Читинский спецвыпуск
С.И.Десненко, М.А.Десненко,
ЗабГПУ им. Н.Г.Чернышевского, г. Чита
Моделирование в физике
Элективный методологический курс, 26 ч. 10–11-й классы
Применение в школьном курсе физики моделирования как метода учебного познания является одной из основных задач школьного физического образования, поскольку способствует становлению правильных представлений о современной научной картине мира, формированию научного мировоззрения, развитию творческого мышления, а также позволяет учащимся проводить на своём уровне научные исследования явлений, процессов, объектов. Задачи предлагаемого курса: формирование научного мировоззрения учащихся; ознакомление их со становлением и развитием понятий модели и метода моделирования в физике путём анализа фрагментов работ классиков физики (работа с хрестоматийным материалом, специально подготовленными дидактическими материалами), литературы по истории физики; овладение учащимися деятельностью моделирования путём разработки и конструирования различных видов моделей.
Программа
1. Введение. Познание окружающего мира. Методы познания в науке физике. Значение метода моделирования в научном познании.
2. Моделирование как общенаучный метод познания. Применение метода моделирования в физике, биологии, астрономии, математике и других науках. Значение метода моделирования в естественных и гуманитарных науках.
3. Модели и моделирование как метод познания в физике. Понятие модели. История развития понятий модель и моделирование. Значение моделирования в физике. Виды моделей. Функции моделей в познании. Этапы процесса моделирования. Материальные модели и модельный эксперимент. Мысленные модели и мысленный эксперимент.
4. Моделирование физических объектов, явлений и процессов. Модели в структуре физического эксперимента. Компьютерное моделирование и его применение в физике. Лабораторный практикум по моделированию физических объектов, явлений, процессов.
5. Заключительное (зачётное) занятие. Защита проектов созданных моделей физических объектов, явлений, процессов.
Варианты тематического планирования
Раздел |
Формы занятий, количество часов | ||
| Лекции | Семинарско-практические |
Лабораторные | |
| 1. Введение | 2 | ||
| 2. Моделирование как общенаучный метод познания | 2 | ||
| 3. Модели и моделирование как метод познания в физике | 4 | 4 | |
| 4. Моделирование физических объектов, явлений, процессов | 2 | 10 | |
| 5. Заключительное занятие. Защита проектов | 2 | ||
Содержание и методика проведения занятий
На вводной лекции учитель знакомит с понятием метод познания, даёт представление о познании окружающего мира, а также о таких методах познания природы, как наблюдение, физический эксперимент, моделирование, аналогия, идеализация, абстрагирование и др. На конкретных примерах показывает значимость методов познания в науке. В конце лекции предлагает учащимся письменно выполнить задания:
1. Сопоставьте позиции, приведённые в двух колонках:
Методы познания |
Особенности научного исследования |
| 1. Реальный физический эксперимент. 2. Наблюдение. 3. Моделирование. |
а) Получение знаний о внешних сторонах, свойствах и признаках рассматриваемого объекта; б) исследование явлений действительности в контролируемых и управляемых условиях; в) получение знаний о внутренних связях, свойствах, признаках рассматриваемого объекта на основе материального или мысленного создания искусственных систем. |
2. Сопоставьте позиции, приведённые в двух колонках:
Методы исследования |
Примеры |
| 1. Реальный эксперимент. 2. Наблюдение. 3. Идеализация. 4. Мысленный эксперимент. 5. Моделирование. |
а) Броуновское движение; б) опыты Фарадея; в) эксперимент А.Эйнштейна об относительности одновременности; г) рассуждения Г.Галилея о свободном падении тел; д) идеальный цикл Карно; е) опыты Г.Гальвани; ж) опыты А.Беккереля; з) эксперимент «Демон Максвелла»; и) изучение законов движения с помощью материальной точки. |
3. Какие из нижеперечисленных методов познания являются теоретическими? эмпирическими?
а) Реальный физический эксперимент;
б) моделирование;
в) аналогия;
г) наблюдение;
д) мысленный эксперимент;
е) абстрагирование;
ж) индуктивное обобщение;
з) идеализация.
Знакомить с моделированием как общенаучным методом познания целесообразнее на занятиях в форме пресс-конференции. Учитель выступает в роли приглашённого на урок корреспондента, учащиеся – в роли журналистов, учёных, занимающихся проблемами моделирования в различных областях знаний, участников. «Журналистам» заранее даётся задание: составить вопросы по предложенной теме. «Учёные» готовят доклады по темам: «Использование метода моделирования в конкретных науках, областях знаний (физике, биологии, математике, астрономии, экономике, социологии, информатике и т.п.)», «Решение конкретных задач с использованием моделей в конкретных науках, областях знаний». После обсуждения вопросов совместными усилиями всех участников конференции выявляется значение моделирования как общенаучного метода познания.
