Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Теоретические аспекты формирования мировоззрения в процессе обучения физике 15
1.1. Философско-мето дологические основы понятия «мировоззрение» 15
1.2. Анализ содержания деятельности педагога по формированию научного мировоззрения при обучении физике 23
1.3. Формирование научного мировоззрения при обучении физике на основе идей синергетики 33
ГЛАВА 2. Методическая система обучения физике на основе идей синергетики 51
2.1. Цели обучения физике на основе идей синергетики. Нелинейные системы в содержании традиционных курсов физики 51
2.2. Отбор содержания обучения и его структурирование 63
2.3. Содержание обучения физике на основе идей синергетики, реализуемое в форме элективного курса 74
2.4. Методы, формы обучения, организация контрольно-оценочной деятельности. Реализация методической системы в образовательный процесс будущего учителя физики 110
ГЛАВА 3. Проверка результативности реализации методической системы обучения физике на основе идей синергетики 127
3.1. Характеристика этапов проведения опытно-экспериментальной работы 127
3.2. Содержание и результаты констатирующего и поискового этапов педагогического эксперимента 133
3.3. Содержание и результаты формирующего этапа педагогического эксперимента 140
Заключение 150
Библиографический список 152
Приложения 168
- Анализ содержания деятельности педагога по формированию научного мировоззрения при обучении физике
- Содержание обучения физике на основе идей синергетики, реализуемое в форме элективного курса
- Методы, формы обучения, организация контрольно-оценочной деятельности. Реализация методической системы в образовательный процесс будущего учителя физики
- Содержание и результаты констатирующего и поискового этапов педагогического эксперимента
Введение к работе
Актуальность исследования. В настоящее время система образования России находится в состоянии модернизации, приоритетным направлением которой является усиление воспитывающего воздействия процесса обучения. Одной из основных целей этого процесса является формирование научного мировоззрения выпускников учебных заведений.
Особую роль в формировании научного мировоззрения учащихся занимает физика, так как она раскрывает наиболее общие законы природы и в ее содержании рассматриваются общефилософские категории (материя и движение, пространство и время, причина и следствие и др.). Обучение физике в школе, соответствующее современным требованиям, во многом зависит от уровня подготовки педагогических кадров в системе высшего образования. В своей работе учитель физики проявляет субъективное понимание окружающей действительности, что влияет на процесс становления научного мировоззрения школьников. Поэтому проблема формирования мировоззрения приобретает особую значимость при подготовке будущего учителя физики.
Мировоззрение включает систему взглядов о мире, высший уровень обобщения и систематизации которых представляет собой научную картину мира. При изучении физики формируется частнонаучная картина мира, являющаяся базой общенаучной картины мира, с учетом принципов которой современное мировоззрение можно охарактеризовать как эволюционное, нелинейное, интегративное. По мере развития познания и практики происходит смена научных картин мира, которые строятся на основе общепринятых на определенном этапе истории науки фундаментальных теорий. Одной из таких теорий современной научной картины мира является синергетика.
Предметом исследований синергетики являются механизмы самоорганизации в сложных открытых системах, математические модели которых имеют вид нелинейных уравнений. Аналитическое решение нелинейных уравнений затруднено, а порой невозможно, поэтому универсальным средством проведения исследований становится вычислительный эксперимент.
Включение в содержание обучения физике идей, методов, подходов синергетики и методологии физического познания на основе математического моделирования с последующим изучением моделей в вычислительном эксперименте является необходимым условием формирования современного научного мировоззрения будущего учителя физики.
Формирование научного мировоззрения в процессе обучения физике исследовалась Г. М. Голиным, В. Ф. Ефименко, С. Е. Каменецким, В. Н. Мощанским, B. В. Мултановским, Н. В. Шароновой. Однако, развитие физики, обновление государственных образовательных стандартов, совершенствование технических средств обучения потребовало пересмотра содержательного и методологического аспектов проблемы.
В научных исследованиях последнего десятилетия Е. Г. Светич и Е. Б. Якимовой рассмотрены вопросы методики формирования мировоззрения учащихся старшей профильной школы при обучении физике с учетом синергетической концепции, в работе А. П. Лешукова обсуждаются концептуальные основы формирования научного мировоззрения будущих учителей физики в процессе преподавания специальных дисциплин с учетом современных научных тенденций. Тем не менее, можно отметить, что создание методической системы обучения физике на основе идей синергетики не являлось целью научно-педагогических исследований.
Между тем, потребность в таком исследовании явно диктуется необходимостью совершенствования научно-педагогического и методического обеспечения процесса обучения физике, обусловливающего формирование современного научного мировоззрения.
