Обучение физике в условиях постнеклассического развития естествознания 13. 00. 02 Теория и методика обучения и воспитания (физика)

Вид материала

Содержание

Решения математически эквивалентных задач на уроках химии и физики
Решение традиционное
Решение «физическое»
I· S1· τ1 ΔW2=5,1Дж Подставляя вместо I
Принцип подобия.
Правила правила правила правила правила суммирова- умножения возведения логарифми- расчёта
В четвёртой главе «Методика обучения основам постнеклассического естествознания студентов естественнонаучных факультетов»
В пятой главе «Педагогический эксперимент по проверке возможности качественного усвоения обучающимися основ неклассического и по

Подобный материал:

1 2 3

Первой, наиболее простой моделью, описывающей процессы самоорганизации системы в диссипативные структуры является брюсселятор, схема функционирования которого приведена на рис.2.

а х у

b а b z

e

Рис.2. Схема функционирования брюсселятора:

а, b – входящие компоненты, т.е. непрерывно поступающие в систему для поддержания их количества в системе постоянным;

z, e – исходящие компоненты, т.е. покидающие систему и являющиеся продуктами переработки входящих;

х, у – интермедиаты - промежуточные продукты переработки входящих компонентов.

Взаимодействие между компонентами брюсселятора описывается уравнениями:

k₁

a x (1)

k₂

b+x у + z (2)

k₃

2x + у 3 x (3)

k₄

х e (4)

Или суммарно

а + b z + e,

При этом, в процессе (2) х «порождает» у, в процессе (3) у «порождает» х (рис. 3), что и обуславливает неразрывную целостность их единства, когерентность существования.

х у

Рис.3. Схема когерентного (согласованного) синтеза интермедиатов в брюсселяторе.

Если в качестве системы рассматривать сознание учащегося и при этом подразумевать, что:

— компонентами а, b являются сведения, предоставляемые им на различных естественнонаучных дисциплинах;

— компонентами z, e – сведения, излагаемые учащимися при их аттестации (экзамен, контрольная работа, устный ответ);

— х – знания, усвоенные на предмете а;

— у – знания, усвоенные на предмете b,

то из уравнений, описывающих взаимодействие между компонентами (2) видно, что условием самоорганизации знаний, получаемых на разных естественнонаучных предметах, то есть условием формирования их неразрывной целостности, является активное использование преподавателем знаний учащихся, усвоенных на других предметах. Отчасти, именно поэтому первое направление синергетического подхода в образовании связывают с разработкой интегративных курсов.

Всю совокупность стадий информационного обмена, протекающих при обучении школьников или студентов, условно можно разделить на два этапа:

— энтропийный, представляющий собой возрастание информационной энтропии

за счёт поступления компонентов а и b в сознание учащихся;

— синергетический, представляющий самоорганизацию знаний учащихся (х и у), сопровождающуюся формированием компонентов z и е.

Однако, эти этапы настолько взаимосвязаны, что в дальнейшем будут рассматриваться как аспекты (составляющие) единого энтропийно-синергетического процесса. Подход, выделяющий энтропийную стадию синергетического процесса в отдельный объект исследования, предлагается воспринимать как энтропийно-синергетический; обучение, реализующее энтропийно-синергетический подход, – энтропийно-синергетическим обучением. Объективная потребность в координации обучения различным предметам обсуждается педагогами уже давно. Между тем, несмотря на обилие публикаций о необходимости интеграции различных естественнонаучных дисциплин и даже появление нового предмета «Естествознание», содержание их преподавания продолжает сопровождаться столь существенными несогласованностями, что требует разработки специальной методологии, позволяющей контролировать эти несогласованности и устранять их.

В частности: для решения математически эквивалентных задач школьникам до сих пор предлагаются совершенно нескоординированные подходы на

уроках физики и химии (табл.1), при изучении пространственного строения метана на уроках химии не принимается во внимание отсутствие к этому моменту у школьников даже элементарных знаний по стереометрии, при обучении на уроках биологии химическому составу клетки не учитывается, что к изучению органической химии учащиеся ещё только начинают приступать и т.д.

Приведённые примеры лишь обозначают весьма значительную эклектичность в содержании школьного естественнонаучного образования, для устранения которой требуется единая, теоретически обоснованная методология. Современная теория информации оказалась неприспособленной для роли теоретической основы такой методологии, поскольку, будучи разработанной для решения конкретных технических задач, ограничилась проведением аналогии между количеством информации и энтропией, отказавшись от попыток анализа закономерностей функционирования знания, памяти и сознания.

