# Физика - полтора века в школе

Леонид Александрович Ашкинази

Физика -- полтора века в школе


Наука не стоит на месте -- двигаясь по полю Природы, она оставляет за собой нагромождения данных. С ужасом смотрит на этот пейзаж нынешнее Образование, которое должно вложить все эти барханы информации в головенку существа, которое пока что с визгом носится по школе. А как образование делало это век или полтора назад, когда объем информации был меньше? Может быть, какие-то решения тех времен окажутся интересны сегодня?


Пути решения


Все объекты -- и технические, и социальные -- имеют память, накапливают данные. Иногда процесс нежелателен, но хоть осознан всеми специалистами -- усталость металла, накопление дислокаций. Бывает, что свойство осознано не всеми, например -- усталость общества от лозунгов и вранья. Есть ситуации, когда память не просто желательна -- это прямая и важная функция, например, в науке. Однако накопление научных данных делает более сложными операции с ними, например, поиск. Если бы продолжительность жизни человека росла так же, как и объем накопленных наукой данных, все было бы хорошо. Но это, увы, не так, и поэтому иногда шутят, что проще провести эксперимент, чем выяснить, не сделал ли его уже кто-то.

Действительно, в научной литературе попадаются публикации, почти повторяющие что-то, что было сделано полвека назад; хотя тут возможен и другой механизм -- просто плагиат. Накопление научных данных серьезно сказывается на образовании. Скорость усвоения информации человеком ограниченна, и если когда-то на выходе из образовательной системы мы имели человека, который знал тогдашнее "все", то теперь он не знает и сотой доли сегодняшнего "всего". Как на это реагировать? -- методы действий можно разделить на пять групп.

Первая, самая традиционная, "без конца" -- не сообщать новых данных, учить, как век назад. В результате мы получаем человека, который способен работать самостоятельно в меньшей степени, чем ранее. Собственно, уже в середине прошлого века все понимали, что человека в большинстве случаев нужно доучивать на рабочем месте -- причем и школьника, и студента. А тех, кого не надо, -- не потому, что их так хорошо выучили, а потому, что работа такая.

Второй традиционный путь, "меньше глубина" -- уменьшить глубину изложения, особенно в зоне новой информации. Например, изложение классической механики в хорошем школьном учебнике позволяет успешному ученику решать хоть и формализованные, но иногда нетривиальные задачи. Изложение разделов физики, возникших в XX веке, даже в хорошем учебнике напоминает заклинания, набор слов; о решении содержательных задач речь не идет. Это неравноправие отчасти оправдывается различием проявления физики в жизни. С процессами, опирающимися на классические области физики, человек контактирует не только непрерывно, но и очевидно -- кирпич падает на ногу, электричество кипятит воду. А теория относительности, хоть и обязательна для телевидения, радиолокации и GPS-навигации, но не очевидна.

Третий вариант, "растянуть время" -- модные разговоры о "непрерывном образовании". Но способность к обучению с годами падает, сесть за парту взрослый человек может, если он очень предусмотрителен (это не про нас) или в очень благополучной экономической ситуации, когда есть и время, и деньги (и это не про нас). Либо до- и переучивание может происходить под угрозой потери работы, но тогда это вынужденное и срочное техническое натаскивание назвать образованием трудно.

Четвертый вариант, "без начала" -- в школе он не распространен, школа традиционно начинает с начала, а в системе высшего образования многие пошли по этому пути, например, на матанализе теоремы дают и спрашивают без доказательств. Тем самым уничтожается (вообще-то и так скрываемая от студентов) главная цель данного предмета -- развитие математического, то есть универсального, мышления. В инженерной сфере этот метод общепринят -- многие ли пользователи компьютерных систем проектирования могут объяснить, почему в конкретном случае нужны именно те параметры, которые рекомендовала программа? При проектировании рутинного объекта это не страшно, но действительно новую вещь так не создашь.

Пятый вариант -- "новые методы". Иногда утверждается, что новые методы, например, использование "мультимедиа", то есть мелькающих перед загипнотизированным зрителем картинок, ускоряет обучение. Более изощренные промоутеры утверждают, что эти новые методы как раз и опираются на особенности психологии нового поколения. Правда, некоторые психологи употребляют термины "клиповое мышление" и "цифровой идиотизм". Вдобавок нет данных о сравнительной эффективности разных методов обучения. Тем не менее можно предположить, что есть какие-то сферы человеческой деятельности, где такие способы обучения эффективны. Например, при обучении продавцов этих методов, умеющих, непрерывно говоря в течение получаса, не сказать ничего конкретного, но загипнотизировать предполагаемого покупателя.

