Методологические и содержательные основы преемственности физики, химии, биологии при формировании фундаментальных естественнонаучных понятий

Законы материалистической диалектики выражаются посредством философских категорий, которые в их систематической связи составляют ее содержание. В решении обозначенной нами проблемы особо значимой являлась категория преемственности. Данная категория отражает суть генетического метода исследования, который использовал Ф. Энгельс при разработке учения о формах движения материи и на котором он акцентировал особое внимание. Эта преемственность выражается не только в том, что высшие формы движения материи возникают на основе низших, но и в том, что они включают эти низшие формы движения в свою новую структуру, как бы «в снятом виде», подчиняя их себе. При этом низшие формы движения, войдя, в состав более высоких форм движения, продолжают свою эволюцию, и во многом определяют вновь возникшее качество более высокоорганизованных материальных форм движения.

Категория преемственности как форма осознания в понятии всеобщих способов отношения человека к миру, отражающая наиболее общие и существенные свойства, законы природы, общества и мышления, востребована в различных областях знания. В масштабах всего естественнонаучного знания данный принцип выполняет интегративную функцию, объединяя научное знание в некоторую целостную систему. Диалектико-материалистическое и общенаучное понимание сущности категории преемственности служит методологической основой для разработки как общих психолого-педагогических концепций образования и определения статуса данного понятия в системе этих наук, так и естественнонаучных, направленных на формирование естественнонаучной картины мира.

В образовательной области естествознания осуществление преемственности учебного познания происходит путем формирования системы обобщенных знаний учащихся на основе внутрипредметных, межпредметных и межцикловых связей. Мы разделяем мнение В.Н. Максимовой, что межпредметные связи служат способом раскрытия в содержании обучения современных тенденций развития науки, возникающих под влиянием процессов интеграции: социализации, гуманизации, теоретизации, математизации, формализации и др., поэтому с их помощью осуществляется преемственность не только в одной области знания, но и между различными областями знания, что ведет к формированию целостного образа мироздания.

При изучении курсов физики, химии, биологии в условиях нашего эксперимента категория преемственности позволяла учащимся проследить эволюцию природных форм, изучаемых данными дисциплинами. В свою очередь понимание сущности преобразования одних форм в другие помогало учителю понять механизмы формирования идеализированных форм в мышлении учащихся, так как закономерности развития природы и мышления едины.

Процесс познания является предметом изучения не только методологии, но и других наук, которые предлагают свои подходы, принципы и методы (общенаучная методология, частные методологии) к его изучению. К настоящему времени более разработанной (в сравнении с частнонаучной методологией) оказывается общенаучная методология, в рамках которой достаточно широко исследован системно-синергетический подход и метод моделирования. В связи с этим остро встает проблема ранжирования методологий различного уровня обобщенности и правильного выбора их при изучении природных объектов различного уровня сложности, установления преемственности между ними.

В понимании иерархической организации научного знания очень четко проявляется общая диалектика взаимодействия цели и средства деятельности, а именно знания более высокого уровня абстракции выполняют методологические функции по отношению к более конкретному знанию. Так, например, системный подход конкретизирует принципы материалистической диалектики, кибернетические представления об управлении, информации, обратной связи играют роль методологических постулатов в нейрокибернетике, бионике, при разработке электронно-вычислительной техники и т. п.

Исторический подход является методологической основой для создания эволюционного учения, которое, в свою очередь, служит основной методологией для разработки других биологических теорий: клеточной, биопоэза, симбиотической теории образования эукариот и др. Таким образом, при формировании научного знания происходит взаимодействие между целями и средствами деятельности: то, что было целью в одной системе деятельности, становится средством в другой системе. Однако проблемы современной методологии не исчерпываются пониманием этого взаимодействия, так как методологическое знание все более и более приобретает специальный статус, что требует его специального изучения. Итак, диалектический материализм как современная методология познания объективной реальности позволяет определить потенциальные возможности и границы применения как специальнонаучных методологий, так и общенаучной методологии, а также их взаимосвязь и эволюцию, что имеет исключительное значение для процесса познания и преобразования окружающей нас действительности, а также самого человека. Эта методологическая система служат главным основанием для определения стратегии преемственности между курсами физики, химии, биологии, которая реализуется посредством использования фундаментальных понятий, законов, теорий, общих для данных дисциплин, с целью раскрытия сущности изучаемых ими объектов неживой и живой природы.

Анализ истории развития методологического знания свидетельствует, что значимость методологии как стратегии развития всего сущего резко возрастает в период революционных преобразований. Именно такие преобразования происходят в настоящее время в нашем обществе как в целом, так и в его главнейших сферах ? науке, образовании. Не является исключением в этом смысле и педагогическая наука, которая, говоря языком теории самоорганизации систем, находится в настоящее время в точке бифуркации, и ее дальнейший прогресс или регресс будет зависеть от той методологии, на которой она остановит свой выбор. Вместе с тем, как и в другие периоды революционной ломки, в настоящее время на поверхность всплывают различные философские учения, в том числе и спекулятивные, претендующие на роль абсолютной истины. Это обстоятельство накладывает еще большую ответственность на тех исследователей, которые по своему статусу призваны определять дальнейшую стратегию развития той или иной сферы человеческой деятельности.