Анализ научной, методической и учебной литературы по проблеме исследования позволил выделить ряд противоречий:
– на социально-педагогическом уровне: между требованиями, предъявляемыми обществом к учителю, который должен обладать мировоззрением, адекватным современной научной картине мира, и недостаточной ориентацией образовательного процесса в педагогическом вузе на реализацию этих требований;
– на научно-педагогическом уровне: между необходимостью обеспечения ориентации образовательного процесса в педагогическом вузе на формирование современного научного мировоззрения будущего учителя физики и недостаточной разработанностью в педагогической теории содержательно-процессуальных условий его формирования;
– на научно-методическом уровне: между дидактическим потенциалом идей и методов синергетики в содержании обучения физике для формирования современного научного мировоззрения будущего учителя физики, и недостаточной ориентацией научно-методического обеспечения учебного процесса на его реализацию.
Выявленные противоречия обусловливают актуальность исследования и определяют его проблему: как должен быть организован процесс обучения физике на основе идей синергетики, чтобы он обеспечивал формирование современного научного мировоззрения?
Объективная необходимость разрешения обозначенной проблемы, недостаточная теоретическая и практическая ее разработанность определили тему исследования: «Формирование современного научного мировоззрения будущего учителя при обучении физике на основе идей синергетики».
Объект исследования: процесс подготовки будущих учителей физики в педагогическом вузе.
Предмет исследования: формирование современного научного мировоззрения студентов при обучении физике.
Цель исследования состоит в теоретическом обосновании и разработке методической системы обучения физике на основе идей синергетики, реализация которой обеспечит формирование современного научного мировоззрения будущего учителя.
Для достижения поставленной цели мы руководствовались следующей гипотезой: формирование современного научного мировоззрения будущего учителя физики будет результативным, если разработать методическую систему обучения физике на основе идей синергетики, использование которой обеспечит выполнение следующих условий:
– в содержании традиционных курсов физики будут раскрыты закономерности функционирования нелинейных систем, а обобщение знаний о механизмах возникновения явлений самоорганизации в сложных нелинейных системах реализовано в форме элективного курса;
– основной формой самостоятельной работы студентов должна стать исследовательская деятельность, основанная на использовании технологии вычислительного эксперимента.
Исходя из цели и гипотезы, были сформулированы следующие задачи исследования:
1. Провести анализ научной, учебно-методической, психолого-педагогической и нормативной литературы с целью определения содержательно-процессуальных условий формирования современного научного мировоззрения будущих учителей в процессе обучения физике.
2. Выделить дидактические основания и систему критериев отбора содержания обучения физике на основе синергетической концепции для формирования современного научного мировоззрения.
3. Разработать методическую систему обучения физике на основе идей синергетики, использование которой обеспечит формирование современного научного мировоззрения будущего учителя физики.
4. Разработать диагностический инструментарий проверки результативности реализации методической системы обучения физике на основе идей синергетики.
5. Провести экспериментальную проверку результативности реализации предложенной методической системы, направленной на формирование современного научного мировоззрения будущего учителя физики.
Методологической основой исследования являются:
– философско-методологические исследования по истории и философии науки и образования (В. В. Ильин, И. С. Кон, В. П. Кохановский, В. С. Степин);
– теория формирования содержания образования и организации учебного процесса (Ю. К. Бабанский, В. П. Беспалько, В. С. Леднев, П. И. Пидкасистый).
Теоретическую основу исследования составляют:
– работы по проблеме совершенствования профессиональной подготовки студентов высших учебных заведений (А. В. Коржуев, В. А. Попков, Д. В. Чернилевский, Т. Н. Шамало);
– труды в области теории и методики обучения физике в аспекте формирования естественнонаучного мировоззрения (В. Ф. Ефименко, В. Г. Иванов, В. Н. Мощанский, В. В. Мултановский, Н. В. Шаронова);
– теория нелинейных колебаний (А. А. Андронов, А. А. Витт, С. П. Кузнецов, С. Э. Хайкин);
– разработки в области теории систем и синергетики (С. П. Курдюмов, Г. Г. Малинецкий, Н. Н. Моисеев, И. Пригожин, Г. Хакен);
– работы по вопросам методологии математического моделирования и вычислительного эксперимента (В. В. Майер, А. П. Михайлов, С. Е. Попов, А. А. Самарский);
– работы по проблемам организации, проведения и представления результатов педагогического эксперимента (В. И. Загвязинский, Д. А. Новиков, Е. В. Сидоренко, Б. Е. Стариченко).
