ТЕОРЕТИЧНІ ТА МЕТОДИЧНІ ЗАСАДИ ІНТЕГРОВАНОГО НАВЧАННЯ ТЕРМОДИНАМІКИ І СТАТИСТИЧНОЇ ФІЗИКИ В ПЕДАГОГІЧНИХ УНІВЕРСИТЕТАХ Автореферат

У вступі обґрунтовано вибір теми дослідження та її актуальність, визначені об’єкт, предмет, мета, завдання та методи дослідження; розкриті наукова новизна, теоретичне й практичне значення дисертаційної роботи; визначено особистий внесок автора у працях, опублікованих разом зі співавторами. Висвітлено зв'язок обраного напряму досліджень з науковими темами, подано відомості про апробацію та впровадження результатів дисертаційної роботи.

У розділі 1 «Теоретико-методичний аналіз навчальної літератури з питань викладання основ термодинаміки» детально в історичному аспекті проаналізовано експериментальні основи формулювання законів термодинаміки, структуру, теоретичні й методичні засади традиційного викладення термодинаміки у сучасній навчальній та методичній літературі. Показано, що при вивченні термодинаміки і застосуванні її співвідношень для аналізу конкретних макроскопічних систем слід враховувати ті особливості термодинамічного підходу до опису явищ, які відрізняють термодинамічний метод від методів, прийнятих у інших областях природничих наук. Виокремлено головні особливості термодинамічного методу, а саме:

1. Термодинамічний метод побудований на використанні невеликої кількості узагальнених закономірностей, сформульованих у результаті накопичення і наукового аналізу величезного експериментального матеріалу. Ці закономірності підтверджені досвідом розвитку природничих наук і тому мають дуже високу міру достовірності, що дозволяє розглядати їх як закони природи. Історично ці основні закономірності були сформульовані у вигляді трьох законів або трьох «начал» термодинаміки. Перший закон термодинаміки являє собою загальний закон збереження та перетворення енергії, сформульований у спеціальних термодинамічних поняттях. Другий закон термодинаміки встановлює певну спрямованість змін, що виникають у реальних процесах обміну енергією. Цей закон не має тієї загальності, яка характерна для першого закону, і використовується лише для тих явищ, які включають теплову форму обміну енергією. Ще більш обмежену область застосування має третій закон термодинаміки, який пояснює поведінку речовини при температурі, близькій до абсолютного нуля. Іноді до основних законів термодинаміки відносять так званий «нульовий» закон – закон про термічну рівновагу між тілами, що мають однакову температуру. Не дивлячись на різний ступінь використання цих трьох законів, кожний із них є самостійним законом, і лише їх комплексне використання дозволяє розглядати термодинаміку як цілісну, внутрішньо не суперечливу науку. Використання цих найбільш універсальних законів природи забезпечує достовірність усіх наслідків і співвідношень термодинаміки.

2. Для описання процесів обміну енергією за допомогою різних співвідношень, що одержуються на основі трьох зазначених законів, у термодинаміці використовують лише такі фізичні поняття й величини, зміст яких не пов'язаний з існуючими уявленнями про мікроскопічну (молекулярну, атомарну тощо) будову матерії. Ці величини можуть бути або безпосередньо виміряні, або розраховані за термодинамічними співвідношеннями з використанням інших величин, які вимірюються дослідним шляхом. Перевага феноменологічного підходу до вивчення широкого кола природних явищ полягає в тому, що загальні термодинамічні співвідношення, не дивлячись на великі відмінності в конкретних фізичних властивостях форм матерії, можуть бути застосовані до речовини у будь-якому стані – до газів, парів, твердих і рідких тіл, електромагнітного випромінювання тощо, при цьому справедливість термодинамічних співвідношень і висновків не порушується, коли в ході розвитку фізики безперервно поглиблюються або навіть кардинальним чином змінюються уявлення про будову речовини. Тому переважна більшість наукових досліджень макроскопічних систем у XIX та початку XX століть виконувались за допомогою трьох законів термодинаміки.

