Реализация принципа научности в современном физическом образовании

реализация принципа научности в современном физическом образовании

REALIZATION OF THE PRINCIPLE OF SCIENTIFIC CONTENT IN MODERN PHYSICS EDUCATION

А. Е. Тулинцев

Модернизация общества в современной России требует от высшей школы подготовки высокопрофессиональных специалистов самого современного уровня. Одной из главных задач современного высшего образования является формирование у выпускников подлинно научного, современного предметного знания и мировоззрения. В статье рассмотрены методологические подходы к решению этой задачи на примере вузовского курса физики.

Ключевые слова: принцип научности, время, фундаментальные взаимодействия, структура курса физики.

Россия вступила на качественно новый этап своего развития, определив стратегический курс на построение современного модернизированного общества, предполагающий обновление всех сторон жизни, реформы государственных институтов. Одной из важнейших задач такой модернизации является подготовка высшей школой конкурентоспособных на мировом рынке, высокопрофессиональных специалистов, что в свою очередь предполагает в качестве одной из главных проблем формирование у выпускников подлинно научного, современного предметного знания и мировоззрения. Однако на сегодняшний день эта проблема является недостаточно теоретически и методически обоснованной. Ее экспликация предполагает необходимость определить методологические подходы, задачи, принципы формирования интенциально-личностного феномена выпускника, а также рассмотреть сущность, структуру, содержание адекватного заявленному феномену процесса обучения. Мы в данной статье намерено сузим столь диверсифицированное множество аспектов проблемы и ограничимся содержательной стороной процесса формирования подлинно научного предметного знания в вузовском процессе обучения физике.

Разумеется, проблема научности содержания образования не нова. Существующие концепции формирования подлинной научности преподаваемого знания предполагают осуществлять ее по большей части в соответствии с хронологией познания, то есть через историческую реконструкцию, систематизацию эволюции взглядов в науке. Они восходят, по крайней мере, в новейшее время, к принципу соответствия, который был выдвинут в 1923 г. Н. Бором и представляет собой, по сути, физический постулат, требующий совпадения результатов квантовой и классиче-

A. E. Tulintsev

Modernization of economy in modern Russia requires that universities train highly professional experts of the advanced level. One of the main tasks of modern university education is developing graduates' truly scientific, modern knowledge of their subject and world-view. The author discusses different methodological approaches to solving this problem as exemplified by university physics course.

Keywords: principle of scientific content, time, fundamental interactions, structure of physics course.

ской теорий в предельном случае, когда квантовые эффекты малы. В более широком смысле под принципом соответствия стали часто понимать логически необходимое требование, чтобы новая теория, описывающая более широкий круг явлений, включала в себя как частный случай старую теорию, имеющую более ограниченную область применимости. Примером может служить релятивистская механика, содержащая классическую механику в предельном случае малых (по сравнению со скоростью света) скоростей, предельный переход от квантовой механики к классической, переход от волновой оптики к геометрической и т. п.

Авторитет физики (пусть даже только в XX в.) оказался столь большим, что привел к практически синонимичному использованию принципа научности содержания образования и принципа соответствия. Таким образом, этот, по сути, постулат частной науки стал отождествляться с принципом научности при построении любого содержания образования, и практически все учебные дисциплины строились диалектически, со схемой в виде «спирали» растущего радиуса и все большей границей охвата материала. Такой подход был оправдан в рамках доминирующего в культуре, до середины второй половины XX в., идеи, которую часто называют «проект модерн» или «индустриальная цивилизация», которая включала в себя следующие основные черты:

- стремление к созданию универсальной картины мира, сводящей все многообразие действительности к единым основаниям;

- убеждение в доступности человеческому разуму абсолютного знания об этих основаниях;

- стремление к воплощению этого знания в действительности;

- убеждение, что такая реализация будет способствовать увеличению человеческого счастья;

- уверенность в поступательном развитии человечества, в приоритете настоящего перед прошлым, а будущего перед настоящим [1].

