«Физический эксперимент (Классификация, типы, задачи, метрологическое обеспечение,влияние психологического фактора).»

Постановка и организация эксперимента определяются его назначением. Эксперименты, которые проводятся в различных отраслях науки, являются химическими, биологическими, физическими, психологическими, социальными и т.п. Они различаются по способу формирования условий (естественных и искусственных); по целям исследования (преобразующие, констатирующие, контролирующие, поисковые, решающие); по организации проведения (лабораторные, натурные, полевые, производственные и т.п.); по структуре изучаемых объектов и явлений (простые, сложные); по характеру внешних воздействий на объект исследования (вещественные, энергетические, информационные); по характеру взаимодействия средства экспериментального исследования с объектом исследования (обычный и модельный); по типу моделей, исследуемых в эксперименте (материальный и мысленный); по контролируемым величинам (пассивный и активный); по числу варьируемых факторов (однофакторный и многофакторный); по характеру изучаемых объектов или явлений (технологические, социометрические) и т.п. Конечно, для классификации могут быть использованы и другие признаки.

В настоящее время не может быть споров и сомнений в том, что при обучении физике обязательно широкое применение физического эксперимента. В ходе физического эксперимента не только воспроизводится изучаемое явление, процесс или закон, но и исследуется его зависимость от сопутствующих условий и параметров, характеризующих эти условия, производятся необходимые измерения. В процессе эксперимента происходит активное вмешательство исследователя в ход явления с целью постижения его сущности.

Проведенный анализ средств новых информационных технологий обучения физике показал, что наиболее перспективным направлением применения микропроцессорной и компьютерной техники при обучении физике является их использование как инструментального средства. Это позволило считать приоритетным использование средств новых информационных технологий в обучении физике.

В связи с этим, в настоящее время учебный физический эксперимент развивается в трех направлениях:

1. Модернизация традиционного метрологического оборудования для выполнения демонстрационного и лабораторного физического эксперимента.

2. Моделирование физических процессов с помощью компьютера.

3. Использование интерфейсных блоков, сопрягаемых с ЭВМ, и датчиков физических величин для демонстрационного и лабораторного учебного физического эксперимента.

Первое направление представляет собой использование традиционного и усовершенствованного метрологического оборудования. При этом выполнение студентами физического эксперимента предполагает исследование физических явлений, процессов и законов с помощью реального или, как его еще называют, натурного эксперимента с помощью метрологического оборудования, которое традиционно имеется в физических лабораториях в педвузах. Зачастую для выполнения лабораторных работ студентами и демонстраций преподавателей используются натурные модели (понятие модель мы рассмотрим ниже), которые являются увеличенным (модель кристаллической решетки, атома, молекулы и т.д.) или уменьшенным (гироскоп, двигатель внутреннего сгорания и т.д.) представлением реального объекта.

Два остальных направления характеризуются приоритетным применением компьютера и средств мультимедиа в физическом эксперименте.

Второе направление характеризуется тем, что микропроцессорная и вычислительная техника используется для моделирования множества физических явлений, процессов и законов. При этом исследованиям с помощью ЭВМ стали доступны сложные, высокоорганизованные системы со многими параметрами, вероятностные системы и т.п. ЭВМ принципиальным образом изменили, прежде всего, саму постановку эксперимента, позволив многократно сократить сроки проведения циклов измерений и обработки результатов. Такая интенсификация открыла доселе неизвестные возможности в динамическом моделировании процессов [1, с. 23].

Основные характеристики экспериментальной стратегии, определяющей место и смысл частных видов эксперимента (исследовательский, проверочный, демонстрационный, решающий, модельный, мысленный), могут быть сведены к следующим:

1. Эксперимент исследует изменение состояния наблюдаемого объекта в зависимости от изменяющихся условий его существования, он ищет за природными явлениями схему функциональной зависимости, рассматривая их как примеры действия единого закона, одной «природы». Эксперимент становится методом познания, когда саму природу понимают как метод действия. Начало ревизии аристотелевского (и схоластического) понятия формы в духе экспериментального метода положено в «Новом Органоне» Ф. Бэкона.

2. Решающее значение в эксперименте имеет исследование испытуемого в «стесненных» (Ф. Бэкон) — предельных, пограничных, критических — состояниях. Изменение условий в эксперименте строится как ряд последовательных приближений к предельному состоянию, как своего рода предельный переход. В эксперименте происходит выход за предметный (опытный) горизонт исходной теории в мир новых (мыслимых) сущностей и одновременно опытное открытие этих сущностей как предельных (парадоксальных) форм опыта. Так, Галилей открывает существование коперниканского мира, экспериментируя с предельными формами мира аристотелианского. Сформулированный Н. Бором принцип соответствия лишь выявляет эту особенность развития теоретической мысли, которая всегда есть эксперимент над собой.

3. Поскольку в опыте видимое дано вместе с определенным образом видения и понимания, экспериментирование с предметом опыта преобразует и конструктивное воображение субъекта. Открывая новые объекты, эксперимент одновременно открывает на них глаза: создает, изобретает соответствующую им способность видеть. Подобно тому как аристотелик Симпличио в «Диалогах» Галилея научается видеть события с «точки зрения» бесконечной Вселенной, физик 20 в. научается видеть события в стереоскопии принципа дополнительности. Эту функцию эксперимента называют сократической (Л. Ольшки).

