На правах рукописи

ШУРУХИН Виталий Олегович

ИЗУЧЕНИЕ ЭНТРОПИИ В КУРСЕ ФИЗИКИ

СРЕДНЕЙ ШКОЛЫ

Специальность: 13.00.02 - теория и методика обучения физике

АВТОРЕФЕРАТ

ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДА

ТА ПЕДАГОГИЧЕСКИХ НА УК

Работа выполнена на кафедре методики обучения физике Российского государственного педагогического университета им.А.И. Герцена.

Научный руководитель:

кандидат педагогических наук

, доцент А.А.Быков

Официальные оппоненты:

член-корреспондент РАО, доктор педагогических наук, профессор А.П.Тряпицына кандидат технических наук, доцент И.Н.Барбарич

Ведущая организация:

Санкт-Петербургский государственный университет

Защита состоится 22 июня 2000 г. часов на заседании диссертационного совета Д 113.05.09 по присуждению ученой степени доктора наук в Российском государственном педагогическом университете имени А.И.Герцена по адресу: 191186, г. Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 48, корп.

1, ауд. 209.

С диссертацией можно познакомиться в фундаментальной библиотеке университета.

Автореферат разослан "19"...мая:........2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета: И.В. Симонова

Общая характеристика работы

.

Система школьного образования сегодня интенсивно меняется, изменяются цели и задачи, изменяются методики преподавания предметов.

Предпосылками к этому, безусловно, служат, во-первых, изменения нашего общества в целом, во-вторых, огромные темпы научно-технического прогресса, за которым должна успевать школа, интеллектуализация школьного образования должна опережать интеллектуализацию производства.

Следует отметить, что это происходит в свете сокращения количества учебных часов, отводимых для изучения предметов естественноматематического цикла и физики, в частности.

Выходом из складывающейся ситуации может служить, по нашему мнению, дифференциация образования. Школа должна подготовить и создать базу для воспитания и образования всесторонне развитых людей, в том числе заложить содержательные основы формирования научной элиты. Одним из способов достижения этого является создание разноуровневых программ образования школьников. Необходимо предоставить возможность способным и одаренным детям углубленно и расширенно изучать интересующие их предметы.

Эта задача решалась многие годы. Организовывались специализированные школы, в последнее время появились специализированные классы во многих общеобразовательных школах. В настоящее время существует большое число учебных заведений, реализующих программу по физике повышенного уровня. Несмотря на то, что учителя этих школ имеют огромный опыт работы со способными и одаренными детьми, колоссальный запас методических разработок, в свете сегодняшнего дня необходимо, по нашему мнению, углубление и расширение курса физики в школе.

Основной задачей физико-математических школ, по нашему мнению, должно являться активное формирование научного стиля мышления у учащихся, соответствующее современному развитию физики как науки.

"Научное мышление в широком смысле слова - это система норм, выработанных в ходе многовекового развития науки, инвариантных для всех развитых наук во все эпохи и противостоящих позициям повседневного обыденного мышления" (Мощанский В.Н.). Научное мышление характеризуется систематичностью и логическим построением, при котором одни знания выводятся из других. Важным признаком научного мышления является осознанный контроль за процедурой получения знаний, фиксация и предъявление строгих требований к методам познания.

М.Борн ввел в научный обиход термин "стиль научного мышления". Стиль мышления - это система принципов логического построения знания, отличающая также наиболее продуктивные методы научного познания. В процессе эволюции происходит эволюция стилей мышления при переходе от одной физической картины мира к другой.

До начала XX века в физике господствовал механический или классический стиль мышления. Основными чертами этого стиля является убежденность в том, что характеристики сущности явлений однозначны, движение каждого объекта предопределено заранее, всегда можно точно предсказать будущее развитие системы.

Современная физика - это наука, строящаяся на основе квантовой механики, статистической физики, физики элементарных частиц и высоких энергий. В последнее время, активно развивается неравновесная термодинамика:

изучаются процессы самоорганизации в открытых системах, на основе их изучения разрабатываются и внедряются новые технологические приемы изготовления точнейших полупроводниковых систем (в частности, систем пониженной размерности). Для процесса обучения важно, что ряд особенностей статистической физики распространяется на другие области знаний - химию, биологию, экономику, социологию и др.

Перечисленное выше можно рассматривать как научные основания, для понимания и объяснения которых необходимо рассмотрение нового стиля научного мышления, основанного на формировании, вероятностных представлений еще в школе. Такой стиль мышления, появившийся с пересмотром классических представлений в физике был назван квантовополевым или вероятностным.

