Содержание к диссертации
Введение
Глава І. ИСТОРИКО-ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ СТАТИСТИЧЕСКИХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ В НАУКЕ И ОБУЧЕНИИ
I.I. Возникновение и становление статистических идей в физике 19
1.2. Статистические основы квантовой механики 44
1.3. Становление и развитие квантовой статистики. 64
1.4. Проблема преемственности в преподавании основ статистики в курсах общей и теоретической физики педвуза 75
Глава II. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ ОСНОВ СТАТИСТИКИ В КУРСАХ ОБЩЕЙ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ПЕДВУЗА
2.1. Содержание, структура и методика преподавания статистической физики и термодинамики в педвузе 100
2.2. Статистические идеи при изучении идеального газа 116
2.3. Статистические идеи при изучении жидкого состояния вещества 127
2.4. Статистические идеи при изучении атомной и ядерной физики 147
2.5. Методика изложения функций распределений квантовой статистики 165
Глава III. ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ И АНАЛИЗ ЕГО РЕЗУЛЬТАТОВ
3.1. Содержание и организация педагогического эксперимента 173
3.2. Анализ результатов педагогического эксперимента 180
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 193
- Возникновение и становление статистических идей в физике
- Содержание, структура и методика преподавания статистической физики и термодинамики в педвузе
- Содержание и организация педагогического эксперимента
Введение к работе
Актуальность проблемы. Решение задач коммунистического строительства требует непрерывного совершенствования системы образования с учетом научно-технического прогресса, неуклонного повышения общеобразовательного уровня подготовки специалистов.
Введение нового содержания образования, рост научного уровня, постоянное совершенствование методов обучения, всевозрастающие требования к качеству знаний учащихся, усложнение форм организации урока - все это требует от учителя непрерывного накопления и обновления знаний, повышения квалификации и методического мастерства.
Важнейшим документом является опубликованное в газете "Правда" 12 июля 1979 г. постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР "О дальнейшем развитии высшей школы и повышении качества подготовки специалистов". В нем, в частности, говорится: "Постоянно совершенствовать учебные планы и программы на основе повышения значимости фундаментальных наук, теоретической и профессиональной подготовки специалистов широкого профиля, более полного отражения новейших достижений науки и передового опыта" (6).
В постановлении указывается также на необходимость дальнейшего повышения научно-теоретического уровня лекций и их значения в формировании у студентов научного мышления и марксистско-ленинского мировоззрения.
В связи с дальнейшим развитием системы народного образования был опубликован ряд постановлений ЦК КПСС и Совета Министров СССР, относящихся реформе общеобразовательной и профессиональной школы, где подчеркивается:"поднять уровень преподавания предметов естественно-математического цикла, нацелить его на формирование у под-
- ц. -
растающих поколений современной естественнонаучной картины мира, знаний и представлений о практическом применении науки в основных отраслях современного производства и других сферах деятельности" (7, с. 67). Это требует и совершенствование подготовки педагогических кадров, в связи с этим было опубликовано соответствующее постановление (7, с. 94), где пишется: "Значительно улучшить психолого-педагогическую и методическую подготовку учителей (преподавателей) и мастеров производственного обучения, вооружать их активными формами и навыками воспитательной деятельности в ученических коллективах, классного руководства, организации комсомольской и пионерской работы, повысить роль общетеоретических и специальных кафедр в формировании у них педагогических навыков" (7, с. 95).
Современной школе нужен активный, мыслящий учитель, умеющий находить новые пути в обучении и воспитании, способный творчески мыслить, применять педагогическую теорию для решения разнообразных учебно-воспитательных задач. Все это требует улучшения подготовки будущих учителей, а также совершенствования методики преподавания вузовского курса физики.
Дидактические, психолого-педагогические и методические основы совершенствования вузовского курса физики и подготовки педагогических кадров разработаны в трудах С.И.Архангельского (10, II), Б.Г.Ананьева (13, 14), С.Е.Каменецкого (74), И.И.Кобыляцко-го (81), Н.В.Кузьминой (95), Н.Н.Малова (107, 108), Б.М.Мирзах-медова (115), В.В.Мултановского (118), А.А.Пинского (130, 134, 135), В.А.Сластенина (163), Н.Ф.Талызиной (168, 169), А.В.Усовой (179, 180, 181), В.А.Фабриканта (184, 185), А.И.Щербакова (208), Б.М.Яворского (212, 215) и др.
