 |
Астронет: А. Ю. Румянцев/МаГУ Методика преподавания астрономии в средней школе http://variable-stars.ru/db/msg/1177040/chapter8_01.html |
| << Предыдущая |
СТРОЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ
ВСЕЛЕННОЙ
(4 ч. + 1 ч. + 1 ч.)
Тема "Строение и эволюция Вселенной" завершает не только астрономическое, но и в значительной степени, все естественнонаучное образование учащихся средней школы.
В современных учебниках астрономии сведения об основных характеристиках и эволюция Вселенной занимают свыше 10 % от их общего содержания; сохраняется тенденция к его увеличению. Комплексный подход к описанию Вселенной характерен для всех российских педагогов и астрономов-методистов: почти во всех учебниках и учебных пособиях раздел о Вселенной объединяет в себе сведения по звездной, галактической и внегалактической астрономии, космогонии и космологии.
Формирование фундаментального астрономического понятия "Вселенная" играет огромную роль в воспитании научного мировоззрения и научной картины мира в сознании подрастающего поколения и является одной из главных задач школьного астрономического обучения.
Согласно современным определениям, научная картина (образ) мира представляет собой систему знаний о Вселенной, включающая в себя все научные знания всех наук обо всем окружающем мире.
"Изучение темы имеет глубокое философское и мировоззренческое значение. В ней учащиеся знакомятся с крупномасштабной структурой Вселенной, узнают далеко не очевидный факт, что звезды не заполняют равномерно всего пространства, а образуют сложные звездные системы – галактики … Важнейшие задачи – завершить формирование у учащихся представлений о непрерывно изменяющейся Вселенной, соответствующих современным данным… воспитание научного подхода к объяснению окружающего мира, образованию звезд, Земли и планет как результата естественных физических процессов. Решение этих задач происходит на основе раскрытия современной научной картины мира и выяснения границ применимости физических теорий; на примере космогонии и космологии учащиеся должны убедиться в познаваемости человеком природы, в неисчерпаемости и многообразии свойств материи и относительности человеческих знаний о ней, в объективности характера получаемых данных и выводимых на ее основе законов, в существовании причинно-следственных связей между наблюдаемыми в космическом пространстве явлениям" [174, с. 191-193].
…В дореволюционном курсе космографии материал о галактиках и Вселенной не рассматривался: в начале ХХ века наука лишь начала их изучение.
В советской школе 20-30-х гг. формированию понятия о Вселенной как важнейшему элементу научной картины мира и мировоззрения учащихся придавалось огромное значение. Основное внимание уделялось мировоззренческим вопросам астрофизики, космогонии и космологии и связанных с ними новейших для того времени открытиями ученых. В научно-популярные книги по астрономии включались как "новости с переднего края науки" сведения о структуре, основных характеристиках нашей Галактики и внегалактической астрономии: так, в книге Н.С. Эйгенсона "Большая Вселенная" в главах "Некоторые проблемы происхождения, эволюции и природы галактик" и "Проблемы строения Метагалактики как единого целого" читателя знакомили с космологическими теориями А. Эйнштейна, А.А. Фридмана, Ж. Леметра, В. де Ситтера.
В учебниках 20-х гг. понятие о Вселенной формировалось на основе ее "стационарной модели", в которой понятие эволюции применимо для отдельных космических объектов и их систем, но вся Вселенная в целом обладает свойствами бесконечности, вечности и неизменности во времени. В учебнике астрономии 1935 г. Е.М. Набокова и Б.А. Воронцова-Вельяминова была сделана первая в российских учебниках попытка описания строения и эволюции Вселенной, т.е. даны начатки космологии.
Интересно отметить, что несмотря на политизацию преподавания астрономии и других естественных учебных предметов уже в 40-50-х гг. советских учеников знакомили в форме критики "буржуазной науки" с новейшими космологическими теориями "расширяющейся Вселенной", причем эта критика была вполне научно обоснована, поскольку теория инфляционной Вселенной получила решающие доказательства лишь в 60-е годы, а в 40-е - начале 50-х была лишь одной из многообещающих научных гипотез.
В результате III Астрономической революции, теоретические основы которой заложили теорий относительности А. Эйнштейна и нестационарной Вселенной А.А. Фридмана, создание новых методов исследования в теоретической и экспериментальной физике и вовлечение в астрономию ученых других специализаций, в первую очередь физиков, астрономия стала всеволновой и эволюционной наукой. Огромную роль сыграли укрепляющиеся и развивающиеся связи астрономии с физикой, возникновение и развитие электроники, кибернетики и космонавтики.
