   Физика? Нет ничего проще!
   Возвращение физики

   Александр Александрович Фролов

   © Александр Александрович Фролов, 2017

   ISBN 978-5-4485-0021-3
   Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

От автора

   Физика как элемент культуры общества покинула нас в конце прошлого века – начале нынешнего. Она столько натворила, что инженерии и технологии еще долго расхлебывать. Натворила и почила на лаврах. Стала далекой, недосягаемой и потому такой сложной и непонятной. Общество, уставшее от войн и взлетов прогресса, ударилось в потребление. Потребление же обеспечивают инженерия и технология, но никак не наука и подавно – не физика. Тогда зачем она нормальным людям?

   Культура – это совокупность всех достижений человечества, которые можно передать людям или иным разумным существам. Можно, но не всегда нужно. Вот и не вошла физика в современную культуру. Дальше – больше (это называется положительной обратной связью). Уже никто не хочет в физики, как это было в 50-х годах прошлого века. Днем с огнем не сыскать учителей физики, понимающих предмет. Да и откуда? Ведь их учили те, для кого физика уже стала сложной и потусторонней. Объемы курсов научных основ предмета и методики его преподавания соотносятся в педагогических вузах примерно как 5:95. Ну и что методизируем? Вот и развиваются идеология и практика «объяснения физики простым языком» (слава Богу, пока рекомендуется нормативный). Растет убожество иллюстраций в школьных учебниках, из которых исчезают физические величины и законы физики в присущих ей разумных формах. Сама физика в образовательном процессе и в познавательной практике человечества – в глубокой спячке.

   Да, есть где-то там, далеко-далеко, «андронный коллайдер», как говорят порой дикторы телевидения. То и дело всплывают сообщения об «открытиях», чаще всего – на уровне желтой прессы. Не надо обольщаться. Просто в оставшихся в живых лабораториях все еще идут «вычерпывание» и «долизывание» того, что физика натворила в прошлом веке. Теми, кто вполне заслуженно носит почетное звание далеких от жизни очкариков в белых халатах, получающих в разных странах за это заслуженно разные деньги.

   Да, есть выдающиеся педагоги-физики и физики-методисты, которые понимают сущность предмета и его назначение в школе. Но они – робинзоны в океане бессмыслицы преподавания физики. Ни в какой сфере жизни общество не сможет удержаться на единицах, и здесь – тоже.

   Обыватель – это не обидный ярлык. Обыватель – это почетное звание человека, личности, бытующего на этой Земле, реализующего себя в отведенное ему жизнью время. Лучше – реализующего успешно. Эта успешность зависит от того, насколько правильно он умеет смотреть на мир, насколько адекватно он его себе представляет и насколько адекватно изменениям в этом мире он действует. Адекватность как компетенцию может обеспечить только наука – система постоянно развивающихся знаний о реальном окружающем мире и внутреннем мире человека. Так что учиться надо науке, точнее – научному мышлению. А учиться надо от простого к сложному. Ведь падение материальной точки заведомо проще, чем организация повседневной успешной и благополучной семейной жизни. Вот физика и введена на уровне коллективного бессознательного в школьную и ряд других образовательных программ, чтобы передавать людям завоеванную эволюцией структуру научного мышления. И надо во что бы то ни стало вернуть ей возможность выполнения этой почетной задачи.

   Что касается Большой Физики… Ей скоро пора просыпаться. Летят к Земле астероиды. Нам надо лететь на Марс, а способы перемещения – не те. Плохо пахнет экологическая обстановка, а физические способы ее изменения и даже понимания – не те. Да и вообще – осталось всего-навсего каких-то три-четыре миллиарда лет, и наше Солнце бабахнет Сверхновой. Надо будет вовремя сменить место жительства. Надо разобраться – что там, за чертой Большого взрыва. Надо, наконец, наладить осознанное использование физики в образовательном процессе для обучения думанью. Надо… Много чего нам надо от физики. Пора ее будить в общественном сознании. И для начала неплохо было бы понять, что будить-то собираемся. Ну а потом уже – как будить. Лиха беда начало. И я подумал: а почему бы не начать?

Александр Фролов,
2017 год

Введение

   Книга посвящена физике. А не ее математическому обеспечению. И потому вовсе не нуждается не то что в злоупотреблении математическими выражениями, а и просто в их употреблении. Поняв, что такое физика и как она устроена, как она описывает мир, субъект физического познания мира сходит на описанный в книге «математический базар» и найдет в его развалах любой необходимый инструмент, профессионально изготовленный специалистами вроде Ньютона, Фурье, Лагранжа, Галуа или Колмогорова. А здесь – просто физика как она есть. Голая, пока невооруженная, еще ничем конкретным не занявшаяся и оттого особенно беззащитная в ее непонимании нормальными зубрилами всех уровней.
   Книга посвящена физике. В представлении автора и тех, кто его учил этому представлению. Автор просто постарался посмотреть на физику как можно проще, как учил старый монах-иезуит Оккам. Оказалось, что эта простота достаточно трудна, и многие ее стороны физики и физиковеды чаще всего обходили, как-то получая свои решения и не оставляя следов построения понимания. Ссылок, значит, не оставляя автору для почтительного цитирования. Например, сказал Роберт Фейнман что-то по поводу эквивалентности физического закона и определения физической величины – но как сказал! Разбросав части размытого высказывания по стопе «Фейнмановских лекций по физике», не утруждая себя «показыванием», которое является сущностью научного подхода и на которое можно сослаться. Фейнман был велик, и ему было не до этого, впрочем, как и другим классикам физической науки. Вот автору этой книги и приходилось показывать (уж как мог!), так порой ни на кого и не ссылаясь. За исключением, разве что, себя, любимого. Некоторые технологические аспекты понимания физики – такие, например, как алгоритмизированный подход к введению определений понятий и физических величин – так и остались беспрецедентными. Опять же – не на кого ссылаться, кроме упомянутого выше… Вот и бедна книга ссылками. При всем безусловном почтении автора ко всем предшественникам в этой области. Истина-то дороже! Хочется надеяться, что читатели поймут и простят.
   Книга посвящена физике. А у физики, как и у всей науки, нет лица. Она идет себе сквозь мир бесчеловечным терминатором, оттачивая простейшие научные модели и через них описывая этот мир. Но понимать мир в его модельных представлениях – удел людей, у которых лица есть. Вот и у автора есть сложившееся лицо, от которого он рассматривает операциональную структуру (и тем самым – сущность) физики. Поэтому с ним, автором, можно дискутировать, чего не стоит делать с физикой. И автор всегда будет рад обмену мнениями, разумеется – аргументированными. Но для этого все же надо, как минимум, прочитать книгу.
   Книга посвящена физике. И, соответственно, ее будущему. А это будущее тесно связано с качеством трансляции представлений о физике, без которых невозможна трансляция физического знания о мире. Дела с физическим образованием, в особенности – в рамках общего образования, нельзя считать благополучными. В связи с этим необходимо, по крайней мере, обозначить на образовательной карте основные области неблагополучия. Автор уже давно старался внести в эту картографию свой посильный вклад. Сначала написав много ранее пособие «Язык, закон, задача в курсе физики средней школы». Затем развив этот подход до «Технологии интеллектуального образования». Теперь вот с этой «Технологией» возвращаясь к физике. А там уж, миром да собором, глядишь – и изменим судьбу физики в лучшую сторону.
   Судьба же предлагаемой книги – оказывать помощь в понимании физики как при первом знакомстве с ней, так и при осмыслении и переосмыслении уже сложившихся ранее физических представлений. Для содействия реализации этой судьбы автор в первой главе постарался отстоять свое право иметь и высказывать собственную точку зрения на сущность физики и ее нынешнее состояние в науке и образовании. Для того, чтобы говорить о физике как отрасли науки, вторая глава посвящена «отшелушиванию» эмоциональных, экономических, организационных и прочих одежек научной работы, под которыми эта самая сущность науки тщательно прячется – иногда нечаянно, иногда – злонамеренно. Такая уж у нее, сущности науки, социальная природа – мимикрировать и прятаться, прятаться и мимикрировать с целью прокорма, выживания и подспудного насаждения в обществе здравого смысла, как бы оно ни упиралось. Третья глава – о думанье и его структуре. Мыслят все; думают, увы, немногие. Физика учит думать. Для этого физика говорит с нами на языке, который стараниями современного образования утрачивается, как были на уровне общедоступности утрачены, например, санскрит и иврит, выжившие только в узких кругах для богослужений. Иврит реставрировали. Почему бы не реставрировать и восстановить в правах, с учетом современных научных представлений, язык физики? Об этом – четвертая глава. Волки, Балу, Багира и Каа чтут закон джунглей, хотя и не могут определить соответствующего понятия. Бандерлоги не чтут закона, не знают его и, главное, не хотят знать. Мы – не бандерлоги, мы – люди, которых физика должна учить закону, и мы должны понимать, что это такое и учиться устанавливать законы самостоятельно. Тем, кто заинтересован, пятая глава поможет в этом. Все, что мы делаем в этой жизни – нескончаемая последовательность решения задач. Несть числа легендам о методах и способах их решения. А подход к решению задач – один, и именно физика учит этому на всех уровнях научно-познавательной и образовательной деятельности. Как она это делает (должна делать) – внутри себя как отрасли науки и за своими пределами – показано в шестой главе. И, наконец, что творится и что должно твориться в физическом образовании для того, чтобы физика выжила и вернулась к нам, рассмотрено в последней, седьмой, главе книги.
   Остается пожелать немедленного применения на практике того, что может дать читателю книга – это пожелание автора самому себе. А читателю – вдумчивости и успешности такого применения.

Глава 1. С какой стати?

   Свершения в любой области бывают большими и малыми. И те, и другие могут иметь как социальную, так и сугубо личностную значимость. У каждого из этих свершений – свои масштабы. К свершениям приходят нации, государства и отдельные люди. Свершения есть всегда.
   Другое дело – наука. У нее нет масштабов. Она просто есть или ее просто нет. В науку приходят или не приходят. Порой так и не приходят, проработав всю жизнь в научной организации, написав множество работ и даже оставив в ней вполне позитивные следы. В физике, как самой простой отрасли науки, это просматривается особенно ярко. Трудоголик Альберт Эйнштейн с пятилетнего возраста, задумавшись над природой поведения стрелки компаса, шел в науку, с точки зрения окружающих, достаточно кружным путем. На самом деле он шел туда прямолинейно, размеренным неотвратимым шагом римского легионера, последовательно решая, казалось бы, самые разные задачи, обратившие на себя его внимание. И пришел, оставив после себя поле понимания в множестве работ, оказавших влияние на развитие не только физики, но и других отраслей науки. «Озаренец» Рудольф Мёссбауэр, такой же нобелевский лауреат, как и Эйнштейн, не оставил после себя ничего кроме нескольких статей по эффекту, носящему его имя, и текста нобелевской речи. Трудно предположить, что он видел «научное поле» физики, то есть саму физику как научное здание. Поэтому он не мог сам принимать участие в трансляции как физического знания и понимания мира, так и научного знания, научного подхода в целом. Это ни в коей мере не снижает уважения и почтения к Мёссбауэру как к научному работнику, подарившему миру уникальный и потрясающий инструмент исследования глубин строения вещества.
   К тому, что такое наука и научная работа и как они соотносятся друг с другом, мы вернемся в следующей главе книги. А здесь рассмотрим на конкретном примере, как может приходить в науку и, тем более, в физику, обычный человек. Мы никогда не знаем и не узнаем, что думает и чувствует другой, идущий и приходящий в науку своим неповторимым способом. Поэтому можно анализировать только свои ощущения, чувства, мысли и поступки с целью поделиться опытом – удачным или неудачным – для того, чтобы другим идущим было легче выбирать свою собственную траекторию вхождения в науку и, в частности, в физику. Ну и, разумеется, ответить на первый традиционный вопрос, который представители большинства так любят задавать желающим высказать свою точку зрения: «Кто ты такой (чтобы судить о физике и ее трансляции)?».

1.1. Докатиться до физики

   Мне посчастливилось расти на окраине города, который ныне называется Алматы, расположенного в предгорьях хребта Заилийский Алатау. Сад был полон не только разнообразных растений, но и диковинных птиц, насекомых, улиток, иногда – ежей и ящериц. В отсутствие современных гаджетов и других соблазнов ухода от реальности все это кипение жизни привлекало внимание мальчика-дошкольника, родители которого были внимательны к его воспитанию, но, тем не менее, существенно заняты восстановлением нормального течения жизни, нарушенного только что окончившейся войной. А в доме – библиотека в целую стену, да еще два застекленных шкафа с энциклопедиями, заманчиво поблескивавшими тиснением корешков переплетов. Поскольку никак не меньше четверти этой библиотеки было посвящено природе во всех ее проявлениях, начав читать примерно с четырех лет, я читал сказки в гораздо меньшем объеме, чем Брема, Мензбира и других зоологов. Наибольший интерес у меня вызывали птицы, ящерицы и змеи. Лягушки и жабы – тоже, но не в такой степени. Мудрые воспитатели поддерживали эти интересы, а некоторые – по крайней мере не порицали. И вот годам к двенадцати я обзавелся (естественно, через тех же воспитателей, в первую очередь – своего деда Павла Николаевича Комарова) аж двумя научными руководителями из Института зоологии Академии наук Казахской ССР. Орнитологию я постигал под руководством Мстислава Николаевича Карелова, оставившего нам впоследствии капитальный пятитомный труд «Птицы Казахстана». Герпетологию сделал для меня интересной и понимаемой выдающийся научный работник, первый герпетолог Казахстана Константин Петрович Параскив, столетие которого зоологическая общественность отмечала в 2011 году. До сих пор меня потрясает то обстоятельство, что эти люди возились со мной, уделяя мне достаточно много времени, терпя мои естественные возрастные глупости и поддерживая склонность к живой познавательной деятельности. Главное, что они дали мне – это представление о классификационной основе научного подхода.
   В это время в школьных курсах ботаники и зоологии безраздельно царствовал академик «от сохи» Трофим Денисович Лысенко, вошедший в историю генерацией и поддержкой доморощенных идей, позже все-таки признанных псевдо– и антинаучными, а также отличившийся гонениями генетики и генетиков. Это потом, много лет спустя, я пойму, что сознание отфильтровывает положения непонятного происхождения, а их дальнейшее развитие и продвижение либо заведомо злонамеренны, либо свидетельствуют об определенных пробелах в умственном развитии. А тогда, в школе, просто «учил». Как все. Не очень-то и стараясь понять. Вот так научное развитие шло своим путем, а школьное – своим, и противоречия как-то не всплывали.
   То же самое происходило и с физикой. Послевоенные учителя были в большинстве своем на порядок квалифицированнее и преданнее своему делу и своему предмету, чем их сегодняшняя смена. Но и они не могли похвастаться пониманием физики, поскольку школьные учебники содержали те же физические и психологические ошибки, что и сейчас. Чего стоил только «приемник А. С. Попова»! Технические решения и изобретения, лежащие в плоскости инженерии и не имеющие к физике отношения, выливались в картинку, которую в качестве шпаргалки рисовали на ладони – понять все эти разряды, проводочки, соединения и постукивание молоточком по когереру было просто невозможно. Формулировка первого закона Ньютона (да еще в путанице со следствием из него) сводила с ума. Так что – наизусть. Что такое электрический заряд – естественно, никто не понимал – ни мы, ни учитель. Наизусть. И так далее. Ну как тут не возненавидеть эту муть?! И мозг послушно ее отвергал.
   И вот к концу обучения в школе (а оно тогда было десятилетним) явное противоречие между интересом к окружающему миру и отсутствием инструментов его познания в своем внутреннем мире привело к тому, что я с ужасом осознал собственную умственную несостоятельность, неумение думать, совершая в голове определенные действия, приводящие к надежным и устойчивым результатам. Стало страшно и непонятно, как жить и действовать дальше, в неотвратимо надвигающейся взрослой жизни. И стало ясно, что надо учиться думать, а то… К этому времени у меня уже сложилось убеждение, что обучение должно продвигаться от простого к сложному. И вот когда накатило осознание, что падение камешка описать и понять в принципе проще (хотя и это надо уметь), чем поведение приятеля или, тем более, приятельницы, я заплакал. При родных и близких. Это даже вошло в семейную легенду. Отличник, спортсмен, юный научный работник и достаточно трудный для родителей и правоохранителей детина – рыдает! Потому как осознает, что дорога к научению думанью лежит через непонятную и потому ненавистную физику, которая проще всего по определению. Но спортивные и «трудные» качества уже научили заламывать себя в случае необходимости. И пошел я на физфак университета.
   В те годы физика была чрезвычайно модной. Такова уж людоедская сущность общества: нужны бомбы и электростанции – призовем побольше народу и отберем кого надо. В первую очередь – для решения срочных разовых задач. А что остальные – в отвалы, так это дело привычное. И рвались на физфаки толпы вчерашних школьников, очарованных жутковатым фильмом «Девять дней одного года» и подобными ему средствами психологической обработки. Сдавали пять вступительных экзаменов при конкурсе двадцать пять человек на место и, набрав двадцать пять баллов, поступали, если были еще успешными спортсменами, общественниками или обладателями иных задокументированных талантов. Так что выбирать было из кого.

1.2. Знакомство с физикой

   Поступил. И вот тут обнаружилось, что вчерашнему школьнику, привыкшему к восприятию образовательных предметов как совершенно не связанных между собой, приходится проходить через «первое сито». Либо ты хотя бы отдаленно догадываешься о системности получаемого образования и терпеливо пытаешься понять, какое на самом деле отношение имеют математический анализ и прочие предметы к физике, либо ты не выдерживаешь и сходишь с дистанции. Тем или иным способом. Чаще всего – меняя специальность и не понимая, что там, в новой специальности, ты будешь так же несистемен и бездумен, как и здесь, на физфаке.
   Отправляясь в физику и уже имея какой-то юношеский опыт научной работы, понимаешь, что без интереса к тому или иному конкретному физическому явлению ты просто не сможешь на самом деле учиться. Это сейчас мне понятны трудности формирования внешней и, особенно, внутренней мотивации в отношении определенной деятельности. А тогда приходилось выбирать «на ощупь» и «на глазок». Повезло, что «глазок» заметил кристаллы и удивительное явление их роста. Заметил благодаря тому, что в этой области работал близкий родственник, принимавший участие в моем воспитании. Вот и обратил я внимание на рост кристаллов. Но как здесь работает физика и, тем более, другие предметы, начинать понимать приходилось с нуля.
   Пока на первых двух курсах читались общие дисциплины, я обнаружил много нового вообще в плане отношения к пониманию. Геометрический и физический смысл производной, дифференциала и интеграла, теории функций и их поведения в окрестности точки в связи с возможностями физических экстраполяций – все это было принципиально ново и требовало для реального усвоения усилий раба на плантации. Именно в то время у меня сложилась идеология опережающего рассмотрения тем и предметов. Предварительное самостоятельное разбирательство, с опережением программы на день или на год, позволяло осмысленно подходить к предметным курсам и своевременно осознавать возможности приложения их материала к тому, что меня интересовало. Так, ряд курсов я ухитрился пройти на мехмате. Особенно меня волновали матрицы и операторы. Кто бы мог предположить, что почти через пятьдесят лет реальное понимание этого материала позволит создать матричное представление научно-познавательной модели интеллекта с принципиально измеримыми компонентами [7]! Заодно удалось относительно самостоятельно на приемлемом уровне разобраться с векторными и тензорными алгеброй и анализом. И все это – ради понимания возможностей описания кристаллов.
   Однако самым неожиданным оказалось почерпнутое из курса общей физики представление о предельной до грубости принципиальной простоте физических моделей. С этим труднее всего было примириться: ведь все – от школьного курса до художественной литературы – преподносили физику как нечто таинственное, романтичное и, в первую очередь, чувственно-эмоциональное. Выдавливание этой чуши из себя по каплям заняло потом большую часть остальной жизни. И, в конечном итоге, привело к пониманию ситуации на уровне второй главы этой книги.
   И вот к середине третьего курса (а всего их было шесть) начали более или менее осмысленно различаться слова, произносимые лекторами, и значки, которые они писали на огромных досках физических аудиторий. Лекторы были фантастическими. Все слышали о Ландау, многие учились по учебникам Соколова и Давыдова и целой плеяды других украшений физической науки. А мы имели возможность задавать им вопросы между лекциями и парами. И получали ответы, можно сказать, «из первых рук». Это здорово стимулировало. Доходило до анекдотических случаев. Владимир Иванович Григорьев, тогда еще доцент, так читал курс «Электродинамика», что целый поток (250 человек) слушал, развесив уши, забыв про конспекты. Клянчили потом конспекты у старательных девочек, которые ушей не развешивали, но и красоты электродинамики в этом исполнении не осознали.
   На третьем курсе при распределении по кафедрам я пришел на кафедру физики кристаллов, которой руководил легендарный Алексей Васильевич Шубников. Какие там (как и на всем физфаке) были преподаватели! Какие люди! И как они с нами возились! С третьего курса и до окончания университета я безвылазно работал в проблемной лаборатории роста кристаллов, которой заведовал Леонид Николаевич Рашкович. А непосредственным моим научным руководителем был Владимир Карлович Яновский, потрясающий научный работник и человек. Он целенаправленно шел к высокотемпературной сверхпроводимости, но проиграл во времени в честной конкурентной борьбе, и Нобелевскую премию получили другие. Но росту кристаллов меня научили. И много еще чему. Вот тогда я и понял, что нет более страшного врага научного работника, чем узость. Вырастить впервые кристаллы перовскита размера, достаточного для проведения физических исследований, установить пространственную группу их структуры, исследовать ряд физических свойств… И все это время меня ласково подгоняли кнутом самолюбия, заставляя использовать то, чему учили. Позже, спустя лет двадцать, то, чему учил в своих курсах выдающийся симметрист Владимир Александрович Копцик, позволило мне предложить корректную теоретико-групповую модель структуры ближнего порядка в расплавах конгруэнтно плавящихся веществ [2].
   Все это написано в попытке передать, как тщательно и доброжелательно нас учили, готовя к профессиональной научной деятельности. И как порой по-детски несостоятельно, но настырно и самоотверженно учились мы. Отнюдь не забывая и о том, что наполняло мир кроме физики и науки вообще.

1.3. Назад к физике

   Вот и окончен университет. Набравшись интегралов, наигравшись с тензорами и группами, навыращивав кристаллов, налюбовавшись физическими явлениями и став желанным специалистом для ряда организаций, я вдруг с ужасом осознал, что, многому научившись, сущности физики как таковой я и не понял. Сказалось насаждаемое отношение к физике как творческому порыву и красивой якобы интеллектуальной жизни в белом халате с бессонными ночами экспериментов и мучительными попытками их интерпретации. И вот начало доходить, что занятие физикой – это системный и систематический труд, требующий четкой организации мышления. Организации, основы которой и по сей день остаются практически непонятными для большинства людей.
   Где искать эти основы? Очевидно, там, где происходит или, по крайней мере, должно происходить становление этого самого организованного мышления. То есть в процессе общего образования, в школе. И отправился я сотрудничать со школами. И занимаюсь этим вот уже полсотни лет, не выходя из состояния ужаса от того, что люди считают обучением физике. В школьных учебниках физики в среднем на одну страницу приходится одна грубая физическая, математическая или психологическая ошибка, в принципе ломающая научное продуктивное мышление и даже представление о нем. Соответствующие примеры будут рассмотрены в главе 7, посвященной физике в образовании и преподаванию физики. Здесь же отметим, что из современных учебников практически изъяты представления о физических величинах, являющихся неотъемлемой частью понятийной основы языка физики. Да и вообще понятийный уровень учебников физики не выдерживает никакой критики. На протяжении примерно тридцати лет ни один школьный учитель физики не сказал мне (и уж тем более – учащимся), что такое закон. Решение задач сумбурно, и существующие в школе подходы к этому решению явно противоречат стандарту образования. Ведь стандарт требует единого универсального подхода к этому процессу. А в школе твердят о множественности «алгоритмов» решения задач различных типов.
   Параллельно этому шло «дообучение» физике на смысловом уровне в процессе профессиональной научной работы. Кафедра физики Уральского политехнического института, на которой я работал после окончания университета и года работы в лаборатории линейного ускорителя в Казахском госуниверситете, в научном плане занималась изучением физических свойств интерметаллических соединений. Именно для получения монокристаллических образцов этих соединений меня туда и пригласили. Но выполнение кандидатской диссертационной работы формально предполагает наличие научного руководителя, которого в области роста кристаллов на кафедре не было. Тематику-то ростовую я развивал сам с помощью своих университетских руководителей. Обнаруживал интересные ростовые явления, писал статьи, участвовал в ростовых конференциях. А вот в кандидатской диссертационной работе слово «монокристалл» отсутствовало напрочь. Работа была посвящена физическим свойствам – электрическим, магнитным, теплофизическим и прочим – поликристаллов тех соединений, физика роста кристаллов которых меня заинтересовала. И это было прекрасно, потому что впоследствии позволило обнаружить и понять причинно-следственные связи структуры, свойств и механизмов роста кристаллов. Тут же пришлось понять сущность таких физических моделей, как, например, фонон, и наконец-то уловить смысл и роль в создании представлений о фононе фурье-преобразований, которые так гнобили нас в университете.
   Дальше все было «как у людей» – защита одной диссертации, потом – другой, создание научной школы…

1.4. Вперед к образованию

   Но образовательная линия не отпускала. Ощущалась острая необходимость, во-первых, отдать, точнее – передать дальше то, что с таким трудом вложили в меня умнейшие люди. Во-вторых, уже начала осознаваться мною роль физики в общем образовании, и было очень жаль детей, мимо которых она пролетала, так и не успевая вложить в их головы модельные основы продуктивного мышления, то есть основы думанья. А ведь физика в программе общего образования присутствует именно для этого [4]. И исключительно для этого. Но об этом – потом, в главе 7.
   В 80-х годах прошлого века было разработано пособие «Язык, закон, задача в курсе физики средней школы» [6]. Главная его особенность связана с требованием отсутствия физических ошибок в процессе преподавания предмета. Однако большинство преподавателей физики к этому времени уже были далеки от ее смысла и содержания. Отказ от предлагаемого в пособии подхода мотивировался… его «формализмом». Но ведь что может быть более формализованным, чем подход к формированию научных моделей, делающий их едиными для всех, то есть являющийся основой реальной составляющей понимания и, следовательно, взаимопонимания?! Надо отметить, что для тех, кто этим пособием все же пользовался, оно становилось, как правило, одной из настольных книг.
   Намеченная в пособии «образовательная траектория» заставила провести обширный ряд исследований в области формирования преподавателями и обучающимися (в том числе – обучающимися самостоятельно) понятийности, причинно-следственности и единого подхода к решению задач [3, 5, 7, 8]. Стало понятным, как «устроен» интеллект в его научно-познавательной модели, и удалось предложить математическое представление этой модели с принципиально измеримыми ее компонентами [7]. В результате была создана общая технология интеллектуального образования [5], позволяющая успешно решать образовательные и научные задачи. Технология успешно апробирована как в общем [5], так и в профессиональном [1] образовании. И все это благодаря физике. Физике в представлении тех, кто ее создавал как отрасль науки, тех, кто построил четкую структуру физического мышления как исторически сложившуюся основу осознанно организованного продуктивного мышления вообще.
   Я должен был ответить на вопрос: «Кто ты такой (чтобы судить о физике и ее трансляции)?». Он очевидно включает в себя: «С какой стати ты взялся за это (то есть за реабилитацию здравого физического смысла)?». Надеюсь, я ответил. На вопрос: «Откуда ты это взял?» будет дан ответ в главах с третьей по шестую. Тогда останется выяснить: «Почему ты считаешь, что нам это нужно?». Этому посвящена седьмая глава книги.

Литература к главе 1

   1. Фролов, А. А. Культура умственного труда [Текст]: учебное пособие / А. А. Фролов, И. А. Черняев. – Екатеринбург: УГМУ, 2014. – 140 с.
   2. Фролов, А. А. Одноструктурная модель расплава для конгруэнтно плавящихся веществ / А. А. Фролов // Кристаллография. – 1980. – Т. 25, вып. 1. – С. 43—47.
   3. Фролов, А. А. Понятийность как основа единства интеграции и дифференциации научного знания [Текст] / А. А. Фролов, Ю. Н. Фролова // Сибирский педагогический журнал. – 2010. – №3. – С. 126—140.
   4. Фролов, А. А. Сущность общего образования / А. А. Фролов // Образование и наука. – 2015. – №1 (3). – С. 18—28.
   5. Фролов, А. А. Технология интеллектуального образования [Текст] монография / А. А. Фролов. – Екатеринбург: Издательство «Раритет», 2015. – 180 с.
   6. Фролов, А. А. Язык, закон, задача в курсе физики средней школы [Текст] / А. А. Фролов. – Екатеринбург: Банк культурной информации, 2001. – 96 с.
   7. Фролов, А. А. Модель формирования научно-познавательной компетентности обучающихся [Текст] / А. А. Фролов, Ю. Н. Фролова // Сибирский педагогический журнал. – 2011. – №9. – С. 51—64.
   8. Фролова, Ю. Н. Роль социальной фасилитации в процессе алгоритмизированного проблемного обучения [Текст] / Ю. Н. Фролова // Сибирский педагогический журнал. – 2010. – №5. – С. 41—54.

Глава 2. Физика: наука и научная работа

   Чтобы понять, что же такое физика на самом деле, какое место она реально занимает в нашей жизни и где ее в этой жизни искать, надо уточнить «географию» поиска. Чаще всего рядом со словом «физика» всплывает слово «наука». От этого слова так и тянет чем-то далеким и заоблачным. Большинство граждан представляет себе связанных с наукой людей как все тех же рассеянных очкариков в белых халатах, практически исключительно – мужчин, от которых постоянно уходят жены, поскольку эти очкарики не от мира сего и ни на что, кроме этой своей науки, не пригодны. Они все время открывают что-то такое, которого никто и не закрывал. И денег за это получают мало. Или совсем не получают. Не спят ночами, мучительно исписывают кипы бумаги какими-то закорючками или сутками сидят, уставившись в монитор компьютера, испещренный теми же закорючками. Порой некоторые из них все же за что-то получают огромные премии, и тогда уже навечно уходят в своих белых халатах в бесконечные коридоры академических институтов и – страшно сказать – коллайдеров. Наук, которыми занимаются эти люди, великое множество – одни изучают мошек, другие – атомы, третьи – мозги. Все это – за счет налогоплательщиков, которым совершенно не нужны мошки, атомы и, особенно, мозги. И вот среди всей этой братии самые непонятные – физики. Что же они делают в своих лабораториях? Занимаются наукой? Которой? Как именно? Зачем? Одни вопросы. Уж очень раздражают физики нормальную общественность самим своим существованием и уж, подавно, еще и навязываемой по их милости необходимостью изучения этой нормальной общественностью того, что они натворили.
   Для того чтобы разобраться в физике и с физиками, воспользуемся простой метафорой. Как только мы сталкиваемся с каким угодно заинтересовавшим нас явлением, из нашего сознания к этому явлению протягиваются незримые ручки, которые его тщательно «ощупывают» с помощью настоящих рук, если надо – оснащенных приборами и инструментами. Незримые ручки, протянувшиеся из нашего мозга, работают, не покладая себя, до тех пор, пока каждая из них не придет к результату, за который она отвечает. Так, одна ручка определяет возраст найденного, другая – твердость, третья – форму и так далее. Составляется описание граней исследуемого явления. Естественно, для составления представления о явлении в целом, добычу всех поработавших ручек необходимо сложить в одну (!) коробку. И не просто сложить, а расположить по ячейкам, связанным между собой надежно установленными связями. Вот теперь коробка опечатывается, чтобы в нее не проникли бездумные шаловливые настоящие ручонки желающих поиграть или поживиться, и отправляется на склад. Этот склад называется «наука», и затребовать с его полки нужную коробку всегда можно. Правда, при условии, что знаем, где эта полка находится, то есть знаем и помним, куда мы эту коробку положили.
   Таким образом, даже на уровне метафоры понятно, что мы имеем дело с двумя совершенно разными феноменами, хотя и тесно связанными друг с другом. А именно – с наукой и научной работой.

2.1. Что такое наука

   Прежде всего необходимо выяснить, что такое наука, которой почтительно боится нормальный обыватель. Ведь, по слухам, с ней не поспоришь, а этого мы не любим. Для понимания сущности науки надо кое-что разложить в голове по полочкам. Начнем с элемента (от латинского elementum – первоначальное вещество). Во всех развитых языках под элементом традиционно понимается «составная часть сложного целого». Различные элементы, сваленные в кучу («купу», как и сейчас говорят в Украине и Белоруссии), образуют то, что в славянских языках называется «совокупностью». Но если эти элементы взаимодействуют между собой, причем такая совокупность в целом приобретает свойства, не присущие ни одному из элементов, мы имеем дело с системой. То есть: системой называется совокупность взаимодействующих элементов, каждый из которых не обладает свойствами системы в целом, но является ее неотъемлемой частью.
   То, что так старательно добывали незримые ручки, скорее всего – «сведения»: это еще надо сводить воедино и упаковывать в одну коробку. А упаковываем мы организованно и направленно, тщательно устанавливая связи между элементами, фиксируя эти связи определенным расположением добытого в ячейках. То есть приводя добытые элементы – сведения о явлении – в систему, систематизируя их. Вот в итоге и поступает на склад изящная компактная коробка с ячейками формы, удобной для укладывания и доставания элементов. Эта коробка – знание о явлении, соответствующее сегодняшнему уровню исследовательских возможностей, то есть ловкости и оснащенности незримых и зримых ручек. Познавательная деятельность – это совокупность процессов, процедур и методов, которыми пользуется для добывания сведений и формирования знания человек с его управляющим центром – мозгом – и периферийными устройствами и возможностями. Знание, находящееся в научном хранилище, является жестким, надежным и уже отделено от того, кто его получил. Таким образом, знаниемназывается форма существования систематизированных результатов познавательной деятельности человека. Если принять во внимание, что информация – это процесс или результат преобразования явлений реального мира в явления виртуального мира нашего сознания, то становится очевидным информационно-модельный характер системы и определенных на ней операций.
   В основе познавательной деятельности человека лежит потребность познавать мир, обусловленная необходимостью адекватных реакций на возникающие в нем ситуации. То есть необходимостью выживания. Форма проявления познавательной потребности – обращение внимания человека на возможно важные для его существования явления – называется интересом. В процессе эволюции человек очень далеко ушел от своего первобытного предка, став существом социальным, видящим мир широко – и в пространстве, и во времени. Человеку надо есть, чтобы жить сейчас, и он обращает внимание на генетические особенности продуктов питания. Человеку надо размножаться, и он обращает внимание на психологические особенности представителей противоположного пола. Человеку все равно придется через какие-нибудь три-четыре миллиарда лет покинуть насиженное в космосе около своей звезды место, чтобы выжить, и он уже сейчас обращает внимание на природу других звезд и пути к ним. Много у человека интересов. Если он – человек, разумеется. Каждое проявление каждого из интересов человека приводит к выделению им из окружающего мира или своего внутреннего мира (а в конечном счете – из потока своего сознания) определенного явления. Затем человек исследует это явление в процессе познавательной деятельности. Далее, используя свою социальность, то есть связи с другими людьми, заинтересованными в этом явлении и исследующими его, человек формирует знание о нем. Строго говоря, когда речь заходит о знании, оно формируется уже не человеком, а людьми. То есть отчуждается от конкретных человеков и начинает жить своей собственной, нелюдской, жизнью.
   Знаний получается в итоге много, и касаются они практически всего, с чем сталкивается человек. Всего – это мира, окружающего человека, и внутреннего мира, который человек формирует в себе и несет по жизни. Каждое из этих знаний во времени развивается, углубляясь и уточняясь. В коробках на складе появляются новые ячейки, новые связи. Для того чтобы быть полезными человеку, да и для того чтобы их было можно в нужный момент отыскать и восстановить, все надежно установленные, проверенные и систематизированные знания, хранящиеся на складе, должны быть объединены в систему. В совершенно нелюдскую систему, не зависящую от чьих-либо сиюминутных настроений и состояний. Вот такой получается роботизированный склад, чуждый эмоций и чувств, в котором можно найти и построить все, что может понадобиться Человеку.
   Итак, мы пришли к тому, что наукой называется система постоянно развивающихся знаний о реальном окружающем мире и внутреннем мире человека. В одном фантастическом фильме от человекоподобного робота остался только титановый скелет, неотвратимо преследующий свою цель. Это ассоциативно вполне увязывается с представлением о науке. Ее нельзя остановить. Ей невозможно противостоять. Ей все равно, кто каждый из нас и что мы о ней думаем. Ее надо понимать и уважительно ею пользоваться. Она может впадать в спячку за ненужностью в данный момент, она может уйти в другое место, если в ее доме поселились шарлатаны или расположилось учреждение для людей с задержкой умственного развития. Но убить ее нельзя. Даже вместе с человечеством. Был бы добротный Склад. Прилетят инопланетяне и реанимируют, присоединив к своей науке. Вот такая оптимистичная картина складывается в историческом развитии науки.
   Говорят, что у науки много функций. Отсюда, как правило, вытекает много заблуждений и ошибок. Базовая, главная, исходная функция у науки только одна – описательная. Наука стремится в конечном счете надежно и ясно описывать мир. В конечном счете – потому что в познавательном процессе это стремление пробивается через трудности инструментального характера и индивидуально-личностные особенности модельных толкований наблюдаемых явлений. Объяснять ясное – бессмыслица, поэтому наука ничего не объясняет. Объяснять может человек, пользуясь достижениями науки и ее языком. Описание не есть материальное производство. Поэтому наука не может быть непосредственной производительной силой, как это взбрело в безграмотные головы советских руководителей в прошлом веке, что существенно затормозило развитие науки. Для этого есть другие, не менее важные и уважаемые виды человеческой деятельности, пользующиеся результатами науки, но ею не являющиеся. К ним относятся, например, педагогика, инженерия и медицина. Наука не может быть что-то кому-то должна – она не банк и не заемщик. Ознакомление с чем-либо – это всегда задавание вопросов и получение ответов на них. Мы можем пользоваться созданными наукой описаниями мира, задавая ей вопросы и получая ответы на уровне и в рамках этих описаний. Ну и, разумеется, можем сами пополнять науку, участвуя в создании таких описаний.
   Науку нельзя «популяризировать» – ни методы, ни результаты. Их можно только транслировать, то есть передавать инструментальными средствами науки, используя уровни научного описания, доступные адресатам. Ведь сущность научного подхода заключается в создании модели, адекватной рассматриваемой ситуации, в том числе – модели математической. Образное представление модели явления в принципе одинаково для любого уровня ее рассмотрения. И, соответственно, для любого субъекта рассмотрения. А знаковое описание модели носит выраженно уровневый характер: для разных уровней описания одного и того же явления (например, для грубой оценки и точного расчета) в рамках одной и той же модели могут привлекаться вообще разные знаковые системы (например, разные разделы математики). При этом степень научности разноуровневых описаний одной и той же модели явления в принципе одинакова. Впоследствии мы еще не раз вернемся к этому тезису.
   Из всего сказанного следует, что наука принципиально адекватна. Прежде всего, эта адекватность определяется необходимостью осознанного формирования научной модели, которая просто не может быть неадекватной для определенного уровня рассмотрения явления. По определению, ввиду требования ее простоты. Именно уровень рассмотрения, заданный, в конечном счете, сиюминутным интересом, определяет границу адекватности модели и, следовательно, границу ее применимости. Указывая, называя и описывая существенные для интересующей нас задачи стороны явления, то есть формируя его модель, мы в любой отрасли науки, прежде всего, обязаны пользоваться в принципе точным понятийным аппаратом, обеспечивающим адекватность отражения рассматриваемой грани явления. На этом фоне описание моделей причинно-следственных связей между моделями явлений является также принципиально адекватным. Это касается как образного, так и знакового описаний, которые, несомненно, тесно связаны между собой. В конечном итоге, единственным универсальным средством описания любого явления служит математика – в любом из своих обличий, в том числе – представленная любой знаковой системой в виде языка. Таким образом, все отрасли науки точны в смысле требования адекватности модельных представлений явлений. Просто для описания более сложных явлений, например, психологических, требуются и более сложные разделы математики, возможно, пока еще и не разработанные. Во всяком случае, научный работник, изучающий эти психологические явления, если он является таковым, должен владеть математическим аппаратом лучше, чем физик-теоретик, имеющий дело с наиболее простыми и, чаще всего, наглядными моделями. Так что рассуждения и даже упоминания о точных и неточных отраслях науки (тем более – о «науках») являются проявлением дилетантизма и непонимания сущности феномена науки.

2.2. Что такое научная работа

   Не всякая познавательная деятельность научна. Ее научность определяется тем, выдерживает ли осмысление результатов исследований проверку принципами теории познания (см., например, [2]). Проверяются результаты – познавательной деятельности в целом и отдельных ее этапов. Последовательность этих этапов обусловлена особенностями научного продуктивного мышления [6, 8], сложившимися в процессе филетической эволюции человека [5]. Такая последовательность определяет структуру научного познания как процесса, и потому ее соблюдение в ходе исследования также нуждается в систематической проверке. На этом проверки на научность (то есть на соответствие науке) заканчиваются. Остается индивидуально-личностная и коллективная познавательная деятельность в рамках заданных требованием научности структур. Это есть не что иное, как научная работа.
   Научная работа представляет собой совместное решение совокупности задач, обеспечивающее достижение поставленной познавательной цели. Поэтому она включает в себя множество действий, порой не имеющих непосредственного отношения к рассматриваемому явлению, но каждое из этих действий осуществляется в соответствии с алгоритмическим принципом решения задачи [6, 9].
   Самым первым и самым важным шагом решения всякой задачи и, тем более, научной, является ее эмоциональное присвоение. Исходя из представления об эмоции, к эмоциональному присвоению можно побудить, но его нельзя транслировать в конкретике. Людьми, ввиду их индивидуальности, просто не могут быть присвоены эмоции других людей. Могут быть осмыслены и поняты в каких-то своих представлениях, а затем – приняты во внимание. Но не приняты на уровне восприятий и представлений адресантов. Они – чужие. Очень хорошо помню, как во время моей учебы на третьем курсе университета замечательный теоретик в области теории симметрии профессор кафедры физики кристаллов Владимир Александрович Копцик предпринимал попытку такого побуждения к эмоциональному восприятию явления. Он с энтузиазмом и восхищением зачитывал нам фрагмент повести американского писателя Чарльза Сноу «Поиски». В этом фрагменте описывались красота выросших в лаборатории кристаллов и увлекательность наблюдения процесса этого роста. Из всей студенческой группы ростом кристаллов уже в те времена (впоследствии – существенную часть жизни) занимался один я. Потому я мог разделять эмоциональный настрой автора, но не более того. Те объекты, о которых писал он, были мне достаточно чужды – я был заинтересован кристаллизацией других веществ. И все же мне было интересно, и я не чувствовал себя одиноким в своих интересах. Но я смотрел на лица студентов группы и уже тогда понимал, что этот педагогический пассаж Владимира Александровича если и задевал еще кого-нибудь, то уж совсем ассоциативно – поэтичностью языка, энтузиазмом преподавателя, да и просто соответствием описываемой в лаборатории обстановки осенней погоде за окном аудитории. Поэтому то, чем занимался в данном случае профессор, не имело отношения к науке – это был призыв к пониманию очарования научной работы. Но самому очарованию невозможно научить. И учить в строгом смысле слова нельзя – настолько оно у всех разное (если присутствует вообще).
   Гораздо позже, уже в процессе функционирования собственной научной школы, занимавшейся физикой роста кристаллов, различие между наукой и научной работой, связанное с эмоциональным восприятием собственной деятельности, становилось для меня все очевиднее.
   На растущей из расплава поверхности кристалла образовывалась зеркальная грань. Это описывалось хорошо известной простейшей моделью, в которой по растущей гладкой поверхности кристалла двигалась ступенька высотой в один атом. Двигалась она за счет присоединения к ступеньке новых атомов из расплава. На самом деле, разумеется, все гораздо сложнее, особенно при росте кристаллов из расплава. В этой простейшей модели теоретики Бартон, Кабрера и Франк [1] рассчитали, а экспериментаторы неоднократно и надежно показали, что для определенного механизма порождения ступени скорость роста кристалла вдоль нормали к поверхности при этом пропорциональна квадрату переохлаждения расплава вблизи поверхности кристалла. Переохлаждение – это такое (обычно весьма незначительное) понижение температуры расплава, при котором вещество уже должно перейти в твердое состояние. Вместе с образной моделью, такая зависимость,

   является научным результатом, относится к науке, и я с моими сотрудниками был этому обучен, это было нам транслировано – преподавателями и научной литературой. И, если будет нужно, еще не раз транслирую это с вполне однозначным результатом (иначе просто не приму экзамен).
   Но вот ряд наблюдений за процессом роста кристаллов веществ, которые были объектами наших исследований, показал, что эти кристаллы, возможно, растут в соответствии с другим законом. Более сложное, чем в модели Бартона, Кабреры и Франка, атомное строение этих кристаллов позволило предположить, что в простейшей модели структура ступеньки на растущей поверхности будет несколько иной, а потому и закон может иметь иной вид для этого частного случая. Это никак не противоречит научности, адекватности и точности предыдущего модельного описания. А дальше – на установление конкретного вида этого закона ушло больше года напряженной работы группы сотрудников. Кристаллы растут достаточно медленно, и процесс в нашем случае тянулся от суток до недели. И все это время – непрерывное наблюдение за процессом, его обеспечение, контроль и управление, с которыми не может безнадзорно справиться никакая автоматика. Это захватывает, но изматывает. Но вот процесс закончен, и кристалл, добытый из недр установки, лежит на столе, и мы любуемся им. И вот уже один доцент позвякивает возле сейфа с веществами какой-то посудой, а его аспирант бежит в институтский буфет за сосисками с горошком. В нарушение всех правил внутреннего распорядка мы садимся за один из лабораторных столов и в процессе такого вот мини-банкета делимся впечатлениями, вспоминаем грустные и смешные истории, происходившие в процессе эксперимента, говорим, что недопустимо вот так выматываться и договариваемся, когда будем выматываться в следующий раз и что к этому надо подготовить. Затем, усталые, но счастливые, расходимся по домам – к семьям, ваннам, вкусным ужинам и вообще нормальной жизни. Все, что здесь было описано – научная работа. Этому невозможно научить. Более того – нельзя учить. Не буду я учить студентов и аспирантов разводить спирт – этому уже научил Менделеев. Не буду учить нарушать правила внутреннего распорядка учреждения и здорового образа жизни. Но научная работа, в отличие от науки, имеет человеческое лицо, и не только лицо. Она просто человечна. Наука себе этого позволить не может.
   В результате примерно года такой упорной работы, выращивания в разных условиях исследуемых кристаллов и их изучения мы установили, что закон послойного роста для них и вообще для большой группы веществ другой, новый,

