Содержание к диссертации
Введение
Основное содержание исследования
1. Научный и онтодидактический анализ теории относительности 15
2. Философские, методологические и дидактические основы изучения теории относительности в средних общеобразовательных учреждениях 22
3. Типичные недостатки в знаниях школьниками теории относительности и их методические источники 29
4. Научно-методические основы изучения теории относительности и их реализация в различных курсах физики средних общеобразовательных учреждений 33
Программа изучения теории относительности в непрофильных классах средних общеобразовательных учреждений 35
Программа изучения теории относительности в физико математических классах 40
Программа изучения теории относительности в гуманитарных классах 42
5. Подготовка студентов педвуза к преподаванию теории относительности в средних общеобразовательных учреждениях 44
Программа дисциплины: теоретическая физика.
Раздел: СТО. Релятивистская механика. Основы ОТО 44
6. Опытно-экспериментальная работа 47
Заключение 55
Литература
1. Список цитируемых трудов (в порядке следования ссылок) 57
2. Публикации автора по теме исследования
- Философские, методологические и дидактические основы изучения теории относительности в средних общеобразовательных учреждениях
- Типичные недостатки в знаниях школьниками теории относительности и их методические источники
- Подготовка студентов педвуза к преподаванию теории относительности в средних общеобразовательных учреждениях
- Опытно-экспериментальная работа
Философские, методологические и дидактические основы изучения теории относительности в средних общеобразовательных учреждениях
Теория относительности в силу своей фундаментальности - сущностно глубокая физическая теория. Что она представляет собой содержательно, структурно, функционально? Ответ на этот вопрос имеет ключевое значение для решения проблемы дидактического выражения теории относительности в учебных курсах физики и, прежде всего, в курсах физики средних общеобразовательных учреждений.
На первый взгляд кажется, что поставленный вопрос не столь труден, т.к. есть серьезные и, вместе с тем, достаточно ясные изложения теории относительности, которые можно найти в монографиях и в учебных изданиях для вузов (см., например, [1.9-15]). Наконец, имеются замечательные работы (в том числе методического характера) самого автора теории относительности - А. Эйнштейна [1.16]. Однако, при внимательном изучении монографий и учебных пособий по теории относительности обнаруживается, что в них отсутствует однозначная трактовка сущности теории относительности и ее основных положений. Более того, особенно в учебной и методической литературе можно встретить спорные и даже ошибочные интерпретации теории относительности [1.17, с.57], [1.18], [1.19, с.57-61], [1.20, с.272; с.274-278; с.280]. В ряде литературных источников на неправомерном толковании теории относительности основана ее совершенно несостоятельная критика [1.21, с.155-192], [1.22, с. 104-115], [1.23]. Наконец, следует назвать работу академика А.А. Логунова [1.24], в которой отмечается, что в литературе весьма распространены неправильные суждения о теории относительности. Это касается, прежде всего, вопроса о 4-мерной релятивистской методологии - ее сущности и роли в понимании содержания теории относительности, а также вопросов об исторических корнях релятивистских идей и о соавторах А. Эйнштейна.
При любом обсуждении теории относительности - специальнонаучном или методическом - так или иначе затрагиваются ее исторические истоки: принципиальные трудности, с которыми сталкивалась физика в области электродинамики Максвелла; проблема принципа относительности и преобразований симметрии для движущихся относительно друг друга инерциальных систем отсчета (ИСО), скорости света и эфира, как мировой электромагнитной среды: вопросы приоритета. Исторические аспекты теории относительности важны не только в научном, методологическом и дидактическом отношениях. Их рефлексивное и ретроспективное рассмотрение помогает прояснить главное - сущность теории относительности.
Приоритетные споры вокруг теории относительности начались с 1905 г. -с момента появления знаменитой статьи А. Эйнштейна "К электродинамике движущихся тел" [1.16, т.1, с.7-35] - и не прекращаются по сей день. Все суждения на этот счет можно классифицировать так: I) А. Эйнштейн - единственный автор теории относительности, 2) теория относительности создана исключительно Г. Лоренцем и А. Пуанкаре, в работе А. Эйнштейна 1905 г. нет ничего нового - она всего лишь завершает исследования названных авторов, 3) авторы теории относительности: Г. Лоренц, А. Пуанкаре, А. Эйнштейн (и возможно Г. Минковский), 4) здание теории относительности воздвигнул Г. Минковский, работы Г. Лоренца, А. Пуанкаре, А. Эйнштейна заложили фундамент этого здания.
