Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Место современной физики в профессиональной подготовке будущего учителя физики.
1.1 Что такое "Современная Физика" (СФ) (как это понимать в контексте данной работы). 17
1.2 Роль современной физики в подготовке учителей к преподаванию в школе. 21
1.3 Методы обучения студентов педагогического вуза вопросам современной физики 30
1.4 Отражение вопросов Современной Физики (СФ) в программах средней и высшей школы.
1.5 Методика проведения лекционных занятий в вузе. 68
Выводы по главе 1. 73
Глава 2. Разработка критериев отбора направлений современной физики для целей обучения в педагогическом вузе 75
2.1 Некоторые современные направления развития физики. 77
2.2 Вопросы современной физики с точки зрения их преподавания в педагогическом вузе. 126
Выводы по главе 2. 132
Глава 3. Специальный курс «Физика на пороге третьего тысячелетия» 134
3.1 Тематический план спецкурса и его обсуждение. 134
3.2 Особенности методики преподавания специального курса лекций по современной физике 164
Выводы по главе 3. 172
Глава 4. Исследование эффективности обучения студентов основам современной физики на примере спецкурса «Физика на пороге третьего тысячелетия» 173
4.1 Организация педагогического эксперимента 173
4.2 Результаты педагогического эксперимента 175
4.2.1 Констатирующий этап педагогического эксперимента 175
4.2.2 Поисковый этап педагогического эксперимента 177
4.2.3 Обучающий этап педагогического эксперимента 187 Выводы по главе 4. 244
Заключение. 246
Список литературы 248
Приложение № 1 (текст лекции № 12) 263
Приложение № 2 (текст лекции № 13) 273
Приложение № 3 (примеры иллюстративиого материала) 279
- Что такое "Современная Физика" (СФ) (как это понимать в контексте данной работы).
- Некоторые современные направления развития физики.
- Тематический план спецкурса и его обсуждение.
Введение к работе
Физика является одной из самых динамично развивающихся наук. Только за несколько последних десятилетий сделано огромное число физических открытий самого высокого уровня. Это связано, с одной стороны, с появлением новых мощных теоретических представлений и методов, а с другой, с быстрым развитием экспериментальных методик, основанных на использовании принципиально новых научных приборов, методов и технологий.
Эти новации в физике со значительным трудом входят в стандарты, учебные программы и планы высшего и среднего образования. Фактически, если говорить о физике, школьники и даже студенты изучают только физические явления, открытые до начала 60-х годов XX столетия. Лишь изредка, когда открытое физическое явление приводит к технологическому прорыву, оно достаточно быстро становится известным широкой публике, в том числе, студентам и школьникам. Примером может служить физика лазеров, которая вошла в учебный процесс очень скоро после открытия. Однако такая ситуация является скорее исключением, чем правилом.
Таким образом, обширные идейные, экспериментальные и технические знания, которыми живет современная физическая наука, остаются неизвестными именно тем людям, которые в будущем как раз и призваны эти знания «добывать». В глазах школьников и студентов физика представляется застывшей системой, в которой даже небольшие изменения происходят крайне редко.
Хуже всего то, что такое представление о физике создается и у учителей, настоящих и будущих, а от них передается школьникам. Создавшееся положение является одним из основных факторов, обуславливающих снижение интереса молодежи к естественным наукам, в первую очередь к физике.
Отсутствие в программах вузов и школ достаточного количества сведений о современной физике вызвано несколькими причинами, как объективными, так и субъективными. Важнейшей объективной причиной является большая сложность тех физических явлений, которыми живет наука последнего времени. Процесс её развития показывает, что чем глубже мы постигаем природу, тем дальше уходим от её непосредственного чувственного восприятия. Этот факт отмечал ещё Аристотель, и за прошедшие две с лишним тысячи лет это положение нисколько не изменилось. Развитие общечеловеческого интеллекта и усложнение задач, которые человечество перед собой ставит, находятся в динамическом равновесии, что и позволяет развивать познание природы.
