Можно ли учить физике детсадовцев? У какой олимпиады самый сложный отборочный этап? И как решать «красивые» задачи, если они кажутся нерешаемыми?
Константин Владимирович Парфенов — доцент кафедры квантовой теории и физики высоких энергий физфака МГУ, заместитель председателя жюри Московской олимпиады школьников по физике, кандидат физико-математических наук и автор курсов по физике на Сириус.Курсах. Он рассказал, какие физики нужны науке, почему школьные олимпиады полезны не всем и чем кроме учебы занимаются студенты физфака. А ещё поделился собственным стихотворением, с которым занял первое место на студенческом конкурсе, — ищите «бонус» в конце интервью!
Хронический отличник
В школе мне все дисциплины нравились. Кроме физкультуры. У моего учителя всегда была проблема, как поставить мне хорошую оценку: физкультурой я особо не занимался, нормативы сдавать было сложно. Потом, правда, обнаружилось, что я неплохо играл в шахматы, стал выигрывать городские соревнования, и это позволило учителю физкультуры наконец вздохнуть спокойно и ставить мне пятерки.
По большинству предметов я был хроническим отличником, мне все легко давалось. На меня «упала» такая особенность — в детском возрасте я не забывал ничего из прочитанного. Помню, я пересказывал одноклассникам «Неукротимую планету» Гарри Гаррисона слово в слово, а они следили за мной по книжке от начала до конца. Такая способность позволяла мне хорошо учиться в школе: мне не надо было учить стихотворения, параграфы — когда бы меня ни вызвали, я в основном мог рассказать то, что требуется. Способность начала постепенно уходить лет с восемнадцати, а окончательно пропала где-то к двадцати двум. В университете бывало, что она неожиданно помогала мне на экзаменах: я вдруг начинал видеть собственные конспекты лекций, как будто они лежат передо мной.
В один момент у меня вдруг возникло ощущение, что я хочу заниматься физикой и техникой. С седьмого класса я начал всерьез читать все, что мне попадалось по математике и физике, начитался в старших классах книжек про физику элементарных частиц и теорию гравитации. Они меня почему-то больше всего увлекли — настолько, что позже на физфаке я выбрал кафедру квантовой теории и физики высоких энергий, где занимались именно частицами и гравитацией. Моя память мне помогала, и к окончанию школы я знал гораздо больше, чем среднестатистический школьник.
«А вы у нас теоретик? Значит, вы должны знать все»
Я не выбирал преподавание, оно меня выбрало само, в детстве. Я еще до школы во всех детских лагерях был рассказчиком — сочинял истории, рассказывал их своим товарищам по отряду. Это был мой способ социализации. Собственно, поэтому у меня, наверное, другого пути и не было.
Мне всегда было легко рассказывать что-то, что я знаю, а обучение в университете очень сильно расширило мои знания. Я учился на теоретической кафедре, и как-то один из экзаменаторов, просмотрев мою зачетку, сказал мне замечательную фразу: «А вы у нас теоретик? Значит, вы должны знать все».
У нас отношение к обучению теоретиков было именно таким — они должны знать все предметы на отлично. Это привело к тому, что фундаментальную физику — и квантовую теорию поля, и метрические теории гравитации — я должен был знать очень хорошо.
А чтобы знать такие вещи, надо заниматься теорфизикой всерьез. Поэтому круг таких людей-теоретиков не сильно широк. И многие настолько сконцентрированы на науке, что времени с кем-то делиться своими знаниями у них просто нет. А у меня получилось нечто среднее: знаю много, а занимаюсь в большей степени преподаванием. Это сочетание и дало возможность рассказывать об очень сложных вещах так, чтобы это многим было понятно.
Конечно, в какой-то момент мне пришлось сделать осознанный выбор между преподаванием и наукой, чтобы что-то было основной деятельностью, а что-то — хобби. Это было в девяностые годы, я тогда занимался наукой на кафедре: получалось неплохо, но чтобы результаты были хорошими, надо было, как всегда в науке, когда у тебя что-то неплохо получается, работать еще больше.
В то же время меня стали привлекать к работе со школьниками, и там тоже все хорошо шло, но я понял, что совмещать одно с другим не получится. Я занимался метрическими теориями гравитации, которые интересуют сто, ну может быть, двести человек в мире — очень маленькое количество людей, и в какой-то момент решил, что работа со школьниками и олимпиадная физика сейчас нужнее.
Физика, детсадовцы и красота мирового устройства
Был у меня опыт работы в детском саду. Я преподавал в гимназии, и при этой гимназии был свой детский сад. Мне сказали, мол, у вас окно между уроками, можете в это время позаниматься с подготовительной группой детского сада? И это было замечательно, потому что это были редкие занятия, когда у всех до единого твоих учеников горят глаза, им интересно все, что ты говоришь: в этом возрасте дети замечательно впитывают информацию, а главное, они тут же пытаются рассуждать.
Помню, для первого занятия я выбрал тему «Агрегатные состояние вещества». Мы с ними обсуждали, чем различаются разные агрегатные состояния с точки зрения молекулярного строения. И вдруг один ребенок сказал мне:
— Я из ваших объяснений понял, что молекулы такие маленькие, что их глазами увидеть нельзя.
