Обучение физике в условиях постнеклассического развития естествознания
На правах рукописи
ШЕПЕЛЬ ОЛЕГ МИХАЙЛОВИЧ
ОБУЧЕНИЕ ФИЗИКЕ В УСЛОВИЯХ
ПОСТНЕКЛАССИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
13.00.02 – Теория и методика обучения и воспитания (физика)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
доктора педагогических наук
Челябинск – 2008
Диссертация выполнена в Институте теории образования Томского государственного педагогического университета
| Научный консультант: | доктор педагогических наук, профессор, Минин Михаил Григорьевич |
| Официальные оппоненты: | доктор педагогических наук, профессор Усольцев Александр Петрович доктор педагогических наук, профессор Карасова Ирина Степановна |
| доктор педагогических наук, профессор Румбешта Елена Анатольевна | |
| Ведущая организация: | Санкт-Петербургская Академия постдипломного педагогического образования |
Защита состоится 21 января 2009 года в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.295.02. при ГОУ ВПО «Челябинский государственный педагогический университет» по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. Ленина 69, ауд.116.
С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки
ГОУ ВПО «Челябинский государственный педагогический университет».
Автореферат разослан « » 200 года
Ученый секретарь диссертационного совета,
доктор педагогических наук, профессор В.С. Елагина
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследования. Конечной целью любой инновационной разработки в учебном процессе является повышение качества образования. При этом общепризнанного толкования самого понятия «качество образования» до сих пор нет. Выходом из сложившейся ситуации может стать признание относительности этого понятия, заключающееся в констатации изменения его значения при изменении положения «наблюдателя» – заданного норматива.
Так, качество Российского образования относительно государственных стандартов достаточно высокое – контроль над соответствием результатов обучения и предписанных эталонов не прекращался даже в самые разрушительные годы перестройки. Качество же образования относительно достижений современной науки оставляет желать лучшего. В частности, естествознание, оттолкнувшись от классического уровня И. Ньютона, Р. Декарта уже преодолело неклассический уровень А. Эйнштейна, В. Гейзенберга и достигло постнеклассического уровня И. Пригожина, Г. Хакена. Между тем, школьное, вузовское и послевузовское естественнонаучное образование остаются до сих пор на уровне классическом. То есть качество образования относительно достижений современного естествознания следует признать неудовлетворительным. Таким образом, понятие «качество образования» приобретает смысл только при указании «наблюдателя» (стандарта), относительно которого это качество рассматривается.
Для устранения противоречия в оценке качества образования различными наблюдателями – в данном случае государственными стандартами и постнеклассическим естествознанием – необходимо совместить их позиции, а именно поднять уровень освящённых государством эталонов до уровня достижений современной науки. Однако, вряд ли целесообразно педагогам бездеятельно ждать, пока этот подъём состоится. Даже вузовские стандарты, помимо федерального компонента, предусматривают в структуре обучения вузовский (национально-региональный) компонент, позволяющий преподавателю использовать его по своему усмотрению, в том числе для сокращения всё возрастающего разрыва между эволюционо-синергетическим уровнем единства современной картины мира и классическим уровнем сегодняшнего преподавания естественно-математических дисциплин. Поскольку объективация субъекта возможна только после субъективации объекта, то есть, в данном случае обучение школьников и студентов неклассическому и постнеклассическому естествознанию педагогом возможно только после обучения педагога неклассическому и постнеклассическому естествознанию, то соответствующий новый, непривычный учебный материал, предназначенный, в конечном итоге, для учащихся, должен быть, прежде всего, усвоен в полном объёме преподавателем. Разработка содержания этого материала представляет собой весьма непростую задачу. Хотя некоторые фрагменты сведений об основах общей теории относительности и синергетики попадают на страницы 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 качестве варианта выхода из сложившейся ситуации, сегодня предлагается синергетический подход к естественнонаучному образованию, заключающийся не только в обучении основам постнеклассической науки, но также в развитии междисциплинарной интеграции, способствующей формированию представлений о неразрывной целостности естественнонаучной картины мира в сознании учащихся, и осуществляемой через установление межпредметных связей (МПС). По мнению многих учёных (А.В. Усова, И.С. Карасова, В.С. Елагина, В.Н. Максимова, И.Д. Зверев, С.А. Старченко, А.И. Гурьев и др.) МПС выступают как мощный фактор установления и постоянного укрепления связи между всеми предметами и науками, позволяющий создавать своеобразный потенциал для будущего совершенствования конкретных наук и научной картины мира и тем самым носят эвристический характер. Это позволяет использовать МПС и в качестве средства организации развивающего обучения, и как условие успешности развития научных знаний, и как метод поиска новых закономерностей, и как метод учебного познания, раскрывающий перед учащимися путь исследования мира.
Принцип межпредметных связей, по мнению А.И. Гурьева, должен находить своё выражение:
– в проектировании научных знаний на учебный процесс с учётом преемственных связей;
– в согласовании учебных программ, понятий, законов и теорий;
– в осознании учебного предмета в общей системе наук, системности научных знаний и в построении системных обобщённых знаний с учётом связей между отдельными науками (учебными дисциплинами), теориями, научными картинами мира, позволяющими восстанавливать единство мира и формировать диалектическое концептуальное мышление;
– в определении направленности развития научных знаний и в обеспечении формирования современного стиля мышления с учётом дифференциации и интеграции наук;
– в соединении принципа развития с всеобщим принципом единства мира и в преобразовании межпредметных связей в «связи развития»;
– в снятии главного противоречия между целостным представлением о мире и частным его видением с позиции отдельной науки;
– в управлении мыслительными процессами, которые должны выходить за пределы формальных предметных знаний.
Согласно В.Н. Максимовой, А.В. Усовой, Н.Е Кузнецову, М.А.Шаталову к функциям межпредметных связей относятся:
– методологическая (межпредметные связи обогащают методологический аппарат учителя и делают обучение более фундаментальным);
– образовательная (на основе интеграции предмета со смежными дисциплинами происходит формирование систем обобщённых предметных и общепредметных естественнонаучных знаний и умений);
– развивающая (интеллектуальные способности школьников получают должное развитие, если учитель направляет обучение дисциплине на приобретение умений устанавливать взаимосвязь между знаниями разнообразных учебных дисциплин);
– воспитывающая (формирует научное мировоззрение);
– конструктивная (способствует сотрудничеству учителей разных предметов.
К общедидактическим приёмам реализации межпредметных связей И.Д. Зве- рев и В.И. Максимова относят: постановку межпредметных вопросов, решение комплексных и межпредметных задач, выполнение межпредметных домашних заданий, контрольных работ, использование комплексных наглядных пособий, решение межпредметных учебных проблем.
Стремление придать завершённую форму многочисленным и значительным усилиям по согласованию содержания различных предметов привели к появлению новой интегративной дисциплины «Естествознание». Но, несмотря на чётко обозначенные функции и общедидактические приёмы реализации МПС, единой методологии, позволяющей системно осуществлять координацию преподавания, по сей день не существует, поэтому новый предмет стал ещё одной дисциплиной, отдельные темы которой нуждаются в серьёзном согласовании с традиционными темами физики, химии, биологии, математики. Важнейшей причиной отсутствия такой методологии является недостаточная теоретическая база, которая позволила бы осмыслить закономерности интенсивного информационного обмена между педагогом и учащимися и использовать их для совершенствования учебного процесса, в том числе для гармонизации процессов междисциплинарной интеграции. Общеизвестная теория информации не может служить таковой базой, поскольку, согласно её основным положениям, количество информации представляет собой всего лишь величину, являющуюся функцией измеряемого количества знаков, кодирующих сведения, и вероятности их использования. Эта теория является исторически первой попыткой установления аналогии между закономерностями мышления и естественнонаучных явлений. На основании сходства между уравнением Л. Больцмана и формулой для расчёта количества информации К. Шеннона в ней постулируется тождественность энтропии и количества информации. Но, названная теория, разработанная для решения конкретных технических задач, оказывается совершенно неприменимой к живым системам, к которым предлагается относить и знание. Кроме того, теория информации так и осталась асимметричной по отношению к естественнонаучным законам, поскольку в её рамках не удалось установить аналогий с другими фундаментальными понятиями естествознания, тесно связанными с энтропией, такими как энергия, температура, масса, количество вещества, время, пространство.
