Попов Константин Алексеевич
кандидат физико-математических наук, доцент, Волгоградский государственный социально-педагогический университет, г. Волгоград
popovca@yandex.ru  

Сторчилов Павел Александрович
аспирант кафедры теории и методики обучения физике и информатике, Волгоградский государственный социально-педагогический университет, г. Волгоград
airunreal@yandex.ru  

Об основных типах внутрипредметных связей школьного курса физики

Аннотация
В  статье выделены основные типы внутрипредметных связей, на которые необходимо ориентироваться при построении учебного курса физики в школе и которые следует активно использовать в учебном процессе. Особое внимание уделено понятийным, тематическим связям и связям по аналогии.

Ключевые слова
внутрипредметные связи, понятийные связи, тематические связи, связи по аналогии, школьный курс физики, методика обучения физике 

Школьная физика является одним из ряда учебных предметов, изучение которых требует опоры на систему внутрипредметных связей. Это связано с большим количеством понятий, определений, законов, свойств, которыми оперирует дисциплина. Кроме того, школьный курс физики изучается в течение пяти лет, начиная с седьмого класса (не считая изучения предметов, относящихся к естествознанию), и имеет концентрическую структуру, что приводит к необходимости формирования и корректировки уже сформированных ранее понятий. Соответственно, требует формирования и корректировки и система внутрипредметных связей. 

Систематическое исследование внутрипредметных связей школьного курса физики до сих пор не проводилось. Имеющиеся исследования курса общей физики [1, 2], опирающиеся на графовое представление внутрипредметных связей, не дают ответа на вопрос: как построить методику обучения физике, позволяющую эффективно реализовать внутрипредметные связи?  

В данной статье мы рассмотрим основные типы актуальных для школьного курса физики внутрипредметных связей, что позволит приблизиться к ответу на указанный вопрос, поскольку, основываясь на структуре связей, можно построить адекватную модель их реализации в учебном процессе. 

Внутрипредметные связи школьного курса физики могут быть разделены или, напротив, обобщены по целому ряду признаков. Так, например, связи по времени рассмотрения могут быть ретроспективными, предшествующими (обращение к уже изученному материалу), сопутствующими (объединяются одновременно изучаемые элементы курса) и перспективными, последующими (пропедевтические, обращенные к материалу, который будет изучаться далее). 

Чаще всего в методике обучения физике обращаются к понятийным и тематическим внутрипредметным связям. 

Понятийные связи.

Наиболее простыми и распространенными представляются понятийные связи [3], которые объединяют в единую систему все элементы школьного курса физики от простейших понятий до законов и фундаментальных принципов физики. Они реализуются с каждым новым определением любого физического понятия, поскольку каждый новый элемент учебного курса, как правило, вводится с опорой на уже изученные или, как минимум, интуитивно понятные элементы. 

Великий фантаст и популяризатор науки своего времени Айзек Азимов отмечал, что "изучение физики может считаться, прежде всего, рассмотрением взаимосвязей между энергией и материей" [4]. Таким образом, понятийные связи заложены в сам предмет изучения физики как науки, и, соответственно, в большей своей части наследуются (или должны наследоваться) методикой обучения физике. Причем, структура понятийных связей может быть представлена в виде иерархического дерева, корнями которого будут понятия "материя" и "энергия". 

Отметим, что, имея два существенно разных корня, дерево понятийных связей все-таки одно, поскольку на разных этапах изучения физики происходит слияние ветвей, исходящих от разных корней. 

Так уже в механике мы сталкиваемся с задачей о сравнении кинетических энергий двух тел. В одном случае мы сравниваем энергии тел равной массы (понятие от корня «материя»), имеющих различные скорости (понятие от корня «энергия»). В другом случае предлагаем к сравнению энергии тел, имеющих одинаковые скорости, но разные массы, в результате чего делаем вывод о влиянии массы на кинетическую энергию тела. 

Данный пример достаточно просто и наглядно демонстрирует единство дерева понятийных связей. Еще очевидней это единство становится при изучении полной энергии физической системы, определяемой, пожалуй, самой известной формулой: E = mc². Эту формулу зачастую трактуют как эквивалентность массы и энергии. 

Таким образом, наиболее оптимальным направлением в обучении физике представляется путь, реализующий максимальную интенсивность внутрипредметных связей, исходящих от фундаментальных, корневых понятий и приводящих к общей «верхушке» дерева связей. 

