Физика - наука и физика - школьный предмет (тезисы мастер-класса) 1.
Мой личный опыт, если и не уникален, то весьма специфичен: более 25 лет
я совмещал научную работу в Физико-техническом институте Академии Наук
с преподаванием в разных учебных заведениях. Работал в школах, на
подготовительных курсах ряда петербургских ВУЗов, на кафедре физики
Горного института, в известной «Физико-технической школе». Последние 10
лет, оставив науку, преподаю в школе (в настоящее время - в 144-й гимназии). Возможно,
сказанное ниже, покажется кому-то очень субъективным, но необходимо
иметь в виду, что все сказанное опирается на этот опыт. Я сначала выскажу общие тезисы, а потом рассмотрю несколько конкретных примеров. 2. Что дает опыт научной работы для школьного преподавателя? Дело не в каких-то там особых знаниях. Эти знания обычно касаются очень узкой области. «Специалист подобен флюсу». Но опыт научной деятельности дает специфическое отношение к материалу. Независимое,
может быть даже критическое, отношение к материалу учебников, пособий,
задачников, всего учебно-методического комплекса (УМК). (В
частности, со временем у меня сама собой образовалась целая коллекция
грубых принципиальных ошибок из учебников, пособий, задачников. Кое-что из этой коллекции я сегодня продемонстрирую.) Я стараюсь передать это отношение к материалу ученикам. 3.
Увы, в представлении учеников физика - это гора формул, законов,
опытов. И все это надо запомнить, заучить наизусть бедным детям. Я люблю проводить сравнение с игрой «пазл».
Тяжело (да, наверно просто невозможно) запомнить раскраску многих сотен
отдельных элементов. Но очень просто запомнить целую картину. Так
и физик-профессионал представляет общую картину всего здания физики,
понимает связи между элементами этого здания - а уж потом место
отдельных деталей. В начале учебного года я задиктовываю (как бы эпиграф к конспекту нашего курса): Физика - очень простая наука: все следует из нескольких фундаментальных законов. Физика - очень сложная наука: все надо понимать. И еще: «Чем больше понимаешь, тем меньше надо помнить». И при изложении любого конкретного материала я держу в уме «сверхзадачу»: иллюстрировать эти тезисы. 4.Я не говорю ученикам «Физика - замечательная наука, идите все заниматься физикой». Я
говорю им: «Имейте в виду, что все технические, инженерные дисциплины -
это прикладная физика. И многие из вас сейчас закладывают фундамент
своей профессиональной деятельности. Но дело не только в этом. Физика -
это эталон, образец науки. Чем бы вы потом не занимались, изучение
физики вам очень пригодится». Я
слышал, как один историк сказал: «Наибольшую роль в моем
профессиональном становлении сыграл школьный учитель химии». Конечно,
не воспоминания об уравнениях химических реакций этот историк умел в
виду. Так
и задача каждого из нас не в том, чтобы учить запоминанию формул, а в
том, чтобы прививать вкус к физическим рассуждениям, а тем самым и к
умственной работе вообще. Чтобы заслужить в будущем такую же оценку
своих бывших учеников, пусть и не ставших физиками и инженерами. В нашем обществе сложилась странная ситуация: представления о культуре обычно связываются с гуманитарными дисциплинами. Но
физика, и естествознание в целом, - такой же «большой» материк
человеческой культуры. Кто-то уже сказал, что второе начало
термодинамики значит для мировоззрения человека ничуть не меньше, чем
драмы Шекспира. Более
того. Тольке в физике все те элементы, из которых строится здание
науки, представлены во всей полноте: от фундаментальных законов природы
до конкретных утверждений о свойствах окружающих нас тел. Лишь
здание физики представляется цельной постройкой с фундаментом,
перекрытиями, стенами, крышей. Можно ли это же сказать об истории,
литературоведении, экономике?.. Это
позволило одному известному американскому физику сказать:«Физика -
составляет сердцевину гуманитарного образования нашего времени»
(И.Раби). 5.Один из вопросов, которые я хочу сегодня обсудить: дает ли школьный курс представление о физике, как области знания? Мой ответ будет сложным: и да, и нет. С
одной стороны, я хочу подчеркнуть, что нет никакой «школьной физики»
(просто в школе проходят лишь некоторые разделы и не используют сложный
математический аппарат). Многие школьные задачи могут быть интересны и для профессионала (другое дело, что профессионал
видит в этих задачах то, что не видят школьники). Так в воспоминаниях
Андрея Дмитриевича Сахарова рассказывается, как они с Я.Б.Зельдовичем
бегали друг к другу со школьными задачками. (Напомню, что академики
А.Д.Сахаров и Я.Б.Зельдович - крупнейшие российские физики 2-ой пол. XX века). С
другой стороны, характерная черта физики - приближенный, модельный
