Анализ школьного учебника физики

Основное значение теории алгебраических категорий состоит в том, что в ней обращается главное внимание на структурное сходство целого семейства однородных теорий. Например, с помощью категории всех групп выявляются наиболее существенные свойства обширного класса разнообразных групп.

Большая часть исследований структуры математических теорий опирается на аксиоматический метод, который используется для характеристики отношений в математической структуре. Аксиоматический метод объединяет казавшиеся не связанными математические теории, выявляет в них общие идеи и принципы, раскрывает единые черты в их строении. С помощью этого метода исследуются лишь результаты существующего, имеющегося знания, и по своему характеру нельзя выявить ни генезиса новых идей, ни движения математической мысли к новым результатам.

1.4 Структура теорий опытных наук

Вопросы, связанные с анализом структуры теорий опытных наук, целесообразно начать с наиболее развитых опытных наук, теории которых обычно формулируются на математическом языке и поэтому могут быть представлены в аксиоматической форме.

Аксиоматический метод построения научных теорий (Евклид, Б. Спиноза, И. Ньютон, К.Гедель).

Изложение теории содержательным путем ведет к тому, что многие ее первоначальные понятия и допущения хотя и подразумеваются, но, как правило, явно не формулируются. Нередко даже ясно не выделяются все основные понятия и утверждения, которые служат в качестве посылок всех дальнейших выводов. Логическая структура теории при таком изложении остается неясной, а само изложение не упорядоченным и не систематичным. Чтобы преодолеть эти недостатки, там, где это возможно, обращаются к помощи аксиоматического метода.

Этот метод точно отграничивает первоначальные, исходные понятия и утверждения теории от производных. Создание аксиоматической системы начинается с выявления первоначальных, основных понятий теории. По мере введения новых понятий их стремятся определить с помощью первоначальных по логическим правилам определений. Важнейшую роль в создании аксиоматической системы играют аксиомы(постулаты) системы - исходные утверждения теории, которые служат посылками для дальнейших выводов и поэтому в рамках, системы принимаются без доказательства.

В античной науке аксиомы не доказывались потому, что считались самоочевидными истинами. Такой взгляд был широко распространен в математике XVII-XVII вв. и до некоторой степени сохранился в современной речи. В науке аксиомы не доказываются не потому, что считаются очевидными, а потому, что их доказательство потребовало бы обращения к другим утверждениям и в конце концов привело бы к регрессу в бесконечность. В любой науке нельзя логически доказать абсолютно все, но это отнюдь не означает, что аксиомы являются самоочевидными истинами. В конечном счете истинность аксиом, как и теории в целом, проверяется практикой.

Чтобы служить посылкой для вывода, аксиома должна быть логически сильнее всех тех следствий, которые можно из нее вывести. Совокупность аксиом теории в целом содержит потенциально все теоремы, которые можно доказать с их помощью. Иными словами, в аксиомах сконцентрировано все существенное содержание теории.

В естественнонаучных теориях в роли аксиом обычно выступают основные законы, или принципы. В отличие от утверждений частного характера или даже эмпирических законов они выражают наиболее существенные, определяющие, инвариантные отношения между изучаемыми явлениями.

В составе аксиоматической теории можно выделить следующие компоненты:

первичные понятия;

аксиомы (постулаты);

определения, с помощью которых вводятся производные понятия;

логические аксиомы и правила вывода, посредством которых выводятся теоремы из аксиом (обычно последние явным образом не указываются, хотя и подразумеваются).

Ясное определение аксиоматической структуры такой опытной науки, как физика, дал в докладе «О методе теоретической физики» А. Эйнштейн. «Полная система теоретической физики, - указывал он, - состоит из понятий, фундаментальных законов, которые должны иметь силу для этих понятий, и следствий, выведенных посредством логической дедукции. Это те следствия, которые должны соответствовать нашему единичному опыту; в любом теоретическом трактате их логический вывод занимает почти все страницы» [11].

Представление любой научной теории в аксиоматической форме требует достаточно глубокого предварительного анализа взаимосвязей между ее понятиями и утверждениями. Обычно это проще осуществить в теориях точного естествознания, выраженных посредством языка математики. Там, где эти связи остаются недостаточно выявленными и осознанными, а обобщения и утверждения теории должным образом неупорядоченными, аксиоматизация оказывается и преждевременной, и бесполезной. Вот почему попытки аксиоматизации целого ряда биологических, психологических и социологических теорий в значительной мере оказываются безуспешными.

Семантический метод в построении научной теории (А. Тарский).

