Анна Коржевська

Науковий керівник – Трифонова О.М.

Кіровоградський державний педагогічний університетім. В. Винниченка

Анотація. В даній статті розглядаються основніметодичні підходи до вивчення симетрії, її видів та закономірностей у шкільному курсі фізики. Стаття присвячена проблемі висвітлення властивостей симетрії у єдності із законами збереження і інваріантності, як основи будь-якої фізичної теорії щодо спостережуваних фізичних характеристик систем, під час вивчення фізики в загальноосвітніх навчальних закладах.

Ключові слова: симетрія, прояви симетрії при вивчені фізики, закони збереження, методика навчання фізики.

Актуальність проблеми. Згідно з діючої навчальної програми з фізики [3] та нової, яка має вступити в дію з 1 вересня 2015 року [4], передбачається вивчення учнями у процесі оволодіння шкільним курсом фізики близько 3200 фізичних понять. Структурно-логічний аналіз враховує елементи знань, якими повинен володіти учень близько 1700в основній школі, на що в цілому відводиться 175годин (в основній школі) та  близько 1470 понять володіння учнями старших класів – 210 годин (в старшій за академічним рівнем). Психологами доведено , що на належному рівні за один урок учні в середньому засвоюється 3-5 понять. Не складні підрахунки показують, що за відведеного часу на опанування елементами знань, умінь та навичок з фізики в загальноосвітній школі не вистачить уроків, щоб сформувались передбачені державним стандартом компетенції. Тому постала проблема удосконалення методики навчання фізики, пошуків шляхів оптимізації навчального процесу. Ми пропонуємо цей процес оптимізації побудувати на основі структурування змісту шкільного курсу фізики навколо наскрізних фундаментальних понять.

На нашу думку, варто сформувати в учнів цілісне уявлення про фізику як науку на основі вивчення системи фундаментальних понять. До них ми віднесли: закони збереження, однорідність простору та часу, ізотропність. Серед цих понять особливе місце займає поняття симетрія. На цьому важливому понятті, зокрема грунтуються закони збереження. Тоді прояв їх у фізичних симетричних явищах та процесах буде виступати як властивості. За такого підходу значно зменшується кількість елементів знань, як окремих категорій.

Метою дослідження є поєднання властивостей симетрії в єдності з властивостями законів збереження, на яких можна побудувати фізичну теорію, щодо спостережуваних фізичних характеристик систем у процесі формування предметної компетентності учнів при вивченні фізики.

Аналіз раніше виданих досліджень і публікацій показав, що проблемі вивчення симетрії та її властивостей у шкільному курсі фізики приділяли увагу В.О. Фабрикант, Л.І. Рєзніков, С.У. Гончаренко, А.О. Салюкова та інші. Деякі основні положення цього вчення знайшли відображення в діючих на даний момент посібниках з фізики та посібниках, які використовують при проведенні факультативних занять.

Окремо проблемі вивчення фундаментальних наскрізних понять присвятили свої праці: Б.Є. Будний (формування в учнів системи фундаментальних фізичних понять), В.В. Мултановський  (проявів симетрії у класичній механіці), І.З. Ковальов (симетрії в курсі фізики середньої школи), А.А. Дробін  (застосування наскрізних понять у методиці навчання фізики), М.І. Садовий (симетрії елементарних частинок).

Високо оцінюючи досвід роботи дослідників, щодо висвітлення симетрії у теорії та методиці навчання фізики, до вирішення цієї проблеми ми прийшли до висновку, що належної уваги зв’язку фундаментальних понять з принципом симетрії не приділялося.

Виклад основного матеріалу. Дослідження [1; 5] показали, щоодним з напрямків реформування фізичної освіти в школі стає посилення її методологічної спрямованості. Необхідність цього зумовлена не лише прогресом фізики як науки, але й корінними змінами в характері наукових знань, самому процесі пізнання і співвідношення знання і пізнання. Виникає потреба у тому, щоб наука сприймалась суб’єктом навчання не як перелік відкриттів чи сукупність формул, а формувала його спосіб мислення в процесі пізнання навколишнього світу. Рівень сформованості у випускників загальноосвітньої школи сучасного способу мислення в значній мірі визначається тим, як вони засвоїли фундаментальні фізичні поняття, закони, теорії, принципи. Завдяки широкому спектру властивостей і функцій фундаментальних понять в науці їх формування набуває визначальних рис у структурі змістової компоненти методики навчання фізики. Фундаментальне поняття є тією дидактичноюодиницею, досліджуючи процес формування якої можна визначити необхідні дидактичні умови підвищення якості навчання, формування науково-теоретичного способу мислення.

До фундаментальних понять ми відносимо й «фундаментальні константи», «фізичні сталі», «характерні фізичні сталі».

Для побудови методичної системи навчання фізичних явищ за допомогою фундаментальних понять і, зокрема констант, ми пропонуємо виокремити фізичні явища та процеси, яким притаманні властивості симетрії. Ми пропонуємо вивчати симетрію у загальноосвітніх навчальних закладах, як основу подальшого вивчення певного поняття, як основи цілісного уявлення учнів про оточуючий світ.