Решение поставленных задач и проверка гипотезы осуществлялась с использованием следующих методов исследования:
– теоретические (анализ и обобщение философской, научно-педагогической, методической, специальной литературы, нормативных документов, материалов научно-практических конференций; анализ и сравнение государственных образовательных стандартов и учебных программ, учебных пособий и методических материалов для высших учебных заведений и школы; исследование научных оснований теории самоорганизации);
– эмпирические (анкетирование учителей и преподавателей физики, беседа, тестирование студентов, метод экспертных оценок, наблюдение за учебным процессом, мониторинг, педагогический эксперимент);
– методы математической статистики обработки экспериментальных данных и их интерпретации.
Организация исследования. Исследование проводилось с 2005 по 2012 гг. на базе Нижнетагильской государственной социально-педагогической академии и включало несколько этапов.
На первом этапе (2005-2007 гг.) был выполнен анализ нормативных документов, программ и стандартов, касающихся высшего педагогического образования, а также педагогической и методической литературы с целью констатации факта наличия проблемы, связанной с отражением в содержании обучения физике современных физических идей и теорий. В процессе констатирующего эксперимента была обоснована необходимость усовершенствования подготовки будущих учителей путем введения в содержание обучения физике изучения теоретических и методологических оснований синергетики. Определен фактический уровень сформированности системы обобщенных знаний, соответствующих современной научной картине мира у студентов педагогических вузов.
На втором этапе (2007-2009 гг.) проанализированы научные основания теории самоорганизации, часть которых в дальнейшем включена в содержание обучения физике. Разрабатывались элементы методической системы обучения физике на основе идей синергетики.
На третьем этапе (2009-2012 гг.) проводился формирующий эксперимент, направленный на внедрение разработанной методической системы в учебный процесс и определение ее влияния на уровень сформированности системы обобщенных знаний, взглядов и убеждений, свойств диалектического мышления, соответствующих современному научному мировоззрению. Проводился комплексный анализ педагогического эксперимента, формулирование выводов исследования и оформление текста диссертации.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
1. В отличие от работ А. П. Лешукова (в которой элементы синергетики предлагается включать в различные разделы курса физики), Е. Б. Якимовой, Е. Г. Светич (в которых исследовалась проблема обучения физике учащихся старшей профильной школы с учетом синергетической концепции) в настоящем исследовании обоснована необходимость изучения закономерностей функционирования нелинейных систем в содержании традиционных курсов с последующим рассмотрением явлений самоорганизации в рамках обобщающего элективного курса и организации исследовательской деятельности студентов, основанной на технологии вычислительного эксперимента как условий формирования целостного современного научного мировоззрения будущего учителя физики.
2. Разработана методическая система обучения физике на основе синергетической концепции, которая включает:
– диагностируемые цели обучения, направленные на формирование современного научного мировоззрения будущего учителя;
– содержание учебного материала, построенного на основе применения идей синергетики для объяснения явлений самоорганизации, возникающих в нелинейных колебательных системах;
– формы и методы обучения физике, основанные на организации исследовательской деятельности студентов;
– содержание и формы контрольно-оценочной деятельности, которые подразумевают мониторинг результатов деятельности студентов по этапам вычислительного эксперимента.
3. Предложен диагностический комплекс для проверки результативности обучения, позволяющий определить уровни сформированности у студентов системы обобщенных знаний, взглядов и убеждений, развития диалектического мышления, соответствующих современному научному мировоззрению.
Теоретическая значимость исследования:
1. Определены содержательно-процессуальные условия формирования современного научного мировоззрения будущего учителя физики: отражение в содержании обучения знаний, обеспечивающих понимание принципов современной научной картины мира (системности, синтеза научных знаний, глобального эволюционизма, самоорганизации), организация исследовательской деятельности студентов, опирающейся на специфические методы и структуру современных физических исследований.
2. На основе анализа научных оснований синергетики, их вклада в понимание принципов современной научной картины мира, с учетом требований к уровню подготовки будущего учителя физики, обоснована необходимость включения идей, методов, подходов синергетики в содержание обучения физике и разработки соответствующей методической системы.
3. Выделены дидактические основания (иерархия упрощенных моделей физических систем, логика построения теорий, на которых базируется синергетика) и система критериев (доказательности, доступности, генерализации, межпредметности, перспективности) отбора содержания обучения физике на основе идей синергетики для формирования современного научного мировоззрения.
Практическая значимость исследования состоит в том, что теоретические результаты доведены до уровня практического применения, разработаны и внедрены в учебный процесс:
1. Учебно-методический комплекс по дисциплине «Самоорганизующиеся системы в физике» для будущих учителей физики, содержащий: учебную программу, лекционный материал, тематику и описание работ лабораторного практикума, список рекомендованной литературы.
2. Система заданий для организации исследовательской деятельности студентов с применением вычислительного эксперимента над математическими моделями физических систем.
