Фундаментальная подготовка по физике как основа формирования профессиональной компетентности будущих учителей физики

В федеральном компоненте Государственного стандарта общего среднего образования определены требования к подготовке учащихся по физике. В соответствии с ними предполагается усиление внимания к формированию у учащихся знаний законов физики и физических теорий, в том числе законов и теорий современной физики; методологических знаний и умений; научного мировоззрения. В связи с этим одной из основных задач, стоящих перед учителем физики на современном этапе развития системы образования, является обучение физике как фундаментальной науке, теории и принципы которой лежат в основе всех достижений технического прогресса. В условиях быстрого изменения производственной и мыслительной деятельности человека важно, чтобы этот фундаментальный инвариант физических знаний присутствовал и развивался в сознании учителя в единстве с концепциями современной психологии, педагогики и методики преподавания физики.

Из сказанного следует, что в условиях реализации компетентностного подхода основу профессионализма учителя физики составляют фундаментальные научные знания. Факторами, в первую очередь влияющими на содержание подготовки учителя, являются те профессиональные задачи, которые он должен уметь решать в своей профессиональной деятельности в соответствии с государственными стандартами высшего профессионального педагогического образования.

В этой главе проведен анализ стандартов второго поколения подготовки специалистов (учителей физики) и бакалавров образования по направлению «Физико-математическое образование», а также проекта стандартов третьего поколения подготовки бакалавров по направлению «Педагогическое образование» профиля «Физическое образование».

В стандартах второго поколения подготовки специалистов -- учителей физики (в том числе и с дополнительной специальностью) требования к профессиональной подготовке сформулированы в виде умений решать типовые профессиональные задачи в различных областях педагогической деятельности. В стандарте бакалавра образования по направлению «Физико-математическое образование» перечислены виды профессиональной деятельности, к выполнению которых должен быть подготовлен выпускник.

В проекте стандарта третьего поколения подготовки бакалавров педагогического образования реализован компетентностный подход. В нем перечислены виды и задачи профессиональной деятельности бакалавров, требования к результатам освоения основных образовательных программ бакалавриата в виде тех компетенций, которыми должен обладать выпускник по направлению подготовки «Педагогическое образование» со степенью «Бакалавр» и квалификацией учителя предмета в соответствии с профилем и которые адекватны задачам профессиональной деятельности и целям основной образовательной программы.

Конкретный состав профессиональной компетентности учителя определяется особенностями учебного предмета, в данном случае физики. Определяя содержание подготовки по физике будущих учителей и ее вклад в формирование у них профессиональной компетентности, необходимо учитывать особенности современного этапа развития школьного физического образования, основные идеи и подходы к построению школьного курса физики. К имеющимся на сегодняшний день результатам реформы школьного образования в числе других относятся вариативность общего среднего образования, реализация профильного обучения в старшей школе и предпрофильной подготовки учащихся основной школы.

Ситуация выбора профиля предъявляет соответствующие требования и к подготовке будущих учителей физики. В частности, они должны уметь анализировать содержание вариативных учебников и учебных пособий по основному и элективным курсам физики, осуществлять их осознанный выбор, руководствуясь определенными критериями и принципами. Это возможно лишь при наличии у них фундаментальной подготовки по физике (общей и теоретической), поскольку только в этом случае появляется возможность проводить оценку содержания обучения с общенаучных позиций.

Требования современного общества к образованию, проявляющиеся в усилении внимания к личности ученика, привели к пересмотру концептуальных основ процесса обучения. Так, в настоящее время происходит переход от предметно-ориентированного обучения к личностно ориентированному, под которым понимается обучение, обеспечивающее развитие, саморазвитие и самореализацию личности с опорой на его индивидуальное развитие. Соответственно изменяются цели обучения и требования, предъявляемые к его содержанию. Содержание школьного курса физики составляют основы науки физики. В содержании учебного предмета наука отражается не только как система знаний, но и как деятельность тех, кто добывает и кто использует физические знания в различных сферах жизнедеятельности человека. Физика как деятельность включается в содержание учебного предмета в качестве его элемента через систему методологических знаний, поисковую деятельность учащихся, соответствующую этапам и логике научно-исследовательской деятельности, приемы обучения, соответствующие методам науки (например, использование наблюдения, физического эксперимента или теории для получения нового знания); определенную организацию познавательной деятельности учащихся, которая соответствует переходу от явления к его сущности, раскрываемой в физических понятиях и законах, а от них -- к предвидению новых фактов и прикладных физических эффектов.

В школьных курсах физики разных авторов приняты разные подходы к композиции учебного материала. Но во всех существующих в настоящее время курсах физики для старшей школы, за исключением курса физики В.А. Касьянова, в качестве элемента знаний, вокруг которого объединяется учебный материал, выбрана физическая теория, что определяется значением теории в науке как основной и ведущей формы знаний и вытекает из трактовки дидактического принципа системности знаний, предложенного Л.Я.Зориной. Такой подход дает возможность сформировать у учащихся представление о происхождении физических знаний (теория -- результат решения определенной физической задачи), их структуре (теория -- всегда определенная иерархическая организация знаний) и способах применения (теория -- инструмент решения новых задач в данной предметной области). В этом смысле овладение теорией позволяет сформировать у учащихся умение использовать эти знания для объяснения и предсказания явлений. Так как физические теории входят в физическую картину мира, подобное структурирование материала способствует формированию у учащихся целостного представления о физической картине мира и, тем самым, научного мировоззрения. Кроме того, при группировке материала вокруг физических теорий последовательно реализуется принцип цикличности, поскольку структурные элементы физической теории соответствуют этапам познания в физической науке, позволяют расширять и конкретизировать знания, сохраняя инвариантное ядро теории. Важно при этом, чтобы переход к новому циклу обучения отражал и логику развития самой физической теории.

