Формирование современного научного мировоззрения будущего учителя при обучении физике на основе идей синергетики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата педагогических наук

Формирование современного научного мировоззрения будущего учителя при обучении физике на основе идей синергетики

13.00.02 - теория и методика обучения и воспитания (физика, уровень профессионального образования)

Васева Елена Сергеевна

Екатеринбург - 2012

1. Общая характеристика работы

Актуальность исследования. В настоящее время система образования России находится в состоянии модернизации, приоритетным направлением которой является усиление воспитывающего воздействия процесса обучения. Одной из основных целей этого процесса является формирование научного мировоззрения выпускников учебных заведений.

Особую роль в формировании научного мировоззрения учащихся занимает физика, так как она раскрывает наиболее общие законы природы и в ее содержании рассматриваются общефилософские категории (материя и движение, пространство и время, причина и следствие и др.). Обучение физике в школе, соответствующее современным требованиям, во многом зависит от уровня подготовки педагогических кадров в системе высшего образования. В своей работе учитель физики проявляет субъективное понимание окружающей действительности, что влияет на процесс становления научного мировоззрения школьников. Поэтому проблема формирования мировоззрения приобретает особую значимость при подготовке будущего учителя физики.

Мировоззрение включает систему взглядов о мире, высший уровень обобщения и систематизации которых представляет собой научную картину мира. При изучении физики формируется частнонаучная картина мира, являющаяся базой общенаучной картины мира, с учетом принципов которой современное мировоззрение можно охарактеризовать как эволюционное, нелинейное, интегративное. По мере развития познания и практики происходит смена научных картин мира, которые строятся на основе общепринятых на определенном этапе истории науки фундаментальных теорий. Одной из таких теорий современной научной картины мира является синергетика.

Предметом исследований синергетики являются механизмы самоорганизации в сложных открытых системах, математические модели которых имеют вид нелинейных уравнений. Аналитическое решение нелинейных уравнений затруднено, а порой невозможно, поэтому универсальным средством проведения исследований становится вычислительный эксперимент.

Включение в содержание обучения физике идей, методов, подходов синергетики и методологии физического познания на основе математического моделирования с последующим изучением моделей в вычислительном эксперименте является необходимым условием формирования современного научного мировоззрения будущего учителя физики.

Формирование научного мировоззрения в процессе обучения физике исследовалась Г.М. Голиным, В.Ф. Ефименко, С.Е. Каменецким, В.Н. Мощанским, B.В. Мултановским, Н.В. Шароновой. Однако, развитие физики, обновление государственных образовательных стандартов, совершенствование технических средств обучения потребовало пересмотра содержательного и методологического аспектов проблемы.

В научных исследованиях последнего десятилетия Е.Г. Светич и Е.Б. Якимовой рассмотрены вопросы методики формирования мировоззрения учащихся старшей профильной школы при обучении физике с учетом синергетической концепции, в работе А.П. Лешукова обсуждаются концептуальные основы формирования научного мировоззрения будущих учителей физики в процессе преподавания специальных дисциплин с учетом современных научных тенденций. Тем не менее, можно отметить, что создание методической системы обучения физике на основе идей синергетики не являлось целью научно-педагогических исследований.

Между тем, потребность в таком исследовании явно диктуется необходимостью совершенствования научно-педагогического и методического обеспечения процесса обучения физике, обусловливающего формирование современного научного мировоззрения.

Анализ научной, методической и учебной литературы по проблеме исследования позволил выделить ряд противоречий:

- на социально-педагогическом уровне: между требованиями, предъявляемыми обществом к учителю, который должен обладать мировоззрением, адекватным современной научной картине мира, и недостаточной ориентацией образовательного процесса в педагогическом вузе на реализацию этих требований;

- на научно-педагогическом уровне: между необходимостью обеспечения ориентации образовательного процесса в педагогическом вузе на формирование современного научного мировоззрения будущего учителя физики и недостаточной разработанностью в педагогической теории содержательно-процессуальных условий его формирования;

- на научно-методическом уровне: между дидактическим потенциалом идей и методов синергетики в содержании обучения физике для формирования современного научного мировоззрения будущего учителя физики, и недостаточной ориентацией научно-методического обеспечения учебного процесса на его реализацию.

Выявленные противоречия обусловливают актуальность исследования и определяют его проблему: как должен быть организован процесс обучения физике на основе идей синергетики, чтобы он обеспечивал формирование современного научного мировоззрения?

