Теоретическая астрофизика

При рассмотрении интеграции физики и астрономии некоторые вопросы астрономии укладываются в структуру учебного предмета физики («Относительность движения и выбор удобной системы отсчета», «Законы небесной механики», «Молекулярная физика газовых скоплений», «Спектральный анализ», «Термоядерный синтез», «Оптические приборы» и т. п.), что создает основу для интеграции. Включение же «космической лаборатории» в традиционный физический материал углубляет познавательный, мировоззренческий потенциал курса физики, усиливает его значение как фундаментальной науки о закономерностях природы, а не только как теоретической основы техники. Некоторый принципиально важный материал («Астрономические наблюдения», «Строение планет, звезд, галактик, Вселенной») может быть представлен только в виде отдельных блоков после изучения физических теорий и законов, необходимых для его понимания. По мнению большинства астрофизиков, еще далеко не исчерпана возможность объяснения всех наблюдаемых в галактиках и их ядрах, в квазарах, нейтронных звездах и черных дырах явлений на основе существующих представлений, не прибегая к существенно новым физическим представлениям. Такого же мнения придерживается большинство ведущих ученых о проблеме «недостающих масс» в скоплениях галактик . Из сказанного следует, что рассмотрение основных свойств космических объектов, не говоря уже об описании свойств «ближнего» космоса - Солнца и солнечной системы, может быть адекватно выполнено на основе фундаментальных положений современной физики.

Происходящая в настоящее время модернизация образования направлена на повышение качества обучения физике. Одно из важнейших направлений в этой области - демонстрация универсальности физических законов и их справедливости для всех явлений природы во Вселенной - связано с новым подходом к проблеме межпредметных связей. Особое положение и роль здесь отводится изучению вопросов астрофизики, существенно расширяющих и углубляющих наши представления о строении и свойствах окружающего мира.

Значение астрономии школьники видят в том, "чтобы изучать мир за пределами нашей Земли, перемещаться на другую планету, изучать космические объекты, расширять свои знания о мире и его устройстве, в развитии культуры и знаний человечества, понять кто мы и что мы такое, изучать физические явления в космосе, предсказать приближение какого-то тела к Земле" и т. д.

Следует отметить, что тенденция включения вопросов астрофизики в учебные пособия по физике получила широкое и устойчивое распространение в системе обучения физике в США. При этом соответствующие вопросы и темы излагаются как в виде самостоятельных разделов, так и включаются в качестве примеров при изложении традиционных вопросов физики. Отдельные вопросы астрофизики включаются и в отечественные учебные пособия.

Многие учителя используют астрономический материал на своих уроках в разделах "Механика", "Электромагнитное излучение", "Геометрическая оптика", "Тепловые явления", "Магнитное поле", "Атомная физика", "Квантовая физика".

Не нарушая баланс времени школьного курса физики, надо внести доступный научный материал по астрофизике ,который должен отвечать следующим принципам: важность, научность, доступность.

Вопросы физики мегамира можно внести в следующие темы курса физики в средней и старшей школе:

Урок «Электромагнитные волны». Изучая шкалу эл.маг волн обязательно говорим о видимом излучении, источниками которого являются солнце, звезды, рентгеновские волны - слушаем сообщение об открытии и обнаружении «черных дыр», ультрафиолетовые и инфракрасные волны тоже связаны с солнцем.

Урок «Реактивное движение» начинаем с биографии К.Э.Циолковского - основная идея об использовании ракет для космических полетов, идея многоступенчатых ракет выдвинута ученым в начале ХХ столетия (задачи на движение космических объектов). При изучении движения тел в гравитационном поле записываем первую и вторую космические скорости и рассматриваем траектории движения тел, перечисляя планеты солнечной системы, кометы и т.д. Особое внимание заслуживают искусственные спутники Земли с помощью которых исследуют атмосферу, ведут фотосъемку поверхности Земли, осуществляют радиосвязь и конечно международная космическая станция.

В настоящее время космические корабли исследуют планеты Солнечной системы, а межпланетные станции позволяют получать детальные фотографии с относительно близкого расстояния всех планет и спутников

Вопрос: с каких точек поверхности Земли выгоден запуск космического корабля? С каких планет, спутников?

Тема урока «Электрический ток в различных средах. Плазма.»

Наша Земля окружена плазмой-ионосферой (50-60км), ионизация воздуха из-за излучения Солнца. В окрестностях земной орбиты плотность солнечного ветра (ионы и электроны) составляет 10 частиц в 1 см.куб. Они движутся со скоростью 450 км/с. На столах таблицы: «Звезды и их характеристики».

Предложенный материал по физике мегамира актуализирует ранее изученные законы, подводит к обобщению изученного и, в результате, к осознанию естественнонаучной картины мира. Часть данного материала уже используется учителями физики на уроках, но, к сожалению, в большинстве случаев бессистемно. В результате теряется целостное представление о физике мегамира и вообще о физике. Наш развивающийся мир претерпевает изменения, и они более глобальны и значимы в космических масштабах. В школьном курсе должны своевременно отражаться такие изменения. Это условие современного образования является одной из важнейших мотиваций обучения. Учащихся на уроках необходимо знакомить с тем, что происходит в космосе, а также с перспективами на будущее, которые обозначаются современной наукой.

