14. History of discovering natural science laws

У.Э. МАМБЕТАКУНОВ

ИЗУЧЕНИЕ ИСТОРИИ ОТКРЫТИЯ

ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫХ ЗАКОНОВ

В СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ

Бишкек-2012

- 2 -

ББК 22.3

М-23

Рецензенты: А.Н. Усова – д-р пед. наук, проф., академик Российской академии образования

С.К. Кадышев – канд. физ.-мат.наук, доцент

Т.А. Токтосунов – канд. биол. наук, доцент

Мамбетакунов У.Э.

М-23 Изучение истории открытия естественнонаучных законов в средней школе.

–Б.: КНУ им. Ж.Баласагына, 2012. - 100 с.

ISBN 9967-02-259-0

В книге рассмотрены научно-методические основы изучения истории открытия естественнонаучных законов в средней школе. Раскрыты вопросы реализации принципа историзма в изучении естественных наук. Предназначена преподавателям и учителям физики, студентам и учащимся средней школы.

М1604010000-03 ББК 22.3

ISBN 9967-02-259-0 © У.Э. Мамбетакунов, 20012

Изучение истории открытия естественнонаучных законов в средней школе

- 3 -

ДАЖЕ

ИЗВЕСТНОЕ

ИЗВЕСТНО

НЕМНОГИМ

Аристотель

- 4 -

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………….…………….

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗУЧЕНИЯ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫХ

ЗАКОНОВ В СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ…………………………………………….

§ 1.1. Законы природы и законы науки………………………….………………….

§ 1.2. Роль изучения естественнонаучных законов в формировании у школьников научного мировоззрения…………………………………………………………

§ 1.3. Реализация принципа историзма в изучении естественнонаучных законов……………………………….…………………………………..…………………

ГЛАВА 2. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ЗАКОНОВ…………………..

Закон Архимеда…………………………………………..…………………...

Закон Паскаля……………………….……………………..………………….

Законы Ньютона………………………………………………..……………..

Закон всемирного тяготения…………………………………..……………..

Законы Кеплера……………………………………………….………………

Закон Гука…………………………………………………….……………….

Закон сохранения импульса…………………………………………..………

Закон сохранения и превращения энергии…………………………..………

Газовый закон Бойля-Мариотта…………………………………..………….

Газовый закон Шарля……………………………………………..…………..

Газовый закон Гей-Люссака…………………………………………..……...

Газовый закон Клапейрона-Менделеева……………………………..……...

Закон Кулона………………………………………………………..…………

Законы Ома………………………………………………………...…………..

Закон Ампера………………………………………………………..………...

Закон Джоуля-Ленца………………………………………………..………..

Закон сохранения электрического заряда………………………….……….

Закон электролиза Фарадея………………………………………..…………

Законы отражения и преломления……………………………….………….

Закон фотоэффекта…………………………………………………………..

ГЛАВА 3. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЗАКОНОВ……………….

Закон сохранения массы веществ…………………………………….……..

Закон постоянства состава вещества…………………………………..…….

- 5 -

Закон Авогадро………………………………………………….……………

Периодический закон Д.Менделеева………………………………….…….

ГЛАВА 4. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЗАКОНОВ…………….

Законы Менделя……………………………………………………….……...

БИБЛИОГРАФИЯ…………………………………………………………...………..

- 6 -

ВВЕДЕНИЕ

Пробуждение у учащихся личной заинтересованности в получении знаний в области естественнонаучных дисциплин, причем независимо от того, чем они собираются заниматься в будущем, после окончания школы – главная практическая задача гуманизации и гуманитаризации процесса обучения.

Задачи осуществления гуманизации образования мы видим в формировании свободного, развитого, творчески активного, социально зрелого человека; в реализации принципа историзма; в показе эволюции человеческих знаний о природе, обществе и мышлении; в видении учителем ученика полноправным членом общества со своими определенными целями, способностями и интересами и др.

При использовании материалов данного методического пособия перед читателями пройдут образы многих ученых, внесших заметный вклад в развитие естествознания. Ученых с разными судьбами и интересами. У каждого из них свое достойное место в науке. Но, несмотря на это их всех объединяет стремление познать неизведанное, находить их практическое применение и передать будущему поколению.

Пособие состоит из четырех глав. В первой из них изложены теоретические основы изучения естественнонаучных законов в средней школе, что включает раскрытие понятий закон природы и закон науки, роль изучения естественнонаучных законов в формировании у школьников научного мировоззрения, а также принцип историзма в изучении естественнонаучных законов. Во второй главе рассмотрены истории открытия физических законов. В третьей главе изложены истории открытия химических законов. В последней четвертой главе рассмотрены истории открытия биологических законов.

Надеюсь, что эта работа поможет преподавателям, учителям, студентам и учащимся более подробно ознакомиться с жизнью и творческой деятельностью многих ученых мира, что повышает интерес к науке и научным исследованиям.

- 7 -

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗУЧЕНИЯ

ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫХ ЗАКОНОВ В СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ

§ 1.1. ЗАКОНЫ ПРИРОДЫ И ЗАКОНЫ НАУКИ

Живя в очень динамичном и быстро развивающемся мире, мы наблюдаем, как всё стремительнее развертывается в наши дни научно-техническая революция, вызывающая к жизни необычайные достижения естественных наук и техники. За последнее время огромных успехов достигли физика, математика, химия, биология, возникли новые разделы этих наук, а также такие совершенно новые области знания, как кибернетика, теория информации, бионика и многие другие.

Эти успехи человечества полностью преобразовали условия жизни на нашей планете, выдвинув новые требования к самому человеку, к его навыкам, квалификации, умению ориентироваться в окружающем мире, и в особенности к его мировоззрению.

Благодаря научно-техническому прогрессу существенно изменился характер производственных процессов. Эти процессы все в большей мере автоматизируются.

