Контакты jokoil@mail.ru КАРТА САЙТА English

Энергодинамическая система физических величин и понятий

(ЭСВП)


Не смешивать с СИ, унифицирующей ЕДИНИЦЫ измерений (разъяснение).

На Главную

Кому и зачем это нужно?

Разъяснение основных терминов

Формы и виды энергии

Условия успешной систематизации

Классификация физических систем

Основная идея системы

Таблицы физических величин

В чем новизна сайта?

     Формы и виды движения

     Подробно об угле поворота

     О движении тела по орбите

     Систематизация величин         силовых полей

     Систематизация величин         колебаний и волн

     Новая размерность         температуры

     Обобщение явлений         переноса

     Критерии подобия всюду

     О природе размерности


Системный подход в экономике

История проблемы

Учить физику по-новому!

Учебно-наглядные пособия


Каталог ссылок

Новые страницы сайта

Шутки на тему сайта


Oб авторе проекта

Коган И.Ш.

Дедукция и индукция при изучении физики

СОДЕРЖАНИЕ.
1. Определения дедукции и индукции и их применение при изучении физики.
2. Примеры применения дедукции при изучении физики в школе.
3. Необходимость расширения применения дедукции при изучении физики в вузе.
4. Дедукция различает системы величин и системы единиц.
5. Методика освоения дедукции в вузе на примере систематизации величин.
6. К каким последствиям приводит исторический метод преподавания физики.
7. Об этической стороне применения дедукции при изучении физики.

1. Определения дедукции и индукции и их применение при изучении физики.

Определений этих двух методов познания много, но все они несущественно отличаются друг от друга. Если их объединить, то можно придти к двум определениям, приведенным в статье О.С.Тягнибединой (2005):

Дедукция (от лат. deductio – выведение) – переход в процессе познания от общего знания о некотором классе предметов и явлений к знанию частному и единичному.

Индукция (от лат. inductio – наведение) – это переход в процессе познания от частного знания к общему; от знания меньшей степени общности к знанию большей степени общности.

В педагогике эти методы познания не противопоставляются друг другу, а применяются в соответствии с возрастом обучающихся и с учетом уже освоенного учебного материала. В начальной школе применяется индуктивный метод познания, а в следующей ступени постепенно переходят к дедуктивному методу познания. Хорошим примером такого перехода является переход при изучении математики от арифметики к алгебре.

Физику начинают изучать в школе после освоения базовых знаний по математике с применением индуктивного метода познания, постепенно переходя к дедуктивному методу в старших классах. В высшей школе при изучении физики в настоящее время идут тем же путем, но на более высоком уровне, широко применяя дополнительно исторический метод преподавания, о котором будет рассказано ниже.

В науке имеются яркие примеры применения дедуктивного метода познания. Можно привести примеры из химии (Периодическая система элементов Д.И.Менделеева) и квантовой физики (система элементарных частиц М.Гелл-Манна и Ю.Неэмана). В биологии применяют классификацию Карла Линнея, в грамматике – деление слов на части речи и члены предложения, вводят склонения и спряжения.

Примеров использования в методологии физики систематизации таких основных понятий, как физические величины, пока нет. Хотя работ в этом направлении уже много, им посвящен раздел сайта "История проблемы". В стандартах и справочниках физические величины расположены без определенной последовательности, опирающейся на законы природы. Иногда по алфавиту, чаще по соображениям авторов, хотя физические величины следует располагать в закономерной последовательности и в полном соответствии с принципом причинности.

Систематизация физических величин может и должна явиться серьезным средством рационализации учебного процесса по изучению физики, более глубокого проникновения в сущность явлений и процессов. Она может упростить задачи преподавателей, избежать дублирования учебного материала. Правда, избежать корректировки учебных планов, учебных программ и учебных пособий при этом не удастся. Но это естественный процесс.

2. Примеры применения дедукции при изучении физики в школе.