Анализ психолого-педагогической литературы показал, что ис-
следования вузовской педагогической психологии относятся, прежде всего, к проблеме усвоения знаний студентами вуза (14, 157, 169, 209). Советскими психологами и педагогами выделяются четыре уровня знаний (27, с. 47), охватывающие деятельность будущего специалиста:
уровень знакомства (распознавания истинного и ложного);
уровень знаний (воспроизведения, репродуктивная деятельность);
уровень умений (использование полученных знаний для решения практических задач);
уровень навыков (трансформации).
Эти уровни являются ступенями приобретения знаний и могут служить мерой требований к знаниям студентов (117) и их качества (101).
Для глубокого усвоения программного материала необходимо развитие у обучающихся теоретического мышления. Под влиянием специальной организации учебной деятельности происходит изменение в характере умственной деятельности. В.И.Ленин указывал, что целе-полагающая внутренняя деятельность человека является в конечном счете субъективной формой объективных процессов в природе и обществе (2, 4). Марксистско-ленинское учение о человеческой деятельности раскрывает активную роль субъекта в деятельности (2, 4). В зависимости от целей, которые преследует субъект, вычленяются такие виды деятельности, как преобразовательная, познавательная. Каждая из них может быть производительной и потребительской.
Исследование вопросов познавательной деятельности учащихся и студентов опирается на диалектический материализм, марксистско-ленинскую теорию познания, которая характеризует развитие знаний
- б -
как отражение объективного мира в сознании человека. "Ощущение есть действительно непосредственная связь сознания с внешним миром" (3, с. 46). Отражение действительности в сознании людей является активным процессом. Процесс познания идет "от живого созерцания к абстрактному мышлению и от него к практике - таков диалектический путь познания истины, познания объективной реальности" (2, с. 153).
Современная теория и практика обучения ищут пути развития познавательной активности студентов, которая обеспечивается, прежде всего, реализацией в процессе обучения дидактических принципов. Задача методики обучения заключается в применении общих принципов, методов и приемов к преподаванию конкретных дисциплин. При выборе форм организации и методов обучения студентов мы основывались на дидактических принципах, которые рассматриваются в работах ученых-дидактов, занимающихся вопросами теории обучения в вузе (10, 18, 68, 117, 124 и др.).
Дидактические принципы высшей школы были сформулированы С.И.Архангельским (10, II), С.И.Зиновьевым (68) и др. Анализ деятельности педагогов высшей школы показывает, что существо всех дидактических принципов в своей основе одинаково как для средней, так и для высшей школы. Однако одни принципы имеют больший удельный вес для средней школы, другие для высшей. Это обусловлено психологическими особенностями молодежи студенческого возраста и задачами обучения (117). В процессе обучения необходимо избрать такое содержание и формы обучения, которые помогут студентам овладеть научными знаниями и умениями мыслить научно, в соответствии с законами диалектической логики, умениями и навыками применять полученные знания на практике.
Принцип связи теории с практикой опирается на положение диа-
лектического материализма о единстве теории и практики в процессе познания. Реализация его в процессе обучения физике имеет большое мировоззренческое значение. Поиск путей укрепления связи теории с практикой при обучении физике в педвузе является одной из главных задач методики преподавания физики в высшей школе. Обучение в вузе должно обеспечить не только глубокое понимание студентами современных научных знаний, но и прочное усвоение основных физических понятий и закономерностей (179, 180, 181). Это требует неоднократного повторения ранее изученного в новых связях (139).
Проблеме реализации преемственности при изучении физики в вузе и школе посвящены кандидатские диссертации Е.С.Клоса, А.Г.Мо-роза, М.М.Разладовой и др. В этих исследованиях сравнивается процесс обучения физике в вузе и школе. При этом они ограничиваются вузовским курсом общей физики. В частности, в диссертации Е.С.Клоса (89) приводится подробный анализ школьных и вузовских программ по физике, вскрываются недостатки в преподавании физики в вузе, обусловленные нарушением преемственности, указываются пути их устранения с целью повышения теоретического уровня и практической подготовки студентов.