Современные машины принимают на себя функции, которые до сего времени выполнялись только человеком. В этих условиях все более выдвигаются на первый план функции человека, связанные с его способностями принимать и реализовывать нетривиальные решения, управлять деятельность «умных» машин и направлять эту деятельность, а также создавать новые типы более сложных и совершенных машин. В связи с этим в наши дни предъявляются новые требования к тем, кто заканчивает обучение в средней школе и вступает в трудовую жизнь.

Эти требования многочисленны и многообразны. Однако первое и основное из них состоит в том, что молодой человек, получающий образование в средней школе, независимо от того, посвятит ли он себя практической деятельности или же продолжит учебу в высшей школе, должен обладать не только определенной суммой фактических знаний и умений, но и широким кругозором, научным мировоззрением, пониманием причин и путей развития природных явлений и исторических процессов. Выпускник средней школы должен не только знать, что, где и когда произошло, но и понимать, почему происходят те или иные явления или события и почему они такие, а не иные. Важно, чтобы он умел их объяснять и принимать правильные решения в сложных ситуациях. У выпускника школы должно быть развито мышление человека-творца, а не простого исполнителя.

- 8 -

В развитии такого мышления большая роль принадлежит, конечно, всем школьным предметам. При их изучении формируются способность к творческому мышлению и научное мировоззрение.

Термин «закон» широко употребляется в научной и в обыденной жизни человечества.

Изучением самого понятия закона, не занимается ни одна из тех естественных наук (т.е. ни физика, ни химия, ни биология и т.д.), хотя в их содержания входят многочисленные законы природы [224]. Это задача особой, очень важной, интересной и довольно сложной науки – философии. Закон является одним из наиболее важных, фундаментальных философских понятий.

Первые попытки сформировать представление о закономерном характере мировых процессов, были предприняты философами древнего мира [118,188]. Наряду с общественно-политической практикой, из которой была заимствована идея закона, важным источником понятия закона природы для мыслителей того времени являлся сам объективный материальный мир, окружающая человека природа. Представление о гармоничности

Вселенной, о повторяемости, инвариантности протекающих в ней процессов было почерпнуто ими из непосредственного наблюдения за явлениями действительности. Это нашло свое выражение в ряде умозрительных философских систем, созданных древними мыслителями, в особенности в системах античных философов – Гераклита, Демокрита, Эпикура, Платона, Аристотеля и многих других. Естественно, однако, что попытка этих античных мыслителей сформировать представление о законе природы, определить понятие закона была еще весьма несовершенной. Ведь естествознание в то время только зарождалось и представляло собой ряд отрывочных несистематизированных сведений о природе. Кроме того, античная философия сама еще не до конца отделилась от мифологии и не разработала необходимых для определения закона природы философских понятий.

Только в новое время, в XVII-XVIII вв., понятие закона природы начинает все более глубоко разрабатываться философами и учеными. Это стало возможно благодаря тому, что развитие таких наук, как механика, математика, астрономия, продвинулось достаточно далеко, в результате чего было открыто немало важных законов материального мира.

Опираясь на эти успехи естествознания, мыслители XVII и XVIII вв., отвлекаясь от присущих различным законам специфических различий, стремились выделить из них общие существенные черты, характеризующие всякий закон, закон вообще, безотносительно к специфике, обусловленной принадлежностью закона к той или иной области знания [79].

В истории философской мысли XVII и XVIII вв., особенно большое значение имели идеи выдающихся английских и французских философов-материалистов. Именно в их

- 9 -произведениях и разрабатывалось понятие закона. Особенно важную роль в этом отношении сыграли труды знаменитого французского философа и ученого Р.Декарта (1689-1755), выдающихся французских философов Ш.Монтескье (1689-1755), П.Гольбаха (1632-1677) и ряда других мыслителей. Однако мировоззрение философов-материалистов XVII в. не было последовательным в силу того, что они придерживались механистических и метафизических представлений о природе [224].

Значительный шаг в дальнейшей разработке понятия закона был сделан классиком немецкой философии конца XVIII – начала XIX вв. И.Кантом (1724-1804) и в особенности

Г.Гегелем (1770-1831).

Оригинальное и глубокое истолкование понятия закона пытался дать Гегель, который подошел к его осмыслению с позиций теории развития, диалектики [140]. В своих трудах он характеризует закон как относительно устойчивую сторону явления, как повторяющееся существенное отношение. При этом он подчеркивает, что законы природы, как и законы общественного развития, носят объективный, т.е. независимый от сознания людей, характер.

Так, что же такое законы природы.

Дело в том, что природа, мир, который нас окружает, представляет собой совокупность вещей и явлений, находящихся в сложных и многообразных связях друг с другом. В мире нет ни одной вещи, ни одного явления, которые были бы изолированы от других, не были бы связаны с другими объектами или явлениями. Среди этих многообразных связей есть такие, которые носят случайный, единичный, преходящий характер. Они могут однажды возникнуть и больше не повториться. В силу этого они не являются устойчивыми и не оказывают существенного влияния на ход тех или иных процессов. Например, солнечное затмение может произойти в ясную или же в пасмурную погоду. Характер процессов, при этом происходящих, не изменяется, ибо затмение обусловливается взаимным положением

Солнца, Луны и Земли, а не типом погоды [80].

Наряду с этим в природе имеются и связи иного типа – существенные, определяющие характер тех или иных явлений, их поведение в определенных условиях. Такие связи и носят название объективных законов или законов природы [218].

Объективный закон, таким образом, - это существенная связь явлений (или же сторон одного и того же явления). Объективный закон относится не к отдельному объекту, а к совокупности объектов, составляющих определенный класс, вид, множество, определяя характер их «поведения» (функционирования и развития) [73]. Объективными законами природы называются потому, что они присущи самой природе, самим явлениям действительности и не зависят от воли и сознания людей; люди не могут ни изменить, ни отменить этих законов - закон обращения Земли вокруг Солнца, определяющий смену

- 10 -времен года; закон суточного обращения Земли вокруг своей оси; закон взаимного притяжения материальных тел (закон гравитации); закон взаимодействия электрических зарядов; закон взаимодействия проводов с током и многие другие законы.

