В. В. Кудрявцев

кандидат педагогических наук, ведущий редактор редакции физики и математики ИД "Вентана-Граф"

E-mail: basilio_84@mail.ru; тел.: +7-916-704-80-84

В. А. Ильин

доктор педагогических наук, профессор Московского педагогического государственного университета, академик Международной академии наук педагогического образования

Тел.: 8-916-132-33-52

Г. Ф. Михайлишина

кандидат педагогических наук, докторант Московского педагогического государственного университета

E-mail: gfm141@gmail.ru; тел.: +7-916-559-71-10

В статье на примере радиофизики рассмотрены характерные особенности современной физики, ее научный, технический и гуманитарный (общекультурный) аспекты. Данные аспекты образуют систему методологических знаний при изучении радиофизики в профильной школе и лежат в основе конструирования элективных курсов по современной физике. Обсуждается методическая система изучения элективного курса радиофизики с использованием исторического подхода и мультимедийных технологий.

Ключевые слова: радиофизика, современная физика, система методологических знаний, профильная школа, конструирование элективных курсов по современной физике, мультимедийные технологии.

На сегодняшнем этапе развития науки мы являемся свидетелями радикальных изменений в основаниях физики, связанных с вовлечением в круг исследований качественно новых объектов. Эти изменения можно охарактеризовать как предтечи очередной научно-технической революции, в ходе которой рождается новая, постнеклассическая (современная) физика. Современная физика включает те явления и законы, которые относятся к современному этапу ее развития, те центральные проблемы, над которыми работает в настоящее время физическая мысль [1]. Необходимость изучения вопросов современной физики в школе обусловлена целями современного образования, когда задача развития личности учащегося становится приоритетной среди всех остальных задач обучения, а также содержанием современного школьного образования, которое сегодня уже немыслимо без элементов, отражающих суть и дух науки XX-XXI вв. [2; 3].

Рассмотрим характерные особенности современной физики на примере радиофизики, которая является одним из ведущих направлений современной фундаментальной науки. Начнем с междисциплинарности научных исследований, которая является следствием единства физического мира и предполагает существование взаимосвязи, преемственности, взаимопревращаемости различных объектов, изучаемых в естественных науках. В современной радиофизике междисциплинарность проявляется весьма активно. В качестве примера можно при-

вести томографию, которую одновременно можно считать ведущим разделом современной радиофизики, одним из основных методов неинвазивной диагностики и отдельным направлением в области получения и обработки информации. В настоящее время томографические методы применяют в радиолокации и оптике, в медицине и физиологии, в химии и диагностике плазмы, в астрономии и исследовании атмосферы и т. д.

Радиофизика играет ведущую роль в разработке и совершенствовании методологии современного физического эксперимента. Анализ этого вопроса свидетельствует об универсальности радиофизических методов - возможности их применения в различных областях науки и техники. В этом отношении радиофизика представляет собой многоликую научную дисциплину, которая сама развивает собственные методы и "экспортирует" их в другие области знаний.

Широкое применение методов вычислительной математики в научных исследованиях кардинально изменило получение и обработку их результатов. Развитие современной физики происходит в условиях, когда человечество вступает в информационное (постиндустриальное) общество [4]. Это означает, в частности, что компьютерные технологии становятся неотъемлемой частью любых физических исследований. Важно отметить, что именно радиофизика позволила создать компьютерные технологии, без которых информационное общество не могло бы возникнуть.

Приведем пример. Во второй половине XX в. началось бурное развитие интерференционной спектроскопии с использованием метода Фурье. Его широкое распространение обусловлено развитием вычислительной техники, поскольку компьютер является необходимым элементом современного фурье-спектрометра. В настоящее время методы фурье-спектроскопии получили широкое распространение в различных областях науки и техники.

Экспериментальная база современной физики существенно усложнилась. Выдающиеся успехи физики получены с помощью сложных инженерных устройств, действие которых основано на недавно открытых физических явлениях, не в последнюю очередь радиофизических.