Последнюю точку зрения отстаивают М. Борн и А.А. Логунов. Так, М. Борн пиоіет: "Работа Эйнштейна была замковым камнем для арки, которую построили Лоренц, Пуанкаре и другие и на которой должно было бы держаться строение, созданное Минковским" [1.25, с.195]. То же фактически утверждает и А.А. Логунов: "Теория относительности была создана выдающимися учеными Лоренцем, Пуанкаре, Эйнштейном и Минковским, и, я думаю, эти гиганты фактически завершили теорию, а то, что было после них, это - изложение, порою правильное, порою неправильное, но почти всегда не глубокое" [1.24, с.б]. Ряд авторов, например Э.Д. Уиттекер [1.26, с.208-217], Дж. Кесуани [1.26, с.244-270], А.А. Тяпкин [1.26, с.271-330], пытаются в своих исследованиях вопроса доказать, что работа Эйнштейна 1905 г. совершенно не оригинальна, все, что в ней есть, имеется в трудах Г, Лоренца и А. Пуанкаре. Так, Э.Д. Уиттекер прямо пишет: "В ней (т.е. в работе А. Эйнштейна 1905 г. - A.M.) более пространно излагалась теория относительности Пуанкаре и Лоренца" [1.26, с.216-217].
Различие мнений по вопросам истории теории относительности и приоритета свидетельствует об их нетривиальнее. Это не случайно, т.к. данные вопросы непосредственно связаны с тем или иным пониманием теории относительности, с той или иной трактовкой ее основных положений и результатов.
Автор разделяет в целом точку зрения В. Паули [1.9, с.9-13] и академика В.Л. Гинзбурга [1-27], считая ее достаточно глубоко и всесторонне аргументированной. На их взгляд, главная роль в создании теории относительности принадлежит А. Эйнштейну, причем, несомненно, что значительный вклад в постановку проблемы и анализ путей ее решения внесли Г. Лоренц и А. Пуанкаре, а также другие исследователи (об собой роли работ Г. Минковского см. ниже).
Г. Лоренц по сути дела создал свою теорию относительности - эфирно-классическую модель пространства и времени, значительно более сложную, чем теория относительно Эйнштейна [1.28, с.285-286; с.291-293; с.323-328], [1.29, с.38-59]. Онтодидактический анализ особенностей "теории относительности Лоренца" в сравнении с теорией относительности Эйнштейна дан диссертантом в [2.33], см. также [2.31]. Существо вопроса заключается в следующем. Согласно теории Лоренца есть ИСО К абсолютно неподвижного мирового эфира; в ИСО К, движущейся относительно ИСО К равномерно и прямолинейно, имеет место "эфирный ветер", но он физически не наблюдаем, т.к. для К , К эффективно справедлив принцип относительности, выражаемый преобразованиями Лоренца, которые по существу представляют собой результат двух последовательных преобразований -классических преобразований Галилея для "истинных" (действительных) пространственных координат и времени К , К и "собственных преобразований Лоренца", выражающих ненаблюдаемые эфирные эффекты сокращения продольных масштабов и замедления хода часов ИСО К. Последние связывают "истинные" и ее "кажущиеся" (эффективные) координаты и время, измеряемые приборами ИСО К. При этом получается, что скорость света, будучи в действительности различной в ИСО К , К, оказывается для них эффективно инвариантной.
"Теория относительности Лоренца", таким образом, существенно отличается от теории относительности Эйнштейна, и нетрудно отсюда заключить, можно ли Г. Лоренца причислить к соавторам А. Эйнштейна. Несмотря на то, что теория Лоренца количественно подтверждается, как и теория Эйнштейна, всей совокупностью известных экспериментальных фактов, мировое сообщество ученых сделало выбор в пользу теории Эйнштейна. Основная причина неприятия теории Лоренца носит методологический характер. Как справедливо отмечает Д. Бом, фундаментальные понятия теории Лоренца - "истинные" пространственная и временная координаты — оказатись совершенно неопределенньши; ни одно из свойств эфира Лоренца наблюдать нельзя, и теория Лоренца ведет к такой путанице, что становится неясно, "какой смысл вкладывается в понятия пространства и времени вообще и для чего служит эти фундаментальные понятия" [1.29, с.58-59].
