Формирование представлений о физике как основе техники
Внимание к прикладным (техническим) вопросам физики в процессе обучения закономерно и вполне оправданно. Благодаря физическим знаниям о природных явлениях человечество
создало новую технику и внедрило ее достижения в свой повседневный быт;
использовало физический метод исследования в других науках и решало ряд конкретных практических задач;
выявило пути решения глобальных проблем современности, и это особенно важно для жизни в III тысячелетии.
Как помочь учащимся за подчас абстрактными и сложными для их восприятия материалами программы увидеть и осознать практическую ценность физических знаний, понять то, что «физика приводит технику из области случайных находок на рациональную, сознательную… дорогу»? Возникает и второй вопрос: «Какой должна быть методика приобщения учащихся к практическим ценностям научного познания физики?»
В процессе рассмотрения на уроках технических достижений у учащихся формируются следующие представления, имеющие мировоззренческую ценность.
• Если наука исследует различные виды материи и формы ее движения, то техника ставит перед собой задачу использовать научные знания в интересах людей (иногда с добрыми целями, иногда с враждебными). Техника способна частично или полностью заменить человека на производстве;
она облегчает его труд, повышает производительность.
• В процессе развития общества выводы почти всякой теории со временем осваиваются, в том числе техникой. Любое изобретение совершается с учетом законов природы и достижений науки. •
• Прогресс техники обычно вызывает появление новых направлений в науке и развитие имеющихся; более совершенные технические средства дают возможность ученым ставить все более сложные научные эксперименты.
• На стыке науки и техники нередко возникали и возникают новые технические дисциплины, такие, как техническая термодинамика, тепло- и электротехника, радиотехника, атомная энергетика, инженерная физика и др., свидетельствующие о плодотворности союза научных и технических знаний.
• Техника влияет на характер и содержание производства и производственных отношений. Отдельные же фундаментальные изобретения приводят к промышленным революциям, которые наряду с революциями научными нередко становятся причинами радикальных изменений в жизни человеческого общества.
Обратимся к фактам.
При изучении тепловых машин надо подчеркнуть, что появление первых тепловых машин — паровых — и строительство железных дорог вызвало бурное развитие промышленности, расширение и упрочение торговых связей и экономических отношений государств.
Заканчивая рассмотрение электродинамики, внимание учащихся следует привлечь к тому, что развитие теории электромагнетизма обусловило появление электрических машин, телеграфа и телеграфных сетей, а это вызвало прогресс в экономике.
Раскрытие роли техники в жизни общества и каждого человека — социокультурный материал. Эффективность его применения в преподавании физики обеспечивает выполнение следующих правил:
непременно освещать те изобретения, которые в развитии техники считаются фундаментальными и которые связаны с программой школьного курса физики;
изложение вопросов о взаимодействии физики и техники строить так ,чтобы побуждать учащихся к анализу фактов и формулированию ценностных и мировоззренческих выводов;
постоянно осуществлять систематизацию приобретаемых учащимися представлений о взаимодействии физики и техники;
проводить планомерно контроль за усвоением этой информации.
• С изучаемым курсом физики в старших классах тесно связаны такие важнейшие технические изобретения, как тепловой двигатель, телефон, радио, электронные приборы, АЭС, ракеты. В преподавании знакомство с ними проводите?, к сожалению, не в последовательности появления этих изобретений. Так, космонавтика, как самостоятельная отрасль техники, сформировалась сравнительно недавно, однако знакомство учащихся с реактивным движением проходит в основной школе. Нужно пояснить школьникам, что нарушение хронологии знакомства с техническими объектами обусловлено содержанием курса физики.
Применение социокультурного материала позволяет решать целый ряд учебных и воспитательных задач. Например, при его применении развитие науки и техники предстает в сознании учащихся как одна из определяющих причин изменений в экономике, социальном устройстве государства.
• Говоря на уроках о взаимодействии физики и техники, полезно обратить внимание учащихся на то, что вначале случайные связи этих отраслей со временем становятся все более закономерными и прочными. Один из показателей этой тенденции — сокращение сроков между моментом научного открытия и временем технического воплощения его следствий.
Для фотографии, например, этот срок составил 102 года, для телефона — 56 лет, для атомной бомбы — 6лет, а для лазера — менее 5 лет. Об этом можно вести речь не только при изучении отдельных тем, но и в заключительном разделе «Физика и научно-техническая революция».
• Формирование мировоззренческих взглядов учащихся на диалектическое взаимодействие физики и техники можно реализовать и на материале об ученых-физиках, уделявших в своем творчестве внимание решению прикладных проблем науки, в том числе технических. Однако не следует при этом умалчивать о тех из них, кто был весьма далек от запросов практики; осуждать их за это ни в коем случае не следует: каждый делал то, что считал важным, что его влекло и что лучше всего у него получалось.
