МЕТОДИКА ВВЕДЕНИЯ ПОНЯТИЯ КВАНТОВОГО СОСТОЯНИЯ

УДК 378.016.02:539.18(574)

МРНТИ 14.35.09

Турсынбаева Д.А.

магистр, старший преподаватель ЖГУ имени И. Жансугурова,

г.Талдыкорган, Казахстан

E-mail:diko26@mail.ru

МЕТОДИКА ВВЕДЕНИЯ ПОНЯТИЯ КВАНТОВОГО СОСТОЯНИЯ

Резюме

В данной статье рассматриваются методологические знания и труды ученых, способствующих формированию системного мышления в физике.Важную роль играет понимание взаимосвязи теории и эксперимента в базисной науке, а также осознание функции учебного эксперимента в современном школьном курсе физики.

Ключевые слова: ядро,молекулярно-кинетической теории, механика, квантовая физика.

Содержание и структура курса физики средней школы определяются прежде всего учебно-воспитательными задачами, стоящими перед школой, но на них оказывает влияние методология и теория познания, указывающие как главные задачи образования, так и генеральные направления их решения. В этой связи значительный интерес представляют современные тенденции изменения содержания и структуры курса. В эпоху научно-технической революции жизненно важное значение приобретает выделение теоретического ядра в курсе, освобождение курса от второстепенных и быстро теряющих актуальность сведений (генерализация знаний), формирование у учащихся творческого подхода к различного рода научно-практическим задачам, выработка таких способов мышления, которые позво­ляли бы не только успешно овладеть предлагаемым школой минимум знаний сейчас, но и ориентироваться в потоке информации в будущем.

Генерализация учебного материала по ведущим физическим теориям. Это позволяет добиваться глубокого и прочного усвоения теорий без перегрузки памяти учащихся множеством частных фактов. В каждом разделе программы выделен основной материал, в частности: в механике - идея относительности движения, законы Ньютона; молекулярной физике - главные положения молекулярно-кинетической теории, основные уравнения теории идеального газа, первый закон термодинамики; электродинамике - учение об электромагнитном поле, электронная теория, законы Кулона и Ампера, явление электромагнитной индукции; квантовой физике - фотонная природа света, постулаты Бора, закон взаимосвязи массы и энергии, а также освещены вопросы его практического применения. [5]

Для усиления обобщений материала в разделах школьного курса физики кардинально важным оказывается соответствие частей теории этапам цикла познания в учебном процессе. В физической теории можно выделить три части: основание, ядро, выводы.

Основа. Теория является обобщением экспериментальных фактов и закономерностей, поэтому созданию теории предшествует длительный исторический период накопления и осмысления материала. Для изложения и изучения теории в основание отбирается лишь ограниченное число тех экспериментальных по­ложений, которые ближе всего подводят к абстракции - обобщению. Это эмпирический базис теории, входящий в основание. Например, из всего множества проявлений законов механики к осно­ванию обычно относят кинематические закономерности движения планет вокруг Солнца (законы Кеплера); эмпирический базис специальной теории относительности составляют опыты Майкельсона, квантовой механики - опыты по дифракции электронов, опыты. Франка и Герца и т. д. К основанию теории относят также исходные физические понятия и величины, необходимые для формулировки законов ядра. Они обычно связаны с моделью мате­риального объекта. Такой моделью в механике, например, служит материальная точка, движущаяся по определенной траектории, действие на расстоянии. Здесь для формулировки законов Ньютона необходимы величины: сила, масса, ускорение.

Ядро. Под ядром теории понимают систему наиболее общих для предметно-материальной области теории законов, выражающихся, как правило, в математической форме (во всех фундаментальных теориях в форме дифференциальных уравнений). Математическая формулировка обычно предваряется или сопровождается словесной - провозглашаются принципы или постулаты теории. Специфика ядра состоит в том, что оно в потенциальной, неразвернутой, т. е. в общей абстрактной, форме содержит в себе всю совокупность проявлений взаимодействия рассматриваемых объектов в виде их свойств и движений. Обращаясь, к примеру механики, видим, что из законов Ньютона в процессе решения конкретных задач вытекают выводы о различных возможных движениях тел, о значениях характеризующих их состояние па­раметров (энергия, момент и др.).