Что касается известной работы А. Пуанкаре "О динамике электрона" (1906 г.) [1.30, с.433-486], то она в сравнении со статьей А. Эйнштейна 1905 г. представляет собой исследование не физика, а математика. В ней нет той физической ясности в постановке и решении проблемы, какой отличается работа А. Эйнштейна. Нужно также отметить, что у Пуанкаре, как и у Лоренца, нет ни четкой формулировки исходных постулатов, ни вывода преобразований Лоренца. Кроме того, Пуанкаре указывает, что он следует работам Лоренца, уточняя результаты последнего.
При кардинальных отличиях теории Лоренца и Эйнштейна очевидно их формальное сходство - в той и другой имеют место принцип относительности, инвариантность скорости света и преобразования Лоренца, хотя, как сказано выше, они имеют разный смысл в каждой из названных теорий. Это обстоятельство, а также то, что теория Лоренца и Эйнштейна были созданы практически одновременно, явилось причиной проникновения лоренцевой интерпретации в теорию относительности Эйнштейна. Ее реликты можно обнаружить и сейчас в отдельных литературных источниках и особенно в учебных изданиях. Например, при трактовке релятивистских эффектов относительности пространственных и временных промежутков как "лоренцевых сокращений пространственных масштабов и замедления хода часов" [1.17, с.57], [1.18], при введении в релятивистской механике понятия массы частицы, зависящей от ее скорости, фактически заимствованного у Лоренца [1.28, с.295-298] и по сути чуждого теории относительности [1.31], [2.20].
Становление и дальнейшее развитие теории относительности не ограничилось статьей А. Эйнштейна 1905 г. Хотя на этот счет имеется и другое мнение. Его со всей определенностью высказал академик Л.И. Мандельштам: "В работе Эйнштейна (1905 г. - A.M.), несмотря на ее скромное название, заключена вся специальная теория относительности, и в дальнейшем сюда не было добавлено ничего принципиально нового" [1.13, с.86]. Такое заключение Л.И. Мандельштама представляет собой оценку того вклада, который внес в теорию относительности Г. Минковский.
Типичные недостатки в знаниях школьниками теории относительности и их методические источники
Экспериментальные факты электромагнетизма и оптики, как наиболее понятные учащимся и существенные для дальнейшего изучения теории относительности, можно выбрать следующие: 1) покоящийся в "лабораторной" системе отсчета заряд - источник электростатического поля, а тот же заряд в системе отсчета, движущейся относительно лабораторной равномерно и прямолинейно, является источником электромагнитного поля — силового поля, существенно отличного от электростатического; 2) сила взаимодействия зарядов различна в разных инерциальных системах отсчета: два неподвижных в лабораторной системе отсчета заряда, расположенных на фиксированном расстоянии друг от друга, взаимодействуют электростатической силой Кулона, а взаимодействие тех же зарядов в системе отсчета, движущейся равномерно и прямолинейно относительно "лабораторной", будет определяться дополнительно магнитной силой; 3) все эксперименты по определению скорости света от неподвижных и движущихся источников свидетельствуют, что скорость света в вакууме есть строго определенная конечная величина (нет света более медленного или быстрого), причем, экспериментально не наблюдались скорости макротел или частиц, равные или превышающие скорость света в вакууме.
Дополнительно к названным полезно привести современные опытные факты: 1) в экспериментах по ускорению элементарных частиц на ускорителях различных типов обнаружено, что ни при каких затратах энергии не удается разогнать частицы до скорости света и, тем более, превысить ее; 2) время жизни движущейся элементарной частицы (от рождения до распада) больше времени жизни такой же покоящейся частицы; 3) известен распад элементарной частицы - нейтрального пи-мезона - на два фотона (безмассовые частицы) - здесь явно нарушаются классические законы сохранения массы и энергии.
