Научных методов познания

Выпускники вузов, занимая позиции на производстве, не только выполняют функции своих предшественников, но и влияют на дальнейшее развитие хозяйственного комплекса. Степень изменения и конечный результат их работы зависят от дальновидности и глубины осознания своей деятельности.

Процесс научного познания в самом общем виде это решение различного рода задач, возникающих в ходе практической деятельности. Возникающие при этом проблемы решаются с использования особых приемов, с помощью которых можно перейти от известного знания к новому. Такая система приемов называется методом. Таким образом, методесть совокупность приемов и операций практического и теоретического познания действительности.

Владение методами познания можно рассматривать как одну из ключевых компетентностей, которой должен обладать современный инженер. Овладение учащимися методами научного познания в период обучения в ВУЗе делает процесс обучения осмысленным, а учащихся уверенными в своих силах.

Физика это фундаментальная наука о природе и взаимосвязи явлений в природе. Физика формирует современное мировоззрение и научный стиль мышления человека; развивающая умения и навыки самостоятельной исследовательской и практической деятельности. Система организационных форм обучения по курсу физики (также как и по многим другим дисциплинам) состоит из трёх компонент: лекции, практикума по решению теоретических задач, лабораторного практикума по решению экспериментальных задач. Каждая организационная форма опирается на соответствующие методы, имеющие междисциплинарный спектр применения (т.е. используемые в самых различных областях науки).

Общенаучные методы эмпирического познания включают наблюдение, эксперимент, измерение.

Наблюдение определяется как чувственное отражение предметов внешнего мира и характеризуется целенаправленностью (постановка задачи исследования), планомерностью (наблюдение проводится согласно плану), активностью (исследователь активно ищет и выделяет нужные моменты).

По способу проведения наблюдения могут быть непосредственными и опосредованными, т.е. проведенными с помощью приборов. В настоящее время различают также косвенные наблюдения, в которых представление об объекте складывается по результатам его взаимодействия с другими предметами.

Эксперимент предполагает активное, целенаправленное воздействие на изучаемый объект. Эксперимент включает в себя наблюдение и измерение.

По способу проведения эксперименты могут быть исследовательские и проверочные. Исследовательские эксперименты направлены на обнаружение новых, неизвестных свойств. Проверочные - направлены на подтверждение теоретических построений. По методике проведения эксперименты делятся на качественные и количественные. Качественные эксперименты носят поисковый характер, а количественные устанавливают количественные зависимости в исследуемом явлении.

Измерение процесс определения количественных значений свойств объекта при помощи специальных приборов. Различают прямые (непосредственное сравнение с эталоном) и косвенные (искомая величина находится по результатам прямых измерений, связанных с искомой математической зависимостью).

Основные общенаучные методы теоретического познания:метод формализации, аксиоматический и гипотетико-дедуктивный методы.

Формализация – отражение приобретенного знания в знаково-символическом виде (например, математические символы). Формальные системы позволяют проводить исследования какого-либо объекта без непосредственного обращения к нему. Достоинство формальных систем – краткость и четкость фиксирования информации.

Аксиоматический метод – один из способов дедуктивного построения научных теорий.

Сущность гипотетико-дедуктивного метода заключается в создании дедуктивной системы связанных между собой гипотез, из которых выводятся утверждения об эмпирических фактах. Этот метод широко используется при построении физических теорий. Структура гипотетико-дедуктивного метода состоит из следующих пунктов.

1) Ознакомление с фактическим материалом, требующим теоретического объяснения с помощью существующих теорий и законов.

2) Если не удается выполнить первый пункт, то выдвигаются предположения о причинах и закономерностях данного явления.

3) Все предположения оцениваются и из них выбирается наиболее вероятное.

4) Из гипотезы дедуктивным путем выводится следствие, проверяемое экспериментально.

Методы, применяемые и на эмпирическом, и на теоретическом уровнях познания это анализ, синтез, абстрагирование, идеализация, мысленный эксперимент, индукция, дедукция, аналогия, моделирование.

Анализ – разделение объекта на составные части с целью их самостоятельного изучения.

Синтез–объединениемысленное или реальное различных сторон объекта в единое целое.

Абстрагирование – переход от чувственно воспринимаемых конкретных объектов к абстрактным представлениям о них. Исследователь отвлекается от менее существенных сторон объекта и выявляет более существенные.

Идеализация – особый вид абстрагирования, который представляет собой мысленное внесение изменений в изучаемый объект, согласно целям исследований.

Мысленный эксперимент играет роль предварительного идеального плана реального эксперимента. В ходе мысленного эксперимента идеализированный объект ставится в условия, соответствующие целям исследования.

