Фундаментализация неспециального физического образования

ФУНДАМЕНТАЛИЗАЦИЯ НЕСПЕЦИАЛЬНОГО ФИЗИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ

А. Е. Тулинцев

Аннотация. В статье автор размышляет о важности фундаментальной подготовки по физике для формирования профессиональной компетентности, подчеркивает необходимость соединения актуального научного знания и процесса обучения, дающего только в этом случае подлинно научное понимание образованным человеком законов развития природы и общества.

Ключевые слова: методология обучения, структура и содержание курса физики.

Summary. In the article the author reflects on the importance of fundamental training in physics for the process of professional competence formation. The author underlines the importance of the fusion of actual scientific knowledge with the training process. Only in this case can a well-educated person scientifically grasp the laws of nature and society development.

Keywords: training methodology, structure and content of a Physics course.

Разработка инновационных и усовершенствование традиционных методологий, концепций и техноло-252 гий обучения вовлекают во все более широкое употребление понятия, считавшиеся ранее исключительно мета-научными (рис. 1).

Из-за возникшего сегодня мощного эпистемологического и онтологического плюрализма метанаучных воззрений, когда независимо существуют несколько наиболее значимых трендов современной мировой науки, наблюдается «подъем» смысла понятий. Таким изна-

чально субнаучным (или даже протона-учным) понятием, активно «врывающимся» сегодня в верхние слои научного сознания, например в дидактику, является понятие времени (см. рис. 2).

Вообще, как только наука оформляется в понятийном плане на новой стадии своего развития, сразу возникает вопрос о сущности времени. Возрастающее использование последнего в теоретических построениях субнаук и их рефлексий, базирующееся на подлинно научном понимании, является сегодня необходимым условием для

Базовая теория. Субнаука - Философия теории. Метанаука - Дидактика

---- 4---- теории

Рис. 1. Метанаучные понятия

обеспечения фундаментальности образования в новых условиях быстро меняющегося мира и доминирующей парадигмы постнеклассической науки.

Фундаментальность образования, как известно, это соединение актуального научного знания и процесса образования, дающее образованному человеку понимание законов природы и общества. Физика сегодняшнего дня -это техника и технологии дня завтрашнего. Однако, к сожалению, на сегодня, мы имеем «направляемую директивно» дефундаментализацию образования, которая привела к тому, что:

• посредством введения стандартов 3-го поколения сокращается доля предметов естественнонаучного цикла;

• создаются предметы, механически «склеенные» из разных дисциплин;

• в ответ на ежегодно обновляющиеся в мире 5% теоретических и 20%

прикладных знании о природе наша система образования отвечает увеличением числа специалистов и диссертации гуманитарного направления и т.д. [1].

Сегодня разрыв между уровнем развития науки и уровнем излагаемого при подготовке специалистов учебного материала существенен, требуется не переработка, а пересмотр концептуальных основ построения учебных курсов. Ситуация с существующими учебниками и учебными курсами по физике такова, что их отставание от состояния современного естествознания слишком огромно для утилитарных изменений и поэтому необходима качественно новая структура курса - им-прувмент (от английского improvement - управление изменениями, нацеленное на качественное развитие) старого содержания. Необходимо становление программ и систем обучения,

253

построенных на новых принципах, в корне отличающихся от существующих. Таким образом, в методике преподавания физики в высшей профессиональной школе имеет место переломный момент - кризис содержания. Кризис вызван несоответствием установившейся в фундаментальной науке системы понятий, с одной стороны, и отбором, анализом и оптимизацией содержания образования, базирующегося на идеях классической физики с са-теллитным (от латинского satellites -спутники) введением в содержание учебного предмета знаний физики начала и середины ХХ в., с другой.

Как справедливо отмечают В. М. Грабов и С. Ю. Трофимова: «Структура физики складывалась на протяжении длительного пути развития таким образом, что получение новых результатов вело к появлению нового, относительно самостоятельного раздела» [2]. В результате сложилась почти линейная структура

науки и учебных курсов, представленная на рис. 3. Изображенный ниже цикл познания имеет вид замкнутой фигуры, так как астрофизика является следствием физики элементарных частиц и в то же время тесно связана с механикой благодаря рефлексии и т.п.

К отрицательным последствиям применения такого подхода можно отнести, например, то, что в результате:

• научным сообществом неверно была истолкована природа математики и переоценена ее роль в создании и построении физических теорий;

• вследствие первого была переоценена роль математических абстракций и идеализаций в физике, что впоследствии стало тормозом на пути формирования подлинно научных, современных знаний о природе и многом другом.

