- 13 -
ГЛАВА 1. СОДЕРЖАНИЕ И СТРУКТУРА УЧЕБНОГО ФУНДАМЕНТАЛЬНОГО
ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ВОЛНОВОЙ ФИЗИКЕ
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ФУНДАМЕНТАЛЬНОГО
ЭКСПЕРИМЕНТА В МЕТОДИКЕ ФИЗИКИ
1.1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЙ ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ. Разработка и
совершенствование учебного фундаментального эксперимента по во-
лновой физике требует выявления критериев фундаментальности фи-
зического опыта, определения его содержания и структуры. Проб-
лема фундаментального физического эксперимента и его использо-
вания на уроках физики подробно исследовалась в работах А.И.Бу-
гаева [18], С.Л.Вольштейна [24, 174], Г.М.Голина [28,29], Н.Н.
Ивановой [42, 174], О.Ф.Кабардина [45, 46], С.В.Позойского [24,
174], А.В.Прокопьева [139], Л.И.Резникова [141], В.Г.Разумовс-
кого [14O], А.Х.Суербаева [155], В.В.Усанова [24, 174], Д.Шоди-
ева [195,196,197]. Дж.Тригг в [159,16О] рассмотрел ключевые или
решающие физические эксперименты, предопределившие развитие фи-
зики в нашем столетии. Нами также изучена точка зрения выдающи-
хся физиков Н.Г.Басова [9], М.А.Маркова [96], П.Л.Капицы [52].
Перечисленные выше авторы в большинстве своем давали определе-
ние фундаментального эксперимента, рассматривали различные виды
- 14 -
фундаментальных опытов, их функции и значение для развития фи-
зики, приводили примеры. Их аргументация была нами тщательно
изучена, а определения и примеры сведены в таблицу 1, приведен-
ную в Приложении 1.
Безусловный интерес представляет собой историко-методоло-
гический подход к проблеме фундаментального эксперимента, полу-
чивший свое развитие в работах Г.М.Голина [28, 29].Автором сде-
лана классификация исторических экспериментов, входящих в курс
физики средней школы "по их функциональному признаку - реализа-
ции определенной задачи и значению в развитии физической науки"
[29, с.43-45]:"1. Опыты, благодаря которым было положено начало
новым разделам (направлениям) физики (такие опыты следует назы-
вать фундаментальными). 2. Опыты, позволившие открыть отдельные
физические явления. 3. Опыты, позволившие установить свойства и
закономерности открытых ранее явлений.... 4. Опыты, с помощью
которых была доказана справедливость фундаментальных теорий.
5. Опыты - "решающие эксперименты", окончательно отвергнувшие
или подтвердившие справедливость теоретического положения (ги-
потезы). 6. Опыты, в которых определяется точное значение физи-
ческих величин и постоянных. 7. Опыты и исследования по созда-
нию новых экспериментальных средств и методов,новых материалов,
техническому использованию открытых явлений".
Данная классификация физических экспериментов не совсем
удачна. Во-первых, как пишет А.В.Прокопьев, в ней "происходит
сужение функций фундаментальных экспериментов" [139, c.76]. Та-
кие выдающиеся эксперименты, определившие развитие науки, как
опыты Ньютона по дисперсии, Юнга по интерференции, Столетова по
фотоэффекту не отнесены к фундаментальным. Во-вторых, различные
классы физических опытов пересекаются друг с другом: например,
- 15 -
опыты Фарадея по электромагнитной индукции, опыты Беккереля по
обнаружению радиоактивности, рассматриваемые автором как фунда-
ментальные, с тем же успехом могут быть отнесены к "опытам, по-
зволившим открыть отдельные физические явления". В-третьих, ав-
тор выделяет группу решающих экспериментов,"окончательно отвер-
гнувших или подтвердивших теорию", а также опыты, в которых"оп-
ределяется точное значение физических величин и постоянных". На
это заметим, что отдельно взятый эксперимент не может окончате-
льно подтвердить теорию, и кроме того, любой опыт имеет погреш-
ность, что принципиально не позволяет что-либо точно измерить.
Все это явилось следствием того,что автор ограничился рас-
смотрением только тех опытов, которые изучаются в школе. Однако
на уроках физики внимание акцентируется в первую очередь на фу-
ндаментальных экспериментах, поэтому из рассмотрения Г.М.Голина
выпала большая группа прикладных опытов. Автор справедливо от-
мечает: "Само слово "фундаментальный" предполагает, однако, что
число таких опытов не должно быть велико" [29, c.43] и из сово-
купности изучаемых в школе экспериментов кроме фундаментальных
выделяет еще шесть групп опытов.
Подчеркнем, что подход, акцентирующий внимание на истори-
ческом аспекте проблемы фундаментального эксперимента, его зна-
чении для развития физики, становления новых теорий,безусловно,
представляет огромный интерес, однако не является определяющим.
Основная задача учителя физики - научить физике, а не ее исто-
рии. Как справедливо указывает В.В.Мултановский, "учащиеся дол-
жны получать современную общую интерпретацию физических теорий
в готовом виде, а не подводиться к ней тем мучительным путем
преодоления противоречий, которым шло познание" [114, с.28].
- 16 -
Критерий фундаментальности эксперимента в рассмотренной
выше интерпретации является исторически относительным, то есть
определяется историей развития физической науки, а не ее совре-
менным состоянием. Поэтому более подходящим, на наш взгляд,
представляется мнение Д.Шодиева [196, с.94]: "фундаментальными
считаются эксперименты и наблюдения, результаты которых не мо-
гут быть предсказаны или объяснены на основе существующих тео-
рий путем логических рассуждений или посредством математических
выкладок". А.В.Прокопьев в своем диссертационном исследовании
[139] формулирует основной критерий фундаментальности,состоящий
в том, что "результаты фундаментальных экспериментов кладутся в
основание теории,а результаты других могут быть получены в рам-
ках развитой теории, как следствие" [139, с.26]. Заметим, что в
этом случае содержание системы фундаментальных экспериментов
определяется тем, какие положения теории составляют ее основу,
а какие являются следствиями.
Довольно широкое определение дают С.Л.Вольштейн,С.В.Позой-
ский и В.В.Усанов в книге [24, с.9-1О]: фундаментальные опыты -
это "эксперименты, которые сыграли решающую роль в становлении
науки, в разработке научных представлений,законов,теорий,а так-
же в совершенствовании техники,технологии производства и т.д.".
Оно охватывает большое число опытов, тем более что оценить роль
эксперимента однозначно нельзя. А.Х.Суербаев напротив слишком
сужает группу фундаментальных экспериментов, к которым он отно-
сит "опыты, послужившие основой для формирования новых предста-
влений о структуре материи и законах микромира" [155, c.11-12].
На наш взгляд, наиболее удачным является выделение группы
фундаментальных экспериментов, исходя из их значения и места в
системе современного физического знания. Подобного мнения, по
- 17 -
всей видимости, придерживался Л.И.Резников, утверждавший, что
к фундаментальным относятся эксперименты, "которые составляют
опытную основу различных областей естествознания" [141, с.39].
Высказывая аналогичную точку зрения, А.И.Бугаев фундаментальны-
ми экспериментами называет опыты, составляющие эксперименталь-
ную основу современной физики [18, с.155]. По мнению В.Г.Разу-
мовского [14О, с.89], к фундаментальным относятся"эксперименты-
наблюдения, лежащие в основе построения модели, которая служит
основанием для построения теории, и контрольные эксперименты,
служащие для проверки следствий из теории, но дающие неожидан-
ный результат и поэтому требующие замены или уточнения исходной
модели".