Результаты нашего исследования позволяют утверждать, что достаточно полно этим требованиям на школьной стадии обучения отвечает выявление статистических особенностей в термодинамике.

Понятие энтропии традиционно считалось сложным для учащихся средних школ и практически не изучалось в классах даже повышенного уровня.

Однако, как нам представляется, пришло время для изучения энтропии.

Известно, что и внутренняя энергия до шестидесятых годов не изучалась в средней школе.

Энтропия - это одно из основных физических понятий термодинамики и молекулярной физики, которое дает возможность понять физический смысл фундаментальных законов природы. Мы стремились, основываясь на принципе доступности в методике преподавания, найти возможности упрощения материала так, чтобы он стал посилен учащимся как физикоматематической, так и базовой школы. Такая попытка была сделана в ряде школ с углубленным изучением физики, и в частности, в физикоматематической гимназии №30 Санкт-Петербурга. Вначале для учащихся классов был организован спецкурс "Элементы статистической физики" (1992-93 учебный год). На данном спецкурсе были выяснены возможности учащихся десятого класса по восприятию данного материала. В 1996- учебном году, после значительной переработки и существенного упрощения, этот материал был впервые предложен учащимся на уроках. Апробация прошла в названной выше школе, гимназии № 171 Центрального района и ряде других школ в 1998-99 уч. году.

Экспериментальное преподавание показало, что учащиеся не только могут овладеть материалом в достаточной степени, но и само понятие энтропии вызывает у них большой интерес, так как с ним связано объяснение многих физических явлений.

Особое внимание при изучении энтропии делается на формулировку второго начала термодинамики, выявление его статистической природы и на использование этого понятия при объяснении основ работы тепловых двигателей.

В курсе физики базовой средней школы второе начало термодинамики либо не изучается, либо очень сжато даются две формулировки (Клаузиуса и Кельвина-Томсона). Очень редко показывается их эквивалентность. Перевод этих формулировок на язык энтропии практически сводит второе начало термодинамики к закону неубыванию энтропии в адиабатически изолированной системе.

В программе изучения физики повышенного уровня, предлагаемой Министерством образования, предполагается ознакомить учащихся с принципом работы машины Сади Карно. К недостаткам этой программы можно отнести то. что строго доказать оптимальность машины Карно без применения понятия энтропии или неравенства Клаузиуса не представляется возможным.

Но опыт преподавания показывает, что изучение понятия энтропии только с позиций термодинамики или только статистически не является, с нашей точки зрения, достаточным для раскрытия смысла этого понятия. Поэтому мы предлагаем введение энтропии как термодинамически, так и статистически. Однако, отдавая себе отчет в том, что материал является достаточно сложным, рассматриваются градации по уровню образовательных организаций. В рамках базовой школы понятие энтропии будет вводиться исключительно на качественном уровне.

Однако для учащихся специализированных классов это понятие должно и может стать одним из фундаментальных представлений физики.

Таким образом, одностороннее изучение второго начала термодинамики как основного (эмпирического) закона природы в школьном курсе физики (не только базового, но и повышенного уровня) не удовлетворяет, как нам представляется, современным требованиям развития науки.

Так же, нам кажется важным построить в классах курса физики повышенного уровня аксиоматически законченный курс термодинамики.

Формулировка второго начала термодинамики на языке энтропии логично сочетается с введением в курс теоремы Нернста (третьего начала). Таким образом, предлагаема методика, как показывает экспериментальное преподавание, дает возможность завершить в полном объеме построение курса термодинамики в школе.

Таким образом, необходимостью совершенствования содержания методики социальной потребностью формирования вероятностного стиля мышления учащихся.

Объектом исследования является процесс обучения термодинамике и молекулярной физике преимущественно в классах повышенного уровня.

Предметом исследования является методика изучения второго начала термодинамики с использованием понятия энтропии.

Цель исследования - совершенствование содержания школьного физического образования путем изучения темы "Второе начало термодинамики и основы работы тепловых машин" с использованием понятия энтропии; разработка методики изучения данной темы.

В основу исследования положена гипотеза. целенаправленный отбор учебного материала курса термодинамики, соответствующего математического аппарата, разработанная методика изложения темы и подобранный компьютерный эксперимент позволяют выявить статистические закономерности второго начала термодинамики, определить границы его применимости, сводя к закону неубывания энтропии в адиабатически изолированной системе, построить аксиоматически законченный курс термодинамики, что приведет к повышению качества знаний учащихся.

