|
МОУ "Мало-Каменская СОШ"
Большесолдатского р-на Курской области |
|
Курский институт повышения квалификации и переподготовки работников образования. Кафедра естественно-математического образования Метод модельных гипотез в обучении физике
Учитель физики М-Каменской средней общеобразовательной школы Большесолдатского района Курской области Руководитель: Бабин С.П. Методист факультета. Учитель Курского ИПК и ПРО Курск – 2003 План
Современный этап развития и совершенствования школьного физического образования в Российской Федерации характеризуется усилением роли методологических знаний в содержании образования и обучения предмету. Поэтому с методической точки зрения необходимо перенести акцент с заучивания и запоминания материала на приобретение опыта деятельности, т.е. способностей к наблюдению явлений и их анализу, к пониманию и формулировке проблем, получению выводов и умозаключений. Таким образом. меняется сама идеология физического образования: философской основой физического образования должен служить современный метод научного познания. Не лишними можно считать слова академика Г.С. Лансберга: «Преподавать надо именно физическую науку, а не комплекс фактов и знаний». Именно с этой целью в школьном курсе физики введены новые для нашей школы разделы:
Суть научного метода познания состоит в модельном отражении действительности: физика есть внутренняя единая система моделей. Научная информация имеет определенную структуру, обусловленную именно научным методом познания. В основе научных знаний лежат опытные факты и эмпирические законы. Установленные на основе наблюдений и экспериментов. Научные факты и законы воспроизводимы и подлежат проверке, они описываются языком общепринятых физических понятий и величин. Обобщение и систематизация фактов дает основание для выдвижения обоснованного предположения – гипотезы о причинной связи явлений. На ее основе выдвигается образное упрощение – модель. Модели могут быть выражены в математической, описательной или материальной формах. Для введенных моделей задается система физических величин и выводятся теоретические законы. На основе законов и моделей получают теоретические следствия, позволяющие сделать обоснованный прогноз. Следствия проводятся экспериментально. Система экспериментальных фактов. Понятий, моделей и законов с вытекающими из них следствиями составляют физическую теорию. Всякая теория имеет область и границ их применимости. Открытие новых фактов, которые не укладываются в теорию, являются началом нового цикла научного познания. Предпосылкой создания новой теории. Объектом изучения в курсе физики должны быть эксперименты как метод познания. Учащиеся должны понимать, что в основе научного познания лежит моделирование реальных объектов и процессов, что модель не тождественна реальному объекту, а отражает лишь его важнейшие особенности. Обучение физики в школе должно обеспечить возможность:
Методологические знания в курсе физики – это обобщенные знания о методах и структуре физической науки, основных закономерностях ее функционирования и развития. Эти знания не являются внешними, в основы физики, дополнительными к предметным, в традиционном смысле слова, знаниями, наоборот, они внутренне присущи современному курсу физики. С точки зрения основных задач совершенствования обучения методологические знания и умения должны: - служить сознательному усвоению физических знаний, углубленному пониманию сути изучаемых явлений и закономерностей; - способствовать выработке правильного научного мировоззрения; - раскрыть характер и диалектику научного познания, вооружить учащихся общенаучными методами познания; - способствовать преодолению узкопрактического понимания физики как науки, показывая последнюю как один из аспектов общечеловеческой культуры и основу современной техники; - содействовать развитию любознательности, интереса к овладению знаниями, творческих способностей и физического мышления, интеллектуальных умений. 2. Методы научного познания. Метод – компонент науки, который связан с действиями исследователя, его планами решения той или иной познавательной задачи. К методам, используемым в научном познании относятся две основные группы: методы построения эмпирического знания (наблюдение, измерение, эксперимент) и методы построения теоретического знания (идеализация, аналогия, моделирование, мысленный эксперимент и т.д.) Наблюдение и эксперимент – основные методы эмпирического познания. Наблюдение – это целенаправленное восприятие явлений окружающей действительности, в ходе которого получают знания о внешних сторонах, свойствах и отношениях изучаемых объектов. Под экспериментом понимают такую практически-познавательную деятельность человека, когда последний активно вмешивается в протекание изучаемого процесса. Именно эксперимент играет решающую роль в физических исследованиях: во-первых, он является источником новых знаний о фактах, которые затем систематизируются и обобщаются в законах и теориях; во-вторых, только эксперимент служит надежным критерием истинности любой теоретической гипотезы; в-третьих, через эксперимент осуществляется связь физических знаний с техникой, производством и бытом. В то же время экспериментальные факты не объединенные в теорию, способную объяснить эти факты и предсказать новые, не имеют большой познавательной ценности. Под «теорией» будем понимать высший уровень познавательной деятельности человека, на котором выявляются наиболее существенные свойства и закономерности изучаемых явлений. Теоретическое познание школьника включает как уровень овладения отдельными методами, таки уровень усвоения целостной физической теории. Первый уровень теоретического познания должен широко использоваться на всем протяжении обучения физике. Второй уровень теоретического познания реализуется целостным изучением основных физических теорий. Такое изучение должно отражать логику научного познания, выраженную в том, что основные этапы научного познания могут быть представлены в виде логической схемы:
Усвоение этой общей методологической схемы научного познания может быть достигнуто при цельном изучении таких теорий, как классическая механика Галилея – Ньютона и в частности теория всемирного тяготения, МКТ идеального газа, теория электромагнитного поля, специальная теория относительности, атомная теория Бора.