При семантическом подходе стремятся выявить, что обозначают эти формулировки систем предложений теории, какое реальное содержание они выражают. Любая теория может быть сформулирована на любом языке, поэтому точно так же одна и та же теория может быть представлена с помощью разных аксиоматических систем. Исследуя структурные особенности языка, на котором сформулирована теория, можно сделать некоторые выводы об особенностях теории.

Формы выражения теории могут быть разными, но ее содержание остается инвариантным относительно любого ее лингвистического выражения. То, что характеризует это инвариантное содержание, и представляет собой семантическую модель теории. Эта модель интерпретирует те предложения, которые дают истинное описание модели. Само понятие семантической модели впервые возникло в математике, где оно стало использоваться для обозначения интерпретации некоторой формальной, или знаковой, системы. Обычно интерпретация, или модель, такой системы строится из объектов более знакомых и привычных математических теорий.

Логическая роль исходного принципа по отношению ко всей теории определяется тем, что он является отражением субстанционального отношения самого предмета. И эта его логическая объединяющая функция распространяется не только на факты, которые, по видимости, ему противоречат (и инерция, и равенство стоимостей в актах обмена, и квантованность энергии и действия и т. д. - все это в мире фактов, на первый взгляд, отсутствует), но и на понятия и законы и другие принципы теории. Причем исходный принцип является всегда принципом сохранения основного свойства» [18].

Поскольку многие теории естествознания формулируются на математическом языке, понятие семантической модели оказывается весьма полезным инструментом для исследования структуры таких теорий. Семантический анализ, опирающийся на понятия и методы математической теории моделей, дает возможность сравнивать различные формулировки теории. В результате нередко оказывается, что две формулировки, казавшиеся раньше взаимно исключающими друг друга, на самом деле являются эквивалентными выражениями одной и той же теории.

Такие доказательства, даже если в них явно не используются семантические методы, опираются скорее на анализ содержания и смысла теории, чем на анализ формы ее выражения. Как известно, в свое время существовали две различные формулировки квантовой механики: матричный вариант, предложенный В. Гейзенбергом, и волновой вариант, выдвинутый Э. Шредингером. Впоследствии Д. фон Нейман показал эквивалентность этих двух формулировок. С семантической точки зрения это объясняется тем, что обе эти формулировки описывают одну и ту же математическую модель. Вот почему исследование свойств семантической модели теории приобретает весьма важное значение для характеристики структуры самой теории.

Гипотетико-дедуктивный метод построения теории

В большинстве эмпирических наук чаще всего обращаются к гипотетико-дедуктивному методу. Этот метод дает возможность упорядочить гипотезы, эмпирические законы и обобщения хотя и не столь строгим образом, как аксиоматический, но достаточно систематически.

Как правило, применение гипотетико-дедуктивного метода начинается с установления и анализа имеющихся фактов, их простейших индуктивных обобщений и эмпирически найденных законов. Затем пытаются найти такие гипотезы, из которых можно было бы логически вывести остальное знание. Таким образом, гипотезы здесь служат в качестве посылок дедукции, а факты и их обобщения контролируют правильность вывода. Если они действительно вытекают как следствия из гипотезы, то тем самым подтверждается верность гипотезы. Главную трудность в этом процессе составляет не столько логический вывод, сколько поиски наиболее эффективных и по возможности простых гипотез. Гипотетико-дедуктивный метод может быть с успехом использован для проверки системы гипотез и построения отдельных фрагментов теории. Гипотетико-дедуктивный метод, как и аксиоматический, подытоживает определенные результаты познания, которые находят воплощение в научных теориях.

В достаточно развитых опытных науках теории, построенные с помощью гипотетико-дедуктивного метода, представляют собой разветвленную сеть гипотез, связанных отношением логической дедукции. Таким образом, принцип упорядочения различных элементов теории здесь тот же, что и в аксиоматическом методе: основой всех дальнейших рассуждений является логический вывод. Разница состоит только в том, что в последнем случае вывод делается из аксиом, а в первом - из гипотез.

На этом основании нередко гипотетико-дедуктивный метод рассматривают как особую разновидность аксиоматического метода. Существует и противоположное мнение, согласно которому аксиоматический метод считается частным случаем гипотетико-дедуктивного метода. Однако большинство специалистов в области логики и методологии науки склонны считать гипотетико-дедуктивный метод самостоятельным методом исследования, более эффективным для анализа структуры эмпирических наук, чем аксиоматический метод.

Характерная особенность гипотетико-дедуктивных теорий состоит в том, что в них устанавливается строгая последовательность уровней, на которых располагаются соответствующие гипотезы по их общности, глубине и их логической силе. В целом можно сказать: чем выше уровень, на котором находится гипотеза, тем в большей степени она участвует в процессе вывода следствий. И наоборот, чем ниже этот уровень, тем меньше ее роль в дедукции.