Перейдем теперь к рассмотрению понятия закона науки (научного закона). Что такое научный закон и в чем его отличие от объективного закона, закона природы?

Законы науки являются отражением законов природы. Они открываются и формулируются учеными и, следовательно, представляют собой наши знания о законах природы. Эти знания могут быть более или менее глубокими адекватными, т.е. они могут быть воспроизводить и отражать объективные законы (законы природы) более или менее точно и полно. Другими словами, научные законы объективны по своему содержанию и субъективны по своей форме [182].

Возьмем, к примеру, закон всемирного тяготения, открытый Ньютоном и опубликованный им в 1687 году. В окончательном виде формула этого закона для силы, действующей между двумя телами с массой М1 и М2, выглядит так:

R

MM

GF

, где R – расстояние между рассматриваемыми телами, 111067.6 кг мН G

– гравитационная постоянная.

Формула закона Ньютона представляет собой типичный пример научного закона. Она выражает существенную необходимую связь, состоящую в том, что все тела в мире притягиваются друг к другу с силой, которая зависит от самих этих тел и расстояния между ними. В этом и состоит объективное содержание закона. Его субъективная форма – это его словесная или математическая формулировка, выражающая связь между понятиями (сила, масса, расстояние), в которых наше сознание отражает объективные свойства вещей.

Буквально то же можно сказать о любом другом научном законе (законе Бойля-Мариотта, законе Кулона, законе Ома и т.д.).

Работы ученых [188, 140, 218, 73, 182, 150] показывают возможности различных подходов к классификации научных законов. Прежде всего, научные законы естественно рассмотреть с точки зрения степени их общности. По этому признаку их можно разделить на три группы: частные, общие и всеобщие (см. рис. 1).

НАУЧНЫЕ ЗАКОНЫ

ВСЕОБЩИЕ

ЗАКОНЫ

ОБЩИЕ

ЗАКОНЫ

ЧАСТНЫЕ

ЗАКОНЫ

- 11 -

Рис. 1.

Частные научные законы – это такие, сфера действия которых узка и которые потому относятся к какой-либо одной из естественных наук – физике, химии, биологии и т.д. – или же к одному из разделов какой-либо науки (например, закон преломления света в геометрической оптике). Они проявляются и действуют в рамках отдельных областей природных явлений (для механических явлений правомерны законы Ньютона, закон Гука и др.; электрические явления подчиняются закону сохранения электрического заряда, закону

Кулона, Ома и т.д.. Частные законы имеют ограниченную сферу действия – определенные границы применимости, за пределами которых их использование неправомерно (закон

Бойля-Мариотта справедлив лишь при постоянной массе газа, а если она изменяется, то его применение дает ошибочный результат) [150].

Группу общих законов составляют законы, сфера действия которых достаточно широка и которые потому являются предметом не одной, а ряда родственных наук - закон сохранения и превращения энергии, периодический закон химических элементов и т.д.

К всеобщим относятся законы, которые выражают объективные связи, действующие во всех сферах бытия и познания. Они составляют предмет философской науки - законы материалистической диалектики – взаимодействия противоположностей, перехода количественных изменений в качественные, отрицания отрицания и т.д. Мировоззренческое значение этого закона выражается в том, что он учит никакую ступень развития, никакое достижение истории не рассматривать как окончательные и ориентирует на бесконечное творчество [142]

В области физических явлений проявляются, прежде всего, такие противоположности, как притяжение и отталкивание, излучение и поглощение, прерывность и непрерывность, частицы и античастицы. Взаимодействие противоположностей обусловливает само существование движущейся материи в определенных формах и состояниях (единством притяжения и отталкивания обусловлено существование ядер атомов, макротел; распад молекул в электролите и рекомбинация ионов обеспечивает существование электролита со всеми его свойствами и т.д.) [214]

Во взаимодействии тел имеются две противоположные стороны – действие и противодействие. Обе эти стороны неразрывно связаны друг с другом, находятся в единстве:

одного без другого быть не может, и увеличение одной из сил неизбежно ведет к такому же увеличению другой.

- 12 -

Взаимодействие молекул вещества складывается из притяжения и отталкивания, т.е. из двух противоположных сторон, существующих одновременно. Именно наличие обеих сторон, обеспечивает целостность и дискретность вещественных объектов: без притяжения частиц тело не существовало бы как целое, а без отталкивания невозможна была бы дискретная структура.

Рассматривая преобразование жидкости в пар, легко показать, что переходу молекул из жидкости в пар (испарению) всегда сопутствует обратный процесс – переход молекул из пара в жидкость (конденсация). Эти два процесса противоположны друг другу: испарение приводит к уменьшению количества жидкости, а конденсация – к увеличению количества жидкости. Эти две стороны, два процесса не могут существовать друг без друга, они связаны друг с другом, находятся в единстве. Ведь если есть поверхность жидкости, то обязательно будет происходить испарение, а если над жидкостью образуется пар, то неизбежно при хаотическом движении найдутся такие молекулы, которые при определенном направлении скорости вернутся в жидкость. Само состояние динамического равновесия пара и жидкости в замкнутом сосуде обусловлено одновременным существованием этих двух противоположных процессов.

Отрицания отрицания - один из основных законов диалектики. Впервые сформулирован в идеалистической системе Гегеля [223]. Данный закон выражает преемственность, спиралевидность развития, связь нового со старым, своего рода повторяемость на высшей стадии развития некоторых свойств ряда низших стадий, обосновывает прогрессивный характер развития. В диалектике категория отрицания означает превращение одного предмета в другой при одновременном переходе первого на положение подчиненного и преобразованного элемента в составе второго. Это открывает простор для дальнейшего развития и выступает как момент связи с удержанием всего положительного содержания пройденных ступеней.

