«Методика преподавания в колледже»

Future of chemistry in the college curriculum

Важность химии в повседневной жизни и в промышленности возрастала и неизменно будет продолжать возрастать. По этой причине этому предмету суждено занять более важное место в учебном плане колледжа. При хорошем преподавании химия в колледже не только расширит кругозор студента, но и обеспечит ему как практическую подготовку, так и умственную тренировку и культуру высшего порядка.

Луи Каленберг Университет Висконсина

VI

ПРЕПОДАВАНИЕ ФИЗИКИ

Необходимость отведения физике видного места в учебном плане колледжа двадцатого века признается практически повсеместно. Если, как утверждает видный медицинский авторитет, нельзя считать образованным человека, не знающего тригонометрии, то насколько более справедливо это утверждение применительно к физике! Пять человеческих чувств не более разнообразны по своему охвату, чем пять великих областей этой науки. Изучая теплоту, звук и свет, мы можем стремиться лишь понять природу внешних стимулов, поступающих к нам через осязание, слух и зрение; но в механике, где мы критически исследуем простейшие понятия движения и инерции, мы овладеваем методом анализа, который при применении к тайнам молекулярной физики и электричества ведет нас по путям, ведущим к самым глубоким секретам природы. Утилитарные аспекты тускнеют в нашей перспективе, когда мы сталкиваемся с проблемой структуры, происхождения и эволюции материи — когда мы ставим под сомнение независимость пространства и времени. Современная физика обладает поистине исполинским философским масштабом.

Utilitarian value of the study Of physics

Но в отношении повседневных явлений изучение физики необходимо. Банально упоминать о развитии в последние годы тех механических и электрических искусств, которые создали современную цивилизацию. Подводная лодка, оживляемая аккумуляторной батареей и дизельным двигателем, торпеда с гироскопическим автопилотом и пневматическими двигателями, беспроводная передача речи через моря и континенты — все это уже не вызывает удивления и не привлекает внимания при беглом просмотре утренней газеты; однако сколь многие понимают их устройство или ценят тот дух, который подарил их миру?

Disciplinary value of the study

Если культура означает субъективную трансформацию информации в философию жизни, может ли культура быть полной, если она не включила в свои размышления удивительно простые, но запутанные взаимосвязи природных явлений? Ценность этой запутанной простоты как умственной дисциплины сравнима, пожалуй, лишь с тонкими различиями философии, кропотливыми формулировками ограничений и быстрыми обобщениями чистой математики; и давайте не будем забывать о ценности дисциплины, какой бы устаревшей и проигнорированной она ни казалась в прагматичной жизни современной эпохи.

Relation of physics to philosophy and the exact sciences

Студент-профессионал, число которых в наших колледжах постоянно растет (будь то в области естественных наук или в определенных ветвях права), находит широкое знакомство с новейшими взглядами физика не только полезным, но часто и незаменимым. Химия с трудом может найти искусственную основу для отделения своей сферы от сферы физики. Реальной границы, безусловно, не существует. Биолог спрашивает о новейших идеях в области атомной эволюции и электрических теорий материи, надеясь найти в этих проливающих свет точках зрения, как он говорит, некую аналогию для своих почти безнадежно сложных проблем жизни и наследственности. Даже те медики, чей интерес носит чисто коммерческий характер, ценят удобство рентгеновских лучей и важность правильной интерпретации патологических эффектов радиоактивного излучения и ультрафиолетового света. Можно обнаружить выдающегося геолога, сотрудничающего со своим коллегой-физиком, причем от последнего исходит вклад в изучение жесткости Земли. Астрономия в наши дни откликается на имя астрофизики, и передовые обсерватории признают лабораторию столь же важным инструментом, как и телескоп. Одним словом, будущий профессионал в области науки не только обнаруживает, что предметная область физики имеет много фундаментальных точек соприкосновения с его собственной выбранной сферой, но и признает, что менее сложная природа ее материала позволяет методу исследования выступить более рельефно. Обучение методу и страсть к методу имеют жизненно важное значение для успешной и увлеченной карьеры.

Should the teaching of college physics change its aim for different classes of students?

Таким образом, в преподавании физики цель на первый взгляд может показаться весьма разнообразной, различающейся для разных классов студентов. Однако тщательный анализ ситуации покажет, думаем мы, что этот вывод с трудом поддается обоснованию: что необходимо вести преподавание в колледже способом, который практически не диктуется последующими целями самих студентов. По крайней мере в более элементарной работе приверженность этой идее имеет огромную важность. Характер, дизайн и назначение здания не проявляются в его фундаменте, за исключением того, что он массивен, если сооружение должно быть грандиозным.

Нередко это кажется излишним бременем для студента-профессионала, стремящегося поскорее приступить к работе в выбранной области. Если это так, пусть он задумается, стоит ли вообще предпринимать попытки изучения физики, поскольку этот вопрос может иметь разные ответы для разных людей. Но если ему предстоит ее изучать, есть лишь одно место, с которого может начаться анализ физических явлений, и это основы — пространство, время, движение и инерция. Как может тот, кто невежествен в отношении существования и характеристик вращательной инерции, понять гальванометр? Как можно обсуждать волны иначе как в терминах периода, амплитуды, частоты и т. д., получающих определение в простом гармоническом движении? Как можно визуализировать устройство газа иначе как посредством таких идей, как обмен импульсами, сохранение энергии и силы притяжения?

Подчеркнем здесь, дабы нас не поняли неправильно, что мы рассматриваем курсы именно на уровне колледжа. Мы не сомневаемся, что описательная физика может преподаваться в одном ключе агрономам, совершенно иначе — инженерам, и с третьей точки зрения — студентам-медикам. К сожалению, некоторые курсы в колледжах никогда не выходят за рамки метода средней школы. Наша цель — обсуждать не описательные курсы, а те, которые подходят к предмету с позиций критического анализа, ибо только их мы считаем достойными места в учебном плане колледжа.