Если мы обратимся к теории тяготения Ньютона, то легко обнаружим, что в ней в качестве исходной посылки выступает закон всемирного тяготения, а также другие основные законы механики. Вначале этот закон был гипотезой, правильность которой была установлена посредством логического вывода из нее уже известных законов Кеплера и закона свободного падения Галилея.

В процессе разработки и проверки гипотеза или система гипотез может стать теорией, причем эмпирическая проверяемость гипотез находится в обратном отношении к их логической силе. Чем выше находится гипотеза в такой иерархически организованной системе, тем труднее она поддается проверке. Как правило, о подтверждении подобных гипотез мы можем судить лишь косвенно, в той мере, в какой подтверждаются эмпирически проверяемые гипотезы, которые логически вытекают из гипотез более высокого уровня.

Так, о подтверждении исходной гипотезы всемирного тяготения Ньютон судил прежде всего на основании того, что из нее логически вытекают все известные до этого законы Кеплера, Галилея и Гюйгенса. Экспериментальная проверка ее была предпринята Кавендишем лишь сто лет спустя. В результате многочисленных подтверждений исходные гипотезы рассматриваемых систем стали законами, а сами системы - теориями. Таким образом, гипотетико-дедуктивный метод дает возможность проследить, как в процессе исследования, включающем выдвижение и проверку гипотез, происходит становление теории.

Обращение к гипотетико-дедуктивному методу оказывается особенно плодотворным в тех отраслях научного знания, где преобладают эмпирические обобщения, экспериментальные законы и гипотезы, а общие принципы, объединяющие идеи и теоретические законы, только еще выявляются. Многочисленные новые отрасли знания, в которых существует множество конкурирующих между собой понятий, обобщений и гипотез, также нелегко поддаются систематизации даже с помощью гипотетико-дедуктивного метода. Однако даже здесь (науки о поведении и обучении, эмпирическая социология и психология, многие отрасли биологии и медицины) значительная часть накопленного материала постепенно может быть упорядочена и частично объяснена с помощью отбора и проверки все более общих и глубоких гипотез, т. е. в конечном счете с помощью гипотетико-дедуктивного метода способ систематизации научного знания не является единственно возможным. Не только в опытных науках, но и в математике более предпочтительным нередко оказывается генетический способ построения теории, который раскрывает, каким образом одни математические объекты возникают из других. Такой подход к математическим теориям защищается, в частности, сторонниками конструктивного направления в математике.

В естественнонаучных и социальных теориях, исследующих процессы возникновения и развития явлений природы и общества, генетический подход является доминирующим как при исследовании, так и при изложении его результатов (теории эволюции, антропогенеза, возникновения жизни, планетных и звездных систем, космологические теории в целом, возникновения и развития общественно-экономических формаций, генезиса, языка, сознания и мышления, культуры и т. д.).

Генетический подход к теории дает возможность преодолеть метафизическое противопоставление индукции дедукции в процессе научного исследования и, что особенно важно, понять дедукцию в свете диалектического учения о развитии. Опираясь на генезис возникновения более высокоорганизованных видов в природе, мы можем, как указывает Ф. Энгельс, свести классификацию организмов к дедукции, к учению о происхождении - какой-нибудь вид буквально дедуцируется из другого путем установления его происхождения, - а доказать теорию развития при помощи одной только индукции невозможно, так как она целиком антииндуктивна.

Таксономические методы, опирающиеся на принципы классификации и широко применяемые в биологических, антропологических, лингвистических и других теориях, могут быть правильно поняты только при учете принципа развития. Эти методы также частично раскрывают структуру соответствующих теорий. Во многих случаях весьма полезными оказываются также графические и другие наглядные методы, которые широко используются, например, в геометрической оптике, электротехнике, теоретической физике, не говоря уже о приложениями теории графов ко многим теориям эмпирической социологии и психологии. Все это свидетельствует о том, что ни аксиоматический, ни гипотетико-дедуктивный методы не являются универсальными способами построения и анализа всех без исключения теорий. Целесообразность применения того или иного метода зависит как от задач исследования, так и в особенности от стадии и уровня развития соответствующей научной теории.

Своеобразной клеточкой организации теоретических знаний на каждом из его подуровней является двухслойная конструкция - теоретическая модель и формулируемый относительно нее теоретический закон.

Рассмотрим вначале, как устроены теоретические модели. В качестве их элементов выступают абстрактные объекты (теоретические конструкты), которые находятся в строго определенных связях и отношениях друг с другом. Теоретические законы непосредственно формулируются относительно абстрактных объектов теоретической модели. Они могут быть применены для описания реальных ситуаций опыта лишь в том случае, если модель обоснована в качестве выражения существенных связей действительности, проявляющихся в таких ситуациях.