Рассмотрим несколько примеров из разных областей радиофизики. Применение методов лазерного охлаждения атомов позволило глубже понять взаимодействие лазерного излучения с веществом и квантово-механическое поведение газов при сверхнизких температурах. Развитие техники фазированной антенной решетки (ФАР) стало серьезным стимулом решения проблем СВЧ-микроэлектроники как основы микроминиатюризации СВЧ-компонентов и обеспечения их массового производства. В состав ФАР может входить до 10 000 элементов, каждый из которых представляет собой законченное достаточно сложное устройство. Только освоение производственных приемов микроэлектроники смогло технически и экономически обеспечить приемлемую стоимость больших ФАР.

Индустриализация современных физических исследований приобретает в настоящее время космическое ускорение. Фактически сейчас в макро-, микро- и мегафизике наиболее значимые результаты исследований удается получить только с помощью сложнейших индустриальных установок (ускорителей, радиотелескопов, низкотемпературных устройств, космических станций и т. п.), в которых всегда присутствует весомая радиофизическая составляющая. В качестве примеров можно привести ряд уникальных радиофизических установок: спутник "СОВЕ", радиотелескоп в Аресибо, система апертурного синтеза VLA, ЭПР- и ЯМР-спектрометры и др.

Международная научная кооперация проявляется в том, что в настоящее время практически все крупные научные проекты строятся при финансовой поддержке нескольких государств. Так, в России предложен и находится в стадии разработки международный проект "Радиоастрон". В нем предусматривается запуск 10-метрового космического радиотелескопа на эллиптическую орбиту с периодом около 9,5 суток и максимальным удалением от Земли 350 тыс. км. В этом глобальном проекте участвуют радиоастрономические обсерватории США, Канады,

европейских государств, Китая, Индии и Австралии.

Осознание единства и взаимосвязи всех элементов глобального мирового процесса, характерное для современной науки, ведет к коренной перестройке стиля научного мышления, отказу от господствовавшего в XX в. дуального видения мира и возвращению к синкретической системе мышления [5]. Накопление к настоящему времени значительного числа эмпирических и теоретических результатов, обострение проблем и противоречий в современных научных теориях и концепциях вынуждают выдвигать на передний план развитие фундаментальных исследований, приближающих новую научную революцию. Это видно, в частности, по кардинальному изменению стиля научного мышления, пониманию самих научных проблем. Здесь уместно привести мысль выдающегося физика-теоретика XX в. В. Л. Гинзбурга: "Физика так разрослась и дифференцировалась, что за деревьями трудно разглядеть лес, трудно охватить мысленным взором картину современной физики как целого. Между тем такая картина существует и, несмотря на все ответвления, у физики имеется стержень. Таким стержнем являются фундаментальные понятия и законы, сформулированные в теоретической физике" [6]. Конечно, в исследовательской деятельности невозможно руководствоваться только установкой на поиск фундаментальных структур и элементов целого и отбрасывать альтернативную ей установку на поиск интегральных характеристик физического мира. Эти установки дополнительны (в контексте воззрений Н. Бора), и обе они необходимы для адекватного описания природы [7].

В свою очередь, современное общество все больше осознает необходимость формирования у каждого человека целостного миропонимания и научного мировоззрения, которые бы соответствовали последним достижениям фундаментальной науки. Науки о природе не только обеспечивают обновление технологий, но и развивают менталитет людей, в частности, формируют научный стиль мышления, дефицит которого ощущается в сегодняшнем обществе. Формирование научного стиля мышления обеспечивается глубоким пониманием современных проблем физики. Их изучение невозможно без достаточно прочных радиофизических знаний.

Знакомство учащихся с современной физикой и ее важнейшими направлениями необходимо начинать в средней (полной) школе по нескольким причинам [8]. Во-первых, физика как наука, изучающая наиболее общие законы природы, как лидер естествознания, как научная база большинства технологий представляет собой один из важнейших элементов человеческой культуры. Во-вторых, научные направления современной физики лежат в основе тех отраслей науки, наукоемких технологий, техники, которые определяют общий уровень современной жизни в передовых государствах. В-третьих, если основные идеи современной физики будут заложены еще в старших классах, то выпускнику общеобразовательной школы будет легче ориентироваться при выборе направления дальнейшего образования или профессиональной деятельности.