   Таким образом, был установлен новый, четвертый после трех установленных Бартоном, Кабрерой и Франком [1] законов роста кристаллов – закон «дислокационного роста кристаллов с малым числом изломов на ступени». Этот закон был описан в соответствующем научном издании [7] и является научным результатом проведенной работы, то есть относится к науке. В процессе установления закона условия и результаты экспериментов все время проверялись на соответствие научности. Таким образом, установленный закон и условия его установления могут быть транслированы средствами науки с целью возможного использования этих данных другими исследователями. Но все это будет существовать уже в отрыве от нас, и у этого результата не будет человеческой «привязки», как нет у него и человеческого лица с эмоциональными выражениями.
   Чрезвычайно важным шагом решения задачи, в том числе – исследовательской, является установление закона, в соответствии с которым эта задача будет решаться. Здесь следует понимать, что частным случаем установления закона для решения задачи, во-первых, является обоснованный выбор нужного закона из числа уже известных, понимаемых на уровне присвоения процедуры их установления в режиме виртуального сотрудничества с авторами. Во-вторых – сама исследовательская задача может быть задачей по установлению закона. В обоих этих частных случаях речь идет либо об очередной проверке адекватности известной модели, описывающей лежащее в основе постановки задачи наблюдаемое явление, либо о констатации неадекватности такой модели, что является стимулом к формированию новой, адекватной модели для расширенного круга родственных явлений или для углубленного понимания сущности ранее уже изучавшегося явления. Установлению законов (следовательно, пониманию процесса и результата их установления другими исследователями) можно обучить [6], поскольку это научный подход, это наука. И надо в интересующей нас области знать законы, которые уже существуют для адекватных моделей, чтобы не изобретать без надобности велосипед. Но конкретный выбор конкретного закона (или его установление) для решения конкретной задачи – индивидуально-личностное дело каждого исследователя. Так, при решении описанной выше задачи из области роста кристаллов был выбран уже разработанный модельный подход [1]. Но мы могли пойти и по другим направлениям развития таких подходов – как уже существующим, так и подлежащим созданию заново. Просто это был наш выбор, осознанный, но осознанный на основе чрезвычайно многофакторного анализа ситуации, который, чаще всего, не может быть адекватно и, тем более, однозначно, описан. Следовательно, и научить этому выбору нельзя. Попытка такого обучения может отвратить исследователей (тем более – будущих) от установления собственных законов в случае необходимости решения оригинальных задач. В таком случае исследователи будут пользоваться исключительно готовыми чужими моделями, не порождая нового научного знания [6, С. 141].
   Еще один важный шаг решения задачи – нахождение (не поиск, а нахождение!) средств, методов, возможностей, не включенных изначально в условие задачи, но совершенно необходимых при реализации выбранного для решения закона. Или для его установления и последующей реализации. Вот здесь, в этом шаге исследовательской деятельности, и разворачивается научная работа в полный рост. Здесь и не пахнет наукой – сплошные опыт, интуиция, пробы и ошибки. Великие экспериментаторы уровня Петра Леонидовича Капицы и Роберта Вильямса Вуда вовсе ничего не открывали и ничем не озарялись. Просто в каждом из исследований у них была цель, к которой они шли буквально напролом, не выбирая средств, а порождая их на ходу по мере необходимости. Так, Петру Леонидовичу Капице для экспериментального исследования свойств жидкого гелия понадобились тончайшие кварцевые нити, которые оказалось невозможным получить обычным стеклодувным способом – растягиванием до необходимой толщины капли расплавленного кварцевого стекла. И тогда он взял длинную деревянную линейку и сделал из нее лук. Оплавил в пламени горелки конец палочки из кварцевого стекла до получения жидкой капли, вышел в институтский коридор, где, по счастью, никого не было, и выстрелил из лука этой палочкой как стрелой. И получил такие кварцевые нити, какие были ему нужны. И столько, сколько ему было нужно. Где здесь наука? Скорее всего, это вообще делалось на уровне практического мышления [4], результаты которого сразу реализуются в практической деятельности, минуя стадию осознания и осмысления. Можно ли этому научить? Конечно же, нельзя. Во-первых, в рамках практического мышления обучение невозможно или, по крайней мере, чрезвычайно затруднительно (хотя об этом постоянно забывает современная педагогика). Во-вторых, это все было с П. Л. Капицей. А нам в нашем следующем эксперименте понадобится что-нибудь другое. И лук с кварцевой палочкой уже не помогут. Хотя на складе инструментов научного исследования (в данном случае – физического) есть полка, занесенная в каталог, на которой лежит этот способ получения кварцевых нитей. На все мыслимые и, главное, немыслимые случаи обучения не напасешься. Самим надо думать. Не о науке, а о том, как ее делать. То есть о научной работе. В которой необходимо уметь пользоваться справочниками и каталогами. Этому пользованию можно научить на уровне обучения поиску по ключевым словам. Но это – не наука.
   В описанной выше работе над изучением процесса роста кристаллов принимал участие сотрудник, без которого многого не удалось бы сделать – Олег Павлович Шепатковский. Физик по образованию, он понимал обсуждаемые модели, но сам не предлагал. Понимал математические выводы, но сам не написал ни одного математического выражения. Его критические замечания в этих областях были, чаще всего, полезны. Но в том, что касалось приготовления образцов для исследований, ему не было равных. Глубоко понимая сущность проводимых исследований, Олег Павлович, в частности, разрабатывал и изготавливал станки и устройства – отрезные, шлифовальные, полировальные. Механические, электроэрозионные, ультразвуковые, электрохимические. Станки не только обеспечивали нужды наших лабораторий, но и сериями расходились по стране, принося славу, связи и деньги. Это научная работа? Несомненно, да! И человек, занимавшийся ею – блестящий научный работник. Это наука? Несомненно, нет! И трансляция умений принимать гениальные решения в процессе организации и проведения научной работы принципиально невозможна. Нахождение недостающего для решения исследовательской задачи, как основы построения науки, остается и всегда будет оставаться уникальным, прецедентным проявлением индивидуально-личностной особенности конкретного человека, занимающегося научной работой. Однако сборник таких прецедентов должен существовать, и научные работники должны уметь им пользоваться. Этому пользованию, как уже выше было сказано, можно научить. Но это – не наука.
   И еще один аспект научной работы, без которого построение науки невозможно, но который заведомо наукой не является. Это собственно процесс сборки результатов научной работы через их систематизацию – в научное знание, то есть в науку. Сюда относятся, в частности, руководство научными исследованиями – с одной стороны, и управление научной работой – с другой. Руководство научными исследованиями предполагает глубокое научное понимание происходящего в данной области действительности. Постановка задачи исследования, планирование ее решения, обработка и систематизация результатов, представление мировому сообществу научного результата – это организация науки. Эта организация должна быть жестко стандартизирована на цивилизационном уровне. Кадровое, финансовое и материальное обеспечение выполнения поставленной задачи, контроль хода процесса этого выполнения, отчетность по результатам контроля – это организация научной работы. Данный вид деятельности не требует глубокого научного понимания, однако в нем необходимы четкая исполнительская структура и обеспечение взаимодействия с другими ветвями и направлениями деятельности (не обязательно научной).
   Организация науки регулируется потребностью общества в научном знании и осуществляется научными работниками, способными к порождению нового научного знания. Как правило, это – люди, которые ориентированы именно на получение научного результата, достигающие или уже достигшие успеха в решении хотя бы одной из научных задач. И пожизненно остаются ориентированными подобным образом. Именно таковы были те, кто вошел в нашу память и наши представления как великие научные работники. Архимед, Грегор Иоганн Мендель, Исаак Ньютон, Дмитрий Иванович Менделеев, Николай Иванович Вавилов, Александр Михайлович Прохоров… Эти люди порой окутаны флером чудачества, удаленности от «практической» жизни. Они жили и умирали ради получения научного результата и хорошо понимали, что не имеет значения – будет ли написана их фамилия на коробке, лежащей на складе науки. Мы изучаем их результаты, чтобы понять, что же такое наука и как она устроена.
   Организация научной работы регулируется заинтересованностью общества в практическом приложении научного знания к удовлетворению его материальных, интеллектуальных и эмоциональных потребностей. Организаторами и управленцами в этой сфере деятельности на верхних уровнях общественных и государственных интересов становятся, как правило, люди, отличающиеся волевыми качествами в сочетании с амбициями. Выдающимися примерами таких деятелей в области организации научной работы были руководитель Манхэттенского проекта генерал Лесли Гровс и руководитель советской ядерной программы того же времени Лаврентий Павлович Берия. Их трудно заподозрить в научном понимании сущности физических явлений, однако реакторы и бомбы были сделаны!
   Современное управление научной работой чаще лежит на биссектрисе угла, образованного этими двумя направлениями (организации науки и организации научной работы). Люди, тщеславно ожидавшие от себя великих научных свершений (чего не делают выдающиеся научные работники – они-то просто работают) и разочаровавшиеся ввиду непопадания в галерею портретов на стенах школьных учебных кабинетов, вполне осознанно уходят в управление научной работой. Там они могут потешить себя, в частности, близостью к этой самой «большой» науке. Именно эта категория людей не понимает, что «большой» и «малой» науки не бывает – наука либо есть, либо ее нет. Не следует забывать отношение к работам Альберта Эйнштейна в начале прошлого века – надо же ведь, какой ерундой занимался: то броуновским движением, то какими-то никому не нужными квантами, а то – вообще (прости, Господи!) относительностью, которая годилась разве что для анекдотов. В общем, «малой» наукой занимался Альберт Эйнштейн. И что из этого получилось? Шагу не может шагнуть без его результатов современная физика, да и не только физика. Но вернемся к «несостоявшимся большим ученым», как бы глупо этот термин ни звучал. Они в состоянии понимать научную сущность получаемых в данной области исследовательской деятельности результатов. Они в состоянии распределять потоки необходимых средств проведения научной работы. Они не могут породить принципиально нового научного знания в области своей декларируемой специальности, но зато теперь, приступив к руководству научной работой, они могут совершенно честно страдать от того, что чрезвычайная загруженность (и это – правда!), и только она не оставляет времени для научного подвига, который мог бы обессмертить их имена. Материальную удовлетворенность руководящая деятельность обеспечивает. Поэтому такие руководители вполне честно и бескорыстно страдают от недоступности занятия собственной научной работой ввиду чрезвычайной загруженности управленческими заботами. Как правило, такие управленцы добросовестно отрабатывают взятые на себя обязательства и потому заслуживают уважения как к их высокой научной и управленческой квалификации, так и к искренности высоких намерений. Такие люди нужны научной работе и, следовательно, в конечном итоге, науке. Они обучены науке, они знакомы с научной работой, которой обучить нельзя (можно только ознакомить с прецедентами). Без них современная наука, требующая колоссальных кадровых, финансовых и материальных вложений, а также организационных усилий, просто не может существовать и развиваться.
   Научные работники Михаил Борисович Пиотровский в его деятельности на посту директора Эрмитажа и Александр Михайлович Прохоров в его деятельности на посту президента Академии наук – организаторы науки. Выдающихся организаторов не науки, но научной работы, вышедших из среды научных работников уровня докторов наук, поименно называть неэтично. Они вполне заслужили доброй памяти как люди, внесшие вклад в науку – и пусть остаются таковыми. Но надо понимать, что за ними нет результатов, которым можно научить. В пределе – нельзя научить человека любой квалификации быть Лаврентием Павловичем Берия или Лесли Гровсом.
   И уж подавно научной работой является неустанная проверка научных результатов, тех, которые надежно упакованы и лежат на складе науки. Речь идет, в частности, о границах применимости научных моделей явлений и, следовательно, о границах их непоколебимой адекватности. Кропотливая научная работа в том смысле, о котором мы так подробно говорили выше, позволяет выявить эти границы для того, чтобы наука могла шагнуть за них дальше, расширяя и углубляя наши представления о мире. Выявить – это научная работа, осознать и шагнуть вперед – наука. Честь одного и честь другого – равновелики. Но первое – это искусство умения, терпения и настойчивости, чему научить нельзя. Второе – проявление понимания, и научить ему можно.

2.3. Разделяй и властвуй

   Итак, наука и научная работа – принципиально разные феномены. Но неразрывно объединенные научно-познавательной деятельностью человека. Проблема заключается в том, что общество на уровне коллективного бессознательного [10] «догадывается» насчет необходимости научности представлений о мире для своего выживания, то есть именно такие представления являются жизненно важными архетипами. Однако эти две грани неразрывного единства противоположны в сущности своей. Одна из них, наука, является результатом коллективной познавательной деятельности человечества. Поэтому она отличается надежностью, обобщенным характером понимания сущности наблюдаемых явлений, общедоступностью и принципиальной возможностью взаимопонимания людей в описании этих явлений. Последнее, в свою очередь, делает возможной трансляцию научных знаний, то есть, в конечном счете, науки в целом.
   В отличие от этого научная работа, как было показано выше, является сугубо индивидуально-личностной формой деятельности. К тому же в отдельных своих аспектах – не всегда познавательной. Несомненно, опыт научной работы чрезвычайно ценен, но он в большинстве случаев связан с исследованием лишь конкретных явлений. Требуется репродуктивное ознакомление с большим объемом прецедентов или с большим числом деталей конкретного прецедента научной работы для того, чтобы соответствующий ее прием сам стал элементом научного знания.
   Примерами в физике могут служить описания исследований Шарля Огюстена Кулона и Генри Кавендиша. Для измерения зарядов взаимодействующих тел Кулону пришлось сделать множество совершенно одинаковых сферических тел из сердцевины побегов бузины. Одинаковых – это значит заведомо имеющих одинаковые электрические свойства. Современному исследователю страшно даже подумать о потребовавшемся для этого адском труде методами того времени. Казалось бы, результаты этого труда были нужны только для исследования электростатического взаимодействия тел. Однако аналогичную работу пришлось, в частности, проделать Кавендишу с металлическими сферами при исследовании явления гравитации. Только здесь речь шла о гравитационных свойствах тел. На первый взгляд, эти фрагменты научной работы представляются разрозненными и чисто технологическими. Но, в сочетании с прецедентами других подобных опытов, они приводят к научному пониманию процедуры введения в физике меры определенного свойства тела через проявление этого свойства во взаимодействиях совершенно одинаковых тел.
   В 1784 году Кулон использовал крутильные весы при исследовании электростатического взаимодействия тел для того, чтобы исключить в этом исследовании влияние притяжения тел Землей. Неясно, не сделал ли это раньше Кавендиш. Но вот в 1798 году уж точно Кавендиш воспользовался такими весами для измерения средней плотности Земли. И теперь крутильные весы прочно вошли в арсенал экспериментальной физики. Науке безразлично, при помощи каких весов получен удовлетворяющий ее требованиям результат. Но найденное в результате научной работы удачное аппаратурное решение привело к созданию достаточно универсального прибора, который может быть использован в широком круге физических экспериментов. Например, при исследовании Петром Леонидовичем Капицей сверхтекучести жидкого гелия [3].
   Таким образом, результаты собственно научной работы, будучи освоенными и систематизированными, становятся устойчивой составляющей инструментария научного подхода к исследованию явлений. Это, как ни парадоксально, создает принципиальную возможность в цивилизационно необходимой трансляции такого подхода выделять из нетранслируемого множества прецедентов научной работы инструментально оформившиеся философские и аппаратурные методы, ставшие неотъемлемой частью научно-познавательной деятельности, обеспечивающие обоснование смысла и надежности транслируемых научных результатов. И потому являющиеся частью научного знания, частью науки.
   Но в таком случае передача деталей указанных методов должна быть строгой и достоверной, иначе репродуктивно транслируемые научные результаты будут восприниматься как необоснованные и потому не подлежащие присвоению и усвоению. Негативным примером могут служить нелепые иллюстрации экспериментов в современных школьных учебниках физики.
   Соотношение науки и научной работы может быть проиллюстрировано следующей схемой.

   Рис. 2.1. Схема, иллюстрирующая взаимосвязь науки и научной работы

   Итак, подведем итоги.
   1. Научное знание отчуждено от своих создателей, неэмоционально и безлико. Именно поэтому возможна его трансляция, порождающая однозначное взаимопонимание субъектов познавательной деятельности и возможность практического приложения научного знания к реализации социально значимых процессов.
   2. Научная работа является глубоко индивидуально-личностной и потому принципиально субъективно окрашенной формой познавательной деятельности. В связи с этим ее сущность и детали, в том числе – мотивационный аспект, не могут быть переданы в процессе обучения. Более того, такие попытки могут привести к психологическому блокированию у обучающихся инициативных и творческих подходов к научной работе.
   3. Разработанные в процессе научно-познавательной деятельности, инструментально оформившиеся в результате научного обобщения прецедентов философские и аппаратурные методы, приемы и способы могут сами стать элементами научного знания и, соответственно, предметами изучения и обучения.
   4. Обобщенная человечеством вплоть до отчуждения от человеческого и, тем более, от конкретных проявлений конкретного человека наука с ее научными результатами и глубоко человеческая и человечная научная работа совершенно равноценны и равнопочетны в деятельностных проявлениях. Они неразрывно связаны, и эта связь может быть реализована в деятельности как одного человека, так и разных людей, в том числе – их групп.
   Возвращение обществу физики как элемента общечеловеческой культуры возможно только путем трансляции этому обществу ее научной сущности. Ввиду принципиальной простоты физических моделей именно физика в системе образования и вообще в представлениях людей является важнейшим носителем структуры научного мышления и научно-познавательной деятельности. Поэтому, рассмотрев далее природу и содержание этой структуры, мы перейдем к рассмотрению ее реализации именно в физике.

Литература к главе 2

   1. Бартон, В. Рост кристаллов и равновесная структура их поверхностей [Текст] / В. Бартон, Н. Кабрера, Ф. Франк // Элементарные процессы роста кристаллов. – М.: Мир, 1959. – С. 11—109.
   2. Илларионов, С. В. Теория познания и философия науки [Текст] монография / С. В. Илларионов. – М.: «Российская политическая энциклопедия» (РОССПЭН), 2007. – 535 с.
   3. Капица, П. Л. Эксперимент, теория, практика [Текст] / П. Л. Капица. – М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы. – 1981. – 496 с.
   4. Маклаков, А. Г. Общая психология [Текст]. Учебник / А. Г. Маклаков. – СПб.: Издательство «Питер», 2001. – 592 с.
   5. Новоженов, Ю. И. Филетическая эволюция человека [Текст] / Ю. И. Новоженов. – Екатеринбург, 2005. – 112 с.
   6. Фролов, А. А. Технология интеллектуального образования [Текст] монография / А. А. Фролов. – Екатеринбург: Издательство «Раритет», 2015. – 180 с.
   7. Фролов, А. А. Огранение кристаллов силицидов и германидов при выращивании из расплава [Текст] / А. А. Фролов // Рост кристаллов, том 17. – М.: Наука, 1989. С. 216—237.
   8. Фролов, А. А. Соотношение алгоритмизации и эвристики при формировании и трансляции научного знания [Текст] / А. А. Фролов, Ю. Н. Фролова // Образование и наука. – 2007. – №5 (47). – С. 11—21.
   9. Фролов, А. А. Язык, закон, задача в курсе физики средней школы [Текст]: учебно-методическое пособие для учителей и учащихся старших классов / А. А. Фролов. – Екатеринбург: Банк культурной информации, 2003. – 96 с.
   10. Юнг, К. Г. Архетип и символ [Текст] / К. Г. Юнг. – М.: Ренессанс, 1991. – 304 с.

Глава 3. Алгоритмическая структура научного мышления

   На стенах школьных кабинетов физики и вузовских аудиторий висят портреты людей, чаще всего пожилых, в буклях или стоячих воротничках. Ну, иногда – в тогах. Они сурово взирают на обучающихся. Они – великие. Что-то там открыли, и теперь остальные почему-то должны это учить. Прямо-таки наизусть, потому что остальным не дано открывать и быть великими. Эта избранность всегда меня смущала. Что же такое было в головах у великих, если они с такой легкостью открывали невидимые дверцы и доставали оттуда величины, законы и решения? К университету непонимание стало нестерпимым. Появились первые подозрения, что не в одной физике чудят такие загадочные личности. И что, наверное, есть что-то общее в ходе их мыслей. Тем более, что некоторые из «открывателей» много чего понатворили в разных отраслях науки. Похоже, вся наука устроена определенным образом и имеет структуру, отраженную в способе мышления. Или какой-то определенный способ мышления отражается в структуре научного знания и метода его формирования. Но тогда возникает крамольная мысль: значит, эту структуру можно выяснить и, пользуясь ею, совершать научные подвиги не хуже великих. Вот и займемся выяснением.
   Во второй главе книги мы пришли к тому, что наукой называется система постоянно развивающихся знаний о реальном окружающем мире и внутреннем мире человека. Для того, чтобы знания постоянно развивались, необходимо, чтобы и они сами, и способы их добывания, обработки и практического применения становились достоянием всего общества, то есть всей человеческой популяции. Здесь необходимо напомнить, что знания есть следствие познавательной деятельности человека именно в популяционном смысле, на популяционном уровне. В какой-то мере аналогом этой ситуации была история развития хоккея в нашей стране. В хоккей играли все – от мала до велика, во дворах и на стадионах – кто с фирменной клюшкой, кто с выломанной в сквере изогнутой палкой. И сборная страны стала знаменитой, великой, непревзойденной «Красной машиной». Сейчас же играют только избранные и только в приличных секциях – мастера есть, а машины нет. Одни велосипеды. Уровень задан, а развивать некому. Вот и ждите, Демокрит с Левкиппом, прихода Ломоносова… сотни лет. Знание распределено в обществе, рабовладельческое оно или коммунистическое. Только характер распределения разный, а природа – одна.
   Следовательно, перед обществом возникли как минимум две задачи. Во-первых – решить, что именно нужно транслировать на все человечество в первую очередь. Человечество решает эту задачу на уровне коллективного бессознательного, путем больших и малых проб и ошибок, совершаемых отдельными людьми или какими-то группировками. Чем мельче становятся со временем пробы и ошибки, тем точнее мы узнаем, что транслировать. Хотя узнаем порою с опозданием и очень дорогой ценой. Во-вторых – обществу необходимо решить, какими средствами и способами знание транслировать. С тем, чтобы обеспечить результат популяционного масштаба.
   В решении этих задач чрезвычайно важную роль играет наличие у науки уже упомянутой структуры, отражающей структуру научно-познавательного мышления и вообще научно-познавательной деятельности. Чем четче проявляется структурированность знания, тем более оно готово к трансляции и тем приоритетнее для нее. Поэтому для обсуждения физики как отрасли науки, в которой наиболее ярко проявляются простота и красота научного подхода к видению мира, необходимо представить и понять исторически сложившуюся последовательность этапов такой деятельности. То есть как она складывалась, почему сложилась в современном виде и что это за вид. Конечно, на математическом или, по крайней мере, математизированном уровне понимания. Так уж надежнее и технологически воспроизводимее. В сущности, основой любой адекватной трансляции может быть только математика того или иного уровня сложности. Здесь имеется в виду принцип, сформулированный мне в ходе коррекционных занятий одним учащимся шестого класса: «Математика – это язык, язык – это математика». С этим трудно не согласиться. Однако надо отметить, что если первое утверждение, дословно повторяющее высказанное Ф. Бэконом, несколько метафорично, то второе, обратное, надо понимать буквально. Возникновение знаковых систем в процессе построения движений [2] в принципе математично, и это возникновение, по-видимому, можно рассматривать как один из первичных этапов собственно возникновения и развития математики. Вне зависимости от того, осознаем мы именно эти, первичные, этапы или не осознаем. Вырастающие из этого математические описания явлений разного уровня сложности могут приобретать различные конечные формы. В том числе – речевые. Необходимо понимать, что при серьезном научном анализе описания явлений, которые мы относим, например, к «гуманитарным», требуют математического обеспечения, несравнимо более сложного, нежели имеющегося, например, у физика-теоретика.
   Адекватная трансляция чего угодно вне языка как знакового средства общения между людьми невозможна. Таким образом, транслировать надо, в первую очередь, структуру научно-познавательной деятельности, причем на математически обеспеченном процессуальном уровне.
   С другой стороны, трансляция научного знания и средств его формирования имеет целью развитие у отдельных членов общества научно-познавательного мышления. И, как следствие, на статистическом уровне – становление у общества в целом научно-познавательного подхода к восприятию мира и его преобразованию. Это означает, что нам необходимо выявить конкретный вид современного представления о структуре процесса научно-познавательного мышления и понять динамику этого процесса. Корректное воспроизведение такой динамики должно обеспечить столь важную для нас трансляцию процессуальной структуры научно-познавательной деятельности. Следовательно, обеспечить обучение субъектов познавательной деятельности самостоятельному получению научного знания о мире, прежде всего – в области простейших модельных представлений о нем. То есть, математических и строящихся на их основе простейших представлений любых научных дисциплин. И, после математики, в первую очередь – физики как наиболее наглядной в отношении модельных представлений исследуемых явлений. В связи с этим необходимо понять, «как думает» физика и как должны думать физики, чтобы быть физиками.

3.1. Продуктивный характер научного мышления

   Под мышлением принято понимать процесс познавательной деятельности, при котором субъект оперирует различными понятиями, образами, ассоциациями, обобщая, классифицируя и структурируя их. В этом процессе познавания мира и трансляции людьми друг другу средств и результатов познавания мы в операциональных проявлениях сталкиваемся с двумя видами мышления.
   Практическое мышление – это «процесс мышления, совершающегося в ходе практической деятельности. В отличие от теоретического мышления, направленного на решение отвлеченных теоретических задач, опосредованно связанных с практикой, практическое мышление включено в решение практических задач» [4, С. 316]. В ходе такого процесса не ставится задача создания новых методологических средств, которые можно переносить в принципиально иные ситуации, в том числе – передавать другим людям.
   При реализации практического мышления в его чистом виде неопределенными (следовательно, неизмеримыми) и непередаваемыми (поскольку неизмеренными) оказываются его главные элементы: сам предмет трансляции; уровень и качество его понимания транслятором; восприятие и качество усвоения обучающимся. Блестящим примером практического мышления я считаю следующий. Однажды к воротам моей усадьбы (а я живу в лесу) подъехал на квадроцикле знакомый. Человек с недюжинной изобретательностью, предприниматель и носитель так часто упоминаемого ныне «инженерного мышления». То есть могущий самостоятельно построить вездеход или неузнаваемо модернизировать в нужном направлении какую-нибудь другую технику. И вот мы решили все наши дела, и я провожаю его к немолодому квадроциклу. А тот отказывается заводиться. Тогда товарищ запускает руку в недра двигателя, уставившись в пространство, некоторое время роется там, выдергивает какой-то проводок и, не глядя, кладет его в карман. Квадроцикл успешно заводится с первой попытки и радостно ревет. Пораженный, я спрашиваю: «Что это за проводок и почему ты его удалил?» И получаю ответ: «Не знаю… просто так надо было сделать».
   Представление о «продуктивности» мышления связано с получением в результате мыслительной деятельности определенного продукта, который может быть в дальнейшем осознанно преобразован и/или передан другим людям. Как, например, пакет молока. Продуктивное мышление обычно отождествляется с творческим – «связанным с решением проблем: новых, нестандартных для субъекта интеллектуальных задач» [4, С. 316]. Полагаю, что такое отождествление неверно: творческие решения характерны и для практического мышления, что проявляется, в частности, в деятельности политиков, государственных деятелей, полководцев [8]. А история с квадроциклом? Это ведь явно творчество! Кроме того, «творческих деятельностей просто не бывает. Известно, что в так называемых творческих профессиях есть как художники, так и ремесленники» [3, С. 191]. Данное высказывание Д. Б. Богоявленской явно направлено против деления мыслительной деятельности на творческую и нетворческую: мышление, как процесс создания моделей, в которых мы отражаем мир, уже в любом случае творчество. Поэтому продуктивное мышление отличается от практического возможностью передачи и процесса такого творчества и его результата другим мыслящим существам как продукта деятельности. Вне трансляции результат продуктивного мышления может маскироваться под результат практического. Если полководец помалкивает о том, как он пришел к решению, это не означает его практического мышления. А вот практическое под продуктивное не замаскируешь. Разве что в школьном образовании.
   Общий характер основ продуктивного мышления при всей индивидуальности его личностного содержания и проявлений безусловно обязывает к понятийному характеру трансляции. Трансляцию следует понимать как обсуждение с другими людьми (да и вообще мыслящими существами) процесса и результатов мышления индивидуального или коллективного субъекта этой деятельности и вытекающих отсюда практических действий. А согласно одному из возможных определений понятия – оно есть единица знания о наиболее общих, существенных и закономерных признаках явлений. Это означает необходимость понятийного обеспечения коммуникации субъектов мыслительной и, тем более, познавательной деятельности. Поскольку продуктивное мышление, при котором сама мысль является продуктом, опирается как на предметную деятельность (то есть на осуществление субъектом воздействий на материальные объекты в окружающем мире), так и на средства языка, понятийное мышление – это всегда осознанное вербализованное мышление. Согласно А. Р. Лурии [6, С. 310], операция продуктивного мышления сводится к тому, чтобы усвоить логическую систему, заключенную в речевом сообщении или в силлогизме, и чтобы сделать научный логический вывод, исходя из сформулированных в силлогизме отношений. Этот вывод «однозначно определяется алгоритмом (системой операций), заключенным в силлогизме». А воспроизводимое и транслируемое достижение выводов нужно для того, чтобы в конечном итоге надежно обеспечить адекватность практического взаимодействия с окружающим миром, традиционно называемого «предметной деятельностью».
   Творческое мышление не обязательно является понятийным. Продуктивное понятийно в обязательном порядке. Теоретическое мышление, являясь продуктивным, методологично в своей сущности. Эта методология лежит в основе любого научного исследования и, в первую очередь, физического. Последнее утверждение обосновывается уже отмеченной наглядностью физического мышления в отношении модельных представлений исследуемых явлений.
   Здесь нельзя не коснуться одного важного обстоятельства. Речь идет о соотношении практического и продуктивного мышления в интеллектуальной деятельности профессионального научного работника. Очень часто говорят о непонятности и непознаваемости путей, которыми научный работник приходит к «озарению». Во-первых, озарение – очень редкое явление, и если уж оно и проявляется, то исключительно в связи с выделением из мира, из потока сознания необычного явления. Или необычного выделения привычного явления. А дальше – кропотливая системная пошаговая работа без всяких озарений, являющаяся уделом успешных профессионалов. Например, Ньютона, без устали работавшего, погрузив ноги в таз с холодной водой. Во-вторых, «озарение» всегда касается лишь деталей какого-то из шагов осознанной познавательной деятельности. Как все те же кварцевые нити Петра Леонидовича Капицы.
   Совершенно очевидно, что даже для просто выживания человека его мозг должен быть в состоянии обеспечивать выполнение законченных последовательностей некоторых действий. Это, в частности, следует из работы Н. А. Бернштейна «О построении движений» [2], посвященной биомеханике и физиологии движений. То есть мозг в любом случае самостоятельно строит программы мышления различной сложности. Такие программы, в отсутствие направленного социального воздействия – обмена достижениями в области продуктивного мышления – чаще всего фрагментарны и обеспечивают лишь отдельные реакции и их адекватность реальным ситуациям. Эти программы не осознаются, и отсюда представление об «озарениях» различного масштаба в случаях успешного решения возникающих перед человеком задач. Так работает практическое мышление в определенном выше его смысле. Надо отметить, что преимущественно такое мышление характерно для подавляющего большинства людей. Вряд ли можно найти человека, не произносившего ключевой фразы: «Знаю [понимаю], но сказать не могу». «Знаю, но сказать не могу» – это формула уклонения от ответа по различным причинам, включающим в себя и непонимание. «Понимаю, но сказать не могу» – может быть декларацией субъекта о владении невербализуемой информацией.
   Практическое мышление, обусловленное случайными комбинациями фрагментарных программ, делает такое мышление «в чистом виде» недостаточным даже просто для выживания и уж, тем более, успешной жизни. Поэтому социальная форма существования личности, требующая согласованности действий на основе обмена информацией, с необходимостью приводит к появлению продуктивной составляющей мышления. Доля такого вклада различна у разных людей, но, по-видимому, для большинства она достаточно мала. Более того, этот вклад в процессе развития личности чаще всего в конечном итоге оказывается узко специализированным. Отсюда и хорошо известная общежизненная неприспособленность многих выдающихся специалистов, решающих свои задачи за пределами профессиональной деятельности на основе практического мышления. Вытекающая из сказанного выше неприспособленность большинства людей к общей жизни маскируется социальными представлениями, уходящими корнями в локальные проявления эволюционного процесса. Этот аспект требует отдельного исследования и выходит за рамки настоящей книги.
   Однако эволюционное развитие продуктивного мышления, необходимого для выживания вида, привело к его формированию у определенной части людей на уровне преимущественного. По достаточно произвольным оценкам, концентрация в обществе людей, мышление которых является наиболее полно продуктивным, составляет от 10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

до 10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Это значит, что таких людей приходится от единицы на десять тысяч до единицы на сто тысяч представителей вида. Не густо. Эта концентрация на уровне коллективного бессознательного контролируется обществом в целях сохранения его устойчивости. Станет меньше – в пещеры. Больше – опасно снизится управляемость. Но факт остается фактом: такие люди есть, и они в своем мышлении отчетливо проявляют его структурированную продуктивность. Как сложилось, сформировалось мышление таких людей в известных случаях – непонятно. Слишком много случайных факторов. И уж точно: если здесь как-то и замешана генетика – то далеко не в первую очередь [14].
   У людей с так или иначе сформированной и устоявшейся структурой продуктивного мышления она начинает работать в автоматическом режиме – на других, более высоких скоростях и без «выдачи промежуточных отчетов». При решении практических задач это выглядит как проявление практического мышления. Однако это есть не что иное, как определенная «свертка» продуктивного мышления, представляющая собой эффективную упаковку его во времени за счет увеличения скорости протекания процессов на уровне подсознания. Можно предположить, что формирование программы продуктивного мышления осуществляется преимущественно левым полушарием мозга, а систематическое функционирование «отлаженной» программы – правым. По-видимому, именно с такой ситуацией мы сталкиваемся, пытаясь анализировать мышление систематически успешных полководцев, предпринимателей, изобретателей и иных ярких представителей высокоскоростного эффективного преобразования результатов мышления непосредственно в практику.
   Научное мышление характеризуется осознанностью, последовательностью, адекватностью действительности (выраженной в появлении в результате научного мышления адекватных моделей) и неотвратимостью завершенности его процесса. А эти условия могут осуществляться и контролироваться исключительно в режиме продуктивного мышления.

3.2. Алгоритмичность мышления

   В процессуальном отношении важно понимать природу этапов научно-познавательной деятельности и их последовательности. Последовательность логически связанных между собой действий ассоциируется у нас с алгоритмом. Большинство людей не задумывается особенно о том, что же такое алгоритм. Алгоритм можно определить как точное описание последовательности элементарных операций, связанных между собой необходимыми, существенными, устойчивыми и воспроизводимыми причинно-следственными связями, системно обеспечивающими неотвратимое достижение поставленной цели [9, С. 16]. Поскольку в основе научно-познавательных действий лежит, как мы выяснили, продуктивное мышление, последовательность этих действий должна определяться алгоритмом данного вида мышления. То есть продуктивное мышление должно быть в принципе алгоритмизировано, по крайней мере, в своих «верхних этажах», определяющих структуру деятельности. Тогда все понятно и, изучив структуру продуктивного мышления, мы заведомо сможем использовать ее при решении любой познавательной задачи, не говоря уже о физической, как наиболее простой.
   Для уверенности в алгоритмичности продуктивного мышления необходимо ответить на три вопроса. Первый: как развивается структура продуктивного мышления по мере усложнения мыслительных действий (уровней формирования движений по Н. А. Бернштейну)? Второй: с какого момента процесс мышления становится алгоритмичным (и, следовательно, транслируемым)? Третий: каковы структуры процессов реализации важнейших этапов (шагов) алгоритма продуктивного мышления (научно-познавательной деятельности)?
   Для ответа на первый вопрос целесообразно обратиться к представлениям Н. А. Бернштейна об уровнях формирования движений [2]. В сущности мышление и неразрывно связанная с ним речь [5] представляют собой высшие уровни двигательного нервного процесса. Рефлекторное кольцо [1, С. 48] есть модельное представление структуры протекания конкретного двигательного процесса, хранящейся в памяти нервных структур организма. В феноменологическом подходе каждому рефлекторному кольцу соответствует элемент опыта [11, С. 103]. С использованием аппарата теории множеств нам с А. Г. Гейном, А. И. Дорониным и А. А. Слепухиной удалось показать, что тематические подмножества элементов опыта, понятия и донаучные (обыденные) модели объектов соответствуют совокупности рефлекторных колец, вызываемых из памяти в ответ на сигнал и, следовательно, нижнему уровню формирования движений по Н. А. Бернштейну. Здесь следует отметить, что донаучная модель не может носить физического характера, поскольку она многофакторна, а потому сложна.
   Если же «первичной» совокупности колец недостаточно для реакции, то происходит вызов из памяти «вторичных» совокупностей колец. То есть вызываются все совокупности колец, связанные с кольцами из «первичной» совокупности, следующими за кольцами, максимально соответствующими сигналу, в порядке убывания уровня соответствия. Эти вторичные подмножества возникают одновременно и пересекаются с первичным. Необходимо рассматривать сразу все пересечения тематических подмножеств элементов опыта. Такое математическое описание соответствует уровню B по Бернштейну (уровень синергии). В феноменологическом подходе это не что иное, как описание концепта. Концепт – множество элементов опыта, объединенное совокупностью представлений, понятий, знаний, ассоциаций и переживаний, сопровождающей определенное слово. Важно подчеркнуть, что, вводя математическое выражение концепта, мы получаем возможность рассмотреть его сущность и происхождение (процесс формирования).
   В том случае, если и сформированного концепта оказалось недостаточно для решения задачи, делается вывод о ее сложности и необходимости решения на более высоком уровне. Представляется разумным следующее предположение. Пересечения тематических подмножеств множества элементов опыта в составе концепта флуктуируют около некоторого значения своей мощности. Кроме того, количество элементов опыта в каждом подмножестве (и, следовательно, в пересечениях) изменяется во времени. В какой-то момент времени конкретный концепт оказывается наиболее соответствующим задаче ввиду достижения мощности суммы пересечений, необходимой для выбора решения в точке бифуркации. Этот вариант концепта запечатлевается, а остальные варианты подавляются в соответствии с принципом доминанты. Анализ рассогласования выбранной реакции и достигнутого результата приводит к формированию описанным способом нового, уточняющего (корректирующего реакцию) концепта. Указанный выше флуктуационный механизм обеспечивает конкретное состояние концепта, позволяющего уточнить результат выбора реакции. Таким образом, достаточно сложная реакция итерационно оптимизируется. Это позволяет предположить возможность возникновения на данном уровне (третьем, С, по Н. А. Бернштейну) праалгоритмических структур. Движения уровня С по Бернштейну можно охарактеризовать как «переместительные», связанные с «владением пространством». Поэтому соответствующее мышление можно охарактеризовать как практическое, то есть непосредственно реализуемое в практической деятельности. Закономерность формирования праалгоритмических структур мышления является основой возможности, при дальнейшем развитии, осознания и трансляции таких последовательностей мыслительной деятельности. Это надо понимать как общность алгоритмической основы и практического, и продуктивного мышления. То есть праалгоритмы, несомненно, являются нижними уровнями развития продуктивного мышления, возникающими достаточно рано, непосредственно сразу за формированием понятий (обыденных моделей) и концептов.
   По-видимому, принципиальное отличие праалгоритма от алгоритма состоит в следующем. Формирование праалгоритма представляет собой процесс поиска последовательности операций, необходимой для решения задачи при затрудненности выбора решения, обусловливающего движение, на уровнях понятия или концепта. Такая последовательность является достаточно «нежесткой», поскольку для данного уровня формирования «переместительных» движений характерно различие индивидуальных приоритетов в системе целей решения. Возможно, что именно на этом уровне мы, например, выбираем для решения данной задачи приоритетность физического описания наблюдаемого движения при помощи величины «путь» или же величины «перемещение». «Нежесткость» структуры праалгоритма определяется возможностью произвола в выборе необходимости и существенности причинно-следственных связей между его шагами из некоторого спектра возможных. Устойчивость и воспроизводимость связей, по-видимому, пока не столь важны или, по крайней мере, еще не полностью определены. Это указывает, в частности, на то обстоятельство, что формирование праалгоритма происходит на уровне все еще обыденной, донаучной модели. И, скорее всего, за пределами разрешающей способности сознания в плане выбора деталей этого формирования.
   Алгоритм, в отличие от праалгоритма, представляет собой, в соответствии с определением, «жесткую» структуру. Формирование алгоритма происходит уже в научной модели самого процесса мышления. В частности, причинно-следственные связи между шагами уже отчищены и выверены социальной практикой мышления до уровня единственности. Поэтому, естественно, алгоритм отражает последовательность действий, которая может быть осознана как в своей структуре, так и в содержании действий каждого шага. Применительно к физике в основе взаимопонимания занимающихся ею людей лежат именно алгоритмы – введения определений физических понятий, введения физических величин, установления законов, решения физических задач.
   Все сказанное выше позволяет предположить, что мышление приобретает алгоритмический характер уже на «самых нижних этажах», как только из мира (а фактически – из потока сознания) выделен объект осмысления на уровне общности представлений о нем, достаточной для построения логического условия решения задачи. Вне зависимости от осознаваемости этого условия на данном уровне формирования движения (в широком бернштейновском смысле слова).
   Отсюда и ответ на второй вопрос о моменте начала алгоритмичности процесса мышления и возможности трансляции структуры этого процесса и модельной сущности содержания его результатов. Надо отметить, что жесткая алгоритмичность и возможность неискажающей трансляции возникают одновременно. Это обстоятельство чрезвычайно важно при решении задач: осознание условия задачи, процесс решения и его результат на уровне функционирования мозговых структур одновременны. И только при их анализе они разделяются во времени, образуя привычную для нас последовательность.
   Что касается третьего вопроса – структуры процессов реализации важнейших шагов алгоритма продуктивного мышления в целом – эти структуры формируются на основе осознания их алгоритмической сущности. Дело в том, что они основываются на запечатленных в памяти выбранных пересечениях множеств, которые корректируются в процессе деятельности, в том числе на уровне эволюции. Примером может служить рассматриваемый в следующей главе эволюционно сложившийся к настоящему времени классификационный подход, обеспечивающий формирование определений понятий в рамках таксономической лингвистики. Понимание в строгом смысле этого слова – процесс или результат осмысления сущности явления. Понимание может быть достигнуто исключительно на понятийной основе, тем глубже и тем стремительнее, чем более глубокие уровни алгоритмичности нам удается осознать. Так, выделение явления из мира (точнее, из собственного потока сознания субъекта мыслительной деятельности) является самым первым шагом алгоритма познавательной и, в частности, научно-познавательной деятельности. Завершение исполнения этого шага – введение определений необходимых понятий – также алгоритмично в своей сущности. Но и в этом алгоритме определенные шаги (например, отнесение изучаемого явления к классу явлений) также исполняются заведомо алгоритмически. Прекращение осознания алгоритмов процесса мышления по мере углубления в истоки этого процесса вовсе не означает отсутствия алгоритмов. Просто разрешающая способность нашего сознания в конкретных актах мышления ограничена. Можно достаточно уверенно предположить, что широкое и глубокое осознание алгоритмов мыслительной деятельности дисциплинирует разум, обеспечивая бесперебойную работу мышления, в том числе и на глубинных, стартовых уровнях. Здесь, в частности, имеется в виду организация вызова из памяти. Если информация «уложена» в памяти в соответствии с алгоритмическими принципами работы мозга, то и извлекается она в соответствии с теми же принципами – легко и просто.
   Наконец, даже высокие профессионалы, такие, как А. Р. Лурия, полагают алгоритм чем-то все же «внешним», заданным и жестким. Это не так. Жесткой в алгоритме является только последовательность шагов. Исполнение же каждого из них происходит в соответствии с алгоритмами других, более глубоких уровней, в способах реализации своих шагов носящими все более личностный, индивидуальный характер. Достаточно вспомнить флуктуационное построение праалгоритма – это ведь поисковый процесс! Ну и, безусловно, надо постоянно помнить о том, что в процессе восхождения к «верхним этажам» продуктивного мышления, к реализации его крупноблочного алгоритма, каждый раз, в каждом законченном акте осмысления проходится весь цикл – начиная с появления сигнала и вызова из памяти тематического подмножества. И качество мышления, разумеется, зависит от отлаженности этого процесса для конкретной личности. Отлаженность означает наличие обратной связи, контролирующей направленность срабатывания алгоритмов «нижних уровней» со стороны эволюционно сложившегося на сегодняшний день общего алгоритма научно-познавательной деятельности.
   Ну а эвристика… Обыденное сознание традиционно противопоставляет эвристический подход алгоритмическому. Для модели «чисто эвристического» подхода характерен «перебор всех вариантов построения решения без наличия какой-либо направляющей, принципиально важной идеи» [4, С. 612; 9]. Справедливость и, тем более, точность этого практически определения спорна, как минимум, по следующей причине. «Решение», разумеется, относится к задаче. А задачу можно считать поставленной только в том случае, если содержание ее условия понятийно обеспечено на уровне определений. Но в таком случае необходимо принять во внимание то обстоятельство, что так называемая «формула изобретения» есть не что иное, как частный случай алгоритма введения определения понятия. А это означает, что «перебор вариантов» в любом случае осуществляется в соответствии с определенной «направляющей идеей», в роли которой выступает указанный алгоритм. Так что «перебор вариантов» происходит только в рамках определенного шага алгоритма, а это уже совсем другое дело. В принципе, возможность эвристичности зарождается, по-видимому, при сугубо индивидуально-личностном вызове из памяти тематических подмножеств рефлекторных колец. Однако до выявления в осознании эвристического результата мышления еще далеко. В силу сказанного выше в этом разделе книги, даже скрытые разрешающей способностью сознания конкретного субъекта мыслительной деятельности ее фрагменты алгоритмичны или, по крайней мере, праалгоритмичны. Только в случае «чисто эвристического» подхода направляющая эту алгоритмизированную деятельность обратная связь с «главным», «конечным», алгоритмом нарушена. Главным образом, из-за его незнания и непонимания. Тогда вместо завершения акта мыслительной деятельности мы имеем дело с обрывом негодных (вследствие ненаправленности) алгоритмических цепочек «нижних уровней» и начинанием процесса каждый раз заново с первых шагов. Сизифов труд, чрезвычайно непродуктивный и чреватый пагубными последствиями как для решения задачи, так и для его субъекта. Последовательное представление развития «направляющей принципиально важной идеи» есть алгоритмизированная операция, обеспечивающая необходимый «скелет» эвристической деятельности [4, С. 612; 9]. Таким образом, алгоритмические и эвристические мыслительные операции, направленные на решение конкретной творческой задачи, неразрывно связаны между собой [9]. Причем связаны именно алгоритмическим характером процесса мышления вообще и наличием корректирующей отрицательной обратной связи в развитии системы алгоритмов последовательно усложняющихся уровней.
   Легендарный вопль «Эврика!» был связан не со склонностью любителя ванн к озарениям непонятного происхождения, а с отлаженностью процесса научно-познавательного мышления научного работника, уже имевшего большой опыт алгоритмического решения физических и математических задач.

