Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ФОРМИРОВАНИЯ МИРОВОЗЗРЕНИЯ БУДУЩИХ УЧИТЕЛЕЙ ФИЗИКИ 22
1. Изучение законов природы в курсе физики, как основы деятельности учителя по формированию научного мировоззрения учащихся 22
2. Традиционные проблемы формирования научного мировоззрения при изучении физики 32
3. Синергетический подход как методологическая основа формирования современного научного мировоззрения 44
4. Роль специальных предметов в системе профессиональной подготовки учителя физики к работе по формированию научного мировоззрения учащихся 60
5. Мировоззренческий анализ специальных дисциплин государственного образовательного стандарта по специальности «Физика» (032200) 71
5.1. Курс «Механики» в контексте физики неравновесных процессов 81
5.2. Преподавание курса «Электродинамика»
с позиций физики неравновесных процессов 93
ГЛАВА II. СТАНОВЛЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ КАРТИНЫ МИРА 111
1. Античные представления о материальных основах мира 111
2. Механическая картина мира 115
3. Электромагнитная теория понимания мира 122
4. Достижения физики XX в. , основы современной физической картины мира 132
ГЛАВА III. ЭВОЛЮЦИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ТЕОРИЙ В КОНТЕКСТЕ МНОГООБРАЗНОЙ СУЩНОСТИ ФИЗИЧЕСКОГО ДЕТЕРМИНИЗМА 141
1. Пространственно-временная симметрия и интегрируемость детерминизма классической физики 141
2. Проблема неинтегрируемости и расходимости в понимании поведения динамических систем 151
3. Квантово-релятивистские подходы к преодолению расходимости и неинтегрируемости в описании физических процессов 158
4. Общее и специфическое в классической и квантово- релятивистской механике, перспективы дальнейшего развития физической теории 167
ГЛАВА IV. ФИЗИКА НЕРАВНОВЕСНЫХ ПРОЦЕССОВ - КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ ОСНОВА ВЕРОЯТНОСТНОГО ДЕТЕРМИНИЗМА 183
1. Синергетический подход к анализу нелинейных
диссипативных систем 183
2. Теория детерминированного хаоса как предпосылка и основа описания необратимых, асимметричных динамических систем 189 3. Теория квантового хаоса- концептуальная основа современных подходов к пониманию происхождения Вселенной 199
ГЛАВА V. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА МЕТОДИКИ ФОРМИРОВАНИЯ МИРОВОЗЗРЕНИЯ БУДУЩЕГО УЧИТЕЛЯ ФИЗИКИ .215
1. Организация и проведение педагогического эксперимента. 215
2. Состояние проблемы в практике работы преподавателей физики школ и педагогических вузов 222
3. Итоги формирующего эксперимента 232
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 245
БИБЛИОГРАФИЯ 248
- Изучение законов природы в курсе физики, как основы деятельности учителя по формированию научного мировоззрения учащихся
- Античные представления о материальных основах мира
- Пространственно-временная симметрия и интегрируемость детерминизма классической физики
Введение к работе
Актуальность темы исследования.
Новые тенденции в современном образовании обусловлены взаимодействием сложных процессов, охвативших научное познание, связанных с обновлением методологической базы современной науки. Анализ работ, исследующих современное состояние научного познания, показывает, что в наши дни формируется новый взгляд на сущностные характеристики отношения "человек - мир".
Современный уровень осмысления этого отношения рассматривается учеными через призму таких проблем, как усиление мировоззренческих аспектов науки, осмысление теоретических и практических результатов научного познания с позиции индивидуально-личностных ценностей, ориентация на методологию научного познания, которая становится не только объектом изучения, но и основой деятельности, позволяет учащемуся после окончания школы или вуза активно включиться в образовательные профессиональные сферы жизнедеятельности.
Физика, глубоко преобразившая жизнь человека в XX веке, стала своеобразным методологическим эталоном для многих наук и для сфер человеческой практики. Методы мышления физиков, отличающиеся логикой рассуждений, математической строгостью, новизной исходных идей и полученных выводов, принесли заслуженный авторитет физике как науке, сделав ее неотъемлемой частью человеческой культуры, авангардом научно-технического прогресса.
Изучение физики в школе на уровне современных требований во многом зависит от степени подготовленности учительских кадров в системе высшего педагогического образования. Решающая роль в профессиональном становлении учителя принадлежит вузовской теоретической и практической подготовке, определяющей его способность к полноценному выполнению задач
образования, важнейшей из которых является формирование научного мировоззрения учащихся. Отсюда вытекает необходимость дальнейшей активизации методических исследований в области предметной и общей подготовки учителя физики.
Изучение практики преподавания школьного курса физики и суждений самих учителей позволяет сделать вывод, что состояние их методологической компетентности в деле реализации мировоззренческого подхода к обучению физике недостаточно. Как показало наше исследование, многие учителя физики не удовлетворены своей методической подготовленностью и испытывают серьезные затруднения в плане мировоззренческого анализа и современного научного объяснения многих тем школьного курса физики.
На современном этапе развития школьного физического образования работа по формированию научного мировоззрения учащихся приобретает особо важное значение. Это вызвано тем, что особенности развития страны требуют значительного усиления воспитательного воздействия процесса обучения, а также тем, что вне научно обоснованного мировоззренческого подхода не могут быть поняты многие вопросы курса физики и в первую очередь те, в которых излагаются основы современных физических воззрений.
Для решения этой задачи из школьной программы курса физики должны быть устранены односторонность и неполнота сведений о важнейших физических понятиях и идеях, так как именно на этой основе возникают заблуждения. В целом метафизичность изложения должна быть заменена диалектической трактовкой как методологически обоснованным подходом к построению содержания школьного курса физики.
