Программа дисциплины "Концепция современного естествознания" Рекомендуется Министерством образования России для направления подготовки дипломированных специалистов

Вид материала

Программа дисциплины

Содержание Программа дисциплины 2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины 3. Объем дисциплины и виды учебной работы 4. Содержание дисциплины Раздел I. Наука в контексте культуры Раздел II. Точное естествознание Классическая физика - механика Классическая физика - термодинамика Классическая физика - электромагнетизм Проблемы классического синтеза Неклассика - релятивистская физика (специальная теория относительности) Неклассика - квантовая физика Неклассика - статистическая физика Неклассика - релятивистская квантовая физика (физика квантовых полей и элементарных частиц) Неклассика - квантовая статистическая физика Неклассика - релятивистская статистическая физика (классическая космология) Неклассика - релятивистская квантовая статистическая физика (финальная стадия синтеза фундаментальной физики, квантовая космолог Химические системы Раздел III. Жизнь История Земли ... Полное содержание

Подобный материал:

• Программа дисциплины "Экономическая теория" Рекомендуется Министерством образования, 229.65kb.
• Программа дисциплины "Метрология, стандартизация и сертификация в инновационной сфере", 133.1kb.
• Программа дисциплины "Маркетинг в инновационной сфере" Рекомендуется Министерством, 129.62kb.
• Программа дисциплины "Менеджмент в инновационной сфере" Рекомендуется Министерством, 246.39kb.
• Программа дисциплины "Промышленные технологии и инновации" Рекомендуется Министерством, 169.61kb.
• Примерная программа дисциплины «Инженерные основы инновационной деятельности» Рекомендуется, 105.32kb.
• Программа дисциплины "Правовое обеспечение инновационной деятельности" Рекомендуется, 175.75kb.
• Примерная программа дисциплины «Экономика и финансовое обеспечение инновационной деятельности», 304.74kb.
• Примерная программа дисциплины «концепции современного естествознания» Рекомендуется, 478.13kb.
• Программа дисциплины " История и философия нововведений" Рекомендуется Министерством, 276.25kb.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УТВЕРЖДАЮ Руководитель Департамента содержания высшего профессионального образования ________________Л.В. Попов «____»________________2004 г.

ПРИМЕРНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ


"Концепция современного естествознания"


Рекомендуется Министерством образования России

для направления подготовки дипломированных специалистов

658200 – Инноватика

Программа дисциплины

“Концепции современного естествознания”


1. Цели и задачи дисциплины


Изучение дисциплины “Концепции современного естествознания” преследует цель ознакомления студентов, обучающихся по гуманитарным направлениям и специальностям, с неотъемлемым компонентом единой культуры - естествознанием, и формирования целостного взгляда на окружающий мир. Это тем более необходимо, что сейчас рациональный естественнонаучный метод проникает и в гуманитарную сферу, участвуя в формировании сознания общества, и вместе с тем приобретает все более универсальный язык, адекватный философии, психологии, социальным наукам и даже искусству. Возникающая сегодня тенденция к гармоничному синтезу двух традиционно противостоящих компонентов культуры созвучна потребности общества в целостном мировидении и подчеркивает актуальность предлагаемой дисциплины.

Идея курса состоит в передаче гуманитариям элементов естественнонаучной грамотности, представлений об основополагающих концепциях различных естественных наук, складывающихся в единую картину мира. Несмотря на необходимое присутствие элементов истории и философии науки, основное содержание дисциплины подразумевалось как целостное описание природы и человека (как части природы) на основе научных достижений, смены методологий, концепций и парадигм, в общекультурном, историческом контексте. Курс задуман как междисциплинарное динамичное описание основных явлений и законов природы и тех научных открытий, которые послужили началом революционных изменений в технологиях, мировоззрении или общественном сознании. Для этого требовался строгий отбор основных научных фактов, представляющих лицо каждой из естественных наук.


2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины


Понимание специфики гуманитарного и естественнонаучного компонентов культуры, ее связи с особенностями мышления, природы отчуждения и необходимости их воссоединения на основе целостного взгляда на окружающий мир.

Понимание задач и возможностей рационального естественнонаучного метода, его дополнительной природы по отношению к художественному методу освоения действительности.

Понимание сущности конечного числа фундаментальных законов природы, определяющих облик современного естествознания, к которым сводится множество частных закономерностей физики, химии и биологии, а также ознакомление с принципами научного моделирования природных явлений. Формирование ясного представления о физической картине мира как основе целостности и многообразия природы.

Понимание принципов преемственности, соответствия и непрерывности в изучении природы, а также необходимости смены адекватного языка описания по мере усложнения природных систем: от квантовой и статистической физики к химии и молекулярной биологии, от неживых систем к клетке, живым организмам, человеку, биосфере и обществу.

Понимание сущности жизни, принципов основных жизненных процессов, организации биосферы, роли человечества в ее эволюции. Осознание природы, базовых потребностей и возможностей человека, возможных сценариев развития человечества в связи с кризисными явлениями в биосфере, роли естественнонаучного знания в решении социальных проблем и сохранении жизни на Земле.

Представление о смене типов научной рациональности, о революциях в естествознании и смене научных парадигм как ключевых этапах развития естествознания.