Поэтому, для рассмотрения процессов информационного обмена, лежащих в основе всякой образовательной деятельности, в качестве альтернативы теории информации предлагается энтропийно-синергетический подход, постулаты которого приведены в таблице 2.

Результаты использования энтропийно-синергетического подхода к анализу процессов информационного обмена свидетельствуют о том, что знание представляет собой не только синергетическую систему (рис.2), но обладает всеми признаками живой системы.

Действительно, если подразумевать, что жизнь – это совокупность процессов, обеспечивающих сохранение гомеостаза, развитие и размножение системы, то для обоснования представлений о знании как живой системе необходимо показать способность знания к:

— сохранению гомеостаза;

— развитию;

— и размножению.

Таблица 1

Решения математически эквивалентных задач на уроках химии и физики

пределить массу алюминия, израсходованного на получение 5,1 г оксида алюминия, если молярная масса алюминия 27 г/моль, молярная масса оксида алюминия 102 г/моль.

Решение традиционное

4Al + 3O₂ 2Al₂O₃

Вариант 1

Дано:

k₁= 4 моль Исходя из пропорции:

k₂= 2 моль m(Al)/m(Al₂O₃)₌

M(Al)= 27 г/моль =k₁M(Al) / k₂М(Al₂O₃)

М(Al₂O₃)=102 г/моль находим искомую ве-

m(Al₂O₃) = 5,1 г личину:

m(Al)-?

m(Al)= m(Al₂O₃)·M(Al)·k₁ / М(Al₂O₃)·k₂

m(Al)=5,1 г·27 г/моль·4 моль / 102 г/моль·2 моль

m(Al)= 2,7 г

Менее удобным представляется вариант решения задачи с помощью величины молярной массы эквивалента (М_Э).

Вариант 2

Согласно закону эквивалентов:

m(Al)₌m(Al₂O₃) · М_Э(Al) / М_Э(Al₂O₃)

где М_Э(Al) и М_Э(Al₂O₃) – молярные массы эквивалентов Al и Al₂O₃соответственно. Для решения подобных задач этим способом учащемуся необходимо знать способы определения молярных масс эквивалентов для всех классов химических соединений. В данном случае:

М_Э(Al) = М(Al)/3; М_Э(Al₂O₃) = М(Al₂O₃)/6

m(Al)= 6·m(Al₂O₃)· М(Al)/ 3·М(Al₂O₃)

m(Al)=6 · 5,1 г · 27г/моль / 3·102 г/моль

m(Al)= 2,7 г

Решение «физическое»

q = m(Al₂O₃) / М(Al₂O₃)·k₂

Где величину q можно назвать приведённым количеством вещества (оксида алюминия).

m(Al) = q·М(Al)·k₁

m(Al) = m(Al₂O₃)·М(Al)·k₁/ М(Al₂O₃)·k₂

m(Al)=5,1 г·27 г/моль·4 моль / 102 г/моль·2 моль

m(Al)= 2,7 г

Определить значение электромагнитной энергии, прошедшей за 4 секунды через площадь волновой поверхности 27 м², если за 2 секунды через площадь волновой поверхности 102 м² прошло 5,1 Дж.

Решение

Д

ано:

τ₁= 4 с I= ΔW₂/ S₂·τ₂, где

τ₂= 2 с I – плотность потока элек-

S₁= 27 м² тромагнитного излучения

S₂=102 м² ΔW₁ = I· S₁· τ₁

Δ

W₂=5,1Дж Подставляя вместо I её

ΔW₁-? значение, получим:

ΔW₁ = ΔW₂· S₁· τ₁/ S₂·τ₂

ΔW₁ = 5,1 Дж· 27м²· 4 с / 102м²·2 с

ΔW₁ = 2,7 Дж

Таблица 2

Постулаты энтропийно-синергетического подхода

№ пп	Постулат
1.	Принцип подобия. Закономерности мышления, обмена знаниями и информацией аналогичны физическим, в частности, термодинамическим закономерностям вещественно - энергетического обмена, наблюдающимся в энтропийно - синергетических процессах.
2.	Аналогом вещества, измеряемого массой и количеством, является информация, обладающая информационной массой и информационным количеством.
3.	Аналог пространственно-временного континуума - сознание и память.
4.	Аналог количественной характеристики пространства (объёма) – величина l₁l₂l₃, где l₁- количество кодов, воспринимаемых сознанием, l₂ - количество кодов расшифровываемых сознаниеми, l₃ - количество воспринимающих сознаний (сознание – тоже код). То есть расширение сознания – это, прежде всего, увеличение способности превращать информацию в знание.
5.	Аналогом внутренней энергии является взаимодействие информации с сознанием и памятью.