характер всех конкретных результатов. И вот эта-то сторона науки в
школьных учебниках затушевана. Утверждение, что «физика - точная наука»
обычно понимается учениками очень наивно, буквально, как по возможности
более точные вычисления по приведенным в учебнике формулам. В
действительности же физика - не потому точная наука, что все ее
результаты абсолютно точны (как уже сказано, дело обстоит как раз
наоборот), а потому, что физика отдает себе отчет о сути сделанных
приближений, о роли отброшенных эффектов. 6. Говоря «физика», надо различать физику, как область знания, и физику, как деятельность. Так
вот школьный курс не дает никакого представления о работе
физика-исследователя. Более того, создает даже неправильное
представление, как о человеке, занимающимся подстановками из формулы в
формулу и вычислениями. Но только так называемые «стандартные» школьные
задачи решаются прямым применением одной или нескольких формул. В
работе физика-исследователя ситуация обычно совершенно противоположная:
практически ни одна задача не решается точно. Например, в
сколько-нибудь реальной задаче динамики обычно имеет место огромное
количество различных взаимодействий. Попытка учесть все взаимодействия
приводит к настолько математически сложной задаче, что решить ее не
удастся. Существеннейшая часть решения любой задачи - построение модели
явления. (Впрочем, говоря так, я, конечно, имею в виду прежде всего
физика-теоретика) Работа
над построением модели состоит в том, чтобы на основании оценок и
опытных данных отбросить мелкие, несущественные эффекты, оставив только
главные. Это легко сказать, но нелегко сделать: ведь полная картина
явления еще не известна, и оценить роль некоторых эффектов можно только
весьма предположительно. Поэтому в ход идут и аналогии, и личный опыт
решения подобных задач, и интуиция. Поэтому предложенную модель
приходится потом не раз уточнять. В
популярных книгах (а иногда и в учебниках) любят цитировать
высказывание Я.И.Френкеля о том, что модель похожа на карикатуру. Увы,
это очень некорректное сравнение. Модель правильнее было сравнивать с
очень контрастной фотографией, на которой потеряны мелкие детали, или с
рисунком пером (карикатура же преувеличивает отклонение черт
конкретного лица от некого среднего). Модель должна быть достаточно
простой, доступной для дальнейшего математического анализа, но в то же
время должна отражать важнейшие стороны явления. 7.Перейдем теперь к физике - школьному предмету. Что происходит в школе с физикой? В
школе происходит ужасная вещь: ученики начинают рассматривать физику
как раздел математики, как умение подставлять числа в формулы. Конечно,
их на это толкают объективные причины: необходимость решения большого
числа «стандартных» задач, которые решаются именно таким образом. Это
же относится и к содержанию приемных экзаменов в большинстве
технических ВУЗов. Мне
рассказывали, как одна восьмиклассница, придя домой из школы, сказала:
«Мама, у нас такая плохая физичка - дала задачу и не сказала, в какую
формулу подставлять». Увы, эта фраза - квинтэссенция представлений
школьников о физике. Домашние задания и самостоятельные работы и выглядят обычно внешне как математические упражнения - подстановки в формулы. Как противостоять этому превращению физики в арифметику? Я объясняю снова и снова, требую записать: «Решение задачи - это текст, обосновывающий и поясняющий применение
формул, это цепочка логических рассуждений и математических выкладок,
позволяющая от фундаментальных законов и определений придти к
конкретному результату». Так,
например, в задачах на законы сохранения, необходимо указать, какие
тела объединяются в систему, какие состояния системы рассматриваются,
откуда отсчитывается потенциальная энергия, необходимо обосновать
применение законов сохранения в какой-то определенной форме и т.д., и
т.п. - увы, в ученических работах опять видишь лишь «сухие»
математические выкладки. Совместными
усилиями учащихся и авторов УМК физика превращается в запоминание
формул и «мелкие» алгебраические и арифметические упражнения на эти
формулы. Авторы
задачников как бы находятся в сговоре с учеником. Автор все время
подмигивает ученику: «Ну, ты понимаешь, что я имею в виду?».
«Понимаю-понимаю, - думает ученик - надо, ни о чем не думая, подставить
числа в формулу №...». Вот
типичная задача из широко используемого сборника контрольных работ.
«Если длину нити маятника увеличить на 30 см, то период колебаний
увеличится на 10%. Найти начальную длину нити». Может быть, и неплохое
алгебраическое упражнение для 7-го класса. Но какое отношение это имеет
к физике? При
колебаниях математического маятника колеблются значения координаты,
кинетической и потенциальной энергий, вектора скорости и ускорения.
Есть связи между их амплитудами, частотами, фазами - какой простор для
задач! Конечно, чтобы научить учеников решать серьезные, интересные
задачи, потребуется намного больше времени, чем отпущено нам программой. Но
мне представляется, что если нет возможности для «настоящего»,
полноценного изучения какой-то темы, то лучше вообще исключить ее из
школьного курса. Сводить же изучение темы к такого рода задачам -это
значит заниматься профанацией физики. У учеников еще на ранних этапах формируется описанное мною выше отношение к физике. Попытки
же преподавателя рассказать о специфике физики как науки (в частности о
роли моделей) обычно наталкиваются на стену непонимания, даже в сильной
аудитории. Ученики думают, что преподаватель «отвлекается». Наблюдать это профессионалу очень грустно. 8.Рассмотрим один очень поучительный пример из нового учебника для 9-х классов В базовом учебнике в теме «Математический маятник» написано, что «угол отклонения маятника от вертикали не должен превышать 8 ○».
Если ученик, читая учебник, наткнулся на эту фразу и не остановился, не
задумался - это очень плохо. Ученик должен был спросить себя: «А что
случится, если амплитуда колебаний превысит 8○? И что вообще значит эта фраза?» В этом году лишь один ученик из двух моих девятых классов задал мне эти вопросы. И это позволило мне завести разговор о характернейшей черте физики. Грамотное
утверждение могло бы выглядеть, например, так: известная формула для
периода колебаний математического маятника имеет приближенный характер
и выполняется тем точнее, чем меньше амплитуда колебаний. Часто ученики
рассматривают это, как дефект полученного результата. Надо снова и
снова объяснять им, что такой характер имеют все конкретные результаты
в физике. При этом возникнет очень важный вопрос: какова же точность этой формулы? Тут
мы приходим к ситуации, очень характерной для физики. Ответить на
вопрос о точности решения, полученного в первом приближении, можно,
только решив задачу в следующем приближении, а это всегда оказывается
намного сложнее. Но в данном случае точное решение известно. Его можно
найти в любом серьезном курсе теории колебаний. И по нему нетрудно
сделать заключение о степени точности используемого в школе решения. И
совершенно ясно, что 8○ не является какой-то характерной величиной в (6). Заметим,
кстати, что в ряде учебников утверждается, будто при колебании
математического маятника радиальная составляющая силы тяжести
уравновешивается силой натяжения нити. Уж это-то оставим без
комментариев. 9.Вернемся снова к принципиальным моментам. Дело не в отдельных ошибках и неточностях учебников (хотя они бывают очень интересны, забавны, поучительны). Учебники
становятся все сложнее. В учебники включаются темы, ранее традиционно
относившиеся к вузовскому курсу. При этом в школьных учебниках эти темы
излагаются суше и короче, чем в вузовских (?!). Учебники приобретают
вид справочников. В
1933 г. выступая в Обществе немецких инженеров Макс Планк говорил: «Не
так важно, чему учат в школе, а важно, как учат. Одно действительно
понятое учеником предложение имеет большую ценность, чем десять формул,
которые он заучил наизусть и даже знает, как применять, но не понял их
действительного смысла. Функция школы не в том, чтобы дать специальный
опыт, а в том, чтобы выработать последовательное методическое мышление.» О
ситуации, сложившейся в преподавании физики пишет главный редактор
нового образовательного журнала «Потенциал», зав.кафедрой общей физики
МФТИ А.Г.Гладун: «Самое
печальное состоит в том, что произошло отчуждение детей от физики. В их
представлении физика - это нечто сложное, непонятное и никому не нужное. В
этом виноваты мы сами, физики-педагоги. Мы задали слишком высокий
уровень требований, что тоже является элементом профанации. Зачем
школьнику рассуждать, ничего не понимая, скажем , о специальной теории
относительности или корпускулярно-волновом дуализме? Необходимо
все начинать сначала, с нуля. Нужны учебники иного, чем существующие,
типа: ясные, доступные, увлекательные, лишенные вульгаризмов и
профанации». Знал
бы профессор А.Г.Гладун, о чем берутся рассуждать петербургские
школьники! В прошлом году мне пришлось участвовать в работе жюри на
Гимназических ученических чтениях. Перечислю названия докладов,
представленных на нашей секции «Физика и информатика»: «Фундамент
материи», «Проблемы большого взрыва. Современный взгляд на структуру
пространства времени», «Теория пространства гравитонов», «Модели
строения и эволюции Вселенной». Я боюсь обидеть коллег и все-таки
скажу: если это не профанация, то что же это? Но М.Планк предвидел и эту опасность, в том же выступлении он говорил: «На
общественность производит хорошее впечатление, когда в учебный план
средней школы включены также современные проблемы научного
исследования. Но такая практика в высшей степени опасна; так как об
основательной трактовке предмета здесь не может быть речи, то у
учащихся может возникнуть некоторая интеллектуальная поверхностность и
пустая кичливость знаниями». Именно
это я наблюдал. Кажется, ученики уже перестают понимать смысл слов
«самостоятельная работа». Их работы представляли собой даже не
рефераты, а компиляции 2-3 сайтов из Интернета. Ситуация в преподавании физики очень серьезная. Исправить ее можно только нашей общей работой. Все авторские права защищены © При перепечатке ссылка на http://www.physics.3dn.ru обязательна
| 