Индукция – метод познания, который путем умозаключения ведет к общему выводу на основе частных результатов.

Дедукция – метод, который на основе общего умозаключения ведет к частным выводам.

В основе метода аналогии лежит сходство свойств у различных в целом объектов. Чем больше известно свойств и глубже выявлена между ними связь, тем выше вероятность получения правильного результата.

Моделирование заключается в процессе создания, изучения объекта-модели и перевода результатов на объект-оригинал. В зависимости от характера используемых моделей различают следующие виды моделирования: 1) мысленное моделирование – в качестве модели – воображаемый объект; 2) физическое моделирование – основывается на физическом подобии между моделью и оригиналом; 3) символическое моделирование – представление свойств объекта-оригинала в виде графиков, схем, чертежей и т.п.; 4) компьютерное моделирование – основывается на изучении объекта при помощи соответствующих компьютерных программ

Физика изучает наиболее простые формы движения материи, поэтому на учебных занятиях возможно показать процесс познания сути физических явлений. Рассмотреть возникновение проблемы и способы её решения, проверить результат, полученный разными способами. Проведение лекций, практик и лабораторного практикума требует от преподавателя подбора методов, позволяющих осуществить основные этапы изучения предмета: услышать соответствующую тему, представить все озвученные физические явления мысленно, увидеть осуществление этих явлений визуально и формально, исследовать различные модели явлений. Кроме того, необходимо провести параллель с уже изученными темами и возможными проявлениями явлений при изучении других дисциплин. Выбор того или иного метода решается в зависимости от конкретных условий. Выделяются основные стратегии обучения, каждая из которых предрасполагает к выбору преимущественных методических приемов:

ü информационная стратегия – использует метод сообщения факта, уже добытых знаний, сведений (как правило, это монологическая форма обучения);

ü проблемная стратегия – ориентирована на обсуждение, дискуссию, обмен мнениями;

ü социально-ролевая стратегия – вбирает весь комплекс методов.

Если в качестве основной цели стратегии выступает информационность, то основная задача – дать определенную сумму знаний, добиться того, чтобы эти знания выстроились в определенную систему, были достаточно осмыслены и закреплены. Проблемность решает актуальные для слушателей отдельные моменты изучаемого материала. Узловой момент проблемности – совместный поиск ответов на вопросы, не имеющие однозначного решения. Социально-ролевое обучение приближает учащегося к реальной производственной обстановке. Позволяет оценить свои силы при решении реальной задачи.

Выбор метода познания можно объединить в две большие группы в зависимости от 1) характера взаимодействия обучающегося и обучающего и 2) отношения обучающегося к содержанию, источникам и средствам, формам и методам обучения. Вместо информационной направленности обучения в настоящее время приходит образование, в основе которого лежат активные методы обучения. Их можно подразделяет их на две группы:

• имитационные методы (анализ конкретных ситуаций, учебные игры, имитационные упражнения);

• неимитационные методы (проблемные лекции, проблемные семинары, тематические дискуссии, дебаты, научно-практические конференции).

Обучение учащихся бывает эффективным, если учащиеся:

- активно включаются во взаимоотношения и сотрудничество с другими участниками образовательного процесса;

- получают возможность для анализа своей деятельности и реализации собственного потенциала;

- могут практически подготовиться к тому, с чем им предстоит столкнуться в ближайшее время в жизни и профессиональной деятельности;- могут быть самими собой, не бояться выражать себя, допускать ошибки.

Таким образом, применение методов познания неразрывно связано с разными формами и методами организации учебного процесса.

Проведем анализ формирования у обучающихся понятия магнитного поля, создаваемого разными источниками по теме «Магнитное поле токов различной формы» раздела курса физики «Электромагнетизм». Цель анализа – установление соответствия метода познания и формы организации учебного материала.

Лекция как форма обучения опирается прежде всего на теоретические методы познания, включающие следующую последовательность действий:

1) обобщение определённой группы знаний и постановку проблемы;

2) выдвижение обоснованного предположения, дающего ключ к решению поставленной проблемы, гипотезы;

3) вывод из гипотезы вытекающих следствий, которые позволяют объяснить наблюдаемые или предвидеть новые явления.

Ниже приведены отрывки из лекционного материала и соответствующий научный метод.

Метод формализации (Отражение приобретенного знания в знаково-символическом виде (например, математические символы), приведения исследования какого-либо объекта без непосредственного обращения к нему, краткое и четкое фиксирование информации):.«МагнитнОЕ поле.Магнитные явления были известны еще в древнем мире. Компас был изобретен более 4500 лет тому назад. Он появился в Европе приблизительно в XII веке новой эры. Однако только в XIX веке была обнаружена связь между электричеством и магнетизмом и возникло представление о магнитном поле.

