Глава 1. Астрономия как учебный предмет. Научные основы учебного предмета «Астрономия»
1.1.Роль и место обязательного учебного предмета «Астрономия» на уровне среднего общего образования.
Курс астрономии завершает курс физического образования в средней общеобразовательной школе и несёт в себе научный и культурный потенциал. Без астрономических знаний невозможно сформировать единую физическую картину окружающего мира.
Изучение учебного предмета "Астрономия" как обязательного в общеобразовательных учреждениях Российской Федерации было введено с 2018 учебного года и направлено, в том числе, на изучение достижений современной техники и науки, формирование базовых знаний о результатах, методах исследования, основных законах природы небесных объектов. Её изучение вместе с другими учебными дисциплинами способствует развитию познавательных способностей и становлению естественнонаучной грамотности учеников.
Учебный план отводит для обязательного изучения астрономии на базовом уровне ступени среднего общего образования не меньше 35 часов за 2 года обучения. Рабочая программа рассчитана на обучение в 11 классе на 1 учебный час в неделю в течение учебного года.
Включение учебного предмета «Астрономия» в число учебных дисциплин, по которым проводится государственная итоговая аттестация в форме Единого государственного экзамена, не планируется.
С 2019 года проводятся всероссийские проверочные работы по астрономии, задания по астрономии включены в контрольные измерительные материалы Единого государственного экзамена по физике. [15]
Важность изучения астрономии была доказана ещё в период доисторической культуры. Были обнаружены такие астрономические артефакты, как древнеегипетские монументы и Стоунжендж. А первые цивилизации вавилонян, греков, китайцев, индийцев и майя проводили методические наблюдения ночного неба. Все это подтверждает, что астрономия является одной из древнейших наук и неразрывно связана с другими науками. По словам Ф. Энгельса, астрономия - это наука, которая необходима для земледельческих и пастушеских работ. Он полагал, что развитие астрономии невозможно без развития математики.
Многие учёные считали, что астрономия является существенно важной наукой. К.Ф. Гаусс, Ж.Л. Лагранж, П.С. Лапллас брали из неё задачи и разрабатывали способы решения этих заданий. Физика, математика и астрономия никогда не утрачивали взаимосвязей, что отразилось в деятельности огромного числа исследователей.
Взаимодействие физики и астрономии продолжает оказывать существенное влияние на становление и эволюцию других наук, различных секторов экономики, энергетики и технологии. К примеру, создание и дельнейшее развитие космонавтики. Идёт разработка способов удержания плазмы в замкнутом объёме, мазеров (квантовых усилителей излучения), магнитогидродинамических генераторов и другие.
Химию и астрономию объединяют вопросы исследования распространённости и происхождения в космосе химических элементов и их изотопов, химическая эволюция Вселенной. Наука космохимия, возникшая на стыке химии, физики и астрономии, имеет тесную связь с космологией, космогонией и астрофизикой. Она изучает дифференцированное внутреннее строение и химический состав космических объектов, законы распределения и распространённости во Вселенной химических элементов, влияние космических явлений, процессов на протекание химических превращений, миграцию и сочетание атомов при образовании в космосе вещества, эволюцию и изменение изотопного состава химических элементов.
Геофизику, географию и астрономию объединяет изучение Земли в качестве одной из планет в составе Солнечной системы, её главных физических характеристик и влияния на географию Земли космических факторов. Состав и строение поверхности и земных недр, климат и рельеф, долговременные, сезонные и периодические, глобальные и местные изменения в литосфере, гидросфере, атмосфере нашей планеты – ледниковые периоды и потепления, дрейфы магнитных полей, смена разных времён года, приливы, магнитные бури и т. д., которые возникают в результате влияния космических явлений, процессов. Вращение нашей планеты вокруг Солнца, вращение Луны вокруг Земли, солнечной активности и других, а также не утратившие своего значения астрономические методы определения координат местности и ориентации в пространстве являются яркими примерами космических явлений и процессов.
Одной из относительно молодых наук является космическое землеведение, представляющее собой совокупность инструментальных исследований из космоса Земли в целях практической и научной деятельности.
Связь биологии и астрономии определяет их эволюционный характер. Астрономия занимается изучением эволюции космических объектов и их систем на всех стадиях и уровнях организации неживой материи по аналогии с тем, как биология занимается изучением эволюции живой материи. Биологию и астрономию объединяют проблемы существования и возникновения разума и жизни во Вселенной и на Земле, проблемы космической и земной экологии и воздействия на биосферу Земли космических явлений и процессов.