Трудности школьных учителей в достижении необходимых результатов в формировании современного научного мировоззрения свидетельствуют не только об инертности некоторых из них в плане самостоятельного приобретения современных научных знаний, но и о не всегда высоком уровне решения данной задачи в деятельности педагогических вузов, где в процессе
подготовки будущих учителей накопился ряд противоречий. К ним прежде всего можно отнести несоответствие между реальной потребностью современной школы в специалистах, готовых к преподаванию на основе современных физических идей и теорий, и существующей вузовской практикой подготовки учителей.
Кроме того, имеют место противоречия:
— между потребностью школы в специалистах с новым мышлением (в
соответствии с идеями физики как развивающейся науки) и существующим у
выпускников физических факультетов традиционным мышлением, не
отражающим современных взглядов на окружающий мир и целостную
естественнонаучную картину мира;
между потребностью и школ, и вузов в разнообразных образовательных программах для школ различной специализации и содержанием современного вузовского образования;
между объективным фактом большого значения методологической подготовки для становления учителя физики и недооценкой этого факта преподавателями специальных физических дисциплин;
между необходимостью творческого отношения к преподаванию физики и недостаточным развитием творческих способностей будущих учителей.
Коренной причиной противоречий в формировании методологических умений будущих учителей физики и связанных с ними недостатков в работе школьных учителей физики можно считать отсутствие упорядоченной системы работы по формированию в педагогических вузах научного мировоззрения студентов и неразработанность ее теоретических основ. При этом мы считаем, что главными составляющими этой системы являются научно обоснованное современными концепциями физики содержание учебного материала и, на этой основе, — необходимость анализа кризиса традиционной системы образования и путей выхода из него.
Одним из признаков кризиса традиционной системы образования, в том числе и в области физики, является отставание в изложении ее базисных, фундаментальных положений от современного уровня развития науки. Система школьного образования практически остается в рамках классического и неклассического этапов развития, не выходя на этап постнеклассического, синергетического уровня физики неравновесных процессов. Однако, целый ряд явлений окружающего нас мира, особенно открытые, саморазвивающиеся, самоорганизующиеся системы, не могут быть "... постигнуты посредством классических понятий, что свидетельствует об особом значении синергетики для названных областей исследований" [187, с. 54].
В традиционном понимании законы природы описывают Вселенную как замкнуто-детерминистическую, в ней прошлое и будущее эквивалентны, уравнения движения, а также их решения симметричны во времени. Однако, такой подход привел к «отчуждению фундаментальной физики, мыслившей в терминах традиционных законах природы, от всех остальных наук, исходивших в своих описаниях из допущения о существовании стрелы времени» [165, с. 10].
Статистическая физика не дает ответа на вопрос, как описать приближение к равновесию, какова природа необратимости времени. Симметричные во времени законы природы привели к непреодолимому дуализму, отделившему людей от того мира, который они учились описывать и понимать. «Природа, - по утверждению И. Пригожина и И. Стенгерс, - менее симметрична, чем можно было бы ожидать, исходя из уравнений классической и квантовой физики» [там же, с. 17]. Примером тому являются распад нестабильных частиц, расходимость при взаимодействии между веществом и светом в квантовой механике, что неизбежно затрагивает ее основания. Конец господства в физике «первичных» (детерминистских) законов и наступление эры «вторичных» (статистических) законов, описывающих необратимые процессы, был предсказан А. Пуанкаре [172].
Необходимость введения в физику фундаментальной теоремы
А. Пуанкаре о невозможности исключения взаимодействия и неинтегрируемости динамических систем стала потребностью научного познания. Поэтому с начала XX в. происходит расширение границ физики в виде квантовой механики и теории относительности, однако основные характеристики законов классической механики (симметрия и обратимость) остались, по существу, неизменными.
В последние десятилетия родилась новая наука - физика неравновесных процессов, связанная с такими понятиями, как самоорганизация и диссипативные структуры. Физика неравновесных процессов открывает большие перспективы в решении фундаментальных физических проблем. На ее основе возможно преодоление основных физических парадоксов - временного, квантового и космологического, разрешить которые с позиций классической и неклассической (квантово-релятивистской) теорий невозможно.
Сегодня необходима новая формулировка законов физики (помимо основанных на исследовании траекторий, волновых функций, теории ансамблей), связанная с описанием необратимых процессов. Физика неравновесных процессов приводит к возрождению «парадокса времени», т.к. в ней временная необратимость, асимметричность играют существенную роль.
Таким образом, актуальность исследования определяется:
необходимостью преодоления кризиса в традиционной системе образования, приведения в соответствие базисных, фундаментальных положений курса физики с современным уровнем развития науки;
потребностью в разработке концептуальных теоретических и практических основ реализации мировоззренческого потенциала специальной подготовки будущих учителей физики в педагогическом вузе;
потребностью выхода в курсах физики за рамки классического и неклассического этапов развития науки на уровень постнеклассический, синергетический, физики неравновесных процессов с целью формирования научного мировоззрения будущих учителей физики;
- признанием важности создания целостной системы формирования мировоззрения студентов педагогических вузов и учащихся школ в процессе преподавания физики, основой которой являются содержательные аспекты обучения;
- неизбежностью преодоления традиционного понимания законов
природы как симметричных во времени, перехода на новую формулировку
законов, связанных с описанием необратимых процессов;
необходимостью разработки физики неравновесных процессов, теории детерминированного хаоса, как основы преодоления основных физических парадоксов;
разработкой образовательного стандарта специальности "Физика" в контексте не только классического детерминизма, но и физики неравновесных процессов.