К ядрам относят фундаментальные константы(R,k, с, h и др.), значения которых не определяются теоретически, а измеряются на опыте.

Особое положение в теории занимают законы сохранения характерных для данной теории или общефизических величин. Основные уравнения теории приводят к законам сохранения тех или иных величин. Так, например, из законов Ньютона следуют для замкнутой системы законы сохранения механической энер­гии (если силы консервативны), импульса, момента импульса. Но в настоящее время известно, что законы сохранения энер­гии, импульса, момента импульса (а в микромире еще и четности) являются следствиями свойств симметрии пространства- времени. Поэтому законы сохранения, являясь первыми выводами теории, имеют общий характер, и обычно их относят к ядру.

Выводы. Назначение теории состоит, в конечном счете, в получении из ее ядра конкретных выводов - разнообразных следствий о свойствах и движении конкретных физических объектов. В современной теории это, как правило, математические количественные выводы, приводящие к числовым значениям фи­зических величин и к функциональным зависимостям между ними. Можно заметить, что по мере получения выводов число величин в теории резко возрастает. В механике, например, появляется энергия, работа, момент силы, момент импульса и т. д. Конечно, смысл теоретических обобщений состоит именно в выводах: они применяются на практике, составляют прикладные науки, лежат в основе технических устройств и т. д

Общее требование, предъявляемое к физической теории, четко сформулировано М. Борном: «...Ценность теории тем выше, наше доверие к ней тем больше, чем меньше в ней свободы выбора, чем больше ее логическая принудительность». Сила теории в том и состоит, что из очень небольшого числа ее исходных принципов - уравнений получается неограниченное число конкретных выводов для описываемой ею предметной области. В принципе теория охватывает все физические явления и объекты в своей области, однако практически при любом ее изложении ограничи­ваются тем или иным их кругом, определяемым целями и задачами изложения теории, ее прикладным предназначением, целями и задачами обучения, наконец.

Рассматривая структуру теории в целом и сопоставляя ее с циклом познания в учебном процессе, замечаем, что основание теории соответствует при ее изучении первому этапу («факты», предметно-материальная деятельность), ядро - второму этапу («модель», выделение исходной абстракции-обобщения), конкретные выводы - третьему этапу («следствия», восхождение от абстрактного к конкретному). После этого цикл завершается возвращением к предметно-материальному миру физических объектов в практических применениях теоретических знаний, в экспериментальных иллюстрациях выводов теории.

Итак, обобщение на уровне физической теории развертывается в соответствии с этапами цикла, отличаясь от обобщений на уровне понятия и закона объемом: вокруг ядра теории должны группироваться материалы целого раздела курса. Применение обобщений на уровне теории решило бы вопрос о генерализации знаний. Однако применение обобщений в школьном курсе на уровне фундаментальных теорий встречает ряд трудностей; они состоят в основном в несоответствии математических знаний учащихся применяемому в физических теориях сложному математическому аппарату. Отсюда следует, что для школьного курса физическая теория должна быть специально построена как учебная система знаний, имеющая структуру теоретического обобщения в соответ­ствии с законами познания, решающая элементарными средствами ограниченный, но достаточный круг конкретных задач. При этом основные понятия, идеи, модели материальных объектов и их взаимодействий должны соответствовать современному уровню науки и обеспечивать качественное объяснение широкого круга физических явлений.

Количественная же сторона может быть представлена некоторыми характерными частными случаями.