Отметим наиболее острые проблемы, связанные с изучением вопросов современной физики в средней (полной) школе. Новации в физике со значительным трудом входят в стандарты учебные программы и планы среднего (полного) образования. Фактически, школьники изучают физические явления, открытые до начала 60-х гг. XX столетия. Поэтому обширные идейные, экспериментальные и технические знания, которыми живет современная наука, остаются им неизвестными. В глазах школьников физика представляется "застывшей", инертной системой, в которой даже небольшие изменения происходят крайне редко. При этом важно понимать, что современная физика охватывает множество направлений исследований. Не является ли тогда безнадежной попытка изучать вопросы современной физики в средней (полной) школе? Здесь уместно привести тезис В. А. Фабриканта: "Мы... не можем удовлетворительно отразить в школьном курсе физики фактического содержания основ этой науки на сегодняшний день. Но мы можем и должны научить школьника думать по-современному в об-

ласти физики. Этой реальной цели должен быть подчинен отбор материала для школьного преподавания" [9].

Перегруженность образовательной программы существенным образом влияет на снижение познавательного интереса учащихся. Возможный выход из этой ситуации - формирование у учащихся научного метода познания, который позволит им творчески применять его к решению разнообразных задач и самостоятельно расширять сферу собственных знаний.

По мнению Л. В. Тарасова, вызывает особые опасения наметившийся в последнее время процесс упрощения школьного курса физики по мотивам его перегруженности и недоступности многим учащимся. Следует не разгружать курс физики, а радикально его перестраивать. И главное в этой перестройке - обращение к идеям методологии современной физики [2]. Поэтому включение методологических вопросов современной физики в содержание школьного физического образования на старшей ступени обучения будет способствовать тому, что школьная дисциплина будет не просто содержательно воспроизводить адекватную науке систему знаний, упрощенную в дидактических целях, а позволит учащимся, овладев методом научного познания, самостоятельно расширять знания.

Актуальной проблемой является отбор содержания учебного материала по современной физике для обучения в школе. В качестве критериев отбора можно использовать три признака научности содержания учебного предмета, сформулированные Л. Я. Зориной [10]. Они требуют, чтобы в содержании учебного предмета были включены собственно предметные знания, соответствующие уровню развития современной науки, знания о методах познания и историко-научные знания, раскрывающие логику процесса научного познания. Согласно Г. М. Голину, методологические знания в курсе физики -обобщенные знания о методах и структуре физической науки, основных закономерностях ее функционирования и развития [11]. Эти знания, по мнению автора, внутренне присущи современному курсу физики. Таким образом, указанные признаки научности содержания могут рассматриваться в качестве элементов системы методологических знаний при изучении современной физики в школе. Данную систему образуют научный, технический и гуманитарный (общекультурный) аспекты современной физики. Рассмотрим их подробнее на примере уже знакомой нам радиофизики.

Научный аспект. Радиофизика - важнейший источник знаний об окружающем мире. Благодаря появлению таких радиофизических направлений исследований, как радиоспектроскопия, статистическая радиофизика, квантовая радиофизика (квантовая электроника), микроэлектроника, радиоастрономия и др., был осуществлен стремительный прорыв во многих областях современной науки.

Приведем лишь один пример. В последние десятилетия резонансные методы (область радиоспектроскопии) получили широкое распространение при исследовании вещества в разных агрегатных состояниях. Их можно отнести к наиболее чувствительным и точным методам исследования вещества, которые активно используются в физике, химии, биологии и медицине. Каждое вещество имеет характерный только для него набор частот собственных колебаний (от 10² до 10²² Гц). Этот набор частот - своеобразная "визитная карточка" вещества, изучая которую можно распознать химический состав, структуру, симметрию и другие его характеристики. Рассмотренный пример далеко не исчерпывает многообразие применения радиофизических методов в различных областях науки и техники.

Технический аспект. Расширяя и многократно умножая возможности человека, радиофизика обеспечивает его уверенное продвижение по пути технического прогресса. Радиофизические открытия являются основой технических устройств (мобильная телефония, лазерные технологии, микроэлектронные устройства и т. д.), определяющих жизнь современного общества. Радиофизические методы используются во многих областях науки и техники (современные средства связи, исследование космоса, медицина, геология, оборонные технологии и т. д.).

