Дипломная работа: Історія навчання фізики
При переході до практики постає питання про форми використання історичного матеріалу у викладанні фізики, про типи історичних матеріалів за характером їх використання, про методи та прийоми роботи вчителя на уроці.
Історизм у викладанні фізики передбачає, як вказувалося вище, перш за все розкриття еволюції фундаментальних ідей. Здійснити це можливо, на нашу думку, на спеціальних уроках-лекціях, присвячених історичним оглядам основних етапів розвитку поглядів на найважливіші фізичні проблеми. Такі огляди можуть проводитися або вкінці великих розділів курсу фізики і завершувати їх, або на початку розділу і носити ввідний характер.
Історичні огляди дозволяють підготувати учнів до засвоєння фундаментальних знань та викладаються під час вивчення теми чи розділу курсу. Щоб учень засвоїв нові знання, він повинен перш за все повірити в їхню істинність, а для цього вчитель повинен обґрунтувати нові відомості, переконати школярів у факті існування того чи іншого явища, в справедливості тієї чи іншої ідеї. Обґрунтування нових знань – дуже важливий елемент навчання. Відсутність чи непереконливість нових знань породжує у школярів елементи догматичного стилю мислення, легковірності, звичку не вдумуватися в ті основи, на яких базується те чи інше твердження, вбиває допитливість думки, здоровий скептицизм. Можливо, неувагою до проблеми обґрунтування знань і пояснюється та обставина, що під час навчання у школяра зникають ті “сто тисяч чому”, якими відрізняються діти в ранньому віці. Чи не дуже часто ми грішимо поспішним викладом понять та ідей, які по причині цього поспіху не набувають для учня силу неминучої необхідності? Таким чином, обґрунтування нових знань необхідне для того, щоб привчити школярів не брати нічого на віру і сформувати в них допитливість та анти догматизм як риси стилю мислення.
Які ж шляхи обґрунтування фізичних понять та ідей доступні вчителю фізики?
Природно, що в силу особливостей сприйняття школярів найбільш переконливим для них є експериментальний спосіб обґрунтування нових знань, коли новий факт чи ідея випливають з результатів навчального досліду (експерименту). Так, наприклад, обґрунтовується явище електромагнітної індукції.
Другим засобом обґрунтування нових знань в процесі навчання є математичний вивід відношення чи закону, який буде переконувати учнів в силі теоретичного мислення і, зокрема, в пророчій силі математичного апарата. Так, наприклад, обґрунтовується основне рівняння кінетичної теорії газу.
Але не завжди можна використати математичний апарат або експеримент для виведення нового, і тоді теоретичне обґрунтування нових знань здійснюється шляхом логічних роздумів. Так, наприклад, необхідність холодильника як важливої частини теплової машини доводиться шляхом якісних логічних суджень.
Та часто ми не можемо використати жодного зі способів обґрунтування нових знань.
Дійсно, як на перших кроках вивчення електрики переконати учнів в існуванні електричного поля? Висувати таку фундаментальну ідею без якого-небудь хоча б попереднього виправдання – означає звернутися до догматизму. Але ні експериментальний, ні теоретичний способи обґрунтування ідеї існування електричного поля непридатні на початку вивчення електрики. Залишається єдиний шлях – розповісти учням про те, як в історії науки формувалась і стверджувалась концепція близькодії, тобто використати історичний спосіб обґрунтування.
До історичного способу обґрунтування нових знань ми звертаємось в тих випадках, коли жоден зі способів не можна використати. З аналогічною ситуацією ми зіштовхуємося під час вивчення висхідних постулатів теорії відносності, розмова про які стає для учнів виправданою з самого початку, якщо розповісти їм про передісторію теорії відносності. Історичний спосіб обґрунтування фізичних ідей здійснюється на уроці у формі історичного огляду. Цей огляд вчитель може провести у формі розповіді чи лекції. Мета такого огляду – розкрити, на яких основах виникла дана ідея і продемонструвати учням, що вона є результатом розвитку науки.
Досить часто історичний спосіб обґрунтування нових знань використовується не для розкриття фундаментальної фізичної проблеми, а для того, щоб ознайомити учнів з новими фактами та явищами, що не відтворюються експериментально в шкільних умовах. Так, ознайомлюючи учнів з відкриттям рентгенівського випромінювання, радіоактивності, нейтрону, ми повинні відновити історію цих відкриттів. Формою викладу такого матеріалу є розповідь вчителя.