Например, если изучаются механические колебания тел (маятник, тело на пружине и т.д.), то чтобы выявить закон их движения, вводят представление о материальной точке, которая периодически отклоняется от положения равновесия и вновь возвращается в это положение. Само это представление имеет смысл только тогда, когда зафиксирована система отсчета. А это - второй теоретический конструкт, фигурирующий в теории колебаний. Он соответствует идеализированному представлению физической лаборатории, снабженной часами и линейками. Наконец, для выявления закона колебаний необходим еще один абстрактный объект - квазиупругая сила, которая вводится по признаку: приводить в движение материальную точку, возвращая ее к положению равновесия.

Система перечисленных абстрактных объектов (материальная точка, система отсчета, квазиупругая сила) образуют модель малых колебаний (называемую в физике осциллятором). Исследуя свойства этой модели и выражая отношения образующих ее объектов на языке математики, получают формулу , которая является законом малых колебаний.

Этот закон непосредственно относится к теоретической модели, описывая связи и отношения образующих ее абстрактных объектов. Но поскольку модель может быть обоснована как выражение сущности реальных процессов колебания тел, постольку полученный закон можно применить ко всем подобным ситуациям.

В развитых в теоретическом отношении дисциплинах, применяющих количественные методы исследования (таких, как физика), законы теории формулируются на языке математики. Признаки абстрактных объектов, образующих теоретическую модель, выражаются в форме физических величин, а отношения между этими признаками - в форме связей между величинами, входящими в уравнения. Применяемые в теории математические формализмы получают свою интерпретацию благодаря их связям с теоретическими моделями. Богатство связей и отношений, заложенное в теоретической модели, может быть выявлено посредством движения в математическом аппарате теории. Решая уравнения и анализируя полученные результаты, исследователь как бы развертывает содержание теоретической модели и таким способом получает все новые и новые знания об исследуемой реальности.

Теоретические модели не являются чем-то внешним по отношению к теории. Они входят в ее состав. Их следует отличать от аналоговых моделей, которые служат средством построения теории, ее своеобразными строительными лесами, но целиком не включаются в созданную теорию. Например, аналоговые гидродинамические модели трубок с несжимаемой жидкостью, вихрей в упругой среде и т.д., применявшиеся при построении Максвеллом теории электромагнитного поля, были «строительными лесами», но модели, характеризующие процессы электромагнетизма как взаимосвязи электрических и магнитных полей в точке, зарядов и электрических токов в точке, - были составной частью теории Максвелла. Чтобы подчеркнуть особый статус теоретических моделей, относительно которых формулируются законы и которые обязательно входят в состав теории, назовем их теоретическими схемами. Они действительно являются схемами исследуемых в теории объектов и процессов, выражая их существенные связи.

Соответственно двум выделенным подуровням теоретического знания можно говорить о теоретических схемах в составе фундаментальной теории и в составе частных теорий. В основании развитой теории можно выделить фундаментальную теоретическую схему, которая построена из небольшого набора базисных абстрактных объектов, конструктивно независимых друг от друга, и относительно которой формулируются фундаментальные теоретические законы.

Например, в ньютоновской механике ее основные законы формулируются относительно системы абстрактных объектов: «материальная точка», «сила», «инерциальная пространственно-временная система отсчета». Связи и отношения перечисленных объектов образуют теоретическую модель механического движения, изображающую механические процессы как перемещение материальной точки по континууму точек пространства инерциальной системы отсчета с течением времени и как изменение состояния движения материальной точки под действием силы.

Аналогичным образом в классической электродинамике сущность электромагнитных процессов представлена посредством теоретической модели, которая образована отношениями конструктов «электрическое поле в точке», «магнитное поле в точке» и «ток в точке». Выражением этих отношений являются фундаментальные законы теории электромагнитного поля.

Кроме фундаментальной теоретической схемы и фундаментальных законов в состав развитой теории входят частные теоретические схемы и законы.

В механике это - теоретические схемы и законы колебания, вращения тел, соударения упругих тел, движение тела в поле центральных сил и т.п. В классической электродинамике к слою частных моделей и законов, включенных в состав теории, принадлежат теоретические схемы электростатики и магнитостатики, кулоновского взаимодействия зарядов, магнитного действия тока, электромагнитной индукции, постоянного тока и т.д.

Когда эти частные теоретические схемы включены в состав теории, они подчинены фундаментальной, но по отношению друг к другу могут иметь независимый статус. Образующие их абстрактные объекты специфичны. Они могут быть сконструированы на основе абстрактных объектов фундаментальной теоретической схемы и выступать как их своеобразная модификация. Различию между фундаментальной и частными теоретическими схемами в составе развитой теории соответствует различие между ее фундаментальными законами и их следствиями.