Гуманитарный аспект. Изучая историю развития радиофизики, можно показать, что

она вносит весомый вклад в развитие духовного облика человека, формирует его научное мировоззрение, учит ориентироваться в шкале культурных ценностей. Изучение истории становления и развития научных взглядов в области радиофизики будет способствовать более глубокому пониманию учащимися физической сущности рассматриваемых явлений. При этом радиофизика предстанет перед учащимися не как система готовых знаний, а как динамично развивающийся организм. Кроме того, использование на занятиях фрагментов из истории развития радиофизики позволит показать учащимся в обобщенной форме процесс формирования научных понятий, законов и теорий.

Анализ научно-методической литературы позволил сделать следующие выводы:

- вопросы современной физики недостаточно представлены в школьном курсе физики;

- современную физику как учебную дисциплину следует изучать в рамках профильной школы на старшей ступени обучения;

- содержание учебного материала по современной физике должно быть связано с курсом физики средней (полной) школы (профильный уровень) и расширено с учетом того, что она обладает научным, техническим, гуманитарным аспектами и ей присущи межпредметные связи.

Таким образом, для изучения современной физики в средней (полной) школе (профильный уровень) целесообразно использовать элективные курсы, содержание которых конструируется на основе разработанной системы методологических знаний. Кроме того, элективные курсы могут стать полигоном для создания и экспериментальной проверки нового поколения учебных и методических материалов по современной физике.

В качестве примера рассмотрим методическую систему изучения элективного курса радиофизики с использованием мультимедийных технологий, включающую в себя цели, задачи, содержание, формы, методы и средства изучения.

Цели изучения элективного курса радиофизики:

- формирование у учащихся элементов современного научного стиля мышления и представлений о современной физической картине мира;

- оказание психолого-педагогической помощи в выборе сферы будущей профессиональной деятельности;

- повышение ИКТ-грамотности и познавательного интереса к физике.

Задачи изучения элективного курса радиофизики:

- познакомить учащихся с историей развития и современными радиофизическими исследованиями, научными биографиями творцов радиофизики, экспериментами, оказавшими основополагающее влияние на развитие этой науки, практическими применениями радиофизических знаний;

- реализовать межпредметные связи, так как при изучении радиофизики актуализируются знания, относящиеся к технике и другим областям науки;

- способствовать развитию познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей учащихся.

Рассмотрим критерии отбора содержания элективного курса радиофизики:

1) соответствие общедидактическим принципам обучения. При отборе содержания учебного материала по радиофизике использовались дидактические принципы: научности и доступности, систематичности и последовательности, системности, наглядности;

2) важность данной проблемы для судеб всего человечества (например, использование современных информационных технологий в науке, технике и повседневной жизни);

3) важность конкретного направления для развития фундамента науки (например, ЯМР-спектроскопия - один из самых мощных методов получения информации о строении и поведении многоэлектронных систем);

4) неразрывная связь физики с другими областями науки и техники. Радиофизические приборы и методы широко применяются в современной связи, астрономии, спектроскопии атомов и атомных ядер, метеорологии, геологии, медицине и т. д.;

5) важность конкретного направления современной физики для обучения в школе.

Изучение важнейших направлений радиофизических исследований в рамках элективного курса способствует формированию у учащихся представлений о современной физической картине мира;

6) опора на содержание школьного курса физики. Курс основан на знаниях, умениях и навыках, приобретенных учащимися при изучении физики в основной и средней (полной) школе. Включение вопросов радиофизики в образовательный процесс обосновано тем, что в школьном курсе физики имеется необходимый запас знаний, который можно использовать при построении элективного курса радиофизики;

7) изучение радиофизики сквозь призму Нобелевской премии. Анализ содержания радиофизических исследований, удостоенных Нобелевских премий по физике, можно использовать в качестве ведущего критерия отбора содержания учебного материала элективного курса радиофизики. Проведенный анализ позволил выделить несколько магистральных направлений радиофизических исследований. К их числу относятся радиотехника, радиоспектроскопия, информационные технологии, радиоастрономия.

