Наука и техника: прошлое и настоящее

«Начальная физика» А.В.Цингера

М.А.БРАЖНИКОВ, г. Москва

bragario@inbox.ru

«Начальная физика» А.В.Цингера

(Печатается в сокращении. Полный текст статьи см. в рубрике «Дополнительные материалы» к № 2/2008 на сайте газеты http://fiz.1september.ru. – Ред.)

Где, укажите нам,
            отечества отцы,
Которых мы должны
        принять за образцы?

А.С.Грибоедов

Интерес, проявляющийся в последнее время к нашему дореволюционному наследию, вполне понятен, ведь поколения, вошедшие в жизнь до 1991 г., полагали (утрируя), что «всё в России появилось после революции», в том числе и учебная литература. Теперь маятник качнулся резко в другую сторону. Тем не менее переосмысление того, чем мы обладаем и что утеряли, – дело полезное. Традиции преподавания физики в России уходят корнями в XVIII в. Вот задача, которую мы решаем на уроках механики с завидным постоянством:

– К пристани причаливают две одинаковые лодки. Лодочники подтягиваются к берегу с помощью верёвок. Противоположный конец первой верёвки привязан к столбу на пристани, за противоположный конец второй верёвки тянет матрос, стоящий на берегу. Все трое прилагают одинаковые усилия. Какая лодка причалит раньше?

Этот вопрос разбирается и у Я.И.Перельмана, и у М.Е.Тульчинского, но ответ можно найти и в более ранних пособиях и учебниках: когда стоящий на берегу человек «тянет судно верёвкою или находящийся в судне чрез привязанную на берегу к чему-нибудь верёвку притягивается к оному, то произойдёт единое и то же действие; ибо сопротивление или противудействие неподвижной точки (где привязана или держится верёвка) равно употребляемому против неё действию», – так писал физик аббат Нолле в своём учебнике экспериментальной физике, переведённой в России в 1779–1781 гг. [1]. Внимательно читая это учебник, можно найти там многие методы (например, метод теневой проекции) и демонстрации (например, звонок под воздушным колоколом), которые мы применяем и сегодня. Но ни переводной учебник Нолле, ни появившийся столетие спустя учебник К.Д.Краевича¹, а он традиционно оставался основным вплоть до 20-х гг. ХХ в., не были той «гоголевской „Шинелью“», из которой вышли современные учебники и задачники по физике. Первыми из новых учебников начала ХХ в. стала «Начальная физика» А.В.Цингера (1-е издание, 1910 г.) и его «Сборник вопросов и задач по физике» (1-е издание, 1913 г.). Почти сто лет спустя «Начальная физика» вышла вновь [2], и вышла благодаря тому (отдаём должное издателям!), что она не потеряла в чём-то своей оригинальности и сейчас, а нетривиальные учебники появляются у нетривиальных людей, возьмите курс лекций Р.Фейнмана или Р.В.Поля. Таким неординарным человеком был и Александр Васильевич Цингер.

Александр Васильевич закончил в 1894 г. Московский университет, где его наставником был всемирно известный физик Н.А.Умов. Трудно сказать что-то определённое о научных интересах молодого А.В.Цингера в отличие от педагогических, но в 1895 г. им была опубликована в журнале Русского физического и химического общества совместно с Н.С.Щегляевым работа «О теплоёмкости эбонита, пробки и пальмового дерева» – материалов, использовавшихся при изготовлении калориметров. Несомненно Цингер как учёный-исследователь проявился и тогда, когда предложил оригинальный метод визуализации линий тока с помощью порошка металла на листе бумаги, пропитанной электролитом, при этом наблюдался рост кристаллов металла в направлении линий тока. Метод был опубликован в немецком журнале в 1900 г. Разносторонность А.В.Цингера нашла отражение в оригинальности его книг, на них на всех лежит отпечаток личности автора, а потому они и интересны до сих пор.

Спустя десятилетие после выхода «Начальной физики» А.В.Цингера Н.В.Кашин, известный физик-методист первой половины ХХ в., писал: «По художественной ясности изложения и по изящной внешности он (учебник „Начальной физики” А.В.Цингера) далеко оставляет за собой все остальные учебники, имеющиеся в нашей литературе... С методической стороны особенно ценна жизненность изложения, которая позволяет учителю постоянно обращать внимание учащихся на происхождение наших знаний в природе и наблюдать связь их с повседневными, окружающими нас явлениями; высшей степени эта особенность достигает в „Послесловии”, которое является глубоко оригинальным и ценным завершением учебника» [3].