Показано, що відповідно до становлення термодинаміки як науки, зазнавали змін і методичні підходи до викладання питань термодинаміки у навчально-методичній літературі. На початок ХХI століття на теренах колишнього Радянського Союзу було створено достатньо велику за обсягом бібліотеку навчальної та методичної літератури (в основному російськомовної) з основ термодинаміки. Класичними навчальними посібниками, на яких навчалося не одне покоління фізиків, інженерів та вчителів фізики, є посібники І. Базарова, І. Новікова, В. Ноздрьова, А. Путілова, Л. Радушкевича, В. Коновалова та інші. Навчальний матеріал з курсу термодинаміки ретельно висвітлений також у посібниках автора дослідження. Перевагами цих посібників є те, що теоретичні питання в них ілюструються великою кількістю задач, що нерозривно пов’язані з основним текстом, є його доповненням та поглибленням і наведені з розв’язками, що сприяє підвищенню рівня засвоєння студентами знань з курсу теоретичної фізики. Сьогодні ми працюємо у напрямі розроблення основних вимог до нових підручників і посібників, що відбивають сутність інтегрованого підходу до навчання теоретичної фізики та створення комплексу навчально-методичного забезпечення як основної передумови ефективної самостійної роботи студентів в умовах кредитно-модульної системи навчання.

На основі аналізу існуючих методик викладання основних термодинамічних питань у сучасній навчально-методичній літературі показано, що традиційна методика навчання термодинаміки в педагогічних вищих навчальних закладах характеризується рядом принципових недоліків. Конкретизуємо їх. 1. Традиційна методика навчання термодинаміки носить переважно формальний характер. 2. При послідовному вивченні класичної термодинаміки за традиційною методикою навчання, тобто як феноменологічної науки, немає можливості використовувати знання студентів із загального курсу фізики (розділ «Молекулярна фізика») про молекулярно-атомну будову речовини та статистичні закони, які при цьому відіграють домінуючу роль в закономірностях перебігу процесів та визначають властивості речовини, і як наслідок, студенти не в повному обсязі отримують важливу наукову інформацію. 3. Вищезазначений підхід до вивчення студентами основ термодинаміки не лише гальмує процес формування фізичного стилю їх мислення, але й викликає психологічне несприйняття формального опису явищ. Мотивація студентів до опанування новими науковими знаннями потребує не лише одержання результату шляхом математичних перетворень, але й пояснення механізму перебігу процесів, що феноменологічна термодинаміка не може дати в принципі. 4. Надмірне узагальнення емпіричних фактів, нехтування відомостями про внутрішню будову досліджуваних систем, призводить до деякої відчуженості змісту термодинаміки як навчальної дисципліни від сучасної фізики, яка, в першу чергу, опирається на вивчення внутрішньої будови речовини та властивість її структурних елементів. 5. Автори існуючих методик, розуміючи обмеженість чисто термодинамічного опису явищ, змушені використовувати невластиві термодинаміці молекулярні пояснення механізму явищ, що є яскравим прикладом непослідовності її вивчення, а зміст термодинаміки в традиційній методиці навчання стає симбіозом двох несумісних наук – феноменологічної та мікроструктурної.

Визначено, що найсуттєвішим недоліком вивчення в курсі теоретичної фізики питань, які традиційно називаються термодинамічними, є те, що самі закони термодинаміки вводяться аксіоматично. Отже, необхідно науково обґрунтувати та розробити інноваційну систему навчання термодинаміки і статистичної фізики для вищих навчальних закладів, і особливо – педагогічних, оскільки вчитель, у якого правильно сформовані наукові і методологічні підходи до трактування основ теоретичної фізики, буде здатний забезпечити якість освітньо-виховного процесу з фізики у загальноосвітньому навчальному закладі.

У розділі 2 «Теоретичні і методичні засади інтегрованого навчання термодинаміки і статистичної фізики в педагогічних університетах» сформульовано теоретичні основи й концептуальні засади методики викладання в педагогічних університетах статистичного методу вивчення макроскопічних систем та статистичного обґрунтування законів термодинаміки.

