В чем заключается основной принцип экспериментального изучения природы
Сущность экспериментального способа изучения природы.
Значение и содержание лабораторных опытов в начальной школе
Опыт (эксперимент) – способ изучения объектов и процессов природы, состоящий в практическом или теоретическом преобразовании условий, в которых протекает явление, с целью установления или иллюстрации определенного теоретического положения. Опыт проходит в специально созданных искусственных условиях и позволяет выяснить воздействие на объект или процесс лишь одного заранее определенного фактора из многообразного комплекса внешних воздействий.
По сравнению с наблюдением опыт является более сложной формой изучения природы, так как он предполагает:
активное воздействие на изучаемый предмет или явление;
специально подготовленные условия;
соотнесение наблюдаемых в опыте явлений и процессов с тем, что происходит в естественной природе, и формулировку выводов.
Опыты необходимо проводить в сравнении с контрольными объектами и на их основе учить младших школьников сопоставлять, находить общие и отличительные признаки объекта исследования.
Проведение опытов способствует формированию у младших школьников научных знаний и общеучебных практических умений и навыков. Учебный опыт является основой в познании и критерием истинности знаний, так как дает возможность проследить закономерности в природе.
Опыты по естествознанию можно проводить как на уроках, так и во внеурочное время (длительные опыты). Длительные опыты проводятся в течение недели или учебной четверти, а некоторые из них продолжаются и в летнее время. Их ставят на учебно-опытном участке или дома в летние каникулы.
На уроках естествознания чаще всего опыты применяются при изучении нового материала как подтверждение, иллюстрация к рассказу или объяснению учителя. Можно использовать опыты для создания проблемных ситуаций на уроке, а также как метод контроля при проверке домашнего задания. Это дает возможность избежать формализма в знаниях учащихся, повышает интерес к изучаемому материалу.
Учебные программы предусматривают четкий отбор объектов и явлений природы, которые изучаются экспериментально.
Количество опытов, их объем, сложность увеличиваются от класса к классу. Такая закономерность обоснована: на первых этапах обучения школьники не обладают ни знаниями об объектах природы, ни навыками работы с ними. Поэтому опыты проводятся под непосредственным руководством взрослого (учителя, родителей), который показывает, как нужно работать с предметами природы, указывает, что делать, как наблюдать, на что обратить особое внимание, куда и как записывать результаты работы.
В начальной школе проводятся опыты:
по исследованию свойств воздуха, воды, минералов, почвы, полезных ископаемых и других объектов природы;
по изучению световых, тепловых, магнитных, звуковых и других явлений;
по выяснению условий, необходимых для прорастания семян, роста и развития растений и животных.
Учебные опыты подразделяют на демонстрационные (см. выше) и лабораторные. Лабораторные опыты предполагают самостоятельную исследовательскую деятельность всех учащихся. Они могут проводиться индивидуально или в группах (по 2-4 учащихся). При нехватке лабораторного оборудования группы учащихся выполняют разные опыты, а затем докладывают о полученных результатах в классе и делают коллективные выводы.
При проведении лабораторных опытов учащиеся приобретают навыки обращения с оборудованием; у них формируются важные практические и интеллектуальные умения: измерять и вычислять, обрабатывать результаты и сравнивать их, проверять известные и выбирать новые пути самостоятельных исследований.
Способ экспериментального исследования природы
1.3 Способ экспериментального исследования природы
Другим подтверждением гелиоцентрической системы Коперника явились законы движения планет Солнечной системы, открытые немецким астрономом И. Кеплером (1571-1630) в результате обобщения данных астрономических наблюдений. Обоснование Галилеем гелиоцентрической системы Коперника включает в себя доказательства, основанные на исследованиях по динамике: опыты с падающими телами, движение тел по горизонтальной и наклонной плоскостям. В результате этих исследований Галилей сформулировал принцип инерции и принцип относительности. Галилей в открытом им законе инерции установил равноправие покоя и равномерного прямолинейного движения, показав, что ни одно тело не может изменить своей скорости (ни ее величину, ни направление) без действия силы. Закон инерции не опирается на повседневный опыт, он сформулирован на основе мысленного эксперимента с идеализированными объектами. Одной из самых важных заслуг Галилея в истории науки является установление и разработка им нового экспери-ментального метода познания природы, предполагающий активную деятельность естествоиспытателя, направленную на постановку специальных экспериментов. Экспериментальный метод Галилея предполагает следующие этапы: установление гипотез на основе данных наблюдений и опытов; вывод следствий из гипотез; экспериментальная проверка следствий, подтверждающих гипотезу и превращающих ее в научный закон.