За последние десятилетия XX в., в перестроечный период, в России в области теории и практики преподавания физики и подготовки учителя физики, в связи с общими тенденциями трансформации общества, произошли такие изменения, как демократизация системы образования; возникновение многообразия типов учебных заведений; общих и авторских программ (при наличии обязательного стандарта); учет возрастных особенностей обучающегося; утверждение принципов гуманизации, гуманитаризации и дифференцированного обучения, широкое использование компьютеров. Физика предстает, в результате этого, не только как элемент науки и техники, но и культуры. Ученик и студент превращаются из объекта обучения в субъект познавательного процесса, в результате чего преподавание становится личностно-ориентированным, учитель и преподаватель превращаются в организаторов познавательной деятельности.
В современных условиях (свободы совести, слова, выбора деятельности и т.д.) проблема формирования научного мировоззрения учащихся особенно важна. Большой вклад в разработку и реализацию указанных идей внесли
педагоги, психологи и методисты Ю. К. Бабанский, Г. А. Бордовский, Г. М. Голин, В. И. Данильчук, Ю. И. Дик, П. А. Знаменский, В. А. Извозчиков,
A. С. Кондратьев, А. А. Кузнецов, В. М. Леднев, В. Н. Мощанский,
B. В. Мултановский, А. В. Перышкин, Н. С. Пурышева, В. Г. Разумовский,
И. И. Соколов, А. В. Усова, Н. В. Шаронова, Д. И. Фильдштейн и др.
Вместе с тем, несмотря на достигнутые успехи, необходимо отметить, что преподавание физики в средней школе и вузе сегодня не выходит за традиционные рамки и по-прежнему ограничивается приверженностью принципам механицизма, идеям и концепциям классического и неклассического этапов в развитии физики.
Реальная практика школы, физических (физико-математических) факультетов педагогических вузов, анализ педагогических и методических исследований, собственный опыт позволяют сделать предположение о том, что проблема реализации мировоззренческого потенциала специальной подготовки учителей физики в педагогическом вузе как проблема воспитания высоконравственной и образованной личности продолжает быть актуальной и нуждается в дальнейших исследованиях.
Проблема нашего исследования заключается в анализе роли теории неравновесных процессов в современном понимании физической картины мира в формировании научного мировоззрения учащихся, разработке и обосновании необходимых концептуальных изменений в преподавании физики в педагогическом вузе.
Цель исследования: разработка обоснование теоретических и практических основ современной методики формирования научного мировоззрения студентов-физиков в педагогическом вузе и подготовки их как будущих учителей к формированию научного мировоззрения школьников.
Объект исследования: процессы обучения физике в педагогическом вузе и старших классах средней школы.
Предмет исследования: теория и практика методики формирования
мировоззрения будущего учителя физики в контексте теорий неравновесных
процессов.
Гипотеза исследования может быть представлена рядом предположений о путях осуществления идеи эффективного формирования научного мировоззрения студентов педагогического вуза и школьников в процессе обучения физике. Решение этой важной стратегической задачи возможно, если:
опыт осмысления мировоззренческих и методологических основ физического знания, его отношения к различным формам человеческого бытия и жизнедеятельности самого учащегося будет проектироваться как обязательный компонент физического образования;
традиционные методы и приемы физического образования, ориентированные на изучение равновесных, устойчивых, симметричных систем, отражающихся в классическом и неклассическом этапах развития физики, получат дальнейшее развитие в преподавании специальных дисциплин на современном теоретическом уровне физического знания, которое выходит на изучение необратимых, неустойчивых, асимметричных систем;
синергетический подход к пониманию мира, в основе которого лежит физика неравновесных процессов и теория детерминированного хаоса, будет являться основой преодоления физических парадоксов, что должно быть осознано и использовано в практике преподавания физики;
методологическое применение полученных результатов исследования будет реализовано в разработке образовательного стандарта, в преподавании курса физики и формировании мировоззрения будущего учителя физики в контексте физики неравновесных процессов.
В соответствии с поставленной целью и выдвинутой гипотезой были определены задачи исследования:
1. На основе анализа философской, физической, педагогической и методической литературы определить проблемы формирования научного мировоззрения, возможности их решения; предложить стратегию его
совершенствования и соотнести ее с практикой подготовки будущего учителя физики в педагогическом вузе.
Проанализировать традиционные подходы к формированию научного мировоззрения учащихся школ и студентов в педагогическом вузе.
Предложить синергетический подход к изучению основных положений физики неравновесных процессов как концептуальную методологическую основу реализации мировоззренческого потенциала специальной подготовки будущего учителя физики в педагогическом вузе.
Рассмотреть роль специальных предметов системы профессиональной подготовки учителя физики в работе по формированию научного мировоззрения школьников.
Провести мировоззренческий анализ специальных дисциплин государственного образовательного стандарта по специальности «Физика» (032200).
Определить сущностные характеристики содержания современного курса физики в педагогических вузах, являющиеся основой работы по формированию мировоззрения будущего учителя физики.
Провести экспериментальную проверку эффективности предложений, содержащихся в исследовании.
Методологической основой исследования явились комплексный, системный, диалектический подходы, позволяющие объединить достижения классического, неклассического и постнеклассического этапов в развитии физической картины мира, рассматривающие любое явление как сложную, саморазвивающуюся систему, устанавливающие взаимосвязь философского и естественнонаучного подходов к формированию мировоззрения учителя физики в контексте физики неравновесных процессов. Данная методология позволяет выявить взаимосвязь физической теории и практики её преподавания, достичь теоретических и практических результатов исследования.