Анализ определений фундаментальных опытов, сформулирован-
ных различными методистами (табл.1, Приложение 1), позволяет
сделать вывод об их неоднозначности и противоречивости. Пробле-
ма определения понятия фундаментального эксперимента и его со-
держания остается актуальной.
1.2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПРИ ИЗУ-
ЧЕНИИ ФИЗИКИ. Учебный процесс в школе, в том числе процесс обу-
чения физике, не должен ограничиваться простым усвоением знаний.
Это сложная система развития познавательной и мыслительной дея-
тельности учащихся, направленная на формирование научного миро-
воззрения, как определяющего фактора в жизни и деятельности че-
ловека.
Как показал В.Н.Мощанский, процесс формирования научного
мировоззрения на уроке физики заключается в построении в созна-
нии учащихся физической картины мира, формировании представле-
ний о процессе научного познания, научного диалектического мыш-
- 18 -
ления и материалистических убеждений [112, c.75-76]. Однако,
представления о материи и ее движении, пространстве и времени,
взаимодействии, причинности и закономерности, составляющие сов-
ременную физическую картину мира, невозможно вывести из каких-
то более общих принципов и положений, потому что их нет. Поэто-
му основой формирования научного мировоззрения является изуче-
ние фундаментальных экспериментов, сыгравших решающую роль в
развитии физики. Использование учебных вариантов этих экспери-
ментов на уроке позволяет рассмотреть закономерности процесса
познания, развить у учащихся научное мышление, сформировать ма-
териалистические убеждения.
Л.И.Резников в статье [141] подчеркивает значимость изуче-
ния фундаментальных опытов на уроке физики, отмечая при этом:
"классические эксперименты по физике, как и физические теории,
характеризуются не только тем, что они дают непосредственно, но
и тем, к каким новым опытам и идеям они приводят в дальнейшем,-
в этом их большая эвристическая сила. Показ особенностей фунда-
ментальных экспериментов в практике обучения физике представля-
ется очень важным" [141, с.41].
С.Л.Вольштейн, Н.Н.Иванова, С.В.Позойский, В.В.Усанов в
своем методическом пособии [174] обращают внимание на важную
функцию фундаментальных опытов на уроке физики,состоящую"в обо-
сновании основных теоретических положений, в формировании науч-
ной картины мира, в развитии познавательного интереса к физике,
в создании благоприятного фона на уроке и т.д."[174, с.9]. Ав-
торы рекомендуют "отмечать фундаментальный характер эксперимен-
тов, их место и роль в построении изучаемых физических теорий;
при описании хода эксперимента, процедурных аспектов указывать
связи опыта и теории, делать обобщенные выводы о результатах
- 19 -
эксперимента; придерживаться концепции цикличности преподавания
физики (от фактов к теории и от нее к практике)...;прослеживать
в системе знаний связь экспериментального факта с общей теоре-
тической идеей...; вскрывать политехническое значение фундамен-
тальных научных опытов; усилить воспитывающий характер обучения
при изучении фундаментальных экспериментов. Результаты опыта
довести до уровня мировоззренческих выводов и обобщений; отра-
зить деятельность ученого, проводившего фундаментальный экспе-
римент, в тесной связи с уровнем развития науки в данную исто-
рическую эпоху" [174, с.9-1О].
А.В.Прокопьев в своем диссертационном исследовании [139]
указывает на две возможности использования фундаментальных опы-
тов при изучении физики. Одна из них состоит в том, что "изуче-
ние отдельных тем должно начинаться с рассмотрения тех экспери-
ментов, результаты которых свидетельствуют о необходимости соз-
дания теории, их объясняющей"[139, с.88]."В других случаях изу-
чение частных теорий может начинаться с рассмотрения экспериме-
нтов, которые исторически, полностью, без всяких оговорок поло-
жили начало данным теориям" [139, с.89]. При этом фундаменталь-
ные эксперименты, в которых открыты новые явления, не объясняе-
мые существовавшей теорией, "должны рассматриваться в начале
изучения теории с целью дать первоначальные представления о но-
вой области явлений и обосновать необходимость их дальнейшего
изучения" [139, с.93]. Далее необходимо познакомить учащихся с
фундаментальными опытами, устанавливающими свойства новых явле-
ний, их количественные характеристики и закономерности,на осно-
ве которых "вводятся эмпирические законы и выдвигаются гипоте-
зы, объясняющие эти законы" [139, с.96]. На завершающем этапе
изучения теории, по мнению А.В.Прокопьева, следует рассмотреть
- 2О -
"эксперименты, подтверждающие правильность выводов и следствий
из созданных теорий и способствующие их общему признанию" [139,
с.33].
А.В.Прокопьев также подчеркивает огромное значение изуче-
ния фундаментальных опытов, которое состоит в сообщении новых
фактов, установлении и подтверждении связей между явлениями и
характеризующими их физическими величинами, введении эмпиричес-
ких законов, подтверждении основных положений теории, выделении
и объединении частных теорий в изучаемом материале"[139, с.1О9].
Большинство методистов склоняются к мнению, что непосредс-
твенная демонстрация фундаментальных экспериментов на уроке яв-
ляется наиболее эффективным способом их изучения.В системе уче-
бного физического эксперимента, предложенной Н.М.Шахмаевым и
В.Ф.Шиловым [189,с.1О],фундаментальным опытам по их роли и зна-
чимости отводится первое место.В то же время В.Н.Мощанским ста-
вится под сомнение сама возможность постановки фундаментальных
опытов на уроке физики: "Фундаментальные эксперименты, конечно,
невоспроизводимы в условиях обучения, поэтому единственный спо-
соб их обоснования - это исторический"[112, с.7О]. Заметим, что
напротив, фундаментальные опыты, а точнее их учебные варианты,
широко используются на уроке физики,например, при изучении эле-
ктромагнитной индукции (опыты Фарадея), внешнего фотоэффекта
(опыты Герца), дисперсии (опыты Ньютона) и т.д.Как считает О.Ф.
Кабардин "выполнение фундаментального опыта в демонстрационном
эксперименте преследует такие педагогические цели, как достиже-
ние понимания учащимися существа фундаментального опыта и его
результатов,роли данного эксперимента в системе физических зна-
ний,формирование на конкретных примерах представлений о соотно-
шении теории и практики в процессе познания. Поэтому все фунда-
- 21 -
ментальные эксперименты, постановка которых возможна в условиях
школьного кабинета физики, должны быть поставлены в качестве
демонстрационных опытов или самостоятельных лабораторных иссле-
дований школьников" [45, с.14]. В случае,когда современное обо-
рудование не позволяет воспроизвести на уроке реальный экспери-
мент, рекомендуется модельная демонстрация, или просмотр учеб-
ного диафильма, кинофильма, видеозаписи.
2. СИСТЕМА УЧЕБНОГО ФУНДАМЕНТАЛЬНОГО ФИЗИЧЕСКОГО
ЭКСПЕРИМЕНТА
2.1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЙ И ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ.
Физика относится к естественным наукам, ее цель состоит в соз-
дании модели реального мира, адекватно отражающей его закономе-
рности. Одним из основных методов познания, используемых в фи-
зических исследованиях, является эксперимент, выступающий в ка-
честве источника новых знаний и критерия истины. Эксперимент -
это "метод познания, при помощи которого в контролируемых и уп-
равляемых условиях исследуются явления действительности" [173,
c.792].Проблеме эксперимента и его роли в процессе познания ок-
ружающего мира уделялось внимание во многих работах [2O, 25,52,
118, 119, 18O]. По мнению М.А.Храмовича "научный эксперимент -
искусственно создаваемая система взаимосвязанных вещественных и
логических компонентов, предназначенная для изменения явлений
объективной действительности в относительно изолируемых и конт-
ролируемых условиях с непосредственной целью эмпирического поз-
нания"[18О, с.58].