3.3. Развитие продуктивного мышления как эволюционный процесс

   С появлением вида «человек разумный» его выживание сразу же оказалось в прямой зависимости от обмена результатами мыслительной деятельности.
   Мозг неандертальца был гораздо больше нашего. Но был очень неорганизован и запутан. Вот и вымерли, потому как не получалось с адекватностью, тем более – с обменом этой адекватностью. Ведь чтобы выжить такому сложному и поэтому уязвимому виду, как человек, нужно уметь договариваться, то есть передавать друг другу свои мысли в качестве продукта. Это значит – владеть продуктивным мышлением. Под передачей следует понимать как оформление результатов собственного мышления в виде, пригодном для передачи (останавливаясь на этом), так и сам процесс передачи этих результатов другим людям. Ньютон и Гаусс не заботились специально (внимание – специально!) о том, чтобы продукт их научной мыслительной деятельности был доступен другим. Но, фиксируя эти собственные результаты для себя, для обеспечения процесса своей научной работы, великие не имели другой возможности кроме надлежащего знакового (языкового) оформления своего продукта. Свои работы Ньютон, не занимаясь сам преподаванием, начинал разделом «введем необходимые определения». И ведь вводил! И законы формулировал. И задачи решал. То есть создавал продукт. Там, у себя, за забором своего лордовского имения. А потом приходили другие, которые не могли получить таких результатов, как Ньютон. И несли заготовленные Ньютоном продукты в массы. Для того, чтобы каждый мог (в принципе) научиться готовить такие же продукты, как и Ньютон, но свои собственные. А потом приходили еще другие, и тоже не Ньютоны или Гауссы. И вот эти другие со слов и знаков великих видели не только их результаты, но и процесс получения этих результатов. И, удивленные единством структуры такого процесса, стремились нести в массы уже ее, эту структуру. Для того чтобы каждый не ломал голову над самостоятельным извлечением умений и навыков научной интеллектуальной деятельности из трудов безразличных к трансляции великих, а получал структуру этой деятельности тоже как продукт, готовый для применения. Чтобы быть вооруженным и успешным в деятельности, выбранной для самореализации. И вот все это объединяется продуктивным мышлением – и получение результата и его трансляция. В итоге мы приходим к рассмотрению некоторой модели – в данном случае продуктивного мышления, – в которой существенным фактором является транслируемость.
   Мышление возникло в процессе эволюции человека как адаптационный механизм. Естественный, в сущности, отбор привел к введению этого механизма в человеческую культуру трансляции на уровне социального системообразующего фактора. Передавать такой механизм можно тоже только как продукт, поэтому в порядке обратной связи затрудненность организации продуктивного мышления у неандертальцев привела к кроманьонскому эволюционному выбору.
   Есть такой вид эволюции, который называется «филетической эволюцией» (от греческого phyle – род, племя). Она происходит в деталях, не образуя дочерних видов. И задача ее – дать популяции выжить путем приспособления к новым условиям. Если надо – создав новую популяцию «внутри» вида. Филетическая эволюция человека [7] отличается тем, что, наряду с адаптационными изменениями соматического характера, происходят изменения и в мышлении человека. Сущность филетической эволюции процесса мышления современного человека состоит в формировании продуктивной составляющей этого процесса в результате направленного образовательного влияния на уровне коллективного бессознательного. При этом граница между социально-психологическими состояниями, обусловленными различием в успешности такого формирования, достаточно резка, хотя и допускает исключения (ввиду все той же социальности).
   Филетически эволюционировать в плане продуктивности мышления человек начал, обмениваясь продуктами мышления. Появился язык, и появилось образование – передача последующим мыслительных завоеваний предыдущих. У костра, под бубен шамана – но образование. Те немногие, до кого образование дошло, включили его результаты в свой образ и спаслись от саблезубых тигров и голода. Смогли пойти дальше – пошли дальше. Появились математика и письменность – включили их в образование. Еще с древних шумеров с их глиняными табличками. Так, на уровне коллективного бессознательного – «надо, и все».
   Из немногих, присвоивших и это, получились Аристотель с его логикой и иже с ним. Тоже включили в образование – «так надо». Все это было для людей как-то пестро, удаленно от повседневной жизни и с трудом сшивалось в лоскутное одеяло познавательной деятельности. Зарождалась наука и тоже зачем-то включалась в образование. Стало больше стремящихся осмыслить мир (Ньютон, Ломоносов, Мендель, Менделеев – несть им числа). Мучаясь и страдая в тенетах практического мышления («знаю, делаю, но сказать не могу»), они начали выстраивать для себя структуру продуктивного мышления. Они не собирались ее транслировать, выделять и передавать потомкам – просто получали выдающиеся познавательные результаты, которые снова уходили в образование. И некоторые обучающиеся, опять же внутри себя, эту структуру усваивали и, целенаправленно работая, давали людям атомную энергию, лазер и все-все-все, чем мы владеем сегодня. А структура становилась все яснее и даже начала проникать в образовательные стандарты.
   Вот тут-то все и началось. Кто-то, пусть в корявом и усеченном виде, структуру продуктивного мышления усваивает и уходит вперед, в будущее, каждый – в своем деле. Поскольку образование по-прежнему несет обучающимся только результаты, полученные усвоившими, а не саму структуру, самостоятельно выделять ее становится все сложнее и труднее. Тем более, результатов все больше, как передавать их без структуры – все непонятнее. Как-то, путешествуя в среднеазиатской глуши, я заметил, что пытаюсь договориться с носителями другого языка, коверкая свой собственный. Так и с образованием. Оно стремится «упрощать». Но не той благородной простотой, которая от Оккама («не умножай сущностей сверх необходимого»), а той, которая хуже воровства. И обучающиеся в подавляющем большинстве стремительно глупеют. Филетически-эволюционно сложившаяся структура продуктивного мышления (основа научно-познавательной деятельности) стала совсем четкой. Любое образование предпоследних времен (еще не сломанное) в мозгах людей под эту структуру настолько «расставило полки», что отдельные, почему-либо не ушедшие реально из образовательного процесса, дети и взрослые эту структуру поневоле усваивают. Очень немногие (остальные ушли из образования). Исчезающе немногие. И пока – разрозненные. Хотя чрезвычайно высокий уровень развития представлений о мире, ставший им доступным, может с течением времени их объединить. А те, кто из образования выпал – и так вполне монолитны, устраивая свою жизнь. И защищая ее от пагубного влияния образования. Это уж у кого какая мораль и какая этика сложились. Не в вакууме ведь живем – родители, школа, СМИ и всякое такое.
   Человеческая популяция расщепляется. Именно сейчас. В наши дни (недели, месяцы, годы). Это внешне проявляется в том, что в литературе и СМИ все чаще (практически ежедневно) мелькает тема увеличения разрыва между умными и глупыми. При этом проявляется определенное их соотношение: если оптимистично – один умный на десять глупых. Выдающийся психолог М. А. Холодная ввела термин: «функциональная глупость» [13, С. 10]. Не можешь адекватно функционировать, все у тебя через… заднее крыльцо и никаких успехов, никакого ощущения своей социальности, значит – функционально глуп. И таких, увы, большинство. Более девяноста процентов населения Земли. А что же с «умными»? Это те, которые заняты, с точки зрения окружающих, непонятно чем, что-то вечно изобретают, развивают, страдают, мучаются, но жизнью довольны. И их все меньше, а «глупых» все больше. И «умные» со временем все умнее, а «глупые» – все глупее. Такое расщепление популяции по интеллектуальному признаку было гениально предсказано в начале шестидесятых годов прошлого века А. и Б. Стругацкими в произведении «Волны гасят ветер». Туда же – Айзек Азимов со своим «Основанием», Клиффорд Саймак с «Что может быть проще времени» и ряд других философов, доносивших до нас свои мысли в виде научно-фантастических литературных произведений. Вот оно и началось. Проблема только в том, какова будет социальная окраска этого процесса. В особенности – его результата.
   Накопление социального опыта продуктивного мышления привело к выявлению и формированию его структуры, которая может быть транслирована. Наверное, наиболее ранние из этих этапов проявлялись в трансляции математических представлений и технических решений, основанных на этих представлениях.
   Результаты затеянной еще Аристотелем формализации структуры продуктивного мышления были приняты на вооружение социально реализуемым образованием, следствие чего мы наблюдаем и в наши дни. Так, например, в основе представлений о формировании определений понятий до сих пор царит аристотелевская классификация «родо-видовых отношений». Хотя прошло полторы тысячи лет, и очень многое изменилось в ходе эволюции процесса продуктивного мышления.
   В следующей, четвертой, главе книги будет рассмотрен очень показательный процесс филетической эволюции познавательного мышления. Речь идет об эволюции понятийности. Точнее – об эволюции формирования определений понятий на основе классификационной системы всего сущего. Эта система, в свою очередь, непрерывно эволюционировала от доаристотелевских времен, в явном виде, как смогла, сложилась при Аристотеле (с его «родо-видовыми отношениями»), прошла Линнея и к настоящему времени сложилась в единую таксономическую систему, лежащую в основе, в том числе, и таксономической лингвистики. Эта система продолжает и будет продолжать эволюционно развиваться, но понятно, что знать и понимать ее сегодняшнее состояние необходимо.
   Исторически складывавшееся образование с самого начала, а в особенности – со времен Аристотеля, носило директивно-репродуктивно-прецедентный характер. Оно несло в себе элементы логики и, следовательно, понятийности и продуктивного мышления. Потому и породило дальнейшее развитие научного мышления, по определению структурированного в своей основе. От Плиния до Ньютона и от Архимеда до Менделя. Однако носители этих формирующихся структур продуктивного мышления, пользуясь ими, не транслировали их в явном виде. Поэтому образование, на уровне коллективного бессознательного, для которого архетипом являлись интеллектуальная успешность и реальная образованность, приступило к трансляции путей (способов) и результатов научной деятельности классиков научного мышления. Это самое коллективное бессознательное предполагало, что виртуальное сотрудничество с классиками будет содействовать формированию структуры продуктивного мышления на личностном уровне обучающихся. Именно с этой целью в программу общего образования прочно вошла физика, и никаким «реформаторам» не удалось ее оттуда изъять даже в наши смутные для образования времена.
   Уже во время расцвета известности классиков современной науки и социального почтения к ним, в обыденном общественном сознании наметился и стремительно расширялся разрыв между «избранными» «открывателями» и достаточно аморфным пассивным в познавательном отношении большинством населения. Это хорошо просматривается на примере физики. Математика всегда стояла как-то в стороне от обсуждения. «Надо» – и все. Нужно получать сдачу в магазинах, считать баранов в отарах… А вот физика – это просто некая заумь. Коллайдеры строят за народные деньги (математика хоть бесплатна, если не считать редких премий). Да и другие ученые не лучше. То гены откроют, то иго закроют. Да еще и со снисходительным пониманием посматривают на сиюминутные исторические процессы.
   В итоге возникла социальная изоляция выраженных носителей научного продуктивного и вообще продуктивного мышления, являющихся, в сущности, ядром развития цивилизации в конкретных пространственно-временных ситуациях. Углубление этого разрыва приводило, в конце концов, к отрыву – отделению и последующему распаду массивной социальной оболочки. Следовательно, и к распаду государств и цивилизаций.
   На протяжении всего времени существования систем образования само образование никогда не воспринималось обществом как средство формирования продуктивного мышления. Оно воспринималось либо как совокупность практически значимых прикладных знаний, либо как нечто туманное для туманного же «общего развития».
   Тем не менее научный, технический и социальный прогресс требовал все большего притока людей-носителей продуктивного мышления. И образование стремилось обеспечить этот приток, не меняя своей сущности – оставаясь в принципе прецедентным и рассчитывающим на самостоятельное формирование необходимых структур мышления субъектами образовательной деятельности. Успешность этого процесса иллюстрируется учащением и возрастающей эффективностью научных и, следовательно, социально-значимых хозяйственных «рывков». Один только взлет физики во всем мире и в СССР в пятидесятые годы прошлого столетия чего стоит! И все равно – численность выраженных носителей продуктивного мышления оставалась и остается чрезвычайно низкой. Соотношение между этой численностью и достаточно инертным в плане мышления подавляющим большинством населения определяется необходимостью управляемости и стабильности общества на определенных этапах его развития (в том числе – в рамках государств).
   Ввиду роста разнообразия деталей картины мира разрыв между продуктивно мыслящей частью населения и остальным населением все быстрее возрастает, возможности взаимопонимания все ухудшаются. В связи с этим «сброс социальной оболочки» учащается и приобретает все более катастрофические масштабы – мировые войны и крупномасштабные локальные конфликты, «перерабатывающие» огромное количество людей. Внешне это выглядит как результаты деятельности функционально глупых (термин М. А. Холодной) или, что то же самое, узкокорыстных людей с правом управления. Однако надо понимать, что это всего лишь проявления эволюционного процесса.
   Причем здесь физика? А она, наряду с математикой, только в еще большей степени, ввиду обыденной наглядности, служит ведущим инструментом массового формирования продуктивного мышления. Ушла из культуры и, следовательно, из образования, физика – и забилось в щели продуктивное мышление. Впало в спячку. И моя твоя не понимай. Все больше и больше. Падают ракеты и правительства, полыхают джихады. Люди не могут согласованно построить приемлемую модель мира, потому что она сложна. А учиться простым моделям не на чем. Спит физика.

3.4. Алгоритм научно-познавательной деятельности

   В университете очень хотелось стать (да что там стать – быть, здесь и теперь!) умным. Я плохо понимал, что это такое. М. А. Холодная еще не написала: «Умен не тот, кто знает, а тот, у кого сформированы механизмы приобретения, организации и применения знаний». А я не знал, что почту за честь взять это замечательное высказывание в качестве эпиграфа к своей книге «Технология интеллектуального образования». Во студенчестве лишь догадывался, что умны не всегда отличники. По крайней мере, не только они. Но все мы знали, что у большинства наших тогдашних преподавателей нужные механизмы были сформированы. Некоторые из физиков, с которыми мы сталкивались в процессе обучения, уже были классиками науки. Так что можно было порой «вживую» наблюдать за рождением и ходом физической мысли. Да и с другими классиками, причем не только физики, можно было легко встретиться, например, в многотомном издании «Классики науки» – знай себе читай. И ведь читали!
   И вот когда все, какие только можно, классики были перечитаны, всплыло обстоятельство, которое укладывалось в голове лет пять. Оказывается, все они в процессе научной работы совершали одни и те же мыслительные действия. И, как всегда, во главе с сэром Ньютоном. Как уже упоминалось, изложение практически всех его оригинальных работ начиналось с «Введем необходимые определения». То есть упал взгляд (слух, вкус, осязание, обоняние) на явление – и в потоке сознания мелькнула обыденная модель. Подождала она в кратковременной памяти и, если пришло потребностное подтверждение интереса к явлению, начала обрабатываться. Прежде всего, надо обратить внимание на пределы, в которых явление представляет для нас интерес, то есть опредéлить его в языке как универсальной знаковой системе. Вот и состоялось выделение интересующего нас явления из мира, а точнее – из отражающего мир потока нашего сознания. При этом на уровне концепта в пересечениях тематических подмножеств элементов опыта обозначается система, в которой действуют важные для нас причинно-следственные связи между явлениями. Таким образом мы намечаем возможность объяснения явления свойствами системы или, что практически то же самое, особенностями взаимодействия ее частей. Это тоже входит в язык, на котором можно внятно обсуждать с собой и другими, «о чем это мы…». Иначе, действительно: «Ой, о чем это мы?» А это уже застольные посиделки, а не наука.
   Наконец, как только явление выделено, для соответствующей реакции на него необходимо сопоставлять его (в том числе – через свойства системы) с другими такими же явлениями. Сопоставляем мы всегда при помощи меры, основанной на способе обработки мозгом количественно различных по уровню, но однородных по своей природе сигналов. То есть решаем, велик данный сигнал или мал. Мозг работает исключительно с величинами, отражающими в нем наблюдаемые явления или свойства. Для осознания этих операций необходимо выяснить пределы, в которых величины адекватно описывают явления, то есть опредéлить или, как мы говорим, определѝть эти величины.
   Итак, явление выделено из потока сознания, его системные связи выяснены, необходимые меры введены. Теперь мы знаем, о чем мы говорим, и отвечаем за адекватность наших представлений и их трансляций. У нас теперь есть язык – знаковая система, обеспечивающая эту адекватность. Так поступали классики науки и так нас учили они и их последователи. И ставили безъязыким оценку «неудовлетворительно». Некоторые безъязыкие успешно притворялись и получали дипломы, а потом безъязыко учили, размывая результаты усилий наших учителей. Достаточно почитать школьные учебники физики (и не только физики), явно «неудовлетворительные».
   Вот теперь, когда мы четко понимаем, о чем говорим, что исследуем, и когда есть определенная нами осознаваемая мера предмета исследования, можно проводить измерения. Проведение измерений осуществляется при помощи эталонов мер. Изначально они вводятся, казалось бы, достаточно произвольно и не очень-то точны. Например, эталон меры «электрический заряд тела» при установлении Кулоном закона взаимодействия электрических зарядов. Затем, со временем, эталоны постоянно совершенствуются и уточняются. Так, эталон меры «электрический заряд тела» был уточнен в результате перехода к электрохимическому его осмыслению, а на сегодняшнем уровне физических измерений определяется через силу магнитного взаимодействия проводников с электрическими токами при эталонных силах тока.
   Собственно процедура измерения, то есть сопоставления меры наблюдаемых явления или свойства с ее эталоном, всегда отдельно, чрезвычайно подробно и четко описывается исследователями. В особенности – классиками. В особенности – физиками. Это естественное необходимое условие возможности воспроизведения и независимой проверки результатов измерения характеристик исследуемого явления.
   Однако в процессе исследования единичное измерение не имеет смысла: его результат нельзя обсуждать при отсутствии результатов других аналогичных измерений, то есть при отсутствии возможности сравнения. Но как только появился второй результат – неважно, каким образом нам стало о нем известно, – мы имеем дело с зависимостью величины, характеризующей какое-либо явление, от величины, с нашей точки зрения характеризующей его причину. То есть – с причинно-следственной зависимостью. Вот ее-то мы и устанавливаем, измеряя величину-причину и величину-следствие с целью нахождения функциональной связи между ними. Причина всегда представляет собой тот или иной параметр, характеризующий рассматриваемую систему, меру ее развития или меру воздействия на нее, а следствие – меру изучаемого явления или свойства. Поскольку в принципе можно измерить все, что угодно, мы это «что угодно» постоянно измеряем и мыслим именно зависимостями величин, а не результатами единичных измерений. Это справедливо для любой направленности научно-познавательной деятельности – в математике, физике, кулинарии или межличностных отношениях. Однако в математике, ввиду ее точности, и в физике, ввиду ее наглядности, такие зависимости проявляются особенно явно и ярко.
   Если причинно-следственная связь устойчива, то она проявляется при измерении соответствующей зависимости в различных условиях. В таких случаях можно говорить о наличии у наблюдаемых зависимостей выраженных общих черт. Например, речь может идти о возможности приближения (описания) таких зависимостей одной и той же аналитической функцией с разными значениями параметров. Так, экспериментально устанавливаемая зависимость скорости движения тела от времени протекания процесса при равноускоренном движении всегда близка к линейной. Хотя с разными коэффициентами линейной зависимости для разных равноускоренных движений. В таких случаях можно говорить о закономерности – наличии выраженных общих черт однотипных причинно-следственных зависимостей, полученных в разных условиях.
   Наличие закономерности позволяет предложить уже научнуюмодель причинно-следственной зависимости, то есть, в конечном итоге, научную модель изучаемого явления. Всякая модель, даже обыденная во всей ее многофакторности, есть упрощенное представление о значимых для нас сторонах явления. Упрощенная – потому что для обыденной модели определенными факторами мы пренебрегаем ввиду их незнания или непонимания. Упрощая, в оккамовском смысле, мы сводим к минимуму произвольные допущения, к которым нас вынуждает первичная обыденная модель. Научная же модель – предельно огрубленное представление о наиболее существенных сторонах явления, полученное в результате пренебрежения всеми факторами, второстепенными по отношению к изучаемой причинно-следственной связи. Уровень этого огрубления определяется конкретикой различных задач, связанных с исследованием одного и того же явления или группы родственных явлений. В качестве математического выражения модели причинно-следственной связи обычно рассматривается аналитическая функция. Такое представление может быть именно математически проанализировано для любых возможных значений мер причины и (или) следствия. Это чрезвычайно важно: результатом анализа, в частности, является возможность экстраполяции значений этих мер в области их значений, не наблюдаемых экспериментально. Однако в последние полвека бурно развивается алгоритмический аппарат описания зависимостей, который также позволяет вычислить значение одной величины по известным значениям другой.
   Указанные возможности сообщают модели, как способу описания явления, определенную предсказательную силу, что и является, собственно говоря, одним из важнейших результатов научного познания. Необходимо отметить следующее важнейшее обстоятельство: научнаямодель явления может появиться только на этом этапе научного познания. Если в литературных источниках говорится о наличии модели в самом начале рассмотрения явления, то в лучшем случае имеется в виду «свернутое» прохождение в подсознании всех описанных здесь предыдущих шагов научно-познавательной деятельности. Обычно же в таких случаях имеет место не научно-познавательный, а прецедентный подход к выбору модели: выделив явление из мира, субъект деятельности ищет соответствующий прецедент и выбирает готовую модель еще до начала проведения исследования. Такой подход не является научным, поскольку не порождает нового знания. Более того, блокирует такое порождение. Восхождение же от обыденной модели к научной в результате описанной здесь последовательности шагов придает научной модели наивысшую степень общности для широкого круга родственных явлений и делает ее основой самостоятельного, нового взгляда на сущность изучаемого явления. Наверное, здесь имеет смысл отметить, что эволюционирующие представления об одном и том же явлении, связанные между собой принципом соответствия теории познания, обязаны своим появлением исключительно возникновению новых моделей этого уже известного явления. Примерами может служить развитие представлений об относительности движения и строении атома.
   Формализованное отображение модели явления в той или иной его причинно-следственной связи представляет собой закон. Способ формализации один – математический. Вербальная формализация модели есть частный случай математической. Здесь важна однозначность понимания модели всеми участниками научно-познавательной деятельности. Далее проблема закона будет рассмотрена подробнее, здесь же мы только отметим, что закон – это модельное представление необходимой, существенной, устойчивой и воспроизводимой причинно-следственной связи между явлениями. В рамках модели и в границах применимости, обусловленных моделью, закон справедлив безусловно и является единственной основой для сознательного, неотвратимого и безошибочного решения соответствующих задач.
   Однако проблемные ситуации, с которыми приходится сталкиваться в системах, приближенных к реальным, чрезвычайно редко могут быть описаны простейшими моделями, для которых справедливы законы. Поэтому для решения задач, приближенных к реальным условиям, необходимо вывести следствие из закона, учитывающее усложнение модели. Важно понимание того обстоятельства, что закон устанавливается строго в результате описанной выше последовательности действий. Следствие же из закона всегда является нашим домыслом и нуждается в проверке все новыми и новыми решениями задач.
   Задача решается на основании закона или следствия из него. Решается, как уже было сказано выше, сознательно, неотвратимо и безошибочно. Надо обратить внимание на то, что никто из классиков не ссылался при описании решения задач на озарения. Циклически-углеводородный сон Кекуле, в котором змея кусала себя за хвост, был не актом внезапного озарения, а метафорическим образным отчетом о результате системного подхода к решению исследовательской задачи, выполнявшемуся в заведомо алгоритмизированном режиме, описанном ниже, в главе 6.
   Но в структуре научно-познавательной деятельности есть еще один чрезвычайно важный элемент. По окончании описанного исследовательского цикла, после решения задачи, неизбежен переход к рассмотрению новых явлений. В частности, в связи с тем, что научное знание имеет принципиально уровневый характер, это может быть переход, связанный с новым, более высоким уровнем рассмотрения исходно выделенного из мира явления. Этот элемент структуры научно-познавательной деятельности, в частности, лежит в основе идеи непрерывности образования.
   Все перечисленные необходимые и достаточные в своей сущности и последовательности шаги, описанные классиками науки, «сшиваются» в единый устойчивый алгоритм научно-познавательной деятельности, в основе которой лежит научное продуктивное мышление. Наиболее детально, на процессуальном уровне, с указанием конкретных последовательных операций, структура научно-познавательной деятельности была описана в работах [9, С. 17; 11, С. 44; 12, С. 3] и приведена на рис. 3.1.

   Рис. 3.1. Схематическое представление процессуальной структуры научно-познавательной деятельности

   Адекватность такого представления проверить достаточно просто. Так, в книге «Технология интеллектуального образования» [11] читателю предлагается (с учетом рассмотренного выше смысла и содержания элементов структуры):
   а) обоснованно изъять какой-либо элемент предложенной структуры (шаг алгоритма) или ввести принципиально новый;
   б) поменять два или несколько элементов (шагов алгоритма) местами в структуре.
   Трудно предположить, что сначала надо установить закон, а затем решить, что же мы исследуем. Или: сначала решить задачу, а затем установить закон, на основе которого она должна решаться. Не менее трудно понять, как решать задачу, если неизвестен закон, описывающий рассматриваемый в ней процесс. Да и нечего тут понимать: решение задачи в соответствии с рассмотренным алгоритмом предусматривает установление закона – самостоятельное нового или, в виртуальном сотрудничестве с авторами – уже известного. Но в любом случае – из алгоритма шага не выкинешь.
   При рассмотрении эволюционного подхода к формированию устойчивой процедуры научного продуктивного мышления было отмечено, что завоевания научного мышления классиков немедленно уходили в образование. При этом транслировались как результаты исследований, так и ход процесса их получения. Поэтому алгоритм научно-познавательной деятельности на каждом этапе его эволюционного развития усваивался определенным числом обучающихся. Однако при попытках его воспроизведения он представлялся, чаще всего, сильно сжатыми и упрощенными свертками, которые не позволяли адекватно восстановить процесс развития этой деятельности в большинстве конкретных случаев.
   Отсюда и два предельных случая учебников физики. Вузовские учебники предназначены для трансляции профессионального научного мышления, следствием которого является любое профессиональное мышление – техническое, инженерное, технологическое – в любых сферах деятельности человека. Так, совершенно очевидно, что медицина и педагогика не являются отраслями науки – это технологии. Но без понимания научно формируемой структуры реализации этих технологий действия в их рамках случайны, невоспроизводимы и потому в лучшем случае бессильны, в худшем – опасны. Поэтому профессионально выполненный вузовский учебник физики для любого ее раздела обязательно отражает в своем содержании структуру алгоритма научно-познавательной деятельности. Пусть даже поневоле.
   Все без исключения школьные учебники физики не отражают в предметном содержании структуры этого алгоритма. Процессуальная сторона образовательной деятельности при этом представляет собой необоснованные свертки той последовательности действий, представления о которой заменяют в обыденном сознании этот алгоритм. Таким образом, школьные учебники физики не несут в себе ни представлений о физике как отрасли науки, ни представлений о науке и научном подходе к исследованию мира вообще. Более детально ситуация с преподаванием физики и пути ее возможного разрешения будут рассмотрены ниже, в седьмой главе книги.

3.5. Системное представление об алгоритме научно-познавательной деятельности

На мой взгляд, существующее на сегодняшний день представление об алгоритме научно-познавательной деятельности наилучшим образом можно проиллюстрировать рисунком 3.2.

   Рис. 3.2. Схематическое представление уровней научного продуктивного мышления

   На рисунке спиралью из крупных блоков представлен основной алгоритм научно-познавательной деятельности (алгоритм научного продуктивного мышления, см. рис. 3.1). Входящими в них цепочками блоков следующего размера представлены алгоритмы второго, по отношению к основному, уровня (например, алгоритм введения определения понятия). Эти два уровня подробно описаны в работе [11]. Выше, в разделе 3.2, мы постарались зайти с противоположной стороны и рассмотреть начальные этапы формирования алгоритмических структур в процессе мышления. Элементы опыта, не изображенные на рис. 3.2, представляют собой рефлекторные кольца, которые, формируя тематические подмножества и концепты, образуют праалгоритмические структуры (на рис. 3.2 показаны наименьшими цепочками).
   Вся алгоритмическая структура, представленная на рис. 3.2, находится внутри пространства элементов опыта (см. раздел 3.2). Тороидальная форма схематического изображения этой ситуации, по нашему мнению, наиболее удачно подходит для наглядного выражения наших представлений.

Рис. 3.3. Положение алгоритмической структуры научного продуктивного мышления в пространстве элементов опыта

В разделе 3.2 было обращено особое внимание на то, что в процессе развития целостного акта продуктивного мышления вплоть до реализации его конечного на сегодняшний день алгоритма (крупные блоки на рис. 3.2) каждый раз, в каждом законченном акте осмысления, проходится весь цикл – начиная с появления сигнала и вызова из памяти соответствующего ему тематического подмножества. Это надо понимать и как развитие алгоритмической цепочки обеспечения конкретного шага конечного алгоритма, и как реализацию в целом последовательности шагов этого алгоритма со всей их предысторией. Так, при установлении физического закона должны быть осуществлены все предстоящие действия языкового характера, связанные с выделением исследуемого явления в его системных взаимосвязях и введением для его описания меры – физической величины. При решении задачи – проделаны те же действия плюс установление необходимого для ее решения закона. Таким образом, алгоритм научно-познавательной деятельности с его доалгоритмическими операциями и «дочерними» алгоритмами представляет собой определенную «реплику», в соответствии с которой последовательно совершаются все предусмотренные этим алгоритмом действия, необходимые для реализации каждого его конкретного шага.

3.6. Запуск процесса продуктивного мышления

   Мы договорились о том, что первый шаг алгоритма научно-познавательной деятельности – «Выделение явления в окружающем мире или внутреннем мире человека» – следует понимать несколько метафорично. Имеется в виду выделение явления не из внешнего мира, а из совокупности отражений явлений в нашем сознании, то есть из совокупности обыденных моделей, их фрагментов и комбинаций, порой достаточно причудливых. Перебор личностью таких моделей во времени принято называть потоком ее сознания. Поток сознания возникает и поддерживается естественным образом в процессе жизнедеятельности личности. Даже в самых неожиданных вариантах своих фрагментов этот поток имеет в своей основе личностный потребностный интерес к отражаемым явлениям. Именно такой характер интереса обеспечивает мотивацию выделения из потока сознания конкретных обыденных моделей для их последующего осмысления и возможного использования личностью результатов этого осмысления.
   Именно с формированием и функционированием потока сознания связан современный кризис «выпадения» физического понимания мира и, следовательно, физики как отрасли науки и предмета образования из культуры.
   Ложное представление о «гуманитарности», которую Л. Гумилев определил как «цитатничество» – бездумное объяснение всего сущего подбором цитат из авторитетных источников – основано на ложном же представлении о множественности «наук», что уже обсуждалось выше, в самом начале второй главы книги. Подобный подход затрудняет выделение явлений из потока сознания для запуска процесса осмысления. Однако инстинкты и связанные с ними потребности берут свое, и хоть что-то выделять да приходится. Так и запускается процедура мышления, которую, в соответствии с общепринятыми в наши дни тенденциями, тянет назвать «гуманитарной». Это стихийный запуск процедуры мышления по мотивации, обусловленной выделением жизненно важных явлений из потока сознания в связи с требованиями основных инстинктов. Далее этот процесс развивается в лучшем случае в направлении продуктивного мышления. Однако это происходит в рамках неосознаваемого, стихийно собранного из обрывков программ и потому некачественного алгоритма и его сверток. С питьем многих литров кофе и других напитков бессонными ночами, с мучительными переживаниями, драмами и трагедиями кое у кого все же получается подумать. Спасибо и на этом.
   А вот «физико-математическая» процедура требует осознанного и целенаправленного выделения явлений для последующего построения их простейших моделей. В соответствии с четвертым – исследовательским – основным инстинктом. Можно «хотеть поесть (что-нибудь)», но нельзя «хотеть (что-нибудь) поисследовать». Все должно быть четко определено. Как тут не вспомнить Анри Пуанкаре: «В математике нет символов для неясных мыслей». А ясность мыслей и простота моделей (связанная с их адекватностью) неразрывно связаны. Отсюда и необходимость четкой реализации в процессе научно-познавательной деятельности всех шагов описанного выше полного алгоритма в его явном виде.
   В социуме соотношение этих двух подходов к запуску процесса осмысления выделенного явления всегда было не в пользу «физико-математического». Сложная многофакторная обыденная модель допускает колебания в выборе решений и, соответственно, пониженный уровень ответственности за принятое решение. Ведь модель-то – ох, какая сложная! Вот большинство и прячется за «гуманитарность»: в представлении этого большинства «там все просто». Да вовсе на просто, а легко – разумеется, только на первых порах, пока еще не пришлось отвечать за выбор решения на уровне простоты, которая, согласно уже упоминавшейся народной мудрости, хуже воровства. А вот предельно простая, более того – грубая, но адекватная модель – что может быть яснее! И увиливать от принятия по-настоящему простого и ясного решения, а также от ответственности становится затруднительным. Так что нормальному обывателю нужно любым способом оправдать отказ от такого коварного подхода. Ну, хотя бы, через фразу «не мое это!».
   Однако соотношение соотношением, а определенная доля здравого смысла все же торжествовала, и физика с математикой занимали должное и уважаемое место в культуре.
   Сейчас ситуация принципиально изменилась. Обилие гаджетов и отсутствие культуры пользования ими в информационных целях в сочетании с трансляцией образованием только результатов познавательной деятельности, а не ее структуры, привели к формированию массовых проявлений клипового мышления. Самостоятельное же выделение структуры становится все более сложным и трудным. Клиповое мышление представляет собой процесс выбора решений на основе использования хранящихся в памяти достаточно мелких информационных фрагментов без понимания их целостности, сущности и причинно-следственных связей между ними. То есть речь идет о преимущественно случайном выборе. Но главное заключается в том, что эти непонимаемые фрагменты чуждого происхождения не могут обеспечивать запуска процесса продуктивного мышления, поскольку не связаны с собственными потребностными состояниями личности. Именно поэтому человек, в норме, уклоняется от решения чужих задач.
   Практика показывает, что большинство наших современников, а в школах и вузах – абсолютное большинство – постоянно находятся в социальных сетях. Сущность этого пребывания так или иначе сводится к просмотру принципиально клиповых лент. В итоге мы имеем дело с вытеснением собственного потока сознания и замещением его чужим потоком сознания. А точнее – потоком клиповых фрагментов разрозненных чужих сознаний. Как уже было отмечено выше, такой поток сознания не связан с собственными потребностными состояниями личности, и потому не может обеспечивать запуск процесса продуктивного мышления. Вот так на массовом уровне общество филетически-эволюционно пришло к ситуации, для которой в сознании большинства людей нет места размышлениям на научно-познавательные темы. Тем более – на требующие четких и достаточно абстрактных модельных представлений. Культура продуктивного мышления не поощряется и не поддерживается в образовательном процессе, являясь, в конечном счете, уделом весьма незначительного меньшинства. Надо отметить, что пока в частных случаях коррекция в принципе возможна [10], особенно —в достаточно развитых малых группах с сильной внешней мотивацией. Однако физика выпала из культуры – как отрасль науки и как образовательный предмет. И то, что она в представлениях обывателей является уделом лишь небольшой кучки затратных для общества чудаков в белых халатах, прячущихся в трубах коллайдеров, только подчеркивает это выпадение.
   Надо ли возвращать физику в культуру? Надо. Ведь культура – это совокупность всех достижений человечества, которые могут быть переданы людям или иным разумным существам. Надежно может быть передано лишь то, что четко. Как математика и физика. Вот и надо передавать. И при этом на такой простоте учиться, как передавать более сложные вещи. То есть все остальное.
   Возвращаясь к алгоритму, представленному на рисунке 3.1, легко увидеть, что структура научно-познавательной деятельности может быть схематически представлена в «свернутом» виде как совокупность последовательно реализуемых блоков:

Последовательность блоков этой цепочки следует понимать так. Потребностное выделение явления из мира следует рассматривать как этакую «празадачу» – «чего-то хочется, но кого – непонятно». Поэтому «ЯЗЫК» является средством устрожения, да что там – вообще постановки задачи. «ЗАКОН» определяет возможность ее решения. А блок «ЗАДАЧА» следует понимать как «собственно процедуру решения» корректно поставленной и имеющей решение задачи.
К выявлению описанного выше алгоритма подтолкнула необходимость здравого подхода к изучению физических явлений в общеобразовательном курсе физики [12]. Поэтому дальнейшее рассмотрение смысла физических представлений и его формирования, на мой взгляд, надо проводить в рамках именно такой, обоснованной выше, последовательности.

Литература к главе 3

   1. Анохин, П. К. Биология и нейрофизиология условного рефлекса [Текст] / П. К. Анохин. – М.: Медицина, 1968. – 546 с.
   2. Бернштейн, Н. А. О построении движений [Текст] / Н. А. Бернштейн // Биомеханика и физиология движений / Под редакцией В. П. Зинченко. – 2-е изд. – Воронеж: НПО «МОДЭК», 2004. – С. 7—380.
   3. Богоявленская, Д. Б. Психология творческих способностей: монография [Текст] / Д. Б. Богоявленская. – Самара: Издательский дом «Федоров», 2009. – 416 с.
   4. Большой психологический словарь [Текст] / сост. и общ. ред. Б. Мещеряков, В. Зинченко. – СПб.: прайм-ЕВРОЗНАК, 2005. – 625 с.
   5. Выготский, Л. С. Мышление и речь. Психологические исследования [Текст] / Л. С. Выготский. – М.: Лабиринт, 1996. – 416 с.
   6. Лурия, А. Р. Лекции по общей психологии [Текст] / А. Р. Лурия. – СПб.: Питер, 2004. – 320 с.
   7. Новоженов, Ю. И. Филетическая эволюция человека [Текст] / Ю. И. Новоженов. – Екатеринбург: Банк культурной информации, 2005. – 112 с.
   8. Теплов, Б. М. Ум полководца [Текст] / Б. М. Теплов. – М.: Педагогика, 1990. – 208 с.
   9. Фролов, А. А. Соотношение алгоритмизации и эвристики при формировании и трансляции научного знания [Текст] / А. А. Фролов, Ю. Н. Фролова // Образование и наука. – 2007. – №5 (47). – С. 11—21.
   10. Фролов, А. А. Культура умственного труда [Текст]: учебное пособие / А. А. Фролов, И. А. Черняев. – Екатеринбург: УГМУ, 2014. – 140 с.
   11. Фролов, А. А. Технология интеллектуального образования [Текст] / А. А. Фролов. – Екатеринбург: Раритет, 2014. – 180 с.
   12. Фролов, А. А. Язык, закон, задача в курсе физики средней школы [Текст]: учебно-методическое пособие для учителей и учащихся старших классов / А. А. Фролов. – Екатеринбург: Банк культурной информации, 2003. – 96 с.
   13. Холодная, М. А. Психология интеллекта: парадоксы исследования [Текст] / М. А. Холодная; 2-е изд., перераб. и доп. – СПб.: Питер, 2002. – 271 с.
   14. Эфроимсон, В. П. Генетика гениальности [Текст]: биосоциальные механизмы и факторы наивысшей интеллектуальной активности / В. П. Эфроимсон – М.: Тайдекс Ко. 2002. – 376 с.

Глава 4. Язык физики

В окружающем мире и внутреннем мире человека непрерывно что-то происходит. Происходят изменение или неизменение чего-либо. Эти процессы «со-бытуют», то есть сосуществуют, с нами. Значит, они являются событиями относительно нас, и мы эти события можем рассматривать. Или не рассматривать – это как нам будет угодно или насколько обстоятельства заставят нас это делать. Событием называется то, что сосуществует с познающим субъектом в пространстве и во времени. Изменение положения тела в пространстве – событие. Сам факт существования тела – тоже событие. Мы систематически занимаемся исследованием процессов, протекавших ранее (или ожидаемых позже) интервала реального времени, в котором мы эти процессы рассматриваем и обсуждаем. Для этого мы смещаем наше сознание в соответствующий интервал времени, в котором мы окажемся «со-бытующими» с рассматриваемыми процессами. А эти процессы и еще многие другие становятся для нас событиями. Но «многие другие» не представляют для нас интереса, они отсутствуют в зоне нашего внимания ввиду неприоритетности связанных с ними задач. Эти события неявны для нас. В то время как за приоритетными для нас событиями мы заинтересованно и внимательно следим. В русском языке такое слежение традиционно называется блюдением, или наблюдением. В результате наблюдения конкретные события становятся явью, явными для нас – то есть они являются нам, познающим субъектам, в наблюдении. Поэтому такие события мы называем явлениями.
Здесь мы сталкиваемся с неточным словоупотреблением, размывающим сущность физического мышления, препятствующим пониманию физики как отрасли науки и блокирующим осознанную научно-познавательную деятельность, структура которой определяется алгоритмом, приведенным в предыдущей главе на рис. 3.1. Традиционно в учебной литературе физической направленности под «явлениями» понимаются исключительно процессы, связанные с изменениями способа существования объектов исследования во времени. Движение тел, распространение звука, изменение нагретости, испускание и поглощение света… Сам же факт наблюдения объектов, участвующих в процессах, описывается как наличие «предметов» («вещей») – отдельных частей материальной действительности, обладающих относительной независимостью и устойчивостью существования. Это заблуждение приводит к подсознательному раздвоению не только массива объектов, но и методологии исследования. В то же время достаточно очевидно, что исследование объекта вне взаимодействия его с другими объектами просто невозможно. А наблюдаемая неизменность во времени того или иного объекта или совокупности объектов, вне всякого сомнения, тоже процесс. Поэтому в сущностном и психологическом отношениях единственно корректным подходом следует считать отнесение любых наблюдаемых объектов к «явлениям».

4.1. Понятийность научного мышления

   Вернемся к алгоритму научно-познавательной деятельности, то есть к алгоритму научного продуктивного мышления. В чем состоит сущность выделения явления из мира? Прежде всего, тем или иным способом в процессе наблюдения познающим субъектом ощущается определенное явление, вызвавшее интерес. Человеческое сознание способно единовременно воспринимать весьма ограниченный объем информации. Поэтому в процессе мышления представление исследуемой системы огрубляется путем учета только определенных граней явления, наиболее важных для субъекта познавательной деятельности в данный момент времени. Мышление носит принципиально модельный характер, то есть оно оперирует не явлениями, а их моделями, создаваемыми сознанием в соответствии с индивидуальными особенностями восприятия нами этих явлений. Модель может быть определена как упрощенное, идеализированное представление о наиболее существенных для субъекта наблюдения сторонах явления [3]. Под «упрощением», впрочем, как и «идеализацией», в данной ссылке следует понимать уже упомянутое огрубление представления явления. Такое огрубление может быть вынужденным ввиду недостаточности информации, а может быть и осознанно целенаправленным. Область адекватности при этом в любом случае сужается, однако появляется возможность выделения для изучения наиболее существенных, с точки зрения субъекта наблюдения, сторон явления, что повышает уровень обобщения.
   Таким образом, то, что запечатлело наше сознание в результате наблюдения явления, в любом случае есть его модель, которую разумно назвать обыденной. Чаще всего изначально она слишком сложна для физической модели как частного случая научной модели, потому что содержит элементы восприятия, несущественные и потому избыточные относительно физической сущности рассматриваемого явления. Оборот «физическая сущность» здесь – не что иное, как акцентирование внимания на определенном аспекте перехода от обыденной модели к научной. До создания физической модели еще далеко, однако то, что мы уже имеем дело с моделью какой-то грани действительности, необходимо осознавать.
   Формирование модели в сознании происходит в результате игнорирования частных особенностей явления, несущественных для субъекта процедуры наблюдения. Из этого следует, что:
   а) особенности наблюдаемого явления необходимо классифицировать, разделяя их по уровню существенности для проводимого рассмотрения;
   б) формирование модели, то есть огрубление представления о явлении, есть обобщение ряда представлений о группе родственных по существенным классификационным признакам явлений.
   Форма мышления, соответствующая модельному обобщению, называется понятием. Мышление в понятиях является высшей формой интеллектуальной деятельности [1, С. 52]. Такое мышление дает понимание действительности, понимание других и понимание себя [1, С. 67]. Наука, по определению, предполагает доступность принадлежащих ей результатов для всех людей и возможность передачи содержания мышления как любого другого продукта деятельности от человека к человеку. Ранее мы определили соответствующий этому тип мышления как продуктивный. И отличили от него практическое мышление как направленное непосредственно на реализацию практической деятельности вне связи с осознанием процесса и содержания мышления.
   Обмен участников научно-познавательного процесса продуктами мыслительной деятельности требует соответствующего – продуктивного – мышления. Утверждение, что продуктивное мышление может быть только понятийным, отражает необходимость возможности однозначной и неискаженной передачи понятий. Указанное требование может быть обеспечено только средствами языка, то есть знаковой системы, подчиняющейся определенным законам.
   Модель и понятие находятся в неразрывном единстве: понятие – это частный случай модели. Возникающие в обыденном мышлении представления о синонимичности понятия и модели обусловлены, по-видимому, естественным для этого уровня мышления непониманием сущности модели. Корректной, то есть допускающей осмысление, является только такая модель, для которой четко заданы границы упрощения, пределы пренебрежения несущественными деталями. Поэтому необходимо уметь вводить эти пределы, определивать, определять понятия и по мере необходимости представлять их в языковой, более того – именно в словесной (вербальной) форме. В таком случае «определить понятие» – это значит выразить в словах сущность (смысл) того, о чём мы говорим. Если основные понятия в рамках обсуждаемой темы не определены, то понять, о чем идет речь, принципиально невозможно. Это относится, в первую очередь, к познавательной, особенно – научно-познавательной деятельности. В том числе, к физике – и как к отрасли науки, и как к предмету образовательных программ. Проявляющееся порой в обыденном сознании отрицание физики вплоть до отвращения к ней принципиально обусловлено полным непониманием того, о чем вообще идет речь. В первую очередь – непониманием языка, на котором мы говорим между собой о природе, языка наших моделей проявлений природы. В том числе – языка физических моделей.
   Чрезвычайно важно то, что понятие нельзя усвоить, как на это часто указывается в педагогической и психологической литературе. Обыденные модели, а точнее – модели в обыденном мышлении, имеют слишком размытые границы. Это делает такие модели в области границ настолько индивидуально-личностными, что достаточно адекватная трансляция обыденных моделей и являющихся их следствиями понятий становится принципиально невозможной. Поэтому понятие как таковое можно только сформировать все на том же индивидуально-личностном уровне. Отсюда – столь распространенное в обыденной речи «это для каждого свое». В научно-познавательной деятельности, то есть в научно-исследовательском и образовательном (соответствующим понятийному периоду развития личности) процессах, речь идет о формировании научной модели и соответствующего ей понятия. В таком случае сформировать понятие – означает ввести его определение. Иллюстрацией соотношения понятия и его определения может служить образ типичного для праздников и дискотек шара, покрытого зеркальными гранями. Понятие, отражающее обыденную модель как обобщение во всем своем многообразии, соответствует шару в целом с достаточной неопределенностью границ составляющих его поверхность зеркальных осколков. В то же время определению на уровне научной модели подлежит только отчищенная от нечеткости границ конкретная грань этого понятия (шара). То есть введением научного определения понятия мы отражаем конкретную грань понятия, являющегося следствием обыденной модели. Передать понятие, связанное с обыденной моделью, одновременно во всем его многообразии невозможно. Однако не только возможно, но и необходимо однозначное научное определение его грани, представляющей для субъекта научно-познавательной деятельности интерес в данной ситуации.
   Всё сказанное категорически опровергает два чрезвычайно вредных заблуждения.
   1. На уровне обыденного сознания распространено мнение, что не всякое явление может быть понятийно оформлено и, тем более, понятийно определено. Это не так: модельное представление любого явления автоматически оформляется понятийно (поскольку мыслим мы модельно, а модель неразрывно связана с соответствующим понятием). Следовательно, в дальнейшем развитии познавательного процесса любое явление может быть осознано в виде научного модельного представления – вербального, образного или аналитического. Тогда понятийно оформленное в определении такое представление пригодно для трансляции субъектом мыслительной и, в частности, научной, деятельности другим людям.
   2. На уровне обыденного сознания часто абсолютизируется тезис о том, что введение определения понятия обедняет сущность явления, делая его рассмотрение «плоским», фрагментарным. Заблуждение состоит в том, что фрагментарность имеет место не в пространстве событий в целом (соответствующем ментальному пространству человека), а во времени. Она неизбежна, так как единовременно в принципе возможно осознанное рассмотрение только одной грани явления, на которой потребностно сфокусирован интерес познающего субъекта. Объемность же представлений о явлении в пространстве событий достигается последовательным во времени накоплением однозначных определений его граней.
   Для понимания физики принципиально важно избежать этих заблуждений. Более того – важно все время противостоять им как в процессе собственной индивидуально-личностной научно-познавательной деятельности, так и в процессе трансляции этой деятельности и ее результатов.
   Литературные источники заполнены (настолько, что нет смысла приводить ссылки) указаниями на возможность введения определений понятий с использованием в качестве основы этой деятельности родо-видовых отношений. Этот совершенно очевидный терминологический анахронизм настораживает. Во-первых, двухуровневой примитивностью классификации, лежащей в основе такого определения понятий. Во-вторых, неопределенностью терминов «род» и «вид» и их несоответствием сегодняшнему научному понятийному наполнению. Оказывается, что родо-видовые представления исходят от… Аристотеля. По Аристотелю: «видом называю то в каждом, что оно (собственно) есть и первая сущность». Род же есть «существенно всеобщее в отдельных вещах». Таким образом, род понимается как общая философская характеристика группы явлений с общими существенными свойствами, несущественные свойства которых отличаются друг от друга. Положительным в таком «родо-видовом подходе к определению понятий» является понимание того, что в основе определения в принципе лежит система классификации явлений. Отрицательным, вплоть до подозрения наших современников в необразованности, оказывается то обстоятельство, что данная система была предложена более двух тысяч лет назад. С тех пор наука не стояла на месте, и, опираясь на фундамент, заложенный великим Аристотелем (в частности, в рамках принципа соответствия теории познания) продвинулась довольно далеко вперед. Почему-то никому не приходит в голову трактовать восьмеричный путь Гелл-Манна или таблицу Менделеева с позиций Аристотеля. А вводить определения понятий по Аристотелю – приходит многим нашим современникам. С соответствующими результатами.
   Как уже говорилось, наряду с биологической эволюцией в привычном для всех представлении – масштабной, сопровождающейся видообразованием и вымиранием видов, постоянно и непрерывно идет процесс филетической эволюции [2]. Такая эволюция происходит под действием движущего отбора и не приводит к обособлению дочерних видов. Применительно к человеку, в результате филетической эволюции происходят генетически транслируемые частные изменения в организмах людей. Преобразуются, вовсе исчезают или появляются, например, отдельные соединительнотканные образования. Иными становятся на статистически значимом уровне черты лиц, фигуры. Однако, как уже было отмечено в предыдущей главе, филетическая эволюция проявляется не только на органическом уровне, но и в мышлении. Так, форма головы и число пальцев остаются прежними, а процессуальная структура мышления (как следствие – его содержание и результаты) со временем изменяется в результате воздействия социальных факторов и, прежде всего, образования. В основном это касается познавательно ориентированного мышления, ответственного за выживание вида в ходе прогрессивных и регрессивных изменений условий его существования в процессе развития. В конечном счете эволюционно формируются особенности научно-познавательного мышления. Такое мышление неразрывно связано с понятийностью, а понятийность в высшем научном проявлении на уровне определений понятий – прежде всего с классификационными возможностями разума. Поэтому филетическая эволюция мышления включает в себя как часть процесса развитие и совершенствование системы классификации. Ну а эта система, в порядке положительной обратной связи, содействует развитию и совершенствованию мышления. Здесь следует отметить необходимость единственности и универсальности классификационной системы, удовлетворяющей требованиям принципа соответствия на каждом этапе ее развития, поскольку она лежит в основе научного мышления в целом. Именно поэтому на уровне коллективного бессознательного ее преподавание было введено в систему общего образования. Это реализуется в рамках образовательного предмета «Биология» – прежде всего в силу принципа историзма. Ну и на бытовом уровне люди традиционно чаще сталкиваются с классификацией живого, нежели с классификацией минералов, транспорта или манеры живописи.
   Послеаристотелевский этап развития классификационной системы связывают обычно с именем Карла Линнея. Его заслуги несомненны, но современный вид этой системы достаточно далек от линнеевского. Схематически современная классификационная система на примере классификации живого представлена на рис. 4.1.