3. Методические рекомендации для преподавателей вуза по организации образовательной деятельности студентов в условиях реализации предлагаемой методической системы обучения в форме элективного курса.
Достоверность результатов, полученных в исследовании, и обоснованность сформулированных выводов обеспечиваются теоретико-методологическими основами исследования; обобщением педагогического опыта преподавателей физики; внутренней непротиворечивостью логики исследования, использованием теоретических и экспериментальных, соответствующих целям и задачам, методов исследования; применением статистических методов обработки экспериментальных данных и согласованностью полученных результатов.
Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялись в учебном процессе студентов физико-математического факультета Нижнетагильской государственной социально-педагогической академии. Основные теоретические положения и результаты диссертационного исследования докладывались на заседаниях кафедры физико-математического образования и кафедры информационных технологий НТГСПА. Апробация осуществлялась в результате обсуждений основных положений работы на Международных научно-практических конференциях («Повышение эффективности подготовки учителей физики и информатики», г. Екатеринбург, 2006 г., 2007 г., 2012 г.; «Физика в системе современного образования (ФССО-11)», г. Волгоград, 2011 г.), Всероссийских научно-практических конференциях («Актуальные вопросы использования инновационных технологий в образовательном процессе», г. Нижний Тагил, 2010 г., 2012 г.), Региональных научно-практических конференциях («Философия и наука», г. Екатеринбург, 2007 г.; «Актуальные проблемы обучения физике», г. Нижний Тагил, 2009 г.; «Формирование профессиональных компетенций у будущих учителей физики», г. Омск, 2010 г.; «Актуальные проблемы физико-математического образования в школе и ВУЗе», г. Нижний Тагил, 2012 г.).
Основные положения исследования отражены в 14 публикациях, в том числе 4 – в журналах, рекомендуемых ВАК МОиН РФ.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Существенный вклад синергетической концепции в становление ведущих принципов современной научной картины мира обусловливает необходимость включения идей, методов, подходов синергетики в содержание обучения физике будущих учителей.
2. Конструирование методической системы обучения физике на основе идей синергетики должно осуществляться с учетом требований к элементам этой системы, направленных на формирование современного научного мировоззрения:
– отбор учебного материала следует проводить в соответствии с комплексом критериев (доказательности, доступности, генерализации, межпредметности, перспективности) на основании логики построения теорий, на которых базируется синергетика;
– индивидуальная исследовательская деятельность студентов, основанная на технологии вычислительного эксперимента и принципе иерархии упрощенных моделей, должна стать приоритетным методом обучения, что будет обусловливать понимание методологии современных исследований в физике;
– контрольно-оценочная деятельность должна осуществляться в форме мониторинга результатов деятельности студентов по этапам проведения вычислительного эксперимента. Компоненты современного научного мировоззрения (обобщенные знания, взгляды и убеждения, свойства диалектического мышления) диагностируются на этапе анализа свойств и закономерностей поведения нелинейных самоорганизующихся систем и представления результатов индивидуальных исследований.
3. Реализация разработанной методической системы обучения студентов физике на основе идей синергетики обеспечивает результативность процесса формирования системы обобщенных знаний, взглядов и убеждений, свойств диалектического мышления, соответствующих современному научному мировоззрению.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка и четырех приложений.
Анализ содержания деятельности педагога по формированию научного мировоззрения при обучении физике
Формирование научного мировоззрения студентов является одной из приоритетных задач современного высшего образования. Проблема формирования мировоззрения приобретает особую значимость при подготовке будущего учителя физики. Школьный возраст - время интенсивного осмысления окружающего мира, становления личного миропонимания. Фундаментом мировоззрения является система обобщенных знаний, поэтому особое значение в формировании целостного миропонимания имеет физика, так как именно она раскрывает наиболее общие законы природы. В своей работе учитель физики в полной мере проявляет субъективное понимание окружающей действительности и таким образом целенаправленно или непроизвольно влияет на процесс становления личностного мировоззрения учащихся.
Особенности формирования научного мировоззрения при обучении физике освещены в работах Г. М. Голина [39], В. Ф. Ефименко [48], В. В. Жешко [49], П. А. Знаменского [58], Л. Я. Зориной [59], В. Г. Иванова [62], С. Е. Каменецкого [150], В. Н. Мощанского [100], В. В. Мултановского [101], Н. С. Пурышевой [136], В.Г.Разумовского [138], А.В.Усовой [154], Н. В. Шароновой [175] и других.