Очевидно, что плюрализм сегодня пронизывает собой всю науку, а принципиальные споры ведут между собой не только гуманитарии, но и математи-

254

Рис. 3. Структура курса на основе достижений физики к 20-м гг. XX столетия

ки и физики, то есть представители тех наук, в которых, казалось бы, сама их строгость исключает разброс мнений. Применительно к преподаванию физики в высшей профессиональной школе последнее, пожалуй, впервые нашло отражение в дискуссии о подходах к изложению предмета таких выдающихся ученых XX столетия, как В. Гейзенберг и Л. де Бройль. На заре становления квантовой физики, то есть в 20-х гг. прошлого века, В. Гейзенберг высказывал мнение, что обучающиеся должны получать интерпретацию современных физических теорий в готовом виде, а не подводиться к ней тем мучительным путем преодоления противоречий, которым шло познание. С другой стороны, Л. де Бройль полагал, что основу образования, фактически формирующего молодые умы, должна составлять классическая физика с ее вполне устоявшимися представлениями и относительно простыми выводами. Поводом для продолжения дискуссий стала ситуация с преподаванием физики разного уровня, возникшая в середине ХХ в., когда трудности обнаружения императивно имеющихся связей между различными разделами физики, представленными на схеме (рис. 3), стали тормозом на пути создания целостной картины мира. Дополнительный импульс плюрализм вузовской методики преподавания получил в середине ХХ в., когда в результате пионерских достижений СССР в космической области в США была резко изменена вся система физического образования. Так появились принципиально новые учебники: «Фейнманов-ские лекции по физике» [3], написанные нобелевским лауреатом Р. Фейнма-ном и др., «Берклеевский курс физики» [4] группы авторов из Калифорнийского университета и др.

Р. Фейнман в своем десятитомнике отказался от традиционного исторического подхода, подчеркивая эту особенность изложения в предисловии. В частности, он отмечал, что предлагаемый в курсе подход противоположен подходу историческому, когда мысль автора слепо следует за экспериментами, в которых была получена нужная информация. «Фейнмановские лекции по физике» оказались в итоге не похожими ни на один известный курс, при этом они являются не набором обзорных лекций, а весьма серьезным изложением материала, сориентированным на подготовленных и сообразительных слушателей. По мысли автора, фундаментальные законы природы, изучаемые физикой, - теоретическая база для развития любой технологии.

«Берклеевский курс физики» является вузовским учебником, в котором основной упор делается на общие идеи и принципы субнауки физики. Многочисленные примеры из различных областей современной физики (звук, свет, плазма и другие явления) рассматриваются как применение и пояснение этих принципов. Построенная в соответствии с результатами релятивистской и квантовой физики, адекватно отражающая основные фундаментальные физические идеи и теории, концепция «Бер-клеевского курса физики», казалось, будет вполне удовлетворительна продолжительное время. Педагогическому сообществу представлялось, что эта структура допускает и дальнейшее развитие за счет включения в нее вопросов единой теории поля и т.д., но подобная модернизация не состоялась.

На близкой берклеевскому курсу «идеологии» был построен отечественный учебный курс - «Основы физики» Б. М. Яворского и А. А. Пинского [5]. В

255

h/H

А_

квантовая квантовая

нерелятивистская релятивистская

физика физика

ЪМ<1 Ы1\< 1

v/c -<-< 1 v/c-< 1

классическая неквантовая

физика релятивистская физика

h/H-<-< 1 h/H^l

v/c 1 v/c-< 1

>

v/c

О

v/c-<-< 1

v/c-<l

Рис. 4. Структура курсов, построенных на основе достижений физики середины ХХ века И - постоянная Планка; Н - действие, описывающее макроскопическую систему

256

этом двухтомнике систематически излагаются положения физики на более современной, чем классическая, основе. Вопросы механики органически связаны с теорией относительности и соотношением неопределенностей, законы сохранения - с принципами симметрии пространства и времени, основы термодинамики - с молекулярной статистикой и строением вещества, гидромеханика - с теорией ударных волн и др. Таким образом, в 1950-1960-х гг. возникло множество курсов физики, основная идея построения которых обобщенно выражена схемой разделов, изображенной на рис. 4.