The course in college physics differentiated from the high school course

Проблема описательного курса — это проблема средней школы. Из-за неудач на этом уровне мы слишком часто наблюдаем во многих университетах курсы физики для достудентов. Они становятся необходимыми там, где требования при поступлении не предъявляют этот предмет в качестве обязательного, и где у студентов в ходе дальнейшей учебы по смежным направлениям возникает запоздалая необходимость наверстать упущенное. С точки зрения программы колледжа курс для достудентов часто выглядит так, будто его можно было бы поднять до академического уровня. Это происходит потому, что знакомство с материалом должно предшествовать его анализу. Зачет по школьной физике в документах приемной комиссии, если он не подкреплен вступительным экзаменом, часто оказывается мало чего стоящим. Отсюда почти постоянный спрос на школьную работу под непосредственным руководством преподавателей колледжа. Число студентов, которым следует выбирать этот курс вместо университетского, в настоящее время растет в непосредственной близости от автора.

В подтверждение этого свидетельствует число колледжей, которые вообще не принимают во внимание школьную подготовку и зачисляют в одни и те же студенческие классы тех, кто никогда не изучал физику в школе, наравне с теми, кто ее изучал. Нам говорят, что разница между этими двумя группами незначительна. Возможно, и так. Если это так, данный факт характеризует колледж в такой же мере, в какой и среднюю школу. Если мы ищем решение нашей проблемы в этом направлении, давайте не будем строить иллюзии: мы смотрим назад, а не вперед.

Need of adequate high school preparation in physics

Никто не станет утверждать, что группе, часть которой никогда не изучала школьную физику, можно дать действительно аналитический курс. Везде, где читается строгий аналитический курс, те, кто получил хорошую подготовку по описательной физике, в целом справляются с ним успешно. Давайте не будем уходить от ответа, преподавая такую физику в колледже, который не требует школьной подготовки. Учебный план колледжа и без того достаточно полон без дублирования школьной работы, и любой курс физики в колледже, являющийся вводным, по сути представляет собой школьный курс.

Давайте лучше возложим ответственность туда, где она лежит. Средняя школа откликнется, если проявить настойчивость. Доказательством тому служат некоторые наши городские школы, уже пытающиеся реализовать идею младшего колледжа — идею, которая оказалась весьма успешной в некоторых наших частных школах. Если дать четко понять, что углубленный курс описательной физики является первостепенной необходимостью в работе колледжа и что университет приложит все усилия для обеспечения этого качества, найдутся и кадры, и соответствующие курсы.

Preparatory work in mathematics essential for success in college physics

Мы выступаем за систему комплексных экзаменов во всех случаях, когда качество школьной подготовки либо неизвестно, либо вызывает сомнения.

Аналогичным образом следует обеспечить знакомство с самыми элементарными математическими приемами. Было бы весьма желательно, чтобы курсу физики непосредственно предшествовал курс тригонометрии университетского уровня. Дело не в том, что все детали тригонометрии необходимы в физике. Фактически отдельные студенты, никогда не изучавшие тригонометрию, добиваются выдающихся успехов в физике. Однако это те, кто обладает природной склонностью к анализу. Недопуск таких студентов из-за отсутствия предварительного курса тригонометрии часто создает излишние трудности. Поэтому мы выступаем за формальное требование предварительной подготовки по этому предмету, оставляя за определенными студентами право на освобождение от него, которое в каждом случае должно определяться либо самим преподавателем, либо в сотрудничестве с каким-либо административным консультативным сотрудником.

Need of testing each student's preparation

Ни в отношении математической подготовки, ни в отношении знания школьной физики в обоих случаях недостаточно полагаться исключительно на официальные зачетные ведомости студента. Мы твердо убеждены на основе многолетнего опыта работы со студенческой средой с самыми разными целями, что превыше всех формальных записей первостепенное значение имеет внимание к конкретному студенту. Первая неделя курса должна быть организована так, чтобы можно было выявить явно неподготовленных и перенаправить их на выполнение соответствующей работы. Как лучше всего это сделать, можно решить, полагаем мы, только в условиях конкретного учебного заведения. Ежедневные тесты, охватывающие простейшие описательные сведения, которые должны были остаться в памяти от школьной физики, и требующие осознанного применения арифметики, элементарной алгебры и геометрии, выявят поразительную несостоятельность в этих вопросах. Таттл в своей небольшой книжке под названием «Введение в лабораторную физику» (Физическая лаборатория Джефферсона, Филадельфия, 1915 г.) на страницах 15–16 приводит превосходный перечень подобных вопросов. Любой человек с любым опытом преподавания этого предмета может составить столь же хороший перечень, отвечающий его специфическим потребностям и темпераменту. Не следует полагать, что всех не справившихся с такими тестами нужно отчислять. Кого-то, несомненно, следует вернуть к школьной программе или ее эквиваленту; другим может потребоваться удвоенный объем занятий по математике, чтобы преодолеть свою неготовность к ее использованию. Личные контакты покажут, что некоторые случайно забрели на естественнонаучный курс, не имея к нему никаких склонностей, и их постигнет разочарование, если они продолжат обучение. Одним словом, мы убеждены, что чем тщательнее спланирована работа первой недели или около того, тем глаже идет работа в остальную часть года. Число неудач можно сократить до нескольких процентов, нисколько не снижая стандартов курса.

Methods of teaching college physics

Что касается организации университетских курсов физики, то нам представляется по меньшей мере один метод, ведущий к значительному успеху. Это не лекционный метод преподавания; это и не полностью безусловный лабораторный метод.

Lecture method vs. laboratory method

Для пробуждения вдохновения и энтузиазма ничто не может сравниться с общением на лекциях с другими людьми, предпочтительно с лидерами в своей профессии, но по крайней мере с теми, кто обладает одним из этих качеств. Такие контакты не должны быть частыми; более того, им не следует быть частыми. Докладчик склонен прилагать больше усилий, а студент — быть более отзывчивым, когда такие случаи относительно редки. Даже в этом случае, хотя в такие моменты и передается реальная информация, она усваивается редко. Тем не менее формируется перспектива, стимулируется интерес, и само событие доставляет удовольствие.

Limitations of exclusive use of each method

Для реального усвоения научной информации великим методом является выполнение лабораторной работы и соответствующих задач под неформальным руководством в атмосфере живой учебы и дискуссий, возникающей в небольшой группе — лабораторный метод. В чистом виде он склонен становиться механическим и неинтересным, а общая картина заслоняется деталями. Лекции, особенно демонстрационные, необходимы для оживления и вдохновения. Кроме того, многие из наиболее ярких иллюстраций физических принципов, встречающиеся на каждом шагу и привлекающие всеобщее внимание, никогда не встречаются в курсе колледжа, поскольку они непригодны для неопытных рук или плохо поддаются количественному экспериментированию. Чем более неформально могут проводиться такие демонстрации, тем восторженнее они воспринимаются.

