Обучение физике в условиях постнеклассического развития естествознания

Поэтому, для рассмотрения процессов информационного обмена, лежащих в основе всякой образовательной деятельности, в качестве альтернативы теории информации предлагается энтропийно-синергетический подход, постулаты которого приведены в таблице 2.

Результаты использования энтропийно-синергетического подхода к анализу процессов информационного обмена свидетельствуют о том, что знание представляет собой не только синергетическую систему (рис.2), но обладает всеми признаками живой системы.

Действительно, если подразумевать, что жизнь - это совокупность процессов, обеспечивающих сохранение гомеостаза, развитие и размножение системы, то для обоснования представлений о знании как живой системе необходимо показать способность знания к:

-- сохранению гомеостаза;

-- развитию;

-- и размножению.



Таблица 1. Решения математически эквивалентных задач на уроках химии и физики

Определить массу алюминия, израсходованного на получение 5,1 г оксида алюминия, если молярная масса алюминия 27 г/моль, молярная масса оксида алюминия 102 г/моль. Решение традиционное 4Al + 3O2 2Al2O3 Вариант 1 Дано: k1 = 4 моль Исходя из пропорции: k2 = 2 моль m (Al) / m(Al2O3) = M(Al) = 27 г/моль =k1M(Al) / k2 М(Al2O3) М(Al2O3) =102 г/моль находим искомую ве- m (Al2O3) = 5,1 г личину: m(Al) -? m(Al) = m(Al2O3)·M(Al)·k1 / М(Al2O3)·k2 m(Al) =5,1 г·27 г/моль·4 моль / 102 г/моль·2 моль m(Al) = 2,7 г Менее удобным представляется вариант решения задачи с помощью величины молярной массы эквивалента (МЭ). Вариант 2 Согласно закону эквивалентов: m(Al) = m (Al2O3) · МЭ(Al) / МЭ (Al2O3) где МЭ(Al) и МЭ(Al2O3) - молярные массы эквивалентов Al и Al2O3соответственно. Для решения подобных задач этим способом учащемуся необходимо знать способы определения молярных масс эквивалентов для всех классов химических соединений. В данном случае: МЭ (Al) = М(Al)/3; МЭ(Al2O3) = М(Al2O3)/6 m(Al) = 6·m (Al2O3)· М(Al)/ 3·М(Al2O3) m(Al) = 6 · 5,1 г · 27г/моль / 3·102 г/моль m(Al) = 2,7 г Решение «физическое» q = m (Al2O3) / М(Al2O3)·k2 Где величину q можно назвать приведённым количеством вещества (оксида алюминия). m(Al) = q·М(Al)·k1 m(Al) = m (Al2O3)·М(Al)·k1/ М(Al2O3)·k2 m(Al) =5,1 г·27 г/моль·4 моль / 102 г/моль·2 моль m(Al) = 2,7 г	Определить значение электромагнитной энергии, прошедшей за 4 секунды через площадь волновой поверхности 27 м2, если за 2 секунды через площадь волновой поверхности 102 м2 прошло 5,1 Дж. Решение Дано: ф1 = 4 с I= ДW2/ S2·ф2 , где ф2 = 2 с I - плотность потока элек- S1 = 27 м2 тромагнитного излучения S2=102 м2 ДW1 = I· S1· ф1 ДW2=5,1Дж Подставляя вместо I её ДW1-? значение, получим: ДW1 = ДW2· S1· ф1/ S2·ф2 ДW1 = 5,1 Дж· 27м2· 4 с / 102м2·2 с ДW1 = 2,7 Дж



Таблица 2. Постулаты энтропийно-синергетического подхода

№ Пп	Постулат
1.	Принцип подобия. Закономерности мышления, обмена знаниями и информацией аналогичны физическим, в частности, термодинамическим закономерностям вещественно - энергетического обмена, наблюдающимся в энтропийно - синергетических процессах.
2.	Аналогом вещества, измеряемого массой и количеством, является информация, обладающая информационной массой и информационным количеством.
3.	Аналог пространственно-временного континуума - сознание и память.
4.	Аналог количественной характеристики пространства (объёма) - величина l1l2l3, где l1- количество кодов, воспринимаемых сознанием, l2 - количество кодов расшифровываемых сознаниеми, l3 - количество воспринимающих сознаний (сознание - тоже код). То есть расширение сознания - это, прежде всего, увеличение способности превращать информацию в знание.
5.	Аналогом внутренней энергии является взаимодействие информации с сознанием и памятью.

Первое из этой триады перечисленных свойств проявляется во всех вещественных синергетических системах как процесс их самоорганизации, сохраняющий постоянство колеблющегося значения энтропии этих систем, открытых для обмена веществами и энергией. То есть, при увеличении энтропии системы в результате поступления вещества или энергии извне, процессы самоорганизации возвращают значение энтропии к исходному состоянию - уменьшают её, в том числе за счёт выделения продуктов взаимодействия z, e (рис.2). Однако, если в качестве системы рассматривается сознание учащегося, то формирование компонентов z, e (сведений, излагаемых учащимися при их аттестации) не уменьшает её энтропию, поскольку, как известно, при передаче субъектом своих знаний собеседнику, собственные знания субъекта не убывают. Поэтому, представляло интерес рассмотрение особенностей явлений, стабилизирующих энтропийные процессы при информационных обменах.