Представление о принципах универсального эволюционизма и синергетики как диалектических принципах развития в приложении к неживой и живой природе, человеку и обществу.

Понимание роли исторических и социокультурных факторов и законов самоорганизации и в процессе развития естествознания и техники, в процессе диалога науки и общества.


3. Объем дисциплины и виды учебной работы

Вид учебной работы	Всего часов	Семестр
Общая трудоемкость дисциплины	255	2	3	4
Аудиторные занятия	136	51	51	34
Лекции	68	34	17	17
Практические занятия (ПЗ)	68	17	34	17
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
и (или) другие виды аудиторных занятий
Самостоятельная работа	119	34	34	51
Курсовой проект (работа)
Расчетно-графические работы
Реферат
и (или) другие виды самостоятельной работы
Вид итогового контроля (зачет, экзамен)		экзамен	экзамен	экзамен

4. Содержание дисциплины


4.1.Разделы дисциплины и виды занятий

№ п/п	Раздел дисциплины	Лекции	ПЗ (или С)	ЛР	Cам
1	2	3	4	5	6
1	Раздел I. Наука в контексте культуры	2			3
2	Раздел II. Точное естествознание Тема 1. Эволюция дисциплинарного знания	2	2		4
3	Тема 2. Классическая физика – механика	2	2		2
4	Тема 3. Классическая физика – термодинамика	2	2		2
5	Тема 4. Классическая физика – электромагнетизм	2	2		2
6	Тема 5. Проблемы классического синтеза	2	2		2
7	Тема 6. Неклассика - релятивистская физика (специальная теория относительности)	2	2		4
8	Тема 7. Неклассика - квантовая физика	2	2		4
9	Тема 8. Многообразие биологических видов	2	2		4
10	Тема 9. Неклассика - релятивистская квантовая физика (физика квантовых полей и элементарных частиц)	2	2		4
11	Тема 10. Неклассика - квантовая статистическая физика	2	2		2
12	Тема 11. Неклассика - релятивистская статистическая физика (классическая космология)	2	2		2
13	Тема 12. Неклассика - релятивистская квантовая статистическая физика (финальная стадия синтеза фундаментальной физики, квантовая космология)	2	2		2
14	Тема 13. Химические системы	2	2		4
15	Раздел III. ЖИЗНЬ Тема 1. От атомов к протожизни	2	2		4
16	Тема 2. История Земли	2	2		4
17	Тема 3. Жизнь во Вселенной	2	2		4
18	Тема 4. Химия жизни	2	2		4
19	Тема 5. Живые системы против энтропии	2	2		4
20	Тема 6. Биологическое многообразие	2	2		4
21	Тема 7. Организм	2	2		4
22	Тема 8. Многообразие биологических видов	2	2		4
23	Тема 9. Биологическая эволюция	2	2		4
24	Тема 10. Индивидуальное развитие (онтогенез)	2	2		4
25	Тема 11. Человек: биологическая индивидуальность и личность	2	2		4
26	Тема 12. Биосфера и цивилизация	2	2		4
27	Тема 13. Основные концепции биологии и парадигмы нового мышления	2	2		4
28	Тема 14. Основные достижения современной биологии	2	2		4
29	Раздел IY. Эволюционно-синергетическая парадигма: синергетика Тема 1. Междисциплинарность и синергетика. Введение	2	2		4
30	Тема 2. Начала эволюционно-синергетического мышления. Принципы синергетики	2	2		4
31	Тема 3. Теория катастроф. Флаги катастроф. Философия нестабильности - от Пуанкаре до наших дней	2	2		4
32	Тема 4. Качественные методы в эволюционных задачах	2	2		4
33	Тема 5. Динамический хаос	2	2		4
34	Тема 6. Самоорганизация	2	2
35	Тема 7. Проблемы междисциплинарного синтеза		2		4
	Всего:	68	68		119

4.2. Содержание разделов дисциплины

Раздел I. Наука в контексте культуры

Проблема двух культур и современный цивилизационный кризис. Функциональная ассимметрия мозга. Дополнительность естественнонаучного и гуманитарного стилей мышления. Антропные корни происхождения религии, философии, науки. Краткий очерк истории науки. Преднаука в традиционных обществах эпохи царств. Причины возникновения науки в Греции. Хронотоп западной цивилизации: фазы научно-философских, религиозно-мифологических манифестаций и натурфилософского синтеза. Наука эллинского мира. Телеологическая физика Аристотеля, проблемы описания движения и предельных процедур. Упадок Рима.

Вселенские соборы и отказ церкви от научно-философского наследия эллинов. Проблема отношения Бог - человек - природа в язычестве и христианстве. Исследования схоластов по логике и проблеме бесконечности. Первые университеты. Расцвет арабской средневековой науки - ее роль в сохранении и преумножении эллинской традиции. Крестовые походы и переоткрытие античных ценностей.

Натурфилософия Возрождения. Идеалы антропоцентризма. Коперниканская революция - переход к гелиоцентрической системе. Гармония мира как научный идеал и решение Кеплером задачи о движении планет. Реакция католической церкви на учение гелиоцентристов.

Роль Ф. Бэкона, Р. Декарта и Г. Галилея в становлении эмпирических и теоретических основ научной рациональности Нового времени. Научный метод и моделирование.