Анализ педагогических концепций показывает, что официальная педагогика российского государства и ее представители придерживаются трех основных подходов. Одни обосновывают свои концепции на философском уровне и используют в качестве методологии диалектический материализм. Однако в большинстве случаев данная методология лишь декларируется, а сами концепции не находят глубокого философского обоснования. Другие ? не касаются философского уровня методологии в своих работах, а опираются лишь на современную общенаучную методологию - системный подход, который также чаще всего только обозначается. Третьи - опираются лишь на эмпирические данные, а проекты этих авторов вряд ли можно назвать концепциями, в силу того что они методологически не обоснованы и отражают некоторые частные вопросы.

Обозначенная выше тенденция негативно сказывается на эффективности школьного образования. Об этом свидетельствует мнение Б.Д. Комисарова, который отмечает, что деятельность по формированию научного мировоззрения учащихся носит начетнический характер и в лучшем случае сводится к примерам, подтверждающим проявление законов диалектики.

Проведенный теоретико-методологический анализ позволил заключить, что повышение уровня естественнонаучного образования современных школьников, приведение его в соответствие с законами развития самой природы и запросами общества возможно только при условии кардинальной перестройки содержания предметов естественного цикла и пересмотра последовательности их изучения в школе. Понимание острой необходимости таких преобразований в современной школе стимулировало работу ряда исследователей (физиков, химиков, биологов, географов), направленную на модернизацию естественнонаучного образования с целью приведения его в соответствие с объективными законами развития природы. Преобразования проводились в рамках Новой концепции естественнонаучного образования, основанной на опережающем изучении курса физики (начиная с V класса) и курса химии (начиная с VЙ-го класса), разработанной академиком РАО А.В. Усовой. Концепция включена в план исследования РАО и поддержана грантами Министерства образования и науки РФ.

Новизна данной концепции заключается, прежде всего, в том, что в ее основу положены две важнейшие методологические идеи, которые позволили, в условиях эксперимента, вывести естественнонаучные знания учащихся на новый качественный уровень. Первой исходной и фундаментальной является идея (учение) диалектического материализма о генетической связи различных форм движения материи, их иерархичности и преемственности. Согласно данному учению основополагающей является физическая форма движения материи, которая в процессе своего развития «породила» более сложную - химическую форму движения, а она, в свою очередь, - биологическую.

Приоритетность физической науки, ее главенствующая роль среди других естественных наук определяется, таким образом, как ее положением в системе естественных наук (она изучает наиболее простую форму движения материи), так и теми фундаментальными законами и принципами, лежащими в основе организации и развития материи, которые открыла эта наука и которые определяют стратегию развития других естественных наук. Фундаментальные понятия и законы природы, изучаемые в курсе физики, также были положены нами в основу преемственности и интеграции естественнонаучных знаний. Познание этих законов и их использование при изучении курсов химии, биологии в условиях эксперимента обеспечило у учащихся формирование системы естественнонаучных знаний, научного миропонимания и мировоззрения. Познанные закономерности природы становились общими законами мышления, они обеспечивали правильное формирование сознания учащихся и их личностных качеств.

Сущность второй идеи, положенной в основу построения новой концепции заключается в рациональном сочетании таких направлений развития научного знания, как дифференциация и интеграция. В основной школе, согласно данной концепции, обучение строится на основе предметного дифференцированного преподавания физики, химии, биологии и географии. Вместе с тем, в Х-ХI классах вводится интегративный курс «Естествознание», который призван систематизировать и обобщать знания, полученные учащимися в V-IХ классах по предметам естественного цикла. Диалектическое сочетание выше обозначенных подходов и позволило при проведении нашего эксперимента привести в соответствие иерархию и содержание естественных дисциплин, изучаемых в школе, с уровнем развития современной науки и удовлетворить запросы, продиктованные научно-технической революцией.

Анализ стратегии развития методики физики, химии, биологии в отечественной и зарубежной школах свидетельствует, что она следует по пути вооружения учащихся методами научного познания в единстве с усвоением знаний и умений. В своих исследованиях мы опирались и на положение о том, что метод познания в физике является образцом - парадигмой современного научного познания, поэтому овладение им одинаково важно и для ученого-исследователя и для учащегося, овладевающего достижениями науки. Только при этом условии можно достичь активизации познавательной деятельности учащихся. В этой связи объектами изучения в курсах естественнонаучного цикла на доступном для учащихся уровне наряду с фундаментальными естественнонаучными понятиями, законами и теориями являлись и методы научного познания, прежде всего, такие, как эксперимент, метод построения моделей (гипотез) и метод их теоретического анализа.

Особое значение в экспериментальном обучении мы придавали методу моделирования. Это обусловлено: во-первых, тем, что в основе научного познания лежит моделирование реальных объектов и процессов. Этот метод обладает огромной эвристической силой, так как при конструировании модели у школьников возникает наглядный обобщенный образ существенных свойств моделируемого объекта; во-вторых, построение моделей является формой взаимодействия эмпирического и теоретического уровней познания, мышления с чувственностью, не наглядных элементов с наглядными, соответствующей требованиям и потребностям современной науки. Эта функция облегчает понимание формальных теорий и является особенно важной в процессе преподавания и обучения. Оперирование идеальными (мысленными) моделями представляет собой элемент теоретической (умственной) деятельности, складывающейся как из логического, дискурсивного мышления, так и из процесса творческого воображения.

