Учебник физики — розовые мечты

— Г-голубчики, — сказал Федор Симеонович озадаченно, разобравшись в почерках.
— Это же п-проблема Бен Б-бецалеля. К-калиостро же доказал, что она н-не имеет р-решения.
— Мы сами знаем, что она не имеет решения, — сказал Хунта, немедленно ощетиниваясь.
— Мы хотим знать, как ее решать.

Братья Стругацкие «Понедельник начинается в субботу»

Иллюстрация Александра Кука

Определены и поставлены

Инженер скажет, что создание любого объекта, от скрепки до ракеты, требует наличия критериев качества и проведения испытаний. Физик скажет, что разработка любой теории, от предела устойчивости стержня при продольном сжатии до запредельности Стандартной модели, предполагает наличие критериев качества (согласование с экспериментом, корректность процессов вывода, минимальность предположений) и проверки степени их выполнения.

Ужас педагогики, даже летящий на крыльях Российской академии образования, состоит в том, что с образованием проделать это не получится. Под качеством образования в целом можно понимать отдаленные результаты — но чего? Знают ли люди, что вокруг чего вращается или вокруг чего вращаются эти две — Солнце и Земля, и находится ли оно, «вокруг чего вращаются», на одном месте? Или сколько существует законов Ньютона и Ома спустя 10 лет после окончания школы? Или под качеством образования надо понимать не вызубренное, а то, какие скрепки, ракеты и Теории всего эти люди создали? Или счастливы ли они, или глядят в зеркало и в окно и все чаще спрашивают себя — зачем? А если все это вместе — то как выработать единый критерий?

На больших временах роль учебника тонет в роли родителей, начальников, соседа по подъезду, государства, приятелей в подворотне и вообще всего, причем непонятно как переплетенного. Контрольная группа, двойной слепой метод… смеемся вместе! Если же вывернуться и заявить, что все в мире определяется образованием, — ибо все когда-то его получали, — то получится несомненно правильно, но еще более недоступно для эксперимента.

Естественная идея — заимствовать образовательную систему откуда-то, где люди счастливы. Пошарить по пространству и по времени — неужели ничего симпатичного не найдем? Но критериев счастья можно придумать много, и самооценка не пройдет, потому что под счастьем люди в разных культурах понимают разное. Но даже если выработать, применив социологическое чудо, единое понятие счастья, то устроит ли жителей какой-то одной страны жизнь, которой живут люди другой страны, заявляющие в анонимном опросе, что они счастливы? И еще гвоздь в крышку длинного ящика с этой идеей — то, что понимают под счастьем таитянские персонажи Гогена, вряд ли устроит власть многих стран.

Но попробуем хотя бы указать на проблемы — вдруг их фиксация кому-то пригодится? — и обратимся к принципам образования. Их удобно разделить на общие, важные для всего курса того или иного предмета, и частные, зависящие от поставленной цели, например — что дальше будет делать наш учащийся, как будет жить. Реализация и общих, и частных принципов может быть по-разному распределена по курсу как по времени, так и по «ветвям», если курс содержит параллельные ветви. При этом должна учитываться психология — что-то они могут легко воспринять раньше, что-то позже, и метод подачи материала подойдет какой-то раньше, какой-то позже. Это же касается запросов, интересов и жизненных планов учащихся. Об этом как раз практикующие педагоги и психологи кое-что знают, и хочется верить, что они, поглядев на конкретный учебник, смогут сказать, подойдет ли он для конкретного персонажа или для такой-то доли учащихся такого-то возраста.

Но проблема еще в том, что даже если мы можем все узнать про конкретного учащегося и даже знаем или можем узнать функцию распределения по соответствующей социальной группе, то как строить образование для класса? Да еще и с учетом взаимодействия учеников, и учитывая вколоченную традицию «видеть грудь четвертого человека» и ограничения по силам и средствам?