Такая ситуация неотвратимо приводит к отставанию уровня преподавания конкретной науки от её исследовательской базы. И в этом, вообще говоря, нет ничего удивительного. Так было на протяжении всей истории науки, и единственно, что мы можем требовать, чтобы это отставание не было слишком большим. Впрочем, взаимоотношения науки и образования на разных этапах позволяли сокращать этот разрыв.
Сегодняшний этап развития физики таков, что разрыв между научными и педагогическими представлениями о физике снова растет. Причиной тому, на наш взгляд, является тот факт, что методика обучения студентов и школьников основам современной физики, оказалась недостаточно разработанной.
Правда, в последнее время появились публикации [37, 63, 127, 160], в которых развивается методика обучения студентов некоторым вопросам современной физики через практикумы. В то же время использование других традиционных методов обучения, в первую очередь, лекций, применительно к современной физике почти не рассматривается. Кроме того, в научно-методической литературе практически не поднимается вопрос об общих принципах организации обучения студентов педагогических вузов вопросам современной физики.
Таким образом, налицо противоречие между
насущной необходимостью преподавать в школе основы современной физики для повышения внимания учащихся к естественным наукам, создания эмоционального фона, при котором возникает стойкий интерес к физике,и
невозможностью в полной мере реализовать такую подготовку через фрагментарное включение вопросов современной физики в лекции по нормативным курсам, а также в рамках спецпрактикума и выполнения курсовых и дипломных работ.
Это противоречие определяет актуальность проводимого исследования. Какими путями следует решать данную проблему? Можно, например:
добавить к содержанию основных курсов вопросы современной физики, увеличив, тем самым, его объем, что требует дополнительного времени и является весьма проблематичным в условиях наблюдаемой в настоящее время тенденции сокращения количества часов, выделяемых на естественные дисциплины;
ввести в сетку часов учебный предмет «Современная физика», что также в настоящий момент вызывает значительные сложности в силу отсутствия свободных часов, методических пособий, подготовленных преподавателей и т.п.;
ввести дополнительные курсы по выбору, предусмотренные стандартом второго поколения, сохранив всю остальную систему преподавания общей и теоретической физики.
На данном этапе, по нашему мнению, наиболее целесообразным является третий путь. При этом мы не отрицаем возможность двух других, которые требуют, однако, большего времени для подготовки.
Объектом проводимых исследований являлся процесс подготовки по физике учителя физики в педагогическом вузе.
Предметом исследования являлась методика формирования знаний студентов-физиков педагогических вузов в области современной физики.
Цель исследования состояла в том, чтобы с учетом требований, предъявляемых к будущим учителям физики Государственным стандартом высшего педагогического образования, усовершенствовать систему их обучения основам современной физики путем включения в неё специальных курсов (спецкурсов), а также разработать примерную программу одного из таких спецкурсов и методику его проведения.
В основу исследования положена следующая гипотеза: если включить в систему преподавания современной физики в педагогических вузах в качестве основного компонента обучения специальные лекционные курсы по данной тематике, то это позволит:
сформировать у студентов широкие представления о современной физической картине мира, в которой найдут отражение новейшие научные открытия и гипотезы, описывающие, объясняющие и предсказывающие поведение физических систем в микромире, макромире и ме-гамире;
повысить уровень научной подготовки студентов и их готовность к проведению занятий со школьниками, способствующих стимулированию у них интереса к естественным наукам;
создать эмоциональный фон, повышающий интерес к обучению физике как у самих студентов, так и у их будущих учеников.
Основными задачами исследования были следующие:
на основе изучения научно-методической литературы, провести анализ того, в какой мере современная физика нашла отражение в учебном процессе средних школ и педагогических вузов;
на основе анализа современного состояния физических исследований, учитывая важность конкретных направлений физики для фундаментальной науки, техники и прогресса человечества в целом, а также, принимая во внимание психолого-педагогические особенности обучения, разработать критерии отбора содержания учебного материала о
современной физике для изучения студентами педагогического вуза ;
разработать содержание, программу и методику проведения специальных курсов лекций по современной физике, в частности, спецкурса «Физика на пороге третьего тысячелетия» для студентов старших курсов педагогических вузов;
внедрить разработанный курс в практику обучения студентов в нескольких педагогических вузах Российской Федерации, провести педагогическую проверку эффективности усвоения студентами сущности физических явлений, относящиеся к современной физике;
экспериментально проверить гипотезу исследования.