Теоретическими основами исследования являются труды, анализирующие:
- в античности: идеи бытия и становления, изменения (Платон);
относительность законов человеческого общества по отношению к природе
(Аристотель); повторяемость вещей и событий после каждого периодического
воспламенения и очищения космоса (стоики - Зенон, Клеанф, Хрисипп и др.);
возмущения устойчивого детерминизма, роль случайности, вероятности
(Лукреций Кар);
- в новое время: включение времени в концептуальную схему физики,
отрицание «стрелы времени», утверждение закона обратимости,
эквивалентности между прошлым и будущим (Г. Галилей); рассмотрение
законов природы как прототипов физических законов, абсолютность,
неизменность, равнозначность пространственно-временных свойств,
симметричность законов во времени (И. Ньютон); попытка соединения
механического детерминизма с теорией вероятности (П. Лаплас); принцип
возможных перемещений (Ж. Лагранж); проблема равновесного состояния
(Р. Клаузиус, У. Томсон, Л. Больцман);
- проблему исключения взаимодействия, расходимости,
неинтегрируемости динамических систем (А. Пуанкаре); попытка решения
проблемы расходимости (А. Н. Колмогоров, В. И. Арнольд, Ю. Мозер);
трактовку необратимости как продукта субъективности восприятия обратимой во времени реальности (М. Планк); введение операторов как коррелята физических величин, волновой механики, принципа неопределенности как попытки обоснования расходимости (Э. Шрёдингер, В. Гейзенберг);
попытку преодоления несводимости путем вероятностного описания событий мега и микромира не в понятиях траекторий и волновых функций, а в
- онтологический подход к пониманию времени как последовательной смены состояний систем (А. А. Егоров, Я. Ф. Аскин, Ю. Б. Молчанов, Т. Н. Лолаев); связь необратимости времени с концептуальными основами физики (И. Пригожий, И. Стенгерс); переход к обобщенным, оснащенным пространствам (И. М. Гельфанд);
различные аспекты сложного в теории самоорганизации (Г. Хакен, Г. Николис, И. Пригожий, Э. Ласло, М. Матурано, Ф. Варела, Э. Моран и др.);
исследование проблем детерминированного хаоса (И. М. Гельфанд,
A. Бом, Г. Г. Сударшан, Г. Г. Манецкий, И. Пригожий, И. Стенгерс и др.);
- проблему соотношения физической теории и практики преподавания
физики, необходимости новых подходов, образовательных стандартов,
формирования мировоззрения учащихся, студентов, преподавателей физики
(И. А. Баширова, А. Е. Гуревич, И. В. Корсак, Б. К. Курбанов, Ш. К. Ниязов,
B. Г. Разумовский, Н. Е. Халилова, Г. А. Яшин и др.).
Исследование связано так же с развитием проблем методики преподавания физики, которые в России имеют давние традиции и восходят к работам М. В. Ломоносова и Э. X. Ленца, а также таких крупнейших российских физиков XX в., как С. И. Вавилов, А. Ф. Иоффе, П. Л. Капица, Г. С. Ландсберг, И. К. Кикоин и др.
К истокам разработки методических проблем преподавания физики
можно отнести труды таких российских физиков XVIII и XIX в.в., как
М. Е. Головина, П. Гиляровского, М. М. Сперанского, И. В. Двигубского,
К. Д. Краевича, а также различные методические руководства И. И. Паульсона,
Ф. Ф. Эвальда, К. Д. Дубровского, Я. И. Ковальского, А. Ф. Малинина,
К. П. Буренина, Н. А. Любимого, Ф. Н. Шведова и др. В их работах разбирались
основные вопросы методики обучения физике, ее содержания, методов
преподавания. В начале XX в., в дореволюционный период, большой вклад в
разработку методики обучения физике внесли работы В.В. Лермантова,
И. И. Косоногова, А. В. Цингера, Ф. Н. Индриксона, Н. В. Кашина,
разработку методики обучения физике внесли работы В. В. Лермантова, И. И. Косоногова, А. В. Цингера, Ф. Н. Индриксона, Н. В. Кашина, А. И. Бачинского, в которых ставились проблемы расположения учебного материала, обоснования основных методических идей того времени.
В советский период в развитии методики обучения физике, как и физической теории в целом, наряду с позитивными (коллективный поиск путей развития системы образования, ее связи с наукой) были и негативные моменты — стремление к единообразию программ, чрезмерной стабильности учебных пособий, ориентация на среднего, абстрактного ученика.
Большой вклад в разработку методических проблем в советский период внесли такие авторы, как И. И. Соколов, А. В. Перышкин, П. А. Знаменский, Д. Д. Галанин, А. А. Покровский. Вышли первые учебные пособия для среднего физического образования, в которых ставились вопросы теории школьного физического эксперимента, учебного оборудования, лабораторных работ, физического практикума.
Немалый вклад в становление и развитие теории и практики преподавания физики внес научно-методический и теоретический журнал «Физика в школе», выходящий с 30-х гг., в котором ставятся и обсуждаются проблемы содержания курса физики в школе, его соотношение с физической теорией и наукой, последовательность разделов, технических средств обучения, методики их применения, проблемы углубленного, факультативного обучения и др.
Результатом этой деятельности явилась разработка учебно-методического комплекса учебного предмета «Физика» - программы, учебники, задачники, дидактические средства, факультативные курсы и др. Разработаны новые технологии обучения физики на основе современных философских, физических и психолого-педагогических концепций, в учебный процесс введена электронно-вычислительная техника, создан фундамент для дальнейшего совершенствования содержания физического образования в школе и вузе. В
связи с этим работа по формированию научного мировоззрения учащихся школ и студентов получила большие возможности.