4. Эксперимент устремлен к пределу, в котором исследуемое явление (напр., падение тела, химическое превращение, наследование признака) выступает в «чистом виде», изолированно. Преобразующее действие эксперимента направлено к разделению сложной системы взаимодействий с целью выделить, изолировать элементарную связь «причина— действие» и, далее, свободное от действий (инерциальное) бытие объекта. Идея предельной изоляции элементарного взаимодействия и свободного состояния определяет эксперимент как процедуру идеализации, как предельный переход к мысленному эксперименту с идеальными объектами (к которым только и относятся утверждения теории). Эксперимент поэтому далек от естественного наблюдения. Специальными техническими средствами в нем создаются условия, максимально приближенные к идеальным (абсолютная пустота, абсолютно твердое тело, идеальный газ, простой рефлекс, социальный тип и др.). Вместе с тем он указывает путь «реализации» идеального — эмпирической интерпретации идеальных объектов и причинного объяснения реальных явлений. Всякий реальный эксперимент имеет смысл только в горизонте мысленного эксперимента с идеальными объектами. Точно так же и всякий теоретический конструкт получает смысл реального понятия лишь в качестве идеального проекта реального эксперимента. Мысленный эксперимент в специальном смысле, т. е. принципиально нереализуемый, воображаемый эксперимент (который сыграл столь существенную роль в уяснении смысла квантовой реальности), лишь обнаруживает внутреннюю экспериментальность самого теоретического мышления.

5. Воспроизведение реального события в идеальном пределе предполагает исключительные, искусственно созданные условия эксперимента. Поскольку же идеализация в эксперименте устремлена к выявлению элементарных действий (как причин и как следствий), эксперимент находит опору в технике. В опытной основе экспериментальной физики лежит не наблюдение естественной природы, а исследования полета снарядов, действия гидротехнических механизмов, теплообмена паровой машины и т.д. Экспериментальная наука делается в лабораториях. Эксперимент рассматривает технику как форму открытия сущностных законов природы и открывает природу как возможную технику. Экспериментальная техника (метод) однородна с воспроизводимым явлением (предмет), она представляет собой звено, через которое теоретическое открытие становится техническим изобретением, а достижения техники позволяют продвинуться в исследованиях. Фундаментальные исследования являются и наиболее техноемкими (напр., современный ускоритель), и наиболее технически эффективными (ядерная энергия, генная инженерия).

6. Однородность технического средства и исследуемого предмета в эксперименте сказывается в том, что теоретическое открытие сразу же приводит к совершенствованию экспериментальной техники. В экспериментальной установке, построенной на базе теории, последняя утрачивает характер объективной картины реальности, как бы отслаивается от мира, приобретает форму инструмента исследования, направленного на мир.

Неклассическая физика 20 в. (релятивистская и квантовая механика) обнаруживает внутренние границы эксперимента как метода познания. Принципы наблюдаемости, неопределенности, дополнительности фиксируют неустранимое участие познавательного действия в определении бытия познаваемого объекта. Намечаются существенно новое понятие бытия (бытие-событие, бытие-возможность) и новая идея разума, отличного от разума объективно познающего, и соответственно новое, неэкспериментальное понимание опыта.

Вышесказанное настолько тривиально, настолько и обязательно для науки, в чем можно убедиться на примере классической физики. Но мы не сказали еще об одной существенной помехе - субъективном факторе, существенно влияющем на чистоту эксперимента, а следовательно и на развитие науки в целом. Однако этот фактор рано или поздно преодолевается благодаря публичности науки путем научной аргументации (конференции, публикации) и новых экспериментальных данных.

Тем не менее, субъективный фактор хотя и преодолим, но не так безобиден. Обобщенно проявлением этого фактора можно считать три ситуации:

1. Ошибочные (неадекватные) представления об изучаемом явлении отдельных ученых или экспериментаторов.

2. Неадекватная теория явления, выдвинутая ученым-авторитетом (естественно, в свое время заслуженным), удерживающаяся только на этом авторитете, несмотря на появляющиеся все новые экспериментальные ее опровержения.

3. Неадекватная теория, превратившаяся затем в догму (и, по сути - табу!) не столько ее создателем, сколько его сторонниками, последователями и т.д.

Для развития творческих способностей недостаточно дать учащимся сумму знаний. Главное условие развития творчества – организация деятельности учащихся. Из всех видов деятельности неоценима роль физического эксперимента. Владение навыками физического эксперимента делает более плодотворным труд рабочего, техника, инженера, а также служит средством решения многих технических проблем на производстве, в научных лабораториях и даже в быту.

9. Феофанов С.А. Натурный и вычислительный эксперимент в курсе физики средней школы: Автореф. Дисс. канд.пед.наук. - С-Пб, 1996.

10. Я.И. Перельман. Занимательная физика. Москва – Ленинград. 1947 г.

11. М. Миннарт. Свет и цвет в природе. Москва. 1958 г.

12. Д.Р. Джадд. Г. Вышецки. Цвет в науке и технике. Москва. 1978 г.

13. С. Толанский. Оптические иллюзии. Москва 1967 г.

14. Крутов В.И., Грушко И.М., Попов В.В. и др. Основы научных исследований: Учеб. для техн. вузов. - М.: Высшая школа, 1989

15. Орир Дж. Физика: Перевод с англ. - М.: Мир, 1981

16. Стоцкий Л.Р. Физические величины и их единицы. Справочник: Книга для учителя. - М.: Просвещение, 1984

17. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1980