«МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗУЧЕНИЯ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ В КУРСАХ ФИЗИКИ СРЕДНИХ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ И ПЕДВУЗОВ ...»

МОСКОВСКИЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

МАЛИНИН АЛЕКСЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗУЧЕНИЯ ТЕОРИИ

ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ В КУРСАХ ФИЗИКИ СРЕДНИХ

ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ И ПЕДВУЗОВ

Специальность 13 00 02-теория и методика обучения физике Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора педагогических наук

Москва 2000

Работа выполнена на кафедре теоретической и общей физики Липецкого государственного педагогическою университета

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор М.Н. Гайдуков доктор педагогических наук профессор Ю.И. Дик доктор педагогических наук Н.Н Шаронова

Ведущая организация: Владимирский государственный педагогический университет

Защита состоится 19 12 2000г. в часов на заседании диссертационного совета Д 113.11. по защите докторских диссертаций по специальности 13.00.02 - теория и методика обучения математике, 13.00.02 - теория и методика обучения физике, 13.00.08 - теория и методика профессионального образования в Московском педагогическом университете по адресу:

107005 г. Москва, ул. Радио, д. 10а, корп.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке Московского педагогического университета.

Диссертация в виде научного доклада разослана 17 11 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор педагогических наук Л.Н. Анисимова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследовании. Теория относительности1 представляет собой в целом фундаментальную (общефизическую) релятивистскую концепцию пространства-времени, лежащую вместе с квантовыми понятиями в основе современной физической картины мира.

Ее идеи пронизывают все здание теоретической физики от релятивистской механики до теории квантовых полей и элементарных частиц. Уже из самого такого статуса теории относительности ясно, что она - весьма не простая, сущностно глубокая теоретическая модель физической реальности, отличающаяся очень высоким уровнем общности, и следовательно, высокой степенью абстрактности. Не зря выдающийся американский физик Р. Фейнман сказал о теории относительности. "Это очень хитрая теория, и достойно удивления уже то, что построить такую теорию вообще оказалось возможным" [1.1, с.94]2.

Значительность философско-мировоззренческого потенциала теории относительности, ее образовательной и воспитательной функций, не вызывает сомнений и дает основание утверждать, что теория относительности имеет общечеловеческую ценность, и потому как элемент культуры должна быть достоянием образованного человека независимо от рода его профессиональной деятельности.

Но как можно сделать теорию относительности предметом изучения в курсах физики средних общеобразовательных учреждений, если ее научный уровень для них запредельно высок? С очевидностью здесь возникает серьезная методическая проблема, связанная с поисками путей разрешения противоречия между средним традиционным уровнем содержания учебного материала названных курсов и высоким научным уровнем теории относительности. Можно ли разработать методические средства, которые, удовлетворяя известным дидактическим требованиям, прежде всего, научности и доступности, обеспечили бы возможности эффективного изучения школьниками основ теории относительности?

Эта проблема определилась в 70-е годы и ее актуальность была связана с перестройкой преподавания физики в общеобразовательной школе (переходом на новое содержание и программы, 60-80-е годы). Ее решению были посвящены кандидатские диссертации Л.Я.

Зориной (1965г.), Г.М. Голина (1968г.), А.Л. Малобродского (1969г.), З.К. Исмаилова (1970г.), А.С. Дробата (1970г.), А.О. Сиэппи (1973г.) и ряда других исследователей (так или иначе затрагивающих названную проблему). Вопросы методики преподавания элементов теории относительности в курсе физики средней школы в 70-80 годах рассматривались в Здесь и далее речь идет о специальной (или частной) теории относительности, для обозначения этого названия обычно используется аббревиатура С ГО Первая цифра ссылки указывает номер списка литературы' 1- список цитируемых работ (с 57), 2- список публикаций автора по теме диссертации (с. 60) трудах Ш.М. Валиходжаева, В.И. Веретынского, Н.М. Зверевой, Л.А. Ивановой, С.Е.

Каменецкого, В.И. Коломина, В.В. Мултановского, А.Н. Малинина, Р.Э. Нудельмана, И,Г.

Пустильника, О.С. Руденко, Ю.И. Соколовского, В.А. Угарова, Б.М. Яворского и др.

Итогом этого этапа методических диссертационных исследований проблемы явилась докторская диссертация А.А. Пинского (1974г.) [1.2], в которой показано, что релятивистские идеи должны вводиться в курс физики по возможности раньше и служить базой для формирования ряда фундаментальных понятий и законов на протяжении всего физического образования. А.А. Пинским была разработана новая система построения курса физики в средней школе и общего курса физики в вузе, в котором релятивистские идеи последовательно и систематически изучаются по всему курсу и где они служат фундаментом для формирования современной физической картины мира. Реализация такого методического подхода была осуществлена в широко известном двухтомнике "Основы физики" Б.М. Яворского и А.А. Пинского [1.3].

Обилие работ по проблеме введения теории относительности в школьный курс физики и методике ее преподавания создает на первый взгляд впечатление, что названная проблема исследована достаточно глубоко и всесторонне, и можно, таким образом, заключить о ее полном и исчерпывающем решении. Однако более внимательное рассмотрение вопроса свидетельствует о неправомерности и поспешности такого заключения.

Большинство диссертационных исследований и работ относилось ко времени, когда основы теории относительности были либо внепрограммным материалом, либо рассматривались лишь в ознакомительном плане, и притом не в системной целостности, а как отдельные элементы (постулаты Эйнштейна, предельность скорости света, взаимосвязь массы и энергии). Столь ограниченная практика массовой школы не могла служить ни ориентиром для названных исследований, ни обоснованием их результатов. В традиционном курсе физики средней общеобразовательной школы 70-80-х годов для теории относительности не было места во всех отношениях - содержательном, структурном, методологическом. Ее элементы представлялись в нем в качестве эпизодического включения, никак не связанного с курсом физики в целом и совершенно не влияющего на уровень физической образованности учащихся. Такое положение дел фактически не изменилось даже тогда, когда после исследований концептуального характера, проведенных В.В. Давыдовым [1.4], В.Г.

Разумовским [1.5], В.В. Мултановским [1.6] и др., начиная с середины 80-х годов, определяющее значение в школьной программе стало отводиться изучению физических теорий при акценте на фундаментальные, генерализирующие курс физики идеи, в том числе релятивистские.

В кандидатских диссертациях и других исследованиях 60-70-х годов, связанных с теорией относительности, не вполне оправданно центр тяжести переносился на чисто дидактический аспект проблемы, без достаточного глубокого научного и онтодидактического анализа теории относительности [1.7]. В результате этого предлагавшиеся в них учебные материалы не представляли собой методическую переработку теории относительности как составляющей физической науки, а в основном заимствовались из различных вузовских учебных пособий и научно-популярных изданий со всеми их традиционными недочетами в трактовке релятивистских идей и результатов [1.8]. Центральное место отводилось формальной стороне, так сказать, видимой части айсберга: эффектам "сокращения длин" и "замедлению темпа хода движущихся часов", преобразованиям Лоренца, "закону зависимости массы от скорости" и др. Справедливости ради следует сказать, что в ряде случаев использовался метод мысленных экспериментов, но его дидактическая эффективность оказывалась невысокой из-за того, что расчеты таких экспериментов, хотя и элементарны, но нередко весьма громоздки.

Диссертационное исследование А.А. Пинского [1.2] и двухтомник "Основы физики"' [1.3] содержат оригинальные методические результаты и разработки по теории относительности, но они скорее пригодны для курса общей физики вузов, чем для курсов физики средних общеобразовательных учреждений (даже имея в виду курс повышенного уровня).

Таким образом, есть основания констатировать, что в результатах методических исследований 60-70-х годов нет целостного решения проблемы методики изучения теории относительности в курсе физики средней общеобразовательной школы. В 80-90-х годах отсутствие такого решения могло стать тормозом дальнейшего совершенствования курсов физики общеобразовательных учреждений в связи с их дифференциацией (соответственно обычным и профильным классам, в том числе физико-математическим) целями среднего образования, прежде всего гуманитарного характера, ставящими во главу угла личностный фактор и общечеловеческие ценности (духовность, гуманизм, свобода и права личности, мировоззренческий аспект знаний и др.). Поэтому возникла потребность в решении обсуждаемой проблемы.

Актуальность исследования обусловливается также наличием ряда противоречий, проявляющихся, прежде всего, на практике между:

- традиционным, сущностно ограниченным, формальным и частным изучением теории относительности в курсах физики средних общеобразовательных учреждений и системно целостным, физически глубоким ее научным содержанием;

- сложившимися местом и ролью теории относительности в курсах физики средних общеобразовательных учреждений и ее фундаментальным значением в современной физике;

- недостаточной математической подготовленностью учащихся и необходимыми для адекватного выражения теории относительности математическими средствами;

- обязательностью выполнения дидактического требования активной познавательной деятельности учащихся при изучении физики и возможностью ее организации в связи с отсутствием методически разработанных учебных физических задач и упражнений по теории относительности;

- потребностью осуществить дифференцированное изучение теории относительности соответственно профилю среднего общеобразовательного учреждения и отсутствием необходимых для этого методик, предусматривающих вариативность учебного материала и различные уровни содержательного выражения сущностных основ теории относительности;

- существующей традиционной научной и методической подготовленностью учителей физики по теории относительности и необходимостью организации ими изучения теории относительности в курсах физики средних общеобразовательных учреждений на уровне, соответствующем современным целям и задачам среднего образования.

Кроме названных, следует назвать противоречие между сформированными у учащихся ранее классическими понятиями пространства, времени и движения (и соответствующими им понятиями скорости, ускорения, массы, импульса, энергии и др ) и существенно отличными от них релятивистскими пространственно-временными и динамическими понятиями, которые необходимо сформировать при изучении теории относительности; первые классические понятия - укоренились в сознании учащихся, они эмпирически обоснованы их обыденным опытом, восходящим к детскому возрасту, вторые - необычные, новые релятивистские понятия, которым совершенно нет никакого эмпирического обоснования в окружающей учащихся обыденной действительности. Наконец, нужно отметить также противоречие между теорией и практикой: экспериментальная база средних общеобразовательных учреждений такова, что отсутствует возможность поставить при изучении теории относительности соответствующие эксперименты (демонстрации, лабораторные работы) гак, как это делается при изучении других разделов курса физики Наличие названных противоречий определило проблему исследования: каковы методические основы изучения теории относительности в курсах физики средних общеобразовательных учреждений, включающие:

- общую теоретико-методическую концепцию, базирующуюся на научном анализе содержания теории относительности и на дидактической концепции теоретических обобщений, связанной с изучением физических теорий в общеобразовательном курсе физики;

- положения, конкретизирующие применительно к изучению теории относительности общие дидактические и методологические требования;

- элементы инвариантного ядра методик изучения теории относительности в общеобразовательных курсах физики различного профиля;

- частные, вариативные методики (соответственно профилю общеобразовательного курса физики).