Все приведенные выше экспериментальные факты из разных областей физики находятся в явном противоречии с основными положениями классической механики и, следовательно, с ньютоновой концепцией пространства и времени. Возникает проблема создания новой фундаментальной модели пространства и времени и новой механики. Каковы возможные пути ее решения?
И здесь рекомендуется кратко обсудить подход Г. Лоренца, связанный с эфирными представлениями, гипотезами сокращения длин и замедления хода часов в движущейся относительно эфира системе отсчета, чтобы сохранить ньютоновы понятия абсолютных пространства и времени [2.33].
Постулаты теории относительности - принцип инвариантности скорости света и принцип относительности - предполагается сформулировать в целом так, как они были сформулированы А. Эйнштейном в работе 1905 г. [1.16, т.1, с. 10]. Именно, принцип инвариантности скорости света утверждает, что модуль скорости света в вакууме инвариантен - одинаков во всех инерциальных систе мах отсчета. Отсюда следует: скорость света не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приемника света. Принцип относительности гласит, что все инерциальные системы отсчета полностью физически равноценны: любые процессы протекают в них одинаково и выражаются одинаковыми физическими законами. Значит, никакими экспериментами принципиально нельзя отличить одну инерциальную систему отсчета от любой другой инерциальной системы отсчета.
При обсуждении постулатов теории относительности следует выяснить с учащимися, почему инвариантность скорости света - не просто факт, а теоретический принцип. Ответ на данный вопрос существенно связан с предельностью скорости света: из принципа инвариантности скорости света и принципа относительности следует, что скорость света имеет смысл предела для скорости любых частиц. Доказательство этого факта основано на том, что относительная скорость инерциальных систем отсчета строго меньше скорости света.
Среди экспериментальных фактов должны быть указаны такие, которые составляют опытное обоснование постулатов теории относительности. К ним относятся эксперименты, подтверждающие независимость скорости света от скорости источника и эксперименты типа Майкельсона-Морли. Знакомство с ними учащихся предполагается кратким в соответствием с пособием [1.58, с.67-69].
Релятивистский закон преобразования скорости представляет собой следствие предельности скорости света. Его элементарный вывод, основанный непосредственно на постулатах теории относительности и принципе соответствия, предложен автором в [2.3, с.213-214].
Понятие события центральное понятие теории относительности, т.к. оно предполагает единство пространства и времени. Пространственное расстояние и временной промежуток имеют смысл только для пары событий. Необходимо обратить внимание учащихся на положение об инвариантности события как элементарного физического акта: его пространственно-временная характеристика относительна, а факт свершения абсолютен (не зависит от выбора инерциальной системы отсчета).
После определения понятия собственного времени частицы выводится принципиально важное релятивистское соотношение, выражающее связь собственного времени частицы и времени ее движения. Этот вывод основан на расчете известного простого мысленного опыта, в котором собственное время моделируется временным промежутком между стартом и финишем (в фиксированной пространственной точке) света, распространяющегося в исходной инерциальной системе отсчета вдоль направления, перпендикулярного к вектору относительной скорости двух инерциальных систем отсчета (в одной из них частица покоится, а в другой движется равномерно и прямолинейно) [1.15, с.43].
Далее, после обсуждения интерпретации выведенной формулы и ее экспериментального обоснования определяется инвариантная величина квадрата интервала для пары событий, связанных с частицей [2.3, с.221]. Этот частный релятивистский результат обобщается на случай произвольной пары событий и утверждается в качестве фундаментального положения теории относительности: пространство и время имеют смысл только во взаимосвязи друг с другом как составляющие единого пространства-времени. Подчеркивается, что если в ньютоновой модели фундаментальны - абсолютны и имеют самостоятельное значение - в отдельности пространство и время, то согласно теории относительности фундаментально абсолютное пространство-время. Относительность его составляющих - пространства и времени - есть следствие абсолютности пространства-времени. Такова методология объяснения теорией относительности релятивистских эффектов, экспериментально фиксируемых как эффекты быстрых движений.