Как уже отмечалось, частные теоретические схемы и связанные с ними уравнения могут предшествовать развитой теории. Более того, когда возникают фундаментальные теории, рядом с ними могут существовать частные теоретические схемы, описывающие эту же область взаимодействия, но с позиций альтернативных представлений.

Так, например, обстояло дело с фарадеевскими моделями электромагнитной и электростатической индукции. Они возникли в период, когда создавался первый вариант развитой теории электричества и магнетизма - электродинамика Ампера. Это была достаточно развитая математизированная теория, которая описывала и объясняла явления электричества и магнетизма с позиций принципа дальнодействия. Что же касается теоретических схем, предложенных Фарадеем, то они базировались на альтернативной идее - близкодействия. Нелишне подчеркнуть, что законы электростатической и электромагнитной индукции были сформулированы Фарадеем в качественном виде, без применения математики. Их математическая формулировка была найдена позднее, когда была создана теория электромагнитного поля. При построении этой теории фарадеевские модели были видоизменены и включены в ее состав.

Это обстоятельство характерно для судеб любых частных теоретических схем, ассимилируемых развитой теорией. Они редко сохраняются в своем первоначальном виде, а чаще всего трансформируются и только благодаря этому становятся компонентом развитой теории.

Итак, строение развитой естественнонаучной теории можно изобразить как сложную, иерархически организованную систему теоретических схем и законов, где теоретические схемы образуют своеобразный внутренний скелет теории.

Функционирование теорий предполагает их применение к объяснению и предсказанию опытных фактов. Чтобы применить к опыту фундаментальные законы развитой теории, из них нужно получить следствия, сопоставимые с результатами опыта. Вывод таких следствий характеризуется как развертывание теории.

2. Анализ построения структуры учебного материала в учебниках естественнонаучного цикла и разработка структуры раздела «Электростатика»

Выше нами были выделены требования структурирования учебного материала на основе восхождения от абстрактного к конкретному. В рамках естественных наук учащиеся, как правило, систематически изучают различные теории. Всякой теории свойственна определенная замкнутость, поэтому, исходя из вышеизложенных рассуждений, возможно их оптимальное структурирование на основе принципа восхождения от абстрактного к конкретному. В этом контексте представляется логичным провести анализ построения учебных курсов согласно выдвинутым требованиям. Для этого мы выбрали курсы по географии, химии и физике.

В настоящее время в преподавании географии выстраивается система развивающего обучения. Это позволяет осуществить более четкую, чем при традиционной системе, структуризацию содержания географии как учебного предмета, системность и целостность его построения. Необходимо понять принципиальное различие построения школьных учебников географии на основе понятийного знания от учебников с опорой на «ключевые слова» (количество которых нередко возрастает от сотни). В связи с этим, одной из центральных задач обновления содержания школьного курса географии является выделение системы теоретических понятий как центрального компонента содержания учебного предмета. Выделение системы теоретических понятий как центрального компонента содержания географического образования позволяет:

реализовать системный подход к построению отдельного учебного курса и школьной географии в целом;

организовать учебную деятельность школьников, направленную на достижение новых знаний в процессе выполнения разнообразных учебных задач;

четко определить планируемый результат обучения в рамках образовательного минимума;

уйти от непомерного, порой механического увеличения содержания изучаемого предмета.

При этом важно отметить, что соблюдение принципа доступности в обучении - непременное условие построения учебного предмета.

Остановимся далее на рассмотрении построения учебного материала в интегрированном учебнике Пинского А.А. и др. «Физика и астрономия». Такой учебник для девятилетней школы, по мнению авторов, создан впервые, и в нем вводятся основные физические и астрономические понятия, без знания которых немыслимо дальнейшее изучение предмета. В самом начале в него помещен весьма обширный по количеству материала вводный раздел «Физика и астрономия - науки о природе». В этом разделе задача учебного курса не ставится перед учащимися, однако в соответствии с обязательным минимумом содержания основного общего образования по физике рассказывается о физических и астрономических методах изучения природы.

Дальнейшее построение рассматриваемого учебника «Физика и астрономия» идеологически в целом схоже с «классическим» учебником А.В. Перышкина и Н.А. Родиной с той лишь разницей, что в рассматриваемом учебнике добавлены астрономические знания. Несмотря на всю свою «интегрированность» учебник «Физика и астрономия» А.А. Пинского и др. традиционен как по сути, так и по содержанию, поэтому ни о каком структурировании на основе принципа восхождения от абстрактного к конкретному в этом случае речь не ведется.

