Изучение систематического курса физики основной школы направлено на формирование у учащихся теоретического способа мышления, физической картины мира. Под систематическим курсом физики основных общеобразовательных учреждений (основной школы) мы будем понимать такой курс, который содержит системы знаний, входящие в состав фундаментальных физических теорий - механики, термодинамики, молекулярной физики, электродинамики, квантовой физики - и их подсистем. Структурные составляющие физической теории - основание, ядро, следствия, практические приложения - представлены в курсе определенными элементами учебного физического знания. К ним относятся понятия, законы, идеи физической картины мира.

Термин "картина" относится более всего к изобразительному искусству. Как трактует словарь "искусство и наука - два способа освоения человеком мира, взаимосвязанные и взаимодействующие друг с другом. Искусство и наука сближаются тем, что отражают действительность и познают ее, различаются же они по истокам и по своему предмету, по способам отражения мира и по психологическим механизмам, по социальным функциям и законам развития" [1, с. 125.]. Если рассматривать формы познания искусства и науки, то надо отметить, что форма научного познания - абстрактно-логическая, а у искусства - картинно-образная. Термин "картина" действительно заимствован у искусства. Термин "картина мира" используется, прежде всего, в методике физики для образного представления основных концептуальных положений науки - физики.

Так, В.В. Мултановский отмечает, что "под физической картиной мира следует понимать систему фундаментальных идей, понятий и законов физики. К ней относятся: представления о свойствах пространства и времени, понятия об объектах изучения физической науки и исходных составных частях материи, универсальные физические законы, представления об иерархии закономерностей по масштабам явлений, исходные идеи и уравнения физических теорий и соотношения между теориями" [2, с. 7].

Применительно к школьному курсу физики автор предлагает рассматривать физическую картину мира, включающую структурное деление материи, основные физические понятия, взаимодействие и его микромеханизм, законы сохранения, фундаментальные взаимодействия и их проявления в природе, взаимодействия и физические теории [2, с. 146]. Причем, формирование "картины мира" в школьном курсе физики предполагалось лишь в средней школе. В курсе физики основной школы учебные знания были представлены в основном на эмпирическом уровне.

Конструирование систематического курса физики основной школы на основе теоретических обобщений в виде понятий, законов создает благоприятные возможности для ознакомления учащихся с идеями физической картины мира [3, 4]. физика мышление термодинамика

Содержание систематического курса физики отражает физические теории - механику, термодинамику и молекулярную физику, электродинамику, квантовую физику, - в виде систем знаний, образованных теоретическими обобщениями, входящими в эти теории.

Приступая к изучению систематического курса физики в основной школе, учащиеся должны получить представления о многообразии изучаемых физикой объектов, элементах научного знания, его применениях.

Традиционно учебник физики основной школы начинается введением, в котором отражены объекты изучения физики. Авторы учебников физики по - разному конструируют содержание вводной главы. Так, вводный раздел авторского курса физики "Физические методы исследования природы" включает обобщения знаний учащихся, сформированных на пропедевтическом этапе обучения физике, объекты изучения физики, отражение связи физики с другими науками, элементы научного знания - понятия, физические величины, единицы измерения величин, примеры эмпирического закона и системы знаний на примере положений молекулярно-кинетической теории, ознакомление с методами исследования природы [3].

При изучении вводной главы учащиеся знакомятся с объектами изучения физики - веществом и полем. Примером физического поля служит электромагнитное поле, проявления которого известны из повседневной жизни: прием радиопередач, электрическое освещение и др. Необходимо подвести учащихся к тому, что единое электромагнитное поле представляет собой взаимосвязанные колебания электрического и магнитного полей, которые могут распространяться в пространстве в виде волн. С помощью демонстрационного эксперимента можно наблюдать излучение и прием радиоволн.

Ознакомление с физическим законом и физической теорией как системой научных знаний происходит с помощью эксперимента. Например, положения молекулярно-кинетической теории демонстрируются с помощью опытов по моделированию молекул двух разных веществ, их движению, взаимодействию. Утверждается, что физическая теория объединяет в одно целое отдельные законы, утверждения (положения), выводы из них.

В данной главе содержится учебный материал, который раскрывает перед учащимися важнейшие методы исследования природы - эксперимент и моделирование. Особенности этих методов показаны на конкретных примерах.

При изучении вводного раздела учащиеся знакомятся с прямыми измерениями, максимальной абсолютной погрешностью измерения как суммой погрешностей отсчета и инструментальной, а также с относительной погрешностью измерений. Для формирования научного мировоззрения важна идея о том, что при измерении истинное значение величины получить нельзя. Оно находится в определенном интервале значений измеренной величины.