Для понимания учащимися сущности теории относительности необходимо в простой и доступной им форме выразить ее исследовательскую задачу, определяющую методологическую функцию теории относительности в физической науке. Именно, нужно сказать, что в уравнениях любой физической теории должна учитываться предельность скорости света, т.к. согласно теории относительности никакие процессы, связанные с передачей энергии и импульса, не могут распространяться в пространстве быстрее света. Иначе, эти уравнения должны быть согласованы с пространственно-временной моделью теории относительности.
Релятивистская механика - первая теория, построенная с самого начала на основе теории относительности. Ее основной динамический закон отличается от второго закона Ньютона, во-первых, определением импульса, а, во-вторых, понятиями массы и силы. В случае постоянной силы частица движется с переменным ускорением, но так, что за любой конечный промежуток времени ускорения достигаемая ею скорость меньше скорости света [2.32].
Подготовка студентов педвуза к преподаванию теории относительности в средних общеобразовательных учреждениях
Изучение теории относительности согласно предлагаемой программы гсжно начинаться с резюмирующего повторения классической механики. ежде всего, с обсуждения лежащей в ее основе ньютоновой концепции про- анства, времени и движения. Именно, необходимо лаконично акцентиро-ъ, что классические пространство и время определяются как исходные мо-іьньїе данности, никак не связанные друг с другом и материальными части-іи. В понятии пространства абстрагируются и идеализируются свойства про-генности, формы и объемности (3-мерности) физических тел. Пространство постулируется однородным, изотропным, непрерывным. Его геометрические свойства выражаются евклидовой геометрией с характерной этой геометрии теоремой Пифагора. Время - абстрактно-идеализированное модельное представление длительности физических процессов. Постулируется, что классическое время однородно, непрерывно, одномерно. Пространство и время в ньютоновой теоретической модели абсолютны - каждое из них едино и неизменно для всех инерциальных систем отсчета.
Движение частицы есть изменение ее пространственного положения (в избранной системе отсчета) с течением времени. Существенно, что в классической механике никаких ограничений на величину скорости частицы нет - она может быть сколь угодно большой.
Особый тип движения - равномерное и прямолинейное. Его особенность проявляется в принципе относительности, согласно которому относительное равномерное и прямолинейное движение "лаборатории" не влияет на протекание в ней механических явлений. Отсюда следует механическая эквивалентность всех инерциальных систем отсчета.
При резюмировании основных понятий, положений и результатов классической механики представляется особенно важным подчеркнуть и показать, что они полностью согласуются с ньютоновой концепцией пространства, времени и движения. Так, из релятивистского закона преобразования скорости следует, что скорость частицы, во-первых, относительна, а, во-вторых, ничем не ограничена - всегда найдется такая инерциальная система отсчета, в которой скорость данной частицы больше, чем в исходной системе отсчета. Этому положению соответствует и основной закон классической динамики, согласно которому при ускорении частицы, например, постоянной силой ее скорость растет со временем неограниченно. А в третьем законе Ньютона предполагается, что взаимодействие частиц на расстоянии осуществляется мгновенно.
Наконец, необходимо отметить, что к динамическим характеристикам частицы относятся масса, импульс и энергия, причем масса частицы всегда отлична от нуля (понятие безмассовой частицы не имеет смысла). Важно акцентировать, что классические определения импульса и кинетической энергии частицы связаны друг с другом и следуют из основного закона динамики. А так как последний согласуется с неограниченностью скорости частицы, то, значит, на этом положении основаны классические выражения импульса и кинетической энергии. Пропедевтически полезно также заметить, что в ньютоновой модели частица в состоянии покоя никакой энергией не обладает (кинетической энергии нет, а потенциальная энергия определяется с точностью до постоянной и потому всегда ее можно положить равной нулю).
Итоговое заключение, предваряющее обсуждение ряда экспериментальных фактов электромагнетизма и оптики, должно быть таким: классическая механика, основанная на ньютоновой модели пространства и времени, претендует на фундаментальность, т.е. на описание движений и взаимодействий любых физических объектов, поскольку в ней самой нет никаких ограничений на природу этих объектов. Исторически классическая механика возникла как механика движения макротел, которые, в частности, можно моделировать материалы лыми точками. В 19-20-м веках были открыты принципиально новые природные объекты - физические поля (например, электромагнитное) и микрочастицы (электроны, протоны, нейтроны, фотоны и т.д.). Естественно возник принципиальный вопрос о том, пригодна ли классическая механика, а, следовательно, и ньютонова модель пространства и времени, для описания кинематики и динамики этих объектов?