Свои педагогические взгляды А.В.Цингер сформулировал в предисловии к 1-му изданию учебника [4], к сожалению, не вошедшему полностью в репринтное издание. Коротко их можно представить так:

• Разнохарактерные, многогранные вопросы физики должны служить материалом для упражнения наблюдательности наряду с живым воображением, сноровки в эксперименте, хотя бы примитивным, наряду с логической дедукцией.

• ...пользование разными методами (в преподавании) от эвристического, пожалуй, до догматического включительно наиболее соответствуют духу предмета.

• ...девиз «Преподавание физики как естественной, опытной науки должно всецело опираться на опыт» есть несомненная односторонность, хотя, может быть, и наилучшая из педагогических односторонностей. Опыт в преподавании никак не может быть исходным пунктом в преподавании, хоть сколь-нибудь в том смысле, в каком он является исходным пунктом при исследовании.

• ...по возможности все эксперименты школьники должны проводить собственноручно.

• Не за количество, а за качество сообщаемых знаний слышим мы упрёки средней школе со стороны высшей.

• ...никто, никогда и ничему по иному методу (кроме концентрического) не обучился и обучиться не мог <...> я не могу согласиться, чтобы рационально было в одном и том же возрасте, на одной и той же стадии умственнного развития усваивать и тот факт, что у магнита два полюса, и свойства электромагнитного поля...

• Цель «Первой ступени» заключается в том, чтобы дать элементарные сведения, ознакомить с принятыми терминами, помочь научиться примитивному экспериментированию, а главное, возбудить интерес к содержанию физики и привить любовь к наблюдению.

Указал Цингер и типичные, на его взгляд, ошибки учеников:

• Неумение настолько владеть даже усвоенным законом, чтобы применять его для решения задач.

• Неумение начинающих студентов делать приближённые вычисления над числами, полученными из измерений.

• Совершенное отсутствие сноровки в обращении с приборами.

• Неумение владеть языком.

Собственно говоря, в том, что написано выше на сегодняшний день нет ничего принципиально неизвестного. Действительно, прошло почти сто лет, а за это время педагогика шагнула вперёд. Но, с другой стороны... Все понимают, что методы и приёмы должны быть разными, сообразно предмету и теме, учителю и ученикам, а «всё время ищут один главенствующий, самый современный метод обучения». Качество обучения падает, а всё равно стремятся (как будто для нас Цингер писал. – М.Б.) и свойства постоянных магнитов, и свойства электромагнитного поля пройти в один год в рамках одного концентра. Да и ошибки учеников, проблемы в их обучения остались теми же, только неумение говорить скрывается теперь чаще за тестовой формой контроля знаний.

Попробую на примерах рассказать о достоинствах учебника (хотя оценить иллюстрации по достоинству репринтное издание не позволяет).

• Иллюстрации. Во-первых, их около 550 на 500 страниц текста книги небольшого формата. Во-вторых, их качество было таково, что по рисункам простейших приборов можно было изготавливать их самодельные аналоги². В-третьих, их художественность (современные иллюстрации сделаны в стиле мультфильмов о Болеке и Лёлике, а рисунки в книгах XIX и начала ХХ вв. были элементом искусства), – они приближены к действительному облику людей того времени. Вот, например, рисунок, иллюстрирющий изменение положения тела при переноске тяжести, справа дана фотография разносчика арбузов начала ХХ в. Тело человека может отклоняться при переноске тяжести вперёд, назад и вбок, соотвественно три иллюстрации, обыгрывающие жизненные случаи.

То же видно и на рисунке к разделу тепловое расширение. Картинка, как натягивают шину, помогает сориентироваться в задаваемом вопросе, а слабому ученику позволяет задать и наводящие вопросы. Как часто на уроке приходится сталкиваться с тем, что ученики плохо понимают простейшие задачки, связанные с жизнью. Проходим круговое движение, прошу спуститься в мастерскую, чтобы увидеть у станков ременную передачу, показываю часть велосипеда, чтобы решить задачи о передаточном числе, а иначе непонятно, что такое ведущая и ведомая звёздочки.?Для человека, общающегося с математикой «на Вы», Цингер находил с помощью рисунков иные подходы к объяснению. Вот рисунки, показывающие зримо, что удельный объём обратно пропорционален плотности вещества. Или, что то же, тела одной массы имеют больший объём, чем меньше плотность вещества, из которого они сделаны. Закрепился у ученика образ, и это используется Цингером дальше.

