Проблемы повышения роли физики в школьной программе

09 апреля 2023 Магариф

Всё, что происходит в природе, происходит в пространстве и времени и в полном соответствии с фундаментальными законами физики. При этом неукоснительно выполняются законы сохранения энергии и импульса, принцип наименьшего действия.
Физика, как наука, развивается чуть более 300 лет. В масштабе Вселенной или в масштабе истории человечества это всего лишь мгновение. За это время открытия, сделанные в физике, неузнаваемо изменили мир. Электричество, паровые машины, двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели, радио, телеграф, телефон, телевидение, лазеры, ядерная энергетика, смартфоны… Каждый человек может дополнить этот список десятками, сотнями, тысячами примеров из своей жизни.
Надо ли сегодня человеку знать законы физики для того, чтобы пользоваться её достижениями? Если человек проснулся пораньше, до того, как встало Солнце, которое является источником тепла и света за счёт термоядерного синтеза, то он включает свет, включает телевизор, кипятит воду, из холодильника достаёт молоко, творог, пьёт чай, пользуясь ложками из нержавеющей стали с небольшой теплопроводностью, со смартфона узнаёт мировые новости, далее садится в машину и едет на работу, т.е. человек пользуется с утра до вечера достижениями в области физики. Надо ли человеку знать о том, какие законы физики используются в том или ином устройстве? Или нас не должен волновать вопрос о том, как можно мгновенно передавать информацию на далёкие расстояния? Может быть, в самом деле, мы должны стать уверенными пользователями достижений цивилизации?
В фильме «Земля Санникова» Великий шаман вызывал своему богу, чтобы тот ниспослал им огонь. В тот день, то ли погода была сырая, то ли подчинённые не сильно старались, огонь так и не появился. Тогда один из членов экспедиции помог им развести костёр с помощью обыкновенной зажигалки, за что был удостоен поклонения. Как же возникает огонь в пьезозажигалке? В этом небольшом аппарате применяются около десяти законов физики, начиная с закона Архимеда. В зажигалку заправляют сжиженный природный газ (в процессе сжижения используют адиабатическое расширение газа), который загорается вследствие проскакивания электрической искры между двумя электродами, подсоединёнными к двум поверхностям пьезоэлемента. Пьезоэлементом, например, может служить кристалл кварца – SiO₂, другими словами, речной песок. В кристалле кварца атомы кремния отдают свой электрон кислороду и поэтому имеют положительный заряд, а атомы кислорода заряжаются отрицательно. В нормальном состоянии поверхность кристалла кварца электрический нейтрален. Но если надавить на кристалл кварца (для увеличения давления применяется правило рычага), то на противоположных поверхностях кристалла появляются разноимённые заряды. Их тем больше, чем больше оказывается давление. Эти заряды создают разность потенциалов между электродами, достаточную для пробоя межэлектродного пространства. При этом проскакивает искра, и газ зажигается. Горящий газ, обладая высокой температурой, вследствие закона Архимеда поднимается наверх, тем самым подсасывая новую порцию кислорода для обеспечения горения газа.
Надо ли нам знать всё это? Нам же Япония поставляет этих зажигалок в достаточном объёме. Запад нас обеспечит самолётами, Китай поставит автомобили, электроинструменты, смартфоны, Корея произведёт и доставит до прилавков телевизоры, автомобили, мобильники. Америка обещает поставить на рынок мобильную термоядерную установку, кото-
рая может обеспечить электроэнергией небольшой район или большой завод.
Последние десятки лет мы, к сожалению, уверенно движемся в направлении воспитания потребителей достижений технического прогресса. Технические вузы России в недалёком прошлом выпускали специалистов с мощной фундаментальной подготовкой. В них физика, математика, теоретическая механика давались на уровне классических университетов. Такие специалисты легко адаптировались при переходе к новым технологиям, также и сами легко создавали новые технологии.
Переход к двухступенчатой системе образования бакалавр-магистр, первым делом, затронул фундаментальные дисциплины в сторону ослабления, хотя должен был усилить. За счёт их сокращения удалось за 4 года подготовить недоинженеров. По учебному плану вузов на подготовку выпускной квалификационной работы бакалавра отводится 4 недели. Это на проведение исследований, расчёта экономической эффективности, написание самой работы, подготовку презентации и защиту. До сих пор не понятно место выпускника бакалавриата в производственной сфере. Он ещё не инженер, но он и не рабочий. У него нет рабочей профессии. Теперь у него только одна дорога – учиться дальше. Бакалавра в аспирантуру не берут. Поэтому дальше только магистратура. В магистратуре уже о фундаментальной подготовке речи не идёт, в магистратуре ведётся профессиональная подготовка. Магистры в производстве тоже не очень нужны. Они, по задумке, учёные, и им прямая дорога в аспирантуру.