В XVII в. экспериментальный метод Галилея становится основным научным методом познания природы, что означало начало становление физики как самостоятельной науки и естествознания как системы естественных наук. Становление физики как самостоятельной науки сопровождалось развитием экспериментального метода познания природы, заложенного Галилеем, и выдающимися достижениями в области механики, оптики, физики жидкостей и газов. В период становления физики как самостоятельной науки была создана теория маятника (Галилей, Гюйгенс), разработана теория вращательного движения (Гюйгенс). В этот период был установлен и закон преломления света. Впервые этот закон был экспериментально установлен голландским ученым Снеллиусом (1580—1626). Позднее этот закон в уже современной формулировке был опубликован Декартом в сочинении «Диоптрика» (1637). Открытие закона преломления света давало возможность приступить к количественному расчету оптических систем. В дальнейшем была получена формула линзы и развиты основы теории оптических систем. В этот же период были открыты явления интерференции и дифракции света.
24. Возникновение экспериментального метода и его соединение с математическим описанием природы: Г. Га-лилей, Ф. Бэкон, Р. Декарт, И.Ньютон.
Сама идея экспериментального исследования неявно предполагала наличие в культуре особых представлений о природе, о деятельности и познающем субъекте, представлений, которые сформировались только в культуре Нового времени. Идея экспериментального исследования полагала субъекта в качестве активного начала, противостоящего природной материи, изменяющего ее вещи путем силового давления на них. Природный объект познается в эксперименте потому, что он поставлен в искусственно созданные условия и только благодаря этому проявляет для субъекта свои невидимые сущностные связи.
Активное деятельностное отношение к миру требовало познания его существенных связей, причин и закономерностей, а значит, резкого усиления внимания к проблемам самого познания и его форм, методов механизмов. Одной из ключевых проблем стала проблема метода. Укрепляется идея о возможности изменения, переделывания природы на основе познания ее закономерностей, все более осознается практическая ценность научного знания («знание — сила» Френсис Бэкон). Начинает развиваться механистическое естествознание.
Наиболее знаменитые ученые этого периода – Галилео Галилей, Френсис Бэкон, Рене Декарт, Исаак Ньютон.
В учении Галилея были заложены прочные основы механистического естествознания. В центре его научных интересов стояла проблема движения. Открытие принципа инерции, исследование им свободного падения тел имели большое значение для становления механики как науки.
Исходным пунктом познания, по Галилею, является чувственный опыт, который сам по себе, однако, не дает достоверного знания. Оно достигается планомерным и реальным (или мысленным) экспериментированием, опирающимся на строгое количественно-математическое описание. Критикуя непосредственный опыт, Галилей первым показал, что опытные данные в своей первозданности не являются исходным элементом познания, что они всегда нуждаются в определенных теоретических предпосылках. Иначе говоря, опыт не может не предваряться определенными теоретическими допущениями, не может не быть «теоретически нагруженным».
Вот почему Галилей, в отличие от «чистого эмпиризма» Френсиса Бэкона (при всем сходстве их взглядов), был убежден, что первоначальные данные («фактуальные данные») никогда не могут быть даны в первозданности. Они всегда так или иначе пропускаются через определенное теоретическое видение реальности, в свете которого они (факты) получают соответствующую интерпретацию. Таким образом, опыт – это очищенный в мысленных допущениях и идеализациях опыт, а не просто (и не только) простое описание фактов.
Галилей выделял два основных метода экспериментального исследования природы:
1) аналитический метод («метод резолюций») – прогнозирование чувственного опыта с использованием средств математики, абстракций и идеализации. С помощью этих средств выделяются элементы реальности (явления, которые трудно себе представить), недоступные непосредственному восприятию (например, мгновенная скорость). Иначе говоря, вычленяются предельные феномены познания, логически возможные, но не представимые в реальной действительности.
2) Синтетически-дедуктивный метод («метод композиций») – на базе количественных отношений вырабатываются некоторые теоретические схемы, которые применяются при интерпретации явлений, их объяснении.
