ ОБ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦАХ В КОНТЕКСТЕ СТЕРЖНЕВЫХ МЕТОДОЛОГИЧЕСКИХ ИДЕЙ ШКОЛЬНОГО КУРСА ФИЗИКИ
Аннотация. В статье изложены особенности методики изучения вопросов физики элементарных частиц в контексте стержневых методологических идей: элементарности, дискретности, симметрии, сохранения. Обращается внимание, что условность термина «элементарная частица» может служить источником ложных ассоциаций, поэтому идея элементарности должна рассматриваться с исторической точки зрения. Приводятся результаты эмпирического исследования уровня сформированности представлений об элементарных частицах у выпускников школ.
Ключевые слова: методологические идеи физики, элементарные частицы, методика обучения физике в школе.
Annotation. The article describes the features of the technology of studying the problems of elementary particle physics in the context of the core methodological ideas: simplicity, discreteness, symmetry, conservation. Attention is drawn to the fact that the conventionality of the term "elementary particle" can serve as a source of false associations, so the idea of simplicity should be considered from a historical point of view. The results of an empirical study of the level of formation of ideas about elementary particles among school graduates are presented.
Keywords: methodological ideas of physics, elementary particles, methods of teaching physics at school.
Введение. Формирование методологических знаний - одна из задач обучения физике на всех этапах образования. Системный поход к её решению предполагает целенаправленную деятельность, направленную на достижение понимания учащимися фундаментальных идей физической науки: элементарности, дискретности, сохранения, симметрии, относительности, материального единства и целостности мира [4, 6]. Эти концепты пронизывают учебные курсы физики всех образовательных ступеней, имея статус узловых точек, вокруг которых формируется метапредметное ядро содержания естественнонаучного образования [9].
Понятие об элементарных частицах как объектах микромира, предельных для данного этапа познания структурных единицах материи, являются важной частью системы методологических знаний [2]. Физика элементарных частиц определяет основные черты современной физической картины мира, в этой области на наших глазах происходят как долгожданные, так и сенсационные открытия, широко освещаемые в средствах массовой информации. Однако, как свидетельствует статистика ЕГЭ по физике [1], а также результаты нашего собственного эмпирического исследования, приведенные ниже, вопросы физики элементарных частиц и связанные с ними мировоззренческие и методологические обобщения плохо знакомы учащимся.
Целью исследования, представляемого в статье, было определение особенностей методики изучения вопросов физики элементарных частиц в контексте стержневых методологических идей физики с учетом современного состояния научных знаний.
Изложение основного материала статьи.
1. Идея элементарности - одна из древнейших основополагающих идей естествознания, корни которой уходят еще в донаучные представления, прослеживаются в воззрениях античных мыслителей. Прилагательное «элементарный» имеет несколько значений: основной, простейший, начальный. В определенном смысле это антоним к слову «сложный». Под элементарными частицами прежде подразумевали предельные, несоставные единицы, из которых слагается материя. В процессе познания не раз возникали ситуации, когда у этих сущностей обнаруживалась внутренняя структура. Представление об атомах как о не разлагаемых на составные части первоначалах вещества подверглось пересмотру на рубеже 19-20 веков (Дж. Дж. Томсон, Э. Резерфорд, Н. Бор). Последующая идентификация составных частей атомов - электронов и ядер, установление составного характера самих ядер в 30-е годы 20 века (В. Гейзенберг, Д. Иваненко) продолжило эту цепочку. К концу 60-х годов стало понятно, что у протона и нейтрона тоже есть внутренняя структура (кварковая модель М. Гелл- Мана и Дж. Цвейга).
Современный смысл древней идеи заключается в том, что структуру материи невозможно понять, исходя из принципа, что сколь угодно малая часть подобна целому [3]. Существует иерархия уровней элементарности, каждый характеризуется новыми свойствами. Это необходимо учесть при формировании методологических знаний у учащихся, разделив процесс на этапы, образующие логический ряд: макроскопическое тело как совокупность молекул - молекула, состоящая из атомов - атом, в составе которого электрон и ядро - ядро, состоящее из нуклонов - нуклоны как связанные состояния кварков. Кроме электрона, нуклонов и кварков к элементарным относят еще около 400 видов различных микрочастиц и далеко не все их них считаются бесструктурными. Термин «элементарная частица» относится именно к субъядерному уровню и нуждается в уточнении, чтобы у учащихся не возникло ошибочных представлений. О том, что они возможны говорят результаты опроса, которые будут изложены ниже.