Может фундаментальная подготовка осуществляется ещё в школе, а в вузе надо её только чуть развить? К сожалению «наверху» решили, что физика в выпускных классах является предметом по выбору в качестве ЕГЭ, т.е. второстепенным предметом.
И сама система ЕГЭ, методика подготовки к ЕГЭ не предполагают наличие системных знаний. Высокие баллы ЕГЭ достигаются путём «натаскивания» на конкретных примерах и задачах.
Физика, как школьная дисциплина, пожалуй, самая сложная для понимания. Физику невозможно учить фрагментарно. Её можно воспринимать и понять только как единое целое. Даже в приведённом простейшем примере с зажигалкой упоминаются десятки законов физики из разных разделов. Если взять лазер-указку? Там законов физики использовано не меньше. Так как физика для изучения не самая простая дисциплина, и возможности набрать высоких баллов ЕГЭ по физике невелики, школьники всё реже выбирают физику. Благо, что в этом направлении желания вузов и школьников совпали. Вузам для достижения высоких рейтингов необходимо иметь студентов с высокими средними баллами ЕГЭ. Проанализировав ситуацию со средними баллами ЕГЭ по физике и информатике, в некоторых вузах в качестве эксперимента в прошлом 2020 году на отдельные направления подготовки бакалавров решили зачесть вместо физики информатику. Баллы по информатике оказались намного выше, чем баллы по физике. Этот удачный эксперимент теперь распространили на все технические направления. В вузах в прошлом учебном году пришлось преподавать физику студентам, которые абсолютно не знали школьную физику. Если учесть, что объём физики в технических вузах по сравнению со специалитетом сократился примерно вдвое, эти бакалавры физику не будут знать. Они будут только потребителями технического прогресса. Ожидаемо дальнейшее уменьшение количества сдающих ЕГЭ по физике в 2022 году. Потому что баллы ЕГЭ по физике будут существенно ниже баллов ЕГЭ по информатике. В каком месте информатика может подменять знания по физике?
В этом году ЕГЭ по физике в Республике Татарстан сдавал 3371 человек из 17800 выпускников. Это чуть меньше 19%. К примеру, в 2012 году ЕГЭ по физике сдавали 6669 человек. За 9 лет общими усилиями сумели уменьшить потенциальных инженеров, учёных, изобретателей в два раза. И самое интересное в том, что за это нас хвалят. Всё в цифрах, всё измеряемо, средние баллы растут. Средние баллы ЕГЭ по физике тоже растут. Если в 2012 и 2014 гг. средний балл ЕГЭ по физике составлял приблизительно 48 баллов, то в 2020 и 2021 году средний балл ЕГЭ по физике достиг 60 баллов. Какой прогресс! Однако это объясняется не повышением уровня знаний выпускников, а тем, что слабо знающие физику школьники перестали заявляться на физику. Физику теперь сдают только самые подготовленные. Отсюда и высокие баллы. Однако абитуриенты с самыми высокими баллами ЕГЭ по информатике поступают в программисты, а те, кто туда не проходит, попадает в технические направления, т.е. выпускник рассматривает техническое направление как запасной вариант.
С другой стороны, для получения высшего образования по желаемому направлению надо ещё поступить в вуз по этому направлению. Здесь же открываются совершенно нелогичные правила. Для получения высшего образования надо знать физику, а для поступления в вуз не обязательно. Этот вопрос никого не интересует. Более того, если ты сдал информатику, то ты обладаешь преимуществом перед теми абитуриентами, у которых сдана физика.
В вузы РТ несколько лет назад принимали порядка 4 тыс. студентов с сертификатом ЕГЭ по физике. Теперь уже только татарстанских абитуриентов недостаточно. Казань в последние два десятилетия стала привлекательной как с точки зрения престижности вузов, так и с точки зрения историко-культурного развития. Поэтому сейчас конкуренцию местным абитуриентам создают приезжие из других регионов РФ и иностранцы.