При проведении исследования и проверки гипотезы решались следующие задачи:

1.Изучение и анализ методической литературы и передового педагогического опыта по проблеме преподавания второго начала термодинамики в средней школе.

2.Обоснование необходимости изучения второго начала термодинамики и основ работы тепловых машин в средней школе с использованием понятия энтропии.

3.Отбор фактического материала и разработка основ методики преподавания, применимых к школьному курсу физики различных уровней.

4.Создание прикладного пакета методических разработок.

5.Исследование влияния предлагаемой методики на качество знаний учащихся в ходе педагогического эксперимента.

При решении поставленных задач применялись следующие методы исследования: анализ физико-математической, психолого-педагогической, философской, методической, учебной литературы; анализ учебных программ по физике различных уровней; педагогические измерения по результатам письменных работ и устных ответов учащихся; проведение открытых уроков физики по разработанной методике с последующим их разбором;

анкетирование учителей и учащихся; обсуждение результатов исследований на научно-педагогических конференциях, педагогический эксперимент.

Методологической основой исследования явились: философские, психологические, педагогические концепции познания; методология физики и дидактики; работы известных физиков; тенденции развития методики обучения физике.

Достоверность и обоснованность результатов исследования обеспечивается:

•разносторонним анализом проблемы исследования;

•использованием традиционных показателей продуктивности предлагаемой методики;

•использованием методов исследования, адекватных поставленным задачам;

•длительностью педагогического эксперимента (1993-1999 годы).

Критерием эффективности предлагаемой методики служит:

•качество знаний учащихся по физике;

•заинтересованность учителей-практиков предлагаемой методикой и готовностью работать по ней.

Научная новизна и теоретическая значимость работы заключается в следующем:

1.В отличие от выполненных ранее исследований (И.И.Соколов, Л.П.Свитков М.И.Блудов и др.), в которых указывалось на необходимость включения, без должной методической поддержки, в школьную программу по физике изучение понятия энтропии, в нашей работе предлагается обоснованная методика изучения этого понятия, включающая:

•термодинамическое определение энтропии и иллюстрации направленные на выявление ее физического смысла;

•использование возможности сведения второго начала термодинамики к закону неубывания энтропии;

•в отличие от более ранних методик, рассмотрен вероятностный подход к выявлению физического смысла этого понятия;

•изучение основ работы тепловых машин с использованием понятия энтропии.

2.Разработана система знаний учащихся по вопросам термодинамики и молекулярной физики, связанным со вторым началом термодинамики.

3. Предложен новый подход к конструированию знаний учащихся по "Термодинамике".

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1.Теоретические разработки доведены до уровня внедрения в педагогическую практику некоторых школ и классов, реализующих программу по физике повышенного уровня.

2. Разработан прикладной пакет методических материалов, использующийся учителями школ при изучении соответствующей темы.

3.Опубликован ряд статей по проблеме исследования, в которых изложены не только теоретические подходы автора, но и отражены основные идеи предлагаемой методики, которые могут быть использованы учителямипрактиками.

Апробация результатов исследования осуществлялась в физикоматематической гимназии №30 Василеостровского района СанктПетербурга, гимназии №171 Центрального района и ряде других школ города.

Таким образом, в результате проведенного исследования на защиту выносятся следующие положения:

1.Тенденция приведения содержания образования в соответствие достижениям физики как науки делают необходимым, а предлагаемая нами методика делает возможным изучение в условиях дифференцированного образования законченной аксиоматики термодинамики.

2.Усвоение понятия энтропии учащимися возможно (и в базовой школе), если его вводить на уровне качественного рассмотрения термодинамики в рамках изотермического процесса.

3.Качество знаний учащихся по термодинамике и молекулярной физике может быть существенно повышено при рассмотрении энтропии с точки зрения вероятности.

4.Применение вероятностных подхода к трактовке энтропии способствует формированию (наряду с некоторыми понятиями других разделов курса физики) современного научного (вероятностного) стиля мышления учащихся.

из введения, четырех глав, содержит 133 страницы текста, первой и второй главах производится отбор материала для изложения, основанного на классической методике изучения примерное планирование уроков по изложенной тематике. В усвоение и закрепление предлагаемого материала.

Основное содержание диссертации Первая глава "Отбор содержания учебного материала для изучения понятия энтропии с точки зрения классической термодинамики" посвящена анализу учебной и методической литературы по излагаемой тематике.