Однако ключевой признак сегодняшнего дня, говоря словами Э. Тоффлера [2] - обострение борьбы между «... умирающей цивилизацией "модерна", или индустриализма, и зарождающейся цивилизацией "постмодерна", постиндустриализма». В новых условиях изменяется ход и логика процесса обретения личностью своей идентичности, а следовательно, роль и значение системы образования как социального института. Раньше (в модерне) существовал лишь один способ передачи информации - «вертикальный», путь передачи опыта (от поколения к поколению), для чего использовались устоявшиеся, хорошо описанные в педагогической литературе традиционные формы, методы и способы передачи информации. В настоящее время происходит отход от этих традиций в сторону увеличения разнообразия, а доминирующий характер приобретает «сетевой путь». Во многом последнее опосредованно тем, что бурно развивающиеся новейшие технологии противостоят современному образованию, выявляя свою сущностную амбивалентность - для своего создания и дальнейшего развития они требуют все более и более высококвалифицированных и высококомпетентных специалистов, а от массового потребителя только наличия функциональной грамотности. Таким образом, получается, что, с одной стороны, сегодняшняя система образования может ограничиться формированием функциональной грамотности выпускника, что приводит к резкому снижению затрат на обучение, и, как следствие, повышает конкурентоспособность предлагаемой услуги на рынке. А с другой стороны, такая тенденция ведет к снижению технической грамотности выпускников, формированию отношения к современной технике как к «чуду» и к увеличению разрыва между «передним краем науки» и «вершиной» знания, преподаваемого в вузах, то есть знания выпускника «не дотягиваются» до тех знаний, на которых базируется работа современных технологий. Все сказанное обуславливает уже сугубо методическую проблему: как выстроить процесс обучения, содержание образования так, чтобы за неизменное время обучения подвести обучаемого к уровню новейшего знания в выбранной профессиональной области. Обеспечить высокий уровень подготовки специалиста в условиях, когда традиции и «опыт поколений» потеряли свою актуальность, когда технический прогресс настолько «быстр», что знание «устаревает», даже не успев попасть на страницы учебников.

Вывод однозначен, в условиях такого кризиса необходим поиск новых форм сохранения и развития рациональности, ориентированных на преодоление односторонней практики «исчисления бытия», необходимо развитие нового типа «разумности». Процесс обновления образования должен быть связан с развитием открытых, инновационных образовательных практик и понимания, освобожденного от процессов устаревшей формализации. Одним из путей такого обновления является разрабатываемая профессором ИАТЭ НИЯУ МИФИ В. А. Канке идея дисциплинарной транс-дукции [3]. Трансдукцию, в отличие от индукции («переход

от частного к общему») и дедукции («переход от общего к частному»), можно определить как «переход от общего к общему». Ключевым понятием при таком подходе является точка трансдукции. Такая точка - это ситуация в науке или, шире, в культуре, когда одна «эпохальная» логика (одна логическая культура ума) переходит в логику изначально иную (предполагает ее, допускает, делает возможной) и в то же время решительно расходится с ней. Англоязычные авторы при анализе меж- и интертеоретических отношений описанного типа широко используют термин "supervenient", "supervention" (от лат. super - сверх + venire - происходить), который, видимо, допустимо переводить на русский язык как «супервенция»: совокупность признаков А супервени-рует совокупность признаков В, если их наличие и изменение вызывается признаками А, но полностью не объясняется ими. В этой связи уместно привести случай, иллюстрирующий это отношение на примере молекулярной и статистической физики. В молекулярной физике изменения, происходящие с объектами исследования, определены взаимодействиями между отдельными частицами. В статистической физике оперируют усредненными, агрегированными величинами и объект изучения - это некоторое усреднение. Таким образом, молекулярная физика и статистическая физика соединяется операцией усреднения, посредством применения статистических процедур. Очевидно, что операция усреднения есть лишь внешнее выражение сложнейшего процесса взаимодействия миллионов и миллиардов частиц вещества. Таким образом, макроявления вызываются к жизни микроявлениями, но объяснить этот процесс через микроявления исчерпывающим образом нельзя. Это и есть явление «супервенции», или «сверхпроисхождения», но нечего «сверхъестественного» в нем нет. Рассмотрим эту ситуацию в эволюции теорий науки подробнее.

Как отмечает В. А. Канке, во-первых, констатируем, что в любом курсе той или иной науки неизменно рассматривается большая связка теорий, число которых обычно двузначно. Изобразим эту связку следующим образом.