Отрицание как раз и есть движущее начало всякого развития: разделение на противоположности, их борьба и разрешение, причем на основе приобретенного опыта вновь достигается первоначальный исходный пункт, но на более высокой ступени [219].

Переход количественных изменений в качественные - один из основных законов диалектики, объясняющий, как, каким образом происходит движение и развитие [223]. Этот всеобщий закон развития констатирует, что накопление незаметных, постепенных количественных изменений в определенный для каждого отдельного процесса момент с необходимостью приводит к существенным, коренным, качественным изменениям, к скачкообразному переходу от старого качества к новому. Этот закон имеет место во всех

- 13 -процессах развития природы, общества и мышления. Он важен для понимания диалектической концепции развития и ее отличия от всевозможных метафизических концепций, сводящих движение, развитие к одним количественным изменениям существующего, без уничтожения старого и возникновения нового. Развитие науки в любой области знания - физике, химии, биологии и др., а также всемирно-исторический опыт социальных преобразований последних десятилетий подтверждают и обогащают диалектическую теорию развития как процесса качественных изменений, происходящих в результате изменений количественных. Количественные и качественные изменения взаимосвязаны и обусловливают друг друга: имеет место не только переход количественных изменений в качественные, но и обратный процесс – изменение количественных характеристик в результате изменения качества предметов и явлений.

Категории количества, качества и их взаимопереходы выступают у Гегеля сначала в абстрактной форме в лоне абсолютной идеи и лишь затем в природе. Современная философия рассматривает этот закон не как предпосылку для конструирования мира, а как результат изучения мира, как отображение того, что происходит в реальной действительности. Будучи важнейшим законом объективного мира, этот закон является также и важнейшим принципом познания мира и сознательного практического преобразования его.

Для правильного понимания этого закона необходимо учитывать специфику его проявления в различных процессах. Скачкообразный переход количественных изменений в качественные может быть и кратковременным актом (сжижение газа) и длительным процессом (испарение). Вследствие этого неправильно считать, что действие этого закона ограничено лишь теми случаями, когда скачки происходят в течение коротких промежутков времени.

Очень важно учитывать относительность понятий «количественные различия» и

«качественные различия». Например, агрегатные состояния данного вещества (вода, лед, пар) качественно различны в отношении своей структуры, характера движения и взаимодействия частиц, но в отношении химических свойств они не имеют качественных различий [222].

Качественные различия могут по степени и глубине существенно отличаться друг от друга. Одно дело – различия между неживой природой и живой. Другое дело – различие между частицей и античастицей. Качественно различными могут быть не только разные формы движения, но и явления в пределах одной формы движения материи, и даже стадии одного и того же процесса. При этом не следует качественное изменение объекта понимать, как изменение всех его свойств; ряд свойств может оставаться неизменным, а меняться

- 14 -может даже лишь одно какое-либо существенное свойство. Так, при переходе от упругой деформации к пластической качественно изменяется лишь вид деформации: исчезает одно свойство (упругость) и на первый план выступает другое (пластичность). Все же прочие свойства тела остаются неизменными. Одним из существенных признаков качественного превращения в такого рода процессах является наличие границы меры, которую Ф. Энгельс считал важнейшим признаком скачка. «Почти каждое свойство может иметь не какие угодно значения, а лишь определенные» [170].

Согласно другому подходу к типизации законов различают законы, выражающие связь явлений во времени (смена времен года, причинные связи и т.д.) и законы сосуществования явлений в пространстве, так называемые структурные законы, определяющие способ организации элементов в различных системах (законы кристаллографии, взаимосвязи ядра атома и его электронной оболочки, анатомические законы структур организма, периодический закон химических элементов и др.).

Далее, законы могут быть разделены на динамические, однозначно выражающие связь между данным и последующим состоянием объекта или же связь между состояниями разных объектов, и статические законы, выражающие особенности взаимодействия множества однородных объектов – звезд, макроскопических тел, молекул, атомов, элементарных частиц и т.д. при неизменных условиях. Статистическая закономерность выступает как определенная повторяемость, регулярность в поведении коллектива однородных явлений.

Особенность статистической закономерности состоит в том, что она имеет место лишь тогда, когда единичные явления, образующие данную совокупность, протекают независимо друг от друга и, следовательно, случайно по отношению к совокупности как целому.

В противоположность рассмотренным выше трем подходам к классификации законов в соответствии с характером объектов и условий их существования, который можно назвать онтологическим, возможен также и так называемый гносеологический подход [128], который состоит в различении уровня познания закона, глубины раскрытия в соответствующем научном законе объективных связей природы. С этой точки зрения различают эмпирические и теоретические законы науки [165]. Такое деление законов соответствует различению двух уровней в развитии науки – эмпирического и теоретического, что соответствует движению познания от явления к сущности более глубокой. Эмпирические и теоретические законы могут быть как частными, так и общими, как динамическими, так и статистическими [118].

В заключении отметим, что все научные законы, к какому бы типу они не принадлежали, можно по способу выражения в них объективных связей разделить на законы, формулируемые качественно, и законы, формулируемые количественно.

- 15 -

С помощью качественно формулируемых законов выражается основная тенденция процесса и общий характер связи между явлениями или их сторонами. Эти законы формулируются с помощью средств естественного языка и обычно не поддаются математической формализации, так как не содержат количественно измеримых величин.

Таковы, в частности, закон естественного отбора в биологии, философские законы и др.