Анализ определений, даваемых в научной литературе и учебниках для высшей школы, позволяет заключить, что термин «элементарная частица» условный, в нем отражается исторический аспект и сложившаяся традиция. Он появился в 30-х годах 20 века, когда известны были только четыре микрообъекта (электрон, фотон, протон и нейтрон), которые считались элементарными в первичном смысле. В курсе общей физики Д.В. Сивухина [8], элементарными частицами названа «большая групп мельчайших микрочастиц, не являющихся атомами и ядрами». Согласно авторам [10] частица считается элементарной, если выполняется одно из условий: при столкновениях частица распадается, а энергия связи любой из образовавшихся при этом
частиц намного меньше ее энергии покоя. Составные части частиц, не подчиняющихся этим условиям, называются субчастицами (кварки).
Во введении к разделу об элементарных частицах в учебниках [3,5] обсуждается критерий элементарности. Авторы приходят к выводу стабильность не может считаться таковым. Среди возможных вариантов: неспособность к самопроизвольным превращениям. В [5] без ссылки на источник приводится критерий данный авторитетными исследователями элементарных частиц (Гелл-Манн, Розенфельд, Чу): «Частица не является элементарной, если все ее свойства могут быть рассчитаны при условии, что она составная». Еще один вариант: «микрообъект, который в настоящее время на практике нельзя расщепить на части». В этом смысле элементарность протона, нейтрона и других адронов обоснована невозможностью наблюдать кварки в свободном состоянии («кварковый конфайнмент»).
Современное представление об элементарных частицах в корне отличается от идей атомистов доквантовой эры. Элементарные частицы - объекты микромира и подчиняются законам квантовой механики. Их местонахождение в данный момент времени определить точно невозможно, так как волновая функция позволяет лишь рассчитать вероятность. Элементарные частицы могут превращаться друг в друга (протон в нейтрон и наоборот, фотон - пару электрон-позитрон). Они обладают волновыми свойствами. В микромире размывается различие между волнами и частицами, там ярко проявляется корпускулярно-волновой дуализм.
Элементарность в традиционном смысле связывается с понятием фундаментальных частиц, для которых в настоящее время отсутствуют основания для описания их как составных. Для них иногда используются наименования «первичные», «истинно элементарные». Набор фундаментальных частиц, к которым в настоящее время относят 6 кварков, 6 лептонов, фотон, глюон, промежуточные векторные бозоны и скалярный бозон Хиггса, а также соответствующие античастицы) - одна из основополагающих компонент так называемой Стандартной модели - описательной теории системы элементарных частиц и взаимодействий, в которых они участвуют, которая к настоящему времени имеет достаточно много экспериментальных подтверждений и позиционируется как граница, отделяющая проверенные знания об элементарных частицах, от гипотез еще не имеющих достаточных подтверждений.
Таким образом, говоря об элементарности, нельзя понимать ее как простое деление крупных частей на мелкие. При этом что строго определить значение термина «элементарная частица» невозможно. Это собирательное обозначение для микрочастиц субатомного и субъядерного уровней структуры материи, обладающих способностью к рождению при столкновениях и взаимопревращению. Его понимание невозможно без учета исторического контекста, обозначенного выше, поэтому историзм как дидактический принцип и методический прием играет большую роль в формировании представления о том, что понимают под элементарной частицей.
2. При переходе на микроуровень идея элементарности смыкается с идеей дискретности, которая в физике элементарных частиц проявляется в нескольких аспектах:
- дискретность структуры материи, вещества и поля, что проявляется в факте существования фундаментальных частиц, в том числе частиц-переносчиков взаимодействий;
- квантование физических величин (энергии, импульса, момента импульса), описывающих свойства и состояния микрообъектов, которые могут в определенных условиях принимать значения из дискретного набора собственных значений (спектра).
Дискретность электрического заряда целесообразно обосновывать, используя представление об электроне, как фундаментальной частице-носителе наименьшего количества заряда, наблюдаемого в свободном состоянии. Элементарный заряд протона и других адронов - следствие их кварковой структуры и наличия заряда у кварков. Следующий шаг в формировании представлений о единстве непрерывного и дискретного в микромире связан с раскрытием роли фотонов как квантов электромагнитного взаимодействия. При обобщении и систематизации свойств элементарных частиц квантово-полевые представления распространяются на другие виды взаимодействий.
Строгое обоснование дискретности спектра энергии в школьном курсе невозможно, но оно хорошо демонстрируется формулой для энергии электрона в атоме водорода, которая выводится из постулатов Бора.
3. Идея сохранения. На микроуровне значительно возрастает роль законов сохранения, которые уже не вытекают из динамических уравнений, как в классической физике. В физике элементарных частиц законы сохранения иногда становятся единственным информации о процессах, служат основанием для систематизации и классификации частиц, используются для установления их характеристик, прогноза событий, происходящих при их взаимодействиях. При этом значительно расширяется перечень сохраняющихся величин и соответствующих законов. Выделяют универсальные законы сохранения, которые выполняются при любых взаимодействиях, и приближенные, которые в некоторых процессах могут нарушаться. В число универсальных входят как действующие не только в микромире законы сохранения энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда, но и специфические для микромира законы сохранения барионного и лептонного заряда. Следует понимать, что сохранение массового числа в различных реакциях с участием элементарных частиц, обусловлено законом сохранения барионного заряда. Здесь уместно предложить учащимся схемы реакций, и вопросы к ним, например, «используя законы сохранения, определите какие взаимопревращения частиц возможны, а какие нет»; «определите неизвестную частицу, получив ее характеристики на основе законов сохранения» и т.д.
Роль законов сохранения в физике элементарных частиц можно подчеркнуть поучительными примерами из истории науки, связанными с открытием нейтрона Дж. Чедвиком и предсказанием существования нейтрино В. Паули. В качестве закрепления материала можно предложить учащимся задачи с историческим содержанием, предполагающие выполнение расчетов.
4. Идея сохранения в физике неотделима от идеи симметрии, которая приобретает особое значение в мире элементарных частиц. Сама идея корпускулярно-волнового дуализма есть воплощение симметрии, и есть исторические свидетельства того, что на нее опирался Л. Де Бройль, выдвигая свою гипотезу. Но помимо непрерывных пространственно-временных симметрий макромира (однородность пространства и времени, изохронность пространства), в микромире проявляются зарядовая, зеркальная симметрия, симметрия относительно обращения времени и относительно перестановки одинаковых частиц.
Симметрия относительно зарядового сопряжения означает существование античастиц, о существовании которых необходимо сообщить учащимся. Здесь же уместно обсудить вопрос, у всех ли частиц есть античастица-двойник и какими характеристиками они отличаются. Обычно недоумение у школьников
вызывает факт наличия античастиц у нейтрона и других лишенных электрического заряда микрообъектов, поэтому необходимо дать пояснение, что помимо электрического, у частиц имеются лептонный и барионный заряды.
С зеркальной симметрией связано понятие четности, которая нарушается в слабых взаимодействиях. Здесь можно обсудить результаты исторического эксперимента Ву Цзяньсюн [7], продемонстрировавшей нарушение равноправия правого и левого при бета-распаде. Заинтересованным учащимся можно предложить для рассмотрения дополнительный материал о внутренних симметриях частиц.
Рассматривая изложение вопросов физики элементарных частиц с точки зрения стержневых методологических идей, можно сделать вывод о первостепенном значении этой темы для формирования мировоззрения и методологической культуры. В тоже время, существуют все основания утверждать, что вопросы физики элементарных частиц слабо усваиваются большинством учащихся. Для подтверждения этой гипотезы был проведен анкетный опрос выпускников 2020 года, которые в настоящее время являются студентами. Общий объем выборки составил 65 человек. В задачи опроса входило:
1) оценить полноту усвоения сведений об элементарных частицах, предусмотренных программой курса физики средней школы, и уровень сформированности понятия об элементарных частицах у выпускников школ;
2) выявить пробелы в знаниях о частицах, наиболее распространённые ошибочные представления и характерные заблуждения в трактовке понятия «элементарная частица».
Участникам был предложен перечень утверждений, которые требовалось разделить на истинные и ложные. Следует сразу отметить, что полного правильного эталонного ответа по всему списку не дал ни один из них. Больше всего ошибок (более 50 %)было связано с утверждениями: «элементарные частицы - это атомы и молекулы»; «первую элементарную частицу, электрон, открыл М.В. Ломоносов»; «элементарные частицы могут превращаться друг в друга»; «при встрече частицы и античастицы они исчезают без следа (это называется аннигиляцией)»; «слабое взаимодействие сильнее гравитационного», «протоны и нейтроны состоят из кварков», «кварки имеют дробный электрический заряд». Это означает, что у участников не сформировано понятие об элементарной частице (путают с атомами и молекулами), они не имеют представлений о взаимопревращениях частиц, допускают бесследное исчезновение с нарушением закона сохранения энергии, ничего не слышали о кварковой структуре адронов, не ориентируются в системе фундаментальных взаимодействий. Меньше всего ошибок допущено при оценке суждений «электрон больше, чем атом», «элементарные частицы получают в научных лабораториях с помощью очень мощных ускорителей», «протон имеет отрицательный электрический заряд». Анкета содержала также задания с выбором ответа, ответы на которые позволяют заключить, что большинство участников знает об отличиях частиц и античастиц по знаку заряда, но ошибочно считают протон античастицей электрона.