Может быть, решением будет компьютерный учебник, реализующий все варианты изложения всех материалов и позволяющий строить разные, в какой-то мере индивидуальные образовательные траектории? Плюсы очевидны — он дешевле, содержит намного больше материала, он гипертекст. Но насколько разными могут быть образовательные траектории? Если это разнообразие никак не ограничивать, то теряет смысл главный вопрос О.И. Бендера: «Из какого класса гимназии вас вытурили за неуспешность?»

Попутно заметим, что в истинно демократическом обществе не должно быть дискриминации по образованию! Каждый человек должен иметь любое право… Лечить, учить, сесть за руль и рулить страной. Если мы достигнем этого светлого послезавтра, то кончится это тем, что серьезные работодатели организуют подпольные курсы по обучению секретному умению пользоваться вольтметром и складывать дроби.

Попытка предложить принципы

Вот общие принципы учебника физики, которые должны быть усвоены учащимися так, чтобы они радостно их применяли:

• понятие о модели, параметре, законе, источнике закона, диапазоне величин, точности ответа

• понятие о последовательности шагов в глубину, об уровне «опыт показывает, что мир устроен так»

• единство физики — применимость всех ее законов к любому явлению

• неокончательность знания — возможность уточнения любого закона и расширения области применения

• возможность связи с любыми науками и инженерией

• наличие и ограниченность практической применимости и экспериментальной проверяемости.

А еще желательно реализовать в преподавании вот что:

• равновесие между верой и сомнением, согласование уровня сомнения с опытом, репутацией источника, ценой времени и ценой ошибки

• достижение «понимания» — связи с уже имеющимся опытом, субъективного ощущения, знания связей внутри материала, готовности сомневаться, готовности применять

• равновесие между формулировками «для запоминания» и «для размышления» (это деление предложено и введено в практику моим коллегой Сергеем Чернацким)

• равновесие между физикой объектов и физикой законов.

Любой из этих принципов можно обсудить подробнее. Например, указанные выше аспекты понимания связаны между собой, и эта связь может быть исследована. Но мы рассмотрим чуть подробнее последний аспект — равновесие между объектами и законами. Просто потому, что он специфичен для естественных наук.

Про объекты и законы

Физические исследования и публикации, книги и статьи по физике можно разделить на две группы — «про законы» и «про объекты». Например, «про законы» — это про закон Кулона, всемирного тяготения и закон Ампера, а три соответствующие ситуации «про объекты», это про конденсатор, приливы и ускорители. Что включить в курс физики, чему учить? В разные эпохи и в разных странах этот вопрос решался по-разному. Например, в России 100–150 лет назад доля «объектов» в учебниках по физике была существенно больше, чем сейчас, позже учебники стали сосредоточиваться на законах («Химия и жизнь» 2019, №9).

По-видимому, в представлении авторов современных учебников физики главное в науке — то, что она открывает законы. Но это представление ошибочно, законы не главное. У науки два назначения — изучать природу и помогать инженерам создавать «вторую природу», то есть технику. И природа, и техника состоят из объектов, поэтому наука — это изучение объектов. Открытие законов — это лишь один из способов изучения объектов, он применяется редко и осторожно. Конечно, открытый закон становится мощным инструментом познания природы и создания техники.

Вторая причина сползания учебников физики к законам такова. То, что реальные объекты сложны, понятно любому. А некоторые законы физики можно считать простыми, особенно если не спрашивать про точность, диапазон величин и условия применимости. Поскольку обычно так и делается, то ученики считают, что законы достаточно выучить, подставить один в другой, заменить буквы цифрами и главное — не забыть написать слово «ответ».