Количественно формулируемые законы отражают количественные связи между величинами и поэтому поддаются математической формализации. Таковы, в частности, законы механики, большая часть законов физики, астрономии, законы кибернетики, некоторые законы химии, биологии, социальных наук и др.. Количественно формулируемые законы часто выражаются с помощью функциональной зависимости, в которой изменению одной величины (аргумента) соответствует изменение другой (функции), поведение которой первая определяет.

§ 1.2. РОЛЬ ИЗУЧЕНИЯ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫХ ЗАКОНОВ

В ФОРМИРОВАНИИ У ШКОЛЬНИКОВ НАУЧНОГО МИРОВОЗЗРЕНИЯ

Важным средством формирования личности является овладение им основами научных знаний. Необходимо не только сообщить систему научных знаний, но и вооружить учащихся рядом умений познавательного и практического характера. Поэтому, когда говорим о поисках путей совершенствования процесса обучения, мы должны иметь в виду не только совершенствование методов сообщения новых знаний, но также совершенствование методики формирования у учащихся умений.

Умение – это готовность личности к определенным действиям или операциям в соответствии с поставленной целью, на основе имеющихся знаний и навыков. В учебной деятельности, как правило, ведущая роль принадлежит учебным умениям, помогающие человеку познать объективную реальность, обогатить свой опыт, овладеть средствами воздействия на природу. А.В.Усова предлагает следующее определение учебных умений:

«Умения, формируемые в процессе изучения основ наук и необходимых для успешного их изучения и есть учебные умения» [216].

По характеру учебной деятельности выделяются следующие виды учебных умений:

учебно-организационные, учебно-информационные, учебно-интеллектуальные [81].

Все умения по виду учебной деятельности разделяются на умения, представленные на рисунке 2.

ОСНОВНЫЕ

ВИДЫ

ПОЗНАВАТЕЛЬНЫЕ

ПРАКТИЧЕСКИЕ

- 16 -

Рис. 2.

Как показывает педагогическая практика, первостепенное значение отдается учебно-познавательным умениям, т.е. умениям самостоятельно приобретать знания из различных источников. Это важное условие повышения эффективности обучения.

Также важную роль играет формирование практических умений. В процессе изучения учащимися физики, выполнения фронтальных и лабораторных работ, решения экспериментальных задач и выполнения работ практикумов учащиеся должны овладеть ниже перечисленными умениями: измерять; вычислять; строить и анализировать графики, раскрывающие особенности функциональных зависимостей между физическими величинами, характеризующими какой-либо закон; пользоваться всевозможными лабораторными принадлежностями; собирать электрические цепи и читать их схемы; решать расчетные, графические, логические и экспериментальные задачи; применять при вычислении новые информационные технологии.

Немаловажное значение имеет умение планировать свою деятельность, правильно организовать рабочее место во время учебных занятий или при выполнении лабораторных работ. Вся эта группа составляет организационные умения.

Осуществление самоконтроля тоже требует от учащихся определенных умений, а именно необходимо проводить контроль за выполнением действий и операций при измерениях, вычислениях, проведении лабораторных работ, решении задач и при подготовке домашних заданий.

При решении вычислительных и экспериментальных задач, при проверке достоверности результатов экспериментальных работ учащиеся должны уметь давать оценку полученным значениям величин. В совокупности эти умения выделены в отдельную группу оценочные умения.

- 17 -

При изучении какого-либо раздела курса физики учащиеся впервые узнают ряд законов, которые в дальнейшем им предстоит неоднократно применять. Поэтому большое значение имеет то, чтобы они не только знали внешний вид какого-либо закона, но и понимали бы физический смысл величин входящих в данный закон, область применения этого закона и к тому же умели производить по ним вычисления. Т.е. необходимым умением является умение анализировать законы и применять их при решении задач.

Для решения проблемы формирования у учащихся учебных умений, прежде всего, необходимо определить состав и систему основных учебных умений; требования к уровню сформированности определенного умения к моменту окончания средней школы; этапы формирования; вклад учебных предметов в формирование каждого умения; методику обучения, обеспечивающую успешное формирование и развитие умений у детей до заданного уровня на каждом году обучения; преемственность в их развитии и критерии сформированности умений [216].

Мы считаем, что целесообразно формировать у школьников обобщенные умения изучения законов физики. При этом в основу предлагаемой методики положены теория деятельности, разработанная психологами А.Н.Леонтьевым [71] и С.Л.Рубинштейном [200], учение о типах ориентировки, разработанное психологами П.Я.Гальпериным [106] и

Н.Ф.Талызиной [211], учение о поэтапном формировании естественнонаучных понятий и общеучебных умений, разработанное А.В.Усовой [216].

В теории и практике обучения применяются понятия «общие учебные умения» и

«обобщенные умения». Например, общими для всех учебных дисциплин являются речевые умения, умение читать и писать. Измерительные и вычислительные умения являются общими для дисциплин естественно-математического цикла, а умения наблюдать и ставить опыты – для дисциплин естественного цикла. Как отмечают дидакты Е.Н. Кабанова-Меллер

[130, 131], Э. Мамбетакунов [167], А.В. Усова [216] учебные умения могут быть сформированы до уровня обобщенных при вполне определенных условиях и при использовании соответствующей методики. Обобщенными называются умения, «Обладающие свойствами широкого переноса, которые учащиеся могут использовать при решении большого круга задач не только в рамках одного предмета, но и на уроках по другим предметам» [215]. Важной характеристикой обобщенного умения является свойство широкого переноса, т.е. умение, сформированное при изучении одного конкретного закона, может быть применено при изучении других законов.

Приводим структуру деятельности школьников в совокупности, которые образуют обобщенные умения изучения физических законов. При изучении того или иного закона учащиеся должны ответить на следующие вопросы [166, 173]:

- 18 -

1. Связь между какими явлениями или величинами выражает данный закон?

2. Формулировка закона.

3. Математическое выражение закона.

4. Кем и когда был сформулирован (открыт) закон?

5. Какими опытами подтверждается справедливость закона?

