Роль историко-научных знаний в преподавании физики студентам естественнонаучных специальностей университета

всероссийских и региональных научных и научноисследовательских конференциях и семинарах.

Лаборатория поддерживает тесные научные связи с кафедрой преподавания дисциплин естественно-математического цикла ИПКРО Тамбовской области, а

также с кафедрами методики преподавания физики Московского, Рязанского, Уральского, Владимирского педагогических университетов, Белгородского государственного университета, кафедрой педагогики ТГУ им. Г.Р. Державина.

УДК 530.1

РОЛЬ ИСТОРИКО-НАУЧНЫХ ЗНАНИЙ В ПРЕПОДАВАНИИ ФИЗИКИ СТУДЕНТАМ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ УНИВЕРСИТЕТА

© А.И. Стерелюхин

Ключевые слова: история науки; методология; гипотеза; моделирование; теория; идея; закон; понятие.

Выявляется роль историко-методологических знаний в преподавании физики студентам естественнонаучных специальностей университета. Предпринята попытка обоснования единого подхода к формированию системы методологических знаний студентов, изучающих естественные науки.

Многие ученые-педагоги, занимавшиеся подготовкой преподавателей естественнонаучных дисциплин, подчеркивали необходимость изучения истории естественных наук. В частности, в предисловии к «Курсу истории физики» П.С. Кудрявцев пишет: «Будущему учителю необходимо иметь достаточно полное представление о развитии науки, начиная с ее возникновения и кончая современным состоянием».

Эта мысль о необходимости получения преподавателями, работающими с учащимися и студентами, глубоких знаний по истории физики находит свое подтверждение как в теоретических работах ученых-педагогов, так и в учебной практике учителей физики и преподавателей вузов.

Рассматривая дидактическую структуру школьных предметов, ученые-педагоги выделяют отдельные блоки знаний. В частности, Л.Я. Зорина разделяет знания, получаемые в школьном курсе физики, на предметные и внепредметные, а Г. Кару рассматривает три блока

знаний: научные, процессуальные и оценочные. Такое выделение блоков знаний довольно условно. Часто методологические знания, например, невозможно рассматривать как внепредметные. Хотя философские обобщения, к которым приходят учащиеся, вероятно, можно считать как предметными, так и внепредметными.

Проводя анализ курса физики, который изучают студенты естественнонаучных специальностей университета, на наш взгляд, также наряду с содержательным (научным) блоком можно выделить блок вспомогательных знаний. Этот последний блок содержит в себе философско-методологические, историко-научные,

межпредметные и оценочные знания. Все эти знания взаимосвязаны. Тем не менее, их можно и обособить.

Философско-методологические знания представляют собой систему, состоящую из трех подсистем: методов, структуры науки и ее языка. Структура этой системы представлена на рис. 1.

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ЗНАНИЯ

Рис. 1. Система методологических знаний учащихся: 1 - философия как метод познания природы; 2 - общенаучные методы познания; 2.1 - методы эмпирического уровня познания; 2.2 - методы теоретического уровня познания; 3 - частнонаучные методы по-

знания; 4 - экспериментальные факты; 5 - понятия (физические величины); 6 - законы (принципы, постулаты); 7 - физические

теории; 8 - знаки; 9 - термины; 10 - номенклатура

Рассматривая науку как вид деятельности человека, мы должны отметить, что наукой не только «добываются» знания, но определенным образом структурируются и приводятся в систему. Для того чтобы знания были систематизированы и переданы следующим поколениям людей, они должны быть выражены на определенном научном языке.

Следовательно, система методологических знаний учащихся должна состоять из подсистемы методов, подсистемы структурных единиц знания и подсистемы, включающей в себя знания о языке науки.

Подсистема методов науки включает в себя частные методы научного познания, т. е. такие, которые используются в одной или в немногих отраслях знания. В качестве примера можно назвать такие частнонаучные методы, как спектральный и рентгеноструктурный анализ, статистический и термодинамический подходы к изучению тепловых явлений, резонансный метод, метод задерживающего потенциала и т. д.

