CC BY
307
8. Цыпкин Я. З. Адаптация и обучение в автоматических системах. М.: Наука, 1968.
9. Hull C. L. Principles of behavior. An introduction to behavior theory. New York: Appleton-Century-Crofts, 1943.
REFERENCES
1. Beljaeva L. N., Nymm V. R., Shubina N. L. Informatika i informatsionnye tehnologii v strukture uchebnyh programm gumanitarnyh fakul'tetov // Izvestija Sankt-Peterburgskogo universiteta ekonomiki i fi-nansov. 2010. № 2. S. 61-72.
2. BellmanR. Mozhet li mashina myslit'? // Problemy sovremennoj kibernetiki. M.: Znanie, 1975.
3. Bush R., Mosteller F. Sravnenie vos'mi modelej // Matematicheskie metody v sotsial'nyh naukah. M.: Fizmatgiz, 1973.
4. Kohonen T. Assotsiativnaja pamjat'. M.: Mir, 1980.
5. Popov Ju. P., Samarskij A. A. Vychislitel'nyj eksperiment. M.: Znanie, 1983.
6. Pospelov G. S., Pospelov D. A. Issledovanija po iskusstvennomu intellektu v SSSR // Kibernetiku — na sluzhbu kommunizmu. M.: Energija, 1978. T. 9.
7. Rastrigin L. A., Jerenshtejn M. H. Adaptivnaja sistema obuchenija s model'ju obuchaemogo. Riga: Zinatne, 1988.
8. Tsypkin Ja. Z. Adaptatsija i obuchenie v avtomaticheskih sistemah. M.: Nauka, 1968.
9. Hull C. L. Principles of behavior. An introduction to behavior theory. New York: Appleton-Century-Crofts, 1943.
В. Н. Марков
ОСНОВЫ СОВРЕМЕННОЙ КВАНТОВО-РЕЛЯТИВИСТСКОЙ ФИЗИКИ И КОСМОЛОГИИ КАК ИННОВАЦИОННЫЙ ПРОЕКТ РАЗВИТИЯ ШКОЛЬНОГО ФИЗИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ
Представлена методическая концепция и ее реализация в инновационном образовательном проекте углубленного изучения основ современной квантово-релятивистской физики и космологии в средней школе. Исследование направлено на развитие физического образования в контексте современной образовательной парадигмы.
Ключевые слова: фундаментализация, гуманизация образования, квантово-релятивист-ская физика, физический вакуум, космология, эволюционно-синергетическая парадигма.
V. Markov
THE FUNDAMENTALS OF QUANTUM RELATIVITY PHYSICS AND COSMOLOGY AS AN INNOVATIVE PROJECT OF SCHOOL PHYSICS EDUCATION
This paper presents the methodological concept and its implementation in the framework of an innovative in-depth study project of the fundamentals of the contemporary quantum-relativity physics and cosmology education in the secondary school. The research is aimed at the development ofphysics education in the context of the contemporary educational paradigm.
Keywords: fundamentalisation, humanisation of education, quantum relativity physics, physical vacuum, cosmology, evolutional synergetical paradigm.
В развитии человеческого общества происходят не только научные революции, кардинально меняющие понимание основных положений, составляющих фундамент науки, но и периоды достаточно глубоких радикальных реформ в образовании, когда на смену одной
образовательной парадигме приходит другая, отвечающая новому историческому этапу развития общества и науки. Сегодня на образовательном пространстве утверждается гуманистическая парадигма, направленная на развитие личности. Она вбирает в себя традиционную «знаниевую» модель образования, но при этом изменяет акценты и ориентиры образования, отдавая приоритет формированию интеллектуальной и общей культуры личности, ее компетентности и творческих начал. В качестве базовых принципов современной парадигмы выступают фундаментальность, целостность и гуманизация образования.