В проблему исследования входит также вопрос о профессиональной подготовке по теории относительности учителя физики, способного эффективно реализовать предлагаемые в диссертации методические решения (программы и соответствующие методики).

Цель исследования: разработать и обосновать методические основы эффективного изучения теории относительности в курсах физики средних общеобразовательных учреждений различного профиля и в курсе теоретической физики педвузов.

Объект исследования: процесс изучения теории относительности в средних общеобразовательных учреждениях, а также в педвузах.

Предмет исследования: методические основы изучения теории относительности в средних общеобразовательных учреждениях и педвузах. Гипотеза исследования.

Гипотезой исследования стало предположение, что изучение теории относительности (учащимися общеобразовательных учреждений и студентами педвузов) будет педагогически эффективным, если оно:

- основывается на ее определении как фундаментальной релятивистской теории пространства-времени, которое выделяется в качестве методически инвариантного положения для создания вариативных методик соответственно классам различного профиля при обязательном содержательном и последовательным раскрытии функции теории относительности (объяснительной, пред-сказательной, синтезирующей, методологической, практической);

- сопровождается поэтапным (с учетом исторического и логического аспектов) переходом от (3+1)-мерного выражения сущности теории относительности к ее 4-мерной релятивистской схеме с применением различных способов доказательств и выводов - от качественных рассуждений (основанных на использовании принципа соответствия при минимуме математических средств) до строгих математических вычислений;

-- учитывает пропедевтический подход, требующий резюмирующего представления ньютоновой механики в качестве классической теоретической схемы, основанной на нью тоновой концепции пространства, времени и движения, что позволяет методически реализовать преемственность научного познания.

Соответственно проблеме, цели, объекту, предмету и гипотезе исследования были сформулированы и решались следующие задачи:

1. Провести научный, методологический и онтодидактический анализ содержания теории относительности.

2. Проанализировать различные методики изложения теории относительности, предлагавшиеся в диссертационных исследованиях, а также содержащиеся в учебных изданиях и монографиях. Выявить и проанализировать трудности и порождающие их причины, имеющие место на практике при изучении и преподавании теории относительности в средних общеобразовательных учреждениях и педвузах.

3. Разработать, а также теоретически и практически обосновать методидактические основы изучения теории относительности в средних общеобразовательных учреждениях, включая программы и методики, ориентированные на: 1) непрофильные классы, 2) классы с углубленным изучением физики, 3) классы гуманитарного профиля.

Разработать методики изучения вопросов, связанных с теорией относительности, для различных разделов курса физики средних общеобразовательных учреждений (релятивистская механика, электродинамика, ядерная и квантовая физика; релятивистская теория гравитации - в ознакомительном плане). Составить содержательные учебные задачи и упражнения, которые могут быть использованы в качестве дидактического материала для активизации познавательной деятельности учащихся при изучении теории относительности.

Написать учебные пособия по теории относительности (и ее физическим приложениям) для классов с углубленным изучением физики.

4. Разработать программу и методику изучения специальной и общей теории относительности в курсе теоретической физики педвузов, обеспечивающее достаточно высокий научно-методический уровень профессиональной подготовки будущих учителей.

Теоретико-методологическую основу исследования составляют общенаучные методы познания и, прежде всего, системно-структурный подход к предмету, основанный на поиске и нахождении целостных характеристик изучаемых явлений, а также единстве исторического и логического, чувственного и рационального, теории и практики.

В теоретическом плане и в отношении базовой науки исследование основывалось на классических работах и монографиях по теории относительности А. Эйнштейна, Г. Лоренца, А. Пуанкаре, Г. Минковского, М. Планка, А. Фридмана, В. Паули, А.С. Эддингтона, П.

Дирака, М. Борна, А. Зоммерфельда, П.Г. Бергмана, В.А. Фока, Дж. Синга, К. Меллера, М.А. Тоннелы, Р. Толмена, а также на трудах С.И. Вавилова, Л.И. Мандельштама, В.Л.

Гинзбурга, А.Д. Александрова, А.А. Логунова, Д.Д. Иваненко, Я.П. Терлецкого, А.З.

Петрова, К.П. Станюковича, В.И. Родичева, Н.В. Мицкевича, С. Вейнберга, Дж. Уилера, Э.

Тейлора, Дж. Вебера, Г. Мак-Витти, Д. Бома, У. Берке и др.

Определяющее значение при анализе дидактических особенностей и возможных способов изложения теории относительности имели учебные пособия и труды Г.А. Зисмана, С.В.

Измайлова, А.С. Компанейца, Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшица, А.Н. Матвеева, Б.В. Медведева, В.В. Мултановского, Г.Я. Мякише-ва, И.И. Нурминского, А.А. Пинского, И.Г. Пустильника, Ю.Б. Румера и М.С. Рывкина. И.В. Савельева, Д.В. Сивухина, А.Д. Суханова, В.А. Угарова, Б.М. Яворского и др.

Ввиду значительности философско-мировоззренческой функции теории относительности методологически направляющую роль в нашем исследовании играли философские работы, посвященные теории относительности: М.Д. Ахундова, К.Х. Делокарова, Б.Г. Кузнецова, A.M. Мостепаненко, Н.Ф. Овчинникова, М.Э. Омельяновского, Г. Рейхенбаха, Э.М.

Чудинова и др.

Исследование методологических аспектов теории относительности (как фундаментальной теоретической схемы или модели), осознание которых необходимо для выявления особенностей ее понятийной структуры, сущностного ядра, функций, логики возникновения, становления и развития и т.д., базировалось, во-первых, на оригинальных методологических трудах выдающихся физиков, прежде всего, А. Эйнштейна, а также А. Пуанкаре, Н. Бора, Л.

Больцма-на, П. Дирака, Р. Феймана, Дж. Синга и др., во-вторых, на работах профессиональных философов: И.Д. Андреева, И.А. Ачкурина, Л.Б. Баженова. В.Н. Голованова, В.И.

Кириллова, И.В. Кузнецова, Т.С. Куна, В.И. Кураева, Ф.В. Лазарева. В.А. Лекторского, М.В.

Мостепаненко, М.А. Розова, Г.И. Рузавина, В.А. Смирнова, B.C. Степина, B.C. Швырева и др.

Дидактико-методические ориентиры исследования определялись на основе работ известных специалистов в области общей и частной дидактик (методики преподавания физики): В.В. Краевского, И.Е. Лернера, А.А. Пинского (теоретические основы содержания и проблемы прогнозирования содержания среднего образования), В.А.

Сластенина (инновационная деятельность), М.Н. Скат-кина (преодоление формализма в обучении), В.В. Давыдова (основы и роль теоретических обобщений в учебном процессе и в содержании изучаемых предметов), Ю.К. Бабанского (идеи оптимизации), В.Г. Разумовского (творческий аспект учебного процесса, модельность и цикличность познания), Л.С.

Хижняковой (идея трансформации специапьнонаучных знаний в профессиональные знания учителя), А.В. Усовой (формирование научных понятий), Ю.И. Дика (идеи вариативного похода), В.В. Мултановского (определяющая роль теоретических обобщений в обучении физике), А.С. Кондратьева (задача адекватного отражения в учебном познании методологии современного физического познания), В.Н. Мещанского (формирование мировоззрения), В.Ф. Ефимен-ко (концепция физической картины мира), И.Я. Ланиной (технологический подход в обучении), Л.Я. Зориной (идеи системности в содержании и методах обучения) и др.

Методы, база и организация исследования.

Для решения поставленных задач и проверки гипотезы использовался комплекс взаимно дополняющих теоретических и эмпирических методов: теоретический анализ литературы по проблеме исследования, моделирование, идеализация, ретроспективный метод; изучение учебно-программной документации; социологические методы (опрос, анкетирование, беседа, тестирование); метод экспертных оценок; прямое и косвенное наблюдение; изучение массового и обобщение передового педагогического опыта; прогнозирование объективного развития системы; педагогический эксперимент со статистической обработкой его результатов для выявления необходимых коррекций и определений эффективности предлагаемых методик.

Основная научно-методическая и экспериментальная работа по теме диссертации проводилась на физико-математическом факультете Липецкого государственного педагогического университета, а также в средних общеобразовательных учреждениях Липецка и Липецкой области. В течение ряда лет экспериментальной базой служил также Липецкий институт повышения квалификации преподавателей.

В опытном опробировании методических материалов диссертации принимали участие:

кафедра физики Псковского государственного педагогического института (доктор физикоматематических наук, профессор Г.А. Розман), кафедра теоретической и экспериментальной физики Тамбовского государственного университета имени Г.Р. Державина (заведующий кафедрой, доктор педагогических наук, профессор Н.Я. Молотков). Авторские методики использовались в практической работе преподавателей: физико-математической гимназии №366 г. Санкт-Петербурга (учитель Ю.Д. Эпштейн), физико-математических классов гимназии №406 г. Пушкина Ленинградской области (учитель Ю.В. Пузанова), факультета довузовской подготовки РГПУ имени А.И. Герцена (преподаватель, кандидат педагогических наук С.В. Бубликов), среднего общеобразовательного учреждения №326 г.

Москвы (учитель В.Я.

Дорожкин), Тамбовского областного физико-математического лицея (заведующий кафедрой физики, кандидат педагогических наук А.В. Романов), Тамбовского многопрофильного лицея (преподаватель, кандидат педагогических наук С.Г. Юдаков).

Автор лично проводил занятия по теме "Основы специальной теории относительности" в среднем общеобразовательном учреждении №5, школах-гимназиях №1, 12, в школе-лицее № 44 города Липецка. Методические идеи и разработки автора, с которыми преподаватели средних общеобразовательных учреждений знакомились на курсах в Липецком институте повышения квалификации преподавателей и как студенты в Липецком педагогическом университете, опробовались и проверялись в школах Липецка и области (в 20-ти городских средних общеобразовательных учреждениях различного профиля и в 5-ти сельских непрофильных школах).

