Щербань Євгенія

Науковий керівник – В.П.Вовкотруб

Кіровоградський державний педагогічний університет

імені Володимира Винниченка

Анотація. Розглянуто структуру і використання моделей та аналогій для розвитку і поглиблення наукового методу пізнання при вивчені явищ і процесів різної фізичної природи.

Ключові слова: методика навчання фізики, моделювання, модель, об’єкт, модель-аналогія.

Нині в педагогіці і методиці навчання фізики велика увага приділяється методу моделювання як загальнонауковому методу. Все це пов’язано із великою роллю моделей і методів моделювання в сучасному світі. Моделювання є невід’ємним етапом будь-якої цілеспрямованої діяльності і виконує провідну роль в сучасних наукових дослідженнях.

Початкова сутність слова «модель» пов’язана з архітектурою. В епоху середньовіччя воно означало масштаб,  в якому виражались всі пропорції будівлі. В подальшому воно набуло значення зразка, за яким щось створюється в мистецтві. Так як зразок, зазвичай, являє зменшену копію предмета, то виникло уявлення про модель як про мініатюрне зображення, схоже на об’єкт в усьому,  окрім розмірів [2].

Поняттям моделі почали користуватись в наукових дослідженнях, коли безпосереднє вивчення явищ виявлялось не можливим або малоефективним. В такому випадку об’єкт, який вивчався, (за його значної складності) заміняють іншим, простішим і доступнішим для дослідження, який дещо відповідний оригіналу. Такий об’єкт - замінник і називають моделлю об’єкта, який вивчають.

Під моделюванням розуміють такий специфічний метод пізнання, який включає побудову моделі (чи вибір готових) і вивчення їх з метою одержання нових відомостей про фізичний об’єкт, який розглядається.

Відповідність між моделлю і об’єктом, що моделюється може існувати на різних рівнях:

• на рівні співпадання окремих елементів структури моделі і оригінала;
• на рівні співпадання деяких їх суттєвих характеристик;
• на рівні співпадання функціонального зв’язку між величинами, що їх характеризують;
• на рівні подібності відношень між елементами моделі і елементами об’єкта вивчення.

Якщо модель і об’єкт, що моделюють знаходяться у відповідності між собою на рівнях подібності відношень, то кажуть, що між ними існує відношення аналогії (у вузькому розумінні цього слова).  В літературі можна зустріти і широке розуміння аналогії,  яка включає будь-яку подібність між будь-якими предметами чи явищами.

Впровадження метода моделювання в навчальний процес розпочалось з досліджень з методики навчання фізики. Це обумовлено тим, що при навчанні фізики учні стикаються з великою кількістю різноманітних моделей. Крім того, сутність моделювання простіше пояснити на прикладі наочних фізичних моделей ніж математичних [3].

Щоб пояснити сутність процесу моделювання, розглянемо основні етапи його реалізації. Нехай є деякий предмет вивчення зі всією повнотою його властивостей і закономірностей. Перш за все необхідно виділити ті властивості і відношення які належить у подальшому досліджувати. Так використовують різноманітні методи. Таким є спостереження, за результатами якого вчений точно відслідковує і реєструє явища в такому вигляді, якими вони виникають у природі. Після дослідник переходить до експерименту, в процесі якого вже активно втручаються в перебіг процесів з метою виділення його властивостей і зв’язків. Вагоме значення на даному етапі дослідження має теоретичне мислення, яке дозволяє вникнути в сутність явища.

Якщо експеримент не дозволяє розкрити необхідні зв’язки і відношення об’єкта, тоді користуються опосередкованим його вивченням з допомогою моделі, причому розглядають не весь об’єкт в цілому, а лише певну сукупність його властивостей при цьому інші відношення фізичного об’єкта абстрагують. Предметом моделювання в даному випадку є не сам об’єкт, а його властивості, якими цікавляться, перебігаючи в ньому зв’язки і об’єкти. Умовно цей етап називають етапом виділення предмета моделювання.

Після цього добирають інший об’єкт, вивченням якого дає нову інформацію про об’єкт, що вивчається, причому дослідження об’єкта – моделі має бути доступнішим, ніж вивчення оригіналу.

Побудовану модель ретельно досліджують в теоретичному і експериментальному плані. Мета такого дослідження – одержання нових знань про предмет моделювання. Особливість експериментування на моделі – необмеженість в часі і повторюваність перебігання  процесів. Цей етап моделювання називають етапом дослідження моделі.

