Взаимосвязь методов обучения и методов научного познания

Физика-наука пользуется теоретическими и эксперименталь­ными методами исследования. Логика этих методов одинаково важна и для научного, и для учебного познания. Соотношение процесса обучения и научного познания (в том числе соотноше­ние функций научных и учебных методов познания) показывает как общность многих черт, так и принципиальное их отличие¹. Методы научного познания представляют собой совокупность приемов и операций получения нового знания, а также способы построения систем научного знания.

Учебное познание отличается от научного прежде всего тем, что новизна результата познания носит субъективный характер, она значима только для познающего субъекта - ученика. Кроме того, движение школьника от незнания к знанию происходит под руководством учителя с помощью различных методов обучения, организующих деятельность учащихся и определяющих методы учебного познания, используемые ими. Выбор учителем соответ­ствующих методов, приемов, средств обучения осуществляется с учетом наиболее короткого пути ученического познания, наибо­лее рационального сочетания (с точки зрения целей обучения)

¹ См.: Шапоринский С.А. Обучение и научное познание. - М., 1981.

теоретического знания и эксперимента, индукции и дедукции, ло­гических и интуитивных умозаключений в их диалектическом единстве.

Процесс познания в науке, как уже говорилось ранее, осуще­ствляется на двух уровнях: эмпирическом и теоретическом. Для эмпирического уровня познания характерны следующие методы: наблюдение, выдвижение гипотезы, абстрагирование и идеали­зация, экспериментальная проверка гипотезы, анализ результа­тов, эмпирическое обобщение (чаще всего через индуктивное умозаключение). На теоретическом уровне познания преобла­дают методы: теоретический анализ, выдвижение гипотезы, мо­делирование, мысленный эксперимент, теоретическое обобще­ние, дедуктивные выводы и т.д. Ниже приведена условная схема методов познания, используемых на эмпирическом и теоретическом уровнях (схема 15).

Схема 15

Прежде всего следует отметить, что методы, используемые на каждом уровне познания, гораздо разнообразнее и сложнее пред­ставленных выше. К числу методов познания должны быть отнесе­ны и такие логические операции, как сравнение, анализ и синтез, систематизация и классификация и т.д. Более того, методы, исполь­зуемые на каждом уровне познания, никоим образом не могут быть отнесены только к определенному уровню познания. Выдвижение гипотезы является неотъемлемым этапом процесса познания в це­лом независимо от уровня. На эмпирическом уровне гипотеза вы­двигается в результате анализа фактов (явлений, процессов), на теоретическом - вскрывает сущностные стороны знания. Наблюде­ние фактов, с которого начинается эмпирическое познание, не мо­жет ограничиться лишь только их фиксацией. Прежде, чем выдви­нуть гипотезу, т.е. предложить интуитивное умозаключение-пред­положение, факты должны быть проанализированы (через сравне­ние, может быть, систематизацию, классификацию и пр.); иначе го­воря, используются различные мыслительные операции. Не следует также думать, что эмпирическое обобщение всегда формально­логическое (как того требует принятое деление видов обобщения); в процессе познания на этом этапе могут использоваться элементы диалектической логики. Не следует также полагать, что это обоб­щение всегда осуществляется только посредством индукции.

Оба уровня познания - эмпирическое и теоретическое - органи­чески взаимосвязаны и обусловливают развитие друг друга в цело­стной структуре научного познания. Эмпирические исследования, с одной стороны, выявляя новые факты науки, стимулируют разви­тие теоретических исследований, ставят перед ними новые задачи. С другой стороны, теоретические исследования, развивая и конкре­тизируя новые перспективы объяснения и предвидения фактов, ориентируют и направляют эмпирические исследования.

В процессе обучения - и в содержании, и в системе методов и методических приемов отражаются элементы процесса познания (через методологию знания и методы обучения). Помогает понять логику методов познания и соответствующих методов и приемов обучения, а также установить методические пути перехода от од­ного этапа процесса познания к другому гносеологическая фор­мула цикла познания (факты - гипотеза - теоретические следст­вия ~ эксперимент).

Процесс познания начинается с наблюдения и описания явле­ний, отдельных объектов, иначе говоря, с фиксации фактов, в том числе и научных. Эти опытные факты представляют собой своего рода основание, на котором затем возводится здание научного знания. Сами по себе факты еще не составляют науки как системы знания. Они лишь только один из элементов научного знания и первый этап процесса познания. Вот что писал о роли факта в науке А.Пуанкаре: «Наука состоит из фактов, как дом из кирпи­чей. Но накопление фактов не в большей мере является наукой,

чем куча кирпичей домом»¹. Наука призвана объяснять факты, раскрывать их сущность.