Система понятийных связей, как и отдельно взятые понятия, претерпевают изменения в течение всего процесса изучения физики, поскольку большая часть понятий (и принадлежащих им связей) периодически используется на разных этапах обучения физике. К тому же, многие понятия обрастают большим количеством новых свойств, которые могут служить опорой дополнительных связей между понятиями. 

Тематические связи.

Если понятийные связи представляются наиболее важными для глубокого понимания школьником сути физических процессов и явлений, то тематическими связями чаще оперирует учитель. Тематические связи – это связи между достаточно крупными блоками учебного материала, в частности, темами, разделами учебного курса, а также логические связи между параграфами учебника, поскольку зачастую именно параграф учебника принимается за своеобразный «квант» учебной информации. 

Понятийные связи можно отнести к «микроуровню» внутрипредметных связей, а, соответственно, тематические – к «макроуровню», которым достаточно удобно оперировать при разработке программ учебных курсов, определении их содержания. 

Именно на тематические связи ориентируются обычно как практикующие методисты, так и исследователи внутрипредметных связей [1, 2, 5]. Как было показано в работе [5], тематические связи достаточно легко можно оптимизировать, воспользовавшись несложными средствами анализа. Хотя зачастую удобнее опираться на внутреннюю логику течения учебного процесса, которой оптимизированная модель построения курса может противоречить.  

Тематические внутрипредметные связи выстраиваются на базе использования понятийного аппарата и связей одной темы курса при изучении другой темы. При этом исходная система понятий и связей претерпевает изменения, связанные с приложением к новой области знаний физики. Параллельно реализуются связи, характерные для изучаемой темы. Таким образом, мы получаем конгломерат связей, состоящий из связей, соответствующих предшествующей и изучаемой темам курса физики, а также связей, объединяющих две темы. 

Тематические связи можно представить в виде сети отношений, каждый узел которой можно развернуть в соответствии с упомянутой выше классификации по временному признаку (например, см. рис. 1).

Рис. 1. Фрагмент тематических связей раздела «Механические колебания». 

Локальные и глобальные связи.

Понятийные внутрипредметные связи обладают тонкой структурой и, соответственно, могут быть дифференцированы по ряду признаков. В частности, понятийные связи могут быть локальными, то есть, реализуемыми при изучении относительно небольшой части курса физики, или глобальными, охватывающими весь учебный курс. 

К классу глобальных следует отнести все связи, опирающиеся на фундаментальные понятия физики – массу (как основная характеристика материи) и энергию. 

Так, например, прямая связь массы и энергии красной нитью проходит через механику, термодинамику, электромагнитные явления и физику атома и ядра, отходя в тень только при изучении оптики. В не меньшей степени статуса глобальных заслуживают связи «скорость-энергия», «сила-скорость», «энергия-импульс», «сила-масса» и т.д. 

Но существует достаточно много понятий, которые локализуются в одном-двух разделах школьного курса физики, и их связи с другими понятиями также будут носить локальный характер. Особенно четко указанное свойство связей просматривается на примере большинства понятий, связанных с магнитным полем, поскольку в других разделах школьной физики они представлены минимально. 

Есть и более «механические» локальные понятия, как, например, «длина свободного пробега», которое встречается в термодинамике и электродинамике. Подобные понятия должны образовывать различные связи в соответствующих разделах физики ввиду совершенно непохожей физической природы явлений. 

Достаточно большая часть связей занимает промежуточное состояние между локальными и глобальными. Для их классификации можно использовать другие методы, например метод аналогий. 

Связи-аналогии.

Внутрипредметные связи, основанные на аналогиях, активно изучались представителями омской школы методики обучения математике (например, [6]). С аналогиями в курсе физики учащиеся сталкиваются чаще всего, взяв в руки сборник задач В.С. Волькенштейн [7]. В этом сборнике в виде таблицы проводится сравнение основных законов динамики поступательного и вращательного движений. В приведенном примере есть лишь один изъян: аналогию необходимо проводить, отталкиваясь от наиболее простых понятий, хорошо известных школьнику формул. В частности, авторами данной статьи в учебном процессе аналогия поступательного и вращательного движений выстраивается, начиная с кинематики:

Поступательное движение	Вращательное движение
X	φ
S = x – x0 = Δx	Δφ
v = Δx / Δt	ω = Δφ / Δt
a = Δv / Δt	ε = Δω / Δt
x = x0 + v0t + at2/2	φ = φ0 + ω0t + εt2/2
…	…

Использование аналогии в обучении физики отнюдь не ограничивается построением сравнительных таблиц. Безусловно, спектр аналогий значительно шире. 

