Методологические и дидактические аспекты формирования понятия поля в курсе физики технического вуза

    Методологические  и дидактические  аспекты формирования понятия поля в  курсе физики технического вуза.  

    Севрюк  Анна Владимировна  

    Общенаучные дисциплины обеспечивают фундаментальные  знания, формируют научную картину  мира. Прочные и глубокие знания основных законов науки создают основу фундаментального образования, обеспечивают усвоение знаний смежных дисциплин, помогают осваивать теоретические и практические дисциплины.

    Понятие – это одна из высших форм мышления, форма отражения материальной действительности. Содержание курса физики представляет систему взаимосвязанных понятий, составляющих основополагающие знания о свойствах вещества, физических полей, форм движения материи, фундаментальных взаимодействий. Без усвоения понятий не может быть сознательного усвоения законов и теорий, поскольку они выражают связь между понятиями.

    Одним из фундаментальных физических понятий, играющим определяющую роль в структуре  современного научного знания, является понятие поля. Представление о  веществе и физическом поле, как двух основных видах материи, является основополагающим компонентом современной физической картины мира. Категориально-понятийный аппарат концепции эволюции физической картины мира (ФКМ) представлен в работах Мостепаненко М.В. и Ефименко В.Ф.

    Содержание того или иного физического понятия в физической теории не тождественно содержанию этого понятия в ФКМ, поскольку они выполняют там разные функции. В ФКМ понятия в гораздо большей степени выполняют свои методологические и мировоззренческие функции, характеризуются большей общностью, чем в физической теории [1].

    Большая степень общности понятийной структуры  картины мира, по сравнению с конкретными  теориями, выражается в ее непосредственной близости к категориям философии, хотя в определенном смысле (если учесть, что философские категории выражают универсальные формы мышления) любые научные понятия выступают как своеобразная конкретизация философских категорий [2].

    Понятие обладает не только многогранностью  предметного содержания. Научное  понятие обладает и разнообразными категориальными значениями, фиксируя в особенной, предметной форме взаимосвязь всеобщих форм бытия. Поэтому, как любая категория опирается на спектр предметных понятий, так и предметное понятие содержит систему категориальных значений. Анализ понятия под углом зрения его категориальных значений, то есть раскрытие его философского содержания, является важным аспектом процесса развития понятия, обобщения и систематизации знаний в процессе обучения.

    Содержание  понятия физического поля определяется такими понятиями, как материя, взаимодействие, прерывность и непрерывность.

    Материя (как философская категория) –  объективная реальность, существующая вне и независимо от человеческого  сознания и отражается им. Материя  существует в бесконечном множестве конкретных форм различных объектов и систем мира. Материя бесконечна в своих структурных проявлениях, неразрывно связана с движением.

    Структура и сущностное содержание понятия  материи в рамках физической науки  являются естественнонаучной базой  философского обобщения этого понятия как философской категории.

    Материя в физике делится на два основных вида: вещество и физические поля. Соответственно, физическое поле определяется как один из основных видов материи, относительно отличный от вещества в макроскопических явлениях. Поле является материальным носителем передачи взаимодействия и обладает свойством связывать частицы вещества в физические системы [1]. Все многообразие форм и видов материи, ее неисчерпаемое разнообразие свойств и отношений обусловлено взаимосвязью, взаимодействием и взаимопревращением вещества и физических полей.

    Таким образом, строение материи на уровне макро- и микромира отражается  структурно-логической  схемой. 

    Категории прерывности и непрерывности  также имеют основополагающее значение для анализа содержания понятия физического поля. Исследования в области микромира по-новому раскрыли сущность, природу исследуемых материальных микрообъектов. Это особенно ярко проявляется в свойствах прерывности и непрерывности.

    Прерывность и непрерывность, как философские категории, характеризуют структуру материи, а также процессы развития в живой и неживой природе, в обществе и мышлении.

    Признаком дискретности служит изолированность  объектов друг от друга, отсюда вытекает их замкнутость и конечность. Непрерывность есть отрицание прерывности, следовательно, характерным проявлением непрерывности служит наличие связи между объектами. В физике система многих частиц с сильной связью рассматривается не как дискретное множество, а как множество непрерывное, как поле. Поле - непрерывный объект - имеет определенные значения в каждой точке; у частицы в определенных ситуациях некоторые параметры являются неопределенными.

    Прерывность и непрерывность отражают противоположные, но взаимосвязанные свойства материальных объектов. Категории прерывности и непрерывности – это понятия, отражающие некоторые всеобщие свойства движущейся материи и ее атрибутов. Эти категории применяются ко всем взаимосвязям, отношениям, изменениям, превращениям материальных объектов, характеризуя, таким образом, как формы их существования и изменения, так и формы их пространственного и временного бытия.

    Прерывность и непрерывность неотделимы друг от друга и объективно существуют только в своем единстве. Однако, это не исключает выдвижения на первый план в различных объективных ситуациях и на различных уровнях нашего знания то прерывности, то непрерывности.

    Диалектика  прерывности  и непрерывности пронизывает всю историю познания. Для метафизического материализма было характерно обособленное рассмотрение прерывности и непрерывности. Противопоставление волн и частиц в ходе познания свойств материальных объектов постепенно размывалось. Оптико-механическая аналогия, известная еще в первой половине XIX в., дает возможность сопоставить друг с другом некоторые корпускулярные и волновые параметры.