Новая модель образования требует обновления и его содержания. В данной статье речь пойдет о разработке и реализации в рамках этой образовательной модели методической концепции изучения основ квантово-релятивистской физики и космологии в средней общеобразовательной школе. Представленный в ней научно-методический подход ориентирован на углубленный уровень изучения физики. Он стал основой реализуемого нами инновационного образовательного проекта. В настоящее время создание школ и классов с углубленным изучением основ фундаментальных наук является стратегически важной задачей, решение которой связано с воспитанием и развитием будущей интеллектуальной элиты — ученых и инженеров, творчески мыслящих людей, способных обеспечить научно-технический прогресс страны.
Необходимость решения данной проблемы сегодня ощущается особенно остро. Неуклонно падает престиж школьного физического образования, которое оказалось мало связанным с жизнью современного общества. Содержание существующего курса физики принципиально не изменилось со времен реформы школьного образования начала 70-х годов прошлого века. Оно по-прежнему направлено на формирование политехнического образования, основывается на классических представлениях и, в лучшем случае, соответствует научным представлениям начала ХХ века.
Дело даже не в том, что изучаемых вопросов современной физики в школьном курсе действительно мало. Главное, — они не создают понимания того, что с появлением кван-тово-релятивистской физики произошла революция в физике, которая кардинально изменила представления об устройстве мира. Кроме того, отсутствие общих концептуальных и мировоззренческих идей (образно говоря, «сюжетных линий») делает курс разобщенным, не связанным в единое целое. Поэтому неудивительно, что, даже зная отдельные физические законы, ученик оказывается не в состоянии ответить на главный вопрос: что составляет основу современной научной картины мира. А ведь это можно считать сердцевиной физического образования.
В связи с этим уместно вспомнить слова американского физика И. Раби, лауреата Нобелевской премии, сказанные им почти пятьдесят лет назад: «Я уверен, что мы недостаточно последовательны, преподнося науку подрастающему поколению, в основном, в плане ее практической полезности. Мы даем очень мало из того важного для нашей жизни, что лежит за пределами практического приложения науки... Сейчас значение науки совсем другое... Физика сейчас находится в ядре гуманистического воспитания. Мое предложение состоит в том, что физика должна преподаваться на всех уровнях гуманистическим путем. Под этим я подразумеваю исторический, философский и социальный аспекты науки» (From the address of I. I. Rabi at AAAS meeting of Educational Policies Commission, 27 December 1966, Washington, D. C.). С этой позицией трудно не согласиться. Однако гуманистические аспекты науки должны основываться, прежде всего, на понимании сущ-
ностных основ изучаемого материала. Только в этом случае обучение может быть педагогически эффективным.
В методических исследованиях неоднократно предпринимались попытки модернизировать изучение современной физики в школе, но они не увенчались успехом. Главная причина этого кроется в том, что ее стараются изучать в виде теоретической схемы, то есть как специальную теорию относительности и квантовую механику, а не как физику, имеющую онтологическую основу. Такой путь изучения физики в школе неизбежно ведет к формальному знанию. Учащиеся просто не в состоянии постичь всей глубины теоретической конструкции, поскольку они не готовы к этому ни в теоретическом, ни в математическом планах. Решение задач физического образования, в том числе философского понимания основных научных положений и мировоззренческих универсалий, должно быть связано с постижением физической онтологии. Учебное познание должно строиться не на «голой» феноменологии или освоении теоретических схем, а на основе изучения реальных физических явлений и процессов.
Исходя из вышеуказанных позиций, выделим ряд факторов, которые, с точки зрения целей и принципов современного образования, должны определять методическую концепцию изучения квантово-релятивистской физики и космологии в школе, это:
■ историко-культурологический, направленный на формирование понимания единства естественнонаучной и гуманитарной культуры;
■ философско-методологический, способствующий философскому осмыслению изучаемого материала и постижению методов научного познания;
■ онтологический, раскрывающий сущностные основы квантово-релятивистской физики и космологии и тем самым ведущий к формированию представлений о современной научной картине мира;
■ системный, обеспечивающий целостность естественнонаучного образования на основе формирования современной естественнонаучной эволюционно-синергетической парадигмы;
■ когнитивный, учитывающий познавательные возможности учащихся.
С учетом всех этих факторов обучение будет направлено на интеллектуальное развитие личности, будет способствовать формированию ее научного мировоззрения, философской и познавательной культуры. В этом отношении фундаментальные основы квантово-релятивистской физики являются стратегическим ресурсом развития физического образования.