Таким образом, анализ основных направлений реформирования школьного физического образования, целей обучения физике в общеобразовательной школе, принципов отбора содержания школьного курса физики и его структурирования позволяет сделать вывод о том, что в настоящее время для формирования профессиональной компетентности будущего учителя физики необходимо, чтобы в курсе общей физики были реализованы принципы генерализации и системности знаний (С.Л. Рубинштейн, Л.Я. Зорина) и при этом учебный материал объединялся вокруг физических теорий.

Далее в главе изложены результаты анализа диссертационных исследований по теории и методике обучения физике студентов вузов. Кроме упомянутых выше исследований докторского уровня, за последние годы выполнен ряд кандидатских диссертаций, посвященных различным аспектам проблемы обучения физике в вузах, в том числе и в педагогических (Б.А. Алейников, Т.Г. Ваганова, Д.В. Виноградов, Н.Б. Виноградова, М.В. Додонов, В.В. Закотнов, Г.И. Китайгородская, Г.Ф. Михайлишина, Е.Б. Петрова, Е.В. Рыкова, А.В. Селиверстов, А.Е. Тулинцев). Однако и в этих исследованиях концептуальные проблемы содержания курса общей физики как важнейшего компонента системы обеспечения профессиональной компетентности учителя физики не рассматривались.

Преподаванию физики в вузах посвящено большое число методических публикаций. Наибольший интерес представляют работы преподавателей МПГУ (А.Н. Мансуров и др.) и РГПУ им. Герцена (Г.А. Бордовский, С.В. Борисенок, Ю.А. Гороховатский, В.М. Грабов, А.С. Кондратьев), в которых рассмотрены проблемы содержания курса общей физики для будущих учителей. Высказанные в этих работах идеи и подходы к построению курса общей физики не решают задачу такого отбора и структурирования учебного материала, который, помимо формирования знаний и умений, способствовал бы развитию у студентов профессиональной компетентности.

Таким образом, анализ научно-методических исследований свидетельствует о том, что до настоящего времени проблема фундаментальности физического образования в педвузе в аспекте его влияния на формирование у студентов профессиональной компетентности не была предметом специального внимания. В данной главе приведены также результаты анализа состояния подготовки по общей физике студентов -- будущих учителей физики, который показал, что все студенты, принимавшие участие в констатирующем исследовании, имели определенный запас знаний по физике и, вместе с тем, низкий уровень профессиональной компетентности. Нами было выявлено, что студенты испытывают затруднения в обосновании решений качественных и количественных задач, что объясняется недостаточностью полученных физических знаний; неуверенность в ответах на вопросы, их знания не прочны, не системны, по многим вопросам формальны, что вызывает у них затруднения при изменении условий задачи; проявляется стремление найти правильный ответ не путем логических рассуждений и поиска физической интерпретации, а путем механического применения математического аппарата при низком уровне понимания сути описываемых этим аппаратом физических процессов; умения самостоятельно применять физические знания для объяснения явлений, процессов, решения физических задач сформированы на низком уровне.

Анализ содержания подготовки по общей физике учителя физики и бакалавра образования, заданного стандартами второго поколения, позволяет сделать вывод о том, что в целом они имеют одинаковую логическую структуру, представляют содержание курса физики с необходимой полнотой. Однако структура разделов не соответствует структуре школьного курса физики; в стандартах не выделены базис изучаемых физических теорий, их ядро и следствия. Заданное стандартами содержание физического образования отражено в соответствующей учебно-методической литературе. Ее анализ позволяет констатировать, что существующие учебники физики слабо учитывают специфику будущей профессиональной деятельности студентов; единственным курсом, адресованным непосредственно будущим учителям, является курс физики Е.М. Гершензона, Н.Н. Малова и др. Но и этот курс не в полной мере отвечает требованию фундаментальности физического образования: в нем не выделено четко инвариантное ядро, недостаточно полно представлена современная физика, не предусмотрено использование компьютерных технологий, не уделено должное внимание методологии физической науки, формированию у обучаемых научного мировоззрения.

Таким образом, анализ состояния проблемы подготовки по общей физике студентов специалитета, получающих специальность «Учитель физики», и бакалавриата направления «Физико-математическое образование» позволяет сделать вывод о том, что существующий курс общей физики не в полной мере отвечает принципу фундаментальности, не позволяет сформировать у студентов представления о ядре физических знаний, основные методологические знания, не формирует у них общий взгляд на структуру современной физической науки. Учебно-методическая литература по общей физике также не учитывает специфику профессиональной деятельности учителя физики и практически ничем не отличается от аналогичной литературы для студентов технических вузов или классических университетов. Проведенные диссертационные исследования не ставят и не решают проблему системного пересмотра курса общей физики с позиций его фундаментальности и профессиональной направленности. В связи с этим проблема определения содержания и структуры курса общей физики для студентов педагогических вузов становится актуальной.

