Физика: между строк учебника

Предоставить интересующемуся школьнику возможность —
красивая задача.

Из Интернета

Мы уже публиковали рассуждения о возможном школьном учебнике физики, состоящем из трех блоков: физика для обыденности, физика для других наук и инженерии, физика для физики. Для создания такого учебника надо организовать команду из специалистов в разных областях и проделать весьма большой объем работы. А для введения его в практику преподавания надо изменить систему преподавания физики. Поэтому создание подобного учебника не кажется сейчас возможным.

Но идеи, к которым мы пришли, могут кому-то пригодиться. Поэтому изложим их предельно кратко, а потом обратимся к альтернативному направлению, которое не требует создания нового учебника и перестройки системы преподавания. Это направление может стать отдушиной для учеников и учителей, которым нужно и интересно что-то, кроме ЕГЭ и того, что ныне называют олимпиадами (и что сильно отличается от того, куда когда-то радостно бегали мы). Даже в век ЕГЭ могут выживать — страна большая — учителя и ученики, которым нужно что-то еще, кроме дрессировки. И они имеют шансы оказаться в обществе или среде, в которых они, сохранив способность и желание думать, окажутся нужны. В частности, под крылом серьезных университетов может что-то ютиться.

Обсуждение нового учебника физики завершилось, условно говоря, идеей системы из трех учебников, изложенной в статьях «Учебник физики — розовые мечты»¹ и «Две цели хорошо, а три учебника лучше»². Основная мысль проста: содержание учебника должно определяться его назначением. Поэтому учебник должен состоять из трех блоков (можно считать, что это разные учебники, можно — что один, это не важно). Первый блок, обязательный для всех учащихся, включает материал, знание и реальное использование которого каждым человеком — в интересах и его, и общества. Человек должен сознательно не переходить в неположенном месте в дождливую погоду, отключать оба предохранителя, меняя лампочку и понимать выражение «видимый разрыв». Человек должен иметь некоторое, хотя бы детское, на уровне аналогий, представление об окружающем мире, об элементарных частицах и галактиках, и понимать, что это представление — детское. Человек должен понимать, что мы знаем, а что лишь предполагаем, ну и также представлять себе роль наук в жизни людей.

Второй блок, не обязательный, т. е. добровольный — физика для интересующихся, например, инженерией, химией, биологией и науками о Земле. Для тех, кто собирается работать (а может, и одновременно преподавать) в этих областях. Относительно короткие курсы (например, четверть), и они должны идти последовательно, чтобы школьник мог при желании пройти несколько из них (или все). Курсы с отдельными экзаменами, результаты вносятся в диплом, чтобы вуз мог принимать их во внимание при зачислении. Вузы могут принимать участие в создании этих частей учебника, преподавании этих блоков и проведении соответствующих экзаменов. Третий блок, совсем уж добровольный, — это физика для тех, кто хочет работать в физике. Естественно, отдельный экзамен, отметка в дипломе, участие вузов в создании учебника, преподавании и приеме экзаменов.

Чтобы подчеркнуть серьезность задачи создания подобного учебника, перечислим, на что необходимо обращать внимание при его конструировании:

• на содержание учебника — разное в разных его частях;
• на распределение материала и времени занятий между лекциями, семинарами (уроками), самостоятельными упражнениями, лабораторными работами;
• на содержание и типы задач;
• на содержание и типы лабораторных работ (не только компьютерных);
• на разницу в специфике преподавания в школе и вузе.

И еще два нестандартных вопроса:

• нужно ли пособие для учителей, а если да, то каким оно должно быть, и не нужно ли изучить мнение учителей по этому вопросу;
• раз мы создаем учебник для тех, кто будет работать в науке, технике и образовании, то, может быть, нужно в нем рассказать о ситуации в науке, технике и образовании за рубежом.

