Теоретические методы познания в обучении физике

Теоретические методы познания в  обучении физике 

ПОЗНАНИЕ, воспроизведение в сознании (индивидуальном и коллективном) характеристик объективной реальности. Познание носит социально и культурно опосредованный исторический характер и в большинстве случаев предполагает более или менее ярко выраженное осознание используемых средств и способов познавательной деятельности.

Цикл  научного познания:

наблюдение  и анализ фактов " формулировка проблемы " выдвижение гипотезы " теоретический вывод следствий " экспериментальная проверка  следствий " установление эмпирических законов " применение теории на практике.

Практика  преподавания физики в средней школе  показывает, что изучаемый материал лучше усваивается и 
учащиеся приобретают необходимые навыки в самостоятельном пополнении знаний, если они глубоко разбираются в сути методов, с помощью которых добываются те 
или иные физические знания. Методы познания, используемые и физике, нашли отражение в учебниках по физике и в соответствующих методических руководствах.

МЕТОД – способ достижения цели, определённым образом, упорядоченная деятельность, средство познания.

Для выбора метода необходимо знать обо всех методах (их возможностях).

Теоретические методы познания в  физике

1. Абстрагирование
2. Идеализация
3. Аналогия
4. Моделирование
5. Мысленный эксперимент
6. Гипотеза

 

1. Абстрагирование

 

Абстрагирование – мысленное отвлечение от ряда свойств предметов (явлений) и отношений между ними, либо выделение существенных свойств и отношений. 

  Под абстрагированием понимается отвлечение от несущественных в данном исследовании свойств исследуемого объекта или же выделение у объекта свойства или совокупности свойств, которые должны стать предметом самостоятельного исследования. Например, изучая законы взаимодействия электрически заряженных частиц, можно абстрагироваться от гравитационного их взаимодействия, ибо оно во много раз слабее электромагнитного. 

  Абстрагирование обладает объективной основой. Действительно, явление никогда не вступает одновременно во все возможные для него отношения. Поэтому оно не проявляет одновременно все свои свойства. Тем самым явления как бы абстрагируют сами себя.

  Изучать абстрактный объект — это значит изучать модель, в которой интересующие нас свойства реального объекта  не затемнены второстепенными свойствами и явлениями.

  Всякое научное понятие есть абстракция. Оно всегда абстрагирует какую-либо сторону действительности, которая и фиксируется в понятии. Без абстрагирования теоретическое мышление невозможно. Абстрагирование — это движение мысли в глубь предмета, выделение его существенных моментов. 

  Вопрос  о том, что в объективной действительности выделяется абстрагирующей работой  мышления и от чего мышление отвлекается, в каждом конкретном случае решается в прямой зависимости, прежде всего  от природы изучаемого объекта и  тех задач, которые ставятся практикой, перед исследователем. Так, в механике выделяют массу тел и количественное выражение действующих сил, отвлекаясь от других физических свойств тел. 

   Но абстрагирование имеет спой предел, определяемый природой самих  вещей, их свойств и отношений. Переход за этот предел ведет к бесплодным идеалистическим спекуляциям. 

  Например, если нам надо рассчитать объём воздушного шарика, то нам абсолютно не важно  какого он цвета, где его надували, и каким газом он заполнен.

   При определении химических элементов иногда используют фенолфталеин. В данном случае нам важен цвет в который окраситься вещество. Нас не будет интересовать какой объём мы взяли. 

2. Идеализация

 

 Идеализация, т.е. мысленное конструирование понятий об объектах, не существующих в действительности, но для которых имеются прообразы в реальном мире.

 Идеализации широко используются при исследовании законов природы. Дело в том, что  во многих случаях для изучения физического  закона необходимо исключить из рассмотрения ряд таких свойств и отношений изучаемых физических объектов, без которых эти объекты реально могут существовать, но учет которых заслонил бы существо изучаемого физического процесса. Так, в механике и электродинамике во многих случаях целесообразно отвлечься от размеров объектов и рассматривать соответствующие законы для «материальных точек» и «точечных зарядов», причем в одних случаях «точками» оказываются атомы, а в других планеты солнечной системы. 

Формирование у школьников теоретического метода идеализации представляет собой длительный и сложный процесс.

Идеализации в основном предстают перед учащимися в готовом виде без показа в школьном курсе их происхождения. Идеализация предполагает умение не только абстрагировать, но отделять в каждом данном явлении существенное от второстепенного. 

Овладение учащимися методом идеализации предполагает определенный мыслительный процесс, который включает целый ряд этапов:

1) выделение среди множества объектов или явлений предмета идеализации;

2) отделение в выделенном объекте или явлении существенных аспектов (свойств) от второстепенных, с учетом того, что идеализация должна служить хорошим приближением реального процесса;

3) доведение выделенного свойства (аспекта) до предельного значения;

4) формулировка этого идеализированного объекта или явления;

5) включение идеализированного объекта в физический закон, теорию и т. д.;

6) использование полученной идеализации 

  На протяжении курса физики учащиеся неоднократно знакомятся с данным методом теоретического исследования, а это позволяет им усвоить мысль, что умение правильно идеализировать изучаемые процессы и объекты является важным методологическим условием, обеспечивающим успех в их учебной работе. 

  Одним из примеров идеализации является понятие материальной точки. На примере учат школьника абстрагироваться от реальных свойств, затемняющих те существенные стороны вещей и явлений, которые изучаются. Если не акцентировать внимание учащихся на том факте, что материальная точка есть идеализация реальных тел, связанная с пренебрежением размерами тела, но обладающая массой и другими характеристиками движения, то может возникнуть опасность, что школьники будут представлять материальную точку только в геометрическом смысле (они и говорят часто: «материальная точка — это точка...»). 