В систему мировоззренческих взглядов входят взгляды о природе, обществе, человеке и познании, в соответствии с которыми можно выделить естественнонаучный, социальный, гуманитарный и гносеологический аспекты мировоззрения. При изучении физики в большей степени затрагиваются естественнонаучный и гносеологический аспекты мировоззрения. «Можно считать, что в первом приближении основной вклад изучения курса физики в формировании мировоззрения состоит в создании у учащихся определенных системных философски осмысленных знаний о природе и процессе ее познания человеком, т. е. в формировании естественнонаучного и частично гносеологического аспектов мировоззрения» [151, с. 51]. По сути дела, из этого вытекает первая сторона процесса формирования научного мировоззрения на уроках физики - «сообщение обобщенных знаний об основных понятиях, законах и принципах физики, способствующих созданию у учащихся представления о научной картине мира и процессе научного познания» [100, с. 10]. Н. В. Шаронова определяет этот компонент как «фундамент мировоззрения» и включает сюда три группы философских обобщений о материальности, диалектичности и познаваемости мира [175].
Однако формирование научного мировоззрения нельзя рассматривать как стихийно совершающийся процесс, совпадающий с сообщением конкретных физических знаний. Учащимся трудно самостоятельно подняться до сознательного философского обобщения конкретных научных знаний, в результате которого у них сложилось бы представление о физической картине мира. И если учебный материал курса физики излагается так, что он постепенно подводит учащихся к диалектико-материалистическим обобщениям, то надо довести изложение до логического завершения и сделать эти обобщения, сформулировав те философские выводы, которые естественно вытекают из конкретного материала, но которые учащиеся самостоятельно могут и не осознать, если учитель не будет стимулировать это. Многочисленные факты говорят о том, что даже учащиеся, неплохо усвоившие фактический материал курса, не могут дать диалектико-материалистическое истолкование явлений природы.
В редких случаях мировоззренческий эффект обучения есть результат самодостижения на основе личных представлений. Для подведения учащихся к выводам мировоззренческого характера, учитель физики, во-первых, должен сам свободно владеть соответствующим мировоззренческим материалом, во-вторых, иметь на вооружении специальные методики, позволяющие формировать научное мировоззрение средствами предмета. Это еще раз определяет необходимость соответствующей профессиональной подготовки будущего учителя физики.
Научное освещение физических явлений и законов, являясь необходимым фактором формирования мировоззрения, само по себе еще недостаточно для решения этой задачи, и нужна специальная и систематическая работа по воспитанию диалектико-материалистического миропонимания. Эта работа состоит в диалектико-материалистическом истолковании физических явлений и законов, в процессе которого обучаемые неизбежно приходят к некоторым выводам философского характера, то есть, фактически знакомятся с отдельными наиболее важными положениями диалектического материализма и с тем, как они проявляются в физических явлениях и в процессе научного познания природы. При этом каждое философское обобщение должно являться естественным итогом рассмотрения целого ряда физических явлений, а не быть результатом искусственного привязывания философии к физике, при котором нарушалась бы логика учебного предмета. Для этого при обучении физике надо раскрывать то или иное философское положение не во всей его полноте и всеобщности, а лишь как естественное обобщение того конкретного физического материала, из которого это положение вытекает. Сами философские выводы, при этом, должны быть представлены обучающимся, как наиболее общие закономерности, обнаруживаемые в самой природе, в самом процессе ее познания.
«Раскрытие диалектико-материалистического характера физических явлений помогает учащимся глубже осознать сущность физических явлений и закономерностей и тем самым повышает качество знаний школьников по физике» [100, с. 12]. Так, для осмысления квантово-волнового дуализма природы света, необходимо быть глубоко убежденным в том, что единство и взаимодействие противоположностей - всеобщий закон действительности. Если ко времени изучения природы света учащиеся на конкретном материале будут убеждены в естественности и закономерности сочетания в одном объекте или явлении противоположных сторон, то им будет легче осознать диалектическую природу света.
Так как, наиболее фундаментальные идеи современной физики все более проникают в школьный курс, то правомерно утверждать, что дальнейший прогресс в физическом образовании находится в прямой зависимости от уровня развития у молодежи диалектико-материалистических взглядов, диалектического мышления. Следовательно, формирование у учащихся диалектико-материалистических взглядов составляет внутреннюю потребность преподавания физики.
Итак, «второй стороной процесса формирования научного мировоззрения на уроках физики является диалектико-материалистическое истолкование основ физики, в процессе которого школьники подводятся к некоторым обобщениям философского характера» [100, с. 13].
