 |
Астронет: А. Ю. Румянцев/МаГУ Методика преподавания астрономии в средней школе http://variable-stars.ru/db/msg/1177040/chapter2_1.html |
| << Предыдущая |
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ВВОДНЫХ УРОКОВ АСТРОНОМИИ
Цель: знакомство учащихся с наукой "астрономия", основными этапами ее развития и связи с другими науками, объектами познания, методами и инструментами исследования.
Задачи обучения:
Общеобразовательные:
формирование понятий об:
- астрономии, как науке и основных разделах
астрономии;
- объектах познания астрономии: космических
объектах, процессах и явлениях;
- методах астрономических исследований и их
особенностях;
- основных этапах развития астрономии;
- связи астрономии с другими науками;
- практическом применении астрономических
знаний и средств космонавтики.
Воспитательные: формирование научного мировоззрения учащихся в ходе знакомства с некоторыми философскими и общенаучными идеями и понятиями (материальности, единства и познаваемости мира, пространственно-временными масштабами и свойствами Вселенной, универсальностью действия физических законов во Вселенной). Патриотическое воспитание при ознакомлении с ролью российской науки и техники в развитии астрономии и космонавтики. Политехническое образование и трудовое воспитание при изложении сведений о практическом применении астрономии и космонавтики.
Развивающие: формирование умений анализировать информацию, составлять классификационные схемы.
Ученики должны знать: о предмете астрономии, основных ее разделах и этапах развития, месте астрономии среди других наук и практическом применении астрономических знаний; иметь первоначальное понятие о методах и инструментах астрономических исследований; масштабах Вселенной, космических объектах, явлениях и процессах.
Ученики должны уметь: пользоваться учебником и справочными материалами.
Наглядные пособия и демонстрации:
- фотографии, диапозитивы, схемы и
рисунки крупнейших обсерваторий
телескопов и других астрономических
инструментов и методов исследования;
- диафильмы "Что изучает астрономия";
"Развитие представлений о Вселенной";
- кинофильмы (фрагменты кинофильмов): "Астрономия
и мировоззрение"; "Практические
применения астрономии";
- таблицы: "Методы астрономических
исследований"; "Наблюдения и телескопы";
- приборы и инструменты: высотомер, теодолит,
бинокль, телескоп.
Задание на дом:
1. Изучить материала учебников:
- Б.А. Воронцов-Вельяминова: §§ 1(1, 2), 2
(2), вопросы к параграфу.
- Е.П. Левитана: § 1(1, 2, 3), вопросы к
параграфу.
- А.В. Засова, Э.В. Кононовича: § 1(1-5),
вопросы к параграфу.
2. Заполнить пустые ячейки в схеме:
3. Задания 6, 7 из учебника Е.П.
Левитана:
-составить схему, поясняющую взаимосвязь
астрономии и других наук;
-оставить схему, поясняющую научное и
практическое значение астрономии.
4. Изготовить (оформить) подвижную карту звездного неба.
План урока
|
Этапы урока |
Содержание |
Методы изложения |
Время, мин |
|
1 |
Актуализация астрономических знаний; выяснение уровня и особенностей "донаучных" познаний учеников |
Беседа |
10 |
|
2 |
Изложение нового
материала: |
Рассказ учителя |
20 |
|
3 |
3. Методы и инструменты астрономических исследований. Особенности астрономических наблюдений. |
Рассказ учителя |
5-7 |
|
4 |
Подведение итогов урока. Домашнее задание |
3-5 |
Методика проведения урока:
1. Важной частью первого урока астрономии является общее первоначальное знакомство с материалом об основных физических характеристиках, строении, структуре и составе Метагалактики (Вселенной). Можно сделать это в начале урока при повторении и актуализации астрономических знаний, приобретенных учащимися ранее: на уроках природоведения в III - V классах, на уроках естествознания в VI - VII классах и в курсе физики VII - X классов. При этом учитель старается пробудить в школьниках интерес к учебе, стремление к изучению курса астрономии, к познанию тайн Вселенной. В ходе беседе с учениками учитель задает ряд вопросов по теме данного занятия: "Что такое астрономия?", "Что изучает астрономия?", "Как люди применяют астрономические знания в повседневной жизни, в науке, в сельском хозяйстве, в промышленности?" и т.д.
Следует определить уровень и особенности "донаучных" астрономических знаний, почерпнутых учениками из газет, журналов, книг, телепередач, кинофильмов, общения с родителями и знакомыми. Полученные сведения используются затем на протяжение учебного года при планировании и подготовке соответствующих уроков, определении тематики выступлений, докладов и рефератов и их распределении среди учащихся. С целью выяснения знания учениками главных характеристик и свойств основных типов космических объектов задаются вопросы: "Что вы знаете о Вселенной?", "Что вы знаете о Солнечной системе?", "Что вы знаете о Солнце?", " Что вы знаете о звездах?", "Что такое планета?" и т.д. Полезно познакомить учеников (напомнить им) с масштабами космических расстояний, единицами их измерения и размерами некоторых космических тел (рис. 1). Желательно привлечь к обсуждению этих вопросов весь класс. Учитель ненавязчиво руководит рассуждениями учеников, исправляет явные ошибки. Результатом этого этапа работы должны стать систематизированные астрономические знания не ниже некоторого начального уровня определения понятий:
Вселенная - это весь мир вокруг нас. Вселенная никогда не возникала и никогда не исчезнет, она всегда существовала и будет существовать. Вселенная не имеет границ; она бесконечна в пространстве и вечна во времени. Вселенная непрерывно изменяется: отдельные ее объекты - галактики, звезды, планеты - появляются, проходят свой путь развития и исчезают, а на смену им возникают новые, более сложные и разнообразные миры.
