Вовк людмила Іванівна



Сторінка1/12
Дата конвертації12.09.2017
Розмір2.6 Mb.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12
  • ВОВК Людмила Іванівна



АКТИВІЗАЦІЯ НАВЧАЛЬНО-ПІЗНАВАЛЬНОЇ ДІЯЛЬНОСТІ СТУДЕНТІВ

НА ОСНОВІ МЕТОДУ АНАЛОГІЇ У НАВЧАННІ ФІЗИКИ

(НА НЕФІЗИЧНИХ ФАКУЛЬТЕТАХ)

Полтава – 2008
  • УДК 371.3:378.14:53

  • Рекомендовано до друку вченою Радою Полтавського університету споживчої

  • кооперації України



(Протокол №8 від 17 вересня 2008 року)

Рецензенти: В.Р. Ільченко – академік АПН України, доктор педагогічних наук, професор, завідувач лабораторії інтеграції змісту освіти, Інституту педагогіки АПН України

О.П. Руденко – доктор фізико-математичних наук, професор, завідувач кафедри загальної фізики ПДПУ ім. В.Г.Короленка
ВОВК Л.І.

Активізація навчально-пізнавальної діяльності студентів на основі методу аналогії у навчанні фізики (на нефізичних факультетах)


У монографії дається теоретико-методичне обгрунтування необхідності і доцільності оволодіння студентами нефізичних спеціальностей методом аналогії у процесі вивчення фізики для активізації навчально-пізнавальної діяльності. Метод аналогії вводиться не лише при вивченні теоретичного матеріалу фізики у вищих закладах освіти, як це було у відомих дослідженнях, а й при розв’язуванні аналогічних задач, що приводить до розвитку уміння розв’язувати не тільки прості аналогічні задачі, а й більш складні. На основі проведених автором теоретико-експериментальних досліджень формулюються вимоги та практичні рекомендації щодо організації навчального процесу з застосуванням методу аналогії, який сприяє активізації навчально-пізнавальної діяльності студентів, активізації самостійної розумової діяльності, розвитку творчих здібностей і наукового мислення студентів.

Для науковців у галузі методики навчання фізики, аспірантів, студентів, викладачів фізики.



ПЕРЕДМОВА
У Державній національній програмі „Освіта: Україна ХХI століття” перед вищою школою поставлено завдання перенести освіту на рівень досягнень розвинутих країн світу та інтегрувати її у міжнародне науково-освітнє співтовариство. Реформування вищої освіти на основі врахування тенденцій суспільного розвитку є одним з найактуальніших завдань становлення державності України. Сьогодні вже можна говорити про прогресивні тенденції у розвитку методології вищої школи. Разом з цим набувають нового значення проблеми формування мотивації та пізнавального інтересу, активізації навчально-пізнавальної діяльності, самостійності, творчої активності студентів, організації контролю і самоконтролю, практичного застосування здобутих знань у житті.

У підготовці спеціалістів технічних і технологічних спеціальностей (майбутніх творців високотехнологічних продуктів та наукоємних технологій) важливе місце займає фізика. Завдання підготовки студентів з фізики вимагають оволодіння ними не тільки глибокими фізичними знаннями, а й науковими методами пізнання та здобування знань згідно з діючими кваліфікаційними вимогами до певної спеціальності.

Аналіз ролі методу аналогії у розв’язуванні різноманітних проблем, у розвитку мислення та у підвищенні рівня знань студентів з фізики дає можливість висунути і обґрунтувати ідею про необхідність розробки і доцільність впровадження у практику вищої школи методу аналогії ширше і глибше, ніж це відображено у сучасній методичній літературі. Тому одним із завдань дослідження стала розробка рекомендацій спрямованих на оволодіння студентами методом аналогії, який неодноразово відігравав і відіграє суттєву роль у розвитку фізики, має пояснювальну функцію, сприяє відкриттю нового і при цьому залишається доступним у використанні.

При застосуванні методу аналогії студенти порівнюють явища, виконують аналіз їх ознак, вибирають з поміж них істотні та неістотні, класифікують і систематизують ці ознаки, роблять узагальнення та висновки, тобто використовують широкий спектр розумової діяльності. При встановленні аналогії відомі властивості і відношення стають засобом у визначенні невідомого елемента аналогії. Таким чином, метод аналогії сприяє активізації самостійної розумової діяльності, розвитку творчих здібностей і продуктивного мислення майбутніх фахівців.

З переходом на кредитно-модульну систему навчання, яка впроваджується у ВНЗ, відбувається збільшення навчальних годин на самостійну роботу студентів. Застосування методу аналогії у процесі вивчення фізики якраз і приводить до оволодіння ними досвідом самоосвітньої діяльності, оскільки цей метод спонукає студентів до самостійної розумової діяльності.