   Рис. 4.1. Схематическое представление современной классификационной системы на примере классификации живого

   «Верхняя», крупноблочная, часть классификационной системы указывает на происхождение явления. То есть отвечает на вопрос: «Откуда это явление произошло?» Блок «таксон» (обозначенный пунктиром) определяет явление, отвечая на вопрос: «Что это такое?». «Определить явление» – означает «ввести определение понятия, соответствующее явлению в его модельном представлении». Поэтому в приведённом примере: «Щеглом сибирским называется птица отряда Воробьинообразные, семейства Вьюрковые, рода Щеглы». Однозначно: спутать с любым другим животным невозможно.
   Любая развитая классификация неизбежно содержит в себе таксон как единицу классификации. Согласно «Лингвистическому энциклопедическому словарю», лингвистика, в сущности, состоит из двух крупных разделов: математической лингвистики и таксономической лингвистики. Мы живём, мыслим и действуем в условиях, описание которых определяется таксономической лингвистикой. Следовательно, согласно её назначению и требованиям, именно таксон является классификационной основой определения понятия, связанного с тем или иным явлением. Здесь совершенно отчетливо видно, что таксон не сводится к роду и виду. Эти два классификационных уровня таксона в современном их понимании настолько близки, что не могут быть основой классификации.
   На основе структуры таксона можно построить универсальный алгоритм введения определения понятия [4].
   «Вид» – это то, что мы видим, что подлежит определению. «Видовой» принадлежности любого явления соответствует его название. Называя явление, денотат (от латинского denotatum – «подлежащее называнию»), следует позаботиться о соответствии названия сущности явления. Если явление уже имеет название, полезно узнать и понять происхождение этого названия, то есть провести его этимологический анализ. Цель такого анализа – возможность учета опыта человечества, проявившегося в назывании данного явления, при распределении его признаков по сложившимся на сегодняшний день уровням классификации.
   Аристотелевское «существенно всеобщее в отдельных вещах» в рамках представления о таксоне соответствует классу явлений, к которому мы относим конкретное рассматриваемое явление. Класс явления есть словесное выражение главных, сущностных черт простейшей, наиболее грубой модели этого явления. Определение класса явления, выявление его сущности – как правило, самая трудная часть введения определения понятия.
   «Отряд», «подотряд» и «семейство» приведенного на рис. 4.1 примера классификации характеризуют разного уровня общие характерные признаки рассматриваемого явления, независимо от их направленности. Поэтому в формируемом «понятийном таксоне» «отряд», «подотряд» и «семейство» можно рассматривать как один объединённый шаг алгоритма введения определения понятия – шаг «определение общих характерных признаков явления».
   Далее следуют отличительные признаки явления: в современном понимании они являются как видовыми, так и родовыми. Поэтому столь близкие уровни таксона «род» и «вид» в определении понятия объединяются как отличительные признаки явления в «понятийном таксоне».
   В итоге алгоритмическую структуру таксона как единицы классификационной системы можно представить в виде алгоритма введения определения понятий.

Рис. 4.2. Иллюстрация перехода от структуры таксона к алгоритму введения определений понятий [4]

   Рис. 4.3. Схематическое (фреймовое) представление алгоритма введения определения понятия [4]

   Здесь цифрами в скобках обозначены номера шагов алгоритма, то есть технологический порядок действий, направленных на введение определения понятия.
   Таким образом, можно предложить множество определений понятия, соответствующего одному и тому же слову, с учётом любого направления интереса к явлению. Понимание всех друг другом обеспечивает построенная таким образом процессуальная структура определения понятия. Необходимо понимать и помнить, что эти определения должны вводить заинтересованные люди (адресанты) для формирования речевых высказываний, имеющих целью совместное с другими людьми (адресатами) понимание предмета обсуждения.
   Введение определений понятий представляет собой пошаговое исполнение полученного выше из таксономических соображений алгоритма введения определения понятия. Технологические детали такого исполнения и соответствующие примеры рассмотрены в специальных работах [4, 5]. Здесь же мы рассмотрим принципы и примеры введения физических и других понятий, необходимых для понимания физики как отрасли науки.

4.2. Введение определений физических понятий

   Хорошо известно, что «физика» происходит от греческого physis – «природа». Отсюда, как правило, и начинаются все сложности взаимоотношений людей с физикой. Подумать только: есть «наука», которая разбирается в природе. То есть в падении камней, размножении мышей, цветении яблонь и всем остальном. Это же с ума можно сойти, какая она умная! Нет, нормальному человеку это не по силам. С другой стороны, стараниями не очень грамотных «популяризаторов» физики мы все время сталкиваемся с речевыми оборотами типа «физика в природе», «физика на кухне», «физика дома»… Да нет там никакой физики. Физика – это научное средство описания простейших моделей определенного круга явлений, наблюдаемых в природе. Физика существует только в сознании человека и, следовательно, в общественном сознании. То есть в голове человека, но никак не на его кухне. Неточное словоупотребление с самого начала блокирует и мотивацию в отношении изучения физики, и ее понимание как отрасли науки. Так что для начала необходимо четко определить, что же такое физика и чем именно она занимается.
   Исследуя мир, мы рано или поздно обращаем внимание на то, что мы до сих пор в принципе из него не выделяли, не наблюдали. Точнее, на то, что мы до сих пор в своих модельных представлениях не обобщали на определенном уровне. Например, мы вдруг замечаем, что камень мы можем ощутить пальцами, то есть осязанием, а ангела – не можем. И вот тогда мы классификационно выделяем из потока сознания модели этих ощутимых явлений, чтобы выработать общий подход к исследованию последних. Таким образом, мы сталкиваемся с обширным классом явлений, на которые указываем, выделяя их из отражения мира в потоке сознания – классом «то, что». Что ассоциируется с тактильными ощущениями? Скорее всего, «мять», «тискать», отсюда – «тесто» и общеславянское «тело». И вот теперь воспользуемся алгоритмом введения определений понятий. Итак, по шагам, намеченным в предыдущем разделе (рис. 4.3).
   1. Физическое тело.
   2. От общеславянского «тело», происшедшее от «тискать», «тесто» и греческого «физис» – «природа»; в итоге – «природное ощутимое».
   3. То, что.
   4. Можно ощутить при помощи органов чувств человека.
   5. Непосредственно.
   А теперь, в рамках технологии введения определений понятий [4, 5], соберем все это в норме языка в единое определение, «сборку». При этом учтем, что этимологический анализ уже выполнил свою задачу и в сборке не участвует.
   СБОРКА: Физическим телом называется то, что можно ощутить непосредственно при помощи органов чувств человека.
   Но все же есть в окружающем мире и такое, что явно существует и воздействует, однако ощутить своими органами чувств мы его не можем. «Оно» размазано в пространстве и, если наблюдается, действует в каждой его точке. Как в каждой точке поля растет какая-нибудь травинка. Из-за этого травянистого поля математики называют полем величины пространство, в каждой точке которого однозначно определено значение этой величины. С величинами мы разберемся позже, но здесь понятно, что в каждой точке пространства мы можем в принципе измерить воздействие этого «нечто», неуловимого органами чувств. Например, где бы мы ни поместили железную крошку, она будет более или менее заметно притягиваться магнитом. Где бы мы ни поместили вблизи Земли камешек, на него будет более или менее заметно воздействовать Земля. Поэтому можно говорить о поле реальных природных воздействий, то есть о физическом поле. Мы его не можем ощутить при помощи органов чувств, но наблюдаем его воздействие на преднамеренно вносимые в него нами физические тела. Тогда эти тела – приборы, при помощи которых нам все же удается ощутить явление, прибрать, то есть собрать необходимую информацию о нем. Ну что же, введем определение физического поля.
   1. Физическое поле.
   2. От древнерусского «полъ» – «открытый» и греческого «физис» – «природа».
   3. То, что.
   4. Можно ощутить.
   5. Только при помощи приборов.
   СБОРКА: Физическим полем называется то, что можно ощутить только при помощи приборов.
   Если в зоне нашего внимания возникает что-либо такое, чего нельзя ощутить ни органами чувств, ни приборами, то это не имеет отношения к природе, то есть к физическим явлениям. Это может быть религия, психиатрия, но никак не наука и, в том числе, не физика. Так что все возможные явления на уровне простейших, «грубых», моделей можно свести к взаимодействию физических тел и физических полей. Отсюда и сложилась физика как отрасль науки, «ручка», которая ощупывает грубый рельеф картины мира. Грубый – именно в смысле простоты и первичности модельных представлений. Ощупывание рельефа осуществляется посредством наблюдения взаимодействий рассматриваемых явлений. В данном случае – взаимодействий физических тел и физических полей. Вглубь, в сложность – в химию, биологию, психологию, социологию – это потом. Там и взаимодействия будут рассматриваться другие. А сейчас – физика.
   1. Физика.
   2. От греческого «физис» – «природа».
   3. Отрасль науки.
   4. Изучающая взаимодействия.
   5. Физических тел и физических полей.
   СБОРКА: Физикой называется отрасль науки, изучающая взаимодействия физических тел и физических полей.
   Вот и все. И никаких мышей и цветения яблонь. А также браков, разводов и черт характера. И пусть кто-нибудь скажет, что это не предельно просто.
   Выше было отмечено одно чрезвычайно важное обстоятельство, связанное с понятийным обеспечением научно-познавательной деятельности, в частности, в области физики. В тот момент времени, когда произошло выделение явления из мира (первый шаг алгоритма научно-познавательной деятельности), в нашем сознании сформировался неразрывный комплекс «понятие – модель явления». Та составляющая этого комплекса, которую мы воспринимаем как модель, не является физической или какой-либо иной научной моделью. Это было отмечено еще в начале данного раздела книги. Такая модель просто отражает грань явления, вызвавшую наш интерес как форму проявления познавательной потребности, потенциально связанную с осознанием целей деятельности. Поэтому при введении определений понятий необходимо различать обыденную модель, являющуюся результатом выделения явления из мира, и научную, в частности – физическую, модель, являющуюся результатом части научно-познавательного процесса, описываемого алгоритмом, представленным на рис. 3.1. Если формирование модели первого типа соответствует первому шагу алгоритма, то формирование модели второго типа завершается седьмым его шагом.
   Примерами определения понятий, соответствующих модели первого типа, являются определение понятия «физическое тело» (равно как и «физическое поле») и других, производных по отношению к нему, понятий.
   1. Рычаг.
   2. От диалектального немецкого «ритштанге» – «вращающаяся палка».
   3. Физическое тело (твердое).
   4. Имеющее ось вращения.
   5. Неподвижную.
   СБОРКА: Рычагом называется твердое физическое тело, имеющее неподвижную ось вращения.
   Определенная размытость наглядного представления, делающая невозможным математическое описание явления, не позволяет отнести эту модель к физическим моделям. Физическая модель должна быть более конкретной и простой, то есть содержащей минимум произвольных допущений (в том числе в отношении формы и других характеристик, определяемых условием конкретной задачи).
   1. Рычаг.
   2. От диалектального немецкого «ритштанге» – «вращающаяся палка».
   3. Математическая модель физического тела.
   4. Имеющего ось вращения.
   5. Неподвижную.
   СБОРКА: Рычагом называется математическая модель физического тела, имеющего неподвижную ось вращения.
   Такая модель уже допускает формулирование соответствующего закона (восьмой шаг алгоритма научно-познавательной деятельности) и дальнейшие шаги научного осмысления явления. Таким образом, в процессе научного мышления модель претерпевает изменения, восходя от достаточно размытой исходной модели, соответствующей обыденному представлению наблюдаемого явления, к предельно простой физической (математической) модели, позволяющей понять сущность этого явления.
   Некорректное определение физической модели приводит, с одной стороны, к принципиальному непониманию сущности явления, поскольку эта сущность может оказаться скрытой его второстепенными признаками. С другой стороны, для человека, репродуктивно воспринимающего некорректные готовые определения физических моделей, не формируется описанный выше последовательный подход к их развитию в направлении простоты и, следовательно, адекватности. В результате блокируется осознанное формирование адекватных моделей действительности вообще, что, в конечном итоге, препятствует развитию и успешности личности. Примером описанной некорректности могут служить часто встречающиеся (в том числе – в учебниках физики) определения материальной точки как «тела» или «понятия». Понятие, как уже выше было показано, не является физической моделью. Тело можно ощутить: обычно при рассмотрении некорректного определения материальной точки как тела я предлагаю учащимся, учителям и студентам принести мне ее за серьезное вознаграждение. В таких случаях достаточно быстро приходит осознание невозможности выполнения такого задания, а за ним – и осознание принадлежности материальной точки к физическим моделям. Введем корректное определение этого понятия.
   1. Материальная точка.
   2. От латинского «materia» – «вещество, субстрат» и «точка» – от «тыкать», наносить укол (математический объект, не имеющей измерений).
   3. Математическая модель.
   4. Физического тела.
   5. Геометрическими размерами которого можно пренебречь в условиях данной задачи.
   СБОРКА: Материальной точкой называется математическая модель физического тела, геометрическими размерами которого можно пренебречь в условиях данной задачи.
   Термин «простейшая физическая модель» является достаточно неопределенным и допускающим произвол в установлении уровня (уровней) простоты. В то же время математическая модель является простейшей по определению, поскольку она предельно абстрактна, то есть совершенно свободна от частностей, не допускающих однозначного математического описания.
   Вообще неопределенность физических моделей в литературе и в образовательном процессе трансляции физического знания препятствует формированию этого знания и пониманию простоты физики. Так, например, традиционным является непонимание того обстоятельства, что в природе нет электронов. Есть некая материальная сущность, которая определенным образом ведет себя в процессе наблюдения. В результате наблюдения мы обобщаем поведение этой сущности с уже имеющимися у нас прецедентами. В качестве условия возможности дальнейшего осмысления данной сущности (явления) формируется его обыденнаямодель: «электрон» как малая частица вещества с определенными свойствами и вытекающими отсюда последствиями в подходе к научному рассмотрению явления. Эта модель не имеет однозначного математического описания и потому не может быть отнесена к физическим моделям.
   С большим трудом прочитав на третьем курсе университета книгу Д. Иваненко и А. Соколова «Классическая теория поля (новые проблемы)» и, как мог, постаравшись понять написанное в ней, я был потрясен. Оказывается, электрон – вроде бы частица, но не вещества, а некой «смеси» вещества с полем. Какая интересная частица! И соотношение вещества и поля в этой модели составляет один из важнейших предметов обсуждения в умной толстенькой книге. А вот это уже – физическая модель, конкретная в своем математическом описании. Так же, как физической моделью является «точечный электрон» Л. Д. Ландау. То есть и в случае электрона мы имеем дело с восхождением от обыденной модели к физической. Модели формируются (именно формируются, а не выбираются из «как бы готовых») в соответствии с конкретным развитием процесса решения научно-познавательных задач, возникающих в результате выделения явления из отражений мира в потоке нашего сознания.
   Одним из важнейших, базовых, понятий физики является понятие «состояние». Как-то молчаливо предполагается, что это понятно всем. В то же время практика показывает, что здесь достаточно далеко до понимания, вследствие чего столь же непонятными становятся и описывающие состояние физические величины. Этимологически «стоять» означает «существовать». Соответственно, «состоять» – «сосуществовать», существовать вместе, единовременно – рассматриваемое явление (рассматриваемая система) и субъект познавательной деятельности. Совершенно очевидно, что, говоря о таком сосуществовании, мы стремимся его описать. Отсюда – класс явления «состояние»: «способ описания». Способы описания могут быть совершенно разными и касаться чего угодно. Мы нуждаемся в описании «существования системы» – это общий характерный признак явления «состояние». Наконец, мы рассматриваем физическую сторону наблюдаемых явлений, следовательно, и состояния рассматриваем физические. Это в данном случае – отличительный признак явления «состояние». В итоге: состоянием (в физике) называется способ физического описания существования системы.
   Из проведенного рассмотрения, я полагаю, достаточно убедительно следует, что физическое понимание наблюдаемого явления с необходимостью требует четкости его физической, то есть в явном виде осознанно математически описываемой, модели. И, соответственно, однозначного определения понятия, обеспечивающего возможность такого описания.
   Все сказанное в этом разделе в полной мере относится не только к собственно физическим понятиям, но и к понятиям других отраслей науки, необходимым для формирования и понимания физических представлений. Так, не определив химического понятия «вещество», невозможно построить стратегию и тактику углубления физических представлений о его строении. Не определив понятия «окружность», невозможно понять физику движения по окружности. И нет ограничения круга таких примеров.
   Как только мы переходим к математически представимым физическим моделям, необходимо вспомнить, что математикой называется отрасль науки, изучающая величины в их соотношениях. Поэтому, с одной стороны, необходимо понять общий подход к введению физических величин, которыми оперирует в физике математика. С другой стороны, многие физические понятия для введения их определений требуют предварительного введения необходимых физических величин. Так, например, физическое понятие «электрический ток» невозможно определить, не введя предварительно величины «электрический заряд».

4.3. Введение физических величин

   Обратимся к алгоритму научно-познавательной деятельности, представленному на рис. 3.1. После того как на уровне комплекса «понятие – модель явления» произошло выделение из потока сознания явления, подлежащего исследованию, необходимо выбрать систему, в которой оно будет рассматриваться. Ведь не существует в принципе изолированных явлений. Системой называется совокупность взаимодействующих между собой элементов, отличающаяся свойствами или функциями, которых нет ни у одного из этих элементов. Наблюдать явление мы можем только в его взаимодействии с другими явлениями-элементами выбранной системы. Выбор системы происходит на уровне введения определения понятия, отражающего модель интересующего нас явления. Класс, к которому мы относим явление при его классификации, очерчивает круг возможных элементов системы, в которой следует рассматривать явление. Например, при рассмотрении явления «молния» классом служит «атмосферное явление». К этому классу принадлежит достаточно много явлений – ветер, дождь, снег, молния, гром и другие. Общие характерные признаки исследуемого явления – это его принадлежность к тем явлениям, которые мы выбираем из указанного классом круга для ограничения рассматриваемой системы и уточнения связей между такими явлениями. В нашем примере речь идет о поверхности Земли, облаке (туче) и воздухе с их электрическими состояниями. Отличительными признаками системы являются ее свойства, которыми обусловлено исследуемое явление. Сюда относится, например, свойство воздуха при определенных условиях проводить электрический ток. Процессы и результаты взаимодействия элементов системы отражают причинно-следственный характер связей между этими элементами. Таким образом, выбор системы, в которой мы рассматриваем явление, в сущности, представляет собой выявление (по крайней мере, на уровне гипотезы) причинно-следственных связей, обусловленных свойствами системы в целом.
   В итоге исследовательская деятельность направлена на изучение либо самого явления (например, электрического разряда в соответствии с определением явления «молния»), либо свойств системы, обусловливающих это явление (например, ионизованность воздуха). Но в любом случае исследование требует возможности количественной оценки рассматриваемых явления или свойства для описания изменений, происходящих в системе. Такая оценка вводится на основе предельно общего понятия, отражающего наиболее существенные стороны действительности в их соотношениях. Понятие этого уровня называется категорией (от греческого kategoria – высказывание, признак). Одной из важнейших категорий является мера. Мера конкретного явления или свойства, принадлежащих к определенной группе сущностно сходных явлений или свойств, называется величиной. В качестве примера можно привести меру линии. Важнейшей характеристикой любой линии является ее протяженность в соответствующем пространстве. Согласно В. И. Далю, «протяжение вдоль, долинá, должинá» есть не что иное, как «длина». Таким образом, длиной называется величина, являющаяся мерой протяженности линии. Эта мера универсальна и единственна для всех людей. Единицы длины являются результатом эталонирования меры. Таких эталонов может быть множество – метр, аршин, фут, дюйм, ярд, дальность полета стрелы, выпущенной Робином Гудом на заре в безветренную погоду на равнине в южном направлении при отсутствии зрителей. И много других, о которых знают лишь индейцы южноамериканской сельвы, бушмены и австралийские аборигены. Можно установить и обнародовать соотношения между единицами длины. Но нельзя изменить самой длины как меры.
   Мера применима только для описания модели. Так, взвешивая на рычажных весах зеленый металлический шарик, мы измеряем только его массу, но не цвет и не состав. А это уже модель.
   В физике, при рассмотрении физических явлений или свойств, используются физические величины. Физическая величина есть мера физического явления или физического свойства. Конкретные значения каждой физической величины могут быть измерены в различных единицах. Но это не принципиально, о единицах мы всегда сможем договориться. А вот что именно и зачем измерять, а также как математически описывать – это всеобщий инструмент понимания сущности явления или свойства и их описания.
   Итак, мы пришли к тому, что, руководствуясь алгоритмом научно-познавательной деятельности (рис. 3.1), выделили наблюдаемое явление из потока сознания, представили его на уровне обыденной (не физической) модели и определили понятие, соответствующее этой модели. Далее мы выбрали систему явлений, в которой это выделенное явление будем рассматривать. Поведение исследуемого явления в системе будет определяться действующими в ней причинно-следственными связями, обусловливающими, в конечном итоге, свойства системы. Для завершения описания явления на языке физики осталось только ввести меру физического явления или физического свойства, то есть физическую величину.
   Здесь впервые в полной мере проявляется непонимание подавляющим большинством людей сущности физического познавательного процесса. По умолчанию ими предполагается, что величины «кто-то придумал» и их можно только запомнить в привязке к конкретным физическим явлениям или физическим свойствам. В существенной мере в результате такого подхода развивается еще худший сценарий, принципиально блокирующий понимание не только языка физики, но и физики как отрасли науки в целом. Возникает путаница величин, свойств и явлений. Отсюда представления об электрическом заряде как явлении либо свойстве, существующем в природе; о колебании как «виде движения»; о ветре как «движении воздушных масс» и еще множество других представлений, столь же нелепых и принципиально разрушительно влияющих на формирование и адекватность научного физического мышления. Именно так возникали модели (и, следовательно, теории) флогистона и эфира, не говоря уже о «потоках энергии в природе» и «передаче энергии».
   Поэтому к пониманию физического описания мира необходим субъектный подход: мы наблюдаем явление, происходящее в мире и отраженное в потоке нашего сознания; мы объясняем это явление свойством системы, в которой оно происходит; мы описываем наблюдаемое явление или связанное с ним свойство системы вводимой нами физической величиной.
   Вернемся к схематическому изображению алгоритма научно-познавательной деятельности на рис. 3.1 и представим первые три его шага применительно к физике (условно упростив названия этих шагов):

При введении физической величины прежде всего необходимо выяснить, для чего мы это делаем, что хотим охарактеризовать и измерить. Для этого под обозначениями шагов на последней схеме записываются соответственно определения рассматриваемых явления и свойства – обязательно полностью и без сокращений. Здесь же записывается наименование физической величины.

Рис. 4.4. Технологическая схема начала введения определения физической величины

Далее выясняется, меру чего нам нужно ввести – явления или свойства, и в соответствии с этим выбирается один из двух вариантов:

   Рис. 4.5. Схематическое представление процедуры выбора физической величины для описания физического явления или физического свойства

   Вот теперь мы можем уже осознанно вводить определение необходимой физической величины.
   Выше было показано, что физическая величина является частным случаем меры – предельно общего понятия, отражающего наиболее существенные стороны действительности в их соотношениях. Таким образом, конкретная физическая величина является конкретным же понятием, которое необходимо определить. Алгоритмизированная процедура введения определения понятия схематически представлена и описана в предыдущем разделе (рис. 4.3), а также детально рассмотрена в работах [4, 5]. Рассмотрим технологию введения определения физической величины в соответствии с этим алгоритмом.
   При введении определения любого понятия необходимо не то что избегать, а полностью исключить использование в качестве наименования денотата (явления) метафор. Дело в том, что при таком использовании в сознании субъекта мыслительной деятельности в первую очередь возникает представление, соответствующее прямой смысловой нагрузке слова-метафоры. Например, при использовании наименования «спин» («веретено») неизбежно представление макроскопического вращающегося тела, что не может иметь отношения к объектам размера элементарных частиц. Понятно, что речь шла о назревавшем переходе от классического рассмотрения физических явлений к квантовому, и другой возможности попыток использования классического физико-математического аппарата просто не было. Но, несмотря на такое оправдание, представление о «веретене» должно было сильно затормозить развитие квантовых представлений. Зарождение физики как отрасли науки в недрах практической деятельности человечества сделало такую метафоричность наименований физических величин если не сплошной, как в классической физике, то, по крайней мере, весьма распространенной. Примерами являются сила, работа, мощность, заряд и другие. Изменить этого уже нельзя, но нужно постоянно помнить об отсутствии или ограниченности (метафоричности) бытовых аналогий. В науке (в отличие от научной работы) нет места метафоричности. Это связано с тем, что, по уже упоминавшимся словам великого математика Анри Пуанкаре, «в математике нет символов для неясных мыслей». А физические модели, как мы видели, в принципе математичны.
   Надо отметить, что в новой и новейшей физике для наименования физических величин используются утрированно метафоричные названия, такие как «четность», «странность», «шарм». Это в какой-то мере позволяет избежать обыденных аналогий.
   Из сказанного здесь следует, что в случае введения определения физической величины как определения понятия этимологический анализ наименования величины, предписываемый алгоритмом рис. 4.3, не имеет смысла. Соответственно, вторым шагом алгоритма в этом случае будет «отнесение денотата к классу явлений». Здесь все просто – мы всегда имеем дело с одним и тем же классом – «физическая величина». Этому важнейшему положению активно противостоят, прежде всего, современные школьные учебники. Создается впечатление, что понятие «физическая величина» и, как следствие, одноименный класс конкретных величин преднамеренно вытравливаются из сознания учащихся. В результате, как мы теперь понимаем, принципиально не формируется язык физики и столь же принципиально блокируется понимание физических явлений и результатов их научного исследования. Отнесение понятия при его определении к классу «физическая величина» важно, в первую очередь, потому, что в нашем сознании именно величины адекватно отражают явления действительности. Это означает, что величины и операции над ними моделируют в нашем сознании явления действительности. Мы еще вернемся к этому вопросу, но здесь приведем типичный пример. В евклидовом пространстве окружающего мира мы наблюдаем течение воды в реке. Соответствующее представление есть не что иное, как обыденная модель наблюдаемого процесса. При переходе к научному осмыслению эта модель отражается в ментальном пространстве, создаваемом нашим мозгом для обеспечения возможности поступления информации о происходящих событиях и ее преобразования, а также для управления процессами переработки информации. В этом пространстве в модели реальности, сведенной к системе отсчета, текут скорость и масса элементарного объема воды, а также производные от них величины, например, вихри (rotv). А это уже научная физическая модель. Поэтому четкое выделение физических величин для их последующего определения является основой осознания научных физических моделей.
   К общим характерным признакам физических величин относится, в частности, их принадлежность к группам математических объектов, используемых для пространственного представления этих величин. Наиболее общим классом таких объектов являются тензоры – объекты линейной алгебры, линейно преобразующие элементы одного линейного пространства в элементы другого. Особенно важно понимать тензорный в общем случае характер физических величин при изучении явлений в анизотропных средах (прежде всего – в кристаллах) и свойств таких сред.
   При рассмотрении дальнейших шагов введения определений физических величин необходимо обратить внимание на специфику таксономического подхода к таким определениям. Выше, на рис. 4.3, была приведена алгоритмическая, в сущности, фреймовая схема таксона классификационной системы рис. 4.1. При рассмотрении этой схемы как основы алгоритма введения определения понятия осуществлялись определенные свертки ее уровней. То есть некоторые уровни схемы рис. 4.1 объединялись, что отражено на этом рисунке пунктирными линиями. В результате структура введения определения понятия оказалась трехуровневой. Это связано, по-видимому, с некоторой размытостью моделей и понятий, которые соответствуют этапу выделения явлений из мира и осознаются нами как обыденные – ненаучные и, в частности, нефизические – на уровне формирования достаточно «мягких» праалгоритмических структур процесса мышления (см. раздел 3.2). Но, как только мы переходим к формированию научных, в том числе – физических, моделей, возрастают требования к четкости и однозначности определений, и указанные выше свертки утрачивают смысл. Алгоритмические структуры мыслительного процесса становятся «жесткими». В таком случае та же самая структура таксона в определении физической величины как понятия будет выглядеть пятиуровневой.
   После констатации тензорного в принципе характера любой физической величины (уровень «отряда» в таксоне, рис. 4.1) необходимо детализировать общие характерные признаки (до уровня «семейства» в таксоне, рис. 4.1). Такая детализация требует указания того, что мы собираемся описывать этим самым тензором, то есть того, что характеризует вводимая физическая величина – какое именно физическое явление или физическое свойство. Например, физическая величина «путь» вводится для описания явления «изменение положения тела в пространстве». Физическая величина «скорость» вводится для описания явления «процесс изменения положения тела в пространстве». Физическая величина «масса» вводится для описания свойства тела «инертность».
   Но вот теперь, когда выяснено, что же мы собираемся описывать, надо решить и сказать, каким именно тензором надо для этого воспользоваться. Это соответствует уровню «род» в таксоне на рис. 4.1. Тензоров множество, и различаются они рангами. Так, тензор нулевого ранга – скаляр, то есть величина, не характеризующаяся направлением в пространстве. Скалярами описываются, например, масса, заряд, энергия, работа, спин, странность. Тензор первого ранга – вектор, характеризующийся определенным направлением в пространстве (перемещение, скорость, ускорение, импульс, сила, напряженность поля, пироэлектрический эффект). Тензоры более высоких рангов характеризуют явление (механическое напряжение, деформация, термическое напряжение) или свойство (пространство, упругость, жесткость, тепловое расширение, диэлектрическая проницаемость), количественно различающиеся для одной и той же системы в зависимости от рассматриваемого направления в пространстве. При введении определения физической величины необходимо указывать ранг используемого тензора и, возможно, его особенности. В системе общего образования и в большинстве вузовских программ для нефизических специальностей описание физических явлений и свойств ограничивается тензорами нулевого ранга (скалярами) и первого ранга (векторами) или свернутыми до них тензорами более высоких рангов. Так, в большинстве курсов общей физики упругость, жесткость, деформация, тепловое расширение, диэлектрическая проницаемость полагаются скалярными величинами. Это достигается свертыванием соответствующего тензора до скаляра в предположении об изотропности среды.
   Наконец, величина для того и вводится, чтобы оценить явление или свойство количественно на основании ее численных значений, установленных в результате наблюдения. Поэтому способ определения численного значения физической величины должен указываться непосредственно при введении ее определения. Таких способов два – сравнение с эталоном (например, для определения численного значения массы тела или его электрического заряда) либо выражение определяемой величины через другие физические величины, измерение которых возможно. Этот, последний, шаг введения определения физической величины соответствует уровню «вид» таксона на рис. 4.1. Необходимо отметить, что здесь должен отражаться смысл (реальная причина именно такого представления численного значения величины), а не простое прочтение неведомо откуда взявшегося математического выражения. Например, [средняя] скорость движения тела «численно равна пути, пройденному телом за единицу времени», а не «численно равна отношению пути ко времени». В последней формулировке никому не понятно, как и почему путь относится ко времени. Может быть, хорошо относится, может быть – плохо. Но почему – непонятно.
   При работе с учащимися и студентами для определения численного выражения физической величины я обычно рекомендую метафору «математический базар». Все предыдущие шаги алгоритма введения определения понятия физической величины задают требования к ее представлению и математическому оформлению. Так, например, механическая работа – это физическая величина, а не процедура потения при подъеме тяжестей. Придумываем и вводим эту величину мы для того, чтобы охарактеризовать процесс изменения состояния системы. Такая величина явно должна быть скалярной, поскольку процесс изменения состояния системы не имеет направления в евклидовом пространстве. А изменяется состояние в результате воздействия (описываемого векторной величиной – силой), приводящего в механике к изменению положения тела в пространстве (описываемому векторной величиной – перемещением). Таким образом, для введения данной физической величины нам надо каким-то образом сделать из двух векторов скаляр. «Идем на математический базар», в развалах которого можно найти что угодно. И, действительно, находим то, что нужно – скалярное произведение векторов. Так мы и породили математическое выражение для численного представления механической работы. Разумеется, введение любой физической величины, численное значение которой выражается через другие физические величины, должно быть завершено математически в соответствии с физическим смыслом этого шага алгоритма.
   В итоге процедура введения определения физической величины как понятия (каковым она и является) имеет следующий вид.
   1. Наименование величины.
   2. Отнесение ее к классу физических величин.
   3. Указание на тензорный характер математического описания величины.
   4. Конкретизация тензора и его особенностей.
   5. Указание явления или свойства, для описания которых вводится физическая величина (содержание этого пункта дословно берется из обозначенного на схеме рис. 4.4 пунктирной линией блока, раскрывающего «явление» или «свойство»).
   6. Определение численного значения вводимой физической величины.
   Здесь, при «монтаже» технологической схемы применения алгоритма введения определения физической величины, мы допустили одну вполне приемлемую вольность. Поменяли местами шаги (4) и (5) – указание на описываемое явление и конкретизацию тензора. Такое действие вполне допустимо, если явление или свойство, подлежащие описанию, уже заданы. А они заданы при рассмотрении схем рис. 4.4 и 4.5. Так что мы уже знаем, что должна характеризовать вводимая величина и тензором какого ранга она должна быть пространственно представлена.
   В обыденной жизни и в общеобразовательных школьных и вузовских курсах физики, как бы ни понималось их предназначение, математический аппарат описания физических явлений и физических свойств сводится к тензорам нулевого и первого ранга. Тогда описанная выше технологическая последовательность введения определения физической величины приобретет следующий вид.
   1. Наименование величины.
   2. Отнесение ее к классу физических величин.
   3. Вектором или скаляром описывается величина.
   4. Если вектором, то как он направлен.
   5. Какое явление характеризует вводимая величина (содержание этого пункта дословно берется из обозначенного на схеме рис. 4.4 пунктирной линией блока, раскрывающего «явление» или «свойство»).
   6. Чему численно равна вводимая величина.
   Таким образом, введение определения физической величины технологически осуществляется в два этапа.
   Прежде всего, приступая к введению определения физической величины, даже наедине с собой, каждый раз необходимо изображать (на доске, мониторе, бумаге, в тетради) алгоритмическую цепочку, представленную на рис. 4.4. Под этой цепочкой, в блоках, обозначенных на указанной схеме пунктирными линиями, записываются соответственно определения рассматриваемых явления и/или свойства – обязательно полностью и без сокращений. Здесь же записывается наименование физической величины. Далее выясняется, меру чего мы вводим – явления или свойства – и в соответствии с этим выбирается один из двух вариантов, представленных на рис. 4.5. При этом демонстративно перечеркивается ненужный ход, как это показано на рисунке.
   На втором этапе записывается – по пунктам, полностью и без сокращений – содержание построенного выше алгоритма введения определения физической величины. Итоговый результат записывается в виде традиционной для введения определения понятия «сборки».
   Имеет смысл привести несколько примеров введения определений часто употребляющихся физических величин.

   Средняя скорость
   А.

   Б.
   1. Средняя скорость.
   2. Физическая величина.
   3. Скалярная.
   4. – (прочерк, величина направлением не характеризуется).
   5. Характеризующая процесс изменения положения тела в пространстве.
   6. Численно равная пути, пройденному телом за единицу времени.
   СБОРКА: Средней скоростью называется физическая скалярная величина, характеризующая процесс изменения положения тела в пространстве и численно равная пути, пройденному телом за единицу времени.

   Мгновенная скорость
   А.

   Б.
   1. Мгновенная скорость.
   2. Физическая величина.
   3. Векторная.
   4. Направленная вдоль касательной к траектории в данной ее точке.
   5. Характеризующая процесс изменения положения тела в пространстве.
   6. Численно равная элементарному перемещению тела в окрестности этой точки за единицу времени.
   СБОРКА: Мгновенной скоростью называется физическая векторная величина, направленная вдоль касательной к траектории в данной ее точке, характеризующая процесс изменения положения тела в пространстве и численно равная элементарному перемещению тела в окрестности этой точки за единицу времени.
   А уж то, что мы моделируем при этом тело материальной точкой, рассматривалось раньше.

   Масса тела
   А.

   Б.
   1. Масса тела.
   2. Физическая величина.
   3. Скалярная.
   4. – (величина направлением не характеризуется).
   5. Характеризующая механическую инертность тела.
   6. Численное значение определяется сравнением с эталоном.
   СБОРКА: Массой тела называется физическая скалярная величина, характеризующая механическую инертность тела и численно определяемая сравнением с эталоном.
   Таким образом мы можем ввести любую физическую величину для описания любого физического явления или физического свойства, выделенных нами из отражения мира в потоке сознания в результате наблюдения. Смысл выделения шрифтом слов в предыдущем предложении таков. Если субъект научно-познавательной деятельности в области физического видения мира проводит инициативное исследование и обнаруживает новое физическое явление или физическое свойство, он может и должен сам именно так ввести характеризующие их новые физические величины. Если субъект научно-познавательной или учебно-исследовательской деятельности стремится к пониманию уже описанных другими исследователями физического явления или физического свойства, ему необходимо самому воспроизвести представленным выше способом введение соответствующих физических величин. Это справедливо для любого раздела физики – от механики до физики элементарных частиц и астрофизики.

4.4. Физические величины и стереоскопичность физических представлений

   Понимание сущности физических величин и процессуальной научной структуры их введения успешно противостоит обыденному представлению о физических величинах как неких невесть откуда взявшихся чуждых нормальному человеку шаблонах. Более того, это понимание позволяет, вводя необходимый набор величин, посмотреть на явление или свойство с нескольких различных точек зрения, обеспечивая таким образом стереоскопичность и, как следствие, глубину соответствующего физического представления.
   Наиболее типично «бинокулярное» рассмотрение одного и того же явления: одна из величин вводится для того, чтобы описать, «что происходит», а другая – «как происходит». Например, мы выделили из мира явление «изменение положения тела в пространстве». Для ответа на вопрос «что произошло?» вводим физическую величину «перемещение» – описывающую сам факт перемещения тела из одной точки пространства в другую. Перемещением называется физическая векторная величина, направленная из начальной точки движения в конечную его точку, характеризующая изменение положения тела в пространстве и численно равная длине отрезка прямой, соединяющего эти точки. Но при этом изменение положения тела в пространстве может происходить по различным траекториям: «как именно произошло» – определяется длиной пройденного отрезка конкретной траектории – «длиной тропинки» от начальной точки движения к конечной. Поэтому вводим вторую физическую величину – путь. Путь – физическая скалярная величина, характеризующая изменение положения тела в пространстве и численно равная длине отрезка траектории, заключенного между начальной и конечной точками движения. Вот теперь мы можем иметь достаточно полное представление о явлении и анализировать его. В частности, анализировать соотношение между задачей (перемещение) и способом ее реализации (путь). Именно из этого анализа родились представления о производной и направлении вектора мгновенной скорости.
   Другой пример касается явления «процесс изменения положения тела в пространстве». Для описания того, «что происходит», вводится физическая величина «скорость». Для описания того, «как происходит» – физическая величина «ускорение». Строго говоря, это не две, а четыре разные величины. Средняя скорость и среднее ускорение – скалярные физические величины, введенные для грубой количественной оценки явления. Мгновенная скорость и мгновенное ускорение – векторные физические величины, детально описывающие рассматриваемое явление в окрестности выбранной точки траектории. И в этом случае также формируется достаточно полное представление о данном явлении.
   Одним из парадоксальных явлений в образовательной сфере является преимущественно энергетический подход к изложению курсов физики при отсутствии в дидактических материалах определения того, что такое энергия. Более того, один из авторов одного из современных российских школьных учебников физики в ответ на это замечание заявил, что «определения энергии как таковой» в физике вообще не существует. С его точки зрения, существуют только определения (непонятно, что имелось в виду) конкретных видов энергии. Безграмотность подобных утверждений имеет далеко идущие последствия, и не только образовательные, но и общесоциальные. Именно благодаря этой безграмотности безудержно плодятся экстрасенсы, «собирающие энергию из космоса». Плодятся бесконечные рассуждения об «энергетике» разного рода – в принципе без понимания, о чем идет речь. И много еще глупостей порождено непониманием этой самой энергии. Поэтому считаю необходимым именно здесь ввести определение энергии.
   Выше было введено определение понятия состояния в физике как способа физического описания существования системы. То есть само существование системы, данное нам в наблюдении, означает наличие ее состояния как явления. Поэтому возникает необходимость введения физической величины для описания этого явления. Поведение элементов системы в их взаимодействии описывается определенными уже известными физическими величинами (например, в механике – координатой и импульсом), которые являются параметрами состояния.
   А.

   Б.
   1. Энергия.
   2. Физическая величина.
   3. Скалярная.
   4. – (состояние не характеризуется направлением в пространстве).
   5. Характеризующая состояние системы.
   6. Численно описываемая функцией параметров состояния этой системы.
   СБОРКА: Энергией называется физическая скалярная величина, характеризующая состояние системы и численно описываемая функцией параметров состояния этой системы.
   Таким образом, мы теперь имеем возможность измерить собственно состояние, то есть «то, что происходит». Не менее важно уметь измерять то, как «происходит состояние системы». Для этого нужно ввести физическую величину, характеризующую состояние системы с точки зрения возможности его реализации.
   А.

   Б.
   1. Энтропия.
   2. Физическая величина.
   3. Скалярная.
   4. – (возможность реализации состояния не характеризуется направлением в пространстве).
   5. Характеризующая состояние системы.
   6. Численно описываемая функцией вероятности этого состояния.
   СБОРКА: Энтропией называется физическая скалярная величина, характеризующая состояние системы и численно описываемая функцией вероятности этого состояния.
   Итак, в результате первого шага алгоритма научно-познавательной деятельности выделено явление «состояние системы». В результате второго шага должна быть сформирована конкретная система, свойства которой позволяют исследовать выделенное в первом шаге явление. И вот в третьем шаге мы ввели определения физических величин, которые характеризуют состояние как с точки зрения самого наблюдаемого факта, так и с точки зрения вероятности его проявления. Такое видение состояния представляется вполне стереоскопичным и достаточно исчерпывающим.
   Возможно введение и других физических величин, характеризующих состояние системы. Например, при рассмотрении ряда процессов может быть введено определение фазы. Эта заведомо скалярная физическая величина характеризует состояние системы в конкретный момент времени и позволяет выделить его для проведения детального исследования.
   Особенно ярко необходимость разностороннего рассмотрения одного и того же конкретного явления и обусловливающих его свойств системы обнаруживается при исследовании явлений, описываемых сложными обыденными (исходными) моделями. Примерами могут служить элементарные частицы и их взаимодействия.
   Очень часто в какой-либо точке пространства в момент времени наблюдения налагаются друг на друга несколько независимых однородных явлений. Простейший пример: в точке одновременно присутствуют несколько физических полей одинаковой природы. Тогда в данной точке по определению одновременно реализуются несколько значений одной и той же величины, характеризующей эти явления. Результат наложения явлений в таком случае будет описываться сложением этих значений в соответствии со свойствами величин и существующими для них алгебраическими операциями. Вызывающая простота этого принципа суперпозиции и важность его для стереоскопичности физических описаний обычно (тем более – в общем виде) остаются за пределами системного рассмотрения в образовании и вообще за пределами понимания. А все потому, что имеют место затруднения понимания сущности физических величин как характеристик описываемых ими физических моделей.

4.5. Физические величины и физические понятия

   Выше уже говорилось о том, что в ментальном пространстве при выделении явления из мира прежде всего формируется обыденная модель, которую практически невозможно транслировать. В этой модели мы представляем движение воды, облаков, вибрации воздуха и тому подобные феномены. На самом деле происходит сложнейший процесс разделения обыденной модели на строгие модели, которые мы, если бы осознавали их, отнесли бы к научным. В таких моделях реальные движения отражаются изменениями величин в математических представлениях пространства и времени, то есть движением величин. Подобные модельные представления могут быть схематически визуализированы, и тогда мы будем рассматривать, например, движение вектора скорости через определенную поверхность. Совершенно резонно в математике такое движение называется потоком величины через поверхность. После математической обработки моделей результат этой обработки синтезируется «обратно» в представления обыденной модели, что воспринимается нами как прогностическое решение практической задачи. Физическое рассмотрение отличается от обыденного осознанностью восхождения к физической (математической) модели и строгого решения соответствующей задачи. Соответственно, со строгим в рамках модели осознаваемым количественным результатом.
   Многие явления действительности невозможно понятийно определить, не введя предварительно необходимых величин. Это очень серьезная причина попыток большинства людей избегать строгого обсуждения таких явлений. Однако при этом необходимость употреблять хоть какие-то слова приводит к выбору слов, понятийно необеспеченных. Так, например, рассуждения об электрическом токе чаще всего отражают полное непонимание субъектами этих рассуждений происходящего. Поэтому имеет смысл детально рассмотреть данный пример.
   Когда мы говорим об электричестве как явлении, подразумевается обнаружение нового для нас типа взаимодействия, названного электромагнитным. Взаимодействие представляет собой взаимное воздействие тел друг на друга. А воздействие – мы это уже проходили – описывается физической величиной «сила». Новизна же данного конкретного взаимодействия заключается в том, что, в отличие от ранее рассматривавшихся взаимодействий, в этом случае тела не только притягиваются, но и отталкиваются. Это указывает на новое для нас свойствотел – взаимодействовать именно таким образом. И вот если взаимодействие описывается уже известными нам величинами – силами – то для описания нового свойства придется вводить и новую физическую величину.
   А.

   Б.
   1. Электрический заряд.
   2. Физическая величина.
   3. Скалярная.
   4. – (рассматриваемое свойство направлением в пространстве не характеризуется).
   5. Характеризующая свойство тел вступать при определенных условиях в электромагнитное взаимодействие.
   6. Численное значение определяется сравнением с эталоном.
   СБОРКА: Электрическим зарядом называется физическая скалярная величина, характеризующая свойство тел вступать при определенных условиях в электромагнитное взаимодействие и численно определяемая сравнением с эталоном.
   Вот теперь понятно, что, когда указанное свойство направленно перемещается в пространстве, «течет», как вода в реке, в нашей физической модели «течет» величина «электрический заряд». Причем течет вне зависимости от того, какое именно тело обладает этим свойством. Направленно течет электрический заряд. То есть мы имеем дело с течением, током электрического заряда через какую-то определенную условиями задачи поверхность в пространстве. Правда, существуют некоторые особенности движения тел, которые мы называем «носителями свойства», то есть в данном случае – электрического заряда. Если носителями заряда являются молекулы (ионы) или элементарные частицы, то направленное движение зарядов проявляется в виде направленной составляющей движений зарядов на фоне хаотического движения носителей. Перемещение заряда по электрической цепи вовсе не означает перемещения по проводнику носителей заряда. Вот теперь, когда введена физическая величина «электрический заряд», можно вводить определение понятия «электрический ток» как обычное определение понятия (см. раздел 4.1).
   1. Электрический ток.
   2. От греческого «электрон» – «янтарь» и русского «ток» – «течение», например – направленное перемещение жидких и газообразных тел.
   3. Процесс.
   4. Движения электрических зарядов.
   5. Направленного.
   СБОРКА: Электрическим током называется процесс направленного движения электрических зарядов.
   Ну, а для количественного описания этого явления вводится физическая величина «сила [электрического] тока». Необходимо отметить, что в данном случае в роли явления выступает физическая, а точнее – математическая модель процесса. Это является эффектным примером того, что выделение явления для осмысления происходит не из реального мира, а из виртуального мира нашего сознания, из потока этого сознания.
   А.