Единицей для измерения космических расстояний является световой год. 1 световой год (св. год) - это расстояние, которое луч света со скоростью 300 000 км/с пролетает за 1 год. 1 световой год равен 9 миллионам миллионов километров!
Часть Вселенной, в которой мы живем, называется Метагалактикой. Метагалактика – это сверхгигантская система огромного, может быть даже бесчисленного, числа разных галактик. Галактики – это системы космических тел, состоящие из десятков и сотен миллиардов звезд, туманностей, планет и других космических объектов. Наша Галактика имеет размеры около 100000 св. лет, обладает спиральной формой и состоит из 200 миллиардов звезд. Солнечная система находится на окраине Галактики в 27000 св. годах от ее центра.
Звезда - это огромный раскаленный газовый шар. Солнце - самая близкая из звезд, другие звезды находятся так далеко от Земли - в миллионы и миллиарды раз дальше Солнца - что кажутся нам яркими разноцветными точками на ночном небе. Солнце больше Земли по размерам в 109 раз и в 333000 раз больше Земли по массе. От Солнца до ближайшей из звезд - Проксимы Центавра - свет "летит" 4 года. Чем горячее и больше звезда, тем ярче она светит. Звезды различаются по размерам и по массе. Есть звезды больше Солнца и есть звезды меньше Солнца, но все они в десятки, сотни и тысячи раз больше Земли. Высокая температура поверхности звезд обусловлена атомными реакциями, протекающими в центре звезд при температуре свыше 10 миллионов градусов. Чем больше масса звезды, тем сильнее идут атомные реакции. В зависимости от массы и размеров звезды подразделяют на "нормальные" звезды - такие, как Солнце, звезды-гиганты и звезды-карлики.
Планетные системы состоят из одинокой звезды, вокруг которой вращаются разные планеты. Солнце и все вращающиеся вокруг него космические тела: 9 больших планет и их спутники, астероиды, кометы и метеорные частицы образуют Солнечную систему.
Планета - это шарообразное тело, которое светит отраженным светом. Одни планеты больше Земли по размерам и по массе, другие - меньше. Большие планеты называют планетами-гигантами, а похожие по размерам и массе на Землю - землеподобными. Вокруг Солнца вращается 9 планет. Они называются: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Масса планет в тысячи раз меньше массы Солнца. Самая большая планета - Юпитер - в 11 раз больше Земли по размерам и в 318 раз больше Земли по массе. Самая маленькая, далекая и холодная планета - Плутон Солнце освещает и согревает Землю и другие планеты и их спутники. Мы можем видеть Луну и планеты лишь потому, что они освещаются Солнцем. Все планеты вращаются вокруг своей оси, одни - быстрее, другие - медленнее. Чем ближе к Солнцу планета, тем быстрее она вращается вокруг него. Спутники планет вращаются вокруг них, как Луна вращается вокруг Земли. Спутники похожи на планеты, но значительно меньше их по массе и по размерам. Астероиды или "малые планеты" - сотни тысяч каменных скал размерами от нескольких метров до сотен километров, вращающихся вокруг Солнца между Марсом и Юпитером. Кометы - вращающиеся вокруг Солнца на окраинах Солнечной системы громадные глыбы грязного льда, в который вмерзли пылинки и камушки. У подлетающих к Солнцу комет ледяные ядра тают, испаряются и у комет образуются очень длинные красивые хвосты из газа и пыли. Метеорные тела - множество вращающихся вокруг Солнца мелких камушков и льдинок - осколков астероидов и комет и космических пылинок. Расстояния внутри Солнечной системы измеряются в миллионах километров или в астрономических единицах. 1 астрономическая единица (а.е.) равна среднему расстоянию от Солнца до Земли - 150 миллионам километров. От Солнца до Меркурия - 1/3 а.е.; до Юпитера – 5а.е.; до Плутона – 40 а.е.
Рис. 2. Масштабы космических расстояний
Учитель должен выяснить отношение учащихся к астрономии и к ее изучению в школе, выявить наиболее интересные для них проблемы астрономии. Лучше всего проделать это в форме анкетирования, проводящегося во время беседы. Можно спросить, что ученики хотят узнать при изучении астрономии, какие вопросы их особенно интересуют, как, по их мнению, должны проводиться уроки астрономии и т.д. и попросить их дать определение некоторым основным астрономическим понятиям. Отрицательной стороной данного анкетирования будет некоторое отвлечение учеников от темы беседы.
Подводя итог первому этапу урока, следует похвалить учеников за их активность и пообещать учесть их пожелания при дальнейшей подготовке уроков.