При изучении физики в школе применение дедуктивного метода познания пока ограничивается (да и то в старших классах) ознакомлением с небольшой темой “Физические аналогии” при изучении раздела ”Электричество“ и общим подходом к разным явлениям природы при изучении раздела ”Колебания и волны”. В работах И.Когана (1993, 2004б) указывается на то, что этого недостаточно и что в старших классах и, тем более, в техникумах можно и нужно изучать принципы систематизации физических величин, чтобы применять их с достаточной эффективностью.

Например, учащимся старших классов в начале второго цикла изучения физики можно раздать папки с вклеенными, разлинованными но не заполненными таблицами величин. Это известный прием: все любят решать кроссворды, а японской игрой “судоку“ увлечены многие.

При изучении раздела “Механика” можно разъяснить на примере функционирования простой механической системы такие понятия, как “система”, “воздействие на систему”, ”закон сохранения энергии”. И заполнить две группы величин таблицы механической прямолинейной формы движения.

Необходимо разъяснять учащимся понятия “определяющее уравнение”, ”размерность” и “единица измерений”. Это не сложнее, чем уже освоенные абстрактные понятия из алгебры и геометрии. Важно разъяснить, чем отличается размерность от единицы. (К сожалению, это различие неясно сейчас и многим специалистам.) Можно даже пояснить простейшие правила анализа размерностей на базе анализа единиц. Конечно, это сравнительно сложный материал, но чем раньше дать его, тем легче будет потом.

При изучении раздела “Электричество” учащиеся обычно уже имеют понятие о производных. Поэтому при изучении темы “Физические аналогии”, которая обычно иллюстрируется электромеханическими аналогиями, необходимо изучить уравнение динамики и заполнить соответствующую группу величин в таблицах механической и электрической форм движения. При этом обязательно указать на то, что физические аналогии являются отражением законов природы (И.Коган, 2004), а не случайными совпадениями.

В техникумах, в зависимости от объема пройденного материала, вполне можно заполнить и таблицы, посвященные вращательному движению, гидравлике, термодинамике, магнетизму, а также таблицы обобщенных величин периодических процессов. Таким образом, учащиеся по окончании среднего учебного заведения уже могут получить первоначальные навыки применения в физике дедуктивного метода и приобрести некоторые представления о методах обобщения в физике.

3. Необходимость расширения применения дедукции при изучении физики в вузе.

Малая распространенность дедуктивного метода познания при обучении физики в школе понять можно. Но почему слабо представлено применение этого метода при изучении физики в вузе, сказать трудно.

Попросите студента технического вуза рассчитать электрическую мощность по току и напряжению, и это быстро сделают многие, перемножив ток на напряжение. Через пару дней предложите тем же студентам рассчитать мощность подъёмного крана, поднимающего груз с известным весом и с известной скоростью, тут уже не все догадаются перемножить вес на скорость. Еще более сложным окажется вопрос о расчете мощности насоса по напору и расходу жидкости или даже вопрос о роли коробок передач в станках и автомобилях. И нет уверенности в том, что хотя бы два из десяти инженеров-практиков ответят на все четыре вопроса, да еще и усмотрят в этом прямую аналогию.

Уже в самом начале обучения в вузе знания, полученные в школе, позволяют плодотворно использовать потенциал дедуктивного метода познания. Но приходится учитывать неравноценность предшествующей подготовки разных студентов. По-видимому, в вузе перед началом изучения физики следует прочесть небольшой пропедевтический курс, в который надо, помимо прочего, включить схему освоения методики обобщения и систематизации в целом и систематизации физических величин, в частности. Это, к тому же, даст возможность повторить школьный материал по физике, глубже усвоить его, а, самое главное, подравнять уровень знаний студентов, пришедших в вуз с различной степенью подготовленности по физике. Подобный пропедевтический курс в дальнейшем сократит учебное время на освоение самой физики, не говоря уже о качестве освоения.

4. Дедукция различает системы величин и системы единиц.

Разъяснению различия между системами величин и системами единиц посвящена отдельная статья. Но для популярного объяснения этого различия предлагается пример, иллюстрируемый рисунком.

