А всегда ли прав Ньютон?

​Принципы научного познания были положены в основу написания учебников физики повышенного (профильного) уровня, подготовленных в издательстве «Дрофа». Они дают обзор развития этой многогранной науки, основных идей и методов, а также их применения в различных разделах физики. Об особенностях новых учебников – уже вышедшего «Физика. 10 класс» и готовящегося к выпуску «Физика. 11 класс» – рассказывают авторы.

Непростая ситуация, сложившаяся в последние годы в системе образования, заставляет активно искать пути выхода из этого положения. Мы становимся свидетелями масштабных реформ методов и форм образования, которые еще совсем недавно давали прекрасные результаты, не только обеспечивали страну квалифицированными кадрами для науки и промышленности высоких технологий, но и выполняли важнейшую функцию: воспитание человека – носителя высокой культуры.Заметное снижение качества технического, естественно-научного, и в частности физико-математического, образования обусловлено множеством объективных причин, связанных с особенностями развития нашего общества в последние два десятилетия.Одной из них является недооценка роли физико-математического образования в общеобразовательной школе, уменьшение количества выделяемых часов и фактическое сокращение объема знаний. Подчеркнем, что мы рассматриваем физико-математическое образование как неразрывный комплекс методов научного описания окружающего мира, сформировавшийся за последние три сотни лет и являющийся наиболее успешным до настоящего времени. Он включает в себя изучение модельного подхода как основы научного описания и знакомство с принципами рационального научного мышления.Важнейшую роль в развитии культуры играет формирование научного мышления как одной из форм познания мира наряду с религией и искусством. Имея много сходных черт, научное познание в области его применимости отличается эффективностью и «демократичностью», поскольку его результаты не зависят от познающего субъекта и могут быть использованы в любой стране любым человеком, знакомым с принципами научного описания. Достижения науки определяют развитие технологий, формирующих структуру окружающего нас мира и во многом нашу жизнь в нем. Поэтому серьезное и глубокое изучение научного описания является в настоящее время неотъемлемым элементом общего образования, создающим культуру молодежи.Физика, по существу, является единственным предметом в школе, изучающим весь цикл формирования научного мышления. От наблюдения, гипотезы, выбора предварительной модели учащийся проходит путь научного познания, который включает построение математической модели явления, ее теоретического анализа и логического обоснования в рамках той или иной теории, к получению результата, который может быть подвергнут экспериментальной проверке в школьной лаборатории.Именно этот аспект физики делает ее особым предметом, глубокое изучение которого крайне необходимо всем без исключения.Элементарная физика содержит богатейший материал для развития логического мышления. Более того, построение математических моделей и их исследование требуют развития навыков речевой коммуникации. Ведь одним из основных требований к научному описанию является доказательность изложения материала. А это невозможно без овладения различными формами представления материала (вербального, графического, аналитического), навыками логического мышления, позволяющего выстраивать достаточно длинную цепочку рассуждений без нарушения правил логики, а также основами риторики, без чего невозможно донести до окружающих свой способ рассуждения, примененный в данной задаче. Если еще учесть, что научное описание предполагает и требует нахождения нескольких способов решения задачи, то становится понятным, что уроки физики способствуют также и развитию уважения к чужому мнению, тем более что результаты рассуждений в любой момент могут быть подвергнуты «независимой экспертизе» при помощи эксперимента.Принципы научного познания были положены в основу написания авторами учебников повышенного уровня. Они дают обзор развития физики, основных идей и методов и их применения в различных разделах. Единство подхода к различным разделам позволило построить курс, в котором эти разделы связаны воедино, а также естественно включить некоторые вопросы, которые не рассматривались ранее.Концепция курса основана на следующих принципах:    модельно-аксиоматический подход к рассмотрению физической теории;    демонстрация единых подходов в различных разделах курса (силовое и энергетическое описание явлений, для вещества и поля);    принцип доказательного изложения материала;    последовательное применение теории для решения конкретных задач.Первый из этих принципов опирается на то, что школьный курс физики при его серьезном изучении должен учить рассмотрению реальных явлений, выделению существенных черт в нем и выбору такой модели явления, которая позволяет описать его с помощью аппарата элементарной (не высшей) математики. В рамках профильного обучения курс рассчитан прежде всего на классы физико-математического профиля.Такой подход неизбежно ведет к формированию представлений о том, что рассматриваемые модели имеют границы применимости. Курс учит не только логично мыслить на основе сформулированных аксиом, но и сомневаться в общепризнанном, пытаться разобраться в том, в чем могли разобраться великие физики, возможно, и не владеющие серьезным математическим аппаратом, но умевшие построить ясный образ явления, ввести понятия, которые описывают упрощенную модель, и проанализировать следствия из математических преобразований, рожденных на основе модели. Иногда читатель, впервые знакомящийся с текстом учебника, сталкивается с неприятием доказываемых на основе выбранной модели положений (сила трения как самостоятельная сила противоречит принципу Ньютона «одно воздействующее тело – одна сила», закон сохранения энергии не выполняется в некоторых инерциальных системах отсчета, при учете распространения волн в упруго сталкивающихся стержнях сумма энергий движения их центров масс не сохраняется и т. д.). Однако подобные парадоксы приучают и учителя по-новому взглянуть на свой предмет, поразиться своим новым открытиям в давно знакомом материале.