Презентация на тему: Методы естествознания

Программа дополнительного профессионального образования (повышения квалификации) педагогов, преподающих предметы естественнонаучного цикла, по освоению методов (технологий) преподавания курса «Естествознания» на старшей ступени средней (полной) школы

Раздел 1. Методология и методы естественнонаучного исследования 1.1. Исторические этапы развития естественных наук. Общие идеи .

Культура Культура в широком смысле этого слова понимается как система ценностей и мировоззренческих ориентиров, которые определяют жизнедеятельность человека и человеческого общества. Информационный слайд (Тип А)

Наука и культура Информационный слайд (Тип А) КУЛЬТУРА ИСКУССТВО НАУКА ТЕХНИКА

Естественнонаучная и гуманитарная культура Что-то физики в почете, Что-то лирики в загоне. Дело не в сухом расчете, Дело в мировом законе. Значит, что-то не раскрыли Мы, что следовало нам бы! Значит, слабенькие крылья – Наши сладенькие ямбы, И в пегасовом полете Не взлетают наши кони… Информационный слайд (Тип А) То-то физики в почете, То-то лирики в загоне. Это самоочевидно, Спорить просто бесполезно. Так что даже не обидно, А скорее интересно Наблюдать, как, словно пена, Опадают наши рифмы И величие степенно Отступает в логарифмы

Взаимосвязь естественнонаучной и гуманитарной культуры Там огненны валы стремятся И не находят берегов, Там вихри пламенны крутятся, Борющись множество веков; Там камни, как вода, кипят, Горящи там дожди шумят. М.В.Ломоносов Информационный слайд (Тип А)

Наука и культура Информационный слайд (Тип А) КУЛЬТУРА ествественнонаучная гуманитарная

История развития естествознания

АНАКСИМЕН (ок. 566 – ок. 499), древнегреческий ученый, занимался астрономией и метеорологией. Строил единую картину мира, считая первоосновой воздух. Полагал, что Солнце — тело, аналогичное Земле и Луне, которое от быстрого движения раскалилось. Земля и небесные светила парят в воздухе; Земля неподвижна, другие светила и планеты движутся космическими ветрами.   Развитие естествознания в Древнем мире  ФАЛЕС (ок. 625-ок. 547 до н.э.), древнегреческий ученый, имел титул одного из семи мудрецов Древней Греции. Он доказал ряд теорем геометрии, предсказал солнечное затмение 585 г до н.э. Фалес считал первоосновой воду .   Информационный слайд (Тип А)

  Развитие естествознания в Древнем мире  .   Информационный слайд (Тип А) ЭМПЕДОКЛ (ок.490 – ок.430 до н.э.) – древнегреческий философ, был первым из философов, кто признал четыре (а не одну) стихии как начала существующего: воздух, вода, земля, огонь. Все предметы видимого мира состоят из четырех элементов. Стихии Эмпедокла постоянны качественно и количественно неизменяемы. Создание вещей и их уничтожение происходит из-за сложения и разъединения элементов.

  Развитие естествознания в Древнем мире  .   Информационный слайд (Тип А) АРИСТОТЕЛЬ (384-322 г.г. до н.э.) «Физика» - наука, «которая имеет дело с таким бытием, которое способно к движению, и с такой сущностью, … которая не может существовать отдельно от материи»

  Естествознание в средние века  .   Информационный слайд (Тип А) НИКОЛАЙ КОПЕРНИК (1473-1543) польский астроном, обосновал гелиоцентрическую систему мира, разработал основания сферической астрономии и правила вычисления видимых положений звезд и планет на небесном своде. ГАЛИЛЕО ГАЛИЛЕЙ (1564-1642) – итальянский астроном, доказал, что скорость падающего тела прямо про-порциональна времени его падения, а путь –квадрату времени, проведя мысленный эксперимент, сформулировал закон инерции

  Естествознание в средние века  .   Информационный слайд (Тип А) Галилей изобрел телескоп, с помощью которого наблюдал звездное небо и открыл горы на Луне, пятна на Солнце, обнаружил спутники Юпитера, что положило начало развитию астрономии как самостоятельной науки со своими предметом и методами исследования.

  Естествознание в средние века  .   Информационный слайд (Тип А) АНДРЕС ВЕЗАЛИЙ (1514-1564) – итальянский биолог, им была написана книга «О строении человеческого тела», положившая начало развитию анатомии и физиологии УИЛЬЯМ ГАРВЕЙ (1578-1657) – английский ученый, доказал, что артерии и вены являются частями замкнутого круга кровообращения .