6. Примеры использования закона на практике.

Объем, содержание и удельный вес каждого из выделенных элементов структуры деятельности различны в зависимости от характера и особенностей рассматриваемых законов. Но для успешного их изучения необходимо, чтобы учащиеся провели исследование всех перечисленных сторон физического закона.

В нашей практической деятельности вышеперечисленные структурные элементы деятельности выписывались на плакатах или на карточках. Они служат ориентировочной основой в процессе приобретения учащимися новых знаний о физическом законе и одновременно выполняют роль планов обобщенного характера.

Приведем пример анализа содержания некоторых законов физики по перечисленным планам, реализация которых способствует успешному управлению процессом усвоения, как законов, так и формирования обобщенных умений [166].

Закон Всемирного тяготения

1. Закон Всемирного тяготения устанавливает связь между массами двух тел, расстоянием между ними и силой, с которой они взаимодействуют.

2. Любые два тела притягивают друг друга силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

3. , r mm где m1 и m2 – массы взаимодействующих тел; r – расстояние между ними; G – коэффициент пропорциональности, одинаковый для всех тел в природе, называемый постоянной всемирного тяготения или гравитационной постоянной.

111067,6 кг

4. Открыт английским физиком и математиком Исааком Ньютоном (1643 – 1727)

5. Самыми простейшими опытами можно подтвердить закон Всемирного тяготения, а именно мяч, брошенный вверх, падает на землю. Созревшее яблоко отрывается от яблони и так же падает на землю. Луна обращается вокруг Земли, а Земля вместе с другими планетами обращаются вокруг Солнца.

- 19 -

6. Закон Всемирного тяготения позволяет объяснить движение планет, морские приливы и отливы. На основе этого закона на много лет вперед предсказывают солнечные и лунные затмения, рассчитывают движения космических кораблей.

Закон Кулона

1. Закон Кулона устанавливает связь между величинами электрических зарядов

),( 21 qиq расстоянием между ними и силой, с которой они взаимодействуют.

2. Кулон установил, что сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

3. В математической форме закон Кулона может быть записан следующим образом:

r qq kF где k- коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единицы силы, заряда и длины.

910988.8 Кл

мH k

4. Закон был открыт в 1785 году Кулоном Шарлем Огюстеном (14.06.1735 – 23.07.1806)

– французским физиком, родившимся в Ангулеме.

5. В 1784 году Кулон построил для измерения силы – крутильные весы, где использовал небольшие шарики с известным соотношением зарядов. Если заряженный проводящий шарик, рассуждал он, привести в соприкосновение с точно таким же незаряженным шариком, то имеющийся на первом заряд в силу симметрии распределится поровну между двумя шариками. Это дало возможность получать заряды, составляющие

1 и т.д. от первоначального. При этом если заряд любого из этих тел удвоить, то удвоится и сила; если же удвоить одновременно заряды обоих тел, то сила станет вчетверо больше. Если же расстояние, допустим, удваивается, сила становится вчетверо меньше.

6. Широко применяется в вычислении в электрических цепях. [113]

Закон Гука

1. Закон Гука выражает связь между силой упругости и удлинением тела.

2. Сила упругости, возникающая в теле при упругих деформациях, прямо пропорциональна его удлинению.

3. ,xkF k – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом жесткости, или жесткостью тела; х – удлинение тела (расстояние, на которое изменяется длина тела).

4. Закон был открыт Робертом Гуком (1635 – 1703) – английский ученый.

5. Подвесим пружину одним концом к штативу, а к ней подвесим груз. Он станет падать вертикально вниз под действием силы тяжести и увлечет за собой конец пружины. Пружина

- 20 -деформируется, и появляется сила упругости, направленная вертикально вверх. Когда сила упругости уравновесит силу тяжести, груз после некоторых колебаний остановится.

Удлинение пружины станет равным “x”. Подвесим теперь еще один такой же груз. На пружину теперь будет действовать вдвое большая сила. Она вызовет появление вдвое большей силы упругости, чем в первом случае. При этом удлинение пружины станет равным уже “2x”.

6. Прямую пропорциональную зависимость между силой упругости и удлинением входящую в основу закона Гука используют в динамометрах – приборах для измерения сил.

Силы упругости часто работают в технике и в природе: в часовых механизмах, в амортизаторах на транспорте, в канатах, тросах, в человеческих костях и мышцах и т.д. [110]

Исследование показало, что уровень сформированности обобщенных умений изучения законов физики повышается, когда школьники правильно усваивают логические структуры отдельного раздела или темы курса физики.

Наглядный показ учащимся логических связей между понятиями помогает им прочно усвоить содержание физического закона. Так как всякий закон, как мы неоднократно отмечали, характеризует связь между явлениями или величинами их характеризующих.

Например, законы динамики характеризуют связь между силой, ускорением и массой тела.

Закон сохранения импульса характеризует связь между изменениями импульса тел. В свою очередь импульс тела определяется произведением массы тела на его скорость.

При таком построении изучения законов на уроке обеспечивается наличие необходимых системообразующих связей в системе: учитель – ученик – учебная информация – план деятельности. Такая методика:

мобилизует внимание учащихся;

поощряет учеников, чтобы они могли почувствовать, что обучение идет успешно и повышает их заинтересованность в обучении;

нацеливает школьников на отбор и анализ информации, нужной для усвоения физических законов;

поощряет самостоятельное приобретение знаний согласно этапам усвоения;

готовит учащихся к активной творческой деятельности;

обеспечивает обратную связь на всех этапах обучения школьников;

вырабатывает гибкую систему управления деятельностью учащихся в различных ситуациях.