Рассмотрим несколько фактов технического творчества ученых.
Будучи вначале смотрителем, а затем и директором королевского Монетного двора, И.Ньютон добился важного технического успеха: он наладил перечеканку монет.
М.В-Ломоносов наряду с серьезными научными работами конструировал физические, астрономические и метеорологические приборы, среди которых были вискозиметр, газовый барометр, телескоп-рефлектор и др.
А.Эйнштейн — один из основателей современной физики, имел на своем счету около 20 патентов на изобретения: физических приборов, холодильника, насоса, фотокамеры и др.
• Внимание учащихся полезно обратить и на то, что владение техническими навыками и получение технического образования помогало будущим исследователям-физикам в их последующей научной деятельности.
Г. Галилеи свой путь в науку начал с посещений мастерских во Флоренции, И.Ньютон в детстве занимался конструированием технических игрушек, а О.Френкель, Ш.О.Кулон, П.Н.Лебедев, К.Рентген, П.Л.Капица получили высшее техническое образование. Эти факты — пример еще одного (по сути косвенного) воздействия технических знаний на развитие науки.
Однако фрагмент мировоззренческой картины диалектического взаимодействия физики и техники может предстать перед учащимися лишь тогда, когда на уроке рассматривается фундаментальное техническое изобретение. Материал о нем привлекателен для учащихся своей конкретностью, разумностью, легко угадываемым«сходством» объектов прошлого и настоящего, общественной и экономической ценностью.
Рассказ о таких изобретениях следует начинать с раскрытия вопросов:
«Почему у общества возникла потребность в данном изобретении?», «Какие научные и технические предпосылки содействовали ему?».
Например, изучая изобретение радио А.С.Поповым, следует раскрыть такие важнейшие моменты, предшествовавшие этому событию, как:
разработка Дж. К. Максвеллом теории электромагнитного поля;
опытное подтверждение существования электромагнитных волн Г. Герцем;
последовавшие затем работы ТА.Эдисона, Э.Бранли и О. Дж.Лоджа по электромагнитным колебаниям;
изобретение Э.Бранли когерера (трубки с металлическими опилками, которая под воздействием электрических колебаний становится проводником электричества) натолкнуло многих инженеров и изобретателей на мысль о возможности передачи энергии без проводов. Таким образом, уже сама идея беспроволочного телеграфа побуждала ученых заниматься ее техническим воплощением. В беспроволочной связи нуждался морской флот всех государств мира, что стало еще одной причиной активных действий в этом направлении;
привлекала и заманчивая новизна темы.
Затем следует перейти к знакомству с сутью изобретения. Можно использовать фотографии и рисунки из «Хрестоматии по физике» или научно-популярной литературы. Однако большее воспитательное воздействие производит модель исторической установки. Она пробуждает у учеников неподдельный интерес, особенно если модель показывают в действии. Все это помогает понять идею изобретения и часто заставляет удивиться простоте технического воплощения.
Демонстрируя модель А.С.Попова, следует рассказать об ее основных узлах: чувствительном когерере, «автомате» его встряхивания, колебательном контуре, приемной антенне. Целесообразно заметить, что радиоприемник Попова работал на длинных волнах, полезно подчеркнуть гуманную направленность его первого использования (спасение рыбаков, унесенных на льдине в море). Полезно также остановиться на том, какие профессиональные качества позволили ученому прийти к этому важному изобретению. Свое открытие А.С. Попов не запатентовал. Это породило споры о признании приоритета.
Итальянский физик и инженер Г.Маркони в 1897 г. получил патент на аналогичное изобретение. Он сделал чрезвычайно много для развития радиосвязи и внедрения радио в повседневную жизнь; удостоен Нобелевской премии за 1909 г.
Дальнейшие исследования ученых по излучению, распространению и приему электромагнитных волн радиодиапазона привели в итоге к возникновению радиоэлектроники и развитию радиофизики. Можно предложить подготовить доклад о нынешних радиотехнических устройствах.
Тем самым история изобретения в сознании учащихся будет связана с современностью.
• Подготовке учеников к будущей технической профессии в немалой степени содействуют факты, раскрывающие условия успешной творческой деятельности выдающихся инженеров и изобретателей.
Так, при изучении тепловых машин целесообразно подчеркнуть, что изобретатель универсальной паровой машины шотландец Дж.Уатт глубоко изучил теорию и историю интересовавшего его вопроса (физику паров),а также конструкции уже существующих подобных машин. Он анализировал их конструкции и критически относился к выводам авторитетов. Дж.Уатт был и исследователем, и изобретателем; в нем гармонично сочетались знания ученого с умением мастера, что позволяло ему успешно осуществлять свои технические замыслы.