В работе использованы следующие методы исследования и виды деятельности:
изучение и анализ научной, научно-методической, научно-популярной, педагогической и психологической литературы, Государственных стандартов, программ и учебников по теме исследования; получение и анализ информации по проблеме исследования посредством сети INTERNET; - определение содержания понятия «современная физика» и разработка критериев, позволяющих выделять те её достижения и проблемы, которые в первую очередь важны для целей образования; разработка содержания и программы, а также практическая реализация специальных курсов лекций по современной физике, в частности, спецкурса «Физика на пороге третьего тысячелетия» для студентов педагогического вуза;
разработка и создание комплексного иллюстративного сопровождения лекционного курса, основанного на широком использовании современных информационных технологий;
анкетирование и опрос преподавателей-экспертов, а также анкетирование и тестирование студентов-слушателей специального курса;
проведение учебных занятий;
организация и проведение поисково-педагогического эксперимента в рамках спецкурса «Физика на пороге третьего тысячелетия»; статистическая обработка и анализ результатов педагогического эксперимента
Научная новизна и теоретическая значимость исследования состоит:
в обосновании необходимости включения основ современной физики в содержание учебных курсов педагогического вуза;
в обосновании целесообразности использования курсов, как основного компонента системы обучения студентов основам современной физики;
в теоретической разработке критериев, которыми следует руководствоваться при отборе вопросов современной физики для включения в программы обучения студентов педагогического вуза;
в разработке содержания учебной дисциплины по выбору «Физика на пороге третьего тысячелетия» для физических специальностей педагогического вуза;
в разработке методики проведения в педагогическом вузе спецкурса по современной физике.
Практическая значимость исследования состоит:
в возможности использования разработанного спецкурса «Физика
на пороге третьего тысячелетия» для изучения студентами физиче
ских специальностей педагогического вуза современного состояния
физики на уровне макро-, микро- и мегамира;
в практической разработке методики проведения спецкурса «Физика на пороге третьего тысячелетия»;
в создании и апробации иллюстративного материала, сопровождающего лекционный спецкурс;
На защиту выносятся
обоснование целесообразности использования курсов по выбору для организации изучения вопросов современной физики в педагогическом вузе.
критерии отбора тем и направлений современной физики, изучение которых необходимо осуществлять в педагогических вузах;
программа и содержание специального курса «Физика на пороге третьего тысячелетия» и методика его проведения;
Результаты исследования докладывались на:
1. Научно-методической конференции «Преподавание естественнонауч
ных дисциплин в современных условиях», г. Йошкар-Ола, 2000г.
2. Научно-методической конференции «Емельяновские чтения в
МГПИ», г. Йошкар-Ола, 2000г.
3. Второй международной научно-методической конференции «Новые
технологии в преподавании физики. Школа и вуз», г. Москва, 2000г.
4.Съезде российских физиков-преподавателей "Физическое образование
в XXI веке", г. Москва, 2000г
Научно-методической конференции «Университетские чтения в МПГУ», Москва, 2001г.
Шестой международной конференции «Физика в системе современного образования», Ярославль, 2001 г.
Третьей международной научно-методичекой конференции «Новые технологии в преподавании в физике. Школа и вуз», г. Москва, 2002г. По теме исследования опубликовано 8 печатных работ в журналах,
сборниках и трудах конференций:
Ильин В.А., Михайлишина Г.Ф. Что нужно рассказывать будущим учителям о современной физике и как это делать.// Педагогическое образование и наука. № 2. М., 2001. - С.16-31. 0,73 п.л. (авторских - 50%).
Михайлишина Г.Ф. Изложение вопросов современной физики в педагогическом институте. // Материалы методических конференций 1999-2000 гг.
«Преподавание естественнонаучных дисциплин в современных условиях». Йошкар-Ола: Изд. МГТУ, 2000. - С. 84. 0,04 п.л.