- 21 -

§ 1.3. РЕАЛИЗАЦИЯ ПРИНЦИПА ИСТОРИЗМА В ИЗУЧЕНИИ

ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫХ ЗАКОНОВ

Проблема определения сущности принципа обучения и конкретной номенклатуры принципов в дидактике является одной из сложных и важных методологических и специально-научных проблем. В логическом смысле принцип есть центральное понятие, представляющее обобщение и распространение какого-либо положения на все явления той области, из которой данный принцип абстрагирован. Другой смысл термина – принцип действия, под которым подразумевается, например, этическая норма. Именно второй смысл по традиции и по существу следует считать адекватным содержанию и задачам педагогической науки. Во-первых, педагогика имеет дело с деятельностью. Она изучает особую область общественной деятельности, нацеленную на подготовку подрастающих поколений к активному участию в жизни общества. Во-вторых, педагогика должна давать, в конечном счете, нормативное знание, предписывать, как нужно строить, осуществлять и совершенствовать обучение и воспитание [143]. Чтобы сформулировать принцип как общую норму педагогической деятельности, нужно обладать многими знаниями. Теоретической основой для выработки норм практической деятельности являются закономерности этой деятельности, фиксирующие инвариантные характеристики, существенные, устойчивые, необходимые связи. Отсюда следует, что основой для разработки принципов обучения являются закономерности обучения.

Принципом обучения называют одно из исходных требований к процессу обучения, вытекающие из закономерностей его эффективной организации. Принципами обучения называют определенную систему исходных, основных дидактических требований к процессу обучения, выполнение которых обеспечивает его необходимую эффективность.[189].

Дидактические принципы – это основные положения, определяющие содержание, организационные формы и методы учебного процесса в соответствии с его общими целями и закономерностями. В принципах обучения выражаются нормативные основы обучения, взятого в его конкретно-историческом виде (М.А.Данилов). Выступая как категории дидактики, принципы обучения характеризуют способы использования законов и закономерностей в соответствии с намеченными целями.[194].

Для выяснения логической основы классификации многочисленных и многоплановых закономерностей обучения И.П.Подласый создал специальную модель. В ней процесс обучения рассматривается как система, компонентами которой являются различные стороны

(аспекты, характеристики) целостного процесса: дидактические (содержательно-

- 22 -процессуальные) закономерности; гносеологические закономерности; психологические закономерности; кибернетические закономерности; социологические закономерности;

организационные закономерности [194].

Анализ учебной и научной литературы по дидактике [82, 107, 109, 156, 172, 174, 175, 190, 195, 197, 212] приводит к заключению, что природа принципов, их номенклатура, содержание и функции не остаются неизменными. Они претерпевают существенные изменения с изменением социально-экономических условий жизни общества, уровня развития науки и технологии. Например, для Я.А.Коменского [139] являлся основным принципом – принцип природосообразности обучения, и все остальные принципы обучения выступали у него в той последовательности, которая согласовывалась с идеей природосообразности. Иначе рассматривал их А.Дистервег [115]. Стремясь раскрыть более конкретно дидактические принципы и правила, он рассматривал их в виде требования к: 1) содержанию обучения; 2) обучающим; 3) обучающимся.

К.Д.Ушинский [217] определил необходимые условия хорошего обучения так:

своевременность, постепенность, органичность, постоянство, твердость усвоения, ясность, самодеятельность учащихся, отсутствие чрезмерной напряженности и чрезмерной легкости, правильность. К дидактическим принципам он относил также: 1) сознательность и активность обучения; 2) наглядность; 3) последовательность; 4) прочность знаний и навыков.

Мы считаем, что в систему принципов необходимо включить принцип историзма в обучении как самостоятельный, так как его нельзя ограничивать научностью, систематичностью и преемственностью. Историзм предполагает формирование и развитие фундаментальных понятий, идей, общих учебных и научных умений, приемов учебной и научной деятельности, выделение определенных этапов в учебном и научном познании.

Одним из условий реализации принципа историзма является осуществление гуманного подхода к изучению процесса возникновения и становления основополагающих физических законов и теорий, также их практических применений.

Как правило, учителя обращаются к истории физики, когда хотят «оживить» урок, сделать его интересным. Чтобы пробудить устойчивый интерес у школьников к физике-науке, надо рассказать о фундаментальных открытиях в физике – о подготовке к ним, механизме научного поиска, причинах побудивших принять ту или иную идею, надо раскрывать эволюцию возникновения и становления основополагающих физических идей, атмосферу творческого процесса. Как отмечает Луи де Бройль: «история наук, может дать нам полезные указания о методе преподавания наук» [112].

- 23 -

Как показывает практика, очень часто интерес к учебному предмету возникает у учащихся в ходе знакомства с жизнью ученых, творящих науку. Здесь уместно вспомнить слова английского физика Дж. Максвелла: «наука нас захватывает только тогда, когда, заинтересовавшись жизнью великих исследователей, мы начинаем следить за историей развития их открытий» [178]. Учащихся, особенно старшеклассников, нередко волнуют вопросы: «Как и почему было совершено то или иное открытие?», «Что привело к изобретению?», «Какие мотивы направляли мысль ученого?», «В чем оригинальность подхода к проблеме?», «Как он развивал свой замысел?», «Каковы судьба ученого и его открытия?» и т.д. И весьма полезно удовлетворить естественную потребность ребят.

Обращение к истории науки, биографиям выдающихся физиков и деятелей техники делает изложение курса физики более интересным и привлекательным, оживляет урок, сам процесс поиска истины с его внутренней логикой, рождает стойкий интерес, что, с одной стороны, безусловно, повышает эффективность уроков, а с другой стороны – дает возможность учащимся почувствовать ход развития физических идей [177, 69].

В.Н.Мощанский и Е.В.Савелова [97]: историзм в преподавании физики – одно из важных средств развития у школьников интереса к науке; историзм в преподавании физики способствует повышению качества знаний учащихся; историзм есть одно из средств формирования научного мировоззрения учащихся в процессе преподавания физики; история науки есть одно из средств нравственного воспитания учащихся.