Классическая физика. "Начала" И. Ньютона - фундамент классической парадигмы. Мир как часы: от телеологической причинности Аристотеля к лаплассову детерминизму. Анализ бесконечно малых. Социальный физикализм ХУШ века, иллюзии социального детерминизма. Учение о теплоте и электричестве. Технологические революции ХУШ-Х1Х века: машинная, паровая, электрическая. Эволюционная теория Дарвина. Атомистическое строение материи. Таблица Менделеева. Электрон. Радиоактивность.

Неклассичесая парадигма XX века - снятие противоречий классической физики. Теория относительности, квантовая механика, статистическая физика. Технологические революции XX века: химическая, атомная, информационная. Последствия техноцентризма конца XX века, экологический кризис и перспективы биоцентризма. Комплексность кризисов и междисциплинарные направления в науке, синергетика. Классика - неклассика - постнеклассика: возвращение человека в научный дискурс - перспектива XXI века. Маятник кросскультурного диалога Восток - Запад: очередная фаза синтеза, или информационное общество. "Уходит" ли наука на Восток?

Раздел II. Точное естествознание

Эволюция дисциплинарного знания

Пропедевтические замечания. Как писать законы и читать формулы. Креативная триада Хаос - Логос - Космос: о единстве формальных и естественных языков. Простейшие триадные законы и закономерности (законы движения Аристотеля и Ньютона, Ома, газовые законы, понятия функции и т.д.).

Эволюция базовых понятий пространства и времени от архаических представлений до современности. Геометрии Эвклида, Римана, Лобачевского, кривизна. Понятие симметрии: однородность, изотропность, обратимость пространства и времени, их связь с законами сохранения. Абсолютное пространство Ньютона.

От натурфилософии, через комплексы ощущений к первичной дисциплинарной дифференцировке (механика материальных точек, оптика, теплота). Дисциплинарный рост, культурная и технологическая экспансия (механика, электродинамика, термодинамика). Пределы дисциплинарного роста как границы междисциплинарного согласования, иллюзии классического синтеза.

Рождение дисциплин неклассической науки на попарных противоречиях синтеза классических дисциплин (релятивизм, кванты, статистика). Междисциплинарный синтез в неклассической физике: релятивистские кванты (физика элементарных частиц), квантовая статистика (квантовая физика полупроводников, металлов, сверхтекучесть, сверхпроводимость, лазер и т.д.), релятивистская статистика (общая теория относительности, классическая космология).

Финальный этап синтеза точного естествознания - релятивистская статистическая квантовая физика (theory of everything) (эффекты в первые мгновения рождения Вселенной). Естественный энергетический предел достижимости последнего синтеза. Что дальше? - постнеклассика.

Классическая физика - механика

Модель материальной точки. Закон движения, кинематические характеристики. Законы Ньютона. Силы в природе, принцип суперпозиции. Импульс. Область применимости законов Ньютона. Система материальных точек, закон изменения и сохранения импульса системы. Реактивное движение. Работа и энергия. Закон сохранения и изменения механической энергии. Пространство состояний, фазовый портрет.

Модель абсолютно твердого тела. Число степеней свободы. Поступательное и вращательное движение, два типа пространств состояний. Эвристический вывод законов динамики вращательного движения. Момент инерции, момент силы, момент импульса. Закон сохранения и изменения момента импульса системы. Гироскоп и современная навигация. Прецессия - от планет, до элементарных частиц. Модель осциллятора. Колебания вблизи равновесия. Спектр. Резонанс. Звучание музыкальных инструментов. Разложение колебаний по нормальным модам. Волны бегущие и стоячие, поперечные и продольные. Волновое уравнение, принцип Гюйгенса-Френеля. Явления дисперсии, интерференции, дифракции, поляризации. Цвета тонких пленок, радуга, самоцветы, радиолокация, эхо-пересмешник, спектральный анализатор - дифракционная решетка.

Классическая физика - термодинамика

Микро- и макро-переменные. Теплота, температура и внутренняя энергия. Уравнение состояния и уравнение процесса. Первое начало термодинамики. Теплоемкости. Работа. Циклы. К.П.Д. тепловых машин. Энтропия. Второе начало термодинамики. Необратимость тепловых процессов стрела времени. Гипотеза о тепловой смерти Вселенной. Необратимые процессы переноса: диффузия, теплопроводность, вязкость. Третье начало термодинамики.

Классическая физика - электромагнетизм

Взаимодействие: дальнодействие и близкодействие. Электростатика. Заряд. Закон Кулона. Электростатическое поле, принцип суперпозиции. Поток. Закон Гаусса. Потенциал. Металлы в электрическом поле. Ток. Закон Ома. Диполь. Диэлектрики. Электростатические поля в быту и природе. Пробой.

Магнитостатика. Природа магнитного поля. Поле движущегося заряда. Сила Лоренца. Магнитосфера - магнитный щит Земли. Магнитный момент магнетики. Закон Гаусса для магнитного поля. Магнитные поля в быту и природе. Электродинамика. Циркуляция. Э.Д.С. Вихревое электрическое поле. Закон электромагнитной индукции Фарадея-Ленца. Приложения закона в технике и повседневности. Нестационарные токи, закон Ампера-Максвелла, ток смещения. Система уравнений Максвелла-Лоренца, ее решение в пустоте. Электромагнитные волны: технические и медицинские приложения.