Вивчення симетрії починається у 7 класі при навчанні теми «Механiчнi, тепловi, електричнi, магнiтнi та оптичні явища». Варто пам’ятати, що симетрія проявляється не лише у фізиці, а й в інших навчальних предметах (наприклад, у біології при вивчені скелету людини, у хімії виявляється в геометричній конфігурації молекул, а також у математиці при побудові фігур) та оточуючому нас світі (наприклад, архітектурі, будівництві житла, у створенні предметів побуту, в прикрасах одягу), див. рис. 1.

Учням слід наголосити, що на початковому етапі під симетрією в широкому сенсі розуміють [2] властивість об’єкта мати деяку правильність форми, незмінність її при дії рухів і віддзеркалень. У пропорції і відповідності виявляються кількісні стосунки між частинами цілого та цілим. У давньогрецькій філософії симетрія, пропорція були необхідною умовою гармонії і краси.

Рис. 1. Структурно-логічна схема проявів симетрії

Аналогічні демонстрації можна показати на картинах дифракції, інтерференції оптичних явищ, в молекулярній фізиці на будовах кристалів, в електродинаміці  на прикладі позитивного та негативного зарядів тощо.Для того, щоб успішно показати перетворення симетрії у фізиці необхідна підготовча робота, яку бажано починати з 7 класу. Показуючи, що геометричні елементи симетрії відносяться не тільки до зовнішньої форми предметів і фізичних тіл, а й до їх фундаментальних властивостей і також просторово часових характеристик. Це робиться на явищах, які вивчаються у 7 класі загальноосвітньої школи в курсі шкільної фізики. Пропедевтика вивчення повинна проводитися на основі відповідних дослідів і демонстрацій (наприклад, фотографії молекулярних кристалів, моделі молекул води, водню, кисню, прямолінійне поширення світла, відбивання світла), які виконує вчитель самостійно. Показуючи, що представлення про симетрію фізичного тіла дають можливість встановити спільні риси між різними об’єктами. Прикладом таких дослідів і демонстрацій може бути робота з осцилографом, на екрані якого моделюється фундаментальне поняття - електромагнітні хвилі, які володіють симетрією.

Особливо корисно наголосити учням на проявах симетрії при вивченні явищ мікросвіту у розділі «Атомна і ядерна фізика». Як стверджує Дж. Елліот «квантова механіка, якою доводиться користуватися на мікроскопічному рівні, будучи значно складнішою за класичну, більшою мірою спрощується при використанні симетрії» [6, с. 12]. У квантовій механіціне виражається положення про єдність протилежних корпускулярних і хвильових властивостей мікрооб’єктів.

Квантовим величинам властивий характер відносності до засобів спостереження, що відрізняє їх від класичних величин, які безвідносні до засобів спостереження. Відкриття квантових симетрій означає, що фізика стала вивчати суперечності в самому фундаменті матерії. Учням слід наголосити, що відкриття симетрії між частинкою і хвилею визначило основну вісь квантових ідей: як відомо, закони квантової механіки інваріантні відносно цієї симетрії подібно тому, як закони СТВ інваріантні відносно симетрії між простором і часом.

Симетрія закладена в основі всіх фундаментальних законів фізики: закону збереження імпульсу, як наслідку однорідності простору; закону збереження моменту імпульсу, як наслідку ізотропії простору; закону збереження енергії, як наслідку однорідності часу; закону збереження швидкості центру мас, а якщо так, то обов’язково використовуються фізичні сталі для подальшого розгляду наскрізних понять, які охоплює симетрія.

Висновки. Отже, формування в учнів цілісного уявлення про оточуючий світ та наукового світогляду при вивченні шкільного курсу фізики найбільшою мірою забезпечується при наскрізному вивченні в школі симетрії та її властивостей в поєднанні з фундаментальними фізичними поняттями. Перспективи подальших досліджень у даному напрямку пов'язані з удосконаленням експериментального відображення властивостей симетрії у навчальному фізичному експерименті з використанням інформаційно-комунікаційних технологій.

Список літератури

1. Будний Б.Є. Теоретичні основи формування в учнів системи фундаментальних фізичних понять : автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. пед. наук : спец. 13.00.02 «Теорія та методика навчання (фізика)» / Б.Є. Будний. – К., 1997. – 51 с.
2. Вакуленко М.О, Вакуленко О.В. Фізичний тлумачний словник / М.О Вакуленко, О.В Вакуленко.  К.: Видавн. -поліграф. центр „Київський університет, 2008. – 767 с.
3. Державний стандарт базової і повної загальної середньої освіти (Постанова Кабінету Міністрів України № 1392 від 23 листопада 2011 року). – Режим доступу: http://zakon4.rada.gov.ua/laws/show/1392-2011-п
4. Навчальні програми для загальноосвітніх навчальних закладів: Фізика. 7-9 класи. – К.: Вид.дім «Освіта», 2013. – 32 с.
5. Садовий М.І., Подопригора Н.В., Трифонова О.М. Вивчення симетрії майбутніми вчителями фізики // Зб. наук. пр. Уманського держ. пед. ун-ту імені Павла Тичини / [гол. ред.: М.Т. Мартинюк]. – Умань: ПП Жовтий О.О., 2012. – Ч. 4. – С. 288-298.
6. Элиот Дж. Симметрия в физике / Дж. Элиот П. Добер; Соч. в 2-х т. – Т.1. – М : Мир, 1983. – 364 с.