2. Второй этап урока в форме рассказа учителя посвящается изложению нового материала. Он уточняет, углубляет и дополняет знания учащихся, актуализированные на первом этапе урока, и является логическим его продолжением. Этот этап урока желательно по возможности сопровождать демонстрациями диафильмов или фрагментов кинофильма, ссылками на висящие на доске наглядные таблицы. Учеников следует ознакомить с материалом:
1. Предмет астрономии
Астрономия - наука о Вселенной.
Астрономия изучает космические объекты, космические явления и космические процессы.
Астрономия изучает основные физические характеристики, происхождение, строение, состав, движение и эволюцию космических объектов. Космические объекты - это космические тела и обладающие определенной организацией системы космических тел. Под космическими телами мы будем понимать все рассматриваемые астрономией физические тела - структурные элементы Вселенной. В число основных типов космических объектов входят планетные тела (планеты и их спутники, астероиды, кометы, метеорные тела), звезды, туманности, космическая среда.
Космические тела, входящие в состав космических систем, обычно имеют общее происхождение, взаимосвязаны гравитационными и магнитными полями и перемещаются в пространстве как единое целое. В число основных типов космических систем входят планетные системы, звездные системы (двойные звезды, звездные скопления), галактики, Метагалактика и вся Вселенная. Системы космических тел обладают новыми качествами, не присущими каждому из отдельно взятых элементов этой системы: новые звезды образуются только внутри гигантских космических систем - галактик; жизнь может существовать лишь на поверхности тел, входящих в планетные системы отдельных звезд и т. д.
Космическими явлениями называются физические явления, возникающие при взаимодействии космических тел и протекании космических процессов. Примерами космических явлений можно назвать существование спутников у массивных космических тел, движение планет, солнечную активность и т.д.
Космические процессы представляют собой совокупность физических процессов, лежащих в основе возникновения, существования и развития космических объектов, основные этапы их эволюции. Они обусловливают главные физические характеристики космических объектов и их систем, а также возникновение и протекание космических явлений. Примерами космических процессов можно назвать образование, существование и эволюцию звезд, планет, галактик и всей Вселенной.
2. Основные разделы астрономии
Классическая астрономия объединяет в себе ряд разделов астрономии, основы которых были разработаны задолго до начала ХХ века, но не потеряли своей теоретической и практической значимости до настоящего времени:
Астрометрия включает в себя сферическую астрономию, практическую астрономию и фундаментальную астрометрию.
Сферическая астрономия изучает положение, видимое и собственное движение космических тел и решает задачи, связанные с определением положений светил на небесной сфере, составлением звездных каталогов и карт, теоретическими основами счета времени.
Фундаментальная астрометрия ведет работу по определению фундаментальных астрономических постоянных и теоретическому обоснованию составления фундаментальных астрономических каталогов.
Практическая астрономия занимается определением времени и географических координат, обеспечивает Службу Времени, вычисление и составление календарей, географических и топографических карт; астрономические методы ориентации широко применяются в мореплавании, авиации и космонавтике.
Небесная механика исследует движение космических тел под действием сил тяготения. Исследование движения небесных объектов предусматривает установление общих закономерностей движения и определение для произвольного момента времени положения и скорости изучаемого объекта по отношению к избранной системе координат. Опираясь на данные астрометрии, законы классической механики и математические методы исследования, небесная механика определяет траектории и характеристики движения космических тел и их систем, служит теоретической основой космонавтики.
Современная астрономия включает в себя разделы: астрофизику, звездную статистику, космогонию и космологию.
Астрофизика изучает основные физические характеристики и свойства космических объектов (движение, строение, состав и т.д.), космических процессов и космических явлений, подразделяясь на многочисленные разделы: теоретическая астрофизика; практическая астрофизика; физика планет и их спутников (планетология и планетографии); физика Солнца; физика звезд; внегалактическая астрофизика и т. д.
Космогония изучает происхождение и развитие космических объектов и их систем.
Космология исследует происхождение, основные физические характеристики, свойства и эволюцию Вселенной. Теоретической основой ее являются современные физические теории и данные астрофизики и внегалактической астрономии.
Далее следует изложить материал об основных этапах развития астрономии и связи астрономии с другими науками. При этом учитель постоянно обращает внимание школьников на то, что астрономия возникла и развивалась на основе практических потребностей человека (применение астрономических знаний людьми раскрывается на примерах из разных эпох) и составляет существенную неотъемлемую часть мировой культуры.
Другим, более эффективным методом изложения данного материала может служить рассказ-беседа, в которой ученики принимают непосредственное участие: задают вопросы, просят разъяснить или изложить более подробно заинтересовавший их материал и даже комментируют рассказанное учителем.
3. Этапы развития астрономии. Связь астрономии с другими науками
Значение астрономии определяется важностью ее вклада в создание научной картины мира, так как астрономические знания лежат в основе системы представлений о наиболее общих законах строения и развития Вселенной. Уровень развития астрономии определяет основы мировосприятия широких масс населения в данную эпоху, формирует базовые идеи науки и особенности мировоззрения ученых.
Более 3,5 тысяч лет назад, в эпоху синкретичности науки и культуры, астрономия не выделялась в особую область познания. Мифологический характер осмысления окружающего мира обусловливался космической взаимосвязью всего сущего. "Земное" и "космическое" было нераздельно-слиянным.
