Папа Карп

Изучая с детьми физику, важно понимать, что это очень специфический стиль мышления. Он основан на сложной и изощренной системной логике, на анализе, на выделении ключевых закономерностей в запутанных ситуациях. И такая логика весьма отличается от привычного для ребенка (да и вообще для большинства людей) стиля эмоционального, ситуационного и запоминающего мышления.

В чем тут главные фишки?

Общий принцип изучения физики: надо понять механизм явления или суть теории, а вот стараться запоминать это практически не нужно.

То, что должно запомниться, постепенно само отложится в памяти – если сосредоточить внимание и усилия на понимании каждой темы, каждой детали, каждой расчетной задачи, каждой картинки… Формулы можно написать на листочек, и по мере решения задач просто поглядывать на них при необходимости. А с младшими детьми вообще ничего не надо заучивать!

Такой подход очень отличается от способа изучения большинства других школьных предметов.

Например, при изучении иностранного языка или хода исторических событий, или географического расположения гор и морей… – везде требуется много запоминать, заучивать. Да и биология, и русский язык, и литература, и даже математика – все эти предметы требуют именно запоминания обширных объемов информации. Логика там тоже, конечно, присутствует. Думать и понимать тоже надо, разумеется. Но опора обычно именно на заучивание, как ни крути.

А вот в физике все почти совсем не так. Надо учиться думать – причем именно в стиле мышления данной логической науки о природе. А просто заучивать что-то смысла нет никакого вообще! Это даже вредно, по сути. Это неверный путь.

А единственно верный путь – глубокое и полноценное понимание физических механизмов явлений, понимание физических законов и теоретических моделей.

Если вы учите своего ребенка физике дома и если вы человек гуманитарного типа, то вам необходимо существенно перестроить свое мышление – на чисто логический анализ явлений природы. Конечно, это не так-то просто… Но для эффективного преподавания каждого школьного предмета надо владеть именно тем стилем мышления, который свойственен данной сфере.

Следующий немаловажный момент состоит в том, что в физике используются обычные слова, но в особых, четко оговоренных смыслах.

“Энергия”, “работа”, “сила”, “давление”, “мощность”, “импульс”, “скорость”… Все эти слова мы широко используем и вообще в жизни, причем в самых разных смыслах, применительно к различным ситуациям. Мы говорим: “сила характера”, “скорость мышления”, “тяжелая, но хорошо оплачиваемая работа”, “жизненная энергия”, “давление обстоятельств”…

Важно четко привыкнуть: используемые для обозначения физических величин слова имеют вполне определенный смысл, они обладают ясными границами. Их не надо путать с более широким употреблением таких же слов по жизни.

Для детишек (особенно маленьких) данное разделение совсем не очевидно. Им нужно разъяснять, что конкретно подразумевается в физике, когда мы говорим “работа” или “сила”… И не на уровне заучивания формального определения, разумеется. А на уровне хорошего понимания сути дела.

В каком-то смысле, язык каждой науки – это некий особый язык. Он несколько (а иногда и очень сильно) отличается от общего языка, на котором все мы говорим, на котором привыкли общаться.

В физике исторически так сложилось, что самые первые и самые ключевые термины – это те же самые обычные слова, обладающие множеством иных смыслов, кроме физического. И важно детям с первых занятий про это говорить. Тут нет ничего сложного. Но ребенок должен понимать: используемое сейчас выражение “импульс ракеты” не имеет никакого отношения к такой вещи, как импульсивность характера.

Однако здесь нас подстерегает новая сложность. Оказывается, в науке физике смысл каждого понятия – это нечто глубоко иррациональное и нелогичное, если вдуматься достаточно серьезно.

Ну действительно, что такое время или энергия? Тут можно долго рассуждать и обсуждать, спорить и искать наиболее точные объяснения… Не случайно в древние времена физика была близка к философии!

Профессиональные физики в данном плане также не слишком преуспевают, если честно. По поводу теории относительности и квантовой механики их гениальные создатели прямо так и говорили: нет у человека, мол, психологических механизмов, чтобы адекватно представить себе четырехмерное пространство или странные неопределенности поведения частиц в микромире.

Вот, скажем, математика как раз абсолютно логична. Она вся создана людьми. Это именно чистая логика, безупречная и абсолютно рациональная.

А физика – это попытки людей понять, как устроена природа, попытки найти в этом устройстве логические закономерности, общую логичную и стройную систему. И во всем этом много непонятного, неопределенного, расплывчатого и приблизительного…

Поэтому нет особого резона пытаться слишком уж строго и слишком логично определять для детей базовые понятия и идеи из физики.

То есть, с одной стороны, да, “давайте четко договоримся о терминах”. А с другой стороны, это как бы и невозможно в принципе…

Если мы осознаем сей факт, то в ходе объяснений мы будем ловко балансировать между ясной логикой и иррациональным “так уж принято говорить”. Это выглядит парадоксом и даже как бы некоторой издевкой над научным мышлением, но никуда не денешься!