Вопросы осуществления преемственности в связи с систематизацией знаний учащихся разработаны А.Н.Звягиным (67), некоторые пути оптимизации методов и приемов обучения на основе преемственности - В.А.Черкасовым и Э.С.Черкасовой (199). Диссертация А.Б. Агафонова (9) посвящена совершенствованию методики формирования физических понятий на основе более полной реализации преемственности в их развитии у учащихся старших классов средней школы.
В диссертационных исследованиях А.М.Зайцевой, Л.В.Королевой, Н.К.Михеевой, В.В.Панкратова, Н.Е.Парфентьевой, Л.В.Петровой,
В.И.Пономаренко, А.Т.Ребко, Б.А.Алейникова и др. рассматриваются различные аспекты совершенствования преподавания курса физики в педвузе. Изучению в средней школе элементов статистики и развитию статистического стиля мышления школьников посвящены диссертационные исследования Г.И.Батуриной (25), Л.С.Шурыгиной (207), А.Я.Михайлика (116) и др.
В научно-методической литературе имеются работы, посвященные методике изложения отдельных вопросов курса общей физики, в частности статьи А.А.Пинского и др. (130, 134, 135), где рассматриваются методика изложения распределений Максвелла и Больц-мана и второго закона термодинамики, Л.В.Королевой (83) по изложению статистических идей для студентов математических специальностей, Л.А.Грибова и В.Б.Зернова (52), где приводятся рекомендации Пленума научно-методического совета по физике при Минвузе СССР, Н.Н.Малова (107, 108), где рассматриваются вопросы классической физики, недостаточно полно освещаемые в курсе общей физики, В.А.Фабриканта (184), посвященные изложению некоторых вопросов квантовой физики, И.А.Шварца (200) и С.П.Гордеевой (50), где излагается основы квантовой теории атома в курсе общей физики и др.
Вопросами методики преподавания теоретической физики в педвузе стали уделять внимание только в последние годы. Об этом свидетельствует тот факт, что впервые на Всесоюзном совещании-семинаре, который проходил в ноябре 1981 г. в городе Луцке, работала самостоятельная секция по теоретической физике, где обсуждались пути совершенствования преподавания этой дисциплины.
Диссертация В.М.Шитова (204) посвящена исследованию методического аспекта проблемы реализации профессионально-педагогической направленности курса теоретической физики в пединституте на
примере раздела электродинамики. Профессиональная направленность знаний студентов по теоретической физике рассматривается как интегральное качество знаний, обусловливающее их целенаправленность, целеустремленность. Выделена и конкретизирована струк-туризационная группа, а также конкретизированы в рамках курса теоретической физики корреляционная, дифференциационная и трансформационная группы информационных умений, подлежащих формированию у студентов при изучении ими теоретической физики в педагогическом институте.
Статья М.Г.Зайцева (65) посвящена методике введения функции статистического распределения в курсе теоретической физики. Автор предлагает, что при рассмотрении вопроса о функции статистического распределения в курсе статистической физики необходимо остановиться на физических причинах, обусловливающих статистическое описание макросистем, и подчеркнуть принципиальную невозможность сведения статистических законов, проявляющихся в них, к законам механики.
Квалифицированная подготовка будущего учителя физики должна обеспечить глубокое усвоение студентом научных основ школьного курса физики, понимание преемственности в обучении между высшей и средней школой, а также наукой и изложением ее основ. Однако в практике вузовского преподавания эта задача все еще решается не на должном уровне. Неудивительно, что на практике встречаются весьма устойчивые недоработки, о чем свидетельствуют серьезные недостатки в знаниях студентов по некоторым разделам физики и неумение перейти от ее вузовского уровня к школьному изложению. Среди типичных недостатков можно отметить следующие:
I. Низкий уровень знаний определений физических величин и
понятий. Например, студенты затрудняются дать определение статистических распределений Гиббса, Максвелла и Больцмана, раскрыть их физический смысл. Большие трудности вызывает сопоставление и анализ различных определений понятия температуры.
2. Как правило, недостаточен уровень умений обобщения физи
ческих закономерностей. Значительная часть студентов не видит
в общих закономерностях, уравнениях и формулах, излагаемых в вузовском курсе физики, содержания учебного материала школьного курса физики. Здесь, можно сказать, не создана база для реализации принципа преемственности в обучении в аспекте профессиональной деятельности учителя.