Насущная практическая потребность в астрономических знаниях для определения времени и ориентации на местности, составления географических карт и календарей стимулировала развитие математики, особенно вычислительной, геометрии и тригонометрии. Изобретение угломерных приборов и создание собственного математического аппарата привело к выделению астрономии из общей суммы человеческих знаний об окружающем мире в отдельную, первую из естественных наук.
С эпохи образования государств Древнего мира до позднего Средневековья объекты астрономии предельно идеализируются и обособляются, противопоставлялось объектам земного мира, их характеристики и поведение не рассматриваются в рамках зарождающихся "земных" наук - физики, химии, географии. Астрономия вносит огромный вклад в их развитие (особенно географии), но сами естественные науки оказывают ничтожно малое влияние на развитие астрономии лишь через технологию создания астрономических инструментов.
Первая революция в астрономии произошла в различных регионах мира в разное время в промежутке между 1,5 тыс. лет до н.э. и II век н.э. и была обусловлена прогрессом математических знаний. Главными ее достижениями стало создание сферической астрономии и астрометрии, универсальных точных календарей и геоцентрической теории, ставшей итогом развития астрономии античного мира и способствовавшей формированию формально-логического мышления и схоластического мировоззрения.
К началу XVI века прогресс научно-технических знаний сократил разрыв в степени развития астрономии и других естественных наук. Уровень знаний об окружающем мире стал выше уровня знаний почти не развивавшейся с начала нашей эры астрономии и перестал вписываться в прежние космологические рамки. Потребность приведения в единую систему всей суммы накопленных знаний вместе с первым мощным влиянием физики на астрономию - изобретением телескопа – привела к краху схоластического мышления и торжеству гелиоцентрической теории.
Вторая революция в астрономии (XVI-XVII вв.) была обусловлена прогрессом знаний о природе, в первую очередь физических, и сама стимулировала первую революцию естественных наук в XVII-XVIII веках. Для науки того времени характерна теснейшая связь между астрономией и физикой. Все великие физики того времени были астрономами, и наоборот; законы и теории физики выводились и проверялись на основе результатов астрономических наблюдений. Астрономические явления и свойства небесных объектов объяснялись на основе физических знаний. В астрономии стало исследоваться не только видимое расположение, размеры и перемещение небесных светил, но и некоторые физические характеристики: движение, размеры и масса небесных тел. Установление единства законов природы для всей Вселенной, создание классической механики Ньютона и теории Всемирного тяготения уничтожило противопоставление между "земным" и "небесным" и сделало астрономию одной из естественных наук.
Важнейшими достижениями астрономии Нового времени стали: создание, объяснение и подтверждение гелиоцентрической теории, законов движения планетных тел, теории Всемирного тяготения, небесной механики, изобретение оптических телескопов, открытие новых планет, спутников, пояса астероидов, комет, метеороидов, изучение основных характеристик Солнечной системы и входящих в ее состав космических тел, звездных систем и туманностей, создание первых научных космогонических и космологических гипотез.
Эволюция астрономических знаний привела к возникновению и развитию некоторых философских учений: вульгарного (механического) материализма и объективного идеализма Канта и Гегеля.
В дальнейшем бурное развитие и растущая дифференциация естественно-математических наук привели к обособлению физики от астрономии, сопровождающемуся "потребительским" отношением к физике со стороны астрономов и недооценкой физиками роли астрономии в создании общей системы физических знаний.
Создание новых методов астрономических наблюдений на основе новых физических открытий (спектроскопии, фотографии, фотометрии) и увеличение мощности астрономических инструментов привело к качественному скачку в знаниях о физической природе космических объектов и их систем, космических процессов и явлений и к возникновению нового, самого обширного и многообещающего раздела современной астрономии - астрофизике, а также космохимии. Исследования химического состава космических тел подтвердили материальное единство Вселенной. Был проведен ряд исследований и сделаны открытия, значительно расширившие знания о Вселенной: измерены межзвездные расстояния, открыта межзвездная среда, новые классы космических тел, установлены закономерности в физических характеристиках звезд, исследована структура Галактики. Однако астрономия оставалась в целом "статичной" наукой, изучавшей неизменную во времени Вселенную, отсутствовала генетическая связь между космическими объектами разного типа, верная интерпретация диаграммы Герцшпрунга-Рессела, теории важнейших космических процессов, ответы на вопросы космогонии и космологии. Астрономия была чисто "наблюдательной" и "оптической" наукой, исследовавшей космос лишь в узком диапазоне частот излучения видимого света. Астрономия довольно успешно применяла знания по классической физике, волновой оптике, термо- и электродинамике для объяснения новых открытий и создания инструментов, однако физики практически перестали использовать астрономические данные в своих работах. Возможно, это послужило одной из причин кризиса физики в конце XIX века и отразилось на развитии астрономии в начале ХХ века.
Теоретические основы новой революции в астрономии заложили создание общей теории относительности А. Эйнштейна и теория нестационарной Вселенной А.А. Фридмана. Возникновение и развитие радиофизики, электроники, кибернетики и космонавтики обеспечило ее практические (инструментальные) основы. Огромную роль сыграло создание новых методов исследования: теоретической и экспериментальной физики, современной математики и вычислительной техники (ЭВМ) и вовлечение в астрономию ученых других специализаций, в первую очередь физиков.