    Введение  в физику представления об электромагнитном поле, как реального объекта природы, привело к выводу, что всякая электрически заряженная частица (дискретный объект) неразрывно связана с непрерывным  объектом – электромагнитным полем. Затем и гравитационное поле стало рассматриваться в физике как непрерывный объект, связанный с любым дискретным материальным объектом. Таким образом, представление о полях как непрерывных материальных объектах, связанных с дискретными материальными объектами, давало основание для более общего вывода о том, что дискретность и непрерывность всегда связаны друг с другом [3].

    Установление  единства прерывности и непрерывности  на материале единства частиц и волн стало достоянием квантовой физики. Традиционная дилемма дискретного и континуального («или – или») преобразуется в форму, в общем фиксирующую единство противоположностей прерывного и непрерывного («и – и»).

    Дальнейшее  развитие и утверждение идеи корпускулярно-волнового  дуализма (сопоставимой с теми же категориями) связано с именем Луи де Бройля, который придал идее универсальный характер, экстраполировав дуализм света на вещество.

    Экспериментальное доказательство существования волновых свойств у микрочастиц не являлось доказательством того, что они волны. Частицы остаются частицами, и свести их к волнам совершенно невозможно, как невозможно свести прерывность к непрерывности. Микрочастица квантовой физики является совершенно новой сущностью по сравнению с материальной точкой классической физики. Соответственно, строится структурно-логическая схема эволюции представлений о прерывности и непрерывности.

    При изучении квантовой теории в курсе  физики, понятие электромагнитного  поля углубляется, обогащается новым  содержанием. Электромагнитное поле представляется как совокупность фотонов (статистический ансамбль), квантов поля. Соответственно, в процессе эволюции физического знания происходит дальнейшее расширение и углубление понятия взаимодействия, которое является одним из наиболее фундаментальных понятий, отражающим механизм взаимосвязи разнообразных материальных систем. Взаимодействие, как философская категория, отражает процессы воздействия различных объектов друг на друга, их взаимную обусловленность, изменение состояния, взаимопереход, а также порождение одним объектом другого.

    Свойства  объекта могут проявиться и быть познанными только во взаимодействии с другими объектами. Познание вещей  означает познание их взаимодействия, и само является результатом взаимодействия между субъектом и объектом. Каждая форма движения материи имеет  в основе своей определенные типы взаимодействия структурных элементов. Сложные формы взаимодействия характеризуют жизнь общества.

    Категория взаимодействия неразрывно связана  с такими основополагающими категориями, как материя и движение, пространство и время, структура, взаимосвязь, информация и т.д. Современное естествознание показало, что всякое взаимодействие связано с материальными полями и сопровождается переносом материи, движения и информации.

    Физически взаимодействие выступает  как близкодействие, скорость распространения которого в предельном случае равна скорости света в вакууме. Близкодействие и       дальнодействие – противоположные концепции, призванные объяснить общий характер взаимодействия физических объектов. Представления о взаимодействии можно систематизировать в виде структурно-логической схемы эволюции понятия взаимодействия.

    Таким образом, формирование понятия физического  поля предполагает:

    1) определение понятия физического  поля;

    2) раскрытие объема понятия (характеристика номенклатуры объектов или явлений, обобщенных понятием, и их классификация).

    На  основе рассмотрения фундаментальных  взаимодействий раскрывается объем  понятия физического поля.

    Реализация  структурно-логических схем в соответствии с анализом понятий, а также рассмотрение понятий в процессе эволюции физического знания, устанавливают логику взаимосвязей между понятиями в концептуальной системе и систематизируют материал. При этом знания формируются не как набор разрозненных сведений, а как цельная система. Такой подход также помогает осуществлению взаимосвязи изучаемого материала с ранее изученным.

    Таким образом, одним из способов систематизации и обобщения знаний является составление  систематизирующих схем. Цель данных схем - свести знания в целостную систему при рассмотрении таких понятий, как материя, прерывность и непрерывность, взаимодействие.

    Рассмотрение  физических понятий и их философское  обобщение, то есть обращение к философским  категориям (переход от конкретного к абстрактному) в процессе обучения продолжает формирование теоретического, индуктивно-дедуктивного мышления.

    Структурно-логическая схема развертки структуры материи (рис.1) рассматривается при изучении темы «Элементарные частицы и их классификация». Раскрывается структура   материи  на макро- и микроуровне, показывается, что структурными элементами как  поля  , так и  вещества  , являются элементарные частицы. При изучении темы «Корпускулярно-волновой дуализм свойств  вещества  » анализируются понятия прерывности и непрерывности. Структурно-логическая схема эволюции представлений о прерывности и непрерывности (рис.2) отражает представления классической и квантовой теории.

    Рассматривая  ядерные силы и обменный характер взаимодействия, также используем систематизирующую схему эволюции понятия взаимодействия (рис.3), согласно которой определяется понятие взаимодействия в классической  механике  (МКМ),  электродинамике  (ЭДКМ) и квантовой теории (КПКМ).

    Структурно-логические схемы, рассматриваемые в процессе формирования понятия поля, используются с целью:

    для раскрытия содержания и объема понятия поля;

    для проведения ретроспективного анализа;

    обобщения и систематизации знаний.

    В процессе усвоения понятий структурно-логические схемы выступают в качестве наглядного способа компактного представления, изображения знания. Использование этих схем выступает и как средство активизации психических функций учащихся, в первую очередь мышления, кроме того, облегчает понимание изучаемого материала. В схемах абстрактно-логическая информация переведена в зрительный образ, так, чтобы этот образ способствовал переводу его в развернутую словесно-логическую форму. Данные схемы – средство теоретического мышления. Они предполагают обобщение явлений, помогают раскрывать научные понятия, подводят учащихся к пониманию понятий и закономерностей, сущность которых преподаватель раскрывает словесно-логическим способом.