Например, принцип Ферма, гласящий, что свет между двумя точками распространяется за минимальное время, может быть использован не только в законе преломления света на границе двух сред, но и при решении достаточно сложной для школьника механической задачи о необходимости преодоления путником некоторого расстояния между двумя точками. Дополнительным условием задачи служит расположение точек в разных полуплоскостях, где различны и скорости движения путника (поле-шоссе, или болото-луг, или берег-озеро).

Рис. 2. Чертеж к задаче о движении путника. 

Схожий подход к аналогиям может быть использован применительно к конусу Маха, иллюстрирующему как решение задач на движение с постоянной скоростью, распространение волны от носа корабля, так и достаточно сложный эффект Вавилова-Черенкова. 

Связи-аналогии могут быть построены на основе общности математических моделей различных по своей физической природе явлений. Здесь ярким примером может быть сравнение законов Всемирного тяготения и Кулона. Интересно, что закон Кулона изучается позже, но школьникам становятся доступными ряд следствий из свойств электростатического поля, которые могут быть с успехом использованы при решении задач на гравитацию. 

Прямые и опосредованные связи.

Понятийные связи можно различать по признаку «близости» отношений между понятиями, образующими связь. Максимальная или непосредственная «близость» достигается при определении одного понятия с участием другого. Такие связи мы будем называть прямыми. 

У прямых связей есть одна особенность. Они могут существенно изменяться в процессе изучения курса физики от 7 до 11 класса. Так в 7 классе мы можем определить скорость как отношение пройденного пути ко времени, за которое этот путь был пройден (более строгого определения не требуется, поскольку школьники рассматривают только вариант равномерного прямолинейного движения, при котором пройденный путь совпадает с перемещением, то есть они синонимичны). Но в старших классах ученик уже должен знать, что скорость – это векторная величина, которая равна производной перемещения по времени. Таким образом, связь «скорость-перемещение (пройденный путь)» со временем «обрастает» свойствами (как физическими, так и математическими, то есть, на основе внутрипредметных связей могут быть построены и межпредметные связи). Она становится более значимой, интенсивной по частоте обращения к ней. 

Совокупность прямых связей достаточно легко можно представить в виде сетевого графа, в вершинах которого будут располагаться понятия, тогда ребра графа будут нести смысловую нагрузку связей между соответствующими понятиями. Так в статье [8] предлагается использовать семантическую сеть (ориентированный граф) в процессе решения задач по физике. 

Кроме прямых связей мы должны выделить опосредованные, то есть понятийные связи, требующие участия не двух, а трех и более понятий, связанных в единую цепочку. Наличие опосредованных связей говорит о глубокой логике самой дисциплины (физики), и чем длиннее логические цепочки, используемые школьником, тем лучше он понимает предмет. 

Например, при обсуждении понятия инертности мы обращаем внимание, что чем более инертно тело, тем большую силу необходимо приложить, чтобы изменить состояние (скорость) тела. Здесь мы опускаем понятие массы, как меры инертности, полагая, что школьники это знают, и не обращаемся ко второму закону Ньютона, поскольку объяснение конкретного природного явления требует в большей степени повседневного опыта, нежели подкрепления математической формулой (которая в любом случае будет рано или поздно интерпретирована и связана с данным природным феноменом). 

Особенно важны опосредованные связи при решении сложных физических задач. Поскольку связи данного типа представляют собой фактически ассоциативную цепочку большей или меньшей длины, то в зависимости от количества имеющихся в арсенале ученика опосредованных связей школьник может связать имеющиеся у него исходные данные с величинами, которые ему требуется найти. 

В этом плане решение сложной задачи схоже с игрой в шахматы. Чем большее количество ходов партии может просчитать игрок, тем больше у него шансов на победу. Так и здесь, чем длиннее ассоциативные цепочки, представляющие опосредованные связи, тем шире возможности школьника в решении физических задач. 