3. Михайлишина Г.Ф. Восприятие вопросов современной физики студентами
- старшекурсниками педагогических вузов. // Сб. аннот. докладов 3-ей меж
дународной научно-методической конференции «Новые технологии в препо
давании физики: школа и вуз» (НТПФ-Ш). М., 2002. - С.59. 0,04 п.л.
Ильин В.А., Михайлишина Г.Ф., Горин В.В. и др. Преподавание основ современной физики в педагогическом вузе. // Сб. тез. докладов Съезда российских физиков - преподавателей. М.: Изд. МГУ, 2000. - С. 148. 0,04 п.л. (авторских - 25%).
Ильин В.А., Михайлишина Г.Ф., Петрова Е.Б. Какие вопросы современной физики необходимо знать выпускнику педагогического вуза. // Сб. анн. докладов второй международной научно-методической конференции «новые технологии в преподавании физики: школа и вуз». М., 2000. - С. 40. 0,04 п.л. (авторских - 30%).
Ильин В.А., Михайлишина Г.Ф., Петрова Е.Б. Преподавание вопросов современной физики в педагогическом вузе. // Сб. анн. докладов второй международной научно-методической конференции «Новые технологии в преподавании физики: школа и вуз» (НТПФ-П),. М.: 2000. - С. 41. 0,04 п.л. (авторских
- 30%).
7. Ильин В.А., Михайлишина Г.Ф. Разработка системы изучения вопросов
современной физики в педагогическом вузе.// Тезисы шестой международной
конференции «Физика в системе современного образования». Т.1. Ярославль,
2001.- С. 155-156. 0,08 п.л. (авторских - 50%).
8. Ильин В.А., Михайлишина Г.Ф. Преподавание современной физики в пе
дагогическом вузе. // Сб. анн. докладов третьей международной научно-
методической конференции «Новые технологии в преподавании физики: шко
ла и вуз» (НТПФ-Ш). М., 2002. - С. 59. 0,04 п.л. (авторских - 50%).
Педагогический эксперимент по проведенному исследованию выпол
нялся с 1999 г. по 2001г.г. Он содержал три этапа: констатирующий (1999-
2000гг.), поисковый (1999-2000гг.) и обучающий (2000-2001гг.). Всего в экс-
перименте участвовало 84 преподавателя из 40 вузов разных регионов нашей страны, и около 200 студентов из Брянского государственного университета, Московского педагогического государственного университета, Поморского государственного университета (г.Архангельск).
Педагогический эксперимент проводился с использованием метода анкетирования преподавателей с целью получения экспертных оценок, а также, анкетирования и тестирования студентов. Результаты исследования были подвергнуты статистической обработке.
Основные результаты исследования внедрены в практику работы:
кафедры общей и экспериментальной физики Московского педагогического государственного университета;
физико-математического факультета Брянского государственного педагогического университета;
физического факультета Поморского государственного университета (г. Архангельск).
Структура диссертации: диссертация состоит из Введения, четырех глав и Заключения, содержит 278 машинописных страниц, из них 232 страницы основного текста. В тексте диссертации 23 рисунка, 15 таблиц, 3 приложения. В списке литературы 207 наименований.
Во Введении обоснована актуальность темы исследования, определены проблема исследования, его цель и задачи, объект и предмет; сформулирована гипотеза исследования, раскрыта научная новизна работы и её практическая значимость; приведены положения, вынесенные на защиту.
Первая глава представляет собой обзор научно-методической литературы по теме исследования, целью которого является определение места современной физики в содержании образования в педвузе и общеобразовательной школе. В первом параграфе на основе обзора научной литературы определено содержание понятия современная физика применительно к целям обучения в педвузе.
Второй параграф раскрывает роль современной физики в подготовке будущих учителей. На основе анализа научно-педагогической литературы показано, что современная физика играет огромную роль в процессе познания. Тем более важной становится квалификация учителя, уровень его знакомства с современным этапом развития научных исследований и основными открытиями в физике, сделанными в последние годы. Таким образом, формулируется важная методическая проблема - в педагогических вузах должна существовать система подготовки будущих учителей к проведению занятий, посвященных достижениям современной науки.
