§ 8. Элементы физических теорий в курсе начальной физики
1. Физические понятия как элементы научного мышления. При рассмотрении вопроса об эксперименте в курсе физики (§ 7) было указано, что смысл показа физических опытов заключается не столько в применении той или иной физической аппаратуры для воспроизведения явлений, сколько в содержании тех объяснений, какие даёт преподаватель ученикам, показывая опыт.
Несмотря на свой элементарный характер, курс начальной физики не может не содержать некоторых элементов физических теорий.
1) Первым элементом теории при изучении физики является введение научных терминов и определений при объяснениях эксперимента. Обращая внимание на те или иные наблюдаемые явления, обозначая их всегда одними и теми же словами, мы уже имеем дело с элементами научного мышления, с самыми первоначальными элементами физической теории.
2) Обычный язык, особенно разговорный, редко бывает точным; очень часто слова в их смысловом значении употребляются одно взамен другого и не имеют точно определённого содержания. Научный язык, в отличие от разговорного, не допускает такой неясности смысла любого применяемого слова. Так, например, в обыденном языке мы очень часто употребляем слово «вес» с двумя совершенно различными значениями. Иногда под этим словом мы понимаем ту силу, с которой тело притягивается к Земле, а иногда - то свойство самого тела, которое является причиной притяжения. Это свойство в физике определяется термином «масса» тела, которая проявляется не только как тяготеющая, но и как инертная. В обыденном языке понятию о теплоте противопоставляется субъективное понятие о холоде; последнее в науке отсутствует. В физике для степени нагретости тел применяется термин «температура».
Однако, и в науке, по причинам исторического характера, иногда встречается некоторая «спутанность» терминологии. Примером того, как иногда термин изменяет своё значение при развитии науки, может служить значение слова «сила» в таких терминах, как «сила тока», «силы природы». В первом случае слово «сила» соответствует понятию «количество», во втором - имеет энергетический смысл.
О возможном расхождении смысла слова в обыденном и научном языке никогда нельзя забывать при изложении физики. Преподавателю всегда следует проверять, как учащиеся понимают научные термины и, даже более того, - общеупотребительные слова.
3) Определениями научных понятий, с которыми связано твёрдо установленное содержание, могут быть не только отдельные слова, но и целые фразы или предложения. В этом случае очень важно не только понимание учащимися существа дела, но и уменье выразить понятие в грамматически построенном предложении, передающем наблюдаемую на опыте связь между явлениями.
Так, например, когда говорят: «по проводнику проходит электрический ток, то в этой фразе учащиеся должны ясно сознавать, что такое проводник, что означает глагол проходить в отношении электрического тока, что надо подразумевать под словами электрический ток. Эта краткая фраза заключает в себе очень обширное содержание и является также определённым сочетанием научных терминов для выражения связи между фактами, изученными на опыте.
2. О процессе формирования понятий. Процесс формирования понятий у учащихся сложен. Понятие создаётся отнюдь не сразу, а развивается лишь постепенно. Понятие, возникающее у учащегося в своём первоначальном виде, обычно является лишь некоторым приближением к действительному его содержанию и в известной мере суженным или односторонним. Затем по мере увеличения наблюдений над физическими явлениями понятие уточняется, расширяется, и, наконец, только после определённого числа этих наблюдений и некоторого периода мышления в сознании учащихся вскрывается основная сущность понятия.
1) В начальном курсе физики введение понятий и окончательное формирование их производится на основе наблюдений над физическими явлениями, т. е. на основе опытов, для построения научных понятий по физике характерно допущение некоторого упрощения наблюдаемых явлений, иными словами, известная «идеализация». Из многочисленных чувственных впечатлений, возникающих при наблюдении физических явлений и приборов, применяемых для воспроизведения последних, для образования понятия нужны далеко не все, а только некоторые строго определённые черты. Отбор этих основных характерных черт для выявления сущности понятий и представляет из себя упрощение или идеализацию.
Чтобы показать, насколько сложным для учащихся является возникновение у них понятий, приведём такие примеры:
Ученик наблюдает явления, происходящие около проводника, который присоединён к гальванической батарее; из этих наблюдений у него должно образоваться понятие об электрическом токе.
Ясно, что представления, возникшие в сознании ученика в результате этих наблюдений, немногочисленны и недостаточны, чтобы на основании их могло возникнуть сразу понятие об электрическом токе. Это понятие станет формироваться постепенно и сформируется (и, кстати сказать, не в полной, а лишь в известной мере) только после изучения всего курса электричества.
Учащийся наблюдает нагревание различных тел в различных условиях. Он видит, что одни тела при равенстве других условий нагреваются быстрее других. Опыт работы в школе показывает, что необходимо значительное число этих наблюдений, отличающихся разнообразием, чтобы у учащегося могли создаться правильные понятия о количестве теплоты, теплоёмкости и удельной теплоёмкости и установиться ясные представления об отличии этих понятий от температуры. Добиться же правильности этих понятий совершенно необходимо, так как они в связи с понятием температуры должны составить одну систему понятий, позволяющую создать некотороё общее учение о тепловых явлениях, некоторую «теорию» тепловых явлений, объединяющую наблюдаемые факты нагревания различных тел.