В процессе обучения физике школьников учат наблюдать явле­ния в окружающей природе или в ходе демонстрируемых учите­лем опытов. Наблюдение и описание опытных фактов учащиеся проводят при выполнении лабораторных и фронтальных работ, в физическом практикуме, в домашних опытах.

В результате сравнения и анализа наблюдаемых явлений уча­щиеся могут приходить к эмпирическим обобщениям на основе индуктивных умозаключений.

«Индуктивное умозаключение - такое умозаключение, в резуль­тате которого на основании знания об отдельных предметах дан­ного класса получается общий вывод, содержащий какое-нибудь знание о всех предметах класса»².

Следует иметь в виду, что индуктивное умозаключение, индук­тивный вывод носят вероятностный характер, поскольку опыт не может охватить всех возможных случаев. В преподавании также надо помнить, что результаты одного опыта или наблюдения не могут служить достаточным основанием для получения вывода. Необходимо подтвердить полученные результаты на других школьных опытах или привлечь информацию из жизненных на­блюдений либо других источников.

Индукция достаточно широко используется в преподавании физики как прием объяснения учителем нового материала: в про­цессе рассказа, лекции, эвристической беседы, через обсуждение результатов фронтальных работ и пр. В процессе работы (уяснения информации, анализа и сравнения результатов демонстрацион­ных опытов или самостоятельных практических работ и т.д.) школьники учатся построению индуктивных обобщений.

Индуктивный подход к изложению учебного материала более целесообразен на начальных этапах обучения физике (в основной школе). Традиционно индуктивно вводится, например, зависи­мость силы тока от напряжения. Результаты эксперимента с раз­личными проводниками дают возможность ученикам сделать вы­вод о том, что сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника. Подобный вывод - типичное эмпирическое обобщение; истинность вывода носит вероятност­ный характер. В самом деле, постоянство — наблюдалось лишь

для тех проводников, с которыми проводился эксперимент. В старших классах при изучении постоянного тока следует обра­тить внимание учащихся на вероятностный характер полученного ранее вывода по индукции.

¹ Цит. по: ДруяиоеЛ.А. Законы природы и их познание. - М., 1982. - С. 28.

² Кондаков Н.И. Логический словарь-справочник. - М., 1975. - С. 200.

Широкое использование индукции в основной школе вполне ме­тодически оправданно: уровень развития мышления школьников еще недостаточно высок, поэтому движение от конкретного к абст­рактному, от наблюдения к эмпирическому обобщению представ­ляется учителю предпочтительным. Изучение «правила рычага», закона отражения света, зависимости сопротивления проводника от его длины, площади поперечного сечения и рода материала и многого другого обычно происходит с использованием индуктив­ного умозаключения. При этом анализируемые результаты наблю­дений могут иметь числовое значение, но могут быть и качествен­ными. Например, закон прямолинейного распространения света (а это типичный эмпирический закон) обосновывается многочислен­ными наблюдениями - и демонстраций и природных явлений.

Однако, как следует из психологии, эмпирические обобщения способствуют развитию лишь формально-логического, конкрет­но-образного мышления учащихся. Для развития научного, диа­лектического по свой сути, мышления необходимо знакомить школьников с применяемыми в физике теоретическими методами познания, среди которых: абстрагирование, идеализация, модели­рование, мысленное экспериментирование, метод аналогий, де­дукция и т.д.

Мысленное отвлечение от ряда свойств предметов (явлений) и отношений между ними либо выделение существенных свойств и отношений носит название абстрагирования. Абстракция как один из основных приемов умственной деятельности характерна и для эмпирического и для теоретического уровней познания (соот­ветственно формальная и содержательная абстракции).