Первое из этой триады перечисленных свойств проявляется во всех вещественных синергетических системах как процесс их самоорганизации, сохраняющий постоянство колеблющегося значения энтропии этих систем, открытых для обмена веществами и энергией. То есть, при увеличении энтропии системы в результате поступления вещества или энергии извне, процессы самоорганизации возвращают значение энтропии к исходному состоянию – уменьшают её, в том числе за счёт выделения продуктов взаимодействия z, e (рис.2). Однако, если в качестве системы рассматривается сознание учащегося, то формирование компонентов z, e (сведений, излагаемых учащимися при их аттестации) не уменьшает её энтропию, поскольку, как известно, при передаче субъектом своих знаний собеседнику, собственные знания субъекта не убывают. Поэтому, представляло интерес рассмотрение особенностей явлений, стабилизирующих энтропийные процессы при информационных обменах.

Как известно, энтропию можно рассматривать в качестве меры беспорядка. То есть, чем бóльшее количество элементов невещественной системы (сведений, информации, знаний) объединены связующими и системообразующими сведениями (знаниями, информацией), тем меньшей энтропией располагает система (рис. 4, 5)

ПЕРИОДИЧЕСКИЙ

ЗАКОН

ЭЛЕМЕНТ1 ЭЛЕМЕНТ 2 ….. ЭЛЕМЕНТ 51 ЭЛЕМЕНТ 52

Рис. 4. Схема систематизации знаний системообразующими сведениями на примере периодического закона Д.И. Менделеева

ПРАВИЛА ПРАВИЛА ПРАВИЛА ПРАВИЛА ПРАВИЛА СУММИРОВА- УМНОЖЕНИЯ ВОЗВЕДЕНИЯ ЛОГАРИФМИ- РАСЧЁТА

НИЯ В СТЕПЕНЬ РОВАНИЯ рН

Рис. 5. Пример последовательности связующих знаний. Правила умножения являются связующими между правилами суммирования и правилами возведения в степень; правила возведения в степень связывают правила умножения и правила логарифмирования; правила логарифмирования объединяют правила возведения в степень и правила расчёта рН.

При восприятии (отражении) сознанием новой информации, не связанной с накопленными знаниями связующими или системообразующими сведениями, энтропия знания возрастает. Интеграция этой новой информации в систему уже имеющихся знаний с помощью дополнительно поступивших связующих или системообразующих сведений приводит к уменьшению энтропии. Таким образом, самоорганизация при обучении происходит за счёт связующих или системообразующих сведений.

Хотя синергетические системы обладают свойством, аналогичным гомеостазу, однако, другими признаками жизни – способностью к развитию и размножению – многие вещественные диссипативные структуры не обладают.

При рассмотрении же такой невещественной диссипативной структуры как знание, оказывается, что она обладает всеми признаками живой системы.

Действительно, способность знания к развитию достаточно очевидна. Знание человека и Человечества на протяжении всего времени существования непрерывно углубляется, уточняется, расширяется. Размножение также не вызывает сомнений, если под этим понятием подразумевать увеличение количества носителей знания.

Таким образом, приведённый выше анализ позволяет утверждать, что любое знание представляет собой не просто самоорганизованную, но невещественную живую систему, способную к сохранению гомеостаза, развитию, и размножению. То есть, в основе информационных обменов лежат законы, аналогичные законам, обеспечивающим жизнедеятельность организмов. Подобно тому, как носителем вещественной жизни является тело, носителем невещественной жизни является сознание. Аналогом пищи, поглощаемой организмами, является информация, воспринимаемая сознанием; аналог веществ, выделяемых организмами – источники информации, т.е. искусственные коды, воспринимаемые визуально или на слух. Но в отличие от организмов, невещественные живые системы при формировании источников информации (звуковых или письменных) не теряют свою энтропию. Единственным процессом, уменьшающим энтропию подобных невещественных живых систем, является интеграция информации с помощью связующих или системообразующих сведений.

Восприятие знания как живой системы позволяет сформулировать дополнительные условия для реализации некоторых требований, предъявляемых к информации, предназначенной для учащихся. В частности, очевидно, что потребляемая знанием пища (информация) должна быть усваиваемой (т.е. интегрируемой в систему уже потреблённых знаний) и развивающей (т.е. подготавливающей формирующийся организм к среде взрослого обитания).

Хотя приведённые требования к процессу обучения известны в дидактике достаточно давно, однако, общепризнанного подхода, обеспечивающего эффективное усвоение знаний и определяющего направление развития учащихся, до настоящего времени нет, что приводит к существенной несогласованности в преподавании различных дисциплин и возрастанию разрыва между уровнем достижений современного естествознания и уровнем их преподавания.