Показано, що незважаючи на ту роль, яку відіграла термодинаміка у розвитку фізичної науки, вона, як і інші феноменологічні науки (наприклад, класична електродинаміка), в процесі розвитку мікроструктурних наук (статистична фізики, квантова електродинаміка) втрачає свої позиції. Виявляється, що її закони, які в межах феноменологічного розгляду представляються фундаментальними, у дійсності можуть бути одержані як наслідок статистичних законів. Тому зміст, структура і методика навчання традиційних питань термодинаміки у вищих навчальних закладах у наш час не відповідає суті й методології сучасної фізики, оскільки їх феноменологічне вивчення в недостатній мірі відображає внутрішні глибинні закономірності природи і не відповідає сучасним загальнофізичним вимогам, які у найбільш концентрованому вигляді сформулював ще А. Ейнштейн. Він, зокрема, зазначав, що мета теоретичної фізики полягає в тому, щоб створити систему понять, засновану на якомога меншій кількості логічно незалежних гіпотез, яка дозволила б встановити причинний взаємозв'язок усього комплексу фізичних процесів. Це ще раз підтверджує, що існуючі методики вивчення термодинаміки, як розділу теоретичної фізики, вимагають суттєвої корекції. Доведено, що викладання у навчальній літературі та в лекційних курсах вищих навчальних закладів питань, які традиційно розглядались як термодинамічні, на сучасному науковому рівні потрібно виконувати виключно на засадах статистичної теорії. Відповідно до цього виникає необхідність у методичному обґрунтуванні викладання статистичних законів і методів, які можна використовувати для вивчення макроскопічних систем, і якими повинні оволодіти студенти в процесі вивчення цього розділу теоретичної фізики.

Запропоновано методику введення понять: фазовий простір, функція розподілу в фазовому просторі, середні за часом, середні за ансамблем. При науковому й методичному аналізі теореми Ліувілля автором встановлено, що функція розподілу систем статистичного ансамблю за мікростанами повинна бути однозначною функцією енергії. Тому в статистичній фізиці енергія системи відіграє виняткову роль. Таким чином, вперше у навчально-методичній літературі зазначено, що теорема Ліувілля не лише доводить збереження фазового об’єму, але й дає однозначні вказівки на можливість і необхідність переходу від функції розподілу систем статистичного ансамбля за мікростанами до функції розподілу за енергією, яка і є основою для статистичного розрахунку властивостей макроскопічних систем та процесів, що в них протікають.

Запропоновано теоретичні підходи до методологічного та статистичного обґрунтування першого закону термодинаміки. У навчальній літературі, яка ґрунтується на традиційних підходах до методики навчання термодинаміки, формулювання першого закону термодинаміки розглядається як само собою зрозуміле твердження, яке відображає той факт, що повна кількість енергії в ізольованій системі тіл і полів завжди залишається постійною. Але такий дуже спрощений, на наш погляд, підхід не розкриває у повній мірі методологічне й пізнавальне значення цього закону й формує у студентів догматичне сприйняття навколишнього світу. У зв’язку з цим, у дослідженні відзначається, що детермінований дією внутрішніх і зовнішніх взаємодій рух тіл механічної системи при виконанні певних умов (стаціонарне зовнішнє силове поле та відсутність дисипативних сил) призводить до збереження повної механічної енергії, і це пов’язано з властивостями простору та часу. Цей відомий з класичної механіки результат, нами вперше у навчально-методичній літературі обґрунтовано та узагальнено на термодинамічні системи. Дійсно, з позицій статистичного методу тіла механічної системи складаються з величезної кількості молекул (атомів тощо), які хаотично рухаються, зіштовхуються та взаємодіють між собою й оболонкою, за допомогою якої система виділена із навколишнього середовища. У такій системі динамічні закономірності, характерні для окремих частинок, у їх сукупному хаотичному русі замінюються статистичними закономірностями. Тобто, з огляду на внутрішню будову тіл, системи тіл можна розглядати як термодинамічні і застосовувати для окремих молекул (або інших структурних елементів) усі викладення, які використовуються для матеріальних точок механічної системи. Але, на відміну від механічних систем тіл, у яких можлива дія неконсервативних сил (тертя, опору, внутрішнього тертя), у термодинамічній системі відбувається лише взаємодія окремих структурних елементів (атомів, молекул) між собою та з молекулами оболонки, і ця взаємодія має абсолютно потенціальний характер, тобто на молекулярному (чи субмолекулярному) рівні немає неконсервативних сил. А це означає, що закон збереження повної енергії, існування якого обумовлене властивостями часу та простору, справедливий для будь-якої ізольованої макроскопічної системи. Таким чином, глибоке осмислення поведінки частинок макроскопічних систем із статистичної точки зору, з урахуванням властивостей простору та часу, призводить до висновку про існування в природі універсального закону збереження енергії: внутрішня енергія ізольованої системи ніколи не створюється й не знищується, вона може лише переходити із однієї форми в іншу. У неізольованих термодинамічних системах внутрішня енергія може змінюватись, що описується відповідним законом її зміни.

Доведено з позицій статистичної теорії, що енергію системи потрібно розглядати як сумарну енергію руху та взаємодії всіх частинок системи, не пов'язану з рухом центру мас системи. Оскільки, усі частинки системи (атоми, молекули) володіють квантовими властивостями, то найбільш повний і послідовний підхід при вивченні термодинамічних систем – це підхід із квантових позицій. Тому завжди потрібно вважати, що система, яка розглядається, має дискретний ряд значень внутрішньої енергії. Причому, внаслідок взаємодії системи з навколишнім середовищем, яке відбувається через випадкові взаємодії молекул системи з молекулами навколишнього середовища, значення внутрішньої енергії у кожний момент часу є випадковим і усереднене за часом її значення може бути розраховане за відомою з теорії ймовірності формулою: де – випадкове значення внутрішньої енергії, – ймовірність даного випадкового значення енергії. Значення енергії рівнів () є характерним для вибраної системи, але може змінюватись при зміні зовнішніх параметрів, наприклад, об’єму, чи напруженості електричного (магнітного) поля тощо. Заповнення енергетичних рівнів молекулами залежить від їх властивостей і від температури. Наведені міркування показують, що величини, які стоять під знаком суми у правій частині останнього виразу, можуть змінюватись при зміні зовнішніх параметрів та температури. Тому можна записати диференціал внутрішньої енергії у вигляді , який можна розглядати як закон зміни внутрішньої енергії. У дослідженні доведено, що перший член в останньому виразі має зміст роботи () зовнішніх сил над системою, а другий доданок – дає внесок у зміну енергії системи за рахунок зміни ймовірності заповнення енергетичних рівнів системи. Це відбувається внаслідок взаємодії частинок системи з частинками навколишнього середовища. При цьому, якщо вони запозичують енергію, то переходять на вищі енергетичні рівні без зміни останніх, тобто стан з більшою енергією стає ймовірнішим, система нагрівається і навпаки. Спосіб зміни внутрішньої енергії, який здійснюється взаємодією частинок системи з частинками навколишнього середовища і призводить до зміни ймовірності заповнення енергетичних рівнів системи, називається теплообміном, а кількість енергії, що надається при цьому, як і в термодинаміці, доцільно назвати кількістю теплоти (). Тоді останній вираз, як і в термодинаміці, запишеться у вигляді:

Таким чином, вперше при розгляді законів термодинаміки з позицій статистичної теорії доведено, що перший закон термодинаміки, фундаментальність якого постулюється в термодинаміці, є прямим наслідком властивостей часу та простору, а закон її зміни випливає із статистичних законів, які діють в макроскопічних системах. Зазначимо, що статистичне обґрунтування першого закону термодинаміки і пояснення його зв’язку з властивостями простору та часу, на наш погляд, має не лише евристичне, але й методологічне значення, що дуже важливо для формування фізичного світогляду студентів.

Запропоновано методику статистичного обґрунтування формули Больцмана , яка визначає статистичну ентропію. Використано оригінальний спосіб для доведення того факту, що статистична ентропія та закон її зростання еквівалентні другому закону термодинаміки . Тим самим доводиться, що існування функції стану – ентропії та закону її зростання в необоротних процесах є логічним наслідком статистичного аналізу поведінки макроскопічних систем, і викладення цього питання у вигляді другого закону термодинаміки у навчальному процесі підготовки вчителя фізики доцільне лише на початковому етапі, тобто у курсі загальної фізики (розділ – «Молекулярна фізика та основи термодинаміки») як данина історичному розвитку фізики.

Запропоновано методику викладення питання (із статистичної точки зору) про поведінку термодинамічних систем при надзвичайно низьких температурах і обґрунтування відомого із експериментів факту (третій закон термодинаміки), що при наближенні температури до абсолютного нуля ентропія рівноважних систем прагне до нуля: . Зниження ентропії до нуля при наближенні температури до абсолютного нуля – це типова поведінка квантових систем при низьких температурах, і виправдати зведення часткового (навіть важливого) експериментального факту в ранг фундаментального закону природи можна лише прагненням віддати данину історії розвитку науки. У зв’язку з цим, слід зазначити, що видатні фізики (Л.Д. Ландау, Ч. Кіттель, А. Ісіхара та ін.) навіть не використовували термін «третій закон термодинаміки», а розглядали теорему Нернста як експериментальний факт, який має просте пояснення – природний перехід квантових систем при зниженні температури на все більш низькі енергетичні рівні.

У розділі 3 «Методична система інтегрованого навчання термодинаміки і статистичної фізики майбутніх учителів як чинник фундаменталізації фізичної освіти» у контексті завдань дослідження, запропоновано й апробовано нові оригінальні способи обґрунтування методики викладення у навчальному процесі педагогічних університетів методів дослідження макроскопічних систем, які використовує статистична термодинаміка.

Процеси обміну енергією супроводжують будь-які явища в навколишньому світі, тому статистична термодинаміка, розробляючи методи вивчення енергетичних явищ, має загальне методологічне значення, і її методи використовують у найрізноманітніших областях сучасної науки. Одним із головних завдань статистичної термодинаміки є здійснення аналізу властивостей тіл у стані рівноваги, а також описання тих процесів, які відбуваються з тілами внаслідок зовнішньої енергетичної дії. В останньому випадку підлягають визначенню величини, що характеризують кінцевий стан тіла, який наступає в результаті процесу, зміна внутрішньої енергії, виконана робота та кількість одержаної або відданої тілом теплоти. Термодинамічний аналіз ґрунтується на виразах і , які одержані статистичним методом, але традиційно називаються першим та другим законом термодинаміки. Із них математичним шляхом виводяться закономірності, що відносяться до даного явища. Ці закономірності такі ж достовірні, як і самі фундаментальні закони, покладені в основу статистичної термодинаміки. Якщо врахувати, що методи статистичної термодинаміки можна застосовувати до найрізноманітніших явищ, то стане очевидною їх загальність. Виходячи із даних про початковий стан системи і умов, у яких протікає процес, можна завжди схематизувати кожний із реальних процесів так, щоб зробити можливим його термодинамічний чи статистичний аналіз. Слід зазначити, що для розрахунку роботи й кількості теплоти, які складають головний зміст прикладних застосувань статистичної термодинаміки, необов'язково знати всі особливості кінетики реального процесу. Достатньо, щоб разом із відомими зовнішніми умовами, у яких протікає процес, були задані кінцеві й початкові стани всіх тіл, що беруть участь у процесі.

Нами показано, що за допомогою вказаних законів статистичної термодинаміки та диференціальних наслідків цих законів, які характеризують фізичні властивості тіл, можна аналізувати будь-які як оборотні, так і необоротні процеси. Вивчення оборотних процесів є достатньо простим завданням. Зміна стану тіла в будь-якому оборотному процесі, а також виконана в результаті процесу робота й кількість переданої теплоти визначаються, якщо відомі термічне й калоричне рівняння стану системи. При вивченні необоротних процесів необхідно використовувати той факт, що для кожної системи існують функції стану, значення яких не залежить від того, яким чином (оборотним чи необоротним процесом) система перейшла із початкового стану в кінцевий. Тому зміна будь-якої функції стану в результаті необоротного процесу може бути знайдена із розгляду уявного оборотного переходу із початкового в кінцевий стан, що досягається у даному необоротному процесі. Якщо уявний оборотний перехід вибраний так, що в його кінцевих точках зберігаються основні умови, що характеризують даний необоротний процес, то для аналізу можуть бути використані ті ж рівняння статистичної термодинаміки, які відповідають оборотним процесам при виконанні зазначених умов.