Во второй главе «Теоретические основы фундаментальной подготовки по общей физике в педагогическом вузе» обоснованы и представлены концепция и модель методической системы обучения общей физике студентов -- будущих учителей физики. Одной из основных составляющих профессиональной компетентности учителя физики, как указывалось выше, является предметная компетентность, отражающая наличие необходимых профессиональных знаний. К профессиональным знаниям относятся, прежде всего, знания по тому предмету (включая его методологические и мировоззренческие аспекты), которому будущий учитель станет обучать учащихся. В связи с этим возникает вопрос: каким должен быть курс общей физики, направленный на решение задачи формирования у студентов предметной составляющей профессиональной компетентности?

В современной дидактике разработана теория учебного предмета на уровне общего среднего образования и построены модели учебных предметов разного типа (И.К. Журавлев, Л.Я. Зорина, И.Я. Лернер). Использовав основные положения теории учебного предмета и внеся определенные коррективы в эти модели, Н.С. Пурышева сконструировала модель учебного предмета «Физика», которая включает в себя два блока: содержательный и процессуальный. Эта модель, как мы предположили, может быть применена к курсу общей физики. В содержательный блок входят основные физические знания: факты, понятия, законы, теории и физическая картина мира. В него входят также и внепредметные, или вспомогательные, знания: исторические, мировоззренческие, методологические, межпредметные, логические, математические и др. Процессуальный блок включает способы теоретической и практической деятельности, овладение которыми обеспечивает умения анализировать и моделировать физические явления, применять знания в решении различного рода физических задач. К этому же блоку относятся способы учения и формы организации обучения (лабораторные работы, практические и семинарские занятия).

В исследованиях, посвященных содержанию учебного предмета «Физика» в учреждениях общего среднего образования, разработаны подходы к отбору содержания и его структурированию (Д.А. Исаев, А.Н. Мансуров, Н.С. Пурышева). Эти подходы с учетом специфики высшего педагогического образования могут быть применены и к дисциплине «Общая физика». Показано, что источником содержания курса общей физики является физика как наука. Поскольку учебный предмет представляет собой дидактически адаптированную модель науки, то при его конструировании учитываются такие факторы, как цели обучения и особенности контингента обучаемых, а также дидактические и частнометодические принципы конструирования содержания учебного предмета.

Обобщенная и систематизированная совокупность постоянно развивающихся знаний о природе представляет собой естественнонаучную картину мира. Частью этой картины мира является физическая картина мира (ФКМ), которая представляет собой идеализированную модель природы, включающую в себя систему научных физических понятий, принципов и теорий и характеризующую определенный этап ее развития. В этой главе показана эволюция представлений о материи, движении, пространстве, времени и причинности в физике, раскрыты основные положения механической, электродинамической и квантово-полевой картин мира, рассматриваются этапы развития физической науки и основные особенности современного этапа.

Классический этап (XVII--XIX вв.). Превалирует способ описания объекта, при котором основное внимание уделяется его физическим характеристикам безотносительно к методам, средствам, приемам и операциям деятельности субъекта. На этом этапе преобладают объективный стиль мышления, стремление познать объект сам по себе безотносительно к условиям его изучения.

Неклассический этап (первая половина XX в.). При описании существенное внимание уделяется внешним условиям изучения материального объекта. В микромире отвлечение от средств наблюдения, измерения и экспериментального исследования при оценке научной информации невозможно. Воздействие измерительных приборов на результаты измерения является принципиально неустранимым. Это возведено в ранг методологического принципа, имеющего исключительное значение в квантовой механике. Неклассическая наука отвергает представление о реальности как не зависящей от средств познания. Она осмысливает связи между знаниями об объекте и характером средств исследовательской деятельности, рассматривая эти связи в качестве одного из элементов объективно истинного описания и объяснения мира.

Постнеклассический этап (вторая половина XX в.). Одной из главных черт этой стадии развития науки является универсальный эволюционизм, соединяющий идеи эволюции с идеями системного подхода и распространяющий идеи развития на все сферы бытия. На данном этапе при изучении объекта учитывается не только воздействие со стороны средств познания -- принципиально не устранимой является роль человека как наблюдателя и интерпретатора данных эксперимента, т.е. изучается система «природа + +человек». Такой антропный принцип предполагает все более глубокое включение в науку (в том числе и в естествознание) человеческой деятельности, сближение мира человека и мира природы.

Таким образом, современный курс общей физики должен включать как классическую, так и современную физику с ее представлениями о физической картине мира, методологией и различными типами научного мышления. Основным фактором, влияющим на отбор содержания курса общей физики для бакалавров и специалистов -- будущих учителей физики, являются цели обучения. В рамках компетентностного подхода цели обучения любой дисциплине в системе высшего профессионального образования задаются через систему компетенций, которые должны быть сформированы у выпускников.