Первый параграф посвящен рассмотрению различных формулировок второго начала термодинамики и доказательству их эквивалентности. Так же здесь показывается, что различные виды энергии неравноценны в отношении способности переходить в другие виды. Материал этого параграфа основан на традиционной методике преподавания физики в школе и BУ3e.

Во втором параграфе рассматриваются обратимые и необратимые процессы, тепловая машина Карно, приводится одно из доказательств оптимальности цикла Карно, основанный на графическом изображении процессов с помощью тепловых столбов. Так же в этом параграфе отмечается частое, не вполне корректное, определение обратимых процессов.

Дается углубленный анализ встречающихся в учебной литературе неточностей.

Третий параграф посвящен построению термодинамической шкалы температур, независящей от вида и конструкции термометра. Анализируется возможность и необходимость введения излагаемого материала в курс физики школы.

этого факта в курсе физики Вуза предлагаются в четвертом адаптированных для школ. Одним из выходов, по нашему мнению, является переформулировка неравенства Клаузиуса на языке энтропии, чему посвящен пятый параграф. Здесь анализируется классическое термодинамическое определение энтропии, приводится одно из доказательств закона неубывания энтропии в адиабатически изолированной системе, предлагается формулировка теоремы Нернста. Так же в этом параграфе делаются общие выводы по доступности предлагаемого материала для изложения в школе.

Во второй главе "Отбор содержания учебного материала для изучения понятия энтропии с точки зрения теории вероятности" приводятся примеры физических величин для выявления глубокого физического смысла которых, необходимо рассмотрение вероятностных представлений.

В первом параграфе анализируется объем знаний по теории вероятности необходимый для иллюстрации физического смысла понятия энтропии.

Показывается, что методика строгого математического изложения теории вероятности требует большого резерва времени, которого пет в курсе физики 10 класса, в следствие чего, актуален вопрос о создании новой методики введения вероятностных представлений в физике.

Второй параграф посвящен выявлению качественной и количественной связи между понятиями энтропии и вероятности. Здесь же приводится строгое доказательство формулы Больцмана. В этом параграфе проведен анализ доступности и обьема изложения материала, согласно традиционной методики курса физики Вуза.

В третьем параграфе рассматриваются границы применимости второго начала термодинамики. В качестве наиболее характерных процессов, при протекании которых нарушается второе начало термодинамики, приводятся процессы самоорганизации в открытых системах. Анализируется, что при изложении материала в школе формирование границ применимости физических законов и второго начала термодинамики, в частности, является одной из ключевых задач процесса обучения.

В четвертом параграфе рассматриваются психологопедагогические аспекты преподавания понятия энтропии в курсе физики средней школы. Рассматривается взаимосвязь между психикой ребенка и его образованием, необходимость развития уровней мыслительной деятельности, которые наиболее соответствуют ориентации человека в современной науке, необходимостью организации у учащегося современного научного стиля мышления.

Третья глава "Основы методики изучения второго начала термодинамики и основ работы тепловых машин, базирующееся на использовании понятия энтропии" посвящена конкретной методике изложения названной темы в курсе физики средней школы, апробированный в ходе педагогического эксперимента. Фактический материал по теме, частные и общие методические рекомендации по его изучению.

В первом параграфе предлагается термодинамически определить изменение энтропии, обсудить вопрос о выборе нулевого значения (теоремы Нернста) и основываясь на простейших качественных примерах:

•изотермическое расширение идеального газа, находящегося под невесомым поршнем в отсутствии трения;

•изотермическое расширение идеального газа, находящегося под невесомым поршнем с трением между поршнем и стенками;

•теплообмен между двумя телами, получить общий закон неубывания энтропии в адиабатически изолированной системе.

На основе этого закона дать определения обратимого и необратимого процессов, после чего перейти к традиционным определениям курса физики средней школы.

Далее предлагается связать понятие энтропии с вероятностью состояния. Это делается во втором параграфе. Здесь предложены два подхода:

качественный (который может быть использован в школе базового уровня), и количественный (для более сильных учащихся) с получением одного из основных соотношений молекулярной физики -формулы Больцмана. Отмечается, что понятие энтропии, определяющуюся не только пространственным, но и динамическим хаосом в расположении молекул, применяется к описанию физических процессов в различных разделах курса физики, приводится пример охлаждения при адиабатическом размагничивании. Рассмотрим кристаллы, ионы решетки которых имеют постоянный магнитный момент. Векторы магнитных моментов ионов разбросаны по направлениям в беспорядке, присутствует выраженный ориентационный хаос. Поместим такие кристаллы в сильное магнитное поле (например - электромагнита) и охладим до физико-технического предела.