  Естествознание в средние века  .   Информационный слайд (Тип А) ЖАН БАТИСТ ЛАМАРК (1744-1829) – французский естествоиспы-татель, создатель первой целост-ной концепции эволюции живой природы, представлявшей процесс эволюции как восхождение от низших форм к высшим под влиянием окружающей среды ЧАРЛЬЗ ДАРВИН (1809-1882)– английский естествоиспытатель, создатель эволюционной теории, ядром которой являются положения о наследственной изменчивости и естественном отборе .

  Естествознание в средние века  .   Информационный слайд (Тип А) ЛОМОНОСОВ МИХАИЛ ВАСИЛЬЕВИЧ (1711-1794) – выдающийся российский учёный, заложил основы физико-химических исследований; построил молекулярно-кинетическую теорию строения вещества, предвосхитившую современные представления о строении материи; открыл многие фундаментальные законы, в числе которых одно из начал термодинамики; открыл наличие атмосферы у планеты Венера

  Естествознание в средние века  .   Информационный слайд (Тип А) МЕНДЕЛЕЕВ ДМИТРИЙ ИВАНОВИЧ (1834-1907) – выда-ющийся российский химик, постро-ил Периодическую систему эле-ментов, предсказал существование ряда веществ, разработал гидрат-ную теорию растворов, записал обобщённое уравнение состояния идеального газа БУТЛЕРОВ АЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ (1828-1886) – российский химик, создатель теории химического строения органических соединений, ставшей революцией в мировой науке .

  Естествознание в средние века  .   Информационный слайд (Тип А) ИСААК НЬЮТОН (1642-1727) – английский физик, механик, математик и астроном, создатель классической механики, разработал дифференциальное и интегральное исчисление, теорию цвета и другие теории ДЖЕЙМС КЛЕРК МАКСВЕЛЛ (1831-1879)– британский физик, создатель классической электроди-намики - теории электромагнитного поля, один из основателей кинети-ческой теории газов, ввёл в физику статистические представления .

  Естествознание в средние века  .   Информационный слайд (Тип А) АЛЬБЕРТ ЭЙНШТЕЙН (1880-1952) – немецкий физик, механик, математик и астроном, создатель специальной и общей теории относительности, теории фотоэффекта, теории Броуновского движения МАКС ПЛАНК (1858-1947)– немецкий физик-теоретик, основоположник квантовой физики, получил закон распределения энергии в спектре абсолютно чёрного тела ввел представление о квантах энергии и кванте действия .

Общие идеи и предмет современного естествознания Задача современного естествознания – поиск общих закономерностей природных явлений и их объяснение с использованием комплекса знаний и методов всех естественных наук Общие методологические идеи: эволюции (развития), синергетики (самоорганизации, приводящей к возникновению структур, обладающих новыми свойствами) Информационный слайд (Тип А)

Общие идеи и предмет современного естествознания Естествознание изучает явления, происходящие с объектами материального мира, и свойства этих объектов. Информационный слайд (Тип А) Античность Натурфилософия Средневековье Физика Химия Биология Современность Естествознание МАТЕРИАЛЬНЫЙ МИР Микромир Макромир Мегамир

1.2. научный метод изучения природы Становление научного метода познания, теоритический и эмпирический уровни научного исследования

Научный метод познания окружающего мира Научный метод включает наблюдение, создание модели изучаемого явления, выдвижение гипотезы о ее поведении и законах, управляющих поведением модели, проведение экспериментов, которые должны подтвердить или опровергнуть гипотезу Информационный слайд (Тип А)

1.23 Наблюдение, измерения, эксперимент и эксперимент Информационный слайд (Тип А) Наблюдение –целенапрвленный процесс восприятия объектов действительности с целью выявления их существенных свойств Звездное небо Рост растений Развитие животных

Наблюдение и эксперимент Информационный слайд (Тип А) Землетрясение

Наблюдение и эксперимент Информационный слайд (Тип А) Цунами

Наблюдение и эксперимент Информационный слайд (Тип А) Радуга

Наблюдение и эксперимент Информационный слайд (Тип А) Полярное сияние

Наблюдение и эксперимент Информационный слайд (Тип А) Использование приборов для проведения наблюдений Телескоп Хаббла

