Основы методологии физики в курсе средней школы

Между теорией и гипотезой, положенной в основу данной теории, нет качественного различия. Гипотеза служит отправной точкой, первой ступенью в построении физической теории. Экспериментальное подтверждение следствий теории является одновременно подтверждением тех основных посылок теории, которые были выдвинуты вначале как гипотезы. Это можно проиллюстрировать при изучении теории всемирного тяготе

ния, теории электромагнитного поля, элементов теории относительности.

В учебном процессе логический процесс формирования гипотезы состоит в ее выводе из ранее изученных законов, теорий, идей. При этом происходит дедуктивная экстраполяция этих знаний на объяснение новых фактов и результатов экспериментальной деятельности учащихся.

Физическая теория и методы теоретического познания.

Подчеркивая экспериментальный характер физической науки, учитель не должен забывать и о втором уровне научного познания – теоретическом. Экспериментальные факты, не объединенные в теорию, способную объяснить эти факты и предсказать новые, не имеют большой познавательной ценности. Известный физик Л.И. Мандельштам отмечал: «В достижении нашей конечной цели – познания природы – могучим подспорьем, систематизирующим наш опыт и дающим возможность пользоваться материалом, является теория. Теория, а значит, и орудие, которым она пользуется, – математика, не является балластом и чем-то искусственно пристегнутым к науке о природе. Нет, она есть то орудие, без которого мы не были бы в состоянии осилить окружающий нас мир как в практическом смысле, так и в смысле удовлетворения умственных потребностей. Поэтому я нахожу – не считайте это парадоксом, что нельзя требовать знания только опытной физики, но вовсе не потому, что это слишком мало, а потому, что это слишком трудно. Более или менее полное знание опытной физики без помощи теории человеку не под силу…»1.

С терминами «теория», «теоретическое» школьники знакомятся задолго до изучения конкретных физических теорий в старших классах средней школы. С названными понятиями они ассоциируют житейские и даже чисто ученические представления: «теория – это то, что написано в учебнике и надо выучить», противопоставляя последней решение задач или проведение лабораторных (практических) занятий.

Философия, анализируя соотношение теории и практики, теоретической и практической деятельности человека и т.д., придает понятию «теория» широкий смысл познавательной деятельности вообще. В методологии науки это понятие имеет более узкий смысл: оно означает не всю познавательную деятельность человека, а лишь тот ее высший уровень, на котором выявляются наиболее существенные свойства и закономерности изучаемых явлений.

Во всех естественных науках имеются свои теории. Среди всех естественнонаучных теорий физическая теория отличается высоким уровнем систематизации знаний, логическим совершенством, глубоким проникновением в нее математики, непосредственной связью с экспериментом – все это позволяет считать физическую теорию образцом теоретического знания, недосягаемым пока для других наук. Вот почему так важно формировать у учащихся методологические знания о сущности и структуре научной теории, методах теоретического познания природы.

Теоретическое познание школьника включает как уровень овладения отдельными методами, так и уровень усвоения целостной физической теории. Первый уровень теоретического познания должен широко использоваться на всем протяжении обучения физике.

Определение теории в точной и полной формулировке давать школьникам вряд ли целесообразно (да это и невозможно), однако в соответствующих темах школьного курса физики необходимо познакомить учащихся с важнейшими характеристиками научной теории. К таким характеристикам относятся следующие:

1. Теория должна быть достоверна и соответствовать результатам эксперимента (другими словами, выдерживать экспериментальную проверку).

В процессе ознакомления в старших классах с физическими теориями (их основами или элементами) необходимо обращать внимание учащихся на те факты, полученные экспериментально, которые подтвердили справедливость изучаемых теорий.

Те же теории и теоретические положения, которые казались логичными и математически безупречными, и конце концов отвергались как неверные, если не подтверждались па опыте. Так, при изучении тепловых явлений учащихся знакомят с теорией теплорода как теорией, не выдержавшей экспериментальной проверки и поэтому ошибочной.

2. Теория должна объяснять факты, а не только их описывать. Как отмечал Э. Резерфорд, «ценность любой рабочей теории основана на той совокупности экспериментальных фактов, которые она может объяснить, и на ее способности предложить новые направления исследований»1. В процессе объяснения исследуемые явления включаются в рамки созданной теории, получая свое обоснование на базе основных положений теории. При этом вскрываются внутренние связи между явлениями, их фундаментальные свойства, устанавливается их причинная обусловленность. В результате объяснения обеспечивается понимание сущности исследуемого круга явлений. Объяснительная функция научной теории во многих чертах сходна с объяснением в учебном процессе, где оно выступает как один из эффективных способов усвоения учебного материала.

Объяснительная функция теории раскрывается, например, в процессе изучения многих тепловых и молекулярных явлений. Понятие температуры, газовые законы, агрегатные состояния и агрегатные превращения, поверхностное натяжение и свойства твердых тел объясняются на основе молекулярно-кинетической теории, что постоянно подчеркивается при изложении материала на страницах учебника. Учащиеся глубже понимают и лучше усваивают такие вопросы, как сила тока и электродвижущая сила, закон Ома, зависимость удельного сопротивления от температуры, закон Джоуля – Ленца, когда для их объяснения используется электронная теория.

Квантовая теория света помогает объяснить фотоэффект и люминесценцию, теория Бора – линейчатые спектры излучения и поглощения и т.д.

3. Теория должна быть эвристичной и предсказательной (т.е. давать новые знания, первоначально в нее не заложенные).

Научное предсказание наряду с объяснением – важнейшая функция теории, позволяющая предвосхищать дальнейшее развитие и усовершенствование этой теории, открывать «на копчике пера» новые явления и закономерности, с которыми наука не сталкивалась до сих пор.

Курс физики средней школы содержит большой материал, позволяющий показать эвристические свойства физической теории. Так, при изучении электромагнитного поля знакомим учащихся с предсказанием Максвелла об электромагнитной природе света. Рассказываем, что из уравнений Максвелла следовал вывод о распространении электромагнитного поля со скоростью, совпадающей со значением скорости света. Это позволило ученому выдвинуть гипотезу, согласно которой свет есть электромагнитные волны. Предсказание Максвелла получило в дальнейшем экспериментальное подтверждение в опытах Герца и Лебедева.

4. Теория должна быть достаточно концентрированной и общей (т.е. такой, чтобы, исходя из небольшого числа основных положений, можно было получать различные следствия и охватывать достаточно большое число реальных явлений).