Автором учитывались также отзывы преподавателей средних общеобразовательных учреждений и педагогических институтов из различных регионов страны - читателей журнала "Физика в школе", в котором регулярно в течение 15 лет публиковались методические результаты автора по теме исследования.

Диссертационное исследование в виде научного доклада является итогом исследовательской и преподавательской деятельности автора (1985-1999 гг.), в которой можно выделить несколько взаимосвязанных этапов.

Первый этап (1985-1989 гг.). На этом этапе было изучено современное состояние вопроса:

методическое обеспечение изучения теории относительности в средних школах (программы, учебники, методические пособия, экспериментальные возможности); теоретическая и методическая подготовленность учителей к преподаванию теории относительности и уровень знаний по теории относительности выпускников средней школы, а также типичные ошибки и заблуждения учащихся в понимании теории относительности; опыт лучших учителей; методические схемы изучения теории относительности, известные из литературных источников. Проведен предварительный научный, методологический и дидактический анализ причин затруднений учителей и учащихся, связанных соответственно с преподаванием и изучением теории относительности. В результате были определены исходные параметры исследования: методология, методы, предмет и гипотеза.

Второй этап (1990-1994 гг.).Теоретически разрабатывались отдельные методические вопросы теории относительности, проектировались варианты целостных методик ее изучения в средних общеобразовательных учреждениях различного профиля, готовились соответствующие дидактические материалы и подвергались опытно-экспериментальной проверке. Вся совокупность методических разработок ежегодно корректировалась и совершенствовалась с учетом результатов личной преподавательской работы автора, а также учителей, использующих его дидактические материалы.

Третий этап (1994-1998 гг.) - обобщающий. Он связан с обобщением и коррекцией теоретических и экспериментальных исследований методических основ изучения теории относительности в средних общеобразовательных учреждениях, а также с написанием методических статей для журнала "Физика в школе", учебных пособий: "Элементы теории относительности" (глава V в учебнике "Физика-11" под ред. А. А. Пинского), "Элементы теории относительности и ее физических приложений" (для классов с углубленным изучением физики), "Теоретические модели физики" (для студентов педвузов), монографий: "Методы физического познания (философский и дидактический аспекты)". "Методические вопросы теории относительности", "Методы научного познания и физическая картина мира (в вопросах и ответах)".

Автор в качестве преподавателя кафедры теоретической и общей физики Липецкого государственного педагогического университета разрабатывал программы и читал студентам физико-математического факультета курсы: "Классическая механика. Специальная теория относительности", "СТО. Релятивистская механика. Элементы ОТО", "Теоретические модели физики" (курс по выбору), "Релятивистская теория гравитации" (курс по выбору), спецкурс "Методические вопросы теории относительности", в рамках которых осуществлялась теоретическая подготовка будущих учителей к организации изучения теории относительности в средних общеобразовательных учреждениях.

В течение ряда лет автор исполнял обязанности факультативного руководителя педагогической практики и методиста. В рамках этой деятельности определялась методическая подготовленность студентов по теме "Основы специальной теории относительности", осуществлялись ее корректировка и совершенствование.

1998-99 гг. были посвящены оформлению результатов исследования в диссертационную работу.

Научная новизна и теоретическое значение исследования заключаются:

1. В содержании разработанной и всесторонне обоснованной автором общей методической концепции изучения теории относительности в курсах физики средних общеобразовательных заведений и педвузов (в плане профессиональной подготовки будущих учителей), согласно которой:

- теория относительности представляет собой релятивистскую теорию пространства-времени и движения, сущность которой может быть выражена посредством двух теоретических схем - (3+1)-мерной и 4-мерной; основная функция теории относительности - методологическая:

она дает общий конструктивный метод построения релятивистских физических теорий;

- 4-мерная релятивистская методология соответствует сущности теории относительности более высокого порядка, чем (3+1)-мерная схема; фундаментальный модельный объект теории относительности - пространство-время с псевдоевклидовой геометрией - адекватно описывается только в рамках 4-мерной релятивистской схемы;

- при скоростях частиц, много меньших скорости света в вакууме, соотношения теории относительности не переходят в классические, а остаются по сути релятивистскими (некоторые из них принимают классическую форму); пространство-время теории относительности отражает движение частиц во всем диапазоне скоростей - от нуля до скорости света;

- физические величины, соответствующие теории относительности, - составляющие релятивистских 4-мерных тензоров (различных рангов) и их инварианты; обозначения (и даже названия) этих величин могут совпадать с обозначениями (и названиями) соответствующих классических величин, однако, они по смыслу ни в коем случае не тождественны последним;

- сущность теории относительности как релятивистской теории пространства-времени и движения должна и может быть показана соответствующими методическими средствами при ее последовательном порядковом движении - от утверждения о предельности скорости света до определения понятия пространственно-временного интервала;

- при построении методических основ изучения теории относительности обязательно должны быть учтены исторический и методологический аспекты -познавательные истоки теории, трудности, противоречия, проблемы.

2. В формулировке совокупности следующих положений частнодидакти-ческого характера, конкретизирующих реализацию общей методической концепции, соответственно которой методика изучения теории относительности в средних общеобразовательных учреждениях должна строиться:

- при исходном резюмирующем обсуждении основ теоретической схемы ньютоновой механики и классических представлений о пространстве и времени;

- с ясной и лаконичной постановкой проблемы, связанной с разрешением противоречий между классической концепцией пространства и времени и новыми экспериментальными фактами электродинамики и оптики (дополнительно в дидактических целях можно сослаться на опытные данные по ускорению элементарных частиц, их взаимодейс гвию, ядерной физики);

- сочетая исторический подход с логическим - сравнивая эфирно-классическую идею Г.

Лоренца и принципиально новое решение проблемы, предложенное А. Эйнштейном;

- при выявлении пространственно-временных положений теории относительности посредством релятивистского закона преобразования скорости, выводимого или обоснуемого непосредственно на основе постулатов Эйнштейна;

- принимая в качестве методического инварианта сущностно центральную идею о единстве и взаимной обусловленности пространства и времени, раскрываемую на уровне (3+1)мерной теоретической схемы;

- при обязательной аргументированности, доказательности, обоснованности утверждений и выводов, опирающихся на методологические принципы преемственности и соответствия и дидактические принципы научности и доступности;

- с раскрытием функций теории относительности и ее конструктивно-познавательной роли в современной физике, выражаемой релятивистской исследовательской программой;

- с выявлением и демонстрацией того, как реализуется релятивистская пространственновременная концепция в теориях механики, электродинамики, оптики, ядерной физики, при описании и объяснении явлений взаимодействия элементарных частиц;

- при обязательном раскрытии практического аспекта релятивистских идей, их конструктивной роли, перспектив и значения для научно-технического прогресса современного общества.

3. В определении (выделении) компонентов инвариантного ядра методик изучения теории относительности в курсах физики средних общеобразовательных учреждений различного профиля, включающего следующие обязательные элементы:

- пропедевтический элемент (резюмирование особенностей ньютоновой механики и классических представлений о пространстве и времени);

- проблемный элемент (постановка проблемы разрешения противоречий между классической концепцией о пространстве и времени и новыми экспериментальными фактами);

- сущностный элемент (аргументированный и доказательный показ того, в чем заключается сущностная новизна релятивистских пространственно-временных представлений и, прежде всего, их главной особенности - единства пространства и времени);

- методологический элемент (раскрытие функций теории относительности);

- программно-исследовательский элемент (формулировка релятивистской исследовательской программы, показ роли и места теории относительности в физической науке);

- прикладной (и политехнический) элемент (демонстрация фундаментально-прикладной и политехнической функций теории относительности).

Данные элементы в целом представляются в качестве обязательных для соответствующей методики, образуя системную основу каждой из них. Уровень раскрытия этих элементов (объем и глубина, математическое обеспечение, затраты учебного времени и др.) зависит от профиля класса среднего общеобразовательного учреждения.

Практическая значимость исследования. Совокупность теоретических положений и выводов, а также конкретных методических рекомендаций и разработок, содержащихся в диссертации и в публикациях, положенных в ее основу, позволяют существенно повысить эффективность изучения теории относительности в курсах физики общеобразовательных учреждений и улучшить со-тветсвующую научно-методическую подготовленность студентов педвузов к их профессиональной деятельности.

Внедрение результатов исследования в практику преподавания теории относительности в школе и педвузе осуществлено посредством следующих публикаций автора:

- учебник "Физика-11" (под ред. А.А. Пинского), глава 5: "Элементы теории относительности" (1994 г. - первое издание, 2000 г. - 5-е издание; гриф МО);

- учебное пособие для классов с углубленным изучением физики: "Элементы теории относительности и ее физических приложений" (1999 г.; гриф МО);

- методические статьи по теории относительности в журнале "Физика в школе" (1985- гг.):

- учебное пособие для студентов педвузов: "Теоретические модели физики" (1999г.);

- методическое пособие для учителя: "Методы научного познания и физическая картина мира (в вопросах и ответах)" (2000 г.);

- учебные программы курсов по выбору для студентов педвузов "Теоретические модели физики", "Релятивистская теория гравитации".

Достоверность и обоснованность результатов исследования и предлагаемых в диссертации методических решений обеспечивается методологией исследования и его исходных положений (системным, личностным, деятельным, культурологическим подходом:

концептуальным единством; историзмом); применением комплекса методов, адекватных целям, предмету, задачам и логике исследования; длительностью и вариативностью теоретической и опытно-экспериментальной работы; сочетанием теоретического анализа проблемы и практики преподавания теории относительности в средних общеобразовательных учреждениях и в педвузе; экспериментальным испытанием теоретических разработок в реальной учебной практике.

На защиту выносятся:

1. Теоретическая концепция методических основ изучения теории относительности в курсах физики средних общеобразовательных учреждений различного профиля, центральной идеей которой является утверждение, что для успешного решения образовательных и воспитательных задач в учебном процессе теория относительности должна быть представлена в нем системно как целостная фундаментальная теория пространства-времени и движения, определяющая вместе с квантовыми идеями современную физическую картину мира.

2. Исходные частнодидактические положения, связанные с авторской теоретической концепцией, включающие определение обязательных элементов инвариантного методического ядра, с необходимостью реализуемого при разработке различных вариантов методик изучения теории относительности в курсах физики средних общеобразовательных учреждений соответственно профилю последних.

3. Программы по теории относительности для различных общеобразовательных курсов физики и для курса теоретической физики педвузов по разделу: "Специальная теория относительности. Релятивистская механика. Основы общей теории относительности" вместе с соответствующими их методическими реализациями.

4. Методические разработки изучения отдельных вопросов релятивистской физики (механики, электродинамики, оптики, ядерной физики, элементарных частиц, гравитации) приложений специальной теории относительности и дополняющий их дидактический материал - оригинальные задачи и упражнения по специальной и общей теории относительности.

Апробация и внедрение результатов исследования.

Результаты представленные в работе, нашли свое отражение в монографиях, учебных пособиях в том числе с грифом Министерства общего и профессионального образования Российской Федерации, учебных программах, по которым осуществлялось преподавание теории относительности в ряде средних общеобразовательных учреждений г. Липецка и области, а также в Липецком государственном педагогическом институте, в научных статьях (общий объем публикаций -- 80 печатных листов). Они докладывались на ежегодных научных конференциях и заседаниях методического семинара кафедры теоретической и общей физики ЛГПИ (1985-1999 гг.), на Всероссийской научно-практической конференции ''Вопросы методологии и методики формирования научных понятий у учащихся школ и студентов вузов" (г. Челябинск, 1986 г.), на Всесоюзной конференции "Теория и практика создания школьных учебников" (пос. Черноголовка Московской области, 1988 г.), на Всесоюзной научно-методической конференции "Методологические, дидактические и психологические аспекты проблемного обучения физике" (г Мариуполь, 1990 г.), на межвузовской научно-практической конференции "Совершенствовании методики преподавания физики в непрерывной системе образования" (г. Тамбов, 1996 г.), Липецкой областной конференции: "Проблемы инновационного образования в системе непрерывной подготовки учительских кадров" (г. Липецк, 1998 г.), на межвузовской научно-практической конференции: "Совершенствование теории и методики обучения физике в системе непрерывного образования" (г. Тамбов, 1998 г.), на 5-ой международной конференции "Физика в системе современного образования" (г. Санкт-Петербург, 1999 г.).

Апробация результатов исследований осуществлялось также экспертами - рецензентами издательства "Просвещение", Федерального экспертного совета по общему образованию Минобразования России, журнала "Физика в школе" (все рецензии на статьи автора в этом журнале по методическим основам теории относительности даны членом-корреспондентом РАО, доктором педагогических наук, профессором А.А. Пинским).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 1. Научный и онтодидактический анализ теории относительности Теория относительности в силу своей фундаментальности - сущностно глубокая физическая теория. Что она представляет собой содержательно, структурно, функционально? Ответ на этот вопрос имеет ключевое значение для решения проблемы дидактического выражения теории относительности в учебных курсах физики и, прежде всего, в курсах физики средних общеобразовательных учреждений.

На первый взгляд кажется, что поставленный вопрос не столь труден, т.к. есть серьезные и, вместе с тем, достаточно ясные изложения теории относительности, которые можно найти в монографиях и в учебных изданиях для вузов (см., например, [1.9-15]). Наконец, имеются замечательные работы (в том числе методического характера) самого автора теории относительности - А. Эйнштейна [1.16].

Однако, при внимательном изучении монографий и учебных пособий по теории относительности обнаруживается, что в них отсутствует однозначная трактовка сущности теории относительности и ее основных положений. Более того, особенно в учебной и методической литературе можно встретить спорные и даже ошибочные интерпретации теории относительности [1.17, с.57], [1.18], [1.19, с.57-61], [1.20, с.272; с.274-278; с.280]. В ряде литературных источников на неправомерном толковании теории относительности основана ее совершенно несостоятельная критика [1.21, с.155-192], [1.22, с.104-115], [1.23].

Наконец, следует назвать работу академика А.А. Логунова [1.24], в которой отмечается, что в литературе весьма распространены неправильные суждения о теории относительности. Это касается, прежде всего, вопроса о 4-мерной релятивистской методологии - ее сущности и роли в понимании содержания теории относительности, а также вопросов об исторических корнях релятивистских идей и о соавторах А. Эйнштейна.

При любом обсуждении теории относительности - специальнонаучном или методическом — так или иначе затрагиваются ее исторические истоки: принципиальные трудности, с которыми сталкивалась физика в области электродинамики Максвелла; проблема принципа относительности и преобразований симметрии для движущихся относительно друг друга инерциальных систем отсчета (ИСО), скорости света и эфира, как мировой электромагнитной среды: вопросы приоритета. Исторические аспекты теории относительности важны не только в научном, методологическом и дидактическом отношениях. Их рефлексивное и ретроспективное рассмотрение помогает прояснить главное - сущность теории относительности.

Приоритетные споры вокруг теории относительности начались с 1905 г. -с момента появления знаменитой статьи А. Эйнштейна "К электродинамике движущихся тел" [1.16, т.1, с.7-35] - и не прекращаются по сей день. Все суждения на этот счет можно классифицировать так: 1) А. Эйнштейн - единственный автор теории относительности, 2) теория относительности создана исключительно Г. Лоренцем и А. Пуанкаре, в работе А.

Эйнштейна 1905 г. нет ничего нового - она всего лишь завершает исследования названных авторов. 3) авторы теории относительности: Г. Лоренц, А. Пуанкаре, А. Эйнштейн (и возможно Г. Минковский), 4) здание теории относительности воздвигнул Г. Минковский, работы Г. Лоренца, А. Пуанкаре, А. Эйнштейна заложили фундамент этого здания.

Последнюю точку зрения отстаивают М. Борн и А.А. Логунов. Так, М. Борн пишет: "Работа Эйнштейна была замковым камнем для арки, которую построили Лоренц, Пуанкаре и другие и на которой должно было бы держаться строение, созданное Минковским'" [1.25, с.195]. То же фактически утверждает и А.А. Логунов: "Теория относительности была создана выдающимися учеными Лоренцем, Пуанкаре, Эйнштейном и Минковским, и, я думаю, эти гиганты фактически завершили теорию, а то, что было после них, это - изложение, порою правильное, порою неправильное, но почти всегда не глубокое" [1.24, с.6].

Ряд авторов, например Э.Д. Уитгекер [1.26, с.208-217], Дж. Кесуани [1.26, с.244-270], А.А.

Тяпкин [1.26, с.271-330], пытаются в своих исследованиях вопроса доказать, что работа Эйнштейна 1905 г. совершенно не оригинальна, все, что в ней есть, имеется в трудах Г.

Лоренца и А. Пуанкаре. Так, Э.Д. Уиттекер прямо пишет: "В ней (т.е. в работе А. Эйнштейна 1905 г. - A.M.) более пространно излагалась теория относительности Пуанкаре и Лоренца" [1.26, с.216-217].

Различие мнений по вопросам истории теории относительности и при-оритeтa свидетельствует об их нетривиальности. Это не случайно, т.к. данные вопросы непосредственно связаны с тем или иным пониманием теории относительности, с той или иной трактовкой ее основных положений и результатов.

Автор разделяет в целом точку зрения В. Паули [1.9, с.9-13] и академика ВЛ. Гинзбурга [1.27]. считая ее достаточно глубоко и всесторонне аргументированной. На их взгляд, главная роль в создании теории относительности принадлежит А. Эйнштейну, причем, несомненно, что значительный вклад в постановку проблемы и анализ путей ее решения внесли Г. Лоренц и А. Пуанкаре, а также другие исследователи (об собой роли работ Г.

Минковского см. ниже).

Г. Лоренц по сути дела создал свою теорию относительности - эфирно-классическую модель пространства и времени, значительно более сложную, чем теория относительно Эйнштейна [1.28, с.285-286; с.291-293; с.323-328], [1.29, с.38-59]. Онтодидактический анализ особенностей "теории относительности Лоренца'' в сравнении с теорией относительности Эйнштейна дан диссертантом в [2.33], см. также [2.31]. Существо вопроса заключается в следующем. Согласно теории Лоренца есть ИСО К* абсолютно неподвижного мирового эфира; в ИСО К, движущейся относительно ИСО К равномерно и прямолинейно, имеет место "эфирный ветер", но он физически не наблюдаем, т.к. для К*, К эффективно справедлив принцип относительности, выражаемый преобразованиями Лоренца, которые по существу представляют собой результат двух последовательных преобразований классических преобразований Галилея для "истинных'' (действительных) пространственных координат и времени К, К и "собственных преобразований Лоренца", выражающих ненаблюдаемые эфирные эффекты сокращения продольных масштабов и замедления хода часов ИСО К. Последние связывают "истинные" и ее "кажущиеся" (эффективные) координаты и время, измеряемые приборами ИСО К. При этом получается, что скорость света, будучи в действительности различной в ИСО К, К, оказывается для них эффективно инвариантной.

''Теория относительности Лоренца", таким образом, существенно отличается от теории относительности Эйнштейна, и нетрудно отсюда заключить, можно ли Г. Лоренца причислить к соавторам А. Эйнштейна. Несмотря на то. что теория Лоренца количественно подтверждается, как и теория Эйнштейна, всей совокупностью известных экспериментальных фактов, мировое сообщество ученых сделало выбор в пользу теории Эйнштейна. Основная причина неприятия теории Лоренца носит методологический характер. Как справедливо отмечает Д. Бом, фундаментальные понятия теории Лоренца истинные" пространственная и временная координаты - оказались совершенно неопределенными; ни одно из свойств эфира Лоренца наблюдать нельзя, и теория Лоренца ведет к такой путанице, что становится неясно, "какой смысл вкладывается в понятия пространства и времени вообще и для чего служит эти фундаментальные понятия" 11.29, с.58-59].

Что касается известной работы А. Пуанкаре "О динамике электрона" (1906 г.) [1.30, с.433то она в сравнении со статьей А. Эйнштейна 1905 г. представляет собой исследование не физика, а математика. В ней нет той физической ясности в постановке и решении проблемы, какой отличается работа А. Эйнштейна. Нужно также отметить, что у Пуанкаре, как и у Лоренца, нет ни четкой формулировки исходных постулатов, ни вывода преобразований Лоренца. Кроме того, Пуанкаре указывает, что он следует работам Лоренца, уточняя результаты последнего.