Роль законов в разных науках различная, например, в социологии, психологии и медицине она меньше, чем в физике и химии. Если обратиться к русскоязычному интернету, то количество упоминаний основных наук находится в пределах одного порядка — от 10 до 100 миллионов, а по количеству упоминаний «законов наук» они различаются почти на три порядка — от двух миллионов (физика) до трех тысяч (социология, медицина). Разные науки в разной степени видят мир своих объектов как мир законов. Преобладание в курсе физики законов привело к тому, что школьники, которые могут написать все школьные формулы, имеющие отношение к конденсаторам, ни про одну из них не могут сказать, насколько она точна, когда ее можно и нельзя применять. Имея в кармане сотни конденсаторов, они в лучшем и редчайшем случае лишь про один из них могут сказать, что он иногда делает.

Это общие принципы, которые в той или иной мере (специалисты по возрастной психологии нам в помощь) должны прослеживаться по всему курсу. А частные принципы зависят от назначения — для быта, для работы в любой науке и инженерии, для работы именно в физике. Эта разница может быть отражена несколькими способами. Один способ — четыре учебника, то есть общий, инженерно-технический, общенаучный, физический. Другой — вместо общенаучного, например, физико-химический и биофизический. Третий — одна книга, но содержащая весь этот материал с соответствующей разметкой. Вот один, наиболее традиционный вариант — развитие модели, предложенной ранее («Химия и жизнь» 2016, №2). В той статье предлагалось иметь два разных курса — Физику-I и Физику-II. Вот немного более сложная модель из трех курсов. Причем предлагаемый принцип построения годится для любого предмета.

Физика-I — для всех и обязательная

Итак, Физика-I — ничего выходящего за реальный быт. Учебник должен быть прост, понятен и ориентирован на обыденность. Чтобы гражданин не перебегал дорогу, где не надо (особенно в дождливую погоду), выключал свет (а лучше оба предохранителя) перед тем, как менять лампочку, и не правонарушал даже ночью, памятуя об инфракрасной подсветке и камерах, с улыбкой глядящих на нас со всех сторон (из банкоматов тоже). То есть должна быть физика, позволяющая жить грамотно. По содержанию это примерно то же, что есть сегодня в школе, причем в первом концентре, в 7–9 классах.

Но в этом учебнике должно быть показано критическое мышление, то есть должны, и не один раз, разбираться глупости, которые пишут и говорят, должна быть показана их несовместимость с фактами и логикой. Для того, чтобы попытаться научить школьников обнаруживать лапшу и отгребать ее с ушей — вдруг пригодится.

Учебник должен показать на каких-то знакомых, обыденных объектах, как работает физика. То есть откуда и как возникают физические задачи, как можно приступать к их решению, до какого места удастся продвинуться, используя школьные знания, и какой вид откроется оттуда восхищенному взору. Тут есть пять принципиальных пунктов, разъясним их подробнее.

Объект должен быть знакомым, это психологически важно — увидеть физику в знакомой вещи. Например, конденсаторы и резисторы — это не только рисуночки на доске и задачи ЕГЭ, на которых дрессируют школьников. Сотни тех и других обитают у школьника в кармане, а ему даже не сказали, что они там делают и зачем вообще они нужны (ужасно, что он и не спросит — его отучили спрашивать!). Выключатели и предохранители живут вместе с нами, включают нам свет и чайник, а при необходимости защищают нас от неприятностей. Школьная физика может многое рассказать о них. Окружающий нас мир полон физики, но школьный учебник поворачивается к нему спиной.

Знание того, откуда и как возникают физические задачи, делает естественным и понятным само словосочетание «физическая задача». Если школьник и не полюбит задачи, то хоть не будет встречать их тоскливым вздохом. Знание того, как можно приступать к их решению, покажет ему, что физика — это не набор не связанных друг с другом приемов, которые можно использовать только для решения специально подобранных задач. Физика — это система знаний, и только представляя себе ее как систему, можно определить, в каких условиях применим тот или иной закон и метод. В идеале закон должен преподноситься вместе с ограничениями по диапазону и точности.