На фоне всех этих страстей нам давно хотелось заглянуть в старые учебники. То, что построили люди, которые по ним учились, дожило до нашего времени и работает. Это, наверное, не слишком хитрый аргумент, но попробуйте его опровергнуть...


Туда и с книжками обратно


Учебники физики вековой и более давности известны, и про некоторые из них есть вполне содержательные статьи. Да и файлы некоторых из них есть в Интернете, можно изучить. Но хотелось, знаете ли, подержать в руках. И поэтому исследование началось с высокотехнологического хищения. При очередном эксперименте с машиной времени я имел возможность, не влияя на тогдашнее будущее -- то есть наше сегодня, -- кое-что прихватить из нашего прошлого. А именно, учебники физики. Удержаться было невозможно. И всю обратную дорогу трясся от страха -- что, если "бабочка взмахнула крылом" и в новом будущем меня не предусмотрено? Или там другой "я"? Что я скажу подруге? И главному редактору? Мысль о том, что может не оказаться и их, побоялась даже прийти в голову...

Но все обошлось. Вывалившись из кабины на ни в одном времени не мытый пол секретного подвала (адреса нет даже в редакции) и убедившись, что возраст выхода на пенсию изменился меньше, чем мечтали россияне, а результаты спортивных соревнований и персонаж унылых анекдотов остались в том же состоянии, что и были при отбытии, я приступил к анализу добычи. В надежде, что, листая пожелтевшие страницы (в бумагу тогда не добавляли так называемые "оптические отбеливатели"), найдется что-то полезное для нашей и вашей свободы понимания того, какими должны быть учебники. Тем более что предварительное знакомство с тем, что пишут об учебниках давних времен, говорило, что многие их черты были схожи. Все эти книги переиздавалась много раз, но то, что написано ниже, относится только к тем изданиям, что мне достались.

Вот главная добыча, школьный учебник физики (рис. 1) (все рисунки в конце файла) -- более чем тысячестраничный учебник Н.А. Любимова (1876). Прежде всего -- это, по замыслу автора, две книги, и это даже подчеркнуто (что смотрится странно) нумерацией страниц. Первый "проход" в 725 страниц и второй в 228 напоминают современную систему преподавания, когда физика проходится два раза, 7-9 и 10-11 классы: первый проход почти без формул, второй -- с ними. Впрочем, и во втором их меньше, чем в хорошем современном учебнике. А вот чего больше, так это описания экспериментов, начиная с подробного описания экспериментов первооткрывателей, рассказа о том, что и как они делали (рис. 2), а потом -- о применении физики в технике. Например, если разбирается рычаг, то тут же и блок, и ворот, а если пар, то паровая машина с ее историей, с Ньюкоменом, Уаттом, чертежами, внешним видом машин и даже -- кратко -- биографиями авторов. Если ареометр, то подробно три их типа, если барометр -- то варианты конструкций. Автор называет это историческим подходом и придает этому такое значение, что предваряет книгу эпиграфом из Фрэнсиса Бэкона "Где только возможно, знание должно быть внедряемо в ум другого тем самым путем, каким оно было впервые открыто". Наверное, это не универсальный метод, и можно представить себе человека, который усвоит физику быстрее и лучше, идя по другому пути. Но для большинства учащихся это, наверное, эффективно.

Относительно больше места, чем это принято сейчас, уделяет автор акустике, цветному зрению, что вполне логично -- это курс, можно сказать, физики, приближенной к жизни. Подробнее, чем сейчас, рассматривает автор инфракрасное излучение -- с одной стороны, подчеркивая общность со светом, а с другой -- роль в теплообмене. В учебник вошла почти вся физика, известная на тот момент, хотя некоторые части -- в слегка упрощенном виде; что, впрочем, естественно. Заметим, что изложение опытов позволяет в каком-то виде ввести учащихся в проблематику области, либо еще не облаченной в канонический теоретический вид, либо требующей для рассказа слишком (для конкретного учебника) высокой математики. Современные авторы этим пренебрегают, и может, зря -- рассказ про Супер-Камиоканде или Большой адронный коллайдер вполне может вызвать сопереживание у школьника. Если рассказать профессионально, то есть компетентно и с чувством. Причем рассказать о принципе действия этих вершин современной физики частично можно и на школьном уровне.