Последующие разделы курса включают материал физических теорий. Содержание раздела "Механика", например, составляют несколько систем научных знаний: классическая механика, элементы статики (на примере простых механизмов), гидро- и аэростатика. Каждая система научных знаний представлена примерно по одинаковой схеме, отражающей структуру физической теории: явления, модели, в том числе фундаментальный идеализированный объект, понятия (физические величины), законы, выводы и практические приложения.

При изучении механики учащиеся знакомятся с общенаучными понятиями пространства и времени, энергии, идеей взаимодействия на примере взаимодействия тел. Основные свойства пространства - протяженность и длительность - усваиваются в различных видах деятельности учащихся, например, при выполнении заданий и решении задач. Рассматривая механическое движение, учащиеся осознают, что оно происходит в пространстве и с течением времени. При изучении физики формируются у учащихся знания о материальности мира: окружающие нас тела и вещества, из которых они состоят, материальны; материей называют все, что реально существует в мире, на Земле и вне Земли; окружающий нас материальный мир существует независимо от нашего сознания.

Формирование знаний о законах движения связано с взаимодействием тел друг с другом, которое приводит к изменению их скоростей. Кроме того, учащиеся узнают, что сила является характеристикой взаимодействия тел. Рассматриваются виды сил: всемирного тяготения, тяжести, упругости, вес тела, сила трения. На конкретных примерах показано, как тело движется под действием этих сил.

Более общей характеристикой взаимодействия тел является потенциальная энергия. Она относится не к одному отдельно взятому телу, а к нескольким взаимодействующим телам или частям одного тела. Само понятие энергии, как общенаучное понятие, начинает формироваться при изучении механики и получает свое дальнейшее развитие в других разделах - термодинамике, молекулярно-кинетической теории идеального газа, электродинамике, физике атомного ядра. Так, первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения для термодинамических систем. Понятие о внутренней энергии вводится с опорой на эксперимент. Учащиеся на опыте убеждаются, что когда система не обменивается энергией с окружающими телами, ее внутреннюю энергию можно увеличить на счет совершения работы внешней силой или уменьшить при совершении работы против внешних сил. Изменение внутренней энергии при теплообмене анализируется также на конкретных примерах теплопроводности, конвекции и излучения, с которыми учащиеся знакомились при изучении курса естествознания. Подчеркивается направленность теплообмена: количество теплоты передается от более нагретых частей системы к менее нагретым.

При изучении молекулярно-кинетической теории идеального газа учащиеся знакомятся со средней кинетической энергией поступательного движения молекул, ее связями с давлением и температурой. Установленная зависимость средней кинетической энергии молекул и температуры показывает, что средняя кинетическая энергия поступательного хаотического движения молекул газа пропорциональна абсолютной температуре.

В разделе электродинамики при изучении свободных электромагнитных колебаний учащиеся узнают, что в колебательном контуре энергия электрического поля конденсатора переходит в энергию магнитного поля и, наоборот. Понятие энергии в физике атомного ядра развивается на примере энергии связи атомного ядра как физической величины, равной работе, которую необходимо затратить, чтобы разделить атомное ядро на отдельные нуклоны и удалить их друг от друга на такое расстояние, на котором их взаимодействием можно пренебречь. Энергия, выделяющаяся в результате деления ядер в ядерном реакторе, используется для образования пара в парогенераторе, соединенном с помощью ряда устройств с генератором, вырабатывающим электрическую энергию.

Преемственность в изучении понятия энергии и других понятий, например, массы, силы отражает связь теорий посредством развития понятий.

Физическая модель материальной точки используется во всех разделах физики. Основные понятия механики - перемещение, скорость, ускорение, - также используются, например, при изучении молекулярно-кинетической теории идеального газа, элементов электронной теории.

В курсе физики основной школы изучается универсальный закон сохранения механической энергии, распространяемый на тепловые и электрические явления. Он относится к числу основных законов природы.

При изучении законов рассматриваются границы их применимости. Так, например, при изучении газовых законов учащиеся узнают, что они справедливы для идеального газа. При давлениях, в сотни раз больших атмосферного, наблюдаются существенные отклонения от этих законов. Изучение электрических зарядов и их взаимодействия связано с законом Кулона, который справедлив для неподвижных точечных зарядов. Точечный заряд - это модель. Она представляет собой заряженное тело, размер которого во много раз меньше расстояния до тела, на которое оно действует.