Таким образом, к настоящему времени отчётливо обозначились противоречия между:
– эволюционно-синергетическим уровнем единства современной картины мира и классическим уровнем обучения физике;
– всеобщим признанием необходимости интеграции, координации обучения различным предметам естественнонаучного цикла, и отсутствием методологии, позволяющей учителям системно осуществлять эту координацию в образовательном процессе;
– интенсивностью информационного обмена между педагогом и учащимися, с одной стороны, и недостаточностью теоретического осмысления закономерностей этого обмена, с другой.
Выделенные противоречия обусловили актуальность выбранной проблемы исследования, включающей вопросы теоретического и методологического характера:
– как сократить всё возрастающий разрыв между классическим содержанием физического образования и постнеклассическим уровнем достижений современной науки?
– каким образом сформировать методологическое обеспечение междисциплинарной интеграции, являющейся одним из аспектов синергетического характера учебного процесса?
– какие фундаментальные естественнонаучные законы лежат в основе процессов информационного обмена, сопровождающих обучение?
Важность и актуальность рассматриваемой проблемы послужили основанием для определения темы исследования «Обучение физике в условиях постнеклассического развития естествознания».
Цель исследования – разработка теоретических основ процесса информационного обмена, позволяющих сформировать методологию координации обучения физике с обучением другим естественнонаучным дисциплинами и создающих предпосылки для повышения уровня обучения до уровня современного постнеклассического естествознания.
Объект исследования – процесс обучения физике на основе достижений постнеклассического этапа развития естествознания.
Предмет исследования – содержание физического образования, определяющее уровень обучения естественнонаучным дисциплинам.
Гипотеза исследования: качество обучения физике и другим естественнонаучным дисциплинам относительно достижений современного естествознания повысится, если:
- при обучении учащихся общеобразовательных школ и средних специальных учебных заведения будет использоваться методология, позволяющая формировать восприятие отдельных дисциплин: физики, химии, биологии, математики, как аспектов неразрывного целого, условно разделяющих единую неделимую действительность;
- при обучении студентов естественнонаучных факультетов в программы по физике, независимо от приобретаемой специальности, будут включены:
– основы неклассического естествознания, включая язык тензорных исчислений, представления о пространстве Г. Минковского и Б. Римана, гравитационное уравнение А. Эйнштейна;
– основы постнеклассического естествознания, состоящие не только в феноменологическом описании синергетических процессов, но также в изучении нелинейных дифференциальных уравнений, которым эти процессы подчиняются;
- при повышении квалификации преподавателей естественнонаучных дисциплин слушателям соответствующих курсов будет предлагаться:
– методология, позволяющая формировать в сознании учащихся восприятие отдельных предметов как различных аспектов единой действительности,
– самостоятельная разработка методик обучения, основанная на указанной методологии;
– синергетические подходы к обучению, активно развивающиеся в последние годы;
- обучение физике будет опираться на достаточно глубоко разработанные теоретические представления о закономерностях процессов информационного обмена между педагогом и обучающимся.
Для достижения поставленной цели и проверки выдвинутой гипотезы были сформулированы следующие задачи:
1. Исследовать теоретический материал и накопленный практический опыт по межпредметной интеграции, изучить современные представления о закономерностях процессов восприятия информации.
2. Определить особенности информационного обмена в процессе обучения физике и другим естественнонаучным дисциплинам одной и той же группы слушателей.
3. Обосновать методологию координации обучения физике с обучением другим естественнонаучным дисциплинам, применимую для любого образовательного стандарта.
- Разработать:
– учебные пособия, предназначенные для преподавателей и учащихся средних, средне-специальных учебных заведений и реализующие предложенную методологию;
– учебное пособие, предназначенное для преподавателей и учащихся высших учебных заведений, излагающее основы неклассического и постнеклассического естествознания.
- Оценить качество знаний, приобретаемых посредством разработанных пособий, с помощью традиционного опроса и специально разработанных диагностических материалов.
Методологическую основу исследования составили идеи, принципы, методы и подходы общенаучной методологии, гносеологии, науковедения: идеи историзма, целостности, взаимосвязи научного и философского познания, динамичной структуры научного познания (В.И. Вернадский, В.С. Стёпин, Я. А. Коменский, И.Г. Песталоцци, Б.М. Кедров, А.К. Сухотин, В.А. Дмитриенко и др.), идея синергетической природы общественно-исторического процесса научного познания (Г. Хакен, И. Пригожин, Г. Николис, И. Стенгерс, С.П. Капица, Г.Г. Малинецкий, Е.Н. Князева, С.П. Курдюмов, Н.М. Таланчук, А.А. Ворожбитова, Е.Г. Пугачёва, Л.Я. Зорина, О.Н. Фёдорова и др.), синергетические подходы к обучению (О.Н. Астафьева, Т.С. Назарова, Г.И. Рузавин, И.С. Карасова, А.П. Усольцев и др.), методы педагогической синергетики (М.А. Весна, М.А. Фёдорова, В.Г. Бондарев и др.), принципы системно-синергетического подхода к анализу и организации учебного процесса (В.И. Андреев, В.И. Аршинов, В.Г. Буданов, Л.Ю. Калинин, Ю.Л. Климонтович, О.Н. Козлова, Д.И. Трубецков, П.И.Третьяков, С.С. Шевелёва, М.Г Кучеренко, Ю.К. Махно, В.Г. Виненко, Ю.В. Талагаев, Н.Н. Моисеев и др.), методы диагностики качества обучения (В.С. Аванесов, Н.А. Гулюкина, М.Б. Челышкова, А.Н. Майоров, М.Г. Минин и др.), методы и подходы к обучению физике на основе межпредметной интеграции (К.Д. Ушинский, В.С. Леднёв, И.Д. Зверев, Н.Г. Занько, В.Н. Максимова, Д.П. Ерыгин, Н.Е. Кузнецова, О.Ф. Кабардин, М.А. Шаталов, А.И. Гурьев, М.Н. Берулава, C.Н. Бабина, В.Я. Синенко, В.С. Елагина, М. Д. Даммер, И.С. Карасова, А.В. Усова, А.С. Старченко, О.А. Яворук и др.). Частные вопросы теории и методики обучения физике анализируются в работах: С.Н. Бабиной, В.А. Бетева, С.В. Бубликова, Г.Д. Бухаровой, Н.Е. Важеевской, Т.Н. Гнитецкой, Г.М. Голина, Г.Г. Гранатова, М.Д. Даммер, Ю.И. Дика, Л.Я. Зориной, П.В. Зуева, В.А. Ильина, С.Е. Каменецкого, С.А. Старченко, Н.В. Шавроновой, О.Р. Шеффер,О.А. Яворука и др.