В качестве методологии, позволяющей эффективно координировать содержание различных естественнонаучных предметов, а также устранять несогласованности между различными темами одной дисциплины предлагается энтропийно-синергетическое сканирование учебного процесса, заключающееся в трёх основных этапах:

Собственно сканирование – систематический просмотр изучаемых тем, поиск и исследование нарушений логики последовательности изложения материала, которые могут возникать как внутри одной дисциплины, так и между различными дисциплинами (энтропийная составляющая),
Ликвидация несогласованностей – разработка способов, методов и методик устранения обнаруженных нарушений с помощью связующих и системообразующих сведений;
Систематизация – поиск возможностей интеграции предлагаемого учащимся материала, позволяющей воспринимать разрозненные сведения аспектами единого целого (синергетическая составляющая).

Использование предлагаемой методологии представляет собой дополнительное условие, обеспечивающее эффективное усвоение, предлагаемых учащимся сведений.

Например, перед тем как приступить к обучению способам решения химических задач преподавателю целесообразно провести собственно сканирование уже освоенных учащимися способов решения задач физических и математических. В результате обнаружится серьёзная несогласованность в подходах к решению математически эквивалентных задач на уроках физики и химии (табл.1). После чего преподавателю необходимо перейти ко второму этапу сканирования – разработке способов, методов и методик устранения обнаруженных нарушений с помощью связующих и системообразующих сведений. В данном случае, таковыми сведениями могут служить:

— понятие «приведённое количество вещества», представляющее собой отношение количества вещества к соответствующему стехиометрическому коэффициенту в уравнении химической реакции;

— и следствие закона эквивалентов, гласящее, что приведённые количества всех веществ химической реакции равны между собой (табл.1).

После этого желательно реализовать и третий этап энтропийно-синергетического сканирования, которому посвятить, хотя бы небольшой фрагмент урока, где подчеркнуть единство математических закономерностей, описывающих явления физические и химические.

В третьей главе «Обучение основам неклассической физики студентов естественнонаучных факультетов как предпосылка для формирования нелинейного мышления постнеклассического естествознания» приводится учебный материал, излагающий основы неклассического естествознания, предназначенный для студентов естественнонаучных факультетов высших учебных заведений, а также обоснование актуальности использования именно этого материала на лекциях и практических занятиях по физике. Предлагается однозначный критерий классификации этапов развития естествознания, позволяющий дифференцировать их на классический, неклассический и постнеклассический уровни.

Принципиальное понимание необходимости сокращения разрыва между эволюционно-синергетическим уровнем единства современной картины мира (рис.1) и классическим уровнем обучения естественно-математическим дисциплинам заставляет искать ответ на практический вопрос о конкретном содержании материала, предлагаемого преподавателям в процессе повышения их квалификации, а затем учащимся, для осмысления современных достижений естествознания. И поиски эти оказываются очень непростыми. Внедрение в частные дисциплины материалов, иллюстрирующих принципы синергетики,

В.Г. Буданов считает отдельным направлением синергетического подхода. Однако, представляется целесообразным обучение основам постнеклассического естествознания предварять изложением фундаментальных принципов неклассического мировоззрения. Между тем, осмысление разницы между классической и неклассической наукой возможно только при умении читать знаменитое уравнение гравитационного поля общей теории относительности А. Эйнштейна. А это означает необходимость обучать на уроках математики тензорному исчислению, геометрии Римана, работе с операторами и 4-мерным пространством. Практикуемые сегодня в школах рассказы о теории относительности, в которых преобразования Лоренца нередко преподносятся как открытия А. Эйнштейна, не выводят сознание учащихся за рамки классического мышления. С другой стороны, освоение математических основ общей теории относительности требует неподъёмного для школы объёма часов, и под силу уже только студенту. Для того, чтобы подняться до уровня постнеклассической науки учащимся необходимо освоить некоторые подходы к решению нелинейных дифференциальных уравнений, требующих умения пользоваться специальными компьютерными программами. А пока, даже выпускники естественнонаучных факультетов (нефизических специальностей), владеют лишь евклидовой геометрией и математическими операциями XVII века. Пусть не полностью устранить, но хотя бы сократить этот разрыв, сложившийся в результате традиционного воспроизводства традиционных знаний, необходимость давно назрела.