Маленькие исторические вставки соседствуют с современными методами физики, в частности с компьютерным моделированием. Компьютерное моделирование, с одной стороны, рассматривается как разновидность мысленного эксперимента, а с другой стороны, как способ обойти сложные аналитические математические преобразования. Так, например, на основе упругих соударений шаров в замкнутом ящике показывается, что устанавливается распределение молекул по скоростям, соответствующее распределению Максвелла.В курсе также поставлена цель показать единство физики – представления механики используются в термодинамике, электродинамике и даже оптике. Это единство проявляется прежде всего в формировании силового и энергетического описания одних и тех же явлений в механике и затем постоянном возвращении к двум этим подходам в остальных частях курса. Полевые характеристики вводятся уже в учебнике 9 класса (гравитационное и электростатическое поля), где даются силовой и энергетический способы их описания. Использование такого подхода при изложении электродинамики не только делает описание существенно более наглядным и доступным, но и позволяет перейти к изложению вопросов, которые ранее были недоступны в курсах элементарной физики. Сюда относятся и вопросы возникновения ЭДС индукции, и построение теории электромагнитных волн. Возможность использования силового описания в электродинамике представляет особую ценность, поскольку применяет более доступный для школьника инструмент «локального» описания явлений, позволяющего установить причинно-следственные связи. Этот подход имеет существенные преимущества при первоначальном знакомстве с предметом в отличие от распространенного энергетического описания, вводящего глобальные характеристики взаимодействия, такие как напряжение, ЭДС и другие, удобные для конкретных вычислений, но существенно затрудняющие восприятие сути явлений.В учебнике 11 класса впервые вводится представление о полях не только как о способе описания взаимодействий (связанные поля), но и о свободных полях – самостоятельных физических объектах, во многом подобных веществу, что облегчает переход к введению понятия кванта электромагнитного поля – фотона.Большое внимание авторы уделили введению основных понятий элементарной физики. Например, тщательно анализируя содержание таких фундаментальных понятий, как «колебания» и «волны», авторы сумели не только подчеркнуть наиболее существенные черты колебательных и волновых явлений, но и использовать расширенное представление о волновых процессах, включающих не только монохроматические волны, для описания динамики этих процессов.Впервые в школьном учебнике предпринята попытка построить описание динамики волновых процессов для механических и электромагнитных волн. Описание динамики волновых процессов на основе законов сохранения позволило построить единую картину сложных явлений, охватывающую и нелинейные волны упругости в сильно сжатом газе, и волны цунами в жидкости, и электромагнитные волны в линиях связи, и свободные волны. Оказалось возможным без привлечения сколько-нибудь серьезного математического аппарата определить зависимость скорости распространения механических волн от свойств среды, представлений молекулярно-кинетической теории газов, показать связь скорости распространения электромагнитных волн в линии со скоростью света, описать ряд интересных явлений, возникающих при распространении линейных и нелинейных волн.Оособую роль играет в учебнике глава «Основы астрофизики». Она является обобщением всего курса физики, а потому не только представляет собой мировоззренческую ценность, знакомя с последними достижениями современной науки, но и обобщает опыт построения моделей сложных явлений, излагавшихся ранее. Использованные здесь нетривиальные модели физических явлений, протекающих в звездах, галактиках и видимой части Вселенной, позволили доказательно изложить сложнейший материал на уровне, доступном восприятию школьника. Как и в других главах учебника, здесь подчеркиваются экспериментальные основы астрофизики, роль современных инструментов познания окружающего мира и взаимопроникновение теории и эксперимента, микро- и макромира. Выявляется связь между современной физикой элементарных частиц и астрофизикой, подчеркивается единство описания явлений природы.Помимо формирования понятий и образов, необходимых для усвоения в дальнейшем вузовского курса, авторы пытаются включить в ткань рассмотрения достижения современной техники. Даже в классической теории гравитации нашлось место и гравиметрам, и межпланетным перелетам. В учебнике по-новому (по отношению к существующим учебникам) изложена теория полупроводникового p-n-перехода, впервые затрагиваются вопросы полупроводниковых светодиодов и лазеров, СВЧ-техники, цифрового способа передачи информации, характеристик коллекторного и асинхронного электродвигателя, количественного рассмотрения возникновения силы тяги в сухопутном колесном транспорте, в винтовых воздушных и водных судах, параметров двигателей внутреннего сгорания. Впервые рассмотрены не только монохроматические волны, но и ударные волны, и волновые пакеты в упругой среде, и волны цунами, и электромагнитные волны, распространяющиеся в линии. Такое внимание к теории волн связано с возрастанием роли процессов передачи информации в современном мире.Решение задач является составной частью курса, средством закрепления представлений и развития теории, задачи вкраплены в канву параграфов, поэтому базируются только на системе понятий и процедур, которые известны ученику на этапе изучения данного параграфа. Учебно-методический комплект содержит помимо учебников задачники, согласованные со структурой учебника. В задачники для 10 и 11 классов включены главы «Методы познания». Наиболее сложные задачи впитали в себя лучшие традиции классических задачников, опыт приемных экзаменов в МГУ и МФТИ, выпускниками которых являются авторы, а также задач банка ЕГЭ, к формированию которого авторы имели отношение в разные годы.Геннадий ЧИЖОВ, доцент кафедры теоретической физики МГУ, кандидат физико-математических наук;Наиль ХАННАНОВ, заведующий лабораторией ИНИМ РАО, кандидат химических наук, соросовский учитель физики