Достоверное знание в итоге реализуется в объясняющей теоретической схеме как единство синтетического и аналитического, чувственного и рационального. Отличительное свойство метода Галилея – построение научной эмпирии, которая сильно отлична от обыденного опыта.
Философия Ф.Бэкона была продолжением натурализма Возрождения, который он вместе с тем освобождал от пантеизма, мистицизма и различных суеверий. Остатки органистических воззрений сочетались в ней с началами аналитического метода, поэтичность с трезвым рационализмом, критицизм с нетерпеливым желанием охватить все и обо всем высказаться. И по своим намерениям, и в действительности Бэкон играл в философии роль реформатора.
Он включал в философию почти всю совокупность наук и видел ее задачу в изучении как природы, так и человека с некоторой методологически единой точки зрения.
В своем произведении «Великое Восстановление Наук» Бэкон впервые сформулировал свою идею универсальной реформы человеческого знания на базе утверждения опытного метода исследований и открытий.
Его первая часть «Разделение наук» призвана была дать обзор и классификацию уже достигнутых человеческих знаний и указать темы, которые, прежде всего, нуждаются в дальнейшем изучении. Вторую часть составлял «Новый Органон или указания для истолкования природы». Здесь излагалось учение о методе познания как «законном сочетании способностей опыта и разума» и «истинной помощи» разума в исследованиях вещей. В противоположность дедуктивной логической теории аристотелевского «Органона» Бэкон выдвигает индуктивную концепцию научного познания, в основе которой лежат опыт и эксперимент, определенная методика их анализа и обобщения. Третья часть предполагала кропотливую работу по изучению и систематизации различных природных фактов, свойств и явлений, естественнонаучных наблюдений и экспериментов, которые, согласно его концепции, должны были стать исходным материалом для последующего индуктивного обобщения.
Заслуга Бэкона, в частности, состоит в том, что он со всей определенностью подчеркнул: научное знание проистекает из опыта, не просто из непосредственных чувствительных данных, а именно из целенаправленного организованного опыта, эксперимента. Более того, наука не может строиться просто на непосредственных данных чувства.
В трактате «О достоинстве и преумножении наук» Бэкон разбирает различные способы постановки опытов и модификации экспериментирования, в частности изменение, распространение, перенос, инверсию, усиление и соединение экспериментов.
Бэкон ставит перед собой задачу сформировать принцип научной индукции, «которая производила бы в опыте разделение и отбор и путем должных исключений и отбрасываний делала бы необходимые выводы». Он мыслил индукцию не как средство узкоэмпирического исследования, а как метод выработки фундаментальных теоретических понятий и аксиом естествознания, или, как он выражался, естественной философии.
В противовес индукции через простое перечисление, распространенной в то время, он выдвигает на передний план истинную, по его словам, индукцию, дающую новые выводы, получаемые на основании не столько в результате наблюдения подтверждающих фактов, сколько в результате изучения явлений, противоречащих доказываемому положению. Один-единственный случай способен опровергнуть необдуманное обобщение. Пренебрежение к так называемым отрицательным инстанциям, по Бэкону, — главная причина ошибок, суеверий, предрассудков.
В индуктивный метод Бэкона необходимыми этапами входит собирание фактов, их систематизация. Бэкон выдвинул идею составления трех таблиц исследования — таблицы присутствия, отсутствия и промежуточных ступеней.
Бэкон решительно переосмысливает предмет и задачи науки. В отличие от античности, когда к природе относились созерцательно, становится задача обращения научного знания на пользу человечеству: «знания — сила», Бэкон ориентирует на поиск открытий не в книгах, как схоласты, а в процессе производства и ради него. Он обосновывает важность индуктивного метода (от единичных фактов к общим положениям).
Близкие цели ставятся и Рене Декартом, но он предлагает анализ, требующий строгой последовательности в познании по образу математики. Особую роль Декарт отводит самосознанию («мыслю, следовательно существую»), а также методическому сомнению.
В истории математики Декарт занимает весьма видное место. Он сыграл решающую роль в становлении современной алгебры: ввел буквенные символы, обозначил последними буквами латинского алфавита переменные величины, ввел нынешнее обозначение степеней, заложил основы теории уравнений. Историческое значение Декартовой «геометрии» состоит также в том, что здесь была открыта связь величины и функции, что преобразовало математику.