Кроме того, многие исследователи последних лет утверждают, что широчайшее использование синергетических терминов зачастую оказывается неадекватным их значениям при описании явлений социальных, этических, психологических, т.е. не относящихся к естественнонаучным процессам. Некорректные аналогии часто оказываются результатом простого непонимания естественно-математической сути, обеспечивающей функционирование физико-химических диссипативных структур. И всё потому, что использование соответствующей терминологии стало уже показателем современной научной культуры, владение которой, практически обязательно надо демонстрировать. Создаётся впечатление, что синергетика – это просто мода, и она рано или поздно пройдёт. Но не проходит. Потому что это не мода, а новый, постнеклассический уровень естествознания, осваивать который предстоит всем, желающим развивать современную науку – однажды открытые законы уже никогда не закрываются. Преодоление противоречия, возникшего между степенью востребованности синергетической терминологии и уровнем её усвоения возможно при максимально широком и доступном освещении содержания самых первых работ по синергетике. Приведённые в предыдущем разделе, примеры использования методологии энтропийно-синергетического сканирования, целесообразной и возможной в рамках естественно-математического профиля средней общеобразовательной школы, позволяют улучшить качество классического образования, но не поднимают его до неклассического и постнеклассического уровня. Осуществлять этот подъём предлагается на лекциях и практических занятиях по физике, на всех естественных факультетах высших учебных заведений, включая химический и биологический, что, к сожалению, пока, не предусмотрено федеральным компонентом соответствующих государственных стандартов.

В качестве однозначного критерия, позволяющего разделить классический, неклассический и постнеклассический уровни естествознания можно выбрать совокупность особенностей восприятия учёными различных эпох, четырёх, условно выделенных компонентов действительности: пространства, времени, события и наблюдателя.

В классическом естествознании, сформированном И. Ньютоном,

Р. Декартом, Р. Бойлем, пространство представляет собой протяжённость, в которой располагаются объекты и происходят наблюдаемые события, а время – длительность, относительно которой измеряются эти события, в том числе процессы эволюции. Пространство, время, событие и наблюдатель рассматриваются как четыре независимых друг от друга компонента действительности.

В неклассическом естествознании А. Эйнштейна, В. Гейзенберга,

восприятие пространства и времени оказывается результатом взаимодействия субъекта (наблюдателя) и объекта (пространства и времени). При этом все явления описываются относительно наблюдателя, для которого время представляет собой инвариантное расстояние (времениподобный интервал), являющееся функцией расстояния, преодолеваемого фотоном в вакууме. Принципиальное различие между пространством и временем исчезает, они оказываются аспектами единого четырёхмерного пространственно-временнóго континуума, восприятие свойств которого зависит от состояния наблюдателя (субъекта). В частности, для наблюдателя, находящегося в состоянии равномерного движения относительно какого-либо предмета, многие свойства этого предмета (размеры, время, масса), оказываются функцией скорости движения наблюдателя. Для наблюдателя, воспринимающего:

— массу, пространственно-временной континуум вокруг этой массы искривлён;

— точные координаты движущейся элементарной частицы, оказывается неопределяемым её импульс;

— точное значение импульса этой частицы, оказываются неопределяемыми её координаты и т.д.

Прошлое, настоящее и будущее рассматриваются неклассическим естествознание как различные участки четырёхмерного континуума (независимого от событий, в нём протекающих), вселенная – как замкнутая самодостаточная система. Из условно выделенных четырёх компонентов действительности (пространство, время, событие, наблюдатель), объединёнными в одно, единое целое оказались только три: пространство, время, наблюдатель. Неклассическое естествознание не противоречило классическому – все уравнения И. Ньютона оказались частным случаем уравнений теории относительности А. Эйнштейна. То есть неклассическое естествознание представляло собой углубление традиционных представлений о действительности. Открытие статистического характера поведения элементарных частиц, не меняло представлений об эволюции как субъективном восприятии предсказуемого движения в четырёхмерном пространствено-временнóм континууме, потому что реализация этого статистического поведения приводила на макроуровне к детерминистистическим законам. Разработка теории кручения пространства (торсионного поля) также ведётся в рамках углубления неклассической физики.