Вот что такое кинетическая энергия? Как это объяснить? Я обычно говорю примерно так: “Это энергия движения тела. Ее принято вычислять по формуле: массу объекта умножить на квадрат его скорости и поделить пополам. Именно данную величину в физике называют кинетической энергией. Почему? Ну, так уж получилось исторически, так уж договорились ученые…”

Но вообще-то про это несколько веков назад писали целые книги! И находили, что в них сказать! Так что не надо думать, что это элементарная вещь, про которую всем профессионалам все абсолютно ясно…

В чем основная специфика стиля мышления в физике?

Можно сказать примерно так: из всего многообразия влияющих на ситуацию факторов мы выделяем лишь несколько самых главных, их учитываем математически, а остальными факторами просто пренебрегаем.

Вот в чем суть любого физического анализа! Практически любая физическая теория или модель устроена именно так! И это очень важно осознавать.

Хотя жизнь наша обычная устроена в целом совсем иначе. В любой конкретной ситуации нам надо принимать в рассмотрения сразу множество самых различных действующих факторов. И даже очень, казалось бы, слабые и малозаметные влияния могут оказать существенное воздействие на ход всех реальных процессов (в том числи и больших масштабов).

Соответственно, наше обычное человеческое мышление так и устроено: воспринимать мир как большую игровую комнату с кучей разнообразных игрушек, которые не очень понятно как взаимодействуют между собой. Мир вокруг нас – это картина, в которой почти все хаотично, непредсказуемо и многовариантно. Ну да, кое-какие правила мы все же видим в окружающей нас реальности. И кое-как учимся их принимать во внимание и применять (по мере взросления и обучения). Но в целом все кажется нелогичным и даже мистическим, загадочным… И особенно для детей это так.

Приступая к изучению физики с ребенком, мы переходим в совершенно иную картину окружающего мира. Оказывается, все вокруг очень даже логично. Оказывается, существуют незыблемые физические законы природы, которые действуют всегда и везде. Они фундаментальны. Оказывается, каждое конкретное явление, каждая конкретная ситуация – это просто результат некой комбинации этих базовых законов. Оказывается, в мире есть единство правил.

Мышление в физике – это наложение логических схем на весь окружающий нас такой разнообразный мир. И это трудный скачок для человеческого ума. Скажем, ясные и четкие математические правила освоить все же легче. И не случайно математика существует тысячи лет, а физика как полноценная наука – лишь несколько столетий.

Ученый-физик применяет логику к кажущемуся хаосу, анализирует ситуацию – и находит решение конкретной задачи. Именно так проявляется талант и опыт ученого, его интуиция и профессионализм: правильно использовать силу логики и силу математики в конкретной ситуации.

И основной прием, как я уже сказал, состоит в том, чтобы отбросить из рассмотрения все факторы, какие только можно отбросить. И выделить лишь некоторые главные аспекты ситуации – обсчитав их математически.

Но как правильно понять, какие факторы являются главными, а какие можно отбросить? Вот в этом-то и состоит самая трудная часть научных изысканий…

Очень важно понимать: в физике мы имеем дело с математическими моделями, с упрощенными схемами реальных событий.

Никто до сих пор так толком и не понял, как устроен электрон, почему он ведет себя именно по тем правилам, которые мы наблюдаем и которые умеем описывать довольно точно математическими формулами. Мы можем рассчитать поведение электрона, но мы не понимаем его “конструкции”.

Законы Ньютона – это прекрасные, изящные, простые и чрезвычайно удобные математические модели, то есть формулы. Они описывают огромное количество самых разнообразных явлений – от движения планет, звезд и галактик до торможения автомобиля на дороге или парашютиста в воздухе.

Однако Ньютон, написав формулу закона всемирного тяготения, сам и не знал, что это за штука такая – гравитация. Да и после Ньютона никто этого толком не понимал. А потом Эйнштейн еще больше запутал дело, “разъяснив”, что сила всемирного тяготения – это “просто” искривление пространства и времени…

Физики век за веком находят все более точные математические модели реальных физических процессов. Но не надо забывать, что это лишь модели.

Например, мы можем использовать весьма грубую математическую модель: планеты летают вокруг Солнца по круговым орбитам, при этом их движение определяется лишь притяжением к Солнцу. Для прикидочных расчетов такой модели вполне достаточно. И для общей картинки в голове – как устроена Солнечная система – этого достаточно.

Но можно потом сказать: на самом деле орбита каждой планеты – это не круг, а эллипс. И на самом деле нужно учитывать не только притяжение планеты к Солнцу, но и притяжение планет друг к другу. Это, конечно, уже не школьный уровень физики и математики. Но именно так делаются все расчеты в астрономии. И именно так рассчитывают траектории полетов космических кораблей, летящих к другим планетам.

Ну и практически по каждой теме из школьного курса физики это так. Математические модели – это очень полезная штука. Но реальность всегда богаче и сложнее, многограннее и более перепутана, а то и совсем непонятна. И надо, чтобы дети с самого начала понимали эту разницу.

Словом, стиль мышления в физике – это и логика, и интуиция, и иррациональная философия, и практический прагматичный подход…