Физические теории в школьном курсе физике
Современная физика является чрезвычайно разветвленной отраслью знания, и на основе тех или иных критериев она делится на ряд разделов. Например, по объектам исследования выделяются физика элементарных частиц, атомного ядра, атомная физика, молекулярная физика, физика твердых тел, жидкостей и газов, физика плазмы и физику космических тел.
Подразделение физики можно производить по изучаемым процессам или формам движения материи: механическое движение; тепловое движение; электромагнитные процессы; гравитационные явления; процессы, вызванные сильными и слабыми взаимодействиями. Деление физики по изучаемым процессам показывает, что в современной физике имеют дело не с разрозненной совокупностью множества не связанных или почти не связанных друг с другом законов, а с немногим числом фундаментальных законов или фундаментальных физических теорий, охватывающих огромные области явлений. В этих теориях в наиболее полной и общей форме отражаются объективные процессы в природе.
Физическая теория является одним из элементов системы методологических знаний, это целостная система физических знаний, в полной мере описывающая определённый круг явлений и являющаяся одним из структурных элементов физической картины мира.
К числу фундаментальных теорий динамического типа можно отнести: классическую механику Ньютона, механику сплошных сред, термодинамику, макроскопическую электродинамику Максвелла, теорию гравитации. К статистическим теориям относятся: классическая статистическая механика (или более обще - статистическая физика), квантовая механика, квантовая статистика, квантовая электродинамика и релятивистские квантовые теории других полей.
Школьный курс физики структурирован вокруг четырёх фундаментальных физических теорий: классической механики, молекулярно-кинетической теории, электродинамики, квантовой теории. Теоретическое ядро школьного курса физики воплощает четыре указанные фундаментальные теории, специально адаптированные для школьного курса. Это позволяет выделить в курсе физики генеральные направления в виде учебно-методических линий и затем формировать весь материал вокруг этих линий. Такая генерализация учебного материала позволяет обеспечить формирование у учащихся адекватных представлений о структуре современной физики, а также реализацию теоретического способа обучения.
Генерализация учебного материала направлена на обеспечение качественного усвоения системы знаний, являющихся научной базой общего политехнического образования, на обеспечение эффективности учебного процесса и глубокого и цельного восприятия определённой области знаний; на формирование и развитие творческого, научно-теоретического способа мышления.
Опираясь на работы В.Ф.Ефименко, В.В.Мултановский выделил следующие структурные элементы физической теории: основание, ядро, следствия и интерпретации.
| Физическая теория | |||
| Основание | Ядро | Следствия | Интерпретация |
| Эмпирический базис. Модели. Система понятий. | Законы. Законы сохранения. Принципы и постулаты. Фунд. физ. постоянные | Объяснение эмпирических фактов и предсказание нового. | Истолкование основных понятий и законов. Границы применимости теории. |
Обобщение на уровне физической теории в школьном курсе физики развертывается в соответствии с этапами цикла научного познания, отличаясь от обобщений на уровне понятия и закона объемом: вокруг ядра теории должны группироваться материалы целого раздела курса. Применение обобщений на уровне теории решило бы вопрос о генерализации знаний. Однако применение обобщений в школьном курсе на уровне фундаментальных теорий встречает ряд трудностей. Они состоят в основном в несоответствии математических знаний учащихся применяемому в физических теориях сложному математическому аппарату. Отсюда следует, что для школьного курса физическая теория должна быть специально построена как учебная система знаний, имеющая структуру теоретического обобщения в соответствии с законами познания, решающая элементарными средствами ограниченный, но достаточный круг конкретных задач. При этом основные понятия, идеи, модели материальных объектов и их взаимодействий должны соответствовать современному уровню науки и обеспечивать качественное объяснение широкого круга физических явлений.
Необходимо заметить, что обобщения в разных разделах курса физики средней школы неравноценны. Если классическая механика изложена в классической форме теоретического обобщения, то в разделе «Молекулярная физика» обобщения не носят всеобъемлющего характера. Не выделено теоретических ядер в школьной «Электродинамике», «Колебаниях и волнах», «Квантовой физике».
Это означает, что в рамках школьного курса физики наиболее полно могут быть рассмотрены структура классической механики и молекулярно-кинетической теории. Полностью раскрыть структуру, например, такой фундаментальной теории как классическая электродинамика не представляется возможным (в частности, вследствие недостаточного математического аппарата школьника). При изучении физики в средней школе фундаментальная физическая теория «классическая механика» имеет следующие составляющие:
| КЛАССИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА | |||
| Основание | Ядро | Следствия | Интерпретация |
| Эмпирический базис: наблюдение явлений (движение тел, свободное падение, колебание маятника…) Модели: мат. точка, абс.тв.тело Система понятий: х,l, s, v, a, m, F, p… Кинематические уравнения движения | Законы: законы Ньютона, движения абс. тв. тел, закон всемирного тяготения. Законы сохранения: ЗСЭ, ЗСИ, ЗСМИ Принципы: дальнодействия, независимости действия сил, относительности Галилея. Постулаты: однородности и изотропности пространства, однородности времени. Фунд. физ. постоянные: гравит. постоянная | Объяснение различных видов движения Решение прямой и обратной задачи механики Применение законов в технике (космос, самолёты, транспорт…) Предсказание: Открытие планет Нептун и Плутона. | Истолкование основных понятий и законов. Границы применимости теории: макроскопические тела v << c |
При изучении физики важно отмечать, что между физическими теориями существуют многообразные связи, осуществляемые на разных уровнях. Они проявляются прежде всего в том, что существуют общие для всех теорий понятия (скорость, масса, импульс и др.), общие законы (закон сохранения энергии-импульса). Связи между теориями осуществляются и на уровне общих физических принципов, которые в настоящее время имеют статус методологических общенаучных принципов. К ним относятся принципы соответствия, дополнительности, симметрии и причинности.