При построении моделей различного уровня интеграции учащиеся осо- знавали, в чем суть моделей природных объектов (процессов) и гипотез, как делаются теоретические выводы, как экспериментально проверять модели, гипотезы и теоретические выводы. В учебном процессе, организованном таким образом, создавались условия для того, чтобы фундаментальные понятия, законы, теории, общие для курсов физики, химии, биологии, и методы науки были одновременно и объектом и средством учебного познания. Приобретение учащимися познавательной теоретической деятельности явилось решающим фактором экспериментального обучения и интеллектуального развития учащихся до уровня естественнонаучного мышления и научного мировоззрения.

Во второй главе «Образно-знаковые модели как средство формирования фундаментальных естественнонаучных понятий в условиях реализации межпредметных связей физики, химии и биологии» анализируется проблема моделирования как одна из важнейших методологических проблем, выдвинутых на передний план развитием ряда естественных наук ХХ века, в особенности физики, химии, биологии, кибернетики. Для исследования гносеологического значения моделирования нами выбрана диалектико-материалистическая концепция метода моделирования, разработанная В.А. Штоффом, которая позволяет раскрыть сущность и функции различного рода моделей, исходя из фундаментального принципа познания - принципа отражения. Разделяя мнение В.А. Штоффа, мы пришли к пониманию категории «модель» как к мысленно представляемой или материально реализованной системе, которая, отображая или воспроизводя объект исследования, способна замещать его так, что ее изучение дает нам новую информацию об этом объекте.

В рамках нашего исследования была разработана атрибутивная модель понятия «материя» (рис. 1), которая отражает и интерпретирует сущность диалектического материализма, как основного метода познания материального мира. По нашему мнению, она является метамоделью естествознания и определяет общую стратегию изучения всех естественных дисциплин, их интеграции, способствует развитию теоретического мышления и научного мировоззрения не только у учащихся, но и у студентов, учителей и преподавателей вуза.

Метамодель построена на основе системы атрибутов (неотъемлемых, существенных свойств объекта) - движения, взаимодействия, отражения, раскрывающих сущность понятия материи. Материя и ее атрибуты являются философскими абстракциями, формирующими совокупность наших представлений о реальном мире. Естествознание, не претендуя на изменение смысла понятия «материя», использует ряд категорий, позволяющих конкретизировать и обобщить все явления окружающей действительности на основании качественных и количественных характеристик. Такими категориями являются понятия энергии, информации и энтропии. Они имеют абстрактный смысл, т. е. недоступны прямому наблюдению, их значения определяются расчетным путем с использованием результатов замера других наблюдаемых величин. Тем не менее, в общем виде они выступают как мерные характеристики атрибутов материи и поэтому играют важную роль в понимании сущности материального мира.

В понимании сущности материи важную роль играют и другие ее характеристики: формы проявления (виды материи) - вещество и поле, а также формы существования (бытия) - пространство и время. Структурными элементами вещества являются элементарные частицы, атомы (ионы) и молекулы. Взаимодействие между ними осуществляется посредством полей: гравитационного, электромагнитного, сильного взаимодействия и слабого взаимодействия. В модели отражена взаимосвязь вещества и поля, которая осуществляется через взаимопревращаемость элементарных частиц и полей, лежащих в самом фундаменте материи и определяющих ее единство и бесконечное движение в пространстве и во времени.

Атрибутивная модель понятия материи включает всю совокупность этих характеристик, сводит их в логически связанную целостную модельную систему, которая является своеобразной методологией изучения конкретных объектов и явлений окружающего мира.

Необходимость применения моделирования в образовательной области естествознания очевидна в силу сложности и комплексности этой предметной области. В последнее время наблюдается тенденция к изменению парадигмы подготовки учащихся, а именно переход от экстенсивно-кумулятивной парадигмы к интенсивно-технологической, предполагающей формирование методологической культуры у школьников вплоть до интеллектуальной деятельности (В.И. Разумов). Поэтому нам представляется актуальным обучение моделированию учащихся основной школы и использование системы моделей при формировании фундаментальных естественнонаучных понятий, а также их применение при объяснении сущности законов и теорий, общих для курсов физики, химии, биологии.

Смена парадигмы в области естественнонаучного образования, детерминированная социально-экономическими запросами общества, определяет новые цели и задачи обучения - развитие у учащихся естественнонаучного теоретического мышления, навыков самостоятельного освоения и критического анализа новых сведений, умения строить научные гипотезы и планировать поиск для их проверки, что способствует развитию творческих способностей.

Мы разделяем мнение ученых Л.П. Анастасовой Б.Д. Комиссарова, И.Д. Зверева, Д.Д. Утешинского, А.В. Усовой и др., что учащихся необходимо знакомить со структурой научных знаний, включать их в построение философско-методологических «стержней», обеспечивающих поиск проблем, погружать их в «открытия», «озарения», интеллектуальные и практические «изобретения». Пришло время вместо «насыщения» учащихся «готовыми знаниями» с помощью традиционных форм и методов обучения создать условия для моделирования ситуаций научного поиска, развития эмоционального отношения к изучаемым системам, их постижения одновременно разумом и сердцем.