В процессе обучения физике школьники учатся абстрагировать сложные природные явления путем отвлечения от несуществен­ных сторон и признаков. Любое физическое понятие, физическая величина, закон физики, т.е. любой элемент знания, - это резуль­тат абстрагирования. Объясняя понятие равномерного движения, учитель показывает школьникам отличие абстрактного понятия от реального движения, с которым они встречаются в повседнев­ной жизни или эксперименте. Масса как физическая величина ха­рактеризует определенные свойства объекта. При этом по мере изучения физики учащимся объясняется, что эти свойства могут быть разными. Вообще говоря, формирование понятия о массе в школе может начинаться с изучения либо явлений, в которых проявляется инертность, либо явлений, в которых проявляется гравитация. Современная методика обучения физике доказывает целесообразность введения первоначально понятия о массе как мере инертности. Несколько позже, при изучении всемирного тя­готения и гравитационных свойств любого материального объек­та, можно говорить о массе как мере гравитации. И, наконец, по­нятие массы как меры количества вещества также имеет право на существование. Оно может использоваться, когда нужно сравнить

не инертные или гравитационные свойства тел, а число частиц, содержащихся в однородных телах. Это важно в молекулярной физике, где иные свойства массы не существенны и от них можно абстрагироваться. Кроме того, в механике, где впервые вводится понятие массы, масса рассматривается как инвариантная величи­на, т.е. как неизменная, не зависящая от скорости движения отно­сительно той системы отсчета, в которой ведется измерение, и от выбора системы отсчета. Иначе говоря, масса в механике - это очень сложная система допущений и предположений. Учителю физики необходимо подчеркивать абстрактный характер физиче­ских понятий, величин, законов.

С процессом абстрагирования непосредственно связана идеали­зация, т.е. мысленное конструирование понятий об объектах, не существующих в действительности, но для которых имеются про­образы в реальном мире. В результате абстрагирования от свойств и отношений, присущих предметам реальной действительности, образуются научные идеализации (инерция, упругий удар, гармо­ническое колебание, абсолютно черное тело и пр.). В этом смысле идеализация тесно связана с методом моделирования.

Моделирование является одним из широко применяемых мето­дов познания действительности. Смысл моделирования заключа­ется в замене исследуемого объекта другим, специально для этого созданным, но сохраняющим характеристики реального объекта, необходимые для его изучения. Под моделью следует понимать такую мысленно представляемую или материально реализованную систему, которая, отображая или воспроизводя объект исследова­ния, способна замещать его так, что ее изучение дает новую ин­формацию об объекте.

В физических исследованиях моделирование как метод позна­ния всегда широко использовалось. Создание модели идеального газа дало толчок развитию молекулярно-кинетической теории газа и помогло объяснить эмпирические газовые законы (Бойля -Мариотта, Гей-Люссака, Шарля). Математические модели Мак­свелла позволили построить единую теорию электромагнетизма. Модель атома Резерфорда - Бора благодаря своей «полуклас­сичности» стала одной из первых моделей современной физики и послужила толчком развития квантовой физики и т.д.

В школьном курсе физики широко представлены самые разно­образные физические модели: материальная точка, абсолютно уп­ругое тело, идеальный газ, кристаллическая решетка, математиче­ский маятник, световой луч и пр. При изучении этих понятий очень важно подчеркивать их модельный характер. Так, матери­альная точка может быть моделью реального объекта при усло­вии, что размеры объекта малы по сравнению с радиусом его дей­ствия. Для кинематики (в классической механике), задачей кото­рой является определение положения тела в пространстве в опре­деленный момент времени, все свойства тела, кроме его размеров,

не имеют значения и от них можно абстрагироваться. Учащиеся анализируют различные ситуации и решают вопрос о возможно­сти использования модели материальной точки. Происходит ос­воение школьниками метода моделирования.

В процессе обучения очень важно показать учащимся, что один реальный объект может быть замещен различными моделями в зависимости от целей исследования и, следовательно, существен­ных сторон отображаемого моделью объекта. Учащимся, напри­мер, обычно бывают известны две модели ядра: протонно-нейтрон-ная и капельная. Для одной существенны структурные элементы объекта, для другой - его энергетические характеристики. В фи­зике же существует около 20 моделей ядра. Или другой пример: свойства света в процессе его распространения и взаимодействия с веществом могут описываться двумя моделями - корпускуляр­ной и волновой. Понимание возможности существования различ­ных моделей одного и того же физического объекта позволит из­бежать традиционных для учащихся ошибок, когда физическая реальность (объект) отождествляется в сознании школьников с моделью.

Не менее важно показать школьникам, как менялись модели в процессе познания. Так, модель атома Томсона, традиционно присутствующая во всех школьных учебниках, является прекрас­ной иллюстрацией ограниченности физической модели. В течение многих лет, вплоть до опытов Резерфорда по рассеянию ос-частиц, модель атома Томсона служила физикам, хотя не все известные к тому времени физические явления могли быть объяснены (напри­мер, линейчатые спектры). На смену модели Томсона пришла планетарная модель, последнюю сменила модель Резерфорда - Бо­ра и т.д.