Цілком зрозуміло, що знання, одержані за результатами дослідження моделі, є абсолютно достовірними лише для об’єкта, який виступає в ролі моделі. Перенесення інформації з моделі на оригінал можливе лише за наявності певної відповідності між їхніми елементами. Інколи правила перенесення задають у вигляді так званих критеріїв подібності. Наприклад, у гідродинамічному моделюванні в якості вказаних критеріїв використовують число Рейнольдса, число Ейлера та ін. Аналогічно здійснюють перенесення результатів демонстрування з допомогою телурія (рис. 1), моделі досліду Резерфорда (рис. 2) тощо.

Таким чином, в процесі моделювання на основі наявності деяких спільних властивостей моделі і об’єкта, що вивчається, останньому приписують нову властивість, виявлену на моделі. У цьому й полягає евристичне значення методу моделювання для вивчення фізичних об’єктів. Розглянутий етап моделювання називають етапом перенесення знань з моделі на оригінал.

Рис. 1 Телурій.

Рис. 2. Модель досліду Резерфорда.

Проте знання, одержані таким способом про оригінал, є не досить достовірними. Необхідно здійснити практичну перевірку перенесення інформації, одержаної в процесі дослідження моделі, на об’єкт вивчення. Тепер знову необхідне експериментування з оригіналом, проте більш цілеспрямовано, ніж раніше. Варто відмітити що при використанні критеріїв подібності моделі й оригінала ступінь достовірності знань про оригінал, одержаних в процесі вивчення моделі, значно підвищується. Як правило, одержані таким шляхом знання не потребують додаткової експериментальної перевірки. Завершальний етап процесу моделювання називають етапом перевірки перенесення знань з моделі на оригінал.

Відповідно до способу реалізації і засобів моделювання всі моделі можна розділити на матеріальні (предметні, або речові) та ідеальні (мислительні). Під предметною моделлю фізичного об’єкта, що вивчається, розуміють деякий матеріальний (речовий) предмет, подібний з оригіналом і здатний замінювати його в процесі експерименту (або пізнання).

Характерною особливістю матеріальних моделей є те, що вони функціонують за природничими законами, незалежно від діяльності людини. Їхнє призначення – відтворення структури, характеру перебігу, сутності процесу, що вивчається. Прикладом такої моделі є «Маятник в годиннику»  (рис. 3), що використовується в процесі вивчення автоколивань.

Рис. 3. Маятник в годиннику.

З матеріальних моделей можна виділити велику групу фізично подібних моделей. Це подібні з оригіналом за фізичною сутністю і геометричною формою моделі які від оригінала відрізняються лише кількісними значеннями параметрів.

Моделі такого виду застосовують тоді, коли необхідно детально вивчити конкретний процес, а не загальні закономірності які відбуваються в досліджуваному зразку за заданого режиму роботи з певними геометричними і фізичними властивостями, але здійснювати експерименти над таким процесом або не вдається, або вкрай складно. До таких моделей відноситься модель термопари, яка дозволяє зняти її таку характеристику, як залежність е.р.с. від різниці температур спаїв.

Просторово-подібні моделі утворюють другу групу матеріальних моделей. В основі подібності таких моделей з оригіналом лежить геометрична подібність. Вони не відтворюють фізичного явища, а слугують для наочного зображення тих чи інших установок споруд і їх взаємного розташування.

Просторові моделі часто називають макетами. Їх широко застосовують при об’ємному проектуванні. Прикладом таких моделей є моделі молекул, модель ока тощо.

Третю (велику) групу матеріальних моделей складають математично подібні моделі, які не мають з оригіналом ні фізичної, ні геометричної схожості. Об’єкт і модель описують однаковими рівняннями. Так, між механічними і електричними коливаннями існує аналогія. Користуючись цією аналогією, можна побудувати електричну модель механічного процесу, і навпаки.

Ідеальні моделі – це моделі, які конструюють мислено. Вони можуть відтворюватись за допомогою рисунків, певних символів (знаків), але всі перетворення елементів здійснюються в свідомості людини, яка при цьому користується логічними, математичними і фізичними правилами і законами. Всі мисленні моделі можна розділити на  моделі-уявлення і знакові моделі.

Уявлення – адекватний образ деякого предмета. Уявлення може стати моделлю іншого предмета якщо між предметами є дещо спільне, тобто вони подібні. Модельні уявлення знаходять широке застосування при вивчені різноманітних фізичних явищ. Наприклад, моделі установки для відтворення дослідів Фарадея для розуміння механізму виникнення електрорушійної сили індукційного струму; моделювання силових ліній електричного поля з використанням султанів чи зважених в маслі частинок манної крупи , а також ліній магнітного поля. З допомогою залізних ошурків.