1.4. Естественнонаучный эксперимент Информационный слайд (Тип А) Использование приборов для проведения наблюдений Оптический микроскоп Сканирующий микроскоп

Наблюдение и эксперимент Информационный слайд (Тип А) Эксперимент - метод познания, который используется для исследования явлений в специально созданных для этого условиях Эксперимент – источник знаний

Наблюдение и эксперимент Информационный слайд (Тип А) Фундаментальные эксперименты Опыт Ампера Опыт Фарадея

Наблюдение и эксперимент Информационный слайд (Тип А) Эксперимент – критерий истинности знаний Интерферометр Майкельсона

Специальные приборы и устройства для научных исследований Информационный слайд (Тип А) Ускоритель элементарных частиц –Большой адронный коллайдер

Специальные приборы и устройства для научных исследований Информационный слайд (Тип А) Большой адронный коллайдер

Специальные приборы и устройства для научных исследований Информационный слайд (Тип А) Космонавты Олег Котов и Сергей Рязанский во время работы на МКС

Специальные приборы и устройства для научных исследований Информационный слайд (Тип А) Полярная станция

Моделирование на эмпирическом уровне познания Информационный слайд (Тип А) Моделирование – метод научного познания, состоящий в создании и исследовании моделей реальных объектов Материальная модель – это материально реализованная система, которая отражает существенные особенности и свойства реального объекта, явления или процесса и изучение которой дает новую информацию об этом объекте

Моделирование на эмпирическом уровне познания Информационный слайд (Тип А) Примеры материальных моделей Модель Земли Модель ДВС Модель самолета

Моделирование на эмпирическом уровне познания Информационный слайд (Тип А) Примеры материальных моделей Модель Земли Модель ДВС Модель самолета

Логика научного познания эмпирического уровня Информационный слайд (Тип А) Наблюдение Эксперимент Выдвижение гипотезы Эксперимент Научные факты Вывод

Теоретический уровень научного познания

Моделирование на теоретическом уровне познания Информационный слайд (Тип А) Идеальная модель - это мысленно представляемая система, которая отражает существенные особенности и свойства реального объекта, явления или процесса и изучение которой дает новую информацию об этом объекте

Моделирование на теоретическом уровне познания Информационный слайд (Тип А) Эволюция идеальных моделей реальных объектов Атом Томсона Атом Резерфорда Атом Бора

Моделирование на теоретическом уровне познания Информационный слайд (Тип А) Мысленный эксперимент -познавательный процесс, имеющий структуру реального эксперимента и осуществляемый с идеаль- ной моделью. Мысленный эксперимент позволяет переходить от реальных объек-тов и процессов к идеальным моделям, действие с которыми позволяет получить результаты, применимые к реальным объектам .

Моделирование на теоретическом уровне познания Информационный слайд (Тип А) Мысленный эксперимент . Насос Герона

Моделирование на теоретическом уровне познания Информационный слайд (Тип А) Мысленный эксперимент . Парадокс близнецов

Математическое моделирование Информационный слайд (Тип А) . Фамилия И.О. Математические модели И.Ньютон Математическое описание процессов, происхо-дящих в природе, в виде формул и уравнений Дж.К.Максвелл Использование математических моделей для получения выводов: геометрической модели сил в виде силовых линий электрического поля А.Эйнштейн Н.Бор Э.Резерфорд Математическое описание объектов, недоступных для непосредственного наблюдения и делающих невозможным построение наглядной модели.

Математическое моделирование Информационный слайд (Тип А) . Наука Объект математического моделирования Биология Динамика популяций, процессы управления и регуляции в живых организмах Экология Мониторинг состояния окружающей среды, для моделирования экосистем, геоклиматического прогнозирования География Географические системы для оценки развития того или иного процесса во времени, прогнозирования изменения геологического состояния окружающей среды Химия Моделирование строения вещества, молекулы, химических процессов, квантовомеханических процессов

Логика научного познания теоретического уровня Информационный слайд (Тип А) Наблюдение Эксперимент Моделирование Эксперимент Научные факты Вывод

Естественнонаучные понятия и величины

Естественнонаучные понятия Информационный слайд (Тип А) . Частнонаучные Общие Физи-ческие Хими-ческие Географи- ческие Биологи-ческие Естествен-нонаучные Общена-учные фотон спектр диспер-сия дифрак- ция импульс кислота оксид валент-ность раство-римость вулкан сталактит возвышен-ность остров материк клетка вирус цитоплаз-ма тычинка ген молекула давление энергия взаимодей-ствие газ эволюция необрати-мость симмет-рия закон