Третья революция в астрономии (50-70 гг. ХХ века) целиком обусловлена прогрессом физики и ее влиянием на технологию.
Астрономия стала всеволновой и всекорпускулярной: космические объекты наблюдаются во всем диапазоне электромагнитного излучения и испускания элементарных частиц.
Астрономия становится экспериментальной: средства космонавтики позволяют проводить прямое изучение космических тел, явлений и процессов.
Астрономия приобрела эволюционный характер: космические объекты исследуются на протяжении всей эволюции и во взаимосвязи между собой.
Основные достижения современной астрономии:
1. Объяснение эволюции звезд,
основанное на создании их моделей и
подтверждающееся данными наблюдений.
2. Исследование общей динамики галактик,
объяснение структуры спиральных галактик,
открытие активности галактических ядер и
квазаров.
3. Установление структуры Метагалактики;
достаточно полные представления о
процессах во Вселенной в интервале 7-10
миллиардов лет от настоящего времени.
4. Подтверждение теории формирования звезд
и планетных систем из газопылевых
комплексов и теории нестационарной
Вселенной.
5. Значительное расширение сведений о
природе и физических характеристиках
планетных тел Солнечной системы и Солнца,
полученных в результате космических
исследований.
"Земное" и "космическое" тесно взаимосвязано; космические объекты, явления и процессы обусловливают или оказывают влияние на протекание процессов на поверхности Земли, на ее биосферу и человечество. Жизнь является закономерным этапом развития материи и фактором космического порядка. Законы классических наук - физики, химии, географии являются частными (предельными) случаями, следствиями действия законов более высокого порядка, действующими во Вселенной.
В настоящее время взаимоотношения между физикой и астрономией нормализовались. Обе науки вместе вышли на единый рубеж исследований. Появление новых методов исследований и инструментов (создание системы радиоинтерферометров космического масштаба, космических оптических телескопов, нейтринной астрономии, исследования Солнечной системы средствами космонавтики) определяется уровнем развития технологии и сопровождается резким удорожанием и возрастающей сложностью их проведения, требует координации усилий, сотрудничества ученых всего мира.
Астрономия использует физические знания для объяснения космических явлений и процессов, установления природы и основных характеристик и свойств космических объектов и их систем. Уровень современных физических знаний достаточен для объяснения большинства явлений и процессов в макро- и микромире, основанных на взаимодействиях атомных ядер, электронных оболочек атомов и квантов электромагнитного излучения (возникновение, состав, строение, энергетика, движение и эволюция, взаимодействие звезд, туманностей, планетных тел и их систем).
Физика использует данные астрономических наблюдений для корректировки известных физических законов и теорий; открытия новых физических явлений, процессов и закономерностей; экспериментального подтверждения законов и теорий; исследований принципиально невоспроизводимых или трудновоспроизводимых в земных лабораториях физических явлений, процессов и объектов (термоядерные реакции, поведение горячей плазмы в магнитном поле, эффекты релятивистской теории и т. д.).
Быстро развивается процесс интеграции физики и астрономии, объединенных в астрофизику. Предметами изучения в современной астрофизике и физике элементарных частиц стала область субъядерных взаимодействий, некоторые аспекты взрывов звезд, активности галактических ядер и квазаров, нейтронные звезды и черные дыры, проблема "скрытой массы", сингулярности и осцилляций Вселенной. Создается единый понятийный аппарат: астрофизические понятия, являясь понятиями астрономическими, в то же время могут рассматриваться как физические, отнесенные к космическим объектам, явлениям и процессам. Физика высоких энергий и космология совместно разрабатывают теорию Великого объединения, сводящую виды физических взаимодействий к единому началу и объясняющей антропный принцип и перспективы развития материального мира в целом.
Взаимодействие этих наук привело к коренному изменению многих прежних способов применения астрономических знаний. Необходимость в точном определении моментов и промежутков времени стимулировала развитие астрономии и физики: вплоть до середины ХХ века астрономические способы измерения, хранения времени и эталоны времени лежали в основе мировой Службы Времени. В настоящее время развитие физики привело к созданию более точных способов определения и эталонов времени, которые стали использоваться астрономами для исследования явлений, лежавших в основе прежних способов измерения времени.
До середины ХХ века основными способами определения географических координат местности, морской и сухопутной навигации были астрономические наблюдения. С появлением радиофизики и космонавтики, широким применением радиосвязи и навигационных спутников в астрономических методах отпала нужда, и сейчас вышеупомянутые разделы физики и технологии позволяют астрономам и географам уточнять фигуру и некоторые другие характеристики Земли.
Взаимодействие астрономии и физики продолжает оказывать влияние на развитие других наук, технологии, энергетики и различных отраслей народного хозяйства. Хрестоматийным примером стало создание и развитие космонавтики. Разрабатываются способы удержания плазмы в ограниченном объеме, концепция "бесстолкновительной" плазмы, МГД-генераторы, квантовые усилители излучения (мазеры) и т. д.