Экспериментальные факты электромагнетизма и оптики, как наиболее понятные учащимся и существенные для дальнейшего изучения теории относительности, можно выбрать следующие: 1) покоящийся в "лабораторной" системе отсчета заряд - источник электростатического поля, а тот же заряд в системе отсчета, движущейся относительно лабораторной равномерно и прямолинейно, является источником электромагнитного поля — силового поля, существенно отличного от электростатического; 2) сила взаимодействия зарядов различна в разных инерциальных системах отсчета: два неподвижных в лабораторной системе отсчета заряда, расположенных на фиксированном расстоянии друг от друга, взаимодействуют электростатической силой Кулона, а взаимодействие тех же зарядов в системе отсчета, движущейся равномерно и прямолинейно относительно "лабораторной", будет определяться дополнительно магнитной силой; 3) все эксперименты по определению скорости света от неподвижных и движущихся источников свидетельствуют, что скорость света в вакууме есть строго определенная конечная величина (нет света более медленного или быстрого), причем, экспериментально не наблюдались скорости макротел или частиц, равные или превышающие скорость света в вакууме.
Дополнительно к названным полезно привести современные опытные факты: 1) в экспериментах по ускорению элементарных частиц на ускорителях различных типов обнаружено, что ни при каких затратах энергии не удается разогнать частицы до скорости света и, тем более, превысить ее; 2) время жизни движущейся элементарной частицы (от рождения до распада) больше времени жизни такой же покоящейся частицы; 3) известен распад элементарной частицы - нейтрального пи-мезона - на два фотона (безмассовые частицы) - здесь явно нарушаются классические законы сохранения массы и энергии.
Все приведенные выше экспериментальные факты из разных областей физики находятся в явном противоречии с основными положениями классической механики и, следовательно, с ньютоновой концепцией пространства и времени. Возникает проблема создания новой фундаментальной модели пространства и времени и новой механики. Каковы возможные пути ее решения?
И здесь рекомендуется кратко обсудить подход Г. Лоренца, связанный с эфирными представлениями, гипотезами сокращения длин и замедления хода часов в движущейся относительно эфира системе отсчета, чтобы сохранить ньютоновы понятия абсолютных пространства и времени [2.33].
Постулаты теории относительности - принцип инвариантности скорости света и принцип относительности - предполагается сформулировать в целом так, как они были сформулированы А. Эйнштейном в работе 1905 г. [1.16, т.1, с. 10]. Именно, принцип инвариантности скорости света утверждает, что модуль скорости света в вакууме инвариантен - одинаков во всех инерциальных систе мах отсчета. Отсюда следует: скорость света не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приемника света. Принцип относительности гласит, что все инерциальные системы отсчета полностью физически равноценны: любые процессы протекают в них одинаково и выражаются одинаковыми физическими законами. Значит, никакими экспериментами принципиально нельзя отличить одну инерциальную систему отсчета от любой другой инерциальной системы отсчета.
При обсуждении постулатов теории относительности следует выяснить с учащимися, почему инвариантность скорости света - не просто факт, а теоретический принцип. Ответ на данный вопрос существенно связан с предельностью скорости света: из принципа инвариантности скорости света и принципа относительности следует, что скорость света имеет смысл предела для скорости любых частиц. Доказательство этого факта основано на том, что относительная скорость инерциальных систем отсчета строго меньше скорости света.
Среди экспериментальных фактов должны быть указаны такие, которые составляют опытное обоснование постулатов теории относительности. К ним относятся эксперименты, подтверждающие независимость скорости света от скорости источника и эксперименты типа Майкельсона-Морли. Знакомство с ними учащихся предполагается кратким в соответствием с пособием [1.58, с.67-69].
Релятивистский закон преобразования скорости представляет собой следствие предельности скорости света. Его элементарный вывод, основанный непосредственно на постулатах теории относительности и принципе соответствия, предложен автором в [2.3, с.213-214].