Остановимся на некоторых из них более подробно. Сегодня становится ясно, что для сущностного понимания фундаментальных основ релятивистской и квантовой физики недостаточно изучать только их феноменологические основы, которые были открыты еще в начале прошлого века и завершились созданием теории относительности и квантовой механики. Под феноменологические принципы релятивистской и квантовой физики необходимо подвести онтологическое основание. Таковым является факт существования в реальности особой формы материи — физического вакуума, из которого на фундаментальном уровне и по определенным законам могут рождаться другие виды материи — вещество и поле. Это открытие стало историческим итогом развития науки последней третьи ХХ века и дает основание полагать, что физика нового столетия будет физикой вакуума.
Физический вакуум является базовой формой материи по отношению к веществу и полю. Если механику можно считать физикой вещества, описывающей механическую
форму движения материальных тел, а электродинамику — физикой электромагнитного поля и соответственно полевой формы движения, то, с точки зрения современного понимания, квантово-релятивистская физика представляет собой физику вакуума и всего, что с ним связано. Вакуум оказался вовсе не демокритовой абсолютной пустотой, как полагал И. Ньютон, и не вещественным светоносным эфиром, как считали физики в конце XIX века. Это особая мировая физическая среда, которая предопределяет характер движения и динамику малых материальных объектов, генетически с нею связанных. Поэтому релятивистская и квантовая физика по сути являются проявлениями свойств физического вакуума.
Наличие геометрических и кинематических симметрий физического вакуума на макроскопическом уровне приводит к основным законам и принципам релятивистской физики. На микроскопическом уровне вакуум проявляет квантовую структуру. Его флуктуации рассматриваются как виртуальные частицы, которые на очень короткое время заимствуют энергию квантового поля, а затем возвращают ее обратно. Динамический хаос виртуальных образований порождает специфическую — квантовую форму движения реальных микрообъектов в этой среде, что и составляет фундаментальную основу квантовой физики.
Впервые квантовая форма движения на макроскопическом уровне наблюдения проявилась в корпускулярно-волновом дуализме и привела к вероятностно-статистическому описанию поведения микрообъектов. Другой стороной ее существования, как выяснилось, является образование устойчивых дискретных состояний квантовых структур в различных пространственно-энергетических масштабах, что приводит к иерархической структурной лестнице мироздания.
Таким образом, использование концепции физического вакуума позволяет раскрыть онтологию релятивистской и квантовой физики, а также показать их глубокую взаимосвязь и обусловленность, что особенно проявляется в физике высоких энергий, когда начинают происходить процессы множественного рождения элементарных частиц из физического вакуума.
Естественным и логичным развитием этой темы становится изучение вопросов современной космологии, ее стандартной и инфляционной моделей. Это позволяет дать научно обоснованное представление об эволюционном развитии Вселенной — ее рождение из нестабильного возбужденного состояния вакуума и последующего космогенеза, сопровождавшегося взаимообусловленным действием микро- и макроэволюционных процессов, которые привели к появлению новых структур и форм материи. Тем самым можно выделить и содержательно развить (наряду с теориями геологической и биологической эволюции) определяющую научную идею или парадигму современного естествознания, основным принципом которой является универсальный эволюционизм и всеобщая синергия. Несомненно, что достичь глубокого восприятия и понимания этой идеи можно только через постижение фундаментальных основ квантово-релятивистской физики и построенной на ней современной космологии.