Как известно, энтропию можно рассматривать в качестве меры беспорядка. То есть, чем бульшее количество элементов невещественной системы (сведений, информации, знаний) объединены связующими и системообразующими сведениями (знаниями, информацией), тем меньшей энтропией располагает система (рис. 4, 5)

ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН

ЭЛЕМЕНТ1 ЭЛЕМЕНТ 2 ….. ЭЛЕМЕНТ 51 ЭЛЕМЕНТ 52

Рис. 4. Схема систематизации знаний системообразующими сведениями на примере периодического закона Д.И. Менделеева

При восприятии (отражении) сознанием новой информации, не связанной с накопленными знаниями связующими или системообразующими сведениями, энтропия знания возрастает. Интеграция этой новой информации в систему уже имеющихся знаний с помощью дополнительно поступивших связующих или системообразующих сведений приводит к уменьшению энтропии. Таким образом, самоорганизация при обучении происходит за счёт связующих или системообразующих сведений.

Хотя синергетические системы обладают свойством, аналогичным гомеостазу, однако, другими признаками жизни - способностью к развитию и размножению - многие вещественные диссипативные структуры не обладают.

При рассмотрении же такой невещественной диссипативной структуры как знание, оказывается, что она обладает всеми признаками живой системы.

Действительно, способность знания к развитию достаточно очевидна. Знание человека и Человечества на протяжении всего времени существования непрерывно углубляется, уточняется, расширяется. Размножение также не вызывает сомнений, если под этим понятием подразумевать увеличение количества носителей знания.

Таким образом, приведённый выше анализ позволяет утверждать, что любое знание представляет собой не просто самоорганизованную, но невещественную живую систему, способную к сохранению гомеостаза, развитию, и размножению. То есть, в основе информационных обменов лежат законы, аналогичные законам, обеспечивающим жизнедеятельность организмов. Подобно тому, как носителем вещественной жизни является тело, носителем невещественной жизни является сознание. Аналогом пищи, поглощаемой организмами, является информация, воспринимаемая сознанием; аналог веществ, выделяемых организмами - источники информации, т.е. искусственные коды, воспринимаемые визуально или на слух. Но в отличие от организмов, невещественные живые системы при формировании источников информации (звуковых или письменных) не теряют свою энтропию. Единственным процессом, уменьшающим энтропию подобных невещественных живых систем, является интеграция информации с помощью связующих или системообразующих сведений.

Восприятие знания как живой системы позволяет сформулировать дополнительные условия для реализации некоторых требований, предъявляемых к информации, предназначенной для учащихся. В частности, очевидно, что потребляемая знанием пища (информация) должна быть усваиваемой (т.е. интегрируемой в систему уже потреблённых знаний) и развивающей (т.е. подготавливающей формирующийся организм к среде взрослого обитания).

Хотя приведённые требования к процессу обучения известны в дидактике достаточно давно, однако, общепризнанного подхода, обеспечивающего эффективное усвоение знаний и определяющего направление развития учащихся, до настоящего времени нет, что приводит к существенной несогласованности в преподавании различных дисциплин и возрастанию разрыва между уровнем достижений современного естествознания и уровнем их преподавания.

В качестве методологии, позволяющей эффективно координировать содержание различных естественнонаучных предметов, а также устранять несогласованности между различными темами одной дисциплины предлагается энтропийно-синергетическое сканирование учебного процесса, заключающееся в трёх основных этапах:

1. Собственно сканирование - систематический просмотр изучаемых тем, поиск и исследование нарушений логики последовательности изложения материала, которые могут возникать как внутри одной дисциплины, так и между различными дисциплинами (энтропийная составляющая),

2. Ликвидация несогласованностей - разработка способов, методов и методик устранения обнаруженных нарушений с помощью связующих и системообразующих сведений;

3. Систематизация - поиск возможностей интеграции предлагаемого учащимся материала, позволяющей воспринимать разрозненные сведения аспектами единого целого (синергетическая составляющая).

Использование предлагаемой методологии представляет собой дополнительное условие, обеспечивающее эффективное усвоение, предлагаемых учащимся сведений.

Например, перед тем как приступить к обучению способам решения химических задач преподавателю целесообразно провести собственно сканирование уже освоенных учащимися способов решения задач физических и математических. В результате обнаружится серьёзная несогласованность в подходах к решению математически эквивалентных задач на уроках физики и химии (табл.1). После чего преподавателю необходимо перейти ко второму этапу сканирования - разработке способов, методов и методик устранения обнаруженных нарушений с помощью связующих и системообразующих сведений. В данном случае, таковыми сведениями могут служить:

-- понятие «приведённое количество вещества», представляющее собой отношение количества вещества к соответствующему стехиометрическому коэффициенту в уравнении химической реакции;

-- и следствие закона эквивалентов, гласящее, что приведённые количества всех веществ химической реакции равны между собой (табл.1).

После этого желательно реализовать и третий этап энтропийно-синергетического сканирования, которому посвятить, хотя бы небольшой фрагмент урока, где подчеркнуть единство математических закономерностей, описывающих явления физические и химические.

В третьей главе «Обучение основам неклассической физики студентов естественнонаучных факультетов как предпосылка для формирования нелинейного мышления постнеклассического естествознания» приводится учебный материал, излагающий основы неклассического естествознания, предназначенный для студентов естественнонаучных факультетов высших учебных заведений, а также обоснование актуальности использования именно этого материала на лекциях и практических занятиях по физике. Предлагается однозначный критерий классификации этапов развития естествознания, позволяющий дифференцировать их на классический, неклассический и постнеклассический уровни.

