Ресурсы Архив статей по образованию Методика преподавания и инновации в сфере образования Физика

Учебно-методический комплекс по физике для классов гуманитарного профиля

Этот комплекс создан авторами данной статьи. Его образуют учебник и два пособия: для педагога и учащихся.

Приказ министра образования РФ от 30. 06. 99 г. № 56 «Об утверждении обязательного минимума содержания среднего (полного) общего образования» дал обучению физике в гуманитарных классах нормативную основу. Обязательный минимум для гуманитарных классов отличается от такового базовой школы не только объемом учебной информации, но и качеством последней. Это обстоятельство связано прежде всего с разными целями обучения. В классах и школах гуманитарного профиля она определяется как формирование у школьников физической картины мира, т. е. целостного образа внешнего мира, осознаваемого в виде совокупности наиболее общих, фундаментальных признаков (атрибутов).

Совокупность этих признаков образует своеобразную систему координат, служащую для создания различных учебных программ. Их выбор зависит от ряда причин и представляет самостоятельную задачу. По нашему мнению, при формировании физической картины мира к таким признакам можно отнести: 1) методы познания человеком окружающего мира; 2) «элементы» мира; 3) физические взаимодействия; 4) законы и теории; 5) физические системы; 6) процессы и явления; 7) мир, созданный человеком, картины мира. Они образуют полную систему и взаимно независимы, поэтому мы решили на них построить базис учебной физики для гуманитарных классов, руководствуясь утвержденным минимумом содержания образования.

Программа курса имеет такие особенности: каждый ее элемент может быть соотнесен с определенным атрибутом базиса; вся совокупность ее элементов информации включает обязательный минимум содержания, при этом ее объем, естественно, превышает объем минимума. Курс физики для гуманитарных классов, исходя из вышесказанного, нами построен таким образом, чтобы в процессе его изучения в сознании школьников формировалась современная картина мира как итог длительного исторического развития научных представлений об окружающей природе. Для реализации этой идеи мы предлагаем в Х классе изучать механическую и электродинамическую картины мира (основы классической физики), а в XI классе – современную физическую картину мира, составляющими которой считаются релятивистская и квантово-статистическая картины. Созданная нами программа выглядит следующим образом.

ПРОГРАММА Х класс (68 ч; 2 ч в неделю)

XI класс (68 ч; 2 ч в неделю)

Сравнение предложенной программы с обязательным минимумом содержания образования по физике для гуманитарных классов показывает, что материал минимума полностью включен в программу. Всего в ней содержится 102 элемента учебной информации («вопроса»), которые распределяются по атрибутам базиса следующим образом (см. таблицу).

При учебной нагрузке по физике в старших гуманитарных классах по 2 ч в неделю на изучение одного элемента учебной информации приходится немногим больше 1 ч, что вполне удовлетворительно с точки зрения возможности усвоения учащимися учебного материала.

Как видно из приведенной таблицы, в Х классе наибольшее число элементов учебной информации приходится на атрибут 6 – природные процессы и явления; а в XI – на атрибут 4 – физические законы и теории, что закономерно, так как при изучении современной физической картины мира требуется пересмотр основных представлений классической физики. Анализ содержания программы позволяет установить, что главное внимание в курсе уделяется рассмотрению физических идей, являющихся обобщением экспериментальных данных.

Обязательный минимум содержания образования и составленная программа послужили основой для создания комплекса учебно-методической литературы для школ и классов гуманитарного профиля обучения. Центральное место в этом комплексе занимает учебник. Исходными при его написании были идеи, выдвинутые нами в процессе конкурсной работы над вариантом стандарта. Учебник недавно вышел в свет. Используя его, изучению механической картины мира можно отвести первое полугодие, а электродинамической картине мира – второе полугодие Х класса; релятивистской картине мира – первую четверть XI класса, квантовостатистической картине мира – вторую четверть и второе полугодие этого класса.