T ^ T ^ T ^ ^ T

1 2 3 n

В этом (хронологическом) ряде теорий значок стрелочки символизирует преодоление затруднений, проблем предыдущей теории. В составе ряда (1) стрелкой обозначен проблемный метод, всегда отмеченный печатью определенной хронологии. Самая развитая теория Г не содержит всех тех ошибочных суждений и построений, которые были выявлены до ее создания. Существенно заметить, что устаревшие теории не отменяются новыми концепциями, а модифицируются. В физике изучают Галилея, Ньютона, Максвелла, Фарадея и др., хотя эти авторы творили в эпохи, отстоящие от сегодняшних дней на века. Во-вторых, пройдя ряд (1) и дойдя до самой развитой теории, мы понимаем, что именно ее следует в смысловом отношении поставить на первое место.

T ^ T , ^ T , ^ ... ^ T

n n -1 n - 2 1

На первый взгляд кажется, что ряд (2) есть не что иное, как простая инверсия ряда (1). Но если внимательно посмо-

Рис. 1. Схема темпорально ориентированной системы обучения физике

треть, то можно увидеть, что в ряде (2) нет противоречий и ошибочных рассуждений, выявленных ранее, они были преодолены на стадии ряда (1). В ряде (2) содержание любой теории интерпретируется строго непротиворечиво с позиций тех теорий, которые стоят слева от нее. В отличие от ряда (1) ряд (2) является не проблемным, а интерпретационным. Приведем пример: исходя из положения в ряде (2) содержания специальной теории относительности, легко понять ошибочность постулирования в ньютоновской физике абсолютности пространства и времени. Интерпретационный ряд (2) образует смысловой строй науки, очищенный от всех ее «загрязняющих примесей», различного рода ошибок. При этом важно, что проблемный ряд и интерпретационный строй характеризуют динамику научного знания не по отдельности, а лишь совместно друг с другом:

^ Т

п 4 1

T ^ T ^ T ^

1 2 3

т ^ т , ^ т , ^ ... ^ т

п п - 1 п - 2 1

Ряд (1) соответствует логике построения общего образования, базирующегося в самом начале (в неком предельном или «стартовом» варианте) на бытовых представлениях и пресловутом «здравом смысле», а логика ряда 2 - это логика специального образования (чаще всего высшего профессионального), логика понимания науки профессионалом, которая базируется на последней или ключевой теории данной дисциплины Тп.

Таким образом, построение содержания образования в высшей школе должно в корне отличаться от образования в учреждениях среднего звена. В высшей школе можно и необходимо строить логику дисциплины, опираясь исключительно на ряд (2), тогда как преподавание в средней школе может остаться традиционным, то есть базирующимся на строгой научной хронологии соответствующей ряду (1). Тем самым достигается формирование подлинно научных представлений, соответствующих именно новейшим концептам науки, а не формирование «псевдо»-новых представлений, так называемых «предельных» случаев ста-

рого знания, с опорой на представления, соответствующие классическим. Кроме того, из содержания вузовского образования исключается необходимость в очередной раз проходить «азы» науки, а студент в результате обучения вынужден не самостоятельно дотягиваться до «новейшего» знания, а, наоборот, получая знания о новых достижениях своей науки, организовывать самостоятельную работу ума по нахождению связей между уже сформированной у него в средней школе классической картиной мира и преподаваемым в курсе высшей школы.

Реализация данного подхода привела к возникновению авторской методической системы обучения физике или, как она была названа уже в процессе работы, - темпорально-ориентированной системе обучения (ТОСО). В идеале ТОСО должна быть построена не как методика, улучшающая старую, а как абсолютно новая схема изложения физики в виде четырех разделов, соответствующих каждому типу взаимодействия в отдельности (см. рис. 1), при этом, разумеется, речь идет о курсе не начального уровня.

Далее каждое из проявлений отдельных фундаментальных взаимодействий может быть логически поделено по различным основаниям (см., например, рис. 2). К преимуществам предлагаемой схемы может быть отнесено следующее:

- Предлагаемая система построения курса физики является открытой и допускает в случае либо выделения, либо объединения взаимодействий несложную модификацию.

- Ядро предлагаемой системы стабильно и, следовательно, не может потерять своего центрального доминирующего положения.

- Как показано в схеме на рис. 2, возможно деление по любому логическому основанию и пр.