Вот рисунок в параграфе, иллюстрирующий пределы устойчивости телеги.

Другой пример показывает, как грамотно??подобранные рисунки помогают избежать?математических сложностей. Тело брошено горизонтально и под углом к горизонту. Цингер не только раскладывает это движение на два – равномерное по инерции и свободное падение, – это очевидно, хотя из некоторых учебников современных ушло, но ещё и изображает прибор, способный наглядно показать, как меняется траектория в зависимости от угла вылета при одной начальной скорости. Причём в тексте нет формул, а представление учеников о движении получается правильное, наглядное и вполне обоснованное. Математически эта тема разработана в учебнике для второй ступени обучения [6], в которой чертежи и рисунки заметно абстрактнее, при том, что выполнены безукоризненно.

По «Начальной физике» можно в некотором смысле учиться и без учителя, а учителю построение урока даётся как бы естественно. Для начального курса физики рисунки крайне важны, т.к. наглядность, пока ученик не втянулся в предмет, играет колоссальную роль! Моя пожилая учительница говорила, что самый сложный урок – это первый урок в 7(6)-м классе, т.к. он должен быть и содержательным, и красочным. Чтобы возбудить интерес к физике, она ставила на демонстрационный стол в кабинете и электрофорную машину, и чёртову петлю , и заводных человечков, и лазер – по одному-двум самым зрелищным приборам на каждый раздел физики.

• Язык. Конечно, важно подобрать верный тон, не заигрывающий, но и не нудный. А это сложно. Но прежде ещё одна интересная находка Цингера. Говоря о разумной точности измерений, он пишет, что, ошибись портной на 1 мм, этого никто и не заметит, но если наборщик ошибётся на 1 мм в расстановке букв, то, Опять же зрительный образ. За столетие язык изменился, и это делает книгу, конечно, иной в глазах современного читателя, но важно, что Цингер не экономил на объяснении. Возьмём для сравнения определение массы тела на рычажных весах. Задача рутинная для учителя, но ученик делает измерения впервые. Вот пример двух описаний: процедура одна и та же, слова похожие, а эффект разный, как рецепт одного и того же блюда в разных поваренных книгах, по одной из них научиться готовить нельзя. Язык, стиль, верный тон проявились и в формулировках вопросов и задач.

• Содержание. По объёму книга близка к современному курсу 7–9, без раздела атомной физики. Отбор материала – это «сизифов труд» методистов, важно как при этом расставлены акценты в изложении. А они смещены в «Начальной физике» в сторону живого восприятия и практического применения. «Жизненные» вопросы всегда сложнее, но именно они выявляют знание предмета. Вопросы после параграфа – разные, многие из них задаём и мы на уроках (почему под соломой снег долго не тает? почему звонок искрит при размыкании? и т.п.). Но есть и такие, которые, мы, увы, не задаём.

– Поставьте уровень на стол и, подводя под ножку стола клин или подкладывая бумагу, следите за уровнем. Куда двинется пузырёк – к клину или от клина?

– Комнатная дверь и крышка сундука имеют одинаковый вес. Одинаковые ли усилия требуются, чтобы отворить дверь и открыть сундук?

– Почему утки и гуси ходят переваливаясь?

– В старинной сказке Иван Царевич слушает топот погони, приложивши ухо к земле. Слышней ли так отдалённый топот?

Три принципиальные вещи есть в учебнике А.В. Цингера. Краткие, на страничку, рассказы о великих учёных – Архимеде, Галилее, Ломоносове, Ньютоне. Глава, посвящённая графикам в физике (появилась лишь в издании 1923 г.), – очень важная, потому что толком и сейчас строить, читать графики не учат ни на математике, ни на физике, а графический способ представления в эпоху компьютеров не менее актуален, чем сто лет назад. И послесловие «Кое-что из жизни живой природы», которое осталось непревзойдённым на сегодняшний день. Гимназист приехал летом на дачу. Какова физика явлений, которые его окружают?.. Боюсь, что в ближайшем будущем мы не вернёмся к такой идиллической картине, когда, закончив занятия в мае, ученик раскроет книгу до сентября. Но если попытаться его заинтересовать ответами на вопросы: «Почему птицы летают, а люди не летают, как птицы? почему мы устойчиво едем на велосипеде? почему, несмотря на то, что тяжелее воды, можем плавать? почему молния попадает в высокое дерево или печную трубу? почему гудят провода? почему самолёт оставляет белый след, а само небо голубое?» – есть шанс удержаться на уровне... Любопытно, какое окончание нашёл А.В.Цингер для своей книги. Заканчивается летний день гимназиста, проведённый с физикой, и автор пишет: «Откройте Библию:

„Сам Он даровал мне неложное познание существующего, чтобы познать устройство мира и действие стихий, начало, конец и средину времён, смены поворотов и перемены времён, круги годов и положение звёзд, природу животных и свойства зверей, стремления ветров и мысли людей, различия растений и силы корней. Познал я всё, и сокровенное и явное, ибо научила меня Премудрость, художница всего“.