Принципиальное понимание необходимости сокращения разрыва между эволюционно-синергетическим уровнем единства современной картины мира (рис.1) и классическим уровнем обучения естественно-математическим дисциплинам заставляет искать ответ на практический вопрос о конкретном содержании материала, предлагаемого преподавателям в процессе повышения их квалификации, а затем учащимся, для осмысления современных достижений естествознания. И поиски эти оказываются очень непростыми. Внедрение в частные дисциплины материалов, иллюстрирующих принципы синергетики,

В.Г. Буданов считает отдельным направлением синергетического подхода. Однако, представляется целесообразным обучение основам постнеклассического естествознания предварять изложением фундаментальных принципов неклассического мировоззрения. Между тем, осмысление разницы между классической и неклассической наукой возможно только при умении читать знаменитое уравнение гравитационного поля общей теории относительности А. Эйнштейна. А это означает необходимость обучать на уроках математики тензорному исчислению, геометрии Римана, работе с операторами и 4-мерным пространством. Практикуемые сегодня в школах рассказы о теории относительности, в которых преобразования Лоренца нередко преподносятся как открытия А. Эйнштейна, не выводят сознание учащихся за рамки классического мышления. С другой стороны, освоение математических основ общей теории относительности требует неподъёмного для школы объёма часов, и под силу уже только студенту. Для того, чтобы подняться до уровня постнеклассической науки учащимся необходимо освоить некоторые подходы к решению нелинейных дифференциальных уравнений, требующих умения пользоваться специальными компьютерными программами. А пока, даже выпускники естественнонаучных факультетов (нефизических специальностей), владеют лишь евклидовой геометрией и математическими операциями XVII века. Пусть не полностью устранить, но хотя бы сократить этот разрыв, сложившийся в результате традиционного воспроизводства традиционных знаний, необходимость давно назрела.

Кроме того, многие исследователи последних лет утверждают, что широчайшее использование синергетических терминов зачастую оказывается неадекватным их значениям при описании явлений социальных, этических, психологических, т.е. не относящихся к естественнонаучным процессам. Некорректные аналогии часто оказываются результатом простого непонимания естественно-математической сути, обеспечивающей функционирование физико-химических диссипативных структур. И всё потому, что использование соответствующей терминологии стало уже показателем современной научной культуры, владение которой, практически обязательно надо демонстрировать. Создаётся впечатление, что синергетика - это просто мода, и она рано или поздно пройдёт. Но не проходит. Потому что это не мода, а новый, постнеклассический уровень естествознания, осваивать который предстоит всем, желающим развивать современную науку - однажды открытые законы уже никогда не закрываются. Преодоление противоречия, возникшего между степенью востребованности синергетической терминологии и уровнем её усвоения возможно при максимально широком и доступном освещении содержания самых первых работ по синергетике. Приведённые в предыдущем разделе, примеры использования методологии энтропийно-синергетического сканирования, целесообразной и возможной в рамках естественно-математического профиля средней общеобразовательной школы, позволяют улучшить качество классического образования, но не поднимают его до неклассического и постнеклассического уровня. Осуществлять этот подъём предлагается на лекциях и практических занятиях по физике, на всех естественных факультетах высших учебных заведений, включая химический и биологический, что, к сожалению, пока, не предусмотрено федеральным компонентом соответствующих государственных стандартов.

В качестве однозначного критерия, позволяющего разделить классический, неклассический и постнеклассический уровни естествознания можно выбрать совокупность особенностей восприятия учёными различных эпох, четырёх, условно выделенных компонентов действительности: пространства, времени, события и наблюдателя.

В классическом естествознании, сформированном И. Ньютоном,

Р. Декартом, Р. Бойлем, пространство представляет собой протяжённость, в которой располагаются объекты и происходят наблюдаемые события, а время - длительность, относительно которой измеряются эти события, в том числе процессы эволюции. Пространство, время, событие и наблюдатель рассматриваются как четыре независимых друг от друга компонента действительности.

В неклассическом естествознании А. Эйнштейна, В. Гейзенберга,

восприятие пространства и времени оказывается результатом взаимодействия субъекта (наблюдателя) и объекта (пространства и времени). При этом все явления описываются относительно наблюдателя, для которого время представляет собой инвариантное расстояние (времениподобный интервал), являющееся функцией расстояния, преодолеваемого фотоном в вакууме. Принципиальное различие между пространством и временем исчезает, они оказываются аспектами единого четырёхмерного пространственно-временнуго континуума, восприятие свойств которого зависит от состояния наблюдателя (субъекта). В частности, для наблюдателя, находящегося в состоянии равномерного движения относительно какого-либо предмета, многие свойства этого предмета (размеры, время, масса), оказываются функцией скорости движения наблюдателя. Для наблюдателя, воспринимающего:

-- массу, пространственно-временной континуум вокруг этой массы искривлён;

-- точные координаты движущейся элементарной частицы, оказывается неопределяемым её импульс;

-- точное значение импульса этой частицы, оказываются неопределяемыми её координаты и т.д.

Прошлое, настоящее и будущее рассматриваются неклассическим естествознание как различные участки четырёхмерного континуума (независимого от событий, в нём протекающих), вселенная - как замкнутая самодостаточная система. Из условно выделенных четырёх компонентов действительности (пространство, время, событие, наблюдатель), объединёнными в одно, единое целое оказались только три: пространство, время, наблюдатель. Неклассическое естествознание не противоречило классическому - все уравнения И. Ньютона оказались частным случаем уравнений теории относительности А. Эйнштейна. То есть неклассическое естествознание представляло собой углубление традиционных представлений о действительности. Открытие статистического характера поведения элементарных частиц, не меняло представлений об эволюции как субъективном восприятии предсказуемого движения в четырёхмерном пространствено-временнум континууме, потому что реализация этого статистического поведения приводила на макроуровне к детерминистистическим законам. Разработка теории кручения пространства (торсионного поля) также ведётся в рамках углубления неклассической физики.