Связь астрономии с обществознанием и историей, которые занимаются изучением развития материального мира на более высоком уровне организации материи, вызвана тем влиянием, которое астрономические знания оказывают на мировоззрение человека, а также на развитие культуры, экономики, сельского хозяйства, техники и науки. Открытым остаётся вопрос о влиянии, оказываемом космическими процессами на социальное развитие всего человечества.
Красота звёздного неба служила вдохновением для поэтов и писателей. Астрономические наблюдения содержат в себе колоссальный эмоциональный заряд, показывают могущество разума человека, его способность к познанию мира, помогают развивать научное мышление, воспитывать чувство прекрасного.
Связь астрономии с философией обусловлена тем, что наука астрономия имеет гуманитарный, общечеловеческий аспект, вносит наиболее значительный вклад в определение места человечества и человека во Вселенной, в изучение отношения " Вселенная – человек". В каждом космическом процессе и явлении можно видеть проявления фундаментальных, основных законов природы. На основании астрономических исследований происходит формирование принципов познания Вселенной и материи, важнейших философских обобщений. Астрономия сильно повлияла на развитие и становление всех философских концепций. Нельзя в обход современных представлений о Вселенной сформировать физическую картину мира – она неизбежно потеряет свое мировоззренческое значение.
1.2. Характеристика учебного предмета «Астрономия»
Астрономия (от греческого слова Аstron (астрон) – звезда и nomos (номос) – закон) представляет собой науку о Вселенной, изучающую природу небесных объектов (раздел «астрофизика»), их движение (раздел «небесная механика»), их развитие и происхождение (раздел «космогония»).
Целью изучения астрономии в средних учебных заведениях является формирование системы первоначальных и основных астрономических знаний.
Задачами преподавания астрономии в средних учебных заведениях выступают:
1. Формирование научного мировоззрения учащихся на основе изложения основных сведений по современной астрономии и космонавтике и ознакомления учащихся с процессом получения научных знаний.
2. Поэтапное формирование системы фундаментальных астрономических понятий об основных законах и теориях астрономии, физической природе космических объектов, процессов и явлений, методах и инструментах астрономических исследований.
3. Формирование умений и навыков, являющихся составной частью общеметодологических умений или содействующих их развитию, поскольку выработка специфических астрономических умений и навыков, в силу отсутствия необходимости их применения абсолютным большинством выпускников, давно перестало быть актуальной задачей преподавания астрономии в школе. [13]
В основе изучения астрономии в средних учебных заведениях должен лежать материал, изучение которого обеспечивает формирование астрономических понятий:
• объекты познания науки: космические объекты, космические процессы и космические явления;
• методы и инструменты астрономических исследований;
• астрономические законы и теории.
Понятийный аппарат астрономии обладает своей классификацией - системой соподчинения понятий (классов объектов), используемой как средство для установления связей между ними и выражающей систему законов, присущих отображённым в ней объектам Вселенной (рис.1).
Основные понятия:
• Астрономические законы выражают внешние и внутренние существенно-необходимые связи между космическими объектами, процессами и явлениями.
• Астрономические теории представляют собой систему знаний о Вселенной более высокой, нежели законы, степени обоснованности и обобщённости и включают в себя в качестве основания данные, полученные в результате астрономических наблюдений и исследований в области ряда других естественно-математических наук. Ядром их являются астрономические и физические законы и специфический математический аппарат; следствиями - объяснение механизма космических процессов и природы космических объектов во всей сложности и многообразии их взаимных связей, и использование полученных знаний в практических целях во благо человечества.
Рис. 1.1. Основные группы астрономических понятий
• Астрономические наблюдения- основной метод астрономических исследований, поставляющие свыше 90% информации о космических процессах, явлениях и объектах. Астрономические наблюдения характеризуются пассивностью по отношению к изучаемым объектам: до начала космической эры отсутствовала возможность проведения экспериментальных астрономических исследований. В наши дни возможность прямого изучения космических тел, явлений ограничена пределами Солнечной системы; возможность активного влияния на космические явления и, тем более, процессы практически отсутствует. Другой особенностью астрономических исследований является необходимость предварительного объяснения новых открытий иногда задолго до их теоретического истолкования, что придаёт ряду астрономических законов и теорий характер неформализованных (интуитивных).