ПРИМЕРНОЕ КАЛЕНДАРНОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ ДЛЯ Х КЛАССА

ПРИМЕРНОЕ КАЛЕНДАРНОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ ДЛЯ XI КЛАССА

Преподавание физики в классах гуманитарного профиля предполагает широкое использование демонстрационного эксперимента, обсуждение со школьниками особенностей его постановки и наблюдаемых результатов. Проведение лабораторного эксперимента и решение расчетных задач не предусматриваются. Для проверки усвоения рекомендуются контрольные работы, ответы на качественные вопросы, написание рефератов с последующим анализом их содержания на уроках.

Остановимся на некоторых особенностях изложения учебного материала в рассматриваемом учебнике.

Формирование представления о механической картине мира начинается со знакомства с механическим движением. В результате обсуждения наблюдений и экспериментов выявляется необходимость определения положения одного тела относительно другого. Сделать это удается с помощью системы отсчета, понятие о которой – одно из основных в механике. Из опытов вытекает, что характер движения существенно зависит от выбранной системы отсчета. Для удобства следует выбирать такую систему отсчета, в которой движение можно описать наиболее просто, с точки зрения наблюдателя. Для этого необходимо научиться определять положение движущегося тела относительно тела отсчета в разные моменты времени. Само тело, если его размеры при описании движения можно не учитывать, принимается за материальную точку. Опыт показывает: для задания положения тела необходимо знание трех чисел – пространственных координат, что позволяет ввести для описания расположения тела радиус-вектор. Вслед за этим вводятся понятия: перемещение, средняя и мгновенная скорости, среднее и мгновенное ускорения.

Представление о мгновенной скорости дается исходя из опытного факта, что средняя скорость не меняется при уменьшении промежутка времени (начиная с некоторого его значения).

Экспериментальное изучение перемещения тела позволяет ввести понятия «пространство» и «время», которые считаются фундаментальными в физике. О положении судят по его геометрической модели – вектору, наделенному определенными свойствами и отражающему характер перемещения реального тела. Если линейные и метрические свойства пространства не зависят от положения начала координат в выбранной системе отсчета, то пространство называется однородным; если на эти свойства не влияет поворот осей координат, то пространство называется изотропным.

Понятие времени вводится как совокупность длительностей между событиями. Из эксперимента следует: совокупность длительностей, подобно совокупности радиус-векторов, обладает линейными свойствами и считается одномерной. Если линейные свойства времени не зависят от выбора начала его отсчета, то оно называется однородным. Удобно использовать такую систему отсчета, где пространство однородно и изотропно, а время однородно.

Следующее фундаментальное понятие, рассматриваемое в учебнике, – взаимодействие в механике, т. е. взаимное влияние друг на друга по крайней мере двух тел, результат которого – изменение скорости взаимодействующих тел. Наблюдения показывают, что при взаимодействии изменение скорости тел происходит не сразу и зависит не только от характера взаимодействия, но и от свойств взаимодействующих тел.

Для количественной характеристики инертности тела вводится понятие «инертная масса», пли просто «масса». Произведение массы тела на его скорость называется импульсом тела.

Если изменение состояния тела при взаимодействии зависит от массы тела, то само взаимодействие, по мысли Ньютона, описывает некоторая векторная величина, являющаяся функцией расстояния между взаимодействующими телами и их относительной скорости в некоторый момент времени. Эта физическая величина называется силой.

Усвоение понятий «радиус-вектор», «перемещение», «скорость», «ускорение», «масса», «сила», «импульс тела» достаточно для изучения законов Ньютона – основы динамики.

В учебнике первый закон Ньютона дается в трех редакциях, в том числе как экспериментальный способ определения инерциальной системы отсчета.

Второй закон Ньютона описывает результат взаимодействия тел в инерциальной системе отсчета. Он утверждает, что при взаимодействии изменение импульса тела равно произведению силы на время, за которое это изменение произошло. Подчеркивается, что этот закон справедлив только в том случае, если радиус-вектор и скорость тела можно определять одновременно в процессе эксперимента.