Можливо, іноді історичний спосіб є менш переконливим, ніж інші. Але відмовитися від історизму не можна. Так, наприклад, переконавшись шляхом нескладних міркувань вчителя в існуванні тиску світла, учень не зрозуміє, яку роль в розвитку фізики відіграло це відкриття, і воно буде здаватися школярам малозначущим, несуттєвим фактом. Лише розповідь про передісторію відкриття тиску світла, про неймовірні тонкощі дослідів Лебедєва та їх роль в утвердженні електромагнітної теорії дозволить переконати школярів у фундаментальності цього відкриття. Таким чином, історичний спосіб обґрунтування явища чи ідеї може співіснувати з іншими способами. Учні, звичайно, повинні знати саме в історичному плані такі фундаментальні експерименти, як досліди Лебедєва, Герца, Резерфорда і т. д. Слід зауважити, що чим більше зміст шкільного курсу фізики буде наближатися до сучасної фізики, тим частіше ми будемо звертатися до історії науки, як до засобу обґрунтування ідей, так як переважну більшість відкриттів сучасної фізики ми не можемо відтворити експериментально і обґрунтувати математично.
Навчальна інформація історичного характеру, на нашу думку , не повинна бути обов’язковою для запам’ятовування, щоб не перевантажувати пам’ять. Якщо в кінцевому результаті в учнів обґрунтування і доведення фактів не збережуться у пам’яті, то все ж вони виконають головну роль – формування допитливого, анти догматичного стилю мислення.
Отже, використання історизму як засобу обґрунтування нових знань може здійснюватися в двох формах: по-перше, у вигляді історичного розвитку поглядів з приводу якої-небудь фундаментальної фізичної проблеми; і, по-друге, у вигляді історичного матеріалу, який містить опис окремих фундаментальних фізичних експериментів. Прикладами першої форми використання історизму є такі ввідні історичні огляди, як “Історія виникнення і ствердження концепції поля”, Історія встановлення закону збереження і перетворення енергії”, “Історія створення основ теорії відносності” і ін. Прикладами другої форми є такі описи окремих важливих історичних подій, як “Відкриття тиску світла”, “Досліди Герца по виявленню електромагнітних хвиль та їх властивостей”, “Досліди Резерфорда по встановленню будови атома”, “Відкриття радіоактивності” і ін.
1.2. Використання елементів історизму при розв’язуванні задач
Спеціальним типом історичного матеріалу є задачі з історичним змістом. Наведемо приклади таких задач.
1. Визначаючи швидкості молекул різними методами, Штерн поставив наступний дослід. В печі, яку помістили в посудину з відкачаним повітрям, утворилися пари цезію. Атоми цезію вилітали зі щілини і фокусувалися за допомогою розміщеної біля щілини діафрагми. Вузький горизонтальний пучок атомів попадав на екран, розміщений за діафрагмою. При цьому внаслідок тяжіння відбувалося відхилення пучка від горизонталі. Як знаючи зміщення цезієвої смуги на екрані і відстані від щілини до екрана, знайти середню швидкість молекул?
2. Чи може людина злетіти, використовуючи лише силу власних м’язів? Це далеко не нове питання до наших днів не втратило своєї гостроти. Не виключено, що багаторазові спроби створити “м’язолет” в кінці кінців досягнуть успіху. При побудові такого апарату виникають слідуючи запитання: яку потужність може розвивати людина і яка потужність потрібна для польоту? Які повинні бути розміри крил, чи повинні вони бути махаючими? Як залежить підіймаюча сила такого апарата від висоти польоту над землею?
3. На рис.1.1. запозиченому з книжки голландського фізика
Стевіна, виданої в 1586 р., зображена людина, яка стоїть на дошці, і тисне усією своєю вагою на міх з водою. Стевіна вразило, що висота стовпа рідини досить незначна. Спробуйте обчислити цю висоту, оцінивши приблизно значення ваги і площу опори.
