Герб БГПУ

Школьный учебник физики: достижения, проблемы, перспективы

П.И. Самойленко, А.В. Сергеев

    Перейдем к рассмотрению учебников для классов с углубленным изучением физики. которые появились в 90-е гг.

    Структура учебного пособия Е.И. Бутикова и А.С. Кондратьева "Физика. Для школ и классов с углубленным изучением физико-математических дисциплин. Кн. 1. Механика" (М., 1994) традиционная: кинематика -> динамика -> законы сохранения -> колебания и волны -> движение жидкостей и газов. Изложение опирается не на принцип историзма, а на внутреннюю логику науки с учетом общих методологических принципов (симметрия, относительность, соответствие и т.д.). Материал разделен на обязательный и дополнительный, что позволяет учитывать индивидуальные способности учащихся, добиваться глубокого и прочного усвоения знания, не загружая память множеством частных деталей.

    Особое внимание уделено мировоззренческому аспекту изучаемых теорий, их месту в научной картине мира. В книге отражены теоретико-познавательные аспекты излагаемого материала: границы применимости физических теорий, соотношения между теориями и законами различной степени общности, роль эксперимента в физике как источника знаний и критерия правильности теории, сведения из истории физики.

    Традиционно отбор учебного материала ограничивает математическая подготовка школьников. В результате содержание курса физики не в полной мере отражает истинную научную значимость того или иного конкретного вопроса. Использование элементов дифференциального и интегрального исчислений позволило преодолеть этот недостаток. Однако математическим аппаратом авторы не злоупотребляют.

    Выяснение физического смысла изучаемого материала и границ применимости законов и теорий - одна из особенностей, отличающая данный учебник от всех остальных курсов классической механики. При изучении второго закона Ньютона подчеркивается, что выражаемая им связь между ускорением и силой имеет универсальный характер, не зависит от выбора ИСО и справедлива при любом направлении действующей силы. Рассматривая третий закон Ньютона, авторы в каждом конкретном случае отмечают, что силы, о которых идет речь, имеют одну и ту же природу, хотя приложены к разным телам.

    В построении данною курса максимально реализованы межпредметные связи с курсом не только математики, но и астрономии, биологии, химии. Значительное внимание уделено задачам, которые служат как для приобретения новых знаний, так и для развития навыков поисково-исследовательской деятельности, интеллекта и творческих способностей учащихся, т.е. выступают в качестве метода обучения. Подбор задач способствует эффективному изучению физики.

    Мы отметили лишь отдельные достоинства учебника, но методические находки авторов в совокупности представляют собой дидактическую систему современного курса физики, что, собственно, и позволяет успешно использовать его при углубленном изучении физики, хотя в данном учебнике, как это нередко бывает в новых оригинальных работах, имеются и недочеты.

    Например:
мало внимания уделяется трактовке физических терминов (кинематика, динамика и многие другие), которые составляют основу научного физического языка;
     встречаются неточные определения (на с. 52 читаем: "Свободным падением называют движение в вакууме, когда сопротивление воздуха отсутствует". Но коль рассматривается движение в вакууме, то о каком сопротивлении воздуха может идти речь?).

    Нам представляется, что раздел "Колебания и волны" изложен на уровне, близком к вузовскому, сильно математизирован. Наш опыт работы по этой книге говорит о том, что ученики встречаются с большими трудностями при изучении данного материала, однако отмеченные недочеты не снижают общего хорошего впечатления о ней.

    Таким образом, книга Е.И. Бутикова и А.С. Кондратьева - это весьма удачная попытка создать принципиально новый учебник физики для средних общеобразовательных учреждений в условиях их дифференциации; его характеризуют новизна идей, глубина и всесторонность их раскрытия.

    Структура и содержание учебника для Х класса с углубленным изучением физики, авторами которого являются А.К. Кикоин, И.К. Кикоин, С.Я. Шамаш, Э.Е. Эвенчик, в основном традиционны для последнего десятилетия. Главная его особенность - более строгое, глубокое и тщательное теоретическое и экспериментальное обоснование рассматриваемых вопросов. Причем это обоснование производится с опорой на межпредметные связи, реализуемые с учетом интеграционных процессов, характерных для науки конца XX в.