Анализ концепций и теорий, касающихся процесса филогенеза человеческого мышления, свидетельствует, что оно прошло длинный исторический путь развития от наглядно-действенного до понятийного и диалектического видов мышления. Промежуточным этапом на этом пути явилось наглядно-образное мышление. Последовательность прохождения данных этапов мышления характерна и для онтогенеза человека. Знание данной закономерности является исключительно важным при изучении предметов естественнонаучного цикла. Однако практика свидетельствует, что не только в школе, но и в вузе знания большинства учащихся и студентов не достигают теоретического уровня, в основе которого лежит понятийное мышление. Наибольшие затруднения в развитии мышления школьников возникают на этапе трансформации наглядно-образного мышления в понятийное.

В разрешении этой проблемы большое значение имеют результаты исследований в области физиологии мышления, полученные в лаборатории, руководимой Г.А. Твердохлебовым. На основании экспериментальных данных автор обосновывает наличие еще одного вида мышления - обобщенно-образного, которое является связующим звеном между наглядно-образным и понятийным мышлением. Установление данной формы мышления является исключительно значимым, так как во многом определяет стратегию перехода от наглядно-образного к понятийному мышлению. Косвенным подтверждением существования четвертого вида мышления является концепция Ж. Пиаже о четырех уровнях (этапах) развития процесса мышления в онтогенезе современного ребенка. Такую позицию разделяет и А.В. Усова, обоснованно считая, что при формировании научных понятий учитель должен решить вопрос о правильном сочетании наглядно-образного, словесно-теоретического (понятийного) и практически-действенного компонентов мышления в работе учащихся по овладению понятием.

Цель формирования обобщенно-образного мышления предопределяет необходимые средства, одним из которых является метод моделирования.

В наших исследованиях достижение поставленной цели реализуется через теоретико-методологическое обоснование и конструирование системы идеализированных моделей высокого уровня обобщенности. Эти модели выполняют методологические функции при изучении живых и неживых объектов различного уровня сложности и одновременно усваиваются как современные научные методологии познания природы, обеспечивая тем самым формирование и развитие обобщенно-образного мышления и развитие его до уровня понятийного и диалектического.

Анализ педагогической практики свидетельствует, что проблема формирования обобщенно-образного мышления, которое в действительности отсутствует как у большинства школьников, так и студентов, является весьма актуальной и требует незамедлительного решения. Это подтверждает многолетний опыт нашей работы со школьниками, студентами и учителями. Даже студенты старших курсов в большинстве своем не имеют должных теоретических знаний, практических навыков и умений по составлению обобщенных моделей (схем), в то время как исследования психологов (Л.М. Фридман, В.П. Давыдов, В.И. Загвязинский, П.И. Образцов, А.И. Уман, Р. Атаханов и др.) свидетельствуют об огромной значимости моделей в формировании наглядных обобщенных образов.

При выборе стратегии в решении вышеобозначенной нами проблемы преемственности курсов физики, химии, биологии в условиях МПС мы опирались на результаты исследований В.В. Давыдова и В.П. Зинченко. Анализируя онтогенез познания в предметной деятельности, они отмечают, что при овладении каким-либо учебным предметом школьники под руководством и с помощью учителя должны анализировать учебный материал, выделять в нем некоторое общее отношение, обнаруживая вместе с тем, что оно проявляется и во многих других отношениях. Фиксация детьми в какой-либо знаковой форме общего исходного отношения дает им содержательную абстракцию изучаемого предмета. Продолжая анализ учебного материала, школьники раскрывают закономерную связь выделенного исходного отношения с его различными проявлениями и тем самым строят содержательное обобщение изучаемого предмета. Затем они используют содержательные абстракции и обобщения для выведения (опять с помощью учителя) других, более частных абстракций и для объединения их в целостном (конкретном) учебном предмете».

Использование разработанных нами моделей в учебном процессе показало, что учащиеся и студенты усваивают их, после чего они становятся своеобразными методологиями изучения конкретного материала, и это способствует формированию обобщенно-образного мышления, которое является важнейшим звеном на пути к понятийному виду мышления.

В третьей главе «Содержательные основы преемственности формирования фундаментальных естественнонаучных понятий физики, химии и биологии в условиях межпредметных связей» определен общий подход к раскрытию сущности содержательных связей курсов физики, химии, биологии. В качестве общенаучного подхода было выбрано учение Ф. Энгельса о генетической связи между формами движения материи, которое играет ключевую роль в понимании законов развития природы, общества и мышления. Выявлена философская категория, через которую выражаются наиболее общие и существенные моменты (стороны) этих законов. Такой категорией является «преемственность», раскрывающая не только сущность основного закона развития природы ? отрицания отрицания, но и являющаяся проявлением закона количественных изменений в качественные и закона единства и борьбы противоположностей. Отобраны наиболее значимые фундаментальные естественнонаучные понятия, подходы и теории, являющиеся содержательной основой интеграции курсов физики, химии, биологии, предопределяющей формирование естественнонаучного мышления и естественнонаучной картины мира.