Образцом в этом отношении может служить школьная механика. Рассматривая частный случай постоянной силы, вместо дифференциального уравнения второго закона Ньютона:

(1)

мы получаем алгебраическое уравнение:

та = F, (2)

открывающее возможность найти ускорение движения, а по не­му — кинематическое уравнение движения. При этом сохраняют­ся и раскрываются все основные идеи механики. Благодаря тако­му «счастливому» стечению обстоятельств механика во всех курсах излагается на теоретической основе.

В других разделах школьного курса благоприятных возможностей для изложения теории нет, а ядра, общие для больших разделов, отсутствуют. Однако определенная система методических мер при изучении материала позволяет объединить его теоретически. Эта задача и поставлена в данной главе; для ее решения будем исходить из содержания и структуры фундаментальных теорий, их соотношения со школьным курсом.

В такой генерализации учебного материала сохраняется все то ценное в содержании предмета, что апробировано практикой школы. В обновленных программах речь идет не об исключении материала классической физики и замене его результатами современной физической науки. Это недопустимо по двум причинам: во- первых, потребности нынешнего производства удовлетворяет преимущественно классическая физика; во-вторых, при сопоставлении результатов современной и классической физики возможно глубокое понимание самой науки, внутренней логики и влияния социально-экономических факторов на ее развитие. Благодаря созданию теории относительности и квантовой механики в современной физике определились границы применения классической физики. По заключению И. Е. Тамма, - «законы классической физики являются составной частью более общих законов теории относительности и теории квантов, из которых они вытекают в условиях, когда скорости тел малы по сравнению со скоростью света, а пространственно-временные масштабы явлений и массы тел таковы, что так называемое действие велико по сравнению с квантовой постоянной» [4].

В связи с чем, Н. Бор сформулировал принцип соответствия, который требует, чтобы новая теория в границах применения старой теории давала такие же результаты, как и старая. С учетом данного принципа более предметно раскрылось содержание философского учения о соотношении относительного и абсолютного в истине. Понятно, что с развитием науки будут созданы еще более общие теории и обозначены границы применения теорий современной физики. Но из-за этого предшествующие теории не только не будут утрачивать значения, а, наоборот, в определенных границах применения будут утверждаться с еще большей уверенностью [1].

Из сказанного выше вытекает, что мы должны учитывать трудности, связанные с усвоением целого ряда абстрактных понятий современной физики, непривычных для предметного способа мышления учащихся и не поддающихся конкретно-чувственному изображению, к которому мы часто прибегаем при изучении классической физики. Действительно, учащиеся с затруднением усваивают такие понятия, как одновременное проявление корпускулярных и волновых свойств вещества и поля, дискретный характер изменений физических величин в микромире, замедление времени и уменьшение длины в движущихся системах, специфические особенности элементарных частиц и пр. Но эти трудности в определенной степени свидетельствуют о том, что современная структура урока и используемые методы обучения не обеспечивают нужной мыслительной деятельности учащихся. Поэтому необходимо продолжать поиски путей качественно лучшей организации учебного процесса и более эффективных методов обучения физике, при которых, как мечтал Я.А. Коменский, [1] «Учащие меньше бы учили, а учащиеся больше бы учились», которые обеспечили бы прямую, личную связь между учащимся и хорошим учителем, при которой первый обсуждает идеи, размышляет о разных вещах и беседует о них, [2, с. 15] в которых нашла бы отражение мысль К. И. Щелкина о том, что труднее всего понять, почему многие величины в микромире изменяются лишь вполне определенными порциями, квантами. Понять это, вероятно, вообще нельзя: к квантовой природе микромира можно только привыкнуть [3, с. 4]. Поскольку речь идет о свойствах, присущих природе, то наша задача состоит в том, чтобы изучить их такими, какими они есть, и воспользоваться ими.

Среди методологических знаний, способствующих формированию системного мышления в физике, важную роль играет понимание взаимосвязи теории и эксперимента в базисной науке, а также осознание функции учебного эксперимента в современном школьном курсе физики.