Поскольку были упомянуты задачи, напомним, что много новых типов задач, в том числе опробованных на практике, приведено в публикациях «Новое в мире задач»³, «Еще новое в мире задач»⁴ и в трех публикациях в ТрВ-Наука за 2024 год⁵. В этих заметках было рассказано о новых типах задач, в отношении к которым проявляются разные стороны психологии и интеллекта. Причем важно не только, решил ли человек задачу, важно, выбрал ли ее для решения (при возможности выбора), как решал, получил ли удовольствие и от чего именно. Подчеркнем, что это новые типы задач, а не отдельные задачи новых типов.

Теперь перейдем от сладких снов к обещанному принципиально иному направлению, которое не требует создания нового учебника. Возможность преподавателя отвлечься от стандартного учебника ограничена, и эту возможность можно распределить по времени разными способами. Вот два крайних варианта: отвлекаться от школьного учебника редко, но серьезно, или упоминать о чем-то часто, но неглубоко и ненавязчиво, этак вскользь. При первой тактике можно раз в четверть посвящать урок (или сдвоенный урок) тому, что похоже на настоящую физику. То есть рассмотрению природных или бытовых ситуаций, когда лабиринт от входа не просматривается и не сразу понятно, почему и как происходит то или иное явление, как работает прибор или идет процесс. Несколько подобных ситуаций было рассмотрено в статье «Отвори потихоньку калитку»⁶. Название той статьи призывало отворять для школьников калитку в настоящую физику — не часто, но достаточно, чтобы школьник почувствовал, его «это» или не его.

Для этого предлагалось использовать несколько задач, которые легко и содержательно разворачивались в небольшое исследование. На самом деле таких ситуаций и задач много, некоторые названы в перечисленных выше статьях. И есть книги, состоящие в основном из подобных задач, и они тоже названы в тех статьях. Мне кажется, что наиболее объемный источник — книги Дж. Уокера «Физический фейерверк» и «Новый физический фейерверк», причем первая есть в Интернете. А еще задачи, которые могут быть использованы для хорошего разговора о физике, есть в архиве «Турнира Ломоносова» и архиве журнала «Квант».

Проблема на этом пути очевидна — время. Поэтому кусочек физики для интересующихся, который можно вместить в обязательный курс:

• должен быть маленьким, в преподавании занимать один урок (или один сдвоенный);
• должен базироваться на школьном курсе и либо не вводить новых понятий, либо вводить совсем простые;
• лучше, если это знакомая бытовая ситуация или анализ какой-то модели из учебника.

Если же кусочек оказывается слишком маленьким, т. е. на базе школьной физики глубоко проникнуть в ситуацию не удается, можно объединять соседние задачи — они бывают сконструированы на одном материале.

Второе направление устроено совершенно иначе: педагог произносит нечто физическое часто, но поверхностно. Так сказать, ненавязчиво напоминает аудитории, что учебником дело не кончается. Основной объект, появление которого в учебном процессе может быть для педагога сигналом, — формула. При возникновении в учебном курсе новой формулы можно спрашивать:

• чем мы здесь пренебрегаем и что учитываем;
• при каких значениях параметров формула верна и с какой точностью;
• в каких природных явлениях она проявляется и какие устройства ее используют.

При этом надо учитывать, что формулы могут быть нескольких типов, и не все эти вопросы имеет смысл задавать про формулы любого типа.

Формула может быть определением, она может вводить новую (в данном учебном курсе) величину. Пример: формулы для скорости и ускорения при движении по прямой v=dx/dt и a=dv/dt. Здесь бессмысленно спрашивать, чем мы пренебрегаем.

Далее, формула может быть решением какой-то задачи. Пример: формула для центростремительного ускорения a=v²/r. И в этом случае бессмысленно задавать вопрос про точность. Но если при решении использовались приближения, вопрос про точность может быть и осмысленным, и сложным (например, если это формула для емкости плоского и цилиндрического конденсатора).