Методы исследования. Для реализации поставленных задач в исследовании использовалась совокупность взаимосвязанных и взаимодополняющих методов:
- теоретический анализ научных источников в области развития
физической картины мира от античности до современности;
- исследование учебно-методического обеспечения формирования
мировоззрения учителя физики;
системный подход к пониманию физической картины мира в контексте традиционных подходов и современного уровня развития физического знания;
моделирование путей и средств формирования мировоззрения учителя физики в контексте традиционного и синергетического понимания мира;
использование результатов наблюдения, опытных данных, эксперимента;
- количественный и качественный анализ эмпирических данных,
полученных в ходе исследования;
- экспертная оценка.
Логика и основные этапы исследования.
Исследование, базируясь на основных методологических и методических принципах теории и практики формирования мировоззрения учителя физики, имело следующую логику:
Обоснование проблемы исследования, его основных целей и задач.
Определение стратегического плана исследования, который включал в себя предварительный, теоретический и экспериментальный этапы:
А. Предварительный этап (1996 - 1999 г.г.) решал следующие задачи:
- изучение научной литературы, теоретических источников, новых,
нетрадиционных подходов в постановке и решении физических проблем,
составление библиографии;
- рассмотрение философско-научного аспекта проблемы;
- изучение и сравнение практического опыта использования в
преподавании физики традиционных и нетрадиционных подходов в постановке
и решении мировоззренческих проблем.
Б. Теоретический этап исследования (1999 - 2002 г.г.) включал выявление конкретных путей и средств реализации поставленных целей и задач исследования:
применение теоретических выводов в практике преподавания курсов физики и формирования мировоззрения учителя физики в контексте традиционного, классического и нетрадиционного, синергетического понимания мира;
определение конкретных тем, разделов курсов физики, в которых возможно и необходимо использовать основные идеи физики неравновесных процессов;
разработку методики преподавания и формирования мировоззрения учителя физики в контексте традиционного и синергетического подходов.
В. Экспериментальная часть исследования (2001 - 2003 г.г.) включала проверку выдвинутых идей в практике преподавания курсов физики и формирования учителя физики в Вологодском государственном педагогическом университете.
Для этого проводилось:
- обсуждение и утверждение целей и задач эксперимента на учебно-
методическом совете физико-математического факультета Вологодского
государственного педагогического университета;
контексте концепций неравновесных процессов»;
- корректировка программ и тем курсов физики в контексте
рассматриваемых проблем;
- экспертная оценка полученных результатов в учебно-методических
советах педагогических вузов.
Научная новизна исследования и его теоретическая значимость.
Предлагаемая работа является методическим теоретико-
экспериментальным научным исследованием анализа концептуальных основ реализации мировоззренческого потенциала специальной подготовки будущих учителей физики в педагогическом вузе, которая впервые решает проблемы с помощью включения в содержание курса физики целостного понимания законов природы, объясняемых с помощью концепций неравновесных процессов.
В отличие от диссертаций В. Н. Мощанского (1962 г.) и Н. В. Шароновой (1997 г.) (в первой основное внимание уделяется формированию мировоззренческих взглядов учащихся школы и определению методических путей утверждения тех мировоззренческих выводов, которые должны быть сделаны учащимися при изучении физики, во второй — определяется методологический компонент методической подготовки учителя физики) в нашей работе представлен содержательный аспект проблемы, т.е. исследуются основы реализации мировоззренческого потенциала специальной подготовки студентов педагогического вуза.
Объективные возможности физики для формирования научного мировоззрения будущих учителей определяются в нашей работе комплексным подходом, объединяющим физику равновесных и неравновесных процессов, основой которого является синергетическое понимание мира как единства порядка и хаоса.
Проведенное исследование позволило вскрыть новые аспекты проблемы:
- показана актуальность и необходимость включения современных научных физических теорий в практику преподавания и подготовку учителя физики в педагогических вузах;
проанализирована степень разработанности проблемы в контексте развития физического знания в историческом плане и на современном уровне;
исследованы достижения и трудности классического, традиционного подходов к пониманию физических процессов и законов как обратимых, сводимых, интегрируемых;
указаны пути разрешения противоречий и парадоксов классической физики на неклассическом, квантово-релятивистском этапе ее развития;
- выявлены современные подходы к разрешению основных
противоречий классической физики, связанные с физикой неравновесных
процессов, закономерностями детерминированного хаоса, анализа
диссипативных, сложных, взаимодействующих, открытых, необратимых,
неустойчивых, вероятностных систем;
доказана необходимость целостного понимания законов природы как единства обратимости и необратимости, порядка и хаоса, энтропии и становления, развития, эволюции;
разработана методика соединения инновационных идей современной научной физической теории с традиционными, классическими подходами, их реализации в практике преподавания курса физики и подготовки учителя физики в педагогических вузах.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
созданы рекомендации по использованию содержания специальной подготовки будущих учителей физики для работы по формированию их научного мировоззрения;
разработаны и обоснованы учебная программа и содержание спецкурса
по физике «Эволюция физической картины мира в контексте концепций неравновесных процессов»;
разработаны и внедрены в практику рекомендации для преподавателей физики, включающие синергетический подход к пониманию становления и развития мира;
созданы пособия, в которых изложены и обоснованы основные вопросы методики формирования научного мировоззрения учащихся, раскрыты возможности различных тем постнеклассической физики для реализации мировоззренческого подхода к их изучению.
Использование полученных в исследовании результатов и рекомендаций по совершенствованию обучения физике в педагогическом вузе может служить основой для поиска новых педагогических решений в системе высшего педагогического образования.