Будущие учителя физики должны знать, на каком научном уровне изложен школьный курс физики и понять неизбежную ограниченность и неполноту сведений, даваемых в школе, понять характер и объем упрощений, необходимых в школьных учебниках и вообще в школьном преподавании. К сожалению, студенты-физики часто обнаруживают свою беспомощность в этой области.
Следует констатировать недостаточную политехническую подготовку студентов. Многие из них затрудняются привести примеры конкретных применений излагаемых в вузе и школе физических закономерностей, формул и величин на практике; между тем, многие выпускники школ теперь идут в производство, и уровень политехнических знаний имеет важное практическое значение для профессиональной подготовки.
С другой стороны, ныне учителя будут работать в условиях дальнейшей реализации основных направлений реформы общеобразовательной и профессиональной школы.
В результате весьма актуальной становится проблема дальнейшего совершенствования системы подготовки будущих учителей фи-
- II -
зики путем реализации органического единства содержания и методов обучения во всей системе физического образования, начиная со школы и кончая курсами общей и теоретической физики в педвузе. Конечно, речь идет не только об уровне трактовки материала или глубине познания, но и об идейном единстве разных уровней изучения одной и той же науки и о строгой преемственности отдельных этапов обучения.
Проблема усиления профессиональной направленности курса физики в педагогическом институте является вполне назревшей и требует своего решения. Для этого необходимо совершенствование содержания и методов обучения, а также совершенствование методики преподавания вузовского курса физики, в частности, и некоторых разделов курса теоретической физики. Все это определяет актуальность выбранной темы исследования.
Объектом исследования является профессионально-педагогическая подготовка будущих учителей физики, ее дальнейшее совершенствование в рамках курса теоретической физики педагогического института.
Предметом исследования является преемственность статистических идей при изучении курса теоретической физики, а также содержание и методика преподавания статистической физики и термодинамики в педагогическом институте.
Основная цель исследования - выявление путей дальнейшего совершенствования профессионально-педагогической подготовки студентов к реажзации преемственнрсти статистических идей при изучении курсов общей и теоретической физики педвуза, а также школьного курса физики.
В сйоем исследовании мы исходили из гипотезы о том, что можно добиться значительного улучшения качества профессиональ-
но-педагогической подготовки студентов-физиков педвузов к реализации преемственности в обучении, если:
выделить в содержании изучаемого программного материала раздела курса теоретической физики общефизические и профессиональные знания; при этом под профессиональными подразумеваются те знания, которые непосредственно связаны со школьным курсом, и тем самым обеспечивают преемственность формирования соответствующих понятий, а под общефизическими те вопросы, которые непосредственно не связаны со школьным курсом, но без которых нельзя получить профессионально значимые знания;
разработать адекватную методику их изучения и определить требования к их усвоению;
ввести в курс теоретической физики семинарские занятия с целью раскрытия преемственности в изучении статистических идей и понятий на различных ступенях обучения (школьный курс физики, общей физики и теоретической физики).
Исходя из цели и гипотезы исследования, в работе ставятся следующие основные задачи:
Изучить состояние проблемы преемственности в программно-методической документации и ее реализацию в учебниках и учебных пособиях по общей и теоретической физике для студентов пединститутов.
Изучить состояние исследуемой проблемы в практике преподавания вузовского курса физики.
Разработать и научно обосновать методическую концепцию преемственности в содержании статистической физики и термодинамики в курсах общей и теоретической физики педвуза с целью повышения уровня подготовки студентов-физиков к изложению статистических идей и понятий в школьном курсе физики.
- ІЗ -
Ц-. Выявить возможности совершенствования содержания и методики преподавания статистической физики и термодинамики в курсе теоретической физики педвуза, с целью усиления профессиональной направленности этого курса на основе реализации принципа преемственности.