Для методики преподавания физики огромный интерес пред-
ставляют размышления о фундаментальном эксперименте самих физи-
- 22 -
ков. Так, академик М.А.Марков пишет: "Вдумываясь в многочислен-
ные выступления о важности фундаментальных научных исследований
для технического процесса, интенсификации народного хозяйства,
иногда приходишь к выводу,что в какой-то степени потерялась яс-
ность самого эпитета,привычно прилагаемого к названным работам.
На мой взгляд, предметом их служат сущностные свойства и зако-
номерности в весьма глубоком смысле слова" [96, с.198-199]. "Но
история науки свидетельствует о том, что в конце концов резуль-
таты фундаментальных исследований не просто находят практичес-
кое применение, а оказывают кардинальное воздействие на техни-
ческий прогресс, революционизируют производство" [96, с.199].
Выдающийся физик Н.Г.Басов выделил следующие направления
развития физической науки:1."построение фундамента наших знаний
о природе, о закономерностях микромира, лежащего в его основе".
Эти исследования называются фундаментальными,они занимаются чи-
сто научными проблемами, связанными с открытием новых явлений,
законов, созданием новых теорий, объяснением известных и предс-
казанием неизвестных фактов. 2."Индустриализация физики",разви-
тие техники,технологии, прикладные исследования, обеспечивающие
дальнейший технический прогресс [9, с.341-357].
Близкой точки зрения придерживается один из самых выдающи-
хся экспериментаторов современности П.Л.Капица,который к фунда-
ментальным относил эксперименты по открытию электрона и изото-
пов Дж.Томсоном, электромагнитной индукции М.Фарадеем [52, с.
1О3, 112].
В соответствии с указанными выше мнениями исследователей-
физиков научные физические эксперименты по их целям и задачам
можно разделить на две группы:
- 23 -
1. Фундаментальный эксперимент. Его целью является изучение
явлений и установление законов природы. Задачи фундаментального
эксперимента заключаются в изучении основных свойств материи и
ее движения,физических явлений, функциональных зависимостей ме-
жду величинами, определении мировых констант. Примеры: опыты
Герца по фотоэффекту, опыты Столетова по изучению законов фото-
эффекта, измерение постоянной Планка.
2. Прикладной эксперимент. Его цель - использование дости-
жений физики в практической деятельности, задачи - разработка и
совершенствование методов измерения,определение нефундаменталь-
ных постоянных, создание новых технологий и техники. Примеры:
измерение плотности веществ, создание электроннолучевой трубки,
опыты Попова по радиосвязи, исследование работы трансформатора.
С целью уточнения понятия научного фундаментального экспе-
римента и его места в физической науке рассмотрим структуру
физической теории, предложенную И.В.Кузнецовым [64] и использу-
емую в работах А.И.Бугаева [18], Г.М.Голина [29], И.С.Карасовой
[53], В.В.Мултановского [113, 114], В.Г.Разумовского, А.И.Буга-
ева и Ю.И.Дика [125], А.А.Найдина [118] и др. В перечисленных
работах выделены следующие структурные компоненты:
1. Основание теории, включающее в себя эмпирический базис
(набор фактов - результаты наблюдений и экспериментов), идеали-
зированный объект (модель) и физические величины.
2. Ядро теории,объединяющее общие законы, выраженные в ма-
тематической форме, постулаты и принципы.
3. Выводы теории, включающие в себя объяснение известных и
предсказание неизвестных явлений, функциональные зависимости
между физическими величинами, использование полученных знаний в
практической деятельности.
- 24 -
Указанные выше авторы подчеркивают, что далеко не всегда
формирование ядра теории и следствий начинается после появления
законченного основания. Часто выводы теории предсказывают явле-
ния, еще не открытые экспериментально, в этом случае проводится
эксперимент, результаты которого образуют расширенный базис те-
ории.
Заметим, что термин фундаментальный (от латинского funda-
mentum - основной, главный,составляющий основу) как нельзя луч-
ше подходит к экспериментам,результаты которых составляют эмпи-
рический базис, лежащий в основании физической теории. Подобной
точки зрения придерживаются В.Г.Разумовский,А.И.Бугаев, Ю.И.Дик
и другие авторы [125,с.3О8], указывающие, что к фундаментальным
относятся эксперименты, составляющие эмпирический базис,подтве-
рждающие справедливость теории, позволяющие определить фундаме-
нтальные константы. При этом под эмпирическим базисом понимает-
ся "ограниченное число тех экспериментальных положений, которые
ближе всего подводят к абстракции-обобщению" [125, с.81]. Зна-
чение фундаментальных экспериментов в формировании эмпирическо-
го базиса теории подробно рассмотрено в диссертации А.В.Про-
копьева [139, с.42-62]. Таким образом, фундаментальными следует
считать эксперименты, результаты которых положены в основание и
составляют эмпирический базис теории [87].
2.2. УЧЕБНЫЕ ВАРИАНТЫ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ОПЫТОВ И ИХ МЕСТО В
СИСТЕМЕ УЧЕБНОГО ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА. Научными фундамента-
льными экспериментами являются опыты, поставленные с целью поз-
нания основных свойств материи и ее движения,результаты которых
составляют эмпирический базис физики.Однако, кроме научного су-
ществует учебный физический эксперимент, используемый в процес-
- 25 -
се обучения, в котором также выделяют группу фундаментальных
опытов.
Будем различать учебный физический эксперимент в широком и
узком смысле слова. Под учебным экспериментом в узком смысле
будем понимать отдельный физический опыт, то есть "воспроизве-
дение с помощью специальных приборов физического явления (реже
- использования его на практике) на уроке в условиях, наиболее
удобных для его изучения"[18, с.154].
Как показал Л.И.Анциферов в [3], совокупность учебных опы-
тов образует систему взаимосвязанных компонентов, обладающую
принципиально новыми интегративными свойствами.Эта система уче-
бных опытов, как указывают В.Г.Разумовский, А.И.Бугаев, Ю.И.Дик
и др., "представляет собой взаимосвязанную совокупность важней-
ших опытных фактов (элементов содержания),экспериментальных ме-
тодов физики (включая технические средства: приборы, материалы,
установки, аудиовизуальные средства), видов эксперимента и ор-
ганизационных форм обучения,воспитания и развития учащихся, со-
ответствующих ведущей концепции методики преподавания физики"
[125, с.3О5-3О7]. Ее будем называть учебным экспериментом в ши-
роком смысле.
Л.И.Анциферов отмечает три аспекта,по которым учебный экс-
перимент отличается от научного [3, с.35]: задачи, условия, де-
ятельность. В самом деле, научный физический эксперимент прово-
дится с целью установления объективной истины, обеспечивающей
дальнейшее развитие науки и производства, его постановка всегда
уникальна, связана с использованием специфичного оборудования,
не ограничена какими-то материальными или временными рамками.
Учебный опыт является источником знаний учащихся и проводится с
целью установления субъективной истины, в типовых условиях, оп-
- 26 -
ределяемых материальными возможностями учебного заведения и
временными возможностями урока.
Подобно тому, как школьный учебник физики является отраже-
нием современного состояния физической науки, систему учебных
опытов можно считать проекцией,слепком с научного эксперимента.
В этом случае деление научных физических экспериментов на фун-
даментальные и прикладные соответствует выделению учебных вари-
антов фундаментальных и прикладных экспериментов или короче
учебных фундаментальных и учебных прикладных опытов. Последние
нередко отождествляют с политехническими.