Рассмотрение форм материи дополняется электромагнитным полем как особой формой материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами. При изучении электродинамики учащиеся знакомятся со структурным элементом материи - элементарным электрическим зарядом, взаимодействием зарядов, сложной структурой атома. Взаимодействие зарядов выражается законом Кулона, где основной характеристикой такого взаимодействия является кулоновская сила. Развитие знаний об электрическом заряде продолжается при изучении последующих тем курса. Так, главная цель при изучении строения атома и элементов классической электронной теории состоит в том, чтобы учащиеся усвоили тот факт, что в природе не существует электрического заряда без частицы, однако частица может и не иметь электрического заряда.

Учащиеся знакомятся с планетарной моделью атома, которая используется при объяснении кристаллического строения металлов. Изучение элементов электронной теории важно для формирования у учащихся научного мышления. Ее положения используются для объяснения главной особенности постоянного тока в металлическом проводнике (при постоянном токе скорость дрейфа свободных электронов не изменяется во времени), явлений электростатической индукции и поляризации диэлектрика. Изучение положений электронной теории направлено на развитие знаний о взаимодействии объектов, связи между теориями, формами движения:

- движение электронов подчиняется законам классической механики;

- электроны друг с другом не взаимодействуют;

- электроны взаимодействуют только с ионами кристаллической решетки, взаимодействие сводится только к соударениям;

- электроны проводимости образуют электронный газ, подобный идеальному газу.

При ознакомлении учащихся с магнитным полем важно показать, что оно создается движущимися зарядами, а взаимодействие, например, проводников с током осуществляется посредством магнитных полей вокруг этих проводников. Магнитное поле оказывает действие на проводник с током и магнитную стрелку. Характеристикой силового действия со стороны магнитного поля является векторная физическая величина - магнитная индукция. Магнитное поле оказывает действие не только на проводник с током, но и на поток заряженных частиц с силой, называемой силой Лоренца.

Для наглядного представления магнитного поля в учебнике использованы линии индукции магнитного поля. С помощью этих линий формируется представление о вихревом характере магнитного поля. Линии индукции магнитного поля замкнуты, что означает отсутствие магнитных зарядов и доказывает вихревой характер поля.

Изменяющееся во времени магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Магнитное и электрическое поля образуют единое электромагнитное поле.

При изучении основ электродинамики учащиеся получают все новые сведения об основных положениях электродинамики, к которым относятся:

- в природе не существует электрического заряда без частицы; носителями заряда являются электроны, протоны и другие частицы;

- существует два вида электрических зарядов: положительные и отрицательные; заряды одинаковых знаков взаимно отталкиваются, а заряды противоположных знаков - притягиваются;

- вокруг электрических зарядов всегда имеется электрическое поле;

- электрическое поле действует на любой заряд - неподвижный и движущийся;

- вокруг движущихся зарядов кроме электрического поля существует и магнитное поле;

- основным свойством магнитного поля является действие только на движущийся электрический заряд;

- вблизи той точки пространства, где изменяется магнитное поле, появляется электрическое поле;

- вблизи той точки пространства, где изменяется электрическое поле, появляется магнитное поле.

Формирование основных положений электродинамики связано с развитием идеи взаимодействия между объектами.

Изучение элементов квантовой физики предполагает ознакомление учащихся с радиоактивными излучениями, протонно-нейтронной моделью ядра, ядерными силами и сильном взаимодействии.

Значение темы "Теория Бора" состоит в том, что она позволяет подвести итог изучения электродинамики и сделать важные методологические выводы о границах применимости на примере электродинамики Максвелла. В данной теме учащиеся знакомятся с постулатами Бора. Оба постулата противоречат классической электродинамике. В развитии модельных представлений показана модель атома водорода по Бору, которая является следствием его постулатов.

Показано учащимся эвристическое значение теории Бора, которое состоит в том, что, когда она не может дать количественного объяснения явлениям внутри атома, теория может быть использована для качественной их интерпретации. Учащиеся знакомятся с такой интерпретацией на примере индуцированного излучения, которое лежит в основе современных средств связи, радиофизики и радиотехники. Как пример практического применения квантовой теории в науке, технике и медицине рассматривается лазер.

Ознакомление учащихся с ядерной физикой как разделом физики, посвященным изучению структуры атомного ядра, процессов радиоактивного распада и механизма ядерных реакций, носит образовательный и мировоззренческий характер. При его изучении у учащихся формируется понимание того, какое широкое и разнообразное применение получили практические приложения ядерной физики - от ядерного оружия и ядерной энергетики до диагностики и терапии в медицине. Необходимо также понимать, что ядерная физика относится к фундаментальным наукам и ее развитие несомненно приведет к еще более глубокому выяснению свойств строения материи и открытию новых законов природы. Включение этого раздела в содержание курса физики основной школы вносит определенный вклад в познание учащимися новых методов исследования природы на примере изучения структуры ядра. Как видно, экспериментальные средства, используемые при этом очень разнообразны и технически сложны. Их основу составляют ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы, служащие мощными источниками нейтронов, детекторы частиц. Фиксирование результатов проводимых экспериментов и их обработка требуют использования ЭВМ совместно с регистрирующей аппаратурой.

