116561 (Основы методологии физики в курсе средней школы), страница 4

Система включает также комплекс экспериментальных умений методологического характера: описать наблюдение или опыт; подметить различие между тем, что ожидалось получить и что в действительности получилось в ходе эксперимента; отличить в нем существенное от второстепенного; сделать предсказание дальнейшего хода эксперимента; самостоятельно выдвинуть гипотезу (сделать вывод), объясняющую полученный результат; использовать графики и таблицы.

Мысленный эксперимент играет важную роль в научном познании. Под мысленным экспериментом иногда понимают такие операции, которые предшествуют реальным опытам, являясь их детальным продумыванием, мысленной «репетицией». В таких случаях мысленные эксперименты в силу своей наглядности и убедительности позволяют ученым проверять еще до проведения опыта (а иногда потребность в последних и отпадает) полученные теоретические Результаты в качественной форме и, следовательно, судить об их справедливости, заранее оценивая шансы на успех реальных опытов, часто весьма дорогостоящих.

В более общем случае под мысленным экспериментом понимают оперирование идеализированными объектами с целью получения новых данных или доказательства справедливости предложенных гипотез. В таком понимании мысленные эксперименты не могут быть проведены в действительности по техническим причинам. Но всегда мысленные эксперименты должны быть логически непротиворечивыми.

Как отмечал А. Эйнштейн, их функция состоит в том, чтобы «оперировать в мысли с вещами, невозможными практически, т.е.такими, которые противоречат нашему повседневному опыту, но не с полнейшей бессмыслицей».

Мысленный эксперимент широко использовали в своем творчестве при выдвижении фундаментальных идей, теорий, законов Галилей, Ньютон, Максвелл, Эйнштейн, Бор, Гейзенберг и другие выдающиеся физики.

В последнее время в преподавании физики все чаще используется этот метод как одно из средств наглядности при изложении сложного материала.

Мысленный эксперимент как метод теоретического познания в школьном курсе физики выполняет следующие познавательные функции: служит средством наглядности при изложении сложного материала, а также своеобразным способом доказательства выдвинутых положений еще до выполнения реального эксперимента (иногда потребность в последнем отпадает).

Мысленные эксперименты условно могут быть разделены на исторические и эксперименты чисто учебного характера, которые предлагают учитель или учащиеся в процессе объяснения какого-либо явления.

Мысленные эксперименты учебного характера применяются, например, при выводе формулы архимедовой силы, действующей на тело кубической формы, полностью погруженное в жидкость; при выводе основного уравнения кинетической теории идеального газа и т.д.

Исторические мысленные эксперименты следует излагать, используя хрестоматийный материал: отрывки из сочинений ученых, исторические рисунки и др.

Знакомясь с мысленными экспериментами, выдвинутыми учеными прошлого и настоящего, учащиеся смогут проследить за ходом мысли ученого, его теоретической аргументацией, овладевая при этом интеллектуальными навыками познания.

Гипотеза является важным рабочим инструментом в научном познании. Анализируя полученные экспериментальным путем те или иные факты, ученый выдвигает предположение – гипотезу, на основе которой объясняет наблюдаемое явление, вскрывает его внутренний механизм, связь с другими явлениями.

Подчеркивая познавательную ценность гипотезы, С.И. Вавилов все методы построения физической теории разбил на три класса: метод принципов, метод модельной гипотезы и метод математической гипотезы.

Первый путь построения физического знания был разработан впервые Ньютоном при создании классической механики. Он заключается к следующем. На основе опыта формулируются аксиомы или так называемые принципы, и из них дедуктивным путем выводятся отдельные законы и положения, которые должны быть проверены на опыте. Согласие этих следствий с опытом служит гарантией справедливости основных положений теории. Методом принципов построены, помимо классической механики, также термодинамика, электродинамика, теория относительности, атомная теория Бора.

Преимущество метода модельной гипотезы заключается в его наглядности и простоте, он неоднократно использовался в истории физики. Этим методом построены, например, молекулярно-кинетическая теория, статистическая физика, классическая электронная теория.