2) Рассмотрим опять некоторые примеры с целью раскрыть дальнейшие стадии образования элементов физических теорий. На основании ряда наблюдений, получаемых при опытах, можно определить, что называется электрическим током. Можно сказать: «По проводу течёт электрический ток, если провод нагревается», или «по проводу течёт электрический ток, если магнитная стрелка, помещённая вблизи провода с током, отклоняется от своего первоначального положения». Следовательно, в физике понятия получаются в результате определённых наблюдений над происходящими явлениями. Но это только самая первая стадия физической теории, за которой следуют дальнейшие. Так, понятие о количестве теплоты приобретает в дальнейшем смысл некоторого особого вида энергии; электрический ток рассматривается как движение «электричества». Наконец, может быть ещё более широкое обобщение, которое в теплоте выразится в представлениях о движениях молекул в нагретом теле, а в электрическом токе - в виде представления о движении в проводнике элементарных электрических частиц - электронов.
Так теоретическое представление о явлениях, наблюдаемых при опытах, всё более и более расширяется; однако оно всё же остаётся некоторым «упрощением» действительности, имеющейся в реальном физическом явлении.
Преподавателю следует обратить самое серьёзное внимание прежде всего на твёрдое обоснование основных понятий при помощи непосредственных опытов и восприятий их учащимися и не упускать из вида постепенность образования связей между наблюдаемыми явлениями. Кроме того, необходимо производить проверку, насколько понятия правильно усвоены учащимися.
Нельзя допускать, чтобы ученик при рассуждениях пользовался понятиями, корни или происхождение которых ему не вполне ясны. В случае, если бы преподаватель заметил этот отрыв теории от практики, необходимо повторное обращение к опыту, с новым, в случае надобности, его толкованием.
С другой стороны, нельзя думать, что теоретические представления могут быть «открыты» преподавателем и его учениками самостоятельно на уроках физики только с помощью тех экспериментов, которые показаны в классе или произведены учениками на лабораторных работах. О физических теориях ученик узнаёт из рассказа преподавателя, причём изложение часто может иметь почти догматический характер.
Однако, у ученика должна быть полная уверенность, что если ему и не сообщается всей цепи фактов и умозаключений, которые необходимы для установления определённых Теоретических положений, То это Только оттого, что Такой путь чересчур долог и сложен и что такая цепь положений, исчерпывающе доказанных экспериментом, установлена наукой.
В этом случае догматическое изложение не является вредным и не будет приучать ученика к догматическим приёмам мышления.
Конкретные вопросы Методики введения понятий рассмотрены в методических указаниях к программе (§ 52-111).
3. Физические теория в курсе начальной физики. Мы рассмотрели те элементы физической теории, которые связаны с объяснением эксперимента и введением основных понятий, так как именно эти элементы находят себе значительное применение в начальном курсе физики. Однако, собственно под физической теорией обычно подразумеваются гораздо более отвлечённые и широкие обобщения Экспериментальных фактов.
В начальном курсе физики сравнительно глубокое изучение физических теорий находит себе место только по отношению к понятию энергии. Именно это всеобъемлющее учение современной физики должно быть основой той физической картины мира, к образованию которой учащиеся должны быть подведены в результате прохождения всего курса начальной физики. О том, как это может, быть достигнуто, сказано в методических указаниях по отдельным темам программы (§ 52-111).
Вопрос о введении в, курс начальной физики молекулярнокинетической и электронной теорий, вернее их элементов, нельзя считать окончательно разрешённым. В последние годы программа различно решала этот вопрос для курса семилетней школы. Нам представляется ясным, что включение элементов этих теорий является совершенно необходимым по следующим причинам:
1) Мощное развитие современной науки и техники и их бурный рост в нашей стране социализма требуют от общеобразовательной школы, чтобы учащиеся, оканчивающие её, имели хотя бы - некоторые представления о строении вещества, т. е. располагали понятиями о молекуле, атоме и его главных слагающих частях - ядре и электронах. Разрешение этой задачи возможно совместными усилиями преподавателей физики и химии. Особенно это становится важным «на сегодняшний день», в связи с открытием использования внутриатомной энергии.
2) Введение Элементов молекулярно-кинетической и электронной теорий будет способствовать в некоторых случаях облегчению установления связей между явлениями. Основное же значение - элементов этих теорий заключается в том, что учащиеся в целом ряде случаев получают объяснение физической сущности изучаемых явлений. В качестве примеров достаточно указать явления: сцепления, давления газа, плавления, испарения, кипения и т. п. Кроме того, некоторые понятия, как, например, температура, количество теплоты и пр., получают определения по существу, а не только формальные. Элементы электронной теории значительно упростят введение понятий о заряде, силе тока, сопротивлении и т. п. и свяжут эмпирически установленные факты в определённую систему.
Вопрос о методике введения и использования молекулярно- кинетической и электронной теорий изложен ниже в методических указаниях по темам программы (§ 69, 76 и 88).