На столе лежат разбросанные в беспорядке карточки, похожие на игральные карты. На каждой карточке написано название физической величины, ее размерность и единица. Разбросанные и перемешанные в беспорядке карточки как раз и служат иллюстрацией принципа составления СИ. В лучшем случае эти карточки раскладывают по разделам физики (то есть, по мастям, если продолжить аналогию с игральными картами). Но никаких правил по поводу того, в каком порядке следует “раскладывать карты в каждой масти“, в физике нет. А ведь в игральных картах такой порядок существует (туз, король, дама и т.д.).

В настоящее время метрологи раскладывают подобный пасьянс в том порядке, какой видится его составителям. Это приводит лишь к видимости упорядоченности, поскольку такой порядок произволен. Предлагаемые разными авторами системы физических величин тем и отличаются от систем единиц, что физические величины расставляются в определенной закономерной последовательности. Даже ели в дальнейшем изменится последовательность расположения физических величин, изменятся названия групп величин и названия самих величин, то это будет касаться всех разделов физики одновременно, и поэтому процесс перемен принципиально ничего не изменит.

Корректировка Таблиц физических величин, составленных автором, производилась неоднократно, но с каждым разом необходимость корректировки уменьшалась. По мере совершенствования Таблицы физических величин сами начинали диктовать процесс расположения в них величин, указывать на то, какая физическая величина по какой определяется, какие у нее должны быть размерность и единица измерений.

В этом процессе присутствует жесткая логика, определяемая принципами систематизации. Если в какой-нибудь таблице что-то не стыковалось, то после анализа причин выяснялось одно из двух: либо следует корректировать то, что не стыкуется, руководствуясь Таблицами обобщенных величин, либо необходимо корректировать эти таблицы. Вторая из этих причин уже не возникает.

Процесс систематизации не должен волновать практических метрологов, так как он не касается единиц. А вот для обучения физике важно находить методики преподавания, дающие наилучший педагогический эффект, и систематизация физических величин, как элемент дедуктивного метода познания, способствует этому.

Оппонентами внедрения в методологию физики систематизации величин, принципиально отличающейся от унификации единиц, приводится ссылка на популярность СИ, как на достаточную альтернативу созданию систем величин. Но эта ссылка не состоятельна, так как СИ не предназначена для систематизации физических величин. Единицы СИ и их взаимосвязь надо просто запоминать, грубо говоря, зазубривать, и всегда иметь под рукой справочник. А систематизация величин помогает изучать физику.

5. Методика освоения дедукции в вузе на примере систематизации величин.

Если будет принята на вооружение система физических величин, то обобщенные величины следует разъяснить уже в процессе изучения вышеупомянутого пропедевтического курса. Начинать надо с изучения cхемы иерархии уровней систематизации физических величин в виде плаката на стене учебной аудитории.

По мере изучения различных разделов физики таблицы физических величин, соответствующие изучаемым формам движения, следует заполнять совместно со студентами. А таблицы конкретных форм движения можно также вывешивать в качестве наглядных пособий в виде плакатов на стенах специализированных лабораторий, где проводятся практические и лабораторные занятия по отдельным разделам физики. Сравнение таблиц физических величин друг с другом включает на полную силу зрительную и ассоциативную память, а это очень важно чисто с психологической точки зрения.

Все разделы физики и развивающие их на практике технические дисциплины должны преподаваться обязательно с учетом обобщения и систематизации физических величин и таким образом, чтобы студент постоянно чувствовал то общее, что увязывает их в единое целое. Из этого складывается мировоззрение студента. В процессе изучения физики появляется возможность придать более глубокое содержание примерам единства законов природы в их проявлениях в разных формах движения.