Постнеклассическое естествознание, основоположниками которого считаются И. Пригожин и Г. Хакен, обнаружило ограниченность Эйнштейновского понимания пространства и времени - открыло способность материи к процессам, направление развития которых, начиная с определённого момента (точки бифуркации) становится многовариантным, а выбор конкретного варианта оказывается принципиально непредсказуемым для наблюдателя. Причём, возможным вариантом нередко оказывается самоорганизация системы (эволюция) в динамичный макрообъект, структурированный в пространстве и времени. Сам процесс такой эволюции также зачастую включает в себя несколько точек бифуркации. Таким образом, свойства прошлого и будущего в постнеклассическом естествознании становятся существенно различными. Если прошлое определяется изучением пройденного пути, то будущее оказывается объективно вероятностным и точно не предсказуемым в принципе, оно оказывается разветвлённым. Эволюция и эволюционное время, с рассмотренных позиций, представляются движением от одной точки бифуркации к другой. Представления о пространстве-времени неклассической физики оказываются применимыми только в интервале между точками бифуркации, где царствуют детерминистические законы. Вблизи точки бифуркации четырёхмерный континуум проявляет новое свойство, не рассматриваемое теорией относительности А.Эйнштейна и являющееся прерогативой постнеклассического естествознания - свойство пространственно-временного ветвления, которым правит Его Величество Случай. Пространственно-временньй континуум Вселенной оказывается для наблюдателя вещественно-энергетических процессов не только искривлённым и, возможно, скрученным, но также разветвлённым, а Вселенная воспринимается открытой для случайных воздействий. При этом под разветвлённостью пространственно-временнуго континуума подразумевается множественность решения нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих конкретные физико-химические процессы, т.е. множество вариантов эволюции события, из которых реализуется только один. Поскольку направление времени представляет собой конкретное событие, выбранное в точке бифуркации из множества возможных других, то исчезает различие между временем и событием. Направление времени оказывается конкретным событием в точке бифуркации. Возникает необходимость говорить не только о пространственно-временнуй протяжённости, но о едином пространственно-событийно-временнум континууме, в котором будущее разветвлено. Таким образом, постнеклассическое естествознание объединило в одно, неразрывное целое все четыре условно выделенных компонента действительности: пространство, время, событие и наблюдателя.

Хотя представления постнеклассического естествознания не противоречат взглядам А. Эйнштейна, однако уравнения, описывающие синергетические процессы отнюдь не сводятся к формулам теории относительности и, практически, пока, не сопоставимы. Таким образом, можно утверждать, что постнеклассический уровень естествознания не столько углубляет, сколько расширяет наши представления о картине мира по сравнению с уровнем неклассическим.

Содержание учебных занятий, рекомендуемое для освоения основ неклассического естествознания включает в себя:

-- понятие кривизны (линии, поверхности, пространства), как связующее знание между классическим и неклассическим естествознанием;

-- тензоры в ортонормированных системах координат;

-- неэвклидовы пространства (Минковского, Римана).

Основы постнеклассического естествознания предлагается изучать на примере традиционных моделей - брюсселятора, орегонатора, ячеек Бенара. Для анализа нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих их поведение, рекомендуется использовать широко распространённые компьютерные программы типа «Mathematica» (например, версия «Mathematica 5»). Помимо этого, предлагается обсудить возможность применения синергетического подхода к формированию учебного процесса на примере организации работы аспирантуры.

Кроме того, в процессе повышения квалификации преподавателей вузов для дальнейшего обучения ими студентов естественнонаучных факультетов представляется целесообразным сопоставление уровней естествознания с различными картинами мира, предлагавшимися учёными различных эпох. В частности, можно констатировать, что:

-- классическое естествознание предлагало механическую и электродинамическую картины мира;

-- неклассическое естествознание предложило релятивистскую и квантово - полевую картины мира;

-- постнеклассическое естествознание предложило эволюционно - синергетическую картину мира,

Хотя предлагаемый материал не включён в федеральный компонент государственного образовательного стандарта для нефизических специальностей естественнонаучных факультетов, однако, он может быть использован в качестве вузовского компонента преподавания общих математических и естественнонаучных дисциплин, предусмотренного для химических, биологических и геологических специальностей.

Справедливости ради следует ещё раз отметить, что некоторые фрагменты сведений об основах общей теории относительности и синергетики попадают на страницы даже школьных учебных пособий. Однако, все они представляют собой попытку представить неклассическое и постнеклассическое естествознание классическим языком, оправдываемую стремлением к доступности изложения. Между тем, для реального овладения новыми уровнями естествознания учащимся, а прежде этого педагогам, следует овладевать языком этих уровней, благодаря которому только и возможно качественно иное мышление. Массово тиражируемый сегодня перевод достижений неклассической и постнеклассической науки на язык классический мало способствует повышению уровня мышления, предоставляя для восприятия преимущественно образные, внешние картинки действительности, внутри которых остаётся спрятанной суть объектно-субъектного единства.

В четвёртой главе «Методика обучения основам постнеклассического естествознания студентов естественнонаучных факультетов» подчёркивается, что достаточно глубокое усвоение основ постнеклассического естествознания, включающих соответствующий математический аппарат, возможно на уровне естественнонаучных факультетов высших учебных заведений на лекциях и практических занятиях по физике. Целесообразно использовать проблемный подход, уже доказавший свою эффективность в многолетней педагогической практике большого числа преподавателей самых разных специальностей.