Измерение величин Информационный слайд (Тип А) Измерить величину – значит сравнить ее с однородной величиной, принятой за единицу При измерении получают значение величины. Значение величины включает числовое значение величины и ее единицу . Масса яблока 0,2 кг (m=0,2 кг) Значение величины (массы яблока) – 0,2 кг Числовое значение величины – 0,2 Единица величины - кг Числовое значение величины зависит от единицы величины

Международная система единиц – СИ (Si – System International) Информационный слайд (Тип А) . Величина Основная единица в СИ Обозначение длина метр м время секунда с масса килограмм кг сила тока ампер А термодинамическая температура кельвин К сила света кандела кд количество вещества моль моль

Международная система единиц – СИ (Si – System International) Информационный слайд (Тип А) . Величина и единица Определение Длина (1м) Метр есть длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299 792 458 секунды Время (1 с) Секунда есть время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 Масса (1 кг) Килограмм есть единица массы, равная массе международного прототипа килограмма. Сила тока (1 А) Ампер есть сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, располо-женным в вакууме на расстоянии 1 м один от друго-го, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2·10−7 ньютонов.

Международная система единиц – СИ (Si – System International) Информационный слайд (Тип А) . Величина и единица Определение Термодинами-ческая темпе-ратура (1 К) Кельвин есть единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды Сила света (1 кд) Кандела есть сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·1012 герц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет (1/683) Вт/ср Количество вещества (1 моль) Моль есть количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содер-жится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг. При при- менении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекула-ми, ионами, электронами и другими частицами или специфицированными группами частиц.

Для справки – историческое происхождение Информационный слайд (Тип А) . Величина и единица Определение Длина (1 м) 1⁄10 000 000 расстояния от экватора Земли до северного полюса на меридиане Парижа. Время (1 с) День делится на 24 часа, каждый час делится на 60 минут, каждая минута делится на 60 секунд. Секунда это — 1⁄(24 × 60 × 60) часть дня Масса (кг) Масса одного кубического дециметра (литра) чистой воды при температуре +4 °C и стандартном атмосферном давлении на уровне моря Термодинами-ческая темпе-ратура (1 К) 0 кельвинов - это температура абсолютного нуля. Согласно современному определению ноль шкалы Цельсия установлен таким образом, что температура тройной точки воды равна 0,01 °C. В итоге, шкалы Цельсия и Кельвина сдвинуты на 273,15: °C = К — 273,15.

Измерение величин, погрешности измерений Информационный слайд (Тип А) . Измерение физической величины –определение ее значения опытным путем с помощью измерительных приборов (средств измерения) Прямое измерение – определение значения физической величины непосредственно с помощью измерительного прибора. Косвенное измерение – определение значения физической величины с использованием формулы, связывающей ее с другими величинами, измерен-ными непосредственно с помощью прибора.

Абсолютная и относительная погрешность Информационный слайд (Тип А) . Абсолютная погрешность ∆А – отклонение измеренного значения физической вели-чины от ее истинного значения; её прини-мают равной половине цены деления С ∆А=С/2 Результат измерения: а=А±∆А

Абсолютная и относительная погрешность Информационный слайд (Тип А) . Относительная погрешность δа равна отношению абсолютной погрешности ∆А к измеренному значению величины А

Абсолютная и относительная погрешность Информационный слайд (Тип А) . Научные понятия Величины Измерение величин Прямое Косвенное Погрешность Абсолютная ∆А Относитель-ная

Естественнонаучные законы и теории

Естественнонаучные законы Информационный слайд (Тип А) . Закон – устойчивая, повторяющаяся связь между величинам или характеристиками явлений Частные законы Общие естественно-научные законы Физичес-кие Биологи-ческие Химичес-кие Физико-химические Общие Паскаля Гука Ньютона Кулона Фарадея Менделя Эволюции живого вещества Биогенети-ческий Кратных отношений Постоянства состава Авогадро Гей-Люссака Дальтона Фурье для теплопроводности Сохранения массы энергии заряда импульса