Возможные формы и методы практического осуществления этой системы рассмотрены в третьем параграфе. Здесь высказывается предположение, что на настоящем этапе сформулированную выше задачу в теоретическом плане решает проведение в рамках "дисциплин по выбору" спецкурсов, посвященных вопросам современной физики, а в практическом плане - постановка спецпрактикумов, содержание которых связано с современными физическими проблемами и методами исследования. Далее приводится подробный анализ имеющихся к настоящему времени работ, в которых обсуждаются концепция обучения студентов некоторым вопросам современной физики через практикумы и практическая реализация данной концепции. Также здесь показано, что использование других традиционных методов обучения, в первую очередь, лекций, применительно к современной физике в научно-методической литературе почти не рассматривается. Следовательно, назрела объективная необходимость в пересмотре существующих и разработке новых принципов создания специальных курсов лекций, посвященных проблемам современной физики.
Четвертый параграф посвящен обсуждению состояния вопроса преподавания современной физики в различных вузах. Для того, чтобы выяснить с какими вопросами современной физики должен быть ознакомлен сегодняшний студент педагогического вуза, приведен анализ школьных программ с точки зрения содержания в них элементов современной физики. Затем ана-
лизируется содержат ли вузовские нормативные программы соответствующую тематику. Обсуждается реальное состояние изучения современной физики на основе результатов, приведенных в исследованиях Ю.В. Федоровой [160], в ходе которого были опрошены преподаватели большого числа российских вузов. Анализируются результаты самооценки студентами знаний последних достижений физической науки, полученные в ходе констатирующего эксперимента настоящего исследования. Показано, что нормативные курсы не учитывают возникающие в результате обучения пробелы в формировании у студентов современной физической картины мира. Рассмотрены трудности, с которыми может столкнуться в дальнейшей работе учитель физики, плохо разбирающийся в представлениях и понятиях современной физической картины мира.
В пятом параграфе рассмотрены общие положения методики проведения лекционных занятий в вузе. Также здесь приведены некоторые особенности специальных курсов лекций в вузе и перечислен ряд требований к их организации.
На основании проведенного обзора обосновывается актуальность, цель и гипотеза диссертационного исследования, определяются основные направления дальнейшей работы.
Вторая глава посвящена обзору научной, научно-популярной и методической литературы по теме исследования. Целью обзора, приведенного в первом параграфе, является анализ отраженных в различных источниках информации о «наиболее важных и интересных» [29] последних достижениях современной физики, отбор которых должен осуществляться на основе критериев, сформулированных в этой главе. Значительное внимание здесь также уделено выявлению связей и единства макро-, микро- и мегамира, а также рассмотрению перспективных направлений развития этой науки.
В результате анализа достижений и проблем современной физики во втором параграфе показана обоснованность изучения будущими учителями физики основ физики макро-, микро- и мегамира, в том числе физических
теорий, описывающих происходящие в нем явления, и технических приложений исследований второй половины XX века.
Выполненный анализ источников информации позволяет считать, что в последние годы в физике сделан ряд открытий, изменивших наши представления в физической картине мира. Эти открытия должны найти отражение в учебных курсах общеобразовательной и высшей школы.
Третья глава посвящена обсуждению специального курса лекций «Физика на пороге третьего тысячелетия», разработанного на основе требований Государственного Образовательного Стандарта высшего профессионального обучения. В первом параграфе обсуждается тематический план спецкурса, рассчитанного на 34 лекционных часа. Поясняется цель спецкурса, его содержание, методы и формы профессиональной подготовки студентов в процессе его изучения.
Главу завершает (второй параграф) описание методики проведения спецкурса по современной физике. Здесь обсуждаются психолого-педагогические аспекты обучения современной физике в вузе. Большое внимание уделено роли качественных методов в современной физике, значению технических средств обучения. Сформулированы основные требования к организации и проведению в педагогическом вузе специального курса лекций по современной физике.