При рассмотрении третьего закона Ньютона обращается внимание на два обстоятельства. Первое: силы при взаимодействии приложены к разным телам и не могут уравновесить друг друга. Второе: закон в неявной форме утверждает, что взаимодействие между телами передается мгновенно от одного тела к другому; отсюда следует: в механике Ньютона признается справедливой концепция дальнодействия.

После законов Ньютона обсуждаются важнейшие мировоззренческие проблемы, относящиеся к современной физике: относительность, причинность, симметрия. В частности, сообщается, что: 1) принцип относительности, обобщая результаты многочисленных экспериментов, устанавливает физическую эквивалентность всех инерциальных систем отсчета; 2) положение и скорость материальной точки в любой момент причинно обусловлены ее начальным положением и скоростью. Дается информация о том, что симметрия пространства и времени в механике связана с законами сохранения. Так, принцип симметрии утверждает, что каждому типу симметрии соответствует своя сохраняющаяся величина; этот принцип – один из ведущих эвристических инструментов современной физики.

Далее в учебнике рассматриваются прикладные вопросы механики, демонстрирующие ее эффективность при описании окружающего мира. К ним относятся: реактивное движение, силы в природе, механические колебания и волны, звук, поведение идеального газа и др. Заключительный параграф в этом разделе посвящен механической картине мира. С точки зрения механики задача научного описания окружающего мира – представление всех тел в виде совокупности отдельных взаимодействующих друг с другом частиц (материальных точек), определение характера их взаимодействия и установление начальных условий.

Раздел «Электродинамическая картина мира» формирует у школьников представление о поле как физическом объекте, существующем в окружающем нас мире наряду с частицами вещества. Знакомство с особенностями поля начинается с изучения свойств света, его природы, обсуждения двух гипотез – волновой и корпускулярной.

Эксперимент, связанный с такими явлениями, как интерференция, дифракция, поляризация света, подтверждает гипотезу о его волновой природе. Дальше мы переходим к изучению электродинамических явлений. В отличие от сложившегося порядка изложения этого раздела в школе, соответствующего исторической последовательности физических открытий, пособие сначала знакомит с явлением возникновения магнитного поля при изменении электрического (т. е. с магнитоэлектрической индукцией) и дает описание демонстрационного эксперимента на школьном оборудовании (отметим, что показ такого явления до сих пор сдерживался отсутствием простого опыта), а затем уже с явлением электромагнитной индукции, открытым М. Фарадеем.

Явления магнитоэлектрической и электромагнитной индукций позволяют перейти к формированию представлений об электромагнитном поле как совокупности переменных во времени и в пространстве электрического и магнитного полей. Эксперименты Г. Герца показали: электромагнитное поле может существовать в виде волн, скорость распространения которых равна скорости света. В дальнейшем было установлено, что электромагнитные волны так же, как и вещество, могут переносить энергию, обладают импульсом и моментом импульса.

После изучения свойств электромагнитных волн различных диапазонов рассматривается строение вещества с точки зрения электронной теории, основа которой – представление о взаимодействии частиц, обладающих электрическим зарядом.

Изучение электромагнитной картины мира завершает курс физики Х класса.

Курс XI класса начинается знакомством с релятивистской картиной мира. Основная задача этого раздела – формирование представлений о свойствах пространства и времени с учетом особенностей взаимодействия реальных физических объектов. Если в механике свойства пространства и времени были связаны только с особенностями движения вещественных тел, то после открытия электромагнитного поля стало ясно, что представления о них должны быть пересмотрены, чтобы учесть свойства этого поля.