Применение алгебраических методов к геометрическим объектам, введение системы прямолинейных координат означало создание аналитической геометрии. Вместе с конкретным научным открытием было совершено еще одно, методологическое открытие. Обнаружилась необходимость и возможность постоянной работы над собственным умом, необходимость и возможность постоянного обращения мысли на мысль, постоянного развития самой способности мыслить, открывать, изобретать.
Декарт разрабатывал метод, необходимый для отыскания истины. Выделяется два основных средства познания: интуицию и дедукцию.
Интуиция — центральное положение картезианского рационалистического метода, требующего ясности и отчетливости как высшего и решающего критерия истинности. Поэтому учение Декарта об интуиции совпадает с учением об «естественном свете разума».
Под интуицией имеется в виду «понятие ясного и внимательного ума, настолько простое и отчетливое, что оно не оставляет никакого сомнения в том, что мы мыслим, или, что одно и то же, прочное понятие ясного и внимательного ума, порождаемое лишь естественным светом разума».Интуиция выступает элементарным актом познания и его «точкой роста», а само познание понимается как последовательность, упорядоченная цепочка интуиций.
Интуиция находится в теснейшей связи с дедукцией. Посредством дедукции мы познаем все, что необходимо выводится из чего-либо достоверно известного.
Рационалистический метод Декарта, концентрируя внимание на деятельности самого человеческого ума в процессе достижения истины, представляется прямой противоположностью методу эмпиризма Бэкона, основанному на чисто опытном выведении аксиом знания, лишенных математического осмысления.
Великий английский ученый Исаак Ньютон в своих трудах (главный из которых – «Математические начала натуральной философии») сформулировал понятия и законы классической механики, дал математическую формулировку закона всемирного тяготения, теоретически обосновал законы Кеплера (создав тем самым небесную механику), и с единой точки зрения объяснил большой объем опытных данных (неравенства движения Земли, Луны и планет, морские приливы и другое).
Кроме того, Ньютон – независимо от Лейбница – создал дифференциальное и интегральное исчисление как адекватный язык математического описания физической реальности.
Научный метод Ньютона имел целью четкое противопоставление достоверного естественнонаучного знания вымыслам и умозрительным схемам натурфилософии.
Содержание научного метода Ньютона (метода принципов) сводится к следующим основным этапам («ходам мыслей»):
1) провести опыты, наблюдения, эксперименты;
2) посредством индукции вычленить в чистом виде отдельные стороны естественного процесса и сделать их объективно наблюдаемыми;
3) понять управляющие этими процессами фундаментальные закономерности, принципы, основные понятия;
4) осуществить математическое выражение этих принципов, то есть математически сформулировать взаимосвязи естественных процессов;
5) построить целостную теоретическую систему путем дедуктивного развертывания фундаментальных принципов;
6) использовать силы природы и подчинить их целям человека в технике.
Сам Ньютон с помощью своего метода решил три кардинальных задачи:
— Четко отделил науку от умозрительной натурфилософии и дал критику последней. Под натурфилософией Ньютон понимал точную науку о природе, теоретико-математическое учение о ней.
— Разработал классическую механику как целостную систему знаний о механическом движении тел. Его механика стала классическим образцом научной теории дедуктивного типа и эталоном научной теории вообще.
— Ньютон завершил построение новой революционной для того времени картины природы, сформулировав основные идеи, понятия, принципы, составившие механическую картину мира.
Теоретическое естествознание, возникшее в эту историческую эпоху, предстало в качестве второй (после становления математики) важнейшей вехи формирования науки в собственном смысле этого слова.
Методы изучения природы
Для познания природных явлений большое значение имеет метод, которым пользуются учёные. Основными методами изучения естественных наук являются: наблюдение, эксперимент, измерение, о которых и пойдёт речь в нашем уроке.
Метод наблюдения является одним из самых доступных методов изучения природы, но для его проведения необходимо желание, терпение, и умение.
Французский энтомолог Жан Анри Фабр пользовался этим методом при изучении окружающих организмов, в частности насекомых.