    В первом разделе курса, посвященном молекулярной физике и термодинамике, многие вопросы изложены нетривиально. Так, при выводе основного уравнения кинетической теории газов авторы не используют понятия упругого удара молекул о стенки сосуда, а вычисляют изменение импульса молекул в слое газа, прилегающем к стенке сосуда, при попадании в него и вылете из него одинакового числа молекул за время г. Температура трактуется как величина, одинаковая для всех тел, находящихся в тепловом равновесии.

    Тема "Свойства жидкости" изложена широко, объяснение явлений ведется на основе понятий "сила поверхностного натяжения", "поверхностная энергия", "удельная поверхностная энергия". Введение последнего из названных понятий позволяет распространить известный из механики принцип минимума потенциальной энергии на поверхностную энергию для объяснения широкого круга явлений как в жидкостях, так и в твердых телах. Введение понятия "краевой угол" позволяет достаточно подробно рассмотреть явление смачивания и несмачивания. При этом подчеркивается их "трехфазность" (на границе двух фаз не может быть ни смачивания, ни несмачивания). В данной теме глубоко рассматривается вопрос о собственной форме жидкости, которую она принимает в поле тяготения под действием межмолекулярных сил.

    В самом начале темы "Основы термодинамики" ставится задача о наиболее эффективном способе получения работы за счет внутренней энергии, решение которой ведется на протяжении всей темы. Попутно авторы доступно разъясняют идеи С. Карно о принципе работы тепловых двигателей (например, следующую: цикл работы двигателя будет эффективным, если при изменении объема газа исключается его контакт с телами, имеющими иную температуру. Иначе внутренняя энергия газа будет передаваться окружающим телам, что приведет к уменьшению КПД). Обосновывая необходимость холодильника для циклически действующего теплового двигателя, авторы подводят учащихся к понятию о втором законе термодинамики в формулировке Томсона.

    Важное место в учебнике занимает вопрос о необратимости процессов в природе: рассматриваются конкретные примеры, приводится их статистическое истолкование на основе понятия "вероятность состояния". Изложение этих вопросов позволяет разъяснить качественное своеобразие тепловой формы движения материи, показать, что второй закон термодинамики в формулировке Томсона выражает необратимость процессов в природе. Мы считаем такой подход методической находкой авторов.

    Второй раздел курса - "Электродинамика". Ее изложение авторы начинают с главы "Электрическое поле", в которой рассматривается, кроме электрического поля в вакууме, поле в диэлектрике. Благодаря этому достигается следующее. Во-первых, исключается многократное возвращение к вопросу о свойствах диэлектрика (при изучении поведения тел в электрическом поле, закона Кулона с учетом диэлектрической проницаемости среды, электроемкости). Во-вторых, появляется возможность установить влияние диэлектрика на электроемкость конденсатора и тем самым экспериментально подтвердить ослабление электрического поля в диэлектрике. В-третьих, при такой структуре темы изучение характеристик поля - напряженности и напряжения - не разделяется рассмотрением поведения диэлектриков в электрическом поле.

    В данной теме впервые в школьном курсе физики формула напряженности равномерно заряженной плоскости выводится на основе теоремы Гаусса в доступной для учащихся форме. Вводимое при этом понятие "поток вектора напряженности электрического поля" в дальнейшем облегчает изучение аналогичного понятия "поток вектора индукции магнитного поля". Авторы отходят от традиционной последовательности изучения группы физических понятий - потенциала, разности потенциалов, напряжения. Основным, "работающим" на протяжении всего школьного курса электродинамики является понятие "напряжение", поэтому первым вводится именно оно. Потенциал и разность потенциалов изучаются в конце темы. Нам представляется такой методический шаг авторов вполне оправданным.

