CC BY
91
УДК 373.1.02:372.8
В.М. Торбогошева, асп. ГАГУ, г. Горно-Алтайск, E-mail: [email protected]
РАЗЛИЧНЫЕ УРОВНИ ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ЗАКОНОВ ПРИ ОБУЧЕНИИ УЧАЩИХСЯ ФИЗИКЕ
В работе рассмотрены проблемы изучения физических законов в современной школе, этапы и различные уровни познавательной деятельности учащихся при изучения законов в условиях развивающего обучения.
Ключевые слова: законы природы, физические законы, проблемы изучения законов, этапы и уровни познавательной деятельности при изучении физических законов.
Характеризуя науку, научное познание в целом, необходимо выделить ее главную задачу, основную функцию — открытие законов изучаемой области действительности. Без установления законов действительности, без выражения их в системе понятий нет науки, не может быть научной теории. Можно сказать: «мы говорим наука — подразумеваем закон, мы говорим закон — подразумеваем наука» [1, с. 147].
Изучение законов действительности находит свое выражение в создании научной теории, адекватно отражающей исследуемую предметную область в целостности ее законов и закономерностей. Поэтому закон — это ключевой элемент теории, которая «есть не что иное как система законов, выражающих сущность, глубинные связи изучаемого объекта (а не только эмпирические зависимости) во всей его целостности и конкретности, как единство многообразного» [Там же]
В самом общем виде закон можно определить как связь (отношение) между явлениями, процессами, которая является:
а) объективной, в) необходимой, г) внутренней, д) повторяющейся, устойчивой.
На основе знания закона возможно достоверное предвидение течения процесса. Понятие закона близко к понятию закономерности, которая представляет собой совокупность взаимосвязанных по содержанию законов, обеспечивающих устойчивую тенденцию или направленность в изменениях системы. Вместе с тем закон выражает одну из сторон сущности, познание которой в теории совпадает с переходом от эмпирических фактов к формулировке законов изучаемых процессов. Одни законы выражают функциональную взаимосвязь между свойствами объекта (например, закон взаимосвязи массы и энергии), другие - взаимосвязь между самими материальными объектами в больших по размерам системах (например, закон электромагнитных и гравитационных взаимодействий), между самими системами либо между различными состояниями или стадиями в развитии систем (например, закон возрастания энтропии, закон перехода количественных изменений в качественные и др.). Законы различаются также по степени общности и сфере действия. Частные, или специфические законы выражают связь между конкретными физическими, химическими или биологическими свойствами тел. Всеобщие законы выражают взаимосвязь между универсальными свойствами и атрибутами материи. Они проявляются на всех известных структурных уровнях материи и изучаются диалектическим материализмом на основе синтеза достижений других наук. Все явления в мире подчиняются определенным законам, т. е. все детерминировано, обусловлено объективными законами. Существуют различные формы и законы детерминации. Если предшествующие состояния системы однозначно предопределяют ее последующие состояния, то изменение такой системы подчиняется динамическим законам, однозначной детерминации. Если же в сложной системе предшествующие состояния определяют последующие неоднозначно, то изменение такой системы подчиняется вероятностно-статистическим законам. В природе законы реализуются бессознательно, в результате объективного взаимодействия материальных тел. В обществе все социальные законы реали-
зуются благодаря сознательной целенаправленной деятельности людей, субъективному фактору. Реализация законов зависит от наличия соответствующих условий. Создание последних обеспечивает переход следствий, вытекающих из законов, из сферы возможного в сферу действительного. Но люди при этом не создают сами законы, а только ограничивают или расширяют сферу их действия в соответствии со своими потребностями и интересами. Сами же законы существуют объективно, независимо от сознания людей, как выражение необходимых, существенных, внутренних отношений между свойствами вещей или различными тенденциями развития.
При обучении учащихся физике усвоение понятия «научный закон» предполагает, что ученик должен:
1. Понимать, что научные законы есть форма выражения всеобщей, объективной, внутренней, необходимой, повторяющейся связи между явлениями или процессами природы.
2. Понимать, что действие закона всегда проявляется при наличии определенных условий, т.е. существуют границы применимости закона.