Проблемы классического синтеза

Попытки классического синтеза конца XIX века. Противоречия между механикой и электромагнетизмом. Поиск эфира. Противоречия между термодинамикой и электромагнетизмом: объяснение спектра излучения нагретых тел. Ультрафиолетовая катастрофа. Противоречия между механикой и термодинамикой: необратимость времени в тепловых процессах. Кризис основ физики рубежа веков.


Неклассика - релятивистская физика (специальная теория относительности)

Постулаты теории относительности Эйнштейна. Элементарное событие. ИСО. Следствия ТО и их эвристический вывод: относительность одновременности, сокращение продольных размеров движущихся тел, замедление хода движущихся часов. Парадокс близнецов. Собственные длина и время.

Преобразования Лоренца, четырехмерные векторы. Единое пространство-время. Релятивистские инварианты, пространственно-временной интервал. Мировые линии. Инвариатность причинной связи в теории относительности. Закон сложения скоростей. Релятивитские энергия, импульс. Обобщение закона Ньютона. Четырехмерный вектор энергии импульса, его инвариант. Массивные и безмассовые частицы. Энергия покоя.

Два способа преобразования массы покоя в энергию движения - синтез и распад ядер, дефект масс. Деление тяжелых ядер, атомная энергетика и атомное оружие. Технологические проблемы: обогащение, эксплуатация, утилизация. Термоядерный синтез легких элементов: синтез в звездах, водородная бомба. Перспективы управляемого синтеза: лазерный термояд и токамак.

Неклассика - квантовая физика

Гипотеза квантов Планка. Объяснение излучения абсолютно черного тела. Явление фотоэффекта и теория фотонов Эйнштейна. Корпускулярно-волновой дуализм света. Планетарная модель атома Резерфорда, ее недостатки. Первая квантовая модель атома Бора. Постулаты Бора. Волны материи де-Бройля. Оптико-механическая аналогия и уравнение Шредингера. Вероятностная интерпретация волновой функции. Дифракция электронов.

Матричная механика наблюдаемых Гейзенберга. Операторы и современный формализм квантовой механики. Стационарные состояния, полный набор наблюдаемых. Наблюдаемое состояние среднее, редукция волновой функции. Плюрализм языков квантовой механики, теория представлений фон Неймана. Квантовая вероятность и детерминированность. Соотношение неопределенности Гейзенберга и принцип дополнительности Бора. Применение боровского принципа к феноменам культуры и психики. Тоннельный эффект. Распад связанных состояний. Квантование моделей классической механики.

Тождественные частицы в квантовой механике. Фермионы и бозоны. Связь спина со статистикой. Принцип запрета Паули. Обоснование заполнения оболочек в периодической таблице химических элементов. Теория химической связи. Атомные и молекулярные спектры. Вращательные, колебательные, электронные. Трудности квантовой механики, ее различные интерпретации. Проблема скрытых параметров. Эффект Эйнштейна-Подолького-Розена.

Неклассика - статистическая физика

Вероятность как атрибут сложных систем. Понятие ансамбля в естественных и гуманитарных науках. Равновесные и неравновесные состояния. Вероятностные распределения в молекулярно-кинетической теории. Максвелл, Больцман, Гиббс, вычисление средних.

Больцмановское определение энтропии ее связь с информацией и степенью упорядоченности. Классическая связь теплоемкости и степеней свободы молекул. Примирение динамического и статистического подходов - эргодическая теория.


Неклассика - релятивистская квантовая физика (физика квантовых полей и элементарных частиц)

Релятивитское волновое уравнение Дирака. Наличие решений для античастиц, невозможность нормировки. Необходимость вторичного квантования - квантованные поля. Море Дирака - квантовый вакуум. Достижения квантовой электродинамики. Виртуальные частицы, одевания и перенормировки.

Четыре типа взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, слабое, сильное. История открытия элементарных частиц. Фундаментальные фермионы стандартной модели: шесть кварков, шесть лептонов, история открытия. Фундаментальные бозоны глюоны, фотоны, W-бозоны. Гипотеза невылетания кварков, цвет, калибровочные поля, струны. Симметрии квантовых систем и феномен ее нарушения, идеи объединения разных взаимодействий.

Неклассика - квантовая статистическая физика

Квантовое распределение Гиббса. Квантовая ферми- и бозе-статистика. Зонная теория электронов. Металлы, полупроводники, диэлектрики. Модель квазичастиц, фононный газ в кристаллах, теплоемкость твердых тел.

Явление сверхтекучести, бозе-конденсат. Сверхпроводимость, куперовские пары, БКШ теория. Лазер, когерентное излучение, голография.


Неклассика - релятивистская статистическая физика (классическая космология)

Общая теория относительности. Принцип эквивалентности гравитационной и инертной массы. Связь геометрии и гравитации. Уравнения Эйнштейна. Большие массы и астрофизические феномены искривления пространства и замедления времени. Эволюция звезд. Черные дыры и возможность их косвенного наблюдения.