    При изучении постоянного тока сначала рассматривается закон Ома для неоднородного участка цепи, который в дальнейшем используется для вывода закона Ома для полной цепи и правил Кирхгофа, позволяющих решать различные задачи на расчет разветвленных электрических цепей. Большинство понятий темы "Магнитное поле" вводится по аналогии с подобными понятиями темы "Электрическое поле". В основе изучения магнитных явлений - закон Ампера. Большое внимание уделено также изучению силы Лоренца.

    Материал темы "Электрический ток в различных средах" рассматривается с единых позиций - на основе электронной теории. При изучении тока в каждой из сред выясняются природа носителей заряда, характер их движения, зависимость силы тока от напряжения.

    Удачно подобраны задачи и вопросы. Изложение отличается строгостью и четкостью; наличием выводов главных формул и законов; выяснением физического смысла и границ применимости основных понятий, законов, теорий; включением в текст обобщений и выводов.

    К недостаткам данного учебника мы относим следующее:
     не полностью раскрыт физический смысл важных понятии и законов (постоянные Авогадро и Больцмана, универсальная газовая постоянная, температура, основное уравнение МКТ, закон Ома для полной цепи);
     несколько поверхностно рассмотрены такие вопросы, как модель "идеальный газ", закон электромагнитной индукции, теория электронной проводимости металлов, магнитные свойства вещества;
     отсутствуют описания лабораторных работ.

    В 1993-1994 гг. издательство "Просвещение" выпустило учебные пособия для классов и школ с углубленным изучением физики, созданные группой известных методистов-физиков под руководством А.А. Пинского. В них изложены с учетом современных воззрений основы физических теорий - ньютоновской и релятивистской механики, молекулярно-кинетической теории и термодинамики, электродинамики и электронной теории, волновой, геометрической и квантовой оптики, квантовой механики, физики атома, атомного ядра и элементарных частиц. Самое серьезное внимание уделено вопросам прикладной физики, применению физики в энергетике, связи, на транспорте и в других областях техники. Авторы поставили задачу не только познакомить учащихся с конкретным материалом, но аргументированно и убедительно показать, как идет процесс познания природы, какова при этом роль эксперимента, гипотез, теорий, математических методов, как осуществляется преемственность физических теорий, какова роль методологических принципов, в частности принципа соответствия.

    Почти к каждому параграфу даны примеры решения задач, контрольные задания, около 5-10 задач для самостоятельного решения разной степени трудности - от очень простых до достаточно серьезных (однако задач повышенной трудности немного). Пособия хорошо иллюстрированы, снабжены описанием лабораторных работ, которые в большинстве случаев носят исследовательский характер. Наряду с традиционными работами предложены оригинальные, например изучение закона сохранения импульса, измерение заряда одновалентного иона при электролизе воды, наблюдение за образованием и ростом кристаллов, исследование электрических цепей с активным и реактивным сопротивлением методом "черного ящика, определение спектральных границ чувствительности человеческого глаза и его разрешающей способности.

    Курс Х класса начинается с повторительно-обобщающей главы "Механика". В ней дополнительно к механике, изучаемой в IX классе, рассматриваются законы динамики вращающегося твердого тела, закон сохранения момента импульса (из которого затем выводится второй закон Кеплера). При этом широко используется математический аппарат, в частности производная.

    Основная идея главы "Основы молекулярно-кинетической теории" - обоснование теории дискретного состояния вещества и описание поведения множества хаотически движущихся частиц. Статистические идеи получают развитие при рассмотрении основного уравнения МКТ идеального и реального газов, длины свободного пробега молекулы, причин необходимости тепловых процессов, а затем при изложении электронной теории проводимости, квантовой оптики, физики атома и ядра. Вводится уравнение Вандер-Ваальса, и рассматривается его связь со свойствами паров и критическим состоянием вещества. В главе "Основы термодинамики. Термодинамический метод" феноменологическая теория теплоты тесно увязывается с МКТ при введении понятий внутренней энергии, теплоемкости газов и твердых тел, необратимости тепловых процессов и др. Показана эквивалентность различных формулировок второго начала термодинамики. Доказывается невозможность полного превращения в работу количества теплоты, которое получено от нагревателя рабочим телом в циклическом процессе, и этот результат обобщается в виде постулата Томсона - одной из формулировок второго начала термодинамики.

    В структуре и содержании курса электродинамики имеется целый ряд особенностей. Отметим некоторые из них.

    В главе "Электрическое поле", наряду с традиционными вопросами, излагаемыми в учебниках физики для массовой общеобразовательной школы, приведен вывод теоремы Гаусса в общем виде, что затем дает возможность рассчитать поля симметрично распределенных электрических зарядов (заряженных прямой нити, цилиндра, сферы, плоскости, плоского конденсатора). В главе "Постоянный электрический ток" вводится закон Ома для неоднородного участка цепи, глубоко анализируется понятие ЭДС, широко используются правила Кирхгофа для расчета электрических цепей.

    Понятие "магнитное поле" в одноименной главе вводится на основе опытов по взаимодействию проводников с током и электронного пучка (в осциллографе) с проводником (с током). Довольно полно рассмотрены здесь магнитные свойства пара-, диа- и ферромагнетиков, доменная структура ферромагнетиков, гистерезис. Закон электромагнитной индукции вводится на примере рассмотрения действия силы Лоренца на свободные электроны в проводнике, движущемся в однородном магнитном поле, а затем закон переносится на другие случаи.

    Завершается курс физики Х класса изучением темы "Электрический ток в различных средах", в которой изложение ведется на основе классической электронной теории, при этом отмечаются ее недостатки и указывается, какие результаты дает квантовая теория проводимости металлов. Глубоко анализируются механизмы возникновения свободных носителей электрического заряда в растворах электролитов, газах, вакууме, полупроводниках.

    Однако данное пособие не лишено недостатков. Например, в нем имеются не полные определения понятий (траектория, материальная точка, идеальный газ): не выявляются границы применимости законов Ньютона, Ома; не выясняется физический смысл понятий абсолютного нуля. индуктивности, правил Кирхгофа. Можно сделать и ряд конкретных замечаний, касающихся изложения отдельных вопросов. Так, 13 посвящен основным положениям МКТ. но сами положения не сформулированы; формула для определения высоты подъема жидкости в капилляре выводится формально, без учета кривизны поверхности жидкости; при рассмотрении кристаллических тел и их свойств упущен вопрос о видах кристаллических решеток (атомная, ионная, металлическая и молекулярная); формулы закона Джоуля - Ленца требуют пояснений, так как только одна из них,

, представляет этот закон для любой электрической цепи,

    а две другие справедливы не всегда.

    В целом нам представляется, что это учебное пособие перегружено фактическим материалом.

    Курс XI класса начинается с главы "Электромагнитные колебания и физические основы электротехники", построенной по традиционной методике, которая разработана достаточно полно.

    В главе "Электромагнитные волны и физические основы радиотехники" авторы, анализируя теоретические идеи Максвелла. подводят учащихся к выводу о возможности существования электромагнитных волн. Далее кратко на основе эксперимента рассматривают общие свойства волн. При этом раскрывается механизм излучения электромагнитной волны при ускоренном движении заряда. Серьезное внимание уделяется нелинейным элементам при генерации, модуляции и демодуляции электромагнитных колебаний.

    Излагая волновую оптику, авторы углубляют представление о свойствах электромагнитных волн путем широкого использования синусоидальной функции. Интерференция от двух и нескольких когерентных источников рассмотрена аналитически: дифракция объясняется с помощью зон Френеля: дисперсия излагается на основе классической электронной теории и теории вынужденных колебаний, что позволяет связать это явление с поглощением света. Содержание вводного параграфа "Геометрическая оптика как предельный случай волновой" в главе "Оптические приборы" позволяет обосновать применение геометрических построений в оптике и дать представление о границах применения этого метода, определяемых волновыми свойствами света. Основы волоконной ог1тики рассмотрены во взаимосвязи с явлением полного отражения, а проблема разрешающей способности оптических приборов - в связи с увеличением их размеров.

    Основы теории относительности изложены значительно полнее и глубже, чем в учебниках физики для массовой школы. Из основных постулатов логически выведены положения релятивистской кинематики и динамики, при этом понятие релятивистской массы не вводится. Показывается соотношение ньютоновской и релятивистской механики, роль принципа соответствия. Этот материал используется в дальнейшем при рассмотрении атомной и ядерной физики.

    Изложение темы "Световые кванты" ведется в историческом аспекте. Наличие у фотона не только энергии, но и импульса обосновывается световым давлением и эффектом Комптона. На базе опытов Боте и Иоффе - Добронравова качественно и количественно рассмотрен вопрос о флуктуациях фотонов. Дан глубокий и всесторонний анализ корпускулярно-волнового дуализма света и электромагнитного излучения других диапазонов.

    В главе "Физика атома" авторы не ограничиваются полуклассической теорией Бора, а вводят школьников в мир квантовой механики: рассматривают идеи де Бройля, опыты Дэвиссона и Джермера, соотношение неопределенностей, вводят волновую функцию, поясняют ее физический смысл. Решение уравнения Шредингера для частицы в прямоугольной одномерной потенциальной яме дает возможность показать, что принцип квантования энергии - логическое следствие основных положений квантовой механики. Введение понятия спина электрона и принципа Паули позволяет объяснить структуру периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Принцип действия оптического квантового генератора рассматривается на основе идей А. Эйнштейна о самопроизвольном и вынужденном излучениях. Как видим, глава носит инновационный характер по структуре, содержанию и методике изучения физики атома.

    Учебный материал в главе "Физика атомного ядра" изложен по традиционной схеме, апробированной в массовой общеобразовательной школе, хотя его уровень значительно выше.

    Для завершающей главы "Элементарные частицы" характерны следующие методические нововведения. Авторы формируют понятие о фундаментальных взаимодействиях, излагают современную классификацию элементарных частиц, дают начальные сведения об идеях квантовой хромодинамики. При этом некоторые вопросы изложены в ознакомительном плане, соответствующие параграфы обозначены звездочкой, а фрагменты текстов набраны петитом.

    В общем, рецензируемый учебник производит самое хорошее впечатление. Материал изложен грамотно, на доступном для учащихся специализированных классов физическом языке, с учетом их математической подготовки, хорошо иллюстрирован, в нем отражены последние достижения физической науки, при этом приводится много задач и заданий, направленных на развитие интеллектуальных способностей учащихся с учетом их индивидуальных особенностей. А наши замечания сводятся к следующему.

    Глава "Электромагнитные колебания и физические основы электротехники" несколько перегружена фактическим материалом и сильно математизирована в ущерб выяснению физического смысла основных понятий и установлению границ применимости выведенных закономерностей и формул.

    Авторы не объясняют физического смысла индуктивного и емкостного сопротивлений, графически не иллюстрируют соотношения между фазами колебаний силы тока и напряжения в идеальной катушке и конденсаторе.

    Представление об электромагнитной теории Максвелла, на наш взгляд, следовало бы дать глубже и полнее, чем это сделано в данном курсе.

    Явления интерференции и дифракции света не сопоставляются. Между тем оба явления заключаются в перераспределении светового потока в результате суперпозиции волн. Принципиального различия между ними нет. их природа одинакова.

    Авторы правильно отмечают, что луч не является физическим объектом, но не объясняют почему. (Это геометрическое понятие, так как получить тонкий луч принципиально невозможно из-за дифракции света).

    Как видим, учебные пособия по физике, созданные под руководством А.А. Пинского. носят фундаментальный характер, требуют серьезного отношения учащихся к физике. Мы считаем, что эти книги можно отнести к новому поколению учебников физики, в которых максимально учтены последние достижения психолого-педагогических наук и методики обучения физике.

Источник информации:

Физика в школе. - 1998. - N2

Дата публикации:

22 марта 2001 г.


Версия для печати | Оглавление