Была исследована общая динамика галактик, получила объяснение структура спиральных галактик, открыта активность галактических ядер и квазаров; установлена структура Метагалактики и получены достаточно полные представления о процессах во Вселенной в интервале 7-10 миллиардов лет от настоящего времени; получила подтверждение теория нестационарной Вселенной.
Все это отразилось в материале учебников астрономии: резко возрос объем материала о структуре и составе известной части Вселенной, космогонии и космологии, усложнилось его содержание.
В числе основных методических рекомендаций к изложению материала темы астрономы-методисты и педагоги 60-80-х годов называли:
"Учитывая время, отведенное на изучение этой важнейшей темы, не следует увлекаться сообщением большого количества чисел и разрозненных фактов, необходимо развернуть перед школьниками грандиозную картину мироздания, которая издавна волновала людей и казалась многим непостижимой.
В связи с этим часть курса, где рассматриваются общие характеристики наблюдаемой области Вселенной, можно излагать лекционным методом. Основная идея изложения: данные современной науки бесспорно свидетельствуют о том, что Вселенная в целом имеет сложное строение и составляющие ее объекты не сохраняются неизменными, а находятся в процессе постоянного изменения, развития и взаимодействия.
Изложение идей об образовании и эволюции тел и их систем должно основываться на нескольких известных законах и фактах: взаимное тяготение тел (и частиц, составляющих тело), радиоактивный распад химических элементов (позволяющий установить возраст пород), термоядерные реакции синтеза элементов (определяющие эволюцию звезд), закономерности Солнечной системы (лежащие в основе космогонии планет) и др. Чтобы выводы о происхождении и развитии небесных тел не были надуманными, рекомендуется во всех предшествующих разделах курса фиксировать внимание на фактах, свидетельствующих об изменениях, происходящих с небесными телами, и на методах, позволяющих косвенным путем следить за их эволюцией, сроки которой необычайно велики.
Вопросы, связанные с проблемами существования жизни и цивилизаций на планетах других звезд, затронуты в самой краткой форме. Они требуют привлечения многих материалов неастрономического характера и выходят за рамки школьного курса. В ходе изучения темы, помимо использования полученных знаний и умений по физике и астрономии, необходимо обратить особое внимание на актуализацию знаний по диалектическому материализму, полученных в курсе обществоведения" [173, 174, с. 191-193].
К сожалению, эффективность преподавания этих вопросов в средних учебных заведениях в наши дни не очень высока. Согласно результатам проведенного нами тестирования выпускников средних школ, значения коэффициентов полноты усвоения фундаментального астрономического понятия "Вселенная" почти одинаковы для группы опрошенных, изучавших астрономию в школе (0,68), и тех, кто обладает лишь "донаучными" астрономическими познаниями (0,64). Коэффициенты эффективности методики формирования этих понятий минимальны - близки единице, что говорит как об общей заинтересованности учеников к вопросам мировоззренческого характера - познанию природы космических объектов и всей Вселенной, так и о том, что учителя астрономии не выделяют фундаментальных понятий астрономии, не дают ученикам их определений и не осуществляют генерализацию вокруг них учебного материала. Наиболее полно усвоен комплекс существенных признаков понятия "Вселенная"; на вопросы о природе Метагалактики и Галактики отвечали хуже, нежели на вопросы о характеристиках и свойствах всей Вселенной.
Необходимо исправить существующее положение.
Знания о Вселенной играют великую роль не только в эволюции естественных наук, но и развитии нашей цивилизации и в возникновении нового вида мышления.
В наши дни в рамках научно-идеалистического и научно-материалистического мировоззрения происходит замена полицентризма на космологический антропоцентизм. Антропный принцип лежит в основе субъективного экоцентризма, суть которого заключается в следующем: "Отношение субъекта (человека) и объекта (природы) должны быть как гармония части с органическим целым, чтобы он ощущал себя как Микрокосм в Макрокосме".
"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, действующих во Вселенной.
Понятие "Вселенная" формируется на основе обобщения всего учебного материала естественнонаучных дисциплин в выпускном классе средней школы; основную роль играют сведения по электродинамике, квантовой физике, атомной физике, общей теории относительности, астрофизике и космологии. Особое значение придается рассмотрению проблем, связанных с возникновением и эволюцией Вселенной. Модель Вселенной соответствует в главных чертах современной физической картине мира и сочетает элементы всех четырех научных картин мира с главным упором на современную квантово-космологическую картину мира, в ее "астрономические" основания входят закон Хаббла и теория нестационарной Вселенной, а следствиями является объяснение современной структуры и основных характеристик и свойств Метагалактики, антропный принцип, пути решения энергетических проблем человечества и стратегические перспективы развития цивилизации.