Содержание обучения физике на основе идей синергетики, реализуемое в форме элективного курса
Применение критерия доказательности к отбору содержания обучения физике на основе идей синергетики способствует достижению мировоззренческой цели. Возникновение синергетики как науки подготовлено трудами многих ученых, одна из научных школ, стоящих у истоков формирования синергетики - школа Андронова. Так как, самоорганизующиеся системы являются нелинейными, математические модели обычно имеют вид нелинейных дифференциальных уравнений, которые, как правило, описывают колебания. Поэтому синергетическая концепция в значительной мере опирается на результаты, полученные при решении задач теории нелинейных колебаний. В рамках бельгийской школы, основоположником которой являйся Илья Пригожий явления самоорганизации и образование структур рассматриваются с точки зрения термодинамического подхода. При построении содержания обучения мы отдаем предпочтение первому подходу, так как при формировании мировоззрения особое внимание следует обращать на убедительность обоснования важнейших законов и принципов, самостоятельность получения субъективно новых знаний, что более успешно выполняется при изучении «более простых» закономерностей и математических моделей, описывающих поведение колебательных систем.
Критерий доступности связан с понятием сложности учебного материала. Содержание обучения, построенного на основе применения идей синергетики для объяснения явлений самоорганизации в нелинейных колебательных системах, отвечает выполнению критерия доступности, согласно которому уровень сложности учебного материала должен соответствовать уровню теоретической подготовки будущего учителя физики, его умственным способностям. Реализации критерия доступности может содействовать отражение в содержании обучения концепции иерархии упрощенных моделей. Смысл ее заключается в следующем - для изучения какого-либо явления или процесса выделяется малое количество ключевых факторов и строится простейшая модель, поведение которой понятно и легко изучаемо. После того как простейшая модель - нижняя ступень, изучена осуществляется переход на более высокий уровень, где, например, учитывается фактор, не принимаемый во внимание ранее и т. д. «Можно сказать, что основным достижением и основной целью исследований при решении сложных задач является построение иерархии упрощенных моделей» [93, с. 12]. При решении данной задачи важно определить, какой уровень иерархии моделей целесообразно использовать в данной ситуации. «Важно подчеркнуть два принципиальных факта, выяснившихся в последние двадцать лет, - базовых математических моделей немного. Можно строить предельно простые нелинейные математические модели, которые являются глубокими и содержательными. Второй факт. С их помощью, не проходя все ступени иерархии, связанные с детализацией и усложнением математического описания, оказалось возможным предсказать неизвестные явления природы». [93, с. 12] 3. Критерий генерализации предполагает выделение одной или не- скольких главных идей и объединение вокруг них учебного материала. В качестве центральной идеи содержания элективного курса выступает возможность самоорганизации в открытых динамических системах, это накладывает определенные требования к отбору учебного материала, к выбору изучаемых систем и соответственно их математических моделей.
Критерий межпредметности указывает на необходимость отражения в содержании обучения внутрипредментых и межпредметных связей между изучаемыми явлениями. Так как синергетика является междисциплинарным направлением, следовательно, обучение физике на основе синерге-тической концепции может способствовать формированию представлений о единой общенаучной картине мира. Для этого необходимо учитывать знания, которые студенты приобрели при изучении других учебных дисциплин, уделять должное внимание обобщенным естественнонаучным идеям, приводить примеры, научные факты, исследуемые математические модели, принадлежащие различным областям научного знания.
Критерий перспективности реализует опережающую функцию образования. В настоящее время синергетика является одним из наиболее перспективных междисциплинарных направлений, вызывает все больший интерес у многих представителей самых различных научных дисциплин. Поэтому можно говорить, что в рамках обучения физике на основе идей синергетики критерий перспективности реализуется в полной мере, так как подразумевает включение в содержание обучения таких материалов, которые будут наиболее востребованы и будут активно развиваться в ближайшем будущем.
Рассмотренные принципы, дидактические основания, выделенные критерии отбора содержания обучения являются необходимым условием достижения поставленной цели обучения.
Отбор содержания учебного материала разработанной методической системы осуществлен с учетом цели и задач обучения, дидактических принципов (научности, систематичности и последовательности, системности, межпредметных связей, связи теории с практикой, профессиональной направленности, наглядности, доступности, индивидуализации и дифференциации, мотивации и создания положительного отношения к учению, фундаментальности), оснований, выделенных критериев (доказательности, доступности, генерализации, межпредметности, перспективностия), научных положений синергетической концепции.
В настоящем параграфе определим учебные объекты обучения физике на основе идей синергетики, обозначим список тем, рассмотрим содержание, логику изложения, методические особенности изучения каждой темы, а также методику проведения лабораторных работ. Покажем соответствие содержания обучения поставленным задачам.