Теоретической базой исследования явились фундаментальные работы в области философии образования (Б.С. Гершунский, С.И. Гессен, В.В. Краевский, И.Я. Лернер Б. Саймон и др.), дидактики (В.С. Безрукова, В.И. Загвязинский, Л.Я. Зорина, В.С. Леднёв, И.Я. Лернер, М.Н. Скаткин, Н.Ф. Талызина и др.), теории оптимизации процесса обучения (Ю.К. Бабанский, В.П. Беспалько, П.М. Эрдниев, В.А. Черкасов и др.), теории учебно-познавательной деятельности (Дж. Брунер, П.Я. Гальперин, Ж. Пиаже и др.), теорий развивающего, проблемного, личностно-ориентированного обучения (В.И. Андреев, В.В. Гузеев, В.В. Давыдов, Л.В Занков, М.И. Махмутов, В.В Сериков, И.С. Якиманская и др.), теории педагогического образования (Б.Т. Лихачёв, П.И. Пидкасистый, И.Ф. Харламов и др.).
Теоретические методы исследования включали теоретический анализ и синтез, абстрагирование и конкретизацию, аналогию и моделирование. Эмпирические методы представляли собой проведение опытной педагогической работы, педагогического эксперимента, а также изучение:
— философской, науковедческой, психологической и методологической литературы;
— стандартов естественнонаучного образования и подготовки педагогических кадров;
— методических и учебно-программных документов.
Научная новизна исследования:
— разработаны теоретические основы процессов информационного обмена, создающие предпосылки для повышения уровня обучения до современного постнеклассического уровня, предлагающие воспринимать знание, как синергетическую живую систему, потребляющую, производящую и систематизирующую информацию. Информационный обмен рассматривается как процесс, аналогичный естественнонаучным процессам вещественно-энергетического обмена, обеспечивающим функционирование живых систем;
— выделены в качестве отдельных элементов учебного процесса системообразующие, связующие сведения и знания, активное использование которых при обучении физике способствует формированию у школьников и студентов целостной естественнонаучной картины мира;
— предложена методология энтропийно-синергетического сканирования содержания физического образования, позволяющая эффективно координировать обучение физике с обучением другим дисциплинам и регулировать процессы их интеграции.
Теоретическая значимость исследования:
— получили дальнейшее развитие все три направления синергетического подхода к учебному процессу: синергетика для образования, синергетика в образовании, синергетика образования. В рамках первого направления, предполагающего разработку интегративных курсов обучения, реализована методология энтропийно-синергетического сканирования, позволившая устранить замеченные противоречия между математикой, физикой, химией и биологией, а также внутридисциплинарные несогласованности между различными темами любого из перечисленных школьных предметов. В соответствии со вторым направлением, характеризующимся внедрением в учебный процесс материалов, иллюстрирующих принципы синергетики, разработаны рабочая программа, учебное пособие курса по изучению основ неклассического и постнеклассического естествознания, предназначенного для преподавателей и студентов, обучающихся по естественнонаучной специальности. В рамках третьего направления, предусматривающего синергетичность самого процесса обучения, предложена синергетическая модель организационной структуры послевузовского образования. В частности, рассматривается возможность одновременного использования двух конкурирующих организационных подходов к подготовке кандидатов наук при аспирантуре (руководитель аспиранта – доктор наук и руководители аспиран-
та – два кандидата наук), ведущая к более активному участию молодых учёных в процессе послевузовского обучения, оптимальному сочетанию влияний на формирование исследовательских кадров учёных различных поколений;
— обоснованы целесообразность и важность эффективного контроля за энтропийной составляющей синергетического учебного процесса, заключающейся в отсутствии связующих и системообразующих сведений, объединяющих различные темы и дисциплины в одно единое, неразрывное целое;
— предложен критерий – восприятие пространства, времени, события, наблюдателя учёными различных эпох – позволяющий разделять классический, неклассический и постнеклассический уровни естествознания. В классическом естествознании пространство, время, событие и наблюдатель рассматриваются как четыре независимых друг от друга компонента действительности. В неклассическом естествознании восприятие пространства и времени оказывается результатом взаимодействия субъекта (наблюдателя) и объекта (пространства и времени). Все явления описываются с точки зрения наблюдателя, для которого пространство и время являются аспектами единого пространственно-временного континуума, искривляющегося под действием массы. Из условно выделенных четырёх компонентов действительности (пространство, время, событие, наблюдатель), объединёнными в одно, единое целое оказались только три: пространство, время, наблюдатель. Постнеклассическое естествознание открыло свойство пространственно-временного ветвления. Направление времени оказывается конкретным событием в точке бифуркации. Возникает необходимость говорить не только о пространственно-временнй протяжённости, но о едином пространственно-событийно-временнм континууме, в котором будущее разветвлено. При этом эволюционные процессы рассматриваются как частный случай процессов синергетических, а пространство, время, событие и наблюдатель как аспекты единого целого.
Практическая значимость работы заключается в том, что содержащиеся в диссертации и авторских публикациях научные результаты исследования нашли применение при создании научно-методического и содержательного обеспечения постдипломного образования педагогических кадров, обучающих естественно-математическим дисциплинам в средних общеобразовательных, профессиональных и высших учебных заведениях сибирского региона. В частности:
— содержание послевузовского образования преподавателей математики, предлагаемое в учебно-методическом центре (УМЦ) областного управления начального профессионального образования администрации Томской области формировалось в значительной мере с применением методологии энтропийно-синергетического сканирования учебного процесса и использованием учебного пособия по математике, разработанного на основе этой методологии;
— учителя естественнонаучных дисциплин: физики, химии, биологии, повышающие квалификацию в УМЦ, обучаются по программе «Естественнонаучные основы математики» и учебному пособию «Естестенникум» разработанным также на основе методологии энтропийно-синергетического сканирования;
— преподаватели естественно-математических дисциплин высших учебных заведений, повышающие квалификацию в Институте инженерной педагогики Томского политехнического университета, обучаются по программе «Релятивистская и эволюцинно-синергетическая картины мира» с использованием учебного пособия «Основы неклассического и постнеклассического естествознания», позволяющего сократить разрыв между постнеклассическим уровнем достижений современной науки и классическим уровнем их преподавания;
— изложенное в диссертационной работе представление о знании как живой системе предлагается преподавателям естественно-математических дисциплин высших учебных заведений в процессе повышения их квалификации в Институте инженерной педагогики Томского политехнического университета;
—предложенная в диссертации методология энтропийно-синергетического сканирования позволяет непрерывно осуществлять интеграцию естественнонаучных дисциплин даже в условиях меняющихся образовательных стандартов и учебных пособий.
Исследование проводилось в 4 этапа:
На поисковом этапе (2001-2003 гг.) анализировалась педагогическая, дидактическая, научно-методическая, философская литература, связанная с темой диссертационного исследования; сопоставлялся уровень достижений современного естествознания с содержанием естественнонаучного образования в средних, средних специальных и высших учебных заведениях. Изучался синергетический подход к образовательной деятельности, а также предпосылки к синергетическому подходу – многочисленные работы по теории и практике междисциплинарных связей. Сопоставлялась динамика междисциплинарного взаимодействия в образовании с динамикой междисциплинарного взаимодействия в науке. Обнаружилось недостаточное внимание к серьёзному отражению достижений неклассического и постнеклассического естествознания в учебном процессе.
На экспериментально-формирующем этапе (2003-2004 гг.) разрабатывались предложения по дополнению содержания отдельных общеобразовательных тем физики, химии, математики конкретными связующими и системообразующими сведениями, позволяющими устранить несогласованности в практике обучения этим дисциплинам. Проводились педагогические эксперименты в среднем и среднем специальном учебном заведении с целью проверки возможности качественного усвоения предложенных нетрадиционных связующих и системообразующих сведений учащимися средних и средних специальных учебных заведений. При оценке качества усвоения учащимися предлагаемых им материалов помимо традиционного опроса, использовались задачи входного, рубежного и итогового контроля, являющиеся элементами модели непрерывной диагностики знаний учащихся.