1. Учебный фундаментальный эксперимент в широком смысле -
совокупность учебных вариантов фундаментального научного экспе-
римента, разработанных применительно к условиям обучения, резу-
льтаты которых составляют эмпирический базис изучаемого раздела
физики. Н.М.Шахмаев и В.Ф.Шилов подчеркивают, что фундаменталь-
ные опыты "создадут необходимую экспериментальную базу для изу-
чения физики. Опираясь на эти опыты, можно четко и непротиворе-
чиво изложить курс современной физики"[189, с.8]. При этом, как
считает В.Г.Разумовский,"в учебном курсе фундаментальные опыты
не обязательно должны воспроизводить опыты, которые являются
фундаментальными исторически" [14О, с.16].
2. Учебный прикладной эксперимент в широком смысле - сово-
купность учебных вариантов прикладного научного эксперимента,
показывающих технические приложения физической науки, использо-
вание явлений природы в практической деятельности человека, ме-
тоды измерения нефундаментальных констант. Использование прик-
ладных экспериментов позволяет реализовать принцип политехниза-
ции при обучении физике более полным образом.
- 27 -
2.3. СИСТЕМНОСТЬ УЧЕБНОГО ФУНДАМЕНТАЛЬНОГО ФИЗИЧЕСКОГО ЭК-
СПЕРИМЕНТА. Решение проблемы учебного фундаментального экспе-
римента требует комплексного рассмотрения всех видов учебных
физических опытов и связей между ними, представления исследуе-
мого объекта как системы взаимосвязанных компонентов, что сос-
тавляет сущность системного подхода. "Системный подход отказы-
вается от односторонне аналитических, линейно-причинных методов
исследования и основной акцент делает на анализе целостных ин-
тегративных свойств объекта, выявлении его различных связей и
структуры" [143, с.5].
В изученных нами работах по основам системного анализа [15,
16, 99,137, 143, 161] показано, что исследуемый объект является
системой, если существует метод, позволяющий разделить его на
конечное число элементов,между которыми действует непустое мно-
жество отношений.
Совокупность учебных фундаментальных экспериментов может
быть разделена на группы опытов, например, по принципу принад-
лежности к различным разделам физики: опыты по механике, опыты
по оптике, опыты по квантовой физике и т.д. Каждая группа опы-
тов делится на более мелкие подгруппы: учебный эксперимент по
оптике, например, включает в себя опыты по геометрической и во-
лновой оптике. В то же время различные учебные опыты взаимосвя-
заны друг с другом. Это проявляется в том, что каждый опыт де-
монстрирует не одно, а целый ряд явлений, часто из совершенно
различных разделов физики. Постановка разных опытов требует ис-
пользования одинаковых приборов, материалов, экспериментальных
методов. Разработка методики проведения одного опыта создает
- 28 -
предпосылки для совершенствования других экспериментов.Следова-
тельно,учебный фундаментальный экспермент по физике должен быть
отнесен к системам.
В указанных выше работах по системному анализу перечислены
основные признаки систем: целостность, структурность, взаимоза-
висимость системы и среды, иерархичность, множественность опи-
сания. Л.И.Анциферов в своем диссертационном исследовании дока-
зал, что совокупности школьных физических экспериментов присущи
все основные свойства систем [3]. Покажем, что перечисленные
выше признаки характерны и для системы учебного фундаментально-
го эксперимента.
1. Целостность: несводимость свойств системы (целого) к
сумме свойств составляющих ее элементов (частей).
Представим такое разбиение системы учебного фундаменталь-
ного эксперимента, при котором ее элементами являются отдельные
опыты. Каждый опыт сам по себе не может рассматриваться как до-
казательство физической теории, однако система учебного фунда-
ментального эксперимента в целом позволяет сформировать в соз-
нании учащихся эмпирический базис и тем самым обосновать основ-
ные положения изучаемой теории.
2. Структурность: наличие структуры,то есть непустого мно-
жества отношений между элементами.
Действительно,элементы системы учебного физического экспе-
римента взаимосвязаны между собой: электронные и оптические ме-
тоды исследования используются при изучении механических явле-
ний, количественный эксперимент сопровождается качественным, в
любом опыте происходит несколько явлений из совершенно различ-
ных областей физики и т.д.
- 29 -
3. Взаимозависимость системы и среды: любая система пред-
ставима в виде подсистемы, являющейся элементом более широкой
системы, называемой средой.
В данном случае средой является система учебного физичес-
кого эксперимента, включающая в себя кроме учебного фундамента-
льного эксперимента систему учебных прикладных опытов. Связь со
средой проявляется, например, в том, что уровень развития учеб-
ного фундаментального эксперимента во многом определяет дидак-
тические качества прикладных опытов и системы учебного экспери-
мента в целом.
4. Иерархичность: система представима в виде совокупности
элементов, имеющих иерархическую структуру, в которой каждый
элемент K-ого ранга делится на несколько элементов (K+1)-ого
ранга, несвязанных между собой в рамках данного разбиения. Воз-
можность такого деления системы учебного фундаментального экс-
перимента показана выше.
5. Множественность описания: исследуемая система в зависи-
мости от поставленной задачи и способа ее решения, может быть
разбита на элементы не одним, а множеством способов.
В самом деле, кроме рассмотренного выше деления системы
учебного фундаментального физического эксперимента по разделам
физики возможно разбиение в хронологическом порядке, по форме
проведения,по уровню сложности, по темам, по используемому обо-
рудованию и т.д.
Все это доказывает, что совокупность учебных фундаменталь-
ных опытов по физике образует сложный полиструктурный объект,
которому присущи все основные признаки систем, поэтому она яв-
ляется системой и называется в дальнейшем системой учебного фу-
ндаментального эксперимента.
- 3О -
2.4. СТРУКТУРА СИСТЕМЫ УЧЕБНОГО ФУНДАМЕНТАЛЬНОГО ФИЗИЧЕС-
КОГО ЭКСПЕРИМЕНТА. Системное исследование объекта состоит в оп-
ределении его структурных и функциональных компонентов (совоку-
пности составляющих элементов и множества отношений между ними),
и построении модели объекта,адекватно описывающей его поведение
в рамках решаемой задачи. Анализ изучаемой системы фактически
сводится к ее расчленению на компоненты на основании некоторого
существенного признака.
Система учебного фундаментального физического эксперимента,
как и любой другой полиструктурный объект сложна, многогранна и
поэтому делима множеством способов на множество элементов, сос-
тоящих друг с другом в определенных отношениях. Учесть все эле-
менты и связи между ними в силу их многообразия не представляе-
тся возможным, однако, при решении конкретной проблемы это и не
нужно, так как в этом случае является существенным ограниченный
круг аспектов. Рассматривая определенную задачу, можно пренеб-
речь некоторыми элементами и связями, значимость которых в ус-
ловиях данной ситуации мала. В результате получится модель ис-
следуемой системы.
В систему учебного фундаментального эксперимента входят
опыты, результаты которых лежат в основании изучаемой теории.
Поэтому для определения структуры и содержания учебного фунда-
ментального эксперимента необходимо выяснить,какие элементы те-
ории требуют экспериментального обоснования.
Реальные исследования в любой области физики начинаются с
открытия совершенно новых или теоретически предсказанных явле-
ний, при этом явление считается открытым, если поставлен экспе-
римент или выполнено наблюдение, доказывающие его существование.
Аналогично, в учебном процессе изучение физических теорий долж-
- 31 -
но включать в себя рассмотрение экспериментальных фактов, дока-
зывающих существование соответствующих явлений.
