Методические страницы

Что означает «понять» в истории физики и при обучении физике?

Примеры при обучении полезнее правил.
И.Ньютон

Хорошо известно, что многим школьникам физика как учебный предмет даётся значительно труднее, чем другие предметы, в которых они также знакомятся с науками о природе, например, биология или география. Главной трудностью является то, что физику трудно понять. В беседах с ребятами часто выясняется, что сама проблема понимания возникла перед ними впервые именно в начале изучения физики: до этого им надо было не столько понимать, сколько запоминать. А память у детей хорошая, поэтому у них обычно и не возникает трудностей с биологией или географией, где требуется главным образом запомнить материал. Чтобы победить «непонятность» школьной физики или хотя бы уменьшить её, мы, учителя физики, методисты и авторы учебных материалов, должны сами разобраться: что означает «понять»? Это, оказывается, непростой вопрос не только в преподавании физики, но и в самой физике как науке. Ответ на него полезно начать искать в истории физики, поскольку каждый человек, как известно, в своём развитии в той или иной мере повторяет развитие человечества.

«Почему?» и «Как?» в истории физики

Объяснение происходящим вокруг явлениям наши далёкие предки искали и в донаучную эпоху. Эти объяснения были необходимы для предсказания явлений, а также помогали составить целостное представление о мире («построить картину мира»). При этом люди искали объяснения не единичным фактам, а подмеченным закономерностям: например, почему происходит смена дня и ночи, времён года, почему сверкает молния и гремит гром. Задаваясь бесчисленными «почему?», люди искали понятные объяснения. А под этим подразумевалось объяснение в рамках уже известного, т.е. под словом «понять» подразумевалось «свести к уже известному». Другими словами, речь шла не о расширении или изменении «картины мира», а о встраивании новых явлений в уже имеющуюся картину мира.

В поисках понятных объяснений природных явлений и рождались прекрасные сказки и мифы о духах и богах: все закономерности в природе объяснялись целенаправленными действиями человекоподобных – и потому «понятных»! – богов (или их капризами – в людских капризах, как люди знали на собственном опыте, также есть свои закономерности). Вопросы «почему?» относительно природных явлений и сегодня ежеминутно возникают у малышей, причём в раннем возрасте (до школы) им предлагают в сказках такое же мифологическое объяснение причин природных явлений, какое давали и древние.

Мы, преподаватели физики, радуемся, когда желание задавать вопросы «почему?» сохраняется у наших учеников, когда они перерастают дошкольный возраст: ведь это означает, что ученик хочет понять, а это так замечательно! И мы думаем: как хорошо, что эти вопросы возникают у школьников чаще именно при изучении физики. Однако именно здесь-то школьника и подстерегает та опасность, из-за которой физика становится трудной и непонятной. Как мы уже отмечали, вопрос «почему?» предполагает объяснение в рамках уже известного, и это делает его опасным не только для школьников, но и для учёных (даже великих!), тормозя порой развитие науки.

Вспомним, что именно вопросом «почему?» задавался Аристотель, объясняя, например, падение тел тем, что все тела стремятся к центру Вселенной (по тогдашним представлениям – к центру Земли). При таком объяснении телам приписывалась человекоподобная (и потому «понятная») способность к целенаправленным действиям. Попытки дать понятные объяснения всему новому не оставляли учёных вплоть до начала ХХ в.: Максвелл пытался объяснять свои уравнения с помощью «понятных» шестерёнок, заполняющих всё пространство «понятного» упругого эфира (учёным были уже знакомы упругие свойства тел, в частности, волны в таких телах). Фарадей, создатель концепции поля, был убеждён, что силовые линии электрического или магнитного полей – это «понятные» реальные упругие струны. Не избежал искушения дать понятное объяснение и великий Ньютон: заверяя в том, что «гипотез не измышляет», он в то же время настойчиво предлагал «понятную» корпускулярную гипотезу света, представляя свет как механический поток частиц-корпускул. Как известно, это затормозило развитие оптики почти на два века.