Для решения выдвинутых задач нами применялись следующие методы исследования:
изучение трудов классиков марксизма-ленинизма, материалов съездов КПСС и постановлений ЦК КПСС и Совета Министров СССР о высшей школе и подготовке педагогических кадров - с целью определения методологических основ исследования;
изучение директивных документов партии и правительства о реформе общеобразовательной и профессиональной школы;
изучение и анализ психологической, педагогической и научно-методической литературы по исследуемой проблеме - с целью определения педагогической концепции исследования;
анализ учебных планов и программ по общей и теоретической физике для физических специальностей педвузов за последние 30 лет - с целью выявления характера реализации преемственности при изучении статистической идей и понятий;
проведение анкетирования студентов-физиков, абитуриентов и учителей школ - с целью выявления уровня усвоения ими статистических идей и понятий;
проведение педагогического эксперимента, математическая обработка и теоретический анализ его результатов.
Основные этапы исследования
Исследование продолжалось с 1978 по 1983 гг. и состояло из трех взаимосвязанных этапов.
На первом этапе (1978-1979 гг.) осуществлен констатирующий
эксперимент, имевший своей целью изучение состояния проблемы в практике вузовского преподавания. Конкретными аспектами изучения явились первоначальный уровень подготовки вновь поступивших студентов, особенности работы учителя по формированию статистических представлений в учебном процессе. G этой целью нами был проведен педагогический эксперимент по проверке знаний статистических закономерностей у студентов первого, третьего и старших курсов, которые обучались по традиционной методике, проанализированы учебные планы и программы с точки зрения профессионально-педагогической подготовки будущих учителей физики к реализации преемственности статистических идей и понятий при изучении курсов общей и теоретической физики пединститута. В результате получили возможность окончательно сформулировать гипотезу исследования.
На втором этапе (1979-1980 гг.) проводился пробный эксперимент, в задачу которого входила первичная проверка эффективности разработанной методики преподавания статистических идей и понятий при изучении курсов "Квантовая механика", "Статистическая физика и термодинамика" на основе разделения материала учебной программы на общефизические и профессиональные знания. Цель разделения заключается в выявлении путей реализации преемственности при изучении статистических идей и понятий в курсах общей и теоретической физики педагогического института и школьном курсе физики.
В результате этого эксперимента была установлена необходимость усовершенствования содержания, структуры и методики преподавания программного материала курса "Статистическая физика и термодинамика" с целью усиления преемственности статистических идей и понятий при изучении общей и теоретической физики.
В соответствии с этим выявлены типичные ошибки студентов, которые часто встречаются в их ответах; обоснована необходимость проведения семинарских занятий. Для ликвидации этих недостатков нами разработаны "Методические рекомендации к использованию программы по статистической физике и термодинамике в педагогических институтах" (изд-во РМК Минпроса УзССР, Ташкент, 1983, 1,5 п.л.).
На третьем этапе (I98I-I983 гг.) проводилась вторичная проверка эффективности разработанной методики преподавания вышеназванных курсов на основе экспериментальной усовершенствованной программы. На этом этапе еще раз проверялась целесообразность разделения материала курса на общефизические и профессиональные знания, а также проведения семинарских занятий с целью установления преемственности статистических идей и понятий на различных ступенях обучения.
Научная новизна исследования состоит в том, что в нем:
выявлены пути установления преемственности в изучении статистических идей и понятий при изучении курсов общей и теоретической физики педагогического института, а также школьного курса;
обоснована целесообразность и выявлена возможность деления программного материала изучаемого курса на общефизические и профессиональные знания и дифференциации требований к уровню их усвоения;
выявлены типичные ошибки студентов в усвоении статистических идей и понятий и на их основе определены основные пути совершенствования методики преподавания квантовой механики, статистической физики и термодинамики;
подтвержден вывод, сделанный в ранее выполненных исследо-
ваниях по методике обучения физике в высшей школе, о целесообразности включения в учебный план семинарских занятий по курсу теоретической физики.
Практическая значимость исследования заключается в следующих его результатах:
а) разработаны научно обоснованные рекомендации с целью
совершенствования методики преподавания курсов "Квантовая меха
ника", "Статистическая физика и термодинамика" в педагогическом
институте на основе реализации преемственности в изучении фун
даментальных понятий и идей, применение которых приводит к повы
шению качества усвоения студентами статистических идей и поня
тий;
б) уточнено содержание программного материала курса стати
стической физики и термодинамики с целью рационализации распо
ложения отдельных глав; устранено дублирование с разделом "Мо
лекулярная физика и введение в термодинамику" курса общей фи
зики при изучении некоторых вопросов феноменологической термо
динамики;
в) разработаны пути реализации преемственности статистичес
ких идей и понятий при изучении вузовского курса физики, а так
же некоторые направления совершенствования содержания школьно
го курса физики.