Астрономию и химию связывают вопросы исследования происхождения и распространенности химических элементов и их изотопов в космосе, химическая эволюция Вселенной. Возникшая на стыке астрономии, физики и химии наука космохимия тесно связана с астрофизикой, космогонией и космологией, изучает химический состав и дифференцированное внутреннее строение космических тел, влияние космических явлений и процессов на протекание химических реакций, законы распространенности и распределения химических элементов во Вселенной, сочетание и миграцию атомов при образовании вещества в космосе, эволюцию изотопного состава элементов. Большой интерес для химиков представляют исследования химических процессов, которые из-за их масштабов или сложности трудно или совсем невоспроизводимых в земных лабораториях (вещество в недрах планет, синтез сложных химических соединений в темных туманностях и т. д.).
Астрономию, географию и геофизику связывает изучение Земли как одной из планет Солнечной системы, ее основных физических характеристик (фигуры, вращения, размеров, массы и т. д.) и влияния космических факторов на географию Земли: строение и состав земных недр и поверхности, рельеф и климат, периодические, сезонные и долговременные, местные и глобальные изменения в атмосфере, гидросфере и литосфере Земли - магнитные бури, приливы, смена времен года, дрейф магнитных полей, потепления и ледниковые периоды и т. д., возникающие в результате воздействия космических явлений и процессов (солнечной активности, вращения Луны вокруг Земли, вращения Земли вокруг Солнца и др.); а также не потерявшие своего значения астрономические методы ориентации в пространстве и определения координат местности. Одной из новых наук стало космическое землеведение - совокупность инструментальных исследований Земли из космоса в целях научной и практической деятельности.
Связь астрономии и биологии определяется их эволюционным характером. Астрономия изучает эволюцию космических объектов и их систем на всех уровнях организации неживой материи аналогично тому, как биология изучает эволюцию живой материи. Все космические объекты и их системы, подобно биологическим, эволюционируют с характерными для них шкалами времени. Эволюция неживой и живой материи идет "от простого к сложному", существование и развитие объектов обусловлено внутренними динамическими процессами; движущими факторами эволюции являются расширение Метагалактики (Вселенной) и гравитационная неустойчивость.
Все остальные естественные науки не являются эволюционными: действие фундаментальных законов физики извечно и не зависит от времени, необратимые процессы исследуются лишь в некоторых разделах физики (термодинамике); законы химии также обратимы и могут рассматриваться как описание физических взаимодействий электронных оболочек атомов; география и геология, в самом широком смысле, являются разделами астрономических наук планетологии и планетографии.
Эволюционный характер астрономии обеспечивает возможность классификации космических объектов и их систем по принципам науки типологии и исследование их в рамках системного подхода, с выявлением общего в объектах и явлениях, ограничения числа возможных вариантов структур и поведения систем, как одно из проявлений действия методологического принципа симметрии.
Взаимосвязь астрономии и биологии обусловлена взаимным влиянием эволюций неживой и живой природы. Астрономию и биологию связывают проблемы возникновения и существования жизни и разума на Земле и во Вселенной, проблемы земной и космической экологии и воздействия космических процессов и явлений на биосферу Земли:
1. Возникновение жизни на Земле
подготовлено ходом эволюции неживой
материи во Вселенной.
2. Существование жизни на Земле
определяется постоянством действия
космических факторов: мощностью и
спектральным составом солнечного
излучения, неизменностью основных
характеристик орбиты Земли и ее осевого
вращения, наличием магнитного поля и
атмосферы планеты.
3. Развитие жизни на Земле во много
обусловлено плавными незначительными
изменениями в действии космических
факторов, сильные изменения ведут к
катастрофическим последствиям.
4. На определенном этапе своего развития
жизнь становится фактором космического
масштаба, оказывающим влияние на физико-химические
характеристики планеты: состав и
температуру атмосферы, гидросферы и
верхних слоев литосферы.
5. В настоящее время деятельность
человечества становится фактором
космического масштаба, оказывающим
воздействие на атмосферу, гидросферу и
литосферу Земли и околоземное космическое
пространство, а в перспективе - на всю
Солнечную систему. Экологические проблемы
начинают играть особую роль в
существовании человечества; экология
становится космической.
6. Разумная деятельность Сверхцивилизаций
может оказывать влияние на эволюцию
неживой и живой материи в масштабах
Галактики и даже Метагалактики.
Вопросами, объяснение которых требует совместных усилий астрономов и биологов, являются:
1. Возникновение и существование жизни во
Вселенной (экзобиология: происхождение,
распространенность, условия существования
и развития, пути эволюции).
2. Процессы, лежащие в основе космическо-земных
связей.
3. Практические вопросы космонавтики (космическая
биология и медицина), изучающих
жизнедеятельность земных организмов в
условиях космического пространства,
влияние космических полетов на здоровье и
работоспособность людей, разработку систем
жизнеобеспечения управляемых космических
аппаратов и т.д.
4. Космическая экология.
5. Возникновение и существование, пути
развития внеземных цивилизаций (ВЦ),
проблемы связи и контакта с внеземными
цивилизациями.
6. Роль человека и человечества во Вселенной
(возможность зависимости космической
эволюции от биологической и социальной).
Растущая взаимосвязь астрономии с естественно-математическими науками обусловлена современными тенденциями в развитии познания окружающего мира: разрастанию и укреплению "межнаучных" связей и ликвидации монополизма на исключительно "свои" объекты науки с использование собственных специфических методов исследования.
 |
1 - гелиобиология 2 - ксенобиология 3 - космическая биология и медицина 4 - математическая география 5 - космохимия А - сферическая астрономия Б - астрометрия В - небесная механика Г - астрофизика Д - космология Е - космогония Ж - космофизика |
| Рис. 3. Связь астрономии и других естественных наук | |
По мере развития науки происходит углубление и расширение процесса познания.