Методы, формы обучения, организация контрольно-оценочной деятельности. Реализация методической системы в образовательный процесс будущего учителя физики
Детерминированный хаос характеризует рождение случайного, непредсказуемого поведения системы, описываемой детерминированными законами. В применении к эволюционным законам, детерминированный закон - закон, который однозначно преобразовывает начальное состояние в будущее состояние. Представление о хаосе дает нам классическое движение броуновской частицы, состояние которой является случайным и невоспроизводимым. У студентов возникают сложности в понимании этого термина, так как понятия детерминизм и хаос являются противоположными. Разъяснения этого понятия в текущей теме представлены с помощью следующего примера [5]:
Пусть зависимость амплитуды отклонения fix) от исходного состояния х определяется следующим образом:
Если же х становится сравнимым с единицей, то вторым слагаемым пренебрегать уже нельзя, тогда рост отклонения fix) начнет испытывать нелинейное ограничение, в силу вычитания величины Ъх". При некоторых значениях х величина отклонения вновь будет близка к нулю и все начнется сначала: отклонение начнет возрастать, достигнет максимума и затем, испытывая ограничение, уменьшится. Мы приходим к противоречию, фазовая траектория обязана будет самопересечься, а это означает, что существуют различные начальные условия, приводящие в процессе эволюции к одинаковым состояниям, это невозможно в силу понятия детерминизма: при заданных начальных условиях существует единственное решение.
Картина принципиально изменится, если рассматривать систему в трехмерном фазовом пространстве. Траектория раскручивается в трехмерном пространстве по спирали. Достигнув некоторого значения, и испытывая нелинейное ограничение, траектория вновь вернется в окрестность начального состояния, далее процесс будет повторяться. Тут возможны два случая, спустя некоторое время траектория замкнется, мы получим сложный периодический процесс; траектория при t — оо не замкнется, т. е. процесс апериодический.
Во втором случае мы имеем детерминированный хаос. Действительно, здесь выполняются основные свойства детерминизма, а именно будущее однозначно определено начальными условиями и процесс является воспроизводимым. С другой стороны процесс сложный, непериодический и внешне ничем не отличается от случайного.
Следует отметить, что все вышеприведенные рассуждения верны, только при условии неустойчивости положения равновесия. Основным свойством динамических систем, демонстрирующих режим детерминированного хаоса, является чувствительная зависимость режима функционирования к сколь угодно малым изменениям начальных условий, это ведет к потере детерминированной предсказуемости и необходимости вводить вероятностные характеристики для описания динамики таких систем. Тогда становится понятным термин «детерминированный хаос», который характеризует рожде ниє случайного, непредсказуемого поведения системы, описываемой детерминированными законами.
В фазовом пространстве детерминированному хаосу соответствует странный аттрактор. Типичным примером странного аттрактора является аттрактор Лоренца. Интересна история открытия аттрактора Лоренца, которая демонстрирует свойства детерминированного хаоса, поэтому будет целесообразно ее включение в содержание учебного материала. Система Лоренца была получена Эдвардом Лоренцем из уравнений гидродинамики как модель для описания тепловой конвекции в неоднородно подогреваемом слое жидкости. Лоренц проводил вычислительный эксперимент, его заинтересовал какой-то момент в подсчетах и он повторил расчет, уменьшив количество верных десятичных знаков. Вновь полученное решение некоторое время хорошо согласовалось со старым, но с продолжением счета расхождение увеличивалось, и в дальнейшем стало понятно, что новое решение кардинально отличается от старого. Лоренц неоднократно проверял вычисления прежде, чем осознал важность эксперимента. Результаты своей работы он опубликовал в статье: «Предсказуемость: может ли взмах крыльев бабочки в Бразилии привести к образованию торнадо в Техасе?». Благодаря этой работе, существенную зависимость от начальных условий сейчас иногда называют «эффектом бабочки».
В содержании темы приводится анализ поведения системы Лоренца при различных значениях управляющего параметра, что позволяет еще раз наглядно продемонстрировать такие понятия как аттрактор, бифуркация, странный аттрактор, хаос. Модель Лоренца является реальным физическим примером динамических систем с хаотическим поведением.
При переходе динамической системы из состояния регулярного режима к динамическому хаосу будет происходить ряд бифуркации, т .е. характер наблюдаемого режима будет неоднократно качественно изменяться. Такую последовательность бифуркаций принято называть сценарием перехода к хаосу. Ограниченное число типичных сценариев перехода к хаосу для различ ных динамических систем является проявлением свойства единства природы и оказывают определенное влияние на представления студентов об окружающей действительности.
В содержании темы рассмотрены классические примеры самоорганизации. Механизм самоорганизации каждого явления объясняется на качественном уровне, что делает материал достаточно доступным для восприятия. Тема является завершающей, и при ее изучении студентов необходимо подвести к обобщающим выводам: 1. Существует множество примеров самоорганизации в различных динамических системах. 2. При самоорганизации возникают пространственные, временные, пространственно-временные или функциональные структуры. 3. Самоорганизация возможна в нелинейных, открытых, неравновесных системах. 4. Поведение различных физических систем можно описать с помощью ограниченного числа математических моделей. 5. При самоорганизации в различных физических системах действуют универсальные закономерности и механизмы.