Книга Премудрости Соломона. Глава 7.

За тридцать веков до нас так верил в могущество познающего разума царственный мудрец, пренебрегший всяческою суетою богатства, славы и власти, чтобы склониться перед Премудростью» [4].

Обращение к Библии было не проявлением религиозности Цингера (человек, завещавший отдать своё тело университету для исследований [8] вряд ли был религиозен), скорее в этих древних словах он действительно видел силу познающего разума.

А.В.Цингер принадлежит эпохе, предшествующей той, которая ушла на наших глазах, и мне бы хотелось, чтобы его имя и идеи – задачи, приёмы, объяснения – тоже остались, а при необходимости книги Цингера ещё можно было бы найти. Правда, они рассчитаны на существенно иную атмосферу, чем теперь. Сегодня неотстающие ученики 11-го класса практически не читают (и не могут себя заставить!), некоторые нетвёрдо знают таблицу умножения и неуверенно считают в столбик, но при этом поступают в вузы. Нельзя насильно осчастливить и образовать. Понимаю, что моим ученикам нужен курс «школьной математической физики», где изучению графиков и функций отводилось бы завидное место, как у Цингера, сегодня стык предметов ощущается очень болезненно, и понимаю, что при существующем положении дел это нереально (такая вот тавтология: понимаю и... понимаю).

Ранее казалось, что только революции и нашествия приводят к невосполнимым утратам. Рассказывают, что новгородцы умели разводить и почти одомашнили бобров, а после нашествия Батыя, хотя оно впрямую и не затронуло Новгород, умение сошло на нет. Бобры... Какая-то мелочь, а почему-то задевает: раньше умели, а потом нет. Но ведь тогда же произошли изменения в языке, архитектуре, в литературе, в целом в культуре что-то изменилось, а что-то ушло безвозвратно. А.И.Герцен писал за полвека до нашей революции: «Я не только жалею людей, но и вещи, и иные вещи больше иных людей» [9]. И далее поясняет, что в вещи, в самом общем смысле этого слова, «...оседала личность и творчество разных времён, в котором сама собой наслоилась летопись людской жизни и скристаллизовалась история». Мне не хотелось бы, чтобы то, что нарабатывалось в течение предыдущих эпох в области образования, умение учить физике, стало чем-то вроде умения разводить бобров, – разучились, ну и бог с ним, будем носить искусственные шубы. После революции Н.В.Кашин писал: «...для будущего поучительно рассмотреть положение физики в русской школе до 1917 г.; настанет время, когда надо будет использовать этот огромный опыт прошлого. В нём наряду с нежелательными тенденциямии и уже пережитыми приёмами мы найдём много ценного и заслуживающего внимания». И в другом месте: «В физике ценна не только огромная область приложений и даже не только великий познавательный метод, но и сама система научного знания, воздвигнутая величайшими усилиями гениальных умов. Эту прекрасную и великую часть нашей цивилизации мы должны стараться передать последующим поколениям» [3]. Сложность нашего времени заключается в том, что видимых следов разрушения и катастрофы нет, не надо из кусочков проволоки по старым книгам востанавливать приборы, как это было в 20-е гг. [5]. Более того, среди огромного количества учебников и задачников, пособий и рабочих тетрадий есть несколько действительно хороших книг для старшей школы и несколько очень удачных задачников, – главное, чтобы они не потонули в море подделок.