Известно, что в генетическом аспекте эмпирический уровень науки предшествовал теоретическому. В современной развитой науке методы эмпирического уровня могут как предшествовать теоретическому исследованию, так и следовать за ним, доминирующую роль играют фундаментальные теории.

В прошлом слабой стороной физики как учебной дисциплины являлось преимущественное изложение фактического материала без надлежащего внимания к ее методам познания. Речь идет о необходимости более тесного увязывания методики преподавания дисциплины с методологией базисной науки, что имеет существенное значение для формирования творческого мышления учащихся и их активной жизненной позиции.

Объективное усиление роли теории в школьном курсе физики одновременно обусловливает повышенный интерес к эксперименту, поскольку последний способствует пониманию зарождения и развития теории, выступает в качестве метода исследования и средства привития соответствующего умения учащимся, служит иллюстрацией изменения роли отдельных опытов, в частности тех, которые ранее служили основой эмпирических законов, а теперь выступают как следствия теории.

Что касается функции эксперимента, не следует упускать из виду еще два аспекта, а именно:

1) Его результат не должен восприниматься как свидетельство одного опыта или одного наблюдения. Напомним, что для поиска нити накала электрической лампы Эдисон испытал десятки материалов, открытие позитрона потребовало сотни фотосъемок в камере Вильсона и т.п. Это важно, поскольку в школе, для подтверждения какой-либо зависимости обычно ограничиваются одним опытом и тем самым склоняются к ошибочной ориентации, в силу которой первый неудачный результат вызывает отрицательную реакцию и растерянность;

2) На его результат оказывают влияние приборы, если во многих случаях можно такое влияние свести к минимуму и пренебречь им, то в квантовой механике это становится принципиально невозможным. Освещение роли эксперимента в современной физике было бы неполным, если бы в пропедевтических целях оно не предусматривало понимание соотношения неопределенностей Гейзенберга.

Изложенное выше обусловливает проблему формирования системных знаний, т. е. необходимость упорядочения знаний учащихся по компонентам и взаимосвязям, адекватным научной теории, следствием чего формирование представления о методах научного познания на базе только фактического материала затрудняется. Для того чтобы предметные знания усваивались в системе адекватной научной теории, т.е. были системными, заключает Л.Я. Зорина [1, с. 31], необходимо в содержание образования кроме предметных включить также методологические знания.

В заключение следует, что главным резервом в улучшении качества обучения является совершенствование методики проведения занятий. При этом лучшим образом должны коррелировать между собой:

•мотивы учебной деятельности и пробуждение интереса к изучаемому материалу, что достигается в основном гуманитарной направленностью преподавания;

•ясное понимание учителем и учениками поставленных задач и требований к результатам обучения;

•раскрытие содержания урока в соответствии с методологической концепцией, вооружение учащихся методами науки, общим подходом к изучаемому материалу с учетом тенденции развития физики;

•систематизация и обобщение учебного материала, закрепление его путем упражнений и самостоятельной работы с текстом учебника;

•проверка и оценка знаний, а также уровня учебной деятельности учащихся на проведенном уроке.

СПИСOКИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Проклова, В.Ю. Итоговые занятия по физике в основной школе в системе предпрофильной подготовки: Дис. ... канд. пд. наук: 13.00.02. / В.Ю.Проклова. - Чита, 2005. - 266 с.

Пекшиева, И.В. Изучение теоретических моделей атома и атомного ядра в курсе физики основной школы: Дис. ... канд. пед. наук: 13.00.02. / И.В.Пекшиева. - М., 2002. - 122 с.

Tursynbayeva D.A., Yerzhenbek, Сontents and structure of

physical theories in school/ Materials of the XIII International scientific and practical Conference Conduct of modern science -2017, November 30 -December 7, 2017 Pedagogical sciences. : Sheffield. Science and education LTD -108p. ISBN 978-966-8736-05-6

Турсынбаева Д.А. /Кванттық физика ұғымын қалыптастыру/ Хабаршы, ҚазҰПУ, 2018 жыл