Так называемая третья научная революция, начавшаяся в 40-х гг. ХХ в. работами И. Пригожина, в физике вывела семантику рассмотрения физических объектов за рамки приведенной на рис. 4 структуры, введя в рассмотрение «сложность» исследуемого объекта или

Преподаватель XX

системы, как на рис. 5. Положение о том, что отношения между различными уровнями организации строятся по принципу редукции, то есть закономерности более высокого уровня исчерпывающе описываются взаимодействиями более глубокого уровня, оказалось ошибочным. Выяснилось, что более высокий уровень сложности может иметь качественно новые закономерности, не вытекающие прямо из свойств элементов и к ним не сводящиеся, что объясняется современной наукой посредством понятия супервенция.

По современным метанаучным представлениям качественное развитие объекта происходит не путем перехода количественных изменений в качественные, а «скачком». Одним из терминов, его характеризующих и отчасти поясняющих механизм действия, является понятие «supervenience» (от латинского «super» - «сверх» + «venire» - про-1 / 2012

Ь/Н

квантовая иерелятиви стекая физика h/H -< 1 v/c-Xl квантовая релятивистская физика ЫН-< 1 у/с 1

классическая физика h/H -<-< 1 v/c-Xl неквантовая релятивистская физика Ь/ у/с 1

сложность

О у/с -«1 у/с 1 1 V/с

Рис. 5. Структура курса физики с дополнительной осью «сложность»

исхождение), в русском переводе встречающееся как «супервенция» или «супервентность». По определению Стэнфордской философской энциклопедии [6], супервенция является центральным понятием аналитической философии. Один из самых выдающихся американских философов XX столетия Дэвид Келлогг Льюис писал: «Наш опыт не может изменяться, если неизменной остается основа - агрегаты пространственно-временных точек - это и есть описание отношения "супервенции"» [7]. Супервенция - это когда совокупность признаков А обуславливает совокупность признаков В, если их наличие и изменение вызывается признаками А, но не объясняется ими. В этой связи уместно привести следующее пояснение: физика испытывает затруднение при описании взаимодействия нескольких частиц. Если же частиц тысячи или миллионы, то используется аппарат статистической физики и соответственно объект предстает в отличном от первоначального и новом супервентном виде.

Третья революция (или по отечественной классификации - «этап возникновения постнеклассической науки»), как мы уже отмечали, связана с

именем и работами нобелевского лауреата И. Пригожина, чьим главным достижением является создание неравновесной термодинамики и статистической механики необратимых процессов. И. Пригожиным было показано существование неравновесных термодинамических систем, которые при определенных условиях, поглощая вещество и энергию из окружающего пространства, могут совершать качественный скачок к усложнению. Причем такой скачок не может быть предсказан, исходя из классических законов. Расчет таких систем и возможен благодаря работам И. Пригожина, в которых он сформулировал и доказал одну из основных теорем термодинамики неравновесных процессов - теорему о минимуме производства энтропии в открытой системе. Согласно этой теореме: «В стационарном состоянии продукция энтропии внутри термодинамической системы при неизменных внешних параметрах является минимальной и константной. Если система не находится в стационарном состоянии, то она будет изменяться до тех пор, пока скорость продукции энтропии, или, иначе, диссипативная функция системы не примет наименьшего значения».

257

258

Пригожин отмечал, что открытие неравновесных структур, которые возникают как результат необратимых процессов и в которых системные связи устанавливаются сами собой, фактически означает признание конструктивной роли времени и ведет к появлению новых идей относительно динамических, нестабильных систем - идей, полностью меняющих наше представление о детерминизме. Так, в физике второй половины ХХ в. «переоткрытие времени» возникло и развилось в общенаучный феномен.

Переоткрытие времени сегодня -это новая парадигма науки, предполагающая видение динамических процессов как упорядочение элементов одного уровня системы за счет внутренних факторов при условии стимулирующего внешнего воздействия, выдвинувшая в качестве главного приоритета принятие факта необратимости времени. Необратимость времени нашла свое выражение практически во всех областях знания, а проблема «время и познание» стала фундаментальной для современной общей теории познания и должна стать таковой для частных теорий. Неклассическая рациональность включила активную деятельность человека как стимулирующее внешнее воздействие в свою понятийную сферу; феномен наблюдателя стал базой для нового понимания в науке. Классическая наука базировалась на принципе допущения обратимости времени. При этом само время понималось как ряд действительных чисел, множество интуитивно понимаемых количеств (интервалов времени) -«... время есть число движения». Для ликвидации разрыва с эмпирической реальностью («время внебытийно, бытие вневременно») искусственно были введены так называемые «стрелы вре-

мени». Однако время и его свойства так и не стали объектом познания традиционной науки, а сама проблема времени, ее роли в познании мира, рассматривалась преимущественно в онтологии и истории науки. Физика начала ХХ в. сделала время не ньютоновской независимой субстанцией, а мерой длительности, средств и способов количественной оценки динамических характеристик процессов и состояний - «существуют только длительности конкретных процессов (протяженности)».