Приведенные варианты классификации внутрипредметных связей не исчерпывают всех подходов к данному процессу. Тем не менее, можно сказать, что для каждого типа связей может быть разработана своя методика их реализации, позволяющая сделать процесс обучения физике более эффективным. 

Каждый из рассмотренных выше типов внутрипредметных связей может быть представлен большим количеством примеров, и все они достойны самого тщательного изучения в методике обучения физике. 

Литература

1. Гнитецкая Т.Н. Научно-методические и теоретические аспекты внутрипредметных связей : дис. … канд. пед. наук. Владивосток, 1998.

2. Дубовая Л.В. Информационная модель внутрипредметных связей : дис. … канд. пед. наук. Владивосток, 2004.

3. Попов К. А., Сторчилов П. А. Внутрипредметная и межпредметная нагрузка понятий : мат. XIX междунар. науч.-практ. конф.: «Усовские чтения. Методология и методика формирования научных понятий у учащихся школ и студентов вузов». В 2 ч., ч. 1. Челябинск: «Край Ра», 2012. С.52-54.

4. Азимов А. Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики. М.: Центрполиграф, 2006.

5. Монахов В.М., Гуревич В.Ю. Об одном методе системного анализа внутрипредметных связей // Математика в школе. 1980. № 2. С. 54-57.

6. Костюченко Р.Ю. Обучение учащихся предельной аналогии при реализации внутрипредметных связей школьного курса геометрии : дис. … канд. пед. наук. Омск, 2000.

7. Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики. СПб.: «СпецЛит», 2002.

8. Смирнов А.В., Смирнов С.А. Семантическая сеть решения задач по кинематике движения тела по окружности // Физика в школе. 2013. № 6. С. 46-47.

Рекомендовано к публикации:
А.А.Ахаян, доктор педагогических наук, член Редакционной Коллегии

            

Constantine A. Popov
Candidate of Phys.-Math. Sciences, Associate Professor, Department of theory and methodology of teaching physics and computer science, Volgograd State Social-Pedagogical University, Volgograd
popovca@yandex.ru  

Pavel A. Storchilov
Postgraduate, Department of theory and methodology of teaching physics and computer science, Volgograd State Social-Pedagogical University, Volgograd
airunreal@yandex.ru   

The main types of intradisciplinary connections school physics course

In the article the main types of intradisciplinary connections were pointed. Theese types of connections would be focused on for building an educational physics course at school and would be actively used in educational process. Special attention was paid to the conceptual, thematic connections and connections by analogy.

Keywords
intradisciplinarity, connections of concepts, thematic connections, connections by analogy, the school course of physics, methods of teaching physics 

Literatura

1. Gnitetskaya T.N. Nauchno-metodicheskie i teoreticheskie aspekty vnutripredmetnykh svyazey : dis. … kand. ped. nauk. Vladivostok, 1998.

2. Dubovaya L.V. Informacionnaya model’ vnutripredmetnykh svyazey : dis. … kand. ped. nauk. Vladivostok, 2004.

3. Popov K.A., Storchilov P.A. Vnutripredmetnaya i mezhpredmetnaya nagruzka ponyatiy : mat. XIX mezhdunar. nauch.-prakt. konf.: "Usovskie chteniya. Metodologiya i metodika formirovaniya nauchnykh ponyatiy u uchaschikhsya shkol i studentov vuzov". V 2 ch., ch. 1. Chelyabinsk: "Kray Ra", 2012. S.52-54.

4. Azimov A. Populyarnaya fizika. Ot arkhimedova rychaga do kvantovoy mekhaniki. M.: Tsentrpoligraf, 2006.

5. Monakhov V.M, Gurevich V.Yu. Ob odnom metode sistemnogo analiza vnutripredmetnykh svyazey // Matematika v shkole. 1980. № 2. С. 54-57.

6. Kostyuchenko R.Yu. Obuchenie uchaschikhsya predel'noy analogii pri realizatsii vnutripredmetnykh svyazey shkol'nogo kursa geometrii : dis. … kand. ped. nauk. Omsk, 2000.

7. Vol'kenshteyn V.S. Sbornik zadach po obschemu kursu fiziki. SPb.: "SpetsLit", 2002.

8. Smirnov A.V., Smirnov S.A. Semanticheskaya set' resheniya zadach po kinematike dvizheniya tela po okruzhnosti // Fizika v shkole. 2013. № 6. С. 46-47.