   Б.
   1. Сила [электрического] тока.
   2. Физическая величина.
   3. Скалярная.
   4. – (количество заряда, прошедшее через поверхность в пространстве, направлением в этом пространстве не характеризуется).
   5. Характеризующая процесс направленного движения электрических зарядов.
   6. Численно равная электрическому заряду, прошедшему за единицу времени через определенную поверхность в пространстве.
   СБОРКА: Силой тока называется физическая скалярная величина, характеризующая процесс направленного движения электрических зарядов и численно равная электрическому заряду, прошедшему за единицу времени через определенную поверхность в пространстве.
   Таким образом, данный пример демонстрирует неразрывную связь физической модели, физического понятия и физической величины при описании физического явления или свойства.
   Другим чрезвычайно важным примером взаимосвязи физической величины и физического (математического) понятия является колебание. Нам со школьных времен буквально вколачивали в голову, что колебание – это вид движения. Что же это за вид такой? А вот, оказывается, такой, который происходит по «закону синуса или косинуса». Значит, если у бабушки наблюдаются колебания артериального давления, то она синусоидально извивается. Когда дело доходит до примеров, то нелепость ситуации становится очевидной. Это следует хотя бы из обыденного языка, на котором мы описываем наблюдаемое. То есть то, что выделили из мира. На любом языке, включая профессиональные жаргоны, маятник качается. Качается и поршень насоса, который качает воду из скважины. Качается (а вовсе не извивается синусоидально) человек, у которого нарушена функция мозжечка. Воздух – дрожит, вибрирует (или делает еще что-нибудь, ощущаемое нашими органами чувств и приборами). Как и диффузор акустического динамика. В колебательном контуре нарастает и убывает, нарастает и убывает наблюдаемое действие электрического и магнитного полей. Как прилив и отлив в океане. То же происходит и в определенной точке пространства при распространении светового или радиоизлучения. У бабушки в непогоду происходит учащение и замедление сердечных сокращений, а также увеличение и уменьшение наполнения кровью кровяного русла. Нет нигде в природе никаких колебаний! Фактически все, что мы перечислили, представляет собой обыденные понятия и модели – обобщения в чем-то сходных явлений. А сходны эти понятия и модели тем, что отражаемые ими состояния систем, изменяясь, повторяются во времени.
   Переходя от обыденных понятий к физическим понятиям и затем – к физическим величинам, мы обзаводимся мерами явлений или свойств, обусловливающих эти явления. В результате в наших модельных представлениях определенным образом изменяются во времени физические величины (точнее – их значения). Поскольку величинами занимается математика, мы нуждаемся в специальном математическом способе описания процесса такого изменения величин. Трудно сказать, что представляет собой этот способ. Физическое явление? Ну уж нет. «Математическое явление»? Нелепица. Но процесс – это точно. Так что делает маятник? Качается. В русском языке есть слово «колыбать» (отсюда «колыбель») – «качать, укачивать». Вот откуда происходит «колебание». Введем определение необходимого понятия.
   1. Колебание.
   2. От русского «колыбать» – «качать».
   3. Процесс.
   4. Изменения [физической] величины.
   5. Сопровождающийся повторением ее значений во времени.
   СБОРКА: Колебанием называется процесс изменения [физической] величины, сопровождающийся повторением ее значений во времени.
   Квадратные скобки в определении колебания означают, что величина может быть не только физической (например, биологической). Но, в конечном счете, всегда математически выраженной или просто математической – как, например, координата или вероятность.
   Качается маятник – колеблется координата выбранной нами его конкретной точки. То же самое и с диффузором динамика. Вибрирует воздух в процессе распространения звука – колеблются его плотность и давление в выбранной точке пространства. Работает колебательный контур – колеблются напряженность электрического и индукция магнитного полей. Они же колеблются и в выбранной точке пространства, в котором распространяется электромагнитное излучение. При изменении погоды или в результате чрезмерных шалостей внучки разыгрывается гипертония у бабушки – колеблется артериальное давление крови.
   Мы уже договорились о том, что электрон – физическая модель некой сущности, проявляющей в эксперименте определенные свойства. Одно из важнейших таких свойств выглядит следующим образом. Если мы представим последовательность во времени выстрелов идеальной дробинкой из идеального ружья (при постоянных условиях среды), то эта дробинка каждый раз будет попадать в одну и ту же точку мишени. Если же мы будем «стрелять» электроном из идеального «электронного ружья», то электрон при все так же постоянных условиях среды будет попадать в разные точки мишени (координаты которых смещены относительно точки прицеливания) с определенной вероятностью. Как выяснилось, такова уж его, электрона, природа. Вероятность попадания в заданную точку будет повышаться с приближением к точке прицеливания и понижаться – с удалением от нее. Это – в пространстве мишени. Но во времени электрон последовательно будет попадать в точки пространства мишени, характеризующиеся различной вероятностью попадания. При большом числе «выстрелов» попадания в определенные точки мишени будут повторяться. А этим точкам, напомним, соответствуют определенные вероятности. То есть будут повторяющиеся «срабатывания вероятности». В итоге мы имеем дело с колебаниями вероятности нахождения электрона в данной точке пространства. Вероятность при этом может быть представлена какой-либо ее функцией, определяемой физическим смыслом математической модели, но способ описания явления колебанием не изменится.
   Естественным продолжением представления о колебании является представление о волне. Если в цилиндре под поршнем находится воздух, а поршень совершает возвратно-поступательные движения, то сейчас уже понятно, что мы имеем дело с колебаниями объема, давления и плотности воздуха. Но если в цилиндре сделать отверстие, то такие колебания будут выходить за его пределы, описывая последовательность сгущений и разрежений воздуха уже в окружающем цилиндр пространстве. При этом, если в определенной точке пространства закрытого цилиндра изменения состояний воздуха и, соответственно, физических величин, происходят во времени, то, выходя за пределы цилиндра, они будут происходить еще и в пространстве. В наблюдении это может вызвать ассоциацию с движением волн по поверхности воды. Кстати, при распространении волн по поверхности воды колеблются не перечисленные физические величины, а координаты точки этой поверхности, что легко подтверждается, например, наблюдением движения поплавка или древесного листа. Они не следуют за распространением гребня того, что мы называем волной. Таким образом, ассоциация здесь достаточно отдаленная. Она происходит не на уровне наблюдения явлений, а уже на уровне описания достаточно разнородных процессов в окружающем мире стоящим выше этой разнородности единым способом математического описания. Поэтому критиковавшаяся выше метафоричность наименований физических величин, увы, распространяется и на описание физических процессов. Следует помнить о метафоричности имени денотата «волна» и в стремлении к пониманию физического смысла руководствоваться не этим именем, а строгим определением стоящего за ним физического понятия.
   1. Волна.
   2. От общеславянского «овечья шерсть», а также от русского «валить, вал».
   3. Процесс.
   4. Распространения колебаний.
   5. Сопровождающийся повторением значений колеблющейся величины как во времени, так и в пространстве.
   СБОРКА: Волной называется процесс распространения колебаний, сопровождающийся повторением значений колеблющейся величины как во времени, так и в пространстве.
   Таким образом, волна является способом математического описания физического явления, расширяющим представление о колебании от временнòго до пространственно-временнòго. Представление о волне как «процессе развития (распространения) процесса» вполне приемлемо и корректно, если не упускать из вида именно математический характер этого представления.
   Традиционное для встречающегося в учебниках физики определения волны «распространение колебаний в пространстве» несколько напрягает своей тавтологичностью. Однако на интуитивно-образном уровне оно может служить поддержанию представления о волне в духе примера с воздухом под поршнем в цилиндре с отверстием. То есть в духе перехода от колебательного описания процесса в ограниченном пространстве к волновому описанию при снятии пространственных ограничений. К «выпучиванию» колебания в пространство, где оно становится волной.
   Рассмотренное выше описание попадания электрона в мишень посредством колебания функции вероятности его попадания в заданную точку позволяет перейти к описанию с этой позиции движения электрона в пространстве. Если представить нахождение электрона в пространстве при помощи ряда последовательно расположенных мишеней, то мы увидим, что движение электрона можно описать волной функции вероятности пребывания его в данной точке пространства. То есть, в конечном счете, вероятности состояния системы, в которой мы рассматриваем движущийся электрон. Вот и все. И электрон – никакая не волна, а все та же маловнятная модель некой сущности, до однозначности уточняющаяся при решении конкретных задач. Просто поведение этой модели описывается волной определенной функции вероятности состояния исследуемого явления. Никаких непонятностей и трагедий типа: «электрон – волна или частица?». Мы выросли из этих глупостей. Не волна и не частица – просто один и тот же электрон (одна и та же сущность) в какой-то конкретной научной модели. А волна или частица – способы математического описания поведения этой модели в стремлении к адекватности такого описания в рамках конкретной задачи. Итак, «ничего личного» (у электрона) – только способ описания существования.
   В настоящей книге не ставится задача ревизии всех понятий, физических величин и моделей физики. Задачей является показать, как они формируются – с позиций научного продуктивного мышления – и каковы взаимосвязи их формирования и использования в физическом направлении научно-познавательной деятельности. То есть показать и довести до уровня умелого применения законы, принципы, способы и технологию формирования языка физики. Если это удалось в данной главе, то для любого читателя не составит труда самому осуществить упомянутую ревизию в конкретной области физического знания с целью его понимания и развития.

Литература к главе 4

   1. Выготский, Л. С. Собрание сочинений: в 6-ти т. Т. 4. Детская психология [Текст] / Под ред. Д. Б. Эльконина. – М.: Педагогика, 1984. – 432 с.
   2. Новоженов, Ю. И. Филетическая эволюция человека [Текст] / Ю. И. Новоженов. – Екатеринбург: Банк культурной информации, 2005. – 112 с.
   3. Фролов, А. А. Сущность общего образования [Текст] / А. А. Фролов // Образование и наука. – 2015. – №3 (122). С. 18—27.
   4. Фролов, А. А. Технология интеллектуального образования [Текст] / А. А. Фролов. – Екатеринбург: Раритет, 2014. – 180 с.
   5. Фролова, Ю. Н. Роль социальной фасилитации в процессе алгоритмизированного проблемного обучения [Текст] / Ю. Н. Фролова // Сибирский педагогический журнал. – 2010. – №5. С. 41—54.

Глава 5. Законы физики

Как и в случае физических величин, все начинается с того же – с представления о существовании законов природы. Там, в природе. Дескать, есть какие-то законы (от Бога, наверное?), управляющие существованием и поведением физических тел и физических полей. Нет в природе законов. Она живет себе свою природную жизнь, и никакого ей нет дела до нас с нашими заботами. А главная из наших забот – выжить. Чтобы выжить, надо понимать, что происходит вокруг нас и внутри нас. Только тогда мы сможем действовать адекватно ситуациям и действительно выживем. В самом широком и самом высоком смыслах. Но для того, чтобы понять и действовать, прежде всего надо адекватно описать происходящее, вызывающее у нас интерес. В том числе – в физике. Одно из средств описания мы достаточно тщательно разобрали – язык физики. И научились отвечать на вопросы: «Что произошло?» и «Как это произошло?».
Используя язык физики, надо теперь отвечать и на другие вопросы. И, прежде всего, на вопрос: «Почему это произошло?». Наши представления в принципе модельны. Модели обеспечены определениями понятий и физическими величинами. В наших представлениях живут, двигаются в самом широком смысле и взаимодействуют модели (они же – понятия и физические величины). Так что в придуманных (выбранных) нами и присутствующих в нашем мышлении системах действуют модели связей моделей элементов систем между собой. Рассмотрение именно этих моделей связей обеспечивает формирование представлений о том, «почему это произошло». Рассмотрение – это значит выявление моделей связей и их в широком смысле математическая (в том числе – языковая) формализация, позволяющая количественно оценивать причины и следствия наблюдаемых явлений. На уровне процессуальной структуры научно-познавательной деятельности технология практики такого выявления и формализации отработана наукой и надежно апробирована опытом научной работы. При именно физическом рассмотрении действительности эта технология выглядит наиболее просто в строгом смысле слова [3]. Что и определило задачи настоящей главы книги.

5.1. Так что же такое закон

   В любой энциклопедии и любом энциклопедическом словаре обязательно есть статья «закон». Естественно, в этих статьях, а также во всех учебниках и пособиях по философии присутствуют и определения понятия «закон». Подборка типичных определений закона приведена, в частности, в посвященной установлению законов главе 5 книги «Технология интеллектуального образования» [8]. Практически все эти определения спорны по тем или иным причинам, но они есть! И для своих времени и уровня они достаточно четки. Более того, во всех вузах, и, в первую очередь, педагогических, какое-либо из этих определений всегда буквально вдалбливалось в головы студентов. Особенно – в советский период нашей истории, а многие учителя физики обучались именно тогда. Так вот: опрос нескольких сотен преподавателей физики в общеобразовательной школе и учреждениях начального профессионального образования показал, что ни один (!) из опрошенных не смог определить понятие «закон». Типичный ответ: «правило». С теми или иными сопутствующими словами, не вносящими ясности – «некое», «важнейшее» «введенное или установленное кем-либо» и другими подобными. То есть пришел Ньютон и сказал: «Ввожу правило: всем телам притягиваться друг другом!». Указание на возможность такого поворота приводило опрашиваемых в тупиковое состояние. Словно и не было всех этих словарей, энциклопедий и общеобразовательных курсов философии. То есть понимание как минимум самого феномена закона принципиально исключено. В предыдущей главе книги было показано, что представление о понимании однозначно требует понятийного оформления предмета обсуждения.
   По-видимому, есть психологические факторы, вызывающие отторжение предлагаемых в литературе определений понятия «закон» вплоть до «стирания» этих определений в памяти [8, С. 97]. Для выявления этих факторов рассмотрим типичное определение понятия «закон»: «Закон (в науке) – необходимое, существенное, устойчивое, повторяющееся отношение между явлениями в природе и обществе» [5].
   Рассмотрение приведенного определения понятия позволяет высказать предположение о том, что отмеченное выше отторжение вызвано, в частности, спецификой речевой культуры формулирования определения и его восприятия. Прежде всего, следует отметить исторически сложившуюся архаичность словоупотреблений, выражающуюся в неоднозначности и размытости ряда первичных понятий, входящих в состав определения. Так, смысловая нагрузка слова «отношение» в данном контексте непонятна. Совершенно очевидно, что здесь слово «отношение» не может иметь математического смысла (частное от деления) или антропоморфной окраски (хорошее или плохое отношение). Речь идет об «отношении между явлениями и предметами». По-видимому, данному предмету обсуждения в настоящее время может и должно соответствовать иное, более точное и однозначное, понятийно наполненное словесное обозначение.
   Практика познавательной деятельности человечества указывает на то, что под «отношением» в данном контексте должна пониматься связь между явлениями, причем не какая-либо, а именно причинно-следственная. Одни явления-следствия связаны с явлениями-причинами непосредственно (как, например, изменение движения тела связано с воздействием на него других тел), другие – опосредованно (как, например, падение торта на пол связано с днем рождения, по поводу которого торт приготовлен). Причинно-следственных связей множество, и изучать их все не имеет смысла, да и невозможно. В книге «Технология интеллектуального образования» [8] достаточно убедительно показано, что на научно-познавательном уровне интерес для человека представляет только определенный круг причинно-следственных связей. Такие связи должны быть:
   • необходимыми, то есть такими, какие невозможно обойти, и потому подлежащими изучению;
   • существенными, то есть касающимися только существа явлений и потому принципиально модельными;
   • устойчивыми, то есть сохраняющимися даже в условиях возмущений, которые могут эти связи нарушать;
   • воспроизводимыми, то есть такими, какие можно осознанно воспроизводить в интересах человека, создавая известные причины для неотвратимого получения необходимых следствий.
   Здесь надо отметить, что в подавляющем большинстве определений закона вместо «воспроизводимые» используется термин «повторяющиеся». Это не отражает сущности данной характеристики причинно-следственной связи, поскольку не вполне понятная «повторяемость» не означает «воспроизводимости», ради которой причинно-следственная связь и изучается.
   Теперь, после анализа неточностей в известных определениях закона и устранения этих неточностей, можно, в соответствии с рассмотренным в главе 4 подходом к введению определений понятий, ввести определение понятия «закон» [8, С. 98].
   1. Закон.
   2. От русского «кон» – пространство, на котором разворачивается игра (в том числе – жизнь). «Закон» – то, что находится «за коном», то есть за пределами игры, и занимает высшее по отношению к ней положение.
   3. Связь между явлениями.
   4. Причинно-следственная.
   5. Необходимая, существенная, устойчивая и воспроизводимая.
   СБОРКА: Законом называется необходимая, существенная, устойчивая и воспроизводимая причинно-следственная связь между явлениями.
   Сталкиваясь со значимыми для человека и потому подлежащими трансляции причинно-следственными связями, мы всегда имеем дело с моделями таких связей. Переходя от обыденных моделей к научным, следовательно – предельно упрощенным, мы делаем представления этих связей общими для всех людей. Закон невозможно установить для реальных причинно-следственных связей, являющихся нам в наблюдениях. Они, эти связи, неизмеримы ввиду богатства оттенков и привходящих обстоятельств. А вот если результаты наблюдений (измерений) «отчистить» от второстепенных, незначительных для нашего интереса к рассматриваемым явлениям деталей, мы и получим научную модель с заведомо измеримыми характеристиками.
   Уже в процессе наблюдения и, следовательно, проведения измерений, мы осознанно и качественно можем осуществить только самые значимые для нас измерения. А это уже научная модель явления или, по крайней мере, приближение к такой модели. Как только мы тем или иным способом оговорили (описали) модели самих явлений и модель причинно-следственной связи между ними, мы формализовали эту последнюю модель. Например: смоделировав два тела материальными точками, Ньютон в математическом и, следовательно, предельно формализованном, виде получил модель их гравитационного взаимодействия. Таким образом, законом называется формализованное модельное представление необходимой, существенной, устойчивой и воспроизводимой причинно-следственной связи между явлениями.
   Закон именно устанавливается (в крайнем случае – выявляется), но ни в коем случае не «открывается». Использование лексической конструкции «открытие закона» психологически чрезвычайно вредно в познавательном, тем более – в образовательном процессе и сопровождающих его дидактических материалах. Эта конструкция формирует у субъекта деятельности представление о существовании определенной чрезвычайно малочисленной группы «избранных» по непонятному признаку (обычно именуемому гениальностью), представители которой без интеллектуальных усилий «открывают» законы «в готовом виде» подобно двери в некое секретное для всех остальных хранилище. Остальные, не принадлежащие к этой группе, вынуждены репродуктивно воспроизводить этот закон, как правило, не понимая его смысла и происхождения. Естественно, такой подход принципиально блокирует интеллектуальную познавательную активность любого человека, в первую очередь – обучающегося.
   И еще одно существенное замечание. В рамках научно-познавательного подхода сформулированное выше определение закона универсально – идет ли речь о генетике, химических реакциях, социальных взаимодействиях или высшей нервной деятельности. Закон как юридический акт, например, является приближением определенного социального закона природы, описывающего те или иные состояния общества и его членов, взаимодействия членов и изменения состояний. Что касается физики, то, ввиду предельной простоты ее моделей, закон, как средство научного описания взаимосвязи явлений, представляется наиболее прозрачным, наглядным и потому понятным – как в своей сущности, так и в процедуре установления.

5.2. Процедура установления закона

   При введении языка физики вторым шагом алгоритма научно-познавательной деятельности (рис. 3.1) определяется система, в которой будет далее рассматриваться выделенное из мира явление. Но система, по определению, существует во взаимосвязях ее элементов. То есть, в конечном счете – в причинно-следственных связях. Это значит, что формирование в нашем представлении исследуемой системы формирует и гипотезу о причинно-следственной связи между явлениями. Можно сказать, «проект модели причинно-следственной связи», который надо развить средствами науки.
   Легенда об «открытиях» порождена непониманием того, с какой стати нормальный, казалось бы, человек бросается устанавливать законы. А все просто. Человек увидел «проект» заинтересовавшей его причинно-следственной связи и задал себе вопрос: «Как именно выглядит эта причинно-следственная связь?». Это значит – поставил перед собой задачу. А задачу необходимо решить. Если задача не поставлена, закона не установить – нечего устанавливать! Если при готовом законе задача по его установлению и ее возникновение не поняты – не может быть понят и данный закон. Таким образом, первым шагом алгоритма установления закона является постановка задачи по установлению закона.
   Но вот задача поставлена, и теперь необходимо ее решать, то есть выяснить, как именно выглядит рассматриваемая причинно-следственная связь. Для этого надо придумать и организовать эксперимент (от латинского experimentum – проба, опыт). Экспериментом называется метод исследования явления в управляемых условиях. В рамках обыденного сознания эксперимент непосредственно связан с вещным, материальным воплощением. Это не так. Во-первых, проведение реального эксперимента может быть затруднено имеющимися в наличии инструментальными средствами воздействия на систему и измерения этого воздействия и его результатов. В таком случае эксперимент может проводиться мысленно с использованием научного и жизненного опыта как конкретного исследователя, так и всего человечества. Этот опыт предусматривает, в частности, и экстраполяционные возможности физических представлений. Примером может служить мысленный эксперимент Демокрита и Левкиппа, результатом которого стала конкретизация атомистических представлений древних, послужившая отправной точкой формирования современных взглядов на строение вещества. Во-вторых, имея физические (научные) и, следовательно, математически описываемые модели выделенных из мира явлений, мы можем чисто математическими методами (то есть, в конечном счете, тоже мысленно) устанавливать конкретный вид причинно-следственных связей между явлениями, допускающий впоследствии экспериментальную проверку. Такой подход характерен, например, для физики элементарных частиц.
   В любом случае, как для натурного, так и для мысленного эксперимента, должна быть четко продумана, представлена и документально зафиксирована схема его проведения. Поскольку система определена и гипотеза об изучаемой в ней причинно-следственной связи сформулирована, на схеме должно быть четко указано, что именно должно быть измерено в процессе проведения эксперимента для выяснения конкретики этой связи. Неважно, носит схема графический, знаковый или смешанный характер – главное, выполнялось бы предыдущее условие. Позже мы вернемся к образовательному аспекту представлений об организации экспериментов, лежащих в основе изучаемых известных законов. Но здесь отметим, что в процессе понимания уже установленного закона такие представления необходимы. При этом они могут как соответствовать замыслу исследователя, установившего данный закон, так и являться авторскими представлениями транслирующего или понимающего результат трансляции субъекта.
   И вот когда уже понятно, что будем измерять, возникает необходимость решить, как именно будем это измерять. Опять-таки неважно при этом, является ли эксперимент натурным, мысленным или вообще теоретически-модельным. Не имеет никакого смысла включать в уравнение остающуюся там до получения конечного результата величину, которую мы не сможем реально измерить (вообще-то принципиально неизмеримых величин нет – величина есть мера). Теоретикам в этом отношении легче: нет необходимости продумывать технические и технологические детали проведения измерений. Но как (посредством каких именно мер и их комбинаций) в принципе проводить измерения – решить надо в любом случае. Приведем примеры. Для измерения ускорения тела необходимо измерить путь на определенном участке траектории, где это ускорение можно предположить постоянным. Путь численно равен длине выбранного участка траектории движения тела, измеренной при помощи линейной меры с использованием соответствующего инструмента, проградуированного в эталонированных единицах. Кроме того, при помощи часов, также проградуированных в эталонированных единицах времени, измеряется время прохождения телом выбранного участка траектории. Полученные результаты позволяют рассчитать ускорение из теоретически полученного кинематического закона движения. Другой пример. Кулон в своем знаменитом эксперименте измерял электрический заряд путем последовательного деления исходного заряда между совершенно одинаковыми шариками из сердцевины бузины. Этот классический пример использования безразмерных единиц еще раз подчеркивает необходимость их эталонирования в конечном итоге. В том же эксперименте для исключения влияния притяжения тел Землей измерение силы воздействия закрепленного заряженного тела на перемещаемое заряженное тело проводилось в плоскости, перпендикулярной отвесу, соответствующему направлению действия земного притяжения. При этом измерение силы электрического взаимодействия осуществлялось при помощи уже хорошо известной к тому времени связи между углом закручивания кварцевой нити в пределах ее упругости и необходимой для этого величины силы. Разумеется, все эти величины тоже измеряются в эталонированных единицах.
   Таким образом, в рамках предложенной схемы организации эксперимента (и, если необходимо, корректируя эту схему) мы можем измерить значения любых величин, представляющих для нас интерес. Нахождение хитроумных решений в этой области относится к сфере научной работы, результаты которой впоследствии могут стать частью научного знания (как в примере с крутильными весами, используемыми во множестве тонких физических экспериментов). Поэтому такие хитроумные решения являются следствием индивидуально-психологического подхода к представлению исследуемых явлений, а при историческом и, в том числе, образовательном рассмотрении характеризуются именной личностной привязкой к авторам.
   Даже если в понимании собственной или чужой исследовательской деятельности удалось дойти до этого момента, то есть договориться о том, что именно надо измерять и как это делается, обыденное сознание по-детски «успевает забыть», с чего же все началось. И в головах людей складывается представление о том, что некто очень умный или даже гениальный зачем-то чего-то намерял и непостижимым для простого смертного «сшил» это в закон. То есть, попросту говоря, субъект установления закона проводит измерение значений различных запланированных для этого физических величин, а уж потом разбирается в связях между ними. Это принципиально не так. Сразу же после выделения явления из мира была выбрана для рассмотрения система, включающая в себя причинно-следственные связи этого явления с другими. Если таких связей может быть выделено несколько, выбирается самая главная для нас в данный момент в соответствии с нашими интересами. Таким образом, уже на этом этапе научно-познавательной деятельности складывается упомянутый выше «проект модели причинно-следственной связи». И в процессе дальнейшего исследования этот проект является ведущим смыслом и главной целью. Поэтому в ходе эксперимента измеряются не какие-то отдельные величины, а измеряются конкретные причина и следствие, предусмотренные «проектом». А это значит – измеряется сама причинно-следственная связь, целиком; как говорят спортсмены, «слитно». С точки зрения математики (а мозг может работать только в математике) и языка как одного из ее проявлений такая связь отображается функциональной зависимостью следствия от причины. Вот ее-то мы и измеряем. Причина, которую мы можем изменять в процессе эксперимента, является при этом аргументом, а следствие – функцией.
   Представление функциональной зависимости следствия от причины возможно в табличной, графической и аналитической формах.
   Табличная форма чаще всего является промежуточной, подготовительной к графическому или аналитическому представлениям причинно-следственной зависимости. Во-первых, табличные значения измеряемых величин дискретны, а методы поиска интерполяционных значений не всегда оправданы, тем более – физически. Это затрудняет реальное использование таблицы в процессе обсуждения результатов измерений. Во-вторых, таблица позволяет видеть локальные изменения значений измеряемых величин, в то время как общее видение причинно-следственной зависимости, тем более в деталях, затруднено.
   Аналитическое представление причинно-следственной зависимости на этом этапе, шаге исследовательской деятельности возможно только в теоретической работе. В такой работе интересующая нас функциональная зависимость устанавливается в принципе одним из двух способов. Для любого из них необходимо понимание того обстоятельства, что рассматриваемая нами причинно-следственная связь относится не к самим явлениям, а к физическим величинам, отражающим эти явления в нашем сознании. В первом случае экспериментальные операции представляют собой последовательность имеющих физический смысл математических преобразований уже установленной причинно-следственной связи или нескольких таких связей. Примером может служить теоретический вывод закона сохранения импульса из второго закона Ньютона, установленного ранее экспериментально. Это значит, что физические величины, фигурирующие в уже известном нам законе, могут быть математически выражены через другие, интересующие нас, величины. Соотношения между этими новыми выражениями, связи между ними отражаются в приведенном примере такими математическими операциями, описывающими взаимодействие, как совместное решение соответствующих уравнений. Во втором случае для рассмотрения выбираются интересующие исследователя физические величины в системе, объединяющей эти величины. Этот выбор соответствует шагам «Введение меры явления или свойства» и «Проведение измерений» алгоритма научно-познавательной деятельности (рис. 3.1). Далее высказывается гипотеза о возможном виде причинно-следственной связи между этими величинами. Под «видом» в данном случае подразумевается математическое (то есть в принципе модельное) выражение, описывающее характер гипотетического взаимодействия. Примерами такого выражения могут служить различные модельные потенциалы (в частности, в ядерной физике). В результате математических операций, виртуально реализующих взаимодействие (а это как раз и соответствует шагу «Измерение зависимости следствия от причины»), и может быть получено аналитическое выражение функциональной зависимости между физической величиной-причиной и физической величиной-следствием.
   При экспериментальном измерении зависимости следствия от причины в большинстве случаев фактически возможно только табличное представление результата или, что практически то же самое, представление этого результата совокупностью точек в двумерном пространстве «причина – следствие». Только совокупностью точек, но ни в коем случае не линией графика (сколь часты бы ни были точки), поскольку для проведения такой линии пока нет никаких оснований. Попытки проведения на этом этапе какой-то линии, близкой к полученным точкам, не имеют физического смысла. Более того, проведение такой линии будет блокировать формирование физического смысла. По той причине, что будет формироваться (по крайней мере – подсознательно) ошибочное представление о якобы уже сложившейся модели причинно-следственной связи. А модель эта, как будет показано ниже, складывается совершенно иначе. Таким образом, здесь мы все еще имеем дело с «проектом модели причинно-следственной связи», которая, правда, уже просматривается в полученной зависимости, но подлежит уточнению и доработке.
   Даже тщательно проводя эксперимент, мы рассматриваем конкретные условия этого эксперимента, что придает результату определенный оттенок частного случая. Возникает вопрос: насколько же общим и, главное, надежным может являться этот результат? Ведь мы посягаем на установление закона, и потому должны гарантировать общность, приводящую, в конечном счете, к универсальной модельности представлений.
   Вот если изменить условия эксперимента, не изменяя его сущности, а характер (то есть возможный вид математического представления) измеренной зависимости при этом не изменится, можно говорить об определенном уровне общности. Этот уровень принято называть закономерностью. Здесь необходимо остановиться на чрезвычайно важном, в особенности для образования, обстоятельстве. Недостаточная образованность, связанная, в частности, с «новомодными» псевдогуманитарными представлениями, приводит к путанице (у некоторых исследователей) закономерности и закона. Так, например, достаточно известный педагог, доктор исторических наук (фамилию покойного по этическим причинам приводить не считаю возможным) в отзыве на одну диссертационную работу, в которой, в связи с исследованием качества образования, была установлена причинно-следственная связь уровня закона, написал дословно следующее. «Это в физике есть законы, а у нас, в гуманитарных науках, есть только закономерности и принципы». Подобное утверждение, являясь в принципе антинаучным, основано на понятийной неопределенности используемых терминов. Что такое закон, мы уже выяснили. Закономерностью называется наличие выраженных общих черт однотипных причинно-следственных зависимостей, полученных в разных условиях. Как уже было сказано выше, под выраженными общими чертами, или характером, следует понимать возможный вид математического представления измеренной зависимости следствия от причины. Закономерность не устанавливается, а выявляется. Операция «Выявление закономерности» носит сугубо качественный характер и служит необходимым этапом формирования жесткого количественного соотношения, каким должен быть закон. Пример выявления закономерности: как бы мы ни изменяли условия измерения зависимости силы электрического тока от разности потенциалов на концах участка электрической цепи с активным сопротивлением, эта зависимость будет оставаться близкой к линейной.
   Выявленная закономерность в связи следствия с причиной позволяет перейти к формированию физической модели. Здесь необходимо напомнить о принципиальном различии между обыденной моделью, возникающей в нашем представлении при выделении явления из мира, и моделью научной, в данном случае – физической. Такая модель уже не формируется на уровне подсознания, а вводится – осознанно и целенаправленно. Она должна быть предельно четкой, оформленной понятийно и пригодной для трансляции с целью однозначной интерпретации реципиентом.
   Начать следует с того момента, когда в результате измерения зависимости следствия от причины были получены значения физических величин, находящихся в этой связи. Значения величин измеряются с определенными погрешностями, что делает общий результат несколько размытым и порой по этой причине допускающим различные модельные представления. Так, в пределах «полосы погрешности», на модельном уровне измеренная зависимость может быть иногда представлена различными функциями.
   Подавляющее большинство специалистов с физическим образованием, тем более – экспериментаторов, университетский курс «Уравнения математической физики» вспоминают с бóльшим ужасом, чем даже курсы квантовой механики или статистической физики. Дело в том, что в этом курсе часто употребляется речевая конструкция «решение ищем в виде» (далее следует математическое выражение предлагаемой функции). Что при этом возникает в головах преподавателя, математика или физика-теоретика – неизвестно. А вот студенты, за редкими исключениями интуитивного характера, в подавляющем большинстве совершенно не понимают, откуда берется эта функция. В то же время это не что иное, как осознанный выбор физически обоснованной модели для уже упоминавшегося теоретического (математического) нахождения аналитического вида модели системно обусловленной причинно-следственной связи между конкретными физическими величинами (то есть закона). Так, при рассмотрении упругих свойств тел в ряде случаев разумно предположить возможность колебательного описания процессов, возникающих при наложении или снятии механических напряжений. Тогда и соответствующую функцию применительно к уравнениям математической физики следует выбирать в форме, соответствующей такому описанию (в частности – тригонометрической). Если же предполагается вероятностный характер процесса, то такая функция, скорее всего, должна будет носить экспоненциальный характер. Таким образом, физически обоснованный выбор модельной функции – исключительно творческая индивидуально-личностная задача исследователя.
   Все сказанное полностью распространяется на выбор физической (математической) модели для описания совокупности экспериментально полученных результатов измерения зависимости величины-следствия от величины-причины. То есть, имея на руках такую совокупность, мы выбираем модель по принципу «ищем в виде…». Это означает, что предположение физического смысла происходящего на основании выявления закономерности должно опережать предложение физической модели.
   Среди исследователей (и, тем более, обучающихся) распространено представление о графике функции как линии в пространстве «причина – следствие». При этом графическое представление функциональной зависимости может быть как результатом, так и источником ее аналитического представления. Дискретные значения величин, полученные в результате экспериментального проведения измерений зависимости следствия от причины, и соответствующие им точки плоскости «причина – следствие» носят служебный характер в установлении соответствия между значениями аргумента и функции. В то же время точки линии графика являются некоторым образом избранными среди точек поля величин, на котором задана функциональная зависимость. Обычно под диаграммами состояний систем понимается изображение разграниченных линиями графиков полей соотношений величин, характеризующих это состояние.
   Система координат – совокупность значений величин, однозначно определяющих положение точки, отображающей состояние системы, в соответствующем пространстве. Это пространство по определению представляет собой поле значений величин, характеризующих состояние системы, то есть, в конечном итоге, поле состояний системы. Линия графика при этом отражает теоретическое представление о границе раздела полей состояний системы. Такое осмысление возможно для любых функциональных зависимостей, отражающих модельные представления так называемых «динамических» (строго детерминированных) причинно-следственных связей. То есть функциональных зависимостей, отражающих законы.
   К числу примеров описанного подхода относятся следующие. Прежде всего, хорошо известные из учебников физики графики зависимости скорости механического перемещения от времени. Линии этих графиков разделяют поля состояний системы, соответствующие пройденному и не пройденному за данный промежуток времени пути. Другим ярким примером являются физико-химические диаграммы состояния бинарных и квазибинарных систем, линии которых представляют собой границы полей таких состояний. Чаще всего эти поля устанавливаются экспериментально в результате комплекса измерений – термографических, теплофизических, микроскопических и других. При исследовании огранения кристаллов, выращиваемых из расплава, на диаграмме состояний «скорость роста – ширина боковой грани» выделяется поле, соответствующее наличию такого огранения [7]. Математическая универсальность подхода подтверждается и возможностью его применения в исследованиях нефизического характера. Так, при изучении интеллектуальной операции усвоения алгоритмов познавательной деятельности, на диаграммах «число предъявляемых задач – время их решения» и «число предъявляемых задач – качество их решения» четко выделяются поля состояний, соответствующих возможным условиям решения этих задач [6, 8, 9]. Все это свидетельствует об общем характере возможности диаграммного подхода к рассмотрению состояний сложных систем, поведение которых зависит от многих не всегда контролируемых факторов.
   Результаты измерений в некоторых экспериментах изначально могут выглядеть как непонятного происхождения «разброс» значений измеряемых величин. Общепринятая статистическая обработка этих значений может не приводить к какому-либо варианту понимания поведения системы. Но полученную совокупность значений величин в их взаимосвязи можно рассматривать и как определенную область диаграммы состояний. Тогда аппроксимация границ рассматриваемого поля диаграммы функцией вида, заданного моделью (теорией), позволяет представить результаты измерений линией графика, однозначно описывающего конкретный закон изучаемого процесса.
   «Полоса погрешностей» измерений, проводимых в процессе эксперимента, также может (точнее – должна) рассматриваться как поле диаграммы соответствующих состояний, отражающей причинно-следственную связь. В таком случае возможна как аппроксимация границ этой полосы функциями одного и того же вида (различающимися только параметрами), так и аппроксимация полосы в целом линией графика определенной функции, заданной гипотетической моделью. При этом необходимо учитывать необходимость дальнейшего исследования, если такая функция достаточно сложна, а полоса достаточно широка. В рабочем порядке при формировании (введении) моделей следует продвигаться в режиме последовательных приближений – от простейших возможных моделей к более сложным. Но в любом случае вид выбираемой модели и, следовательно, аппроксимирующей функции, определяется ее физическим смыслом.
   В случае теоретического исследования явления аналитическое выражение, полученное в результате математически обеспеченного рассмотрения зависимости следствия от причины, по определению является модельным представлением этой связи. Здесь необходимо отметить следующую особенность введенных таким образом изначально теоретических моделей. Развивая то или иное гипотетическое представление, теоретические модели в ряде случаев не могут быть экспериментально подтверждены и, следовательно, сами по себе учтены в практической деятельности. При этом они остаются строгими и не содержащими методологических ошибок. В таких случаях и ценность подобных моделей носит методологический характер. Например, теория роста кристалла и движения границы раздела фаз в кристаллических материалах, построенная Дж. Каном [4], как показала практика работы в этой области, не может быть сопоставлена с результатами экспериментальных исследований. Измерение элементарных процессов роста кристаллов на фазовой границе «кристалл – расплав» в любом случае встречает значительные (иногда – принципиальные) экспериментальные трудности. Поэтому теория Дж. Кана фактически описывает «модель движения модели межфазной границы», оставаясь определенной «игрой ума» теоретика. Но игрой ума профессиональной, позволяющей, в частности, «схватить» картину процесса в целом. В результате эта экспериментально непроверяемая модель вошла в фонд представлений о механизме роста кристаллов, помогая исследователям создавать более адекватные и практически значимые модели подобных процессов.
   Введенная на основании результатов экспериментального или теоретического исследования модель причинно-следственной связи между явлениями имеет одну важнейшую служебную особенность. Эта особенность состоит в четкой очерченности границы применимости модели и, как следствие, сформулированного на ее основе закона. Так, установленные Ньютоном модели причинно-следственных связей между изменением движения физических тел и причиной, вызывающей это изменение, справедливы только для модели физического тела, механические свойства которого остаются постоянными в процессе изменения движения. То есть речь идет о материальной точке, инертность которой не зависит от скорости ее движения. Математически это описывается возможностью пренебрежения величиной скорости движения тела по сравнению со скоростью света. Таким образом и определяется граница применимости данного класса моделей и, следовательно, законов Ньютона.
   Как следует из предыдущих рассмотрений, физическая модель отличается от обыденной предельной простотой и четкостью математического описания. Поэтому сущность физической модели причинно-следственной связи можно однозначно передать средствами языка. Это позволяет перейти к этапу физического исследования, который можно назвать «Формулирование закона». Формулировка закона представляет собой текстовое прочтение введенной модели зависимости следствия от причины. При этом должна быть обеспечена предельная строгость текста. Многозначные термины здесь недопустимы, возможно использование только понятийно определенных слов.
   Так, в процессе установления первого закона Ньютона мы тем или иным способом, в результате того или иного эксперимента, но в итоге – обязательно путем экстраполяции (мысленный компонент реального эксперимента) приходим к следующему модельному представлению.
   1. В выбранной для проведения экспериментального исследования системе отсчета, связанной обычно с Землей, после экстраполяционного устранения всех воздействий на наблюдаемое тело можно сделать вывод о равномерности и прямолинейности движения этого тела. Эквивалентность состояний покоя и равномерного прямолинейного движения сомнений не вызывает.
   2. В системах отсчета, движущихся ускоренно относительно системы отсчета, в которой проводился эксперимент, позволивший сделать указанный вывод, движение наблюдаемого тела не будет равномерным и прямолинейным даже в отсутствие воздействий на него. Это означает, что равномерное и прямолинейное движение рассматриваемого тела в отсутствие воздействий на него возможно только в некоторых системах, в которых это можно экспериментально (в том числе – с помощью экстраполяции) проверить. Но все же такие системы, как показал эксперимент, существуют!
   3. Экспериментальное исследование может быть проведено с любым телом, что позволяет при обобщении (то есть в процессе экстраполяции результатов измерений) пренебречь всеми его свойствами за исключением инертности, обусловленной материальностью тела и описываемой величиной «масса». Это означает, что нас при описании тела устроит его простейшая модель – материальная точка.
   Итак, прочитаем текстовое описание получившейся модели исследованной причинно-следственной связи. Существуют такие системы отсчета, относительно которых материальная точка двигается равномерно и прямолинейно, если на нее не оказывается никаких воздействий. Это и есть формулировка первого закона Ньютона.
   Сколь четким ни было бы прочтение полученной (введенной) модели причинно-следственной связи, ее конкретное осмысление (в том числе – при рассмотрении конкретных ситуаций) осуществляется в величинах и операциях, осуществляемых мозгом над ними. Операции эти мы традиционно называем математическими, поскольку математика как отрасль науки представляет собой системно упорядоченный результат осознания таких операций. Поэтому принципиально важно записать сформулированный закон в символической форме, принятой в соответствующей области математики. То есть осуществить шаг «Математическая запись закона». В случае первого закона Ньютона такая запись представляет собой констатацию постоянства скорости движения тела по величине (модулю) и направлению, а также отсутствия каких-либо воздействий на тело:

   Мы убедились в том, что физический закон представляет собой прочтение модели, причем предельно простой, выявляющей только сущность физической причинно-следственной связи, но не детали ее проявления в действительности. Для все того же первого закона Ньютона такая модель – «единственная материальная точка в бесконечном пустом пространстве». Реализацию такой модели в действительности просто невозможно представить. Поэтому использование любого закона (в том числе – физического) в том виде, в котором он сформулирован, возможно только для чрезвычайно грубых, принципиальных оценок. Более детальные рассмотрения ситуаций требуют и более сложных моделей. Закон, который удалось строго установить для предельно упрощенного, выделенного из общефизического контекста действительности, представления о единичной, «избранной», причинно-следственной связи, в принципе не может быть установлен для более сложной модели, подразумевающей заведомую множественность таких связей. Мы можем лишь высказывать, на основании понимания закона, свои вполне безответственные предположения о возможном развитии ситуации, приближенной к реальности. Эти предположения нуждаются в каждом случае в тщательной проверке для определенной (четко оговоренной) модели, усложненной по сравнению с исходной моделью закона. Частным случаем такого подхода в социальных ситуациях является судебная практика. Судья, в результате судебного процесса, выводит следствие из существующего закона в соответствии с реалиями рассматриваемого дела. Таким образом, принципиальное требование единства подхода к использованию закона при решении конкретных задач приводит к необходимости шага исследовательской деятельности, который можно определить как «Выведение следствия из закона».
   Из сказанного выше с очевидностью следует, что выведение следствия из закона и в физическом, и в психологическом отношениях является действием, принципиально отличным и потому принципиально отдельным от установления закона и его формулирования. Совмещение закона и следствия из закона в одной формулировке противоправно и психологически недопустимо. Такое совмещение сомнительного следствия из закона и строгого закона приводит к сомнению нашего сознания в справедливости и самого закона.
   Тем не менее, следствие из закона все же формируется и формулируется на основании закона. Поэтому и формулировка следствия должна быть подобной формулировке самого закона.
   Так, по аналогии с первым законом Ньютона, сформулированным выше, можно предположить, что скорость материальной точки будет постоянной и в том случае, если все приложенные к ней силы будут уравновешивать друг друга. Легко видеть, что экспериментальная проверка этого положения в принципе невозможна в реальной ситуации. Пренебрежение же частью сил по сравнению с более значимыми является частью произвольного допущения. Итак, мы делаем предположение, что существуют такие системы отсчета, относительно которых материальная точка двигается равномерно и прямолинейно, если все воздействия на нее уравновешены. Это и есть формулировка следствия из первого закона Ньютона.
   По тем же причинам, что и в случае закона, необходимо выполнение шага «Математическая запись следствия из закона». Математически следствие из закона может быть записано также по аналогии с математической записью закона:

Это означает, что материальная точка движется неускоренно, если равнодействующая всех приложенных к ней сил равна нулю.
Все обоснованно проделанные шаги по установлению закона сами по себе связаны между собой в определенной последовательности необходимыми, существенными, устойчивыми и воспроизводимыми причинно-следственными связями. Действительно, трудно представить себе установление зависимости следствия от причины до того, как спланирован и организован эксперимент. Еще один пример: ранее, в главе 3, уже обсуждалась проблема соотношения обыденной и научной моделей. Научная модель может появиться только после выполнения определенных научно-познавательных действий – и никак иначе. Таких примеров можно привести много, и все они указывают на существование алгоритма установления закона. Этот алгоритм, представленный на рис. 5.1, является «дочерним», частным по отношению к алгоритму научно-познавательной деятельности рис. 3.1. На рис. 5.1 шаги представлены более подробно, чем в общем алгоритме рис. 3.1.

   Рис. 5.1. Фреймовое представление алгоритма установления закона

   Разумеется, научный работник, в особенности – профессиональный, в процессе собственной научной работы чаще всего не задумывается над этим алгоритмом или представляет его себе в виде разного рода сверток. Но в тех случаях, когда речь заходит о понимании чужой научной работы и ее результатов или трансляции сущности конкретного научного результата и/или способа его получения, четкое пошаговое отслеживание действий в соответствии с приведенным алгоритмом рис. 5.1 не имеет альтернатив.
   Важно осознавать, что установление закона не является прерогативой избранных, и любой добросовестный исследователь, действуя в соответствии с алгоритмом рис. 5.1, может установить представляющий для него интерес закон. Физический закон – проще всего. Проще – в строгом, соответствующем принципу простоты [3], смысле. По инженерным решениям, затратам финансов и труда такое установление может потребовать адронного коллайдера. А может обойтись и использованием простейших предметов, как это неоднократно показывали Петр Леонидович Капицаи Роберт Вильямс Вуд. Мы к этому еще вернемся в данной главе, а в особенности – в главе про преподавание физики.