Раздел "Физика атомного ядра" содержит материал экологического характера, связанный с радиацией и необходимостью использования атомных электростанций. Его изучение способствует формированию понятия радиоактивности, представлению о свойствах ионизирующего излучения, его биологическом действии, о естественном фоне радиации, мерах предосторожности при работе с радиоактивными веществами.

При изучении систематического курса физики основной школы учащиеся узнают, что разнообразные взаимодействия приводят к двум основным результатам. Во-первых, при взаимодействии меняются энергия, скорость и другие физические величины, характеризующие объекты. Во-вторых, частицы или тела объединяются в новую устойчивую систему. Так, электромагнитные взаимодействия определяют устойчивость атомов, объединяют атомы и молекулы вещества. Гравитационные взаимодействия определяют строение планетарных систем, звезд, галактик и вселенной в целом.

Учащиеся знакомятся с тремя фундаментальными взаимодействиями - гравитационным, электромагнитным и сильным. При этом узнают, что гравитационное взаимодействие универсально, т.е. происходит между любыми материальными объектами.

Электромагнитное взаимодействие происходит между заряженными частицами, поэтому электромагнитные силы не универсальны. Однако сфера их действия необычайно широка. Все виды сил упругости и трения имеют электромагнитную природу. Велика роль электрических сил в ядре атома. В ядерном реакторе и при взрыве атомной бомбы именно эти силы разгоняют осколки ядер и приводят к выделению огромной энергии.

Сильное взаимодействие проявляется на очень малых расстояниях, порядка размера элементарных частиц.

Взаимодействия объектов наблюдаются в различных физических явлениях и в разных пространственных областях. Электромагнитные силы определяют структуру материи и физические процессы в огромной области пространственных масштабов от 10-15 до 105 м. Сильное взаимодействие проявляет себя в микромире, гравитационное - в макромире и мегамире.

Учащиеся знакомятся с физической теорией как составляющей физической картины мира. Они узнают, что каждая физическая теория имеет свою предметную область. На примере электродинамики показано, что физические теории не являются абсолютно точными и имеют определенные границы. Электродинамика Максвелла успешно объясняет явления при электромагнитных излучениях достаточно малых частот. Чем больше частота электромагнитных колебаний, тем отчетливее обнаруживаются квантовые свойства электромагнитного поля.

В заключительной главе к курсу физики в контексте с теоретическим обобщением на уровне физической картины мира формируются знания учащихся о законе сохранения импульса тела. Мировоззренческий аспект понятия импульса проявляется во взаимосвязи с понятиями массы и скорости. Импульс тела отражает связь материи и движения, так как импульс определяется произведением массы (характеристики материального объекта) и скорости (характеристики движения).

Овладение современной культурой неразрывно связано с формированием физической картины мира как части общенаучной его картины. Физическая картина мира входит в диалектико-материалистическое мировоззрение в качестве элемента, обеспечивающего фундамент научного миропонимания. Она представляет собой широкое теоретическое обобщение знаний, сформированных при изучении разных разделов курса физики. Оно имеет практическое значение для ориентации человека в материальном мире, осознания своего места в нем, выработки общего отношения к миру. В процессе формирования теоретического обобщения данного уровня развивается диалектическое мышление учащихся, происходит овладение методами познания природы, которые необходимы для любой целенаправленной деятельности в современном обществе.

Ниже представлена таблица, в которой отражены примеры идей физической картины мира в систематическом курсе физики основной школы.

Литература

1. Эстетика: Словарь / Под общ. ред. А.А. Беляева и др. - М.: Политиздат, 1989. - 447 с.

2. Мултановский В.В. Физические взаимодействия и картина мира в школьном курсе. Пособие для учителей. - М.: Просвещение, 1977. - 168 с.

3. Хижнякова Л.С., Синявина А.А. Физика: Механика. Термодинамика и молекулярная физика: Учеб. для 7-8 кл. общеобразоват. учрежд. - М.: Вита Пресс, 2000. - 256 с.

4. Хижнякова Л.С., Синявина А.А. Физика: Основы электродинамики. Элементы квантовой физики: Учеб. для 9 кл. общеобразоват. учрежд. - М.: Вита Пресс, 2001. - 288 с.

Размещено на Allbest.ru