Учителю нужно всемерно использовать огромный интерес школьников к вопросам о происхождении, вечности и бесконечности Вселенной, а также жизни и разуме во Вселенной (существовании внеземных цивилизаций, палеоконтакте, проблемам существования "параллельных миров" и "других Вселенных" и др.).
Цель изучения темы: формирование фундаментального астрономического понятия "Вселенная".
Задачи обучения:
Общеобразовательные – завершение формирования естественнонаучной картины мира в результате изложения материала:
1) об истории познания Вселенной,
методах, инструментах и особенностях ее
исследования;
2) о галактиках как одной из основных типов
космических систем:
- рассмотрение физической природы и
основных характеристик нашей Галактики (формы,
строения, размеров, массы, светимости,
возраста), данных о численности и свойствах
образующих ее космических объектов и
сведений о взаимосвязи эволюции
космической среды в Галактике с эволюцией
звезд;
- о классификации галактик по
морфологическим признакам, основных
классах галактик (эллиптических,
линзовидных, спиральных, неправильных и т.д.),
их структуре, составе и физических
характеристиках;
- о космическом процессе формирования
галактик из газовых протогалактических
облаков, механизме образования основных
классов галактик, активности ядер галактик,
квазарах и квазагах;
- о межгалактических расстояниях и законе
Хаббла;
- о системах галактик: группах, скоплениях и
Сверхскоплениях галактик;
3) о Метагалактике и Мини-Вселенной: их основных характеристиках, свойствах, структуре, составе, размерах и возрасте;
4) о Вселенной:
- о космологии как разделе астрономии,
изучающей возникновение и эволюцию
Вселенной:
- об основах теорий "инфляционной" и
"пульсирующей" Вселенной;
- о космическом процессе возникновения Мини-Вселенной
в результате энергетической флуктуации
физического вакуума и основных этапах ее
эволюции: сингулярности, явлении Большого
Взрыва, инфляционном расширении,
современном состоянии в форме системы
метагалактик и возможном неограниченном
расширении или сжатии до состояния
сингулярности;
- о космическом процессе возникновения
Метагалактики и основных этапах ее
эволюции: начальном расширении,
образовании элементарных частиц и атомных
ядер; рекомбинации, реликтовом излучении и
объектах, существовавших на ранних стадиях
эволюции Метагалактики - "возмущениях
плотности", "блинах" и
протогалактических облаках; образовании
галактик; современном "звездном" этапе;
завершающих этапах космического процесса
эволюции Метагалактики;
- о материи, движении, пространстве, времени
и их взаимной связи, фундаментальных
законах материального мира и характере
действия физических законов в пределах
Метагалактики и Мини-Вселенной;
- об основных направлениях развития материи,
"антропном принципе" и условиях
возникновения, существования и развития
жизни и разума во Вселенной.
Воспитательные:
1) Формирование научного мировоззрения и естественнонаучной картины мира в сознании учащихся на основе приведения в единую систему знаний о материи, основных направлениях ее развития, движении, пространстве, времени и их взаимной связи, "антропном принципе", фундаментальных законах материального мира, и раскрытия философских положений о материальном единстве и познаваемости мира при изложении астрономического материала о природе Галактики и внегалактических объектов, Метагалактики, Мини-Вселенной и Вселенной;
2) Патриотическое воспитание при сообщении сведений о роли советских ученых в изучении природы галактик, внегалактических объектов и создания основных космологических теорий.
3) Политехническое образование и трудовое воспитание при повторении и углублении знаний о методах и инструментах, применяемых для изучения Галактики и внегалактических объектов (спектральный анализ, радиоастрономия т.д.).
Развивающие - формирование умений:
- объяснять наблюдаемую
структуру и свойства Вселенной,
космических объектов и их систем на основе
важнейших физических теорий;
- анализировать и систематизировать
информацию, использовать обобщенные планы
изучения космических объектов, процессов и
явлений, строить классификационные таблицы
и схемы и решать задачи на расчет
межгалактических расстояний и
характеристик космических объектов.