Кроме учебника Любимова, мне достался учебник Краевича (1880) (рис. 3); он во многом похож на предыдущий, например, отличные иллюстрации и много практических приложений, даже чуть больше, чем у Любимова. Тоже три шрифта, которыми обозначена степень обязательности при изучении предмета. В этом учебнике немного меньше исторических сведений, и, хотя он не делится явно, как предыдущий, на две книги, но все же механика "с формулами" поставлена в конец книги, для более взрослых учеников.

Аппетит приходит во время еды, и в следующий заезд я рискнул сделать краткую остановку в конце 20-х годов прошлого века, собираясь еще немного поживиться книжками. Однако "не все коту масленица" -- на этот раз мне достались не школьные учебники, а нечто иное. Но времена были уже такие, что он не рискнул задерживаться, -- апофеоз шпиономании, так что вполне могли быстренько поставить к стенке "не по-нашему одетого", поэтому -- схватил, нырнул в люк и отбыл.

Добыча -- пять книг: две одного автора, О.Д. Хвольсона, -- "Физика наших дней" (1928) и "Курс физики. Том дополнительный. Физика 1914-1925, Часть первая (1926)", третья -- А.А. Петровский, "Основы физики" (1923), четвертая -- А.А. Эйхенвальд, "Электричество" (1918). Сравнить две первые оказалось довольно интересно и поучительно, поскольку они написаны одним человеком и по одному материалу, но различаются весьма заметно. Первая -- то, что можно назвать серьезной научно-популярной литературой. Это обзор, но более широкий, то есть не данных самых последних лет, а вообще состояния дел в новой -- на тот момент -- физике. Основной материал -- строение материи и излучение, отдельные главы -- жидкий и твердый гелий, сверхпроводимость, квантовая теория.

Формулы в книге есть, но их немного и только элементарные. Сложность внутри каждого раздела нарастает не как в некоторых современных поделках -- скачком от детсадовского трепа к красивым и непонятным словам, а плавно, как и положено в хорошем учебнике. Может быть, так и надо, может быть, хорошая научно-популярная книга и должна быть отчасти учебником? Если мы хотим, чтобы она чему-то учила, а не только обеспечивала товарно-денежный обмен? Существенная черта этой книги -- неторопливое повествование, автор не стесняется рассказывать о разных теориях, в том числе сомнительных или не подтвердившихся, и, разумеется, оценивает их. Далее, в книге уделяется серьезное внимание химии -- Периодическому закону, его открытию и обоснованию. Это лучше, чем новомодная современная "межпредметность". Особенно если в учебник химии аккуратно и осторожно ввести немного физики (теплообмен, диффузия и т. д.), без которой реальной химии вообще не существует. Разве что в межзвездных облаках, и то там есть поверхностная диффузия.

Вторая книга О.Д. Хвольсона -- это обзор вузовского уровня, набитый под завязку цифрами, фактами и ссылками, обзор новейших научных данных, полученных в мире за последние (на тот момент) годы. Учебником в обычном смысле он не является, так как материал не структурирован, как это принято. Сам автор рассматривал его как дополнение к ранее изданному его пятитомному курсу физики, который был переведен на несколько языков, а для российских университетов многие годы был базовым. Сейчас функцию обзоров состояния физики в какой-то мере взяли на себя ведущие журналы. Но они посвящены более узким сегментам -- наверное, это естественно, хотя и такие "более общие" книги были бы полезны. Правда, в какой-то мере их мог бы заменить указатель таких обзоров, размещенный в Интернете.

Две другие, прихваченные мною из прошлого, книги -- "Основы физики" А.А. Петровского и "Электричество" А.А. Эйхенвальда. Это университетские курсы, несколько более простые, чем курс Хвольсона, более непосредственно опирающийся на школьный курс или даже отчасти его заменяющий. Тот же неторопливый стиль с разжевыванием деталей, те же замечательные иллюстрации.