На экспериментально-обучающем этапе (2004-2006 гг.) студенты высшего учебного заведения обучались основам неклассического и постнеклассического естествознания по материалам, разработанным с целью сокращения разрыва между классическим уровнем обучения естественным наукам и постнеклассическим уровнем достижений современного естествознания. На курсах повышения квалификации преподавателям естественнонаучных дисциплин предлагалось освоить методологию энтропийно-синергетического сканирования, позволяющую контролировать и устранять несогласованности обучения различным естественнонаучным дисциплинам. В обоих случаях (при обучении студентов и при повышении квалификации преподавателей) экспериментальная оценка качества усвоения предлагаемых материалов осуществлялась при сочетании традиционного опроса и задач входного, рубежного, итогового контроля.
На заключительном этапе (2006-2008 гг.) производилась корректировка основных положений исследования, обобщались и систематизировались материалы педагогического эксперимента, формулировались выводы, завершалась работа над диссертацией.
Экспериментальная база исследования: Томский политехнический университет, Институт инженерной педагогики Томского политехнического университета, Томский государственный педагогический университет, лицей при Томском политехническом университете. В отдельных аспектах исследования были задействованы: Томский областной институт повышения квалификации и переподготовки работников образования (ТОИПКРО), учебно-методический центр областного управления начального профессионального образования администрации Томской области, Томское областное музыкальное училище.
На защиту выносятся:
- Положение о несоответствии содержания современного классического естественнонаучного образования постнеклассическому уровню достижений современной науки, сложившемся в результате традиционного воспроизводства традиционных знаний. Классическое естествознание, сформированное И. Ньютоном, Р. Декартом, Р. Бойлем, остаётся для обучаемых главным источником научных сведений о явлениях окружающей действительности. Неклассическое естествознание, основанное А. Эйнштейном, В. Гейзенбергом, излагаемое достаточно специфическим математическим языком, оказывается практически доступным узкому кругу специалистов. Попытки представить неклассическое естествознание классическим языком, оправдываемые стремлением к доступности изложения, мало способствуют повышению уровня мышления, предоставляя для восприятия преимущественно образные, внешние картинки действительности, внутри которых остаётся спрятанной суть объектно-субъектного единства. Обучение постнеклассическому естествознанию, зародившемуся в 20 веке благодаря трудам И. Пригожина, Г. Хакена, ограничивается феноменологическим описанием синергетических процессов и определениями основных понятий синергетики, не затрагивая уникальных свойств нелинейных дифференциальных уравнений, которым подчиняются все синергетические процессы.
- Теоретические представления об информационных обменах, как процессах, подчиняющихся естественнонаучным закономерностям вещественно-энергетических превращений. Закономерности мышления, обмена знаниями и информацией оказываются аналогичными физическим, в частности, термодинамическим закономерностям вещественно-энергетического обмена, наблюдающимся в энтропийно-синергетических процессах.
- Методология энтропийно-синергетического сканирования содержания естественнонаучных дисциплин, включающая в себя следующие этапы:
— собственно сканирование (энтропийная составляющая) – систематический просмотр изучаемых тем, поиск и исследование нарушений логики последовательности изложения материала, которые могут возникать как внутри одной дисциплины, так и между различными дисциплинами;
— ликвидация несогласованностей – разработка способов, методов и методик устранения обнаруженных нарушений с помощью связующих и системообразующих сведений;
—систематизация (синергетическая составляющая) – поиск возможностей интеграции, предлагаемого учащимся материала, позволяющей воспринимать разрозненные сведения аспектами единого целого.
- Теоретические представления о варианте развития трёх направлений синергетического подхода к учебному процессу: синергетика для образования, синергетика в образовании, синергетика образования. Первое направление (синергетика для образования) предполагает разработку интегративного обучения различным естественнонаучным дисциплинам, которая может осуществляться на основе методологии энтропийно-синергетического сканирования. Второе направление (синергетика в образовании) характеризуется внедрением в частных дисциплинах материалов, иллюстрирующих принципы синергетики. При этом математическое описание даже таких простейших синергетических систем как брюсселятор, орегонатор, ячейки Бенара, может быть предложено только студентам естественнонаучных факультетов. Третье направление (синергетика образования) предусматривает синергетичность самого процесса образования.
- Критерий, позволяющий педагогам и учащимся однозначно разделять классический, неклассический, постнеклассический уровни естествознания, и представляющий собой совокупность особенностей восприятия пространства, времени, события, наблюдателя учёными различных эпох.
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-временнго континуума, восприятие свойств которого зависит от состояния наблюдателя (субъекта).
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. 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. Пространственно-временнй континуум Вселенной воспринимается современным наблюдателем вещественно-энергетических процессов не только искривлённым, но также разветвлённым, а Вселенная оказывается открытой для случайных воздействий. Возникает необходимость говорить не только о пространственно-временнй протяжённости, но о едином пространственно-событийно-временнм 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.
Достоверность результатов обеспечивается исходными методологическими и теоретическими позициями исследования, соответствующими его целям и задачам; концептуальной непротиворечивостью положений и выводов диссертации основным положениям современной дидактики и методологии педагогики; репрезентативностью данных, полученных в ходе педагогического эксперимента; апробацией результатов исследования.
Апробация и внедрение результатов исследования. Результаты исследования внедрены в практику в виде изданных учебных пособий и учебных программ, используемых в процессе обучения учащихся средних, средних специальных и высших учебных заведений, а также в процессе повышения квалификации преподавателей системы среднего, начального профессионального и высшего образования. Основные положения работы обсуждались на следующих конференциях:
— международных: «Формирование научной картины мира Человека XXI века» (Горно-Алтайск, 2006), «Модернизация профессионального послевузовского образования: теория и практика подготовки научно-педагогических кадров» (Томск, 2006), «Управление качеством образования: проблемы непрерывного образования» (Екатеринбург, 2006), «Интеграция Казахстана в мировую систему образования: перспективы развития, проблемы и пути их преодоления» (Республика Казахстан, Талдыкорган, 2006); «Формирование научной картины мира Человека XXI века» (Горно-Алтайск, 2007); « X Российско- Американская научно-практическая конференция по актуальным вопросам современного университетского образования» (Санкт-Петербург, 2007);
— всероссийских: «Непрерывное педагогическое образование: качество, проблемы, перспективы», (Томск, 2002), «Х Всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Наука и образование» (Томск, 2006); «Актуальные проблемы модернизации химического и естественнонаучного образования» (Санкт-Петербург, 2008);
— межрегиональных и региональных: «Проблемы инженерного образования» (Томск, 2003), «Новые педагогические технологии в вузе» (Шадринск, 2006), «Музыкальное искусство: из века ХХ в век ХХI» (Томск, 2006).
Структура работы определялась задачами исследования и последовательностью их решения. Диссертация состоит из: введения, пяти глав, заключения, библиографии, приложений.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, выделены противоречия, сформулирована проблема исследования, определены объект, предмет, цель и задачи исследования, предложена гипотеза, представлена методологическая база исследования, сформулированы положения, выносимые на защиту, обоснованы научная новизна, теоретическая и практическая значимость результатов работы.