Целью предлагаемого курса является сокращение разрыва между постнеклассическим уровнем достижений современной науки и классическим уровнем обучения естествознанию; содержание обучения включает в себя описание синергетических процессов, подчиняющихся нелинейным дифференциальным уравнениям; основными методами обучения являются проблемный подход и компьютерное моделирование; в качестве средств обучения в данном случае предлагается использовать учебное пособие «Шепель, О.М. Основы неклассического и постнеклассического естествознания: учебное пособие / О.М. Шепель. - Томск: Томский ЦНТИ, 2007. - 120с.», а также компьютерные программы, позволяющие рассчитывать интегральные выражения и строить графики по заданным уравнениям;

- формы обучения традиционные: лекции, лабораторные практикумы, семинары, самостоятельная работа студентов.

Отличительной особенностью проблемного обучения основам постнеклассического естествознания является акцентирование внимания студентов на том, что перед ними ставится не только, а, может быть и не столько, учебная проблема, но, прежде всего научная. И постановка этой проблемы начинается с самого определения синергетики. На первом же занятии рекомендуется заметить, что общепринятого определения синергетики до сих пор нет. Каждый исследователь и каждый автор соответствующего учебного пособия излагает свою формулировку, как правило, не претендуя на её абсолютную точность. Не претендует на неё и определение, непосредственно предлагаемое слушателям курса: синергетика - это наука, изучающая процессы самоорганизации открытых систем в диссипативные структуры. К концу курса каждому из студентов предлагается дать своё определение синергетики, которое, по его мнению, будет более точно отражать суть изученного им явления. Кроме того, желательно сделать акцент, что важнейшее условие признания достоверности эксперимента - его качественная и количественная воспроизводимость - оказывается не всегда применимым к процессам получения диссипативных структур. Одним и тем же исходным условиям эксперимента могут соответствовать разные результаты! Поскольку студентами последнее утверждение воспринимается как голословное и не находящее подтверждения в повседневной практике, то сразу же следует подчеркнуть, что оно является исключительной прерогативой постнеклассического естествознания и весь последующий материал станет подтверждением его справедливости. При этом, перед студентами можно сформулировать ещё одну научную проблему, решение которой каждый из них может предложить по окончании изучения курса: что определяет конкретное направление течения процесса, описываемого уравнением, имеющим несколько решений? Так как, обучающиеся, приступая к изучению постнеклассического естествознания, выходят за пределы жёстко детерминированных законов, то, необходимо предварительно систематизировать их представления о вероятностности каких либо событий, предложив классифицировать непредсказуемость некоторых событий на:

- объективную вероятностность поведения элементарных частиц;

- субъективную вероятностность, возникающую в результате незнания начальных условий;

- объективную вероятностность поведения макрообъектов

Другой особенностью курса являются высокие требования, предъявляемые:

-- к техническому обеспечению студентов современными компьютерами, а также программами, позволяющими рассчитывать интегральные выражения и строить графики по заданным уравнениям;

-- к уровню математических и компьютерных компетенций студентов, приступающих к изучению курса.

Особенности функционирования синергетических систем рассматриваются на примере брюсселятора, орегонатора, Ячеек Бенара. Завершать курс предлагается сравнением современной эволюционно-синергетической картины мира с физическими картинами мира предыдущих эпох: механической, электродинамической, релятивистской, квантово-полевой. А также сопоставлением приведённых картин мира с уровнями естествознания (классическим, неклассическим, постнеклассическим), констатируя что:

-- классическое естествознание предлагало механическую и электродинамическую картины мира;

-- неклассическое естествознание предложило релятивистскую и квантово-полевую картины мира;

-- постнеклассическое естествознание предложило эволюционно- синергетическую картину мира.

В пятой главе «Педагогический эксперимент по проверке возможности качественного усвоения обучающимися основ неклассического и постнеклассического естествознания» приводятся условия и результаты педагогического эксперимента, проводимого с целью проверки возможности качественного усвоения:

-- методологии энтропийно-синергетического сканирования преподавателями (слушателями курсов повышения квалификации);

-- основ неклассического и постнеклассического естествознания студентами естественнонаучных факультетов;

-- нетрадиционных связующих и системообразующих сведений учащимися средних и средних специальных учебных заведений.

При осуществлении экспериментальной работы решались следующие задачи:

· подобрать адекватный диагностический инструментарий для проверки качества усвоения материала, предлагаемого обучаемым;

· разработать диагностические материалы, позволяющие осуществлять тестовый контроль за усвоением:

-- нетрадиционных связующих и системообразующих сведений учащимися средних и средних специальных учебных заведений;

-- основ неклассического и постнеклассического естествознания студентами естественнонаучных факультетов;

-- методологии энтропийно-синергетического сканирования слушателями курсов повышения квалификации (преподавателями);

· проверить качество усвоения предлагаемого обучаемым материала с помощью подобранного диагностического инструментария и доказать принципиальную возможность применения методологии энтропийно-синергетического сканирования в процессе обучения естественнонаучным дисциплинам.

Педагогический эксперимент осуществлялся в период с 2003 по 2008 гг. в несколько этапов (разработка концепции, составление рабочих программ, разработка конкретного содержания отдельных тем составленных программ, выбор диагностического инструментария, практическая работа в экспериментальных группах).

Для оценки качества усвоения предлагаемого материала помимо традиционного опроса, использовались задачи входного, рубежного и итогового контроля, являющиеся элементами модели непрерывной диагностики знаний учащихся (рис. 6.).

Рис. 6. Модель непрерывной диагностики знаний учащихся

Обработка результатов входного, рубежного и итогового контроля была автоматизирована с помощью компьютерной программы ПОРТ (программа обработки результатов тестирования), генерирующей задания и формирующей для каждого учащегося индивидуальный бланк-билет. Для введения ответов непосредственно в бланке предусмотрены специальные окна. Результаты тестирования переносились с бланков в программу, обрабатывались и представлялись в виде таблиц и гистограмм. Бланк-билет включал в себя пять заданий различной трудности, степень которой оценивалась баллами (от двух до десяти). При этом максимальное суммарное количество баллов за абсолютно правильные ответы на весь билет составляло 20. Перевод баллов в традиционную оценку проводился по следующей шкале:

«отлично» 18 - 20 баллов

«хорошо» 16 - 17 баллов

«удовлетворительно» 12 - 15 баллов

«неудовлетворительно» менее 12 баллов

Процедура контроля состояла из двух этапов: традиционного опроса по теоретическому материалу пройденного курса и последующего решения задач, предлагаемых в билете.