Следующий этап познания или изучения явления природы сос-
тоит в установлении функциональных зависимостей между характе-
ризующими явление физическими величинами. Безусловно, значение
теоретических рассуждений при этом велико, однако доказательст-
вом того, что данная функциональная зависимость действительно
имеет место, по-прежнему остается эксперимент.
Знания явлений и зависимостей между характеризующими их
величинами недостаточны для полного построения физической тео-
рии. Для этого необходимы фундаментальные константы,то есть по-
стоянные, дающие информацию о наиболее общих, основополагающих
свойствах материи [153, с.38]. К ним относятся скорость света в
вакууме, гравитационная постоянная, постоянные Планка, Больцма-
на, заряд электрона и другие.
Итак, основание теории должно включать экспериментальные
доказательства существования физических явлений, функциональных
зависимостей и методы определения фундаментальных констант. Ис-
ходя из этого, система учебного фундаментального физического
эксперимента может быть разделена по содержательному признаку
на подсистемы феноменологического, функционального и констант-
ного экспериментов [87].
1. Феноменологическими будем называть учебные эксперименты,
результаты которых доказывают существование физических явлений.
Примеры: демонстрации электростатического взаимодействия
заряженных тел, электромагнитной индукции, отражения, преломле-
ния, дисперсии.
- 32 -
2. Функциональными следует называть учебные эксперименты,
позволяющие изучить функциональные зависимости между физически-
ми величинами.
Примеры: экспериментальное изучение законов Архимеда, Ку-
лона, Ома и др.
3. Константными будем называть учебные эксперименты, поз-
воляющие изучить методы измерения фундаментальных физических
констант.
Примеры: измерение скорости света,заряда электрона, посто-
янной Планка.
Отметим, что термины феноменологический и функциональный
впервые были использованы В.Г.Разумовским для характеристики
школьных демонстрационных опытов [14O, с.88], и мы полагаем це-
лесообразным распространить соответствующие им понятия на учеб-
ные физические эксперименты.
Итак, система учебного фундаментального эксперимента - со-
вокупность опытов, составляющих эмпирический базис изучаемого
раздела физики, то есть доказывающих существование физических
явлений, функциональных зависимостей между их характеристиками
и позволяющих изучить методы измерения фундаментальных физичес-
ких констант рассматриваемых в данном разделе. Структуру систе-
мы учебного фундаментального эксперимента и его место в системе
учебного физического эксперимента можно представить следующим
образом.
- 33 -
3. УЧЕБНЫЙ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
ПО ВОЛНОВОЙ ФИЗИКЕ
3.1. ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВ ВОЛНОВОЙ ФИЗИКИ В ШКОЛЕ. Волновая фи-
зика - раздел физической науки,изучающий основные явления и за-
кономерности волнового движения независимо от его природы.Прин-
цип оптимизации обучения требует систематизации учебного мате-
риала, выделения главных, наиболее существенных элементов изу-
чаемого раздела физики. Выделим основные структурные элементы:
основание, ядро и выводы волновой физики,рассматриваемой в объ-
еме базового курса и факультативных занятий средней школы:
1. ОСНОВАНИЕ волновой физики включает в себя:
- эмпирический базис, объединяющий результаты феноменоло-
гических, функциональных и константных экспериментов, таких как
демонстрация отражения волн, экспериментальное изучение законов
преломления, измерение скорости света,
- основные понятия: волна, волновая поверхность, длина во-
лны, частота, фаза, амплитуда, скорость распространения волны,
- модели: гармоническая волна, волновой цуг.
- 34 -
2. ЯДРО волновой физики содержит:
- принципы симметрии, сохранения, суперпозиции, принцип
Гюйгенса-Френеля, принцип Ферма,
- законы прямолинейного распространения волны в однородной
среде, отражения, преломления, условия максимумов и минимумов
при интерференции и другие.
3. ВЫВОДЫ волновой физики:
- объяснение явлений известных учащимся: появление радуги,
распространение,отражение и преломление волны и т.д.,
- объяснение явлений неизвестных учащимся: полное внутрен-
нее отражение, дисперсия волн, кольца Ньютона и т.д.,
- использование результатов теории в практической деятель-
ности: радио и эхолокация, оптические приборы, просветление оп-
тики и т.д.
Анализ современных учебных программ [138] и в первую оче-
редь программы общеобразовательной школы [138, с.5-39] позволя-
ет определить содержание и место волновой физики в структуре
школьного курса. Впервые с основами теории волн учащиеся встре-
чаются в 9 классе при изучении темы "Механические колебания и
волны"(1О ч.). Они знакомятся с понятиями волны, периода, час-
тоты, длины волны, скорости ее распространения, изучают явления
излучения и распространения механических волн, переноса волной
энергии, отражения волн. Программа предполагает обязательную
постановку следующих демонстрационных экспериментов: колеблюще-
еся тело как источник звука, образование и распространение по-
перечных и продольных волн, зависимость длины волны от частоты
колебаний, зависимость громкости звука и высоты тона от ампли-
туды и частоты колебаний, акустический резонанс, применения
ультразвука.
- 35 -
В 11 классе учащиеся рассматривают закономерности волново-
го движения при изучении темы "Электромагнитные волны" (3О ч.).
При этом вводятся понятия энергии волны, фазы, волновой поверх-
ности, рассматриваются явления отражения, преломления, интерфе-
ренции, дифракции, дисперсии,поляризации. Учащиеся знакомятся с
принципом Гюйгенса, законами преломления, отражения, условиями
минимумов и максимумов при интерференции и дифракции. Предпола-
гается обязательная демонстрация излучения, отражения,преломле-
ния,интерференции,дифракции, поляризации электромагнитных волн,
полного отражения света, интерференции, дифракции света, разло-
жения в спектр, законов отражения и преломления, существования
и свойств инфракрасного и ультрафиолетового излучений, зависи-
мости интенсивности света от расстояния до точечного источника.
При экспериментальном изучении волновых явлений и законо-
мерностей широко используются учебные опыты, разработанные
Я.Е.Амстиславским [2], М.Н.Башкатовым и Ю.Ф.Огородниковым [1О],
Б.С.Зворыкиным и А.А.Покровским [35], Н.М.Маркосовой [97], Н.Я.
Молотковым [1О7, 1О8, 1О9, 11О, 111], Б.Ш.Перкальскисом [128,
129], Н.М.Шахмаевым [184, 185, 187, 188, 189] и другими автора-
ми.
3.2. ДИДАКТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭМПИРИЧЕСКОГО БАЗИСА ВОЛНОВОЙ
ФИЗИКИ. Содержание учебного физического эксперимента с одной
стороны должно отражать современный уровень физики, а с другой
- соответствовать целям и задачам образования,методическим тре-
бованиям. Изучение монографий [17], [36], [43], [57],[61],[93],
[94], [175], учебных пособий [19],[69],[132],[133],[134],[147],
[166], методических пособий [3О], [1ОО], [1О1], [1О2], [1О3],
- 36 -
[125], [149], [15О],школьных учебников [56], [117],[144],[186],
[19О], факультативных курсов [48], [49], [5О] позволило основ-
ные явления волновой физики, выделенные в [73, с.68-69],объеди-
нить в группы. Такое структурирование произведено нами следую-
щим образом [88].
1. Изучение волнового движения естественно начать с явле-
ний, обусловленных существованием гармонической волны в среде,
свободной от препятствий. Под препятствием для волны понимают
объекты, свойства которых резко отличаются от свойств среды,на-
пример, они имеют иное волновое сопротивление. Эта группа явле-
ний объединяет излучение, распространение, затухание (поглоще-
ние) и явление Доплера.
