Физика — полтора века в школе

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

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 замечательно. Но это, увы, не так, и поэтому иногда шутят, что проще провести эксперимент, чем выяснить, не сделал ли его уже кто-­то другой. Действительно, в научной литературе попадаются публикации, почти повторяющие то, что было сделано полвека назад; хотя, тут возможен и другой механизм — банальный плагиат. Накопление научных данных серьезно сказывается на образовании. Скорость усвоения информации человеком ограничена, 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 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 вышколили, 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 (кирпич падает на ногу, электричество кипятит воду…), но и очевидно. А теория относительности, хоть и обязательна для телевидения, радиолокации и GPS­навигации, 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 на редкость предусмотрителен (это не про нас) или в исключительно 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 технические натаскивание назвать образованием можно только в целях рекламы.

Четвертый вариант, «без начала» — в школе он не распространен, школа традиционно начинает с начала (с того, что традиционно им считается), 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, ускоряют обучение. Более изощренные промоутеры утверждают, что эти 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, умеющих, непрерывно говоря в течение получаса, не сказать ничего и этим методом загипнотизировать предполагаемого покупателя.

На фоне таких 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 изощренный 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, не осмелилась 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», в просторечии — синьку), найдется что­-то полезное для нашей и вашей свободы понимания того, какими должны быть учебники. Тем более предварительное знакомство с отзывами об учебниках давно минувших дней установило, что во многом они схожи. Эти книги переиздавалась многократно, но то, что приводится ниже, относится только к изданиям, которые мне достались.

2. Электрофорная машина. По одному этому рисунку можно проводить занятие и устраивать экзамен. Надо ж 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…

Вот главная добыча, школьный учебник физики (рис. 1) — 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 двух концентров 7–9 и 10–11х классов: 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 подробностей 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 и внешним видом машин, и даже — кратко — биографиями авторов. Если описывается ареометр, то подробно даны три их типа, если барометр — то варианты конструкций. Автор называет это историческим подходом, и придает ему 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 эффективнее, идя по другому пути. Но для большинства учащихся скорее всего, эффективно.

Относительно большее, 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, правда некоторые части — в слегка упрощенном виде; что, впрочем, естественно. Заметим, что изложение опытов позволяет в какой-­то мере 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 поведать о принципе действия этих апофеозов современной физики частично можно на базе школьной физики.

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?»

Кроме учебника Любимова, мне достался учебник Краевича (1880) (рис. 3); он во многом похож на предыдущий, имеет 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 учебник 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 20­х годов прошлого века, собираясь еще немного поживиться книжками. Однако «не всё коту масленица» — на этот раз мне достались не школьные учебники, а нечто иное. Но времена были уже такие, что я не рискнул задерживаться, — апофеоз шпиономании, так что вполне могли 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). Сравнивать 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 серьезным научпопом (научно­-популярный). Это обзор, но более широкий, то есть не данных самых последних лет, а вообще состояния дел в новой физике, то есть механика (кроме релятивистской формулы для массы) и электричество вообще не затрагиваются. Основной материал — строение материи, 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, хороший научпоп должен быть отчасти учебником? Если мы хотим, чтобы он чему­-то учил, а не только обеспечивал 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 заметное 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 годы. Учебником в обычном смысле он не является, так как материал не структурирован, как это делается в учебниках. Сам автор рассматривал его как дополнение к ранее изданному 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 обзоры в ведущих журналах. Но они посвящены более узкому сегменту — наверное, это естественно, хотя и такие «более общие» книги приносят пользу. Правда, их вполне мог бы заменить указатель таких обзоров, размещенный в интернете.

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

А вот пятая, оказалась как раз школьный учебник — А.В. Цингер «Начальная физика» (1927), который больше похож на современный учебник. Таким образом, у нас есть три школьных учебника и можно сравнить содержание и форму какого-нибудь 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 статьи ближе), но и проблема – страшно сказать – вообще понимания истории и людей!

Полтора века назад некоторых областей физики не было и в помине, какие-­то были «передним краем» и «не школьным материалом», а кое­-какие области техники занимали совершенно иное место в быту. Это и влияло на учебник, поэтому, если мы хотим более детально рассмотреть какой-­то раздел, надо взять такой, который был уже тогда хорошо развит и занимал в жизни примерно такое же место, как и 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 сочетается 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 названия заголовков 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 приведенным трем принципам.

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

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, упомянут 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». В отличие от современного хорошего 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 — кстати, не лучший ли это 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 немеряными ЕГЭ баллами на входе, им начинают преподавать физику и на «тестах», которые там безумно любят, дают задачки вроде показанной на рис. 5. И они решают! А не умирают от смеха, как это сделает — увы — любой худо­-бедно нормальный человек…

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, подсмотрены 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, не заметил…

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

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 — до крайности 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, повествуя о передаче тепла излучением, употребляет понятие «эфир». Как пример изложения — на рис. 6 показан параграф по теории «постоянного тока».

В заключение хочется спросить — и еще больше узнать — лучше эти книжки современных или нет, а если чем-­то 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 нужны две вещи — одобрение министерства просвещения в виде соответствующих писем всем региональным начальникам, включая директоров школ и деньги на банковском счете исследовательской группы.

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

Когда человек знает, зачем он учится, ему учиться легко и просто. Как и все, что делает человек — когда знает, зачем.

Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 9/2019) на с. 16 — 20.