Моделирование является одним из самых широко применяемых методов познания действительности. Моделирование – это материальное или мысленное создание искусственных систем. Которые воссоздают определенные свойства изучаемых объектов. Эти искусственные системы являются моделями. Можно придерживаться такого определения: модель – это система заменяющая в процессе познания объект и дающая в результате ее исследования информацию о самом объекте. Модели бывают материальные и идеальные. К материальным моделям относятся модели, созданные из элементов той же физической природы, что и объект (модель самолета) или из элементов другой физической природы (модель броуновского движения, модели продольной и поперечной волн). Идеальное моделирование широко распространено в теоретических науках. Идеальные модели, как и материальные, объективны по своему содержанию, поскольку их выбор не произволен, а диктуются свойствами и структурой моделируемого объекта и постановленной познавательной задачей. Идеальные модели могут содержать и такие компоненты, которыми ничего не соответствует в действительности. Например, магнитное поле можно представить только через силовые линии, хотя их в действительности не существует как физических сущностей. Однако, это не означает, что картина силовых линий не отражает никакой закономерности. Метод моделирования обладает принципиальной ограниченностью. Так как модель воспроизводит не все, а лишь некоторые свойства оригинала, то не всякий вопрос может быть выяснен с помощью модели. Из таких ситуаций есть только один выход – переход к новым моделям изучаемого объекта. Это обстоятельство требует одновременно с вводом модели установить и точные границы ее применимости. Никакое явление не может быть полностью объяснено какой-нибудь одной моделью. Часто бывает так, что одну и ту же задачу можно решить на разных моделях одного и того же явления. Это легко понять на примере. Допустим, что мы изучаем физическое явление А. для изучения мы создали две его модели ± и І. Пусть модель ± воспроизводит его свойства n , m , l , o , p , а модель І – свойства n , m , l , s . Предположим, что по отношению к физическому явлению А мы ставим такую задачу, для решения которой необходимо знать свойства n , m , l . тогда эту задачу можно решить и на модели ±, и на модели І, т.к. и та и другая модель воспроизводят нужные для решения свойства объекта. Самостоятельно моделировать физические явления и процессы школьники учатся в процессе решения задач, когда при анализе условия они должны выделить в конкретной ситуации ту модель, к которой далее может быть применен физический закон. Например, прежде чем использовать закон Менделеева-Клапейрона при решении задачи, школьники должны обосновать возможность замены реального газа идеальным (т.е. подтвердить условие не слишком высокого давления и не слишком низких температур). Решая задачи по электростатике и рассчитывая силу взаимодействия электрических зарядов учащиеся должны убедиться в том, что ситуация, описываемая в условии, позволяет реальные заряды считать точечными, как того требует закон Кулона. При использовании в учебном процессе метода моделирования важно учитывать специфику различных этапов моделирования, которые в процессе обучения выступают в тесной связи друг с другом. Первый этап – создание модели. Он связан с поиском подходящих абстрактных объектов, которые могут заменить изучаемый фрагмент реальной действительности. Второй этап характеризуется мысленным экспериментированием с моделью. Познавательный процесс на втором этапе работы с моделью во многом сходен с процессом исследования свойств реального объекта в лабораторном эксперименте. Этот этап открывает перед учащимися достаточно широкие возможности для творческой деятельности. Третий этап моделирования связан с проверкой адекватности построенной модели объективной реальности и с выяснением границ ее применимости. Этот этап требует достаточно высокой квалификации, и ученики могут справиться с ним самостоятельно лишь в редких случаях. В процессе обучения эти этапы могут следовать не всегда в одной и той же последовательности. Нельзя не обратить внимание также и на то, что этапу построения модели всегда должен предшествовать этап предварительного знакомства с изучаемым явлением. Этот этап в методическом отношении должен строиться таким образом, чтобы необходимость перехода от явления к его идеализированной модели стала для учащихся понятным и оправданным шагом. У них должно сложиться отчетливое представление о том, какие именно черты изучаемого явления сохраняются в модели как существенные и какими аспектами оригинала мы в модели пренебрегаем, считая их второстепенными. При этом, важно, чтобы учащиеся понимали, с одной стороны, объективность такого подхода, а с другой его известную условность, относительность. То, что в начале процесса идеализации рассматривается как несущественный фактор, может впоследствии превратиться в существенный и решающий момент для понимания характера связи изучаемого явления с другими физическими процессами. Учащихся следует постепенно подводить к пониманию того факта, что идеальную модель, с помощью которой они осуществляют мысленное экспериментирование, представляет собой орудие познавательной деятельности, средство исследования реальных явлений природы. Так, при объяснении нового материала, особенное если оно сопровождается демонстрацией материальной модели, идеальная модель и мысленное экспериментирование с ней дают возможность представить себе предполагаемую картину изученного явления. Однако использование модельных представлений требует большой осторожности. Необходимо систематически указывать учащимся, что идеальная модель явления, процесса является всегда приближенной и отражает лишь определенные стороны реальной картины того или иного фрагмента объективной действительности. При каждом удобном случае следует проверять правильность образовавшихся у учащихся представлений и вносить необходимые коррективы.