До какого места удастся продвинуться и что оттуда можно увидеть — это зависит, в частности, от знания математического аппарата, и при обучении в серьезном вузе на серьезной специальности удастся продвинуться дальше и увидеть больше. Тот, кто решится работать в этой области, имеет шанс увидеть то, чего до него не видел никто. Такое тоже бывает, я свидетель.

В курс Физика-I должен быть встроен ласковый капкан для школьника, способного и склонного к изучению Физики-II и Физики-III. Там должно быть ясно сказано: если тайны Вселенной и полет на Марс, то жизнь, подчиненная работе, со всеми ее рисками, лишениями и дарами. И два примера — один научный детектив и один инженерный рассказанные так, чтобы были видны и потение, и вдохновение. Тут, кстати, и кино, и художественная литература не помешают.

Другой подход — пристальный взгляд на какую-то часть школьного курса, при котором становится видна упрощенность применяемых моделей или хорошо знакомая бытовая ситуация («Химия и жизнь» 2023, №3). Вот некоторые из приведенных там примеров: почему съезжает одеяло в пододеяльнике, сильно ли вы ударитесь о потолок при отключении гравитации, почему режет нож и зачем его двигают, заполняют ли газы весь предоставленный им объем и почему атмосфера не улетает в космос, почему распределение молекул газа по скоростям не может быть максвелловским, почему возникает шум при трении и зажигании конфорки у газовой плиты.

Для надежности можно использовать оба подхода. Кто-то поведется на одно, кто-то на другое.

Физика-II — кому она нужна для работы

Под работой мы здесь понимаем инженерное творчество или любую область науки и искусства. Но не работу в самой физике — о ней позже. Потребности в физике при работе в разных областях науки и искусства качественно и количественно отличаются. Художнику не помешает знание того, почему на палитре смешение красок происходит не так, как у пуантилистов на полотне картины. Но у химика или биолога потребность в физике больше — есть даже химфизика и биофизика.

Все курсы Физики-II должны быть необязательными (обязательна Физика-I), но желательно, чтобы школьник мог пройти несколько разных курсов из этого пакета, то есть они должны быть короткими и следовать один за другим на одном и том же «уроке». Прохождение таких курсов должно содержать экзамен и отмечаться в аттестате. А уж работодатель или вуз найдет, как это использовать. А не найдет — найдет его конкурент, который умнее.

Кроме дополнительного материала по физике, курсы из пакета Физика-II должны показывать взаимодействие физики с другими науками и инженерией («Химия и жизнь» 2017, №6). Для специализированной школы (например, биологической или химической) может быть создан и специальный курс по связи физики с соответствующей наукой. Хороший показ процесса применения физики в инженерии — это нечто среднее между нормальной инженерной статьей и хорошей научно-популярной статьей; странно, кстати, что нет термина «инженерно-популярная статья» или «книга» (сами-то они есть).

Попутно заметим, что увлечение профилизацией часто обосновывают ритуальными заклинаниями о том, что все, все, все ускоряется. Однако ситуация противоположная — чем больших изменений мы ждем, тем более фундаментальным вещам надо учить, ибо при быстрых изменениях они-то как раз сохранятся. А на самом деле, нелепо говорить о скорости, не определив, что такое расстояние и время, не определив смысла слов. Кстати, не сгодится ли это как определение человека — «произносит слова, не задумываясь о смысле»? Обезьяны — которых мы хотим отличить от человека — как раз так не делают.

Физика-III — кому нужна именно физика

Причем нужна не для взаимодействия с инженерией, химией, биологией и так далее, а для работы именно в физике. По содержанию это должно быть похоже на современный хороший учебник (для «с углубленным изучением»). Но это будет именно введение в физическую картину мира и методы современной физики (включая начала матанализа). Разумеется, этот учебник не должен содержать заклинаний, к которым к концу курса сползают некоторые школьные учебники. Признак таких заклинаний — теоретический материал, не сопровождаемый задачами.