— Да, совершенно правильно Вы поняли.
— А расстояние в газах между молекулами очень сильно больше самих молекул — то есть газы состоят в основном из пустоты.
— Да, это тоже правильно.
— Но тогда все газы должны быть прозрачными! А почему дым не прозрачный?
Здесь я уже сказал: «Стоп, давайте разберемся, чем дым отличается от газа». Но он меня потряс буквально на первом же занятии. Я понял, что дети очень многое могут в этом возрасте, и эти встречи были всегда очень приятными — я не уставал на них, а заряжался энергией.
Конечно, предсказать в таком возрасте, кто действительно будет заниматься физикой, почти невозможно, это должен быть очень яркий случай. Но можно зародить в них мысль о красоте мира: с детьми ведь обсуждаешь не формулы (потому что формул не может быть без математики), а явления. Ты им демонстрируешь эксперимент и обсуждаешь, как это получается. В такой форме детям это интересно. И здорово, когда в раннем возрасте ребенку начинают показывать мир на уровне явлений.
«Красивая задача — это задача, при первом взгляде на которую школьник думает, что ее нельзя решить»
Моя теоретическая подготовка приводит к тому, что задачи, которые я придумываю для школьников, в основном сложные с точки зрения школьной программы. Чем сложнее задача, тем проще мне ее сочинять и обсуждать со школьниками.
Когда я сочиняю простые задачи, мне приходится напрягаться: у меня все время есть желание сделать задачу покрасивее, но как только она с моей точки зрения становится красивой — она становится нерешаемой для половины школьников.
Вообще красивая задача должна содержать элемент неожиданности. Это задача, при первом взгляде на которую школьник думает, что ее в принципе нельзя решить, а потом начинает разбираться и вдруг находит ход, который позволяет ее не просто решить, а решить компактно и без сложных вычислений. Или бывает, что, наоборот, с очень сложными вычислениями, но эти вычисления выполняются операциями почти на школьном уровне. То есть если возникает дифференциальное уравнение, то это такое дифференциальное уравнение, которое школьникам знакомо.
Задача, в которой при прямолинейном подходе получается какой-то страшный крокодил, кажется школьнику нерешаемой. Но если он в других переменных запишет ее, получится что-то знакомое и решаемое — вот это для меня тоже красивая задача. Но такие задачи очень тяжелые. Они бывают, скажем, на отборочном туре олимпиады «Покори Воробьевы горы», для которого я составляю задачи. Школьники, когда я об этом рассказываю, говорят: «А, так это вы?! Это я из-за вас столько просидел над задачей!»
В физике нет олимпиад, в которых на отборочном этапе встречались бы более сложные задания.
«Наука — это не спринт»
Глобально в образовательном пространстве у олимпиад две цели. Первая — мотивационная: найти школьников, которым интересно заниматься предметом, удовлетворить их потребность и сделать эти занятия интересными через соревновательный элемент, чтобы можно было посостязаться с приятелем, увидеть свое место среди других и так далее. Вторая — отбор в вузы, на более сложные олимпиады — например, формирование национальной команды России для Международной олимпиады.
Однако успех на олимпиадах — не гарантия того, что школьник станет хорошим ученым. Наука — это не спринт, там нет задачи мгновенно решить нечто сложное. К тому же корректная олимпиадная задача всегда имеет однозначное правильное решение, в отличие от научных. Олимпиада — это один из замечательных способов отбора, но он не должен быть единственным, потому что не всем детям он подходит. Есть школьники, которым нужно долго сидеть и разбираться. На олимпиадах они, как правило, будут немного отставать, им будет не хватать времени, чтобы стать победителем или призером. Но это не значит, что им не подойдет тот же физфак МГУ. Школьные научные конференции, например, помогают находить очень ярких детей, но они сейчас почти ничего не дают для поступления. А было бы очень здорово, если бы там возник такой же перечень привилегий для абитуриентов, какой существует в случае олимпиад.
У олимпиад есть один принципиальный минус — когда спортивная составляющая превалирует над содержательной, предметной. То есть ты, конечно, предмет должен знать хорошо, но если ты не будешь «упертым», не будешь стремиться к достижению наилучшего результата прямо на туре, а не просто в изучении физики, ты не станешь, скажем, членом национальной сборной. Но человек, который стал членом сборной и взял золотую медаль на Межнаре, далеко не всегда становится выдающимся ученым. Бывает, что после этого люди вообще в науку не идут или даже вылетают из вузов, в которые поступили без экзаменов. Они привыкают работать много, но со спортивным стимулом, который в вузе теряется.
Кому стоит идти на физфак и кто оттуда выходит
У ученых-физиков есть три основных направления работы — фундаментальная наука, прикладная, инженерно-техническое направление. Фундаментальная наука — это исследование тайн природы.
В прикладной вы занимаетесь полномасштабными научными исследованиями, но работаете с процессами, для которых законы уже известны, и вам важно придумать, как их применить для практической цели — в технологии, в быту.