В первой главе «Междисциплинарная интеграция в науке и образовании» анализируется богатый опыт исследования интеграционных процессов в естествознании и учебном процессе, которые сегодня воспринимаются как одно из проявлений синергетических свойств социальной системы. Сопоставляется динамика согласования научных направлений с динамикой взаимодействия различных учебных дисциплин. Рассматриваются классификации и функции межпредметных связей, их место в картине синергетического единства образовательного пространства, методики скоординированного обучения различным учебным предметам. Прослеживается развитие понятийного аппарата синергетических подходов к анализу образовательных процессов, в том числе терминов, не получивших, пока, всеобщего признания: «педагогическая синергетика», «ценностно-синергетический подход», «синергизм», «системно-синергетический подход» и др. Выделяются основные направления синергетических подходов.
При рассмотрении соотношения процессов междисциплинарной дифференциации и интеграции, до недавнего времени выделяли три основные стадии развития научного познания: синкретическую, классическую и неклассическую. Первая стадия относится к античной науке. В это время происходит становление научного познания. Оно ещё не дифференцировано, не расчленено, находится в синкретическом состоянии. Наука только зарождается, она заменяет мифологию, пытается постичь окружающий мир, заменить слепую веру знанием. Знания в античный период не развиты, и стремление постичь то, что лежит в основе мироздания, реализуется во многом наивными путями. Знаковыми представителями этой стадии можно назвать Пифагора (6 в. до н.э) и Аристотеля (384-322 до н.э.). Будучи разделёнными во времени друг от друга почти на три столетия, они одинаково целостно воспринимали науку, искусство и религию.
Второй этап развития науки ознаменовался её дифференциацией на отдельные отрасли. Именно на этом этапе, в ответ на потребность измерения земельных площадей, возникли арифметика и геометрия, механика развилась в ходе работы по созданию приспособлений для поднятия тяжестей и откачки воды. Появление физиологии и биологии обусловлено развитием сельскохозяйственной практики. Особенно быстрое «отпочкование» частных наук от синкретического знания, роль которого играла философия, происходило в эпоху Возрождения.
Дифференциация наук длилась почти до середины XIX столетия.
А.П. Суханов считает, что противоположного явления – интеграции наук – в это время не наблюдалось. Аналогичной точки зрения придерживается
Б.М. Кедров. Согласно его взглядам, в аналитическую, или дифференциальную, стадию своего развития познание вступило в эпоху Возрождения, когда начался процесс массового отпочкования от ранее нерасчленённой или слабо расчленённой науки древних отдельных научных дисциплин – чтобы исследовать частности, надо было вычленить их из общей связи. Возникала современная наука в собственном смысле этого слова: сначала естествознание (математика, физика, химия, биология и т.д.), а несколько позднее обществоведение (политэкономия, социология, демография и т.д.). Так возникали первые и вместе с тем базовые единицы научного знания… При этом между самими дисциплинами практически не было внутренних или непосредственных контактов.
Однако, В.С. Стёпин, рассматривая конкретные примеры, сделал вывод, что на протяжении всей истории развития наук, их дифференциация всегда сопровождалась интеграцией. В то же время, интеграция не препятствовала дальнейшей дифференциации наук, но более того обусловливала её.
Разработка А. Эйнштейном теории относительности, благодаря которой обнаружилась зависимость свойств пространства, времени и вещества от состояния наблюдателя (субъекта), а также возникновение квантовой химии, квантовой механики, заставили отказаться от классического восприятия науки, сформированного И. Ньютоном, Р. Декартом, Р. Бойлем. Наука перестала быть классической. Она стала неклассической. Объединение разрозненных явлений в единую естественнонаучную картину стало основной тенденцией исследований. Интеграционная мощь новой стадии естествознания проявилась в восприятии неразрывной целостности: пространства, времени, гравитации, массы.
Современный этап развития науки, обусловленный изучением синергетических закономерностей действительности во всех её проявлениях, является четвёртой постнеклассической стадией, в которой создаются новые предпосылки формирования единой научной картины мира (рис.1). Зарождение этого этапа связывают с именами И. Пригожина, Г. Хакена и др. По мнению академика Н. Н. Моисеева «Всё наблюдаемое нами, всё, в чём мы сегодня участвуем, это лишь фрагменты единого синергетического процесса». Важной особенностью синергетических процессов является то, что они всегда характеризуются возникновением нового качества в системе, состоящей из взаимодействующих между собой элементов любой природы, поэтому программной установкой синергетики является поиск общих идей, общих методов, общих закономерностей процессов самоорганизации в самых различных областях естественнонаучного, технического и гуманитарного знания.
Количество
информации
Пост-
некласси-
ческая
наука
Некласси-
ческая
наука
Класси-
ческая
наука
Синкрети-
ческая
наука
Время
Рис. 1. Экспоненциальный рост количества информации, вырабатываемой научными исследованиями, от времени.
Открытие современным естествознанием синергетического единства картины мира привело к необходимости формирования синергетического подхода к преподаванию естественнонаучных дисциплин, который призван отразить достижения современной науки в учебном процессе.
Параллельно формированию постнеклассического естествознания, в дидактике накапливались предпосылки для рождения педагогической синергетики – многочисленные разработки по теории и практике междисциплинарных связей:
— обосновывалась объективная необходимость отражать в учебном познании реальные взаимосвязи объектов и явлений природы и общества;
— классифицировались по видам, типам и уровням существующие и разрабатываемые межпредметные связи;
— подчёркивались обучающая, развивающая, воспитывающая и мировоззренческая функции междисциплинарных связей, их положительное влияние на формирование системы научных знаний и общее умственное развитие ученика;
— разрабатывались методики скоординированного обучения различным учебным предметам, предпринимались попытки готовить учителя к осуществлению междисциплинарных связей на практике;
— определялось место междисциплинарных связей в картине синергетического единства образовательного пространства.
В настоящее время при рассмотрении интеграционных образовательных процессов разделяют междисциплинарные связи и внутридисциплинарные связи. Подчёркивается, что учебную дисциплину по фундаментальной науке следует рассматривать как систему, в которой каждый элемент связан непосредственно с другими элементами, благодаря чему достигается максимальное число внутридисциплинарных связей, содействующих формированию научного знания и отвечающего ему типа мышления. Внутридисциплинарные связи являются системообразующими связями в содержании учебной дисциплины.
Важность использования междисциплинарных связей при системном подходе к образовательному курсу вытекает из рассмотрения учебной дисциплины как элемента системы дисциплин, предлагаемых учащемуся в течение некоторого интервала времени обучения.
Междисциплинарные (межпредметные) связи исполняют роль системообразующих связей между изучаемыми дисциплинами и усиливают мотивацию изучения данной дисциплины. Междисциплинарные связи чётче показывают учащимся границы изучаемой науки и места соприкосновения со смежными
науками, а также повышают степень многосторонности рассмотрения изучаемого объекта.
В рамках синергетического подхода в образовании В.Г. Будановым были выделены три направления: синергетика для образования (интегративные курсы по завершению очередного цикла обучения), синергетика в образовании (внедрение в частные дисциплины материалов, иллюстрирующих принципы синергетики), синергетика образования (синергетичность самого процесса образования). Наметилась тенденция формирования на основе синергетического подхода и педагогической синергетики новых самостоятельных направлений исследования педагогических процессов: системно-синергетический подход (Ю.К Махно, В.Г. Виненко, Кучеренко М.Г. О.Н. Козлова, П.И. Третьяков,
И.Б. Сенновский ), ценностно-синергетический подход (В.В. Маткин), синергизм (И.В. Роберт).