Але метод аналогії залишається маловживаним методом у навчанні, оскільки немає конкретних рекомендацій по формуванню вмінь студентів самостійно застосовувати цей метод.

Аналіз літератури показав, що існують можливості застосування методу аналогії не тільки при вивченні теоретичного матеріалу курсу фізики, як це було у відомих дослідженнях, а й при розв’язуванні задач. Для формування вміння розв’язувати задачі за допомогою методу аналогії ми розробили методичні рекомендації. Виявили класи аналогічних задач та створили засоби для їх розв’язування.

Існуюча невідповідність між необхідністю оволодіння спеціалістами методами науки, які виступають як методи активізації навчально-пізнавальної діяльності студентів і засоби набуття знань, і відсутністю методик навчання з застосуванням методу аналогії послугувало написанню цієї монографії.



РОЗДІЛ 1

Аналогія – метод наукового пізнання
1.1. Метод аналогії у навчанні фізики
Освітня система покликана забезпечувати формування активної творчої особистості, сприяти виробленню самостійного мислення людини.

Головне призначення навчання – вчити приймати рішення, вчити алгоритмам і моделям вироблення цих рішень. Педагоги-практики і науковці працюють над розробкою підходів до організації навчального процесу, які мають на меті розвиток здібностей студентів самостійно добувати знання і творчо використовувати їх у нових умовах. На даний час створено немало технологій навчання, які забезпечують організацію активної діяльності студентів.

Психологічні аспекти активізації пізнавальної діяльності висвітлені в роботах Д.М. Богоявленського, В.М. Вергасова, П.Я. Гальперіна, Д.Б. Ельконіна, О.М. Матюшкіна, М.О. Менчинської, Я.О. Пономарьова, Ю.О. Самаріна, Н.Ф. Тализіної [18, 28, 49, 108, 112, 138, 163, 176, 209]. Закономірності психологічних явищ, на основі яких можливий розвиток пізнавальної активності студентів, досліджено у роботах Д. Брунера, О.М. Леонтьєва, С.Л. Рубінштейна та ін. [22, 99, 155]. Аналіз принципів, методів і форм навчання, що активізують пізнавальну діяльність зробили С.І. Архангельський, Ю.К. Бабанський, В.М. Вергасов, В.І. Загвязінський, Б.І. Коротяєв, І.Я. Лернер, П.І. Підкасістий, М.М. Скаткін [8, 9, 10, 11, 12, 28, 63, 86, 101, 102, 135, 170].

Вдосконаленню змісту, методів, організаційних форм і засобів для ефективного вивчення фізики в школі присвячені роботи А.М. Алексюка, О.І. Бугайова, С.У. Гончаренка, П.О. Знаменського, С.Ю. Каменецького, Є.В. Коршака, О.І. Ляшенка, П.Я. Михайлика, Д.В. Пьоришкіна, Л.І. Резнікова, М.Й. Розенберга, О.В. Сергєєва [4, 5, 24, 52, 74, 87, 88, 89, 118, 129, 130, 148, 152, 167, 168]. Значний внесок у розробку питання про застосування навчальних задач у процесі навчання фізики внесли О.І. Бугайов, С.У. Гончаренко, C.Е. Каменецький, С.В. Коршак, О.І. Ляшенко, В.П. Орєхов, В.Г. Розумовський, А.В. Усова [24, 74, 88, 113, 129, 150, 183]. Вагомі результати в цьому напрямку отримані в спеціальних дослідженнях, проведених Г.В. Касяновою, Б. Мірзоєвим, П.Я. Михайликом, А.І. Павленком, О.І. Савченком, А.В. Примаковим та ін. [77, 116, 118, 131, 132, 140]. А.І. Павленко розглядає самостійне складання і розв’язування навчальних фізичних задач учнями як ефективний та доступний метод їх навчально-пізнавальної діяльності, інструмент пізнання. А.В. Примаков, запропонував систему фізичних задач, графічний спосіб розв’язування яких є більш раціональним.

З.І. Калмикова зазначає, що „немає різниці між продуктивним мисленням ученого, що відкриває нові закономірності оточуючого світу, і продуктивним мисленням студента, що робить відкриття для себе самого, тому що в основі лежать загальні закономірності. Тільки умови пошуку знань у них різні, як різні рівні розумової діяльності, які приводять до відкриття” [71]. Тому важливою складовою змісту навчання фізики стає вивчення наукових методів отримання і побудови фізичного знання та організації відповідної навчально-пізнавальної діяльності суб’єктів, щоб підвести до найвищої межі можливості студента з метою постійного підвищення цих можливостей до навчання.