Понятие события- центральное понятие теории относительности, т.к. оно предполагает единство пространства и времени. Пространственное расстояние и временной промежуток имеют смысл только для пары событий. Необходимо обратить внимание учащихся на положение об инвариантности события как элементарного физического акта: его пространственно-временная характеристика относительна, а факт свершения абсолютен (не зависит от выбора инерциальной системы отсчета).
После определения понятия собственного времени частицы выводится принципиально важное релятивистское соотношение, выражающее связь собственного времени частицы и времени ее движения. Этот вывод основан на расчете известного простого мысленного опыта, в котором собственное время моделируется временным промежутком между стартом и финишем (в фиксированной пространственной точке) света, распространяющегося в исходной инерциальной системе отсчета вдоль направления, перпендикулярного к вектору относительной скорости двух инерциальных систем отсчета (в одной из них частица покоится, а в другой движется равномерно и прямолинейно) [1.15, с.43].
Опытно-экспериментальная работа
Начиная с 80-х годов, в преподавании школьного курса физики возобладала новая методическая концепция, связанная с усилением в нем роли физических теорий и теоретических обобщений. Она была разработана и обоснована в трудах, прежде всего, В.В. Давыдова [1.4], В.Г. Разумовского [1.5], В.В. Мулта-новского [1.6]. В школьных программах по физике (начиная с 1981/82 учебного года) особо подчеркивается, что главное внимание должно быть обращено на изучение основных фактов, понятий, законов, принципов и методов физической науки, на обобщение широкого круга физических явлений на основе теорий [1.42, с.4].
Эта концепция не только не утратила своего значения сейчас а, напротив, вопрос о ее все более полной реализации в курсах физики средних общеобразовательных учреждений стал актуальнее, чем прежде. В качестве причин можно назвать следующие: 1) официально определен минимум содержания среднего (полного) общего образования [1.43], 2) продолжается и усиливается методический процесс совершенствования курсов физики средних общеобразовательных учреждений (особенно повышенного уровня), направленный на их коренную модернизацию: преподавание всех разделов с позиции современной физики [1.44, с.6] и включение в эти курсы фундаментальных физических теорий [1.45, с.6], 3) необходимость конкретного дидактического воплощения гуманистических идей современной педагогики [1-46, с.27-38].
Практика 20-летнего преподавания физики в массовой школе с ориентиром на методическую концепцию теоретических обобщений, новые задачи и содержание среднего образования и новые педагогические идеи вызывают необходимость дополнительного анализа и определенных корректив концепции теоретических обобщений, прежде всего, в плане методического решения вопроса об изучении и преподавании фундаментальных физических теорий в курсах физики общеобразовательных учреждений. Особенно это касается такой фундаментальной теории как теория относительности.
Если задаться вопросом, можно ли успешно изучать и преподавать физическую теорию без осознания того, что любая научная теория представляет собой в целом как познавательная система, как она возникает, где находятся ее источники, как она соотносится с опытом, то ответ с очевидностью должен быть отрицательным. То же самое касается необходимости выяснения вопросов, связанных с научным и учебным понятиями: в чем их сходства и различия, в какой мере учебное познание может отражать научное познание, чем отличается научный материал - основы теории, излагаемые в монографиях исследователей, - от учебного материала, составляющего содержание учебников? Нако 23 нец, что означает реально "изучение физической теории" в курсе физики средних общеобразовательных учреждений? Проведенный автором анализ [2.1, с.8] философской и физической литературы позволяет резюмировать следующие основные методологические положения, касающиеся физической теории: - физическая теория есть мысленное отражение определенного фрагмента реального физического мира, но она - не его копия или снимок, а физико-математический образ, модель, теоретическая схема; - мир физической теории представляет собой образно-понятийный конструкт, состоящий из абстракто-идеализированных объектов, представляемых соответствующей математической структурой; взаимосвязь этих элементов выражается основными уравнениями теории, составляющими ее конструктивно-содержательное ядро; - физическая теория логически однозначно не выводится из экспериментальных фактов (эмпирических закономерностей); - модельные объекты теории не тождественны реальным физическим объектам; - уравнения физической теории непосредственно описывают ее физико-математический мир; - применимость теоретического прогноза к определенному фрагменту реального физического мира сопряжена с возможностью осуществления условий, определяющих интервальную ситуацию (т.е. когда "исследуемое свойство объекта или связь явлений обнаруживает себя в чистом виде" [1.47, с.31] соответственно идеальным элементам физической теории).