Рис.1 Взаимодействие токов.

Первыми экспериментами, показавшими, что между электрическими и магнитными явлениями имеется глубокая связь, были опыты датского физика Х. Эрстеда (1820 г.). Эти опыты (рис.1)показали, что на магнитную стрелку, расположенную вблизи проводника с током, действуют силы, которые стремятся повернуть стрелку. В том же году французский физик А. Ампер наблюдал силовое взаимодействие двух проводников с токами и установил закон взаимодействия токов.

По современным представлениям, проводники с током оказывают силовое действие друг на друга не непосредственно, а через окружающие их магнитные поля.

Электрическое поле действует как на неподвижные, так и на движущиеся в нем электрические заряды. Важнейшая особенность магнитного поля состоит в том, что оно действует только на движущиеся в этом поле электрические заряды. Опыт показывает, что характер воздействия магнитного поля на ток различен в зависимости от формы проводника, по которому течет ток, от расположения проводника и от направления тока. Следовательно, чтобы охарактеризовать магнитное поле, надо рассмотреть его действие на определенный ток.

Если вблизи одной движущейся заряженной частицы (заряд 1) будет находиться вторая движущаяся с такой же скоростью V заряженная частица (заряд 2), то на второй заряд будут действовать две силы: электрическая (кулоновская) и магнитная сила , которая будет меньше электрической в раз, где с – скорость света»

Физическое и символическое моделирование (физическое подобие между моделью и оригиналом; представление свойств объекта-оригинала в виде графиков, схем, чертежей и т.п). «линии магнитной индукции.Магнитное поле изображают с помощью линий магнитной индукции — линий, в каждой точке которых направлен по касательной. Линии магнитной индукции всегда замкнуты, охватывают проводники с током и лежат в плоскостях, перпендикулярных проводнику(рис.2).

Это означает, что магнитное поле не имеет источников – магнитных зарядов. Силовые поля, обладающие этим свойством, называются вихревыми.»

Абстрагирование(переход от чувственно воспринимаемых конкретных объектов к абстрактным представлениям о них); идеализация (особый вид абстрагирования, который представляет собой мысленное внесение изменений в изучаемый объект, согласно целям исследований); мысленный эксперимент (идеализированный объект ставится в условия, соответствующие целям исследования). «Соленоидом называется длинная прямая катушка с током, диаметр которой намного меньше ее длины. Рассчитаем, индукцию магнитного поля внутри соленоида, применяя теорему о циркуляции. Циркуляцией МП называется интеграл по замкнутому контуру от скалярного произведения индукции МП на элемент контура:

Закон полного тока длямагнитного поля в вакууме (теорема о циркуляции вектора В): циркуляция вектора В по произвольному замкнутому контуру равна произведению магнитной постоянной m₀ на алгебраическую сумму токов, охватываемых этим контуром:

, (8)

где n — число проводников с токами, охватываемых контуром Lпроизвольной формы. Каждый ток учитывается столько раз, сколько раз он охватывается контуром. Положительным считается ток, направление которого образует с направлением обхода по контуру правовинтовую систему; ток противоположного направления считается отрицательным.

Рис.8

Рассмотрим соленоид длиной l, имеющий N витков, по которому течет ток (рис. 8).Экспериментальное изучение магнитного поля соленоидапоказывает, что внутри соленоида поле является однородным, вне соленоида — неоднородным и очень слабым. На рис. 6 представлены линии магнитной индукции внутри и вне соленоида. Чем соленоид длиннее,

тем меньше магнитная индукция вне его. Поэтому приближенно можно считать, что поле бесконечно длинного соленоида сосредоточено целиком внутри него, а полем вне соленоида можно пренебречь.

Мысленный эксперимент (предварительный идеальный план реального эксперимента). «Магнитное поле прямого тока—тока, текущего по тонкому прямому проводу бесконечной длины (рис. 4). В произвольной точке А, удаленной от оси проводника на расстояние b, векторы dB от всех элементов тока имеют одинаковое направление, перпендикулярное плоскости чертежа («от нас»). Поэтому сложение векторов dB можно заменить сложением их модулей. В качестве постоянной интегрирования выберем угол α (угол между векторами и ), выразив через него все остальные величины.

Рис.4

Из рис. 4 следует, что (3) (радиус дуги CD вследствие малости dl равен r, и угол FDCпо этой же причине можно считать прямым). Подставив эти выражения в (2), получим, что магнитная индукция, создаваемая одним элементом проводника, равна . (4)

Практические занятия (решение задач)-теоретическая проверка установленных законов и явлений.