Данная идея реализуется в два этапа. Сначала рассматриваются постулаты специальной теории относительности, затем вводятся представления о четырехмерном пространстве – времени. Принципиальные моменты этого раздела: а) распространение принципа относительности на область электродинамических явлений; б) введение постулата о постоянстве скорости света во всех инерциальных системах отсчета; в) знакомство с понятием четырехмерного пространства – времени; г) представления об интервале. Второй из названных шагов позволяет описать физические состояния электромагнитного поля и частиц вещества одинаковым образом на основе использования четырехмерных векторов, сохраняющих свою величину при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую. Сообщается, что релятивистские представления полностью изменили классическую картину мира: физический мир стал определяться взаимодействием вещества и поля, иными словами, представления о пространстве и времени, т. е. то, что казалось неизменным при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую, утратили свое постоянство, и наоборот – появились новые инварианты, не известные классической физике.

Основная задача следующего раздела («Квантовостатистическая картина мира») – знакомство с квантовыми объектами, к которым, в частности, принадлежат микрочастицы и электромагнитное поле. Обращено внимание на следующее: в одних экспериментах эти объекты проявляют корпускулярные свойства, в других – волновые, что, с точки зрения классических представлений, совершенно невозможно. Но если предположить, что корпускулярные и волновые свойства не исключают друг друга, а дополняют, то трудности в описании поведения этих объектов становятся легкопреодолимыми. Идея дополнительности – первая и одна из ведущих этого раздела. Вторая идея – признание вероятностного характера поведения микрообъектов, отказ от механического детерминизма (принципа причинности, применяемого в механике) при описании квантовых явлении и объектов. Вероятностный подход открывает продуктивный путь изучения микромира.

Третья идея раздела – атомизм. Она исходит из представлений мыслителей Древней Греции и получает свое развитие благодаря интенсивному прогрессу современной атомной и ядерной физики, физики высоких энергий.

Изучение микромира идет в учебнике по двум структурным линиям: первая позволяет проследить уровни организации материи от атома «вверх», к большим телам: атом -> молекула -> вещество -> макротело; вторая – от атома «вниз», к частицам: атом -> ядро -> элементарные частицы -> фундаментальные частицы.

Итог такого рассмотрения – представление о так называемой стандартной модели, которую считают основой окружающего мира. В заключительной части курса обращено внимание на три обстоятельства, характеризующие физику как науку, – ее: 1) методологическую функцию, 2) мировоззренческое значение, 3) влияние на культуру.

Из сказанного выше ясно, что наш учебник физики – это не научно-популярная книга, а своеобразный учебный курс, требующий серьезного изучения. Знания, формируемые этим курсом, отличаются от знаний, даваемых другими учебниками, более привычными для всех. Наша «гуманитарная физика» обеспечивает выработку прежде всего общего взгляда на мир, окружающий человека, увязывая его с познавательной потребностью людей. Формирование же общего взгляда невозможно без использования некоторых идей философского, мировоззренческого характера, наглядных, образных представлений; обращение к последним – еще одна особенность нашего курса.

Учебник будет дополнен пособием для учителя и пособием для учащихся, выпускаемыми издательством «Просвещение» соответственно в 2000 и в 2001 гг.

Пособие для учителя будет содержать методические материалы, которые позволят организовать учебный процесс (в том числе описания более 100 физических демонстраций, оформленных в виде рабочей тетради учителя, перечень тем реферативных работ для учащихся и список рекомендуемой литературы). К методическим материалам относятся также: концепция курса физики в классах гуманитарного профиля, обязательные минимумы содержания для основной и средней общеобразовательной школ гуманитарного профиля, требования к уровню подготовки выпускников средней школы, базисная программа и авторская программа по физике, перечень необходимого оборудования, календарный план изучения курса в Х и XI классах, методика преподавания.

В пособие для учащихся войдут качественные задачи, тесты, вопросы, выясняющие степень усвоения учебного материала, темы реферативных работ, рекомендуемая литература.

А.Н.Мансуров, Н.А.Мансуров
г.Москва