Обозначились попытки применения синергетического подхода к управлению развитием образования (В.Г. Рындак), выражающиеся в обосновании необходимости: резонансного возбуждения внутренних потенций личности, создания нелинейных ситуаций открытого диалога при оценке результатов принятых решений, признания равноценности прямой и обратной связи, комбинирования методов экспертизы качества образования, спонтанного нарастания сложности требований, наличия вероятностных, статистических связей субъектов и объектов управления.
При сопоставлении динамики интеграционных процессов в науке и образовании, преодолевающих классический, неклассический и постнеклассический этапы развития, обнаружилось особенно недостаточное внимание к серьёзному отражению достижений неклассического естествознания в учебном процессе. Освоив дидактические принципы освещения фундаментальных классических представлений о физике, химии, биологии, математике, современные педагогические исследования сосредоточились на разработке принципов обучения
постнеклассическому естествознанию, минуя тернии неклассической науки.
Кроме того, приходится констатировать, что развивающиеся сегодня в рамках или на основе синергетического подхода дидактические направления не рассматривают важной составляющей синергетики – энтропийных колебаний самоорганизующейся системы, учёт которых при анализе содержания образования может пролить дополнительный свет на закономерности учебного процесса.
Во второй главе «Проблема несогласованности обучения дисциплинам естественно-математического цикла в общеобразовательных учреждениях» содержится описание предлагаемой диссертантом методологии, позволяющей эффективно координировать между собой содержание естественно-математических предметов: между физикой и химией, физикой и математикой. В главе обосновываются представления о знании как живой невещественной системе, нуждающейся в адекватном питании (информации, содержащей достижения современного естествознания) и размножающейся через своих носителей.
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;
|
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
| Определить 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) / k2 М(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 (МЭ). Вариант 2 Согласно закону эквивалентов: m(Al) = m (Al2O3) · МЭ(Al) / МЭ (Al2O3) где МЭ(Al) и МЭ(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: МЭ (Al) = М(Al)/3; МЭ(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 Дано: 1 = 4 с I= W2/ S2·2, где 2 = 2 с I – плотность потока элек- S1 = 27 м2 тромагнитного излучения S2=102 м2 W1 = I· S1· 1 W2=5,1Дж Подставляя вместо I её W1-? значение, получим: W1 = W2· S1· 1/ S2·2 W1 = 5,1 Дж· 27м2· 4 с / 102м2·2 с W1 = 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 бльшее 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-временнго 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-временнм 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-временнй 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-временнго 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-временнй протяжённости, но о едином пространственно-событийно-временнм 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 |
| Тестирование | 10 | 6 | |
| хорошо | Традиционный опрос | 35 | 28 |
| Тестирование | 30 | 32 | |
| удовлетво- рительно | Традиционный опрос | 45 | 50 |
| Тестирование | 52 | 50 | |
| неудовлетво- рительно | Традиционный опрос | 12 | 14 |
| 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.
Рис.8. Гистограмма успеваемости студентов 2 курса химико - технологического факультета Томского политехнического университета (150 человек) при изучении ими курса основ неклассического и постнеклассического естествознания в 2005/06 учебном году с использованием материалов учебного пособия «Шепель, О.М. Основы неклассического и постнеклассического естествознания: учебное пособие / О.М. Шепель. – Томск: Томский ЦНТИ, 2007. – 120с.» в объёме 75 часов : - традиционный опрос; - тестирование.
Таблица 4
Успеваемость (в %) слушателей курсов повышения квалификации,
преподавателей естественно-математических
| Номер рубежа Оценка | Рубеж - 1 | Рубеж - 2 | Рубеж - 3 | Итоговый контроль | |
| отлично | Традиционный опрос | 55 | 40 | 38 | 45 |
| Тестирование | 53 | 40 | 37 | 41 | |
| хорошо | Традиционный опрос | 40 | 55 | 56 | 50 |
| Тестирование | 39 | 50 | 55 | 54 | |
| удовлетво- рительно | Традиционный опрос | 5 | 5 | 6 | 5 |
| Тестирование | 8 | 10 | 8 | 5 | |
Исследование проводилось на базе Института инженерной педагогики Томского политехнического университета. В нем приняли участие 120 преподавателей естественно-математических дисциплин, успеваемость которых проверялась при изучении приёмов реализации методологии энтропийно-синергетического сканирования на уроках естествознания.
Обучение проводилось с 2005 по 2008 год по материалам монографии «Шепель, О.М. Энтропийно-синергетические аспекты естественнонаучного образования / О.М. Шепель. – Томск : Изд-во ТГПУ, 2007. – 220 с.» Программа обучения рассчитана на 36 часов. Ежегодно обучается 40 человек. Достоверных различий не было обнаружено и при сопоставлении успеваемости экспериментальной группы учащихся лицея, изучавших тему «Физические поля» с использованием нетрадиционных связующих, системообразующих сведений, с успеваемостью учащихся контрольной группы, изучавших эту же тему на основе традиционного материала (таблица 3).
Удовлетворительные результаты диагностики усвоения учащимися средних и средних специальных учебных заведений связующих и системообразующих сведений, излагаемых в соответствии с методологией энтропийно- синергетического сканирования, подтверждают гипотезу о возможности повышения качества обучения физике относительно достижений современного естествознания, при использовании методологии, позволяющей формировать восприятие отдельных дисциплин как аспектов неразрывного целого, условно разделяющих единую неделимую действительность.
Результаты диагностики знания основ общей теории относительности и теории самоорганизации, предлагаемых студентам естественнонаучных факультетов свидетельствуют о принципиальной возможности обучения основам неклассического и постнеклассического естествознания учащихся высших учебных заведений.
Результаты диагностики знаний слушателей курсов повышения квалификации, изучающих методологию энтропийно-синергетического сканирования свидетельствуют о высоком уровне усвоения изучаемого педагогами материала. Методология энтропийно-синергетического сканирования естественно-математических дисциплин оказалась востребованной и применимой ко всем основным уровням образования: среднему, среднему специальному, начальному профессиональному, высшему.
В заключении подводятся общие итоги исследования, констатируется, что в ходе проведения работы решены поставленные задачи, получены значимые научные и практические результаты, излагаются возможные варианты дальнейшего использования энтропийно-синергетического подхода в педагогической теории и практике.
В частности:
- В результате исследования теоретического материала и накопленного практического опыта по межпредметной интеграции, изучения современных представлений о закономерностях процессов восприятия информации было установлено, что параллельно формированию постнеклассического естествознания, в дидактике накапливались предпосылки для рождения педагогической синергетики – многочисленные разработки по теории и практике междисциплинарных связей. В том числе:
— обосновывалась объективная необходимость отражения в учебном познании реальных взаимосвязей объектов и явлений природы и общества;
— классифицировались по видам, типам и уровням существующие и разрабатываемые межпредметные связи;
— выделялись обучающая, развивающая, воспитывающая и мировоззренческая функции междисциплинарных связей, их положительное влияние на формирование системы научных знаний и общее умственное развитие ученика;
— разрабатывались методики координированного обучения различным учебным предметам, предпринимались попытки готовить учителя к осуществлению междисциплинарных связей на практике;
— определялось место межпредметных связей в картине синергетического единства образовательного пространства.
Вместе с тем, несмотря на обилие публикаций, посвящённых проблемам интеграции естественно-математических дисциплин, практическая координация процессов обучения математике, физике, химии, биологии требует до сих пор дополнительной методологической разработки. При анализе содержания школьных учебных пособий и учебников по названным дисциплинам обнаруживаются несогласованности между преподаванием физики и математики, химии и математики, химии и физики, химии и биологии, а также внутридисциплинарная несогласованность между различными темами одного и того же школьного предмета.