Физические задачи можно классифицировать:

· по содержанию;

· по способу выражения условий;

· по основному методу решения.

Классификация физических задач важна для теории и практики преподавания, поскольку она позволяет преподавателю полностью использовать возможности задач как средства обучения и воспитания.

По содержанию физические задачи разделяют на задачи по разделам физики, с абстрактным и конкретным содержанием, тренировочные и комбинированные, творческие. По основному способу выражения условия можно разделить на текстовые, экспериментальные, графические, схематические. По основному методу решения задачи классифицируют на качественные, вычислительные, графические, экспериментальные. При решении качественных задач требуется объяснить, что то или иное физическое явление или предсказать, как оно будет протекать в определенных условиях. Отсутствие вычислений при решении позволяет сосредоточить внимание учащихся на физической сущности. Необходимость обоснования ответов на поставленные вопросы приучает рассуждать, помогает глубже осознать сущность физических законов.

Каждый класс задач при решении требует применения целого комплекса научных методов. Сопоставим условия некоторых задач методам, применение которых необходимо для их решения.

Анализ и дедукция-«Любители чая считают, что кипяток, налитый в чашку, может заметно остыть даже за несколько секунд, что испортит качество получившегося чая. Проверим, правы ли они.

Над чашкой очень горячей воды поднимается пар. Скорость подъема пара, оцениваемая на глаз, равна υ = 0,1 м/с. Считая, что весь поднимающийся над чашкой пар имеет температуру 100 ⁰С, оцените скорость остывания чашки с очень горячей водой за счет испарения воды (эта скорость измеряется в градусах на секунду). Масса воды в чашке m = 200 г., площадь поверхности воды S = 30 см², удельная теплота парообразования λ= 2,3·10⁶ Дж/кг, Удельная теплоемкость воды С = 4,2·10³ Дж/(кг·⁰С), плотность воды пара при 100 ⁰С равна ρ = 0,58 кг/м³.

Мысленный эксперимент - «Находящийся в вакууме легкий цилиндр может с малым трением вращаться вокруг своей оси. Половина поверхности цилиндра окрашена в черный цвет, другая половина – зеркальная. Как повернется цилиндр под действием солнечного излучения, если солнечные лучи направлены перпендикулярно оси цилиндра?

Физическое моделирование-«Камера заполнена воздухом. Температура ее стенок равна . На дне камеры малое количество воды. Давление в камере , объем ее . Состояние равновесное. Объем камеры начали медленно увеличивать, сохраняя неизменной температуру стенок . Когда объем камеры удвоился ( ), вода на дне полностью исчезла. Определите температуру сосуда , если начальное давление =3 атм., конечное =2 атм.»

Мысленное моделирование – «Глюк пустил плавать по тихому озеру горящую свечу. Чтобы обеспечить ей вертикаль­ную устойчивость, к ее нижнему концу он прикрепил маленький груз. Определите максимальное время τ горения свечи, если она однородна по всей длине, имеет плотность ρ = 0,9 г/см3 и время полного сгорания τ0 = 20 мин. Считайте, что вещество свечи сгорает без остатка. Плотность воды ρ0 = 1,0 г/см3.»

Синтез– «Каким образом Природа совместила необходимость прочности скелета земных представителей фауны с минимальной массой его?»

Символическое моделирование – «Тепловой двигатель работает по цик­лу, состоящему из двух изохор и двух адиабат (см. рис.). Температура рабочего тела (одно­атомного идеального газа) в точках 1, 2 и 4 рав­на соответственно Т1=524 К, Т2=786 К и Т4=300 К. Найдите температуру в точке 3 и ко­эффициент полезного действия двигателя.»

Лабораторные работы-экспериментальное подтверждение теоретических выводов. Совпадение теоретических выводов с результатами опыта формирует правильное представление о строении материального мира и законах его изменения. Создает основу развития интереса учащихся к познавательной и творческой деятельности.

Основными этапами проведения лабораторного практикума являются:

1) изучение учащимися определенного явления, программы, методики на практике;

2) ознакомление с приемами проведения измерений и правилами обработки информации;

3) выявление отклонений фактического и опытного образцов;

4) выявление причин данных отклонений;

5) написание выводов, содержащих рекомендации по принятию соответствующих решений, анализ полученных результатов.

Основной научный метод лабораторных работ эксперимент (наблюдение и расчет).

Наблюдение– «Тема: «Наблюдение сплошного и линейчатых спектров».