Неклассика - релятивистская квантовая статистическая физика (финальная стадия синтеза фундаментальной физики, квантовая космология)

Теория великого объединения всех взаимодействий на ранних стадиях эволюции Вселенной. Теория инфляции и последовательного нарушения симметрии квантового вакума. Антропный принцип.

Перспективы физики XIX века. О возможности переносов естественнонаучных методов в гуманитарную сферу. О проблемах физики живых систем и психофизических феноменах. О науке и "паранауке". Место физики в науке следующего века, неизбежность ее междисциплинарной адаптации.

Химические системы

Энергетика химических процессов; химическая связь; валентность; реакционная способность. Периодическая система элементов. Неорганические и органические соединения. Катализ. Биополимеры. Комплементарность. Матричный синтез.

Раздел III. Жизнь

От атомов к протожизни

Необходимость возникновения адекватного языка при описании многочастичных систем. Неорганические и органические соединения и их многообразие. Макромолекулы, гиперцикл и зарождение жизни. Концепция абиогенеза и физико-химической эволюции.

История Земли

Положение Земли в Солнечной системе. Происхождение, строение и эволюция Земли; образование и взаимодействие ее оболочек. Физические поля Земли. Космические циклы. Солнечная активность и биосфера. Современные геофизические условия жизни.

Жизнь во Вселенной

Работы В.И. Вернадского, А.А. Чижевского, П. Тейяра де Шардена, философское направление “русский космизм” - идеи о единстве мира, закономерности появления живого вещества и высших форм жизни в развитии Вселенной (“антропный принцип”). Биосфера Земли как единая живая система, продукт эволюционного развития и взаимодействия множества дискретных биологических форм (видов). Чудо жизни. Системный анализ, кибернетика, нелинейное моделирование в изучении свойств жизни. Понятие “Живые системы”. Место человека в эволюции Земли: понятие о ноосфере (В.И.Вернадский, П.Тейяр де Шарден); развитие технологической цивилизации и биосфера; экологический кризис.

Химия жизни

Возникновение свойства биологического узнавания на основе свойств биополимеров (структура белков, комплементарность), самовоспроизведение биологических структур как следствие матричного синтеза: нуклеиновые кислоты, генетический код, биосинтез белка. Белки: ферменты и биологические машины. Информационные молекулы. Биологические мембраны и свойство специфичности.

Живые системы против энтропии

Сущность жизни. Возрастание количества информации и способности к ее оценке в прогрессивном развитии живого. Целесообразность структурной организации и поведения живых систем. Принципы биологического узнавания, биологическая индивидуальность (“свое” и “чужое”). Саморегуляция, самообучение, самовоспроизведение, целостные реакции живых систем. Жизнь в потоке вещества, энергии и информации.

Индивидуальное и астрономическое время. Циклические и необратимые процессы, биологический возраст. Особенности организации пространства в живых системах. Основные свойства живых систем (целостность, гомеостаз и способность к адаптации, трансформация энергии, наследственность и изменчивость, иерархичность и разнообразие структурной организации, открытость, неравновесность, самовоспроизведение, эволюция). Основные функции живого (питание, дыхание, движение, размножение, рост и развитие, раздражимость). Уровни биологической организации: молекулярный, клеточный, тканево-органный, организменный, популяционный, биоценотический, экосистемный, биосферный. Характерные размеры, времена жизни, элементы и типы связей между ними. Клеточная теория - основная концепция современной биологии, база развития медицинских наук, фармакологии, селекции, биотехнологии. Изменение представлений о биологии клетки в связи с методологическими достижениями современной науки. Краткое обсуждение путей реализации основных свойств и функций живых систем на клеточном уровне.

Принципы структурной организации и регуляции метаболизма. Рисунки на доске: схемы клеток, объяснение общих и специализированных функций. Обмен веществ, трансформация энергии и информационные процессы в клетке на примерах бактериальной (прокариотической), растительной (автотрофной эукариотной) и животной (гетеротрофной эукариотной). Единство и разнообразие клеточных типов у эукариот. Жизненный цикл клетки. Концепция биогенеза. Митоз; мейоз; их эволюционное значение.

Биологическое многообразие

Разнообразие элементов в живых системах - один из ведущих принципов их организации и сохранения устойчивости.

Организм

Определение организма. Многообразие клеточных типов, разделение и интеграция основных жизненных функций. Пути организации жизнеобеспечения у растений и животных. Пути обмена веществ, энергии; восприятие, переработка и хранение информации (краткий обзор). Проблема коммуникации в живой природе. Коды и языки информации. Механизмы гомеостаза и адаптации. Роль эндокринной и нервной систем в осуществлении целостных реакций организма животных. Схема управляющего контура и ее объяснение на примере нервной и эндокринной систем. Воспроизведение организмов. Генетическая программа. Понятие о генотипе и фенотипе; современные представления о геноме. Воспроизведение организмов. Половое и бесполое размножение; смерть и бессмертие в живой природе. Концепции биологического значения смерти.

Многообразие биологических видов

Основа организации и устойчивости биосферы. Понятие о систематике и таксономии, о естественной системе классификации и установления биологического родства. Основные таксоны живой природы: бактерии, простейшие, грибы, растения, животные. Разнообразие и взаимодействие организмов различных царств. Понятие о биологическом прогрессе; основные концепции.