Объективная необходимость разрешения обозначенной проблемы, недостаточная теоретическая и практическая ее разработанность определили тему исследования: «Формирование современного научного мировоззрения будущего учителя при обучении физике на основе идей синергетики».

Объект исследования: процесс подготовки будущих учителей физики в педагогическом вузе.

Предмет исследования: формирование современного научного мировоззрения студентов при обучении физике.

Цель исследования состоит в теоретическом обосновании и разработке методической системы обучения физике на основе идей синергетики, реализация которой обеспечит формирование современного научного мировоззрения будущего учителя.

Для достижения поставленной цели мы руководствовались следующей гипотезой: формирование современного научного мировоззрения будущего учителя физики будет результативным, если разработать методическую систему обучения физике на основе идей синергетики, использование которой обеспечит выполнение следующих условий:

- в содержании традиционных курсов физики будут раскрыты закономерности функционирования нелинейных систем, а обобщение знаний о механизмах возникновения явлений самоорганизации в сложных нелинейных системах реализовано в форме элективного курса;

- основной формой самостоятельной работы студентов должна стать исследовательская деятельность, основанная на использовании технологии вычислительного эксперимента.

Исходя из цели и гипотезы, были сформулированы следующие задачи исследования:

1. Провести анализ научной, учебно-методической, психолого-педагогической и нормативной литературы с целью определения содержательно-процессуальных условий формирования современного научного мировоззрения будущих учителей в процессе обучения физике.

2. Выделить дидактические основания и систему критериев отбора содержания обучения физике на основе синергетической концепции для формирования современного научного мировоззрения.

3. Разработать методическую систему обучения физике на основе идей синергетики, использование которой обеспечит формирование современного научного мировоззрения будущего учителя физики.

4. Разработать диагностический инструментарий проверки результативности реализации методической системы обучения физике на основе идей синергетики.

5. Провести экспериментальную проверку результативности реализации предложенной методической системы, направленной на формирование современного научного мировоззрения будущего учителя физики.

Методологической основой исследования являются:

- философско-методологические исследования по истории и философии науки и образования (В.В. Ильин, И.С. Кон, В.П. Кохановский, В.С. Степин);

- теория формирования содержания образования и организации учебного процесса (Ю.К. Бабанский, В.П. Беспалько, В.С. Леднев, П.И. Пидкасистый).

Теоретическую основу исследования составляют:

- работы по проблеме совершенствования профессиональной подготовки студентов высших учебных заведений (А.В. Коржуев, В.А. Попков, Д.В. Чернилевский, Т.Н. Шамало);

- труды в области теории и методики обучения физике в аспекте формирования естественнонаучного мировоззрения (В.Ф. Ефименко, В.Г. Иванов, В.Н. Мощанский, В.В. Мултановский, Н.В. Шаронова);

- теория нелинейных колебаний (А.А. Андронов, А.А. Витт, С.П. Кузнецов, С.Э. Хайкин);

- разработки в области теории систем и синергетики (С.П. Курдюмов, Г.Г. Малинецкий, Н.Н. Моисеев, И. Пригожин, Г. Хакен);

- работы по вопросам методологии математического моделирования и вычислительного эксперимента (В.В. Майер, А.П. Михайлов, С.Е. Попов, А.А. Самарский);

- работы по проблемам организации, проведения и представления результатов педагогического эксперимента (В.И. Загвязинский, Д.А. Новиков, Е.В. Сидоренко, Б.Е. Стариченко).

Решение поставленных задач и проверка гипотезы осуществлялась с использованием следующих методов исследования:

- теоретические (анализ и обобщение философской, научно-педагогической, методической, специальной литературы, нормативных документов, материалов научно-практических конференций; анализ и сравнение государственных образовательных стандартов и учебных программ, учебных пособий и методических материалов для высших учебных заведений и школы; исследование научных оснований теории самоорганизации);

- эмпирические (анкетирование учителей и преподавателей физики, беседа, тестирование студентов, метод экспертных оценок, наблюдение за учебным процессом, мониторинг, педагогический эксперимент);

- методы математической статистики обработки экспериментальных данных и их интерпретации.

Организация исследования. Исследование проводилось с 2005 по 2012 гг. на базе Нижнетагильской государственной социально-педагогической академии и включало несколько этапов.