Диалектика природы раскрывается через общие закономерности перехода от низших форм движения материи к высшим. Каждая более высокая форма движения материи, будучи преемственно связана с более низкой, не отменяет их, а включает и подчиняет их себе, поднимая развитие на качественно новую ступень. В своих исследованиях мы опирались на эту закономерность и диалектическое положение о том, что форма есть внутренняя организация содержания, а содержание есть определяющая сторона целого, совокупность частей (элементов) предмета; исходили из того, что в содержании и форме мысленно отображается весь мир. Это позволило нам определить статус понятий «форма и содержание» не только как исходных философских категорий, объясняющих закономерности в смене форм движения материи, но и как естественнонаучных, позволяющих выявить механизмы развития конкретных природных форм (объектов), их взаимосвязь и стратегию развития.

Исключительно важным для нашего исследования было положение В.И. Ленина о том, что «…мир есть движущаяся материя. Понятие «материя» отражает ту сторону предмета научного познания, которая характеризуется его как содержание; понятие «движение» - ту, которая характеризуется как форма, присущая этому содержанию, следовательно, как способ бытия материи» (курсив наш). Это позволило заключить, что форма - это способ существования любого объекта природы и материи в целом, а применение диалектической связи между формой и содержанием при изучении природных объектов позволит понять основной механизм их эволюции и сформировать диалектический стиль мышления.

Для понимания структурности материи большое значение имеет уяснение соотношения формы и содержания. Сами понятия формы и содержания относительны. Например, атом является содержанием по отношению к молекуле и формой по отношению к элементарным частицам, из которых он состоит. На основании этого делается вывод, что форма есть не только внешняя, но и внутренняя организация системы, т.е. способ связи элементов внутри системы. В такой трактовке понятие формы совпадает с понятием структуры.

В понимании вопроса об эволюции форм в природе большое значение имеет закон перехода количества в качество и обратно. Эти качественные различия основываются либо на различном химическом составе или формах движения (энергии), либо имеет место почти всегда и то, и другое. Данная закономерность во многом определяла стратегию изучения объектов и явлений в курсах физики, химии и биологии в условиях эксперимента и позволяла понять общие механизмы преобразования (эволюции) одной природной формы в другую, то есть проследить ее усложнение (упрощение) исходя из количества элементов и их связей и появления нового качества (содержания). Накопление разнообразия элементов и их связей обеспечивает перестройку внутренней структуры исходной формы, что приведет к появлению новой формы существования материи, обладающей специфическим свойством.

В процессе изучения предметов естественнонаучного цикла учащиеся прослеживали эволюцию природных форм, начиная с элементарных частиц, которые по своей организации являются относительно простыми объектами природы, и заканчивая биосферой, являющейся наиболее сложной формой проявления живого. В процессе выяснения учащимися сущности преобразования одних природных форм в другие учитель имел возможность отслеживать механизмы формирования идеализированных форм в их мышлении, так как закономерности развития природы и мышления едины.

В качестве эффективного методологического приема формирования понятий «форма и содержание» мы использовали метод моделирования. Учитель совместно с учащимися конструировал интегративные модели, которые отражали в образно-знаковой форме основные объекты неживой и живой природы и их взаимосвязь. Помимо общей модели, касающейся всех форм движения материи, создавались модели, отражающие более детально эволюцию форм, изучаемых в рамках одной дисциплины или ее раздела. При этом учитывалось, что качественная определенность этих форм будет зависеть и от количественной составляющей, которую также необходимо привлекать при интерпретации сущности изучаемого объекта.

Количественная характеристика природных форм, относящихся к различным видам движения материи, учитывалась в качестве исходного пункта для решения вопроса о принципах их организации и эволюции. Для реализации этой идеи учащиеся приводили и сопоставляли количественные данные о тех элементах и их связях, которые составляют основу изучаемой структуры (формы). На основе этих данных составлялся своеобразный вариационный ряд, который показывал общую тенденцию усложнения природных форм на основе количественных характеристик их элементов.

Таким образом, диалектическая пара категорий «форма и содержание», отражающая общие закономерности развития природных объектов, сыграла основополагающую роль при изучении эволюции природных форм, так как «движение мысли, по мнению В.П. Копнина, состоит в развитии познавательного образа, в движении от незнания к знанию». В наших исследованиях эти категории служили главным содержательным основанием преемственности курсов физики, химии, биологии, что способствовало формированию системы обобщенных знаний у учащихся и переходу внутрипредметных, межпредметных и межцикловых связей на качественно новый, теоретический уровень.

В качестве содержательной основы преемственности предметов на уровне естественнонаучного знания нами было выбрано фундаментальное естественнонаучное понятие «диффузия». Основанием для этого послужил тот факт, что диффузия лежит в основе фундаментальной формы движения - физической, которая предопределяет развитие всех остальных форм движения материи и сохраняется в них в качестве исходной. Диффузионные процессы обеспечили вещественные, энергетические и информационные взаимодействия между атмосферой, гидросферой и литосферой, которые привели к созданию геохимических (биогеохимических) циклов, обеспечивающих поддержание и развитие планеты Земля. Процесс диффузии играет исключительно важную роль в обмене веществом, энергией и информацией между любой природной системой и окружающей средой. Для всех уровней организации природных систем процесс диффузии имеет как общие закономерности своего проявления, так и частные особенности, которые были выявлены в процессе нашего исследования и использованы при раскрытии сущности физических, химических, биологических явлений, а также установления связей между ними.

Содержательная преемственность физики, химии, биологии в условиях МПС на элементарном уровне нами была раскрыта на основе электронной теории строения вещества. Особая роль электронов в современной теории вещества определяется тем, что отклик электронов на внешние электрические и магнитные воздействия существенно определяет физико-химические свойства веществ. Поэтому фундаментальное объяснение макроскопических свойств вещества связано с определением влияния электронов на формирование этих свойств. Явления, изучаемые электронной теорией вещества, имеют первостепенное значение для научно-технического прогресса.

Создание данной теории физической наукой оказало революционное влияние на все остальные науки естественнонаучного цикла и во многом предопределило стратегию их дальнейшего развития. Не составила исключения и биологическая наука, использовавшая «плоды» этой теории не только напрямую - от физики, но и от смежной науки - химии, которая применила основные идеи электронной теории вещества для объяснения механизмов химических реакций, протекающих как в неживой, так и в живой природе.

В нашем исследовании реализация постулатов и методов электронной теории вещества при изучении курсов химии и биологии позволила учащимся предвидеть в каждом конкретном случае, какие молекулы будут играть роль доноров, а какие - акцепторов электронов, что, несомненно, открывает большие перспективы в управлении химическими реакциями, а также физиолого-биохимическими процессами клеток, лежащими в основе их жизнедеятельности, как в норме, так и при патологии. Электронная теория вещества, как фундаментальная методология, позволила выявить физико-химическую сущность физиологических процессов на элементарном уровне, понять взаимосвязь физических, химических и биологических явлений, а через них и взаимосвязь (преемственность) форм движения материи.

Выбор функционального подхода в качестве содержательной основы преемственности курсов физики, химии, биологии предопределен двумя аспектами: длительной исторической проверкой и эффективностью данного метода в рамках естествознания и новым уровнем его теоретической обоснованности в рамках кибернетики.

Функциональный подход как разновидность системного подхода выполняет важную методологическую роль при изучении функций и явлений живых и неживых систем. Метод позволяет создать гипотетические модели их организации, которые затем проверяются практикой. Функциональный подход служит целям управления сложными системами. Его использование в единстве с частными методами исследования позволяет вскрыть новые количественные и качественные закономерности изучаемых процессов и явлений в природных системах, управлять ими и получать от них максимальную пользу.

Усвоение функционального подхода и умение его использовать на практике важно не только для ученых, но и для учащихся, которые в процессе обучения «следуют по тропе открытий», освоенных наукой. Данной методологией должны владеть и студенты, и учащиеся школ, у которых значительную сложность представляет систематическое развитие понятий и умений физиологического характера. Наше исследование показало, что осмысление потенциальных возможностей функционального подхода и его использование при изучении природных систем в школьных курсах физики, химии, биологии расширило границы его применения и понимания других научных методологий, которые в иерархической лестнице являются общими (системный подход и материалистическая диалектика) и способствуют интеграции естественнонаучных знаний, а также методов познания окружающего мира.

В четвертой главе «Методические основы формирования фундаментальных естественнонаучных понятий» показано, что эффективная реализация методологических и содержательных основ преемственности курсов физики, химии, биологии в условиях МПС с помощью современных методов и форм познания возможна лишь при выполнении двух важнейших условий: кардинальной реконструкции базисного учебного плана и содержания естественнонаучных дисциплин на основе учения о генетической связи форм движения материи и реализации на практике принципа единства содержательного и процессуального компонентов обучения. Эти условия были выполнены и отражены в Новой концепции естественнонаучного образования, основанной на опережающем изучении курсов физики и химии, разработанной академиком РАН А.В. Усовой; учебных программах, разработанных авторским коллективом; экспериментальных учебниках физики, подготовленных М.Д. Даммер; учебно-методических комплексах, разработанных М.Ж. Симоновой и С.М. Похлебаевым. Выполнение данных условий при осуществлении нашего эксперимента обеспечило выработку единого подхода к формированию понятий и умений, общих для курсов физики, химии, биологии, а также согласованную деятельность учителей по раскрытию перед школьниками единых требований к усвоению фундаментальных естественнонаучных понятий и овладению учебно-познавательными умениями.

Выбор методических средств и приемов по реализации преемственности физики, химии, биологии в условиях МПС был обусловлен содержанием обозначенных нами фундаментальных естественнонаучных понятий: «вещество», «энергия», «диффузия», «информация», «форма». Данные понятия имеют высокий уровень абстракции, через них раскрывается содержание атрибутов материи - движения, взаимодействия, отражения, а потому они являются системообразующими понятиями при формировании естественнонаучной картины мира, элементы которой закладываются при изучении естественнонаучных дисциплин в основной школе. Вместе с тем, анализ результатов констатирующего эксперимента показал, что уровень усвоения этих понятий учащимися к моменту окончания школы низкий.

При разработке нашей методической системы, призванной обеспечить преемственность методологических и содержательных основ в процессе изучения курсов физики, химии, биологии в условиях МПС мы опирались на исследования П.Я. Гальперина, Е.Н. Кабановой-Меллер, И.Я. Лернера, Н.А. Менчинской, А.В. Усовой и др. в которых показано, что понятие, данное учащимся извне, формируется в той мере, в какой является продуктом его мыслительной деятельности. Процесс овладения понятиями происходит постепенно, через последовательные этапы, на которых оно обогащается новыми признаками, выстраивается иерархия признаков. Реализация этой идеи в рамках нашего эксперимента осуществлялась через конструирование системы понятийных моделей. Исходное конструирование учащимися (при содействии учителя) обобщенных моделей высокого уровня интеграции, отражающих иерархию и взаимосвязь фундаментальных естественнонаучных понятий, позволяло сформировать у них общую абстракцию этой системы понятий, вызывающую положительную мотивацию; в дальнейшем эти модели служили своеобразной стратегией (методологией) формирования естественнонаучных знаний. Наполнение же этой абстрактной системы конкретным содержанием происходило в процессе изучения отдельных курсов и осуществлялось на основе частных моделей, позволяющих подавать информацию постепенно, небольшими порциями и в те периоды обучения, когда потребность к овладению знаниями у учащихся была достаточно высокой, а интерес к практическому их применению был устойчив. Предлагаемый нами подход позволил выявить возможность преемственности между курсами физики, химии, биологии не только на уровне явлений, но и на уровне сущности, что дало возможность вывести межпредметные связи курсов естественнонаучного цикла на теоретический уровень и на этой основе сформировать у школьников естественнонаучное мышление.

В работе представлены способы, приемы и средства реализации процессуальных МПС, использованные на различных дидактических этапах формирования фундаментальных естественнонаучных понятий. Наиболее эффективными оказались подходы и способы, направленные на обучение школьников обобщенным приемам работы с учебной и дополнительной литературой, проведения наблюдений и постановки опытов, изучения структурных элементов знаний на основе обобщенных планов деятельности, формирующие ориентировочную основу действия (ООД) третьего типа. Сформированные на их основе умения, обладающие свойством широкого переноса, использовались учащимися при решении многих познавательных и практических задач, а также позволяли сформировать организационные, оценочные умения и умения контролировать свою деятельность, вносить коррективы в имеющиеся знания.

Эффективным средством формирования обозначенных нами фундаментальных естественнонаучных понятий в условиях экспериментального обучения было использование проблемных заданий и задач, требующих комплексного применения знаний. Это явилось важным условием поддержания интереса, активности и роста самостоятельности школьников при осуществлении межпредметных связей в процессе развития понятий в курсах физики, химии, биологии. Примеры таких задач и заданий представлены в диссертационном исследовании.

Реализации дидактического принципа преемственности курсов физики, химии, биологии в условиях МПС в процессе формирования фундаментальных естественнонаучных понятий способствовало рациональное сочетание всего спектра форм учебных занятий: интегративных уроков, межпредметных конференций, комплексных семинаров и практических работ, методика проведения которых опубликована нами в методических рекомендаций.

Разработанная нами методическая система позволяет:

- обосновать приоритетность методологических основ содержания обучения;

- помочь учащимся овладеть рациональными методами самоорганизации своей деятельности по осуществлению принятых целей учебного и общественного характера;

- привить учащимся склонность к самообразованию, самосовершенствованию, к творческой деятельности;

- развить индивидуальные творческие потенции каждого ученика;

- ознакомить учащихся с модельным характером науки и образования;

- взять на вооружение предложенную нами модель, отражающую уровни научного знания, его онтогенез и формы познания, лежащие в основе каждого из этих уровней.

- определить место моделей в структуре научного знания;

- овладеть методом моделирования как важнейшим методом познания и как учебным средством для многих дидактических целей (наглядности, запоминания и т.д.);

- выявить специфику метода моделирования, позволяющую одновременно задействовать («сопрягать») формы чувственного и рационального познания;

- самостоятельно интегрировать знания и выражать это в виде образно-знаковых моделей разного уровня обобщения;

- использовать модели как средство интерпретации абстрактных понятий или отношений между реальными объектами;

- осознать эвристическую функцию моделей;

- обогатить методологический аппарат учащихся;

- повысить теоретический уровень мышления;

- сформировать естественнонаучное мировоззрение;

- повысить мотивацию школьников к учебным предметам и к учению, сделать их учебную деятельность более осмысленной и продуктивной.

Кроме того, методическая система, разработанная нами, позволила в рамках курсов физики, химии, биологии решить в комплексе три основополагающие задачи современной дидактики: создать условия для формирования творческой личности; включить учащихся в деятельность по развитию теоретического интегративного мышления; сформировать системные знания.

Результаты нашего эксперимента свидетельствуют, что методологические и фундаментальные естественнонаучные знания (понятия, законы, теории) обеспечили не только глубокую преемственность курсов физики, химии, биологии в условиях МПС, но и формирование естественнонаучного мышления (сознания) учащихся и их личностные качества, в силу того что познанные ими закономерности природы стали общими законами их мыслительной деятельности.