Самостоятельно моделировать физические явления и процессы школьники учатся в процессе решения задач, когда при анализе условия они должны выделить в конкретной ситуации ту модель, к которой далее может быть применен соответствующий физиче­ский закон. Например, прежде чем использовать закон Клапейро­на - Менделеева при решении задачи, школьники должны обос­новать правомерность замены реального газа идеальным (т.е. подтвердить условие не слишком высокого давления и не слиш­ком низких температур). Решая задачи по электростатике и рас­считывая силу взаимодействия электрических зарядов, учащиеся должны убедиться в том, что ситуация, описываемая в условии, позволяет реальные заряды считать точечными, как того требует закон Кулона.

Особая роль в обучении физике принадлежит так называемым учебным моделям. Для более осознанного восприятия школьника­ми физических объектов или явлений целесообразно в ряде случа­ев заменять их специально сконструированными наглядными мо­делями, в которых существенные характеристики представлены в

более доступной и наглядной форме. Число подобных учебных моделей, используемых в процессе преподавания физики, доста­точно велико (модель броуновского движения, модели опыта Штерна и давления газа, модели электрических и магнитных по­лей с помощью железных опилок, модель продольной и попереч­ной волн и многие другие).

С моделированием связан еще один метод, характерный для теоретического познания действительности. Это метод мысленно­го экспериментирования, представляющий собой анализ ситуации, которую невозможно осуществить реально. Классическим приме­ром мысленного эксперимента в физике является мысленный опыт Галилея - рассуждение о движении тела по наклонной плос­кости и по горизонтальной поверхности. Не менее известен и мысленный опыт Эйнштейна, в котором рассматриваются собы­тия достижения светом передней и задней стенок вагона относи­тельно наблюдателей внутри и вне его.

В процессе обучения физике учителя часто пользуются мыс­ленным экспериментированием при изучении тех или иных явле­ний. Например, введение «точечного заряда» в электрическое по­ле или рамки с током в магнитное (для характеристики их силово-

[то действия) -традиционные примеры мысленных экспериментов. Любое изменение стандартной ситуации или данных условия ана­лизируемой задачи влечет за собой мысленное экспериментиро­вание. Важно отметить, что мысленный эксперимент - это тот

[теоретический прием познания, который с успехом может осуще­ствляться в любом возрасте, на любом этапе изучения физики. Например, при решении задачи на закон Архимеда учащимся предлагается изменить род жидкости или объем тела или, что значительно интереснее, отправить всю «ситуацию» на Луну или tape. Анализ новых условий и иного, чем было вначале, поведе-шя плавающего тела и есть мысленный эксперимент.

Важную роль в научном познании (и на эмпирическом и на теоретическом уровнях) играет метод аналогии. При умозаключе­нии по аналогии знание, полученное из рассмотрения какого-либо объекта, переносится на другой, менее изученный (менее доступный для исследования, менее наглядный и т.п.) объект. В научных ис­следованиях аналогия служит основой для логической обработки эмпирического материала, получения выводов, а также предпо­сылкой для формулирования гипотез, иллюстрацией сложных ма­тематических построений и пр.

История физики знает немало примеров использования анало­гий. Широко известны, например, гидродинамические аналогии, которыми пользовался Максвелл. Ему удалось обнаружить, что картина поля в виде силовых линий аналогична картине распре­деления линий тока в движущейся жидкости. К тому времени уже существовало математическое описание движения жидкостей, и Максвелл перенес это описание гидродинамических явлений на

электродинамические процессы. Использованная аналогия во многом помогла ему найти уравнения электромагнитного поля. При этом сам Максвелл прекрасно понимал и неоднократно ука­зывал на то, что аналогичность математического описания не оз­начает тождества природы явлений. В дальнейшем он выдвигал самые разные модели и аналогии для описания электромагнитно­го поля и заменял их по мере работы над теорией.

Метод аналогий достаточно широко представлен в школьном курсе физики. Так, во многих учебниках физики метод аналогии используется при изложении электромагнитных колебаний. Пре­жде всего, устанавливается аналогия между величинами: смеще­нием х и зарядом q; скоростью v и силой тока 7; ускорением а и

¹ изменением силы тока —; массой т и индуктивностью L и т.д.

Далее, пользуясь методом аналогии, вводится формула Томсона Т- 2nVLC, поскольку формула периода колебания пружинного

маятника Т- 2п.\ — школьникам известна. Очень важно с мето- V к