Для того чтобы систематизировать учебный материал по радиофизике и дать учителю представление о его структуре разработаны структурно-логические блок-схемы к каждой теме элективного курса. В них учебный материал выстроен так, чтобы учащиеся смогли повторить тот путь, каким шла радиофизическая наука. С этой целью приводятся краткие сведения из истории развития и обзоры современных достижений магистральных направлений радиофизических исследований. Данные схемы изучения могут использоваться учителем при обобщении изученного материала и учащимися для систематизации полученных знаний или как опорные конспекты [12].

В рамках целостного подхода к учебно-педагогической деятельности [13] рассмотрим методы изучения элективного курса радиофизики:

1) методы организации учебно-познавательной деятельности: словесные (беседа, лекция, работа учащихся с учебной литературой), наглядные (мультимедийное изложение учебного материала), практические (практикум по радиофизике, работа над творческим заданием);

2) методы стимулирования учебной деятельности: методы дискуссии, формирования познавательного интереса. Одним из наиболее важных критериев формирования познавательных интересов учащихся является стимул новизны [14]. По мнению Г. И. Щукиной, существует три важнейших источника стимуляции познавательных интересов учащихся. Применительно к элективному курсу радиофизики это:

- содержание учебного материала: показ учащимся современных достижений радиофизики, практическое применение изучаемого материала, включение в содержание сведений из истории развития радиофизики, понимание значимости радиофизики для развития общечеловеческой цивилизации;

- организация познавательной деятельности: использование активных форм обучения, различные формы самостоятельной работы, проблемное обучение, организация творческих работ, использование современных ТСО и др.;

- личностные качества учителя и учащихся: самостоятельность в приобретении новых знаний и практических умений, формирование ценностных отношений друг другу, учителю, авторам радиофизических открытий и изобретений, умение вести дискуссию и др.;

3) методы контроля деятельности: индивидуальный и фронтальный опросы, тестовая проверка знаний;

4) качественные методы обучения.

Проблема включения в содержание курса материала о последних достижениях современной физики сама по себе не нова [15]. Однако перед методистами и педагогами возникает вопрос о том, как обеспечить доступность излагаемого материала для старшеклассников, ведь современная физика (в частности радиофизика) - чрезвычайно математизированная наука. В связи с этим при изучении радиофизики в профильной школе важна не столько глубина и математическая обоснованность изучаемых явлений, сколько их физический смысл и широта обзора. Поэтому в преподавании элективного курса

радиофизики необходимо широко использовать исторический подход. Его суть заключается в таком изложении учебного материала, при котором основные идеи и теории современной физики представлены в генезисе и дальнейшем развитии, показаны способы получения знаний, выработанные этой наукой в процессе познания природы.

Учитывая стремительный рост научного знания, актуальность подготовки высококвалифицированных специалистов, способных к профессиональному росту и профессиональной мобильности в условиях информатизации общества и развития новых наукоемких технологий, необходимость формирования современного научного стиля мышления и научного мировоззрения, радиофизику следует изучать не как систему готовых знаний, а как живой, динамично развивающийся организм. Для этого в преподавании радиофизики необходимо использовать современные, в первую очередь мультимедийные, технологии, обладающие большой вариативностью изложения учебного материала.

Занятия по элективному курсу радиофизики организованы как процесс самостоятельной познавательной и творческой деятельности учащихся. Для этого применяются различные формы организации учебного процесса: мультимедийная лекция, семинар, практикум, учебная конференция, урок контроля знаний. Теоретический материал излагается на мультимедийных лекциях. Развитию самостоятельной деятельности учащихся способствуют семинарские занятия, на которых заслушиваются доклады и сообщения, проводятся дискуссии по итогам выступлений. На практикуме учащиеся выполняют компьютерный эксперимент. Выступления учащихся с творческими работами (рефератами или компьютерными презентациями) проводятся на учебной конференции.

Отметим, что мультимедийная лекция является ведущей формой преподавания радиофизики и современной физики в профильной школе. Широкое и оптимальное использование гипертекста, богатого иллюстративного ряда (рисунков, таблиц, схем, чертежей), анимированных изображений, аудио- и видеофрагментов обеспечивает вариативность изложения учебного материала по радиофизике.