Знакові (або символічні) моделі основані на тому, що елементи відношення і властивості об’єкта, що моделюється (явища чи процесу) виражені символами. Наприклад, хімічні формули відображають структуру молекул.

Елементарний знак знакової системи, який виступає в якості моделі, чи виконує її функцію, обов’язково повинен мати предметне значення, знаходитись в однозначному відношенні зі своїм предметом і, відповідно, бути його замінником. Причому предметом може бути як конкретний об’єкт (атом будь-якого елемента, протон, електрон, тощо) так і абстрактний предмет (матеріальна точка, абсолютно тверде тіло і ін.) або певні зв’язки, відношення (зміщення, притягання, відштовхування тощо).

Так як відсутня будь-яка подібність між елементами моделі і елементами оригінала, то для знакових моделей теорія подібності не застосовна. Перенесення ж знань з моделі на об’єкт, що вивчається здійснюється з допомогою так званих семантичних правил.

Роль схематизації і ідеалізації об’єктів в процесі їх пізнання особливо виразно проглядається при вивченні курсу фізики в старшій школі. Тут моделі є не лише засобом наочності навчання, а й слугують об’єктами теоретичних досліджень. Основним елементом теоретичного знання в фізичній науці є теорія.  Згідно з ідеєю, закладеною в навчальних програмах багато питань шкільного курсу мають вивчатись на основі тієї чи іншої теорії.

Фізична теорія – це система теоретичних понять і законів, які відображають фундаментальні зв’язки широкої області явищ. Теоретичні закони виражають внутрішні, відкриті теоретичним шляхом (не безпосереднім спостереженням) зв’язки між явищами (наприклад, закони, виражені рівняннями Максвелла, встановлюють зв’язок між електричними і магнітними полями).

Академік С.І.Вавілов виділив три основних методи побудови фізичних теорій: метод модельних гіпотез, метод принципів і метод математичних гіпотез. В основі методу модельних гіпотез лежать наочні образи і уявлення, що виникають в людини за результатами повсякденних спостережень, досвіду і звичок. Широкого поширення набув цей метод в процесі створення класичної фізики.

Метод принципів, широко використовується в процесі побудови фізичних теорій і опирається на екстраполяцію деяких дослідних даних. Узагальнення виражається в поширенні знайденого дослідного факту на ширшу групу явищ, при цьому узагальнений дослідний факт вважається принципом.

Метод математичної гіпотези характерний для сучасної фізики. Він базується на широкій екстраполяції математичних форм, обмежений лише тим, що висновки не протирічять досліду. Звідси надзвичайно велика евристична роль знакових моделей (математичних форм) в фізичних теоріях.

В старшій школі в процесі навчання фізики розглядають лише теорії певних двох видів. Теорії ж третього виду, які відрізняються найбільшою абстрактністю, в школі не вивчають, хоч окремі наслідки з них і використовують для пояснення ряду фізичних явищ. При цьому застосовують як матеріальні, так і ідеальні моделі. В цьому особливість застосування моделей і аналогій  в процесі навчання фізики в старшій школі.

Висновки. Використання моделей та аналогій в дидактиці фізики демонструє учням цілісність фізичної картини світу, єдність явищ, які мають різну фізичну природу, але описуються аналогічними закономірностями. Така особливість формує наукове мислення учнів (студентів), значно підвищує навчальний інтерес і є підґрунтям їх майбутньої інженерно-конструкторської діяльності в різноманітних технологічних сферах.

Список літератури

1. Грибова М.В. Физические модели реальных явлений как основа построения школьного курса физики: дис.канд.пед.наук / М.В.Грибова. – СПб., 2004. – 191 с.

2. Каменецкий С. Е. Модели и аналогии в курсе физики средней школы : пособие для учителей / С. Е. Каменецкий, Н. А. Солодухин. – М. : Просвещение, 1982. – 96 с.

3. Королев М.Ю. Метод моделирования в школьном курсе физики / М.Ю.Королев // Физика в школе. – 2009. - №8. – С. 27-31.

4. Столєтов А.Г. Избр. Соч. / А.Г. Столєтов. – М-Л., Государ. Изд-во Технико-теоретической литературы, 1950. –  576 с.