Методами наукового теоретичного пізнання є ідеалізація і формалізація, аналогія, моделювання, мислений експеримент, гіпотеза, сходження від абстрактного до конкретного, зведення конкретного до абстрактного, метод аксіом і тощо. Значні можливості для вдосконалення методики навчання фізики у вищій школі мають місце якраз у застосуванні методу фізичної аналогії, який приводить не тільки до економії часу для засвоєння знань, а й озброює студентів важливим методом наукового пізнання для здобування нових знань (С.П. Бондар, Б.І. Коротяєв, М.Й. Розенберг, Є.С. Клосс) [20, 21, 80, 86, 151].

Метод фізичної аналогії ґрунтується на симетрії фізичних об’єктів і явищ – одному з найважливіших фундаментальних фізичних принципів. Він передбачає пошук загальних властивостей у різних фізичних об’єктах (явищах) і подальше розширення на інші властивості. На всіх етапах розвитку науки аналогія відігравала роль одного з найпоширеніших евристичних методів мислення.

Аналогія – це логічна категорія, яка відіграла значну роль в розвитку фізики. Згодом її почали застосовувати в навчальній і методичній літературі для пояснення і популяризації складних питань. Цінність аналогій полягає в тому, що вони при вивченні фізики виконують функції демонстраційного експерименту, допомагають створити опорні образи, які значно полегшують засвоєння пояснюваних понять.

Доцільно розібрати питання взаємовідносин між методом аналогії та моделюванням. Моделювання – це дослідження об’єктів пізнання за допомогою побудованих моделей реально існуючих предметів і явищ. В.А.Штофф визначив місце аналогії у моделюванні: „Відношення моделі до модельованого об’єкту є відношення не тотожності, а аналогії. При цьому звичайно реалізується ... головним чином аналогія на рівні функції і на рівні структури” [204, с. 52]. Тому використання аналогії у пізнанні пов’язано з використанням моделей.

Фізики ХІХ сторіччя розглядали моделі як засіб пояснення всіх фізичних явищ з точки зору механіки або класичної електродинаміки. Можливість побудови різних механічних моделей на базі однієї фізичної теорії призвела до абсолютизації феноменологічних методів у фізиці. Багато моделей, що вважались метафізичними, було відкинуто. Розвиток фізичної картини світу, причинами якого стали теорія відносності та квантова механіка, привів до деякої дискредитації модельних уявлень взагалі. Моделі стали розглядатися вченими як класичний спосіб пояснення фізичних явищ.

Моделей і аналогій стали уникати і в навчальній, і у методологічний літературі. Стан змінився після спеціальних досліджень С.Е. Каменецького [73] та А.І. Уємова [180]. С.Е. Каменецький провів дослідження про доцільність використання аналогій у курсі фізики середньої школи. У результаті цієї роботи дослідник прийшов до висновку, що методично правильне використання аналогій у процесі навчання підкреслює загальні закономірності у реальних процесах і явищах природи, покращує наочність у навчанні і сприяє розвитку логічного мислення. Даний методичний прийом полегшує засвоєння та поглиблення знань учнів.

А.І. Уємов, визначив умови підвищення правдоподібності висновку по аналогії:

  загальні властивості повинні бути суттєвими для двох порівнювальних предметів, цих властивостей повинно бути якомога більше;

  велике значення має різноманітність загальних властивостей: геометричних, фізичних, хімічних;

  перенесена властивість повинна бути такого ж типу як і ті, про які йде мова у посиланнях.

Філософи І.С. Дишелевий та Л.В. Яценко [114] відзначають, що роботи С.Е. Каменецького та А.І. Уємова визначають класичний метод аналогії, а саме – мислення за методом аналогії підкоряється таким же закономірностям, що і робота вчених, які зробили відкриття завдяки аналогії. Класичні методи науки філософи порівнюють із сучасними методиками наукової і технічної творчості Г.С. Альтшуллера, Дж. Гордона та інших, у яких розкривається механізм використання методів науки на різних етапах творчого циклу [6, 7, 214, 215].

Наше дослідження показало, що існує ряд робіт, присвячених питанням навчання фізики, які більш детально розкривають механізм використання методу аналогій, ніж це зроблено у роботах С.Е. Каменецького та А.І. Уємова. Перш за все, слід відзначити роботи С.П. Бондар, у якій розроблені структурно-логічні схеми міркувань за аналгією. Роботи В.Н. Воробйова, Л.Р. Калапуші, С.М. Козела, П.Я. Михайлика, А.І. Павленка, Г.Б. Редька, Ю.В. Сенька [48, 69, 84, 118, 131, 145] та інших поглиблюють і розширюють можливості використання методу аналогії у навчанні фізики.

Роль аналогій у проблемному навчанні визначили С.П. Бондар, Д.В. Вількєєв, О.М. Матюшкін, М.І. Махмутов, С.Л. Рубінштейн [12, 21, 30, 108, 109, 155]. Ю.К. Бабанський пише: „Встановлення за аналогією спільного між різнорідними фізичними явищами завдяки ефекту раптовості привертає увагу учнів до вивчення нового явища і робить це вивчення більш глибоким” [11, c.11]. Так само і у студентів з’являється інтерес, бажання пізнати нове, знайти спільне й відмінне між вивченим і тим, що вивчається.