В процессе изучения элективного курса учащимся необходимо выполнить творческие задания в виде написания реферата или создания компьютерной презентации по выбранной тематике. Работа над творческим заданием способствует выработке у них навыков исследовательской и поисковой работы с литературными источниками, умению выделять главное, анализировать, сравнивать, систематизировать, обобщать и конспектировать учебный материал.

К средствам изучения элективного курса радиофизики относятся учебные и методические материалы, ПК, мультимедийный проектор, интерактивная доска.

Предполагается, что разработанная методическая система элективного курса радиофизики, включающая научный, технический и общекультурный аспекты современной физики, может стать моделью конструирования элективных курсов по современной физике в рамках профильного обучения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Михайлишина Г. Ф. Изучение современной физики в педагогическом вузе: содержание, методы и формы обучения: Автореф. дис. ... к.п.н. - М., 2002.

2. Тарасов Л. В. Современная физика в средней школе. - М.: Просвещение, 1990.

3. Примерные программы среднего (полного) общего образования (проект) // Физика в школе. - 2010 - N 3. - С. 3 - 29.

4. Полат Е. С. Проблемы образования в канун XXI века // Дистанционное и виртуальное обучение. - 1999. - N 6. - С. 20 - 21.

5. Михайлишина Г. Ф. Постнеклассическая физика как основа современного стиля мышления // Наука и школа. - 2010. - N 3. - С. 82 - 85.

6. Гинзбург В. Л. О сверхпроводимости и сверхтекучести (что мне удалось сделать, а что не удалось), а также о "физическом минимуме" на начало XXI века // УФН. - 2004. - Т. 174. - С. 1240 - 1255.

7. Степин В. С. Научное познание и ценности техногенной цивилизации // Вопросы философии. - 1989. - N 10. - С. 3 - 18.

8. Делоне Н. Б. Школе нужна современная физика // Физика в школе. - 2006. - N 5. - С. 3 - 4.

9. Основы методики преподавания физики в средней школе / Под ред. А. В. Перышкина, В. Г. Разумовского, В. А. Фабриканта. - М.: Просвещение, 1984.

10. Зорина Л. Я. Дидактические основы формирования системности знаний старшеклассников. - М.: Педагогика, 1978.

11. Голин Г. М. Вопросы методологии физики в курсе средней школы. - М.: Просвещение, 1987.

12. Кудрявцева В. В. Методическая система изучения элективного курса радиофизики в профильной школе с использованием мультимедийных технологий (электронный ресурс) // http://ismo.ioso.ru/dis/kudryavcevavtoref.doc.

13. Загвязинский В. И. Теория обучения: Современная интерпретация: Учеб. пособ. - М.: Академия, 2004.

14. Щукина Г. И. Педагогические проблемы формирования познавательных интересов учащихся. - М.: Педагогика, 1988.

15. Лобачева Е. Ю., Кревчик В. Д., Семенов М. Б. Современная физика и экономика: курс по выбору: Учебно-метод. пособ. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2010.

STUDYING OF MODERN PHYSICS AT PROFILE SCHOOL: METHODOLOGICAL ASPECT

V.V. Kudryavtsev

candidate of pedagogical sciences, senior editor of the Physics and Mathematics Department of the "Ventana-Graf" Publishing House

V.A. Ilyin

doctor of pedagogical sciences, professor of the Moscow Pedagogical State University, full member of the International Academy of Sciences of Pedagogical Education

G.F. Mikhajlishina

candidate of pedagogical sciences, D. Litt. student of the Moscow Pedagogical State University

The article deals with prominent features of modern physics, its scientific, technical and humanitarian (common cultural) aspects on the example of Radiophysics course. The given aspects form system of methodological knowledge for Radiophysics studying at profile school and underlie designing of elective courses on the modern physics. Methodical system of studying elective course of Radiophysics is discussed with use of the historical approach and multimedia technologies.

Key words: Radiophysics, modern physics, system of methodological knowledge, profile school, design of elective courses on the modern physics, multimedia technologies.

Publisher:

Permanent link for scientific papers (for citations):

Comments: