Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОФЕССИОНАЛЬНО
НАПРАВЛЕННОГО ОБУЧЕНИЯ СТУДЕНТОВ ФИЗИЧЕСКОЙ СПЕЦИАЛЬНОСТИ
ПЕДАГОГИЧЕСКОГО ВУЗА ОСНОВАМ СТОХАСТИЧЕСКОЙ ДИНАМИКИ 18
1.1. Становление современной синергетической концепции естествознания.
1.2. Стохастическая динамика как область современного научного знания ... 31
1.2.1. Формирование стохастической динамики 32
1.2.2. Введение стохастических представлений в содержание образования 38
1.3. Принцип профессионально-педагогической направленности как основа обучения в педвузе 46
1.3.1. Профессиональная направленность личности и профессионально значимые качества учителя физики 48
1.3.2. Профессионально-педагогическая направленность обучения применительно к физической специальности педвуза 58
1.4. Спецкурс как форма организации учебного процесса в системе профессиональной подготовки будущих учителей физики 65
Выводы к первой главе 73
ГЛАВА 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ПРОФЕССИОНАЛЬНО НАПРАВЛЕННОГО ОБУЧЕНИЯ СТУДЕНТОВ ФИЗИЧЕСКОЙ СПЕЦИАЛЬНОСТИ ПЕДАГОГИЧЕСКОГО ВУЗА ОСНОВАМ СТОХАСТИЧЕСКОЙ ДИНАМИКИ И ЕЕ ОПЫТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АПРОБАЦИЯ 74
2.1. Концептуальные положения проектирования дидактической системы. 74
2.2. Модель системы обучения студентов физической специальности педвуза основам стохастической динамики 84
2.3. Проектирование целей обучения 88
2.4. Проектирование содержания обучения 95
2.4.1. Методика отбора содержания спецкурса 95
2.4.2. Конструирование содержания спецкурса «основы стохастической динамики» 104
2.5. Выбор средств педагогической коммуникации 112
2.5.1. Методы обучения. 112
2.5.2. Дидактические средства 116
2.5.3. Формы организации обучения. 120
2.6. Психолого - педагогические особенности взаимодействия преподавателя и студентов в процессе проведении спецкурса «основы стохастической динамики» 135
2.7. Организация контрольно-корректирующих мероприятий 140
2.8. Опытно-экспериментальная апробация спроектированной системы обучения студентов физической специальности педвуза основам стохастической динамики 147
2.8.1. Динамика компетентности 148
2.8.2. Динамика мотивации 150
2.8.3. Динамика и соотношение самооценки и взаимооценки студентов 154
2.8.4. Критерий эффективности 157
Выводы ко второй главе 159
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 160
ЛИТЕРАТУРА 162
ПРИЛОЖЕНИЯ 176
- Становление современной синергетической концепции естествознания.
- Стохастическая динамика как область современного научного знания
- Концептуальные положения проектирования дидактической системы.
Введение к работе
В связи с ростом научных знаний повсеместно изменяются требования к специалистам - выпускникам различных учебных заведений, а, следовательно, изменяется и содержание образования. В последнее десятилетие наблюдается усиление этой тенденции в средней школе. Здесь происходит изменение качества преподавания, расширение объема и повышение уровня сложности информации, внедрение новых методик и нетрадиционных подходов в обучении. Появились профильные классы гуманитарной или естественнонаучной направленности, а, также целые учебные заведения - преобразованные современные аналоги средней школы: гимназии, колледжи, лицеи. Для работы в таких учебных заведениях учителям необходим не только педагогический опыт, но и прочный научный фундамент - глубокое знание своего предмета. В немалой степени это относится к учителям физики. В связи с этим естественным образом повышаются требования к выпускникам педагогических вузов и, в частности, их физико-математических факультетов.
Между тем, наблюдения за ходом учебно-воспитательного процесса подготовки будущих учителей физики показывают, что на данном этапе существует несоответствие содержания образования современному состоянию физики как науки. Основное содержание вузовского курса физики сложилось довольно давно и в течение ряда лет остается практически неизменным, в то время как в науке накопилось уже много новых результатов. Проведенный нами анализ учебников и программ физических специальностей педвузов показал, что сегодняшние студенты изучают научные результаты, как правило, 20-30 - летней давности. В связи с этим представляется целесообразным обновить и дополнить имеющийся курс . физики с учетом современного состояния науки.
Кроме того, сегодняшние выпускники педвузов будут преподавать в школах еще 30-35 лет, т.е. примерно до 2030-2035 года. К тому времени наука сделает новые шаги, а их знания останутся на уровне 70-х годов двадцатого века. Поэтому тем более важно дать им сейчас представление о современном уровне науки, вызвать интерес к узнаванию нового, привить некоторые навыки самостоятельной работы в этом направлении.
Многие физики и методисты указывают на необходимость наполнения курса физики в школе и вузе современными научными знаниями. Так, по мнению А. И. Бугаева школьный курс физики должен быть всегда современным, оставаясь при этом элементарным [А.И.Бугаев,1981]. Научный способ мышления при обучении знаниям в области физики отстаивал В. А. Фабрикант [1974], указывая на необходимость соответствия школьной программы развитию науки. Академик М. В. Келдыш отмечал: «К сожалению, в средней школе и даже в высших учебных заведениях часто ограничиваются традиционным образованием, а надо, чтобы и средняя и высшая школа закладывала фундамент для восприятия новых научных идей и достижений науки, стремительно входящих в практику, в жизнь.» [М. В. Келдыш, 1966]
В программе по физике для высших учебных заведений указываются следующие цели и задачи курса физики [Программа..., 1991, с. 6]:
1. Изучение основных явлений и идей; овладение фундаментальными понятиями, законами и теориями современной и классической физики, а также методами физического исследования.
2. Формирование Научного мировоззрения и современного физического мышления.
3. Овладение приемами и методами решения конкретных задач из различных областей физики.
Ознакомление с современной научной аппаратурой, формирование навыков проведения физического эксперимента.
Формирование навыков физического моделирования прикладных задач будущей специальности.
Как следует из программы, курс физики в вузе призван формировать у | студентов научное мировоззрение и современное физическое мышление, то ! ф есть знакомить их с современным (в полном смысле этого слова) состоянием науки. На практике же дело обстоит не совсем так.
Традиционно изучение физики в педагогических вузах имеет ступенчатую структуру. На начальном этапе (1-5семестр) изучается общая физика. Далее - теоретическая физика (4-8семестр). Это следующая, более высокая ступень в подготовке будущих учителей. И последний этап - методика преподавания физики (МПФ) - своеобразный «мост» между і курсами физики в пединституте и школе. ^ В течение учебы на изучение физических дисциплин студентам физических специальностей отводится более 1000 часов учебного времени.
Какое же место в этом курсе занимают современные научные концепции? Проведенный нами анализ учебников [И. В. Савельев, 1982; Д.
В. Сивухин, 1980; Е. М. Гершензон и др., 1992 и т.д.], которые на і сегодняшний день являются традиционными для педвузов, показал
I следующие результаты.
Общая физика - первый этап обучения - имеет наиболее /ф традиционное, классическое содержание. Механика и теория колебаний, j молекулярная физика и термодинамика, электричество и магнетизм, оптика - все эти разделы отражают научные теории и результаты, известные еще в прошлом столетии. Изучаемая в современных вузах общая физика обогатилась такими достижениями науки двадцатого века, как эйнштейновская теория относительности, а также атомная и ядерная физика.
Теоретическая физика - более сложный этап обучения и, в то же время, более современный. Наряду с аналитической механикой, подробно ^ разработанной еще в 18 - 19 веках, она содержит электродинамику, статистическую физику и термодинамику, сложившиеся в конце 19-го - начале 20-го веков, а также квантовую механику, являющуюся исключительной заслугой ученых 20-го столетия.
В современных учебниках для педагогических вузов появились и новые разделы, такие как физика элементарных частиц и кварков, сверхпроводимость, астрофизика и т.д.
Мы же хотим отметить, что в современных учебниках и программах для педвузов пока не нашлось места чрезвычайно важной области физики, которая оказала влияние и на другие естественные науки. Возникновение этого раздела физического знания связано с исследованиями в области нелинейной динамики, которые привели к открытию того, что в простых нелинейных физических системах с небольшим числом степеней свободы возможны сложные непредсказуемые, случайные явления. Причем эта случайность имеет принципиальный характер: она не вызвана действием на систему каких-либо внешних случайных сил, а обусловлена динамикой (уравнениями) самой системы.
Порождаемую таким образом случайность стали называть хаосом, или динамическим хаосом. А выделившаяся область исследований со временем сложилась в общую теорию динамического хаоса - стохастическую (или хаотическую) динамику.
Необходимо разграничить так называемые случайные и хаотические движения. Первый термин относится к ситуациям, когда мы действительно не знаем действующих на систему сил или знаем только некоторые статистические характеристики параметров. Термин «хаотические» применяется в тех детерминированных задачах, где отсутствуют случайные или непредсказуемые силы или параметры.
Развитие стохастической динамики показало, что статистические законы характерны не только для сложных систем со многими степенями свободы (например, идеальный газ - классическая модель статистической физики), но и для довольно простых нелинейных систем, имеющих всего две степени свободы (например, обычный маятник с колеблющейся точкой подвеса). Даже в таких системах самопроизвольно появляется хаос. Главное условие для его возникновения - нахождение нелинейной системы в неустойчивом состоянии (например, для маятника это верхнее положение орбиты его вращения).
Хаос, который ранее представлялся физикам чем-то аморфным, бесформенным, склонным к равновероятности и равновесию, оказался весьма сложным, имеющим скрытую внутреннюю структуру. Более того, хаос способен к самоорганизации, к образованию новых структур, то есть порядка! Это фундаментальное открытие коренным образом повлияло не только на физику, но и на все современное естествознание.
В русле стохастических представлений сложилась новая научная концепция, в контексте которой акцент переносится с изучения положений равновесия систем на изучение состояний неустойчивости, механизмов возникновения нового, рождения и перестройки структур, самоорганизации. Таким образом, в науку пришла синергетическая концепция естествознания.
Синергетика - это наука о самоорганизации в неравновесных открытых системах различной природы, о законах рождения порядка из хаоса. Это междисциплинарное научное направление, опирающееся на современные математические методы, может быть названо «эволюционным естествознанием» в широком смысле.
Синергетический подход показал, что естественные и гуманитарные науки имеют общие корни, и на современном этапе крайне необходимо их объединение, гармоничное слияние. В последнее десятилетие синтез гуманитарных и естественных наук начался спонтанно в силу логики развития самой науки, интеграции её дисциплин, рассмотрения все более сложных систем в физике, химии, биологии, приближающихся по сложности поведения к живым организмам или их сообществам, моделирующим, как оказалось, также социальные и психические феномены. Сегодня становится очевидной необходимость привнесения в сферу науки нравственных, этических и даже эстетических категорий, столь характерных для древних традиций Запада и Востока в опыте единения человека с природой и космосом. Таким образом, необходимо формирование - с учетом знания современной науки - целостного видения мира. Синтез гуманитарных и естественных наук - это возможный путь к новому пониманию природы, человека и общества.
Такие глубокие мировоззренческие выводы влечет за собой синергетический подход, в основу которого заложен понятийный и физико-математический аппарат современной теории динамического хаоса -стохастической (хаотической) динамики. Этот аппарат активно формировался в середине двадцатого века и получил мощное развитие с возникновением в 60-х годах новых математических методов исследования нелинейных систем и появлением быстродействующих ЭВМ, на которых можно осуществлять численное моделирование.
При содействии этих двух факторов стохастическая динамика стала самостоятельной областью научного знания и нашла многочисленные приложения в самых различных областях науки и техники, включая астрономию, статистическую механику, гидродинамику, электромагнетизм, оптику, физику плазмы, физику элементарных частиц, физическую химию, а также биологию, медицину, социологию, теорию рисков и катастроф, информационные технологии и т.д..
Стохастическая динамика сегодня - это не только область исследований, это неотъемлемая часть нового научного мировоззрения, нового взгляда на устройство нашего мира, на проблему устойчивости и неустойчивости в природе, на предсказуемость путей развития сложных систем. Представления о связи случайного и необходимого, о статистических и динамических закономерностях должны стать сегодня обязательным элементом образования современного человека. Необразованность в области явлений случайной природы может привести «... к тяжелым последствиям, поскольку поколения, воспитанные на строго детерминистическом мышлении, не допускают самой возможности существования закономерностей другого типа. В результате они настаивают на детерминистических представлениях там, где их нет и по существу дела нужно подходить с позиций стохастики. Такой подход нередко приводит не только к материальным потерям, но и к потерям концептуальным» [Б.В.Гнеденко, 1992].
Таким образом, мы считаем, что на сегодняшний день знание основ стохастической динамики как фундамента новой естественнонаучной концепции должно стать необходимым элементом профессиональной подготовки будущих учителей физики.
На практике же студенты обучаются по старым учебникам и программам, которые не отражают отмеченных нами изменений в науке. Студенты не имеют никакого представления о стохастической динамике, так как изучение этой области, которая по существу представляет собой новый взгляд на физику и естествознание вообще, не включено в вузовский курс физики для пединститутов.
Итак, анализ научной, публицистической, учебной, методической литературы, а также практики обучения студентов физических специальностей педвузов выявил глубокое противоречие между назревшей необходимостью изучения основ стохастической динамики и отсутствием этого раздела в курсе физики педагогических вузов.
Указанное противоречие подтверждает актуальность исследования и обосновывает его научную проблему, состоящую в поиске ответа на вопрос: как и при каких условиях возможно введение современных стохастических представлений в курс физики для студентов физической специальности педвуза.
Таким образом, нами была сформулирована следующая цель исследования: разработка содержания и методики профессионально направленного обучения студентов физической специальности педвуза основам стохастической динамики.
Объект исследования: процесс профессиональной подготовки студентов физической специальности педвуза.
Предмет исследования: содержание и методика обучения студентов физической специальности педвуза основам стохастической динамики.
Гипотеза исследования состоит в предположении, что формирование стохастических представлений у студентов физической специальности педвуза будет эффективным, если: в качестве приемлемого первоначального варианта ввести в курс физики педвуза спецкурс «Основы стохастической динамики», который может быть рассмотрен в рамках учебной программы педвуза в качестве спецкурса по выбору; рассматривать обучение основам стохастической динамики как целостную дидактическую систему, представляющую собой совокупность взаимосвязанных компонентов: целей, содержания обучения, средств педагогической коммуникации, контроля и коррекции, обуславливающих взаимодействие преподавателя и студентов и направленных на получение планируемого конечного результата обучения; - в основу обучения положить принцип профессионально- педагогической направленности обучения как системообразующий фактор проектируемой дидактической системы, обуславливающий подстройку всех компонентов системы для их совместного целенаправленного функционирования.
Сформулированные цель и гипотеза обусловили постановку следующих задач исследования:
1. Определить роль и место стохастической динамики в современном естествознании и профессионально-педагогическом образовании.
2. Выявить научно-методические основы разработки концепции обучения основам стохастической динамики студентов физической специальности педвуза.
3.Сформулировать концептуальные положения и на их основе спроектировать модель системы обучения студентов физической специальности педвуза основам стохастической динамики.
4.Провести опытно-экспериментальную апробацию и убедиться в эффективности разработанной системы обучения.
Методологическую основу исследования составляют: фундаментальные труды и монографии по стохастической динамике (Арнольд В.И., Боголюбов Н.Н., Заславский Г.М., Колмогоров А.Н., Либерман М., Лихтенберг А., Пуанкаре А., Сагдеев Р.З., Чириков Б.В. и др.); синергетическая концепция естествознания (Бочкарев А.И., Добронравова И.С., Климонтович Ю.Л., Князева Е.Н., Курдюмов СП., Лоскутов А.Ю., Малинецкий Г.Г., Пригожий И., Хакен Г. и др.); теория системного подхода к организации процесса обучения (Безрукова B.C., Кустов Ю.А., Махмутов М.И. и др.); концепции моделирования и конструирования педагогического процесса (Беспалько В.П., Безрукова B.C., Чернова Ю.К.); методология педагогического исследования (Краевский В.В., Гусев В.А., Смирнова И.М.); идеи развития и творческого саморазвития личности в процессе обучения (Андреев В.И., Выготский Л.С., Давыдов В.В., Занков Л.В., Эльконин Д.Б.); концепции профессиональной и профессионально-педагогической направленности обучения (Батьканова Н.И., Корнев ГЛ., Кустов Ю.А., Луканкин Г.Л., Мордкович А.Г., Швецкий М.В.); идеи развития мотивации в процессе обучения (Чернова Ю.К., Ядов В.А.); философские представления о развитии как движении от старого качественного состояния к новому, о единстве теории и практики, о диалектике философских категорий, об общности истоков физики и философии, о глубинной взаимосвязи естественных и гуманитарных наук, о месте человека в природе и обществе.
В процессе исследования были использованы следующие методы: - анализ научной, публицистической, методической, учебной, психолого-педагогической, философской литературы, а также диссертаций по теме исследования; - анализ опыта работы физико-математических факультетов педвузов; наблюдение, беседы, интервьюирование, анкетирование, тестирование студентов физических специальностей педвузов; - проведение педагогического эксперимента по проверке основных положений исследования; - статистические методы обработки данных. Исследование выполнялось в несколько этапов.Подготовительный этап (1995-1996) - определение актуальности темы исследования, ее теоретическое осмысление, анализ литературы по избранной теме, выдвижение рабочей гипотезы, определение цели, задач, предмета, объекта, методов исследования.
Основной этап (1996-1999) - формулировка концептуальных положений, разработка теоретической модели системы обучения студентов физической специальности педвуза основам стохастической динамики, детализация каждого из ее компонентов; апробация теоретических решений в выступлениях и публикациях, экспериментальное обучение студентов, уточнение содержания авторской программы, выявление результативности разработанной системы обучения.
Заключительный этап (1999-2000) - корректировка гипотезы исследования, продолжение экспериментального обучения, обработка и анализ результатов педагогического эксперимента, оформление диссертационной работы.
Научная новизна исследования состоит в том, что: - предложено и осуществлено формирование современных стохастических представлений у студентов физической специальности педвуза посредством введения в курс физики спецкурса «Основы стохастической динамики», разработанного на основании системного подхода и принципов профессионально-педагогической направленности обучения; - предложены содержание и методическое обеспечение указанного спецкурса и доведены до внедрения в практику обучения будущих учителей физики в педвузе.
Теоретическая значимость исследования заключается в следующих положениях: - определены теоретические основы проектирования системы обучения студентов физической специальности педвуза основам стохастической динамики; разработаны концептуальные положения и теоретическая модель спецкурса «Основы стохастической динамики» на основании системного подхода и принципов профессионально-педагогической направленности обучения; определены показатели эффективности реализации предложенной модели и критерии их оценки.
Практическая значимость. Результаты диссертационного исследования могут быть применены в системе обучения студентов физической специальности педвуза. Составлена рабочая программа спецкурса «Основы стохастической динамики», разработано его методическое обеспечение и учебные пособия к спецкурсу, которые могут быть использованы в практике профессиональной подготовки будущих учителей физики в педвузе.
Достоверность и научная обоснованность результатов исследования обусловлены логикой проведения научно-исследовательской деятельности по проектированию и диагностике учебного процесса; методологической обоснованностью теоретических положений; использованием диагностических методик, адекватных задачам, предмету и объекту исследования; репрезентативностью выборки, количественным и качественным анализом экспериментальных данных; использованием результатов исследования в педагогической практике. На защиту выносятся: - Концепция и теоретическая модель системы обучения студентов физической специальности педвуза основам стохастической динамики на основании системного подхода и принципов профессионально- педагогической направленности обучения.
Содержание и методическое обеспечение спецкурса «Основы стохастической динамики».
Показатели эффективности реализации предложенной модели и критерии их оценки.
Опытно-экспериментальная апробация и внедрение результатов исследования осуществлялись на базе Тольяттинского филиала Самарского государственного педагогического университета, а также Военного инженерно-технического университета (филиал г. Тольятти), Тольяттинского социально-педагогического колледжа и школ города.
Теоретические положения и результаты исследования докладывались и обсуждались на ежегодных научно-методических конференциях ТолПИ и Тф СГПУ, на научно-методических конференциях «Развитие и совершенствование учебного процесса для подготовки специалистов 21 века» и «Актуальные проблемы университетского технического образования» (Самара, 1998), на Всероссийской научно-методической конференции «Системный подход к обеспечению качества высшего образования» (Тольятти, 2000), на заседаниях кафедры методики преподавания физики и физической электроники Тф СГПУ.
Структура диссертации обусловлена логикой проведения исследования. Диссертационная работа состоит из введения, двух глав, заключения, списка литературы из 175 наименований, восьми приложений, содержит 20 рисунков, 12 таблиц.
Во введении обосновывается актуальность темы исследования, определяются объект, предмет, цель исследования; формулируются гипотеза и задачи; раскрываются теоретико-методологические основы, методы и логика исследования; характеризуются новизна, теоретическая и -16-практическая значимость работы; содержатся сведения о достоверности, апробации и внедрении ее результатов в практику; излагаются положения, выносимые на защиту; раскрывается структура содержания диссертации.
В первой главе «Научно-методические основы профессионально направленного обучения студентов физической специальности педагогического вуза основам стохастической динамики» дается анализ современной синергетической концепции естествознания; определяется роль и место в ней стохастической динамики как фундамента, содержащего ее понятийный и физико-математический аппарат; рассматриваются этапы становления стохастической динамики и наметившийся этап введения ее элементов в профессиональное образование; формулируются и обосновываются теоретические подходы к обучению стохастической динамике будущих учителей физики в течение их учебы в педагогическом вузе.
Наш подход к обучению студентов-физиков педвуза основам стохастической динамики базируется на следующих трех положениях.
Научный фундамент разработки содержания курса составляет понятийный и физико-математический аппарат стохастической динамики, выявляющий механизм возникновения хаоса и структур в нелинейных системах.
Методологической основой разработки курса является совокупность принципов профессионально-педагогической направленности обучения студентов физической специальности педвуза в сочетании с системным подходом к проектированию содержания и методики обучения.
Методической основой исследования выступает спецкурс по выбору, являющийся одной из эффективных форм организации обучения на физико-математическом факультете педвуза и открывающий широкие возможности не только для формирования профессионально значимых знаний, умений и навыков студентов, но и для развития их самостоятельности, творчества, навыков самообразования, формирования позитивной мотивации к учебе и будущей работе в качестве учителей физики.
Во второй главе «Проектирование системы профессионально направленного обучения студентов физической специальности педагогического вуза основам стохастической динамики и ее опытно-экспериментальная апробация» последовательно представлен весь процесс проектирования модели указанной дидактической системы, разработки каждого из ее компонентов; а также изложены методика проведения и результаты педагогического эксперимента, подтверждающие общую доступность содержания и эффективность предложенной методики обучения.
Основное содержание исследования изложено в 11 опубликованных работах.
class1 НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОФЕССИОНАЛЬНО
НАПРАВЛЕННОГО ОБУЧЕНИЯ СТУДЕНТОВ ФИЗИЧЕСКОЙ СПЕЦИАЛЬНОСТИ
ПЕДАГОГИЧЕСКОГО ВУЗА ОСНОВАМ СТОХАСТИЧЕСКОЙ ДИНАМИКИ class1
Становление современной синергетической концепции естествознания
Наметившийся в последние десятилетия синтез гуманитарных и естественных наук явился необходимым следствием происходящих в них качественных изменений. Это привело к новому видению природы и человека, новому пониманию развития, осмыслению места и роли человека в социуме и природе.
Такие перемены в мировоззрении обусловлены тем, что в естествознании происходит переход от детерминистической концепции природы, сложившейся еще во времена Ньютона, к эволюционной синергетической концепции, которая резонирует сегодня с потребностями культуры человечества в целом. Оказалось, что проблемы социума в большой степени связаны с укоренившимся линейным, детерминистическим подходом к природе и технике, который был перенесен и на общество, общественные науки.
Современные концепции самоорганизации и динамического хаоса основаны на стохастической теории динамических систем, которая возникла как обобщение и развитие классической (ньютоновской) механики. Рассматривая эту теорию как фундамент синергетической концепции естествознания, необходимо делать ударение не на обобщение, а на развитие: в этом фундаменте проявились черты, в корне чуждые классической физике, трактующей движение как непрерывный, детерминированный и обратимый процесс. Причем речь идет не о каких-либо поправках на неполноту и приблизительность знания, а об изменении заложенного в теории мировоззрения.
Синергетическая концепция явилась одним из результатов длительной истории изучения движения и природы в целом. Можно выделить 4 этапа, отражающих развитие в естествознании представлений о вероятностном характере явлений природы, о предсказуемости путей развития, о порядке и хаосе в мироздании, о взаимосвязи в рамках определенных концепций таких философских категорий, как необходимость и случайность, возможность и действительность, часть и целое, причина и следствие. В таблице 1 отражены основные черты каждого из этих этапов, а также некоторые ученые, повлиявшие определенным образом на их становление. Эта таблица не претендует на объективный анализ всей истории естествознания. Она отражает лишь тот его аспект, который непосредственно связан с исследуемой нами проблемой.
Вплоть до настоящего времени многих пугает хаос. Еще в мифологии он уподоблялся зияющей бездне. Хаос представлялся сугубо деструктивным началом мира. Казалось, что он ведет в никуда. Случайность тщательно изгонялась из научных теорий. Она считалась второстепенным, побочным, не имеющим принципиального значения фактором. Идеями хаоса западная мысль обязана еще древним грекам. Сами эти идеи сводились к объяснению порядка в том мире, который возник из первобытного мира - бесформенного, хаотичного и неупорядоченного.
Физика как наука о природе зародилась в лоне древнегреческой натурфилософии. В античной науке родилась идея о материальной первооснове всех вещей и вечном движении в природе. «Все течет - все меняется, ничто не вечно, кроме перемен» (Гераклит). Родоначальником физической науки можно считать Анаксагора, который считал, что пустоты нет и все пространство заполнено материей. Он полностью исключал случайность из картины мира.
Проблема движения стала обсуждаться в рамках элейской школы Зеноном, который утверждал, что движение есть лишь иллюзия, нечто кажущееся, а в действительности существует лишь покой (апории Зенона).
Аристотель подверг критике учение Зенона о движении, точнее, о невозможности движения. Он сделал различие между естественными и насильственными движениями тел. Причину естественных движений Аристотель усматривает в самой природе этих движений; причина насильственных - сила, действующая на тело. Аристотель выделил четыре причины движения: материальную, формальную, производящую и целевую. При этом инерция во внимание не принималась, поэтому насильственное движение считалось возможным лишь пока действует сила. Представления Аристотеля о естественных и насильственных движениях тел господствовали в науке в течение многих столетий - вплоть до 17 века.
Стохастическая динамика как область современного научного знания
I этап. Как мы отмечали ранее, основными условиями возникновения стохастичности в системе являются ее неустойчивость и нелинейность. Именно такими свойствами обладает большинство реальных систем в отличие от их идеальных математических моделей. ИссдерЙюние нелинейных проблем физики явилось предпосылкой создания стохастической динамики. «Физика в своем современном виде начиналась с нелинейных законов движения тел», - отмечают авторы одной из российских монографий по стохастической динамике [Г.М.Заславский, Р.З.Сагдеев, 1988].
Нелинейные проблемы выявились уже в задаче Кеплера о взаимодействии двух тел солнечной системы, которая содержит типичные черты нелинейных систем. Наиболее значимой предпосылкой развития нелинейных исследований явилась задача трех гравитирующих тел. Решая ей, А. Пуанкаре обнаружил существование фазовых траекторий, которые вели себя весьма сложно и необычно, образуя «нечто вроде решетки, ткани, сети с бесконечно тесными петлями, ни одна из этих кривых никогда не должна пересечь самое себя, но она должна навиваться на самое себя очень сложным образом, чтобы пересечь много, бесконечно много раз петли сети» [АЛуанкаре, 1972].
Пуанкаре, Цейпель, Бирхгоф и другие положили начало нелинейным исследованиям, пытаясь построить теорию нелинейных возмущений планетных движений. Оказалось, что нелинейные системы имеют такие особенности, как неинтегрируемость и расходимость рядов теории возмущений. Кроме того, для нелинейных систем невозможно предсказание динамических свойств на сколь-нибудь продолжительный промежуток времени даже при малом возмущении системы. Обозначенные проблемы на долгое время задержали развитие нелинейных исследований.
Нерешенные нелинейные задачи накопились во многих областях физики. Возникли даже такие специальные теории, как нелинейная оптика, нелинейная радиофизика, нелинейная акустика. Но, за неимением соответствующих методов решения, они долгое время оставались «тупиковыми ветвями» науки, особенно на фоне быстро развивающихся линейных теорий, которые в свою очередь тоже «обрастали» нелинейными проблемами. Чрезвычайно богатой нелинейными задачами оказалась физика плазмы. Именно изучение плазмы способствовало развитию новых, и в определенном смысле неожиданных методов исследования. Во-первых, это методы, вводящие стохастический элемент в динамику среды за счет сложных нелинейных взаимодействий, а во-вторых, методы точного интегрирования сложных нелинейных функций.
Исторически при исследовании нелинейных систем широко использовались методы теории возмущений. Однако во многих, даже довольно простых нелинейных системах они не оправдали себя. В связи с этим были предложены и разработаны новые математические средства исследования поведения нелинейных систем.
Концептуальные положения проектирования дидактической системы
Анализ сущности проблемы исследования и определение его научно-теоретических основ, сделанные в главе 1, позволяют перейти к формулированию концептуальных положений построения оптимальной модели профессионально направленного курса «Основы стохастической динамики». В соответствии с современным подходом к построению содержания и организации учебного процесса, мы считаем целесообразным рассмотрение указанного спецкурса как единой дидактической системы.
Здесь необходимо сделать уточнение. Дело в том, что педагогика как наука занимается законами и закономерностями не только обучения, но и воспитания. В нашем же случае речь идет об одной из отраслей педагогики -дидактике. Хотя ни образования, ни обучения без воспитания не существует, тем не менее в дидактике проблемы и вопросы обучения рассматриваются как самостоятельные. Предметом исследования современной дидактики является процесс и результаты функционирования и развития дидактических систем Итак, мы приступаем к проектированию дидактической системы, или системы обучения студентов физической специальности педвуза основам стохастической динамики.
Дидактическая система представляет собой множество
взаимосвязанных структурных и функциональных компонентов, образующих устойчивое единство и целостность, обладающее интегративными свойствами и закономерностями Структурными компонентами дидактической системы являются: цель, учебная информация или содержание обучения, средства педагогической коммуникации, педагоги и студенты. Функциональные компоненты - это устойчивые базовые связи основных структурных компонентов, возникающие в процессе деятельности педагогов и студентов. что каждая часть сложной дидактической системы служит общей цели.
Взаимосвязь заключается в том, что изменение одного из компонентов системы влияет на все остальные. Вся совокупность компонентов дидактической системы направлена на эффективное достижение конечного результата - подготовки квалифицированного специалиста. Таким образом, системный подход к проектированию содержания и методики обучения курсу «Основы стохастической динамики» является первым концептуальным положением нашего диссертационного исследования. Наиболее важным звеном педагогического проектирования является ! выбор системообразующего фактора, который представляет собой стержень і I проектируемой системы. Отмечая важность этого элемента, методисты -л определяют его следующим образом: «Под системообразующим фактором понимается идея, явление или предмет, способные а) объединить в целостное единство компоненты системы; б) целенаправить их; в) стимулировать их целостное деятельностное проявление; г) сохранить определенную степень свободы, обеспечить саморегуляцию системы и ее саморазвитие» [В.С.Безрукова, 1994, с.338]. Мы посчитали естественным в нашем исследовании избрать в качестве системообразующего фактора совокупность принципов профессионально-педагогической направленности обучения. Ш Профессионально-педагогическая направленность - характерная I неотъемлемая черта всего процесса обучения в педвузе. Исходным пунктом построения и функционирования системы обучения на физическом факультете педвуза является социальный заказ на грамотного учителя физики, способного к саморазвитию и творческой работе в условиях непрерывно обновляющейся системы школьного образования.