Фабра часто замечали на природе, когда он неподвижно сидел и что-то рассматривал. Многим это занятие казалось странным. Проходящие мимо не могли понять, чем на самом деле занимался этот человек.
Однако, то, чем занимался Фабр, внесло большой вклад в науку. Его работы были не только оригинальны, но ещё и соответствовали высочайшим стандартам. Наблюдение за окружающими организмами на первый взгляд кажется простой работой. Иногда для того, чтобы понять те или иные явления, необходимы годы.
Например, некоторые исследования Фабра длились десятилетиями. Он изучал поведение жуков скарабеев почти 40 лет.
Жан Фабр писал о жуках, о гусеницах бабочек, о кузнечиках, однако его наибольшие симпатии были на стороне ос. Разгадывание их нравов стало делом жизни Фабра.
Благодаря своей наблюдательности он стал одним из лучших в мире знатоков насекомых.
Свои открытия Фабр описал в книгах, которыми и сегодня восхищаются учёные и любители природы разных стран.
Методом наблюдения пользуются не только биологи, но и учёные самых разных специальностей.
Зажжём свечу и понаблюдаем за пламенем, изучим его строение. Мы видим, что оно неоднородно по цвету. Пламя имеет три зоны.
Тёмная зона находится в нижней части пламени. Это самая холодная зона по сравнению с другими. Тёмную зону окаймляет самая яркая часть пламени. Температура здесь выше, чем в темной зоне. Наиболее высокая температура в верхней части пламени.
Чтобы убедиться, что различные зоны пламени имеют разную температуру, можно провести такой опыт. Поместим лучинку в пламя так, чтобы она пересекала все три зоны. Лучинка сильнее обуглилась там, где попала в зоны с ярким и менее ярким пламенем. Значит, пламя там более горячее. Средняя часть пламени не самая горячая. Такое же строение пламени не только у свечи, но и у других горящих предметов.
Методом наблюдения пользуются при изучении физических явлений в атмосфере (газовой оболочке, окружающей нашу планету) и гидросфере (водной оболочке Земли).
Учёными ведутся наблюдения за землетрясениями, лавинами и другими природными явлениями.
Издавна основным методом астрономических исследований было визуальное наблюдение за небесными телами. Основным инструментом при этом является оптический телескоп.
В телескоп можно наблюдать за различными небесными телами: планетами, кометами, звёздами.
Все звёзды Вселенной имеют разный диаметр. И даже наше Солнце не самая огромная звезда, впрочем, и не маленькая.
Наблюдение за астероидами позволит подготовить и осуществить план по предотвращению столкновения. Известна масса случаев падения метеоритов на землю.
На территории ЮАР есть кратер Вредефорт, который оставил на память посетивший планету метеорит. Недалеко от места его падения сейчас находится город Вредефорт. Кратер занесён в список Всемирного наследия ЮНЕСКО.
Падение объектов размером в десятки километров может причинить общемировой ущерб, вплоть до гибели человечества.
Защита от астероидов включает в себя ряд методов, с помощью которых можно изменить траекторию околоземных объектов и предотвратить столкновение.
С помощью наблюдения человек накапливает информацию об окружающем мире, приводит её в систему и ищет в этой информации какие-то закономерности.
Ещё один метод изучения естественных наук — эксперимент.
Слово «эксперимент» имеет латинское происхождение и на русский язык переводится как «опыт», «проба».
Немецкий биолог Густав Крамер экспериментально установил, что перелётные птицы во время своих путешествий ориентируются по солнцу и звёздам.
Отловленных перелётных птиц Крамер посадил в клетку, стоявшую под открытым небом, и с наступлением прохладных осенних дней установил за ними постоянное наблюдение. Как только наступила пора перелётов, птицы стали вести себя беспокойно. Они безостановочно перепархивали в клетке с места на место, но при этом сохраняли определённое направление. В ненастную погоду такого предпочтительного направления не было, но стоило показаться солнцу, как птицы (а это были дневные мигранты) возобновляли попытки лететь в направлении своих обычных миграций.
Крамеру удалось убедительно доказать роль солнца и биологических часов в ориентации птиц.
Если солнце закрыть от птиц непрозрачным экраном и с помощью зеркала направить на них солнечные лучи с другой стороны, то менялось и направление полёта.
С помощью опытов изучают поведение животных. Все вы видели, как маленькие утята следуют за мамой уткой, куда бы она ни шла.