В этом году в РТ 429 выпускников сдали ЕГЭ по физике на 80 баллов и выше. Именно они поступят в лучшие вузы и в дальнейшем прославят нашу страну. Так как только они показали, что могут решить нестандартные задачи, а также применить полученные знания из разных разделов курса физики в конкретных ситуациях. Правда, такие выпускники, в основном, выбирают столичные вузы. За каждым таким выпускником идёт настоящая охота.
Что касается получения высоких баллов по ЕГЭ по физике, мы должны твёрдо усвоить, что высокие баллы невозможно получить без углублённого изучения курса физики в целом. Сложность подготовки к ЕГЭ заключается ещё в том, что экзаменующийся должен показать свои и энциклопедические знания физики и умение творческого подхода к решению физических проблем. ЕГЭ проверяет знания по всему курсу школьной программы по физике. Здесь не может быть везений типа повезло, попался счастливый билет. Во всех вариантах проверяются знания из всех разделов курса физики. Школьник должен уметь выстраивать основанную
на законах физики логическую линию анализа и плана решения задачи.
При выполнении экзаменационной работы учащимся очень важно выдерживать временной регламент, быстро переключаться с одной темы на другую. Учащиеся должны привык-
нуть к тому, что на экзамене имеют большое значение не только их знания, но и организованность, внимательность, умение сосредотачиваться. Зачастую, ошибки экзаменуемых связаны с невнимательным прочтением условия задачи (не обратил внимания на частицу «не» или спутал «увеличение» с «уменьшением»). Не стоит останавливаться на первом же варианте ответа, который показался правдоподобным, не дочитывая внимательно до конца все последующие варианты ответов: часто чтение последующих вариантов ответов может натолкнуть на возможную ошибку в рассуждениях.
При выполнении экзаменационной работы многие выпускники пытаются угадывать ответ. В условиях, когда за неверный ответ не ставят штрафные баллы, эта тактика на экзамене может иметь некоторый успех. Тем не менее, в ходе подготовки к экзамену необходимо обязательно требовать обоснование выбора.
При работе с типовыми задачами желательно присутствие в алгоритме решения таких позиций, как «физическая модель явления», «система отсчёта», «пояснительный чертёж», «получение итоговой формулы в общем виде», «проверка результата». Именно на сравнительно простых расчётных задачах формируется общая культура решения физической задачи, включающая в себя, в частности, введение чёткой системы обозначений используемых физических величин, написание исходных уравнений, комментарии к производимым операциям.
Работе с качественными заданиями необходимо уделять особое внимание. Тренируясь, необходимо не просто искать правильный ответ, но и выстраивать чёткую логику его обоснования. Учащиеся должны уметь анализировать условия задачи с выделением ключевых слов, физических явлений, грамотного использования физических терминов.
За решение задач части С можно получить 1 или 2 балла даже в случае, если задача не доведена до конца. Поэтому имеет смысл записывать решение, даже когда оно не закончено, не проведён числовой расчёт или результат вызывает сомнение. Решение задачи оценивается по единым обобщённым критериям, опубликованным к началу учебного года, предшествующего экзамену. Тем не менее, в школьной практике обучающиеся часто не записывают незавершённое решение задачи. Важным этапом подготовки ученика к экзамену может стать использование в текущей работе тех подходов к оцениванию расчётных задач, которые применяются экспертами при проверке заданий с развёрнутым ответом.
На экзамене допускается решение расчётной задачи по действиям. Однако следует иметь в виду, что при решении задачи в общем виде с получением итоговой формулы возрастают шансы получения более высокой оценки. Правильная итоговая формула без числового расчёта (или при неправильном числовом расчёте) даёт возможность получить за решение задачи два первичных балла. Итоговая формула позволяет провести проверку размерности искомой величины, обнаружить возможную ошибку. Тем более по некоторым задачам отсутствие вывода формулы в общем виде может привести к потере целого балла.
Необходимо повысить математическую подготовку выпускников. Многие ошибки выпускников связаны с преобразованием математических выражений, действиями со степенями, чтением графиков.
Проблема повышения роли физики в школьной программе является общей задачей и министерства образования, и школ. Каждый преподаватель физики в школах и в вузах, директора школ, ректоры вузов, заведующие кафедрами инженерных направлений, которые составляют образовательные программы, каждый методист министерства просвещения и министерства науки и высшего образования должны понимать, что без фундамента нет здания, без глубоких фундаментальных знаний нельзя построить инженера, без высокообразованных инженеров нет технического прогресса.