Содержание и результаты констатирующего и поискового этапов педагогического эксперимента
Существуют различные классификации методов обучения. И. Я. Лернер, М. Н. Скаткин признаком классификации считают виды содержания образования и способы их усвоения и выделяют следующие методы обучения: объяснительно-иллюстративный, репродуктивный, проблемное изложение, частично-поисковый (эвристический), исследовательский [47].
М. А. Данилов, Б. П. Есипов все методы обучения подразделяют на: методы приобретения новых знаний; методы формирования умений и навыков, применения умений на практике; методы проверки и оценки знаний, умений и навыков. В основе этого деления положены цель и задачи, реализуемые в процессе обучения.
Ю. К. Бабанский определяющим фактором при классификации методов обучения считает единство деятельности педагогов и учащихся, основные структурные компоненты этой деятельности и выделяет три группы [8]: методы организации и самоорганизации учебно-познавательной деятельности, методы стимулирования и мотивации учебно-познавательной деятельности, методы контроля и самоконтроля эффективности обучения.
При выборе методов обучения преподаватель должен учитывать специфику учебной дисциплины, дидактические цели и задачи, содержание учебного материала, учебно-методическую базу вуза. В реальной педагогической деятельности «...метод обучения представляет собой систему приемов в разном их обоснованном сочетании в зависимости от специфики содержания учебного предмета, конкретных дидактических задач» [86], и реа 111 лизуются различными средствами обучения. Средствами обучения являются все те материалы, с помощью которых преподаватель осуществляет учебную деятельность. Результативность применения методов достигается при условии, что они правильно отобраны, целесообразно сочетаются между собой, учитывают логику построения курса, поэтому при определении методов обучения физике на основе идей синергетики необходимо выполнить дидактический анализ отобранного в параграфе 2.3. учебного материала, для каждого метода выбрать средства его реализации. При обосновании методов обучения мы руководствовались классификацией, предложенной в работе [47]. Рассмотрим особенности применения методов при обучении физике на основе синер-гетической концепции, соотнесем их с выделенными Н. В. Шароновой действиями преподавателя по реализации компонентов формирования мировоззрения [175]: 1. Объяснительно-иллюстративный метод состоит в том, что преподаватель разными средствами сообщает информацию, а студенты воспринимают ее, осознают и запоминают. Метод может применяться как на лекционных и лабораторных занятиях, так и в ходе самостоятельной работы студентов. Важная роль при реализации метода принадлежит преподавателю, он должен хорошо знать учебный предмет, четко, образно и интересно излагать материал. Применение метода при реализации методической системы обучения физике на основе идей синергетики способствует достижению поставленной цели обучения если: При объяснении нового материала преподаватель выделяет его мировоззренческое значение. В конце каждой темы сформулированы обобщающие выводы. Представим мировоззренческое толкование содержания в виде кратких выводов к каждой теме курса (Таблица 13). Материал излагается логично и доказательно. В содержании присутствуют математические доказательства, описание физических опытов, результаты вычислительных экспериментов. Преподаватель сообщает студентам знания о методах физических исследований, таких как, математическое моделирование, вычислительный эксперимент, концепция иерархии упрощенных моделей. В содержании теоретического материала присутствуют сведения об общей картине мира и отдельных этапах познания природы физической наукой. Так при изучении темы №1 с целью более осознанного представления о современной картине мира, приводятся основные характеристики картин мира, исторически предшествующие постнеклассическои, выделяются их принципиальные особенности. 2. Репродуктивный метод - «метод организации воспроизведения спо собов деятельности» [86, с. 98]. По заданию преподавателя студенты повто ряют способ деятельности, порядок выполнения которого удобно предста вить в виде последовательности этапов или алгоритма. При реализации ме тодической системы: Приводится поэтапный разбор технологии вычислительного эксперимента. В качестве объекта исследования сначала целесообразно выбрать гармонический осциллятор, так как студенты уже знакомы с закономерностями, описывающими его поведение. Это позволит им сравнить полученные результаты и наглядно оценить адекватность построенной математической модели. Поэтому применение репродуктивного метода требует таких средств обучения как презентация (для предъявления алгоритма деятельности), компьютер с соответствующим программным обеспечением. 3. Проблемный метод заключается в том, что преподаватель ставит пе ред учащимися проблему и сам показывает путь ее решения. Применение ме тода также способствует достижению мировоззренческих целей обучения, так например.