Существует мнение, что учебное познание должно быть похожим на научное - учащихся нужно ставить в условия, близкие психологически и содержательно к условиям научного исследования. Так А.Д. Гладун пишет: "Наиболее разумным методом преподавания физики является метод, при котором основные элементы преподавания соответствуют элементам процесса научного познания... Познающий всегда исследователь" [1.48, с.З]. Иначе говоря, здесь идет речь об организации учебной деятельности школьников как познавательно-исследовательской, копирующей в определенной мере научно-исследовательскую деятельность ученых, где, следовательно, должны явно учитываться особенности методологии научного познания. Эти дидактические идеи, однако, слишком общи, они нуждаются в конкретизации и детальном анализе, где принимались бы во внимание реалии учебного процесса в средних общеобразовательных учреждениях, его объективные и субъективные составляющие.
Учащиеся и ученые-исследователи отличаются, во-первых, стартовыми познавательными возможностями: у них различные уровни подготовленности -исследовательский опыт, вооруженность знаниями, стиль мышления, материальное обеспечение эксперимента. Учащиеся базируются на обыденных знаниях, элементарном жизненном опыте, предметно-эмпирическом мышлении. Ученые-исследователи имеют солидный научно-исследовательский опыт, обширные физико-математические знания, навыки научно-теоретического мышления. Во-вторых, учебную и научную познавательную деятельность отличают объект, предмет, цели, задачи, средства и результаты. Ученый-исследователь (в обобщенном смысле) - производитель научных знаний о реальном физическом мире, выраженных в форме соответствующих физических теорий. Ученик по отношению к ним - потребитель, пользователь готовых научных результатов.
В отличие от ученого-исследователя ученик имеет перед собой специально приготовленную для него учебно-познавательную информацию - дидактически переработанное безличностное, общественно-научное физическое знание (инвариант личностных знаний ученых), представленное в форме учебного предмета и выражаемое учителем и школьным учебником.
Автор различает два понятия знания: знание безличностное или общественное - достояние коллективного разума человечества [1.49, с.14] и личностное или индивидуальное знание, носитель которого - сознание того или иного конкретного индивида [1.50, с.21-22]. Письменные и устные тексты (монографии, статьи, учебники, учительские объяснения) представляют собой выражение личностных знаний их авторов в безличностной, общественной форме (минуя эмоционально-чувственную сферу). Любая демонстрация (представление) знаний отличается неполнотой, т.к. личностное знание содержит неартику-лярную компоненту (то, что не выражается словами и знаками) [1.51, с. 128-129]. В связи с последним представляет дидактический интерес замечание П. Дирака: "Новые теории (например, теория относительности и квантовая механика - A.M.)... построены на основе таких физических понятий, которые ... не могут быть объяснены адекватно словами вообще" [1.52, с.9].
Учебный материал не есть совокупность "готовых знаний", которые можно было бы сообщить и передать учащимся [1.53, с.З]. В противном случае дидактическая задача была бы весьма простой - достаточно было бы удобоваримо приготовить учебное "потребительское блюдо знаний". Но знания - не тот предмет, который можно, как говорится, передать из "рук в руки" простым сообщением (повествованием), даже очень хорошо методически организованным [1.50, с. 12].
Учебный материал (включающий устные и письменные тексты, а также содержание экспериментальных и расчетных работ) - источник новых знаний учащихся, питательная среда, из которой за счет активной познавательной деятельности создаются индивидуальные знания каждого учащегося. Учебно-познавательная информация, пройдя через подсознание учащегося, сначала, как можно предположить, образует в сознании "зародыш знания", из которого постепенно знание "произрастает" - становится, развивается, совершенствуется, углубляется. Эти процессы сопровождаются преодолением ошибок и заблуждений того или иного порядка, непременно сопутствующих познанию на всех этапах.