Таблица 3. Успеваемость (в %) контрольной и экспериментальной группы учащихся 10 класса физико-математического профиля лицея при ТПУ (по 105 человек), изучавших тему «Физические поля» в объёме 32 часа. Обучение проводилось с 2003 по 2008 год. Ежегодно по 21 человеку в каждой группе.

Группа Оценка	Контрольная группа	Экспериментальная группа
отлично	Традиционный опрос	8	8
	Тестирование	10	6
Хорошо	Традиционный опрос	35	28
	Тестирование	30	32
удовлетво- рительно	Традиционный опрос	45	50
	Тестирование	52	50
неудовлетво- рительно	Традиционный опрос	12	14
	Тестирование	8	12

Интересно отметить, что при удовлетворительном усвоении материала

учащимися общеобразовательных, средних специальных и высших учебных заведений (таблица 3, рис.7, 8) наблюдалась хорошая корреляция между результатами опроса и решения задач. Оценка статистической достоверности различий показателей успеваемости учащихся при традиционном опросе и тестировании, осуществляемая с использованием критерия Пирсона () на базе статистического пакета statistica 6.0 показала, что достоверных различий на входном контроле, текущих рубежах и итоговом контроле нет, то есть статистический уровень значимости (p) во всех случаях превышает минимально допустимый уровень значения 0,05 (р>0,05).

Рис.7. Гистограмма успеваемости учащихся (108 человек) Томского областного музыкального училища им. Э.В. Денисова при изучении ими курса естествознания с использованием материалов учебного пособия «Шепель, О.М. Естественникум: учебное пособие / О.М. Шепель, А.О. Рассказова. - Томск: Томский ЦНТИ, 2006. - 220 с.» в объёме 144 часов. Обучение проводилось с 2004 по 2008 год. Ежегодно по 27 человек:

- традиционный опрос; - тестирование.

Аналогичная корреляция наблюдалась и при диагностике знания методологии энтропийно-синергетического сканирования, полученного слушателями курсов повышения квалификации на базе Института инженерной педагогики Томского политехнического университета (таблица 4). Однако, качество усвоения материала слушателями курсов оказывается значительно выше. Важно подчеркнуть, что аналогичные результаты получались и при тестировании знания методологии энтропийно-синергетического сканирования, полученного слушателями курсов повышения квалификации системы среднего образования (Томский областной институт повышения квалификации и переподготовки работников образования) и начального профессионального образования (Учебно-методический центр начального профессионального образования администрации Томской области).

Рис.8. Гистограмма успеваемости студентов 2 курса химико - технологического факультета Томского политехнического университета (150 человек) при изучении ими курса основ неклассического и постнеклассического естествознания в 2005/06 учебном году с использованием материалов учебного пособия «Шепель, О.М. Основы неклассического и постнеклассического естествознания: учебное пособие / О.М. Шепель. - Томск: Томский ЦНТИ, 2007. - 120с.» в объёме 75 часов : - традиционный опрос; - тестирование.



Таблица 4. Успеваемость (в %) слушателей курсов повышения квалификации, преподавателей естественно-математических

Номер рубежа Оценка	Рубеж - 1	Рубеж - 2	Рубеж - 3	Итоговый контроль
Отлично	Традиционный опрос	55	40	38	45
	Тестирование	53	40	37	41
Хорошо	Традиционный опрос	40	55	56	50
	Тестирование	39	50	55	54
удовлетво- рительно	Традиционный опрос	5	5	6	5
	Тестирование	8	10	8	5

Исследование проводилось на базе Института инженерной педагогики Томского политехнического университета. В нем приняли участие 120 преподавателей естественно-математических дисциплин, успеваемость которых проверялась при изучении приёмов реализации методологии энтропийно-синергетического сканирования на уроках естествознания.

Обучение проводилось с 2005 по 2008 год по материалам монографии «Шепель, О.М. Энтропийно-синергетические аспекты естественнонаучного образования / О.М. Шепель. - Томск : Изд-во ТГПУ, 2007. - 220 с.» Программа обучения рассчитана на 36 часов. Ежегодно обучается 40 человек. Достоверных различий не было обнаружено и при сопоставлении успеваемости экспериментальной группы учащихся лицея, изучавших тему «Физические поля» с использованием нетрадиционных связующих, системообразующих сведений, с успеваемостью учащихся контрольной группы, изучавших эту же тему на основе традиционного материала (таблица 3).

Удовлетворительные результаты диагностики усвоения учащимися средних и средних специальных учебных заведений связующих и системообразующих сведений, излагаемых в соответствии с методологией энтропийно- синергетического сканирования, подтверждают гипотезу о возможности повышения качества обучения физике относительно достижений современного естествознания, при использовании методологии, позволяющей формировать восприятие отдельных дисциплин как аспектов неразрывного целого, условно разделяющих единую неделимую действительность.

Результаты диагностики знания основ общей теории относительности и теории самоорганизации, предлагаемых студентам естественнонаучных факультетов свидетельствуют о принципиальной возможности обучения основам неклассического и постнеклассического естествознания учащихся высших учебных заведений.