Якщо при розв’язанні навчальної проблеми студент звертається до аналогії, це означає, що він зрозумів проблему і намагається її розв’язати. При цьому розумовий пошук починається з актуалізації попередніх знань (С.Л. Рубінштейн, О.М. Матюшкін), за допомогою яких розв’язувалися подібні проблеми. Такого ж самого погляду дотримується і Д.В. Вількеєв: „Спочатку аналіз обмежується тільки співвідношенням умов і вимог даної задачі, потім аналіз виходить за межі проблемної ситуації і протікає через співвідношення розв’язуваної задачі з іншими більш чи менш аналогічними задачами” [30, c.24]. Він виділяє п’ять рівнів перенесення відомих способів у нову ситуацію, серед яких є пряме перенесення способу в аналогічну ситуацію і перенесення способу у віддалену аналогічну ситуацію. Він вважає, що встановлення аналогії між двома ситуаціями – акт творчий і часто інтуїтивний, хоча в таких випадках не створюється новий спосіб, а використовується відомий.

Педагоги відзначають, що активна діяльність суб’єкта сприяє розвитку особистості, адже у цей час у голові виникають різноманітні аналогії. Суб’єкт напружує творчу уяву, шукає подібності даного випадку з відомим і вивченим матеріалом, близьким до того, що вивчається, встановлює зв’язки явищами, які вивчаються і потребують пояснення. До нових ідей приводять сміливі аналогії, які зближують процеси, явища, що на перший погляд не мають між собою нічого спільного.

В.В. Попкович у висновках свого дисертаційного дослідження указував на необхідність застосування методів моделювання та аналогій для розвязування фізичних задач. При цьому він відмітив, що ця робота вимагає обєднаного зусилля колективу вчених, методистів і педагогів [139].

А.І. Павленко розглядає самостійне складання і розв’язування навчальних фізичних задач учнями як ефективний та доступний метод їх навчально-пізнавальної діяльності, як інструмент пізнання [131]. У систему завдань на складання задач дослідник включає завдання на встановлення та складання аналогічних задач. Для виконання цих завдань він рекомендує використати ряд задач із „Збірника питань і задач з фізики” П.А. Римкевича [158]. Відмітимо, що розв’язування творчих задач і самостійне творче їх складання сприяє оволодінню досвідом творчої пізнавальної діяльності, оскільки вимагає творчого мислення, дослідницьких вмінь і навичок.

Значні можливості для вдосконалення методики навчання фізики у вищій школі Є.С. Клосс надає застосуванню метода фізичних аналогій, який приводить не тільки до економії часу, а й сприяє розвитку діалектичного мислення студентів, озброює їх важливим методом пізнання для здобування нових знань [80, с.158]. Він пропонує застосовувати цей метод до опису механічних і електромагнітних коливань, хвиль, силових полів.

Механізм процесів, які відбуваються у дослідах з електродинаміки, неможливо спостерігати безпосередньо. У дисертаційному дослідженні Л.В. Ковальчук вказує, що для його розгляду, розуміння і засвоєння є необхідним застосування моделей, аналогій, уявних експериментів тощо [83]. У цій роботі вказано, в яких темах з фізики використовувати методи науки, але механізм їх застосування не наводиться.

Дослідник Б.Г. Кремінський відзначає, що застосування методу аналогії допомагає формуванню наукового стилю мислення, бо при цьому використовуються основні принципи наукового стилю мислення: пояснення, простота, збереження, відповідність та системність [92].

Фудаментальними роботами щодо використання аналогій у навчанні фізики можна вважати роботи: С.Ю. Каменецького, Л.Р. Калапуші, П.Я. Михайлика, Г.Б. Редько, М.А. Солодухіна [68, 75, 120, 145].

Використанню аналогій у викладанні фізики присвячені роботи вищезазначених методистів-фізиків та роботи Ю.Г. Аванесова, С.П. Бондарь, С.Л. Вольштейна, В.Б. Дроздова, О.Ф. Іваненка, К.Б. Любімова, С.А. Тихомирової та Б.М. Яворського [1, 2, 21, 61, 66, 105, 179].

За останні 30 років почали з’являтися статті, що стосуються використання аналогій у практичному курсі фізики – розв’язуванні задач: С.М. Козел (1975) [84], Ю.Г. Щуров (1990) [208], В.Н. Воробйов, Ю.В. Сенько (1981) [48], Б.А. Мукушев (1991) [124], Л.П. Урвачов та Р.Я. Ерохіна (1993) [62], В.І. Кисельов (1998) [79], А.В. Примаков (1997) [141], П.Я. Михайлик (1998), Л.Р. Калапуша, О.А. Швай (1998).