Однако практика реализации ТОСО наталкивается на массу трудностей как теоретического, так и практического характера, поэтому было принято решение проводить обучающий эксперимент по упрощенной схеме, то есть сохранив старую традиционную схему деления курса физики на разделы, а содержательные изменения проводить внутри раздела.

Рис. 2. Принцип логического деления фундаментальных взаимодействий

«ЗАКОНЫ ДИНАМИКИ»

Были составлены новые обновленные программы курса физики (для курсов с общим объемом аудиторных занятий около 300 часов), соответствующие стандарту ГОС второго поколения. Так, например, для раздела «Механика» схема обучения представлена на рис. 3. Вначале обзорно (на уровне ШКФ) рассматриваются все фундаментальные взаимодействия, явления в неинерци-альных системах отсчета, в том числе и метрические соотношения, и на базе принципа эквивалентности вводится понятие о релятивистской теории тяготения Эйнштейна.

Однако полностью и последовательно в начале этого раздела излагается специальная теории относительности, а затем только основные идеи ньютоновской механики, причем упор делается на понятия, которые служат закреплению идей релятивизма как фундамента современного физического знания, а именно: система отсчета, принцип инерции, принцип относительности, преобразования координат при переходе в другую систему отсчета и др. Далее темпорально-релятивистские идеи последовательно используются при формировании основных понятий и законов. В частности, понятие энергии определяется на базе релятивистских представлений, на этой же основе вводятся законы сохранения импульса и энергии. Эти же идеи служат базой для описания связи законов сохранения с принципами симметрии.

В основах молекулярной физики темпорально-релятивистские идеи, естественно, играют меньшую роль. Однако понятие о внутренней энергии системы и первое начало термодинамики вводятся на основе темпорально-релятивистских соображений, фактическое содержание самого раздела предваряется рассуждениями, поясняющими факт появления необратимости, как классической, так и квантовой, на основе мысленного эксперимента Б. Б. Кадомцева и рассуждений, базирующихся на работах о пространстве-времени микромира Д. И. Блохинцева.

Очень важна роль темпорально-релятивистских идей в электродинамике, где они служат основой для формирования представлений о природе магнетизма, когда на базе релятивистского закона преобразования поперечной силы вводится представление о магнитном взаимодействии как релятивистском эффекте, динамическом характере его проявления. Отсюда в дальнейшем следует выражение для силы Лоренца и для индукции магнитного поля движущегося заряда. Применение темпорально-релятивистских идей к электродинамике завершается при изучении электромагнитной индукции.

На базе темпорального релятивизма вводится понятие об эффекте Доплера в оптике, рассматриваются свойства фотонов, эффекты Комптона и Мессбауэра, вводится понятие о дефекте массы и энергии связи и об энергетическом эффекте ядерных реакций.

РАСШИРЕННЫМ ТЕЗИС В.В.МУЛТАНОВСКОГО

ФИЗИКА ЭТО НАУКА О ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ

«АРИФГЛЕТИЗАЦИЯ ПРОСТРАНСТВА-ВРЕМ НИ»

базирующаяся на поня- ив СТО «< ©ВРЕМЕННОСТЬ

«Тотальный релятивизма А.А.Пинского

"Г

«КИНЕМАТИКА

как частный случай динамики

Т

«СТАТИКА как частный случай динамики

Рис. 3. Схема обучения для раздела «Механика»

Темпорально-релятивистские идеи играют важную роль и при анализе свойств элементарных частиц, да и всего микромира. В методике преподавания элементов квантовой механики часто делается принципиальная ошибка: все параметры рассматриваются в качестве квантово-механических, а время - нет. Между тем тот факт, что время не описывается оператором, еще не является достаточным основанием для отрицания квантовой природы времени. Своеобразная зависимость между энергией квантово-механической системы и моментом времени, когда происходит данное явление, показывает, что природу времени надо рассматривать в зависимости от этих явлений. При этом решающую роль всегда играет взаимодействие, в том числе его дискретность и непрерывность.

Как и всегда в физической теории, определенность времени задается уравнениями теории, в данном случае квантово-механическими уравнениями. Эти уравнения могут быть записаны в двух формах:

Ш —

31

II №>,

д Л & Ь

Ш [ИЬ]

где /? - постоянная Планка, |¥> - вектор состояния квантово-механической системы, Н - оператор полной энергии, оператор Гамильтона, Ь - оператор той или иной квантово-механической величины. Анализ этих уравнений приводит к соотношению Гейзенберга - Бора для энергии и времени: МЕМ > к.