Однако, несмотря на всю вышеизложенную критику, существуют учебные пособия по физике, в которых возможно осуществление структурирования учебного материала на основе принципа восхождения от абстрактного к конкретному. Это учебник «Физика» Подольского А.И. Проанализируем содержание этого учебника с точки зрения сформулированных выше требований структурирования.

Во «Введении» перед учениками ставится ряд задач и вопросов, которые позволяют сформулировать учебную задачу курса физики, которая сводится к проблеме основной задачи механики: «Зная начальное механическое состояние тела и оказываемое на него действие, определить механическое состояние тела в любой другой момент времени». Формирование такой учебной задачи ведет к включению школьников в произвольную образовательную деятельность. Поэтому формирование задачи курса в учебнике А.И. Подольского проводится путем последовательного ответа на такие вопросы: «Зачем нужны физические знания? Что является источниками физических знаний? Как измеряются физические величины?».

Важно отметить, что при разработке курса «Физика» Подольским А.И. найдено генетически исходное понятие курса. В основе всех физических явлений и процессов лежит взаимодействие. Однако, по мнению А.И. Подольского, исходным понятием для физики является «действие». Рассмотрим почему это так, только сначала более подробно остановимся на понятии «взаимодействие». Поэтому в качестве генетически исходного понятия в курсе А.И. Подольского было использовано понятие «действие». Это было сделано по следующим причинам:

тела могут находиться в определенном состоянии, которое может измениться, тогда они окажутся в другом состоянии. Поэтому первая задача - это научиться характеризовать эти состояния;

выясним, почему меняется состояние тела? Потому что на него оказывает действие другое тело. Действие вызывает изменение состояния тела, поэтому разные действия вызывают разные изменения состояния. Поэтому вторая задача - это научиться характеризовать действие;

поэтому логика построения курса была выбрана А.И. Подольским следующая: первая часть курса - изучение величин, с помощью которых характеризуется состояние тела, вторая часть курса - изучение величин, характеризующих действие (сила, давление, работа и энергия), в третьей части полученные знания используются для предсказания нового состояния тела.

Таким образом, содержание курса физики, разработанного Подольским А.И., выполнено в соответствии со структурой цикла процесса познания. И, что особенно важно в контексте нашей работы, в соответствии с выделенными требованиями структурирования учебного материала.

2.1 Раздел «Электростатика»

Раздел «Электростатика» занимает особое место в школьной физической программе. С изучения этого раздела начинается изучение курса «Электродинамика», поэтому в этом случае в преподавании имеется благоприятная возможность выстроить весь курс в дальнейшем на основе принципа восхождения от абстрактного к конкретному. При изучении этого раздела у школьников формируются основы понятийного содержания всего курса электродинамики и логики ее построения. Выше нами сформулированы требования структурирования учебного материала на основе принципа восхождения от абстрактного к конкретному. Покажем их применение в разработке структуры раздела «Электростатика».

В соответствии с этим, согласно первому требованию структурирования, при построении логической структуры учебного материала, в первую очередь, необходимо выделить набор исходных абстракций и понятий. В разделе «Электростатика» можно выделить несколько фундаментальных понятий, которые составят набор исходных абстракций. Это понятия «электрический заряд», «электрическое поле» и «электромагнитное взаимодействие».

Возникает закономерный вопрос: «Какое из понятий - электрический заряд, электрическое поле или электромагнитное взаимодействие - может быть положено в основу курса как генетически исходное?» На наш взгляд, генетически исходным понятием раздела «Электростатика» и всего курса «Электродинамика» должно выступать понятие «электрический заряд». В большинстве учебных пособий отсутствует определение понятия «электрический заряд»! В учебнике Г.Я. Мякишева и Б.Б. Буховцева так и говорится: «… понятие заряд - это основное первичное понятие, которое не сводится на современном уровне развития наших знаний к каким-либо более простым, элементарным понятиям» [24]. С одной стороны авторы этой фразы автоматически «признаются» в том, что понятие «электрический заряд» является генетически исходным для всего курса электродинамики, а с другой стороны о заряде с самого начала говорится как чем-то само собой разумеющемся после демонстрации простейших опытов по электростатике. Обобщения и определения понятия электрический заряд не происходит. Выход для традиционного преподавания в данном случае только один - постепенное овладение понятием «электрический заряд» на уровне мысленно нерасчлененного конкретного знания. Возникает противоречие между преподаванием и тем, что понятие «электрический заряд» определено во многих учебных и научных изданиях.

Обратимся к ряду определений того, что такое «электрический заряд»:

физическая величина, характеризующая свойство тел или частиц вступать в электромагнитные взаимодействия и определяющая значения сил и энергий при таких взаимодействиях, называется электрическим зарядом[18].