Бывают формулы для настоящих физических законов. Примеры: закон Кулона, закон всемирного тяготения, законы Кеплера. Здесь применимы все сформулированные выше вопросы.

Отдельная группа — формулы, относящиеся к свойствам веществ и являющиеся в некоторых случаях упрощением более точных или применимых в более широкой области формул. Примеры: закон Гука, законы Паскаля, газовые законы, зависимость удельного сопротивления проводников от температуры. Здесь также применимы все сформулированные выше вопросы.

И, наконец, нечто аксиоматическое или нечто, подтверждаемое многочисленными экспериментами. Иногда пишут и так, и этак, причем в одной книге. Это законы сохранения и начала термодинамики.

В школьном учебнике встречаются формулы всех этих типов. И при всяком возникновении в учебном курсе новой формулы можно спрашивать, какого типа данная формула (из только что перечисленных). Причем ответ не всегда однозначен. Например, закон Ома может быть и определением сопротивления, и настоящим законом, если у нас есть независимые определения входящих в него величин. Аналогична ситуация со вторым законом Ньютона.

В большинстве учебников вопрос о точности законов физики вообще обходится, т. е. обычные формулы считаются точными⁷.

Для попутного с обычным курсом физики задавания попутных вопросов есть ситуации, не обязательно прямо связанные с формулами:

• если какая-то величина названа большой или малой, то по сравнению с чем и почему это существенно;
• если какая-то величина используется как непрерывная (плотность вещества, плотность заряда) то где и как проявится дискретность (атомы, электроны);
• если к утверждению приведен пример, то можно ли привести еще пример;
• можно ли привести контрпример (естественно, связанный с отменой какого-то предположения);
• к любому утверждению можно добавить вопрос — при каких условиях соблюдается и не соблюдается;
• при введении любого понятия можно обсудить границы его применимости (например, бывают ли вообще постоянные токи и сосредоточенные силы).

К поиску ответа можно привлекать и учеников — если найдутся увлекающиеся и привлекающиеся. При поиске материалов, имеющих отношение к тем или иным терминам, употребленным в школьном учебнике, можно использовать линк-лист «Научно-популярные статьи по физике и астрономии в Интернете» (около 1900 линков, 44 тыс. скачиваний линк-листа с 2007 года). В нем как раз большинство линков привязано к терминам или утверждениям школьного учебника, поскольку при его создании предполагалось использование параллельно с прохождением обычного курса физики.

Примерно так — в виде специального и серьезного «приоткрывания калитки» или постоянного «капания на мозги» может быть реализован мостик от ЕГЭ-физики к чему-то, похожему на настоящую физику. Впрочем, эти два способа можно применять и одновременно.

У этой статьи один автор, но использован коллективный опыт; автор, как вы понимаете, благодарен. Об истории нашей команды FMSH.RU (это и имя, и сайт) рассказано в статье «Привет! Мы с тобой ровесники!..»⁸.

Леонид Ашкинази

¹ Химия и жизнь, 2024, № 2, с. 51. Статьи, опубликованные в журнале «Химия и жизнь», можно найти в Интернете по их названиям.

² ТрВ-Наука, 2024, № 3, с. 13.

³ Химия и жизнь, 2020, № 4, с. 16.

⁴ Химия и жизнь, 2020, № 5/6, с. 32.

⁵ № 12 (406), с. 14; 2023, № 26 (394), с. 11; 2023, № 21 (389), с. 5.

⁶ Химия и жизнь, 2023, № 3, с. 50.

⁷ Иногда возможность ограниченной точности всё же упоминается, например в книге: Бутиков Е. И. , Кондратьев А. С. Физика для углубленного изучения. В университетском учебнике (Алешкевич В. А. Электромагнетизм) есть пример, доведенный «до числа» — указано экспериментальное ограничение (10^–16) на отклонение от степени два в законе Кулона.

⁸ Химия и жизнь, 2022, № 10.