Биологическая эволюция

История Земли и биосферы. Геохронологическая шкала. Различные представления о зарождении жизни (гипотезы самозарождения, панспермии; креационизм). Основные предпосылки, задачи и проблемы эволюционной теории. Эволюционизм до-Дарвина. Дарвин, Уоллес. Представления о возможности целенаправленной и нейтральной эволюции (Берг, Бауэр, Дана и др.). Концепции прерывистой эволюции. Законы генетики и эволюция. Современная "синтетическая теория эволюции". Дивергентные и конвергентные процессы в эволюции. Концепция универсального эволюционизма.


Индивидуальное развитие (онтогенез)

От одной клетки к многоклеточному организму. Рост, дифференциация иморфогенез. Проблема программы индивидуального развития. Реализация генетической информации в развитии. Механизмы интеграции и целостности зародыша. Бифуркационный характер развития, критические периоды онтогенеза. Онтогенетические предпосылки эволюционных процессов. Теория самоорганизации и индивидуальное развитие. Синергетические модели процессов эмбриогенеза.

Диверсификация в историческом и индивидуальном развитии организмов. Теория катастроф. Синергетика как универсальный язык описания эволюционирующих систем.

Человек: биологическая индивидуальность и личность

Особенности человека как биологического вида. Системная организация и обеспечение основных жизненных функций у животных у человека. Организм как целое, нейроэндокринная регуляция. Нервная система человека. Принципы высшей нервной деятельности: рефлекс и доминанта. Поведение человека и животных. Сознание, речь, труд, творчество. Психическое и соматическое начала в формировании личности человека.

Биологические законы и общество. Биологическое и социальное в человеке. Генетика и воспроизведение человеческой популяции. Экология человека и здоровье. Концепции здоровья. Генетический груз. Биологически обоснованные потребности и естественные права человека. Понятие среды обитания человека и определение ее качества. Основы биоэтики. Биологическая природа человека и социальные проблемы. Общество как живая самоорганизующаяся система. Биополитика.

Биосфера и цивилизация

Биосфера как продукт взаимодействия живого и косного вещества. Учение В.И. Вернадского о биосфере. Живое и биокосное вещество, их взаимопроникновение и перерождение в круговоротах вещества и энергии. Функциональная целостность биосферы. Современная экология, различные толкования терминов. Основные понятия и законы экологии. Популяции, сообщества, экосистемы и биосфера как уровни биологической организации. Формы биологических отношений в сообществах. Экологическая ниша; трофические цепи и сети, биопродуктивность. Экологические пирамиды. Экологическое равновесие. Гомеостаз экосистем, его механизмы. Эффекты самоочищения. Биосфера, ее эволюция и космические циклы. Ресурсы и условия среды, необходимые для жизни человека. Взаимозависимость всех биосферных процессов. Нелинейное моделирование в изучении биосферы. Жизнь как космическое явление и значение видового разнообразия для ее сохранения. Человек в биосфере. Экология человечества: проблемы демографии, развития технологической цивилизации, ресурсов биосферы. Антропогенное воздействие на природу. Нелинейные и парадоксальные эффекты антропогенных воздействий. Экологический кризис. Критерии кризиса и катастрофы. Доантропогенные и антропогенные кризисы. Принципы рационального использования природных ресурсов и охраны природы. Пути развития экономики, не разрушающей природу. Концепция “устойчивого развития” (экоразвития). Экологическое право. Что мы можем сделать для сохранения жизни на Земле? Истоки и пути преодоления современного экологического кризиса. Труды ученых Римского клуба. Сценарии будущего человечества. Синергетика и экологическое прогнозирование.

Основные концепции биологии и парадигмы нового мышления

Биология и культура. Образы, понятия, язык биологии в жизни современного человека. Биология XX века, развитие ее идей в России и за рубежом, их значение для культуры, технологии, медицины. Переоценка ценностей на пороге XXI столетия: необходимость перехода от парадигмы антропоцентризма к парадигме биоцентризма для сохранения жизни на Земле. “Благоговение перед жизнью” (А. Швейцер) как возможная этическая основа взаимодействия человека с биосферой.

Основные достижения современной биологии

Изменения представлений об устройстве мира живого в XX веке. Роль достижений биологических наук в продлении жизни, борьбе с болезнями, развитии биотехнологии, клеточная и генная инженерия, селекция, клонирование. Роль биологического знания в решении социальных проблем и сохранении жизни на Земле. Философское прочтение биологических законов: естественнонаучная, религиозная и эзотерическая картины мира.