2. Следующая по сложности совокупность явлений волновой
физики связана с существованием нескольких гармонических волн в
свободной среде. К этим явлениям следует отнести интерференцию
волн, перенос энергии группой волн, а также дисперсию волн.При-
надлежность интерференции ко второй группе обусловлена тем,что
это явление происходит при наложении двух или более волн. Пе-
ренос энергии волной на первый взгляд ближе к распространению,
однако это два различных процесса,протекание которых характери-
зуется различными скоростями. Для чисто гармонической волны,ес-
ли бы она существовала, явление распространения должно было бы
иметь место,однако переносить энергию гармоническая волна прин-
ципиально не в состоянии. Перенос энергии волной обусловлен ее
негармоничностью, поэтому изучение этого явления предполагает
рассмотрение группы волн.
3. Еще одна группа основных явлений волновой физики опре-
деляется распространением волны в среде с препятствиями. К ней
- 37 -
относятся явления отражения, преломления, давления и дифракции
волн.
Исходя из этой классификации, нами построена дидактическая
модель эмпирического базиса волновой физики, включающая в себя
факты, доказывающие существование основных явлений,функциональ-
ных зависимостей, и методы измерения фундаментальных физических
констант. В нее не вошли опыты по поляризации, так как соответ-
ствующее явление имеет место лишь для поперечных волн и поэтому
менее фундаментально для волновой физики в целом, чем,например,
дисперсия и отражение, присущие всем видам волн без исключения.
Отбор функциональных зависимостей, экспериментальное подт-
верждение которых входит в эмпирический базис волновой физики,
произведен исходя из содержания современных школьных программ
изучения физики [138]. Так функциональные зависимости 1.1, 2.1,
2.2, 5.1, 6.1, 8.1, 9.1, 9.2, 1О.1 и константный эксперимент
6.1.1 изучаются в базовом курсе физики [138, с.6-39], [117, с.
66-13О], [19О, с.8О-151]. В классах с углубленным изучением фи-
зики, на факультативных занятиях рассматривают функциональные
зависимости 2.3, 4.1, 5.2 [138, с.162-173],[5О],[3О, с 63-13О].
Зависимости интенсивности волны от расстояния, пройденного вол-
ной в поглощающей среде 3.1, фазовой скорости и коэффициента
поглощения от частоты волны и свойств среды 3.2, 7.1 и 7.2 в
настоящее время в школе не изучаются, однако рассматриваются,
например, в учебнике [198, с.57-58;13О-136]. Зависимость давле-
ния от плотности энергии волны 11.1 не упоминается ни в одном
из доступных нам учебников, но сама логика теории волн требует
ее изучения хотя бы на качественном уровне, поэтому соответст-
вующие учебные эксперименты необходимы.
- 38 -
---------------------------------------------------------------
ДИДАКТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭМПИРИЧЕСКОГО БАЗИСА ВОЛНОВОЙ ФИЗИКИ
---------------------------------------------------------------
Ф У Н Д А М Е Н Т А Л Ь Н Ы Й Э К С П Е Р И М Е Н Т
---------------------------------------------------------------
ФЕНОМЕНОЛО-¦ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ¦ КОНСТАНТНЫЙ
ГИЧЕСКИЙ ¦ ---------------------------
-------------+-------------------------------------------------
1. Излучение¦ 1.1. Зависимость интенсивности волны от колеба-
¦ тельных параметров источника
¦ 1.2. Зависимость интенсивности волны от свойств
¦ среды
-------------+-------------------------------------------------
2. Распрост-¦ 2.1. Зависимость интенсивности сферической вол-
ранение ¦ ны от расстояния до точечного источника
¦ 2.2. Зависимость длины волны от частоты при по-
¦ стоянной скорости распространения
¦ 2.3. Зависимость времени распространения волны
¦ от траектории
-------------+-------------------------------------------------
3. Затухание¦ 3.1. Зависимость интенсивности волны от расстоя-
¦ ния, пройденного волной в поглощающей среде
¦ 3.2. Зависимость коэффициента поглощения от час-
¦ тоты волны и свойств среды
-------------+-------------------------------------------------
4. Явление ¦ 4.1. Зависимость доплеровского смещения частоты
Доплера ¦ от скорости движения источника и приемника
-------------+-------------------------------------------------
5. Интерфе- ¦ 5.1. Зависимость результата интерференции от ра-
ренция ¦ зности хода между интерферирующими волнами
¦ 5.2. Зависимость интерференционного распределе-
¦ ния интенсивности от степени когерентности
¦ волн
-------------+-------------------------------------------------
6. Перенос ¦ 6.1. Зависимость рас-¦ 6.1.1. Измерение группо-
энергии ¦ стояния, прохо-¦ вой скорости волны
¦ димого волной в ---------------------------
¦ однородной среде, от времени распростране-
¦ ния волны
¦ 6.2. Зависимость скорости переноса энергии вол-
¦ ной от свойств среды
-------------+-------------------------------------------------
7. Дисперсия¦ 7.1. Зависимость фазовой скорости волны от час-
¦ тоты
¦ 7.2. Зависимость фазовой скорости от свойств
¦ среды
-------------+-------------------------------------------------
8. Отражение¦ 8.1. Зависимость угла отражения волны от угла
¦ падения
-------------+-------------------------------------------------
9. Преломле-¦ 9.1. Зависимость угла преломления от угла паде-
ние ¦ ния
¦ 9.2. Зависимость угла преломления от отношения
¦ фазовых скоростей волн в граничащих средах
-------------+-------------------------------------------------
1О. Дифракция¦ 1О.1.Зависимость дифракционной картины от длины
¦ волны, характерных размеров препятствия и
¦ расстояния до области наблюдения
-------------+-------------------------------------------------
11. Давление ¦ 11.1.Зависимость давления от плотности энергии
¦ волны
-------------+-------------------------------------------------
- 39 -
В волновой физике рассматривают единственную фундаменталь-
ную константу - скорость распространения электромагнитных волн
в вакууме. Поэтому константным экспериментом в данном случае
является эксперимент, позволяющий измерить скорость света в ва-
кууме. Поскольку этот эксперимент малодоступен, вместо него в
качестве модельного может быть использован опыт по измерению
групповой скорости, например, звуковой волны в воздухе.
Подчеркнем, что нами выявлено полное содержание эмпиричес-
кого базиса волновой физики, соответствующее современным учеб-
ным программам, пособиям и факультативным курсам. Это вовсе не
означает, что все указанные в дидактической модели эмпирическо-
го базиса эксперименты обязательно должны быть поставлены на
уроках физики. С небольшими оговорками мы согласны с мыслью,
высказанной А.В.Прокопьевым: "нет необходимости включать в уче-
бный материал для рассмотрения в школе все фундаментальные экс-
перименты, имевшие место в физической науке, поскольку изучение
эксперимента принесет пользу только тогда, когда его результаты
будут связаны с изучаемой теоретической концепцией"[139, с.72].
То есть в каждом конкретном случае учитель физики,исходя из из-
учаемой теории, целей и задач обучения, способностей учащихся,
учебного времени, имеющегося оборудования может самостоятельно
определить объем и содержание системы учебного фундаментального
эксперимента. Однако следует иметь в виду, что уменьшение коли-
чества учебных опытов, как, в частности, показал описанный в
третьей главе настоящей диссертации констатирующий эксперимент,
приводит к снижению уровня сформированности эмпирического бази-
са волновой физики.