Достоверность и обоснованность результатов и выводов исследования обеспечивается четкой методологической основой исследования, всесторонним теоретическим анализом проблемы, выбором взаимодополняемых, адекватных предмету исследования показателей эффективности предлагаемой методики формирования научного мировоззрения будущих учителей физики, а также репрезентативной выборкой количества респондентов констатирующего и формирующего эксперимента.
Апробация исследования осуществлялась в ходе выступлений на международных конференциях : «Физика в системе современного образования»(ФССО), Петразаводск, 1995 г.; Волгоград, 1997 г.; «Проблемы и перспективы педагогического образования в XXI веке», Москва, 2000 г.; «Инновации в психолого-педагогической теории и практике», Шуя, 2001 г. На Всесоюзной конференции «Методологические, дидактические и психологические аспекты проблемы обучения», Донецк, 1991 г.; общероссийской научно-методической конференции «Модернизация образования», Вологда, 2003 г.
На зашиту выносятся следующие положения:
Главной составляющей мировоззренческого подхода к обучению школьников и студентов физике должна стать содержательная составляющая, опирающаяся на современный научный подход к объяснению окружающего нас мира. Изучение физики в средней школе и вузе, раскрывая методологию познания, делает физические знания основой мировоззрения учащихся, реализуя их потребности в познании действительности.
В понятие профессиональной готовности будущего учителя физики следует включить мировоззренческую составляющую этой готовности.
3. На современном этапе развития физического знания и его
преподавания необходима взаимосвязь и взаимодополнение традиционных,
классических подходов к пониманию физических законов с нетрадиционными,
отражающими процессы не только устойчивые, обратимые, но и необратимые,
вероятностные, неравновесные. Концептуальной основой взаимосвязи
традиционных и современных подходов в понимании физических законов
является синергетический подход, исследующий закономерности устойчивых,
хаотических, стохастических систем.
4. Методика формирования научного мировоззрения учащихся будет
эффективной, если в ней определены ситуации, ориентирующие учащихся на
научное миропонимание, на объективное отношение человека к этому миру и
самому себе, на понимание принципов познания действительности, на
ценностные ориентации.
Изучение законов природы в курсе физики, как основы деятельности учителя по формированию научного мировоззрения учащихся
Физика занимает особое место среди школьных дисциплин. Как учебный предмет она составляет главное содержание научной картины мира. Являясь основой научно-технического прогресса, физика доказывает учащимся гуманистическую сущность научных знаний, подчеркивая их особую нравственную ценность, формирует творческие способности учащихся, их мировоззренческие взгляды и убеждения, способствует воспитанию знающей, высоконравственной личности.
У изучающих физику появляется возможность не только познать, но и объяснить окружающий мир. Эта возможность осмысления окружающей жизни и себя в ней дает основание школьникам действовать сознательно, уверенно, что свойственно юношескому возрасту, а выработка своих собственных взглядов в области науки, общественной жизни, политики и морали является основной характеристикой юности.
В процессе обучения в школе у учеников формируется мировоззрение, которое представляет собой систему обобщенных взглядов о мире и месте человека в нем. Это означает, что в мировоззрении отражаются закономерности в развитии природы, общества, самого человека и процесс познания им мира.
Стремление старших школьников и подростков к разрешению глобальных проблем делает задачу формирования их мировоззрения в процессе обучения физике значительной и актуальной. Цели и принципы преподавания физики реализуются в педагогическом процессе прежде всего через содержание самого курса. Его научный уровень должен соответствовать современному уровню развития науки и вместе с тем быть доступным для учеников массовой школы по объему и глубине изложения.
Только в этом случае физика как учебный предмет во многом удовлетворит желание школьников понять и осмыслить основные идеи и проблемы мировоззренческого характера. Для реализации этого необходимо стремиться создать у учащихся понимание природы как стройного, гармоничного, взаимно связанного единого целого.
Восприятие естественной гармонии природы, красоты ее законов, вера в возможности человеческого разума в познании мира, понимание роли физики в преобразовании человеком окружающей действительности составляют основные аспекты формирования научного мировоззрения.
Значимость предмета физики для учащихся обусловлена тем, что анализ ее содержания связан с рассмотрением и постановкой философских проблем. Наше исследование показало, что постановка философских, нравственных проблем при изучении физики происходит за счет того, что учащихся привлекают те элементы содержания, в которых эти аспекты ярко выражены: законы диалектики, материальность и познаваемость мира, гуманистическая сущность физики, ее значение в научно-техническом прогрессе, научная деятельность создателей физики.
В решении задачи формирования научного мировоззрения учащихся необходимо мировоззренческие идеи раскрывать через конкретное физическое содержание. Непременным условием решения поставленной задачи является необходимость высокого уровня научности изложения материала в диалектическом единстве с принципом доступности. Для построения оптимальной системы школьного физического образования, в частности для определения объема, содержания и структуры курса физики, может быть использована одна из особенностей современного потока научно-технической информации — наличие определенной качественной структуры, которую можно представить в виде сравнительно медленно изменяющегося ядра и быстро меняющейся оболочки.
Такое представление помогает установить оптимальное соотношение между развивающей функцией школьного образования и минимумом знаний, который необходимо сообщить учащимся. В этот минимум, безусловно, должны войти законы классической физики, например законы сохранения, и некоторые законы неклассической и даже постнеклассической физики или хотя бы сведения о них, например законы неравновесных процессов, связанные с такими понятиями, как самоорганизация и нелинейные структуры.