заряд - физическая величина, являющаяся источником поля, посредством которого осуществляется взаимодействие частиц, обладающих этой характеристикой (электрический заряд, слабый заряд, цветовой заряд)»[15].

электрический заряд - источник электромагнитного поля, связанный с материальным носителем; внутренняя характеристика элементарной частицы, определяющая ее электромагнитное взаимодействие. Вся совокупность электрических и магнитных явлений есть проявление существования, движения и взаимодействия электрического заряда» [16].

электрический заряд. Свойство частиц материи или тел, характеризующее их взаимосвязь с собственным электромагнитным полем и их взаимодействие с внешним электромагнитным полем; имеет два вида, известные как положительный заряд (заряд протона, позитрона и др.) и отрицательный заряд (заряд электрона и др.); количественно определяется по силовому взаимодействию тел, обладающих электрическими зарядами» [14].

Как следует из этих определений в генетически исходном понятии «электрический заряд» заключены внутренние противоречия, а именно - с одной стороны, заряд характеризует свойства тел или частиц, а другой стороны - заряд может быть определен количественно по силовому взаимодействию тел, обладающих определенными этими свойствами. Раскроем это противоречие более подробно.

Свойство раскрывает сторону предмета, обуславливающую его различие или сходство с другими предметами и проявляющуюся во взаимодействии с ними. Всякое свойство относительно. Измерить свойство нельзя, можно только сравнивать объекты по наличию у них определенных свойств (по типу «мягче-тверже», «холоднее-горячее» и т.п.). Поэтому, если заряд характеризует особое свойство тел или частиц, то можно лишь говорить о наличии или отсутствии заряда у тел. Однако, с другой стороны, заряд может быть определен количественно, что говорит об определенном, числовом значении параметра, которым обладает тело. Вследствие этого в понятии «электрический заряд» существует диалектическое противоречие.

Разрешение этого противоречия возможно путем введения двух понятий, являющихся по сути дела прививочными абстракциями, одно из которых характеризовало бы заряд как особое свойство тел или частиц, а другое способствовало бы характеристике заряда с численной стороны. Эти две прививочные абстракции - «электрическое поле» и «электрическое взаимодействие» непосредственно связаны с генетически исходным понятием «электрический заряд». Электрические заряды наделяют окружающее их пространство особыми физическими свойствами - создают электрическое поле. Основным свойством поля является то, что на находящуюся в этом поле заряженную частицу действует некоторая сила, т.е. взаимодействие электрических зарядов осуществляется посредством создаваемых ими полей.

Проследим теперь генезис структуры раздела в виде структурной схемы:

Рисунок 1 - Генезис структуры раздела в виде структурной схемы

Заключение

Несмотря на то, что анализу были подвергнуты теоретические наработки представителей разных научных школ и материалы передового педагогического опыта, количество рассмотренных работ оказалось ограниченным. Объем анализа без особого труда можно было бы расширить. Но даже в рамках проведенной работы бросаются в глаза следующие обстоятельства:

Большое количество видов учебного знания и их структурных элементов.

Очень многие работы, связанные с проблемой структурирования и систематизации учебного материала так или иначе предполагают его преобразование, переход к структурам, отличающимся от структуры традиционных учебников и учебных пособий. Отход от структуры текстов учебников наблюдается внутри ряда учебников (краткие итоги, обобщающие таблицы) и даже в структурах, ориентированных на отражение принципа систематичности знаний, как одного из главных принципов построения учебников. Цели преобразования учебного материала различны, начиная от инструмента, позволяющего представить материал в более удобном для усвоения виде и кончая самоцелью, реализация которой позволяет решать дополнительные дидактические задачи.

Наиболее часто встречающимися способами оформления систематизированного материала являются структурно-логические схемы, обобщающие таблицы, опорные конспекты, опорные сигналы.

Логические структуры учебного материала, даже разрабатываемые в рамках конкретных учебных дисциплин и методических систем, часто выходят на общедидактический уровень и имеют возможность приложения их в рамках, по крайней мере, цикла учебных дисциплин.

Опыт логического структурирования учебного материала, накопленный в теории и практике обучения, можно отобразить в дидактической модели логической структуры знания о научном явлении, процессе, состоянии объекта. Эта модель не является универсальной, но имея интегративный характер и включая в себя элементы других структур, может быть принята в качестве базовой при обучении студентов педагогического университета конструктивно-проектировочной деятельности.

Интегрированная дидактическая модель логической структуры учебного материала может за счет своей унифицированной формы, сокращения количества элементов знания, подлежащих усвоению, способствовать эффективности формирования предметных и методологических знаний.