А вот пятая -- это оказался как раз школьный учебник: А.В. Цингер "Начальная физика" (1927) -- он больше похож на современный учебник. Таким образом, у нас есть три школьных учебника, и можно сравнить содержание и форму какого-то раздела. Но как выбрать раздел для сравнения, чтобы отделить различия позиции автора от общего движения общества и науки? Заметим, что это одна из ключевых проблем не только социологии (что автору этой статьи ближе), но и проблема -- страшно сказать -- вообще понимания истории и людей!


Детали подхода


Полтора века назад некоторых областей физики вообще не существовало, некоторые были передним краем и не школьным материалом, а некоторые области техники занимали совершенно иное место в быту. Все это влияло на учебник, поэтому, если мы хотим более детально рассмотреть какой-то раздел, надо взять такой, который был тогда уже хорошо развит и занимал в жизни примерно такое же место, как сейчас. Попробуем сравнить то, что в современных курсах обычно стоит между механикой и электричеством, скажем так -- "тепло". Прежде всего, этот материал в разных учебниках по-разному сочетался с остальным материалом. Например, у Любимова он составляет часть раздела "свет и тепло", у Цингера (1927) и Краевича (1880) это отдельный раздел; возьмем хотя бы Краевича.

Оглавление раздела показано на рис. 4, и уже из оглавления понятен общий подход, не свойственный нашему времени и состоящий, обобщенно говоря, из трех принципов -- детали, эксперимент, применения. Нырнем в текст и приведем по три примера следования этим трем принципам.


Детали:

- изменение объема при нагреве -- включая ситуации необратимого изменения;

- тела излучают тепло при любых температурах, поэтому рука, поднесенная к холодному, ощущает холод;

- изменение объема при плавлении -- не только вода, упомянуты висмут, сурьма, чугун.


Эксперимент:

- экспериментальное измерение теплопроводности, погрешности термометрии;

- измерение перепада температур в жидкости, нагреваемой сверху (для исключения конвекции);

- калориметр Фавра и Зильбермана, калориметр Лавуазье и Лапласа, сравнение, анализ погрешностей.


Применения:

- лампа Деви;

- технологические применения, например, зависимости прочности от температуры;

- охлаждающие смеси.

И это при не слишком внимательном чтении на всего лишь 1/25 объема книги! Если бегло пролистать дальше, то жадный глаз отметит правило Дюлонга и Пти, эффект Лейденфроста (автор даже упоминает Бутиньи, который исследовал эффект), тепловыделение при трении, при сорбции, расширении и сжатии газов, при ударе, при химических процессах, устройство печи и топки, парового котла, паровой машины, парохода, локомотива... Автор повествует неторопливо и позволяет себе (в школьном учебнике!) фразы типа "не имеем прямого доказательства, однако только этим можно объяснить некоторые явления". Отличие от современного учебника очевидно -- нет молекулярно-кинетической теории, нет универсального газового закона, нет понятия идеального газа. Соответственно, нет "определения" температуры (через среднюю энергию молекул), которое приведено в современном школьном учебнике, но зато есть семь страниц подробного рассказа о разных типах термометров -- не лучший ли это был бы кусок институтского курса метрологии? Последующие определения -- теплоемкости, удельной теплоемкости, теплоты фазового перехода -- выглядят, как нынешние.

Упрощая, можно сказать так -- в современном учебнике вроде бы больше теоретической физики и намного меньше техники, больше теории и радикально меньше практики. И после этого мы удивляемся, что школьники считают предмет "физику" годным только для сдачи экзаменов? И удивляются, когда оказывается, что физика вокруг нас на каждом шагу и что она применима, даже если стоять на месте?

А потом некоторые из них поступают в один из самых престижных вузов Москвы, с немереными ЕГЭ-баллами на входе, им начинают преподавать физику и на "тестах", которые там очень любят, дают задачки вроде показанной на рис. 5. И они их решают! А не умирают от смеха, как это сделает любой минимально нормальный человек...

Учебник Цингера на треть ближе к нам по времени и заметно ближе к современному учебнику по форме. Количество материала в разделе, посвященном теплу, в нем лишь немногим меньше, чем у Краевича. Однако стиль изложения существенно суше и радикально меньше вопросов измерения и точности, а также техники и приложений. За счет этого объем на 40% меньше. Учебник Любимова -- почти ровесник Краевича -- очень на него похож и формой, и содержанием, он лишь немного серьезнее. В разделе, посвященном теплу, мы видим кусочек из метеорологии, то есть физики атмосферы. Кроме того, Любимов чуть современнее Краевича -- он не употребляет слово "теплород"; зато, рассказывая о передаче тепла излучением, употребляет понятие "эфир". Как пример изложения -- на рис. 6 показан параграф из "постоянного тока".

