Систематизация физических понятий и величин как средство усовершенствования обучения

        В настоящее время преподавание физики в вузах часто нацелено на исторический метод преподавания. На это же нацелены и сами учебные планы, программы и пособия. Нам кажется, что исторический подход в изучении физики не является наилучшим; он подчас неоправданно расходует драгоценное учебное время. преподаватели физики понимают это, но они не в состоянии изменить то, что прочно вошло в сознание и в привычки.

      Умножающиеся год от года достижения теоретической и прикладной физики (техники) постоянно увеличивают объем учебного материала и сложность его восприятия. Следовательно, увеличение объёма и сложности учебного материала, изучаемого в остающиеся прежними сроки, может быть скомпенсировано только новыми подходами в методике преподавания.

    В работах [1,3] авторов  занимающихся систематизацией физических величин показано, что основными резервами для совершенствования методики преподавания физики и техники являются:
- смещение центра тяжести в преподавании от индуктивного метода обучения (от частного к общему) к дедуктивному методу (от общего к частному );
- поиск рациональных критериев соотношения этих двух методов преподавания.

      Но для применения дедуктивного метода мы должны иметь обобщенные понятия, величины и закономерности, которые можно получить путем систематизации.

       С другой стороны, процесс систематизации физических величин выполняется на основе их аналогизирования. Аналогизирование, отличающиеся много­крат­ностью, целенаправленностью, систематичностью и обоснованностью, который способен давать результат с наименьшими затратами сил и времени называется  метод аналогии.

     Аналогия является одним из методов научного познания. В предыдущих работах [14-17] анализом философской, научно-методической литературы [2,4-13] мы выделяли важные моменты в сущности метода аналогии. Излагается схема аналогизирования, структура, этапы, приемы, средства, составные части, функции, роли метода в процессе научного и  учебного познания.

     Используя схему аналогизирования  и разные приемы, составив несколько таблиц аналогов получили определенные системы  физических величин; понятий;  определяющих уравнений и схем.  

     С целью определения аналогичности между физическими величинами, мы выбрали из них такую группу, чтобы для каждой величины входящей в нее: 1)возможно было бы определить количество в единичном объеме (плотность); 2)имели бы аддитивные свойства; 3)имели бы свойства переноса, перетекания, другими словами, для этих величин существовали бы понятия тока (или же были бы введена).

     Наличие вышеуказанных трех одинаковых свойств у физических величин является основой аналогизирования (аналогии). В соответствии со схематической структурой умозаключения по аналогии, можно принять тождество прочих свойств и соотношений этих величин с определенной вероятностью, а также возможно уточнить это.

     В эту группу можно отнести следующие величины: масса (m), энергия (Е), электрический заряд (Q), импульс , энтропия (S), концентрация (n).

      Так как они обладают тремя одинаковыми свойствами, эти величины являются аналогами и в то же время относятся к различным разделам физики. Уже возникла идея о наличии аналогичности между разделами физики, а также использования аналогичности в полезных целях (роль аналогии).

     В связи с обладанием этих величин общими свойствами течения, переноса, понятие тока можно отнести ко всем вышеуказанным величинам. С использованием такого приема, выбрав величины известные в одном разделе физики (например, ток электрического заряда) в качестве аналога для другого раздела (в механике, ток импульса), возможно выявления новых признаков и незаметных с первого взгляда аналогов (дидактические и эвристические функции аналогии).

      Указанную группу величин аналогов можно объединить под одним названием (например, количественные величины), так как определенное количество этих величин можно отделить и переместить в другое место.

      В связи с тем, что количественные величины аддитивны, для сложных систем их расчет можно произвести следующим образом: например, мы рассматриваем величину х системы S, образованной системами S₁ и S₂; ее значение для системы S равно х₁+х₂ (рис.1).

     Это правило не распространяется на температуру и давление, т.к. они не являются количественными величинами.

     Мы не можем разместить все объяснения и результаты в рамках одной статьи. С этой точки зрения хотим кратко предоставить некоторые результаты.

    Изначально, несколько токов имеют специальные названия: сила энергетического тока также называется мощностью, сила тока импульса называют силой.

    В таблице 1 приведены вместе названия количественных величин и их токов.  

Таблица 1.

Количественные величины и их токи

Количественные величины		Силы токов
Название	Обозначение (единица)	Название	Обозначение (единица)
Масса	m(кг)	Сила тока массы	кг/с
Энергия	Е(Джоуль, Дж)	Мощность (сила тока энергии)	Р(Ватт, Вт=Дж/с)
Электрический заряд	Q(Кулон, К)	Сила электрического тока	I(Ампер, А=К/с)
Импульс	Р()	Сила (сила тока импульса)	F(Ньютон, N=)
Энтропия	S()	Сила тока энтропии
Количество вещества	n (моль)	Сила тока количества вещества	Моль/с

 

На рис.2 показан способ измерения импульса тела К; тело Е – единица измерения, имеющее 1 единицу измерения импульса сталкивается с телом К так, что после столкновения они соединяются («неупругое столкновение»). С нашей точки зрения импульс может течь и следовательно, при столкновении с тела К к телу Е течет импульс. Столкновение будет продолжаться до того, как тело К и присоединенные к нему все тела единицы измерения преобретут  покой. Если для этого требуется 7 штук тел-единиц измерения, тогда говорят, что изначально импульс тела К был равен 7 единицам импульса.

     Если, с тела А в тела В переносится электрический заряд, то говорят, что с А в В течет электрический ток. Передача импульса с тела А в тело В является аналогом вышеуказанному и можно сказать что, с А в В течет импульсный ток.

 

 

1	2
3	4
5	6
7	8
	9
	10
11

           

   

       Если импульс тела течет в землю, то этот импульс распределяется в земле мгновенно (рис.3). В электричестве аналогом этого является короткое замыкание (рис.4).

      При имеющейся связи с землей импульс самостоятельно течет в землю. Для изменения направления естественного течения импульсного тока в обратное направление необходим «импульсный насос». На рис.5 человек играет роль «импульсного насоса». Электрический аналог этого положения показан на рис.6.

     Высокая или низкая импульсная проводимость любого тела может легко определяться. Практика показывает что:

-твердые тела являются хорошими проводниками импульсного тока;

-газы являются плохими проводниками импульсного тока;

-трос проводит импульсный ток только в одном направлении;

-колесо, чаще всего используется как импульсный изолятор.

   Между двумя трущимися друг о друга телами течет импульсный ток. Чем слабее трение, тем лучше импульсная изоляция. При взаимодействии наэлектролизованных и магнетизированных двух тел также течет импульсный ток.  Значит, эти поля являются проводниками для импульсного тока.

    В механике аналогом замкнутой электрической цепи является замкнутая цепь импульсного тока (рис.7). Если в какой-либо части (месте) устройства составляющего цепь, существует (обнаружено) напряжение сжатия, то в этом устройстве должна быть найдена (обнаружена) такая часть, где существует напряжение растяжения. Механическое напряжение является аналогом плотности тока  .

     Значит, в замкнутой электрической цепи (рис.8) должны быть обнаружены такие две части, в которых направления j будут обратно друг – другу.

    На рис.9 показана разветвленная цепь импульсного тока. Равнодействующая сила, действующая на узел равна нулю или же сила импульсного тока, проходящая через узел равна нулю.

   Электрическим аналогом этого правила является правило узлов Кирхгофа.

   На рис. 10 показаны еще два технического устройства являющиеся аналогами друг для друга: подвижный блок и трансформатор. В каждом из них нет потери энергии, а также входящая сила тока энергии равна исходящей силе тока энергии:

Р₁=Р₂

    При разделении жидкостью поверхности упругих тел, скользящих по поверхности друг друга (рис.11), можно определить механическое сопротивление , что является аналогом электрического сопротивления :

     Это явление реализуется в демпфере автомобиля: сила, действующая на демпфер прямо пропорциональна разности скоростей между двумя его состояниями.

    Сопротивление R_p связано с площадью поверхности S тел скользящих по поверхности друг друга и расстоянием между поверхностями l следующим выражением:

    Это формула служит аналогом, известной в электричестве формуле сопротивления:

- вязкость, а также коэффициент, характеризующий жидкость, проводящую импульсный ток.  является аналогом электрической проводимости .Поэтому  также можно называть импульсной проводимостью.

            Аналоги, определенные и указанные в статье собраны в нижеуказанной таблице.