Результаты диагностики знаний слушателей курсов повышения квалификации, изучающих методологию энтропийно-синергетического сканирования свидетельствуют о высоком уровне усвоения изучаемого педагогами материала. Методология энтропийно-синергетического сканирования естественно-математических дисциплин оказалась востребованной и применимой ко всем основным уровням образования: среднему, среднему специальному, начальному профессиональному, высшему.

В заключении подводятся общие итоги исследования, констатируется, что в ходе проведения работы решены поставленные задачи, получены значимые научные и практические результаты, излагаются возможные варианты дальнейшего использования энтропийно-синергетического подхода в педагогической теории и практике.

В частности:

1. В результате исследования теоретического материала и накопленного практического опыта по межпредметной интеграции, изучения современных представлений о закономерностях процессов восприятия информации было установлено, что параллельно формированию постнеклассического естествознания, в дидактике накапливались предпосылки для рождения педагогической синергетики - многочисленные разработки по теории и практике междисциплинарных связей. В том числе:

-- обосновывалась объективная необходимость отражения в учебном познании реальных взаимосвязей объектов и явлений природы и общества;

-- классифицировались по видам, типам и уровням существующие и разрабатываемые межпредметные связи;

-- выделялись обучающая, развивающая, воспитывающая и мировоззренческая функции междисциплинарных связей, их положительное влияние на формирование системы научных знаний и общее умственное развитие ученика;

-- разрабатывались методики координированного обучения различным учебным предметам, предпринимались попытки готовить учителя к осуществлению междисциплинарных связей на практике;

-- определялось место межпредметных связей в картине синергетического единства образовательного пространства.

Вместе с тем, несмотря на обилие публикаций, посвящённых проблемам интеграции естественно-математических дисциплин, практическая координация процессов обучения математике, физике, химии, биологии требует до сих пор дополнительной методологической разработки. При анализе содержания школьных учебных пособий и учебников по названным дисциплинам обнаруживаются несогласованности между преподаванием физики и математики, химии и математики, химии и физики, химии и биологии, а также внутридисциплинарная несогласованность между различными темами одного и того же школьного предмета.

При сопоставлении динамики интеграционных процессов в науке и образовании, преодолевающих классический, неклассический и постнеклассический этапы развития, обнаружилось особенно недостаточное внимание к серьёзному отражению достижений неклассического естествознания в учебном процессе. Освоив дидактические принципы освещения фундаментальных классических представлений о физике, химии, биологии, математике, современные педагогические исследования сосредоточились на разработке принципов обучения постнеклассическому естествознанию, минуя тернии неклассической науки.

Кроме того, развивающиеся сегодня в рамках или на основе синергетического подхода дидактические направления не рассматривают важной составляющей синергетики - энтропийных колебаний самоорганизующейся системы, учёт которых при анализе содержания образования может пролить дополнительный свет на закономерности учебного процесса.

2. В рамках разработки теоретических основ особенностей информационного обмена предложен энтропийно-синергетический подход к его анализу. Согласно энтропийно-синергетическому подходу закономерности мышления аналогичны физическим, в частности, термодинамическим закономерностям вещественно - энергетического обмена.

3. Обоснована и разработана методология энтропийно - синергетического сканирования естественно-математических дисциплин, позволяющая осуществлять эффективную координацию преподавания различных предметов. Основной особенностью предлагаемой методологии, отличающей её от предыдущих интеграционных подходов, изложенных в литературе, является восприятие знания, как невещественной живой системы; потребляемая знанием пища (информация) должна быть усваиваемой (т.е. интегрируемой в систему уже потреблённых знаний) и развивающей (т.е. подготавливающей формирующийся информационный организм к среде взрослого обитания). Кроме того, методология характеризуется использованием связующих и системообразующих сведений в качестве одного из основных способов устранения несогласованностей в преподавании аналогичных или взаимосвязанных тем различных естественно-математических дисциплин, а также конкретной последовательностью предлагаемых автором этапов интеграции, включающей в себя: собственно сканирование изучаемого материала, ликвидацию несогласованностей в его изложении, систематизацию разрозненных сведений. Предложенная методология реализована при разработке учебных пособий по математике и естествознанию, использующихся в процессе переподготовки учителей физики, химии, биологии, математики. Проведённая диагностика качества усвоения педагогами и учащимися новых (связующих и системообразующих) знаний свидетельствует о целесообразности применения методологии в образовательном процессе.

4. В качестве одного из способов повышения уровня содержания обучения до уровня современного постнеклассического естествознания предлагается повышение квалификации преподавателей естественнонаучных дисциплин высших учебных заведений для последующего обучения студентов основам общей теории относительности и теории самоорганизации. В процессе повышения квалификации предусматривается:

-- обсуждение критерия, позволяющего разделять естествознание на классический, неклассический и постнеклассический уровни и представляющего собой особенности восприятия пространства, времени, события, наблюдателя учёными различных эпох;

-- сопоставление уровней естествознания с формировавшимися в их рамках естественнонаучными картинами мира. При этом механическую и электродинамическую картины мира предлагается относить к классическому естествознанию, релятивистскую и квантово-полевую картины мира - к неклассическому естествознанию, эволюционно-синергетическую картину мира - к постнеклассическому естествознанию. Геоцентрическая и гелиоцентрическая системы рассматриваются как представления, формировавшиеся в рамках механической картины мира;

-- изучение простейших синергетических систем, тензоров, математических толкований кривизны с использованием учебного пособия, разработанного диссертантом для преподавателей и студентов высших учебных заведений. В качестве классических синергетических систем рассматриваются: брюсселятор, орегонатор, ячейки Бенара;

-- рассмотрение возможности использования феноменологического синергетического подхода для анализа социальных процессов, в том числе чередования этапов спокойного развития и революционного преобразования в исторических процессах;

-- обсуждение возможности использования количественного синергетического подхода для организации послевузовского обучения на уровне аспирантуры. В качестве измеряемых и самоорганизующихся параметров аспирантуры рассматриваются количества кандидатов наук и аспирантов.

