Педагогические науки. Проблемы подготовки специалистов

Магистрант Искалиева А.У, к.ф-м.н. Кузьмичева А.Е

Западно – Казахстанский государственный университет им. М. Утемисова, Казахстан

«Физические понятия и величины в содержании обучения и контроля»

Контроль и оценивание – составляющие процесса обучения. Они проводятся на различных этапах обучения, различны по форме и содержанию. Содержание контроля определяется содержанием обучения, которое можно представить, как совокупность отдельных элементов системы. При проведении контроля, необходимо четко представлять, что контролировать, как контролировать и как оценивать. Физика как наука и как предмет изучения опирается на основные понятия. Среди физических понятий выделяют понятия, имеющие количественные характеристики. Такие понятия называются физическими величинами. Без усвоения физических понятий и величин невозможен дальнейший процесс обучения. Поэтому при проведении контроля результатов обучения контролю усвоения физических понятий должно уделяться большое внимание. С этой целью целесообразно студентам дать общие представления по данному вопросу.

Понятие – категория философская. «Понятие – это мысль, отражающая в обобщенной форме предметы и явления действительности и связи между ними, посредством фиксации общих и специфических признаков, в качестве которых выступают свойства предметов и явлений и отношения между ними». [1]

«Понятие – это форма мышления, отражающая существенные свойства, связи и отношения предметов и явлений. Основная логическая функция понятия – выделение общего, которое достигается посредством отвлечения от всех особенностей отдельных предметов данного класса». [2] Например: понятие электроемкость не зависит от формы, размера конденсатора, а является общей характеристикой любого конденсатора.

В процессе познания объекта применяются такие умственные действия как абстракция, идеализация, обобщение, сравнение, определение. В результате достигается обобщенная характеристика объекта, выраженная в понятии. Отдельные понятия и системы понятий отражают действительность. В понятии могут быть отражены такие свойства предмета или явления, которые можно представить в виде наглядного образа и свойства, которые наглядно нельзя представить. Понятия, не являются застывшими, «неподвижными» в них отражается процесс углубления наших знаний о действительности. Примером наглядных понятий в физике могут быть: электрический ток, планетарная модель атома; невозможно представить наглядно: температуру, энтропию, энергию и другие. Примером подвижности понятия, его развития в процессе развития науки являются понятия движения, пространства, времени. Под понятием понимают также системы знаний, представляющие отдельные фрагменты научных теорий. Например: классическая механика, специальная теория относительности, молекулярно – кинетическая теория и другие. Такие понятия включают определенную систему знаний, содержащую группу понятий и связи между ними в определенных законах.

Понятие выражается в языковой форме, в виде отдельных слов (атом, электрон, колебания и другие) или словосочетаний (затухающие колебания, абсолютная температура, абсолютно твердое тело, электрический ток, ЭДС и другие). Понятия, являющиеся физическими величинами определяются математическим выражением (скорость, ускорение, электроемкость, индукция магнитного поля и другие). В понятии различают содержание и объем.

Содержание понятия – это совокупность признаков объекта, отраженных в понятии. (Электрический ток – упорядоченное движение заряженных частиц; в содержание этого понятия входят частица, заряд, движение, порядок).

Объем понятия – это множество предметов, каждому из которых принадлежат признаки, относящиеся к содержанию понятия (Фермионы - это множества частиц с полуцелым спином и антисимметричной волновой функцией (электроны, протоны, нейтроны и другие); изобарный процесс – это множество процессов, каждый из которых протекает при определенном значении постоянного давления, различного для различных процессов данного множества).

Процесс формирования понятий предполагает анализ понятия, его дефиницию и формулировку. В физике при определении понятий используются три основных метода, формирования понятий: математический (основанный на дедукции); эмпирическо – натурфилософский (индуктивный); гуманитарный (индивидуально – аналитический).

Физика, в конечном счете дает картину мира. Одним из структурных элементов ФКМ является физическая теория. «Любое знание по своей природе системно, то есть состоит из определенных элементов, связано с другими элементами знания, способно развиваться и т.д. Наивысшее выражение эта система находит в физической теории. Отличительным признаком физической теории является замкнутость систем понятий, исчерпывающе описывающих определенный круг явлений. Каждая теория имеет специфические исходные понятия, определения, аксиомы, математический аппарат и идеи, связанные с интерпретацией теории. [3]

Физика опирается на достаточно большое количество понятий, которые можно классифицировать по различным признакам. Наиболее общая классификация понятий: первичные и вторичные понятия.

Вторичные понятия, определяются через другие известные понятия. Первичные, потому и первичные, что с них начинается наука. Это самые трудные для обучаемых понятия. Необходимость их введения обосновывается некоторыми свойствами тел, проявляющимися при определенных условиях. Например, гравитация, масса, электрический заряд определяют как некоторое свойство тел, частиц, добавляя условия их проявления.

Множества понятий можно разделить на два таких подмножества.

ü Понятия, не имеющие количественной характеристики (поле, процесс, движение, волна, взаимодействие, траектория, молекула, атом);

ü Понятия, имеющие количественную величину (скорость, давление, плотность, молярная масса и др.).

Рассмотрим некоторые понятия, не имеющие количественной характеристики. К таким понятиям относятся движение, электрический ток, молекула и другие. В особую группу таких понятий можно выделить понятия определяющие различные вещества и системы (диэлектрик, магнетик, диамагнетик, парамагнетик, ферромагнетик, проводник, полупроводник, идеальный и реальный газ, жидкость, твердое тело и т.д), а также физические устройства (вискозиметр, трубка Пито) и приборы (калориметр, колориметр, генератор, амперметр).

В окружающем нас мире явления и процессы тесно взаимосвязаны между собой. В физической науке и в процессе обучения физике широко используется абстрагирование и идеализация. В процессе обучения, во – первых, необходимо, чтобы обучаемые усвоили сами понятия абстрагирование и идеализация. Только после этого возможно понимание идеализированных объектов: нерастяжимая нить, абсолютно твердое тело, идеальный газ, абсолютно черное тело, идеальная жидкость и другие. Сам процесс идеализация не является простым для обучаемых. В некоторых случаях совмещены идеализация и реальные свойства объекта. Например, тело принимается абсолютно твердым, не изменяющемся в результате внешних воздействий, не учитывается изменения размеров, но рассматриваются силы упругости, возникающие в результате деформации. Такая же ситуация, в задачах с нерастяжимой нитью. Это условие обычно необходимо в задачах связанных тел, чтобы принять их ускорение одинаковым. Однако рассматриваются силы натяжения, приложенные к телам со стороны нити, которые возникают вследствие упругой деформации нити.

Некоторые физические понятия введены на латинском, греческом или других языках и перенесены в русский язык. Для усвоения таких понятий важен перевод на язык, на котором изучается предмет. Здесь может возникнуть проблема неоднозначного использования одного и того же слова. Например, понятие аберрация используется в астрономии и оптике. Перевод этого понятия с латинского языка – уклонение. [4] В оптике аберрация означает искажение изображения, вызванное неидеальностью оптической системы. В астрономии аберрация света – это изменение направления светового луча из – за движения источника или приемника света относительно друг друга. Она вызывает смещение положения светила на небесной сфере. Электронно – оптические аберрации – это искажение электронно – оптических изображений. Если обучаемые знают, что рефракция – это преломление, изменение направления, а «reflect» – отражение, то они легко отличат телескоп – рефрактор, от телескопа – рефлектора.

Среди физических понятий есть группа понятий, которые выражаются в языковой форме словами с приставкой «анти». Античастицы, антивещество, антиферромагнетик, анти сегнетоэлектрик, антизапирающий контакт.

Для усвоения таких понятий, обучаемые должны знать смысл понятий без приставки анти: частица, вещество, ферромагнетик, сегнетоэлектрик запирающий контакт и значение приставки анти.

Роль приставки конкретизируется. Например: античастицы – совокупность элементарных частиц, имеющих те же значения масс и прочих физических характеристик, что и их частицы – «двойники». Но отличающиеся от них знаком некоторых характеристик: электрический заряд, магнитный момент, барионный заряд, лептонный заряд, странность, очарование.

Указание на приставки а или ан, имеющие смысл отрицания, помогают понять такие процессы и явления, как ангармонические колебания, адиабатические процессы, ассиметрия.

Понятия, имеющие количественное значение, то есть физические величины могут иметь единицы измерения или быть безразмерными. Это зависит от содержания понятия физической величины и от выбранной системы единиц измерения. Например, диэлектрическая и магнитная проницаемости среды по своему определению как отношение одинаковых величин являются безразмерными. В каждой системе единиц устанавливаются основные единицы и производные, которые выводятся по соответствующим формулам, определяющим физические величины.

Введение понятия физических величин и единиц их измерения можно рассмотреть напримере. Один из приборов физики – конденсатор. Он служит для накопления электрических зарядов, его характеристикой должна быть величина, характеризующая способность накапливать заряды. Это величина электроемкость, - которая показывает, какой заряд нужно сообщить конденсатору, чтобы между его обкладками установилась единичная разность потенциалов. Единица измерения . В системе СИ единицей измерения заряда является Кулон, разности потенциалов – Вольт. Отсюда получают единицу измерения электроемкости – Фарад. Следует обратить внимание на различие понятий единица измерения и размерность. Размерность физической величины выражается через основные величины принятой системы единиц. В нашем примере в системе СИ в размерность электроемкости могут войти килограмм, метр, секунда, Ампер.

Одним из широко применяемых понятий в физике является температура. С этим словом человек знакомится с раннего детства. Казалось бы, ее использование в физике не должно вызывать затруднений. Однако это не так. В быту понятие температура связана с понятиями тепло и холод. Для физики такое понимание является первичным, которое в процессе развития физической науки углубляется и расширяется. Изучая молекулярно – кинетическую теорию, обучаемые знакомятся с температурой как характеристикой, отражающей среднюю скорость хаотического движения молекул. Затем понятие уточняется: температура - характеристика средней кинетической энергии. На следующем этапе - характеристика распределения элементов системы по энергетическим состояниям. На первом этапе изучения физики понятие температуры используется применительно к системам, состоящим из молекул. Первые определения понятия температуры в какой – то мере связаны с понятиями «тепло», «холод». Однако в дальнейшем температура определяется, как модуль канонического распределения Гиббса, которое описывает статистические системы в термостате состоящие из большого количества любых элементов, не обязательно молекул или атомов.

Сложность понятия температуры связана и с процессом ее измерения. У многих физических величин процесс измерения непосредственно связан с измерением данной величины с помощью эталона или по измерению величин, входящих в определяющую формулу. Если электроемкость конденсатора характеризует заряд, который необходимо перенести на его обкладки для создания разности потенциалов между ними в 1В, то для измерения электроемкости экспериментально измеряется разность потенциалов и заряд. С температурой дело обстоит иначе. При всем многообразии способов измерения температуры они непосредственно не содержат информации содержащейся в формулировке определения температуры. Измеряются физические величины, которые зависят от величины, входящей в эту формулировку. Например, в жидкостных термометрах используется изменение объема, в газовых - изменение давления, в термометрах сопротивления - изменение электрического сопротивления. В Астрофизике температура звезд определяется по полной энергии излучения с единицы поверхности (эффективная температура, закон Стефана - Больцмана); по излучению энергии с единицы поверхности на некоторой длине волны (яркостная температура, формула Планка); по относительному распределению энергии в некотором участке спектра излучения (цветовая температура). Цветовой называют также температуру звезд, измеренную по длине волны, соответствующей максимуму распределения энергии в спектре излучения (закон Вина).

Проблема формирования понятий рассматривается практически всеми авторами учебников и учебных пособий по физике. При введении физических понятий и величин важно учитывать их следующие рекомендации.

ü понятия и величины, вводятся только при необходимости, для отражения, какого – либо свойства, объекта или явления; для понятий являющихся физическими величинами должен быть указан способ измерения;

ü понятия относят к исторической категории, они изменяются и развиваются, по мере развития физической науки.

В принципе можно предположить новые физические величины, что иногда и делают обучаемые. Но для обоснования целесообразности необходимо показать роль этой величины в теории.

Программа физических дисциплин содержит основные фундаментальные теории классической и современной физики. Для формулирования знаний этих теорий необходимо раскрыть основные компоненты теорий. Основой любой теории являются научные понятия. Поэтому формирование основных физических понятий и величин начинается на первом этапе изучения физики в СОШ и углубляется в вузе.

Согласно современным представлениям, формирование понятий не является монополией человека. Многие исследователи не исключают, что и животные способны к абстрактному мышлению. Кроме того, соотношение информационных процессов, происходящих в компьютере, и формирования понятий у человека стало важной частью изучения исскуственного интеллекта. Поэтому, как указывалось выше, в учебном процессе на формирование физических понятий и в вузе и школе обращается особое внимание.

Литература:

1. «Философский энциклопедический словарь» под редакцией

Губского Е.Ф, Кораблевой, Г.В, Лутченко В.А ИНФРА – М, М.: 2005г.

2. «Большая Советская Энциклопедия», Издательство «Советская энциклопедия», М., 1970г.

3. «Теория и методика обучения физике в школе» под редакцией С.Е. Каменецкого, Н.С. Пурышевой, М.; Издательский центр «Академия», 2000г.

4. «Физический энциклопедический словарь», Издательство «Современная энциклопедия», М., 1982г.