3. Знать и применять при работе с литературой обобщенный план изучения закона.
4. Знать законы, изучаемые в курсе общей физики, указывать их границы применимости.
5. Применять законы для решения физических задач, при построении теоретических моделей.
6. Знать основные типы классификаций научных законов, приводить примеры законов различного типа.
7. Различать эмпирические, теоретические и практические законы, уметь выделять их специфику и достоинства.
7. Знать место закона в научной системе знаний и роль их в физической и естественнонаучной картине мира.
Мы полагаем, что изучение физических законов в школе методически целесообразно при использовании развивающего обучения, которое предполагает сопоставление эмпирического, теоретического и практического уровня знаний о законах [2].
1. Эмпирический уровень изучения законов. Деятельность учащихся осуществляется по схеме усвоения эмпирических знаний, за которыми не просматриваются содержательные мыслительные действия, вскрывающие внутренние связи явлений; преобладает живое созерцание (чувственное познание), рациональный момент и его формы (суждения, понятия и др.) здесь присутствуют, но имеют подчиненное значение. Поэтому исследуемый объект, явление отражается преимущественно со стороны своих внешних связей и проявлений, доступных живому созерцанию и выражающих внутренние отношения. Сбор фактов, их первичное обобщение, описание наблюдаемых и экспериментальных данных, их систематизация, классификация - характерные признаки эмпирического познания, с которыми встречается ученик в ходе самостоятельной познавательной деятельности. Эмпирическое исследование направлено непосредственно на свой объект. Ученик осваивает его с помощью таких приемов и средств, как сравнение, измерение, наблюдение, эксперимент, анализ, индукция, а его важнейшим элементом является факт. Фактом, например,
является эмпирическое знание, полученное в ходе наблюдения и эксперимента (газовые законы).
2. Теоретический уровень изучения законов. Характерной чертой теоретического познания является его направленность на себя, внутринаучная рефлексия, т.е. исследование самого процесса познания, его форм, приемов, понятийного аппарата и т.д. На основе теоретического объяснения и познанных законов осуществляется предсказание и научное предвидение. Развитие теоретического мышления учащихся при этом происходит в направлении от абстрактного к конкретному, общему. Присутствие в познании идеализации служит показателем развитости теоретического знания как набор определенных идеальных моделей.
Включение в учебный процесс формирование теоретических законов позволяет использовать их как средства, дающие возможность через самостоятельную деятельность усваивать и использовать приемы, методы и методологию научного познания, что ускоряет развитие знаний, теорий, мировоззрения обучаемых. Соответственно создается возможность для овладения культурой отдельных действий и всей практикой творческой самостоятельной познавательной деятельности.
3. Практический уровень изучения законов. Характерной чертой работы по формированию знаний об эмпирических и теоретических законах физики является сравнение и оценка на методологическом уровне возможностей эмпирических и теоретических знаний и границ их применимости. Учащиеся, делая обобщение по этому поводу, показывают, что вещи в объективной действительности «раздваиваются» на две противоположные стороны: внутреннюю, содержащую в себе их сущность, и внешнюю - явления, причем между ними существуют диалектически противоречивые взаимоотношения взаимосвязи в относительной независимости, самостоятельности. Внешние проявления физических объектов и процессов отражаются в эмпирических законах, а внутренние - в теоретических законах.
Таким образом, в эмпирических знаниях, в отличие от теоретических, не выделяются именно существенные особенности самого предмета, внутренняя связь его сторон. Они не обеспечивают в познании разведения явлений и сущности. Но и после познания сущности процесс мышления не заканчивается, т.к. полученный результат, оказывается, отдален от конкретных вещей объективного мира. Нужен познавательный процесс приближения абстракций к конкретным вещам, к практике. При этом результирующий мысленно-конкретный образ должен качественно отличаться от чувственноконкретного образа тем, что он уже предстает как наполненный содержанием и познанной сущностью. Так человек, глядя на телевизор, создает его чувственно-конкретный, но «пустой» образ (эмпирический уровень знаний). Телемастер же, познавший механизм работы телевизора (теоретический уровень знаний), имеет в голове «наполненный» содержанием и сущностью мысленно-конкретный образ, позволяющий ему исправлять и совершенствовать работу телевизора (практический уровень знаний). Значит, практические знания в этом смысле отражают более высокий уровень познания, т.к. они вбирают в себя и теоретические знания. Примером для формулирования практических знаний в процессе обучения молекулярной физике может служить методически организованный процесс получения уравнения Ван-дер-Ваальса. Данный познавательный процесс позволяет учащимся, изучающим углубленно физику, используя молекулярно-кинетическую теорию строения вещества (теоретические знания) и учитывая реальные факты (эмпирические знания), получать практические знания, позволяющие на практике использовать законы природы.