Итак, наука - живой, развивающийся организм, а непрерывное расширение пространственных и временных границ познанной части Вселенной дает человеку уверенность в собственной значимости, столь необходимую сегодня.

Вторая половина XX века с его выдающимися достижениями в физике, астрономии, космонавтике характеризуется существенным приростом в целостном представлении естественнонаучной картины мира. Накопление знаний о Космосе важно для человечества, поскольку существование земной цивилизации зависит от того, что представляет собой наша Вселенная, как она развивается.

В современных условиях возросла роль образования в осознании человеком, что он является жителем планеты Земля. В процессе обучения становится актуальным развитие такого типа мышления учащихся, которое способствует системному видению современных проблем человечества, в том числе и проблем космического уровня.

Качество знаний по физике у учащихся общеобразовательных школ может быть повышено в процессе усвоения курса физики, гармонично включающего в себя вопросы астрофизики, опирающиеся на общую методологию физики, за счет мировоззренческого характера этих вопросов, комплексного характера решаемых ими проблем, за счет содержания в них большого потенциала для развития мышления учащихся.

Методологическую основу исследования составляют:

-труды ученых-физиков по мировоззренческим и методологическим аспектам достижений физической науки (Л. Бройль, С.И. Вавилов, Р. Фейнман, А. Эйнштейн и др.);

-труды ученых - физиков и астрофизиков (В. А. Амбарцумян, В. JI. Гинзбург, Д. Лейзер, И. Д. Новиков, И. Пригожин, С. Хокинг и др); -достижения и тенденции развития теории и методики обучения физике, методологические основы школьного курса физики (С. В. Бубликов, Г. А. Бордовский, А. С. Кондратьев, В. В. Лаптев, А. А. Самарский и др.);

-методическая система преподавания астрономии (Б. А. Воронцов-Вельяминов, М. М. Дагаев, Е. Ю. Диркова, А. В. Засов, В. В. Иванов, Е. П. Левитан, В. Г. Сурдин и др.);

-теория модернизации отечественного образования (JI. С. Выготский, JI. Я. Зорина, В. В. Краевский, 3. И. Калмыкова, Максимова В.Н., В. Т. Фоменко и др.).

На основании проведенных теоретических исследований и результатов педагогического эксперимента на базе кафедры методики обучения физике РГПУ им. А. И. Герцена можно сделать следующие выводы:

1. Повышение качества физического школьного образования возможно благодаря включению в курс физики средней школы вопросов астрофизики, целью изучения которых является демонстрация универсальности физических законов для всего материального мира от элементарных частиц до галактик и повышение мировоззренческого аспекта физики.

2. Исследовательский характер современной астрофизики требует исследовательского подхода в ее преподавании в рамках концепции «образование как учебная модель науки».

3. Использование астрофизического материала в школьном курсе физики способствует развитию научного стиля мышления и повышению уровня физического понимания, формированию методологической и исследовательской культуры учащихся.

4. Преподавание астрофизических вопросов в курсе физики должно опираться на общую методологию физики и надежные качественные методы, не нарушая структуры курса физики, научного стиля изложения материала.

5. При включении астрофизических вопросов целесообразно использовать два методических подхода: 1) астрофизический материал используется в качестве иллюстрации определенного свойства вещества и действия законов физики на уровне мегамира; 2) некоторые астрофизические вопросы могут рассматриваться в качестве самостоятельных тем как продолжение определенных тем стандартного школьного курса физики, тогда появляется возможность создания на основе изучаемого материала четкой целостной картины некоторого круга явлений и выработки правильных в научном смысле представлений о строении и свойствах Вселенной.

6. Основными критериями отбора астрофизического материала для школьного курса физики являются: возможность демонстрации универсального характера физических законов, их применимости для описания явлений космического масштаба; высокая научная и познавательная ценность изучаемого материала как в плане усвоения основных положений методологии физики, так и в плане практической и мировоззренческой полезности сообщаемых знаний; достоверность материала; доступность материала как в плане использования основных положений и представлений физики, так и в плане используемого математического аппарата; возможность создания на основе изучаемого материала четкой целостной картины некоторого определенного круга явлений и, в результате, формировании физической картины Мира.

7. Обучение современной физике по предложенной методике способствует повышению качества знаний по физике благодаря формированию целостного системного мышления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Включение вопросов астрофизики в курс физики средней школы соответствует современному состоянию науки, которая находится в поисках единой теории строения Вселенной. Такое включение ориентирует педагогов на анализ и формирование межпредметных связей, обеспечивающих целостность образовательного процесса.

Литература:

1. А. С. Кондратьев, М. А. Крупнова, И. Я. Ланина. Современные проблемы реализации межпредметных связей при изучении физики. //Сб. "Актуальные проблемы обучения физике в школе и вузе". -СПб., 2003.

2. Е.П. Левитан, А.Ю. Румянцев. Дидактика астрономии: от ХХ к ХХI веку. //Земля и Вселенная

2. Матарцева Е.А. Методическая разработка интегративного урока физики «Относительность механического движения и покоя на примерах астрономических явлений» //Астрономия в образовательной области «Естествознание». - СПб.: Изд-во ГУПМ, 2000. С.21-28.

4. Матарцева Е.А. Об интеграции физики и астрономии. //Физика в школе и вузе: Сборник научных статей,- СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2001. С.92-94.