Основы методологии физики в курсе средней школы

Что касается термина «опыт», то в науке его используют предельно широко – как всю совокупность практических взаимоотношений между человеком и материальным миром, как результат освоения действительности. В истории физики этот термин означает эксперимент или наблюдение, проведенные ученым. В методике преподавания физики термин «опыт» используют чаще других, когда речь идет о самостоятельном экспе

рименте или наблюдении учащегося В Процессе лабораторного практикума и фронтальных лабораторных работ или демонстрации учителя, за которой учащийся наблюдает.

Мы будем пользоваться термином «опыт» в качестве общего названия двух методов эмпирического познания: наблюдения и эксперимента при условии, что учащиеся проделывают их самостоятельно. Всю систему эмпирического уровня познания природы по традиции в методике преподавания физики называют физическим экспериментом, так что понятие «экспериментальный» и «эмпирический» являются здесь синонимами.

Необходимость формирования у школьников глубоких знаний о сущности экспериментального познания определяется той ролью, которую играет эксперимент в физических исследованиях: во-первых, он является источником новых знаний о фактах, которые затем систематизируются и обобщаются в законах и теориях; во-вторых, только эксперимент служит падежным критерием истинности любой теоретической концепции, гипотезы, положения; в-третьих, через эксперимент осуществляется связь физических знаний с техникой, производством и бытом.

В настоящее время, когда резко возросла роль теории в преподавании физики, важно не впасть в крайность излишней теоретизации школьного курса физики и поэтому школьному эксперименту отводить лишь иллюстративную роль. Такое сужение функций школьного физического эксперимента привело бы к снижению идейного уровня курса, к неправильному пониманию школьниками механизма развития науки и роли эксперимента в научном познании. Академик Г.С. Ландсберг отмечал: «Отчетливое понимание… экспериментального характера физических законов имеет крайне важное значение: оно делает из физики науку о природе, а не систему умозрительных построений; с другой стороны, оно прививает мысль о границах применимости установленных физических законов, основанных на них теорий и открывает перспективы дальнейшего развития науки».

Формирование экспериментальных знаний и умений осуществляется в процессе обучения физике в двух основных формах: проведение учебного эксперимента и ознакомление с историческими опытами и наблюдениями, сыгравшими большую роль в развитии физической науки. Эти две формы, каждая из которых выполняет свои собственные обучающие функции, взаимно дополняют друг друга и являются в одинаковой степени необходимыми элементами физического образования. Действительно, если бы ознакомление учащихся с методами экспериментального исследования ограничивалось постановкой учебного физического эксперимента в нынешнем его состоянии, то существовала бы определенная опасность того, что у школьников может утвердиться неправильное понимание сущности и роли этих методов в процессе познания. Ведь в методологическом отношении учебный эксперимент резко отличается от научного по задачам, сложности и числу проведенных опытов, их вариативности, оборудованию, технике измерения и расчетов, соотношению запланированности и случайности и т.д. Вот почему, наряду с традиционной системой учебного эксперимента, необходимо широкое внедрение в школьный курс физики разработанной и обоснованной системы методологических знаний о физическом научном эксперименте. В содержание такой системы включаются знания о роли эксперимента в научном познании и практической жизни; о видах физического эксперимента – наблюдении и опыте; о методологическом принципе наблюдаемости; о сущности процедуры измерения; о требованиях к современному эксперименту; о специфике измерений в микромире и др.

Система включает также комплекс экспериментальных умений методологического характера: описать наблюдение или опыт; подметить различие между тем, что ожидалось получить и что в действительности получилось в ходе эксперимента; отличить в нем существенное от второстепенного; сделать предсказание дальнейшего хода эксперимента; самостоятельно выдвинуть гипотезу (сделать вывод), объясняющую полученный результат; использовать графики и таблицы.

Мысленный эксперимент играет важную роль в научном познании. Под мысленным экспериментом иногда понимают такие операции, которые предшествуют реальным опытам, являясь их детальным продумыванием, мысленной «репетицией». В таких случаях мысленные эксперименты в силу своей наглядности и убедительности позволяют ученым проверять еще до проведения опыта (а иногда потребность в последних и отпадает) полученные теоретические Результаты в качественной форме и, следовательно, судить об их справедливости, заранее оценивая шансы на успех реальных опытов, часто весьма дорогостоящих.

В более общем случае под мысленным экспериментом понимают оперирование идеализированными объектами с целью получения новых данных или доказательства справедливости предложенных гипотез. В таком понимании мысленные эксперименты не могут быть проведены в действительности по техническим причинам. Но всегда мысленные эксперименты должны быть логически непротиворечивыми.

Как отмечал А. Эйнштейн, их функция состоит в том, чтобы «оперировать в мысли с вещами, невозможными практически, т.е.такими, которые противоречат нашему повседневному опыту, но не с полнейшей бессмыслицей».

Мысленный эксперимент широко использовали в своем творчестве при выдвижении фундаментальных идей, теорий, законов Галилей, Ньютон, Максвелл, Эйнштейн, Бор, Гейзенберг и другие выдающиеся физики.

В последнее время в преподавании физики все чаще используется этот метод как одно из средств наглядности при изложении сложного материала.

Мысленный эксперимент как метод теоретического познания в школьном курсе физики выполняет следующие познавательные функции: служит средством наглядности при изложении сложного материала, а также своеобразным способом доказательства выдвинутых положений еще до выполнения реального эксперимента (иногда потребность в последнем отпадает).

Мысленные эксперименты условно могут быть разделены на исторические и эксперименты чисто учебного характера, которые предлагают учитель или учащиеся в процессе объяснения какого-либо явления.

Мысленные эксперименты учебного характера применяются, например, при выводе формулы архимедовой силы, действующей на тело кубической формы, полностью погруженное в жидкость; при выводе основного уравнения кинетической теории идеального газа и т.д.

Исторические мысленные эксперименты следует излагать, используя хрестоматийный материал: отрывки из сочинений ученых, исторические рисунки и др.

Знакомясь с мысленными экспериментами, выдвинутыми учеными прошлого и настоящего, учащиеся смогут проследить за ходом мысли ученого, его теоретической аргументацией, овладевая при этом интеллектуальными навыками познания.

Гипотеза является важным рабочим инструментом в научном познании. Анализируя полученные экспериментальным путем те или иные факты, ученый выдвигает предположение – гипотезу, на основе которой объясняет наблюдаемое явление, вскрывает его внутренний механизм, связь с другими явлениями.