В заключение хочется спросить -- и еще больше хочется узнать -- лучше эти книжки современных или нет, а если лучше, то чем, можно ли это использовать и как. К сожалению, педагогика, как наука, имеет нечто общее с космологией -- в ней не практикуется прямой и непосредственный эксперимент. Тот, который в большинстве случаев критерий сами знаете, чего. Было бы здорово взять класс, учить его физике по учебникам разных периодов и лет через десять -- двадцать посмотреть на жизненный путь учеников. Наверное, тогда мы смогли бы оценить эффективность. По крайней мере, если сегодня начать такой эксперимент, то можем надеяться увидеть результат. Конечно, класс -- это слишком маленький массив, нужно иметь хотя бы пять-шесть десятков классов в разных регионах, и еще некоторые параметры имеют значение... ну, в общем, я готов подготовить программу исследований. Для начала работ нужны три вещи -- одобрение министерства в виде соответствующих писем всем региональным начальникам, включая директоров школ, деньги на банковском счете исследовательской группы и гарантия защиты от ЕГЭ.

А пока можно попытаться -- как, кстати, делают и космологи -- построить модель в голове (они -- еще и в компьютере) и, опираясь на жизненный и профессиональный опыт, что-то изречь. Так вот, мне кажется, что подавляющему большинству сегодняшних учеников был бы полезнее учебник физики полуторавековой давности. Понятный, конкретный, опирающийся на их жизненный опыт и приносящий пользу им самим, в их жизни. Набор слов, относящийся к физике нового времени, им не потребуется, и нечего их гипнотизировать. Лучше четко и ясно указывать, где граница понимания и почему она там, где она есть, и чему и как надо учиться дальше, если вы именно этого хотите, и для чего это вам может потребоваться.

Когда человек знает, зачем он учится, он учится легче и лучше. Как и все, что делает человек -- когда знает зачем.


1

Учебник физики Н.А. Любимова (1876). Обратите внимание на полузабытое слово "политипаж" -- это повторяющийся элемент оформления книги. К преподаванию физики оформление книги, в отличие от задач и вопросов, имеет лишь косвенное отношение. Тем не менее издатели сочли нужным обратить внимание покупателей на прием оформления -- вот какое наши прадеды придавали значение тому, как сделано.


2

Электрофорная машина. По одному этому рисунку можно проводить занятие и устраивать экзамен. Надо же рассказать о каждом элементе. И что это за маленький объект "E" слева? И почему объекты "A" и "F" кругленькие? И важно ли, в каком направлении крутить ручку? А можно ли взад-вперед? И чем определяется каждый размер?.. Кстати, в моем МИЭМе, институте, где я учился, подобные вопросы на экзаменах когда-то задавали...


3

Учебник физики К.Д. Краевича (1880), тот самый, который мы знаем благодаря Ильфу и Петрову. Помните разговор Остапа Бендера и Васисуалия Лоханкина? "... Из какого класса гимназии вас вытурили за неуспешность? Из шестого? -- Из пятого, -- ответил Лоханкин. -- Золотой класс. Значит, до физики Краевича вы не дошли?"


4

Оглавление раздела "Тепло" в учебнике Краевича. Виден общий подход, который прослеживается по всей книге и который свойственен и учебнику Любимова. По каждому поводу приводится много данных об экспериментах, о свойствах веществ, часто -- о методике измерений и уж обязательно -- о практических применениях. Знаменитый учебник Ландсберга, доживший почти до нашего времени, отчасти унаследовал этот стиль


5

Реальный материал с "теста" для студентов первого курса, изучающих физику. Задача решена верно, стоит плюс. А какую отметку по физике и педагогике надо ставить за такую задачу преподавателю и педагогической вертикали? Кстати, посмотрите внимательнее... решение и ответ, кажется, подсмотрен у соседа (условие переписано с ошибкой (10-5 вместо 2.10-5), решено с этим неверным условием, а потом ответ внезапно исправлен. А преподаватель, похоже, и не заметил...


6

Изложение понятий потенциала и электрической цепи, начало раздела "постоянный ток". Когда рассказ ведется так основательно, то ученик лучше усваивает материал