Есть методы, которые используются многими (если не всеми) науками. Это так называемые общенаучные методы познания. К ним относятся методы эмпирического уровня познания: наблюдение, эксперимент и методы теоретического уровня познания; мысленный эксперимент, идеализация, аналогия, метод выдвижения гипотез и т. д. Часто к общенаучным методам относят методы мышления - индукцию и дедукцию, анализ, синтез.

К подсистеме методов относятся важнейшие положения философии и сама философия, рассматриваемая как метод познания мира. Философские положения, взгляды выполняют роль регулятивов (направляющих) познания окружающего мира. Они оказывают влияние на исследования ученых.

Подсистема структуры знаний. В структуре знания различают эмпирические факты, понятия, величины, законы различной степени общности, принципы, гипотезы, теории, идеи. Все эти элементы структуры знания несут на себе наряду с системообразующей и эвристическую функцию.

Элементы структуры знания выстроены в систему, т. е. между ними выявляются связи. Рассматривая, например, построение развитой физической теории, мы можем проследить следующую логически замкнутую цепочку:

1) обнаружение и накопление экспериментальных фактов, которые не может объяснить ни одна из существующих к тому времени физических теорий; выявление в науке новых понятий, связанных с изучением «необъяснимых» наблюдений и экспериментов; выделение так называемого идеализированного объекта исследования;

2) выдвижение гипотез (принттипов). позволяющих объяснить «необъяснимые» эмпирические результаты исследований, научные эксперименты теоретических законов, построение ядра теории, формирование математического аппарата;

3) получение следствий вновь построенной теории: выявление технических применений новых знаний, философское осмысление новых, часто парадоксальных, идей, предсказание новых явлений, о которых ученые и не подозревали до создания и осознания новой физической теории.

Подсистема языка науки. Язык науки выполняет коммуникативную и познавательную (эвристическую) функции. На познавательную роль языка следует обратить особое внимание студентов, ибо это ими часто не осознается. Познавательная функция языка науки обусловлена следующим:

- язык неразрывно связан с мышлением: нельзя мыслить, не выражая мысли на каком-либо языке;

- в языке науки отражены не только результаты познания, но и пути, которыми получены знания;

- язык позволяет обобщить и систематизировать знания, что помогает в научных исследованиях;

- язык науки позволяет замещать (моделировать) объекты и явления, выступает в качестве носителя информации о них, необходимой для дальнейших исследований.

Язык науки представляет собой совокупность терминологии, символики и номенклатуры, правил их составления, преобразования, истолкования и оперирования ими.

Теперь рассмотрим структуру других видов вспомогательных знаний.

Историко-научные знания, на наш взгляд, включают в себя знания:

- исторической обстановки, уровня развития производительных сил в мире и стране в эпоху, когда было сделано какое-либо открытие в физике;

- исторических закономерностей развития науки (влияние уровня производства на развитие науки, смена периодов быстрого развития науки периодами относительно медленного роста);

- развития идей, взглядов и научных направлений (в т. ч. в философии, математике, естествознании и других науках), которые привели к какому-либо открытию;

- биографий отдельных крупных ученых, исследователей, истории развития научных школ.

Межпредметные (междисциплинарные) знания включают:

- понятия, законы, принципы, теории и идеи, относящиеся к математике, химии, биологии, экологии и т. д.;

- методы, используемые не только в физических исследованиях, но и в других науках, прежде всего в естественно-математических;

- термины, обозначения и другие элементы научного языка, используемые не только в физике, но и в математике, а также в других отраслях естествознания.

К оценочным относятся знания, на основе которых происходит формирование направленности личности студента, его отношения к предмету, интереса к физике, и в конечном итоге формируется мировоззрение и ценные моральные качества обучаемого.

Рассматривая роль историко-научных знаний в преподавании физики, отметим, прежде всего, что эти знания, являясь одним из видов вспомогательных знаний, способствуют более интересному восприятию, глубокому усвоению, генерализации и систематизации предметных знаний. Можно было бы привести множество примеров из различных курсов, написанных как для средней, так и для высшей школы, где авторы с исторических позиций выстраивают методику изучения какого-либо вопроса. При этом обучаемые идут в учебном познании тем же путем, которым шли ученые,

исследователи и конструкторы-испытатели в своих первых научных исследованиях.