Для оценки уровня сформированности эмпирического базиса
необходимо выработать определенные критерии. Будем считать, что
- 4О -
эмпирический базис изучаемой теории полностью сформирован, если
учащийся способен описать а) условия, б) результат и в) провес-
ти анализ опытов, доказывающих существование основных явлений,
функциональных зависимостей и позволяющих измерить фундаменталь-
ные константы. Таким образом,степень сформированности эмпириче-
ского базиса волновой физики характеризуется и может быть опре-
-------------------------------------------------------------
ДИДАКТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ УСВОЕННОСТИ
ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
-------------------------------------------------------------
Уро-¦ Характер ¦ Характеристика знаний
вень¦ изучения ¦ учащегося
----+------------------+-------------------------------------
О ¦ В школе опыт не ¦ Учащийся не имеет никаких представ-
¦ изучался ¦ лений о данном опыте
----+------------------+-------------------------------------
1 ¦ Учитель сообщил, ¦ Учащийся знает, что данный опыт был
¦ что подтверждаю- ¦ поставлен и, следовательно, изучае-
¦ щий теорию опыт ¦ мая теория им подтверждается, но не
¦ был поставлен ¦ знаком с сущностью опыта
----+------------------+-------------------------------------
2 ¦ Выполнено теоре- ¦ Учащемуся известны условия и резуль-
¦ тическое изуче- ¦ тат опыта, из них он умеет выводить
¦ ние эксперимента ¦ следствия, обосновывать теорию, од-
¦ в полном объеме ¦ нако самого эксперимента он не видел
¦ ¦ и не выполнял, он просто верит полу-
¦ ¦ ченной информации
----+------------------+-------------------------------------
3 ¦ Осуществлено экс-¦ Учащийся убежден, что имеет экспери-
¦ периментальное ¦ ментальное доказательство существо-
¦ изучение явления¦ вания данного явления или зависимос-
¦ в полном объеме,¦ ти потому, что он выполнял или наб-
¦ то есть выполнен¦ людал выполнение эксперимента и пол-
¦ эксперимент и те-¦ ностью владеет им, то есть детально
¦ оретически объяс-¦ знает условия, результат и проводит
¦ нен его результат¦ анализ эксперимента
----+------------------+-------------------------------------
делена по уровню усвоения фундаментальных экспериментов, пере-
численных в дидактической модели эмпирического базиса (с.38).
Нами разработана следующая дидактическая модель усвоеннос-
ти физического эксперимента.
При построении этой модели мы исходили из того, что теоре-
тическое изучение физического эксперимента,безусловно, приводит
- 41 -
к усвоению учащимися условий, результата опыта, однако полное
понимание эксперимента требует его выполнения учащимися. Будем
различать два типа участия в выполнении физического опыта: пас-
сивное, когда учащиеся наблюдают за демонстрацией эксперимента
учителем, и активное, при котором они более или менее самостоя-
тельно проводят эксперимент. Итак, для наиболее полного форми-
рования эмпирического базиса волновой физики необходимо актив-
ное или пассивное участие учащихся в постановке фундаментальных
опытов, а значит требуется разработанная система учебного фун-
даментального эксперимента по волновой физике.
3.3. ВОЗМОЖНОСТЬ, НЕОБХОДИМОСТЬ И ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ ИСПОЛЬ-
ЗОВАНИЯ СИСТЕМЫ ФУНДАМЕНТАЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА. Изучение и ана-
лиз научной, учебной и методической литературы показали, что в
настоящее время учебные варианты фундаментальных опытов волно-
вой физики разработаны недостаточно. В принципе такие экспери-
менты могут быть поставлены с использованием различных видов
волн. В учебном эксперименте широко используются волны на по-
верхности жидкости, звуковые волны, радиоволны и световые волны.
Отметим, что возможность и целесообразность применения каждого
из перечисленных видов волн различна и определяется рядом объ-
ективных факторов. К ним относятся теоретическая сложность,
практическая значимость рассматриваемого вида волнового движе-
ния, наличие и материальная доступность оборудования, необходи-
мого для регистрации и измерения параметров волн, отвечающего
дидактическим требованиям.
Наиболее простыми для теоретического изучения являются
звуковые и ультразвуковые волны, имеющие в то же время большое
политехническое значение. С точки зрения общефизической и прак-
тической значимости изучение электромагнитных волн является не
- 42 -
менее, если не более важным. Волны на поверхности жидкости мало
используются на практике, их теория довольно сложна, поэтому
экспериментальное изучение этих волн представляется менее суще-
ственным.
Наличие необходимого оборудования для регистрации и изме-
рения параметров волны в учебном эксперименте во многом опреде-
ляется частотой, скоростью и длиной волны. В табл.1.2 (Приложе-
ние 1) указан порядок величин частоты, длины волны, скорости
распространения используемых в учебном эксперименте волн разной
природы, а также перечислены учебные приборы, предназначенные
для измерения данных величин.
В учебном физическом эксперименте используются радиоволны
сантиметрового, дециметрового и метрового диапазонов. Излучение
радиоволн на различных частотах и измерение параметров связано
с использованием достаточно сложного и часто недоступного обо-
рудования, что существенно ограничивает их область применения в
учебных опытах. В школьном эксперименте электромагнитные волны
радиочастоты в основном применяют в опытах с искровым излучате-
лем,выдающим целый спектр частот, и с генератором сантиметровых
волн, работающим на фиксированной частоте 1О ГГц. Высокая час-
тота и скорость распространения существенно осложняют измерение
скорости электромагнитных волн, изучение эффекта Доплера и про-
ведение других экспериментов, делая их постановку в школе прак-
тически невозможной.
Основные параметры световых волн также находятся далеко за
пределами школьной измерительной техники, что существенно сужа-
ет круг фундаментальных экспериментов, постановка которых воз-
можна.Определенным преимуществом является то, что световые вол-
ны в отличие от радиоволн,непосредственно воздействуют на орга-
- 43 -
ны чувств человека,что позволяет ряд опытов (демонстрация отра-
жения, преломления, интерференции и т.д.) провести без исполь-
зования соответствующих индикаторов.
Волны на поверхности жидкости имеют такие частоту,скорость
и длину волны,что могут наблюдаться непосредственно. С их помо-
щью возможна постановка практически всех феноменологических
экспериментов, однако отсутствие измерителей их параметров де-
лает невозможной постановку функциональных опытов, даже если бы
она была оправдана в методическом смысле. В то же время волны
на поверхности жидкости возбуждаются в широком диапазоне частот
и легко наблюдаются, что позволило им найти широкое применение
в модельных демонстрациях.
Наиболее полно требованиям учебного эксперимента удовлет-
воряют звуковые волны. Частота слышимого звука легко измерима с
помощью частотомера или осциллографа. Динамик, подключенный к
школьному генератору звуковых волн, позволяет возбудить звук
регулируемой интенсивности на различных частотах. Измерение фа-
зы осуществимо с помощью фазометра или осциллографа, например,
методом фигур Лиссажу. Скорость распространения звука в воздухе
сравнительно невелика, и может быть измерена осциллографом или
электронно-цифровым секундомером.
Ультразвуковые волны с точки зрения их использования в
учебном физическом эксперименте также имеют ряд недостатков по
сравнению со слышимым звуком. Самый главный из них состоит в
том,что для опытов с ультразвуком необходимы пьезоэлектрические
или магнитострикционные излучатели, имеющие высокую добротность
и узкий резонанс, что позволяет возбуждать ультразвуковые волны
только на их резонансных частотах. Кроме того, эти излучатели
гораздо менее доступны, чем акустические динамик и микрофон.