- Следующее занятие – семинарское, посвящается теме «Модели и моделирование в истории физики». Учитель предлагает для обсуждения вопросы: значение моделей и метода моделирования в истории физики; этапы становления и развития понятия модели и метода моделирования; модели в истории физики. При организации этого занятия в форме имитационной игры школьники выступают в ролях биографов, историографов, историков, заранее подготовившись дома. «Биографы» пишут очерки об учёных, внёсших значительный вклад в становление и развитие понятий модели и метода моделирования (Галилео Галилей, Исаак Ньютон, Майкл Фарадей, Джеймс Клерк Максвелл, Вильям Томсон (лорд Кельвин), Гендрик Антон Лоренц, Джозеф Джон Томсон, Эрнст Резерфорд, Альберт Эйнштейн, Нильс Бор), руководствуясь следующим планом: научная деятельность учёного, его отношение к науке, краткая биографическая справка, мировоззрение, этические ценности и поступки учёного, общественно-политические взгляды и деятельность. «Историографы» на основе анализа литературы [1, 2] по истории физики выделяют и описывают этапы становления и развития понятий модели и метода моделирования. «Историки» подготавливают материалы, позволяющие охарактеризовать конкретную историческую эпоху, в которой происходило становление и развитие понятий модели и метода моделирования. При этом учитываются политический строй, уровень развития общества (общественные отношения, развитие производительных сил), уровень развития науки, культуры и техники. Учитель предлагает заполнить табл. 1.
Таблица 1. История развития понятий «модель» и «метод моделирования»
Учёный |
Этапы развития понятий в физике |
Существенный вклад в развитие физики |
Примеры моделей |
Галилео Галилей (1564–1638 гг.) |
1. Использовал мысленные модели в числе основных логических и методологических приёмов. 2. Сформулировал принципы теории подобия как количественной основы физического моделирования. 3. Впервые применил мысленный эксперимент как средство построения идеальной модели. |
На основе метода моделирования рассмотрел в единстве физические принципы, математические методы и экспериментальную проверку следствий из принципов; создал теорию свободных колебаний, теорию свободного падения тел. | Рассуждения о свободном падении тел; понятия совершенно круглого шара, совершенно гладкой плоскости, математического маятника, инерциальной системы отсчёта (ИСО), абсолютно гладкой поверхности. |
Исаак Ньютон (1642–1727 гг.) |
1. Использовал мысленные модели для описания и объяснения природы явлений (свет, электричество, тяготение). 2. Строил гипотезы на основе наглядных моделей. 3. Положил начало моделированию как методу теоретического исследования. 4. Сформулировал две теоремы подобия. 5. Применил функцию моделей как идеализирующую абстракцию в сочетании с наглядностью. |
На основе метода моделирования построил классическую механику, теорию света, теорию движения планет. | Эфир – тонкая среда, проникающая во все сплошные тела; картина силового поля; система отсчёта; абсолютное пространство и абсолютное время. |
Майкл Фарадей (1791–1867 гг.) |
1. Создал первые модели: электродвигателя, трансформатора, униполярной динамо-машины. 2. Впервые пришёл к представлению о некотором элементарном заряде, связанном с атомами вещества. 3. Констатировал, что явление самоиндукции аналогично явлению инерции в механике. 4. Ввёл способ изображения магнитного поля с помощью силовых линий. 5. Ввёл в физику новый объект – физическое поле. |
Впервые высказал идею об электромагнитных волнах, идею об электромагнитном поле. Модели, созданные Фарадеем, помогли в дальнейшем Дж.Максвеллу создать и интерпретировать уравнения электромагнитного поля. | Аналогия процесса распространения индукции с «колебаниями взволнованной водной поверхности или же звуковыми колебаниями частиц воздуха», наглядный геометрический образ силовых линий, многочисленные механические модели эфира. |
Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879 гг.) |
1. Ввёл в физику и в явном виде использовал модели-аналогии. 2. Чётко сформулировал метод физической аналогии, обобщённый в дальнейшем как метод математического моделирования. 3. Дал формулировку метода моделирования как одного из общих методов познания. 4. Считал модель эвристическим средством построения теории. |
На основе построенных моделей и метода моделирования создал теорию электромагнитного поля. | Силовые линии пространства – «геометрическая модель физических сил, дающая повсюду направление силы»; трубки переменного сечения, по которым течёт несжимаемая жидкость; гипотеза молекулярных вихрей, модель явления электромагнетизма, ток смещения. |