Материалы диссертации могут быть использованы при совершенствовании программы и учебных пособий по курсу теоретической
физики для педвузов, учебников по методике преподавания физики для студентов педвузов и методических пособий для учителей средней школы.
На защиту выносятся:
- положения, лежащие в основе одного из возможных вариантов
содержания, структуры и методики преподавания статистической физики и термодинамики, в котором усилена профессиональная направленность курса теоретической физики;
принципы реализации преемственности статистических идей и понятий при изучении физики на различных ступенях обучения;
методика изложения ряда трудно усваиваемых студентами вопросов, связанных со статистическими идеями и понятиями в курсе теоретической физики;
тематика семинарских:, занятий при изучении курсов "Квантовая механика", "Статистическая физика и термодинамика" с целью не только углубленного усвоения лекционного материала, но и реализации преемственности статистических идей и понятий.
Апробация работы и внедрение результатов исследования:
разработанная методика прошла экспериментальную проверку в ТашГПИ им. Низами и Сырдаринском ГПИ им. Г.Гуляма;
идеи и результаты исследования систематически докладывались и обсуждались на научно-методическом семинаре кафедры методики преподавания физики и научно-методических конференциях кафедр ТашГПИ им. Низами; на республиканской конференции по вопросам "Совершенствование преподавания физико-математических дисциплин в педагогических учебных заведениях республики" (Андижан, май 1979 г.); на всесоюзном совещании-семинаре по проблемам повышения эффективности лабораторных и практических занятий по дисциплинам физического цикла в педагогическом институте (Луцк, ноябрь 1981 г.); на Ташкентской межвузовской научно-методической конференции "Совершенствование преподавания физики в вузах", посвященной 2000-летию г. Ташкента (май, 1983 г.); на всесоюзном симпозиуме "Научная картина мира как компонент современного мировоззрения" (Обнинск, июнь 1983 г.); на всесоюзной конференции
"Совершенствование содержания обучения физике в вузе и школе" (Карши, сентябрь 1983 г.)»
- основные положения исследования отражены в 8 опубликованных работах автора и внедрены в практику работы педагогических институтов УзССР путем опубликования методических рекомендаций к использованию программ по статистической физике и термодинамике в педагогических институтах (объем 1,5 п.л.)»
Возникновение и становление статистических идей в физике
Вхождение вероятностно-статистических методов в физику можно отнести к середине XIX века, когда отдельные молекулярно-кинетические идеи стали превращаться в последовательную теорию. До этого статистические методы, уже широко применяемые в социологии, использовались в физике лишь для обработки ошибок измерений и, примерно с середины ХУІІІ века, для оценки правдоподобия конкурирующих гипотез. В последнем случае на вероятностные соображения смотрели, следуя Лапласу, как на выражение здравого смысла.
Представление о существовании статистической закономерности в наиболее отчетливом и конкретном виде возникли в теоретической физике в середине прошлого века в связи с развитием кинетической теории материи. Многие выдающиеся представители научной мысли (Ломоносов, Бернулли и др.) понимали значение этой проблемы для физики и много раньше, однако ее ведущее значение было осознано физиками только после работ Р.Клаузиуса (87), Дж.К.Максвелла (105), Л.Больцмана (33), Дж.В.Гиббса (49), А.Эйнштейна (211), М.Смолуховского (164) и др., построивших кинетическую теорию на конкретном физическом материале. В трудах указанных авторов проблема взаимосвязи статистической и динамической закономерности встала в виде проблемы обоснования и предсказания физических законов и свойств макроскопических тел, исходя из модели строения вещества при широком использовании законов теории вероятностей и математической статистики.
Вопрос о том, как можно предвычислить термодинамические функции макроскопических тел, исходя из микроскопических свойств составляющих их молекул, и ряд других вопросов были поставлены и в значительной степени решены или разъяснены в трудах Больцмана и Гиббса при допущении статистического характера макроскопических законов. Последовательное решение этих задач привело первоначально к возникновению и развитию молекулярно-кинетической теории газов, превратившейся впоследствии в важнейший раздел современной теоретической физики - статистическую физику.