Основными инструментами исследований в области астрометрии и небесной механики являются разного рода угломерные приборы в комбинации с различными приемниками-регистраторами электромагнитного излучения и приборы для измерения и хранения времени.
Основными инструментами астрофизических исследований являются телескопы, предназначенные для регистрации электромагнитного излучения и потоков элементарных частиц, испускаемых исследуемыми объектами, усиления создаваемой ими освещенности и увеличения их видимых угловых размеров. Телескопы, приемники элементарных частиц и детекторы космических лучей условно подразделяются по диапазонам воспринимаемого ими излучения. Специфика применения различных вспомогательных физических приборов для решения конкретных задач исследования природы космических объектов, процессов и явлений породила классификацию методов астрономических наблюдений на основе применяемых инструментов: визуальные, телескопические, фотометрические, фотографические, спектрометрические и т.д. и существование соответствующих разделов астрономии. Космические объекты могут рассматриваться как системы определенным образом организованных взаимосвязанных вещественных тел и полевых элементов.
• Космические тела - физические тела, рассматриваемые в рамках понятийного аппарата науки астрономии как структурные единицы (элементы) Вселенной; в ряде случаев возможна упрощенная геометрическая интерпретация космических тел как ограниченных участков пространства вместе с их границами.
• Небесные тела - космические тела, рассматриваемые в рамках понятийного аппарата классической астрономии без учета особенностей их физической природы, как материальные точки или шары однородной плотности.
• Системы космических тел - некоторые количества (множества) находящихся в определенных отношениях, физически взаимосвязанных космических тел, образующих некую качественно отличную от составляющих их элементов структуру.
• Небесные светила - видимые проекции космических тел на небесную сферу.
• Космические явления - физические явления, возникающие в результате или обусловленные протеканием космических процессов и (или) взаимодействием космических объектов. Классифицируются по типу фундаментального физического взаимодействия, лежащего в основе данного явления.
• Небесные явления - космические явления, наблюдаемые с поверхности Земли и (или) обусловленные воздействием космических объектов и процессов на Землю.
• Космические процессы - последовательные изменения или смены состояний (этапов) эволюции космических объектов (космических тел и их систем). К ним относятся физические процессы, обусловливающие возникновение, существование и эволюцию, основные физические характеристики космических объектов и их систем, и механизм возникновения и протекания космических явлений. [33]
Формирование данных понятий высокой степени общности в средней школе требует глубокой физико-математической подготовки учащихся и широкого использования межпредметных связей с курсами всех естественно-математических наук, в первую очередь химии и биологии.
1.3 Методические особенности изучения учебного предмета «Астрономия», темы «Астрометрия».
Методы обучения астрономии основаны на общей теории обучения, на раскрытии закономерностей обучения астрономии, определении содержания, форм и способов организации изучения предмета, с учетом психологических особенностей учащихся данного возраста и задач их воспитания и развития.
Обучение астрономии в среднем учебном заведении, аналогично процессу обучения иным естественным наукам, представляет собой комплекс взаимосвязанных последовательных действий учащихся и преподавателя, нацеленных на прочное и сознательное усвоение фундаментальных основ системы астрономических знаний и формирование научного мировоззрения учеников, их идейно-нравственное воспитание и приобретение навыков практического использования полученного знания. [18]
Астрономия, как учебный предмет, специфичен. Именно эта черта отличает его от других дисциплин естественнонаучного цикла, изучаемых в общеобразовательных школах. Поэтому при обучении астрономии важно знать закономерности, пути и средства обучения, воспитания и развития учащихся в процессе обучения астрономии, определять объем и структуру содержания образования и совершенствовать методы и организационные формы обучения астрономии.
Всем выше перечисленным занимается отрасль педагогической науки, включающая в себя теорию и практику обучения астрономии - методика обучения астрономии.
Предметом изучения методики обучения астрономии выступает процесс формирования системы астрономических знаний при преподавании астрономии в дошкольных, начальных, средних и высших учебных заведениях, на занятиях вне школы и в результате самообразования, включает в себя следующие педагогические функции:
• Общеобразовательная функция: получение знаний основ астрономии - системы начальных, общих основных и специальных астрономических знаний, включающий в себя формирование астрономических понятий.
• Воспитательная функция: формирование научного мировоззрения подрастающего поколения в ходе формирования обобщённого научного представления о Вселенной, общих принципах мироздания и системе методов научного познания природы (при раскрытии аспектов выяснения роли и места человека и человечества во Вселенной и отношения "человек-Вселенная"), воспитание нравственности и гуманитарно-эстетических начал.
• Развивающая функция: формирование устойчивых познавательных интересов и развития познавательных возможностей учащихся (овладение разнообразными логическими операциями, подведение к более сложным уровням обобщения, переход от формально-логических форм мышления к качественно более высоким, диалектическим и творческим формам и т.д.). [32]
Организация урока астрономии
Методы и средства организации занятия, стимулирования и контроля учащихся взаимосвязаны и зависят от задач и содержания обучения, которое, в свою очередь, определяется принципами научности, систематичности, последовательности и доступности. Следует тщательно продумать использование различных способов ведения урока и методов сообщения нового материала и проверки качества его усвоения, и в соответствии с принципами наглядности, сознательности и активности учеников сочетать различные методы и средства обучения. В зависимости от целей и задач урока, особенностей излагаемого материала и сложившейся ситуации учитель должен уметь становиться режиссером и актером, психологом, оратором и т.д.[26]
Начинающему учителю проще и лучше всего удается «классическая» организация уроков астрономии, включающая следующие основные этапы и методы проведения занятий.
Таблица 1.1. Основные этапы и методы проведения занятий
Этапы урока Содержание Методы изложения Время,
мин
1. Организационный момент. Проверка домашнего задания и повторение пройденного материала. Фронтальный опрос, беседа, работа по карточкам и т.д. 5-7
2. Актуализация темы занятия.
Изложение нового материала. Лекция, беседа, рассказ учителя с использованием средств наглядности и т.д. 20-25
3. Закрепление изученного материала (решение задач и т.д.). Фронтальный опрос, беседа, самостоятельное решение задач у доски и в
тетради, работа по карточкам и т.д. 10-15
4. Систематизация и обобщение пройденного материала, подведение итогов урока, домашнее задание. Фронтальное обсуждение, беседа, составление обобщающих таблиц и схем. 3-5
Как уже было сказано, систему астрономических знаний составляют следующие структурные компоненты: явления, объекты и факты, основой которых являются наблюдения; понятия и закономерности, формируемые в результате анализа явлений, объектов, фактов; теории, объясняющие явления, факты, закономерности; естественнонаучная картина мира. Астрономические знания по сути своей являются знаниями естественнонаучными, но, в то же время и обладают определенной спецификой:
- факты, полученные в результате наблюдений, не могут быть объяснены без привлечения физических законов и теорий;
- для описания астрономических явлений приходится использовать весь аппарат современной теоретической физики.
В связи с этим целесообразным будет использование планов обобщенного характера.
Таблица 1.2. Планы обобщённого характера на уроках астрономии
План Содержание
План описания астрономического объекта 1. Признаки объекта, условия его существования. Способы воссоздания в лабораторных условиях.
2. Структура объекта, его возможные состояния, условия перехода объекта из одного состояния в другое.
3. Свойства объекта, величины, их характеризующие.
4. Взаимосвязь свойств объекта, ее математическое выражение.
5. Зависимость свойств объекта от внешних факторов, математическое выражение для данной зависимости.
6. Природа объекта (теоретическая модель), объяснение его основных свойств с позиции современных научных теорий.
7. Использование свойств объекта на практике.
8. Способы предупреждения проявлений нежелательных свойств объекта.
План описания астрономического явления (процесс движения, взаимодействия) 1. Признаки явления, условия его протекания (определение явления).
2. Разновидности явления. Примеры проявления во Вселенной.
3. Количественные характеристики явления.
4. Зависимость характера протекания явления от внешних факторов.
5. Законы, которым подчиняется явление, их математическое выражение.
6. Сущность явления, механизм его протекания (объяснение явления на основе известных экспериментальных законов, современных научных теорий).
7. Способы предупреждения вредного для человека протекания явления.
План описания астрономической величины (количественной характеристики явления) 1. Какое явление характеризует данная величина (какое свойство материального объекта, характеристику какого процесс она отражает)?
2. Определение данной величины, ее определительная формула.
3. Какая это величина (векторная, скалярная)?
4. Единицы измерения данной величины: основные, дольные и кратные ей, единицы измерения величины в других метрических системах, внесистемные единицы измерения. Соотношение между единицами измерения. Определение основной единицы измерения величины.
5. Связь данной величины с другими величинами, математические формулы, выражающие эту связь (кроме определительной формулы).
6. Способы определения величины: прямые, косвенные. Суть способов, приборы, необходимые для выполнения измерений. Границы встречающихся в природе значений данной величины.
План описания закона 1. Имя учёного, установившего закон. Краткие сведения из истории открытия.
2. Формулировка закона. Границы его применимости.
3. Математическое выражение данного закона (связь между какими величинами выражает данный закон, вид связи - прямая пропорциональность, обратная пропорциональность и т. п.).
4. Опыты, подтверждающие справедливость закона (характеристика экспериментальной установки, порядок проведения опыта, его основные результаты).
5. Объяснение закона с точки зрения более общих экспериментальных законов, также современных научных теорий.
6. Практическое использование (учет) закона.
В процессе изучения астрономического материала одним из способов обобщения, систематизации знаний, совершенствования практических умений и навыков является решение астрономических (астрофизических) задач.
Решение задач в процессе обучения обеспечивает не только усвоение содержания, но и сути естественнонаучных методов исследования окружающего мира. Решение астрономических задач даёт более глубокий разбор некоторых вопросов, показывает учащимся применение астрономических знаний к практике.
Приступая к решению задачи, нужно предварительно провести ее анализ: разобрать астрономическую сущность этой задачи, показать необходимость применения той или иной формулы, пояснить результат и представить его наглядно. Если учащиеся приучены к такому подходу к задачам, то, решая их самостоятельно, они так же будут производить подготовку к решению и наглядно представлять полученный ответ. [23]
Таблица 1.3.Правила решения астрономических задач
Этап Суть этапа
Этап 1. Понять суть задачи. 1. Внимательно прочитать текст задачи.
2. Разбить текст задачи на такие фрагменты, в каждом из которых речь идет только об одной теме, об одном явлении, об одном астрономическом объекте, об одной астрофизической или астрономической величине.
3. Выяснить смысл всех непонятных слов и выражений.
4. Записать, что дано (известно из условия задачи) и что требуется найти.
5. Сделать схематический рисунок или серию рисунков, если позволяет характер задачи.
Этап 2. Составить план решения задачи. 1. Рассмотреть астрономическую (астрофизическую) картину задачи, уяснив для себя, о каких темах и взаимодействиях тел идёт речь в задаче, какие явления и процессы имеют место, какие принимаются упрощения (идеализация), какие величины описывают свойства астрономических объектов и явлений, какие связи (отношения) существуют между этими величинами.
2. Провести анализ задачи. Пояснить все буквенные обозначения величин.
3. Составить план решения задачи. Приведя систему уравнений – следует пояснить каждое из них.
Этап 3. Реализовать план решения задачи.
1. Найти решение задачи в общем виде, проверить, правильная ли размерность получается у искомой величины.
2. Выполнить операции с наименованиями единиц измерения астрономических (астрофизических) величин, произвести необходимые расчёты, соблюдая правила приближенных вычислений.
Этап 4. Проанализировать полученный результат. 1. Оценить правдоподобность полученного численного результата.
2. Установить и оценить все частные (предельные) случаи.
3. Записать полученный ответ в требуемой форме.
На основании правил решения астрономических задач можно сформулировать общий алгоритм решения астрономических задач:
1. Внимательно прочитайте условие задачи и уясните основной вопрос; представьте процессы и явления, описанные в условии задачи.
2. Повторно прочитайте содержание задачи для того, чтобы чётко представить основной вопрос задачи, цель её решения, известные величины, опираясь на которые можно вести поиски решения.
3. Произведите краткую запись условия задачи с помощью общепринятых буквенных обозначений.
4. Выполните рисунок или чертёж к задаче.
5. Определите, каким методом будет решаться задача; составьте план ее решения.
6. Запишите основные уравнения, описывающие процессы, предложенные задачной системой.
7. Запишите решение в общем виде, выразив искомые величины через заданные.
8. Проверьте правильность решения задачи в общем виде, произведя действия с наименованиями величин.
9. Произведите вычисления с заданной точностью.
10. Произведите оценку реальности полученного решения.
11. Запишите ответ в требуемой форме.
В рамках реализации практической части рекомендуется предусмотреть выполнение наблюдений и практических работ, направленных на понимание астрономических явлений, которые мы наблюдаем в повседневной жизни:
1. Наблюдения невооружённым глазом: наиболее яркие звезды и основные созвездия неба; изменение положения созвездий и наиболее ярких звёзд с течением времени; движение Луны и смена её фаз.