  Например: рассматривая движение планет Солнечной системы вокруг Солнца их можно считать мат. точками, т.к. их размеры планет малы по сравнению  с радиусами их орбит. Но когда  предметом рассмотрения является движение автомобиля по поверхности Земли, наши планеты уже нельзя считать мат. точками, сам автомобиль при этом рассматривается, как точка, потому что пройденный им путь много больше его собственных размеров. Когда автомобиль занимает место на автостоянке, его нельзя считать мат. точкой, иначе на любой автостоянке можно было бы уместить бесконечное количество автомобилей. 

3. Аналогия

 

  Аналогия  – вид умозаключения; выявление свойств одного предмета на основании сходства с другим.

  Сравнение (установление сходства и различия между объектами) лежит в основе аналогии. Если обнаруживается, что один из сравниваемых объектов имеет свойства a, b, c, а , а другой a, b, c, d , то мы можем предположить, что свойство d присуще и первому объекту, ибо оно не могло появиться вне связи со свойствами a, b, c. Теснейшая связь и взаимозависимость свойств материальных систем являются объективным основание для применения метода аналогии. Аналогичными могут быть, как отдельные свойства, отношения, условия существовании и т. д. Аналогии бывают качественные и количественные. Необходимо учитывать, что общие признаки могут быть абсолютно тождественными и просто сходными. Последнее встречается в большинстве случаев.

  Тот факт, что звук и свет сопровождаются одними и теми же явлениями –  отражение, преломление, дисперсия, интерференция и др., привёл Гюйгенса к мысли о волновой природе света.

  В арсенале дидактических средств  у учителя имеются такие аналогии, как рой комаров или дрейф  льдин в реке при объяснении движения «электронного газа» в металлах; процесс испарения жидкости при  объяснении термоэлектронной эмиссии и др. Знакомя учащихся с этими аналогиями, следует подчеркивать, что речь идет не о процессах единой природы, а о внешнем сходстве или единстве математического аппарата разных по существу явлений.

  В зависимости от природа сравниваемых предметов и характера общих признаков умозаключение по аналогии может привести как к истинному, так и к ложному выводу.

  Условия успешности применения аналогии являются:

  а) сходные признаки объектов должны быть существенными, и их число должно быть максимальным;

  б) разные признаки у объектов должны быть несущественными, и их число  должно быть минимальным.

   Правильность аналогии всегда проверяется, в конечном счете, практикой (прямо  или опосредованно). Ценность аналогии заключается в том, что она ведет к выдвижению гипотез.

  В настоящее время в методике преподавания физики не реализована еще одна аналогия, использование которой позволило  бы осуществить единый, обобщенный подход к формированию у школьников понятия о поле. Изучение гравитационного  поля (на примере гравитационного поля Земли) позволило бы построить изучение электростатического поля по аналогии с гравитационным (с обращением внимания на принципиальное отличие этих типов взаимодействия: гравитационные силы всегда силы притяжения, электрические же — силы притяжения и отталкивания). Использование этой аналогии облегчит усвоение школьниками таких сложных понятий, как напряженность, потенциал, работа и энергия электрического поля и т. д. Конечно, закон всемирного тяготения (равно как и закон Кулона) опирается на идею дальнодействия — основную идею механической картины мира, однако было бы полезным показать ограниченность этой идеи уже при изучении классической механики, введя здесь предварительные представления о близкодействии (поле). Так можно провести аналогию, что у электромагнитной волны и света скорость распространения является схожей, и свету присуще некоторые корпускулярно-волновые свойства, из чего следует, что свет является электромагнитной волной. 

4. Моделирование

   Моделирование – замена исследуемого объекта другим, специально для этого созданного, но сохраняющим характеристики реального объекта, необходимого для изучения. Объекты, которыми заменяется реальный объект, называются моделями.

   

   Различают идеальные и материальные модели.

   Материальная модель может создаваться или из элементов той же физической природы, что и объект (модель самолета), или из элементов другой физической природы (модель сердца — искусственное сердце). Материальная модель объективна как по форме, так и по содержанию. 

   Идеальное моделирование широко распространено в теоретических науках. В физике идеальные модели часто являются наглядно-образными (например, модель атома, предложенная Резерфордом и  Бором). 

   Моделирование обладает принципиальной ограниченностью. Так как модель воспроизводит не все, а лишь некоторые свойства оригинала, то не всякий вопрос может быть выяснен с помощью модели. Так, модель атома Резерфорда в принципе не могла ответить на вопрос, почему атом устойчив. Из таких ситуаций есть только один выход — переход к новым моделям изучаемого объекта. Например, чтобы обосновать устойчивость атома, надо было перейти к модели атома Бора. Это обстоятельство требует одновременно с вводом модели установить и точные границы ее применимости. 

   Никакое явление не может быть полностью объяснено какой-нибудь одной моделью.

   Удачно  построенная модель упрощает выводы из известных фактов и позволяет  ставить новые опыты, ведущие  науку вперед. Однако физическая модель — вовсе но точный образ явления, а упрощенная схематическая картина, основанная на аналогии.  

   На  теоретическом уровне физические объекты  исследования — это внутренние определяющие связи в физических явлениях, т. е. основные законы. Единственным способом выражения таких физических объектов служат математические уравнения. Поэтому во всех случаях такие уравнения могут рассматриваться как заменители объекта исследования, т. е, как его идеальные модели.

    Например: модели оптических приборов:

   а) Модель глаза. Выпускаемая промышленностью для кабинетов 
анатомии модель глаза может быть использована при изучении оптики в X классе. Сначала демонстрируют модель в собранном виде 
(рис. 1), а затем при рассмотрении строения глаза показывают основные оптические его элементы — роговицу, хрусталик, зрачок, стекловидное тело и др.