Построение новой системы обучения физике, опирающейся на достижения науки второй половины ХХ в., -длительный и чрезвычайно затратный процесс, явно выходящий за рамки отдельного исследования; в нем должны принять участие специалисты многих областей науки - физики, философы, методисты и др. Очевидно, что в основе построения новой системы будет находиться динамический принцип, ставящий в основу всего концепт взаимодействия. В курсе физике должно произойти такое обновление, которое бы основывало преподавание на подлинно научных представлениях, соответствующих релятивистским пространственно-временным и динамическим позициям, современным целям и задачам образования. Преподаватель, опираясь на СТО, которая известна студентам из школьного курса, подчеркивает обусловленность времени динамикой процессов и фундаментальными взаимодействиями. Такое введение позволяет создать предпосылки для дальнейших рассуждений и поисков, когда при изложении физического материала надо учитывать как содержание физики в целом, так и соотношение различных физических теорий, так как ясное понимание физических явлений возника-

ет не сразу, а в процессе смены одних физических теорий другими, более развитыми. Более развитая физическая теория дает методический ключ к менее развитой. Мы предполагаем, что новый подход к обучению позволит преодолеть барьер традиционных представлений. Реализация же последнего возможна через повышение логической строгости и подлинной научности излагаемого материала. То есть при изучении физики в вузе необходимо не вводить дополнительную абстрактную ось - «сложность», а пояснять сложность объекта через описание его темпоральных свойств. При таком подходе первоначальным полноценным элементом теоретического ряда необходимо рассматривать СТО, а именно ее ключевое понятие - понятие «одновременности», а затем повышать сложность объектов через описание возникновения необратимых процессов в различных системах. Измененный отбор, анализ и оптимизация содержания образования в итоге должны привести к состоянию, когда, например:

1. Навсегда исчезнут искусственно «придуманные» Ньютоном бесконечное время и пространство, так как по определению любые протяженности и длительности конечны и опосредованы реальными телами и их взаимодействиями. Следовательно, необходимо отказаться от понятий пространство и время и их математической модели идеализации - «ось времени», и четко заявить: в физике существуют лишь протяженности и длительности конкретных процессов.

2. Будет определена степень актуальности физических величин. Сейчас на первое место (в качестве «физических аксиом») вместо сил и масс (динамических характеристик) поставлены пространство и время, тогда

как очевидно, что они не самостоятельны, а опосредованы.

3. Навсегда исчезнет «ненужный» первый закон Ньютона, или закон инерции, и само понятие инерциаль-ное движение как нереализуемое. Инерции нет места в физике XXI в., поскольку она не измерима и является, по сути, математической конструкцией. Масса же должна пониматься только как величина гравитационного заряда.

4. Второй закон Ньютона станет не законом, а доминирующим динамическим принципом - любая сила есть результат взаимодействия и т.д.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

1. Садовничий В. А. Образование в России: выбор пути // В мире науки. - 2008. - № 3. - С.13-16 [Электронный ресурс]. - URL: http://www.courier-edu.ru/cour0804/5300. htm (дата обращения 05.11.2011).

2. Грабов В. М., Трофимова С. Ю. Элементы динамики неустойчивых состояний и неравновесной термодинамики. - Оренбург: Изд-во ОГПУ, 1998. - 100 с.

3. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейн-мановские лекции по физике [Электронный ресурс]. - URL: http://www.all-fizika. tüu com/article/index.php?id_article=35 (дата обращения 05.11.2011).

4. Киттель Ч., Найт У., Рудерман М и др. Берклеевский курс физики [Электронный ресурс]. - URL: http://e-book.inf.ua/mechanic/ 61-kittel (дата обращения 05.11.2011).

5. Пинский А. А., Яворский Б. М. Основы физики: В 2-х т. - М.: Изд-во Физматлит, 2003.

6. Supervenience. Stanford Encyclopedia of Philosophy. Stanford University. Department of Philosophy [Электронный ресурс]. -URL: http://plato.stanford.edu/entries/superve nience/ (дата обращения 05.11.2011).

7. David Kellogg Lewis [Электронный ресурс]. - URL: http://en.wikipedia.org/wiki/ David_Lewis_(philosopher) (дата обращения 05.11.2011).