Aims of the laboratory method

Что касается лабораторной работы, умеренная степень точности важна, но излишнее упорство в ее достижении может затмить высшую цель, а именно анализ самих явлений. Определение барического коэффициента газа с точностью до половины процента, сопровождаемое четким представлением о механизме создания газом давления и полезным отождествлением температуры с кинетическим движением, представляется предпочтительнее погрешности эксперимента в одну десятую процента, которая может требоваться без этих вдохновляющих и довольно современных точек зрения. Особенно в электричестве важно знакомство с основами современных теорий. Здесь крайне необходимы дополнительные лекции, поскольку ни один учебник не поспевает за прогрессом в этой колоссально важной области. Решение задач с обсуждением в классе абсолютно необходимо и должно занимать по меньшей мере треть всего времени. Никаким другим способом нельзя убедиться в том, что студент делает что-то большее, чем просто заучивает наизусть или слепо следует инструкциям без собственного осмысления.

Value of the supplementary lecture

Недавнее внедрение этой идеи в учебные курсы Чикагского университета увенчалось большим успехом. Пять секций под руководством разных преподавателей объединяются один раз в неделю в час, когда нет других университетских занятий, для проведения лекции-демонстрации. По возможности ее проводит старший преподаватель кафедры. Остальные встречи в течение недели проводятся индивидуальными преподавателями и состоят из двух двухчасовых лабораторных занятий и двух занятий в аудитории, которые обычно длятся чуть более часа каждое. Эти секции ограничены двадцатью пятью студентами, причем меньшее число было бы даже предпочтительнее. Ответственность за курс естественным образом лежит на преподавателях этих небольших групп. Эти же люди участвуют в демонстрационной работе, так как каждый из них обычно увлечен какой-то конкретной областью и приложит максимум усилий в своей узкой специализации, чтобы успешно и популярно представить важные идеи. Энтузиазм, порожденный этим планом, огромен. Посещаемость зашкаливает, и всегда есть ряды гостей: преподавателей из окрестных мест, старшекурсников из других областей или студентов младших курсов, приведенных членами группы. Последних особенно поощряют, так как это помогает развеять укоренившиеся представления о том, что физика — предмет безумной строгости. Конкретные темы, выносимые на эти демонстрации, будут рассмотрены в параграфах ниже, где более подробно разбирается организация специальных подразделов материала общего курса физики.

Mechanics a stumbling block—How to meet the difficulty

Механика оказывается камнем преткновения с самого начала. Как мы указывали выше, она должна составлять начало любого курса, нацеленного на анализ. Обойти эту трудность невозможно: ее нужно преодолеть. Разумная отсечка на первой неделе — начальная часть этого плана. Интерес на демонстрационных лекциях можно сразу пробудить с помощью механических фокусов, показывающих видимые нарушения законов Ньютона. Они группируются вокруг типа экспериментов, демонстрирующих изменение естественного равномерного прямолинейного движения любого объекта под действием какой-то скрытой силы, чаще всего скрытого магнитного поля. Инстинктивная приверженность каждого динамическому определению Ньютона о том, что ускорение определяется отношением силы к инерции, становится очевидной по тому веселью, с которым встречают фокус, кажущийся бросающим вызов этому принципу. Неформальность обсуждения в таких экспериментах, вопросы преподавателя, которые носят не только риторический характер, а также добровольные ответы и комментарии аудитории усиливают яркость впечатлений. Механическая адаптация задачи о «монтажнике на веревке» с использованием небольших электрических лебедок или часовых механизмов инициирует интересное обсуждение третьего закона в сочетании со вторым. Игрушечная пушка и мишень, установленные на легко катящихся тележках, вводят аналогичные идеи, где можно измерять импульсы, а не только силы.

Затем следуют лабораторные эксперименты с машиной Атвуда и силовой доской, где требуются количественные результаты. Желательно, чтобы эти эксперименты выполнялись классом хотя бы синхронно. Каковы бы ни были организационные трудности с численностью и оборудованием, препятствующие этому в дальнейшем, эти вводные занятия должны проводиться для всех вместе и совместно обсуждаться. К счастью, в силу самой природы вещей это возможно. Одиночная машина Атвуда под руководством преподавателя быстро выдаст результаты для всех. Эксперимент с силовой доской на девять десятых состоит из расчетов, и проверка для большого числа студентов может быть выполнена за короткое время. Сразу же инициируются проблемные вопросы и дискуссии, вводятся понятия вращательного равновесия и моментов сил. Из-за огромной трудности, казалось бы, присущей разложению сил, демонстрационные эксперименты и задачи с использованием мостовой конструкции, такие как гарвардская экспериментальная ферма, с лихвой окупят затраченное время. Другой эксперимент здесь, выполняющий анализ практики взвешивания, также возможен, хотя почти сразу возникнут расхождения из-за индивидуальности преподавателя и имеющегося у него ограниченного оборудования. Однако раннее введение моментов важно, поскольку кажется, что в дальнейшем по этой теме постоянно возникает масса ненужной путаницы. В этот момент, если ограничения оборудования создают трудности, можно начать группу более или менее независимых экспериментов. Идеи энергии можно проиллюстрировать при определении коэффициента полезного действия и мощности простых машин, таких как гидравлические двигатели, блоки и даже небольшие газовые или паровые двигатели.

При обсуждении мощности не следует забывать, что в практических задачах мы встречаем мощность как произведение силы на скорость несколько чаще, чем как скорость совершения работы, и этот аспект следует подчеркивать в экспериментах. Закон сохранения энергии раскрывается в тех же экспериментах в связи с рассматриваемыми коэффициентами полезного действия. В резком контрасте с этим здесь может быть введен закон сохранения импульса посредством экспериментов с баллистическим маятником, включающих упругие и неупругие соударения. Большинство студентов не знакомы с применением этих идей для определения скоростей снарядов, и это представляет собой интересную лекционную демонстрацию. Упругость — это тоже тема, которая может быть представлена с большей или меньшей степенью подробности в зависимости от склонностей преподавателя. Модули Юнга и простой жесткости легко поддаются количественным лабораторным экспериментам. Здесь можно почерпнуть массу интересного материала из недавних исследований Майкельсона, Бриджмена и других касательно пределов упругости, отступлений от простых зависимостей, вариаций с давлением и т. д. для лекции с демонстрацией слайдов в этой связи.

К этому моменту студент должен чувствовать себя достаточно подготовленным, чтобы перейти к задачам вращательного движения. Применение законов Ньютона к чистым вращениям и комбинациям вращения и трансляции, таким как качение, весьма многочислено. Мы хотели бы подчеркнуть здесь динамическое определение момента инерции, I = Fh/a, а не то, которому так часто придают значение в вычислительных целях, Σ mr^2. Количественные эксперименты обеспечиваются вращательным аналогом машины Атвуда. Лекционные демонстрации для нескольких выступлений изобилуют примерами: устойчивость вращения вокруг оси наибольшей инерции, знаменитые эксперименты Кельвина с яйцами и волчками, содержащими жидкости, которые наводят на гироскопические идеи, и, наконец, обсуждение гироскопов и их многочисленных применений. Книга Крабтри «Вращающиеся волчки и гироскоп» и несколько статей Грея в «Проспектах Лондонского физического общества» суммируют богатейший материал. Если кто-то пожелает вставить в скобках обсуждение принципа Бернулли и простейших законов распределения давления на плоские поверхности, движущиеся через сопротивляющуюся среду, возможна группа ярких демонстраций, затрагивающих это понятие, а путем его простого сочетания с прецессией вращающегося тела можно привлечь бумеранг и в значительной степени объяснить его поведение.

Вращательное движение естественно ведет к обсуждению центростремительной силы, а она, в свою очередь, представляет собой простое гармоническое движение. Последнее находит важнейшие применения в экспериментах с маятником, и в любых учебниках по этому поводу можно найти бесконечно много материала. Наиболее утонченным экспериментом для элементарных целей будет определение «g» методом совпадений между простым маятником и стандартными часами. Элементарный анализ без использования исчисления достигает своей кульминации в обсуждении вынужденных колебаний, аналогичном тому, что используется Мэджи в его общем учебнике. Многим не захочется заходить так далеко. Другие пойдут дальше и обсудят маятник Катера и небольшие поправки, необходимые для точности, ибо именно здесь точность находит яркое выражение.

В наши задачи не входит составление синопсиса всего общего курса физики. Мы провели особенно детальное исследование механики, поскольку эта тема вызывает наибольшие трудности в методике преподавания. В среднем учебнике она излагается слишком формально и, судя по всему, пострадала сильнее всего от недостатка воображения со стороны преподавателей.

Suggested content for the study of phenomena of heat and molecular physics

В области теплоты и молекулярной физики в целом материал учебников значительно лучше. Эксперименты здесь вполне можно назвать точными, поскольку законы газов, температурные коэффициенты, плотности газов и давления насыщенных паров в относительно неопытных руках легко дают точность около одной тысячной. В демонстрациях следует делать упор на визуализацию положений кинетической теории. Весьма полезны такие модели, как видимый молекулярный аппарат Нортрупа. Однако при отсутствии средств на столь сложную аппаратуру идеальными для донесения визуализации до студента окажутся слайды с воображаемыми рисунками, показывающими в масштабе условия в твердых телах, жидкостях и парах с указанием средних длин свободных пробегов и отображением истории отдельных молекул. Когда у нас есть столь прочно устоявшаяся теория, как механическая теория теплоты, вполне справедливо прибегнуть к помощи внешних органов чувств в дополнение к мысленному взору. Броуновские движения уже уступили свои танцы кинокамере. Неужели «кино» должно быть единственным средством, выигрывающим от анимационной мультипликации?

Не следует забывать и классический материал. Эксперименты Бойза с мыльными пузырями служили вдохновением для поколений студентов, изучающих капиллярность. И если физик проконсультируется с физиологом-химиком, он обнаружит массу материала, о котором никогда и не мечтал, где явления поверхностного натяжения самым непосредственным образом влияют на ключевые вопросы в науках о жизни.

The teacher of scholarship and understanding is the teacher who uses sound methods

Сказанного достаточно, чтобы указать, что мы считаем методами успешного преподавания физики в колледже. Полагаем, совершенно очевидно, что физика не составляет исключения из правила, согласно которому преподаватель должен прежде всего знать и понимать свой предмет. Именно здесь кроется, пожалуй, девять десятых изъянов нашей педагогики. Никакое изучение методов не принесет таких результатов, как изучение самого предмета. Честный студент (а каждый преподаватель должен принадлежать к этой категории, иначе он не имеет права называться преподавателем) прекрасно осознает, что большая часть его неудач в объяснении темы находится в прямой зависимости от его собственного непонимания оной. В физике, как и во всякой другой сфере жизни, мы страдаем от нехватки основательности, от некоторой поверхностности, которая свойственна человеку вообще, но особенно американцам. Нам еще предстоит встретить хотя бы одного человека, по-настоящему считающегося ученым в своем предмете, от которого студенты не черпали бы вдохновения и энтузиазма. Такой человек обычно мало внимания уделяет чужим методам, ибо божественный огонь самого знания не нуждается в большом количестве трута, чтобы зажечь факелы других. Наш главный призыв заключается в том, чтобы преподаватели были людьми понимающими, ибо тогда они окажутся и людьми метода.

The method of analysis dominant in physics

Порядок следования теплоты, электричества, звука и света за механикой кажется совершенно несущественным. Можно составить несколько одинаково логичных планов. Предпочтение обычно отдается тому или иному на основе местных условий оснащения и почти не затрагивает педагогику. Если уделить механике должное внимание, трудности при обучении другим темам покажутся значительно меньшими. Приобретенный импульс, по-видимому, служит опорой на оставшуюся часть года. Всегда необходимо настаивать на анализе, если наш курс колледжа собирается отличаться от курса средней школы. Если мы позволим студентам довольствоваться снятием показаний тока с амперметра с калиброванной шкалой и не проявим интереса расспросить и амбиции настоять на знании того, как эта калибровка была изначально получена, мы не имеем права претендовать на какой-либо уровень колледжа для наших курсов. Но если мы определяем электрический ток через механическую силу, которая создает уравновешенный момент пар сил в системе, находящейся во вращательном равновесии, уклониться от сути невозможно, ибо иначе как через изучение механики ситуации содержание и ограничения нашего определения поняты быть не могут. Любая так называемая работа в колледже, которая не производит такого анализа, есть не что иное как повторение и расширение материала, который должен находиться в пределах досягаемости школьника и быть представлен ему именно там. Первый курс колледжа открывает иной метод — метод анализа. Наука в настоящее время развилась настолько, что ни в одной ветви прогресс не достигается простым описанием и классификацией. Метод анализа доминирует в биологических и науках о Земле, а также в современной физике и химии.

Teaching of advanced courses in physics

О более продвинутых курсах колледжа, которые следуют за общим курсом физики, говорить почти нечего. Проблемы и вопросы здесь тоже существуют, но они имеют ярко выраженный местный колорит и неуместны в общем обсуждении. Студенческая масса больше не состоит из рядовых учащихся, половина которых загнана тем или иным требованием на работу, к которой они испытывают в лучшем случае мимолетный интерес. Больше нет проблемы выяснения того, сколько удастся заставить усвоить вопреки равнодушию, и как подготовить прочный фундамент для пока еще не осознанных потребностей в данном предмете. Сравнительно очень небольшое число студентов продолжает обучение на старших курсах, и эти учащиеся обладают либо энтузиазмом, либо способностями, а зачастую и тем, и другим. Разумеется, холодное пренебрежение или скучающее безразличие в позиции преподавателя вызовут отторжение. Это убьет энтузиазм и заставит способных студентов искать вдохновение в другом месте. Но у любого, кто любит свой предмет и обладает умеренными способностями и трудолюбием, не должно возникнуть трудностей с проведением занятий для старшекурсников. Если наш преподаватель на общем курсе должен быть ученым, чтобы добиться успеха, то преподаватель на более продвинутой работе должен быть им тем более. Если это не так, немногие из тех, кто с ним контактирует, обладают столь малой проницательностью, чтобы не заметить этого факта.

Organization of advanced courses

Организация работы на старших курсах колледжа может осуществляться самыми разными способами. Один из методов, когда учебное заведение придерживается четвертной системы, заключается в планировании восьми или десяти различных и довольно слабо связанных между собой двенадцатинедельных мажорных курсов, которые можно брать практически в любом порядке. Половина из них — лекционные курсы, другая половина — исключительно лабораторные. Между ними должно существовать некоторое соответствие материала. Лекции по кинетической теории газов должны сопровождаться параллельным курсом, в котором выполняются классические эксперименты старшей лаборатории тепла — такие эксперименты, например, как плотность пара, сопротивление и термопарная пирометрия, бомбовая калориметрия, вязкость, молярная проводимость, точки замерзания и кипения, рекалесценция и т. д. Курс продвинутых электрических измерений должен иметь параллельный лекционный курс, в котором обсуждаются теоретические аспекты электромагнетизма, классические теории и уравнения, описывающие переходные и равновесные состояния в сложных цепях. В оптике также имеется богатейший материал огромной важности: физическая и геометрическая оптика, спектроскопия, фотография, рентгеноструктурный анализ и т. д. Продвинутый студент в этих областях находит больше гибкости и возможностей для развития особых интересов в наличии большого числа курсов ограниченной тематики на выбор, чем в ситуации, когда материал преподается в виде единого организованного курса, охватывающего один или два года полноценной работы. Преподаватели-специалисты получают возможность разрабатывать курсы в своих собственных областях, что они делают более эффективно при такой схеме. Научные исследования начинаются в бесчисленных точках на этом пути, и таким образом организованные курсы старших курсов колледжа служат питательной средой для всей аспирантуры.

Dangers of formalizing methods of instruction

Во всех вышеприведенных рассуждениях следует четко помнить, что ни единый план, ни какой-то отдельный метод не обладают монополией на истину и никогда ею обладать не будут. Пока наука развивается и остается незавершенной, точки зрения будут постоянно меняться. В своем преподавании мы во многом ортодоксальны. Если нас воспитали на лабораторном методе обучения, он может казаться нам наилучшим, но другие могут предпочесть иной путь, унаследованный ими. Давайте же выступим за конструктивную ортодоксию. Будем как преподаватели предмета, которому мы преданы, поистине и искренне непредубежденными, быстро распознающими и искренними в наших попытках перенять лучшее везде, где мы с ним сталкиваемся — причем не дожидаясь этой встречи, а отправляясь на ее поиски. От скромнейшего колледжа до величайшего университета мы обнаружим это то тут, то там. Не только в школах, но и в легионе окружающих нас со всех сторон человеческих деяний есть люди, которые делают дела эффективнее, основательнее и искуснее, чем мы. Если мы хотим оказаться в числе лидеров, мы должны быть одними из первых, кто признает эти факты и извлечет из них пользу.

Во-первых, пусть наша работа будет организована с учетом работы других — средних школ; не преуменьшая их труда, а добиваясь, чтобы они действительно закладывали фундамент для нас.

Во-вторых, будем достаточно непредубежденными, чтобы видеть, что все методы обучения имеют свои преимущества, и составлять из лучших элементов каждого такие комбинации, которые наилучшим образом отвечают нашим целям.

Прежде всего, будем знать свой предмет. Это задача, перед которой мы трепещем в нынешнюю эпоху грандиозных перспектив. Но у нас нет альтернативы. Никакой объем методологии не избавит от проклятия поверхностных знаний. Если необходимо, давайте посвятим себя более узким областям, но не будем терпеть невежество среди тех, кто несет бремя передачи факела знания, чей огонь разгорается все ярче.

Харви Б. Лемон Чикагский университет

VII

ПРЕПОДАВАНИЕ ГЕОЛОГИИ

Values of the study of geology diverse

Столь широк охват науки о Земле, столь разнообразен ее предмет и столь различны виды умственной деятельности, пробуждаемые в ходе ее познания, что ее роль в колледже невозможно описать парой вводных фраз. Геология столь комплекспа, что лучше подходит для решения целого ряда связанных между собой образовательных задач, чем какой-либо одной. К тому же эти потенциальные возможности еще не стали настолько привычными, чтобы их можно было ярко представить с помощью удачного слова или фразы; они нуждаются в детальной разработке и изложении, чтобы быть оцененными по достоинству. Геология — все еще молодая и развивающаяся наука, и, как в случае с растущим ребенком, знать, какой она была несколько лет назад, не значит знать, какая она сегодня. Ее дисциплины приобретают в основном реалистический характер, но в некоторых аспектах также мощно воздействуют на воображение. Ее предмет образует конституционную историю нашей планеты и ее обитателей, но при этом во многом облачен в описательные или динамические одежды.

Geology a study of the process of evolution

Будучи базово исторической, большая часть геологической литературы посвящена описанию горных пород, структурных особенностей, геологических рельефов, форм земной поверхности, способов их формирования и методов их идентификации. Значительная часть текстов, подготовленных для студентов колледжей, относится прежде всего к явлениям и процессам, в то время как история Земли следует позже, кажущимся второспособным образом. Это находит оправдание в стремлении сначала прояснить механизмы геологических процессов, чтобы лучше осознать ту роль, которую эти процессы играют в сложном комплексе действий, составляющих исторические этапы. Однако это создает впечатление, будто геология — это главным образом изучение горных пород и процессов их образования; данное впечатление подкрепляется огромным массивом описательной литературы, которая возникла практически по необходимости из задачи описания столь многочисленных формаций до попыток интерпретировать способы их происхождения или определить их место в истории Земли. Описательные детали являются незаменимыми данными надежной истории, и кроме того, они имеют специфическую ценность, независимую от их роли в качестве исторических данных. Но в многообразие и сложность деталей структуры и процессов рядовой студент колледжа может разумно углубляться лишь до определенного предела, за исключением тех случаев, когда они образуют типы или встречаются в изучаемых им местных областях, где служат конкретными примерами процессов формирования мира.

Disciplinary worth of study of geology

Изучение этих структур, формаций, рельефов и процессов приносит каждую свою особую грань дисциплины и свою меру информации. Работа приобретает различные химические, механические и биологические аспекты. В качестве метода дисциплины она требует проницательности и усердия в наблюдении, осмотрительности при выведении умозаключений, адекватного взвешивания факторов при интерпретации. Активное использование научного воображения вовлекается в процесс прослеживания формаций до недоступных глубин или под области, где они скрыты от глаз.

Хотя изучение структур, формаций и очертаний составляет наиболее бросающуюся в глаза фазу геологических штудий и определило педагогическое мнение относительно ее места в курсе колледжа, такое изучение, по мнению автора, не является главной функцией этого предмета в учебном плане колледжа, который задуман как по-настоящему широкий, фундаментальный и свободный, в противовес тому, который привязан к конкретной профессиональной цели.

This study concerned primarily with the typical college course, not with vocational courses

Признавая с полным сочувствием, что предметное содержание геологии жизненно входит в определенные профессиональные и допрофессиональные курсы и в таких связях требует особого отбора материала и соответствующей подачи, если оно призвано эффективно служить этим целям, нам кажется, что это лежит вне рамок данного обсуждения, которое сосредоточено на типичном обучении в колледже — обучении, которое является либеральным в космическом смысле, а не просто с гомоцентрической точки зрения.

Knowledge of geology contributes to a truly liberal education

Для служения этим более широким целям геологию следует изучать всесторонне — как эволюцию Земли и ее обитателей. Сама Земля должна рассматриваться как организм и как прародительница великой серии организмов, возникших и прошедших свой путь в зонах контакта между ее жестким телом и ее жидкими оболочками. Эти зоны контакта являются в особом смысле областью географии как в ее физических, так и в биотических аспектах. Эволюция биотического и психического миров в этих горизонтах представляет собой существенную часть истории целого, поскольку каждый фактор мощно влиял на остальные. Понимание этих великих эволюций и их взаимосвязей необходимо для действительно широкого взгляда на мир, частью которого мы являемся; это не менее чем важнейший фактор современного либерального образования.

Geology embraces all the great evolutions

Итак, давайте с самого начала согласимся, что истинное изучение пути развития Земли не охватывается адекватным образом простым прослеживанием ее неорганической истории или прояснением ее физической структуры и минерального состава, но охватывает также все великие эволюции, взращенные в недрах Земли в ходе ее истории.

Важнейшими среди этих взращенных эволюций, с гомоцентрической точки зрения, являются живое, чувствующее и мыслящее царства, которые выросли вместе с более поздними фазами физической эволюции. Против этого взгляда не возражает тот факт, что каждое из этих царств само по себе является предметом специальных наук, а те, в свою очередь, охватывают множество поднаук, ибо это справедливо для любой комплексной единицы. Также не противоречит этому более широкому взгляду на масштаб геологии то, что ей самой часто дают гораздо более узкое определение, как уже подразумевалось. В своем более широком смысле геология является всеобъемлющей наукой, рассматривающей в широком историческом ключе многие предметы, которые требуют углубленного изучения в рамках более узких наук, подобно тому как человеческая история охватывает широкое поле, возделываемое более интенсивно специальными гуманитарными науками. При комплексном изучении Земли как организма необходимо охватить достаточное рассмотрение всех жизненно важных факторов, вошедших в ее историю, чтобы отвести им должное место и истинную ценность среди сил, способствовавших ее эволюции. Подлинная биография Земли может не более считаться полной без биотических и психических элементов, возникших из нее или взращенных в ее недрах, чем биография человека может быть полна лишь очерком его физического строения и телесного роста. Физическая и биологическая эволюции хорошо признаны в качестве существенных частей истории Земли. Хотя ментальная эволюция появлялась постепенно вместе с биологической эволюцией и шла более или менее параллельно с ней — будучи, по сути, ее действующей частью, — она была менее полно и откровенно признана элементом геологической истории. Она довольно скудно освещена в литературе по данному вопросу; но тем не менее она является жизненно важной частью великой истории. Она получила некоторое признание, хотя и крайне скудное, в более всеобъемлющих и философских трактатах по наукам о Земле. Можно смело предсказать, что более поздние и высокие эволюции, украшающие нашу планету, будут подчеркнуты более адекватно по мере того, как наука достигнет своей полной зрелости и займет свое истинное место среди наук. Важно подчеркнуть это здесь, поскольку именно функция либерального курса колледжа заключается в том, чтобы отдавать приоритет всеобъемлющему и существенному как в отборе предметного материала, так и в его обработке. Функция либерального учебного курса состоит в том, чтобы вынести на первый план то, что является широким, фундаментальным и жизненно важным, и противопоставить это тому, что является ограниченным, специальным и техническим, сколь бы ценным последнее ни было в профессиональном обучении и в экономическом применении.