5.3. Типы законов и их взаимосвязь в процессе исследования

   Строгость процедуры установления физического закона указывает на то, что феномен закона носит принципиально математический характер. И уж совсем очевидным это обстоятельство делает необходимость математического выражения установленного физического закона. Такая необходимость обусловлена, в частности, требованием возможности практического применения закона контролируемым воспроизведением причинно-следственной связи. А это, в свою очередь, требует знания количественного соотношения причины и следствия.
   В научной и образовательной деятельности существуют затруднения в понимании субъектами этих видов деятельности собственно феномена закона, а также его специфики для различных отраслей знания вообще и разделов физики в частности. Одна из причин таких затруднений заключается в том, что при описании причинно-следственных зависимостей возможны три варианта математического подхода (и, соответственно, используемого математического аппарата): аналитический, статистический и вероятностный. Использование этих вариантов обусловлено особенностями исследуемых систем и конкретикой поставленных задач.
   В конечном итоге любого исследования нас чаще всего интересуют возможности прогнозирования развития рассматриваемой ситуации. Могут возникать и задачи, связанные с выяснением происхождения этой ситуации. Но любой из этих двух случаев требует анализа поведения функции, отражающей зависимость величины, характеризующей следствие, от величины, характеризующей причину, в окрестности любой точки рассматриваемого пространства. В сущности, именно для этого мозг реализует операции, совокупность которых мы определяем как математический анализ.
   Для математического анализа функции, отражающей зависимость следствия от причины, установленную в результате физического исследования, эта функция должна удовлетворять определенным требованиям. Важнейшее из них – дифференцируемость функции в каждой точке области ее определения. Точки пространства, в которых аналитичность функции нарушается, называются особыми точками этой функции. Говоря о законе, в том числе – физическом, мы нуждаемся в аналитичности отражающей его функции в областях, не содержащих ее особых точек. Само наличие особых точек может быть предметом отдельного, самостоятельного закона или определять границы применимости закона, описываемого аналитической функцией. При изучении конкретной причинно-следственной связи мы можем, в частном случае, на уровне закона обсуждать лишь определенную область значений функции (в общем случае – кусочно-гладкой), в которой эта функция заведомо аналитична. Так, например, закон Гука отражает зависимость деформации образца от приложенного к нему механического напряжения только в пределах упругости материала этого образца. Хотя в целом такая причинно-следственная зависимость может быть измерена и за пределами упругости.
   Функция, в области ее определения принимающая для каждого значения аргумента лишь одно значение, называется однозначной. В принципе, аналитическая функция может оказаться и неоднозначной. Однако в практике исследовательской деятельности, направленной на установление физических законов, мы стремимся к описанию измеряемых причинно-следственных зависимостей однозначными аналитическими функциями.
   Для исследуемых величин, однозначно характеризующихся определенными значениями, причинно-следственные связи между этими величинами и описывающие их функции столь же однозначно предопределены, то есть детерминированы (от латинского determinare – определять). Поэтому законы, математически выражаемые однозначными аналитическими функциями, называются детерминистскими.
   В классической физике предполагалось, что детерминистские законы отражают необходимые, существенные, устойчивые и воспроизводимые причинно-следственные связи, которые, в силу аналитичности описывающих их функций, позволяют предсказывать состояния системы в их развитии на основе значений величин, характеризующих начальное состояние системы. Типичным примером классического детерминистского закона может служить закон всемирного тяготения Ньютона. Таким образом, детерминистский закон представляет собой способ описания процесса изменения состояний системы при полной предсказуемости этих состояний. В этом состоит его непререкаемая методологическая ценность. И нет другого способа обеспечения такой предсказуемости.
   В рамках классической физики рассматривались системы, свойства и поведение которых были, с точки зрения исследователей, предельно детерминированы. Отсюда и возникновение механицизма, повлекшего за собой философские представления о всеобщей предопределенности на уровне классических детерминистских законов. В данном случае мы имеем дело с неправомерным разделением детерминизма как необходимого и безальтернативного методологического подхода к рассмотрению любых явлений в их развитии и неизбежной стохастичности (от греческого stochasis – догадка, вероятность) поведения систем и их элементов в процессе исследования. Стохастичность может быть обусловлена как сущностью объектов исследования (например, элементарных частиц), так и принципиальными особенностями проведения измерений – от погрешности измерительных приборов до столь же принципиального проявления «человеческого фактора» в этом процессе.
   Изучаемая в рамках научно-познавательного подхода система, находящаяся в одном и том же макроскопическом состоянии, всегда может рассматриваться в процессе проведения исследования как совокупность невзаимодействующих друг с другом ее копий, отличающихся микроскопическими состояниями, то есть, в конечном итоге, состояниями отдельных элементов. Наиболее распространенными примерами могут служить изучаемые системы, состоящие из очень большого числа микрочастиц (молекул, атомов, элементарных частиц), а также «живые» системы, биологические и социобиологические в своей основе.
   Одним из наиболее важных, на наш взгляд, примеров научного отражения невзаимодействующих «систем-копий» являются совокупности результатов последовательно воспроизводимых одних и тех же экспериментальных измерений в системах, находящихся в одном и том же макроскопическом состоянии. При этом для систем микрочастиц, на измерения в которых распространяется принцип неопределенности Гейзенберга, принципиальная невозможность точных измерений, являясь сущностной, представляет собой ключевой аспект как вытекающих из эксперимента, так и теоретических представлений. То же самое справедливо и для «живых» систем ввиду выраженной индивидуальности их элементов.
   Другое дело – результаты измерений, проводимых в макроскопических системах, состоящих из макроскопических элементов. Например, в механических системах. Здесь погрешности измерительных приборов, индивидуальные особенности проводящего измерения исследователя и неконтролируемые в процессе эксперимента влияния случайных событий приводят к различию результатов одного и того же экспериментального акта в предполагаемых одинаковыми условиях. Таким образом, и в этом случае система может рассматриваться как совокупность «систем-копий», отличающихся друг от друга состояниями, обусловленными неизбежным и неконтролируемым включением в систему воздействий, предполагаемых находящимися за ее пределами. Такие включения не рассматриваются в модели системы и, следовательно, в ее теоретическом исследовании. В результате теоретическое описание поведения макроскопической системы макроскопических элементов оказывается безусловно детерминированным, а соответствующие законы – безусловно детерминистскими. Поэтому и сопоставление теории с экспериментом в таких случаях должно осуществляться в явно детерминистском виде, несмотря на стохастический характер результатов экспериментально проводимых измерений.
   Описанные выше «системы-копии» получили название «статистических ансамблей». Ансамбль (от французского ensemble – совокупность, стройное целое) – совокупность элементов, в согласованном единстве образующих целостную систему. Так, в качестве ансамбля обычно рассматривается вся совокупность молекул, атомов или других микрочастиц, из которых состоит макроскопическое тело. Или, например, совокупность электронов, обеспечивающая межатомную связь. Или просто газ свободных электронов.
   Необходимо помнить, что все такие частицы есть физические модели определенных физических сущностей, проявляющихся в экспериментальных наблюдениях. Если мы опишем поведение частиц, образующих кристаллические структуры, колебаниями и, как следствие фурье-анализа этих колебаний, нормальными колебаниями, то в интересах представлений механизмов рассеяния можно перейти к моделированию этих нормальных колебаний квазичастицами – фононами. В таком случае, естественно, речь должна идти о состояниях ансамблей квазичастиц. То есть, говоря об ансамблях, в физике мы обычно имеем в виду ансамбли моделей микрочастиц (в том числе – разного рода квазичастиц). Параметры состояний элементов этих ансамблей либо (прямо или косвенно) устанавливаются в результате экспериментальных наблюдений, либо рассчитываются теоретически.
   Слово статистика происходит от итальянского stato – государство. Первоначально статистика была видом практической деятельности, направленной на сбор, обработку и анализ информации о происходящих в обществе достаточно распространенных явлениях, значимых для этого общества. Сюда относились, в частности, сведения об экономике, производстве, культуре и прочих массовых социальных феноменах. Развиваясь, статистика превратилась в научно (и, следовательно, математически) обеспеченные методологию и технологию представления сведений о каком-либо конкретном явлении, связанном с множеством событий, в том числе – случайных. Статистика позволяет судить о том, как часто встречается это явление в конкретных условиях и, в частности, в конкретный момент (интервал) времени, и насколько представительными и достоверными могут быть интересующие нас данные. А данные – это всегда значения какой-либо определенной величины: мозг и сознание оперируют исключительно величинами.
   Таким образом, статистический ансамбль следует понимать как совокупность значений определенных величин, характеризующих модельное представление состояния макроскопической системы, состоящей из множества системно связанных между собой элементов, поведение которых носит случайный с точки зрения наблюдателя характер. Раз есть модельное представление, то должен существовать и закон, отражающий интересующую нас причинно-следственную связь в рамках этой модели. Причиной (и, соответственно, аргументом) здесь является последовательность проявляющихся в измерениях значений исследуемой величины – характеристики модели. Следствием – распределение количества одинаковых (в пределах погрешности измерений) значений этой величины по значениям аргумента.
   Статистический закон позволяет установить значение интересующей нас величины, наиболее часто встречающееся в процессе проведения исследования. Необходимо отметить, что использование профессионального жаргона зачастую маскирует особенности установления законов, их смысл и роль. Так, любому физику знакомы «статистики» Максвелла – Больцмана, Бозе – Эйнштейна, Ферми – Дирака. Строго говоря, это не какие-то непонятные «статистики», а статистические законы, теоретически полученные в соответствии с описанной выше процедурой установления закона. И на самом деле понять их можно только в результате воспроизведения этой процедуры.
   Чрезвычайно важно понимание того обстоятельства, что в статистическом законе, являющемся таковым в строгом смысле слова, следствием является единственное значение исследуемой величины, соответствующее конкретным условиям измерения (в частности, пространственно-временным). Процедура установления этого значения при обработке результатов эксперимента и его корректность обеспечиваются методами математической статистики. Математическая статистика – раздел математики, рассматривающий методы систематизации и обработки результатов измерений в системах, состоящих из большого числа элементов, характеризующихся случайным, с точки зрения наблюдателя, поведением.
   Статистический закон, обеспечивая надежность и достоверность единственного (среднестатистического) значения величины, характеризующей обсуждаемую модель системы, не может самостоятельно описывать пространственно-временное поведение системы (здесь имеется в виду любое пространство) и, следовательно, не обладает прогностическими возможностями. Такие возможности появляются при рассмотрении совокупности последовательных относительно [предполагаемой] причины явления статистически установленных значений измеряемой величины. Эти значения, как и значения величины-аргумента, характеризующей причину, строго определены. Следовательно, получаемый таким образом закон является принципиально детерминистским. В частности, он может быть выражен аналитической модельной функцией в соответствии с рассмотренной в предыдущем разделе процедурой установления закона. И здесь еще раз необходимо обратить внимание на то, что все сказанное относится к измерениям статистических ансамблей, отличающихся как сущностной случайностью поведения составляющих их элементов, так и случайностью, связанной с процессом проведения измерений.
   В ходе статистических исследований макроскопической системы случайность событий, связанных с отдельными элементами статистического ансамбля, отражается распределением числа этих событий по значениям интересующей нас величины. Если же мы будем рассматривать саму эту случайность в поведении отдельно взятого элемента ансамбля, то событие будет характеризоваться вероятностью его наступления. Вероятность – это мера возможности такого наступления. На эмпирическом уровне представление о вероятности связано с частотой наступления ожидаемого события. Это связано с предположением, что в нашем распоряжении имеется достаточно большое число возможных испытаний, то есть реальных или мысленных экспериментальных актов. Тогда частота наблюдения события будет стремиться к некоторой величине, которая и будет соответствовать вероятности его наступления. Значение такой величины есть не что иное, как среднее по времени значение интересующей нас характеристики элемента ансамбля. Таким образом, вероятностное описание поведения объекта исследования и, в частности, элемента статистического ансамбля представляет собой распределение вероятности интересующего нас события по значениям величины, характеризующей это событие в рамках выбранной нами модели. Так, например, нахождение электрона в плоскости мишени, в которую он нацелен, определяется распределением вероятности его попадания в точку с известными относительно некоторой заданной точки координатами. Как и в случае статистического подхода к рассмотрению поведения ансамбля, наличие вероятностной модели поведения элемента статистического ансамбля означает возможность формулирования закона, носящего вероятностный характер. В этом случае в качестве причины также выступает последовательность проявляющихся в измерениях значений исследуемой величины – характеристики модели. Для приведенного выше примера причина – факт попадания электрона в определенную точку пространства мишени, характеризуемую координатами. Следствие – распределение значений вероятности такого попадания по значениям координат. Вероятностный закон, как и статистический, строг. Но и в этом случае мы имеем дело с единственным наиболее вероятным значением рассматриваемой величины. Установление этого значения, да и описание всего распределения в целом – дело теории вероятности (или вероятностей – кому как привычнее). Вероятностный закон носит констатационный характер, не предоставляя возможности экстраполяционных и, следовательно, прогностических заключений. Установленные таким законом значения вероятности события могут быть рассмотрены в качестве причины или следствия в законах, допускающих аналитическое описание развития исследуемой ситуации, и, следовательно, детерминистских.
   Таким образом, связи статистических и вероятностных законов с детерминистскими вполне понятны и представимы. Статистические и вероятностные законы являются таковыми согласно данному в настоящей главе книги определению закона. И процедура их установления должна соответствовать стандартной процедуре, описываемой алгоритмом, приведенным на рис. 5.1. Однако в общем контексте проведения научного исследования, тем более – физического, эти законы играют подготовительную роль. В процедуре установления представляемого аналитической функцией детерминистского закона статистический и вероятностный законы соответствуют [третьему] шагу «Проведение измерений причины и следствия» алгоритма (рис. 5.1). Выше мы уже фактически обсудили психологическую тождественность установления нового закона и реального понимания уже установленного ранее.
   При рассмотрении конкретной системы, представляющей собой статистический ансамбль, обнаруживается тесная связь между статистическими и вероятностными законами. В статистической физике эта связь рассматривается в рамках эргодической гипотезы (от греческого érgon – работа и hodós – путь). Сущность ее заключается в том, что средние по времени значения физических величин, характеризующих систему, равны их средним статистическим значениям. Попросту говоря, наиболее вероятное значение интересующей нас величины равно ее среднестатистическому значению. То есть, если мы каким-либо образом измерили среднестатистическую скорость хаотического движения молекул тела (например, газа), то на основании эргодической гипотезы можно предположить, что наиболее вероятная скорость такого движения для случайно выбранной молекулы будет иметь то же значение.
   Отмеченное соотношение вероятностных и статистических законов, по-видимому, расширяет возможности установления законов детерминистского характера, столь необходимых нам для анализа развития исследуемой ситуации.
   Проведенное в этом разделе книги рассмотрение типов законов и их взаимосвязи чрезвычайно важно с точки зрения научно-познавательной деятельности вообще. В том-то и состоит роль физики как простейшей отрасли науки. Исследовательские принципы и подходы, сформированные и отработанные на простейших физических моделях, должны носить общий характер для любых объектов исследования. Естественно, обогащаясь в деталях и приводя к обнаружению новых исследовательских возможностей.

5.4. Теоретико-информационный подход к установлению и пониманию физических законов

   Хорошо известна широкая эрудиция физиков в самых различных областях познавательной деятельности. И столь же хорошо известна реакция многих «нефизиков» (и «нематематиков») на высказывание физиками суждений по поводу так называемых «гуманитарных» проблем. Реакция эта чаще всего агрессивна и во многих случаях дословно звучит так: «Ну что вы везде суете свою физику!». Чаще всего физики оказываются правы. В чем же дело? Да просто они осознали универсальность математических представлений наблюдаемых явлений величинами и операциями над ними. Поэтому здесь имеет смысл вернуться к физическим величинам с точки зрения общего характера физических представлений.
   В предыдущей главе обсуждалось формирование обыденной, «дофизической» модели, формирующейся в результате поступления в мозг сигнала от совокупности рецепторов при наблюдении явления. Уже на этом, самом первом, уровне построения адаптационных движений [1] происходит выделение из множества рефлекторных колец, хранящихся в памяти, «тематического подмножества» по принципу родства воздействия. Это уже свидетельствует о сопоставлении таких колец, их сравнении по определенным признакам. Таким, например, как уровень сигнала и ассоциативная удаленность родственных сигналов от сигнала, вызывающего данную реакцию. В любом случае для таких родственных сигналов сопоставление изначально носит дихотомический характер: «большой – малый». В старославянском языке – «великий – малый». Отсюда и «величина» – «большесть» одного проявления наблюдаемого признака по отношению к другому. Таким образом, первое, что происходит при формировании «обыденной» модели – это измерение ее параметров путем сопоставления либо с близкородственными явлениями (на уровне понятия), либо с более отдаленными по степени родства. В последнем случае в сопоставление включаются другие «тематические подмножества», пересекающиеся с возникшим в результате выделения из мира конкретного элементарного явления. Все такие пересечения образуют более высокий уровень обобщения (и, следовательно, построения движения) – концепт. Математическая операция пересечения множеств отражает физические операции взаимодействия физических прототипов этих множеств. Необходимость углубления понимания происходящего приводит к переходу на более высокие уровни формирования реакций [1]. Естественно, этот переход приводит к еще более изощренной операциональности описания происходящего в пространстве моделей.
   Необходимость описания выделенного из мира явления социально обусловлена необходимостью обмена информацией, связанной с этим явлением. Поэтому неосознаваемые изначально сопоставления и оценки последовательно формализуются в виде величин, в первую очередь – физических. Процедура такой формализации детально описана выше в разделе 4.3. Но различение неких базовых величин и последовательный переход к операциям над ними в пространстве моделей происходит еще до формализации представлений этих величин и операций. Очевидно, что результат преобразования величины какой-либо операцией тоже есть величина. Но величина, уже производная от исходной (или совокупности исходных величин). С математической точки зрения, тот или иной оператор сам по себе не является физической величиной, но результат его воздействия на какую-либо величину – является. Так, например, оператор

– не физическая величина, а

   – скорость – физическая величина, характеризующая процесс изменения положения тела в пространстве.
   Отсюда следуют важные выводы по поводу формирования физических представлений.
   1. Поскольку физика изучает взаимодействия физических тел и физических полей, первично, еще до осознания, мозг формирует величины, характеризующие собственно эти феномены. Применительно к физическим телам и физическим полям – это характеристики их свойств. Впоследствии, в процессе научно-познавательной деятельности, эти «протовеличины» конкретизируются в такие физические величины, как, например, заряд и масса. А характеристика воздействий тел и полей друг на друга развивается далее в физическую величину «сила».
   2. Изначальная дихотомичность оценки свойств делает формируемые физические величины, характеризующие эти свойства, с математической точки зрения равноправными. В том смысле, что они характеризуют некий эффективный размер объекта физического исследования в соответствующем пространстве.
   3. В виртуальном мире нашего сознания нет исследуемых объектов. Там есть величины, характеризующие эти объекты. И поведение объектов исследования в реальном мире для мира величин описывается математическими операциями над ними. Операциям безразличны объекты реального мира. Важно, чтобы эти операции были математически допустимы и соответствовали принятой к рассмотрению в нашем виртуальном мире физической модели наблюдаемого явления. Они, эти операции, и возникали-то изначально в связи с физическими или, по крайней мере, физичными представлениями. Универсальность одних и тех же операций применительно к различным величинам приводит к тому, что мы реально рассматриваем поведение величин. То есть, наряду с «базовыми» физическими величинами появляются порожденные операциями достаточно универсальные «физические величины, характеризующие поведение величин». Сюда, например, относятся ток и поток любой величины – заряда, массы, скорости, вихря, странности и т. д..
   В результате такого равноправия и универсальности величин универсальными относительно этих величин могут оказываться и представления причинно-следственных связей между ними.
   Из всего сказанного по поводу формирования величин и физических величин (в частности) следует, что информацией называется процесс или результат преобразования явлений реального мира в явления виртуального мира нашего сознания. Отсюда следуют «технологические», в конечном счете – математические определения информации, назначение которых – обеспечить корректную обработку этой самой информации. Детали этого выходят за пределы рассмотрения в данной книге. Однако важно то, что стихийно или строго введенные в процессе указанного преобразования величины далее обрабатываются в соответствии со специфическими информационными законами, безотносительно к сущности реальных прототипов наших виртуальных представлений. Поэтому не вызывает удивления, например, сходство как самих экспериментов Кавендиша, Кулона, Био и Савара, так и их формализованных на уровне законов результатов. Те же токи и потоки величин формально описывают, казалось бы, совершенно различные физические явления. Однако «мозг умнее нас», находя теоретико-информационными инструментальными методами общие черты в различных по своей природе деталях картины мира.
   В одних случаях такое обобщение носит чисто математический характер, порождая теорию подобия [2] с ее возможностями моделирования. При этом возможности могут выходить за пределы не только физики, но и техники. Так, поведение толпы в определенных условиях может быть описано математическим аппаратом, используемым обычно в молекулярной физике или электродинамике. Процесс и результат усвоения алгоритма интеллектуальной деятельности вполне корректно описывается законами, вид которых тождествен математической формализации законов радиоактивного распада и электромагнитной индукции.
   Понимание именно физических аналогий величин и их поведения в информационном пространстве позволяет расширить наши возможности создания физических модельных представлений систем и описания их законами. Следовательно, расширить и возможности понимания физических явлений, а также понимания физики в целом как интеллектуальной методологии подхода к научному познанию мира.
   Наконец, уже упомянутое сходство законов, описывающих взаимодействия физических полей, неминуемо заставляет задуматься о возможном единстве природы этих полей (Эйнштейн, например, задумывался). И, соответственно, направить усилия на глубокое изучение этой проблемы с применением современнейших экспериментальных методов и изощренных математических приемов.
   Задачей настоящей главы является демонстрация простоты установления физических законов, а следовательно – доступности этой процедуры для любого заинтересованного познавателя. Ну и, конечно, демонстрация тождественности процедур установления закона и его понимания – в том числе в случае рассмотрения закона, уже установленного кем-либо другим. Если решение поставленной задачи благополучно осуществилось, то нам осталось понять, зачем же все это – величины, модели, законы да и вообще втягивание личности в процесс научного познания. Тем более – физического.

5.5. Определение физической величины как форма детерминистского закона

   В предыдущей главе была детально рассмотрена процедура введения и определения физической величины с обоснованием происхождения соответствующего алгоритма и смысла каждого из его шагов. Все эти шаги не вызывали никакого удивления и затруднения – просто мы на разных уровнях детализации представлений последовательно подбирали математический аппарат, приближаясь к однозначности определения величины. То есть все было естественно: в голове у нас только величины (в сущности, в математическом смысле этого слова) и способы оперирования этими величинами. Вот мы и приспосабливаем их к нашей задаче. Но последний, шестой шаг алгоритма – «численное значение величины» – вызывает некоторое напряжение своей искусственностью. Нужно какое-то универсальное понимание «математического базара» и заведомо доступный и понятный для каждого принцип пользования его прилавками и развалами. Что же на этом «базаре» происходит на самом деле?
   Прежде всего, вводимые физические величины в плане определения их численного значения можно четко разделить на две группы. К первой относятся величины, численное значение которых изначально устанавливается сравнением с эталоном соответствующей меры – путь, перемещение, сила, масса, заряд, время… Здесь все ясно: возникла необходимость введения меры – ввели, выбрали эталон, и вперед! Ко второй, гораздо более многочисленной, группе относятся величины с этого самого «базара» – выражаемые через другие физические величины. Непосредственно через величины первой группы, а также через уже ранее «принесенные с базара» величины. Вот эта-то, вторая, группа и вызывает затруднения в умах. Опять какие-то гении и высшие силы? Ан нет!
   Если численное значение величины не может быть оценено при помощи эталонирования, включается вторая группа – необходимо выразить эту величину через другие величины. Это значит, что следует установить функциональную зависимость между вводимой величиной и другими величинами. В математике функциональная зависимость носит по определению причинно-следственный характер. При введении физических величин соответствующие функции должны быть однозначными на конвенционном уровне, поскольку только в таком случае возможно однозначное взаимопонимание субъектов научно-познавательной деятельности. Следовательно, физические величины отражают принципиально детерминированные причинно-следственные зависимости. Каким образом устанавливаются эти зависимости?
   При необходимости введения меры явления или свойства такие зависимости устанавливаются в результате мысленного эксперимента на физической модели этого явления. Первый пример: скорость движения тела. Скорость вводится как мера процесса изменения положения тела в пространстве, то есть для ответа на вопрос: «Как именно скоро (быстро) происходит изменение положения тела в пространстве?». Это не что иное, как первый шаг алгоритма установления закона – постановка задачи по установлению закона. Сравнивая быстроту изменения положения различных тел в пространстве (организация и планирование эксперимента, проведение измерений), мы сопоставляем пути, пройденные этими телами за один и тот же промежуток времени (измерение зависимости пройденного пути от времени). Произвольный выбор величины этого промежутка делает весьма затруднительным осмысление результатов, полученных различными субъектами процесса измерения. Явно необходима конвенция – соглашение о едином для всех этих субъектов промежутке времени, соответствующем конкретному пути, измеренному с целью определения быстроты перемещения тела (выявление закономерности). И совершенно очевидно, что для простоты вычислений лучше всего выбрать единичный промежуток времени. Отправляемся на «математический базар» и там находим операцию отнесения значений одной величины к единице другой величины (введение модели). Это операция деления. Таким образом мы приходим к численному равенству скорости перемещения тела пути, пройденному этим телом за единицу времени (формулирование закона). Итак, при определении численного значения вводимой физической величины мы действуем в соответствии с алгоритмом установления закона (рис. 5.1), пусть даже в варианте некоторых сверток отдельных сочетаний его шагов.
   Другим примером может служить механическая работа. Мы наблюдаем процесс изменения состояния механической системы и вводим необходимую физическую величину. Возникает вопрос: «Как именно протекает процесс изменения механического состояния системы?» (постановка задачи по установлению закона). Изменение механического состояния системы происходит в результате механического воздействия на рассматриваемое тело. В результате такого воздействия тело изменяет положение в пространстве, перемещается, изменяя состояние системы. Мерой воздействия является векторная физическая величина «сила», мерой изменения положения в пространстве – векторная физическая величина «перемещение». (Все это – организация и планирование эксперимента, а также проведение измерений). Практика изменения механического состояния систем показывает, что процесс этого изменения тем результативнее, чем интенсивнее воздействие и чем большего изменения положения тела в пространстве удается достичь. Это означает, что вводимая физическая величина должна возрастать с ростом величин «сила» и «перемещение». Не вполне ясно как, но возрастать (измерение зависимости следствия от причины). Это – общее для всех механических систем положение (выявление закономерности). Модель, собственно говоря, уже введена самим подходом мысленного эксперимента (введение модели). А вот теперь – надо «прочитать» эту модель, то есть сформулировать закон. При введении физической величины «механическая работа» в технологии раздела 4.4 настоящей книги выясняется, что эта величина должна быть скалярной, поскольку процесс изменения состояния не характеризуется направлением в пространстве. Получается, что нам надо связать между собой два вектора (силы и перемещения) так, чтобы получился скаляр (механическая работа). Отправляемся на «математический базар» и там находим единственное решение – скалярное произведение двух векторов. Отсюда следует, что скалярная физическая величина «механическая работа» численно равна произведению модулей силы и перемещения на косинус угла между их направлениями (формулирование закона и математическая запись закона). Действительно – ну чем не закон? Совершенно аналогично на «математическом базаре» в виде векторного произведения векторов находим численные значения для таких векторных величин, как угловая скорость, момент силы, силы Ампера и Лоренца и все прочие. И все соответствующие выражения имеют силу законов. Причем детерминистских.
   Теперь можно подвести итог проведенному рассмотрению. Его можно сформулировать так. При введении физической величины, численное значение которой выражается через другие физические величины, процесс нахождения конкретного вида этого выражения соответствует реализации алгоритма установления закона, а само выражение представляет собой детерминистский физический закон.

Литература к главе 5

   1. Бернштейн, Н. А. О построении движений [Текст] / Н. А. Бернштейн // Биомеханика и физиология движений / Под редакцией В. П. Зинченко. – 2-е изд. – Воронеж: НПО «МОДЭК», 2004. – С. 7—380.
   2. Веников, В. А. Теория подобия и моделирования. М.: Высшая школа, 1976. – 479 с.
   3. Илларионов, С. В. Теория познания и философия науки [Текст] монография / С. В. Илларионов. – М.: «Российская политическая энциклопедия» (РОССПЭН), 2007. – 535 с.
   4. Кан, Дж. Теория роста кристалла и движение границы раздела фаз в кристаллических материалах [Текст] / Дж. Кан // Успехи физических наук. – 1967. – т. 91, вып. 4. С. 677—689.
   5. Новая иллюстрированная энциклопедия [Текст] / т. Жа – Ит. – М.: ООО «Мир книги», науч. изд-во «Большая российская энц-ия», 2005.
   6. Фролов, А. А. Модель формирования научно-познавательной компетентности обучающихся [Текст] / А. А. Фролов, Ю. Н. Фролова // Сибирский педагогический журнал. – 2011. – №9. – С. 51—64.
   7. Фролов, А. А. Огранение кристаллов силицидов и германидов при выращивании из расплава [Текст] / А. А. Фролов // Рост кристаллов, т. 17. – М.: Наука, 1989. С. 216—237.
   8. Фролов, А. А. Технология интеллектуального образования [Текст] / А. А. Фролов. – Екатеринбург: Раритет, 2014. – 180 с.
   9. Фролова, Ю. Н. Роль социальной фасилитации в процессе алгоритмизированного проблемного обучения [Текст] / Ю. Н. Фролова // Сибирский педагогический журнал. – 2010. – №5. С. 41—54.

Глава 6. Физические задачи и их решение

   Так уж сложилось, что в представлении обывателя слово «задача» ассоциируется с необходимостью исполнения того, что задано извне, как правило – без необходимости понимания сущности исполняемого. Это представление формируется на уровне общего образования и затем поддерживается социальной практикой.
   Отсутствие понимания сущности и содержания физических задач в системе образования начало усугубляться в нашей стране в восьмидесятые годы прошлого века. Определенным сигналом послужило массовое решение задач по геометрической оптике без выполнения необходимых построений. Осознанное решение таких задач в этом случае невозможно. Затем исчезли чертежи и схемы из решений задач, связанных с механикой и электричеством.
   В итоге решение физических задач превратилось в системе образования в запоминание неких совокупностей шаблонных действий без осмысления содержания задачи. Это неминуемо приводит (и уже привело) к аналогичному подходу в решении других задач, в том числе – социальных.
   Но в то же время как классики физической науки, так и современные физики решали и решают какие-то задачи, смысл которых далек от обыденного сознания, а назначение и результаты – удел популяризации, как правило, неудачной с физической точки зрения. Так почему же все-таки эти единицы занимаются решением физических задач, понимая, чем они занимаются? Да просто дело в том, что по причинам психологического порядка эти задачи представляют для них интерес. Более того, интерес «кровный»: задачи присвоены субъектами их решения, исследователи в прямом смысле слова живут этими задачами и в условиях этих задач. В связи с этим можно сформулировать психологический закон: «Человек не может осознанно решать чужие задачи». Научные работники-физики (увы, далеко не все из формально относящихся к этой категории специалистов), присвоившие те или иные задачи, осознанно их решают, включая поневоле в явном виде структурные особенности научного продуктивного мышления (см. главу 3). Остальные, невзирая на степени и ранги – от школьника до доктора наук – выполняют каторжные работы, в лучшем случае пребывая в ожидании озарений [8, C. 141].
   Возвращая физику в пространство общечеловеческой культуры, важно понимать, что решение задачи – завершающий этап цикла научно-познавательной деятельности исследователя (рис. 3.1). Этап, из-за которого вся эта деятельность и затеяна. Все, изложенное в третьей, четвертой и пятой главах книги, основано на представлении о принципиальной алгоритмичности мышления, в явном виде проявляющейся в научном продуктивном мышлении. Рассмотренные прецеденты этой алгоритмичности при введении определений понятий и физических величин, а также установлении законов позволяют предположить, что и решение задач происходит в соответствии с определенным универсальным алгоритмом, являющимся «дочерним» по отношению к алгоритму научно-познавательной деятельности (рис. 3.1). Это предположение, в частности, подтверждается доросшим до уровня коллективного сознательного представлением, зафиксированным в Федеральном государственном образовательном стандарте общего образования. Этот стандарт предусматривает необходимость формирования обучающимися компетенции в области единого подхода к решению любых задач.

6.1. Что же такое физическая задача?

   Сложившаяся на социальном уровне привычка к неосмысленному и безответственному словоупотреблению привела к тому, что большинством людей представление о физической задаче сводится к неприятным воспоминаниям юности о непонятных и ненужных «поисках формул» для нахождения столь же ненужных значений непонятных величин. В то же время именно задача представляет собой главный объект реальной профессиональной деятельности в физическом исследовании, а ее решение – содержание этой деятельности.
   Сбивающим с толку и психологически вредным фактором в современной общей речевой практике является частое использование слова «проблема» без формирования его четкого понятийного наполнения. Поэтому задачу путают с проблемой, ссылаясь при этом на традиционный перевод с английского (изначально с греческого) языка слова «проблема» как «задача». Ситуацией (от латинского situatio – «положение») называетсясовокупность идеальных или материальных объектов и связей между ними, существующая в конкретном интервале времени в представлении субъекта деятельности [8, С. 118]. Ситуация может быть значимой или незначимой для субъекта деятельности. В случае значимости ситуация требует действий субъекта в условиях неопределенности. Эту неопределенность необходимо устранить, выбрав цель и способ действий из ряда альтернатив. Процесс и результат такого устранения называется решением (этимологически, по-видимому, от древнерусского «решити» – «развязать, отпустить грехи»). Если имеющиеся в нашем распоряжении альтернативы не позволяют осуществить решение, мы относим ситуацию к проблемным ситуациям, требующим дополнительных интеллектуальных усилий, направленных на расширение поля альтернатив, на расширение возможности выбора действий. Таким образом, проблемой (проблемной ситуацией) называется значимая для субъекта деятельности ситуация, не допускающая решения имеющимися в наличии средствами.
   Создание в свое время академического Института физических проблем было обусловлено революционным возникновением в поле зрения физики как отрасли науки именно ситуаций, для решения которых средства еще не были разработаны. А порой еще не были даже представимы.
   Целью научного рассмотрения возникающих в представлении субъекта исследовательской деятельности проблемных ситуаций является их преобразование в ситуации, в которых проблемность отсутствует. Соответствующее этому преобразованию расширение поля альтернатив достигается переходом от общей размытой картины ситуации к ее фрагментам, объекты которых могут быть понятийно определены, и либо известны причинно-следственные связи между этими объектами, либо понятны способы их установления.
   Размытость проблемы в нашем восприятии обусловлена недостатком информации. При достаточности информации выбор действий не составлял бы труда. Поэтому в проблемной ситуации необходима конкретная информация, которая определит направление и содержание действий, вычленяя из первоначально размытой картины определенные, ясные фрагменты. «Дать» можно сколько-нибудь, «задать» – означает «дать достаточно». Поэтому задачей называется совокупность информации, с необходимой полнотой отражающая конкретный процесс, установление причин, хода или результата которого представляет интерес для субъекта деятельности. Такой подход представляется весьма конкретным и может служить основой для конкретных, целенаправленных действий. Если названная совокупность информации окажется, как говорят математики, необходимой и достаточной, то задачу просто невозможно не решить: вопрос лишь в том, каких целенаправленных усилий это потребует. При этом речь идет о любых задачах, в том числе – за пределами школярских представлений о смысле задач и их решений. Определение количества теплоты, выделившегося в результате прохождения электрического тока по проводнику – задача. Определение параметров орбиты искусственного спутника Земли – задача. И так – без конца и края: все акты удовлетворения познавательных интересов человека есть решения задач. Тем более в случае, если эти познавательные интересы обусловлены практикой жизненной необходимости.
   Специфика именно физической задачи состоит в том, что указанная в определении задачи совокупность информации носит принципиально физический характер. То есть эта информация касается физических тел, физических полей и их взаимодействий – как процессов, так и их результатов. Как следует из предыдущих глав, выражена она в физических моделях и описывающих эти модели физических величинах. Именно здесь проявляется физичность мышления субъекта решения задачи. И проявляется следующим образом.
   В силу индивидуальных особенностей мышления уже обыденная, первичная модель наблюдаемого явления носит для субъекта физический характер. Например, обращается внимание на особенности перемещения тела в условиях пренебрежения его свойствами. Или телу (среде) приписывается определенное свойство, обусловливающее его наблюдаемое поведение.
   В результате образованности и наличия опыта осознаваемой (продуктивной) мыслительной деятельности имеет место склонность к осознанному формированию именно физической научной модели происходящего. Такое формирование происходит в результате введения физических величин, описывающих значимые стороны явления (или хотя бы осознания необходимости введения таких величин), и принципиального исключения из рассмотрения всех других его сторон.
   На основе понимания и знания прецедентов операциональных возможностей математики формируется готовность субъекта к использованию (или созданию) этих возможностей для описания физических величин и их поведения в мыслительных процессах на уровне теоретического мышления, то есть в отрыве от чувственного восприятия и обусловленных им обыденных моделей наблюдаемых явлений. В этом отношении примером может служить создание Ньютоном интегрального исчисления в интересах описания физических процессов и их результатов.
   Итак, физическая задача есть порождение физического способа видения мира. Именно поэтому физические задачи, рассматриваемые в ходе образовательного процесса, должны содействовать развитию этого способа видения как образца общего научного модельного мышления. Но в основе физических исследований всегда лежит поставленная физическая задача, возникновение интереса к решению которой всегда так или иначе связано с практическими интересами человека, а точнее – человечества. Перефразируя Маяковского: «если физические задачи возникают, значит, это кому-нибудь нужно». Решения всех без исключения сугубо теоретических, казалось бы, совершенно оторванных от практики физических задач прошлого лежат в основе современной цивилизации. Электрическое обеспечение нужд человечества, атомная энергетика, релятивистские поправки при расчете движения космических аппаратов, лазеры всех сортов и мастей, ракеты… Все это и еще многое другое является результатами постановки и решения физических задач носителями выраженного физичного мышления, в удовлетворении собственных познавательных интересов существенно опередивших время, в котором они жили и работали.
   Самым интересным является то обстоятельство, что при всех индивидуальных особенностях восприятия и мышления субъекты успешного решения задач всегда продвигались по одной и той же траектории, совершая одни и те же принципиально важные шаги в уникальном индивидуально-личностном исполнении. По-видимому, это – проявление определенных законов деятельности мозга, продуктивного мышления, общей и социальной психологии.

6.2. Этапы постановки задачи

   Откуда же берутся «свои», «собственные» задачи, решать которые человек не просто согласен, а не может отказаться? Он, человек, говорит, что ему эти задачи интересны. Обратимся к «Большому психологическому словарю» и посмотрим, что такое интерес. «Интерес – потребностное отношение или мотивационное состояние, побуждающее к познавательной (выделено автором книги – А. Ф.) деятельности, развертывающейся преимущественно во внутреннем плане» [2, С. 206]. Там же указывается, что интерес может рассматриваться в качестве одной из первичных эмоций, имеющих мотивационное значение. Таким образом, интерес представляет собой эмоционально окрашенную установку. То есть: наличествует интерес – задача присваивается и возникает мотивация в отношении ее решения; нет интереса – задача чужая и такая мотивация отсутствует. Следовательно, необходимым условием постановки осознанно решаемой задачи является ее эмоциональная постановка.
   Собственно говоря, весь эволюционно сложившийся алгоритм научного продуктивного мышления (рис. 3.1) и, следовательно, научно-познавательной деятельности представляет собой последовательность действий от выделения из потока сознания человека заинтересовавшего его явления до сформированности знания об этом явлении или до применения этого знания. В соответствии с определением алгоритма [6; 8, С. 49], каждый последующий его шаг невозможен без выполнения шагов предыдущих. В явном ли виде выполнялись предыдущие шаги или «проскакивались» на уровне подсознания в виде неких «сверток». В последнем случае возможны сбои и ошибки в решении задачи; в первом же случае решение безошибочно и неотвратимо. И с этой точки зрения соответствующий десятому шагу этого алгоритма («Решение на основе закона или следствия из закона задач для моделей различных уровней») «дочерний» алгоритм выполнения шага должен включать в себя осознаваемую «реплику» всей предыдущей последовательности действий. Естественно, дополняемую и развиваемую в соответствии со спецификой данного (десятого) шага.
   С учетом сказанного, самый первый шаг «дочернего» алгоритма решения задачи должен соответствовать «Выделению явления в окружающем мире или внутреннем мире человека» (см. рис. 3.1). В сущности, речь идет, разумеется, о выделении обыденной модели явления из потока сознания. Применительно к физической задаче речь идет либо о представлении наблюдаемого в окружающем мире конкретного взаимодействия физических тел или физических полей, либо о воспроизводимых в потоке сознания так или иначе сформированных ранее представлениях подобных взаимодействий. В любом случае на этом этапе мы имеем дело с обыденной моделью явления и соответствующим эквивалентным ей понятием (не путать с определением понятия, соответствующим научной модели явления). Ключевым словом здесь является «представление». Выделение явления из мира и формирование представления обусловлено интересом, то есть побуждающим к постановке задачи потребностным отношением. Следовательно, присвоение задачи – естественная операция. Почему же так редко и с трудом присваиваются научно-познавательные задачи, тем более физические?
   Дело в том, что открытость миру, готовность к выделению из него явлений определяется сформированностью научно-познавательной активности. В конечном итоге – умением при взаимодействии с миром задавать себе вопросы: «Что это?»; «Почему (зачем) это?»; «Как это сделать?». В отсутствие такого умения деятельность может носить познавательный характер, но не научно-познавательный. Так, в романе Э. М. Ремарка «Черный обелиск» присутствует достаточно типичный персонаж – отставной ефрейтор Кнаббс. Он мог на вкус определить, из какого кабачка шнапс. Это – выраженно познавательная деятельность. Научна ли она? Можно ли транслировать ее и ее результаты (даже если бы зачем-то было нужно)? Разумеется, нет. Ефрейтор Кнаббс не был готов задуматься над тем, почему именно вкус шнапса различается. Жрал водку – и все. Тем более он не задумался бы над причиной падения яблока, ощутимо упавшего ему на голову. Просто отнесся бы к этому как к дармовой закуске. А Ньютон задумался. Он был готов к задаванию таких вопросов и был внимателен к тому, что происходит и за пределами обеденного стола.
   Специфика современного менталитета определяется существенным преобладанием в обществе «кнаббсов». В ходе естественного развития интеллекта, рассматриваемого в его познавательной модели, ситуационное внимание развивается с раннего детского возраста. Именно в этом возрасте, в котором соответствие явлений окружающего мира потребностям личности еще не определено, да и многие потребности еще не достаточно развиты, интерес к миру особенно широк. И если реализация этого интереса носит деятельностный характер, формируется устойчивая готовность к выделению явлений из мира. А это значит, что формируется готовность к эмоциональной постановке задач. В подавляющем большинстве случаев эта готовность, к сожалению, блокируется последующим воспитанием. Именно поэтому самостоятельная постановка задач, в том числе и физических, является редкостью даже среди людей, формально занимающихся научной работой.
   Выделение явления из мира на уровне сенсорного восприятия и эмоциональное переживание его представления тесно связаны с первичным видом памяти – кратковременной памятью. Известно, что кратковременная память хранит информацию, обрабатываемую в настоящее время, в течение примерно 20—30 секунд. Если отсутствуют повторение информации или активное поддержание ее в памяти, эта информация забывается. При этом угасают и эмоциональные проявления интереса. Поддержание сущности задачи в памяти, таким образом, может осуществляться ситуационным или умышленным повторением по крайней мере ключевых ее элементов. Обеспечением такого повторения может являться образная или знаковая фиксация этих элементов, допускающая постоянное нахождение их в зоне внимания. Так, нобелевский лауреат Ганс Селье постоянно держал на тумбочке рядом с кроватью блокнот и карандаш, чтобы фиксировать возникающие во сне отражения задач [4]. Такая фиксация позволяет перейти от обработки информации в кратковременной памяти к обработке ее, если информация того заслуживает, в памяти оперативной [2, С. 374]. Оперативная память подразумевает процесс временного хранения информации, ее организации и управления ею. Кратковременная же память служит только для временного хранения информации. В оперативную память поступает материал как из кратковременной, так и из долговременной памяти. В плане проводимого нами рассмотрения это указывает на расширение возможностей эмоционального восприятия задачи и, следовательно, ее присвоения за счет ассоциативного характера представлений. Поэтому повторение ключевых элементов задачи путем их фиксации также входит в эмоциональную постановку задачи.
   Процесс и однозначный результат решения задачи для обыденной модели выделенного из потока сознания представления явления нереальны ввиду присущих этой модели многофакторной размытости и нестабильности. Уменьшение числа неопределенных факторов означает осознанный целенаправленный переход от обыденной модели к научной в результате математической операции пренебрежения менее значимыми факторами (по сравнению с более значимыми). Таким образом формируется модельная основа математической постановки задачи.
   В предыдущей главе книги было показано, что модель причинно-следственной связи между явлениями в рассматриваемой системе может быть описана соответствующим законом. Имеет смысл напомнить, что закон – именно формализованное модельное представление необходимой, существенной, устойчивой и воспроизводимой причинно-следственной связи между явлениями.
   В простейшем случае закона, каковым является именно физический закон, формализованность означает представление модели математическим выражением, однозначно ей соответствующим. В разделе 5.6 было показано, что определение численного значения физической величины, выражаемого через другие величины согласно технологии раздела 4.3, представляет собой детерминистский физический закон. Поэтому и с физической, и с математической точек зрения математические выражения закона и такой величины равноправны при постановке задачи. То есть, представив и зафиксировав модельную основу математической постановки задачи, мы должны осуществить саму эту постановку, сформулировав и записав математическое выражение физического закона (в частности, определения физической величины), описывающего поведение модели.
   Если необходимый для описания сформированной и принятой модели закон еще не установлен, его необходимо установить непосредственно в процессе решения задачи. Эта процедура осуществляется на основе алгоритма установления закона в соответствии с приведенным выше в этом разделе замечанием о включении в алгоритм решения задачи «реплики» всей предыдущей последовательности действий алгоритма научно-познавательной деятельности. Таким образом, выбрав или установив необходимый для описания модели закон и математически представив его, мы завершаем процесс постановки физической задачи. Только после этого можно говорить о переходе к ее решению.
   В качестве примера описанных действий можно привести пережитую автором настоящей книги постановку физической задачи по теоретическому и экспериментальному установлению зависимости скорости послойного роста кристалла из расплава определенного интерметаллического соединения от величины движущей силы этого процесса – переохлаждения на фронте кристаллизации. Выбор примера, на мой взгляд, подчеркивает универсальность подхода, поскольку является совершенно произвольным.
   В самом начале своего приобщения к физике, заинтересовавшись кристаллами, я был поражен не так стройностью и красотой их структуры, как таинством ее образования в процессе роста. Кристалл растет! Ну прямо как живой. И при этом дивным образом атомы из среды, граничащей с кристаллом, присоединяются к нему, занимая строго определенные, отведенные высшими силами места. Как тут не взволноваться? А занимаясь в процессе исследования еще и получением кристаллов, поневоле испытываешь необходимость понимания такого присоединения, поскольку от этого понимания, в конечном счете, зависит соответствие того, что получено, тому, что надо было получить.
   Среди прочих кристаллов довелось изучать рост из расплава кристаллов химических соединений, называемых интерметаллидами. Соединений, в которых атомы одних металлов закономерно и регулярно связаны с атомами других металлов или химических элементов, близких к ним по свойствам при определенных условиях. В кристаллах таких соединений связи между разнородными атомами часто анизотропны – то есть в определенных направлениях сильнее выражены, чем в других. Некоторые из таких кристаллов образуют на границе с расплавом плоскую грань, которая и перемещается в пространстве в процессе роста кристалла. Я представлял себе этот процесс похожим на пробегание волны по водорослям на дне моря. Пробежала волна – слой атомов прикрепился к кристаллу, и поверхность ожидает пробегания новой волны. Такая вот обыденная модель. Красиво и романтично. И на эмоциональном уровне хочется обзавестись таким волшебным увеличительным прибором, который позволил бы увидеть эти красивые волны, понять, как они устроены и как именно двигаются, и передать их описание другим людям. Вот так выглядела для меня эмоциональная постановка задачи.
   Присоединяться к кристаллу атомы заставляет то обстоятельство, что кристалл холоднее, чем расплав, и атомам, присоединяясь, выгоднее обзавестись устойчивыми постоянными соседями, меньше хаотически суетиться, чем в расплаве. Все это разыгрывается в слоях толщиной в доли миллиметра (то есть в сотни тысяч атомов) при разнице между температурой кристалла и температурой плавления вещества в доли Кельвина. Все на самом деле так размыто! Зависимость скорости нарастания вещества на кристалл от этой разницы температур, называемой переохлаждением, определяет многое: методы и технологические условия получения кристаллов, их качество (следовательно, и свойства). Зависимость эта настолько важна, что ее называют «законом роста кристалла». И решение физической задачи при исследовании процесса роста кристалла обязательно включает в себя учет такой зависимости, входящих в нее физических величин и других величин, связанных с ними. Итак, надо установить закон роста кристалла конкретного вещества из расплава, измерив для этого необходимые величины.
   Вызвавшие эмоциональную постановку задачи размытые образы пробегающих волн чего-то вполне устраивают нас на уровне обыденной модели. Однако в такой модели невозможно распознать величины, подлежащие измерению, и уж подавно – осуществить эти измерения. Еще раз вспомним Анри Пуанкаре: «в математике нет символов для неясных мыслей». Следовательно, простое однозначно транслируемое математическое описание в принципе сложной обыденной модели невозможно. Поэтому здесь необходим переход к простой математической модели. А на самом первом этапе, шаге, решения задачи ее присвоение состоялось на уровне дайверски близкой мне картинки, напоминающей пробегание волн по водорослям на морском дне, и совокупности наглядных представлений о кристаллах, красота, блеск и симметрия которых привлекает и завораживает. Всё. Эмоциональная постановка задачи свершилась. Задача – моя.
   Теперь надо двигаться дальше в направлении решения задачи. Для этого ее условие, то есть совокупность имеющейся необходимой для решения исходной информации, требуется удерживать в оперативной памяти для систематического и разностороннего ее рассмотрения. Это достигается фиксацией исходного набора величин, описывающих интересующий нас процесс. Сюда входят, разумеется, и величины, значения которых подлежат установлению. Вот выполнен и второй шаг.
   Однако математическое решение (а все решения всех задач – математические) возможно, как уже было отмечено, только для простой физической (то есть, в конечном счете – математической) модели, отличающейся минимальным набором характеризующих ее параметров. В приведенном здесь примере можно рассмотреть присоединение атомов к поверхности растущего кристалла в простейшей модели «резкой» границы раздела «кристалл – расплав», основанной на модели Косселя [1]. Разумеется, такая модель должна быть адаптирована к реальной кристаллической структуре рассматриваемого кристалла, учитывая, например, анизотропию межатомных связей (чего нет в модели [1]). В такой, уточненной применительно к условиям конкретной задачи, простейшей модели процесс роста будет протекать за счет движения по «гладкой» атомной поверхности ступени следующего слоя атомов с малым числом изломов на торце этой ступени [5]. Зафиксировав графически изображение построенной таким образом физической модели, мы получаем возможность рассмотрения в ней причинно-следственных связей, определяющих элементарные процессы присоединения атомов среды (в нашем примере – расплава) к кристаллу в результате действия в системе движущей силы общего процесса (в нашем примере – величины переохлаждения расплава). Таким образом, сделан третий шаг в решении задачи. Этот шаг обеспечивает переход от эмоциональной постановки задачи в первом шаге к математической ее постановке, необходимой для возможности решения.
   Только что упомянутые причинно-следственные связи представляют собой не что иное, как законы, в данном случае – законы присоединения атомов среды к кристаллу, то есть законы роста. Теоретически законы роста для простейших моделей были рассмотрены в работе [1]. Из этого рассмотрения следует, что для способа образования ступени на растущей поверхности, заведомо соответствующего данным конкретным кристаллам [5], закон роста выражается степенной функцией – зависимостью величины скорости роста кристалла вдоль нормали к растущей поверхности от величины переохлаждения расплава вблизи этой поверхности. Таким образом, завершающаяся этим, четвертым, шагом постановка задачи отражает необходимость нахождения величин параметров этой зависимости – показателя степени и необходимых коэффициентов. Вот теперь задача окончательно поставлена, и ничто не может остановить исследователя в ее решении. Трудности, и существенные, могут возникать. Но принципиально – ничто не может остановить. Была бы исходная мотивация. А это уже вопрос любознательности личности в отношении окружающего и внутреннего миров, в которые ее занесла жизнь.
   Если необходимый для решения данной конкретной задачи закон еще не установлен кем-либо (или, что то же самое, просто неизвестен субъекту решения задачи), не остается ничего другого, как его установить. Ну и, безусловно, надо постоянно помнить о том, что в процессе восхождения к «верхним этажам» продуктивного мышления, к реализации его крупноблочного алгоритма (рис. 3.1) каждый раз, в каждом законченном акте осмысления проходится весь цикл – начиная с появления сигнала и вызова из памяти тематического подмножества. В описываемом примере из области роста кристаллов, казалось бы, чего проще – установить конкретный вид зависимости скорости роста кристалла от величины движущей силы.