Исходя из результатов опроса, можно сделать вывод о том, что, к сожалению, понятие об элементарных частицах у более чем половины участников не сформировано. Одна из причин, на наш взгляд, состоит в том, что учебный материал об элементарных частицах распределен по разделам курса как в основной, так и старшей школе. Финальное обобщение на уровне физической картины мира предусмотрено по завершении каждого концентра (в девятом и одиннадцатом классе) и приходится календарно на конец учебного года, большинство школьников, особенно те, кто не собирается продолжать образование, связанное с физикой, имеют приоритетом подготовку к итоговой аттестации по другим предметам, и не уделяют изучению этой темы должного внимания.
Выводы:
1. Показана необходимость, целесообразность и возможность формирования понятия об элементарных частицах в контексте стержневых методологических идей физики: элементарности, дискретности, сохранения, симметрии.
2. Существующая на сегодня практика изучения физики элементарных частиц в школе не позволяет достичь высокого уровня сформированности представлений и понятий в этой области, что подтверждают результаты эмпирического исследования.
3. Решением проблемы может быть работа в направлении, обозначающем перспективу продолжения исследования - уделять внимание методологическим обобщениям на каждом этапе знакомства с элементарными частицами, знакомить школьников с научно-популярной информацией, рассматривать на уроках современные достижения из этой области, привлекать к проектной деятельности.
Литература:
1. Аналитические и методические материалы. Методические рекомендации для учителей, подготовленные на основе анализа типичных ошибок участников ЕГЭ. Физика. // ФБГНУ «Федеральный институт педагогических измерений» [сайт]. URL: https: //fipi.ru/ege/analiticheskie-i-metodicheskie-materialy (дата обращения: 20.06.2021).
2. Блохина Н.Г. Методическая система формирования понятия об элементарных частицах в курсе физики основной школы: дис. ... кан. пед. наук: 13.00.02. - М., 2010. - 173 с.
3. Вихман Э. Квантовая физика: Учебное руководство. (Берклеевский курс физики) Т. 4. - М.: Наука, 1986. - 392 с.
4. Голин Г.М. Вопросы методологии физики в курсе средней школы. М. Просвещение, 1987. - 127 с.
5. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики. Том III. Оптика, физика атомов и молекул, физика атомного ядра и микрочастиц. - М.: Лань, 2019. - 505 с.
6. Кочергина Н.В. Формирование системы методологических знаний при обучении физике в средней школе: дис. ... д-ра пед. наук: 13.00.02. - М., 2003. - 406 с.
7. Молчанова М. Ву Цзяньсюн: королева лаборатории // Квантик. - № 4. - 2020. Элементы [Электронный ресурс]. URL: https://elementy.ru/nauchno-populyamaya_biblioteka/435516/Vu_Tszyansyun (дата обращения: 20.06.2021).
8. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Ядерная физика. - Т. V. - Ч. 2. - М.: Наука, 1986. - 426 с.
9. Хуторской Андрей Викторович Пять уровней метапредметности // Народное образование. - 2017. -№8 (1464). URL: https://cyberieninka.m/artide/n/pyat-urovney-metapredmetnosti (дата обращения: 18.06.2021)
10. Широков Ю.М., Н.П. Юдин. Ядерная физика. - М.: Наука, 1980. - 728 с.