Дж.-Дж.Томсон, один из крупнейших физиков конца XIX–начала XX вв., признавал, что «понять» в представлении физиков того времени означало «по­строить механическую модель», ибо классическая механика казалась тогда физикам абсолютно понятной. Прекрасной иллюстрацией слов Томсона служит планетарная модель атома.

Итак, история науки показывает, что попытки «понятных» объяснений новых явлений далеко не всегда вели к проникновению в суть вещей. Видимо, первым учёным, который решительно перешёл от вопроса «почему?» к вопросу «как?», был Галилей, и с этого, как считают, началось научное изучение природы. Вместо бесплодных поисков ответа на вопрос «почему тела падают?» он начал изучать, как они падают. И на опыте установил количественные закономерности: то, что падающие тела при малом сопротивлении воздуха движутся равноускоренно, а также то, что ускорение для всех тел одинаково. Потом Ньютон использовал эти закономерности, чтобы установить более общую количественную закономерность: сила тяжести пропорциональна массе. Это был важный шаг на пути к открытию количественного закона всемирного тяготения. Ньютон, к счастью, отказался от попыток ответить на вопрос «почему тела притягиваются?». Вместо этого он тщательно изучал, как они притягиваются и каковы количественные следствия открытого им закона тяготения: тщательно рассчитал движение планет, установил причины и закономерности приливов и отливов.

Особенно ярко проявилась плодотворность перехода от вопросов «почему?» к вопросам «как?» в физике ХХ в.: вся история квантовой механики – это торжество «как?» над «почему?». На заре создания квантовой механики юный Гейзенберг спросил у более старшего, но ещё молодого Бора: «Как мы можем надеяться понять атомные явления, если они столь несхожи со всем тем, к чему мы привыкли в сфере непосредственного опыта?» Бор, подумав, ответил: «Для этого нам сначала придётся хорошенько разобраться в том, что означает “понять”».

Решением поставленной Бором проблемы могут служить известные слова Фейнмана: «Понять – это привыкнуть и научиться пользоваться». Эти слова – призыв к переходу от «почему?» к «как?». Поначалу они могут показаться отказом от «истинного» понимания, но чем лучше мы знакомимся с историей физики, тем глубже понимаем мудрость слов Фейнмана. Их подтверждают и слова Ландау, который с гордостью говорил: «Мы можем изучать то, что невозможно представить».

Неудачи попыток «понятных объяснений» говорят о том, что пословицы «Всё новое – это хорошо забытое старое» и «Ничто не ново под Луной» не всегда справедливы. Крупное открытие как раз и состоит в том, что учёные открывают закономерности и свойства, аналогов которым в нашем предыдущем опыте нет. Потому-то так трудно и пробивает себе дорогу всё истинно новое: и учёным, и «простым людям» очень и очень трудно изменить картину мира, в которую входят уже сложившиеся стереотипы мышления, ибо стереотипность мышления – это не только «консервативный» недостаток, но и положительное качество, обуславливающее высокую эффективность мышления – благодаря стереотипности мы мыслим не отдельными силлогизмами или ассоциациями, а большими смысловыми и понятийными блоками.

Стереотипность мышления оказывает огромную помощь в подавляющем большинстве случаев, но не всегда! При встрече с истинно новым она является тормозом. И тогда нового «не понимают» – в том смысле, что не могут свести к уже известному, – даже великие учёные, открывшие это новое! Один из самых ярких примеров: создатели квантовой механики Планк, де Бройль, Шрёдингер и Эйнштейн до конца своей жизни так и не приняли вероятностную интерпретацию квантовой механики в том смысле, что они не отказались от попыток свести её к уже известному им «детерминированному» миру.

Только постепенно, привыкая к новым закономерностям и свойствам, учась ими пользоваться, т.е. тренируя на них свою интуицию, учёные овладевают истинно новым. При этом они не встраивают новое в уже сложившуюся картину мира, а расширяют и изменяют свою картину мира, подобно тому, как в своё время расширила представление о Вселенной гелиоцентрическая система мира.

Означает ли сказанное выше, что вопросу «почему?» нет места в науке? Нет, конечно. Сегодня, как и раньше, учёный начинает попытку объяснения того или иного явления, пытаясь свести его к уже известному. Большей частью это удаётся. И только тогда, когда такие многократные попытки оказываются неудачными, учёный, преодолевая сильное внутреннее сопротивление, постулирует в терминах старых понятий угаданные им, но ещё не понятные для него новые соотношения (примеры: формула Планка для квантования излучения, планетарная модель атома, постулаты Бора, преобразования Лоренца). Таким способом учёный предлагает возможный ответ на вопрос «как?», признаваясь при этом, что он сам не знает, «почему». Некоторое время новые соотношения, выраженные через старые понятия, остаются «рабочими гипотезами», но потом вокруг них строится новая теория, оперирующая уже новыми понятиями. Именно так из рождённых поневоле «гадких утят» – формулы Планка, постулатов Бора и преобразований Лоренца – выросли «прекрасные лебеди» – квантовая механика и теория относительности.

Итак, «понять» новое не удавалось порой даже творцам науки, если под этим словом иметь в виду сведение к уже известному. А вот «понять» в смысле «привыкнуть и научиться пользоваться» успешно удавалось тысячам физиков. Это, возможно, поможет нам понять правильное (в смысле плодотворное!) значение слова «понять» в школьном курсе.

«Почему?» и «как?» при обучении физике

Толковая 8-классница, изучив параграф, посвящённый отражению света, говорит, что она не всё поняла.

– Чего же ты не поняла?

– Я не понимаю, почему угол отражения равен углу падения.

Вот как может быть опасен вопрос «почему?» для школьника: ведь в данном случае (как и во многих других) дать понятный ответ просто невозможно! Обхожу «опасное место» и спрашиваю:

– А само утверждение тебе понятно – то, что угол отражения равен углу падения?

– Конечно! Что же тут непонятного?

И мы переходим к интересным задачам, порой с неожиданным ответом, в которых используется закон отражения света. И глаза школьницы загораются интересом: она научилась использовать этот закон, и в этом смысле она его поняла.

Как мы видим, тут мы снова встречаемся с двумя «типами» понимания: 1) понимание смысла некоторого утверждения (например, физического закона), т.е. «как?»; 2) понимание обоснованности этого утверждения, т.е. «почему?».

Нам кажется, что при обучении физике, так же как и в самой науке, следует отдать приоритет первому типу понимания, т.е. отдать предпочтение «как» перед «почему». Для школьников, впервые знакомящихся с физическими явлениями, главная и наиболее трудная задача – именно расширение и изменение картины мира. Им трудно, а часто и невозможно встраивать новые явления в уже имеющуюся в их головах картину мира, поскольку отличительная особенность физики от других наук состоит в том, что физика с самого начала (т.е. с Галилея) ушла далеко от сферы непосредственного опыта. Значит, ребятам при изучении физики надо развивать свою интуицию, привыкая к новым понятиям и соотношениям и учась пользоваться ими. Так и начинается понимание. А конца ему нет: понимание – это, вообще говоря, это бесконечный процесс.

Сказанное относится не только к физике ХХ в. (теории относительности и квантовой физике), это в полной мере относится уже к первому закону механики, открытому Галилеем, – закону инерции. Действительно, этот закон явно противоречит непосредственному опыту (ведь ничто на Земле не движется сколь угодно долго «само по себе»), и поэтому он труден для понимания. Надо рассмотреть и решить достаточное число (качественных) задач на закон инерции, чтобы ребята «поверили в него» и впустили его в свою картину мира. То же относится и к другим законам физики, ведь то, что было очевидным, и открывать не надо было: гений учёного состоял именно в том, что он обнаружил неочевидную закономерность! И именно в её неочевидности вся трудность.

Не очевидны, т.е. не соответствуют непосредственному опыту, ни второй, ни третий законы Ньютона, ни законы сохранения в механике. Да и вообще многие демонстрации физических явлений воспринимаются как фокусы, а искусный и артистичный преподаватель старается даже усилить необычность проявления законов природы «в чистом виде»!

Всё это наводит на мысль, что при изучении физики надо максимально переключать внимание ребят с вопросов «почему?» на вопросы «как?». А управление вниманием слушателя или читателя – это вопрос искусства и умения лектора или автора. Например, автор детективного рассказа или фильма намеренно провоцирует вопросы «почему?» у читателя или зрителя, и порой весьма жгучие! Нам же, учителям и авторам учебных материалов, надо быть очень осторожными с вопросами «почему?» и не провоцировать их там, где понятных для школьников ответов нет. Именно эти возникшие у школьника вопросы, ответы на которые слишком сложны, и есть одна из причин «непонятности» физики.

Школьный же курс физики наполнен провокациями на тему «почему?». Они порождены иногда самим стилем изложения. Во-первых, тексты в школьных учебниках физики в отличие от учебников биологии и географии изобилуют логическими связками «поэтому», «потому что», «отсюда следует», «так как» и т.п. Далеко не всегда эти связки облегчают понимание текста: читателю порой труднее понять, откуда следует очередное «поэтому», чем сами факты и закономерности. Опыт показывает, что успешное освоение физики, в том числе решение задач, часто не требует логического обоснования используемых формул, а требует понимания того, какую физическую величину обозначает тот или иной символ и что означает математическая связь между величинами. Во-вторых, из-за обилия логических связок школьнику не всегда понятно: очередной факт просто сообщается или он логически следует из ранее изложенного. Это также психологически сильно затрудняет понимание текста. Сказанное не означает, что мы отказывается возбуждать у ребят интерес к физике! Наоборот, как хорошо известно учителям, физика становится интересной ребятам тогда и только тогда, когда у них получается решать задачи.

Не надо требовать от школьника сразу «понимания», вполне достаточно, если он на первых порах воспримет без особого обоснования основные факты и основные соотношения и научится их применять. Ведь достаточный объём фактов и умение оперировать ими – первая и необходимая предпосылка к возникновению потребности в их упорядочении, т.е. в нахождении или понимании закономерностей. Любая наука начиналась со сбора огромного фактического материала. Открытию закона тяготения, выраженного простой формулой, предшествовал сбор колоссальной информации Тихо Браге о движении планет и кропотливый анализ этой информации Кеплером, который увидел первые закономерности в наблюдаемых фактах (законы Кеплера), и только потом из них вырос совсем «простенький» закон тяготения Ньютона, который «одним махом» объяснил всё.

То же самое происходит и при изучении физики. Не стоит бояться накопления фактов без осознанных логических связей в голове ученика, тем более, что у школьников замечательная память. Да и в курсе физики фактического материала намного меньше, чем в тех же самых курсах биологии или географии, ведь школьники изучают эти предметы без особых трудностей. Понимание не приходит сразу. Запомнив основные факты и формулы, решая с их помощью задачи, ученик постепенно начинает чувствовать и понимать связи между ними. Не только у школьников, даже у учёных, как мы видели, понимание порой приходит не сразу!

Вывод может быть таков. Как и в истории физики, чрезмерное увлечение вопросами «почему?» при обучении физике не всегда ведёт к пониманию. Отдадим и тут приоритет вопросам «как?»: школьник научится отвечать на эти вопросы, и, привыкнув к применению законов физики, начнёт постепенно понимать их. Может быть, тогда физика перестанет быть для ребят такой непонятной?

В конце статьи признаемся: мы намеренно представили размышления на тему понимания в заострённо-полемическом виде в надежде, что эта статья спровоцирует плодотворную дискуссию в нашей газете по этому очень важному (может быть, ключевому) вопросу методики преподавания физики в школе.