Уильям Томсон (лорд Кельвин) (1824–1907 гг.) |
1. Дал формулировку второго начала термодинамики, ввёл понятие о вечном двигателе второго рода. 2. Ввёл абсолютную шкалу температур. 3. Сформулировал концепцию «тепловой смерти Вселенной». |
Внёс существенный вклад в развитие теории термодинамики. | Модели из шаров, маховых колес, пружин, гироскопов, свойственных механическим устройствам; абсолютная шкала температур, не зависящая от выбора рабочего вещества и характера процессов в цикле Карно. |
Гендрик Антон Лоренц (1853–1928 гг.) |
1. Выдвинул гипотезу сокращения (сокращение длины тела). 2. Сформулировал принцип относительности первого порядка. 3. Написал преобразования (преобразования Лоренца), сформулировал гипотезу об уравнениях преобразования координат и времени. 4. Ввёл модель неподвижного эфира. 5. Сформулировал гипотезу о деформации электрона. |
Создал электронную теорию вещества. Выдвинул идеи, приведшие впоследствии к созданию электронной теории дисперсии света. | Модель мира: мир – это эфир, в котором плавают заряженные частицы; законы мира – законы электродинамики Максвелла и механики Ньютона. Модель неподвижного электрона в виде равномерно заряженной сферы, движущегося электрона, обладающего, как тела, инерцией. |
Джозеф Джон Томсон (1856–1940 гг.) |
1. Построил статическую модель атома («пудинг с изюмом»). 2. Построил первую модель электронно-лучевой трубки на основе метода, получившего название метод Томсона. |
Открыл электрон, измерил его удельный заряд, разработал метод парабол, имеющий фундаментальное значение (положен в основу устройства электронно-лучевой трубки, составляет основу электронной оптики, современных ускорителей заряженных частиц). | Модель атома: положительное электричество «размазано» по сфере, в которую вкраплены, как изюм в пудинг, электроны. Модель эфира: эфир существует вне заряженного тела – носителя всей массы, импульса и энергии. |
Эрнест Резерфорд (1871–1937 гг.) |
1. Использовал метод моделирования для объяснения строения атома. 2. Построил планетарную модель атома. |
Доказал справедливость планетарной модели атома, что перевернуло устоявшиеся взгляды на строение материи. | Планетарная модель строения атома: ядро – устойчивая часть, несущая в себе почти всю массу атома и обладающая положительным зарядом. |
Альберт Эйнштейн (1879–1955 гг.) |
1. Обосновал соотношение между массой и энергией с помощью мысленного эксперимента. 2. Доказал несостоятельность модели «светоносного эфира». 3. Упразднил модель «абсолютно покоящегося пространства». 4. Сформулировал общий принцип относительности, принцип постоянства скорости света, принцип эквивалентности. |
Метод моделирования явился одним из основополагающих при построении ЧТО [В России принято СТО. – Ред.], вызвавшей революцию в естествознании. | Модель молекулы, модель
движущейся среды, квантово-волновая модель света. |
Нильс Бор (1885–1962 гг.) |
1. Использовал метод моделирования для объяснения строения атома. 2. Создал квантовую модель атома. 3. Предложил капельную модель ядра и механизм захвата нейтрона ядром. |
Пользуясь своими представлениями об атоме, Бору удалось рассчитать спектр атома водорода. Созданная Бором теория атома водорода и водородоподобных атомов послужила переходным этапом к созданию последовательных атомных теорий. | Квантовая модель атома (на базе атома Резерфорда) опирается на два постулата: постулат о дискретности орбит и правило частот. |
На первой лекции по теме «Модели и моделирование как метод познания в физике» учитель знакомит учащихся с понятием модели, видами моделей, функциями, которые они выполняют в научном познании, этапами процесса моделирования. Учащиеся получают представление о роли моделей в физике. В конце занятия учитель предлагает учащимся письменно выполнить следующие задания:
1. Сопоставьте позиции, приведённые в двух колонках:
Виды моделей |
Примеры моделей |
1. Образные (иконические). 2. Знаковые (символические). 3. Пространственно подобные. 4. Математически подобные. |
а) Пространственные модели молекул; б) график скорости движения тела; в) материальная точка; г) математическая запись закона Ампера; д) муляж руки человека. |
2. Какие из приведённых ниже объектов являются идеализациями? моделями?
а) пружинный маятник;
б) материальная точка;
в) абсолютно чёрное тело;
д) изолированная механическая система;
е) точечный электрический заряд;
ж) математический маятник.