В данной главе представлен анализ технологии проектирования специальных профессиональных компетенций (В.И. Байденко, И.А. Зимняя, А.В. Хуторской), рассмотрены основные функции, иерархия, структурные компоненты, динамика развития специальных компетенций. Профессиональная компетентность будущего учителя физики является результатом формирования компетенций трех уровней -- ключевых, базовых и специальных. С учетом определения компетенций как целей образовательного процесса, а также достоинств и недостатков, приведенных в ГОС ВПО второго поколения перечня требований к подготовке по общей физике будущего учителя физики, нами выделены специальные компетенции, которые должны приобрести студенты при изучении курса общей физики. В исследовании они объединены в четыре группы: предметные, мировоззренческие, методологические и информационно-математические (рис. 1).

Рис. 1. Составляющие профессиональной компетентности учителя физики

Предметные компетенции:

-- знать основные физические понятия, законы и теории; видеть логику возникновения и развития теории; уметь выделять инвариантное ядро физической теории;

-- знать и уметь формулировать фундаментальные идеи физических теорий, уметь прогнозировать возможные проблемы в усвоении этих идей обучающимися и решать их;

-- ставить познавательные задачи, выдвигать гипотезы, формулировать вопросы, связанные с наблюдаемыми физическими явлениями, и объяснять причины их возникновения;

-- выбирать необходимые приборы и оборудование, ставить опыты, владеть измерительными навыками, обрабатывать результаты исследований с помощью математических методов; знать и уметь показывать фундаментальные физические опыты, знать выдающиеся открытия отечественных и зарубежных ученых в области физики;

-- моделировать физические процессы; строить схемы, диаграммы, чертежи и графики; работать с инструкциями, описывать результаты исследований и формулировать выводы;

-- проводить исследование решения физических задач, находить оптимальные, анализировать и обобщать результаты; обращать особое внимание на совпадение теоретических и опытных данных;

-- владеть приемами самостоятельного добывания знаний.

В соответствии с сформулированными требованиями к подготовке студентов специальные компетенции (предметные, мировоззренческие, методологические и информационно-математические) позволяют определить содержание и структуру курса общей физики, при этом речь идет и об основных предметных и внепредметных знаниях, и о процессуальном (технологическом) компоненте учебного предмета. Как уже указывалось, содержание предмета отбирается и структурируется в соответствии с дидактическими и частнометодическими принципами. В главе проанализированы дидактические принципы, играющие наиболее существенную роль при проектировании содержания курса общей физики и претерпевшие за последние годы значительные изменения (научность, систематичность и последовательность, наглядность, системность, индивидуализация, интерактивность, профессиональная направленность, фундаментальность).

Принцип профессиональной направленности (в нашем случае профессионально-педагогической направленности) играет ведущую роль в подготовке учителя. Он реализуется через так называемый контекстный метод обучения (А.А. Вербицкий, О.С. Гребенюк), через имитационное моделирование профессиональных ситуаций (В.И. Данильчук, В.В. Сериков). Принцип, по сути, указывает на то, как именно должна осуществляться подготовка, и позволяет определить общую структуру учебно-воспитательного процесса и учебных планов, структуру каждого цикла дисциплин учебного плана. Именно им должны определяться цели, задачи, содержание и структура любого учебного предмета, а также технологии его изучения. Поскольку в профессиональную направленность входят направленность личности (на трудовую деятельность и конкретную профессию), направленность общего образования и профессионального обучения, то понимание содержания и направлений реализации данного принципа в полной мере соответствует компетентностному подходу к подготовке учителя, в том числе учителя физики: каждая дисциплина учебного плана должна вносить вклад в его профессиональную подготовку, т.е. в формирование у него профессиональной компетентности.

Наряду с профессионально-педагогической направленностью обучения, ведущим принципом высшего, в том числе педагогического, образования в последние годы становится принцип фундаментальности физического образования, который отражает закономерности развития общества и систем образования. В современной литературе существуют различные подходы к пониманию фундаментальных знаний и фундаментальности образования. О.Н. Голубева, А.Д. Суханов под фундаментальными знаниями понимают стержневые, системообразующие, методологически значимые представления, восходящие к истокам понимания, первичным сущностям. Под фундаментальностью образования понимается ориентация на методологически важные «долгоживущие» и инвариантные знания, открывающие возможность выстроить отчетливое представление о мироздании и месте человека в нем.

Во всех проанализированных нами подходах к пониманию сущности фундаментальности образования (физического, в частности) просматривается необходимость выделения ядра физических знаний и его содержательных линий. В качестве таковых в исследовании предложены предметная, мировоззренческая, методологическая и информационно-математическая линии. Данные содержательные линии в соответствии с нашей концепцией являются главными составляющими фундаментального физического образования, основой профессиональной компетентности будущего учителя физики. Учитывая вышесказанное, можно дать определение понятия фундаментального образования применительно к образованию в области физики: ориентация студентов на усвоение стержневых знаний (инвариантного ядра) об основных физических законах, формирующих научное мировоззрение, а также способствующих усвоению общих методов и универсальных средств решения задач, возникающих при изучении природы. Таким образом, реализация принципа фундаментальности физического образования предполагает выделение инвариантного ядра физических знаний, которые присутствуют в виде «стержневых», «первичных», «долгоживущих» знаний и в определенной степени сохраняются для человека в обозримый период его жизни, несмотря на то, что он находится в непрерывно изменяющихся условиях (связанных со сменой парадигм, мировоззрений, технологий, требований рынка и т.д.), реализацию в обучении мировоззренческого потенциала физики, связь ядра физических знаний с методологией физического познания, которая рассматривается, как это принято в методологии научного познания, в соответствии с основными этапами развития физической теории (классический, неклассический и постнеклассический); проникновение новых математических и информационных методов в курс физики.