Следует подчеркнуть, что новая, статистическая форма закономерности, пронизывающая ныне всю физику (123), зародилась во времени безраздельного господства динамических закономерностей.
Следуя работе Я.М.Гельфера (45, с. 306), можно указать три основных периода в развитии статистической физики:
1. Развитие молекулярно-кинетической теории и ее синтез с феноменологической термодинамикой. Этот период начинается с середины XIX века и продолжается до начала XX века. Он связан в первую очередь с трудами Клаузиуса, Максвелла и Больцмана.
2. Развитие общей статистической механики как физической теории, призванной объяснить, в первую очередь на основе определенных представлений о молекулярном строении и механизме взаимодействия частиц, наблюдаемые на опыте значения физических величин в состоянии термодинамического равновесия системы. Это - период создания статистической термодинамики. Ее основоположником является Гиббс. Большой вклад внес своими трудами Эйнштейн. Гиббсовская статистическая механика сыграла важную роль в развитии современной физики. Второй период можно датировать с момента выхода в 1902 году классической монографии Гиббса "Основ - 21 ные принципы статистической механики".
3. Открытие и дальнейшее развитие квантовой статистики. Этот период тесно связан с возникновением и постепенным проникновением в термодинамику и статистическую механику квантовой теории. Этот период начинается с 1924 г. и прежде всего связан с исследованиями В.Паули, Ш.Бозе, А.Эйнштейна, Э.Ферми и П.Дирака и продолжалось как до создания квантовой механики, например, работы Эйнштейна 1913 и 1916 гг. (211), так и в особенности после ее оформления. В настоящее время квантовая статистика является основой наших знаний об огромном множестве явлений и закономерностей, связанных со структурой и свойствами вещества и поля.
Содержание, структура и методика преподавания статистической физики и термодинамики в педвузе
Как известно, при изучении явлений природы с физической точки зрения используются динамические и статистические закономерности (120). В школьном курсе, в основном, приучают учеников подходить к анализу явлений с позиции жесткого однозначного детерминизма, формированию статистического стиля мышления учащихся уделяется недостаточное внимание. Но без статистического метода невозможно описание материальных объектов на различных структурных уровнях. В частности, описание строения вещества на атомно-молекулярном уровне всегда будет производиться на языке статистических закономерностей. Следовательно, задача формирования статистического стиля мышления на всех ступенях обучения становится насущной задачей системы образования (136).
Для осуществления этой задачи необходима подготовка будущего учителя физики в этом направлении. Однако в настоящее время при изучении курсов общей и теоретической физики и методики преподавания физики вопросу формирования статистического стиля мышления будущего учителя не уделяется должного внимания. Это приводит к переоценке динамических закономерностей и недооценке статистических принципов в сознании обучаемых, что неправильно не только с точки зрения методики, но и науки физики (123, с. 27; 8).
Решение задач о свойствах и закономерностях беспорядочно движущейся совокупности большого числа частиц привело первоначально к возникновению молекулярно-кинетической теории газов (см. I.I), превратившейся впоследствии в раздел современной теоретической физики - статистическую физику, Следует подчеркнуть, что новая, статистическая форма закономерности, пронизывающая ныне всю физику, зародилась во времени безраздельного господства динамических закономерностей. В настоящее время квантовая статистика является основой наших знаний об огромном множестве явлений и закономерностей, связанных со структурой и свойствами вещества и поля.
Таким образом, развитие современной физики и других наук характеризуется все большим применением вероятностных, статистических методов.
Будущие учителя физики изучают статистические закономерности частично в курсе математической физики, с конкретным применением ее знакомятся в курсе общей физики, а наиболее полно в статистической физике и квантовой механике. Но в настоящее время, как отмечалось раньше, изучение статистической физики и квантовой механики осуществляется как бы изолированно от школьного курса физики и от курса методики физики, вследствие чего учителя физики затрудняются применять полученные знания в практической деятельности. Студенты при изучении вышеназванных курсов получают в основном научные знания. Но, согласно одной из закономерностей процесса усвоения, - невозможно прямо переносить содержание определенной научной области знания в учебный предмет, требуется дидактическая переработка этого содержания (128, с. 486).