3. Укажите последовательность перечисленных ниже этапов моделирования: перенос знаний с модели на оригинал; выбор или создание модели; проверка истинности полученных посредством модели данных о моделируемом объекте и включение их в систему знаний об оригинале; исследование модели; выбор предмета моделирования и постановка задачи.
4. Сопоставьте позиции в двух колонках:
Виды моделей |
Физические модели |
1. Образные (иконические). 2. Знаковые (символьные). 3. Пространственно подобные. 4. Физически подобные. 5. Математически подобные. |
а) Модель идеального газа; б) идеальный цикл Карно; в) модель атома Резерфорда–Бора; г) абсолютно упругое тело; д) гидродинамическая аналогия Максвелла; е) физические формулы; ж) пространственные модели молекул; з) материальная точка; и) капельная модель ядра; к) модель электронного газа. |
Вторую лекцию по теме «Модели и моделирование как метод познания в физике» учитель посвящает рассмотрению материальных моделей и модельному эксперименту, мысленным моделям и мысленному эксперименту. План изложения: характеристика понятий материальная модель и мысленная модель, выделение их существенных признаков; функции материальных и мысленных моделей в познании; характеристика вышеуказанных понятий, выделение их особенностей; структура и этапы модельного и мысленного экспериментов, их характеристика. Учитель предлагает четыре схемы (см. ниже) и даёт задание провести сопоставление реального и модельного экспериментов. На дом учащиеся получают письменные групповые задания выделить и сравнить существенные черты: материальных и мысленных моделей (1-я группа); реального и модельного экспериментов (2-я группа); реального и мысленного экспериментов (3-я группа). Результат оформляется в виде табл. 2 (см. с. 10).
Схема 1: структура реального эксперимента
Схема 2: структура модельного эксперимента
Схема 3: структура реального эксперимента, осуществляемого в определённых условиях
Схема 4: структура модельного эксперимента, осуществляемого в определённых условиях
Условные обозначения: М.О. – модель объекта изучения; М.У. – модельные условия; О. – изучаемый объект; Пр. – приборы; Э. – экспериментатор; Э.С. – средства экспериментального исследования; У. – условия.
Таблица 2. Перечень физических объектов, явлений, процессов для создания моделей
| Раздел | Молекулярная физика | Электродинамика |
Физические объекты |
Атом, молекула, твёрдое тело, кристалл, жидкость, газ, термодинамическая система. |
Элементарная частица, заряженная плоскость, заряженный шар, заряженный цилиндр, заряженная сферическая поверхность, электромагнитное поле, диэлектрики, проводники, полупроводники, сегнетоэлектрики, парамагнетики, диамагнетики, ферромагнетики, соленоид, газоразрядная плазма, электромагнитная волна. |
Физические явления, физические процессы |
Межмолекулярные взаимодействия, тепловое движение, диффузия, вязкость, теплопроводность, броуновское движение, поверхностное натяжение жидкости, молекулярное давление поверхностного слоя жидкости, капиллярные явления, кипение жидкости, сверхтекучесть, тепловое расширение твёрдых тел, плавление, кристаллизация, поляризация, равновесные процессы, обратимые процессы, необратимые процессы, циклические процессы, изопроцессы. | Поляризация диэлектриков, электрический ток, взаимодействие токов, контур с током в магнитном поле, явление электромагнитной индукции, явление самоиндукции, движение заряженной частицы в однородном магнитном поле, электрический ток в газах, несамостоятельный разряд, самостоятельный разряд, тлеющий разряд, искровой разряд, коронный разряд, свободные колебания в контуре, свободные затухающие колебания, вынужденные колебания, переменный ток. |
Практическое занятие «Материальные модели и модельный эксперимент» учитель проводит по следующему плану:
– выполнение модельного эксперимента с предложенными моделями (работа в группах по 2–3 человека) и письменное выполнение заданий: определить вид модели, выделить существенные свойства, функции модели, кратко описать содержание каждого этапа модельного эксперимента при работе с данной моделью;
– заслушивание заранее подготовленных сообщений («Роль и место модельного эксперимента в физике», «Эстетическая ценность модели») и выполнение заданий: прокомментируйте высказывание М.Борна: «Все великие экспериментальные открытия обязаны интуиции тех людей, которые широко использовали модели. Эти модели были, однако, не просто результатами их фантазии, но представляли собой отражение реальных предметов. Как вообще может работать экспериментатор, как может он общаться со своими коллегами, если он не использует моделей?»; оцените предложенные модели в плане соответствия критериям эстетической ценности.
На дом учащиеся получают задание изготовить модели, которые могут быть использованы в модельном физическом эксперименте.