Необходимо отметить, что утверждение о том, что логика структуры курса физики должна соответствовать логике современной науки физики, согласуется с принципом фундаментальности физического образования. Поскольку логика науки попадает в содержание курса через последовательность разделов и тем и организацию знания, то структурирование материала внутри курса может быть осуществлено на основе логики научного познания.

В современной дидактике считается, что последовательность изложения материала в учебном предмете должна обязательно отражать логику той науки, основы которой входят в его содержание. Этот принцип является выражением общенаучных методов познания -- диалектико-логического, генетического. Согласно этим методам, логика движения мысли в сознании отдельного человека, в общем и целом, в сокращенном виде воспроизводит логику исторического развития познания. В усвоении знаний учащимися должна отражаться логика развития научного познания, но сжато и в дидактическом преломлении, учитывающем уровень их подготовленности и «зону ближайшего развития» (Л.С. Выготский).

Диалектико-логический метод главное внимание уделяет физической теории как наивысшему выражению системы физических знаний, из ядра которой как своего рода «содержательной абстракции» (В.В. Давыдов) могут быть дедуцированы многочисленные частные выводы, характеристики физических явлений. Такого рода абстракция как продукт диалектико-логического обобщения позволяет «свернуть» громадный массив информации до вполне обозримых и легко воспринимаемых при обучении объемов. В данной главе подчеркивается взаимная обусловленность положений: логический метод способствует фундаментальности курса физики, а фундаментальность курса предполагает использование этого метода.

Таким образом, фундаментальность физического образования может быть обеспечена, если в основе структурирования учебного материала курса общей физики лежит принцип от логики развития физической науки к логике возникновения отдельной теории, а от нее к логике изучения этой теории. Подобное структурирование учебного материала принято в курсе физики средней школы, поэтому данный подход к структурированию учебного материала в курсе общей физики для будущего учителя в полной мере соответствует не только принципу фундаментальности, но и принципу профессиональной направленности обучения. Проблема структурирования учебного материала курса физики приобретает новое звучание и получает новое решение в связи с тем, что для современного этапа развития физики характерны проникновение информационных технологий и постнеклассический способ мышления. Это должно найти свое отражение как в содержании, так и в структуре курса общей физики. Развивающиеся в настоящее время в физике идеи динамического хаоса, самоорганизации систем и их эволюции должны рассматриваться в современном курсе общей физики. Включение этих вопросов будет способствовать развитию у студентов нового нелинейного (постнеклассического) типа физического мышления, в котором принимается во внимание не одностороннее, а взаимное влияние объекта и его окружения друг на друга. Это придаст курсу огромное методологическое и мировоззренческое значение.

В современной методике обучения физике известны две структуры, отражающие логику науки в учебном познании. Первая отражает структуру физической теории и представлена в виде основания, ядра, следствия и интерпретации. Вторая основана на логике процесса познания и представляет собой последовательность следующих этапов познания: факты, гипотеза, теоретические следствия, эксперимент (В.В. Мултановский, В.Г. Разумовский). Можно предложить для будущих учителей несколько иную структуру, объединяющую обе представленные выше структуры (что вполне допустимо в рамках учебного познания). Она включает в себя основание, ядро, следствия, эксперимент.

На основе изучения литературы по истории физики и ранних работ классиков физической науки А. Эйнштейна, Л. де Бройля и В. Гейзенберга, имеющих исключительное значение в методологическом и методическом отношении, а также работ по философии и методологии науки, посвященных исследованию структуры и динамики научного знания (Т. Кун, М.А. Розов, В.С. Степин, К. Поппер и др.), были разработаны логические модели разделов курса физики с указанием последовательности изучения отдельных тем. В частности, структура современного курса электродинамики построена в соответствии с развитием представлений об электромагнитном поле, что, безусловно, соответствует логике ее развития. Логика разрешения противоречия между теорией и опытом, сложившегося в электродинамике на рубеже XIX и XX вв., положена в основу структуры специальной теории относительности. В основе структуры квантовой теории лежит логика возникновения и развития представлений о корпускулярно-волновом дуализме свойств света и вещества, т.е. единстве прерывных и непрерывных свойств материи.

Далее в главе сформулированы основные положения концепции методической системы обучения общей физике студентов педагогических вузов, структура которой представлена на рис. 2.

Основание концепции составляют факты, установленные эмпирически в ходе наблюдения и анализа процесса обучения физике в общеобразовательных учреждениях и в учреждениях высшего педагогического образования; целевые установки, определенные стандартами общего среднего образования по физике и высшего профессионального педагогического образования, которые играют роль факторов, обусловливающих необходимость разработки новых подходов к подготовке по физике будущих учителей, и которые необходимо учитывать при проектировании этой подготовки.

Рис. 2. Структура концепции методической системы обучения общей физике в педагогическом вузе

К теоретическим основаниям концепции относятся:

-- методологические подходы -- системный, компетентностный, деятельностный;

-- понятия (основные) -- «профессиональная компетентность», «профессионально-педагогическая компетентность», «фундаментальность», «дисциплина “Общая физика”»;

-- дидактическая теория учебного предмета;

-- дидактические принципы (научности, систематичности и последовательности, системности, межпредметных связей, наглядности, связи теории с практикой, индивидуализации и дифференциации, фундаментальности, профессиональной направленности).