Действующая программа раздела "Статистическая физика и термодинамика" курса теоретической физики педагогического института для специальности № 2105 - физика, физика и астрономия (143 в), на наш взгляд, страдает следующими недостатками:
І. В программу этого раздела включены многие вопросы феноменологической термодинамики (например: Описание макроскопической системы с помощью термодинамических величин. Равновесные и неравновесные процессы. Функция состояния и функция процессов. Приложение первого закона термодинамики к различным изопроцессам и др.), которые подробно рассматриваются в разделе "Молекулярная физика и введение в термодинамику" курса общей физики (14-3 а,б). Таким образом, в программе имеется повторение, что нерационально.
2. Вызывает возражение расположение некоторых глав раздела. Так, каноническое распределение Гиббса излагается после статистической термодинамики, что методически неправильно, так как все термодинамические свойства системы получаются из этого распределения.
3. Изучение теплоемкости твердых тел (теории Эйнштейна и Де-бая) предусмотрено в разделе "Электронная теория вещества". Нам представляется более целесообразным изложение этого материала в разделе квантовой статистики и рассмотреть в качестве примера применение статистики Бозе - Эйнштейна. О другой стороны, этот вопрос занимает определенное место в истории развития квантовой теории и статистической физики.
Содержание и организация педагогического эксперимента
О целью проверки эффективности разработанной методики преподавания статистических идей и понятий при подготовке учителя физики в педагогическом институте были определены содержание и пути организации педагогического эксперимента. Педагогический эксперимент преследовал следующие задачи:
а) исследование уровня усвоения и степени реализации преемственности статистических идей и понятий у студентов-физиков между курсами физики высшей и средней школы, обусловленных действующими программами курсов общей и теоретической физики педвуза;
б) исследование возможностей осуществления преемственности статистических идей и понятий при изучении вузовского курса физики, конкретно, разделов квантовая механика, статистическая физика и термодинамика курса теоретической физики по предлагаемому варианту методики.
Для получения экспериментальных данных использовали следующие методы: наблюдение за преподаванием курсов общей и теоретической физики на физическом факультете ТашГПИ им. Низами, в том числе в контрольных и экспериментальных группах, проведение анкетирования студентов-физиков, абитуриентов и учителей школ, анализ контрольных работ студентов, анализ знаний студентов по результатам экзаменационных сессий, беседы со студентами и преподавателями, выпускниками физического факультета института.
Педагогический эксперимент проводился автором на физических факультетах ТашГПИ им. Низами с 1978 по 1983 гг., а также в Сыр-дарьинском ГПИ им. Г.Гуляма (совместно с преподавателем Самато-вым Г.Б.) и состоял из трех взаимосвязанных этапов. На первом этапе (1978-1979 гг.) осуществлен констатирующий эксперимент, задачей которого было изучение состояния проблемы преемственности в развитии статистических идей и понятий в практике преподавания вузовского курса физики. Конкретными аспектами изучения явились знания о статистических закономерностях вновь поступивших студентов, состояние работы учителя физики по формированию статистических представлений в учебном процессе. G этой целью студентам первого, третьего и старших курсов, которые обучались по традиционной методике, был поставлен ряд вопросов.
В качестве примера приводим результаты опроса студентов первого курса физического факультета, которым был предложен вопрос: "Как Вы представляете динамические и статистические закономерности в физике?". На этот вопрос дали обоснованный и полный ответ только 8 %, воздержались от ответа 20 % и 72 % студентов ответили только на первую часть вопроса, в качестве динамических закономерностей они приводили законы Ньютона, некоторые из них отождествляют статистику со статикой и электростатикой.
В таблице 8 приводятся результаты ответов студентов третьих (75 студентов) и четвертых (72 студента) курсов 1978/79 учебного года. При анализе ответов студентов мы руководствовались следующими критериями оценки знаний:
а) если в ответе имеются правильно написанные формулы и раскрывается их физическое содержание, приводятся конкретные примеры их применения, а также правильно начерченные графики, сопутствующие ответу, то ответ считается правильным полным (НПО);
б) если в ответе имеются соответствующие формулы, есть попытка раскрыть их физический смысл, имеются графики и примеры, но с некоторыми неточностями, то такой ответ считается правильным не полным (ПНО);
в) если в ответе нет соответствующих формул, или они написаны неправильно и отсутствует хотя бы качественный ответ, нет примеров и графиков, то такой ответ считается неверным (НО).