Современная физика по-новому объясняет целый ряд явлений окружающего нас мира. Вместе с тем она по самому своему содержанию более диалектична. Развитие науки шло таким образом, что научные знания о физической реальности всё более продвигались по пути познания сути явлений, и анализ научных данных позволял делать все более глубокие философские выводы, позволяющие развиваться не только физике, но и философии.
Поэтому взаимосвязи современных разделов физики и философии в определенном смысле глубже, чем взаимосвязь с классической физикой и философией, и в некоторых своих аспектах оказываются доступными для учащихся средней школы. Отсюда следует, что от правильно расставленных акцентов различной научной значимости в учебном материале зависит соответствие его современному уровню науки, что имеет важнейшее значение для формирования физического миропонимания.
Античные представления о материальных основах мира
Возникновение и развитие науки с I тыс. до н.э. было обусловлено потребностями таких древнейших рабовладельческих государств как Китай, Индия, Египет. Строительство каналов, водохранилищ, плотин, культовых сооружений, учет периодичности, связанной с земледелием и мореплаванием, привели к развитию математики и началам астрономии.
Так, в Древнем Китае было известно пять планет Солнечной системы, а также продолжительность года, равная 365,25 суток. Древними китайскими астрономами были составлены первые звездные каталоги, насчитывавшие до нескольких сотен звезд. Вавилонские жрецы разделяли годичный путь движения Солнца на двенадцать частей, созвездий Зодиака, вели календарь, по которому время измерялось сутками, лунным месяцем, а год составлял 364 дня. Несмотря на такие значительные достижения, хранителями знаний были, как правило, жреческие касты, использующие эти знания для культовых обрядов и предсказаний, поэтому представление о мире, как окружающей человека действительности, не было подлинно естественнонаучным.
Первые попытки естественнонаучного структурирования в понимании мира относятся к высокоразвитому рабовладельческому строю Древней Греции. В отличие от Древнего Востока, античная наука не была сосредоточена в пределах замкнутых жреческих каст, в ней наукой могли заниматься все свободные граждане, поэтому появляются первые научные школы, профессиональная педагогическая деятельность, своеобразные учебные заведения (Академия Платона и Лицей Аристотеля).
Материалистические воззрения на мир вырабатываются в Древней Греции с VI по IV в. до н. э. Греческая наука представляла собой первую попытку построения картины мира, основанной на наблюдении явлений природы, которая рассматривалась древнегреческими натурфилософами в целом, во всеобщей связи явлений, непрерывном развитии и изменении.
Древнегреческие философы стремились свести все разнообразие природных явлений к некоторому конечному числу первоначал. Так, например, Фал ее утверждал, что все в мире произошло из воды и все превращается в воду, Анаксимандр первоосновой всего сущего считал апейрон - неопределенное, беспредельное начало, из которого возникают и развиваются миры, Анаксимен - воздух, Гераклит - огонь, Эмпедокл - огонь, воду, воздух и землю [5, т. 1, 4.1].
Кроме того, уже в натурфилософии был выявлен принцип сохранения - «из ничего ничего не бывает», который стал исходным концептуальным положением античных атомистов. Так, Демокрит считал, что «начало Вселенной - атомы и пустота... Миров бесчисленное множество, и они имеют начало и конец во времени. И ничто не возникает из небытия... И атомы бесчисленны по разнообразию величин и по множеству; носятся же они во Вселенной, кружась в вихре, и, таким образом, рождается все сложное: огонь, вода, воздух, земля» [там же, с. 326-327]. Количество атомов, с точки зрения Демокрита, бесконечно, однако, они отличаются друг от друга формой и величиной, не имеют внутренней структуры. Все вещи образуются из различных атомов, даже душа состоит из атомов - тонких, гладких и круглых.
Другим крупным античным атомистом, развившим учение Демокрита далее, был Эпикур. Материальный мир, с его точки зрения, вечен и неизменен, состоит из атомов и пустоты. Атомы движутся непрерывно и вечно, причиной этого движения является сама Вселенная, помимо которой «нет ничего, что могло бы войти в нее и произвести изменение» [там же, с. 348]. Атомы обладают формой, величиной и весом, они движутся с одинаковыми скоростями, но могут самопроизвольно отклоняться от прямолинейного пути.
Это порождает столкновения, вихревые движения и приводит к образованию вещей. Характерно, что существование атомов античные философы обосновывали наблюдениями из повседневной обыденной практики: сушка одежды, её намокание вблизи моря, стирание камней мостовой, ручки медной статуи у городских ворот при многочисленных прикосновениях входящих в город людей. Эти и другие явления они объясняли существованием атомов. Эпикур допускал единое происхождение других небесных миров и атомов и наличие в других мирах растений и человека.
Учения Эпикура и других атомистов были обобщены и изложены римским философом Лукрецием Каром, который предпринял попытку на основе атомизма объяснить не только природные, но и социальные явления. «Всю, самоё по себе, - пишет он, - составляют природу две вещи: это, во-первых, тела, во-вторых же, пустое пространство, где пребывают они и где двигаться могут различно» [197, с. 348]. Здесь фактически изложена цель и программа физики - структурировать все явления и найти конечное число элементов, из которых образуются все остальные структурные элементы природы. Разумеется, в настоящее время такие представления о первоосновах мироздания кажутся наивными. Однако античные атомисты фактически сформулировали основную проблему физики элементарных частиц - конечную или бесконечную делимость материи вглубь.
Пространственно-временная симметрия и интегрируемость детерминизма классической физики
Основоположником классической механики, включившим время в математическую схему, является Г. Галилей, взгляды которого оставались основополагающими на протяжении последующих столетий, вплоть до XIX в. Он первый построил геометрическую модель движения тела, дал точное определение времени, обозначив пройденный телом путь и время, потраченное на это, разделенными на равные отрезки прямыми линиями.