Ядро концепции составляют система положений, выражающих сущность концепции, модель методической системы обучения общей физике студентов педагогических вузов.

Следствия концепции (прикладной блок) структурированы в соответствии с выделенными теоретическими основаниями и моделью содержания курса общей физики и его разделов; технологии обучения студентов общей физике.

Основные положения концепции:

1) подготовка будущих учителей по общей физике должна быть направлена на формирование у них профессионально-педагогической компетентности;

2) профессионально-педагогическая компетентность будущего учителя физики включает специальные компетенции (предметные, мировоззренческие, методологические и информационно-математические), среди которых основными являются предметные компетенции, компетенции отбора содержания и методов изучения различных разделов предмета, организации учебной деятельности по физике;

3) необходимыми условиями формирования у будущих учителей физики профессиональной компетентности являются фундаментальность физического образования; взаимосвязь принципов фундаментальности и профессиональной направленности при построении и реализации модели методической системы обучения общей физике; обеспечение преемственности содержания курса общей физики со школьным курсом физики;

4) учебная дисциплина «Общая физика» включает содержательный блок, в который входят основные предметные знания и внепредметные (вспомогательные) знания, а также процессуальный блок, который составляют формы теоретической и практической деятельности, способы учения и организационные формы обучения;

5) условиями реализации принципа фундаментальности подготовки по физике будущих учителей являются отбор материала курса общей физики и его структурирование в соответствии с содержательными линиями фундаментального физического образования;

6) ведущей формой знания должна быть физическая теория в ее современной интерпретации, содержание курса физики должно развивать теоретическое мышление студента и являться основой его интеллектуального развития;

7) в соответствии с принципом фундаментальности в содержании курса должно быть определено место эволюционной физики (синергетики), вопросов динамического хаоса, самоорганизации систем, их эволюции и т.д.;

8) структурирование содержания курса общей физики должно предусматривать выделение в нем инвариантного ядра, а в ядре -- четырех содержательных линий, вокруг которых объединяется учебный материал по содержательным линиям: а) предметной -- освоение фундаментальных физических знаний, инвариантного ядра; б) мировоззренческой -- приобретение представлений о современной физической картине мира через последовательное изучение механической, электродинамической и квантово-полевой картин мира с точки зрения их эволюции; в) методологической -- осознание методологии научного познания, развивающейся в соответствии с основными этапами развития физической теории (классический, неклассический и постнеклассический); г) информационно-математической -- освоение современных математических методов и методов компьютерного моделирования в курсе общей физики; а также представление изучаемого материала в соответствии с логикой научного познания как в наибольшей степени соответствующей процессу становления физической теории и как естественным и целесообразным способом рассмотрения выделенных содержательных линий.

Сформулированные положения концепции являются основанием для построения модели методической системы обучения общей физике будущих учителей физики. Сконструированная модель методической системы обучения общей физике будущих учителей физики и бакалавров направления «Физико-математическое образование» включает следующие подсистемы: целевую (критериальное описание профессиональной компетентности учителя физики), содержательную (описание содержательных линий курса физики, содержания структурированных в соответствии с выделенными основаниями разделов курса физики), технологическую (адекватные целям и содержанию дидактические условия их реализации в подсистеме «преподаватель--студент», соответствующие технологии обучения). Представленная модель методической системы обучения общей физике учитывает особенности применения системного подхода в моделировании педагогических явлений и процессов (см. рис. 3).

В третьей главе «Методика обучения общей физике студентов -- будущих учителей физики» основное внимание уделяется содержанию курса общей физики и отражению в нем содержательных линий, определяющих реализацию принципа фундаментальности физического образования. Завершается глава параграфом, в котором описано применение информационных технологий при обучении общей физике. Основными положениями предлагаемой методики являются следующие.

Рис. 3. Модель методической системы обучения общей физике

? Работа по формированию фундаментальных физических знаний проводится непрерывно на протяжении изучения всего курса общей физики в университете.

? Методика предусматривает следующую последовательность видов деятельности по формированию профессиональной компетентности студентов:

-- выявление инвариантного фундаментального ядра курса общей физики (содержание, структура, логика и принципы построения);

-- определение специальных компетенций в соответствии с выделенными содержательными линиями на базе технологии их проектирования, разработанной в современной психолого-педагогической литературе; выделение составных частей ядра, главных содержательных линий фундаментального физического образования (предметной, мировоззренческой, методологической и информационно-математической);

-- реализация методики обучения общей физике, направленной на формирование у студентов фундаментальных физических знаний и развитие у них профессионально-педагогической компетентности.

? Методика предполагает сохранение преемственности содержания общего курса физики со школьным курсом физики.

В соответствии с основными положениями концепции и моделью методической системы обучения студентов общей физике выделено общее инвариантное ядро курса физики, а также определен конкретный физический материал, на котором следует акцентировать внимание студентов при изучении отдельных тем. При изучении разделов курса общей физики используется несколько педагогических технологий. Основными являются технология проблемного обучения и информационные технологии. Именно при моделировании проблемных ситуаций раскрывается логика учебного материала, развиваются физическое мышление и творческие способности студента. Проблемное обучение реализуется с помощью проблемного изложения материала, частично-поискового и исследовательского методов в зависимости от содержания материала и возможности организации самостоятельной деятельности студентов.