Постнеклассическое естествознание, основоположниками которого считаются И. Пригожин и Г. Хакен, обнаружило ограниченность Эйнштейновского понимания пространства и времени – открыло способность материи к процессам, направление развития которых, начиная с определённого момента (точки бифуркации) становится многовариантным, а выбор конкретного варианта оказывается принципиально непредсказуемым для наблюдателя. Причём, возможным вариантом нередко оказывается самоорганизация системы (эволюция) в динамичный макрообъект, структурированный в пространстве и времени. Сам процесс такой эволюции также зачастую включает в себя несколько точек бифуркации. Таким образом, свойства прошлого и будущего в постнеклассическом естествознании становятся существенно различными. Если прошлое определяется изучением пройденного пути, то будущее оказывается объективно вероятностным и точно не предсказуемым в принципе, оно оказывается разветвлённым. Эволюция и эволюционное время, с рассмотренных позиций, представляются движением от одной точки бифуркации к другой. Представления о пространстве-времени неклассической физики оказываются применимыми только в интервале между точками бифуркации, где царствуют детерминистические законы. Вблизи точки бифуркации четырёхмерный континуум проявляет новое свойство, не рассматриваемое теорией относительности А.Эйнштейна и являющееся прерогативой постнеклассического естествознания – свойство пространственно-временного ветвления, которым правит Его Величество Случай. Пространственно-временнόй континуум Вселенной оказывается для наблюдателя вещественно-энергетических процессов не только искривлённым и, возможно, скрученным, но также разветвлённым, а Вселенная воспринимается открытой для случайных воздействий. При этом под разветвлённостью пространственно-временнóго континуума подразумевается множественность решения нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих конкретные физико-химические процессы, т.е. множество вариантов эволюции события, из которых реализуется только один. Поскольку направление времени представляет собой конкретное событие, выбранное в точке бифуркации из множества возможных других, то исчезает различие между временем и событием. Направление времени оказывается конкретным событием в точке бифуркации. Возникает необходимость говорить не только о пространственно-временнóй протяжённости, но о едином пространственно-событийно-временнóм континууме, в котором будущее разветвлено. Таким образом, постнеклассическое естествознание объединило в одно, неразрывное целое все четыре условно выделенных компонента действительности: пространство, время, событие и наблюдателя.

Хотя представления постнеклассического естествознания не противоречат взглядам А. Эйнштейна, однако уравнения, описывающие синергетические процессы отнюдь не сводятся к формулам теории относительности и, практически, пока, не сопоставимы. Таким образом, можно утверждать, что постнеклассический уровень естествознания не столько углубляет, сколько расширяет наши представления о картине мира по сравнению с уровнем неклассическим.

Содержание учебных занятий, рекомендуемое для освоения основ неклассического естествознания включает в себя:

— понятие кривизны (линии, поверхности, пространства), как связующее знание между классическим и неклассическим естествознанием;

— тензоры в ортонормированных системах координат;

— неэвклидовы пространства (Минковского, Римана).

Основы постнеклассического естествознания предлагается изучать на примере традиционных моделей – брюсселятора, орегонатора, ячеек Бенара. Для анализа нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих их поведение, рекомендуется использовать широко распространённые компьютерные программы типа «Mathematica» (например, версия «Mathematica 5»). Помимо этого, предлагается обсудить возможность применения синергетического подхода к формированию учебного процесса на примере организации работы аспирантуры.

Кроме того, в процессе повышения квалификации преподавателей вузов для дальнейшего обучения ими студентов естественнонаучных факультетов представляется целесообразным сопоставление уровней естествознания с различными картинами мира, предлагавшимися учёными различных эпох. В частности, можно констатировать, что:

— классическое естествознание предлагало механическую и электродинамическую картины мира;

— неклассическое естествознание предложило релятивистскую и квантово - полевую картины мира;

— постнеклассическое естествознание предложило эволюционно – синергетическую картину мира,

Хотя предлагаемый материал не включён в федеральный компонент государственного образовательного стандарта для нефизических специальностей естественнонаучных факультетов, однако, он может быть использован в качестве вузовского компонента преподавания общих математических и естественнонаучных дисциплин, предусмотренного для химических, биологических и геологических специальностей.

Справедливости ради следует ещё раз отметить, что некоторые фрагменты сведений об основах общей теории относительности и синергетики попадают на страницы даже школьных учебных пособий. Однако, все они представляют собой попытку представить неклассическое и постнеклассическое естествознание классическим языком, оправдываемую стремлением к доступности изложения. Между тем, для реального овладения новыми уровнями естествознания учащимся, а прежде этого педагогам, следует овладевать языком этих уровней, благодаря которому только и возможно качественно иное мышление. Массово тиражируемый сегодня перевод достижений неклассической и постнеклассической науки на язык классический мало способствует повышению уровня мышления, предоставляя для восприятия преимущественно образные, внешние картинки действительности, внутри которых остаётся спрятанной суть объектно-субъектного единства.

В четвёртой главе «Методика обучения основам постнеклассического естествознания студентов естественнонаучных факультетов» подчёркивается, что достаточно глубокое усвоение основ постнеклассического естествознания, включающих соответствующий математический аппарат, возможно на уровне естественнонаучных факультетов высших учебных заведений на лекциях и практических занятиях по физике. Целесообразно использовать проблемный подход, уже доказавший свою эффективность в многолетней педагогической практике большого числа преподавателей самых разных специальностей.