Практическое осуществление предлагаемой методической системы позволило сформировать у школьников умения и навыки выполнять задания творческого характера, требующие комплексного применения знаний физики, химии и биологии, которые необходимы для решения проблем как в области науки (пусть даже на примитивном уровне), так и повседневной практики.

В пятой главе «Методика проведения и результаты педагогического эксперимента» раскрываются задачи, методика проведения педагогического эксперимента, критерии эффективности реализации в учебном процессе разработанной системы формирования и развития фундаментальных естественнонаучных понятий в условиях МПС, результаты педагогического эксперимента и их анализ.

Педагогический эксперимент проводился в МОУ №№ 80, 99, 102,124 г. Челябинска, МОУ № 4 г. Аши Челябинской области. В экспериментальных классах основной школы обучение учащихся осуществлялось в соответствии с разработанной автором методической системой реализации методологических и содержательных основ преемственности курсов физики, химии, биологии при формировании фундаментальных естественнонаучных понятий «вещество», «энергия», «диффузия», «информация», «форма» в условиях межпредметных связей и в рамках Новой концепцией естественнонаучного образования А.В. Усовой. Обучение физики начиналось с V класса, химии - с VЙ, биологии - со второго полугодия шестого класса. Учащиеся контрольных классов обучались по программам, которые предусматривают начальное изучение биологии до изучения физики и химии. В экспериментальных классах использовался разработанный автором учебно-методический комплекс, включающий концепцию, учебные программы, учебные пособия, методические рекомендации, разработки теоретических семинаров, серию логически связанных образно-знаковых моделей разного уровня обобщенности, обеспечивающих преемственность формирования фундаментальных естественнонаучных понятий «вещество», «энергия», «диффузия» «информация», «форма», их развитие до теоретического уровня.

В процессе педагогического эксперимента по проверке эффективности предлагаемой методической системы осуществления преемственности физики, химии, биологии применялись разнообразные эмпирические методы исследования: наблюдения, опросы, консультации, проводились контрольные работы. Для количественной оценки полученных результатов экспериментального обучения нами использовались следующие показатели: коэффициент полноты усвоения учащимися содержания понятия (К); интегральный коэффициент усвоения понятий учитывающий содержание, объем понятия и связи данного понятия с другими понятиями (I); глобальный показатель уровня знаний (Q); коэффициент эффективности по интегральному коэффициенту усвоения понятий (м); коэффициент эффективности предложенной системы по глобальному показателю уровня сформированности понятий (в); коэффициент сформированности умений выполнять тот или иной вид деятельности (Р); коэффициент успешности развития умения выполнять тот или иной вид деятельности (л); критерий согласия хи-квадрат (ч² ).

Для выяснения качества усвоения знаний учащихся о веществе, энергии, диффузии, информации и форме в условиях экспериментального преподавания в VI?IХ классах проводились контрольные работы. На основе поэлементного анализа контрольных работ были рассчитан коэффициент (К) полноты усвоения содержания понятий. Результаты работ, выполненных учащимися VI?IХ классов, приведены на рис. 2?6.

Полученные результаты позволили рассчитать глобальный показатель уровня знаний учащихся контрольных и экспериментальных классов.

Для расчета глобального показателя уровня знаний и критерия ч² были выделены следующие уровни сформированности понятий:

1. Учащийся оперирует термином, обладает частичными знаниями о содержании понятия, существенные признаки не отграничены от несущественных.

2. Учащийся дает правильное определение понятия, усвоены все существенные признаки. Однако понятие еще не обобщено.

3. Учащийся оперирует понятием при решении несложных задач по данному предмету (например, по физике или химии).

4. Понятие обобщено, усвоены все необходимые для данного этапа формирования понятия связи данного понятия с другими понятиями естественнонаучных предметов. Учащийся верно оперирует понятием при установлении причинно-следственных связей между явлениями различной природы.

5. Учащийся привлекает понятие для решения задач, требующих комплексного применения знаний по нескольким предметам (уровень творчества).

Кроме глобального показателя уровня знаний учащихся, нами определялись значения коэффициентов эффективности по интегральному коэффициенту усвоения понятий (м) и глобальному показателю уровня сформированности понятий (в), которые представлены в таблице.

Таблица

Коэффициенты эффективности методики формирования фундаментальных естественнонаучных понятий в условиях реализации МПС физики, химии и биологии у учащихся IX классов основной школы

Приведенные в таблице данные свидетельствуют, что все значения коэффициентов эффективности (м) больше единицы, и это служит основанием для утверждения о том, что комплексное систематическое осуществление различных видов методологических и содержательных основ преемственности при изучении физики, химии и биологии в условиях реализации МПС способствует повышению качества усвоения фундаментальных естественнонаучных понятий «вещество», «энергия», «диффузия» «информация» и «форма».

По результатам контрольных работ были рассчитаны также коэффициенты успешности развития умений (экспериментальных, графических, работать с книгой (изучение явлений), работать с книгой (изучение приборов), конструировать теоретические модели) учащихся, приобретенных в процессе формирования фундаментальных естественнонаучных понятий с VЙ по ЙХ класс. Эти коэффициенты колеблются в пределах от 1,23 до 2,04, что свидетельствует о достаточно хорошем уровне сформированности различных видов умений учащихся основной школы.