Четвертая глава посвящена обсуждению результатов педагогической проверки. В числе использовавшихся методов - анкетирование студентов, экспертные оценки преподавателей вузов, тестирование студентов. Педагогическая проверка проводилась на физических факультетах Московского педагогического государственного университета, Поморского государственного университета (г. Архангельск) и физико-математическом факультете Брянского государственного педагогического университета.
В первом параграфе приведены краткие комментарии к организации основных этапов педагогического эксперимента.
Во втором параграфе приводится подробное описание эксперименталь-
ной проверки гипотезы исследования о целесообразности создания в педагогических вузах специальных курсов лекций, посвященных современной физике, на основе спецкурса «Физика на пороге третьего тысячелетия».
Общая оценка подобранной тематики для спецкурса проведена с помощью анкетирования специалистов методом экспертной оценки по десятибалльной шкале по пяти параметрам: с точки зрения развития фундаментальных основ науки, технических применений, динамики развития; «Важно знать всем» и «Интересно Вам лично». Проведенный анализ подтвердил адекватность выбранных тем для изучения студентами критериям отбора тематики.
В ходе проведения обучающего этапа педагогического эксперимента выявлены: значительный рост самооценки студентами знаний по вопросам современной физики; необходимость, с точки зрения студентов, изучения вопросов современной физики; возрастание у студентов интереса к проблемам современной физики.
Также анкетирование студентов показало, что они стали лучше ориентироваться в проблемах современной физики и адекватно действительности расставлять акценты с точки зрения важности подобранной тематики для фундаментальной науки и технических применений. Тестирование студентов показало высокий процент усвоения элементов новых знаний. Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием стати-стико-математических методов обработки экспериментальных данных.
Таким образом, проведенная педагогическая проверка подтверждает возможность в рамках отведенного на спецкурс учебного времени обеспечить усвоение студентами педагогических вузов основ современных физических явлений и физических проблем, с которыми столкнулось человечество во второй половине XX столетия.
В Заключении сформулированы основные результаты диссертационного исследования.
Приложение содержит текст лекций №№ 12 и 13 и примеры иллюстративного материала, используемого на спецкурсе.
Что такое "Современная Физика" (СФ) (как это понимать в контексте данной работы).
В разговорах с коллегами нам часто задают вопрос: «Не делите ли вы физику на старую, традиционную и новую, современную, противопоставляя, тем самым, одну другой, отводя старой физике второстепенную роль, а современной придавая основное значение?» Может быть рассуждения такого рода возникают потому, что одно из значений слова "современный" имеет смысл - "стоящий на уровне своего века, не отсталый» [118]. А раз есть физика современная, не отсталая, то значит несовременная физика, т.е. старая физика, не совсем соответствует настоящему времени и отстает в развитии.
Конечно же, физика едина! Несмотря на многочисленные ответвления и специализации, которые в последние десятилетия бурно разрослись, существует стержень, объединяющий их все. Таким стержнем являются фундаментальные понятия и законы, сформулированные в теоретической физике. Одной из целей разработанного нами специального курса лекций «Физика на пороге третьего тысячелетия» является показ того, как фундаментальные законы используются при описании физических явлений, которые открыты в последнее время и не вошли еще в нормативные курсы общей и теоретической физики.
В литературе встречаются разные мнения по поводу определения термина «Современная физика». Несмотря на то, что они объединены общей идеей, акценты в них расставляются по-разному.
Например, Б.Робертсон [137] пишет, что «современную физику можно определить двояким образом. В первом случае она изучает физические явления, которые нельзя адекватно объяснить в рамках классической физики (на основе законов Ньютона). Согласно второму определению, современная физика включает в себя появившиеся в течение последних 50 лет любые научные разработки, базирующиеся на физических принципах».
С.Сафаева в своей диссертационной работе [140] характеризует современную физику появлением новых теорий и вновь установленных фактов, которые приводят к новым объяснениям многих физических явлений, т.е. придерживается первого из указанных определений. С.Сафаева пишет: «Физика-наука быстро развивающаяся. За последние десятилетия в физике открыто большое число неизвестных науке фактов, возникли новые теории, которые служат для объяснения обширных групп физических явлений, созданы новые экспериментальные установки и приборы, позволяющие производить тончайшие наблюдения и измерять с величайшей точностью различные физические величины. В результате огромных достижений физики в XX веке, мы имеем "новую" физику, отличную от старой, "классической" и по содержанию, и по основным идеям» [140].