Изучение разделов «Специальная теория относительности», «Квантовая физика» строится как последовательное разрешение противоречий, возникавших в физике. Технология проблемного обучения естественно связана с логическим методом познания, что соответствует целевым установкам и выделенным содержательным линиям фундаментального физического образования. Общие этапы изучения разделов курса общей физики соответствуют этапам проблемного обучения: создание проблемной ситуации, осознание противоречия, формулирование проблемы; планирование деятельности по разрешению противоречия; деятельность по разрешению проблемы (см. табл. 1).

Таблица 1

Основные этапы проблемного изучения курса общей физики

Таблицы 2 и 3 моделируют содержательное наполнение выделенных этапов изучения учебного материала. Содержание этапов находится в строгом соответствии с логикой возникновения и развития теорий.

Таблица 2

Предпосылки возникновения СТО

Таблица 3

Предпосылки возникновения квантовой теории

Такой подход позволяет студентам глубже понять теорию, необходимость и обусловленность ее появления, увидеть процесс возникновения теории в динамике. В логике проблемного обучения осуществляется изучение элементов общей теории относительности (рис. 4).

Рис. 4. Логика изучения элементов ОТО

Приведены и рассмотрены основные положения электродинамической картины мира.

Формирование фундаментальных физических знаний завершается обобщением на уровне современной физической картины мира и анализом методологических принципов, характерных для неклассического и постнеклассического этапов развития физической науки.

В данной главе рассмотрено содержание ядра курса физики по основным его разделам, структурированное в соответствии с разработанной нами концепцией с соответствующими методическими комментариями, а также спроектирован и реализован набор специальных компетенций учителя физики в области информационно-математических методов и компьютерного моделирования. Учитывая, что структура и содержание информационных компетенций как ключевых компетенций в современной психолого-педагогической литературе разработаны достаточно детально, основное внимание уделено применению конкретной общедоступной компьютерной среды (пакет Microsoft Office) при формировании фундаментальных знаний по дисциплине «Физика» для специалистов педагогических специальностей и бакалавров по направлению «Физико-математическое образование». Информационная подготовка студентов предполагается соответствующей курсу информатики для специалистов и бакалавров данного профиля.

Показаны примеры применения языка программирования VBA для визуализации постановки и решения некоторых задач. Продемонстрированы возможности пакета MSO в решении некоторых задач элементарной и высшей математики, составляющих основу математического аппарата курса физики для бакалавров и специалистов -- будущих учителей физики. Содержится набор задач, иллюстрирующий возможности применения компьютера в физике, которые охватывают все важные разделы курса общей физики. Компьютерная реализация предлагаемых задач осуществлена средствами процедурного, событийного и объектно-ориентированного программирования.

В четвертой главе «Результаты экспериментального исследования» приведено описание организации экспериментальной части исследования и представлены его результаты (табл. 4). Эксперимент состоял из трех этапов: констатирующего, поискового и обучающего. Констатирующий этап эксперимента имел целью проверить состояние подготовки по физике будущих учителей физики и бакалавров направления «Физико-математическое образование». Результаты первой части констатирующего эксперимента приведены в первой главе. На этом этапе определялся также исходный уровень знаний о ядре физической теории у студентов первого курса, выяснялись возможности их обучения по экспериментальной методике. По результатам проведенных контрольных работ группы были разделены на контрольные и экспериментальные. Обращалось особое внимание на то, чтобы уровень подготовки студентов контрольных и экспериментальных групп был одинаков, а эксперимент проходил в естественных условиях реального учебного процесса.

Таблица 4

Этапы педагогического эксперимента

Целью поискового этапа эксперимента были разработка и апробация методической системы фундаментальной подготовки студентов по общей физике, составляющей основу формирования их профессиональной компетентности. В результате поискового эксперимента была сформулирована основная идея исследования, выделено ядро физических знаний и сформулированы специальные компетенции в соответствии с содержательными линиями фундаментального физического образования. Была разработана и скорректирована модель методической системы, апробированы все ее элементы. Создавалось и уточнялось методическое сопровождение процесса обучения (пособия, тесты, контрольные материалы).

Цель обучающего этапа эксперимента заключалась в проверке эффективности разработанной нами концепции методической системы подготовки по общей физике будущих учителей физики и бакалавров направления «Физико-математическое образование». Задача заключалась в выявлении и сравнении знаний студентов в экспериментальных и контрольных группах. При исследовании эффективности обучения за основу принимались такие критерии, как объем, осмысленность знаний, умение применять их в решении различного рода физических задач.

После изучения каждой темы в экспериментальных и контрольных группах проводились контрольные работы. Проверка и анализ этих работ показали, что число студентов в экспериментальных группах, усвоивших предлагаемый физический материал, заметно больше, чем в контрольных. Результаты выполнения итоговых контрольных работ в экспериментальных и контрольных учебных группах показаны на рис. 5--7. Из диаграмм видно, что студенты справились с работой. Число отличных и хороших оценок у учащихся в экспериментальных группах значительно больше, чем в контрольных. Отобранный материал в основном усвоен. Осмысленность и глубина знаний подтвердились на основе анализа решений задач, контрольных работ, где требовалось применение полученных теоретических знаний. Эти результаты убеждают в справедливости выдвинутой гипотезы.