Целью предлагаемого курса является сокращение разрыва между постнеклассическим уровнем достижений современной науки и классическим уровнем обучения естествознанию; содержание обучения включает в себя описание синергетических процессов, подчиняющихся нелинейным дифференциальным уравнениям; основными методами обучения являются проблемный подход и компьютерное моделирование; в качестве средств обучения в данном случае предлагается использовать учебное пособие «Шепель, О.М. Основы неклассического и постнеклассического естествознания: учебное пособие / О.М. Шепель. – Томск: Томский ЦНТИ, 2007. – 120с.», а также компьютерные программы, позволяющие рассчитывать интегральные выражения и строить графики по заданным уравнениям;

- формы обучения традиционные: лекции, лабораторные практикумы, семинары, самостоятельная работа студентов.

Отличительной особенностью проблемного обучения основам постнеклассического естествознания является акцентирование внимания студентов на том, что перед ними ставится не только, а, может быть и не столько, учебная проблема, но, прежде всего научная. И постановка этой проблемы начинается с самого определения синергетики. На первом же занятии рекомендуется заметить, что общепринятого определения синергетики до сих пор нет. Каждый исследователь и каждый автор соответствующего учебного пособия излагает свою формулировку, как правило, не претендуя на её абсолютную точность. Не претендует на неё и определение, непосредственно предлагаемое слушателям курса: синергетика – это наука, изучающая процессы самоорганизации открытых систем в диссипативные структуры. К концу курса каждому из студентов предлагается дать своё определение синергетики, которое, по его мнению, будет более точно отражать суть изученного им явления. Кроме того, желательно сделать акцент, что важнейшее условие признания достоверности эксперимента – его качественная и количественная воспроизводимость – оказывается не всегда применимым к процессам получения диссипативных структур. Одним и тем же исходным условиям эксперимента могут соответствовать разные результаты! Поскольку студентами последнее утверждение воспринимается как голословное и не находящее подтверждения в повседневной практике, то сразу же следует подчеркнуть, что оно является исключительной прерогативой постнеклассического естествознания и весь последующий материал станет подтверждением его справедливости. При этом, перед студентами можно сформулировать ещё одну научную проблему, решение которой каждый из них может предложить по окончании изучения курса: что определяет конкретное направление течения процесса, описываемого уравнением, имеющим несколько решений? Так как, обучающиеся, приступая к изучению постнеклассического естествознания, выходят за пределы жёстко детерминированных законов, то, необходимо предварительно систематизировать их представления о вероятностности каких либо событий, предложив классифицировать непредсказуемость некоторых событий на:

- объективную вероятностность поведения элементарных частиц;

- субъективную вероятностность, возникающую в результате незнания начальных условий;

- объективную вероятностность поведения макрообъектов

Другой особенностью курса являются высокие требования, предъявляемые:

— к техническому обеспечению студентов современными компьютерами, а также программами, позволяющими рассчитывать интегральные выражения и строить графики по заданным уравнениям;

— к уровню математических и компьютерных компетенций студентов, приступающих к изучению курса.

Особенности функционирования синергетических систем рассматриваются на примере брюсселятора, орегонатора, Ячеек Бенара. Завершать курс предлагается сравнением современной эволюционно-синергетической картины мира с физическими картинами мира предыдущих эпох: механической, электродинамической, релятивистской, квантово-полевой. А также сопоставлением приведённых картин мира с уровнями естествознания (классическим, неклассическим, постнеклассическим), констатируя что:

— классическое естествознание предлагало механическую и электродинамическую картины мира;

— неклассическое естествознание предложило релятивистскую и квантово-полевую картины мира;

— постнеклассическое естествознание предложило эволюционно- синергетическую картину мира.

В пятой главе «Педагогический эксперимент по проверке возможности качественного усвоения обучающимися основ неклассического и постнеклассического естествознания» приводятся условия и результаты педагогического эксперимента, проводимого с целью проверки возможности качественного усвоения:

— методологии энтропийно-синергетического сканирования преподавателями (слушателями курсов повышения квалификации);

— основ неклассического и постнеклассического естествознания студентами естественнонаучных факультетов;

— нетрадиционных связующих и системообразующих сведений учащимися средних и средних специальных учебных заведений.

При осуществлении экспериментальной работы решались следующие задачи:

подобрать адекватный диагностический инструментарий для проверки качества усвоения материала, предлагаемого обучаемым;
разработать диагностические материалы, позволяющие осуществлять тестовый контроль за усвоением:

— нетрадиционных связующих и системообразующих сведений учащимися средних и средних специальных учебных заведений;

— основ неклассического и постнеклассического естествознания студентами естественнонаучных факультетов;

— методологии энтропийно-синергетического сканирования слушателями курсов повышения квалификации (преподавателями);

проверить качество усвоения предлагаемого обучаемым материала с помощью подобранного диагностического инструментария и доказать принципиальную возможность применения методологии энтропийно-синергетического сканирования в процессе обучения естественнонаучным дисциплинам.