- 44 -
Итак, проведенный анализ видов волн и методов их экспери-
ментального изучения показал, что с точки зрения теоретической
простоты, практической значимости, материальной доступности и
соответствия современным дидактическим требованиям наиболее це-
лесообразным для формирования эмпирического базиса волновой фи-
зики является использование учебного эксперимента со звуковыми
волнами. Изучив основные явления и функциональные зависимости
волновой физики со звуковыми волнами, частично можно показать,
что аналогичные явления присущи и электромагнитному излучению,
что будет являться обоснованием его волновой природы. В итоге
такого изучения достаточно обоснованным будет восприниматься
учащимися перенос на электромагнитное излучение (световые и ра-
диоволны) всех явлений и функциональных зависимостей волновой
физики. Учебные опыты с волнами на поверхности воды при этом
выполняют функцию модельных демонстраций, способствующих созда-
нию наглядных образов.
Аналогичный вывод сделан в исследовании Е.С.Агафоновой [1],
в котором убедительно показано, что именно акустика позволяет
наиболее полно и последовательно изучить основы физики волн.
Главная идея этой работы заключается в том, что для введения и
формирования обобщенных понятий волнового движения необходимо
использовать различные методы визуализации волновых полей. Эта
идея позволила автору предложить безупречные в методическом от-
ношении учебные опыты по интерференции, дифракции и явлению До-
плера. Однако остальные явления обеспечены учебным эксперимен-
том в меньшей или в недостаточной степени. Особенно сказанное
относится к экспериментам, подтверждающим функциональные зави-
симости между физическими величинами. Отсутствует учебный вари-
ант константного эксперимента. Это вполне объяснимо, так как в
- 45 -
исследовании [1] не ставилась задача создания системы фундамен-
тальных экспериментов по волновой физике.
Подробный анализ недостатков известных учебных опытов со
звуковыми волнами проводится во второй главе диссертации при
рассмотрении конкретных экспериментов, здесь же кратко отметим
только некоторые проблемы, решение которых, наряду с другими,
обусловило необходимость настоящего диссертационного исследова-
ния.
Изучая явление распространения, важно показать учащимся,
что волны действительно распространяются, то есть переносят ко-
лебания от точки к точке среды. Поглощение волн тесно связано с
дисперсией, и при изучении этих явлений необходим эксперимент,
показывающий закономерности волнового движения в диспергирующих
средах. Демонстрация явления Доплера, описанная в [1], не поз-
воляет, однако, провести количественный эксперимент и нуждается
в разработке альтернативных вариантов. При изучении интерферен-
ции ограничение исключительно синусоидальными волнами не обес-
печивает формирование эмпирического базиса в полном объеме, так
как исключает из рассмотрения важный в научном и практическом
смыслах случай интерференции цугов волн. Неудовлетворительным
остается эксперимент по преломлению звуковых волн. Кроме того,
вообще не обеспечен учебным экспериментом принцип Ферма,относя-
щийся к немногим общефизическим принципам. Наконец, отсутствуют
учебные эксперименты,позволяющие непосредственно измерить груп-
повую скорость звуковой волны.
Гипотеза настоящего исследования состоит в том, что разра-
ботка методики экспериментального изучения перечисленных выше
явлений на примере звуковых волн делает возможным создание не-
обходимой и целесообразной в учебном процессе системы учебных
- 46 -
фундаментальных экспериментов по волновой физике, обеспечиваю-
щей наиболее полное формирование эмпирического базиса теории
волн.
Доказательство справедливости сформулированной гипотезы
сводится к подтверждению следующих положений.
1. ВОЗМОЖНОСТЬ создания полной, замкнутой,логически непро-
тиворечивой системы учебного фундаментального эксперимента по
волновой физике со звуковыми волнами.
Подтверждение возможности создания системы фундаментальных
опытов по волновой физике требует разработки, проведения и опи-
сания учебных опытов,составляющих данную систему. Методика фун-
даментального эксперимента по волновой физике со звуковыми вол-
нами подробно изложена во второй главе настоящего исследования,
описание устройства и работы нового оборудования приведено в
Приложении 2.Для доказательства полноты, замкнутости и логичес-
кой непротиворечивости предложенной системы опытов требуется ее
логический анализ и сравнение с системами учебного эксперимента
с другими видами волн.
2. НЕОБХОДИМОСТЬ создания и использования системы учебного
фундаментального эксперимента по волновой физике.
Необходимость применения системы фундаментальных опытов в
учебном процессе вытекает из известного и многократно подтвер-
жденного тезиса об эффективности использования учебного экспе-
римента при изучении физики. Другим подтверждением являются ре-
зультаты констатирующего эксперимента, рассмотренного в третьей
главе, показывающие, что даже у учащихся классов с углубленным
изучением физики уровень сформированности эмпирического базиса
сравнительно невысок. Необходимость создания системы фундамен-
тальных опытов по волновой физике следует из анализа современ-
- 47 -
ного состояния учебного физического эксперимента, который, как
показано во второй главе,не позволяет сформировать эмпирический
базис волновой физики в полном объеме.
3. ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ использования предложенной системы
учебного фундаментального эксперимента со звуковыми волнами.
Доказательство целесообразности применения разработанной
методики экспериментального изучения, прежде всего опирается на
известные положения об эффективности использования учебных опы-
тов при изучении физики,а также на соответствие процесса обуче-
ния процессу познания. Использование учебного фундаментального
эксперимента позволяет наиболее полно, последовательно и убеди-
тельно изложить изучаемый раздел физики, сформировать у учащих-
ся его эмпирический базис. Идея о целесообразности использова-
ния в учебном процессе физических опытов в настоящее время нас-
только тривиальна, что не нуждается в особых доказательствах.
Специального доказательства требует положение о том, что
использование предлагаемой системы фундаментального эксперимен-
та позволяет сформировать эмпирический базис волновой физики, а
сами опыты доступны для понимания учащимися, воспроизводимы в
условиях школы и естественным образом вписываются в реальный
учебный процесс. Для этого нами проведен обучающий эксперимент,
методика и результаты которого рассмотрены в третьей главе.
К Р А Т К И Е В Ы В О Д Ы
1. Изучение структуры физической теории,места научных экс-
периментов в процессе познания, а также роли и места учебного
эксперимента в процессе обучения позволило определить учебный
фундаментальный эксперимент как физический опыт, разработанный
применительно к условиям обучения, результат которого входит в
эмпирический базис изучаемой теории.
- 48 -
2. В результате анализа совокупности учебных фундаменталь-
ных опытов показано, что ей присущи все основные признаки сис-
тем: целостность, структурность, взаимозависимость системы и
среды, иерархичность, множественность описания.
3. Доказано,что система учебного фундаментального экспери-
мента по содержательному признаку делится на подсистемы феноме-
нологического, функционального и константного экспериментов,
обеспечивающих экспериментальное изучение явлений, функциональ-
ных зависимостей и методов измерения фундаментальных констант.
4. В результате изучения научной, учебной и методической
литературы определено содержание учебного фундаментального экс-
перимента по волновой физике и построена дидактическая модель
эмпирического базиса теории волн.
5. Сформулирована проблема оценки уровня сформированности
эмпирического базиса у учащихся и намечены пути ее решения че-
рез оценку знаний отдельных фундаментальных экспериментов.Выде-
лены уровни изучения и построена дидактическая модель усвоенно-
сти физического опыта.
6. Проведенный анализ различных видов волн на предмет их
использования в системе учебного фундаментального эксперимента
по волновой физике показал, что наиболее соответствующими прин-
ципам наглядности и доступности являются звуковые волны.Исполь-
зование других видов волн не позволяет создать такую полную
систему учебного фундаментального эксперимента по волновой фи-
зике, как звуковые волны.
7. Определены основные направления развития учебного фун-
даментального эксперимента по волновой физике со звуковыми вол-
нами: разработка методики экспериментального изучения распрост-
ранения, дисперсии, поглощения волн, явления Доплера, принципа
Ферма, а также методов измерения групповой скорости волны.