 

Таблица 2

Аналоги между механикой и электродинамикой

Механика	Электродинамика
Импульс	Электрический заряд Q
Сила (сила тока импульса) F	Сила электрического тока I
Скорость	Электрический потенциал
Изменение скорости	Электрическое напряжение
Перемещение	Магнитный поток NФ
Вязкость (импульсная проводимость)	Электрическая проводимость
Механическое напряжение (плотность импульсного тока)	Плотность электрического тока
Энергия Е	Энергия Е
Сила энергетического тока (мощность) Р	Сила энергетического тока (мощность) Р

 

      Аналоги и модели используют как средство наглядности. Они служат и объектами теоретических исследований. Роль аналогии заключается: 1)в установлении общих свойств и причин явлений; 2)большом значении в качестве иллюстрации, доказательства или объяснения тех или иных явлений; 3)зарождении новых идей (эвристическая функция метода).

      Наши исследования [14] показали, что метод аналогии в учебном познании является необходимым (но недостаточным) звеном и занимает центральное место среди методов познания. Также показано, что при использовании метода выполняются основные принципы обучения: наглядности, систематичности и последовательности, целенаправленности, межпредметных связей. Также рассматривали дидактические, практические и эвристические преимущества метода в лекциях, при решении задач, выполнении лабораторных работ по курсу общей физики [17].

     Систематизация физических величин и понятий с использованием аналогии:

 - позволяет смещение центра тяжести в преподавании общего курса физики от индуктивного метода обучения к дедуктивному методу;

 - позволяет более глубоко проникнуть в сущность явлений и процессов;

 - позволяет избежать имеющегося в ряде разделов дублирования учебного материала;

 - определяет последовательность преподавания тем уроков;

 - позволяет составить таблицы физических аналогов и возможность использования их в качестве иллюстративного материала;

 - позволяет соблюдать важные принципы обучения. 

Литература  

     1.Бахмутский А. Доминант понятия «система». В сб. «Системные исследования и управление открытыми системами», Хайфа, Центр "Источник информации", 2007, вып. 3, с.с.9-19.

    2. Бугаев А.И. Методика преподавания физики в средней школе: Теорет. основы, М.: Просвещение, 1981, 288с. 

    3. Коган И.Ш.Обобщение и систематизация физических величин и понятий. Хайфа, 2006, 207 с.

    4. Мамыкин И.П. Аналогия в техническом творчестве. Минск: «Наука и техника» 1972, 168с.

    5. Моделирование и познание /Под ред. Штоф В.А. Минск: «Наука и техника», 1974, 211с.

    6.Спасский Б.И. История физики. Ч1, М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1956, 359с.

     7.Старченко А.А. Роль аналогии в познании. М.: Высшая школа, 1961.

    8.Степин В.С., Елсуков А.Н. Методы научного познания. Минск: Высшейш. Школа, 1974, 152с.

    9.Уемов А.И. Аналогия в практике научного исследования. М.: Наука, 1970, 264с.

   10.Уемов А.И. Логические основы метода моделирования. М.: Мысль, 1971, 311с.

  11.Усова А.В. Теория и методика обучения физики. Медуза, 2002, 175с.

  12.Эмпахер А. Сила аналогий. М.: Мир, 1965, 153с.

  13.Штоф В.А. Введение в методологию научного познания. Л.: Из-во Ленингр. Ун-та, 1972, 190с.

  14.Səfərov N.Y. Fizika kursunun təlimində analogiyanın digər idrak metodları ilə qarşılıqlı münasibəti və yeri / Fəlsəfə Elmi-nəzəri jurnal 2008, №1(10), s.102-110.

   15. Səfərov N.Y. Fizika kursunun təlimində analogiya metodunun tətbiqinin imkan və yolları. Azərbaycan Respublikası Təhsil Problemləri institutu, Elmi əsərlər,  2008, №1, s.72-81.

   16. Səfərov N.Y. Ali texniki məktəblərin fizika kursunun tədrisində analogiya metodunun sistemli tətbiqi (monoqrafiya). Bakı “Elm” 2007, 122 s.

   17. Səfərov N.Y. Ümumi fizikadan mühazirələrdə analogiya metodunun istifadəsi və təlim  prinsipləri. Naxçıvan müəllimlər institutunun xəbərləri. 2008, № 3 (15), s.90-94