У роботі „Вивчення аналогії між механічними і електричними коливаннями” Ю.Г. Аванесов порівнює процеси, що відбуваються при коливанні пружного маятника, і процеси у електричному коливальному контурі [1].

Аналіз статей у „Віснику вищої школи” за останні тридцять років виявив тільки одну статтю, присвячену використанню методу аналогії у навчанні фізики. Це стаття В.Л. Шейнфельда „Застосовуючи метод аналогій” [202]. У ній автор характеризує метод аналогії як метод пошуку наукової істини. Він відзначає цінність цього методу, завдяки його пояснювальній функції та можливості поєднання з історичним підходом. Автор показує, як можна підвести студента до самостійного відкриття ефекту виведення формули, закону тощо, завдяки використанню методу аналогії.

У своїх роботах [35,38] ми показали роль використання методу аналогії при викладенні фізики у вищій школі для інтенсифікації навчання. Як бачимо, за час, що пройшов після завершення дослідження С.Ю. Каменецького (з 1959 р.) методика навчання фізики збагатилась чималим матеріалом щодо більш широкого і ефективного застосування методу аналогії.
1.2. Історія застосування аналогій
Для формування у студентів уміння застосовувати метод аналогії ми наводили їм приклади застосування цього методу вченими і винахідниками у своїх відкриттях. Історія фізики – історія сміливих гіпотез, відважних аналогій, „божевільних теорій”, що встановлюють схожість у найнесподіваніших явищах.

Людина давно зрозуміла користь аналогій. Фалес Мілетський (IV ст. до н.е.) засновник давньогрецької філософії, щоб виміряти висоту піраміди запропонував такий засіб: „Якщо довжина твоєї тіні дорівнює твоєму зросту, то довжина тіні від піраміди дорівнює висоті піраміди” [203, с.7]. Коли Фалес спостерігав як працюють ткалі, то помітив, що тканини зліплюються. Це навело його на думку потерти шерстяною тканиною бурштин. І до бурштину, і до шерстяної тканини стали притягуватись дрібні пилинки. Силу, що притягує пилинки, Фалес назвав електричною, бо „бурштин” в перекладі з грецької – „електрон”.

Стародавні атомістики – Демокріт, Епікур, Т. Лукрецій використовували образ пилинок, що безладно рухаються у сонячному промені, як модель руху атомів. Демокріт писав: „Така думка склалася тому, що ці пилинки здаються весь час рухомими, навіть в той час, коли повітря знаходиться в абсолютному спокої” [188, с.3].

Періоду становлення класичної фізики також властиве застосування аналогій. Кеплер стверджував, що магнітні властивості тіл розповсюджуються точно так, як розповсюджується світло. „Я особливо люблю ці аналогії, моїх надійних вчителів, учасників таємниць природи” – писав він [139, с.10].

Галілей використовував аналогію для підвищення імовірності відомої гіпотези, а саме гіпотези Коперніка. Він відкрив чотири планетоподібних супутники у Юпітера. Це відкриття дозволило зробити висновок за аналогією: подібно тому, як у центрі системи Юпітера знаходиться найбільше тіло, так і в центрі сонячної системи знаходиться найбільше тіло цієї системи – Сонце. Існування однієї системи за аналогією було свідоцтвом можливості існування іншої.

Галілей звертається до аналогії для обґрунтування того, що Земля рухається. Противники геліоцентричної системи вважали, що рух Землі повинен вплинути на явища, що відбуваються на її поверхні. Наприклад, камінь, кинутий з башти, повинен був би падати не біля її основи, а відхилятись на віддаль, пройдену Землею за час польоту каменя. Подібно до цього і камінь, кинутий з вершини щогли корабля (рухомого), повинен відхилятись від основи щогли на віддаль, пройдену кораблем під час падіння каменя. Супротивники Галілея, знаходячись у сфері розумового експерименту, визначають правомірність аналогії між рухом Землі і рухом корабля. Галілей, звертаючись до реального досліду, доводить обернене: всі тіла на кораблі ведуть себе так, ніби він знаходиться у стані спокою: камінь, який падає біля основи башти; м’яч, кинутий за рухом чи проти руху корабля, полетить на однакову відстань. Ні один дослід на кораблі, що рухається рівномірно, не дає можливості встановити, чи корабель пливе, чи знаходиться у стані спокою. А значить, ні один дослід на Землі не може нам сказати, чи вона знаходиться у стані спокою, чи рухається у просторі з великою швидкістю. Таким чином, Галілей відкинув заперечення проти Коперника і одночасно ствердив свій принцип відносності. У міркуваннях Галілея за аналогією вже помітне оперування конкретними даними експерименту і спостереження, що цілком природно, оскільки саме у Галілея експериментальний метод стає основою науки про природу.

Ньютон, прибічник індуктивного методу, теж вдавався до аналогії, до правдоподібних умовиводів. Так, одне з чотирьох правил-суджень, в яких Ньютон сформулював свій метод досліджень, є аналогією від причини до наслідків. Тому, наскільки можливо, потрібно пристосувати ті ж причини до того ж роду прояви природи. Так, наприклад, диханню людей і тварин, падінню каменя у Європі і Америці, світлу вогнища і Сонця, відбиванню на Землі і планетах. Ця аналогія потрібна була Ньютону зокрема для ототожнення земного тяжіння з всесвітнім тяжінням, після того, як він дав математичне доведення того, що сила, подібна силі земного тяжіння, керує рухом Місяця і планет. Природа тяжіння на інших планетах така ж, як і на Землі.

Ньютон користувався аналогією і для обґрунтування теорії світла. Він проводив аналогію між дією речовини на світловий промінь (і навпаки), і взаємодією тіл на відстані, тобто гравітаційним тяжінням. Хоч корпускулярна теорія світла в тому вигляді, в якому її подав Ньютон, виявилась хибною, але слід все ж відмітити, що, по-перше, вона, згідно з експериментом і спостереженням, пояснює певне коло явищ, що складають геометричну оптику, по-друге, застосовується на новій основі в корпускулярно-хвильовому дуалізмі.

З творчістю І. Ньютона пов’язаний розвиток наукових засад моделювання у природознавстві. До того, як Ньютон відкрив закон всесвітнього тяжіння і сформулював закони механіки, аналогії носили, в основному, якісний характер.

Франклін вірив у спільну природу електричних явищ і помітив аналогію між електричною іскрою та блискавкою.

Завдяки аналогії теплових явищ та руху М.Ломоносов створив теорію теплових явищ як проявлення внутрішнього руху мікроскопічних частинок у макроскопічних тілах.

У трактаті „Опис теорії електрики і магнетики” (1759 р.) професор Епінус використав ньютонівську методику. Замість описового характеру якісного боку явищ, що спостерігаються, він звернувся до розрахункових методів дослідження. Учений зробив висновок, що серед магнітних явищ є такі, що аналогічні електричним. Причому риси схожості і прояву однакових властивостей існують нарівні з рисами суттєвої відмінності. До досліджень Епінуса півтора століття в науці існували погляди Гілберта про відмінність електрики та магнетизму. Тому з висновками Епінуса погодились не відразу. У 1780 р. Баварська академія наук навіть призначила премію на кращу дисертацію, яка давала б стверджуючу відповідь на питання, чи існує фізична аналогія між електричними і магнітними силами.

Наявність законів, що допускають математичне формулювання в області механіки і гравітації, привело фізиків до думки шукати і в інших областях фізичні закони, які можна сформулювати математично. Фізичний закон встановлюється в певній області явищ. При спробі поширити цей закон на інші, ще не досліджені області, може трапитись так, що математична форма закону зберігається, але в ній вкладається новий фізичний зміст. Так, по аналогії із законом гравітаційної взаємодії Ньютона шукали закон електричної і магнітної взаємодії. Ця аналогія вимагала введення точкових електричних зарядів і магнітних мас і формулювання закону взаємодій електричних зарядів (магнітних мас) у вигляді: . Дослід повинен був показати значення n. Як відомо, досліди Кулона (1736-1806 рр.) показали, що n дорівнює 2 (з досить великим степенем точності). Відмітимо, що за аналогією з електростатикою Кулон розвив і магнітостатику.

Ампер досліджував взаємодію паралельних струмів у порівнянні з взаємодією двох зарядів і винайшов закон, аналогічний закону Кулона.

Прикладом надзвичайно плідного застосування методу аналогій є умовиводи Ампера. З досліду Ерстеда відомо, що магнітна стрілка встановлюється перпендикулярно струмові. У магнітному полі Землі стрілка встановлюється перпендикулярно паралелям. Звідси за аналогією випливає, що в Землі протікають колові струми із сходу на захід з врахуванням співвідношення напрямків струмів і магнітної стрілки у досліді Ерстеда. Отже, причина існування магнітного поля – „земні колові струми”. А звідси за аналогією Ампер прийшов до ідеї про молекулярні струми, що створюють магнітне поле постійних магнітів. Володіючи гіпотезою про молекулярні струми, які дозволяють розглядати кожну молекулу як маленький магніт, Ампер вирішив відтворити ці невидимі мікроскопічні молекулярні струми в макроскопічних масштабах у формі колових, а потім і прямолінійних струмів.

Відмічений вище ланцюг аналогій, що грунтуються навколо закону обернених квадратів, який починається з закону освітленості і веде через закон тяжіння Ньютона, закон Кулона до закону Ампера для взаємодіючих струмів, проходить через судження різних вчених, які працювали в різні періоди розвитку фізики.

Цікавим прикладом є аналогія Г.С. Ома між рухом електричних зарядів та тепловим або водяним током. Ом припустив, що рух електрики по провіднику, коли до нього прикладена напруга, аналогічний руху рідини при наявності напору або передачі тепла при наявності градієнту температур. Аналогія Ома сприяла створенню більш образних та ясних уявлень про такі електричні величини, як струм, напруга, опір, електрорушійна сила, які до цього були малозрозумілі.

Досліджуючи електромагнетизм, Фарадей поставив перед собою завдання знайти електродинамічний аналог електростатичної індукції; перетворити магнетизм в електрику. Через десять років напруженої праці він відкрив електромагнітну індукцію (1831 р.). З допомогою аналогії Фарадей висловлював ідею про електромагнітні хвилі. Відомо, що послідовник Фарадея Максвелл також широко користувався аналогіями в своїх дослідженнях по теорії електромагнітного поля. Працюючи над кінетичною теорією газів, він виходить з певної механічної моделі газу, яка по аналогії з видимим рухом макротіл ілюструє внутрішню невидиму структуру газу, невидимий рух молекул. Відмітимо, що Максвелл, мабуть, перший з фізиків охарактеризував метод аналогії як метод фізичного дослідження: „Для створення фізичних уявлень... необхідно освоїтися з існуванням фізичних аналогій. Під фізичною аналогією я розумію часткову схожість між законами двох яких-небудь галузей науки, завдяки якій одна є ілюстрацією іншої” [75, с.8].

Д.І. Менделєєв, розташувавши елементи в порядку зростання атомної ваги та згрупувавши елементи з аналогічними властивостями, розробив періодичну систему елементів, яка відіграє важливу роль у природознавстві. Дослідники високо оцінюють значення таблиці в одержанні трансуранових елементів: „Надзвичайно складна задача хімічної ідентифікації нових елементів успішно розв’язується завдяки аналогії у властивостях між актиноїдами та лантаноїдами. Назва 101-го елементу – менделєвій (на честь Д.І.Менделєєва) – було природним визнанням відкриття вченого, бо без фундаментальних уявлень про періодичність хімічних властивостей елементів дослідникам було б значно важче справитися з тою титанічною та ювелірною роботою, яку потрібно виконувати при синтезі та дослідженні трансуранових елементів” [191, с.12].

У творчості вчених порівняння предметів і явищ та умовивід за аналогією є основою при розробці нових гіпотез і виявленні нових закономірностей. Наприклад, закономірність поширення звуку в повітрі була встановлена на основі порівняння цього явища з поширенням хвиль на поверхні води. У свою чергу виявилось, що звукові і світлові хвилі мають багато однакових властивостей (відбивання, заломлення, інтерференція). Оскільки звук викликається механічними коливаннями тіла, то за аналогією була висунута гіпотеза про те, що і світло теж має хвильову природу (пізніше це підтвердилось). Для відкриття інтерференції світла Юнг застосував акустичну аналогію.

У процесі розвитку теорії відносності також часто застосовувались аналогії. Як відомо, справедливість принципу відносності до механічних явищ була встановлена ще Галілеєм. Пуанкаре, а потім Ейнштейн, поширили його на електромагнітні явища. У 1905р. Ейнштейн надрукував статтю “До електродинаміки тіл, що рухаються”, де показав, що принцип відносності справедливий і у механіці, і у електродинаміці, але видозміні підлягає уявлення про властивості простору і часу.

При розробці формального апарату теорії відносності також застосували аналогії. У 1907-1908 роках Г. Мінковський надав спеціальній теорії відносності завершену форму. Час замінюється мнимою величиною u=ict. Інваріант групи Лоренця x2+y2+z2 переходить у x2+y2+z2+u2. За аналогією до тривимірного простору він ввів чотирьохвимірний простір. У спеціальній теорії відносності аналогом тривимірної відстані став інтервал. У 1911р. А. Ейнштейн писав про багатообразність Г. Мінковського: „Використання цього формального рівноправ’я просторових та часових координат привело до надзвичайно виразного викладення теорії відносності, що значно полегшило її застосування” [210, с.186].

У 1924 р. Луї де Бройль, базуючись на механіко-оптичній аналогії та на висновках з теорії відносності, порівняв рух матеріальної точки з хвилею, довжина якої виражена через планківську сталу та імпульс.

Розвиток фізики, якому передувало відкриття квантової механіки, багатий прикладами застосування аналогії. При вивченні надпровідності академіком М.М. Боголюбовим установлена аналогія з явищем надтекучості. Так, при вивченні коливань кристалічної гратки застосовується поняття фонона, що виникає за аналогією з поняття фотона. Можна говорити про газ фононів і застосувати за аналогією класичну модель ідеального газу в перетвореному вигляді.

Відзначимо, що існує єдність наукової та технічної творчості у пізнавально-психологічному відношенні. Розглянемо приклади винаходів, що були зроблені за допомогою аналогій.