Систематизация величин имеет не только познавательное и дидактическое, но и воспитательное значение. Оно состоит в том, что наличие в таблицах незаполненных ячеек, возможность их заполнения в будущем или даже возможность создания новых строк и новых таблиц будит воображение, наглядно свидетельствует о том, что физика и техника находятся в развитии, и заполнение новых таблиц вполне доступно мыслящему уму. Систематизация величин может указать пути наиболее целесообразного выбора производных величин в любом новом прикладном направлении, чтобы новые придумываемые (и подчас неудачно) величины нового направления не пришлось бы потом “втискивать” в существующие системы величин, иерархия которых соответствует принципам систематизации.

Первые опыты внедрения принципов систематизации величин при преподавании физики известны. По их следам опубликованы работы Н.Плотникова (1978), И.Когана (1993), А.Чуева (2007). Эти опыты еще скромные, но они дают положительные результаты, несмотря на то, что методы систематизации у упомянутых авторов разные.

6. К каким последствиям приводит исторический метод преподавания физики.

В настоящее время преподавание физики в вузах часто нацелено на исторический метод преподавания. В одном из наиболее популярных учебников по физике И.Савельева (2005) часто в начале какого-нибудь параграфа встречаются слова типа: “опыт показывает“, “опытным путем установлено“ или “формула может быть получена только экспериментально“. При этом следуют ссылки на экспериментальные закономерности, полученные впервые тем или иным ученым, иногда даже в том виде, в каком они были им когда-то получены.

Но это, по нашему мнению, можно делать лишь в случае, если такое изложение не противоречит дедуктивному методу познания, поскольку ссылки на историю приводят к неоднократным нарушениям принципа причинности в определяющих уравнениях. Это основная причина возникновения в физике понятийной бессистемности и символьной бессистемности. Ведь каждый первооткрыватель вводил свои понятия и символы в соответствии с современным ему уровнем физики, они закреплялись в работах других ученых, а затем входили в учебники, справочники и стандарты.

Попытки автора данного сайта систематизировать применяемые символы и индексы, особенно в электромагнетизме и гравитации, не привели его к положительным результатам, и он вынужден был предложить для созданной им системы величин ЭСВП собственную систему символов и индексов. Тем же путем были вынуждены идти и составители других систем величин.

Совместить обобщение и систематизацию физических величин и понятий со стандартными определениями, стандартной символикой и общепринятой последовательностью составления определяющих уравнений, исходящей из исторического метода преподавания, оказалось невозможным. И это привело автора сайта к иной последовательности составления определяющих уравнений, что и помогло найти приемлемое решение задач по систематизации физических величин.

Исторический метод подчас неоправданно расходует драгоценное учебное время вследствие необходимости приводить обстоятельства открытия того или иного закона и существовавшие на тот период времени и уже устаревшие научные подходы и воззрения. Этот метод ставит студентов в сложное положение, когда за два лекционных часа они должны узнать о том, на что ученым иногда требовались века. Говорить о том, кто и когда открыл ту или иную физическую закономерность можно, но не более чем с целью попутной иллюстрации учебного материала.

Приведем такой пример. Свойства природных магнитов были обнаружены пару тысячелетий тому назад, поэтому сначала в физике появилось понятие “магнитное поле“. Значительно позже появилось понятие “электрическое поле“, и только в XIX веке была обнаружена связь между электричеством и магнетизмом. И после того, как теория Д.Максвелла обобщила важнейшие законы электрического и магнитного полей, утвердилось обобщающее понятие “электромагнитное поле“. Однако уравнения Максвелла достаточно сложны, они требуют предварительного ознакомления с векторным анализом, и начинать с них изучение электричества и магнетизма невозможно. Поэтому сейчас электромагнетизм изучают, используя исторический метод, завершая это изучением уравнений Максвелла. Но изучение электромагнетизма вполне допустимо начинать, предварительно изучив основы систематизации физических величин и закономерностей, ведь для системного подхода достаточно знания векторной алгебры.

Многие физики понимают это, но проще двигаться по стандартной колее, чем по ходу движения менять колеса. И все же менять колеса придется, хоть и не торопясь, и так же постепенно переносить исторические сведения в отдельную дисциплину “История физики и техники“, которую следует изучать к концу обучения в вузе. Эта мировоззренческая дисциплина может оказаться очень полезной как раз после завершения изучения физики и техники.

7. Об этической стороне применения дедукции при изучении физики.

При использовании дедуктивного метода преподавания сразу же в начале обучения в вузе любая новая система определений и обозначений может быть воспринята без особых затруднений. Зато это с лихвой окупит себя в дальнейшем. Необходимо лишь реальное понимание того, что затягивание с введением такого перехода будет лишь затруднять его. А то, что рано или поздно его придется осуществлять, у автора сомнений нет.

В отзыве на публикацию монографии И.Когана (2006) доцент Московского Физико-Технического института В.А.Петухов написал, что для того, чтобы научить студентов физическому мышлению, “… лучше честно объяснить студентам, что установлено достоверно, а что нет, чем строить обучение на каких-то схемах, которые могут оказаться неверными. Особенно опасно это при обучении будущих физиков, у которых не должно быть ложных представлений“.

Но разве нет примеров в истории науки, когда достоверно установленное оказывалось неверно интерпретированным? Разве не об этом говорит пример с термодинамикой Клаузиуса и введенной им энтропией, некорректное применение которой до сих пор вводит студентов и даже специалистов в заблуждение? Разве при обучении не надо честно рассказывать о новых идеях и теориях, в том числе, и о тех, с которыми преподаватель лично не согласен, и по поводу которых еще не появились доказательства их достоверности? Особенно, когда речь идет о студентах, собирающихся стать учеными. Правда, в этом случае преподаватель вынужден будет встать на ту или иную точку зрения. Эта позиция честна, но не для всех преподавателей удобна.

О причинах, по которым современная физика боится давать студентам так называемые “ложные представления“, хорошо написано в статье А.Шляпникова (1999). Сейчас, когда физика находится в сложном периоде своего развития (О.Зайцев, 2001), как раз и необходимо давать будущим физикам понятие о наиболее спорных современных идеях вместо того, чтобы зачислять эти идеи в “лженауку“, как это сейчас практикуется в Российской Академии Наук. Разве история не преподала в ХХ веке урок по поводу того, как записывали в лженауку кибернетику и генетику. Вопрос о том, являются ли те или иные представления ложными или истинными, не решается большинством голосов на заседаниях комитетов и комиссий любого ранга.

Преподавателю лучше рассказать студентам о новых теориях, пусть даже и со своими комментариями, чем дождаться, пока студенты сами обнаружат эти теории в Интернете и начнут об этом спрашивать. Авторитета преподавателю это не прибавит.

Литература

1. Зайцев О.В., 2001, С какими проблемами физическая наука вступила в 21 век. – http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/2356.html
2. Коган И.Ш., 1993, Основы техники. Киров, КГПИ, 231 с.
3. Коган И.Ш., 2004, “Физические аналогии” – не аналогии, а закон природы. – http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/7438.html
4. Коган И.Ш., 2006, Обобщение и систематизация физических величин и понятий. – Хайфа, 207 с.
5. Плотников Н.А., 1978, Система физических величин. – Вологда, Областной Совет ВОИР, 34 с., также http:/plotnikovna.narod.ru
6. Савельев И.В., 2005, Курс общей физики (в 5 книгах). – М.: АСТ: Астрель
7. Тягнибедина О.С., 2005, Дедуктивный и индуктивный методы познания. http://rusnauka.com/ONG/Philosophia/6_tjagnibedina.%20tezisy.doc.htm
8. Чуев А.С., 2007, Система физических величин. Текстовая часть электронного учебного пособия. http://www.chuev.narod.ru/ .
9. Шляпников А.А., 1999, Истинные возможности классической физики и ложные современной. – Сб. “Другая физика”, http://www.newphysics.h1.ru .

© И. Коган Дата первой публикации 01.03.2008
Дата последнего обновления 15.09.2015

Оглавление раздела Предыдущая Следующая