Такова в общих чертах физическая сторона развиваемой нами методической концепции. Ее основная цель — концептуально и онтологически объединить изучение квантовой и релятивистской физики и космологии в единую целостную систему, что создает, во-первых, более глубокое понимание уже использующихся в курсе физики фундаментальных понятий и принципов; во-вторых, приводит к осознанию новой — квантово-
релятивистской — физической картине мира и эволюционно-синергетической парадигме, лежащей в основании всего современного естествознания. Не останавливаясь здесь подробно на других аспектах данной концепции (см., например, работы [1; 2]), сформулируем ее основные положения:
■ основы квантовой и релятивистской физики должны изучаться в рамках единой квантово-релятивистской физической концепции, онтологическим основанием которой являются структурно-симметрийные свойства физического вакуума, определяющие проявление в физической реальности релятивистских и квантовых факторов;
■ квантово-релятивистская физика (с позиций системно-структурного подхода) должна представляться как единая целостная содержательная система, структурно опирающаяся на ряд фундаментальных физических принципов, определяющих современное физическое понимание мира;
■ формирование принципов квантово-релятивистской физики должно осуществляться путем теоретического обобщения эмпирических фактов и их последующего развертывания в обширной предметной области — от физики атомов до элементарных частиц и космологии (что составляет содержательную основу развивающего обучения);
■ интеграция в структуру изучения квантово-релятивистской физики вопросов кос-могенеза создает возможности для реализации синтеза и целостности естественнонаучного образования на основе включения в его содержание принципа универсального эволюционизма и всеобщей синергии;
■ содержание квантово-релятивистской физики должно представляться в контексте историко-культурологического развития фундаментальных мировоззренческих и физических идей как важнейшая часть культуры современной эпохи, обеспечивающая формирование базовых структур человеческого сознания, определяющих научное мировоззрение человека;
■ изучение квантово-релятивистской физики должно быть согласовано и адаптировано к развитию когнитивных структур мышления путем деятельностного освоения физической методологии и современного стиля научного мышления;
■ математический аппарат в изложении квантово-релятивистской физики должен использоваться по принципу разумной достаточности, ограничивающему стремление достичь излишней строгости рассуждений путем построения сложных математических вычислений.
Попытка реализовать эти методические положения нами была предпринята в новом учебном пособии «Основы современной физики и космологии», предназначенном для учащихся, углубленно изучающих физику и математику в общеобразовательных учреждениях [4]. Его содержание представлено в виде лекций. По нашему замыслу, этим достигается цельность восприятия отдельной темы или проблемы, в то же время позволяя учителю самостоятельно осуществлять планирование учебного материала по урокам. Первые результаты оказались вполне удовлетворительными, а главное, они показали неподдельный интерес учащихся к обсуждаемой проблематике.
Ниже приводится структура (рис. 1) и содержание реализованной в учебном пособии программы. Рассчитана она на 50 часов и состоит из трех модулей. Модульный принцип построения программы позволил более четко выразить ее составные части и содержащиеся в них ключевые идеи, подлежащие изучению, сгруппировать содержание программы в несколько относительно самостоятельных блоков.
Рис. 1. Структура учебной программы углубленного изучения основ квантово-релятивистской физики и космологии с опорой на онтологическую концепцию физического вакуума
Программа
изучения основ квантово-релятивистской физики и космологии
(углубленный уровень)
Модуль 1. Историческое развитие мировоззренческих идей. Научная картина мира как отражение культуры исторической эпохи. Идеи единства, первоосновы и саморазвития мира в древнегреческой натуральной философии. Натурфилософские концепции атомизма и континуальности, их развитие в классической физике. Экспериментальные и теоретико-математические основы механики Ньютона. Абсолютное пространство и время. Принцип дальнодействия. Механический детерминизм. Концепция мирового светоносного эфира. Принцип близкодействия. Электромагнитная теория Максвелла.
Физический вакуум как форма материи и онтологическое основание квантово-релятивистской физики и космологии. Структура современной физики. Принцип соответствия. Исторический путь к современной научной картине мира.
Модуль 2. Основы релятивистской физики. Историческое становление релятивистской физики. Понятие физической симметрии. Фундаментальные (геометрические и кинематические) симметрии вакуума. Связь симметрий с законами сохранения. Релятивистский принцип относительности. Релятивистская постоянная. Релятивистский закон преобразования скоростей. Основные соотношения релятивистской динамики и их экспериментальные основания. Принцип эквивалентности энергии и массы.
Исторические основы квантовой физики. Гипотеза Планка и Эйнштейна о дискретности электромагнитного излучения. Проблема теплового изучения тел. Квантовая постоянная. Фотоэффект. Эффект Комптона. Гипотеза де Бройля о волновых свойствах вещества. Интерференция и дифракция микрочастиц. Принцип корпускулярно-волнового дуализма.
Квантово-физическая форма движения. Фундаментальные принципы квантовой физики. Модельные эксперименты с электронами на двух щелях. Квантово-физическая форма движения микрообъектов. Вероятностный детерминизм. Волновая функция. Принцип суперпозиции квантовых альтернатив. Принцип и соотношения неопределенностей.
Квантовая структура физического вакуума. Виртуальные частицы. Эффект Казимира. Взаимодействия реальных и виртуальных частиц. Фейнмановские диаграммы. Сущность корпускулярно-волнового дуализма.
Физические основы квантовых структур. Квантовая модель атома. Рождение атомной квантовой механики. Проблема устойчивости атома в классической физике. Постулаты Бора.
Квантовая модель отражающего осциллятора. Нерелятивистская квантовая модель атома водорода. Квантование энергии и орбитального момента количества движения. Квантовые числа. Электронные конфигурации атома. Энергетический спектр и спектральные закономерности атома водорода. Спин электрона. Релятивистская квантовая модель атома водорода. Лэмбовский сдвиг. Оболочечная модель многоэлектронных атомов.
Принцип запрета Паули. Спектральный принцип квантовой физики.
Действие и проявление квантовых и релятивистских принципов в ядерной физике. Методологические и феноменологические основы ядерной физики. Метод рассеяния. Ядерные силы. Сильное взаимодействие нуклонов. Энергия связи ядер. Дефект масс как проявление действия закона эквивалентности энергии и массы. Радиоактивность. Проявление слабого и электромагнитного взаимодействий.
Спектральный принцип и принцип Паули в ядерной физике. Ядерные спектры. Изотопическая симметрия. Оболочечная модель ядра.
Ядерные реакции. Источники энергии звезд.
Субъядерная физика и физический вакуум. Особенности субъядерного мира. Систематизация элементарных частиц.
Гипотеза о кварковой структуре адронов. Проявление спектрального принципа в субъядерной физике. Внутренние симметрии элементарных частиц. Стандартная модель физики элементарных частиц. Фундаментальные частицы вещества. Квантово-полевой механизм фундаментальных взаимодействий.
Физический вакуум и взаимопревращения элементарных частиц.
Модуль 3. Основы современной космологии и космомикрофизики. Историческое развитие представлений о возникновении и строении Вселенной. Методология и экспериментальные средства исследования Вселенной.
Теоретические и эмпирические основы релятивистской космологии. Пространство и время в теории относительности. Наблюдаемые следствия общей теории относительности. Релятивистская модель нестационарной Вселенной. Модель Фридмана. Космологический эффект красного смещения. Закон Хаббла. Космологическое ускорение Вселенной.
Модель горячей Вселенной. Большой взрыв. Гравитационный вакуум и инфляционная модель. Сценарий эволюционного развития Вселенной. Реликтовое излучение.
Эволюция галактик и звезд. Наша галактика и место в ней солнечной системы.
Принцип универсального эволюционизма и всеобщей синергии в научной картине мира. От неклассической к постнеклассической картине мира. Иерархическая структурная лестница мироздания. Принцип универсального эволюционизма. Принцип всеобщей синергии и самоорганизации мира. Фундаментальные проблемы современного естествознания.
Важным элементом этой программы является историко-культурологический модуль. Фактически он выполняет роль своеобразного введения в изучение основ современной физики. Его цель состоит в том, чтобы задать определенный мировоззренческий и концептуальный вектор всему последующему изучению материала, обозначить в нем главную проблему научного познания — постижение мироустройства, его структуры.
Стремясь постичь тайны мироздания, человек прошел длинный путь осмысления объективной реальности — от представлений о сотворении мира Богом до понимания природы естественного происхождения и саморазвития Вселенной. Началом этого познавательного пути явились умозрительные мировоззренческие идеи древнегреческой натуральной философии, которые затем были развиты экспериментальным естествознанием и математикой и привели, в конечном счете, к установлению фундаментальных законов природы. Этот исторический путь познания истины составляет основу введения, в котором нами подчеркнуто выделены:
■ три основных этапа научного познания мира (античная натуральная философия; классическое естествознание, начало которому положила ньютоновская механика; современная квантово-релятивистская физика, составляющая основу современных космологических представлений и эволюционно-синергетического видения мира);
■ основные методы научного познания и путь их исторического развития — от натурфилософского умозрительного восприятия мира к экспериментальной методологии и математическому моделированию, составляющих основу теоретического осмысления реальности;
■ фундаментальные идеи и понятия (категории), определяющие устройство мироздания, истоки их появления, последующего исторического развития и современного понимания.
Центральное положение в этом модуле занимает идея о единстве, первооснове и саморазвитии материального мира, сформулированная первыми древнегреческими натурфилософами. Она становится его доминантой, поскольку весь последующий путь развития естествознания можно рассматривать как конкретизацию и эволюцию этой фундаментальной идеи об устройстве Мира. Со временем она оформляется в виде определенных философских учений, физических концепций и теорий, которые уже оперируют такими универсалиями, как материя, движение, пространство, время. Исторический путь развития этой мировоззренческой идеи схематически представлен на рисунке 2.
Рис. 2
Таким образом, содержание данного модуля решает следующие важные задачи:
■ создает необходимую предпосылку для введения представлений о физическом вакууме как исходной онтологической первооснове материи, связывающей мир в единую целостную систему;
■ объединяет изучение классической и квантово-релятивистской физики вокруг фундаментальной натурфилософской идеи об устройстве мира;
■ формирует понимание принципиального различия классического и неклассического (квантово-релятивистского и эволюционного) взгляда на мир.
В этой статье мы затронули только главную, стержневую часть методических идей, составляющих основу принципиального нового методического подхода к изучению современной квантово-релятивистской физики и космологии (более подробно он представлен в работе [3]). Следует заметить, что, не являясь жесткой методической схемой, строго регламентирующей порядок действий в изложении содержания, он, тем не менее, задает концептуальный каркас всего курса физики, наделяя его при этом некоторыми степенями свободы и устанавливая общую направленность методических действий для дальнейших поисков и исследований в этой области. В конечном счете, такой подход может привести к изменению всей структурной архитектоники физического образования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Марков В. Н. Образовательная стратегия познания современной физики // Известия РГПУ им. А. И. Герцена: Научный журнал. 2010. № 135. С. 143-154.
2. Марков В. Н. Проблема разработки фундаментально-содержательного ядра квантово-релятивистской физики на продвинутом уровне изучения в профильной школе // Известия РГПУ им. А. И. Герцена: Научный журнал. 2013. № 154. С. 155-164.
3. Марков В. Н, Пухов Н. М. Физическая картина мира: От натуральной философии к современной физике: Монография. СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2011. 222 с.
4. Марков В. Н. Основы современной физики и космологии: Учебное пособие для общеобразовательных учреждений с углубленным изучением физики. СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2014. 182 с.
REFERENCES
1. Markov V. N. Obrazovatel'naja strategija poznanija sovremennoj fiziki // Izvestija RGPU im. A. I. Gertsena: Nauchnyj zhurnal. 2010. № 135. S. 143-154.
2. Markov V. N. Problema razrabotki fundamental'no-soderzhatel'nogo jadra kvantovo-reljativistskoj fiziki na prodvinutom urovne izuchenija v profil'noj shkole // Izvestija RGPU im. A. I. Gertsena: Nauchnyj zhurnal. 2013. № 154. S. 155-164.
3. Markov V. N., Puhov N. M. Fizicheskaja kartina mira: Ot natural'noj filosofii k sovremennoj fizike: Monografja. SPb.: Izd-vo RGPU im. A. I. Gertsena, 2011. 222 s.
4. Markov V. N. Osnovy sovremennoj fiziki i kosmologii: Uchebnoe posobie dlja obshcheobrazova-tel'nyh uchrezhdenij s uglublennym izucheniem fiziki. SPb.: Izd-vo RGPU im. A. I. Gertsena, 2014. 182 s.