При сопоставлении динамики интеграционных процессов в науке и образовании, преодолевающих классический, неклассический и постнеклассический
этапы развития, обнаружилось особенно недостаточное внимание к серьёзному отражению достижений неклассического естествознания в учебном процессе. Освоив дидактические принципы освещения фундаментальных классических представлений о физике, химии, биологии, математике, современные педагогические исследования сосредоточились на разработке принципов обучения
постнеклассическому естествознанию, минуя тернии неклассической науки.
Кроме того, развивающиеся сегодня в рамках или на основе синергетического подхода дидактические направления не рассматривают важной составляющей синергетики – энтропийных колебаний самоорганизующейся системы, учёт которых при анализе содержания образования может пролить дополнительный свет на закономерности учебного процесса.
- В рамках разработки теоретических основ особенностей информационного обмена предложен энтропийно-синергетический подход к его анализу. Согласно энтропийно-синергетическому подходу закономерности мышления аналогичны физическим, в частности, термодинамическим закономерностям вещественно - энергетического обмена.
- Обоснована и разработана методология энтропийно – синергетического сканирования естественно-математических дисциплин, позволяющая осуществлять эффективную координацию преподавания различных предметов. Основной особенностью предлагаемой методологии, отличающей её от предыдущих интеграционных подходов, изложенных в литературе, является восприятие знания, как невещественной живой системы; потребляемая знанием пища (информация) должна быть усваиваемой (т.е. интегрируемой в систему уже потреблённых знаний) и развивающей (т.е. подготавливающей формирующийся информационный организм к среде взрослого обитания). Кроме того, методология характеризуется использованием связующих и системообразующих сведений в качестве одного из основных способов устранения несогласованностей в преподавании аналогичных или взаимосвязанных тем различных естественно-математических дисциплин, а также конкретной последовательностью предлагаемых автором этапов интеграции, включающей в себя: собственно сканирование изучаемого материала, ликвидацию несогласованностей в его изложении, систематизацию разрозненных сведений. Предложенная методология реализована при разработке учебных пособий по математике и естествознанию, использующихся в процессе переподготовки учителей физики, химии, биологии, математики. Проведённая диагностика качества усвоения педагогами и учащимися новых (связующих и системообразующих) знаний свидетельствует о целесообразности применения методологии в образовательном процессе.
- В качестве одного из способов повышения уровня содержания обучения до уровня современного постнеклассического естествознания предлагается повышение квалификации преподавателей естественнонаучных дисциплин высших учебных заведений для последующего обучения студентов основам общей теории относительности и теории самоорганизации. В процессе повышения квалификации предусматривается:
— обсуждение критерия, позволяющего разделять естествознание на классический, неклассический и постнеклассический уровни и представляющего собой особенности восприятия пространства, времени, события, наблюдателя учёными различных эпох;
— сопоставление уровней естествознания с формировавшимися в их рамках естественнонаучными картинами мира. При этом механическую и электродинамическую картины мира предлагается относить к классическому естествознанию, релятивистскую и квантово-полевую картины мира – к неклассическому естествознанию, эволюционно-синергетическую картину мира – к постнеклассическому естествознанию. Геоцентрическая и гелиоцентрическая системы рассматриваются как представления, формировавшиеся в рамках механической картины мира;
— изучение простейших синергетических систем, тензоров, математических толкований кривизны с использованием учебного пособия, разработанного диссертантом для преподавателей и студентов высших учебных заведений. В качестве классических синергетических систем рассматриваются: брюсселятор, орегонатор, ячейки Бенара;
— рассмотрение возможности использования феноменологического синергетического подхода для анализа социальных процессов, в том числе чередования этапов спокойного развития и революционного преобразования в исторических процессах;
— обсуждение возможности использования количественного синергетического подхода для организации послевузовского обучения на уровне аспирантуры. В качестве измеряемых и самоорганизующихся параметров аспирантуры рассматриваются количества кандидатов наук и аспирантов.
- Удовлетворительные результаты диагностики усвоения учащимися средних и средних специальных учебных заведений связующих и системообразующих сведений, излагаемых в соответствии с методологией энтропийно- синергетического сканирования, подтверждают гипотезу о возможности повышения качества обучения физике относительно достижений современного естествознания, при использовании методологии, позволяющей формировать восприятие отдельных дисциплин как аспектов неразрывного целого, условно разделяющих единую неделимую действительность. Результаты диагностики знания основ общей теории относительности и теории самоорганизации, предлагаемых студентам естественнонаучных факультетов свидетельствуют о принципиальной возможности обучения основам неклассического и постнеклассического естествознания учащихся высших учебных заведений. Однако, содержание этого материала требует дальнейшего углубления, расширения, уточнения, и преподавания в более широких рамках федерального компонента государственного образовательного стандарта. Результаты диагностики знаний слушателей курсов повышения квалификации, изучающих методологию энтропийно-синергетического сканирования свидетельствуют о высоком уровне усвоения изучаемого педагогами материала.
- Методология энтропийно-синергетического сканирования физики оказалась востребованной и применимой ко всем трём основным уровням образования: среднему, профессиональному, высшему. На её основе разработаны и успешно применяются образовательные программы, учебные пособия, предназначенные как для учителей средних общеобразовательных школ, так и преподавателей профессиональных и высших учебных заведений.
- Предложенная в работе методология является лишь одной из составляющих энтропийно-синергетического обучения естественнонаучным дисциплинам – формальной, рассматривающей как обучать соответствующим предметам. Реализация этой составляющей предполагается, прежде всего, в рамках средней общеобразовательной школы и профессионального образования (начального или среднего).
Другая составляющая – содержательная, отвечает на вопрос чему обучать, преподавая ту или иную естественнонаучную дисциплину. Реализация этой составляющей предполагается на естественных факультетах высших учебных заведений, и подразумевает обучение основам общей теории относительности и синергетики.
Третья составляющая – организационная, объясняющая каким образом организовать обучение рассмотрена только для послевузовского образования.
Таким образом, предлагаемое в работе энтропийно-синергетическое обучение физике включает в себя три аспекта и может восприниматься как реализация и развитие трёх направлений синергетического подхода в образовании, сформулированных В.Г. Будановым. Первый аспект - методология обучения (энтропийно-синергетическое сканирование), разработан в рамках направления, именуемого «синергетика для образования». Второй аспект – содержание обучения, включающее в себя основы неклассического и постнеклассического естествознания, соответствует направлению «синергетика в образовании». Третий аспект – организация образования ближе всего к направлению «синергетика образования». Причём, если первый аспект может быть реализован в рамках общеобразовательных школ или профессиональных учебных заведений, то практическое внедрение второго аспекта возможно только на естественных факультетах высших учебных заведений, а третий аспект предлагается использовать на уровне послевузовского образования.
Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:
Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
- Шепель, О.М. Фундаментальные естественнонаучные понятия на уроках физики / О.М.Шепель // Вестник Челябинского государственного педагогического университета. – 2008. – № 11. – C. 196–205.
- Шепель, О.М. Обучение физико-математическим основам постнеклассического естествознания студентов естественонаучных факультетов / О.М. Шепель // Мир науки, культуры, образования. – 2008. – № 5 (5). С. 33–39.
- Шепель, О.М. Естественнонаучные дисциплины на профильных уроках математики / О.М. Шепель // Вестник Томского государственного педагогического университета. Естественные и точные науки. – 2007. – Т.69. – № 6. – C. 95 – 98.
- Шепель, О.М. Энтропийно-синергетические подходы к преподаванию естественнонаучных дисциплин / О.М. Шепель, М.Г. Минин // Известия Томского политехнического университета. – 2006. –Т.309. – № 3. – С.226 – 230.
