Теоретичні та методичні засади інтегрованого навчання термодинаміки і статистичної фізики в педагогічних університетах

Abstract

У дисертації вперше обгрунтовано теоретичні і методичні підходи до навчання термодинаміки па послідовних засадах статистичної фізики у вищих педагогічних начальних закладах в умовах спрямування зусиль держави на досягнення ефективності вищої освіти як головного чинника успішної соціалізації та професійної діяльності її випускників. Вперше у навчально-методичній літературі обгрунтовано, що закони термодинаміки та наслідки з них є наслідками властивостей простору та часу й статистичних закономірностей, притаманних усім системам з великою кількістю структурних елементів. Запропоновано методичну систему інтегрованого навчання курсу «Термодинаміка і статистична фізика» майбутніх учителів фізики, яка ґрунтується па принципах фундаментальності, наочності, дедуктивного й проблемного підходів у навчальному процесі. Розроблено структуру курсу «Статистична термодинаміка» для студентів спеціальності «Фізика*» педагогічних вищих навчальних закладів, яка у повній мірі відповідає сучасному змісту теоретичної фізики як науки, а також комплекс навчально-методичного забезпечення викладання курсу теоретичної фізики.

В диссертации впервые обоснованы теоретические и методические подходы к изучению термодинамики на последовательных основах статистической физики в высших педагогических учебных заведениях в условиях направленности усилий государства на достижение эффективности высшей школы как основного фактора успешной социализации и профессиональной деятельности ее выпускников. В результате анализа учебной и научной литературы по термодинамике и статистической физике и опыта их преподавания в разных педагогических университетах Украины установлено, что, несмотря на то, что эти разделы теоретической физики играют основную роль в формировании физического мировоззрения будущих учителей физики, за последние несколько десятилетий в преподавание вопросов термодинамики и статистической физики не внесено никаких существенно новых элементов. Термодинамика и статистическая физика рассматриваются как две мало связанные учебные дисциплины, а традиционной методике обучения термодинамике присущи принципиальные недостатки. Содержание и структура изучения традиционных вопросов термодинамики в высших педагогических учебных заведениях нс соответствует сути и методологии современной физики. Изучение термодинамики в существующей системе обучения носит преимущественно формальный и аксиоматический характер. При последовательном изучении классической термодинамики по традиционной методике, как феноменологической науки, нет возможности использовать знания студентов из общего курса физики (раздел «Молекулярная физика») о молекулярноатомном строении вещества и статистических законах, которые при этом играют доминирующую роль в закономерностях протекания процессов и определяют свойства веществ. Как следствие, студенты не в полном объеме получают существенно важную информацию и это не только тормозит процесс формирования физического стиля их мышления, но и вызывает психологическое невосприятие формального описания явлений. Чрезмерное обобщение эмпирических фактов, пренебрежение сведениями о внутреннем строении исследуемых систем, приводит к некоторой отчужденности содержания термодинамики как учебной дисциплины от современной физики. Поэтому традиционная методика преподавания этого раздела теоретической физики в педагогических университетах не соответствует современному состоянию науки и требует существенной и безотлагательной коррекции. Впервые в учебно-методической литературе теоретически обосновано, что законы термодинамики и выводы из них являются следствием свойств пространства и времени, а также статистических закономерностей, которые присущи всем системам с большим числом структурных элементов, что обязательно должно быть отражено в учебном процессе при подготовке учителя физики. Предложена методическая система интегрированного изучения курса «Термодинамика и статистическая физика» будущими учителями физики, которая основывается на принципах фундаментальности, наглядности, единства фундаментальной и профессиональной подготовки студентов. В предложенной методической системе рационально объединены дедуктивный и проблемный подходы в обучении, традиционные и инновационные формы, методы и средства обучения, что обеспечивает возможности для реализации современных тенденций гарантирования качества высшего образования. С методологической точки зрения предложенная методическая система имеет неопровержимые преимущества перед традиционной, поскольку ее применение не требует использования большого количества разрозненных экспериментальных фактов, которые в термодинамике позволили сформулировать постулаты, известные под названием начал термодинамики. В предложенной методической системе преподавания термодинамики на интеграционных принципах статистической теории достаточно постулировать, что окружающий мир состоит из отдельных частиц (атомов, молекул и тому подобное), движение которых строго детерминировано, но в их совокупном движении существуют лишь статистические законы, которые и изучаются статистической термодинамикой. Поскольку предложенная методическая система обосновывается с использованием значительно меньшего количества независимых фундаментальных принципов, чем это принято в традиционной методике изучения термодинамики в педагогических высших учебных заведениях, то она в большей степени соответствует принципу фундаментализации образования, сути и методологии этого раздела физики как научной отрасли. Разработана структура курса «Статистическая термодинамика» для студентов специальности «Физика*» педагогических высших учебных заведений, которая в полной степени соответствует современному содержанию теоретической физики как науки, а также комплекс учебно-методического обеспечения преподавания курса теоретической физики. Создание методической системы обучения термодинамике на принципах генерализации знаний вокруг статистических принципов и законов, на основе принципов научности и методологической направленности, дало возможность рассматривать все разделы статистической термодинамики с единых позиций, методически соединенных общей идеей. В предложенной методической системе обучения термодинамический и статистический методы физических исследований природы органично дополняют друг друга и обусловливают развитие и эволюцию научного знания. Это способствует получению студентами обобщенных знаний, систематизированных вокруг общего теоретического ядра, формированию физического стиля мышления, научного мировоззрения и профессионально значимых качеств будущих учителей, облегчает осознание ими как отдельных законов, так и всего курса «Статистическая термодинамика» в целом. Это является еще одним подтверждением необходимости и целесообразности изучения термодинамических вопросов на принципах статистической теории, что продемонстрировано в разделах диссертационной работы. посвященных конструированию методики изучения на последовательно статистических принципах конкретных макроскопических систем (газы - идеальные, реальные, квантовые, конденсированные вещества, равновесия фаз и фазовые превращения).

The thesis grounded theoretical and methodological approaches to the teaching of thermodynamics on the basis of consistent statistical physics teaching in higher establishments in channeling efforts of the state in order to achieve the efficiency of higher education as a major factor in the successful socialization and professional activities of graduates is grounded in it. For the first time in the educational literature there has been substantiated that the laws of thermodynamics and their consequences are consequences of the properties of space and time and the statistical regularities inherent for all systems with a large number of structural elements. There has been elaborated of methodical system of integrated education course "Thermodynamics and Statistical Physics" of the future teachers of physics which is based on fundamental principles, visual aids, deductive and problem-based approaches in the educational process. The structure of the course "Statistical Thermodynamics" for the students specializing Physics in higher pedagogical education at establishments is worked out which fully meets the modern matter of theoretical physics as a science as well as a range of teaching methods of theoretical physics.