В основе механики Галилея и её дальнейшего успеха лежал принцип уравнивания любых равных отрезков одной прямой равным отрезкам другой, а также приравнивание видимой траектории тела к невидимому, но ощутимо текущему времени. Галилей геометризировал время, отождествил его с движением, «опространствил», связал с геометрией, метрикой Евклида. Исходя из этого он ввел понятие движения равномерного и «единообразного», под которым понимал такое движение, при котором «расстояния, проходимые движущимся телом в любые равные промежутки времени равны между собой» [39, с. 282].
Сведя время к длительности, Галилей тем самым фиксировал одно, но определяющее его свойство - продолжительность. Другие свойства времени — однонаправленность, необратимость, связь с причинностью, изменениями качества - оставались вне поля зрения классической механики, которая выделила в анализе времени свойства, проявляющиеся прямо и непосредственно в опыте и достаточные для операций с движущимися телами. Это, в свою очередь, сделало возможным измерение времени и установление соотношения временных отрезков. Время, - утверждает Галилей, - в течение которого тело, вышедшее из состояния покоя и движущееся равномерно ускоренно, проходит некоторое расстояние, «равно времени, в течение которого это же расстояние было бы пройдено тем же телом при равномерном движении, скорость которого равняется половине величины наибольшей конечной скорости, достигаемой при первом равномерном ускоренном движении» [там же, с. 311].
Отождествление времени с длительностью, с одной стороны, закладывало четкие, математические основы классической механики, с другой - затемняло вопрос о причине, источнике, природе времени, которое выступало как само собой разумеющееся, не требующее специального анализа. Кроме того, такой подход утверждал идею обратимости, одинаковости законов, эквивалентности между прошлым и будущим. Это особенно ярко, по утверждению Галилея, проявляется тогда, когда тело движется по горизонтальной плоскости, не встречая никакого сопротивления движению. В таком случае «движение тела является равномерным и продолжалось бы бесконечно, если бы плоскость простиралась в пространстве без конца» [39, с 418].
Главный выигрыш, который давало исключение необратимости времени в механике Галилея, состоял в возможности абсолютно точного измерения длительности как в прошлом, так и в будущем. Однако, по справедливому утверждению Г. Н. Аксёнова, в многочисленной литературе, посвященной основам классической механики, не обращалось внимания на то, что «безразличием к прямому или обратимому течению обладает отнюдь не время, под каковым названием фигурирует в формулах механики символ t, а именно длительность, как бы только часть времени, имеющая такое свойство» [1, с. 43].
Вместе с тем такое понимание времени изначально вступало в противоречие с введением в формулы механики знаков плюс или минус, не вмещающихся в понятия об обратном течении времени. Это противоречило не только здравому смыслу, но и другим наукам, в которых «прошлое и будущее никак не могут меняться местами» [там же]. Однако принципы классической механики, заложенные Галилеем, стали основой её развития на протяжении нескольких столетий и оказались в центре внимания таких крупных мыслителей XVI - н. XVIII в.в., как Д. Бруно, Г. В. Лейбниц, И. Ньютон, Р. Ю. Клаузиус, Л. Больцман и др.
Так, Д. Бруно рассматривал Вселенную как единую, бесконечную, неподвижную, вечную, на которую ничто не может воздействовать и изменить ее. Вселенная, с его точки зрения, «не может быть охвачена и поэтому неисчислима и беспредельна, а тем самым бесконечна и безгранична и, следовательно, неподвижна» [26, с. 261]. Вселенная не движется в Пространстве, так как ничего не имеет вне себя, она является всем. Она не рождается, ибо нет другого бытия, она обладает всем бытием. Вселенная не Уничтожается, так как нет другой вещи, в которую она могла бы превратиться, она является всякой вещью. Она не может уменьшиться или увеличиться, так как она бесконечна. «Как ничего нельзя к ней прибавить, так ничего нельзя от нее отнять, потому что бесконечное не имеет частей, с чем-либо соизмеримых» [26].
Подобный взгляд на Вселенную как «лучший из миров» развивал и Г. В. Лейбниц, с точки зрения которого, хотя мир находится в вечном движении, и причина и следствие бесконечно в нём порождают друг друга, но Вселенная с момента творения не получает более «нового движения», поэтому одно тело «приобретает» живую силу, а другое «теряет» ее [113]. Однако, ведя переписку с теологом С. Кларком, выражающим взгляды И. Ньютона, Г. В. Лейбниц, в отличие от Д. Бруно, поднимал вопросы, поставленные еще в античности - соотношение части и целого, бесконечной или конечной делимости пространства и времени, вечности и развития Вселенной, о границах применимости закона достаточного основания. Но, несмотря на это, именно Г. В. Лейбниц отстаивал, так называемую, «ньютонианскую» картину мира, традиционно связываемую с именем И. Ньютона.
Понимая под пространством «порядок сосуществования», а под временем «порядок последовательностей», Г. В. Лейбниц рассматривал их как однородные и обратимые. Это вытекает из того, что порядок вещей, с его точки зрения, остается неизменным, поэтому «одно из двух состояний, например, то, в котором все совершалось бы на определенный промежуток времени раньше, ничем не отличалось бы от другого, когда все совершается в данный момент, и различить их было бы невозможно» [там же, т. 1, с. 442]. В силу этого Бог, с точки зрения Г. В. Лейбница, не является «ни Мировым Разумом, ни Надмировым Разумом, а Вездесущим Разумом, находящимся и внутри, и вне мира. Он присутствует во всем, действует через все и стоит выше всего» [там же, с. 440].