В настоящее время наука стремится к всестороннему изучению всех своих объектов и установлению всеобщей связи процессов и явлений в единстве с окружающим миром.
Астрономия имеет связь с общественными и гуманитарными науками.
Связь астрономии с эволюционными науками историей и обществоведением, изучающим развитие материального мира на качественно более высоким уровне организации материи, обусловлена вышеописанным влиянием астрономических знаний на мировоззрение людей и развитие науки, техники, сельского хозяйства, экономики и культуры; вопрос о влиянии космических процессов на социальное развитие человечества остается открытым.
Красота звездного неба будила мысли о величии мироздания и вдохновлял писателей и поэтов. Астрономические наблюдения несут в себе мощный эмоциональный заряд, демонстрируют могущество человеческого разума и его способности познавать мир, воспитывают чувство прекрасного, способствуют развитию научного мышления.
Связь астрономии с "наукой наук" - философией - определяется тем, что астрономия как наука имеет не только специальный, но и общечеловеческий, гуманитарный аспект, вносит наибольший вклад в выяснение места человека и человечества во Вселенной, в изучение отношения "человек - Вселенная". Вселенская уникальность человечества приобретает в условиях развития технической цивилизации и острых социальных преобразований особое значение. В каждом космическом явлении и процессе видны проявления основных, фундаментальных законов природы. На основе астрономических исследований формируются принципы познания материи и Вселенной, важнейшие философские обобщения. Астрономия оказала влияние на развитие всех философских учений. Невозможно сформировать физическую картину мира в обход современных представлений о Вселенной - она неминуемо утратит свое мировоззренческое значение.
Дополнительные сведения по истории астрономии учитель может почерпнуть из одноименного параграфа (с. 88).
Материал о методах и инструментах астрономических исследований можно излагать, в зависимости от школьной программы и учебника, в двух вариантах. Нужно учитывать, что изучение физики к началу учебного года в XI классе еще не восприятию материала подготовило учащихся к адекватному восприятию этого материала: им еще не известны элементы волновой и квантовой оптики, оптической термодинамики и атомной физики. В варианте урока с использованием учебника А.В. Засова, Э.В. Кононовича следует ограничиться описательным характером изложения лишь самых необходимых и общих сведений, опираясь на ранее изученный материал о роли наблюдений в науке и о телескопах, полученный при изучении раздела "Геометрическая оптика". Такой вариант урока представляется нам наиболее оптимальным. К рассмотрению материала о методах и инструментах астрономических исследований следует вернуться в середине учебного года, после изучения сведений по небесной механике и перед изучением материала по астрофизике, космогонии и космологии, когда учащиеся смогут изучать астрономический материал с опорой на сведения из соответствующих разделов курса физики.
4. Астрономические методы и инструменты
Основным методом астрономических исследований являются астрономические наблюдения. В результате наблюдений ученые получают свыше 90 % информации о космических процессах, явлениях и объектах.
Особенностью астрономических наблюдений до сих пор остается их пассивность по отношению к изучаемым объектам: до начала космической эры в астрономии отсутствовала возможность экспериментальных исследований. В настоящее время возможность проведения прямого изучения космических тел ограничена пределами Солнечной системы. Ученые практически лишены возможности активного влияния на космические явления и процессы.
Другой особенностью астрономических исследований является необходимость какого-либо объяснения новых открытий задолго до создания их полной теории.
До середины XIX века астрономия была исключительно оптической; все наблюдения проводились визуально. Астрономы изучали лишь видимый свет космических объектов; затем исследования распространились на их радиоволновое, инфракрасное (тепловое) и ультрафиолетовое излучение. Космонавтика позволила вести изучение космических объектов во всем диапазоне излучения.
В зависимости от характеристик исследуемого излучения астрономию стали подразделять на оптическую астрономию, радиоастрономию, инфракрасную астрономию, ультрафиолетовую астрономию, рентгеновскую и гамма-астрономию, изучающие соответственно видимый свет, радиоволны, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи, испускаемые космическими объектами
Главными инструментами астрономических исследований телескопы.
Телескоп - астрономический прибор, применяемый для наблюдения космических объектов. Назначение телескопа: сбор возможно большего количества излучения удаленных и слабых объектов и увеличение видимых угловых размеров космических тел и их систем.
Во втором варианте, при работе с учебниками Е.П. Левитана или Б.А. Воронцова-Вельяминова, материал излагается более подробно, желательно - на отдельном уроке и включает в себя, помимо дополненных вышеуказанных сведений, подробные данные об угломерных инструментах и оптических телескопах. При подготовке к уроку учитель может использовать материал раздела "Методы и инструменты астрономических исследований" (с. ), упрощенный и адаптированный к восприятию школьников, еще не изучавших соответствующий физический материал.