В преподавании определенных разделов курса физики целесообразно использовать несколько моделей представлений одновременно. Это позволяет глубже познакомить учащихся с процессами физического познания мира, показать, как можно выбрать модель для объяснения того или иного явления, если существует несколько модельных представлений. Пример такого подхода – цикл занятий, посвященных строению атома.
На основании наблюдений за такими явлениями, как диффузия, испарение, растворение и т.д., Демокрит в V веке до н.э. предположил, что все тела состоят из атомов. Атом, по Демокриту, - мельчайшая идеальная частица вещества – маленький твердый шарик, невидимый для глаз. Физики XIX века подтвердили гипотезу Демокрита при изучении таких явлений. Как броуновское движение и поведение газов. Более того, изучая эти явления, удалось рассчитать такие параметры атомов, как их масса, размеры, средняя скорость движения. Расчеты дали следующий результат для расчета диаметра атома: d H10 -10 м. эта оценка размеров атома прекрасно подтверждается как в различных косвенных экспериментах, так и в прямых наблюдениях с помощью электронного микроскопа. Следовательно, мы можем считать наши модельные представления верными для широкого круга явлений. Проблемы в этой модели возникли в конце XIX века. После открытия электрона. На основании классической электродинамики была дана оценка размеров электрона H10 -15 м, т.е. по своим размерам электрон оказался «сидячим» внутри атома. Кроме того, раз в атоме есть что-то отрицательное, то должно быть что-то положительное, т.к. он в целом электрически нейтрален. Следовательно, атом имеет определенную структуру и не является неделимым, а значит, модель Демокрита не может быть использована при объяснении явлений, связанных с электрическими зарядами.
Атомы – это сфера. По которой равномерно «размазан» положительный заряд, в который включены отрицательные электроны («пудинг с изюмом»). В ряде экспериментов атом, по Томсону, ведет себя как единое целое, т.е. справедливость объяснения явлений, данное на основе предыдущей модели. Кроме того, электрон может совершать гармонические колебания в объеме атома и при определенных условиях вылететь из атома, стать свободным, а атом превращается в положительно заряженный ион. Следовательно, модель Томсона объясняет ряд электрических явлений. В результате экспериментов было получено значение радиуса атома для водорода: R H310 -10 м. таким образом, модель Томсона позволила:
Проблема возникла в 1911 году, когда Резерфорд поставил эксперимент по бомбардировке атомов золота ±-частицами. Он получил результаты, которые противоречили результатам, полученным в модели Томсона.
Это планетарная модель атома. По Резерфорду, атом похож на Солнечную систему, где в центре находится положительно заряженное ядро, а вокруг него по круговым орбитам движутся электроны, причем размер атома – это размер электронной орбиты, а основная часть объема – пустота. Планитарная модель позволила хорошо описать все явления, объясненные предыдущими моделями, объясняет опыт резерфорда, дать оценку размеров атома, хорошо согласующуюся с ранее полученными. Проблемы возникли сразу же после создания этой модели. Если электрон движется по окружности, то это движение является ускоренным и следовательно, электрон излучает электромагнитную энергию, теряя при этом кинетическую энергию. В конечном счете ООН должен упасть на ядро. Расчет времени жизни атома, проведенный с помощью уравнений Максвелла, дает T H10 -10 с. Но из опыта известно, что, во-первых, далеко не все атомы излучают, а во-вторых, абсолютное большинство атомов живет гораздо дольше.
Эта модель резерфорда дополненная в 1913 двумя постулатами.