Метод математической гипотезы наиболее абстрактен. С его помощью создана квантовая механика. Фундаментальная идея Луи де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме возникла на основе экстраполяции математического соотношения между длиной волны и импульсом для фотона на микрочастицы, Л. де Бройль воспользовался аналогией между математическим аппаратом аналитической механики и волновой теорией. Гипотеза о существовании позитрона также вытекала из решения уравнения в созданной П. Дираком квантовой теории электрона. В средней школе метод математической гипотезы можно проиллюстрировать, используя аналогию между гравитационным и электростатическим полем.

Учащиеся должны понимать разницу между научной гипотезой, выдвигаемой для разрешения той или иной проблемной ситуации, возникшей в процессе познания, и гипотезой, основанной на домыслах, слепой вере в «божественные силы» или фантастических предположениях, ничего общего не имеющих с реальностью. Поэтому надо обратить их внимание на ряд условий, обеспечивающих состоятельность научной гипотезы. Прежде всего, гипотеза должна пройти через логический анализ, ее необходимо сопоставить с теми известными фактами, справедливость которых неоднократно и надежно обоснована. Вместе с тем гипотеза не должна слепо приспосабливаться к фактам, которые кажутся само собой разумеющимися, соответствующими нашему «здравому смыслу». В истории науки было много случаев, когда такие факты пересматривались и опровергались новой теорией, возникшей на основе «безумной» гипотезы. Как отмечал К.А. Тимирязев, «иногда говорят, что гипотеза должна быть в согласии со всеми известными фактами; правильнее было бы сказать – или быть в состоянии обнаружить несостоятельность того, что неверно признается за факты и находится в противоречии с нею».

Последнее обстоятельство можно проиллюстрировать рядом примеров: гипотеза Коперника о движении Земли вокруг Солнца, составившая основу гелиоцентрической системы; гипотеза Галилея об одинаковости падения тел в безвоздушном пространстве, получившая простую интерпретацию в механике Ньютона; гипотезы Бора о характере поведения электронов в атоме, включенные в виде постулатов в атомную теорию, и т.д.

Научная гипотеза как предположительное знание требует своего экспериментального подтверждения, а поэтому должна быть принципиально проверяема. Пусть гипотеза не проверена сегодня (она, например, неактуальна для данного состояния науки, или технический уровень не позволяет это сделать), тогда она будет проверена в будущем, но до этого времени ученые относятся к ней с недоверием и не делают, как правило, эту гипотезу предметом исследования. В истории физики бывали случаи, когда гипотеза ждала своего подтверждения целые столетия (например, атомистическая гипотеза, впервые введенная в физику древнегреческими материалистами Демокритом и Эпикуром, была надежно доказана экспериментами лишь в начале XX в.; гипотеза Гюйгенса о волновых свойствах света, выдвинутая в XVII в., получила экспериментальное подтверждение в XIX в. и т.д.). Гипотеза, не подтвержденная экспериментально, не включается в научное знание. Усвоению этого положения учащимися должны помочь соответствующие примеры.

На примерах ряда гипотез, таких, как гипотезы теплорода, электрической и магнитной жидкостей, светоносного эфира, школьники должны усвоить, что гипотезы, принципиально не проверяемые, не имеют права на существование в науке, однако они часто стимулируют поиск ученых, наталкивая их на новые эксперименты и, подобно строительным лесам, помогают строить здание физической науки. Учащихся следует познакомить еще с одним свойством научной гипотезы – ее плодотворностью. Выдвинутая вначале для объяснения одного-единственного явления, гипотеза надежно служит в дальнейшем при исследовании целого ряда процессов. Таковы фундаментальные гипотезы об атомах, о квантах. Квантовая гипотеза, например, выдвинутая М. Планком в 1900 г. только для объяснения излучения абсолютно черного тела (сам ученый вначале был категорически против ее экстраполяции на другие явления), была вскоре развита и обобщена А. Эйнштейном в гипотезу о фотонах (1905 г.), и на этой основе получили объяснение фотоэффект и люминесценция; была построена теория удельных теплоемкостей многоатомных газов и твердых тел (1911 г.). Эта же гипотеза была использована Н. Бором для создания теории атома водорода (1913 г.) и т.д.

В настоящее время квантовая гипотеза, блестяще подтвержденная экспериментально, стала прочным фундаментом всей современной физики.