Естественнонаучные теории Информационный слайд (Тип А) . Теория - замкнутая система понятий, принципов и законов, позволяющих достаточно полно описывать определенный круг явлений Частные теории Общие естественно-научные теории Физичес-кие Биологи-ческие Химичес-кие Физико-химические Общие Классичес-кая механика Колебаний Свободного падения Эволюции Клеточная Мембранная Естествен-ного отбора Хромосом-ная Химичес-кого строения Валентных связей Молекуляр-но-кинети-ческая Квантовая Термодина-мика Самоорга-низации в открытых системах

Структура естественнонаучной теории Информационный слайд (Тип А) . ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНАЯ ТЕОРИЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ: истолкование основных понятий и законов, осмысление границ применимости ОСНОВАНИЕ ЯДРО СЛЕДСТВИЯ Эмпирический базис Идеализированные объекты Системы понятий и величин Процедуры измерения Правила операций с величинами Система законов, определяющих связи между величинами Законы сохранения Постулаты и принципы Объяснение фактов Практическое применение Предсказание нового знания

1.3. Эволюция естественнонаучной картины мира

Естественнонаучная картина мира Информационный слайд (Тип А) . Общенаучная картина мира - обобщенная и систематизированная совокупность постоянно развивающихся знаний о природе, обществе и познании, подтвержденных на опыте или в практике, в их взаимодействии и развитии Естественнонаучная картина мира – идеальная модель природы, включающая в себя общие понятия, принципы, гипотезы естествознания и характеризующую определенный этап его развития.

Структура естественнонаучной картины мира Информационный слайд (Тип А) . ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНАЯ КАРТИНА МИРА Философские категории Естественнонаучные теории Методологические принципы Материя Движение Пространство и время Взаимодействие Физические Биологические Химические Соответствия Дополнительности Причинности Симметрии

Эволюция стественнонаучной картины мира Информационный слайд (Тип А) . Картина мира Материя Пространс-тво и время Формы движение Взаимодей-ствие Механичес-кая Вещество Абсолютные, не связаны Механичес-кая, скорость бесконечно большая Гравитацион-ное Электро-ди- намическая Вещество и поле Относитель- ные, связаны друг с другом Механичес-кая и элект-ро-магнитная Скорость конечна Гравитацион-ное и элетро-магнитное Квантово-полевая Вещество и поле взаимопре-вращаемы Относитель- ые связаны друг с другом и с материей Механичес-кая, электро-магнитная, квантово-полевая Гравитацион-ное , элетро-магнитное, сильное, слабое

  Контрольный слайд (Тип D) 1. Наука 1) является компонентом культуры 2) включает в себя культуру 3)  имеет тот же статус, что и культура 2. Холистический подход к окружающему миру предполагает 1) объединение гуманитарной и естественнонаучной культур 2) примат гуманитарной культуры 3) примат естественнонаучной культуры Тестовые задания

  Контрольный слайд (Тип D) 3. Кто из ученых ввел в научный язык термин «физика»? 1) Галилей 2) Аристотель 3) Коперник   4. Анаксимен считал первоосновой воздух 2) воду 3) землю, воду, воздух и огонь Тестовые задания

  Контрольный слайд (Тип D) 5. Начало развития биологии как науки связано с работами Ламарка Везалия Гарвея 6. Основоположником научного метода в естествознании считают Ньютона Дарвина Галилея Тестовые задания

  Контрольный слайд (Тип D) 7. К объектам наномира относятся объекты, размеры которых 1) много меньше м 2) много больше м 3) порядка м Тестовые задания 8. Каковы функции эксперимента в процессе познания эмпирического уровня? только источник знаний только критерий истинности знаний и источник знаний, и критерий истинности знаний

  Контрольный слайд (Тип D) 9. Какой (-ие) из перечисленных ниже экспериментов относится (-ятся) к фундаментальным? эксперимент Ампера с параллельными токами  эксперимент Ома по изучению зависимости силы тока от напряжения на концах проводника эксперименты Галилея по изучению законов движения падающих тел 10. Модель идеального газа представляет собой материальную модель модель-аналогию идеальную модель Тестовые задания

  Контрольный слайд (Тип D) 11. Какой из приведенных ниже законов является общим естественнонаучным законом? закон всемирного тяготения  второй закон термодинамики эволюции живой материи 12. Идеализированный объект относится к основанию теории к ядру теории к следствию теории Тестовые задания

  Контрольный слайд (Тип D) Критерии успешного прохождения ЭУК Успешным прохождением ЭУК может считаться правильные ответы на 6 тестовых вопросов из 12.