Ориентационный беспорядок пока мал, так как существует преимущественная ориентация по магнитному полю. Теперь очень быстро (адиабатически) выключим магнитное поле. Магнитные моменты ионов разбросаются в беспорядке, ориентационный хаос увеличится, следовательно, уменьшится динамический, и образец остынет. Так же предлагается выявить статистическую природу и границы применимости второго начала термодинамики, приведя примеры из современной науки, в частности, основываясь на примерах синергетики.

Излагаемый материал предлагается закрепить при решении задач и ответе на качественные вопросы.

В третьем параграфе, в отличие от традиционной методики, изучение основ работы тепловых машин предлагается проводить, используя полученные знания о постоянстве энтропии в обратимых процессах и увеличении энтропии в необратимых процессах. Это позволяет рассчитать КПД машины Карно и доказать ее оптимальность.

В четвертом параграфе рассматриваются общие принципы конструирования методических и дидактических материалов по проблеме исследования.

Излагаемая методика изучения второго начала термодинамики и основ работы тепловых машин рассчитана на пять академических часов, поурочное планирование, набор задач и вопросов, методические указания вынесены в приложение.

В четвертой главе обсуждается содержание и результаты констатирующего, формирующего и контрольного этапов педагогического эксперимента, которые проводились с целью обоснования и подтверждения выдвинутых в диссертации теоретических положений.

На различных этапах эксперимента применялись различные методы исследования: анализ психолого-педагогической, философской, методической литературы, учебных пособий и программ по физике для базовых школ и школ повышенного уровня, научный анализ и обобщение передового педагогического опыта, проведение и анализ уроков при изучении темы по традиционной и защищаемой методике, анкетирование учителей и учащихся.

Результат эксперимента показал возможность изучения второго начала термодинамики и основ работы тепловых машин с использованием понятия энтропии в средней школе.

Результаты проведенного исследования позволяют сделать следующие выводы:

1.Доказано, что требование повышения уровня и качества знаний по физике в условиях дифференциации образования и приведения содержания образования в соответствие с достижениями современной науки необходимо предполагает преподавание в школьном курсе физики понятия энтропии.

использованием понятия энтропии, введенного на основе термодинамики изотермического процесса и проиллюстрированного с точки зрения вероятности, не представляет существенных трудностей для учащихся классов с углубленным изучением физики.

З.В ходе исследования разработана методика изучения темы "Второе начало термодинамики и основы работы тепловых машин", подкрепленная пакетом методических материалов.

теоретических положений и применимость методических рекомендаций по изучению данной темы.

5.Выполненное исследование, в определенной мере, открывает перспективы для развития методики обучения физике по темам, связанным с понятием энтропии.

Основное содержание исследования отражено в следующих работах соискателя:

1.Энтропия в курсе физики средней школы. //Теоретические проблемы физического образования: Материалы научно-практической конференции северозападного отделения РАО.- СПб.: Образование, 1996.

2.Изучение энтропии и вероятности в средней школе. //Современные проблемы изучения физики в школе и вузе: Материалы международной научной конференции "Герценовские чтения".- СПБ.: Изд-во РГПУ им.А.И.Герцена, 1999.

3.Изучение второго начала термодинамики и энтропии в курсе физики средней школы. //Современные проблемы изучения физики в школе и вузе:

Материалы международной научной конференции "Герценовские чтения". СПб.: Изд-во РГПУ им.А.И.Герцена, 1999. (в соавторстве с А.А.Быковым).

4.Энтропия и динамический (термодинамический) хаос в расположении молекул. //Методика обучения физике в школе и вузе. Сборник научных статей. - СПб.: Изд-во РГПУ им.А.И.Герцена, 1999. (в соавторстве с А.А.Быковым).

5.К вопросу об изучении энтропии в курсе физики средней школы. //Физикоматематическая гимназия № 30. Сборник научно-методических статей. Спб/ Изд-во "Тирекс", 1996.

В работах [3] и [4] научный руководитель А.А.Быков сформулировал задачу исследования, принимал участие в обсуждении результатов, давал анализ предлагаемым примерам. Основные результаты исследования, отраженные в публикациях, выполнены автором диссертации.

НМЦ УОК Администрации Василеостровского р-на.

Подписано к печати 16.05.2000 Размножено на ризографе.

Формат 145x210. Тираж 100 экз. Зак. №78.