H = E 2 – E 1
Модель Бора-Земмерфельда позволила: а) все подтвердить, что объясняли предыдущие модели, б) разрешить трудности модели Резерфорда, в) объяснить расположение всех спектральных линий в спектре излучения атомов водорода; Недостатки модели Бора: А) появление постулатов совершенно необъяснимо; Б) причины квантования не раскрыты; В) строение сложных атомов не объяснено. 5. Модель де Бройля Луи де Бройль в 1923 году предположил, что электрон ведет себя в атоме не как частица, а как круговая стоячая волна. Гипотеза де Бройля позволяет объяснить квантование орбит энергетических состояний в модели Бора, но при этом приходится считать, что электрон в атоме – не частица, а стоячая волна. Эта модель также не дала возможности объяснить структуру сложных атомов. 6.Модель Шредингера. В 1925 году Э. Шредингер соединил представления об электроне – частице с волновой гипотезой де Бройля. Он рассматривал волновую функцию F ( r , t ), которая описывает состояние электрона в атоме F ( r , t ) 2, - вероятность обнаружения электрона в малом объеме dV вокруг точки с координатами ( x , y , z ) в момент времени t . по Шредингеру, атом – ядро, окруженное облаками, в котором находятся электроны. 7. Квантовая электродинамика. Квантовая электродинамика – наиболее точная модель, описывающая все известные явления электромагнитного воздействия. С ее появлением история развития строения атома завершена, т.к. сейчас есть возможность теоретически рассчитать с большей точностью любые эффекты в атомной физике. Но все таки остаются вопросы относительно строения ядра – центральной части атома. Здесь нужна другая теория, описывающая взаимодействие протонов и нейтронов внутри ядра. Таким образом, последовательное рассмотрение ряда моделей строения атома позволяет сделать следующие выводы:
Познавательное значение моделей заключается в том, что они позволяют создавать стройные теории, ведущие к определенным количественным предсказаниям. Вот что пишет академик А.Ф. Иоффее о сущности физической модели и ее роди в познании явлений: « Нельзя отрицать пользы моделей при изучении физических явлений. Удачно построенная модель упрощает выводы из известных фактов и позволяет ставить новые опыты, ведущие науку вперед. Однако физическая модель – вовсе не точный образ явления, а упрощенная схематическая картина, основанная на аналогии. Хорошо, если сходство охватывает достаточно большую и существенную для данного явления группу свойств. Подобранная по этим признакам физические модели позволяют перенести хорошо знакомые нам закономерности процессов внутри модели на новую, еще не достаточно изученную область явлений. В тех пределах, в которых аналогия действительно имеет место, удачная физическая модель позволяет предсказывать результаты опытов, искать новые проявления изучаемых процессов и на их основе уточнять модель. Часто модель служит путеводной нитью научного исследования, но в большей степени она – только попутчик до одного из поворотов, где пути изучаемого явления и его модели расходятся. Литература
ПРИЛОЖЕНИЕ Тема урока: Идеальный газ в монлекулярно-кинетической теории. Задачи урока: обосновать необходимость введения понятия «идеальный газ», подчеркнуть модельных характер этого понятия, выяснить причину существования давления на стенки сосуда, закрепить полученные знания. План урока.
Ход урока. Актуализация ранее полученных знаний происходит с помощью физического диктанта. Вопросы:
III .Изучение нового материала происходит в форме беседы с учащимися.
На основе МКТ легко объяснить основные свойства вещества, но установить зависимость между основными параметрами (давлением, объемом, температурой и т.д.) в реальном газе весьма сложно, т.к. при этом приходится учитывать не только движение молекул, но и их взаимодействие. Поэтому мы ограничиваемся знакомством с теорией достаточно разреженных газов.
После введения понятия идеального газа учитель подчеркивает, что идеальный газ – физическая модель реального газа. В физической модели принимают во внимание лишь те свойства реальной системы, учет которых необходим для объяснения исследуемых закономерностей поведения этой системы. Ни одна модель не может передать все свойства системы. Сейчас мы должны решить достаточно узкую задачу: выяснить с помощью МКТ давление газа на стенки сосуда. Созданная нами модель позволяет это сделать. Она приводит к результатам, которые подтверждаются опытом. ТО реальные разряженные газы ведут себя подобно идеальному газу. Применить модель идеального газа при решении задач можно только при условии не слишком высоких давлений и не слишком высоких температур. При высоких давлениях молекулы газа настолько сближаются, что пренебрегать их собственными размерами нельзя. При понижении температуры кинетическая энергия молекул уменьшается и становится сравнимой с их потенциальной энергией.
Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев стр. 18 самостоятельная работа с учебником. Вывод: давление газа на стенки сосуда обусловлено ударами молекул на стенки этого сосуда.
Фронтальный опрос по плану:
|
||
| [ Главная ] [ Учебный процесс ] [ Внеклассная работа ] [ События ] [ Фотоальбом ] [ Написать письмо ] |