Педагогические  науки/ 2.Проблемы подготовки специалистов.

К.ф.м.н Кузьмичева А.Е., к.ф.м.н. Мымрина Н.В.,

магистрант Штыркина Г.В.

Западно-Казахстанский государственный университет им.М.Утемисова

Эксперимент, модели и теория

в содержании обучения физике и астрономии.

Статья посвящена взаимной связи физического эксперимента, наблюдений и теории и отражению этой связи в методической подготовке учителя физики и астрономии.

Физика – наука экспериментальная. С этого утверждения обычно начинается знакомство с предметом. На основе экспериментальных данных созданы фундаментальные физические теории: классическая механика Ньютона, электродинамика Максвелла-Лоренца и др. Поэтому долгое время в методике обучения физике и астрономии при подготовке учителя отдавалось предпочтение роли эксперимента и наблюдений. Однако, уже теория Максвелла предсказала существование электромагнитных волн, что в то время многим казалось фантастикой. В дальнейшем роль теории возрастала.

Астрономия – наука наблюдательная. В ней используются различные приборы. Но это не эксперимент, так как эксперимент предполагает возможность воспроизведения явления в соответствующих условиях. В астрономии это не возможно. На основе результатов наблюдений строятся теории. Их в астрономии называют моделями[2].

В процессе обучения некоторые сложности возникают в связи с неоднозначным понятием термина «теория». В обычном, первичном смысле теория – это то, что следует за экспериментом или наблюдением. С другой стороны, в современной методике под понятием теория имеется в виду структура, включающая основание, ядро, следствие, интерпретация. При этом эксперимент и наблюдение входят в основание теории термином «экспериментальный базис» [2]. И если мы читаем или говорим слово «теория», то не всегда ясно входит ли эксперимент как составная часть содержания этого понятия или имеется в виду теория как следствие эксперимента.

В настоящее время заметно интегрировались проблемы физики микромира и космологии. Очень интересные современные физические теории и космологические теории–модели могут создать у обучаемых искаженное представление о соотношении роли ядра теории с одной стороны, и эксперимента или наблюдений - с другой. Мы часто с восторгом рассказываем обучаемым о значительных достижениях ученых в познании мира, оставляя в тени оборудование, использование которого привело к этим достижениям. Информация о научных достижениях чаще всего содержит результат наблюдений или эксперимента и вытекающие из них теоретические следствия, не всегда эта информация отражает принципиальную роль используемого оборудования. В связи с этим, на наш взгляд, целесообразно в процес се обучения обратить внимание на паритетную роль экспериментального базиса теории, её законов, постулатов, принципов в развитии науки физики и космологии. Это можно сделать на основе классических примеров и на примерах достижений космологии в последние два десятилетия.

Еще в конце XVIII в П.Лаплас считал, что успех астрономии будет зависеть от точности измерения времени, углов и совершенства оптических инструментов. В настоящий период измерение времени достигло предельной точности, определяемой законами квантовой механики, а радиус зеркал телескопов непрерывно увеличивается. Совершенствование техники изготовления зеркал позволило в XX веке открыть и исследовать мир галактик.

Проблемный вопрос – структура Вселенной. К конкурирующим гипотезам приводило отсутствие (по данным наблюдений) туманностей в светящейся полосе Млечного пути и малое расстояние до туманности Андромеды. Проблема была решена после совершенствования оборудования и методов регистрации: «отсутствующие» туманности обнаружены в инфракрасных лучах. Обнаружение ошибок в определение расстояния до туманности Андромеды позволило «удалить» её за пределы нашей Галактики и считать самостоятельной Галактикой. Величайшие открытия науки астрономии XX века – наша Галактика не единственная во Вселенной, галактики разбегаются, Вселенная расширяется. Эти открытия стали возможны благодаря новым телескопам. Проблема постоянной Хаббла, зависящий от неё результат расчета возраста Вселенной, оказавшийся в противоречии с возрастом Земли, также была разрешена с помощью наблюдений на телескопах нового поколения.

Удивительно утверждение современных ученых о существовании «темной» материи, «темного» вещества, составляющего 90% массы галактик. А привело ученых к этому выводу измерение скоростей вращения дисков галактик на больших расстояниях от центра галактики. И теперь перед учеными стоит проблема исследования природы этой материи. Без понимания этого нельзя строить теорию происхождения галактик.

И еще один важный пример. В последние десятилетия умы всех интересующихся физической картиной мира поражает идея о существовании во Вселенной темной энергии. Темная энергия – это не материя в обычном смысле. Это характеристика самого пространства. Она создает антитяготение. Как возникла это идея? А.Эйнштейн на основе созданной им общей теории тяготения, вводя космологический лямбда-член, построил физико-математическую модель статического мира. Эта модель соответствовала данным наблюдений того времени. А Фридман показал, что уравнения Эйнштейна, допускающие нестационарное решение (без λ-члена), имеют право на существование. По А.Фридману Вселенная не является стационарной. Новая техника наблюдений, усовершенствование телескопов подтвердило расширение Вселенной. Важное значение имело обнаружение реликтового излучения. При этом считалось, что разбегание галактик может только замедляться под действием известных сил тяготения. Принципиальный прогресс в технике наблюдений в последнее 20-летие позволил значительно глубже проникнуть во Вселенную. И результаты наблюдений показали неожиданное – разбегание галактик происходит с ускорением! Какие силы создают ускорение? Отсюда идея об антигравитации. В наблюдаемой Вселенной по современным данным антитяготение преобладает над тяготением.

Известная теория Большого взрыва – теория рождения Вселенной из сингулярности. Современным наблюдательным данным лучше соответствует теория хаотичной или вечной инфляции. Согласно этой теории квантовые флуктуации скалярного поля (темной энергии) происходят в различных частях Мультиленной (наша Вселенная – одна из элементов Мультиленной). Исследования, проводимые на адроном коллайдере, также направлены на познание физической картины мира, начального периода нашей Вселенной. Происхождение и развитие Вселенной исследуется на основе физических законов. От момента 10^-43с известные законы позволяют объяснить наблюдаемое. Процессы, изучаемые современной космологией, лежат далеко за пределами возможности эксперимента и астрономических наблюдений.

Внимание обучаемых следует обращать на опасность наличия в публикующихся материалах подмены знаний и фактов необоснованными гипотезами и современными мифами. Нередко и обучаемые выдвигают свои «гипотезы» мироздания: «а может быть …», «а если …». Обучаемые (студенты, школьники) должны усвоить, что для выдвижения гипотез необходимы глубокие знания предмета. Сравнительно легко найти объяснение одного факта, но это объяснение не должно входить в противоречие с другими фактами. Необходимо объяснение физической картины мира с единых позиций. Современные космологические теории, опирающиеся на ОТО, квантовую физику, физику элементарных частиц теоретические модели должны проверяться на жизненность. Например, современная теория суперструн, даже простое понимание которой возможно только при знании достижений и проблем современной физики, оперирует сверхвысокими энергиями, не достигнутыми на ускорителях. Но даже проверка теории на жизненность не является доказательством её истинности. История физики показывает, что красивая изящная теория может быть правильной.

Авторы [1] подчеркивают, что современная космология стала уважаемой наукой только в результате совершенствования астрономических наблюдений, и одновременного впечатляющего развития физической теории. Значительный прогресс в познании физики космоса играет космическая техника, возможность проведения наблюдений с космических аппаратов. Поэтому содержание обучения учителя физики и астрономии должно отражать не только достижения физической науки, но и особенности приборов, с помощью которых они получены, космических аппаратов, которые выносят эти приборы в глубины Космоса.

Взаимная связь наблюдений, эксперимента и теории отражаются в содержании всех разделов физики и астрономии, изучаемых будущими учителями. Уделяется внимание этому вопросу и в содержании разработанных на кафедре элективных курсов. На достижение целей обучения направлены и содержание СРСП, СРС: подготовка рефератов, проектов, проведений тематических конференций, диспутов, дебатов. Внимание студентов акцентируется на поиск, обработку и презентацию научной информации, как с точки зрения эксперимента, так и теории.

Литература:

1. Астрономия XXI века. Под ред. Сурдин В.Г. Фрязино: Век2, 2007.

2. Теория и методика обучения физики в школе. Общие вопросы. Под ред. Каменецкого С.Е., Пурышева Н.С. М.: АСАДЕМА, 2000.