Аналіз літературних джерел показав, що у ході історичного розвитку статистичної термодинаміки було розроблено два методи дослідження: метод циклів і метод характеристичних функцій (інша назва – метод термодинамічних потенціалів). Метод кругових процесів, введений ще Карно, зіграв дуже велику роль у розвитку термодинаміки. Причому, якщо на початковому періоді розвитку цього методу використовувалася система незалежних змінних (р,V), то в подальшому, після введення поняття «ентропія», вчені, що спеціалізувались в області термодинамічних досліджень, стали все частіше використовувати систему змінних (T,S). Метод циклів, у принципі, може бути застосований для розв’язання будь-якої задачі, але він має великі недоліки, тому що для встановлення тієї або іншої закономірності кожний раз доводиться навмання підбирати відповідний цикл. Успішний результат розв’язання задачі залежить від вибору необхідного циклу, сам же вибір нічим не визначається. У наш час у наукових дослідженнях, в основному, застосовується метод термодинамічних потенціалів. Але у навчальному процесі при розв’язуванні задач, в лекційній практиці графічний метод циклів, який був одним із перших методів термодинамічних досліджень, і вчені до початку ХХ століття (Карно, Клаузіус, Нернст та інші) використовували лише цей метод, є й досі незамінним, оскільки забезпечує наочність, що суттєво спрощує аналіз процесів. Методика вивчення та використання методу циклів для розв’язання деяких задач розглянута нами в окремому навчальному посібнику.

Метод характеристичних функцій заснований на використанні основного рівняння статистичної термодинаміки , яке можна довести як узагальненням законів термодинаміки, так і статистичними аналізом макроскопічних систем. Огляд відомих літературних джерел показує, що в традиційних методиках при введені характеристичних функцій використовується надто загальні вихідні положення, тому введені характеристичні функції представляються дещо абстрактними. Оскільки дане дослідження має мету розробити концепцію викладення статистичної термодинаміки в системі фахової підготовки вчителів фізики, то ми виходимо із того, що для майбутніх вчителів, важливо засвоїти не математичну сторону питань, а суть фізичних ідей, на яких формується їх фізичний світогляд. Тому ми вважаємо, що у якості характеристичних функцій достатньо розглянути лише функції, які володіють наступними властивостями: 1) є адитивними та однозначними функціями стану, отже їх диференціал є повним диференціалом; 2) частинні похідні від цих функцій за вибраними незалежними параметрами визначають інші термодинамічні параметри, тобто вони мають зрозумілий фізичний зміст; 3) характеристичні функції у стані рівноваги мають мінімальне значення, отже, в стані рівноваги їх диференціали дорівнюють нулю; 4) зменшення характеристичних функцій за певних умов дорівнює максимальній роботі системи. Такими функціями є внутрішня і вільна енергії, ентальпія та термодинамічний потенціал Гіббса. Цих функцій достатньо для вивчення газів (класичних і квантових), рідин, твердих тіл та інших макроскопічних систем. Зазначимо, що при аналізі методики введення цих функцій ми дійшли висновку, що хімічний потенціал потрібно вводити не лише як потенціал Гіббса, розрахований на одну частинку (як це пропонують усі літературні джерела), але й як масовий або мольний потенціал Гіббса. Це дуже важливо при розгляді теми «Рівновага фаз та фазові перетворення», оскільки співвідношення кількості фаз в системі зручно визначати не співвідношенням кількості молекул, а співвідношенням мас або молів. Методика введення характеристичних функцій та приклади їх застосування для розв’язання деяких задач розглянута нами у низці наукових праць та навчальних посібниках.