Обращение к Цингеру не связано с тем, что он может заменить ныне существующие курсы, книги Цингера – это не «Воскресшие боги» Д.С.Мережковского. Но, как мне кажется, настоящие курсы утратили связь с каждодневностью, с окружающей физикой во имя примитивизированных теорий: молекулярной, атомной, квантовой, во имя выхолощенного «сложного» пожертвовали изучением жизненного «простого»³. Ученики воспринимают теории, но у них ещё сильно конкретное мышление. И найти переход можно, пользуясь приёмами Цингера: «Приблизительное, грубое подобие движения молекул в газе может дать толпящийся в воздухе рой пчёл. Тот же рой, сцепившийся в комок и повисший на сучке дерева, представляет собой грубое подобие капли жидкости. Наконец, представивши себе рой пчёл ещё крепче сцепившихся, ещё реже ползающих, мы получим, пожалуй, подобие твёрдого тела» [2]. Здесь приходит на ум представление броуновского движения посредством движения муравьёв-молекул, данное Р.В.Полем. Поэтому книги Цингера позволяют понять, как нужно вводить физику окружающего нас мира в базовый курс, как делать переход от абстрактных идей к их конкретным образам, как избегать математических сложностей, где это, конечно, возможно.

P.S. Кроме «Начальной физики», Александр Васильевич составил интереснейший задачник по физике, последнее издание которого вышло в 1951 г. Несмотря на прошедшие годы задачник остался во многом непревзойдённым. Особенно интересны так называемые «задачи-диалоги». А.В.Цингер – ещё и автор «Занимательной ботаники» – книги, которую до сих пор спрашивают в букинистических магазинах. Более подробно об этом – в полном варианте статьи (см. сноску на с. 43).

Литература

1. Ноллет. Експериментальная физика: Пер. с фр. И.В. Волынцева: Т.1. – С.-Петербург, 1779 г.; Т. 3, 1781.

2. Цингер А.В. Начальная физика. – М.: ГосИздат, 1924, (репринт УНЦ ДО Москва, 2005).

3. Кашин Н.В. Методика физики: Пособие для преподавателей физики. – М.: ГосИздат, 1922.

4. Цингер А.В. Начальная физика. Первая ступень: Изд. 2-е изд. – М.: Изд-во М.В.Саблина, 1911.

5. Гр-ева Г. Опыт изготовления самодельных приборов. – Журнал «На путях к новой школе», 1927, № 12.

6. Цингер А.В. Начальная физика. Вторая ступень «Механика». – М.–П.: Изд-во т-ва «В.В.Думнов – наслед. бр. Салаевых», 1915.

7. Любимов Н. Начальная физика в объёме гимназического преподавания. Ч. I, Ч. II. – М.: Университетская типография, 1876.

8. Цингер О.А. Колюша – Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский. http://lrb.jinr.ru/Timofeeff/auto/zinger.html.

9. Герцен А.И. К старому товарищу. – М.: АН СССР, Собр. соч. в ХХХ томах. Т. ХХ, кн. 2, 1960.

10. Пуанкаре А. Наука и метод. – С.-Петербург: Изд-во Н.П.Карбасникова, 1910.

___________________________

¹Не нужно думать, что до учебника Краевича в России не было учебников физики для гимназий. Существовал, например, курс Н.А.Любимова – профессора Московского университета, раскритикованный А.Г.Столетовым, курс Малинина, были и другие.

²В 20-е гг., когда разруха в образовании была полной, ученики и учителя по учебникам изготавливали самодельные приборы, т.к. других не было! [5]

³А.Пуанкаре писал, что, когда найдут новые доказательства теории относительности и она восторжествует, «тогда среднее образование подвергнется большому испытанию: некоторые учителя, без сомнения, пожелают расчистить место и для новых теорий. Новости так пленительны, и так тяжело казаться недостаточно передовым! По крайней мере пожелают ввести для детей краткие обзоры и, прежде чем научить их обыкновенной механике, сообщат, что она отжила свой век <...> Хорошо ли сообщать им, что она даёт лишь приблизительные результаты? Да, – но сообщать позже, когда они постигнут саму сущность её, когда они привыкнут мыслить, только опираясь на неё, когда не будет оснований бояться, что они позабудут её: только тогда можно будет без вреда для обучения указать им её пределы. Ведь в обыденной жизни им придётся прилагать только обыкновенную механику. Как бы ни был велик прогресс автомобилизма, наши аппараты не достигнут таких скоростей, при которых она станет неверной. Всё другое роскошь, а о роскоши можно думать лишь тогда, когда она не наносит вреда необходимому» [10]. Можно ли вслед за Пуанкаре сказать, что, только усвоив конкретную физику окружающего нас повседневоного мира, свойства газов, жидкостей и твёрдых тел, имеет смысл говорить об атомарной теории, а изучив геометрическую и волновую оптику, объяснять природу индуцированного лазерного излучения?