«Толчком к возникновению многих практических применений, -продолжает далее свою мысль Б.Робертсон, - явились разделы, отвечающему первому из определений, в том числе такие, как транзисторы, лазеры, сверхпроводники и ядерные реакторы. Не менее важное значение имеют и новые методы, разработка которых потребовала использования принципов лишь классической физики, как, например, электронная микроскопия и голография. Дальнейшее развитие аналогичных научных разработок будет, безусловно, продолжаться в ближайшем будущем. Поэтому для любого изучения современной физики, рассчитанного на отсутствие разрыва между знанием и практической деятельностью, единственно разумным представляется объединение обоих определений» [137].
Интересное определение даёт академик Л.А.Арцимович [24]: «Современная физика - это своего рода двуликий Янус. С одной стороны - это наука с горящим взором, которая стремится проникнуть в глубь великих законов материального мира. С другой стороны - это фундамент новой техники, мастерская смелых технических идей, опора обороны и движущая сила непрерывного индустриального прогресса».
Мы также считаем, что современное состояние физики характеризуется, во-первых, тем, что в результате ряда выдающихся достижений физика находится на пороге нового, более глубокого понимания фундаментальных закономерностей, всей картины мира в целом; во-вторых, в последнее время был открыт целый ряд новых эффектов и явлений, которые обещают в недалеком будущем важнейшие практические приложения, радикальные изменения в технике, энергетике и усовершенствовании технологий.
«На пороге нового тысячелетия, - пишет М.А.Червонный [172]- становится абсолютно очевидным, что физика как наука, изучающая наиболее общие законы природы, как лидер естествознания, как научная база большинства технологий представляет собой один из важнейших элементов культуры общества.
Некоторые современные направления развития физики
С учетом ситуации, создавшейся в конце XX века, мы, вслед за В.Л.Гинзбургом [29,30,31], выделим около 20 наиболее интересных и важных проблем физики, включив в их число также некоторые направления научного приборостроения. Это позволит обсудить не только фундаментальные вопросы, но и многочисленные связи физики с техникой и другими науками (химией, биологией, медициной, историей и так далее). Виталий Лазаревич неоднократно подчеркивает, что, несмотря на то, что выделение «особенно важных» проблем носит достаточно субъективный характер, в то же время это именно те проблемы, которые сегодня находятся в «фокусе внимания, в какой-то мере находятся на главных направлениях».
При отборе наиболее «важных и интересных» проблем современной физики, мы руководствовались следующими критериями.
Во-первых, важностью данной проблемы для судеб всего человечества (например, использование управляемого термоядерного синтеза для получения энергии).
Во-вторых, важностью конкретного направления для развития фундамента науки (например, физика элементарных частиц).
В-третьих, постоянной актуальностью вопроса о месте человека во Вселенной (здесь основное внимание играет астрофизика, которую теперь чаще называют физикой мегамира).
В-четвертых, неразрывной двусторонней связью физики с техникой (все отмеченные выше проблемы, на наш взгляд, не могут быть адекватно поняты, если они не связаны с обсуждением устройств и методов, с помощью которых исследования выполнены).
В-пятых, важностью конкретного направления современной физики для целей образования, определяющей возможность адаптирования конкретной темы к обучению в педагогическом вузе и школе.
Выполняя обзор современных направлений развития физики, мы вовсе не претендуем на полное или даже просто адекватное действительности описание современной физики. В нашем случае это лишь вариант такого описания, носящий отпечаток личных вкусов и пристрастий, и в то же время, более или менее совпадающий с известными мировой общественности футурологическими прогнозами развития физики.