Отже, запропоновані нами методичні підходи до статистичного обґрунтування законів термодинаміки та вивчення методів, які використовуються в термодинаміці та статистичній фізиці, створюють усі передумови для розроблення і впровадження у педагогічних університетах інтегрованого навчання розділу теоретичної фізики, який дотепер у галузевому стандарті та в навчальних планах називається «Термодинаміка та статистична фізика», і який, на думку автора, потрібно називати «Статистична термодинаміка». Запропоновані теоретичні і методичні засади інтегрованого навчання термодинаміки виключно на засадах статистичної теорії у повній мірі відповідають головним напрямам у діяльності сучасної вищої школи – забезпечення повноцінності результатів освіти та інтеграція освітньої і наукової складових. Розроблена нами методична система інтегрованого навчання курсу «Статистична термодинаміка» майбутніх учителів фізики, яка ґрунтується на модернізованій структурі курсу «Термодинаміка і статистична фізика», спрямована на забезпечення принципу єдності фундаментальної і професійної підготовки студентів і створена на основі раціонального поєднання традиційних та інноваційних форм, методів і засобів навчання. Це забезпечує можливість організації навчального процесу на засадах компетентнісного підходу, в умовах якого значно ширшою стає реалізаційна здатність особистості. Актуальність даного питання для педагогічних вищих навчальних закладів підтверджується тим фактом, що сформований у педагогічних університетах науковий світогляд майбутнього вчителя в подальшому багато разів тиражується й визначає світогляд майбутніх поколінь.

Запропоновані в дослідженні теоретичні і методичні засади інтегрованого навчання виключають із навчального процесу підготовки вчителів фізики паралельне вивчення питань термодинаміки та статистичної фізики, залишаючи їх природне поєднання в єдиний предмет – «Статистична термодинаміка», в якому термодинаміка виступає як складова частина статистичної фізики.

Структура курсу «Статистична термодинаміка», яка відповідає сучасному стану фізичної науки, подана на рис. 1. Зміст основних блоків запропонованої методичної системи можна охарактеризувати таким чином.

Перший блок методичної системи передбачає вивчення питань, які по суті є вступом до статистичних методів (прообразом) сучасної статистичної термодинаміки. Нами запропоновано включення у цей вступний блок деяких питань теорії ймовірності й математичної статистики, питання про розподіл молекул за швидкостями та вивчення статистичної теорії намагнічення парамагнетиків (або поляризації полярних діелектриків). Вивчення цих питань, як показує власний досвід викладання статистичної термодинаміки, дозволяє розкрити фізичний зміст функції розподілу і в повній мірі готує студентів до сприйняття загального статистичного методу Гіббса.

Другий блок методичної системи (власне метод Гіббса) містить такі питання: фазовий простір; функція розподілу за мікростанами, середні за часом та за ансамблем; теорема Ліувілля; мікро, макро та канонічний розподіл Гіббса, статистичне обґрунтування законів термодинаміки. Він дозволяє показати, що всі закони термодинаміки можна одержати як наслідок статистичного аналізу макроскопічних систем. Завершується цей блок розглядом та обґрунтуванням методів статистичної термодинаміки.

Третій блок методичної системи (застосування методів статистичної термодинаміки для вивчення газових і конденсованих систем та фазових перетворень) передбачає вивчення різноманітних макроскопічних систем методами статистичної термодинаміки.

З метою покращення умов упровадження і функціонування запропонованої методичної системи інтегрованого навчання курсу «Статистична термодинаміка» майбутніх учителів фізики, оновлення і поглиблення змісту навчально-виховного процесу на базі кафедри експериментальної і теоретичної фізики фізико-математичного факультету Сумського державного педагогічного університету імені А.С. Макаренка за нашої ініціативи і керівництва створено навчально-наукову лабораторію інноваційних технологій викладання фізики. Навчально-наукова лабораторія забезпечена новітнім лабораторним устаткуванням, що дозволяє здійснювати організацію та проведення навчальних занять, під час яких студент під керівництвом викладача та особисто проводить натурні або iмiтацiйнi експерименти