Одного разу брати Монгольф’є піднялися на високу гору у спекотний день. На горі вони спостерігали таку картину: з поверхні озера, розташованого під горою, піднімалась наверх водяна пара. Це явище навело братів на думку створити повітряну кулю і заповнити її не водяною парою, яка швидко нахолоняє, а гарячим повітрям, а ще краще – легким газом. Реальний фізичний процес підштовхнув думку на відповідний винахід.

Відомий конструктор залізничних мостів Брандт багато часу шукав розв’язання нової проблеми – перекинути міст через достатньо широку, а головне, надзвичайно глибоку прірву. Про зведення опорних пунктів на дні прірви або на її краях не могло бути й мови... Одного разу винахідник вийшов на двір подихати свіжим повітрям. У повітрі літало осіннє павутиння. Помітивши його, Брандт подумав: „Якщо павук здатний перекинути павутиння – міст через глибоку і широку для нього прірву (між гілками дерев), то чи не могла б і людина перекинути міст через прірву за допомогою подібних тонких ниток, але значно міцніших (сталевих)” [78, с.101]. Так аналогія допомогла Брандту створити висячі мости.

Образ висячого містка Мендєлєєв переніс у науку: “Спершу науки, як і містки, вміли будувати тільки при опорах із міцних устоїв... На дно не спираючись, і в науках навчились пересягати прірви невідомого, досягати твердих берегів дійсності та осягати весь видимий світ, чіпляючись тільки за добре досліджені берегові устої” [78, с.103].

Слідом за Мендєлєєвим Планк використав цей образ, коли писав про розв’язування протиріччя між гіпотезою кванта та всією структурою класичної фізики: „Крушение всех попыток перебросить мост через возникшую пропасть вскоре уничтожило все сомнения: или квант действия был фиктивной величиной – тогда весь вывод закона излучения был принципиально иллюзорным и представлял просто лишенную содержания игру в формулы – или при выводе этого закона в основу была положена правильная физическая мысль – тогда квант действия должен был играть в физике фундаментальную роль, тогда появление его возвещало нечто совершенно новое, дотоле неслыханное, что, казалось, требовало преобразования самих основ нашего физического мышления, покоившегося со времен обоснования анализа бесконечно малых Ньютоном и Лейбницем, на предположении о непрерывности всех причинных связей” [136,с.145].

Наведемо ще один приклад, коли асоціація за подібністю навела думки на винахід. На аероплані, яким керував Уточкін, ставилось одне магнето. Під час польоту магнето вийшло із ладу, і льотчик урятувався тільки дивом. Хлопчик, який боготворив Уточкіна, вражений йшов додому і думав про те, як запобігти подібним нещасним випадкам. І тут він побачив одноокого чоловіка. Зразу ж майнула думка: „Необхідно два магнето!”. Важливо, щоб від пари предметів хоча б один залишався функціонуючим, коли другий вийшов із ладу.

Цікава історія винаходу протигазу Н.Д. Зелінським. У першу світову війну Німеччина використовувала хімічну зброю. Для захисту від задушливих газів використовували різні реагенти для відповідних газів. Люди гинули, бо невідомо було, який газ використає ворог у наступну газову атаку. Необхідно було створити протигаз, здатний уловлювати та виділяти із повітря будь-які небезпечні гази. Було відомо, що для захисту від газів солдати дихали через шинель або через розпушену землю. Значить, діяв фізичний фактор. Зелінський працював у лабораторії, де займались очищенням спиртів від механічних домішок та суспензій за допомогою активованого вуглецю. Дія вуглецю носила фізичний характер – це була адсорбція вуглецем інших тіл. Володіючи здатністю до спостереження та асоціативного мислення, Н.Д. Зелінський зміг побачити подібність у захисту від газів та у очистки спиртів. В обох випадках діяв однаковий фактор – адсорбція. Отруйні речовини поглинались або адсорбувались шерстю або ґрунтом. Ця аналогія дала можливість створити протигаз для захисту від будь-яких небезпечних газів.

Аналогії з науки поступово почали проникати, як корисний прийом в процеси навчання, вони стали засобом для роз’яснення і популяризації складних питань. Потім аналогії стали проникати і в методику навчання фізики, бо вони мають не тільки наукову, але і методичну цінність.

Щоб сприяти оволодінню студентами методу аналогії ми не тільки наводили приклади застосування цього методу в історії фізики, а й давали завдання самостійно знаходити відповідний матеріал.

Історію розвитку і застосування методу аналогії можна умовно поділити на три етапи:

1 етап – гіпотетичне використання аналогій без теоретичного обґрунтування;

2 етап – створення теоретичної основи методу аналогії у природознавстві і його широке застосування у інших науках;

3 етап – застосування методу аналогії у навчанні фізики, хімії, математики тощо.

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12


База даних захищена авторським правом ©shag.com.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка