Квантовая физика

Краткое описание

В 80-е годы 20 века академик А. П. Ершов выдвинул лозунг «Программирование – вторая грамотность», и в обязательную программу школьного обучения был включен новый предмет – информатика. Благодаря этому стратегически-упреждающему действию Россия, не смотря на все внутренние трудности, смогла войти в 21 век в качестве одной из немногих стран, готовых к цифровой технологической революции. Мы полагаем, что в 21 веке технологическое развитие будет напрямую обусловлено квантовыми технологиями, и следует выдвинуть новый лозунг для школьного образования: «квантовая физика – вторая грамотность». Основы квантовой физики и специфических для нее способов мышления должны передаваться учащимся уже со старших классов средней школы – в этом залог и будущего развития и технологической безопасности страны.  

Насколько задача преподавания квантовой физики в школе вообще решаема? Традиционно в вузах квантовая физика преподается не раньше, чем на 3-ем курсе, на базе изученных высшей математики и классической физики. Предмет является исключительно трудным, большая часть студентов оказываются не способными освоить его. Однако запрос на квантовых физиков и квантовых инженеров растет и будет нарастать, вызывая насущную потребность в создании более эффективных технологий обучения предмету. В ответ на этот вызов стали появляются различные попытки перестроить преподавание квантовой физики, приблизить его к запросам квантовой инженерии и квантовых технологий.  

В указанном контексте актуален образовательный проект по разработке и апробированию экспериментальной учебной программы «Основы квантовой физики» для старших классов средней школы. Программа выступает одним из направлений в движении научного образовательного наставничества.  

Этапы проекта

Основы квантовой физики должны преподаваться на материале одной отдельной предметной области – физики фотонов.   

Программа должна состоять из трех частей.
Часть 1. Пропедевтика.
1. Пропедевтика должна включать:
- необходимые разделы математики:
- основы теории вероятностей;
- векторы и элементы линейной алгебры;
- тригонометрия;
- комплексные числа.
 
 2. необходимые разделы физики:
- история исследований света;
- волновая оптика. 
 
Часть 2.  Основы квантовой физики и квантового мышления.
Основы квантовой физики преподаются в активной форме развивающего образовательного погружения. Погружение проводится в течение 5-6 дней.
 
Технология образовательных погружений обеспечивает перестройку способов мышления, характерных для освоенной школьниками классической физики, формирует новое понимание  и новые способы мышления.  Основной результат: вхождение школьников в новую для них действительность квантовой физики и приобретение способности ориентироваться в ней. 
В ходе погружения активно используются компьютерная игра, симулирующая проведение квантовых оптических экспериментов.
   
Часть 3. Квантовые эксперименты и технологии.
Эта часть обеспечивает закрепление полученных знаний. Кроме того, она обеспечивает осведомление школьников о современных и перспективных квантовых технологиях, способствует ориентации и самоопределению относительно возможных будущих профессий кантового физика и квантового инженера. 
В этой части изучаются технологические принципы квантовой связи, квантовой телепортации, квантового компьютера.  Решаются соответствующие квантовые задачи на основе компьютерной игры-симулятора. Школьники проектируют и рассчитывают квантовые эксперименты.
 
 
 

Команда проекта

Научный консультант: 

Павел Анатольевич Французов  кандидат физико - математических наук,  физик - теоретик. 

Андрей Витальевич Наумов  — доктор физико-математических наук, профессор Российской академии наук (РАН). 

 

Особенности исследовательских проектов по физике

Уровень предметных знаний в школьных курсах физики и математики позволяет  полноценно реализовать в исследовательских проектах характерные особенности физических исследований:

  1. представление объекта исследования в физических моделях;
  2. математическое описание объекта, построенное на основе моделей, выполнение теоретических расчетов;
  3. инженерное проектирование и изготовление экспериментальной установки;
  4. проведение измерений физических величин с требуемой точностью и получение эмпирических данных;
  5. сопоставление теоретических расчетов и эмпирических данных с использованием таблиц и графиков.

Физические модели и их употребление учащиеся осваивают, прежде всего, за счет решения задач по физике. Для формирования исследовательских компетенции школьников необходимо уделять значительное внимание работе с задачами – разбору типовых и нестандартных задач,  решению так называемых оценочных задач (с нечетко поставленными условиями).  Важно специально прорабатывать схемы и чертежи, с помощью которых решается задача. Особенно тщательно следует  обсуждать условия и допущения, при которых  строится решение задачи.  Нужно учить школьников различным приемам: варьированию параметров и осуществлению предельных переходов, оценки по порядку величины, выделению симметрии в объекте, работе с идеализированными объектами (введению невесомых, нерастяжимых нитей и стержней, или, наоборот, пружин, мысленному наложению и удалению связей между частями объекта и пр.)  и др.  Все это формирует способности моделирования и мысленного экспериментирования.    

 

При усвоении тех или иных понятий («сила трения», «теплоемкость», «электрическое сопротивление», «индуктивность») очень важно добиваться того, чтобы учащиеся в итоге овладели структурой – целостной «связкой», «паттерном»  –  разных знаний, которые составляют понятие. Это такие знания, как:

  1. знаковая модель, схема;
  2. математическая формула, закон;
  3. график функции, выражающий формулу;
  4. типичный пример, на котором иллюстрируется  легче всего понимается данное понятие;
  5. характерные численные значения величин и их размерности. 


Именно такой вид физических понятий позволяет использовать их при моделировании и решении физических задач.  Физические модели при этом конструируются из моделей понятий подобно тому, как из панелей собирается дом, при этом параллельно из формул, «привязанных к понятиям»,  строится система уравнений.


Описанный выше способ решения физических задач на основе моделей, физических понятий и математических уравнений в полной мере должен «работать» и в школьном физическом исследовании.


Главная особенность исследования от решения задач из задачника в том, что необходимо постоянно выявлять расхождение между расчетом и данными реальных измерений. Именно это расхождение является «мотором», продвигающим все исследование.


Всякое расхождение расчета и измерений понуждает искать причины, уточнять схемы измерений, условия и границы применимости модели, а, зачастую, полностью перестраивать модель. Эта работа является важнейшей частью всей исследовательской деятельности.  


Та особенность физики, что она является точной, математизированной наукой, позволяет в полной мере использовать данный «мотор» для полноценного разворачивания школьных исследовательских проектов.