4. Философский уровень познания. В процессе изучения физических законов учащиеся, с одной стороны, убеждаются, что эмпирический и теоретический уровни знания отличаются по предмету, средствам и методам исследования. Однако, с
другой стороны, они должны выйти на философский уровень познания, который показывает, что выделение и самостоятельное рассмотрение каждого из указанных уровней знания представляет собой абстракцию. В реальной действительности эти два слоя знания всегда взаимодействуют. Выделение же категорий «эмпирическое» и «теоретическое» в качестве средств методологического анализа позволяет выяснить, как устроено и как развивается научное знание. В завершении сравнительного анализа особенностей эмпирического и теоретического типов знания учащиеся совместно с учителем выделяют следующие преимущества теоретических знаний по отношению к эмпирическим:
1). Решается главная задача теоретических знаний - дать целостный образ исследуемого явления.
2). Все частные абстракции (законы) получаются из содержательного обобщения, а, с другой стороны, объединяются этим содержательным обобщением.
3). Выявляются условия происхождения знаний.
4). Усваиваются способы, методы и приемы получения научных знаний.
5). Раскрывается сущность физических законов и понятий.
6). Теоретические знания - это всегда достоверные знания.
7). Всегда можно выделить методологическую программу теоретических знаний и через нее включать учащихся в самостоятельную познавательную деятельность для формирования у них теоретического мышления.
Анализ показывает, что использование в практике обучения поэтапное формирование знаний о физических законах, способствует:
- созданию интереса к исследуемой проблеме и эмоциональному настрою;
- актуализации самостоятельной познавательной деятельности, позволяющей сознательно получать новые, более глубокие знания;
- установлению основного источника знаний и способов, методов и приемов их получения;
- демонстрации не только предметных, но и методологических знаний, которые в ходе работы с наглядными средствами рассматриваются и как элементы содержания курса общей физики, и как средства получения новых знаний;
- не только формированию, но и развитию знаний о физических законах;
- обогащению законов существенными признаками;
- выступают в качестве самостоятельного источника обобщения при изложении нового материала;
- раскрытию взаимосвязей различных физических законов друг с другом;
- получению содержательных обобщений, интегрирующих в себе все частные законы, описывающие различные стороны исследуемого объекта;
- решению главной задачи теоретических знаний давать целостный образ исследуемого объекта или явления.
Для определения типа мышления (эмпирический, теоретический, практический) мы используем обобщенный план познавательной деятельности учащихся при формировании знаний о физических законах на различных уровнях.
Эмпирический уровень (закон Бойля-Мариотта)
1. Чем отличаются эмпирические объекты от объектов реальности?
2. Связь между какими явлениями выражает данный закон?
3. Каким образом получена данная эмпирическая зависимость?
4. Математическое выражение эмпирической зависимости и ее формулировка.
5. Каков физический смысл этой зависимости?
6. Какие знания дает эта зависимость (вероятностноистинные, достоверные)?
7. Можно ли за счет увеличения количества опытов сделать эмпирическую зависимость достоверным фактом?
8. Экспериментальное получение эмпирической зависимости.
9. Границы применимости эмпирической зависимости.
10. Примеры использования эмпирической зависимости в практике.
Теоретический уровень (закон Бойля-Мариотта)
1. Чем отличаются теоретические объекты от эмпирических и реальных?
2. Связь между какими явлениями выражает данный закон?
3. Каким образом получен данный теоретический закон?