Понять, что ближе — фундаментальная наука или прикладная — лучше уже к концу школы, но так получается не всегда. При этом стоит понимать, что внутри каждого направления есть деление на экспериментаторов и теоретиков: тех, кто больше работает головой, и тех, кто больше работает руками. Понятно, что в идеале физик должен уметь работать и тем, и другим, но это не отменяет специализации.
Чтобы понять, экспериментатор вы или теоретик, нужно попробовать оба варианта. Это сильно облегчит и выбор вуза, и выбор кафедры в дальнейшем. Теоретик, например, должен хорошо знать математику и получать удовольствие от зубодробительных задач со сложными вычислениями. Если это увлекает, если доставляет удовольствие их решать, то, наверное, вы ближе к теоретику. А если вам доставляет удовольствие измерить какую-то величину, которую даже не очень понятно, как мерить, а вы придумали, то, возможно, вы экспериментатор.
Когда я работал в учебном отделе МГУ — а это двенадцать лет моей жизни — я старался собирать статистику о том, куда идут наши ученики. Потом уже просто отслеживал из интереса. Около 20–25% выпускников остаются на физфаке или идут в НИИ: они занимаются фундаментальной или прикладной наукой. Если выпускник пошел в «Газпром» и считает ударные волны газопроводов, то это все-таки наука. Прикладная, но наука.
В качестве подработки многие переводят научные работы по физике, но так складывается в каждой сфере — сочетание научной работы и квалифицированного переводчика. Человеку, хорошо знающему язык, но не знающему физику, вряд ли удастся адекватно перевести научную статью. А если автор статьи решил пошутить на свою физическую тему? Обычный переводчик даже не всегда понимает, что это смешно.
Кто-то после физфака стал профессиональным спортсменом, джазовым пианистом, театральным режиссером… Есть даже епископ грузинской православной церкви! Физики всегда стремились к разносторонности. А человек, успешно учившийся на физфаке, неплохо знает мир, умеет видеть его красоту и его сложность и умеет дисциплинированно работать. Это очень организует мышление человека.
«Главный принцип науки — проверять выводы»
Главная ошибка в преподавании и изучении физики — это сведение науки к изучению формул. Ни одна формула в физике не работает всегда, у каждой формулы есть своя область применимости. Чтобы работать с ними правильно, нужно понимать явления, а формулы всегда огрубляют явления.
Одно из самых главных умений профессионального физика — умение грамотно пренебречь несущественным, а для этого нужно понимать, как развивается процесс.
В идеале дети с самого начала должны видеть связь между формулами и явлениями, а сейчас получается, что реальный эксперимент вытесняется даже из школьного образования. Виртуальные эксперименты — это интересно, они могут быть красиво поставлены, но у них есть один глобальный минус — они всегда получаются. А в реальности это не так. Только когда ты понял изучаемое явление, можно сделать эксперимент чисто, получить требуемый результат, подтвердить закон и так далее. Этот процесс необычайно ценен для развития физического мышления, иначе мы получим вместо науки набор догматических убеждений.
Главный принцип науки — проверять выводы: ты всегда должен сомневаться в изначальном результате и должен убедить самого себя, что он верен.
Нужны исследователи, которые будут в первую очередь видеть связь явлений и способ их описания, это ключевое требование для развития науки.
Если не будет исследователей, даже при феерической технической мощности наука может зайти в тупик. Или привести совсем не к тому результату, который нужен человечеству. Человечество вообще ведет себя неразумно — вплоть до того, что может использовать науку для самоуничтожения. Поэтому нам нужно, чтобы в науку приходили думающие дети, которые бы видели эти опасности и пытались их предотвратить.
Лирические порывы
В детстве я читал невероятно много. Сейчас количество книг, прочитанных за год, у меня уступает тому, что было в детстве и в юности, раз в сто. Как-то мне в руки впервые попал экземпляр «Мастера и Маргариты» — плохо отпечатанная копия книжки. Я увидел ее на столе у приятеля в общежитии и спросил, можно ли почитать. Он сказал, что ему завтра, когда он к девяти пойдет на физфак, нужно взять ее с собой и отдать. Времени в тот момент было одиннадцать часов вечера. Ну я ее взял и прочитал за ночь.
А когда мы в школе читали «Преступление и наказание» и нам задали сочинение по книге, я выбрал тему «Образ Раскольникова» и писал всю ночь. Я принес полностью исписанную тетрадку, и моя учительница по литературе не нашла ничего лучше, чем сказать мне читать написанное перед всем классом. И мы почти весь урок слушали мое сочинение про Достоевского. На меня очень сильное впечатление произвела эта книга.
По-моему, Академик Блохинцев сказал, что дискуссия физиков и лириков доказала только одно: все физики — лирики.
Я думаю, что если человек видит ту самую красоту мира, о которой я говорил, у него не может не быть лирических порывов. Уже в аспирантуре я увлекся горами, занимался альпинизмом, одной клеточки не хватило для закрытия первого разряда — получил травму и перестал всерьез в горы ходить. Время от времени мы до сих пор с детьми гуляем по горам, любуемся. А это ведь тоже немного лирика, когда тебя завораживают красивые природные виды.