Раздел IY. Эволюционно-синергетическая парадигма: синергетика

Междисциплинарность и синергетика

Введение

Междисциплинарные течения в науке XX века: теория колебаний, тектология, системный анализ, кибернетика, теория катастроф, синергетика. Понятия системы, обратных связей, цели, самоорганизации. Теория автоматического управления, робототехника, искусственный интеллект. Трансдисциплинарный резонанс в комплексных задачах: солнечно-земные связи, учение о биосфере и ноосфере, принцип дополнительности в культуре, универсальный эволюционизм, автопоэзис, теория сложности,


Начала эволюционно-синергетического мышления. Принципы синергетики

Креативная эволюционная триада и системный подход. Две концепции времени у Аристотеля. Четыре эволюционные фазы “Бытия” и “становления”. Принципы “Бытия”: а) гомеостатичность; б) иерархичность, теорема Пуанкаре о существовании аттракторов в диссипативных системах, примеры в природе и обществе, принцип иерархизации по временным масштабам и принцип подчинения Хакена, природные и социальные приложения, принципы “становления”, три “нЕ” - нелинейность, незамкнутость, неустойчивость; в) нелинейность - нарушение принципа суперпозиции, принцип целостности, непропорциональность отклика, достижимость границ; г) незамкнутость -неприменимость второго начала термодинамики, антиэнтропийные механизмы и возможность самоорганизации, образование аттракторов или режимов с обострением; д) неустойчивость - необходимое качество границы, сепаратрисы, неизбежность альтернатив, выбора, бифуркации; природные и социальные приложения; е) динамическая иерархичность (эмерджентность); ж) наблюдаемость, рождение и гибель структурных уровней, коллективные переменные - параметры порядка, круговая причинность; относительность категорий порядка и хаоса к масштабам наблюдения, бытие в становлении., организация коммуникативной связности системы, как когнитивный процесс; природные и социальные приложения.


Теория катастроф

Флаги катастроф. Философия нестабильности - от Пуанкаре до наших дней. Огрубленный взгляд на становление. Бифуркации и историчность развития.

Диалектика и теория катастроф: универсальность, признаки и предсказуемость катастроф. Признаки (флаги) катастроф: а) пороговость; б) бимодальность; в) неустойчивость по начальным данным (дивергентность); д) гистерезис; е) сенситивность (нелинейный отклик системы), природные и социальные приложения. Флаги предвестники: а) увеличение шумовых флуктуаций; б) замедление характерных ритмов системы (затишье перед бурей). Природные и социальные приложения. Наследственность, изменчивость, отбор в естествознании, роль флуктуаций. Бифуркационное дерево как модель эволюции природы, человека, общества.

Элементарные катастрофы. Элементарная теория катастроф Р. Тома и В. Арнольда. Топология складки и сборки, идеи структурной устойчивости, грубости, универсальности. Классификация элементарных катастроф. Принцип “лома”. Принцип хрупкости хорошего. Модели катастроф сборка: реальные газы, ферромагнетик, творческая личность, волнения в тюрьмах. Принцип максимального промедления и принцип Максвелла. Природные и социальные приложения.


Качественные методы в эволюционных задачах

Нелинейное моделирование

Общие принципы. Пространства состояний и динамическая модель. Пуанкаре -качественная теория дифференциальных уравнений. Как описать движение изнутри? Модель драйвера. Фазовый поток. Активные, консервативные, диссипативные системы. Метаморфозы структур. Диссипативные системы вдали от равновесия, Режимы с обострением. Особенности и аттракторы маломерных систем. Природные и социальные приложения. Простейшие модели. Радиоактивный распад, рост колоний бактерий и популяций, заполнение экологической ниши, рост народонаселения, информации. Преодоление режима с обострением за счет системных феноменов. Модель хищник - жертва в природе и обществе, анализ фазового портрета. Экологические модели и проблемы устойчивости, роль разнообразия видов. Прогноз в экономике, демографии, массовой культуре.

Динамический хаос

Общие свойства. Переходы порядок-хаос. Универсальные сценарии перехода к хаосу: перемежаемость, период 3, каскад удвоения периода Универсальность Фейгенбаума в биологии и экономике. Диаграммы Ламерея. Развитый хаос. Странные аттракторы в климатических моделях (Лоренц). Условие возникновения хаоса. Горизонт предсказуемости. Динамический хаос, как условие адаптивности системы: медицина, биология физика. Хаос, квант и проблема времени. Фракталы. Понятие фрактала, повсеместность фрактальных объектов в природе.

Фрактальная размерность, ее вычисление для простейших фракталов. Фрактальные структуры в динамическом хаосе, стохастичность и самоподобие. Компьютерная лекция -красота фракталов.

Самоорганизация

Самоорганизация в физике, химии, биологии, геологии, экологии (Галактика, Солнечная система, эволюция Земли, климат). Сравнительный анализ эволюционных теорий. Проблемы прогноза и самоидентифиикации в динамическом хаосе. Антикризисные стратегии. Сценарии преодоления кризисов: силовой, вероятностный, промежуточный. Динамический хаос и обобщенная рациональность. Самоорганизованная критичность. Фликкер шум, распределение Паретто. Коридоры прозрачности, русла и джокеры. Природные и социальные приложения.

Проблемы междисциплинарного синтеза

Синергетика и принципы гармонии. Восприятие звука, цвета, формы. Генезис золотых пропорций в системах с памятью. Метод ритмокаскадов: фрактальное моделирование сложных и иерархических систем (организм, государство, личность). Синергетика и информация. Принцип максимума информации. Клеточные автоматы. Нейрокомпьютер и перспективы искусственного интеллекта, распознавание образов. Границы дескриптивного описания о единстве культуры событийного языка. Когнитивные графы Фейнмана и грамматики Хомского. Заключение. О междисциплинарной методологии и принципах конвергенции естественнонаучного и гуманитарного знания, на пути к единой культуре. Универсальный эволюционизм и проблемы коэволюции сложных природных и социальных систем. Наука, философия и религия. Новые возможности диалога.