Мы понимаем, что такой подход в методике с применением историзма не всегда и не везде приемлем, особенно в тех случаях, когда научные поиски ученых были полны заблуждений и ошибок. Понятно, что многих ошибок ученых вовсе не нужно знать студентам, что такой путь изучения был бы долгим, однако о некоторых курьезах и заблуждениях, как мы полагаем, следует рассказать учащимся. Это поможет им избежать подобных заблуждений.

Отметим, что исторический путь «от незнания к знанию» позволяет выявить и наиболее полно показать обучаемым весь инструментарий исследователей, раскрыть методологию познания изучаемых вопросов физики. Перед обучаемым при таком подходе выявляются отдельные этапы познания, студенты отмечают для себя ценность гипотез, экспериментов, выводов и обобщений, сделанных в свое время отдельными учебными.

Таким образом, реализация принципа историзма в обучении способствует более полному и правильному формированию методологических знаний обучаемых, позволяет им представить те пути, которыми знания «добывались» и фиксировались в науке.

Историко-научные знания являются важным звеном в осуществлении межпредметных связей в преподавании физики. Сведения из истории науки позволяют раскрыть многие аспекты связей физики с другими отраслями знаний: астрономией, математикой, техникой, химией, биологией и медициной, физической географией и др. Особенно важное значение это приобретает в преподавании курса общей физики студентам естественнонаучных специальностей университета.

В исторических обзорах на лекциях важно подчеркнуть, что развитие знаний, составляющих содержание отдельных отраслей естественных наук, происходило вначале в рамках одной науки - натурфилософии. Сославшись на историю соответствующей науки (историю химии, историю биологии и т. д.), читаемой студентам, следует выявить причины дифференциации и необходимость интеграции наук, отметить роль физики, как фундамента в развитии естествознания, показать, что идеи, гипотезы, зародившиеся в физике, изменяли направления мышления ученых, работавших в других областях естественных наук. В исторических обзорах отмечаем, что нередко методы исследования, разработанные в физике, успешно распространялись на другие естественные науки, а стройность и логическая завершенность физических теорий всегда служили и служат примером в работах ученых-естествоиспы-тателей.

Рассматривая, например, предысторию установления закона сохранения и превращения энергии со студентами естественнонаучных специальностей, отмечаем, что к открытию этого великого закона ученых-естествоиспытателей привели работы по трем направлениям: разработка идеи сохранения некоторых величин, являющихся мерами механического движения; решение проблемы невозможности создания вечного двигателя и изучение превращения одних форм движения материи в другие - прежде всего взаимосвязи механических и тепловых явлений.

Нередко исследования в других, смежных с физикой областях естествознания оказывали влияние на развитие физики. В частности, работы Р. Майера по утверждению закона сохранения энергии исходили из медицинских и биологических исследований.

Говоря об усилиях ученых и конструкторов в работе по созданию вечного двигателя, показываем взаимосвязь физики и техники. На этом пути учеными и инженерами было найдено немало смелых конструкторских решений. Однако наиболее интересным и полезным студентам естественнонаучных специальностей на этой лекции оказывается освещение исторического пути поиска ответа на вопрос о превращении механической формы движения в тепловую и обратно.

Дело в том, что в XVII и XVIII вв. проблемой превращаемости одной формы движения в другую почти никто не занимался. Причина тому - абсолютизация учения Ньютона. Классическая механика к XVIII в. достигла таких успехов, что взгляды, идеи, положенные в основу этой теории никто не мог подвергать критике. В основе ньютоновской теории лежит понятие силы. Успехи классической механики свидетельствовали о ценности описания явлений с помощью этого понятия. К тому же мысль И. Ньютона о возможности сведения всех явлений природы к механическим, его авторитет побуждали ученых к поискам сил, объясняющих ту или иную группу явлений. Так, в учении об электрических и магнитных явлениях появляются соответственно электрический и магнитный флюиды -особые невесомые и неосязаемые материи, являющиеся носителями электрических и магнитных сил. Аналогично тепловые явления объяснялись существованием в телах особой субстанции - теплорода. Ответственным за каждую группу явлений в науке объявлялся отдельный флюид, и поэтому поиск взаимосвязи между отдельными группами явлений природы не было смысла осуществлять.