Ученики должны знать:
- основные признаки понятия "галактика"
как отдельного типа космических систем;
- главные физические характеристики,
строение и состав нашей Галактики, и о
положении и движении Солнечной системы в
Галактике;
- основы классификации галактик по их
морфологическим признакам;
- об основных классах и системах галактик;
- о космическом процессе формирования
галактик из газовых протогалактических
облаков и космическом явлении активности
ядер галактик и квазарах;
- основные признаки понятий "Метагалактика",
"Мини-Вселенная", "Вселенная";
- о Метагалактике, ее размерах, возрасте,
структуре и составе, межгалактических
расстояниях и законе Хаббла, примерное
значение и физический смысл постоянной
Хаббла;
- о космологии как одном из главных разделов
астрономии, ее возникновении и развитии;
- основные положения современных
космологических теорий: о возникновения
Мини-Вселенной и Метагалактики, основных
этапах ее эволюции: сингулярности, явлении
Большого Взрыва, начальном расширении,
образовании элементарных частиц и атомных
ядер, рекомбинации, образования галактик;
современном состоянии и возможных путях
развития;
- о материи, пространстве, времени и их
взаимной связи, фундаментальных законах
материального мира и характере действия
физических законов в пределах
Метагалактики и Мини-Вселенной, основных
направлениях развития материи и "антропном
принципе".
Ученики должны уметь:
- использовать знания, полученные
на уроках по физике и астрономии, для
описания и объяснения современной научной
картины мира;
- анализировать и систематизировать
учебный материал, строить
классификационные таблицы и схемы,
объяснять свойства космических систем на
основе важнейших физических теорий,
использовать обобщенные планы изучения
космических объектов, процессов и явлений;
- решать задачи на расчет межгалактических
расстояний и характеристик космических
объектов.
Тема включает в себя материал раздела "Строение и эволюция Вселенной" школьных учебников астрономии Б.А. Воронцова-Вельяминова и Е.П. Левитана, и материал разделов "Наша Галактики", "За пределами нашей Галактики", "Строение и эволюция Вселенной" школьного учебника астрономии А.В. Засова, Э.В. Кононовича.
План изучения темы и краткое содержание каждого урока:
1. Наша Галактика (главные
физические характеристики, строение и
состав Галактики, положении и движение
Солнечной системы в Галактике);
2. Галактики (классификация галактик по
их морфологическим признакам, основные
классы и системы галактик, формирование
галактик, активности ядер галактик, квазары).
3. Вселенная (Метагалактика (размеры,
возраст, структура, состав,
межгалактические расстояния и закон Хаббла),
Мини-Вселенная и Вселенная).
4. Основы космологии (Основные положения
современных космологических теорий о
возникновения Мини-Вселенной и
Метагалактики и основных этапах ее
эволюции. Материя, пространство, время и их
взаимная связь; фундаментальные законы
материального мира; основные направления
развития материи. "Антропный принцип").
4. Внеклассное занятие: беседа (диспут)
"Проблемы ноокосмологии"
5. Итоговая контрольная работа.
Рекомендуемая литература:
1. Агекян Т.А. Звезды, галактики,
Метагалактика. - М.: Наука: Гл. ред. физ.-мат.
лит., 1981. – 416 с.
2. Бакулин П.И., Кононович Э.В., Мороз В.И. Курс
общей астрономии: Учебник для пед.вузов. - М.:
Наука, 1986.
3. Гуревич Л.Э., Чернин А.Д., Происхождение
галактик и звезд. - М.: Наука: Гл. ред. физ.-мат.
лит., 1987. – 192 с.
4. Зигель Ф.Ю. Сокровища звездного неба. - М.:
Наука, 1987.
5. Климишин И.А. Релятивистская астрономия:
Пер. с украинского / Под ред. В.С. Имшенника. -
М.: Наука: Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. – 288 с.
6. Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. - М.: Наука:
Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990. – 192 с.
7. Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная. - М.:
Наука: Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. – 176 с.
8. Сучков А.А. Галактики знакомые и
загадочные. - М.: Наука: Гл. ред. физ.-мат. лит.,
1988. – 192 с.
9. Розенталь И.Л. Геометрия, динамика,
Вселенная. - М.: Наука, 1987. – 144 с.
10. Тейлер Р. Дж. Галактики. Строение и
эволюция: Пер с англ. / Под ред. А.Г.
Дорошкевича. – М.: Мир, 1981. – 224 с.
11. Физика космоса: Маленькая энциклопедия /
Редкол.: Р.А. Сюняев и др. – М.: Сов.
Энциклопедия, 1986. – 783 с.
12. Ходж П. Галактики: Пер. с англ. / Под ред. Ю.Н.
Ефремова. - М.: Наука: Гл. ред. физ.-мат. лит.,
1992. – 192 с.
13. Хокинг С. Краткая история времени От
большого взрыва до черных дыр / Пер. с англ.
– СПб.: Амфора, 2000. – 268 с.
14. Шкловский И.С. Вселенная, жизнь, разум. - М.:
Наука: Гл. ред. физ.-мат. лит., 1984. –384 с.
| << Предыдущая |