Для оценки уровня формирования профессиональной компетентности использовались и другие параметры. Было проведено специальное анкетирование, где сформированность каждой из четырех групп приведенных компетенций анализировалась отдельно. Анкеты содержали пять вопросов по соответствующей группе компетенций. За каждый правильный и полный ответ ставилось два балла. Максимальное количество баллов по каждой группе компетенций равнялось 10, по методической подготовке в целом -- 40 баллам. В табл. 5 приведены средние баллы по четырем группам компетенций в контрольных и экспериментальных учебных группах.

Рис. 5. Результаты контрольных работ по механике

Рис. 6. Результаты контрольных работ по электродинамике

Рис. 7. Результаты контрольных работ по квантовой физике

Таблица 5

Средние баллы по компетенциям

На рис. 8 приведена диаграмма сформированности специальных компетенций для контрольных и экспериментальных учебных групп. Из диаграммы видно, что в среднем в экспериментальных учебных группах показатели выше, чем в контрольных.

Рис. 8. Диаграмма сформированности профессиональной компетентности студентов

Уровень сформированности компетенций неоднороден. Наиболее высоким является уровень сформированности предметных и мировоззренческих компетенций. Несколько хуже результаты по информационно-математическим и методологическим компетенциям, что характерно как для контрольных, так и для экспериментальных групп. Полученные результаты являются практически неизменными в течение ряда лет, что также подтверждает гипотезу нашего исследования. Анализ анкет показал, что ответы на вопросы у студентов экспериментальных групп были достаточно убедительными и обоснованными. Студенты обращают внимание на существенные моменты, видят главное, подтверждая глубину и осознанность полученных физических знаний, являющихся основой профессиональной компетентности будущего учителя физики.

Выводы и результаты диссертационного исследования

В процессе проведенного исследования были получены следующие результаты.

1. Уточнены понятия «фундаментальное физическое образование», «компетенция», «компетентность», «профессионально-педагогическая компетентность».

2. На основе анализа состояния проблемы подготовки по общей физике студентов -- будущих учителей физики и бакалавров направления «Физико-математическое образование» выявлено, что до настоящего времени в педагогической теории и практике проблема фундаментальности физического образования в педвузе, ее влияния на формирование у студентов профессиональной компетентности не получила достаточной разработки. Следствием этого явился низкий уровень предметной компетентности студентов -- будущих учителей физики.

3. Определен состав специальных профессиональных компетенций будущего учителя физики (предметные, мировоззренческие, методологические и информационно-математические); цели обучения общей физике заданы через компетенции, которые должны быть сформированы у выпускников.

4. На основе теоретико-методологического анализа уточнено определение понятия фундаментального физического образования, выявлено конкретное его содержание, выделены главные составляющие (содержательные линии). Доказано, что ведущими дидактическими принципами при построении курса общей физики являются фундаментальность и профессионально-педагогическая направленность. Их взаимосвязь позволила соотнести выделенные содержательные линии фундаментального физического образования со специальными профессиональными компетенциями.

5. Разработана и обоснована концепция методической системы обучения студентов общей физике, включающая теоретическое основание (методологические подходы, основные понятия, дидактические теории и принципы), ядро (система положений, выражающих сущность концепции, модель методической системы обучения общей физике студентов педагогических вузов) и следствия (структурированные в соответствии с выделенными теоретическими основаниями и моделью содержание курса общей физики, его разделы; технологии обучения студентов общей физике), способствующая развитию профессиональной компетентности студентов специалитета и бакалавриата направления «Физико-математическое образование».

6. На основе сформулированных концептуальных положений разработана модель методической системы обучения общей физике студентов специалитета и бакалавриата направления «Физико-математическое образование», включающая ряд подсистем.

7. Разработана методика обучения общей физике студентов специалитета и бакалавриата направления «Физико-математическое образование»: определены фундаментальное ядро курса, содержание курса общей физики, место и содержание вопросов современной постнеклассической физики и методологии научного познания; определен способ представления изучаемого материала, соответствующий логике научного познания и в наибольшей степени отражающий процесс становления физической теории; разработан и обоснован алгоритм применения логического метода обучения студентов общей физике; разработана компьютерная технология обучения общей физике студентов педагогических специальностей и бакалавриата направления «Физико-математическое образование», способствующая формированию у них специальных компетенций.

8. Эффективность, достоверность и надежность предлагаемой методической системы фундаментальной подготовки по физике подтверждены экспериментально.

Дальнейшие исследования могут проводиться в направлении определения возможностей применения современных технологий обучения будущих учителей общей физике, адекватных компетентностному подходу.

Основные научные результаты исследования отражены в следующих публикациях:

Научные статьи в журналах и изданиях, входящих в реестр ВАК РФ

1. Коломин, В.И. О методической системе формирования фундаментальных знаний по курсу общей физики / В.И. Коломин // Наука и школа. -- 2007. -- № 5. -- С. 59--62 (0,34 п.л.).

2. Коломин, В.И. Компетентностный подход в профессиональной подготовке учителя физики / В.И. Коломин // Наука и школа. -- 2008. -- № 1. -- С. 5--7 (0,34 п.л.).