Они также отмечают следующие формы использования исторического материала в обучении физике: вводные исторические обзоры, выступающие как средства обоснования новых знаний; заключительные исторические обзоры, выступающие как средство систематизации и обобщения знаний; описания истории отдельных открытий, фундаментальных опытов, являющихся средством обоснования знаний; полные биографии ученых и фрагментарные биографические сведения, служащие целям формирования личности ученика; задачи с историческим содержанием.

При изучении какого-либо физического закона необходимо включать в структуру урока исторический материал и придерживаться следующих правил. Вводимый материал должен:

1) быть органически связан с изучаемым законом; 2) соответствовать уровню знаний учащихся; 3) не служить причиной перегрузки занятия; 4) быть коротким и точным.

В школьных учебниках изложение знаний о явлениях и закономерностях в природе подчинено единой логике и выполнено современным научным языком. Безусловно, это облегчает усвоение материала. Однако при таком изложении неизбежно теряется специфика научного творчества отдельных ученых, оказывается в известной мере упущенным и своеобразие развития науки в каждой исторической эпохе. Глубже проникнуть в физическую

- 24 -науку, особенно в те ее стороны, которые связаны с процессом развития знаний о природе поможет хрестоматийный материал [127, 99, 125, 183, 202, 203, 227].

При изучении физических законов школьникам рассказывается об истоках зарождения новых представлений, их совершенствовании в связи общим ходом развития логики физической науки и обосновании опытом. История открытия какого-либо физического закона будет неполной и недостаточно действенной, если учащиеся не узнают о тех поправках и дополнениях, которые привели к современному изложению законов.

Рассмотрим пример изучения курса оптики в XI классе. Все физические теории в оптике связаны с развитием учения о природе света. Как известно, развитие представлений о природе света прошло сложный и далеко не гладкий путь. Но для того чтобы раскрыть перед учащимися логику развития основных идей, достаточно остановиться на нескольких центральных моментах:

1. Возникновение первых теорий света – корпускулярной (И.Ньютон, 1672 – 1674 гг.) и волновой (Х.Гюйгенс, 1678 г.).

2. Опыты Френеля и Араго по дифракции и по интерференции света (1815 – 1818 гг.).

3. Исследование явления поляризации света и доказательство поперечности световых волн (О.Френель, 1815 – 1821 гг.).

4. Установление электромагнитной природы света (А. Эйнштейн, 1905 г.).

5. Дуализм свойств света.

С точки зрения формирования у учащихся физической картины мира, развития их мышления, формирования у них диалектико-материалистического мировоззрения важно, чтобы ученики не просто «знакомились» в соответствующих местах курса с перечисленными выше вопросами, а по-настоящему осмысливали и понимали причины возникновения и крушения (или качественного видоизменения) отдельных идей и теорий. Только тогда для них станет понятна логика развития учения о свете. При такой постановке вопроса учение о природе света становится стержневой идеей курса оптики. При этом отбор конкретного материала – изучаемых оптических явлений – определяется тем, в какой мере эти явления помогают раскрывать главную линию в развитии учения о свете. Конкретные вопросы как бы «нанизываются» на общий идейный стержень.

Педагогический эксперимент показал, что реализацию принципа историзма при изучении физических законов целесообразно проводить в такой последовательности:

I. Сообщается проблема, возникшая перед ученым и идея опыта.

II. Демонстрируется модель исторического опыта.

III. Рассказывается об устройстве приборов, применяемых для демонстрации.

- 25 -

IV. Воспроизводится опыт с последующим качественным и если конструкция модели позволяет количественным анализом наблюдаемого явления.

V. Сообщаются выводы ученого.

VI. Учащиеся знакомятся с поправками и дополнениями к закону, сделанными позднее.

VII. Закон изучается с помощью современного демонстрационного оборудования.

VIII. По возможности проводится более строгое качественное и количественное обоснование.

IX. Демонстрируется соответствующий кинофрагмент.

Например, при изучении закона Кулона учащимся сообщается, что сила взаимодействия электрических зарядов впервые была измерена английским ученым Г.Кавендишем в 1771 году. Однако по ряду причин об этом известно стало позже. Вследствие этого главная заслуга в измерении силы взаимодействия электрически заряженных тел принадлежит французскому инженеру Шарль Огюстен Кулону.

Здесь целесообразно сообщить учащимся, что Кавендиш Генри был английским физиком и химиком, член Лондонского королевского общества. Родился в Ницце (Франция).

В 1749-53 годах учился в Кембриджском университете. Исследования проводил в собственной лаборатории. Публиковал только те свои статьи, в достоверности которых был полностью уверен. В связи с этим долгое время его работы по электричеству оставались неизвестными. Так, еще в 1771 году он пришел к выводу, что силы электрического взаимодействия обратно пропорциональны квадрату расстояния между зарядами, а в 1785 году закон электрического взаимодействия установил Шарль Огюстен Кулон – французский физик и военный инженер, член Парижской Академии наук. Родился в Ангулеме. В 1761 году окончил школу военных инженеров, и все время находился на военной службе [3].

Еще до того, как Кулон заинтересовался электричеством и магнетизмом, Кавендиш провел ряд опытов по изучению зависимости силы, возникающей при закручивании металлической нити вокруг своей оси от угла закручивания. При этом ученый обнаружил, что с помощью «крутильной силы» можно измерять с достаточной степенью точности чрезвычайно малые силы. Именно это обстоятельство привело его к решению измерить электрические и магнитные силы, для чего в 1784 году им были сконструирован специальный чувствительный прибор - крутильные весы (см. рис.6).

- 26 -

Рис. 6.

Затем рассказываем учащимся об устройстве таких весов, а именно что аппарат Кулона представлял собой стеклянный цилиндр с измерительной шкалой по окружности, в крышке цилиндра имелись центральное и боковое отверстия.