При сообщении сведений о спектральном анализе не нужно вдаваться в подробности, что такое спектр и как на основе спектрального анализа ученые приходят к тем или иным выводам: об этом ученики узнают при изучении соответствующего раздела физики. Сведения о применении спектрального анализа для изучения физических характеристик космических объектов привлекают внимание учеников своей высокой результативностью, интригуют их, создавая положительные мотивы к изучению этого материала в дальнейшем. Поскольку ученики имеют лишь общее "донаучное" представление об основных диапазонах шкалы электромагнитных волн, изложение материала о классификации способов исследования и инструментов астрономии по диапазонам частот излучения следует вести осторожно, не заостряя внимание учеников на понятиях, связанных с характеристиками электромагнитного излучения. Сведения о радиотелескопах нужно излагать, привлекая аналогии с оптическими телескопами.
Следует обратить внимание учащихся на важность роли теоретических исследований, позволяющих обобщать данные наблюдений. Нужно, чтобы школьники осознали, что наблюдения в астрономии играют столь же важную роль, что эксперименты в физике; наилучший эффект дает сочетание наземных и внеатмосферных наблюдений и космических исследований; полезность изучения Земли из космоса. Нужно подготовить учащихся к работе по проведению астрономических наблюдения самостоятельно, дома, и в классе, под руководством учителя. При этом можно продемонстрировать им имеющиеся в школе астрономические инструменты: высотомер, теодолит, бинокль, телескоп и дать возможность посмотреть в него на удаленные предметы. Желательно, чтобы они поняли, что даже их наблюдения не должны быть простым пассивным созерцанием астрономических объектов, а должны давать некоторые сведения, необходимые для дальнейшего изучения курса. При описании астрономических инструментов нужно использовать образные характеристики и наиболее важные числовые данные об их возможностях.
По традиции материал о созвездиях, блеске, цвете и светимости небесных светил и шкале звездных величин обычно излагается на первом, вводном уроке астрономии. Мы считаем более удобным знакомить учеников с этими сведениями на последующих уроке астрономии, при формировании понятий об основных линиях и точках небесной сферы.
В заключение урока следует подвести его итоги и дать домашнее задание. Следует оговорить правила работы с учебниками, желательность знания учащимися ряда основных числовых данных (характеристик) космических объектов, содержащихся в Приложениях к учебникам.
В оставшееся до звонка время школьники могут для закрепления изученного материала выполнить программированные задания NN 1, 2 из сборника задач Г.П. Субботина (при недостаточном количестве задачников текст заданий нужно заранее размножить на ксероксе). При подробном изучении материала об астрономических инструментах можно предложить ученикам вопросы и задачи:
1. Определите основные характеристики телескопа Г. Галилея.2. В чем преимущества и недостатки оптической системы рефрактора Галилея по сравнению с оптической схемой рефрактора Кеплера?
3. Определите основные характеристики БТА. Во сколько раз БТА мощнее МШР?
4. В чем преимущества телескопов, установленных на борту космических аппаратов?
5. Какими условиями должно удовлетворять место для строительства астрономической обсерватории?
Альтернативной методикой проведения урока может быть лекция, позволяющая изложить материал более четко и подробно, настроить учащихся на серьезное восприятие сообщаемой информации. Подобный способ преподавания можно использовать среди сильных учеников, в физико-математических классах. Для работы с "обычными" учениками он не так пригоден: остаются невыясненными "донаучные" знания учеников; астрономия представляется школьникам "очень серьезной, непосильной их уму" наукой, уменьшается познавательный интерес к новому предмету, слабеет контакт с аудиторией.
В качестве альтернативных планов проведения первого урока астрономии можно предложить:
1) План поурочного планирования Е.П. Левитана [123]:
Цель урока: в интересной и увлекательной форме рассказать учащимся о том, что им предстоит изучать в курсе астрономии.
План урока:
1. Что изучает астрономия?2. Значение современной астрономии и взаимосвязь ее с другими науками.
3. Как приступить к изучению звездного неба.
Наибольший эффект достигается при проведении урока под ночным открытым небом, на астрономической площадке или в планетарии. Уделить внимание некоторым организационным вопросам (тетради, подвижные карты, Астрономический Календарь и т.д.). Желательно на первом уроке в общих чертах дать представление о строении Вселенной, а все последующее изложение курса построить как доказательство справедливости этих положений.
1. Определив астрономию как науку, объяснить различия между планетами и звездами. Показать фильмы и диапозитивы. Место Земли в Солнечной системе, Галактике, Метагалактике. Представления о звездах, Галактике, Метагалактике, Вселенной (без подробностей).
2. Рассказать о применении астрономических знаний (в науке, технике, промышленности, сельском хозяйстве и т.д.) в прошлом, настоящем и будущем.
3. Рассказать об астрономических наблюдениях. Ознакомить с картой звездного неба, основными созвездиями и звездами, шкалой звездных величин. Дать задание сделать подвижные карты, найти на небе (по схеме) Полярную звезду и основные созвездия осени.
2) План поурочного планирования из пособия "Методика преподавания астрономии в средней школе" [164]:
Цель урока: познакомить учащихся с новой для них наукой и устройством телескопа.
План изложения нового материала:
1. Предмет астрономии.2. Связь астрономии с другими науками.
3. Телескопы.
4. Краткие сведения о строении Вселенной.
Задание на дом: §§ 1, 2 (3)
| << Предыдущая |