Материал для подготовки: [3, 4].
- На семинарском занятии «Мысленные модели и мысленный эксперимент» школьники знакомятся с описанием мысленных экспериментов из истории физики и письменно выполняют задания: определить вид модели; выделить существенные свойства, функции модели; кратко описать содержание каждого этапа мысленного эксперимента при работе с данной моделью; кратко охарактеризовать значение, которое имел описанный в тексте мысленный эксперимент в истории физики. Затем они выполняют задания:
– выскажите своё отношение к суждению философа А.П.Чернова: «В литературном творчестве, где художник лишён возможности реально экспериментировать с объектом своего описания, этот метод проявляется преимущественно в форме мысленного экспериментирования»;
– проанализируйте мысленный эксперимент «Демон Максвелла» и найдите ошибку в рассуждениях Дж.К.Максвелла, предложившего данный эксперимент;
– приведите примеры реальных экспериментов, проведённых Г.Галилеем и подтверждающих законы свободного падения тел (задание выполняется после анализа текста «Рассуждения Г.Галилео о свободном падении тел» [5]);
– объясните суть кризиса «наглядности», возникшего в науке в начале XX в. Выявите значение принципа наглядности в современной науке. (Задание выполняется после заслушивания сообщения на тему «Мысленный эксперимент и проблема наглядности».)
Материал для подготовки: [6–9].
Важное место в спецкурсе отводится лабораторному практикуму по моделированию физических объектов, явлений и процессов. Оборудование в основном типовое, но в отдельных случаях может быть изготовлено на занятиях силами школьников. При наличии компьютерного класса большая часть занятий лабораторного практикума проводится с использованием компьютеров.
Заключительное (зачётное) занятие проводится в форме защиты проектов. Предварительно учащиеся получают задания: используя разнообразные средства (материалы, физические приборы, средства компьютерного моделирования, языки программирования), создать модели физических объектов, явлений, процессов; подготовить презентацию этих моделей, разработать проект и подготовить его к защите. Проектная деятельность осуществляется в группах, сформированных по желанию. При разработке проекта каждый учащийся получает возможность реализовать свой творческий потенциал, удовлетворить духовные и личностные потребности в области моделирования. Практика показывает, что часть учащихся создаёт материальные модели и готовит презентацию в печатном виде, часть – разрабатывает компьютерные презентации на основе языков программирования, графических редакторов, электронных таблиц. В качестве примера школьникам предлагается табл. 2 с перечнем физических объектов, явлений, процессов для создания моделей по разделам «Молекулярная физика» и «Электродинамика».
Статья подготовлена при поддержке школы английского языка в Москве «Аллада». Если вы решили приобрести качественные знания в области английского языка, то оптимальным решением станет обратиться в школу английского языка «Аллада». На сайте, расположенном по адресу www.allada.org, вы сможете, не отходя от экрана монитора, записаться на курсы. В школе «Аллада» работают только высококвалифицированные специалисты с огромным опытом работы с клиентами.
Литература
1. Кудрявцев П.С. Курс истории физики. – М.: Просвещение, 1982.
2. Спасский Б.И. Физика в её развитии. – М.: Просвещение, 1979.
3. Белошапка В.К. Информационное моделирование в приерах и задачах. – Омск, 1992.
4. Голин Г.М. Вопросы методологии физики в курсе средней школы. – М.: Просвещение, 1987.
5. Хрестоматия по физике: Учеб. пособие для уч-ся 8–10 кл. сред. шк./Под ред. Б.И.Спасско
Светлана Иннокентьевна Десненко – к.п.н, доцент кафедры физики, теории и методики обучения физике ЗабГПУ им. Н.Г.Чернышевского, педагогический стаж 24 года, докторант МПГУ. Тема диссертации «Подготовка студентов педвузов к решению задачи развития учащихся при обучении физике в школе». Хобби: игра на фортепиано, чтение книг, работа на даче.
Михаил Анисимович Десненко – учитель физики высшей квалификационной категории, обладатель гранта Сороса, педагогический стаж 24 года. 7 июля 2004 г. защитил диссертацию на соискание звания к.п.н.
Оба супруга – выпускники Читинского ГПИ им. Н.Г.Чернышевского. Область научных интересов: теория и методика обучения физике (вуз), личностно-ориентированное образование в школе и вузе, развитие учащихся при обучении физике, новые информационные технологии при обучении. В семье две дочери: Татьяна (окончила физмат ЗабГПУ по специальности «учитель математики и информатики») и Виктория (учится там же на отделении «информатика-физика» на 5-м курсе). Хобби: игра в шахматы, работа на компьютере, видеосъёмка.