Структурно-логические схемы позволяют решить вопросы отбора элементного состава учебного материала, установить последовательность и связь элементов между собой. Вопросы конкретного содержания учебного материала, его объема, жанра, эмоциональной насыщенности, знакового отображения информации могут быть решены через построение «максимального», «минимального» текстов, логических конспектов, систему вопросов.

В логических конспектах зашифрованная с помощью различных знаков информация объединяется в блоки, количество и последовательность которых задана логической структурой учебного материала.

Способом преобразования информации, содержащейся в «максимальном тексте» является перевод информационных сообщений из утвердительной формы в вопросительную и обратно. Последовательность вопросов отражает структуру «максимальных текстов» и соответствует интегральной логической схеме изучения физических явлений.

Список используемой литературы

Бабанский Ю.К. Дидактические проблемы совершенствования учебных комплексов // Проблемы школьного учебника. О конструировании учебника. Вып.8.-М.: Просвещение.

Беликов В.А. Дидактические основы организации учебно-познавательной деятельности школьников: Дисс. ... д-ра пед. наук.- Магнитогорск, 1995.

Бетев В.А. Структурно-логические схемы при решении задач //Физика в школе-1992.

Володарский В.Е. Развитие мышления учащихся в работе с физическими задачами.- Барнаул-Новокузнецк, 1996.

Губанов Б.В. Структура и методика познавательной деятельности учащихся старших классов при усвоении теоретического знания по физике: X-XI классы: Автореф. дисс. канд. пед. наук.- Челябинск, 1994.

Донской Г.М. Некоторые проблемы структуры школьного учебника истории //Проблемы школьного учебника. Вып.3. (Структура учебника). М.:Просвещение, 1975.

Дубенский Ю.П. Исследовательско-конструкторский подход к дидактике физики: Автореф. докт.дисс.-Челябинск.

Зорина Л.Я. О дидактических условиях стабильности учебников естественного цикла //Проблемы школьного учебника. Вып.12 (О специфике учебников математики, физики, астрономии, химии, черчения и трудового обучения).- М.: Просвещение, 1983.

Зорина Л.Я. Дидактические основы формирования системности знаний у старшеклассников (на материале предметов естественно - научного цикла): Дисс. ... д-ра пед. наук.- М., 1979.

Зуев Д.Д. Термины и их определения (Структура современного школьного учебника) // Проблемы школьного учебника. О конструировании учебника. Вып.8.-М.: Просвещение, 1980.

Карякин Н.И., Быстров К.Н., Киреев П.С. Краткий справочник по физике.- М.: Высшая школа, 1962.

Качество знаний учащихся и пути его совершенствования. / И.Я. Лернер, Л.Я. Зорина, Г.И. Батурина и др. / Под ред. М.Н. Скаткина, В.В. Краевского.- М.: Педагогика.

Кондаков Н.И. Логический словарь-справочник. М.:Наука, 1976.

Крутский А.Н. Психодидактика. Теоретические основы психодидактики. Проблемное обучение (На материале физики средней школы): Учеб. пособие.- Барнаул: Издательство БГПУ, 1994.

Крутский А.Н. Системно-структурный подход к усвоению знаний (на материале физики 10 класса) // Психодидактика физики: Учебное пособие.- Барнаул, 1994.

Кузнецов Л.Н., Кузнецова М.Е. Содержание и логическая структура основ молекулярно-кинетической теории в IX классе.

Кухлинг Х. Справочник по физике: Пер. с нем.- М.: Мир, 1982.

Линник М.И. Организация работы с учебником физики (на примере изучения темы “Механические колебания” в Х классе.

Логика научного исследования / Под ред. П.В. Копнина и М.В. Поповича.- М., 1965.

Методика преподавания физики в 8-10 классах средней школы: Ч.1 / Под ред. В.П. Орехова и А.В. Усовой.- М.: Просвещение, 1980.

Мощанский В.Н. Формирование мировоззрения учащихся при изучении физики.- 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Просвещение, 1989.

Низе Г. Маленькая физика. Общедоступное введение в физические основы техники/ Пер. с нем./ Под ред. С.М. Райского.- М.: Физматгиз, 1960.

Сохор А.М. Логическая структура учебного материала. Вопросы дидактического анализа. М.: Педагогика, 1974.

Сохор А.М. Сравнительный анализ учебных текстов (на материале учебников физики) //Проблемы школьного учебника. Вып.3. (Структура учебника). М.:Просвещение, 1975.

Сохор А.М. Учебники и научно-популярная литература // Проблемы школьного учебника. О конструировании учебника. Вып.8.-М.: Просвещение, 1980.

Размещено на Allbest.ru