Необходимо также показать учащимся, как происходит уточнение и углубление гипотезы, выдвинутой вначале в форме догадки, превращение ее в теорию посредством эксперимента и лог ическ ого аппарата. При этом нельзя забывать, что в учебном процессе гипотеза получает свое обоснование и доказательство сразу же после ее выдвижения, поэтому всегда следует отмечать долгий путь развития научной гипотезы от гениальной догадки ученого до сложившейся теории.

Между теорией и гипотезой, положенной в основу данной теории, нет качественного различия. Гипотеза служит отправной точкой, первой ступенью в построении физической теории. Экспериментальное подтверждение следствий теории является одновременно подтверждением тех основных посылок теории, которые были выдвинуты вначале как гипотезы. Это можно проиллюстрировать при изучении теории всемирного тяготения, теории электромагнитного поля, элементов теории относительности. [5]

В учебном процессе логический процесс формирования гипотезы состоит в ее выводе из ранее изученных законов, теорий, идей. При этом происходит дедуктивная экстраполяция этих знаний на объяснение новых фактов и результатов экспериментальной деятельности учащихся.

При этом нельзя забывать, что в учебном процессе гипотеза получает свое обоснование и доказательство сразу же после ее выдвижения, поэтому всегда следует отмечать долгий путь развития научной гипотезы от гениальной догадки ученого до сложившейся теории.

Между теорией и гипотезой, положенной в основу данной теории, нет качественного различия. Гипотеза служит отправной точкой, первой ступенью в построении физической теории. Экспериментальное подтверждение следствий теории является одновременно подтверждением тех основных посылок теории, которые были выдвинуты вначале как гипотезы. Это можно проиллюстрировать при изучении теории всемирного тяготения, теории электромагнитного поля, элементов теории относительности.

В учебном процессе логический процесс формирования гипотезы состоит в ее выводе из ранее изученных законов, теорий, идей. При этом происходит дедуктивная экстраполяция этих знаний на объяснение новых фактов и результатов экспериментальной деятельности учащихся.

Физическая теория и методы теоретического познания.

Подчеркивая экспериментальный характер физической науки, учитель не должен забывать и о втором уровне научного познания – теоретическом. Экспериментальные факты, не объединенные в теорию, способную объяснить эти факты и предсказать новые, не имеют большой познавательной ценности. Известный физик Л.И. Мандельштам отмечал: «В достижении нашей конечной цели – познания природы – могучим подспорьем, систематизирующим наш опыт и дающим возможность пользоваться материалом, является теория. Теория, а значит, и орудие, которым она пользуется, – математика, не является балластом и чем-то искусственно пристегнутым к науке о природе. Нет, она есть то орудие, без которого мы не были бы в состоянии осилить окружающий нас мир как в практическом смысле, так и в смысле удовлетворения умственных потребностей. Поэтому я нахожу – не считайте это парадоксом, что нельзя требовать знания только опытной физики, но вовсе не потому, что это слишком мало, а потому, что это слишком трудно. Более или менее полное знание опытной физики без помощи теории человеку не под силу…» ¹.

С терминами «теория», «теоретическое» школьники знакомятся задолго до изучения конкретных физических теорий в старших классах средней школы. С названными понятиями они ассоциируют житейские и даже чисто ученические представления: «теория – это то, что написано в учебнике и надо выучить», противопоставляя последней решение задач или проведение лабораторных (практических) занятий.

Философия, анализируя соотношение теории и практики, теоретической и практической деятельности человека и т.д., придает понятию «теория» широкий смысл познавательной деятельности вообще. В методологии науки это понятие имеет более узкий смысл: оно означает не всю познавательную деятельность человека, а лишь тот ее высший уровень, на котором выявляются наиболее существенные свойства и закономерности изучаемых явлений.

Во всех естественных науках имеются свои теории. Среди всех естественнонаучных теорий физическая теория отличается высоким уровнем систематизации знаний, логическим совершенством, глубоким проникновением в нее математики, непосредственной связью с экспериментом – все это позволяет считать физическую теорию образцом теоретического знания, недосягаемым пока для других наук. Вот почему так важно формировать у учащихся методологические знания о сущности и структуре научной теории, методах теоретического познания природы.