Согласно соотношению Гейзенберга - Бора энергию системы в стационарном состоянии можно измерить лишь с точностью, не превышающей к/М, где М - длительность процесса измерения. Причина этого скрыта во взаимодействии системы с измерительным прибором. Соотношение Гейзенберга - Бора можно истолковать и по-другому, как выражение взаимосвязи неопределенности значения

энергии нестационарного состояния замкнутой системы ДЕ и характерного времени Д, в течение которого существенно меняются средние значения физических величин в этой системе. Наконец, рассматриваемое соотношение можно интерпретировать и в том смысле, что момент квантового перехода может быть определен лишь с точностью Д > h/ДЕ. Это означает, что понятие момента времени оказывается преобразованным: невозможно точно, в смысле неквантовой физики, определить момент существования физической системы, а следовательно, преобразуются наши устоявшиеся, в том числе развиваемые в рамках СТО, представления об одновременности и длительности.

Таким образом, прежде всего при изложении физического материала надо учитывать как содержание физики в целом, так и соотношение различных физических теорий. Ясное понимание физических явлений возникает не сразу, а в процессе смены одних физических теорий другими, более развитыми. Более развитая физическая теория дает методический ключ к менее развитой. Отсюда следует, что так называемые простейшие теории, например механику Ньютона, надо преподавать «с опорой» на содержание более развитых физических теорий. Без этого невозможно обеспечить в преподавании высокий научный уровень. Необходимо внимательно относиться к выводам философского характера, особенно к тем, кото-

рые позволяют наметить определенные методические ориентиры. При объяснении физических явлений нужно опираться на динамический подход, рассматривать время как проявление физических взаимодействий.

В заключение хотелось бы отметить, что автор полностью отдает себе отчет в пока еще существующей методической «незаконченности», отсутствии прегнантности предлагаемого подхода. Однако мы видим свою роль по большей части в теоретическом обосновании предлагаемого типа изменений и надеемся, что появятся и более конкретные исследования в данном направлении, упрощающие и «очищающие» данную идею.

список источников и ЛИТЕРАТУРЫ

1. Habermas J. Begründete Enthaltsamkeit: Gibt es postmetaphysische Antworten auf die Frage nach dem „richtigen Leben"? // Neue Rundschau. -2001. - H. 2. - S. 93-103.

2. Интервью с Э. Тоффлером в шоу Грегори Мэн-телла [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.youtube.com/watch?v=8DWj-G-VZEQ (дата обращения 01.07.2011).

3. Канке В. А. Философия учебника. - М.: Университетская книга, 2006. - 118 с.

изучение курсов дополнительного образования

астрономической направленности в гимназии

TAKING COURSES OF ADDITIONAL EDUCATION IN ASTRONOMY IN A GYMNASIUM

Ю. В. Масленникова, И. В. Гребенев

В статье рассматривается концепция естественнонаучного образования в гимназии, важной частью которого является преподавание курсов дополнительного образования астрономической направленности. Данные курсы предлагаются учащимся 6-го и 10-11-го классов и призваны значительно расширить и обобщить знания, полученные на уроках природоведения, географии, биологии, физики и химии.

Ключевые слова: формирование естественнонаучного мировоззрения, раннее обучение астрономии, естественнонаучный потенциал гуманитарных предметов.

U. V. Maslennikova I. V. Grebenev

The article examines a conception of natural sciences education in a gymnasium. An important part of this education is courses of additional education in astronomy. Such courses are offered to the students of 6 and 10-11 years, they are supposed to significantly expand and summarize students' knowledge acquired at the lessons of studies of nature, geography, biology, physics and chemistry.

Keywords: developing natural sciences worldview, early astronomy teaching, natural sciences potential of humanitarian subjects.

В настоящее время в общеобразовательных школах и гимназиях значительно сокращено число часов, выделяемых на изучение дисциплин естественнонаучного профиля. На третьей ступени обучения вводит-

ся интегрированный учебный предмет «Естествознание» [1], преподавание которого серьезно затруднено в связи с отсутствием квалифицированных кадров и полноценного УМК, а учебный предмет «Астрономия» вообще исключен