При кардинальных отличиях теории Лоренца и Эйнштейна очевидно их формальное сходство - в той и другой имеют место принцип относительности, инвариантность скорости света и преобразования Лоренца, хотя, как сказано выше, они имеют разный смысл в каждой из названных теорий. Это обстоятельство, а также то, что теория Лоренца и Эйнштейна были созданы практически одновременно, явилось причиной проникновения лоренцевой интерпретации в теорию относительности Эйнштейна. Ее реликты можно обнаружить и сейчас в отдельных литературных источниках и особенно в учебных изданиях. Например, при трактовке релятивистских эффектов относительности пространственных и временных промежутков как "лоренцевых сокращений пространственных масштабов и замедления хода часов" [1.17, с.57], [1.18], при введении в релятивистской механике понятия массы частицы, зависящей от ее скорости, фактически заимствованного у Лоренца [1.28, с.295-298] и по сути чуждого теории относительности [1.31], [2.20].

Становление и дальнейшее развитие теории относительности не ограничилось статьей А.

Эйнштейна 1905 г. Хотя на этот счет имеется и другое мнение. Его со всей определенностью высказал академик Л.И. Мандельштам: "В работе Эйнштейна (1905 г. — A.M.), несмотря на ее скромное название, заключена вся специальная теория относительности, и в дальнейшем сюда не было добавлено ничего принципиально нового" [1.13, с.86]. Такое заключение Л.И.

Мандельштама представляет собой оценку того вклада, который внес в теорию относительности Г. Минковский.

Как известно, в 1907-1908 гг. Г. Минковский [1.26, с. 167] развил идею 4-мерного представления преобразований Лоренца, на возможность которого впервые обратил внимание А. Пуанкаре [1.30, с.452-453; с.478]. Минковский, начал как и Пуанкаре, с формальной операции: он ввел мнимую временную координату и обьединил ее с декартовыми координатами 3-мерного евклидова пространства путем симметричного обозначения всех названных координат. После записи обычных преобразований Лоренца в 4-мерной форме Минковский показывает, что преобразования Лоренца можно трактовать как преобразования поворота в 4-мерном псевдоевклидовом пространстве, сохраняющее квадрат расстояния между его точками. И здесь, конечно, ничего нового по сравнению с тем, что было у Пуанкаре, нет. Далее Минковский детально разработал на основе 4-мерной псевдоевклидовой геометрии тензорный формализм и применил его дня выражения релятивистской динамики и электродинамики. Вместе с тем, и это главное, он осмыслил методологические особенности 4-мерного подхода и сформулировал в его рамках основные положения теории относительности.

Новые идеи, так или иначе, возникают из наличного знания. Они генетически и онтологически созревают в его недрах и появляются на свет в неадекватной форме, будучи связанными с ним, образно говоря, "пуповиной". С течением времени, очищаясь от реликтовых элементов, они приобретают самостоятельность, становятся первичными и фундаментальными. Э.М. Чудинов замечает: "Идеи, послужившие для ученых мотивами создания теории, почти никогда не сохраняются в фундаменте сложившихся теорий. Чаще всего в науке происходит "оборачивание метода": то, что является конечным пунктом развития теории становится исходным пунктом ее становления, тогда как исторически исходная идея отбрасывается" [1.32, с.118]. Так, из (3+1)-мерной релятивистской схемы Эйнштейна ("пространство плюс время") логически следует ее 4-мерная геометрическая интерпретация вместе с 4-тензорным аппаратом. Иначе, независимые первично-фундаментальные пространство и время объединяются в многообразие пространство-время. Все это конечный пункт развития эйнштейновой (3-1-1 )-мерной схемы теории относительности, и он еще не представляет собой соответственно 4-мерную релятивистскую схему. Здесь всего лишь 4мерное описание или 4-мерная геометрическая интерпретация релятивистской схемы Эйнштейна. Именно в таком смысле 4-мерный подход Минковско-го и представлен во многих известных монографиях и учебниках [1.9, с.11, с.12, с. 15, с.33-37]. К примеру, в учебном пособии по теоретической физике Б.В. Медведева читаем: "... в нашей геометрической интерпретации обычное трехмерное пространство и время объединяются в одно четырехмерное пространство..., которое называется пространством Минковского..."

[1.36, с. 145].

"Оборачивание метода", о котором пишет Э.М. Чудинов [1.32, с.118] (см. выше), есть основа методологии становления развитой теории (на что впервые указал К. Маркс; [1.38, с. 18]). Г.

Минковский. идя сначала от обычных пространства и времени и объединяя их, производит в дальнейшем как раз "оборачивание метода" - он формулирует фундаментальный релятивистский "мировой постулат": "... в явлениях нам дается только четырехмерный в пространстве и времени мир. но что проекции этого мира на пространство и время могут быть взяты с некоторым произволом, мне хотелось бы этому утверждению скорее дать название "постулат абсолютного мира" (или, коротко, мировой постулат)" [1.26, с. 173].

Если убрать из формулировки Минковского реликт "пространство и время", то смысл мирового постулата Минковского можно выразить так: четырехмерный мир событий с псевдоевклидовой геометрией есть адекватно-релятивистское пространственно-временное модельное представление мира физических событий [2.54].

Итак, согласно релятивистскому мировому постулату: пространство-время Минковского с псевдоевклидовой геометрией представляет собой исходный первично-фундаментальный, целостный абсолютный объект. Его неотъемлемые компоненты - пространство и время - несамостоятельны, вторичны и определяются исключительно как относительные компоненты пространства-времени, т.е. в нераздельной связи друг с другом.

По выражению крупного специалиста в области релятивистской физики Дж. Синга, мир Минковского - "совокупность всех возможных событий". Он пишет: "Мы могли бы назвать эту совокупность Вселенной, но более принято использовать термин пространство-время. Я тоже буду использовать этот термин, но с одной важной оговоркой, что дефис между этими двумя словами я никогда не буду снимать... Мы никогда не будем беседовать с вами о пространстве и времени порознь, так, словно мы даже не знаем смысла этих слов" [1.39, с.51].

Ту же мысль высказывает и Д. Бом: "'... в релятивистской физике пространство и время объединены в четырехмерный континуум, в котором они способны переходить друг в друга таким образом, чтобы функция (квадрата интервала - A.M.)... оставалась инвариантной. Этот континуум называют пространством-временем - уже не "пространством и временем": дефис подчеркивает, что речь идет о новом роде объединения" [1.29, с.181]. К высказыванию Д.

Бома полезно заметить, что термин "объединение" не следует здесь понимать буквально, как некий процесс "слияния" ранее независимых пространства и времени. Этот термин употребляется в контексте сравнения классических и релятивистских пространственновременных представлений.

О сущностной значимости 4-мерной релятивистской схемы, построенной Г. Минковским, академик А. А. Логунов пишет следующее: "... ни Лоренц (? -A.M.), ни Эйнштейн не осознали того, что речь идет о едином пространстве-времени, определяемом единой геометрией и, по существу, Минковский, следуя Пуанкаре, глубоко осознал это. Вот этот качественный шаг в объединении пространства и времени в одно целое и введение соответствующей геометрии, по существу, и есть главное содержание специальной теории относительности" [1.24, с.25].

А. Эйнштейн оценивал вклад Г. Минковского в теорию относительности исключительно как разработку 4-мерного формализма, мощного математического аппарата, изящного и плодотворного формально-математического выражения релятивистских идей, благодаря которому, "теория относительности чрезвычайно выиграла в наглядности и стройности" и т.

п. [1.16, т.1, с.559; т.2, с.25, 101-102].

При сравнении релятивистских методологий Эйнштейна и Минковского можно резюмировать, что в подходе Эйнштейна первично относительное, а абсолютное (инвариантное) есть следствие относительного, напротив, у Минковского первично абсолютное, а относительное представляет собой следствие (грань, сторону) абсолютного [1.40, с.76]. В связи с этим М.Д. Ахундов определяет схему Эйнштейна как соответствующую исторически начальному, эмпирическому уровню теории относительности, а схему Минковского - ее сущно-стно более глубокому, теоретическому уровню [1.41, с.99-109].

Для правильного понимания теории относительности важно отметить, что (3+1)-мерная релятивистская схема находится в отношении дополнительности к 4-мерной релятивистской схеме. Иначе не может быть, поскольку на экспериментальном уровне мы всегда имеем дело с пространством и временем, точнее, с различными временными сечениями единой пространственно-временной картины. Но здесь следует учитывать релятивистский характер физических компонент 4-тензоров в (3+1)-мерном представлении. На это существенное обстоятельство справедливо обращают внимание Л.Д. Ландау и Е.М. Лившиц, когда указывают, что, например, пространственная и временная составляющие 4-вектора являются соответственно 3-мерным вектором и скаляром только относительно преобразований, не затрагивающих времени [1.34, с.ЗО]. Иначе говоря, компоненты 4-вектора не тождественны классическим соответственно 3-мерному евклидовому вектору и скаляру (последние не образуют 4-векгора!). Забвение этого обстоятельства может привести к ошибочному утверждению вроде того, что, например, в релятивистской механике имеет место второй закон Ньютона (только импульс определяется иначе) и т.п.

Вопрос о сущности теории относительности важен не только в научном плане. Он имеет первостепенное дидактическое значение. И здесь следует сказать, что сущность любой теоретической схемы, в том числе теории относительности, может быть выражена на различных понятийных уровнях, т.е. она последовательно раскрывается как сущность первого, второго и т. д. порядков. Это - ключевое обстоятельство для построения методических основ изучения теории относительности в различных курсах физики учебных заведений.

Так, сущность теории относительности, можно сказать, первого порядка выражается посредством утверждения о предельности скорости света в вакууме. Теория относительности в целом определяется тогда, во-первых, как фундаментальный принцип запрета, и, вовторых, как теория, устанавливающая требования к уравнениям любых физических процессов, реализующие данный запрет.

На следующем уровне сущность теории относительности определяется преобразованиями Лоренца в (3+1)-мерной форме и требованием лоренц-инвариантности. Здесь устанавливается релятивистская взаимосвязь пространства и времени, выражаемая преобразованиями Лоренца, и ее следствия - относительность пространственных расстояний и промежутков времени.

Более высокий порядок сущности теории относительности связан с введением понятий интервала и пространства-времени. Конечно, в полной мере сущность теории относительности этого порядка выражается 4-мерной релятивистской схемой (соответствующими ей понятиями и магематическими средствами). Однако допустимы методические варианты, когда с учетом познавательных возможностей учащихся собственно 4-мерное описание не затрагивается, а понятие пространства-времени вводится на уровне (3+1)-мерного подхода. Да, тогда пространственно-временная сущность теории относительности не может быть раскрыта достаточно глубоко. Но, во-первых, для курсов физики средних общеобразовательных учреждений в этом нет необходимости, а, во-вторых, такова научная ограниченность учебно-адаптированной формы основ любой физической теории.

2. Философские, методологические и дидактические основания изучения теории относительности в средних общеобразовательных учреждениях Начиная с 80-х годов, в преподавании школьного курса физики возобла дала новая методическая концепция, связанная с усилением в нем роли физиче ских теорий и теоретических обобщений. Она была разработана и обоснована в трудах, прежде всего, В.В. Давыдова [1.4], В.Г. Разумовского [1.5]. В.В. Мултановского [1.6]. В школьных программах по физике (начиная с 1981/82 учебного года) особо подчеркивается, что главное внимание должно быть обращено на изучение основных фактов, понятий, законов, принципов и методов физической науки, на обобщение широкого круга физических явлений на основе теорий Эта концепция не только не утратила своего значения сейчас а, напротив, > вопрос о ее все более полной реализации в курсах физики средних общеобразовательных учреждений стал актуальнее, чем прежде. В качестве причин можно назвать следующие: 1) официально определен минимум содержания среднего (полного) общего образования [1.43], 2) продолжается и усиливается методический процесс совершенствования курсов физики средних общеобразовательных учреждений (особенно повышенного уровня), направленный на их коренную модернизацию: преподавание всех разделов с позиции современной физики [1.44, с.6] и включение в эти курсы фундаментальных физических теорий [1.45, с.6], 3) необходимость конкретного дидактического воплощения гуманистических идей современной педагогики [1.46, с.27-38].

Практика 20-летнего преподавания физики в массовой школе с ориентиром на методическую концепцию теоретических обобщений, новые задачи и содержание среднего образования и новые педагогические идеи вызывают необходимость дополнительного анализа и определенных корректив концепции теоретических обобщений, прежде всего, в плане методического решения вопроса об изучении и преподавании фундаментальных физических теорий в курсах физики общеобразовательных учреждений. Особенно это касается такой фундаментальной теории как теория относительности.

Если задаться вопросом, можно ли успешно изучать и преподавать физическую теорию без осознания того, что любая научная теория представляет собой в целом как познавательная система, как она возникает, где находятся ее источники, как она соотносится с опытом, то ответ с очевидностью должен быть отрицательным. То же самое касается необходимости выяснения вопросов, связанных с научным и учебным понятиями: в чем их сходства и различия, в какой мере учебное познание может отражать научное познание, чем отличается научный материал - основы теории, излагаемые в монографиях исследователей, - от учебного материала, составляющего содержание учебников? Наконец, что означает реально "изучение физической теории" в курсе физики средних общеобразовательных учреждений?

Проведенный автором анализ [2.1, с.8] философской и физической литературы позволяет резюмировать следующие основные методологические положения, касающиеся физической теории:

- физическая теория есть мысленное отражение определенного фрагмента реального физического мира, но она - не его копия или снимок, а физико-математический образ, модель, теоретическая схема;

- мир физической теории представляет собой образно-понятийный конструкт, состоящий из абстракто-идеализированных объектов, представляемых соответствующей математической структурой; взаимосвязь этих элементов выражается основными уравнениями теории, составляющими ее конструктивно-содержательное ядро;

- физическая теория логически однозначно не выводится из экспериментальных фактов (эмпирических закономерностей);

- модельные объекты теории не тождественны реальным физическим объектам;

- уравнения физической теории непосредственно описывают ее физико-математический мир;

- применимость теоретического прогноза к определенному фрагменту реального физического мира сопряжена с возможностью осуществления условий, определяющих интервальную ситуацию (т.е. когда "исследуемое свойство объ-екта или связь явлений обнаруживает себя в чистом виде" [1.47, с.31] соответственно идеальным элементам физической теории).

Существует мнение, что учебное познание должно быть похожим на научное - учащихся нужно ставить в условия, близкие психологически и содержательно к условиям научного исследования. Так А.Д. Гладун пишет: "Наиболее разумным методом преподавания физики является метод, при котором основные элементы преподавания соответствуют элементам процесса научного познания... Познающий всегда исследователь" [1.48, с.З]. Иначе говоря, здесь идет речь об организации учебной деятельности школьников как познавательноисследовательской, копирующей в определенной мере научно-исследовательскую деятельность ученых, где, следовательно, должны явно учитываться особенности методологии научного познания. Эти дидактические идеи, однако, слишком общи, они нуждаются в конкретизации и детальном анализе, где принимались бы во внимание реалии учебного процесса в средних общеобразовательных учреждениях, его объективные и субъективные составляющие.

Учащиеся и ученые-исследователи отличаются, во-первых, стартовыми познавательными возможностями: у них различные уровни подготовленности -исследовательский опыт, вооруженность знаниями, стиль мышления, материальное обеспечение эксперимента.

Учащиеся базируются на обыденных знаниях, элементарном жизненном опыте, предметноэмпирическом мышлении. Ученые-исследователи имеют солидный научноисследовательский опыт, обширные физико-математические знания, навыки научно-теоретического мышления. Вовторых, учебную и научную познавательную деятельность отличают объект, предмет, цели, задачи, средства и результаты. Ученый-исследователь (в обобщенном смысле) производитель научных знаний о реальном физическом мире, выраженных в форме соответствующих физических теорий. Ученик по отношению к ним - потребитель, пользователь готовых научных результатов.

В отличие от ученого-исследователя ученик имеет перед собой специально приготовленную для него учебно-познавательную информацию - дидактически переработанное безличностное, общественно-научное физическое знание (инвариант личностных знаний ученых), представленное в форме учебного предмета и выражаемое учителем и школьным учебником.

Автор различает два понятия знания: знание безличностное или общественное - достояние коллективного разума человечества [1.49, с.14] и личностное или индивидуальное знание, носитель которого - сознание того или иного конкретного индивида [1.50, с.21-22].

Письменные и устные тексты (монографии, статьи, учебники, учительские объяснения) представляют собой выражение личностных знаний их авторов в безличностной, общественной форме (минуя эмоционально-чувственную сферу). Любая демонстрация (представление) знаний отличается неполнотой, т.к. личностное знание содержит неартикулярную компоненту (то, что не выражается словами и знаками) [1.51, с. 128-129]. В связи с последним представляет дидактический интерес замечание П. Дирака: "Новые теории (например, теория относительности и квантовая механика - A.M.)... построены на основе таких физических понятий, которые... не могут быть объяснены адекватно словами вообще" [1.52, с.9].

Учебный материал не есть совокупность "готовых знаний", которые можно было бы сообщить и передать учащимся [1.53, с.З]. В противном случае дидактическая задача была бы весьма простой - достаточно было бы удобоваримо приготовить учебное "потребительское блюдо знаний". Но знания - не тот предмет, который можно, как говорится, передать из "рук в руки" простым сообщением (повествованием), даже очень хорошо методически организованным [1.50, с. 12].

Учебный материал (включающий устные и письменные тексты, а также содержание экспериментальных и расчетных работ) - источник новых знаний учащихся, питательная среда, из которой за счет активной познавательной деятельности создаются индивидуальные знания каждого учащегося. Учебно-познавательная информация, пройдя через подсознание учащегося, сначала, как можно предположить, образует в сознании "зародыш знания", из которого постепенно знание "произрастает" - становится, развивается, совершенствуется, углубляется. Эти процессы сопровождаются преодолением ошибок и заблуждений того или иного порядка, непременно сопутствующих познанию на всех этапах.

Конечно, передача теоретических знаний (в смысле, отличном от передачи "из рук в руки" вещи) возможна и происходит постоянно, как в учебном процессе школ и вузов, так и от одних ученых исследователей к другим при их личном общении или посредством журнальной и монографической литературы. Но это передача особого рода, причем, весьма "специфического предмета". Она осуществляется исключительно посредством напряженной познавательной деятельности и означает трансформацию (преобразование) знания от источника к приемнику знаний. Этот приемник - мозг учащегося. Он - не фиксатор или накопитель чужих для него знаний. Они не могут быть им восприняты целиком и адекватно. Знания в сознании учащегося возникают не сразу в законченной форме, тождественными знаниями источника, а сначала, повторим, зарождаются, затем формируются (образуются) и интегрируются эволюционно и в значительной части бессознательно [1.54, с.261], [1.55, с.189], проходя ряд этапов, который, вообще говоря, не имеет исчерпывающего завершения.

Теория относительности - не частная или отдельная физическая теория. Она фундаментальная теория пространства-времени, лежащая в основе всех релятивистских теорий. Проблема ее изучения в курсах физики средних общеобразовательных учреждений, во-первых, связана с проблемой изучения теории вообще, и, во-вторых, в виду особого методологического статуса теории относительности имеет свою специфику.

Физическая наука развивалась так, что до теории относительности (1905г.) были последовательно созданы теории: ньютонова (классическая) механика, термодинамика, молекулярно-кинетическая теория, электродинамика, оптика (на основе электродинамики). В таком порядке они и изучаются в основном курсе физики средних общеобразовательных учреждений [1.43] (исключение составляют термодинамика и молекулярно-кинетическая теория -изучение термодинамики предполагается строить на основе молекулярнокинетической теории, существенные минусы такого подхода указаны в [1.56]). Ньютонова механика в ряду названных теорий занимает особое положение, т.к. она в своей основе выражает классическую концепцию пространства, времени и движения. Эта концепция по аналогии с теорией относительности Эйнштейна может быть названа "классической теорией относительности'" [1.57, с.39-40], [1.58. с.36-38].

Ньютоновы представления о пространстве, времени и движении близки обыденному макроопыту и без труда поддаются эмпирической интерпретации, хотя следует осознавать, что эти фундаментальные представления и основанные на них понятия материальной точки, векторов силы, скорости, ускорения и др. есть не эмпирические, а теоретические понятия, которые, как справедливо замечает A.M. Мостепаненко, "полностью не сводимы к данным наблюдения и операционным определениям" [1.59, с.39].Отмеченное существенное методологическое обстоятельство, к сожалению, нередко забывается, и в "учебных целях" ньютонова механика традиционно строится не как целостная теоретическая модель, а исключительно эмпирически с "выводом" законов Ньютона из элементарных школьных опытов (см., например, [1.60]). На это правильно обращает внимание В.В. Мултановский [1.6, с. 15].При таком подходе, которому трудно найти методологическое оправдание, невозможно вести речь о ньютоновых понятиях пространства, времени и движения как о теоретической, концептуальной основе классической механики и невозможно представить последнюю как теорию (критические замечание подробнее см. в [2.1, с. 134-141]). Более того, тогда изучение теории относительности становится вообще неразрешимой проблемой, поскольку при всем желании ее не удастся методически построить, опираясь на эмпирию - вывести релятивистскую пространственно-временную концепцию из каких-либо экспериментов ("теоретически обобщая их результаты"). Потому что, во-первых, таких экспериментов не существует, а, во-вторых, в условиях минимального материального обеспечения эксперименты, связанные с проявлением релятивистских идей, поставить в средних общеобразовательных учреждениях нельзя.

Итак, изучение теории относительности требует обязательной, основанной на методологии научного познания, пропедевтики - изучения классической механики как теории с резюмирующим акцентом (выделением) ее основы, т.е. ньютоновой концепции пространства, времени и движения. Этому должны способствовать глубокий научнометодический анализ классической механики [1.59, с. 12-69] и построение соответствующей теоретической схемы [2.1,'с.28]. Заметим, что понятие теоретической схемы впервые встречается у А. Эйнштейна [1.54, с. 154]; обстоятельную его философскую разработку дал В. С. Степин [1.61], см. также [2.1].

Пропедевтический подход к изучению теории относительности, связанный с осознанием учащимися особенностей теоретической схемы классической механики и ньютоновой концепции пространства, времени и движения, дидактически важен потому, что позволяет:

- показать познавательную роль физических экспериментов в создании теоретических моделей;

- методически рационально и методологически существенно поставить проблему создания релятивистской пространственно-временной концепции -теории относительности Эйнштейна;

- реализовать принцип преемственности теоретических знаний, учитывая его методологические аспекты, прежде всего, диалектическую противоречивость: с одной стороны - неизбежную генетическую связь нового знания со старым, с другой онтологические отличия нового знания от предшествующего ему старого знания;

- снизить психологический барьер, препятствующий восприятию учащимися принципиально новых идей теории относительности и ее прикладных следствий;

- построить методику изучения теории относительности на основе принципа соответствия;

- представить теорию относительности как фундаментальную теоретическую схему и сформулировать релятивистскую исследовательскую программу.

Решение проблемы построения методических основ изучения теории относительности не может быть успешным вне связи с современными идеями гуманистической педагогики, ставящими личность учащегося в центр образовательного процесса и предполагающими соблюдение в этом процессе ее прав, прежде всего, на научную истинность и всестороннее творческое развитие. Выучивание непонятного и личностно-чуждого, не затрагивающего эмоциональной сферы, схоластика, догматизм, фетишизм символов, формализм, поверхностность суждений, примитивизм, безапелляционность, авторитаризм, узость вопросов и т. п. - характерные элементы традиционного школьного антигуманизма [2.59].

Познание (того или иного уровня и вида) для человека в отдельности и для всего человечества в целом не может служить самоцелью. Оно есть неотъемлемая особенность и необходимое средство человеческого существования -духовного и материального. Познание не может быть не творческим, оно творческое по своей природе, потому что его результат всегда представляет собой нечто новое, сопряженное с прогрессом - движением от известного к ранее неизвестному, от менее совершенного к более совершенному, от менее содержательного к более содержательному и т.д. Учащиеся в учебном познании творят свое личностное знание, свою духовность. Высшая цель познания - не знание сами по себе, а вознесение к прекрасному, к истине, одухотворение, освобождение от преходящих страстей, невзгод и ложных ценностей общественно-обыденного мира. В познавательном творчестве ученик преодолевает житейский мир обыденности, явленности, духовно выходит из него в особый интел-лектуальный мир науки [1.62, с.384-385].

В свете сказанного основная педагогическая проблема в рамках данного методического исследования представляется как поиск онтодидактических средств одухотворения учебного предмета физики, в частности теории относительности. Одухотворить учебный предмет значит открыть его "человеческое лицо", приблизить прекрасный мир науки к личности учащегося, пригласить ребенка к этому миру, всколыхнуть в нем положительные эмоции и чувства -любви, красоты, достоинства, восхищения, удивления, надежды, оптимизма.

Важны не сами по себе в отдельности постулаты теории относительности, преобразования Лоренца и другие релятивистские формулы, сколь бы значимы они не были для физической науки. Их общечеловеческая, гуманистическая ценность заключена во все объединяющей гармонии пространства-времени Минковского - удивительного мира теории относительности. Такой мир не может не пробудить у учащихся чувства уважения к его создателям и оптимистического воодушевления от явно демонстрируемой им познавательной и созидательной мощи человеческого разума.

П. Ланжевен сформулирован два принципа - "принцип эквивалентной трансформации энергии" и "принцип Карно", гласящий, что "... достаточно сложная система не проходит два раза через одно и тоже состояние: эволюция имеет место в определенном порядке, история не повторяется" [1.63, с.48]. Далее он замечает: "Воспитательное (педагогическое - A.M.) значение этих двух принципов неоспоримо. Первый принцип гласит: результат получается ценой усилия - чудес не существует; а второй: действия неповторимы - течение жизни не может быть начато сначала" [1.63. с.48].

Можно ли перевести сформулированные Ланжевеном принципы в дидактическую плоскость? Вопрос спорный, однако такой перевод обосновывается значительной общностью названных принципов, и поэтому не исключена их применимость к сложным системам любой природы, таким, например, как учебно-образовательная система. Тогда следует сказать, что методическая разработка теории относительности не должна быть рассчитана на кажущуюся простоту и легкость восприятия релятивистских положений, предполагать минимум усилий учащихся. Результат учения с очевидностью соизмерим с умственными затратами. Задача методики - целенаправить познавательную деятельность учащихся к научной истине, убрать второстепенные, отвлекающие от главного детали, захламляющие путь к ней заблуждения, предупредить их, помочь учащимся в определении основных познавательных ориентиров. Но дорогу к истине через преодоление всех сопутствующих учению трудностей при необходимой затрате духовных сил учащийся должен пройти сам.

Из проведенного автором анализа вопроса следуют выводы:

- обоснованные рядом методических исследований, проведенных в 60-70-х годах, требования к изучению физики в курсах средних общеобразовательных учреждений на основе методологических принципов познания в том числе посредством модельных, теоретических обобщений остаются во многих своих важных аспектах не реализованными в массовой школьной практике;

- не достаточно разработана методика изучения физической теории как целостнотеоретической схемы;

- самих по себе знаний в устных и письменных текстах, выражающих учебный материал, в явном виде нет; учебный материал представляет собой учебно-познавательную информацию - источник личностных знаний учащихся;

- личностные знания учащихся возникают и развиваются постепенно (эволюционно) только в результате целенаправленной познавательной деятельности, организованной и контролируемой учителем; в такой деятельности происходит преобразование (трансформация) объективно-общественного знания в личностное знание учащегося;

- изучение теории относительности должно основываться на пропедевтическом подходе, а также на принципах преемственности и соответствия с ньютоновой концепцией пространства, времени и движения и классической механикой, представляемой в форме целостной теоретической схемы;

- учебно-познавательная деятельность учащихся при изучении теории относительности должна носить творческий, развивающий характер и не может быть элементарной и упрощенной, учитывая то, что достигаемые результаты учебного познания соизмеримы затраченным умственным усилиям, связанным с проникновением в содержательную глубину изучаемого программного материала;

- высшая цель учебного познания теории относительности - воспитание высоких гуманистических качеств, одухотворение миром теории личности учащегося при движении познания к научной истине - сущности теории относительности, демонстрирующей ее красоту, величие и мощь человеческого разума.

З.Типичныс недостатки в знаниях школьников теории относительности и их методические источники Фундаментальность теории относительности естественным образом порождает методическую идею о том, что изучение ее в любом современном курсе физики - средней или высшей школы - следует начинать как можно раньше, чтобы на основе релятивистских идей строить изучение основных разделов физики. Одна из первых реализаций этой идеи двухтомник "Основы физики" Б.М. Яворского и А.А. Пинского [1.3], где теория относительности излагается совместно с классической механикой. Той же методической идее следуют вузовские учебные пособия А.Н. Матвеева [1-14J и А.Д. Суханова [1.64]. При известной обоснованности и привлекательности такого подхода очевидны его отрицательные стороны, прежде всего, методологического характера. Дело в том, что фундаментальные теоретические схемы - классическая и релятивистская -представляют собой сущностно замкнутые системы понятий, принципиально различные, несводимые друг к другу. Сравнивая классическую и релятивистскую механики, Ю.А. Петров справедливо отмечает: "...т.к. эти теории имеют различные гносеологические предпосылки, то они не находятся в каких-либо логических отношениях, т.е. не соотносятся как частное с общим, и не противоречат друг другу. По этому поводу часто говорят, что теории "несоизмеримы" [1.65, с. 100]. На принципиальные понятийные отличия классической и релятивистской механик, не позволяющие рассматривать первую в качестве предельного или частного случая последней, хотя при малых скоростях (в сравнении со скоростью света) математические выражения обеих механик могут совпадать по форме, указывает и Т. Кун [1.66, с.139-141]. Несоизмеримость классической и релятивистской теоретических схем завуалирована также одинаковостью названий и обозначений ряда физических величин в этих схемах, особенно при (3+1)-мерном описании, что и служит источником неправомерного суждения о возможности рассмотрения классической и релятивистской механик с неких общих познавательных позиций.

Если требуется изложить теорию относительности в курсе физики как можно раньше, то это методологически допустимо только после завершения раздела классической механики [1.19], [1.67], [1.69], когда акцентирована ее теоретическая схема и ньютонова концепция пространства, времени и движения. Кроме того, следует иметь в виду два существенных обстоятельства. Во-первых, ньютонова механика и ее теоретические основы сами по себе весьма глубоки и не так просты, чтобы к трудностям их изучения добавлять проблемы, связанные с освоением далеко не элементарных идей теории относительности. Во-вторых, в предметную область релятивистской механики практически не входят механические явления, определяемые движениями макротел с релятивистскими скоростями. Поэтому по сути дела так называемые "эффекты быстрых движений" - "сокращение размеров быстро движущихся тел" и "замедление хода часов" - не без оснований представляются учащимся всего лишь умозрительной фантазией и создают у них совершенно ложное впечатление о теории относительности как о какой-то экзотической теории, от которой никакой практической пользы для физики нет Известно, что А. Эйнштейн в своей знаменитой статье 1905 г. [1.16, т.1, с.7-35] начинает изложение теории относительности с определения понятия одновременности и формулировки основных постулатов, в качестве которых он принимает два принципа:

"принцип относительности" и "'принцип постоянства скорости света". Принцип относительности Эйнштейн формулирует как утверждение об одинаковости для всех инерциальных систем отсчета законов, описывающих изменения состояния физической системы [1.16, т.1, с.10]. Фактически это - принцип инвариантности динамических законов, представляющих собой конструктивное выражение принципа относительности. Во многих учебных пособиях, к сожалению, конструктивный аспект принципа относительности не акцентируется. Принцип относительности формулируется в них только как утверждение о физической эквивалентности инерциальных систем отсчета и невозможности установить их относительное движение. При этом подчеркивается, что принцип относительности Эйнштейна представляет собой расширение или обобщение принципа относительности Галилея (см., например, [1.12, с.35]. [1.15, C.34J). Нелишне заметить, что релятивистский принцип относительности по справедливости может быть назван принципом ПуанкареЭйнштейна, отдавая дань уважения Л. Пуанкаре, который первым его сформулировал [1.30, с.433].

Учащиеся, формулируя принцип относительности, обычно говорят, что одинаковое протекание физических явлений в инерциальных системах отсчета возможно согласно принципу относительности только в случае одинаковости начальных условий для данных явлений в каждой из таких систем отсчета. Однако в эйнштейновской формулировке принципа относительности речь идет о динамических законах, а не о кинематических. А выражение динамических законов не зависит от начальных условий (которые, конечно, не инвариантны), и поэтому упоминание здесь о них оказывается излишним [1.67, с.249].

Название второго постулата "принцип постоянства скорости света" на пороге 100-летия теории относительности представляется архаичным, хотя оно достаточно распространено [1.67, с.249]. По существу правильное название и толкование этого постулата лежит в методологической плоскости. Физики давно обратили внимание на несогласованность общефизической сути теории относительности и того, что в ее исходном постулате идет речь о конкретном физическом явлении - свете. Конечно, с одной стороны, понятно, что упоминание о свете здесь не случайно, т.к. свет - электромагнитный процесс, а электромагнетизм в целом - предельно релятивистское явление. С другой стороны, в теории относительности нет (и не может быть по ее статусу) теоретического определения понятия света. Иначе говоря, свет в теории относительности - неопределимый в ней, феноменологический элемент, но такой, который из нее без труда элиминируется. Именно, второй постулат теории относительности формулируется как утверждение о существовании конечного предела для скоростей пространственно-временных процессов любой физической природы, в частности движений частиц, или как положение о конечности и предельности скорости пространственного распространения физических взаимодействий [1.34, C.12-13J, [1.10, с.30-31], [1.15, с.35], [1.67, C.250J. Численное значение предельной скорости совпадает с величиной скорости света в вакууме, но это обстоятельство выходит за рамки собственно теории относительности, т.к. в ней самой ее основная, релятивистская постоянная численно неопределима.

Методическая трансформация материала науки в материал учебного предмета возможна при одном непременном условии - она не должна искажать научную истину. В противном случае ее нельзя оправдать никакими благими педагогическими целями. В качестве примера назовем следующее методическое предложение, автор которого пишет: "Лучшей формулировкой второго принципа СТО, на наш взгляд, является следующее- скорость света с (в вакууме) одинакова во всех инерциальных системах отсчета и равна (2,997925±0,000010)-108 м/с" [1.20. с.269]. Однако, во-первых, скорость - векторная величина, а вектор скорости не инвариантен, с чем связано оптическое явление аберрации света. Значит, нужно уточнить, что имеется в виду инвариантность модуля скорости света.

Во-вторых, методологически явно несостоятельно формулировать теоретический постулат как эмпирическое утверждение или эклектическую смесь теоретического и экспериментального, кроме того оптический оттенок формулировки принципа общефизической теории, какой по существу является теория относительности, программирует заблуждение учащихся о том, что релятивистские свойства пространствавремени будто бы определяются свойствами скорости распространения света (именно к такому совершенно неправильному выводу приходит, например, В.Н. Демин [1.22, c.t 10Анализ теории относительности, прежде всего, в рамках 4-мерной реля-тивисткой схемы показывает, что фактически второй принцип теории относительности есть утверждение об инвариантной пространственно-временной релятивистской постоянной (с размерностью скорости) [2.22], [2.29]. В курсах физики средних общеобразовательных учреждений достаточно ее трактовать как величину фундаментальной инвариантной скорости, численное значение которой экспериментально выражается модулем скорости света в вакууме. Нетрудно показать, что инвариантная скорость предельна для скоростей движения массовых частиц.

К серьезным недостаткам в знаниях учащихся относится непонимание роли и значения центрального понятия теории относительности - события, того, что все ее формулы представляют собой пространственно-временные соотношения, адекватная интерпретация которых возможна только в связи с понятием события. Теория относительности есть теория пространства-времени (независимо от применяемого (3+1)-мерного или 4-мерного описаний), и поэтому в ней нет ни чисто пространственных (вневременных), ни чисто временных (внепространственных) выражений. То же замечание касается материальных объектов, в частности часов и линеек. Их нельзя трактовать классическим образом, каждый из таких объектов имеет в теории относительности пространст-венновременной статус.

Формальное изложение без достаточных объяснений и выводов в извест-ном школьном учебнике [1.68, с. 139] релятивистских соотношений для "длины» стержня" и "интервала времени'", интерпретируемых как "сокращение размеров тела'' и "замедление времени" в "движущихся системах отсчета", не столько неудачно методически, сколько искажает научную истину — пространственно-временную сущность теории относительности [2.181.

Как показывают контрольные опросы учащихся средних общеобразовательных учреждений, абитуриентов и студентов педвуза один из самых трудных для них вопросов теории относительности связан с правильной интерпретацией релятивистского понятия времени.

Типичные заблуждения выражаются здесь такими утверждениями: 1) в классической физике время абсолютно, а в релятивистской физике - относительно, 2) течение времени зависит ог скорости движения тела, 3) время в движущихся системах отсчета замедляется, 4) движущиеся часы идут медленнее, чем покоящиеся, 5) при малых скоростях движения время становится абсолютным и т.п.

Каковы методические источники подобных ошибочных представлений? Кроме школьного учебника [1.68] можно назвать, например, методическое пособие |1.20, с.274-275], вузовские учебные пособия [1.19, с.57-58], [1.69, с. 167] и др. Так, в [1.20, с.274] дается такое "определение'": "Время.... отсчитываемое в той системе отсчета, где происходит явление, называют собственным временем". Нет необходимости объяснять очевидную абсурдность подобного "определения", ничего общего не имеющего с настоящим определением понятия собственного времени в теории относительности. В названных вузовских учебных пособиях (которые могут использовать учителя при подготовке к урокам) применяются сомнительные в научном отношении термины "длительность события", с "точки зрения наблюдателя" [1.19, с.57] (событие в теории относительности, как известно, по определению не имеет длительности!).

Основные недостатки в знаниях учащихся релятивистской механики связаны со следующими не вполне по существу точными и методологически оправданными утверждениями:

- релятивистская механика есть механика больших скоростей;

- второй закон ньютоновой динамики справедлив и в релятивистской динамике, только в выражении импульса следует учесть, что при больших скоростях масса тела зависит от его скорости;

- тело нельзя ускорить до скорости света, т.к. в таком случае до бесконечности возрас гает масса тела;

- фундаментальный закон взаимосвязи массы и энергии есть закон взаимосвязи: а) релятивистской массы и полной энергии тела или б) массы и энергии покоя тела (где под телом понимается в эмпирическом смысле обычное физическое тело);

- энергия покоя представляет собой содержащуюся в теле внутреннюю энергию.

Особый вопрос касается так называемой "релятивисткой массы" или "'массы движения'", возрастающей с увеличением скорости тела. Это понятие и соответствующий "закон"' широко распространены в учебной литературе, в том числе используются в школьном учебнике [1.68, с. 141]. Детальный анализ этого вопроса, проведенный рядом исследователей (см., например, статью академика Л.Б. Окуня [1.31]), а также автором [2.2, с.164-205], [2.21], [2.57], позволяет заключить:

- традиционное понятие «масса движения» или «релятивистская масса» тела не имеет в релятивистской механике никаких содержательных и методологических оснований, по существу в нем эклектически объединяется несоединимое - элементы ньютоновой и релятивистской механик;

- в механике, основанной на теории относительности, есть настоящее (правильное) понятие релятивистской массы совокупности частиц - инвариантной величины, определяемой их суммарной собственной кинетической энергией.

Анализирую традиционные недостатки в знаниях школьников теории относительности, можно резюмировать, что главными их причинами являются следующие методологические упущения, допускаемые при изложении теории относительности в учебных и методических пособиях для учащихся и учителей:

- нарушение принципа системности: теория относительности представляется учащимся не в качестве целостной теоретической схемы, а догматически и формально как набор постулатов и релятивистских формул (без их вывода, обоснования и должной интерпретации);

- отсутствие ясного понимания принципов преемственности и соответствия и связанного с этим осознания существенных понятийных и содержательных отличий теории относительности и классической концепции пространства, времени и движения, релятивистской и ньютоновой механик;

- попытка дать неточные простые, эмпирические определения взамен строгих научных понятий, соответствующих релятивистской теоретической схеме;

- игнорирование того, что предметная область эффективных практических приложений теории относительности связана не с кинематикой и динамикой макротел, а, прежде всего, с физическими явлениями электромагнетизма, оптики, ядерной физики, элементарных частиц и др.

4. Научно-методические основы изучения теории относительности и их реализация в различных курсах физики средних общеобразовательных учреждений Проведенный в исследовании онтодидактичсский анализ содержания теории относительности позволяет сформулировать следующие основные методические положения: