Формирование современных пространственно-временных представлений у учащихся в курсе физики средней школы

Одной из главных задач коммунистического воспитания в советской общеобразовательной школе является задача формирования диалектико-материалистического мировоззрения учащихся.

ЦК КПСС ставит перед Министерством просвещения СССР, Министерством высшего и среднего специального образования СССР, Государственным комитетом СССР по профессионально-техническому образованию, Академией педагогических наук СССР задачу добиваться органического единства учебного и воспитательного процессов, формирования у учащихся и студентов научного мировоззрения. говорится в Постановлении ЦК КПСС от 26 апреля 1979 г./7,21/.

Школьный курс физини предоставляет огромные возможности для решения этой важной идеологической задачи. Особое место в формировании научного мировоззрения при изучении физики занимает изучение свойств пространства и времени.

Как известно, старые представления классической физики о пространстве и времени, опровергнуты современной наукой и являются методологически неверными /49, 9/. Современная физика привела к новым представлениям, наиболее адекватно отражающим их сущность. Она прежде всего указала на определяющую роль категории материи по отношению к категориям пространства и времени, подтвердила положение о неразрывном единстве пространства, времени и движущейся материи.

Представления о пространстве и времени являются основой современной научной картины мира. Ее эволюция тесно связана с развитием представлений о пространстве и времени. Так, создание механики привело к пространственно-временным представлениям в духе Ньютона, развитие электродинамики выразилось в представлениях о пространстве и времени специальной теории относительности (СТО), изучение гравитации привело к пространственно-временным представлениям общей теории относительности (ОТО), наконец, исследование микромира указывает на возможность существования новых представлений о пространстве и времени.

Рассмотрение свойств пространства и времени необходимо для полного представления о современной научной картине мира. Можно согласиться с некоторыми авторами, считающими, что без включения этих вопросов обобщающая лекция «Современная нвучная картина мира» не имеет смысла /55, 21/.

При рассмотрении истории развития представлений о пространстве и времени и истории становления физической картины мира в целом с учащимися можно проиллюстрировать законы диалектики. При этом становится возможным обсуждение вопросов в соотношении абсолютной и относительной истин, о диалектике процесса познания. Это определяет огромное мировоззренческое значение данного материала и его влияние на повышение методологического уровня школьного курса физики.

Включение этих вопросов в школьный курс физики приводит в соответствие его содержание с достижениями современной науки, помогает преодолеть существующий разрыв между тем, что дается в школе и тем, что получают школьники из других источников информации.

Изучение свойств пространства и времени неразрывно связано с изучением основных физических понятий и закономерностей движения материальных объектов на различных уровнях материи, с обобщением знаний учащихся по механике, электродинамике и оптике. Таким образом, пространство и время являются как бы главной стержневой идеей, пронизывающей все основные разделы курса физики, что способствует систематизации знаний и наиболее прочному их усвоению. Анализ основных свойств пространства и времени, использование мысленных экспериментов способствует развитию мышления учащихся.

Еще в 1965;1968 г. г. Голин Г. М., Мощанскш В. Н. отмечали крайне неудовлетворительное положение в формировании данных понятий в школе. По исследованиям Голина Г. М., 97,3% учащихся УШ-Х классов имеют неверные представления о пространстве и времени, главным образом ньютоновские /41, 42/.

Данные констатирующего эксперимента, проводимого нами в 1979;1980 г. г., показали несколько лучший результат — 87%, что объясняется, на наш взгляд, введением элементов СТО в школьный курс физики и изучением данного материала в курсе обществоведения. Так, на вопрос, что известно о свойствах пространства и времени, большинство учащихся УШ-Х классов (54%) либо не могут ответить ничего, либо отвечают в духе ньютоновских представлений. Многие учащиеся (33%) имеют ярко выраженные ньютоновские представления. Только 12% учащихся утверждают, что пространство и время — это формы существования движущейся материи, указывают на неразрывную связь материи, пространства и времени. Однако на вопрос о том, каковы же их физические свойства, которые бы подтверждали приведенные положения, этй школьники ответить не могут.

Проблеме формирования понятий пространства и времени посвящено единственное исследование Г. М. Голина, которое проводилось в 1965;1968 г. г. до введения новой программы по физике. Работ по данной проблеме на базе современного школьного курса физики еще не было.

Некоторые аспекты проблемы формирования пространственно-временных представлений у школьников были отражены в работах, посвященных методике преподавания СТО в формированию диалекти-ко-материалистического мировоззрения (Пинский А.А., Зорина Л. Я., Нудельман Р. Э., Дробат А. С., Мощанский В. Н., Пустильник И. Г., Сиэппи А. О. и др.)* Однако эти работы не решают существующей проблемы полностью, т.к. во-первых, изучением только СТО нельзя обеспечить необходимого уровня развития представлений, во-вторых, нельзя согласиться с предложениями авторов по изложению кинематики СТО, где формируются современные пространственно-временные представления.

Отсутствует материал, развивающий данные представления и в учебной литературе. Итоговая обобщающая лекция «Современная научная картина мира», проведение которой предусмотрено программой по физике, не содержит существенной части этой картиныпредставлений о пространстве и времени.

В настоящее время изменена школьная программа по физике в сторону уменьшения числа часов, отводимых на изучение СТО, с 7 до 5. Все это дает основание считать проблему формирования современных пространственно-временных представлений у учащихся недостаточно разработанной.

Актуальность избранной темы исследования определяется особой важностью проблемы формирования пространственно-временных представлений для развития научного мировоззрения учащихся, для обеспечения глубоких знаний основ физики, а также недостаточной разработанностью указанной проблемы в методике преподавания физики. Это послужило основанием для выбора темы исследования «Формирование современных пространственно-временных представлений у учащихся в курсе физики средней школы'.'.

Целью исследования является разработка содержания и методики работы по формированию современных пространственно-временных представлений у учащихся УШ-Х классов на уроках физики, а также на факультативных занятиях.

Основная идея исследования заключается в следующем:

— работа по формированию пространственно-временных представлений должна идти на протяжении всех лет обучения физике.

Л ступени;

— необходимо, чтобы данная работа предусматривала несколько этапов;

— на изложение СТО должно быть отведено 5 учебных часов;

— изучение свойств пространства и времени должно ограничиваться качественным уровнем;

— логика введения современных пространственно-временных представлений в школьный курс физики должна совпадать с логикой развития данных представлений в физике-науке.

Исходя из цели и основной идеи нами были поставлены следующие задачи исследования.

1. Изучить состояние проблемы пространства и времени в философии и современной физике.

2. Изучить состояние проблемы формирования понятий пространства и времени в школе.

3. Провести анализ ранних работ А. Эйнштейна по СТО и ОТО с целью выявления их логики и выяснения возможности качественного подхода к изучению свойств пространства и времени.

Разработать методику формирования пространственно-временных представлений у учащихся в пропедевтическом плане при изучении механики, электродинамики и оптики.

5. На основе анализа работ А. Эйнштейна разработать методику формирования понятий пространства и времени при изучении основ СТО на уроках физики, а также предложить методику ознакомления учащихся на факультативных занятиях с элементами ОТО и закономерностями микромира.

6. Разработать методику проведения обобщающей лекции «Пространство и время и современная научная картина мира» .

7. Проверить эффективность данной методики.

Методологической основой проводимого нами исследования являются положения марксистско-ленинской теории, касающиеся проблемы пространства и времени и процесса познания.

Для решения поставленных задач нами использовались следующие виды деятельности и методы исследования: анализ трудов классиков марксизма-ленинизма, партийных и правительственных документов по вопросам народного образования, анализ философской, физической, психолого-педагогической литературыизучение состояния проблемы в методике преподавания физикиизучение опыта учителей, анализ личного опыта преподавания, индивидуальные беседы с учителями и школьниками, проведение эксперимента (констатирующего, обучающего и контрольного).

Научная новизна исследования заключается в следующем:

— впервые рассматривается проблема формирования пространственно-временных представлений учащихся на материале современного школьного курса физики;

— предложена методика этой работы включающая в себя 4 этапа;

— определены содержание и задачи каждого из этих этапов;

— при разработке методики изложения СТО обоснована возможность изучения кинематики СТО без вывода формул, на основе качественного анализа процесса измерения в инерциальных СО;

— предложена методика ознакомления учащихся со свойствами пространства и времени на мегаи микроуровне при изучении на факультативных занятиях;

— рассмотрена данная проблема в связи с формированием современной научной картины мира.

Практическая ценность работы заключается в разработке конкретной методики, системы методических приемов, рекомендаций, способствующих развитию современных пространственно-временных представлений учащихся и научной картины мира в целом, предполагающих элементарные философские обобщения, формирующих диа-лектико-материалистическое мировоззрение школьников.

Апробация результатов исследования осуществлялась в процессе экспериментального преподавания в школах № 54, № 886, N2 851, № 56 г. Москвы и школах № I, № 2, № 10, № 14, № 46 г. Астрахани, в процессе обсуждения полученных результатов на научно-методических конференциях, семинарах учителей физики, аспирантских семинарах на кафедре методики преподавания физики МШИ им. В. И. Ленина. Материалы исследования докладывались:

1. На заседаниях районного методического объединения учителей физики г. Черняховска Калининградской области (январь 1977 г.) и г. Астрахани (декабрь 1978 г.). г.

2. На аспирантском семинаре кафедры методики преподавания физики МГПИ им. В. И. Ленина (сентябрь 1981 г.).

3. На семинарах учителей г. Москвы под руководством проф.Б. М. Яворского (февраль 1982 г., март 1982 г.). Г.

4. На Ленинских чтениях в МГПИ им. В. И. Ленина (апрель 1982 г.).

5. На XXXZ Герценовских чтениях в ЛГПИ им. А. И. Герцена (май 1982 г.).

Исследование проводилось нами в несколько этапов. Первый этап (1976 — 1978 г. г.) заключался в изучении состояния проблемы, в определении темы исследования и в сборе материала. Второй этап (1979 — 1981 г. г.) включал проведение констатирующего и первого обучающего эксперимента, разработку и уточнение методики, публикацию методических пособий для учащихся. На третьем этапе (1981 — 1982 г. г.) был проведен второй обучающий экспери — мент, получены окончательные результаты, подведены итоги, завершена работа над диссертацией.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и библиографии. Объем 176 страниц машинописного текста. Диссертация содержит 33 рисунка, 15 таблиц, 5 схем,.

Выводы по главе.

1. У учащихся необходимо формировать представления о пространстве и времени в духе идей современной физической картины мира.

2. Изложению СТО должна предшествовать пропедевтика СТО, причем пропедевтика в том смысле, в котором мы ее понимаем, т. е, не внедрение отдельных элементов СТО по всему курсу (что протиI воречит логике развития научного познания), а постепенное подведение учащихся к пониманию идей СТО и ее представлениям о пространстве и времени (см. с. 37).

3. Узловым моментом пропедевтики должен быть вопрос распространения света в вакууме: а) конечность скорости светаб) скорость света как предельная скорость материальных объектов (предельность) — в) распространение света в инерциалъных СО (инвариантность).

Б центре внимания в старших классах должны быть те свойства, которые характеризуют свет как релятивистский объект (б) и (в).

Специальная теория относительности должна изучаться как учение о пространстве и времени.

5. При изучении свойств пространства и времени в СТО должна учитываться логика теории, что будет соответствовать принципам дидактики и психологии.

6. Изложение СТО следует проводить на качественном уровне. Это даст возможность сосредоточить внимание учащихся на ее физических идеях и значительно упростит ее восприятие.

7. Необходимо расширить представления учащихся о пространстве и времени. Рассматривая их особенности на микрои мега-уровне и используя при этом качественный подход при изучении.

8. С логикой развития пространственно-временных представлений на макро-, мегаи микроуровне учащихся необходимо знакомить с помощью отдельных логических схем (П, Ш, 1У).

9. Необходимо связывать развитие представлений о пространстве и времени с эволюцией физической картины мира в целом, обобщать данный материал с позиций диалектического материализма.

ГЛАВА п.

МЕТОДИКА ФОРМИРОВАНИЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ПРОСТРАНСТВЕ И ВРЕМЕНИ НА МАКРОУРОВНЕ.

Предлагаемая методика имеет цель сформировать у учащихся пространственно-временные представления при изучении основ механики, электродинамики и оптики (§ I и § 2). Ее основные положения сформулированы нами на стр. 37. На таблице I (стр.55) показано, какой пропедевтический материал и при изучении каких именно вопросов школьной физики этот материал может изучаться. § 3 данной главы посвящен формированию современных пространственно-временных представлений у школьников при изучении основ СТО. Методика не требует изменения программы и введения дополнительного времени.

§ I. Формирование понятий пространства и времени при изучении механики (пропедевтика).

Предмет механики. Пространство и время. Основные понятия кинематики.

На первом уроке, прежде чем говорить об особенностях механического движения, рассказываем о материальности мира, знакомим учащихся с ленинским определением материи. При этом подчеркиваем ее объективность и неразрывную связь с движением. Далее с помощью таблиц П и Ш поясняем огромный диапазон пространственных и временных масштабов, который охватывает современная физика. Выясняем, чем обусловлено деление материи на три уровня: микро-, макрои мегамир. Если недавно физическое познание ограничивалось только законами движения макроскопических тел, то для современного человека мир как бы «утроился». Успешно познаются.

— 184 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В результате проведенного исследования нами были решены следующие методические задачи:

1. Изучено состояние проблемы в методике преподавания физи-ни. Установлено, что в настоящее время недостаточно уделяется внимания развитию у школьников пространственно-временных представлений,.

2. Выявлены основные причины возникновения и развития у учащихся несовременных и методологически неверных представлений о пространстве и времени.

3. Изучено состояние проблемы в физике и философии, показана огромная роль современных представлений о пространстве и времени в формировании диалектико-материалистического мировоззрения учащихся.

4. Выявлена необходимость развития современных представлений о пространстве и времени в пропедевтическом плане.

5. На основе анализа работ автора СТО и ОТО доказана возможность более простого, качественного подхода к изучению свойств пространства и времени в СТО.

6. Доказана необходимость и возможность расширения представлений учащихся о свойствах пространства и времени на мегаи микроуровне, что пока рекомендуется проводить на факультативных занятиях.

7. Разработана конкретная методика формирования пространвтвен-но-временных представлений учащихся в пропедевтическом плане, при изучении механики, электродинамики и оптики.

8. Разработана методика изучения СТО, расчитанная на 5 уроков.

9. Предложена методика ознакомления учащихся со свойствами пространства и времени на микрои мегауровне на факультативных занятиях.

10. Разработана методика обобщающей лекции «Пространство и время и современная научная картина мира» .

II. Экспериментально доказана эффективность предлагаемой нами методики.