Педагогика
УДК 37.022
кандидат психологических наук, доцент Кисова Вероника Вячеславовна
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Нижегородский государственный педагогический университет имени Козьмы Минина» (Мининский университет) (г. Нижний Новгород); кандидат физико-математических наук, доцент Семенов Алексей Валерьевич Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Национальный исследовательский
Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского» (г. Нижний Новгород); студент Семенова Елизавета Алексеевна
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова» (г. Москва)
ДИСКРИМИНАНТНЫЙ АНАЛИЗ В ИССЛЕДОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ОЛИМПИАДЫ ШКОЛЬНИКОВ ПО ИНОСТРАННОМУ ЯЗЫКУ
Аннотация. В статье представлен опыт статистического анализа итоговых результатов олимпиады по иностранному языку на примере заключительного этапа всероссийской олимпиады школьников по французскому языку. Цель исследования - на основе дискриминантного анализа верифицировать порядок определения победителей и призеров в соответствии с Требования к организации и проведению Всероссийской олимпиады школьников Центрального оргкомитета. В состав исследуемых показателей (предикторов) вошли результаты участников по лексико-грамматическому тесту, тесту на понимание устного текста, тесту на понимание письменных текстов, конкурсу письменной речи, конкурсу устной речи. Помимо прямого дискриминантного анализа, было выполнено исследование результатов выполнения олимпиадных конкурсов посредством применения методов описательной статистики и корреляционного анализа. Корреляционный и дискриминантные анализы подтверждают тот факт, что олимпиадные конкурсы по иностранным языкам не дублируют друг друга, а образуют целостную систему, позволяющую хорошо дифференцировать участников олимпиады по уровням (классам), которые, в целом, соответствуют порядку определения победителей и призеров в соответствии с нормативными документами.
Ключевые слова: иностранный язык, Всероссийская олимпиада школьников, тестовые.
Annotation. The article reflects the authors' experience in using the method of statistical analysis for studying the final results of the participants of the All-Russian Olympiad for School Students, in this particular case the one held in French language. The main aim of the research is to verify by the means of discriminant analysis whether the procedure for determining the winners and runners-up of the All-Russian Olympiad for School Students is in accordance with the requirements established by the Central Organizing Committee. Among the indicators (predictors) studied were the scores of the participants obtained for Vocabulary and Grammar Test, Listening Comprehension, Reading Comprehension, Writing Test and Speaking Test. Apart from using the method of discriminant analysis, the researchers have studied the results applying the methods of descriptive statistics and correlational analysis. Correlational and discriminant analyses have confirmed the fact that each part of the Olympiad tests different skills and thus does not overlap with the others. Consequently, it has been proved that the Olympiad's tests form a coherent system that permits proper differentiation between the participants, so that, by and large, one can affirm that the procedure for determining the winners and runners-up is in accordance with the regulatory documents, as far as the All-Russian Olympiad for School Students is concerned.
Keywords: foreign language, the All-Russian Olympiad for School Students, test tasks, statistical analysis, discriminant analysis.
Введение. В России ежегодно миллионы школьников принимают участие в предметных олимпиадах, направленных выявление и поддержку одаренной молодежи. Министерство науки и высшего образования и Министерство просвещения Российской Федерации являются соорганизаторами олимпиад школьников по иностранным языкам [7, 91, интерес к которым является традиционно высоким. Важность проведения подобного рода мероприятий подчеркивается многими педагогами, учеными и общественными деятелями, например, Е.А. Кротова и О.М. Филатова отмечают, что участие в предметных олимпиадах «способствует развитию творческой активности и становлению профессионального самоопределения будущего выпускника» [61.
Значительная часть научных работ, посвященных исследованию олимпиад по иностранным языкам, нацелена на проведение теоретического анализа выполнения конкурсных олимпиадных заданий и формулирование методических рекомендаций педагогам [2, 31. Так в работе Н.А. Бесядовской и Н.И. Трубицыной [11 предлагается методика проведения анализа олимпиадных тестовых заданий с применением инструментов математической статистики. Такой подход позволяет авторам, в частности, выявлять типичные ошибки школьников при выполнении олимпиадных заданий и конкурсов, возможные причины их появления и формулировать на основе проведенного анализа рекомендации по их устранению.
Изложение основного материала статьи. Олимпиадные задания по иностранному языку носят интегрированный характер, сочетая разные формы и объекты контроля. Например, заключительный этап анализируемой олимпиады по французскому языку включает 5 конкурсов, соответствующих уровню сложности В2+ по европейской шкале, из которых четыре проводятся в письменной форме [5].
Участниками заключительного этапа Всероссийской олимпиады по французскому языку становятся обучающиеся, достижения которых соответствуют критериям отбора, установленным Минобрнауки России, в частности, это участники регионального этапа олимпиады, набравшие необходимое для участия в заключительном этапе олимпиады количество баллов.
Порядок определения победителей и призеров заключительного этапа олимпиады устанавливается квотой Минобрнауки России, указанных в Требованиях к организации и проведению Всероссийской олимпиады школьников Центрального оргкомитета: число победителей и участников «составляет не более 45% от общего числа участников заключительного этапа олимпиады предыдущего года; они должны иметь