- Шепель, О.М., Чабовская Н.И. Проблемы обучения естественным и математическим дисциплинам студентов музыкальных училищ / О.М. Шепель, Н.И. Чабовская // Среднее профессиональное образование. – 2006. – № 12. – С. 12 – 13.
- Шепель, О.М. Точные формулы точной науки / О.М. Шепель // Химия в школе. – 2005. –№ 9. – С. 45 – 46.
- Шепель, О.М. К вопросу о классификации веществ и химических реакций / О.М. Шепель // Химия в школе. – 2005. – № 5. – С. 15 – 18.
- Шепель, О.М. Знание как живая система / О.М. Шепель, М.Г. Минин // Образование и наука. – 2005. – № 5. – С. 30 –39.
- Шепель, O.М. О синергетическом преподавании химии / О.М. Шепель // Химия в школе. –2004. – №1. – С. 41 – 45.
- Шепель, О.М. Биология и химия без биохимии / О.М. Шепель // Биология в школе. –2003. – №6. – C.42 – 45.
- Шпель, О.М. Стереотипы стереохимии / О.М. Шепель // Высшее образование в России. – 2002. –№3. – С. 141 – 142.
- Шепель, О.М. Проблемы интеграции математики, физики, химии, биологии в преподавании дисциплины «Основы естественнонаучного познания мира» / О.М. Шепель // Школьные технологии. – 1999. – №№ 1–2. – С. 153 –155.
Монографии и учебные пособия:
- Шепель, О.М. Энтропийно-синергетические аспекты естественнонаучного образования / О.М. Шепель. – Томск : Изд-во ТГПУ, 2007. – 220 с.
- Шепель, О.М. Естественникам: учебное пособие / О.М. Шепель, А.О. Рассказова. – Томск: Томский ЦНТИ, 2006. – 220 с.
- Шепель, О. М. Математика: учебное пособие / О.М. Шепель, Н.И. Чабовская. – Томск: Томский ЦНТИ, 2006. – 124 с.
- Шепель, О.М. Основы неклассического и постнеклассического естествознания: учебное пособие / О.М. Шепель. – Томск: Томский ЦНТИ, 2007. – 120с.
Научно-методические статьи
- Шепель, О.М. Единство естественнонаучной картины мира на примере классификации химических веществ и реакций / О.М. Шепель // Рукопись деп. в ВИНИТИ 19.02.03. № 338–В2003. – 9 с.
- Шепель, О.М. Наука, искусство и религия как аспекты единого процесса познания действительности / О.М. Шепель // Рукопись деп. в ИНИОН РАН 8.04.2003. – № 57913. – 15 с.
- Шепель, О.М Физико-математические аспекты преподавания химии / О.М. Шепель // Рукопись деп. ВИНИТИ 19.02.03. – №337.– 2003. – 5 с.
- Шепель, О.М. Мультимедийные технологии в системе инженерно- строительного образования / О.М. Шепель, Н.С. Елугачёва, Ю.С. Саркисов // Рукопись деп. в ВИНИТИ 31.12.02. – № 2309. – B2002. – 12 с.
- Shepel, O.M. The fifth interaction / О.М. Shepel // European Journal of Natural History. – 2006. – № 2. – P. 129 –130.
Материалы научно-практических конференций
- Шепель, О.М. Содержание естественнонаучного образования на фоне постнеклассической картины мира / О.М. Шепель // Мат. юбилейной международ. научно-практ. конф. Россия, Горно-Алтай, 3-6 авг. 2006 г. – Горно-Алтайск : Изд-во Барнаульского гос. ун-та, 2006. – С.65 – 66.
- Шепель, О.М. Научные картины мира различных уровней естествознания / О.М. Шепель // Мат. международ. научно-практ. конф. Россия, Горно-Алтай, 13-17 авг. 2007 г. – Горно-Алтайск : Изд-во Барнаульского гос. ун-та, 2007. – С.37 – 39.
- Шепель, О.М. Естественные факультеты в условиях постнеклассического этапа развития науки / О.М. Шепель // Сб. научн. статей международ. науч.-практ. конф. Республика Казахстан, Талдыкорган, 20–21 апр., 2006 г. –Талдыкорган : Изд-во Института имени академика У.А. Джолдасбекова, 2006. – С. 33 – 39.
- Шепель, О.М. Проблемы преподавания естествознания: классического, неклассического, постнеклассического / O.М. Шепель // Материалы X Российско-Американской научно-практ. конф. – СПб, 14–16 мая 2007г. – СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена, 2007. – С.204 –207.
- Шепель, О.М. Естественно-математическое образование в условиях постнеклассического этапа развития науки / О.М. Шепель // Cб. науч. статей V международ. науч.-практ. конф. Россия, Екатеринбург, 4-5 апр. 2006 г. : Изд-во Уральского гос. пед. ун-та, 2006. – С. 64–65.
- Шепель, О.М. Качество образования относительно достижений современной науки / О.М. Шепель // VII Сибирская школа молодого учёного. Материалы международ. конф. Россия, Томск, 24–26 окт. 2006 г. – Томск : Изд-во Томского гос. пед. ун-та, 2006. – С.46 – 47.
- Шепель, О. М. Обучение : динамика и стереотипы / О.М. Шепель, Н.С. Елугачёва // Материалы общероссийской юбилейной научно-метод. конф. Томск, 30-31 января 2002 г. – Томск : Изд-во ТГПУ, 2002. – С. 426–430.
- Шепель, О.М. Синергетическая модель организации послевузовского образования / О.М. Шепель // Мат. Х Всерос. конф. студентов, аспирантов и молодых учёных. Т.3. Ч.2. Томск, май 2006 г. – Томск : Изд-во ТГПУ, 2006. – С. 106 – 109.
- Шепель, О.М. Физические подходы к решению химических задач/ О.М.Шепель // Материалы 55 Всероссийской научно-практ. конф. химиков с международным участием. – СПб, 9-12 апреля 2008г. - СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена, 2008. – С.53 – 56.
- Шепель, О.М. Математика в системе естественнонаучного познания мира студентами музыкальных училищ / О.М. Шепель // Мат. II межрег. конф. Томск: Изд-во «Томский ЦНТИ», 2006. – С. 63 – 67.
- Шепель, О.М. Естественнонаучная подготовка будущих музыкантов / О.М. Шепель // Мат. II межрегион. конф. апр. 2006 г. – Томск : Изд-во «Томский ЦНТИ», 2006. – С. 56 – 61.
- Чабовская, Н.И. Бесстрастные числа музыки / Н.И. Чабовская, О.М. Шепель // Материалы II межрегиональной конф. Томск, 28-29 апр. 2005 г. –Томск: Томский ЦНТИ, 2006. – С. 111–116.
- Шепель, О.М. Синергетическое преподавание в высшей школе / О.М. Шепель // Материалы межрегион. теоретико-практ. научной конф. Шадринск, май 2006 г. – Шадринск : Изд-во ПО «Исеть», 2006. – С.142–150.
- Шепель, О.М. Пути интеграции учебных планов подготовки специалистов ТГАСУ / О.М. Шепель, Ю.С. Саркисов, Н.С. Елугачёва // Материалы регион. научно-метод. конф. Томск 22–23 апр. 2003 г. – Томск: Изд-во ТГАСУ, 2003. С. 40 – 45.
Подписано в печать 04.10.08
Формат 60х84 1/16. Объем 2,2 уч.-изд.л.
Тираж 100 экз. Заказ
Отпечатано на ризографе
в типографии ГОУ ВПО ЧГПУ
454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 69