Подобного рода взгляды были распространены на все естествознание. В частности, ученые-химики явление горения связывали с существованием особого флюида - флогистона. В биологии, химии, физике и философии в этот период распространяется учение о «живой силе» - витализм.

Студенты естественнонаучных специальностей, изучающие историю химии, биологии, знают, что учения о флогистоне, витализме нанесли серьезный вред развитию естествознания и, в конце концов, были отвергнуты. В ходе исторического обзора делаем вывод о том, что возведение в абсолют идей классической механики к IX в. становится препятствием в развитии естественных наук. Таким образом, физика, как лидирующая отрасль естествознания, в некоторые периоды его исторического развития играла отрицательную роль. Однако механистические представления в науке были преодолены, флюиды были отвергнуты, и начался поиск взаимосвязи явлений, ранее казавшихся совершенно не связанными друг с другом: электрических и магнитных, механических и тепловых и т. д. Такова вкратце предыстория открытия и утверждения в науке закона сохранения и превращения энергии.

Исторический обзор открытия этого великого закона природы проливает свет на многие взаимосвязи естественных наук, что способствует формированию интереса студентов естественнонаучных (нефизиче-

ских) специальностей университета к изучению физики, способствует осознанию необходимости изучения физики как основы, лидирующей отрасли естествознания, развивает мотивацию учебной деятельности студентов.

В исторических экскурсах могут быть отражены и другие многочисленные взаимосвязи естественных наук. Например, разработка спектрального анализа Бунзеном и Кирхгофом в середине XIX в. открыла большие возможности в изучении строения вещества, в утверждении единства окружающего мира, что имело важное значение для развития не только новых вопросов физики (изучение строения атома), но и для развития химии. Известно, что с помощью спектрального анализа в природе было открыто 24 элемента таблицы Менделеева. А клетка в этой таблице, оставленная химиками для частицы-элемента мирового эфира так и осталась не заполненной, так как опыты Майкельсона и других ученых-физиков дали отрицательный результат.

Историко-научные знания взаимосвязаны с оценочными знаниями. Материалы истории физики позволяют обучаемым представить и оценить те трудности в исследованиях, которые пришлось преодолеть ученым на пути решения тех или иных проблем. Так появляются личные отношения учащихся к получаемым знаниям. Укажем также, что исторический подход позволяет избежать в сознании обучаемых рядоположенности знаний. Для некоторых учащихся и студентов оказываются одинаково важными правила и законы, определения и принципы, формулировка гипотезы и вывод из проведенного эксперимента. Использование в преподавании исторического подхода предотвращает появле-

ние такого заблуждения в умах обучаемых. Знание истории решения проблемы в науке позволяет студентам отделить главное от второстепенного, путь правильного решения проблемы от пути, ведущего к тупиковой ситуации. Таким образом, историко-научные знания способствуют появлению научных интересов обучаемых, расширению их кругозора и формированию мировоззрения. Примеры из жизни, творческой и общественной деятельности ученых, приводимые в исторических обзорах, помогают молодым людям формировать в себе правильное отношение к учебной и научной работе, способствуют становлению и закреплению многих ценных качеств личности, таких как упорство в достижении поставленной цели, самоотверженность, пытливость ума.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кудрявцев П.С. Курс истории физики. М.: Просвещение, 1974.

2. Зорина Л.Я. Дидактические аспекты естественнонаучного образования. М.: РАО, 1993.

3. Кару Г. Методика преподавания физики в общеобразовательной школе. Таллин: Варгус, 1986.

Stereljukhin A.I. Role of historical-scientific knowledge in teaching of physics to students of natural-science specialties of the university. The role of historical-methodological knowledge in teaching physics to students of is natural-scientific specialties of university comes to light. Attempt of a substantiation of the uniform approach to formation of system of methodological knowledge of the students studying natural sciences is undertaken.

Key words: science history; methodology; hypothesis; modeling; theory; idea; law; concept.