Physical and dynamic boundaries of geology—Implications for teaching

Ввиду этих соображений — и откровенно признавая несовершенство текущей обработки — давайте отметим, прежде чем идти дальше, каковы физические и динамические границы геологической области, чтобы мы лучше понимали, как эта область сливается с владениями других наук. Это лучше подготовит нас к пониманию природы дисциплин, для которых наука о Земле служит подходящей основой, а также типов интеллектуального багажа, который она дает уму. Очевидно, что эти дисциплины и эта суть мысли должны определять место науки в учебном плане любого курса, который ставит перед собой задачу дать широкое и либеральное образование.

Наука о Земле — это внутренняя глава небесной науки. Наша планета — лишь скромная единица среди великого небесного скопления миров; но, сколь бы скромной она ни была, это та единица, о которой мы обладаем гораздо более полными и надежными знаниями. Земля не только обеспечивает физическую базу для небесных наблюдений, но и предоставляет все приборы, с помощью которых исследование проникает в глубины небес. Не только наука о Земле как таковая, но и несколько углубленных наук, возникших в результате интеллектуальных эволюций, сопровождавших позднюю историю Земли, были предварительными условиями для развития широкой науки о внешних небесах. Наука о ближнем космосе является фактором науки о Земле в том определении, которое мы собираемся дать. В то же время вся Земля, включая ближний космос, охватывается более обширной областью небесной науки.

Если мы ищем наиболее логичный предел, который можно присвоить сфере науки о Земле в отличие от сферы небесной науки, домашней единицей которой она является, его можно обнаружить на той пограничной линии, внутри которой любое пассивное тело подчиняется притяжению Земли в противовес притяжению внешних миров, а вне которой такое пассивное тело подчиняется притяжению внешних миров, в особенности притяжению Солнца. Этот предел представляет собой динамическую линию раздела между царством Земли и царством внешних небес. Эта граница, согласно Молтону, заключает в себе сфероид, чей минимальный радиус составляет около 620 000 миль, а максимальный радиус — около 930 000 миль. Мы можем поэтому с удобством сказать, что сфера контроля Земли простирается на миллион километров от ее центра, и это определяет ее истинную область. В то же время это определяет логический предел ультраатмосферы Земли и, по-видимому, знаменует собой зону обмена между ультраатмосферой Земли и ультраатмосферой Солнца. Таким образом, это, по-видимому, подразумевает место и способ обмена жизненно важными элементами, от которых, вероятно, зависит чудесное поддержание атмосферы Земли на протяжении многих миллионов лет и столь же чудесное регулирование основных качеств атмосферы, благодаря которым они всегда оставались в узких пределах, благоприятных для земной жизни. Излишне добавлять, что это регулирование также обусловливает нынешний интеллектуальный статус мыслящего фактора среди обитателей Земли, из которого — позволю ли я себе простить? — выросла нынешняя образовательная дискуссия.

Если последнее покажется предвзятым, следует учесть, что, как мы видим, именно те взгляды, которые затрагивают проблемы, от которых зависят само наше существование и вся наша деятельность, лучше всего служат для тренировки молодежи в формировании широких взглядов и проникающего мышления. Такое мышление кажется мне самой сутью подлинно либерального образования.

Мало того, что это определение сферы геологии является всеобъемлющим, оно обладает особым достоинством — быть динамическим, а не материальным. Такое динамическое определение согласуется с мнением, что изучение Земли должно быть сосредоточено на силах и энергиях, которые привели в движение ее эволюцию, поскольку они являются наиболее жизненно важной чертой самой эволюции. Важно сформировать адекватные концепции энергий, которые поддерживали прошлые процессы Земли не только тогда, но и продолжают поддерживать ее нынешнюю деятельность и предопределяют ее будущее. Именно изучение сил и процессов прошлой и настоящей эволюций составляет душу науки, а не кажущиеся фиксированными и пассивными аспекты земных формаций и конфигураций, которые являются лишь продуктами предшествовавших процессов. Даже кажущаяся пассивность геологических продуктов иллюзорна, ибо в реальности они являются выражением продолжающейся внутренней активности интенсивного, хотя и оккультного порядка. Они ускользают от внимания главным образом потому, что сбалансированы друг с другом в системе равновесия, которая пронизывает их и придает им видимость статичности. Чтобы выполнять свои надлежащие функции в качестве источников высшего образования, концепции строения Земли должны проникать даже в эти утонченные аспекты физической организации и приводить целое в гармонию с самыми передовыми взглядами на истинную природу физических организмов. Это снимает со всего земного организма любое подобие инертности и наделяет его фундаментальной утонченностью, активностью и потенцией высшего порядка. Для формирования истинной и последовательной концепции следует полагать, что всеобъемлющая наука о Земле потенциально заключает в себе основы всего, что развивалось внутри нее и из нее, с должным, конечно, признанием того, что было добавлено извне.

Поэтому историю Земли следует преподавать в курсах колледжа как последовательность сложных динамических событий, великих в прошлом и великих по своему будущему потенциалу.

Формации и конфигурации, оставленные последовательными фазами действия, должны изучаться прежде всего как следы породивших их процессов и, следовательно, как их исторические верительные грамоты. На них следует смотреть не столько как на жизненно важные вещи сами по себе, сколько как на запись событий того времени и как на предшественников последующих событий, которые могут быть потенциально заложены в них. И поэтому в первую очередь геологические записи должны подвергаться тщательному изучению с целью обнаружения тех более глубоких смыслов, которые они в себе воплощают, будь то в физическом, биологическом или психологическом мире.

Geology the means of developing scientific imagination of time and space

Переходя к конкретным аспектам предмета, можно сначала отметить, что геология исключительно подходит для развития четкого видения огромных отрезков времени; она открывает широкие панорамы панорамы мировых событий, панорамы, которая все еще проходит перед нами. Хотя небесный порядок вещей, несомненно, включает в себя большие промежутки времени, их не так легко осознать, ибо они не так хорошо заполнены последовательностью записей проходящих стадий, составляющих целое. Но даже промежутки геологического времени больше, чем незрелые умы могут легко постигнуть; однако их способность к осознанию значительно укрепляется благодаря изучению столь длительной летописи, выстроенной стадия за стадией. Сама медленность создания геологической летописи, а также свидетельства медленности в каждой части этой летописи помогают сформировать признание необъятности целого. Общий период, охватываемый наиболее удобочитаемым диапазоном геологической летописи, исчисляется сотнями миллионов лет, возможно, несколькимистами миллионами лет. Широкий взгляд на историю, который это подразумевает, уже стал обширным фоном, на котором проецируются концепции более широкого круга мыслителей; такая масштабность взгляда совершенно точно будет считаться непременным условием для еще более широкого мышления будущего, к которому сейчас готовится лучший слой студентов.

Хотя это превосходно верно в отношении концепции времени, концепция пространства довольно хорошо воспитывается геологическими исследованиями, хотя и гораздо менее эффективно, чем астрономическими. Астрономия и геология успешно сотрудничают, способствуя широте мышления.

Изучение происхождения и ранней истории Земли соприкасает студента с самыми далеко идущими проблемами, которые до сих пор вызывали интеллектуальные усилия человека. При правильном подходе эти великие темы могут научить истинному методу исследования прошлых природных событий, масштаб которых ставит их далеко за рамки возможностей лаборатории. Ключ к этому методу заключается в поиске истории столь грандиозных и отдаленных событий путем изучения следов, оставленных этими событиями в качестве их собственной автоматической записи. Этот метод резко противопоставляется простой спекуляции без поиска таких талисманских следов — дискредитированному методу, который слишком часто считается единственным способом работы с такими темами. Чтобы быть действительно компетентным в области более широкого и глубокого мышления, каждый смелый ум должен быть способен пересечь порог любой из глубоких проблем вселенной безопасными и осмотрительными шагами, как бы ни было очевидно, что достижимо лишь небольшое проникновение в проблему. Упорядоченный ум остается одновременно спокойным и здравым, когда его приводят к пределу усилий пределом улик. Проблема происхождения небесных миров, генезис Земли среди которых является темой наибольшего человеческого интереса, удивительным образом подходит для того, чтобы дать студентам колледжа одновременно скромное ощущение их ограничений и здравое отношение к проблемам более масштабного типа. Без приобретения способности совершать осмотрительные и должным образом контролируемые экскурсии в обширные области мысли ум едва ли можно назвать освобожденным.

Geology a means of training in thinking in scientific experiences

С самого начала прослеживание истории Земли заставляет всесторонне изучать совместное действие трех доминирующих состояний материи, массивных воплощений которых являются атмосфера, гидросфера и литосфера — великий земной триумвират. Слои Земли являются совместными продуктами этих трех элементов и составляют их литографическую летопись. Эти три взаимодействующих и борющихся элемента не только выводят на свет три типичных фазы физического действия, но и представляют это действие в столь титанических аспектах, что заставляют молодой ум мыслить в крупных масштабах, с тем большим преимуществом, что эти действия управляются определенными законами, в то время как причины и результаты одновременно осязаемы и впечатляющи.

Хотя существует большой класс осязаемых и определенных проблем такого рода, охватывающих перемещения вещества на поверхности Земли, деформации пластов и изменения формы тела, есть также проблемы более скрытого характера, такие как внутренние мутации. Они порождают математические, физические и химические исследования, в то же время задействуя научное воображение и обладая поэтому богатыми возможностями для обучения. Таким образом, разнообразными способами геологическая работа рука об руку идет с химической, физической, механической и математической работой.

Когда в летописи впервые появляется жизнь, возникает повод поднять глубокий вопрос о ее происхождении, и вместе с этим встает тесно связанный с ним вопрос о природе условий, которые привлекли жизнь, что ведет к дальнейшему вопросу: что питало развитие жизни на протяжении всей ее долгой истории? Хотя неясность самых ранних записей оставляет вопрос о происхождении неопределенным в настоящее время, должным образом охраняемая мысль на этот счет должна способствовать здоровому духу по отношению к исследованиям в этом жизненно важном направлении, а также благожелательному отношению к любому решению, которое в конечном итоге нас ожидает. Во всех подобных исследованиях студенту следует предлагать искать ответ в следах, оставленных автоматически самим процессом, и он должен научиться принимать свидетельства очевидности ровно так, как они себя представляют. Точно так же, когда проблема на данный момент неопределенна, исследователю исключительно полезно научиться оставлять дело там, где свет доказательств угасает, сохранять спокойствие при таком приостановлении суждений и терпеливо ждать дальнейшего света в безмятежной уверенности, что следы, оставленные действующими силами в их созидательных процессах, являются самым верным указателем на конечную истину и рано или поздно будут обнаружены и прочитаны верно.

Relation of geology to botany, zoölogy, psychology, and sociology

В последовательных записях прошлой жизни, запечатленных в пластах, нагроможденных один на другой до образования великого палеонтологического регистра, имеется обильная и прочная основа для изучения исторической эволюции жизни. С этим также связаны свидетельства об условиях, которые сопровождали этот прогресс жизни и задавали ему направление. Эта запись отношений жизни с окружающей физической средой образует одно из самых стимулирующих полей исследования для студента, ищущего свет на великих проблемах биологического прогресса. Здесь геология протягивает руку ботанике и зоологии во взаимной помощи, которая является едва ли не незаменимой для каждой из них.

Следом за появлением физиологической жизни или, возможно, сразу же сопутствуя ему, появились признаки чувствующей жизни. Сохранение определенных органов чувств вместе с косвенными свидетельствами чувственной деятельности уже в кембрийские времена служат основой для исторического изучения прогресса чувствующей жизни, перерастающей в высшие формы психической жизни. Здесь проблемы геологии идут рука об руку с проблемами психологии. Ограничения доказательств, касающихся психологических явлений, хотя и вызывают сожаление, не лишены некоторой компенсации в том, что они концентрируют внимание на более простых аспектах затянувшегося развертывания психологических функций.