4. Видатний вчений Б.Паскаль у 1648 р. зробив такий дослід. У міцну, наповнену водою і закриту з усіх боків бочку він вставив вузьку трубку ( рис. 1.2.) і, піднявшись на балкон другого поверху будинку вилив у цю трубку кухоль води. На превеликий подив сучасників вченого клепки бочки розійшлися і вода почала виливатися. Поясніть.
Задачі з історичним змістом хоч і мало чисельні і не так часто використовуються в навчанні в порівнянні з іншими видами задач, але представляють не менший інтерес. Маючи всі достоїнства звичайних задач, вони знайомлять учнів з історичними подіями, фактами, методами досліджень і тим самим навчають школярів самим своїм змістом, а не лише отриманими при їх розв’язку результатами.
1.3. Використання елементів історизму на лабораторних роботах, демонстраціях
Історизм не є якимось стороннім елементом змісту шкільного курсу фізики, а тому і якихось особливих методів їх вивчення не існує. Всі ті методи і прийоми, які застосовуються при навчанні фізики в школі взагалі, придатні і в процесі викладання історичного матеріалу. Можливо, лише окремі методи і прийоми набувають найбільшого значення або ж деякий специфічний відтінок.
Вчителі фізики справедливо вважають, що всі найважливіші положення, які розкриваються на уроці, повинні бути обґрунтовані і переконливо доведені і саме цим цілям служить навчальний експеримент. Обґрунтованістю повинно відрізнятись і викладання історичного матеріалу. Однак, як правило, з цією метою не можна користуватися навчальним експериментом, так як історичні досліди і установки важко, а інколи і неможливо відтворити в шкільних умовах. Тому обґрунтованість у викладанні історичного матеріалу досягається іншими засобами, головним з яких є документалізм. Форми його можуть бути різними – це схеми, фотографії установок-оригіналів, фільми; дані, що характеризують масштаб установок і точність вимірювання; вислови та справжні формулювання самих вчених; описи епохи, умов праці вчених, а іноді і художній опис того чи іншого відкриття, що відтворює з допустимою долею домислу атмосферу відкриття. Можна провести урок у формі гри-реконструкції історії відкриття винаходу, основною метою якого є як можна глибше ознайомити учнів з історією здійснення відкриттів, з життям та дійсністю вчених, з шляхами та методами наукових знань.
Наприклад, під час вивчення різниці потенціалів у класах зі спеціалізацією “ Фізика, хімія, біологія” можна повторити дослід Гальвані на препарованих жабах, проведений ним у 80-х роках XVIIIст. При цьому сформулювати задачу такого типу:
В своєму класичному досліді по дослідженню нервових та м’язових волокон Гальвані використовував простий пристрій. На бронзовому кронштейні, прикрученому до залізної перекладини, підвішувалась лапка жаби так, що вона доторкалась до основи перекладини і кожного разу доторкаючись до основи, лапка посмикувалася. Після того, як посмикування припинялися, лапка витягувалася і знову торкалася перекладини, ізнову починалися скорочення та посмикування. Повторивши аналогічний дослід дайте відповіді на таке питання: що викликає таку реакцію лапки? Намагайтесь підкріпити свої доведення розрахунками.
Все це дозволяє ввести учня в умови, в обставини, за яких здійснювалося відкриття, забезпечити в якійсь мірі “ефект присутності” під час відкриття, переконати учнів в достовірності історичної інформації.
1.4. Використання елементів історизму при узагальненні знань
Вивчаючи фізику, школярі отримують багато відомостей про поняття та ідеї, які є фундаментальними в фізичній науці. До таких відносяться принцип атомізму, принцип близькодії, ідея корпускулярно-хвильового дуалізму і ін. Однак, якщо запитати у випускника, що він знає про поле, що йому відомо про масу, то навіть встигаючий учень може потрапити у складне становище. Після двох-трьох орієнтуючих питань учень зазвичай говорить: “Я це знаю, тільки не думав, що про це треба говорити.” Йому не вистачає для відповіді на питання узагальнюючого характеру не конкретно змістовних знань, а їх системності і узагальненості, він не усвідомлює структури знань. Це відбувається тому, що ми не завжди розкриваємо перед школярами структуру знань. Учні не розуміють, що є основою теорії, що відноситься до її наслідків, що є фактами, а що їх поясненням і т.д. Узагальнені знання, включені в розгалужену систему взаємозв’язків, засвоюються значно глибше і міцніше.