5. Лабораторный практикум

Не предусмотрен.

6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины


6.1. Рекомендуемая литература

а) основная литература:

1. Буданов В.Г., Мелехова О.П. Концепции современного естествознания. М., МГТУГА, 1998.
   
2. Дубнищева И.А. Концепции современного естествознания. Новосибирск, ЮКЭА, 1997.
   
3. Степин B.C., Кузнецова Л.И. Современная научная картина мира. М., Наука, 1997.
   

б) дополнительная литература:

1. Степин B.C. Философская антропология и философия науки. М., Высшая школа,1992.
   
2. Степин B.C. Естественнонаучное образование гуманитариев // Высшая школа России. 1994. № 1.
   
3. Курдюмов С.П., Князева Е.Н. Законы эволюции и самоорганизации сложных систем. М., Наука, 1994.
   
4. Капица С.П., Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г. Синергетика и прогнозы будущего. М., Наука, 1997.
   
5. Мелехова О.П., Буданов В.Г., Степин B.C. Современное естествознание - фундаментальная общеобразовательная дисциплина. Предложение к новому поколению ГОС. Тезисы конференции. Н. Новгород, 1999.
   
6. Фейнберг Е.Л. Две культуры. Интуиция и логика в искусстве и науке. М., Наука. 1999.
   
7. Купер Л. Физика для всех. М., Мир, 1973.
   
8. Девис П. Суперсила. М., Мир, 1989.
   
9. Капра Ф. Дао физики. СПб., ОРИС, 1994.
   
10. Небел Б. Наука об окружающей среде. Как устроен мир. М., Мир, 1993.
    
11. Пригожин И., Стенгерс И.. Порядок из хаоса. М., Мир, 1990.
    
12. Хакен Г. Синергетика. Гл 1. М., Мир, 1980.
    
13. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. М., Мир, 1990.
    
14. Моисеев Н.Н. Человек и ноосфера. М.: Прогресс. 1985.
    
15. Мелехова О.П. Биология в фундаментальном образовании гуманитариев // Биология, гуманитарные науки и образование. М., МГУ, 1997.
    
16. Мелехова О.П. Синергетика как общая методология современного образования в области наук о жизни // Синергетика. Т.2. М., МГУ, 1999.
    
17. Буданов В.Г. Эволюционно-синергетическая концепция естественнонаучного образования гуманитариев // Высшая школа России. 1994. № 4.
    
18. Буданов В.Г. Трансдисциплинарное образование и принципы синергетики. М., Прогресс-Традиция, 2000.
    
19. Аршинов В.И. Синергетика как феномен постнеклассической науки. М., ИФ РАН. 1999.
    

6.2. Средства обеспечения освоения дисциплины

Раздаваемые материалы (до 2 стр. на 1 час лекционных занятий). Слайды – иллюстрации лекционного материала и материалов практических занятий. Средства иллюстрации материала с использованием программного приложения Power Point.

Изучение курса осуществляется на лекциях и практических занятиях


7. Материально-техническое обеспечение дисциплины


Учебный класс, оснащенный оргтехникой и мультимедиа средствами (проектор, видеомагнитофон и др). Компьютерный класс.

8. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины

Методология курса состоит в восхождении по уровням организации эволюционизирующего материального мира к человеку как биопсихосоциальному существу, затем - к взаимодействиям биосферы и цивилизации. Практической целью было воспитание у студентов не только естественнонаучной культуры мышления, но и грамотного отношения к природе и живым существам, которое можно назвать бытовой экологической культурой.

Данная дисциплина является продуктом междисциплинарного синтеза. Поэтому ее эффективное преподавание возможно на основе применения единой эволюционно-синергетической парадигмы, способной объединить оба компонента культуры. Таким образом, возможно показать объективную закономерность развития научного знания, неизбежность смены типов научной рациональности и парадигм естествознания, объяснить потребность в целостной культуре в наше кризисное время.

Практическое занятие целесообразно проводить в компьютерном классе с использованием программы FRACTINT.

Перечень тем практических занятий:

• Парадигмальные модели в классической и неклассической физике.
  
• Жизненные циклы.
  
• Биосоциальные основы поведения.
  
• Биосфера, ее эволюция, ресурсы, пределы устойчивости.
  
• Принципы синергетики.
  
• Стратегии преодоления кризисов.
  
• Ноосфера.
  
• Философское прочтение биологических законов: естественнонаучная, религиозная и эзотерическая картина мира.
  

Программа составлена в соответствии с Временными требованиями к минимуму содержания и уровню подготовки дипломированных специалистов по направлению 658200 –Инноватика.


Программу составили:

Пауткина А.В., к.ф.-м.н., доцент каф. Физики (Московский государственный университет путей сообщения),

Дмитриев А.Г., докт. физ-мат.н., проф. (СПбГПУ).


Программа одобрена на заседании учебно-методического совета по направлению 658200 – Инноватика. Протокол № 1 от 01.03.2003 г.


Сопредседатель Совета УМО по университетскому

политехническому образованию Ю.С. Васильев


Председатель УМС по направлению 658200 – Инноватика И.Л. Туккель


Ученый секретарь С.П. Некрасов