6.3. Решение поставленной задачи

   И вот тут-то обнаруживается, что для дальнейшего развития решения задачи не хватает значений некоторых величин, не входящих в явном виде в условие задачи, но фигурирующих в законе. В экспериментальном варианте решения предложенной задачи – это величина движущей силы процесса роста. В данном случае – переохлаждения расплава в окрестности фронта кристаллизации. Представьте себе, что надо измерить перепад температуры величиной менее одной десятой Кельвина в пространственном интервале в десятые доли миллиметра. И все это – примерно при 1000 К! Это еще никому не удавалось и, похоже, не удастся по чисто физическим причинам. Даже при всех возможностях современного научного оборудования. А надо! И вот тогда всплывает теоретическая работа [3], в которой это самое переохлаждение выражается через легко и просто измеримые (обычным штангенциркулем) характеристики огранения кристалла на фронте кристаллизации при его выращивании из расплава широко известным способом. То есть речь идет о других по отношению к выбранному для решения задачи закону причинно-следственных связях. В конечном итоге – об уравнениях, связывающих недостающие характеристики процесса с заведомо измеримыми или уже известными (в том числе – из условия задачи). И неважно, как обеспечивается получение этих уравнений – экспериментально или теоретически. В конкретном случае для кристаллов, выращенных с различными скоростями, переохлаждение на фронте кристаллизации было измерено с погрешностью около 10%, что для такого рода измерений – сказочно точно.
   Осталось только построить зависимость скорости роста от переохлаждения (то есть решить систему уравнений) и из этой зависимости найти показатель степени в законе роста. Проводившееся параллельно теоретическое решение задачи [5] показало, что полученный результат физически соответствует послойному росту кристалла дислокационным механизмом с малым числом изломов на ступени (на основе модели Бартона – Кабреры – Франка [1]).
   Таким образом, в результате решения поставленной задачи был установлен новый линейный закон дислокационного роста кристаллов из расплава для определенных типов межатомных взаимодействий в этих кристаллах. Установление этого закона позволило, в частности, на уровне понимания сущности процесса анализировать влияние технологических условий выращивания кристаллов определенного класса соединений на совершенство структуры полученных кристаллов.
   Если рассматривать известные прецеденты решения физических задач, в том числе классиками науки, то становится очевидной универсальность описанного подхода к их решению. Трудность выполнения отдельных этапов при решении конкретных задач, разумеется, различна. Однако во всех завершенных серьезных физических исследованиях эти этапы четко просматриваются. Правда, иногда некоторые из них могут быть представлены определенными «свертками», то есть отражаться только на подсознательном уровне. Но их всегда можно восстановить при детальном рассмотрении, то есть как минимум при мысленном воспроизведении описанного научным работником процесса исследования. Так, например, в теоретических работах никогда не фигурируют все проделанные авторами математические выкладки: те из них, что пропущены при публикации, могут соответствовать «свернутым» этапам решения задачи. И на долю читателя такой работы выпадает нелегкий подчас труд восстановления всех этих выкладок, поскольку они отражают физическую сущность мыслительной деятельности автора и, следовательно, единственно обеспечивают физическое понимание как процесса работы, так и полученного результата.

6.4. Алгоритм решения физической задачи

Алгоритмический характер продуктивного мышления, тем более – его «верхних этажей», проявляющихся в речевой коммуникации, не вызывает в настоящее время никаких сомнений. Это относится как к процессу продуктивного мышления в целом, описанному в главе 3 (рис. 3.1), так и к его фрагментам, рассмотренным в других главах, предшествующих данной. Последовательность описанных выше этапов решения физической задачи не составляет исключения: это не что иное, как алгоритм такого решения в строгом смысле. Собственно говоря, универсальный общий алгоритм решения любой задачи, описанный в книге [8], был построен на основании анализа описаний процесса решения именно конкретных физических задач профессиональными научными работниками-физиками. И изначально его построение было вызвано необходимостью применения эволюционно сложившегося в физике как отрасли науки опыта решения задач для предусмотренного тем же эволюционным процессом обучения в рамках системы общего образования [7]. Поэтому можно смело утверждать, что в основе общего универсального алгоритма решения физических задач лежит совокупность прецедентов, подобных описанному в настоящей главе. Этот алгоритм, согласно [7, 8], приведен здесь на рис. 6.1.

   Рис. 6.1. Фреймовое представление алгоритма решения задачи

   Использование данного алгоритма в процессе преподавания физики как предмета образовательных программ будет рассмотрено в следующей главе. Здесь же я хочу отметить, что осознанное построение на его основе программ решения исследовательских и инженерных задач показало действенность и эффективность подхода. В процессе становления научного работника такой подход в принципе необходим при постановке и проведении квалификационных исследовательских работ – от бакалаврского до докторского уровня. Физика – самая простая отрасль науки (после математики), и уровень становления физического мышления проявляется именно в простоте организации, планирования и выполнения практических действий, направленных на решение потребностно инициированных задач. А проще алгоритма (если это именно алгоритм, а не чье-то «предписание») не может быть ничего, поскольку он лежит в основе продуктивного мышления в соответствии с законами его формирования и реализации (см. главу 3).
   Решение физических задач в процессе образовательной деятельности будет рассмотрено в следующей главе. Здесь же мы просто отметим завершенность и неизбежную четкость алгоритма решения таких задач (рис. 6.1) любого уровня, основанную на анализе практики продуктивного мышления классиков физики как отрасли науки.
   Если вернуться к рассмотрению общего алгоритма продуктивного мышления и научно-познавательной деятельности, то обращает на себя внимание его последний шаг – «Переход к рассмотрению новых явлений». Этот шаг запускается выполнением последнего шага алгоритма решения задачи – «Анализ полученного результата». Поскольку решение задачи представляет собой финишную вершину осознанной, организованной мыслительной (и обусловленной ею практической) деятельности, именно анализ его результата определяет дальнейшее направление этой деятельности. Возможные варианты: а) углубленное рассмотрение аспектов только что решенной задачи; б) постановка новой задачи в связи с вновь открывшимися в процессе решения обстоятельствами (в частности, в рамках исходной проблемы); в) постановка принципиально новой задачи (как в рамках исходной проблемы, так и при возникновении новой проблемы). Однако в любом случае очевидно, что шаг алгоритма «Переход к рассмотрению новых явлений» неразрывно связан с анализом результата решения и потому в системе «ЯЗЫК – ЗАКОН – ЗАДАЧА» входит в блок «ЗАДАЧА». При этом любому из перечисленных выше вариантов дальнейшей научно-познавательной деятельности соответствует новый «запуск» всего алгоритма этой деятельности (рис. 3.1), что отражается спиральным развитием во времени присущей личности структуры продуктивного мышления на схеме рис. 3.2.
   В книге «Технология интеллектуального образования» [8, C. 141] проведен сравнительный анализ выполнения шага алгоритма «Переход к рассмотрению новых явлений» субъектами различных уровней непрерывного образования – от учащихся средней школы до докторов наук. Во-первых, оказалось, что большинство докторов наук (в том числе – физиков), принимавших участие в проведении этого исследования, не склонны к выполнению этого шага алгоритма, то есть избегают инициативного поиска новых явлений, подлежащих изучению, и, следовательно, новых задач. Во-вторых, из приведенных в книге статистических данных и схемы результатов их обработки следует, что эта особенность мышления исследователей складывается, начиная с общеобразовательной деятельности субъекта. По-видимому, данное обстоятельство следует принимать во внимание в процессе образовательной деятельности, особенно – в области решения физических задач как наиболее просто и точно отражающих научное моделирование явлений окружающего мира.

Литература к главе 6

   1. Бартон, В. Рост кристалла и равновесная структypa их поверхностей [Текст] / В. Бартон, Н. Кабрера, Ф. Франк // Элементарные процессы роста кристаллов. – М.: Мир, 1959. С. 11—109.
   2. Большой психологический словарь [Текст] / сост. и общ. ред. Б. Мещеряков, В. Зинченко. – СПб.: прайм-ЕВРОЗНАК, 2005. – 625 с.
   3. Воронков, В. В. Процессы на границе фронта кристаллизации [Текст] / В. В. Воронков // Кристаллография. 1974. Т. 19. №6. – С. 922—929.
   4. Селье, Г. От мечты к открытию: как стать ученым [Текст] / Г. Селье; пер с англ. Н. И. Войскунской, – М.: Прогресс, 1987. – 368 с.
   5. Фролов, А. А. Огранение кристаллов силицидов и германидов при выращивании из расплава [Текст] / А. А. Фролов // Рост кристаллов, т. 17. – М.: Наука, 1989. С. 216—237.
   6. Фролов, А. А. Соотношение алгоритмизации и эвристики при формировании и трансляции научного знания [Текст] / А. А. Фролов, Ю. Н. Фролова // Образование и наука. – 2007. – №5 (47). – С. 11—21.
   7. Фролов, А. А. Язык, закон, задача в курсе физики средней школы [Текст] / А. А. Фролов. – Екатеринбург: Банк культурной информации, 2001. – 96 с.
   8. Фролов, А. А. Технология интеллектуального образования [Текст] / А. А. Фролов. – Екатеринбург: Раритет, 2014. – 180 с.

Глава 7. Физика в общем образовании

   А образование… Что же образование? Оно уже расслоилось. Образование для «глупых» бешено прогрессирует (то есть, как должное образование, регрессирует). Здесь ОГЭ, ЕГЭ, IQ, Вяземский, организаторы гуманитарных спецклассов и инженерного мышления в начальной школе. Фантазия как злонамеренных, так и просто неумных людей в этом отношении безгранична. Венец всего на сегодняшний день – школы для одаренных детей, где непонятным и безграмотным образом отобранные (что вообще недопустимо) дети непонятным и безграмотным образом «индивидуально развиваются», пополняя ряды Сереж Парамоновых и просто «глупых». Они ведь не учатся думать. Зачем? Они же уже одаренные. И много еще всякого, брошенного на достижение этой жуткой цели – отбору наугад «надежд общества» с отправлением в отвалы основной массы людей. А вот реального специализированного образования для «умных» пока нет. Некому. Нечем. Некогда. Наверное, появится «взрывом» – когда «глупое» зайдет в тупик окончательно и будет там сидеть, пережевывая уходящую популяцию. А пока что «умные» продолжают появляться не благодаря, а вопреки. И жить пока в изоляции, мимикрируя.
   У нас только ленивый не хулит образования. Причем – нашего. Вот «там, у них…». У них еще хуже. Гораздо хуже. Финны, например, отменили в программе общего образования математику, физику, химию и биологию. «Включив» их в некие интегративные курсы. Мы пытаемся следовать за финнами, но пока, слава Богу, остатки здравого смысла мешают. То, что преподают, например, в школах Германии в качестве физики, к физике имеет отношение гораздо меньшее, чем в наших школах. Так что у нас какая-то видимость предметного образования пока сохраняется. Хотя и с трудом.
   И на этом фоне все больше и больше уделяется внимания увеличению разрыва между «умными» и «глупыми». Ну, с глупыми все понятно. Как уже упоминалось выше, М. А. Холодная ввела термин «функциональная глупость». Носители этого качества преобладают в обществе. Более девяноста процентов населения Земли. «Умные» заняты, с точки зрения окружающих, непонятно чем, что-то вечно изобретают, развивают, страдают, мучаются, но жизнью довольны. И их все меньше, а «глупых» все больше. И «умные» со временем все умнее, а «глупые» – все глупее. Умность и глупость чаще всего увязываются с образованием. Так что же с ним происходит на самом деле, и куда летим-то?
   В главе 3 были рассмотрены особенности формирования продуктивного мышления в современном обществе и роль физики (реальная и возможная) в этом процессе. Необходимость структурирования мышления в процессе образования отражена действующим Федеральным государственным образовательным стандартом общего образования на уровне перехода от коллективного бессознательного к коллективному сознательному. Стандарт в явной форме настаивает на научности образования и общих подходах к формированию понятийности и причинно-следственности, а также к решению задач. Наряду с очевидной прогрессивностью стандарта, его выполнение практически саботируется – в первую очередь ввиду образовательной и научной деградации учительского корпуса, что исторически обусловлено положительной обратной связью в процессе отбора кадров в этой области. Деградация образовательного состояния обучающихся такова, что становится объектом публичного обсуждения именно в такой форме, что необычно для нашего государства.
   Информация о реальных попытках изменить катастрофическую образовательную ситуацию в успешно экономически развивающихся странах (например, Китай) подтверждает частичное понимание сложившейся в мире ситуации, хотя на уровне псевдотехнологической парадигмы все остается в ныне существующем русле («дети должны… [вставить нужное] САМИ на основе рассмотрения предметов преподавания»). Кроме того, необходимо учитывать, что такие зарубежные попытки носят существенно локальный в пространстве («столичный») и элитарный в плане вовлеченности населения характер. Так, в том же Китае, по наблюдениям живущих и путешествовавших в этой стране наших сограждан, на фоне жутковатой общей безграмотности большинство населения либо не знает о существовании государства Россия, либо пренебрегает информацией о ней ввиду предполагаемой ее территориальной малости. А это уже симптом, входящий в синдром общеобразовательной недостаточности: какая уж тут физика! Ну прямо как везде – крайне необходимые кадры подготовим в загранице или позовем оттуда, чтобы обеспечить необходимое развитие, а остальных, опять же как везде, в «интеллектуальные отвалы». Так что заграница нам не указ – у нее образовательные проблемы еще похлеще наших. Тем более – с физикой. Ведь в физике надо сначала учиться думать, а потом – думать. По возможности, постоянно. Но не то время. Некому. Некак. Так что лучше заниматься своими у себя, где хоть что-то брезжит. Несмотря на педагогические усилия.
   Итак, вернемся домой. В отношении учебников физики в нашей стране деградация безусловно имеет место. Из них буквально вытравливаются физические величины. Установление законов совершенно непонятно, иллюстрации нефизичны. В среднем на одну-две страницы практически любого учебника физики приходится одна грубая физическая, математическая или психологическая ошибка, принципиально препятствующая пониманию и, следовательно, формированию научного продуктивного мышления и научно-познавательного подхода. Как уже выше упоминалось, неизгладимое впечатление оставил у меня соавтор одного из последних учебников физики, который назидательно сообщил мне, что определения энергии… не существует! Есть только определения конкретных видов энергии – кинетической, потенциальной и прочих. Что он имел в виду под определениями – неясно. Но ведь участвовал же в ваянии одного из учебников и, следовательно, учил физике! Именно в ходе той беседы я и понял необходимость написания данной книги, чтобы поучаствовать в возвращении здравого смысла в преподавание физики и в возвращении физики в культуру (или культуры умственной деятельности в физику, что тоже неплохо).
   Образовательный стандарт [7] удивительно хорош, я бы даже сказал – физичен. Но он в принципе не выполняется. Это показано, в частности, в работе [20]. Стандарт и не может выполняться, поскольку для выполнения вообще любого стандарта необходима технология, а в общем образовании за пределами начальной школы педагогических технологий сегодня нет. Есть методики, приемы, а технологии – нет. Ведь технологией называется воспроизводимая последовательность действий, приводящая к гарантированному получению заданного результата. А без этого какой может быть разговор о стандарте! Таким образом, необходимым условием адекватного преподавания физики является создание образовательной технологии, предусматривающей формирование научно-познавательной компетентности на основе научного продуктивного мышления [20].

7.1. Место физики в общем образовании

   Человеческое сознание способно единовременно воспринимать весьма ограниченный объем информации. Наряду с этим реально наблюдаемые явления чрезвычайно многогранны: поэтому они сложны в описании. Более того, их исчерпывающее описание в принципе невозможно. Поэтому в процессе мышления исследуемая система упрощается путем учета только определенных граней явления, наиболее важных для субъекта познавательной деятельности в данный момент времени. В третьей главе книги достаточно детально обсуждался принципиально модельный характер мышления. Ведь мышление оперирует не явлениями, а их моделями, создаваемыми сознанием в соответствии с индивидуальными особенностями восприятия нами этих явлений. И модель была определена как огрубленное представление о наиболее существенных для данной конкретной задачи сторонах явления [14; 20, С. 98]. При этом отмечалось, что по мере развития познавательного процесса модель может усложняться, стремясь приближаться к реальности.
   Общее образование должно служить средством адаптации личности к существующей и ожидаемой действительности через понимание ее граней, сторон и обеспечение действий, адекватных этой действительности. Ключевым здесь является представление об адекватности действий, что может достигаться единственно посредством адекватности самого процесса мышления явлениям действительности и способам ее изменения. На основании всего ранее рассмотренного в данной книге можно говорить о необходимости формирования моделей, адекватных действительности, как условии адаптации личности к этой действительности.
   Таким образом, в итоге можно утверждать, что основной задачей общего образования должно стать развитие мыслительных способностей, допускающих в значимых для личности ситуациях формирование ею безусловно индивидуальных по форме, но содержательно обязательно адекватных действительности модельных представлений. А это есть не что иное, как системный подход к формированию ключевых компетенций [14; 20, С. 32—36], которые рассматриваются как основной результат общего образования. Отсюда следует, что процесс прохождения личностью ступеней общего образования должен быть направлен на развитие компетенций в области адекватного моделирования. Естественно, это можно реализовать исключительно при соблюдении условия продвижения в обучении от простейших моделей к более сложным.
   Формирование человеком простейших моделей на уровне образного восприятия происходит с самого начала его знакомства с миром. Натянутая веревка ассоциируется с прямой линией, елка – с треугольником, параллелепипед обувной коробки – с автомобилем или домом. В этих случаях запечатлевается минимальное число граней явления, важных в данной ситуации для субъекта познавательной деятельности. Лишних, усложняющих допущений не делается, в результате чего такая модель и является принципиально простейшей. Здесь человек впервые сталкивается с величинами, то есть с мерами явлений, в том числе – форм окружающего мира. Математика – отрасль науки, изучающая величины в их соотношениях. Таким образом, простейшие мысленные модели, которые формирует сознание человека, есть модели математические. С точки зрения образовательной деятельности важно уже с этого этапа развития мышления сделать процесс формирования моделей управляемым и осознанным. Сущность обучения, которое является необходимым условием учения человека, состоит в развертывании способов деятельности с целью их усвоения другими людьми [14; 2, С. 567]. Отсюда следует, что на уровне простейших мыслительных действий необходимо развертывать, в первую очередь, математические способы описания мира, что вполне соответствует назначению математики как единственного и универсального средства такого описания. Данное обстоятельство отражено на схеме рис. 7.1.
   Знаковые системы формируются уже на первых стадиях развития адаптационных реакций мозга, то есть одновременно с формированием образных представлений. Примером знакового отражения действительности является определенная последовательность обращений мозга к элементам опыта, необходимая для реализации достаточно сложных адаптационных реакций. Мозг оперирует количественными характеристиками элементов опыта, то есть величинами. Следовательно, любые способы отражения действительности при их осознании нуждаются в математическом описании. При этом образное описание, в конечном итоге, тоже сводится к знаковому. Именно поэтому простейшие знаковые математические модели ложатся в основу средства общения людей при помощи знаков и символов, то есть в основу языка. Учащиеся пятых классов общеобразовательной школы, проходившие курс адаптации к предметному содержанию образования в основной школе [14; 20, С. 65; 23], самостоятельно делали вывод, который они формулировали так: «математика – это язык, язык – это математика». С высоких научных позиций с этим можно и поспорить, но для школьника – неплохо. На схеме рис. 7.1 показано, как далее язык, в основе которого лежат знаковые математические модели, обеспечивает формирование всех других моделей, совершенствуясь и усложняясь по мере усложнения этих моделей.

   Рис. 7.1. Схема развития модельных представлений в процессе общего образования

   Формирование математических моделей есть наиболее яркое проявление абстрагирования – мысленного вычленения определенного, наиболее значимого для субъекта познавательной деятельности свойства конкретного явления и отвлечения от остальных его свойств. А это есть не что иное, как наиболее существенное проявление операции обобщения. Затруднения в абстрагировании, как правило, свидетельствуют о задержке в умственном развитии (см., например, [6, 14]), которая может сочетаться с такими проявлениями, как наличие таланта и даже вполне развитой специальной одаренности [14; 20, С. 166]. Именно поэтому родители и педагоги зачастую пренебрегают сущностью общего образования ребенка на фоне его специальной одаренности, стимулируя таким образом формирование и развитие задержки. Вполне очевидно, что в большинстве случаев затруднения в абстрагировании могут быть хотя бы частично преодолены специальными педагогическими воздействиями, которые необходимо специально разрабатывать. В частности, такие воздействия должны предполагать формирование понятийного мышления [20, 21]. Для этого абстрагирование в образовательном процессе должно быть тесно связано с конкретизацией – отражением в мышлении конкретных проявлений определенного общего свойства группы явлений. Группа явлений, связанных общностью такого свойства, описывается понятием, а конкретное проявление этого свойства – определением понятия [14; 20, С. 72].
   Наилучшим образом требованию сочетания в образовательном процессе абстрагирования и конкретизации удовлетворяют физические модели. В них непосредственное чувственное восприятие (в том числе с использованием приборов) практически во всей полноте может быть описано представлением минимального числа граней наблюдаемого явления. По крайней мере, это утверждение справедливо для моделей классической физики, которая традиционно представляет основное содержание курса физики в общем образовании. Для формирования таких моделей характерен высокий уровень обобщения объектов исследования и их свойств при всей индивидуальности их чувственного восприятия в конкретных ситуациях. Сказанное относится, в частности, к моделям: «материальная точка», «рычаг», «точечный заряд», «физическое поле». В этих случаях процедура моделирования предельно проста в строгом смысле этого слова – она не требует большого числа произвольных допущений. Так, в приведенных примерах пренебрегается только размерами тела, только формой, только ощутимостью органами чувств человека. В результате процедура физического моделирования представляется обучающемуся понятной, правдоподобной и приемлемой. Возникает мотивация в отношении формирования физических моделей ввиду заманчивой простоты представлений. Или, по крайней мере, примирение с осознанным введением таких моделей.
   Развиваясь и усложняясь, физические модели (вместе со знаковыми их представлениями) ложатся в основу формирования и развития других моделей последовательного предметного ряда. Он восходит впоследствии к адекватным моделям сложных систем – таких, как социальные (на уровне общего образования представленные, например, в обществознании). И сопровождает, поддерживает формирование этих моделей. Ведь курс физики продолжается от трех лет в основной школе до пяти – в полной средней. Это обстоятельство проиллюстрировано схемой рис. 7.1. Да и на самом высоком научном уровне именно из физики пришли в гуманитарную сферу методы описания ансамблей (статистический подход) и индивидуальности (вероятностный подход). Как и связь между ними в рамках эргодической гипотезы [14; 20, С. 99].
   В ходе дальнейшего развития общего образования личности должен осуществляться закономерный переход к обучению формированию более сложных, по сравнению с физическими, моделей исследуемых явлений действительности. При этом объекты исследования остаются прежними, изменяется предмет исследования за счет углубления в сущность явлений. Так, мы переходим от простейших физических молекулярных моделей вещества к физически обоснованным, на уровне электронного строения, химическим моделям взаимодействия и превращения веществ на молекулярном уровне. При этом химические модели строения и взаимодействия веществ последовательно усложняются на протяжении школьного курса – от неорганической химии к органической вплоть до элементов биохимии.
   Но неизменными, происходящими из математики и физики, неразрывно связанных между собой, остаются сущность и последовательность мыслительных (и основанных на них практических) действий, позволяющих исследователю адекватно взаимодействовать с действительностью. Именно из физики в культуру современной исследовательской деятельности пришли способы определения понятий, соответствующих рассматриваемым явлениям, определения величин, характеризующих научные модели этих явлений, и установления законов, отражаемых соотношениями величин. На это указывает хотя бы то обстоятельство, что представление об алгоритме физического познания [19] аргументированно не претерпело изменений при переходе к представлению об алгоритме научно-познавательной деятельности вообще [20].
   Описанная выше логическая цепочка химических моделей приводит к представлениям молекулярной биологии. Здесь необходимо напомнить, что курсы ботаники и зоологии, подводя обучающихся к биологии через представление о клеточном строении живого, к собственно биологии не относятся. Основная задача этих курсов – ознакомление обучающихся с классификационной системой, лежащей в основе таксономической лингвистики и, соответственно, формирования понятий и введения их определений [14; 17; 20]. Поскольку инструментарий интеллектуальной деятельности в физике достиг состояния, близкого к современному, существенно раньше, чем в биологии, разумно предположить наличие глубокой обратной связи между развитием физико-математических проявлений таксономической лингвистики и собственно классификационной системы (напомним: единой). Возможно, на это указывает следующее обстоятельство. Педагоги и психологи до сих пор при введении определений понятий ссылаются на аристотелевскую двухуровневую структуру таксона («род» – «вид»). Для вполне корректного современного подхода к этой процедуре, как было показано в работах [20; 21], достаточно трехуровневой структуры. А вот для введения определения понятия физической величины, как было показано в главе 4, необходимы все пять уровней современного таксона. И выяснение соотношения между физикой и таксономией становится в один ряд с классической проблемой «курица – яйцо». Естественно, в образовательном процессе, где принцип историзма должен быть соблюден, хотя бы и натянуто, в конечном итоге можно, наверное, считать, что первичен таксон в его нынешнем состоянии. Однако упомянутой обратной связи на пути к этому конечному итогу никто не отменял.
   Биология – отрасль науки, изучающая живое на клеточном уровне. Клеточный уровень связан с рассмотрением механизмов взаимодействия сложных органических молекул, приводящего к новому качеству изучаемых систем – возникновению жизни. Здесь рождаются биологические модельные представления, развивающиеся впоследствии в модели функционирования живых организмов в целом и их отдельных систем. Это в полной мере относится и к человеческому организму, в том числе – к высшей нервной деятельности и ее моделированию. И здесь всегда остаются злободневными понятийность, причинно-следственность на уровне законов и единый подход к решению задач. А они, как ни крути, из физики. Не из изуродованных до неузнаваемости физики ее курсов, а из физики.
   Эволюция высшей нервной деятельности приводит к формированию социальных аспектов поведения животных, которые осознаются нами в соответствующих моделях. Вершина этой деятельности – мышление – является основой общественного поведения людей, которое описывается моделями и, следовательно, законами, рассматриваемыми в курсе обществознания.
   Такова исторически сложившаяся в образовательной деятельности последовательность формирования адекватных действительности моделей, отражающих объекты познавательной деятельности человека. Эти модели закономерно усложняются по мере продвижения от наиболее простых представлений об объектах к наиболее сложным. В результате при таком подходе следует ожидать непрерывного логически обусловленного развития адекватного модельного мышления обучающихся. Напротив, при нарушении указанной последовательности, в частности, при ее неполноте (как, например, в большинстве случаев «профильного» обучения), осознанное формирование адекватных действительности сложных моделей явлений, при отсутствии умения и опыта формирования более простых моделей, не представляется возможным. Следовательно, не представляется возможной и самостоятельность творческого и неразрывно связанного с ним исследовательского мышления.
   Надо отметить, что при любых искажениях смысла общего образования, ставших его основным содержанием в наше время, пострадавшим в первую очередь образовательным предметом оказывается физика. Либо она урезается до предела для так называемых «гуманитариев», либо объявляется «основой технических наук» (а то и просто – «техники») и становится прибежищем заучиваемых «формул» и нелепых картинок, не имеющих отношения к физике как отрасли науки.
   Все явления, которые исследуются и моделируются в процессе развития общего образования личности, погружены в определенную среду, информация о которой в сознании человека тоже образует систему модельных представлений. Такие модели среды определяют положение исследуемых явлений во времени и пространстве. Поэтому углубление в формирование все более сложных моделей явлений действительности сопровождается в общем образовании обучением формированию моделей среды, в которой эти явления происходят и наблюдаются. Это достигается при помощи образовательных предметов «география» и «история», развитие которых обеспечивается математическими моделями, сформированными в начале общего образования и развиваемыми на всем его протяжении. Вырывание исследуемого явления из средового контекста затрудняет присвоение задачи [14; 20, С. 122] общего образования и, следовательно, ее успешное решение. Поэтому изучение географии и истории и формирование соответствующих моделей является неотъемлемой частью общего образования.
   Развитие знаковых систем описания мира, формализуемых на уровне общепринятых и общеобязательных с самого начала общего образования, приводит к формированию универсального инструмента исследования мира. И если язык как средство общения людей в знаковой форме (язык математики и языки народов мира) в своей сущности и в процессе образовательной трансляции может и должен быть жестко формализован и универсален для всех, то литература всех жанров делает этот инструмент индивидуально-личностным и потому уникальным. Поэтому развитие инструментального обеспечения исследования мира сопровождает «объектную линию» формирования моделей на всем протяжении общего образования.
   Так что рисунок 7.1 по-хорошему должен изображать пирамиду, в основе которой лежат математика и физика, а вершина сияет обществознанием. Нет физики в обществознании, неприменима она к исследованию общества. А вот структура исследовательской (научно-познавательной) деятельности выросла из физики и работает на объектах любой сложности. И никуда от этого не деться.
   Поэтому «инструментальное обеспечение» следует понимать (и, соответственно, применять) достаточно широко – в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта общего образования. В настоящее время существует удовлетворяющая этим требованиям технология интеллектуального образования, не приводящая к изменениям образовательных программ, учебных и даже поурочных планов [20].

7.2. Физика, техника и «инженерное мышление»

   Воспользовавшись технологией введения определений понятий [20; 21], давайте договоримся о том, что же мы имеем в виду, произнося слова «физика», «техника», «технология», «инженерное мышление».
   Физикой называется отрасль науки, изучающая взаимодействия физических тел и физических полей. Техникой называется совокупность средств создания материальных ценностей. Технологией называется совокупность методов и процессов преобразования исходных продуктов в конечный продукт с заданными свойствами. Инженерным называется признак принадлежности к виду деятельности, в процессе которой создается техника. Мышлением называется процесс познавательной деятельности, в ходе которого субъект оперирует различными понятиями, образами, ассоциациями, обобщая, классифицируя и структурируя их.
   Из всего этого следует, что определенные выше понятия соответствуют принципиально разным, хотя и в разной степени связанным, видам деятельности. Физика – отрасль науки. Она изучает, то есть создает простейшие модели явлений и математически их описывает. Это потом, посмотрев со стороны на ее достижения, люди понимают, что физика выполняет еще одну важную работу. Для описания простейших моделей она выявляет и формализует (с использованием математики) структуру научного продуктивного мышления, единую для всех направлений научного познания. И всё! На этом дела физики в нашем и любом другом мире заканчиваются. Она не строит кораблей и боевых лазеров, не создает ядерных бомб и шестеренок. Полученные ею описания явлений вывешиваются на всемирной информационной доске, и их может прочитать каждый обученный чтению, причем с позиций своих интересов. А это процесс уже другой познавательной деятельности, в ходе которого субъект инженерного мышления, пользуясь универсальной структурой, порожденной физикой, решает задачи, направленные на создание вещей, обеспечивающих наше существование. Техника для переработки продуктов питания обеспечивает удовлетворение пищевых потребностей людей, гранильная техника – в конечном итоге удовлетворение эстетических потребностей и так далее. Если мышление человека, решающего технические задачи, не структурировано в духе научного продуктивного мышления, то это не инженер, а оружие одного боя. Как танк. Мощи небывалой, но часто гибнущий, так и не внеся вклада в победу. Понятно, что это трагично и для личности, которая не может осознать себя реализованной, и для общества, вынужденного потреблять результаты проигранных такими «танками» боев. Так что при отсутствии общенаучной основы инженерного мышления, привносимой физикой, в строгом смысле его не может быть. В таком случае обычно реализуется просто практическое мышление с плохо воспроизводимыми результатами.
   Инженерное мышление приводит к техническим решениям, обусловленным интересом человека к повышению качества жизни и выполнению социально значимых действий. Примерами решения технической задачи может служить создание двигателя внутреннего сгорания, автомобиля в целом или стрелкового оружия. Неважно, сделано ли это систематически достигающим поставленных целей профессиональным инженером или в порядке разового достижения обладателем выраженного практического мышления. Главное – решение технической задачи есть не что иное, как создание действующего опытного образца. И чисто технические достижения и находки на этом пути составляют основное содержание деятельности, делая научные результаты с всемирной информационной доски далекими и, как правило, малопонятными для создателей техники. Поэтому «технические науки» – из волапюка тех времен, когда для инвестиций ведущим основанием была научность, под которую чаще всего рядятся обычная практичность и хоть какая-то воспроизводимость.
   И уж совсем далека от физики как отрасли науки технология. Если в сарае Генри Форда еще порой обсуждались проблемы давления в цилиндре двигателя и осуществлялись какие-то «доводки» вручную, то для воспроизводимого получения качественных современных автомобилей важно не физическое описание действия их узлов и деталей, а точное воспроизведение параметров узлов и деталей. Без осмысления. Воспроизведение – и все. Любыми средствами. А это уже технология – мир гигантских безлюдных помещений, где в кромешной тьме орудуют роботы – без промаха и ошибки. Ну, и где здесь физика? Только в структуре научного осмысления технологического процесса и его частностей. Все те же «язык – закон – задача». Все те же алгоритмы продуктивного мышления. Продуктивного потому, что если в технологии не обмениваться продуктами мыслительной деятельности, соседние участки конвейера не поймут друг друга. Ни люди, ни роботы. И такого наштампуют!
   Таким образом, эволюционно сложившаяся в образовании последовательность развития близких к интересам людей видов осознаваемой деятельности имеет следующий вид.

Рис. 7.2. Схема, иллюстрирующая взаимосвязь физики, инженерного мышления, техники и технологии

Возможно, более наглядным будет другое схематическое представление взаимосвязи, изображенной на рис. 7.2 (см. рис. 7.3):

   Рис. 7.3. Вариант схемы, иллюстрирующей взаимосвязь физики, инженерного мышления, техники и технологии

   Над входом на кафедру физики одного из крупнейших технических вузов России висит шедевр: «Физика – основа технических наук». Ну, во-первых, «технические науки» – лексический монстр, подобный, например, «металлургической гинекологии». Гинекология может пользоваться инструментами, имеющими металлургическое происхождение, но от этого сама не становится металлургической. Техника и связанная с ней деятельность человека должны, как было показано выше (см. рис. 7.2, 7.3), описываться средствами, основанными на продуктивном мышлении, структура которого имеет, в свою очередь, научное (более того – физическое) происхождение. Но это не означает, что они настолько уж близкородственны.
   Поэтому модные ныне попытки насаждения «инженерного мышления» с первых классов школы есть не что иное, как очередное людоедское мероприятие по выявлению непонятными средствами и методами «орудий одного боя» с отправлением «в отвалы» как остальных, так и этих орудий после единственного боя. Здание современной инженерии должно быть построено на прочном фундаменте научно структурированного мышления. Уповать на ingenium – врожденные особенности – в общественном производстве в наше время безграмотно, бесчеловечно и неэффективно. Казалось бы, давно всем должно быть понятно, что люди не рождаются с гаечным ключом. Они смогут им пользоваться позже, когда научатся ходить, говорить и осознавать хотя бы ту часть мира, куда этот ключ можно засунуть. А осознавать – это наука, которую в общем образовании структурно представляет физика, менее абстрактная по сравнению с еще более простой математикой. Так что системное и систематическое инженерное мышление в любой сфере общественного производства может вырастать только из научной сущности общего образования, замешанной, в первую очередь, на физическом описании мира.

7.3. Физика и «общее развитие»

Термин «общее развитие» не является научным. Если обыватель не понимает, что именно надо развивать в процессе образовательной деятельности, он это непонятное относит к «общему развитию». Давайте посмотрим, какой смысл можно вложить в эти слова. Во-первых, развитие общее – потому что лежит в основе общего для развития каждой личности. Во-вторых, развитие общее – потому что лежит в основе частного для всех личностей. Из рассмотрения, проведенного в разделах 7.1 и 7.2 книги, следует, что именно физика среди предметов программы общего образования призвана обеспечить общее интеллектуальное развитие для всех обучающихся. Для мальчиков и девочек, для худеньких и толстеньких, для добрых и не очень. Вспомним, что интеллектом называется свойство личности адекватно отражать действительность и обеспечивать действия, адекватные этой действительности и способам ее изменения. Здесь ключевое слово – адекватность. Следовательно, целью и смыслом общего развития личности является развитие адекватности ее реакций на изменения окружающей среды, в основе чего лежит адекватность мышления. А мы уже выяснили роль физики как предмета образовательной программы в формировании такого мышления.