4. Математическое выражение теоретического закона и его формулировка.
5. Каков физический смысл этого закона?
6. Какие задачи дает этот закон (вероятностноистинные, достоверные)?
7. Границы применимости теоретического закона.
8. Примеры использования теоретического закона на практике.
9. В чем суть содержательных абстракций и обобщений?
10. В чем преимущества теоретических знаний над эмпирическими?
11. Пути совершенствования закона.
12. Значимость закона в физике и других науках.
Практический уровень
(закон Бойля-Мариотта для реальных газов)
1. Связь между какими явлениями выражает данный закон?
2. Каким образом получен данный закон в приложении к практике?
3. Математическое выражение закона и его формулировка.
4. Каков физический смысл этого закона?
5. Какие знания дает этот закон (вероятностноистинное, достоверное)?
6. Чем отличаются практические знания от теоретических и эмпирических?
7. Получение закона в применении к практике.
8. Границы применения закона.
9. Какие преимущества имеют практические знания по сравнению с эмпирическими и теоретическими?
10. Пути совершенствования «практических» законов.
11. Примеры использования «практических» законов.
Такой подход к изучению физических законов оказывается в методическом плане очень благоприятным для сознательного развития эмпирических и теоретических знаний учащихся, позволяет формировать и развивать у них эмпирическое, теоретическое и практическое мышление в процессе их самостоятельной познавательной деятельности.
Например, при изучении законов механики Ньютона мы организуем следующим образом поэтапную познавательную деятельности учащихся:
Этапы и уровни познавательной деятельности учащихся при изучения законов механики.
I. Эмпирический уровень знаний
Опытным путем найти эмпирическую зависимость между F, т и a.
Контрольные вопросы
1. Имеет ли полученная зависимость статус теоретического закона?
2. Является ли полученная зависимость F= та вторым законом Ньютона?
3. Каково содержание полученной зависимости F= та?
4. Какова область применимости этой зависимости?
II. Теоретический уровень знаний
Первый подуровень теоретического знания - частные теоретические модели
Определить теоретический частный закон колебания маятника, не используя законы Ньютона. С этой целью рассмотрите кинематику гармонических колебаний и динамику математического маятника. Получите дифференциальное уравнение движения маятника:
х + ю02 х = 0.
Контрольные вопросы
1. Почему полученная зависимость х + ю02х = 0 имеет статус теоретического закона?
2. Какие общенаучные методы и как используются для получения данного теоретического закона?
3. Какова область применимости этого закона?
Второй подуровень теоретического знания - развитая теория
Раскрыть содержание ньютоновской механики.
Контрольные вопросы
1. Раскрыть содержание структурно-логической схемы физической теории механики Ньютона.
2. Каково содержание основного закона динамики Ньютона?
3. Чем отличается основной закон динамики F= та от полученной экспериментально зависимости F= та?
4. Продемонстрируйте фундаментальность основного закона динамики при рассмотрении поведения колеблющихся тел. Получите частный теоретический закон колебания математического маятника с использованием II закона Ньютона.
5. Каковы границы применимости законов Ньютона?
6. В чем преимущество теоретических знаний по сравнению с эмпирическими?
В качестве примера приведем фрагмент развернутой программы деятельности учащихся по формированию понятия «научный закон» на примере законов ньютона.
И т.д.
Практика использования такого подхода показывает, что в нем особо выделяется принцип «усиления методологической составляющей содержания образования», обеспечивающей универсальность получаемых знаний, изучение основ физических теорий, законов, принципов, понятий, научных методов и приемов познавательной деятельности, возможность применения полученных знаний в новых ситуациях; отмечается формирование критического и прогностического мышления учащихся, высокая степень самостоятельности, самооценка, умение выстраивать доказательства.
Bibliography
1. Kochanowski, V.P. Philosophy and Methodology of Science: Textbook for higher educational institutions. - Rostov n / D.: Phoenix, 1999.
2. Petrov, A.V. Developing training. Key questions the "theory and practice of university physics education: monograph. - Chelyabinsk: CSPU "Torch", 1997.
Article Submitted 07.12.10