5. Удовлетворительные результаты диагностики усвоения учащимися средних и средних специальных учебных заведений связующих и системообразующих сведений, излагаемых в соответствии с методологией энтропийно- синергетического сканирования, подтверждают гипотезу о возможности повышения качества обучения физике относительно достижений современного естествознания, при использовании методологии, позволяющей формировать восприятие отдельных дисциплин как аспектов неразрывного целого, условно разделяющих единую неделимую действительность. Результаты диагностики знания основ общей теории относительности и теории самоорганизации, предлагаемых студентам естественнонаучных факультетов свидетельствуют о принципиальной возможности обучения основам неклассического и постнеклассического естествознания учащихся высших учебных заведений. Однако, содержание этого материала требует дальнейшего углубления, расширения, уточнения, и преподавания в более широких рамках федерального компонента государственного образовательного стандарта. Результаты диагностики знаний слушателей курсов повышения квалификации, изучающих методологию энтропийно-синергетического сканирования свидетельствуют о высоком уровне усвоения изучаемого педагогами материала.

6. Методология энтропийно-синергетического сканирования физики оказалась востребованной и применимой ко всем трём основным уровням образования: среднему, профессиональному, высшему. На её основе разработаны и успешно применяются образовательные программы, учебные пособия, предназначенные как для учителей средних общеобразовательных школ, так и преподавателей профессиональных и высших учебных заведений.

7. Предложенная в работе методология является лишь одной из составляющих энтропийно-синергетического обучения естественнонаучным дисциплинам - формальной, рассматривающей как обучать соответствующим предметам. Реализация этой составляющей предполагается, прежде всего, в рамках средней общеобразовательной школы и профессионального образования (начального или среднего).

Другая составляющая - содержательная, отвечает на вопрос чему обучать, преподавая ту или иную естественнонаучную дисциплину. Реализация этой составляющей предполагается на естественных факультетах высших учебных заведений, и подразумевает обучение основам общей теории относительности и синергетики.

Третья составляющая - организационная, объясняющая каким образом организовать обучение рассмотрена только для послевузовского образования.

Таким образом, предлагаемое в работе энтропийно-синергетическое обучение физике включает в себя три аспекта и может восприниматься как реализация и развитие трёх направлений синергетического подхода в образовании, сформулированных В.Г. Будановым. Первый аспект - методология обучения (энтропийно-синергетическое сканирование), разработан в рамках направления, именуемого «синергетика для образования». Второй аспект - содержание обучения, включающее в себя основы неклассического и постнеклассического естествознания, соответствует направлению «синергетика в образовании». Третий аспект - организация образования ближе всего к направлению «синергетика образования». Причём, если первый аспект может быть реализован в рамках общеобразовательных школ или профессиональных учебных заведений, то практическое внедрение второго аспекта возможно только на естественных факультетах высших учебных заведений, а третий аспект предлагается использовать на уровне послевузовского образования.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:



СТАТЬИ В ИЗДАНИЯХ, РЕКОМЕНДОВАННЫХ ВАК РФ

1. Шепель, О.М. Фундаментальные естественнонаучные понятия на уроках физики / О.М.Шепель // Вестник Челябинского государственного педагогического университета. - 2008. - № 11. - C. 196-205.

2. Шепель, О.М. Обучение физико-математическим основам постнеклассического естествознания студентов естественонаучных факультетов / О.М. Шепель // Мир науки, культуры, образования. - 2008. - № 5 (5). С. 33-39.

3. Шепель, О.М. Естественнонаучные дисциплины на профильных уроках математики / О.М. Шепель // Вестник Томского государственного педагогического университета. Естественные и точные науки. - 2007. - Т.69. - № 6. - C. 95 - 98.

4. Шепель, О.М. Энтропийно-синергетические подходы к преподаванию естественнонаучных дисциплин / О.М. Шепель, М.Г. Минин // Известия Томского политехнического университета. - 2006. -Т.309. - № 3. - С.226 - 230.

5. Шепель, О.М., Чабовская Н.И. Проблемы обучения естественным и математическим дисциплинам студентов музыкальных училищ / О.М. Шепель, Н.И. Чабовская // Среднее профессиональное образование. - 2006. - № 12. - С. 12 - 13.

6. Шепель, О.М. Точные формулы точной науки / О.М. Шепель // Химия в школе. - 2005. -№ 9. - С. 45 - 46.

7. Шепель, О.М. К вопросу о классификации веществ и химических реакций / О.М. Шепель // Химия в школе. - 2005. - № 5. - С. 15 - 18.

8. Шепель, О.М. Знание как живая система / О.М. Шепель, М.Г. Минин // Образование и наука. - 2005. - № 5. - С. 30 -39.

9. Шепель, O.М. О синергетическом преподавании химии / О.М. Шепель // Химия в школе. -2004. - №1. - С. 41 - 45.

10. Шепель, О.М. Биология и химия без биохимии / О.М. Шепель // Биология в школе. -2003. - №6. - C.42 - 45.

11. Шйпель, О.М. Стереотипы стереохимии / О.М. Шепель // Высшее образование в России. - 2002. -№3. - С. 141 - 142.

12. Шепель, О.М. Проблемы интеграции математики, физики, химии, биологии в преподавании дисциплины «Основы естественнонаучного познания мира» / О.М. Шепель // Школьные технологии. - 1999. - №№ 1-2. - С. 153 -155.