7.4. Современные проблемы обучения физике в системе общего образования

   Проблема понимания и усвоения обучающимися физики как предмета программы общего образования является в наше время чрезвычайно злободневной. Поэтому представляется необходимым рассмотреть основные принципиальные и технологические аспекты преподавания этого предмета с научной и социально-психологической позиций.
   На сегодняшний день неизвестны образовательные программы, специально направленные на формирование понятийного обеспечения познавательной деятельности, установления причинно-следственных связей и решения задач вне той или иной предусмотренной программой предметной образовательной деятельности. Поэтому формирование указанных необходимых атрибутов продуктивного мышления в целом и научно-познавательного мышления в особенности должно происходить в рамках предметов программы. Предметов, для которых эти требования являются наиболее явно внутренне необходимыми, два – математика и физика. Ввиду простоты и четкости их моделей вербальное описание этих моделей и операций над ними носит характер определений соответствующих понятий. Сформированность понятийного аппарата позволяет устанавливать причинно-следственные связи (необходимые, существенные, устойчивые и воспроизводимые – то есть законы) также на уровне простейших моделей, что на первый план выдвигает методологию выявления и установления таких связей. Наконец, подход к решению задач именно на основании установленных законов также призван выявить и транслировать обучающимся методологически обеспеченную технологию этого процесса. С учетом трудностей восприятия некоторыми обучающимися математических моделей мы приходим к пониманию ведущей роли предмета «физика» в формировании у обучающихся представлений о методологической основе научно-познавательной деятельности и необходимых компетенций в области интеллектуального «инструментального» обеспечения этой деятельности.
   В связи с этим представляется важным проанализировать причины в сущности негативного отношения к данному предмету программы подавляющего большинства субъектов общеобразовательной деятельности.
   Важнейшей, базовой, причиной, на наш взгляд, является то обстоятельство, что физика как отрасль науки и как предмет программы общего образования демонстрирует феномен продуктивного мышления и его значимость в обеспечении адекватности взаимодействия личности с окружающим миром и собственным внутренним миром. В то же время хорошо известно, что повседневная деятельность подавляющего большинства людей (более 90%) базируется преимущественно на практическом мышлении. Поэтому указанное подавляющее большинство характеризуется ксенофобной реакцией на проявления продуктивного мышления и, тем более, на его необходимость или декларацию такой необходимости (каковой является предъявление математики или физики в качестве предметов программы) в рамках систем общего и профессионального образования. Отсюда следуют представления о чрезвычайной сложности, трудности, и, в конце концов, «антигуманитарности» физики как предмета. Носителями этого предрассудка являются в равной степени обучающиеся, их родители и педагоги, в том числе – учителя физики.
   В последнем случае рассматриваемая социально-психологическая девиация практически проявляется в следующих декларациях:
   а) познание предмета «физика» является чрезвычайно трудным и сложным, поэтому оно должно сводиться к изучению (заучиванию) положений, прецедентов и схем действий, изложенных в тех или иных выбранных преподавателем дидактических материалах;
   б) предмет «физика» познается чувственно, эмоционально, поскольку основан на существенно интуитивных проявлениях творчества как при его формировании, так и при трансляции;
   в) «физика является основой технических наук» (повторяю, это надпись у входа на кафедру физики одного из крупнейших технических вузов страны) и потому подлежит обязательному изучению в том виде и объеме, которые диктуются требованиями этих наук (здесь не принимается во внимание, что вообще-то наука и техника – принципиально разные, хотя и равно уважаемые виды деятельности человека);
   г) физика необходима «для общего развития» (непонятно, почему и как), в связи с чем подлежит изучению (преимущественно – репродуктивному) в том виде, в каком предлагается преподавателем и дидактическими материалами.
   В соответствии с этими статистически значимыми декларациями осуществляются подготовка педагогов – преподавателей физики и подготовка дидактических материалов по курсу этого предмета. В результате перечисленные выше типы деклараций приобретают характер личностных профессиональных установок преподавателей и авторов дидактических материалов. Это приводит к осуществлению преподавания курса физики в школе и вузах нефизической направленности на основе и в рамках практического мышления. Напомним, что в то же время само присутствие этого курса в программе общего образования обусловлено необходимостью формирования у обучающихся именно продуктивного мышления в его научно-познавательной форме.
   Определенный консерватизм системы подготовки педагогов делает ее системой с положительной обратной связью, то есть отмеченные тенденции усиливаются от поколения к поколению специалистов. Немаловажно и то обстоятельство, что в программах высшего педагогического образования объем методической подготовки к преподаванию физики обычно существенно превышает объем предметной подготовки в этом направлении. Это делает направленность и стиль преподавания физики в наше время весьма далекими от сформулированного в настоящей книге ее предназначения в системах общего и профессионального образования.
   Все сказанное усугубляется происходящим по тем же причинам аналогичным развитием системы дидактических материалов по физике, в первую очередь – учебников. Можно с уверенностью утверждать, что, несмотря на поверхностное «осовременивание» учебников физики, в отношении все того же предназначения предмета в школе они неизменно деградируют. Для большинства учебников физики средней школы и других дидактических материалов этого ряда характерно наличие грубых физических ошибок, принципиально вредящих формированию продуктивного мышления и научно-познавательной компетентности, как было выше отмечено, в количестве (в среднем) одной такой ошибки на одну-две страницы учебника. Весьма типичны, в частности, следующие ошибки.
   Принципиально неверное введение определений ряда ключевых понятий и физических величин (например, материальная точка определяется как тело; колебание – как вид движения; средняя скорость – вектор и т. д.).
   Использование терминов, соответствующих физическим понятиям и величинам, вообще без введения определений (электрический заряд, энергия, закон и т. д.).
   Введение определений физических величин, психологически блокирующее понимание этих величин и способа их введения («скорость… численно равнаотношению…»).
   Смешение в одной формулировке собственно закона (который устанавливается в результате последовательности логически связанных между собой операций) и следствия из этого закона (которое является недоказуемым строго предположением субъекта познавательной деятельности). Пример: «…материальная точка находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, если воздействие на нее других тел отсутствует или скомпенсировано». Такое смешение психологически блокирует понимание причинно-следственной связи, тем более – как закона.
   Представление о том, что существует ряд алгоритмов решения физических задач.
   Такое состояние дидактических материалов по физике объясняется принципиальным предметным непрофессионализмом их авторов (причем это характерно не только для нашей страны, но и для всего мира). Данное обстоятельство обусловлено двумя причинами. Во-первых, профессионал (в том числе – физик) всегда вынужденно сужает сферу своей деятельности, и потому не может видеть всего здания отрасли науки и, соответственно, предмета, что является обязательным требованием при создании учебника. Во-вторых, профессионал всегда очень занят своей деятельностью, и дополнительные затраты труда и времени для него крайне нежелательны. Поэтому написанием учебников физики занимаются именно педагоги, о специфике предметной и общенаучной подготовки которых уже было сказано выше. Отсюда следуют попытки описания и обсуждения физических явлений на уровне, характерном для практического мышления: отсутствие или недостаточность понимания первичности значения физических величин для осознания сущности физики; нечеткость или принципиальная ошибочность модельных представлений о физических явлениях, что является главной причиной непонимания как формы, так и сущности физических законов; рассуждения о поиске решения задачи, в то время как речь должна идти о целенаправленной деятельности по решению этой задачи.
   Все сказанное о подготовке педагогов-физиков и дидактических материалов, связанных с этим предметом, является метой нашего времени и потому не может радикально измениться в обозримом будущем – для этого потребуется смена как минимум двух поколений. В связи с этим необходимо предложить методологический подход и вытекающие из него реальные технологии, позволяющие в существующих условиях вернуть физике статус ясного, четкого и предельно простого предмета общего образования, предназначением которого является формирование у обучающихся научного продуктивного мышления и вытекающей из него научно-познавательной компетентности во всей полноте ее компонентов.
   В основу подхода должна быть положена принципиальная возможность достаточно четкого описания структуры научно-познавательной деятельности именно в рамках физики – и как отрасли науки, и как предмета программы общего образования. Здесь еще раз необходимо подчеркнуть, что на самом деле такая структура является общей для процесса научного познания в любой области интересов человека и для любого субъекта научно-познавательной деятельности. Реализация конкретной личностью каждого элемента этой структуры в мышлении и практической деятельности является исключительно индивидуальным творческим актом. В результате могут возникать различного рода свертки восприятия структуры, введение в нее непринципиальных действий технологического характера и т. д., что на уровне менталитета размывает и искажает представления о сущности научно-познавательной деятельности и достижениях человечества в области ее организации и трансляции. Отсюда следует определенная альтернатива. Вариант первый: в преподавании предмета мы руководствуемся явным видом указанной выше структуры, используя содержание программы предмета и дидактических материалов как деятельностное, интерактивное в отношении обучающихся, последовательное освоение блоков и элементов этой структуры в ситуациях изучения конкретных физических явлений. Итогом такого подхода является неотвратимость формирования предусмотренной стандартом научно-познавательной компетентности. Вариант второй: руководствуясь неясными обывательскими представлениями о научном творчестве, мы ограничиваемся трансляцией результатов выдающихся научных работников в области физики в рамках таких представлений, не вскрывая сущности самой интеллектуальной деятельности в процессе научного познания. А это неизбежно ведет к заведомо несостоятельным попыткам преподавания курса на основе и в рамках практического мышления, что в принципе исключает формирование необходимых компетенций и, тем более, результирующей компетентности.
   Поэтому далее мы будем исходить из предположения о выборе первого варианта преподавания предмета «физика» в системе общего образования и в системе профессионального образования для нефизических специальностей. Дело в том, что при обучении физике студентов физических специальностей этот вариант реализуется автоматически, поскольку в противном случае ожидаемый результат подготовки специалиста в данной области становится недостижимым.
   В работах [19; 20], в частности, отмечено, что структура алгоритма научно-познавательной деятельности состоит из трех блоков, которым соответствуют требования Федерального государственного стандарта общего образования [7, С. 15] в отношении ключевых компетентностей, являющихся компонентами научно-познавательной компетентности:
   • формирование понятийно обеспеченного языка научного описания изучаемого явления (блок «Язык»);
   • установление интересующих исследователя причинно-следственных связей между явлениями (блок «Закон»);
   • решение задач, представляющих интерес для субъекта исследования (блок «Задача»).
   Принципиальная последовательность операций каждого из этих блоков имеет собственную алгоритмическую структуру, рассмотренную в главах 4, 5 и 6 книги. Это, несомненно, должно быть учтено при разработке педагогической технологии преподавания физики и обеспечения, таким образом, формирования каждым обучающимся структурной основы научно-познавательной компетентности в области как физики, так и научно-познавательной деятельности вообще.
   Первой важнейшей задачей в преподавании физики при любых уровне и характере подготовки учителей и качестве дидактических материалов является, в соответствии со сказанным выше, понятийное обеспечение этого преподавания и вообще предметного общения субъектов образовательной деятельности в рамках курса. До недавнего времени в педагогической литературе отсутствовало описание методики и технологии введения определений понятий. Тем более – физических величин как частного случая понятий. Да еще чтобы эти методики и технологии удовлетворяли требованиям, налагаемым психологией продуктивного мышления и таксономической лингвистикой. Сейчас такие методика и технология детально разработаны, тщательно (в том числе – на уровне математической модели) обоснованы, надежно экспериментально апробированы и описаны [20]. А их применение в физике как отрасли науки исчерпывающе рассмотрено в главе 4 настоящей книги.
   Разработанные алгоритмы (в строгом смысле этого слова) введения определений понятий и физических величин позволяют в течение четырех часов обучить как учителя, так и обучающихся соответствующему умению. В дальнейшем при прохождении курса физики необходимо лишь строго вводить определения всех физических понятий обязательно именно так, как оговаривается в процессе предварительного обучения [20, С. 92] – вне зависимости от того, приведено ли определение в учебнике, верно ли оно либо ошибочно. В последнем случае технология позволяет исправить ошибку. Выше было рассмотрено внесение здравого смысла в определения таких понятий, как «материальная точка», «колебание», «волна». При этом было показано, что благодаря курсу физики у обучающегося может формироваться стратегия приложения предусмотренной стандартом универсальной научно-познавательной компетентности к широкому кругу жизненно значимых для человека явлений.
   Осознание того, что физическая величина, являясь мерой физического явления или физического свойства, при этом является понятием, чрезвычайно важно. Во-первых, для формирования специфического языка, на котором единственно можно говорить о физике как отрасли науки и предмете образования. Во-вторых, для выявления и подчеркивания наличия глубокого естественного родства физики с математикой. Сама процедура введения определений физических величин разработана детально и приведена в главе 4. Она позволяет преподавателю в интерактивном взаимодействии с обучающимися скорректировать принципиальные ошибки учебника в этом отношении, а также самостоятельно грамотно ввести определения величин, отсутствующие в учебниках.
   Для первого случая в главе 4 в качестве примера приведено определение скорости: «Мгновенной скоростью называется физическая векторная величина, направленная вдоль касательной к траектории в данной ее точке, характеризующая процесс изменения положения тела в пространстве и численно равная элементарному перемещению тела в окрестности этой точки за единицу времени». Здесь в принципе исключается слово «отношение», которое ничем не оправдано и вызывает скрытые вопросы типа: «Почему не произведение?»; «Почему не степень?» и т. д., что в принципе блокирует понимание причин и способа введения величины. Во втором случае в качестве примера было выбрано введение определения энергии. Это особенно важно, поскольку изложение большинства курсов физики связано с так называемым «энергетическим подходом», в то время как энергия в большинстве учебников не определяется вовсе, и соответствующие главы нередко начинаются словами: «энергия бывает кинетической и потенциальной» или чем-нибудь в том же духе. С этим связаны и неверные представления о «передаче энергии» как чего-то материального. Общий вред таких рассуждений для мировоззренческих позиций и практической деятельности обучающегося чрезвычайно велик. В соответствии с описанной в [19] (и развитой в главе 4 настоящей книги) технологией определения физических величин, «энергией называется скалярная физическая величина, характеризующая состояние системы и являющаяся функцией этого состояния, выражаемой через его параметры». При этом в рамках той же технологии «состоянием называется способ (физического) описания существования системы». После этого, в частности, становится понятно, что если энергия описывает состояние системы, то для описания процесса изменения этого состояния нужна другая физическая величина: так создается предпосылка к введению понятия работы.
   Введение практически всех необходимых в курсе физики средней школы определений физических понятий и физических величин ранее было рассмотрено в подготовленном специально для коррекции учебников пособии [19]. Однако надо иметь в виду, что важно не репродуктивно «загружать» в обучающегося правильно определенные понятия, а каждое из них вводить каждый раз в соответствии с упомянутой здесь и рассмотренной в [19] и главе 4 книги процедурой при обязательном активном участии предварительно ознакомленных с технологией обучающихся. Только тогда состоится «присвоение» введенного понятия (величины), обеспечивающее реальное понимание предмета обсуждения.
   Второй из важнейших задач преподавания физики является обучение школьников и студентов технологии установления важнейших причинно-следственных связей между явлениями, оказавшимися в зоне внимания человека. Как уже было отмечено выше, простота физических моделей позволяет научиться выделять главные причинно-следственные связи, соответствующие этим моделям. Специально проводившееся на протяжении тридцати лет исследование показало, что в большинстве своем учителя не могут сказать, что такое закон. И это – несмотря на то, что соответствующие определения, при всем возможном их несовершенстве, присутствуют практически во всех энциклопедиях и энциклопедических словарях. И это при том, что физика – предмет программы общего образования, который наиболее часто по сравнению с другими предметами апеллирует к понятию «закон». Как было показано в главе 5 настоящей книги, законом называется формализованное модельное представление необходимой, существенной, устойчивой и воспроизводимой причинно-следственной связи между явлениями. То есть закон – это способ описания причинно-следственных связей, наблюдаемых в природе, существующий исключительно в нашем сознании. Поэтому понятно, что одно из главных назначений предмета «физика» – обучение установлению именно таких связей на предельно простых моделях в результате предельно ясных и простых экспериментов, спланированных и осуществленных выдающимися научными работниками. Основой такого обучения должно являться виртуальное сотрудничество обучающихся с авторами законов непосредственно в процессе рассмотрения соответствующих тем курса. Инструментальным обеспечением участия обучающегося в установлении закона может быть только понимание технологии установления закона, выраженное в алгоритмизированном обобщении опыта этой деятельности.
   Алгоритм установления закона и его применение детально рассмотрены в главе 5. В рамках этого алгоритма особенно ярко выделяются те простые требования к изучению физических законов, которые делают это изучение осмысленным. Установление закона – целенаправленная, трудная и ответственная работа исследователя, ведущая к пониманию, поэтому, на наш взгляд, в образовательном процессе предпочтительнее пользоваться именно таким термином. Необходимо донести до обучающихся принципиальное различие между закономерностью и законом. Если закон является конечным результатом определенного этапа научно-познавательной деятельности, то закономерность есть лишь определенный необходимый шаг на пути к этому результату, позволяющий сформулировать модель явления. Закон – устанавливается, закономерность – выявляется. И процедура выявления закономерности в каждом конкретном случае (теме) есть необходимое условие введения модели, для которой впоследствии и формулируется закон. Именно обнаружение общего в однородных причинно-следственных зависимостях приводит к творческому акту предложения конкретного вида функции, описывающей модель и ее поведение. В практике курса физики и физически, и психологически важно разделять закон и следствие из закона. Если закон является результатом логически связанных между собой действий в соответствии с определенным алгоритмом, то выводимое из него субъектом научно-познавательной деятельности следствие носит характер недоказуемого предположения и нуждается в постоянной проверке на всем протяжении своего существования. Поскольку следствие выводится из закона, они имеют внешне сходные формулировки. Однако сведение их в одну формулировку недопустимо в связи с отмеченным принципиальным различием в происхождении, психологически блокирующим понимание в таком случае.
   Все перечисленные особенности рассмотрения закона в курсе физики доступны пониманию учителя и, соответственно, обучающегося, при минимальной (как показала практика – четырехчасовой) специальной подготовке в области алгоритмизированного подхода к установлению закона. Разумеется, при условии, что проблема понятийного обеспечения преподавания и усвоения курса физики уже решена. Практика также показала, что уровень пособия [19] и, тем более, главы 5 настоящей книги вполне достаточен для обеспечения коррекции ошибок при рассмотрении физических законов в соответствии с учебниками и для формирования у обучающихся адекватных представлений в этой области предмета.
   Третье важнейшее предназначение курса физики – обучение решению задач. Наглядность физических моделей делает предмет «физика» в этом отношении более универсальным даже по сравнению с математикой. Однако именно в этом направлении преподавание физики связано, пожалуй, с наибольшими сложностями и наибольшим количеством принципиальных физических, психологических и, как следствие, методологических и методических ошибок. Это проявляется, в частности, в том, что обучающиеся (а нередко – и преподаватели) совершенно искусственно создают разрыв между содержанием предмета (как они говорят – «теорией») и решением задач. Причина этого разрыва состоит в непонимании единства научно-познавательного процесса, для которого решение конкретной задачи является одним из завершающих шагов тематически обусловленного цикла деятельности. Данное обстоятельство подчеркивает принципиальную возможность осознанного (следовательно – обучающего) решения задачи исключительно на основе соответствующего закона, следствия из закона или приравненного к ним суждения, такого как выбор для решения задачи необходимого определения физической величины. «Поиск формулы» обучающимися, зачастую пропагандируемый учителями, психологически блокирует осознанность решения задачи и делает его бессмысленным занятием, вред которого трудно переоценить. Необходимо даже исключить этот лексический оборот из образовательного процесса.
   Следующим вредным заблуждением является представление о ряде алгоритмов, обеспечивающих решение определенных классов физических задач. Это порождает у обучающихся представление о множественности и произвольности подходов к решению задач, в частности, физических. В то же время физические задачи решаются для того, чтобы на примере простейших моделей и установленных для них законов научить именно осознанному решению задач, а не получению заданного результата любым, в том числе неосознаваемым, путем. К сожалению, последнее часто выдается за проявление обучающимися творческих возможностей. Алгоритм решения задач, в принципе, один – и не только для физических задач [19], но и для всех задач вообще, в том числе и гуманитарной направленности [20]. И важнейшие его шаги необходимо рассмотреть в процессе преподавания физики, тем более что применительно к физике как предмету программы общего образования этот алгоритм реализуется наиболее непосредственным и ясным образом.
   Обращает на себя внимание то обстоятельство, что при решении задач по физике практически всегда упускается из виду необходимый первый шаг этого алгоритма. Речь идет о «присвоении» задачи, которое можно определить как «эмоциональную постановку задачи». Задачу, ее содержание и требования субъекту решения необходимо пережить, впустить и включить в свой внутренний мир, искренне заинтересоваться ею. Тело не может падать «с высоты», этого нельзя себе представить, тем более в этом нельзя участвовать. Падать может знакомый и представимый в деталях предмет из окна шестого этажа, пролетая на фоне других окон и шлепаясь в лужу. Безликий самолет не может заинтересовать процессом полета и изменением его высоты и т. д. Без эмоционального переживания сухого условия задачи она остается чужой для субъекта ее решения, а человек не решает чужих задач. Отказ от решения выражается в пассивном «поиске решения», «выборе формулы» и т. д., что соответствует уходу от осознания процесса решения и его результата. В процессе рассмотрения задачи с обучающимися в интерактивном режиме такое ее присвоение осуществляется наиболее эффективно в игре, в которой каждый участник представляет задачу так, как это интересно именно для него.
   Еще одним важным (третьим) шагом алгоритма решения физической задачи является необходимость наглядного представления задачи на модельном уровне (в виде чертежа, схемы, рисунка, графика). Это связано с необходимостью сохранения возможности обращаться к условию задачи без перегрузки оперативной памяти. Многолетняя практика и специальные эксперименты показали, что без такого представления осознанное решение физической задачи в принципе невозможно. Более того, формальные, небрежные, мелкомасштабные наглядные представления также являются способом ухода от решения задачи, поскольку не могут отражать необходимых для решения деталей процесса. Так, практика показывает, что размер схемы (рисунка, чертежа, графика) с нанесенными на него важнейшими данными задачи должен соответствовать не менее чем четверти страницы тетради. Рассмотренный шаг алгоритма является первой неотъемлемой частью математической постановки задачи.
   Как было отмечено выше, задача может осознанно решаться только на основании закона или иного эквивалентного ему суждения (в физике – выбора определения, включающего искомую физическую величину). Поэтому второй неотъемлемой частью математической постановки задачи является запись математического выражения физического закона или физической величины, включающего в себя искомую величину (четвертый шаг алгоритма решения задачи, см. главу 6). Последнее обстоятельство также является важным критерием осознанности подхода к решению задачи.
   Дальнейшие шаги алгоритма, направленные на осознанное решение задачи, настолько определяются конкретными математическими действиями, содержание которых обусловлено каждым предшествующим им шагом, что при минимальной необходимой компетенции в области этих действий задача далее в норме решается в темпе письма. Реализация всех шагов алгоритма носит принципиально творческий характер, что в принципе позволяет рассматривать систему оценки качества процесса обучения решению физических задач и результата этого процесса по аналогии с такой оценкой для обучения введению определений понятий [20; 21]. И здесь еще раз считаем необходимым отметить, что общеобразовательной целью решения физических задач является обучение процессу осознанного решения задач, а не разовое получение «правильного» ответа любыми, чаще всего непонятными самому субъекту решения, способами. В первом случае мы обучаем креативному подходу к решению проблемных ситуаций [1, С. 115] с использованием «инструментального» [7, С. 14] обеспечения интеллектуальной деятельности («язык» – «закон» – «задача»). Во втором случае мы имеем дело с квазикреативностью или вовсе псевдокреативностью [1, С. 115].
   Чередование приведенных в данном разделе книги методологических соображений с обусловленными ими технологическими решениями является умышленным и преследует цели: а) продемонстрировать методологическую обоснованность технологии, предлагаемой в качестве возможной; б) продемонстрировать возможность и правомерность использования такой технологии любым учителем физики в любом учреждении образования при любом выборе дидактических материалов. Чрезвычайно важным представляется отсутствие необходимости внесения при этом изменений в учебные планы, образовательные программы и, в принципе, даже поурочные планы. Речь идет просто о соблюдении элементарной культуры научно-познавательного мышления и соответствующей деятельности в процессе изучения конкретного предмета программы общего образования – физики. В ходе одной из встреч с учителями автором книги по этому поводу была предложена такая метафора: «Мы делали, делаем, и будем делать хирургические, в сущности, операции по имплантации обучающимся предусмотренных стандартом компетентностей. Предлагается всего лишь мыть при этом руки» [20].
   В заключение данного раздела нельзя не упомянуть о таком важном аспекте физического образования, как демонстрационный физический эксперимент. В соответствии с содержанием книги автор глубоко убежден в том, что этот тип эксперимента оправдан лишь в том случае, если сопровождается понятийным оформлением явлений, как минимум качественным выходом на упомянутый выше «проект причинно-следственной связи» и/или четко просматриваемую структуру решения определенной физической задачи. Без этого какие-либо демонстрации, разумеется, могут иметь смысл и право на существование, например, в плане привлечения внимания обучающихся к предмету вообще. Однако в таком случае они являются элементами шоу, фокуса, а не экспериментом, необходимым для иллюстрации применения научно-познавательного подхода в рамках конкретной темы при изучении курса физики.

7.5. Психологические особенности обучения физике в системе общего образования

   Основной задачей образования является воспитание самостоятельной самоактуализирующейся личности. Движущей силой процесса развития личности при этом, с точки зрения психологов (Л. С. Выготский), является обучение. Однако указанная цель образования может быть достигнута только в том случае, если оно предусматривает развитие универсальных учебных действий на основе системно-деятельностного подхода. Исходя из этого требования, одним из важнейших результатов обучения должны быть умения понимать явления действительности на основе приобретенных знаний. Понимание как интеллектуальная операция и ее результат касаются природной, социальной, культурной, технической сред и состоят в выделении их существенных признаков, систематизации и обобщении, установлении причинно-следственных связей, оценке их значимости, выдвижении и проверке гипотез. В таком случае при обучении на уровне общего образования должно уделяться особое внимание психологическим особенностям универсальных подходов к модельному восприятию действительности на основе простейших моделей учебных предметов.
   Физика как учебный предмет призвана отражать научный подход к познавательной и, следовательно, образовательной деятельности. Это обусловлено простотой предмета, связанной с простотой моделей, при помощи которых соответствующая отрасль науки описывает мир. Однако при попытках реализации этой простоты в процессе преподавания физики возникает ряд проблем психологического характера.
   Для формулирования первой из этих проблем необходимо вернуться к науке и научной работе в их соотношении и взаимосвязи (см. главу 2 книги).
   «Наука – важнейшая сфера человеческой жизнедеятельности, лежащая в основе развития современной цивилизации, ориентированная на получение истинного знания об окружающем мире и самом человеке, которое можно воплотить на практике» [8, С. 114]. При этом научное познание представляет собой достаточно жесткую модель генерализации знаний, порождающую структуру, «которая значительно теснее взаимодействует с новыми знаниями, чем отдельные факты» [12, С. 8]. Наличие такой структуры позволяет через трансляцию научного знания в процессе образования передать ее обучающимся с целью формирования у них психических механизмов приобретения, организации и применения знаний [22]. Механизмы эти носят системный характер и обусловливают построение «внутри» индивидуума субъективной картины происходящего, допускающей действия, адекватные реальности. С точки зрения общего образования речь идет о формировании у обучающихся свойства личности адекватно отражать действительность и обеспечивать осознанные действия, адекватные этой действительности и способам ее изменения. А это есть не что иное, как определение интеллекта в его научно-познавательной модели. Отсюда – содержание важнейшей задачи общего образования: формирование и развитие интеллекта как основы понимания.
   В процессе коммуникации (а образование – безусловно коммуникативный процесс, в какой бы форме оно ни осуществлялось) адекватно транслировать можно только определенный продукт, в том числе – продукт мыслительной деятельности. Но в таком случае мышление должно быть принципиально продуктивным – только этот тип мышления, принципиально предполагающий возможность трансляции результата процесса мышления как продукта, может лежать в основе научно-познавательной деятельности и соответствующей компетентности. Структура научно-познавательной деятельности, обусловленной научным продуктивным мышлением, достаточно хорошо известна [20]. Следовательно, исходя из тезиса о научности общего образования [9], объектом трансляции в процессе образования является именно эта структура, ее инструментальная сущность. Предметом же трансляции является практическая реализация структурированной таким образом научно-познавательной деятельности в учебно-исследовательском изучении материала учебного предмета как модели реальности.
   Наука – форма общественного сознания: ее сущность не носит личностного характера, она в принципе конвенционна, ее методология едина для всех. Личностная реализация научно-познавательной деятельности носит принципиально индивидуальный характер, обусловленный возможностями конкретной личности, в первую очередь – интеллектуальными, и называется научной работой. Эти возможности и пожелания (а порой – и требования) к личностным качествам субъекта профессиональной научно-познавательной деятельности – научного работника – достаточно детально и ярко рассмотрены в книге Г. Селье «От мечты к открытию: как стать ученым» [10]. Обращает на себя внимание то обстоятельство, что индивидуальность [24] является «призмой», преломляющей жесткие однозначные черты методологии науки и ее инструментального интеллектуального обеспечения в чувственное восприятие предмета исследования, возникновение связанных с ним эмоциональных состояний и в обусловленные этими состояниями действия. В последнем случае мотивы конкретных частных практических познавательных действий, их содержание, структура и последовательность, как правило, не вербализуются, оставаясь в свернутом виде до получения результата. Таким образом, здесь речь идет о процессе мышления, совершающегося в ходе практической деятельности, то есть о практическом мышлении. Трансляция научного знания, процесса и результата его получения в таком случае принципиально невозможна ввиду невербализуемости практического мышления. Поэтому обучение научной работе как некоему целостному виду деятельности не имеет смысла.
   Получение результата научной работы требует научного же его осмысления и, следовательно, возвращения к методологической основе деятельности, то есть к науке и ее инструментальному интеллектуальному обеспечению. Такое обеспечение в той или иной мере и степени четкости предусматривается современными стандартами общего образования.
   Практика преподавания физики в системе общего образования показывает, что структура научно-познавательной деятельности и ее инструментальная сущность, отражающие методологию науки, не транслируются этой системой. Это отражается, в частности, содержанием и состоянием дидактических материалов физической направленности. Результаты физических исследований также не могут быть научно осмыслены ввиду отсутствия интеллектуального инструментария науки (и, в частности, физики). Что же происходит в процессе преподавания курса физики?
   В этом процессе сложилась традиция странных попыток трансляции сведений о научной работе в рассмотренном выше смысле. Неведомо как (за исключением разве что анекдота о падении яблока на голову Ньютона) у некоторых избранных возникает интерес к измерению непонятно как и непонятно зачем введенных величин и к установлению сложных связей между ними. То есть речь идет о попытках преподавания на основе практического мышления прецедентов того же практического мышления. Это принципиально невозможно. Согласно представлениям, которые транслируют учителя физики, предмет этот родственен искусству: это поддерживается наиболее распространенным стилем демонстраций физических явлений и загадочностью «поиска решений» задач. Одна из особенностей практического мышления заключается в невозможности согласования его процесса на уровне осознания хотя бы двумя индивидами еще до совершения действия и получения результата.
   Остается только предполагать, что авторы большинства курсов и дидактических материалов надеются на самостоятельное выстраивание учащимися в рамках практического мышления структуры научно-исследовательской деятельности в результате описанного подхода к преподаванию предмета. Таким образом, первую и важнейшую психологическую проблему преподавания физики можно сформулировать как противоречие между декларацией научности общего образования, предполагающей обучение на примере физики основам научного продуктивного мышления, и реализацией в образовательном процессе прецедентного подхода к описанию актов научной работы в области физики. Указанное противоречие является для обучающихся мощным демотивирующим фактором в отношении изучения учебного предмета, который в описанном варианте преподавания оказывается для них непонятным и потому сложным. В результате возникает фрустрация – психическое состояние, вызванное неудачей в овладении предметом. Частые фрустрации имеют следствием негативное отношение к предмету, а за его пределами – ведут к формированию отрицательных черт поведения, агрессивности, повышенной возбудимости, комплексу неполноценности.
   Следующей общей психологической проблемой преподавания физики являются фрустрации и их последствия, связанные с представлениями о «гениальности» «открывателей», «находящих» путем озарения решения задач неясного происхождения. Эти чрезвычайно вредные представления, закрепленные в лексике дидактических материалов и учителей, формируют принципиальный разрыв между фрагментарными фактами научной работы «гениев», сообщаемыми в курсе физики, и интеллектуальными предметными возможностями учащихся. Систематически реализуется дидактическая схема типа: «Гениальный Ньютон пришел и открыл (неведомо откуда известную ему дверцу, за которой ютится закон), а ты – сиди и учи: авось, научишься открывать». В сочетании с утрированно напыщенными портретами классиков науки подобная лексика содействует противопоставлению возможностей обучающегося предлагаемым ему фрагментарным реалиям столь далекой от него научной работы этих классиков.
   Нет в физических кабинетах изображений Ньютона, ловящего удочкой рыбу или сидящего за работой с ногами, погруженными в таз с холодной водой. Нет там и молодого Александра Михайловича Прохорова, играющего в футбол. Нет ничего человеческого – только памятники, которые подавляют. Обыденное и научное понимание гениальности не имеют практически ничего общего. Трудно представить себе автора учебника физики или учителя, знакомых с работами В. П. Эфроимсона, посвященными биосоциальным механизмам и факторам наивысшей интеллектуальной активности [25]. В отрыве от понимания сущности явления систематические указания на гениальность классиков науки являются для обучающихся мощным фрустрирующим фактором. В то же время наиболее характерной чертой этих людей была отнюдь не гениальность, а удивительная последовательность действий и исключительное трудолюбие в стремлении к поставленной цели исследования. Именно это обстоятельство, по-видимому, должно быть фоном изложения фрагментов научной работы, если в настоящее время нет возможности понимания более простого и эффективного пути.
   К гениальности обыденное мышление относит и владение инструментальным обеспечением интеллектуальной деятельности – понятийным аппаратом области исследований, установлением причинно-следственных связей между явлениями, общим подходом к решению задач. Надо отметить, что Федеральный государственный образовательный стандарт общего образования не относит это обеспечение к проявлениям гениальности, а предусматривает его наличие у всех обучающихся в процессе и результате образовательной деятельности [7]. Таким образом, психологическая культура преподавания физики в системе общего образования требует определенной коррекции устоявшихся педагогических и являющихся их неотъемлемой частью лексических шаблонов в дидактических материалах и повседневной педагогической практике. И здесь мы сталкиваемся с проблемой, в основе которой лежит противоречие между требованием со стороны стандарта образования научно-познавательной компетентности всех обучающихся и формированием у них в процессе преподавания физики представлений об избранности (по непонятному признаку) успешных (по непонятным причинам) субъектов соответствующей деятельности.
   Выше неоднократно упоминалось инструментальное обеспечение интеллектуальной деятельности учащихся в процессе преподавания физики. Более того, было отмечено, что физика оказалась введенной в систему учебных предметов программы общего образования на уровне коллективного бессознательного [11, С. 70—83] именно как носитель этого обеспечения в наиболее выраженной по сравнению с другими предметами форме. На первом месте здесь, безусловно, стоит сформированность понятийности мышления. Продуктивное мышление может быть только понятийным. Обучение же основам продуктивного мышления и, тем более, трансляция научного знания требуют согласованности понятий на социальном уровне через введение их определений.
   Ввиду простоты и четкости физических моделей вербальное описание этих моделей и операций над ними носит характер определений соответствующих понятий. Это означает, что при отсутствии специального обучения введению определений понятий курс физики (как и математики) призван обучить этому необходимому инструменту научного познания и трансляции научного знания. Здесь проблема проявляется как противоречие между указанным психологическим предназначением курса физики в системе общего образования и затруднениями в реализации этого предназначения или отказом от нее.
   Понятийный аппарат физики состоит из: понятий физики; физических величин; необходимых понятий других отраслей науки. Определения понятий имеют классификационную природу и структуру [20]. Точнее, поскольку устоявшаяся современная классификационная структура в качестве важнейшего своего операционального элемента предусматривает таксон, структура определения понятия носит таксономический характер, то есть строится на основе структуры таксона. Последняя отражает существующие психические механизмы обработки информации. Поэтому при определении физического понятия, как и любого другого, должны четко соблюдаться как минимум два принципа: во-первых, уровни классификационной системы должны быть сами по себе достаточно однозначны; во-вторых – трансляция определения понятия и его усвоение в существенной мере обеспечиваются соблюдением последовательности этих уровней. Примером несоблюдения этих принципов может служить определение понятия «электрический ток» в одном из последних учебников физики [4, С. 200]: «упорядоченное движение заряженных частиц называют электрическим током». Во-первых, уровень, связанный с предметом изучения (движением), определен неверно: «упорядочением» в математике, физике и в быту называется совсем другое явление; здесь же речь должна идти о «направленности». Во-вторых, неверно определен и уровень, связанный с объектом изучения: движение «заряженных частиц» подразумевает перенос не только заряда, но и массы, что никак не связано с электрическим током; речь должна идти о движении исключительно «зарядов». Наконец, в-третьих, последовательность шагов введения данного определения не соответствует его таксономической структуре. Таким образом, это определение понятия «электрический ток» в принципе не может приводить к адекватному представлению явления и в принципе не может быть усвоено. Альтернативой приведенному является определение: «Электрическим током называется направленное движение электрических зарядов».
   Наиболее удивительным и, соответственно, одним из вызывающих наибольшие психологические затруднения в принятии обучающимися курса физики и его усвоении является принципиальный отказ авторов дидактических материалов и, соответственно, учителей от введения ряда понятий и физических величин. Достаточно рассмотреть наиболее яркий пример. Любой современный курс физики, реализуя описательную функцию науки, делает это на языке состояний, то есть, в конечном итоге, излагается в рамках энергетического подхода. В то же время в учебниках отсутствуют определения понятий состояния и энергии как его меры. Это разрушает один из стержней построения курса и, следовательно, его усвоения. Другим, параллельным, стержнем любого курса физики является принцип суперпозиции, на использовании которого основаны подходы к установлению законов, выведению следствий из законов, необходимых для решения большинства задач, решению этих задач и вообще рассмотрению большинства тем курса. Тем не менее, этот принцип не вводится на уровне определения соответствующих понятий и не подчеркивается в качестве одной из путеводных нитей в изложении курса. Отсутствие таких стержней, нитей делает курс совокупностью фрагментов, рассыпающейся в сознании обучающегося, что в лучшем случае затрудняет усвоение курса с фрустрацией в конечном итоге.
   Физика оперирует физическими величинами – мерами физических явлений и физических свойств. Определение физической величины есть частный случай определения понятия. Здесь в дидактических материалах присутствуют все перечисленные выше для определений физических понятий проблемы, однако добавляется еще одна, психологически наиболее препятствующая как усвоению самого определения физической величины, так и пониманию ее сущности. Речь идет о введении численного значения величины как «отношения» (например, скорость, сила тока и т. д.), «произведения» (механическая работа) и других вариантов «прямого прочтения» соответствующих математических выражений. У обучающегося на подсознательном или сознательном уровнях возникает вопрос: «А почему не… (альтернативный вариант – произведение вместо отношения и наоборот, степень, корень…)», на который он не может найти ответа. Это обстоятельство также приводит к блокированию усвоения материала курса, связанного с физическими величинами и возникновению фрустрации, обусловленной теми же причинами, что и при ссылках на гениальность классиков науки. В главе 4 настоящей книги описан способ введения определений физических величин как частного случая определений понятий, снимающий рассмотренное затруднение.
   Немалый вред наносят ошибки при введении физических величин, обусловленные, например, математической неподготовленностью авторов дидактических материалов. Так, хорошо известно, что операция усреднения вектора по направлению в математике не определена. Следовательно, никакая средняя величина не может быть векторной. В противоречие этому большинство школьных учебников физики рассматривает, как минимум, «вектор средней скорости» и «вектор среднего ускорения». Ментальный опыт обучающегося достаточен для того, чтобы уловить это несоответствие, не выводя его в сознание, и сформировать негативное отношение к данной информации и информации, вытекающей из нее.
   Рассмотрение состояния понятийной обеспеченности преподавания физики приводит к констатации его неудовлетворительности. Понимание содержания предмета может формироваться только на основе четкого, таксономически, психологически и, разумеется, физически грамотного определения всех понятий и величин курса, тем более – лежащих в основе его смысла и структуры.
   В науке прочно утвердилось представление о событии, которое можно определить так: событием называется то, что сосуществует с познающим субъектом в пространстве и во времени. Мы живем в последовательности событий, многие из которых связаны между собой причинно-следственными связями. Адекватное осознание хотя бы важнейших из этих связей определяет качество нашей жизни. Практика социальной психологии указывает на низкое качество такого осознания большинством людей. Возрастные психологические особенности учащихся школы усугубляют данное обстоятельство. Формирование компетенции в области выявления, установления и формализации важнейших для человека причинно-следственных связей возможно только в процессе восхождения от простого к сложному. Поэтому человек, не понимающий причинно-следственной связи между воздействием на материальную точку и изменением ее движения, в принципе не сможет понять причин и следствий изменений своих эмоциональных состояний. И физика с простотой ее моделей незаменима в процессе обучения, ведущего к соответствующим компетенциям.
   Как уже упоминалось выше, частное исследование показало, что ни один из опрошенных за несколько десятилетий учителей физики не смог сказать, что такое закон. А законом, согласно главе 5 книги, называется формализованное модельное представление необходимой, существенной, устойчивой и воспроизводимой причинно-следственной связи между явлениями. И законы в курсе физики призваны развить умения и навыки самостоятельного формирования учащимися таких представлений впоследствии в любых значимых для них сферах жизни. Однако существующий подход к преподаванию физики и дидактические материалы представляют законы на констатационном уровне как результат озарения, как «открытие» с уже описанными выше психологическими последствиями. Непонятными остаются причины, по которым возник интерес к установлению того или иного закона, пути его установления, происхождение модели, конкретного математического выражения, описывающего закон и т. д. Таким образом, основная задача физики как учебного предмета в этом направлении принципиально не выполняется.
   Однако это еще полбеды. Дело в том, что закон, в результате практического или мысленного эксперимента, для конкретной простейшей модели устанавливается точно – один раз и навсегда. Следствие же из закона для моделей, более адекватных действительности, установить в принципе невозможно. Оно всегда является нашим домыслом, достаточно произвольным обобщением закона на более сложные модели. И потому нуждается в постоянных проверке и подтверждении. Если же в формулировке дидактического материала закон объединен со следствием из закона или подменен им (как, например, второй закон Ньютона в учебнике [5, С. 77]), ментальный опыт обучающегося обеспечивает блокирование конкретного материала. Более того, на уровне подсознания возникает вполне обоснованное недоверие в отношении любых законов. Именно это и отражается затруднениями в определении закона как учащимися, так и учителями: суждения и умозаключения, основанные на недостоверной информации, вытесняются из сознания, поскольку вытекающие из них действия могут иметь непредсказуемые и, следовательно, опасные последствия. Не исключено, что развитие этого феномена и транспонирование его на социальную сферу может служить причиной такого явления, как правовой нигилизм. Это представляется вполне удачным примером затруднения формирования ключевой компетенции при несформированности предметной компетенции. Таким образом, проблема учебно-исследовательского установления законов в курсе физики связана с необходимостью психологического обеспечения основ выбора личностью решений в широком спектре жизненных ситуаций.
   «Поиск решения задачи» – традиционный лексический оборот в психологии. Продуктивное мышление вообще в большинстве случаев ассоциируется психологами с таким поиском [3]. При решении задач по физике обучающиеся, как правило, подталкиваются педагогами к эвристическому перебору возможных решений, что выдается за развитие творческого подхода. Это легко фиксируется в сознании обучающегося, и впоследствии он подходит к решению жизненно важных для него задач именно этим способом, ведущим к случайному и зачастую неверному результату. В системе общего образования сложилось транслируемое ею представление о множественности и произвольности подходов к решению задач, в частности, физических. С психологической точки зрения физические задачи решаются для того, чтобы на примере простейших моделей и установленных для них законов научить именно осознанному решению задач, а не получению заданного результата любым, в том числе неосознаваемым, путем [11, С. 82]. В соответствии с этим тезисом именно физика является оптимальным в этом отношении «полигоном». И здесь, на этом «полигоне», опять сталкиваются необходимость формирования компетентности в области научного продуктивного мышления и стремление транслировать научное знание через процесс и результат его получения на основе практического мышления, реализуемого в ходе научной работы. Эти два подхода психологически принципиально различны уже по признаку преимущественно используемых ими типов мышления. Первый, имеющий в своей основе жесткую модель генерализации знаний, основан на структуре научно-познавательной деятельности и порождает соответствующую компетентность. Она, в свою очередь, лежит в основе реального процесса формирования ключевых компетенций, что является основной целью общего образования. Второй подход вызывает ксенофобную реакцию обучающихся, поскольку без структурирующей научно-инструментальной основы (см. рис. 3.1) фрагментарные сведения о результатах научной работы (к тому же существенно искаженные отмеченными выше проблемами в преподавании предмета) оказываются чуждыми интересам и представлениям обучающихся.
   Учебная деятельность не может быть сведена к научно-исследовательской в строгом смысле этого термина. Это связано с рядом принципиальных различий между процессами формирования и трансляции знания, в том числе – научного. На уровне школы нет как необходимости, так и возможности получения объективно нового научного результата. Однако возможна и вполне достаточна сформированность у старшеклассников и выпускников школы интереса к учебно-исследовательской деятельности, понимаемой как модель научно-познавательной деятельности. Отсюда следует возможность существования двух ветвей образовательной деятельности, связанной с решением задач, в первую очередь – физических. В ходе «штатного» преподавания физики задачи должны носить учебно-исследовательский характер и быть направленными на формирование предметной компетенции в этой области. Это означает, что именно в физике должен формироваться единый подход к решению задач, о котором говорится в стандарте образования [7]. Этот подход основан на едином для всех физических задач алгоритме их решения, входящем в процессуальную структуру научно-познавательной деятельности и, соответственно, научного продуктивного мышления [20]. Именно таким образом реализуется учебно-исследовательская деятельность в области решения физических задач.
   Необходимо отметить появление и проявление в лучших вариантах педагогической практики преподавания физики попыток систематизации представлений о введении определений понятий и физических величин, установлении законов и решении задач [13]. Однако ввиду отсутствия обоснования происхождения соответствующих структур эти представления оказываются искаженными, в частности, в плане предлагаемого порядка познавательных мыслительных операций. В результате расхождения этого порядка с описанным выше эволюционно сложившимся все перечисленные попытки воспринимаются обучающимися, да и учителями как очередной репродуктивный подход со всеми вытекающими последствиями для физического образования. Но уже само стремление к систематизации и структурированию образовательной деятельности в данном направлении говорит о востребованности здравого физического смысла и развитии готовности к его восприятию и усвоению.
   Сформированность предметной компетенции в области физики обеспечивает возможность переноса подхода на столь же строго структурированное учебно-исследовательское решение задач других учебных предметов. Таким образом, формируется межпредметная компетенция в области решения задач, предусмотренная стандартом образования [7]. Усвоение упомянутого выше единого алгоритма решения задач делает возможной творческую реализацию обучающимся его шагов; на уровне общего психологического подхода это было показано Д. Б. Богоявленской в работе [1, С. 177]. Результатом этого этапа развития творческого мышления является уже компетентность в области решения задач вообще.
   При сформированности данной компетентности имеет смысл вовлечение учащихся в научно-исследовательскую деятельность, простейшим примером которой являются разного рода олимпиадные задачи и проектная деятельность. При их решении учащиеся могут обнаружить свои творческие способности и свою индивидуальность, тем самым проявляя предметную компетентность.
   С психологической точки зрения здесь проблема состоит в необходимости разведения двух рассмотренных ветвей подхода к решению задач по физике – как в пространстве, так и во времени. В отсутствие компетентности, сформированной учебно-исследовательской деятельностью, переход к научно-исследовательскому стилю решения задач опасен по следующей причине. Практически случайное, неосознаваемое получение требуемого ответа (который, по традиции, является критерием правильности решения задачи) на уровне подсознания воспринимается как сигнал о ненужности или, по крайней мере, необязательности какого-либо системного подхода к решению задач. В результате с трудом завоеванная возможность использования такого подхода блокируется, а «новый» («озаренческий») подход… больше не срабатывает! Естественной реакцией субъекта деятельности в этом случае является избегание решения задач со всеми вытекающими последствиями как в образовательном процессе, так и в отдаленном будущем.
   Проведенное рассмотрение ряда психологических аспектов подходов к преподаванию физики и последствий этого преподавания позволяет сделать следующий вывод. Поскольку физика как предмет обучения предназначена для формирования научного продуктивного мышления обучающихся, обеспечивающего понимание всей программы общего образования, технология преподавания этого предмета должна основываться исключительно на этом виде мышления, причем в самых жестких и четких модельных его проявлениях.

Литература к главе 7

   1. Богоявленская, Д. Б. Психология творческих способностей [Текст] / Д. Б. Богоявленская. – Самара: Издательский дом «Федоров», 2009. – 416 с.
   2. Большой психологический словарь [Текст] / сост. и общ. ред. Б. Мещеряков, В. Зинченко. – СПб.: прайм-ЕВРОЗНАК, 2005. – 672 с.
   3. Вертгеймер, М. Продуктивное мышление [Текст] / М. Вертгеймер; пер. с англ. – М.: Прогресс, 1987. – 336 с.
   4. Грачев, А. В. Физика: 8 класс: учебник для общеобразовательных учреждений [Текст] / А. В. Грачев, В. А. Погожев, Е. А. Вишнякова. – М.: Вентана-Граф, 2011. – 304 с.
   5. Грачев, А. В. Физика: 9 класс: учебник для общеобразовательных учреждений [Текст] / А. В. Грачев, В. А. Погожев, П. Ю. Боков. – М.: Вентана-Граф, 2011. – 336 с.
   6. Замский, Х. С. История олигофренопедагогики [Текст] / Х. С. Замский. – 2 изд. – М.: Просвещение, 1980. – 380 с.
   7. О Федеральном государственном образовательном стандарте общего образования: доклад Российской академии образования [Текст] / под ред. А. М. Кондакова, А. А. Кузнецова // Педагогика. – 2008. – №10. – С. 9—28.
   8. Общие проблемы философии науки: Словарь для аспирантов и соискателей [Текст] / сост. и общ. ред. Н. В. Бряник; отв. ред. О. Н. Дьячкова. – Екатеринбург: изд-во Урал. ун-та, 2007. – 318 с.
   9. Садовничий, В. А. Традиции и современность [Текст] / В. А. Садовничий // Высшее образование в России. – 2003. – №1. – С. 11—18.
   10. Селье, Г. От мечты к открытию: как стать ученым [Текст] / Г. Селье; пер. с англ. Н. И. Войскунской, – М.: Прогресс, 1987. – 368 с.
   11. Современные проблемы физико-математического образования [Текст] / Л. В. Воронина [и др.]; под общ. ред. проф. И. Г. Липатниковой. – Екатеринбург: УрГПУ, 2011. – 294 с.
   12. Тестов, В. А. Фундаментальность образования: современные подходы [Текст] / В. А. Тестов // Педагогика. – 2006. – №4. – С. 3—9.
   13. Усова, А. В. Формирование учебно-познавательных умений в процессе изучения предметов естественного цикла [Текст] / А. В. Усова. – Физика. – 2006. – №16.
   14. Фролов, А. А. Сущность общего образования [Текст] / А. А. Фролов // Образование и наука. 2015. №3 (122). – С. 18—28.
   15. Фролов, А. А. Алгоритмизированный подход к проблемному обучению осознанной деятельности [Текст] / А. А. Фролов, Ю. Н. Фролова // Образование и наука. 2008. №8 (56). – С. 96—104.
   16. Фролов, А. А. Запредметная суть предметного образования [Текст] / А. А. Фролов, Ю. Н. Фролова // Мир образования – образование в мире. 2006. №2 (22). – С. 141—151.
   17. Фролов, А. А. Понятийность как основа единства интеграции и дифференциации научного знания [Текст] / А. А. Фролов, Ю. Н. Фролова // Понятийный аппарат педагогики и образования: сб. науч. тр. Вып. 5 / Отв. ред. Е. В. Ткаченко, М. А. Галагузова. – М.: Гуманитар. изд. центр ВЛАДОС, 2007. – 592 с. С. 113—130.
   18. Фролов, А. А. Соотношение алгоритмизации и эвристики при формировании и трансляции научного знания [Текст] / А. А. Фролов, Ю. Н. Фролова // Образование и наука. 2007. №5 (47). – С. 11—21.
   19. Фролов, А. А. Язык, закон, задача в курсе физики средней школы [Текст]: учебно-методическое пособие для учителей и учащихся старших классов / А. А. Фролов. – Екатеринбург: Банк культурной информации, 2003. – 96 с.
   20. Фролов, А. А. Технология интеллектуального образования [Текст] / А. А. Фролов. – Екатеринбург: Издательство «Раритет», 2014. – 180 с.
   21. Фролова, Ю. Н. Роль социальной фасилитации в процессе алгоритмизированного проблемного обучения [Текст] / Ю. Н. Фролова // Сибирский педагогический журнал. – 2010. – №5. С. 41—54.
   22. Холодная, М. А. Психология интеллекта: парадоксы исследования [Текст] / М. А. Холодная; 2-е изд., перераб. и доп. – СПб.: Питер, 2002. – 272 с.
   23. Чепракова, Е. М. Педагогическая технология адаптации учащихся к предметному образованию в основной школе [Текст] / Е. М. Чепракова, А. А. Фролов // Образование и наука. 2015. №6. – С. 21—38.
   24. Шадриков, В. Д. От индивида к индивидуальности: Введение в психологию [Текст] / В. Д. Шадриков. – М.: Изд-во ИП РАН, 2009. – 656 с.
   25. Эфроимсон, В. П. Генетика гениальности [Текст]: биосоциальные механизмы и факторы наивысшей интеллектуальной активности / В. П. Эфроимсон. – М.: Тайдекс Ко, 2002. – 376 с.

Заключение

   Всю жизнь воюю с метафорами в науке, но здесь не могу удержаться – думаю, что метафорическое заключение будет в самый раз после предельно строгого, на мой взгляд, предыдущего изложения.
   Восстановив чилийскую экономику после разваливших ее социальных потрясений, сеньор Аугусто Пиночет собрал разогнанный им же парламент и произнес историческую фразу: «Задача выполнена!». После чего с достоинством удалился ожидать суда за страшновато жесткую траекторию выполнения задачи. Не могу знать-с, выполнил ли я взятую на себя задачу. У меня нет мании величия – я не сравниваю себя с сеньором Аугусто. У меня нет возможностей Пиночета – например, собрать в специально отведенных местах авторов бездарных и безграмотных учебников, популяризаторов, не понимающих сущности популяризируемого, популистов, готовых свалить в отходы судьбы еще одного поколения, отбирая из него для решения сиюминутных проблем единицы непонятно как сложившихся «инженерно мыслящих». Так вот, собрать их и принудить честным тяжелым трудом, соответствующим их реальной квалификации, заработать денег на исправление созданной ими в науке и образовании бессмысленной и гибельной ситуации. На это уйдет не менее, чем пара поколений – ничего, подождем. Зато выживем.
   Пока еще нет властных сигналов тревоги по поводу образования и науки – все прекрасно, все продолжаем улучшать. Пока еще только чующие угрозу граждане начинают невнятно гудеть, как потревоженный улей. Но включить спасательную операцию щелчком по мере осознания не удастся – эти самые законы науки не позволяют: инерция и инертность – не только физические характеристики. Надо начинать потихонечку будить крепко спящий в комфортабельной берлоге здравый смысл. Ну хотя бы в самых узких и простых его проявлениях – например, в области культуры физических представлений о мире. С вытекающими последствиями в виде формирования у граждан элементов продуктивного мышления.
   Трудно сказать, удалось ли данной книгой внести какой-то вклад в решение этой задачи. Время покажет. А пока – пусть это будет хотя бы жужжащий сигнал телефонного будильника, засунутого глубоко под подушку, на которой почивает этот здравый смысл. Я сделал, что мог. Большую часть жизни, занимаясь самыми разными делами, я прожил с физикой, среди физики и физиков, в Большом Доме под названием «Физика». В нем все так просто и удобно. Только вот жильцов, гостей и экскурсантов все меньше. Жизнь в этом доме все непонятнее для соседей, вплоть до проявлений враждебности с их стороны. Зарастают тропинки, теряются очертания фундаментов будущих пристроев и новых построек. А это мой дом. И мне больно за него и за себя. Физически больно.
   Выдающийся психолог Диана Борисовна Богоявленская в ответ на мое предложение обсудить некоторые вопросы, связанные с математической обработкой результатов ее психологических исследований, подарила мне свою последнюю на тот момент времени книгу и сказала: «Прочитайте, пожалуйста, и тогда – поговорим». Я прочитал. С большим удовольствием и почтением прочитал. И написал книгу «Технология интеллектуального образования», в которой рассматривались, в частности, те самые вопросы. И отправил Диане Борисовне. Она прочитала. Вот так и поговорили. Безусловно, обогатив свои представления и учтя в дальнейшей деятельности.
   Поэтому если вы прочитали данную книгу, мы можем поговорить. В любой момент, в любой форме, но аргументированно. И договориться о дальнейших селекции и разведении здравого смысла. Начиная с самого простого – физики.

Благодарности

   Прежде всего, эта книга – выражение и дань благодарности моим учителям в физике, некоторые из которых вошли в историю этой отрасли науки как великие, создававшие ее. Но были среди них и труженики пониматели того, что великие насоздавали. И все они, терпя мое невежество, помогали найти дорогу в Большой Дом физики. Низкий им поклон вне зависимости от их рангов и нынешнего пребывания.
   Еще я чрезвычайно благодарен за помощь и поддержку в создании этой книги (или формировании в моей голове ее замысла и основ):
   – выдающемуся теоретику Владимиру Владимировичу Воронкову за донесение до меня красоты и универсальности математических описаний физических явлений;
   – профессору Феликсу Ароновичу Сидоренко – тонкому понимателю физики, прекрасному методисту, которому я обязан достижением многих физических и теоретико-информационных обобщений;
   – профессору Александру Георгиевичу Гейну, с которым так легко и просто обсуждать и понимать сущность математических описаний происходящего; принявшему на себя к тому же труд по рецензированию книги и чистке ее строгости;
   – профессору Леониду Николаевичу Рашковичу, научившему меня простоте и прямоте вопросов и ответов, формирующих понимание;
   – профессору Михаилу Петровичу Кащенко, физику-теоретику, общение с которым расширяет научный кругозор и помогает видеть романтику в жестких научных конструкциях
   – и многим, многим другим.
   Отдельно хочу поблагодарить моих учеников в физике, своими существованием и трудолюбием в науке и образовании подгонявших меня в стремлении стать умнее, в том числе – в данной отрасли науки.
   Тяжкий труд по выслушиванию, вычитыванию и чистке мыслей и текстов терпеливо несла на протяжении написания и подготовки к изданию книги моя жена – Марина Леонидовна Фролова – бессменный и высокопрофессиональный редактор и корректор моих текстов. За это я ей очень благодарен.
   Для меня вовсе не легко выделить время, чтобы сесть и написать книгу. Мне для этого необходимо прийти в ярость. Поэтому я особо благодарен доценту физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, соавтору одного из современных школьных учебников физики Павлу Юрьевичу Бокову за разъяснение мне принципиального отсутствия в физике определения энергии как таковой. Что и побудило меня ускорить написание книги.

Физика? Нет ничего проще! Возвращение физики Александр Александрович Фролов