1. Управляемый термоядерный синтез - одна из самых важных проблем человечества. Сейчас и в ближайшем будущем общество будет вынуждено во всё больших масштабах использовать ядерную энергию, так как пока не известны достаточно мощные альтернативные источники энергии, а традиционные источники (нефть, уголь, газ) быстро истощаются [170]. По мнению некоторых исследователей, нефти и газа человечеству хватит всего на 30-50 лет, а угля - на 100-200 лет [17].
Огромная энергия высвобождается при слиянии друг с другом легчайших атомных ядер - водорода, дейтерия (тяжелого водорода), трития (сверхтяжелого водорода). Ядро дейтерия (D) состоит из протона и нейтрона, а трития (Т) из протона и двух нейтронов. При слиянии ядер дейтерия D и трития Т образуется стабильное ядро гелия Не (а - частица) и свободный нейтрон п; при этом на каждую пару ядер D и высвобождается энергия, равная 17,6 МэВ [147]. Помноженное на огромное число взаимодействующих водородных ядер, это и даёт ту фантастическую энергию, которая выделяется при взрыве водородной бомбы.
Чтобы реализовать слияние легких ядер, необходимо нагреть водородную смесь до температуры свыше 107К - иначе ядра не смогут преодолеть электростатическое отталкивание и сблизиться до расстояний, на которых начинают действовать ядерные силы. По этой причине подобные реакции называют термоядерными. В водородной бомбе такие огромные температуры создаются в результате взрыва атомной (урановой) бомбы, играющей в данном случае роль взрывателя. При этом происходят неуправляемые процессы, приводящие к катастрофическим разрушениям. А нельзя ли сделать термоядерный синтез управляемым!
Тематический план спецкурса и его обсуждение
Целью спецкурса, который прочитан в ряде вузов России (Московский педагогический государственный университет, Брянский государственный университет, Поморский государственный университет (г. Архангельск)) является сообщение студентам знаний по наиболее интересным и важным вопросам современной физической науки.
Спецкурс рассчитан на студентов пятого курса педагогических вузов и, не претендуя на исчерпывающую полноту, знакомит их с последними достижениями в ряде разделов физики. Изучение вопросов новейшей физики существенно расширяет кругозор студентов, готовит их к руководству факультативными занятиями и к внеклассной работе в школе, направленной на привлечение молодежи к получению естественнонаучного образования. Изложение носит историко-физический характер и во многом основывается на оценке открытий, даваемой Нобелевским комитетом при присуждении премий по физике. При обучении студентов предпочтение отдавалось качественным методам объяснения принципов и физических явлений современной науки. Обсуждение преимуществ такой методики проведения спецкурса по современной физике будет проведено ниже в параграфе 3.2.
Уровень подготовки студента, прослушавшего спецкурс "Физика на пороге третьего тысячелетия", характеризуется его способностью выполнять следующие виды деятельности:
- иметь представление об основных исторических этапах развития физики в целом и отдельных её разделов;
- знать об основных направлениях развития современной физики и об оценке их достижений со стороны научной общественности;
- понимать, роль науки, как формы общественного сознания, в развитии человеческой цивилизации в целом и то, как изменилась эта роль в последнее время;
- видеть связи между физикой и другими науками, смежными - математикой, химией, биологией, техникой; гуманитарными - философией, историей и др.;
- иметь представление о формулировках и сущности физических законов, открытых в последние годы;
-умело аргументировать научную позицию при анализе постоянно возникающих лженаучных, псевдонаучных и антинаучных утверждений;
- обладать суммой знаний о жизненном пути, научном творчестве и роли в развитии физики выдающихся представителей современной физической науки;
- владеть физическим научным языком, научной терминологией;
-уметь "добывать знания", т.е. знать литературу, уметь оперировать с Интернетом и знать, что в нем искать;
- уметь использовать полученные знания для повышения привлекательности для школьников предметов естественнонаучного цикла.
Обратимся к программе спецкурса, рассчитанного на 34 аудиторных часа (17 лекций). В её основе лежит представление о том, что физическая наука едина, но условно делится на микро-, макро- и мегафизику. Каждая из частей имеет свои специфические законы, которые, однако, не противоречат законам, общим для физики в целом.