Педагогический эксперимент осуществлялся в период с 2003 по 2008 гг. в несколько этапов (разработка концепции, составление рабочих программ, разработка конкретного содержания отдельных тем составленных программ, выбор диагностического инструментария, практическая работа в экспериментальных группах).

Для оценки качества усвоения предлагаемого материала помимо традиционного опроса, использовались задачи входного, рубежного и итогового контроля, являющиеся элементами модели непрерывной диагностики знаний учащихся (рис. 6.).

Рис. 6. Модель непрерывной диагностики знаний учащихся

Обработка результатов входного, рубежного и итогового контроля была автоматизирована с помощью компьютерной программы ПОРТ (программа обработки результатов тестирования), генерирующей задания и формирующей для каждого учащегося индивидуальный бланк-билет. Для введения ответов непосредственно в бланке предусмотрены специальные окна. Результаты тестирования переносились с бланков в программу, обрабатывались и представлялись в виде таблиц и гистограмм. Бланк-билет включал в себя пять заданий различной трудности, степень которой оценивалась баллами (от двух до десяти). При этом максимальное суммарное количество баллов за абсолютно правильные ответы на весь билет составляло 20. Перевод баллов в традиционную оценку проводился по следующей шкале:

«отлично» 18 – 20 баллов

«хорошо» 16 – 17 баллов

«удовлетворительно» 12 – 15 баллов

«неудовлетворительно» менее 12 баллов

Процедура контроля состояла из двух этапов: традиционного опроса по теоретическому материалу пройденного курса и последующего решения задач, предлагаемых в билете.

Таблица 3

Успеваемость (в %) контрольной и экспериментальной группы учащихся 10 класса физико-математического профиля лицея при ТПУ (по 105 человек), изучавших тему «Физические поля» в объёме 32 часа. Обучение проводилось с 2003 по 2008 год. Ежегодно по 21 человеку в каждой группе.

Группа Оценка		Контрольная группа	Экспериментальная группа
отлично	Традиционный опрос	8	8
отлично	Тестирование	10	6
хорошо	Традиционный опрос	35	28
хорошо	Тестирование	30	32
удовлетво- рительно	Традиционный опрос	45	50
удовлетво- рительно	Тестирование	52	50
неудовлетво- рительно	Традиционный опрос	12	14
неудовлетво- рительно	Тестирование	8	12

Интересно отметить, что при удовлетворительном усвоении материала

учащимися общеобразовательных, средних специальных и высших учебных заведений (таблица 3, рис.7, 8) наблюдалась хорошая корреляция между результатами опроса и решения задач. Оценка статистической достоверности различий показателей успеваемости учащихся при традиционном опросе и тестировании, осуществляемая с использованием критерия Пирсона (

) на базе статистического пакета statistica 6.0 показала, что достоверных различий на входном контроле, текущих рубежах и итоговом контроле нет, то есть статистический уровень значимости (p) во всех случаях превышает минимально допустимый уровень значения 0,05 (р>0,05).

Аналогичная корреляция наблюдалась и при диагностике знания методологии энтропийно-синергетического сканирования, полученного слушателями курсов повышения квалификации на базе Института инженерной педагогики Томского политехнического университета (таблица 4). Однако, качество усвоения материала слушателями курсов оказывается значительно выше. Важно подчеркнуть, что аналогичные результаты получались и при тестировании знания методологии энтропийно-синергетического сканирования, полученного слушателями курсов повышения квалификации системы среднего образования (Томский областной институт повышения квалификации и переподготовки работников образования) и начального профессионального образования (Учебно-методический центр начального профессионального образования администрации Томской области).

РРис.7. Гистограмма успеваемости учащихся (108 человек) Томского областного музыкального училища им. Э.В. Денисова при изучении ими курса естествознания с использованием материалов учебного пособия «Шепель, О.М. Естественникум: учебное пособие / О.М. Шепель, А.О. Рассказова. – Томск: Томский ЦНТИ, 2006. – 220 с.» в объёме 144 часов. Обучение проводилось с 2004 по 2008 год. Ежегодно по 27 человек:

- традиционный опрос; - тестирование.

Blog

Обучение физике в условиях постнеклассического развития естествознания 13. 00. 02 Теория и методика обучения и воспитания (физика)

Содержание