Главное отличие школьного предмета «физика» от физики в следующем. Школьный предмет предполагает, что у каждого процесса есть объяснение, что это объяснение состоит в каком-то одном или двух законах физики, сформулированных в учебнике и применимых всегда, что подстановка одного закона в другой и данных в условии чисел в полученную формулу закрывает вопрос. Это может не утверждаться прямо, но такова учебная практика — а значит, и формирующийся в итоге взгляд на мир. Этот стиль — «единственного правильного объяснения» — возобладал в российском образовании не так давно: примерно лишь век назад («Химия и жизнь» 2019, №9).

На самом деле у любого закона ограничена точность, которая зависит от области применения, и поэтому есть границы применимости, за которыми использование других законов будет более эффективным. Мы можем не знать ограничений точности и границ, но мы всегда должны помнить о том, что они есть. Иногда мы на это натыкаемся, например в нанообласти оказалось, что звук передается через вакуум, трение и тепловое излучение ведут себя не так, как в больших масштабах, и так далее. «Глубинные» физические законы при этом остаются на месте, но их проявление зависит от размера объекта, и это приводит к нетрадиционному поведению.

Частью «Физики-III» должен быть показ того, как именно делается физика. Вся цепочка, начиная с рассказа о том, откуда берутся задачи — как в Физике-I, но на примерах других, не связанных с бытом задач. И рассказ должен дотягиваться до кайфа ощущения решенности — одного из трех самых сильных кайфов этой жизни (я проверял). А откуда берутся задачи — это не секрет: задачи берутся из природы, из других задач, их ставят инженеры и другие ученые (биологи, химики, геологи, другие физики). В учебнике должны быть показаны примеры рассмотрения научных задач, пришедших из разных источников, задач простых и сложных, задач решенных и нерешенных. Тем самым будет естественно показана и связь наук, и связь областей физики. И кстати, должно быть объяснено, что это такое — решить задачу и что есть разные формы и степени решенности.

Для организации нормального преподавания Физики-II и Физики-III скорее всего будет желательно сочетание с дистантом. И лучше всего организовать его на базе очного преподавания в школах при мощных университетах, потому что в других ситуациях может не набраться целого класса для очных занятий по Физике-II и Физике-III.

Чего в этой статье нет и почему

После публикации некоторых наших статей про образование читатели спрашивали, почему не рассматривается зарубежный опыт. Ответ прост — использование любого чужого опыта требует прежде всего ясного его понимания, для этого нужно трезвое, спокойное отношение к чужому; с этим у нас всегда было сложно, а сейчас особенно. И это только начало проблемы, потому что нужно понимание не вообще, а учет множества конкретных различий — в культуре, в задачах, которые (явно или неявно, через власть или «диффузно») пытается решить общество, в психологии учеников, учителей и родителей и в их стремлениях.

Это не означает, что нельзя что-либо заимствовать, но заимствователь надеется, что у него это будет работать так же хорошо, как там, откуда слямзили. А с этим опять проблемы, причем даже непонятно, что такое «хорошо». Пресса мусолит списки побед на олимпиадах (в одной стране) и умиляется поголовному умению детсадовцев пользоваться банкоматами (в другой стране). Но это мало говорит о состоянии образования в разных странах, как и победы олимпийцев мало говорили о здоровье людей и состоянии общедоступной медицины (в третьей стране).

Тем не менее достижение — в любой области, в любой сфере — наполняет, как говориться, сердца гордостью. И пренебрегать этим эффектом тоже не надо, он — часть человеческого счастья. Отсюда следует, что глобальные изменения в обществе не надо пытаться делать быстро. Даже если мы уверены, что «знаем, как надо». Даже если мы понимаем, что побрякушки в виде «достижений» использовались для того, чтобы отвлечь внимание от обледеневших тротуаров и туалетов во дворах. И даже если нам хочется войти в историю (например, как Нерону) или просто увидеть результат в этой жизни (как многим из нас).