Когда на уроке рассматривают термоэлектронную эмиссию, обычно упоминают имя американского изобретателя ТА.Эдисона, первым наблюдавшим это явление в 1883 г. Здесь можно отметить, что этот человек запатентовал свыше 1000 изобретений. Уместно привести такие слова об ученом: «гений изобретательства» — так его называли. Обычно он был в курсе главных научных свершений своего времени, а свои бесчисленные технические идеи проверял на опытах и путем математических расчетов.
Изложение на уроках физики подобных примеров формирует у учащихся понимание того факта, что решение любой технической задачи требует от инженера и изобретателя глубоких теоретических знаний, практических навыков в области эксперимента и расчетов, наличия высокой технической культуры и умения нестандартно мыслить. Уместно привести слова А.Эйнштейна: «Без знаний нельзя изобретать, как нельзя слагать стихи, не зная языка»; и еще: «Изобретателю необходимы врожденное стремление, и увлечение, и терпение, и знания, и знакомство с экономическими проблемами»2. Подчеркнем: это высказывание принадлежит физику-теоретику высочайшего уровня.
• Методика формирования представлений о диалектическом взаимодействии физики и техники включает в себя и обращение к истории техники, в ходе которого может быть сформулирована проблема, обсуждение которой содействует более основательному пониманию изучаемого физического явления.
Например, при рассмотрении резонанса механических колебаний учащимся сообщают факт обрушения висячего моста. Вот он.
В 1940 г. под действием сильного ветра, дувшего со скоростью 67 км/ч, недавно построенный через пролив Такома (США) висячий мост, имевший центральный пролет длиною 853 м, начал раскачиваться и через полчаса рухнул.
Инженеры, проектировавшие мост, умели рассчитывать его прочность. И они действовали по законам теории. Чем же объяснить случившееся?
Анализ с учащимися этой проблемы позволяет подойти к важному практическому выводу: очевидно, небыли учтены условия возникновения резонанса. И еще один вывод: в технике всегда нужно иметь в виду совокупность физических явлений и эффектов.
• Подчеркнем: сведения о технических авариях и материалы о научных ошибках и заблуждениях ученых помогают учащемся не только лучше разобраться в сути физических явлений, но и формируют представления о том, как сложен окружающий мир, каких значительных знаний и усилий требует его освоение и как важно думать о последствиях своей работы.
• Педагогу полезно иметь в виду, что взаимодействие науки и техники во второй половине XX в. и III тысячелетии стало особым. Наука превратилась в производительную силу общества. Союз ученых и инженеров окреп и развился до такой степени, что нередко ученый выполняет функции инженера, а инженер все чаще действует как ученый. А потому в ходе изучения основ физики должно уделяться больше внимания фактам прикладного содержания.
Следует рассказать: в современной физике постановка экспериментов требует сложнейшего, технического оборудования, при подготовке которого к эксплуатации физику-исследователю приходится заниматься инженерной деятельностью: формулировать и корректировать техническую задачу, участвовать в проектировании и наладке физико-технического устройства и пуске его. Начало такой крупномасштабной технической деятельности физиков-экспериментаторов положил наш соотечественник П.Л.Капица, создавший установку для получения сверхсильных магнитных полей. Факты подобного содержания убеждают учащихся в необходимости не только владеть физическими знаниями, но и уметь применять их на практике.
Особо важен в этом отношении материал из истории становления отечественной атомной энергетики. Рассказ о том, как под руководством И.В.Курчатова развивалась в нашей стране атомная наука, создавались дотоле невиданные в России физико-технические устройства (реакторы, ускорители и др.), как в связи с этим менялось отношение ученых-физиков к прикладным проблемам и задачам, какие технические горизонты открывались по мере работы, производит большое впечатление.
Обращение к мировоззренческим представлениям учащихся о взаимодействии физики и техники, их развитие и систематизацию можно осуществлять:
в обзорных темах курса;
при повторении важнейших теоретических положений изученного раздела;
при подведении кратких итогов к главам.
Важно на теоретической основе по достоинству оценить достигнутые технические успехи и их роль в прогрессе общества.
При повторении полезна постановка проблемных вопросов для обдумывания и коллективного обсуждения о взаимодействии физики и техники, например, таких: «Какие законы механики должны быть учтены при а) конструировании ракет; б) запуске космических аппаратов?», «Почему все попытки изобрести вечный двигатель оканчивались неудачей?», «Учитывается ли возможность возникновения резонанса в современной технике? Где и как?».
При обдумывании этих и подобных вопросов у учащихся формируется собственное мнение, связанное с философским осмыслением действительности. Отсюда — один шаг до ответов на важнейшие вопросы: «Обязательно ли учитывать в повседневной практической работе физические законы?», «Имеет ли такой учет значение в нравственном отношении?»
• Ведя описанную выше работу, педагог прокладывает для учащихся путь от простого к сложному, от конкретного к обобщениям. Постепенно учащиеся вырабатывают у себя нужные мировоззренческие представления, важные для жизни в современном мире.