Основы формирования содержания курса физики в общеобразовательных учреждениях

Лекция 4

Основы формирования содержания курса физики в общеобразовательных учреждениях

Подробно разобрав вопрос о структуре школьного курса физики остановимся на вопросах формирования его содержания.

Содержание школьного курса физики составляют основы науки-физики, которая представляет собой систему знаний о природе окружающего нас материального мира, о свойствах и строении материи, о формах ее движения, об общих закономерностях явлений природы. Обучаясь в школе, учащиеся постепенно овладевают этими знаниями и знакомятся с физической картиной мира (ФКМ) - идеальной моделью природы, включающей в себя общие понятия, принципы, гипотезы физики и характеризующей определенный этап ее развития. 

Именно от того как представляет на данном этапе развития общества Человек картину физического построения мира зависит содержание изучаемого в школе курса физики. С изменением представлений Человека о материи и ее движении, пространстве и времени, менялись представления о физическом обустройстве мира. При этом меняющиеся представления о физической картине мира  оставались связанными между собой философским принципом соответствия. Согласно, которому каждая последующая картина дополняла предыдущую и включала в себя как частную составляющую. Например, в настоящее время, доминирует квантово-полевая картина мира, а провозглашенные в ХVI – ХVII вв. – механическая картина мира и в ХIХ – начале ХХ вв. – электродинамическая картина мира, входят в нее как частные предельные случаи, содержащие законы и теории, описывающие ограниченный круг физических явлений.

Любое физическое знание по своей природе системно, т.е. состоит из определенных элементов, связанных в единую систему способную развиваться. Наивысшее выражение эта система находит в физической теории. Каждая физическая теория имеет специфические исходные понятия, определения, аксиомы, математический аппарат и идеи, связанные с интерпретацией теории. Фундаментальные физические теории имеют одинаковую структуру, которая включает основание, ядро, следствия и интерпретацию.

В основание теории входят:

- эмпирический базис, т.е. экспериментальные факты, которые послужили отправной точкой развития теории;

- модели, т.е. те идеализированные объекты, для которых строиться теория;

- система понятий, на которых строиться теория.

Ядро теории представляет собой фундаментальные законы, описывающие изменение состояния материальных объектов, и фундаментальные константы.

Следствия теории заключаются в выводах из законов, входящих в ядро теории. Как правило, это математические количественные выражения, приводящие к числовым значениям физических величин и к функциональным зависимостям между ними. По мере получения выводов число физических величин в теории резко возрастает. Например, в механике появляется энергия, работа, момент силы, момент импульса и т.д.

Интерпретация теории сводится к истолкованию основных практических направлений применения теории, а также осмыслению границ ее применимости.

Построение школьного курса физики на основе применения обобщений на уровне фундаментальных теорий решает вопрос генерализации знаний. Т.е. выделения одной или нескольких стержневых идей и объединение вокруг них учебного материала. Такими идеологическими стержнями, вокруг которых осуществляется группировка учебного материала, могут служить фундаментальные физические теории. Однако в школьном курсе встречается ряд трудностей, которые состоят в основном в несоответствии математических знаний учащихся применяемому в физических теориях сложному математическому аппарату. Отсюда следует, что для школьного курса физическая теория должна быть специально построена как учебная система знаний, имеющая структуру теоретического обобщения в соответствии с законами познания.

Разберем вопрос построения раздела механика в школьном курсе физики на базе  классической механики.  

В основание классической механики входит  эмпирический базис. В основном к нему относятся наблюдения за движениями планет вокруг Солнца. В основание входят модели материальной точки и абсолютно твердого тела. К основанию относятся так же ряд понятий и величин, описывающих положение и движение материальных точек в пространстве: система отсчета, перемещение, время, траектория, сила и масса.

Ядро классической механики составляют первый, второй, третий законы Ньютона, закон Всемирного тяготения. Принципы: дальнодействия и суперпозиции сил. Постулаты: однородности пространства, изотропности пространства, однородности времени. Физические постоянные: гравитационная постоянная.

Следствия классической механики выливаются в преобразования основного уравнения движения (второго закона Ньютона) в так называемые интегралы движения связанные с законами сохранения: импульса, энергии, момента импульса. И сами эти величины вводятся, через интегралы движения. Так же в связи с преобразованием основного уравнения вводится механическая работа и мощность. Все остальное конкретное содержание механики составляют выводы из решений прямой и обратной задач механики, т.е. нахождение кинематических уравнений движения системы по заданным силам или сил по движению.

Интерпретация классической механики в том, что рамки (границы) ее ограничены областью сравнительно малых скоростей (v << c) и областью макромира (при моменте импульса р h, перестает служить механическая модель взаимодействия это микромир).

Мы описали фундаментальную теорию классической механики, а теперь посмотрим как этот фундамент удается использовать в школьном курсе физики.