Эта связь между мамой уткой и утёнком осуществляется в момент насиживания и вылупления птенца.
Такая связь называется запечатлением. Самка во время насиживания яиц издаёт характерное кряканье, а утята, находящиеся в яйце, запечатляются на этот звук. Когда утята вылупятся, они бегут на голос, где бы ни находилась крякающая мать.
Утята запечатляются не только на голос, но и на образ (внешность) матери.
Однако если в момент вылупления утки не оказывается рядом, утята могут запечатлиться с любым движущимся предметом. Это было доказано экспериментально.
Выведенных из яиц утят помещали вблизи модели утки. Искусственную утку перемещали по кругу. Увидев её, утята начинали следовать за ней.
Запечатление может произойти и с человеком. Если утята первым увидят его, они будут реагировать на него, как на свою мать, и всюду за ним следовать.
Немецкий этолог Карл фон Фpишем изучал способность медоносных пчёл различать цвета.
Приманку (сладкий нектар) помещали на квадрат определённого цвета, и вскоре насекомые садились на него и без приманки, безошибочно находя среди квадратов других цветов, даже если их меняли местами.
Проводя эти опыты, учёный обнаружил, что достаточно одной пчелы «разведчицы», которая появится на цветном блюдечке с сиропом, выставленном на открытом воздухе, чтобы вскоре после её возвращения в улей к этому блюдечку прилетело множество пчёл.
Этот опыт привёл к открытию у пчёл своеобразного языка — «языка танцев», с помощью которого пчёлы передают друг другу важную информацию.
Очень часто при изучении природы применяют метод измерения. При помощи весов, к примеру, можно определить массу тела.
Методом измерения было установлено, что лягушки впитывают воду через кожу. Древесную лягушку взвесили на весах и установили, что её вес равняется 95 граммам. После этого лягушку обернули мокрой тряпкой, и через час она весила уже 152 грамма.
Ни одна амфибия не пьёт воды обыкновенным способом, а всасывает её исключительно через кожу. Вот почему для них необходима близость воды или сырость.
Метод измерения также применяют для того, чтобы узнать, например, численность животных.
Учитывают общее количество и плотность зверей или птиц, рыб, имеющихся на конкретной территории.
Объектом учёта могут быть сами животные (учёт по встречам), норы и хатки. А также следы животных, заметные на снегу, а в определённых условиях и по чернотропу.
Численность птиц определяют весной по их голосам и гнездовьям.
Для постановки эксперимента часто необходимо специальное оборудование.
Физики при изучении электрических цепей применяют приборы для измерения напряжения, силы тока и электрического сопротивления.
Географы использую компасы — устройства, которые облегчают ориентирование на местности. С помощью компаса можно точно определить стороны света. В центре компаса располагается намагниченная стрелка (синий цвет которой показывает на север, а красный — на юг).
По окружности — циферблат с обозначенными сторонами горизонта. Сбоку — арретир. Это приспособление необходимое для закрепления подвижности стрелки.
Чтобы определить по компасу стороны горизонта, нужно отпустить арретир и установить компас горизонтально, как можно дальше от магнитов и металлических предметов, далее дождаться, пока указательная стрелка остановится и покажет сторону света. Синяя стрелка укажет на север, красная — на юг, слева будет запад, а справа — восток.
Химики в своих исследованиях также используют специальное оборудование. Простейшее из них — это, например, уже знакомый вам нагревательный прибор спиртовка и различная химическая посуда, в которой проводят и изучают превращения веществ, то есть химические реакции.
В биологии широко используются оптические приборы, которые позволяют во много раз увеличить изображение наблюдаемого объекта (увеличительное стекло, лупа) и микроскопы, позволяющие увидеть объекты, размеры которых лежат за пределами разрешающей способности глаза.
P.S. Нам важно знать, по каким учебникам вы занимаетесь с детьми, чтобы темы в наших разработках полностью совпадали с теми, которыми пользуетесь вы. Поэтому предлагаем вам принять участие в небольшом опросе. В нём всего несколько пунктов, и много времени он не займёт. Зато вы точно будете уверены, что получите именно тот материал, который понадобится вам в работе.
Ссылка на участие в опросе:
Будем рады любым пожеланиям и предложениям.