На первом этапе (2005-2007 гг.) был выполнен анализ нормативных документов, программ и стандартов, касающихся высшего педагогического образования, а также педагогической и методической литературы с целью констатации факта наличия проблемы, связанной с отражением в содержании обучения физике современных физических идей и теорий. В процессе констатирующего эксперимента была обоснована необходимость усовершенствования подготовки будущих учителей путем введения в содержание обучения физике изучения теоретических и методологических оснований синергетики. Определен фактический уровень сформированности системы обобщенных знаний, соответствующих современной научной картине мира у студентов педагогических вузов.

На втором этапе (2007-2009 гг.) проанализированы научные основания теории самоорганизации, часть которых в дальнейшем включена в содержание обучения физике. Разрабатывались элементы методической системы обучения физике на основе идей синергетики.

На третьем этапе (2009-2012 гг.) проводился формирующий эксперимент, направленный на внедрение разработанной методической системы в учебный процесс и определение ее влияния на уровень сформированности системы обобщенных знаний, взглядов и убеждений, свойств диалектического мышления, соответствующих современному научному мировоззрению. Проводился комплексный анализ педагогического эксперимента, формулирование выводов исследования и оформление текста диссертации.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

1. В отличие от работ А.П. Лешукова (в которой элементы синергетики предлагается включать в различные разделы курса физики), Е.Б. Якимовой, Е.Г. Светич (в которых исследовалась проблема обучения физике учащихся старшей профильной школы с учетом синергетической концепции) в настоящем исследовании обоснована необходимость изучения закономерностей функционирования нелинейных систем в содержании традиционных курсов с последующим рассмотрением явлений самоорганизации в рамках обобщающего элективного курса и организации исследовательской деятельности студентов, основанной на технологии вычислительного эксперимента как условий формирования целостного современного научного мировоззрения будущего учителя физики.

2. Разработана методическая система обучения физике на основе синергетической концепции, которая включает:

- диагностируемые цели обучения, направленные на формирование современного научного мировоззрения будущего учителя;

- содержание учебного материала, построенного на основе применения идей синергетики для объяснения явлений самоорганизации, возникающих в нелинейных колебательных системах;

- формы и методы обучения физике, основанные на организации исследовательской деятельности студентов;

- содержание и формы контрольно-оценочной деятельности, которые подразумевают мониторинг результатов деятельности студентов по этапам вычислительного эксперимента.

3. Предложен диагностический комплекс для проверки результативности обучения, позволяющий определить уровни сформированности у студентов системы обобщенных знаний, взглядов и убеждений, развития диалектического мышления, соответствующих современному научному мировоззрению.

Теоретическая значимость исследования:

1. Определены содержательно-процессуальные условия формирования современного научного мировоззрения будущего учителя физики: отражение в содержании обучения знаний, обеспечивающих понимание принципов современной научной картины мира (системности, синтеза научных знаний, глобального эволюционизма, самоорганизации), организация исследовательской деятельности студентов, опирающейся на специфические методы и структуру современных физических исследований.

2. На основе анализа научных оснований синергетики, их вклада в понимание принципов современной научной картины мира, с учетом требований к уровню подготовки будущего учителя физики, обоснована необходимость включения идей, методов, подходов синергетики в содержание обучения физике и разработки соответствующей методической системы.

3. Выделены дидактические основания (иерархия упрощенных моделей физических систем, логика построения теорий, на которых базируется синергетика) и система критериев (доказательности, доступности, генерализации, межпредметности, перспективности) отбора содержания обучения физике на основе идей синергетики для формирования современного научного мировоззрения.

Практическая значимость исследования состоит в том, что теоретические результаты доведены до уровня практического применения, разработаны и внедрены в учебный процесс:

1. Учебно-методический комплекс по дисциплине «Самоорганизующиеся системы в физике» для будущих учителей физики, содержащий: учебную программу, лекционный материал, тематику и описание работ лабораторного практикума, список рекомендованной литературы.

2. Система заданий для организации исследовательской деятельности студентов с применением вычислительного эксперимента над математическими моделями физических систем.

3. Методические рекомендации для преподавателей вуза по организации образовательной деятельности студентов в условиях реализации предлагаемой методической системы обучения в форме элективного курса.

Достоверность результатов, полученных в исследовании, и обоснованность сформулированных выводов обеспечиваются теоретико-методологическими основами исследования; обобщением педагогического опыта преподавателей физики; внутренней непротиворечивостью логики исследования, использованием теоретических и экспериментальных, соответствующих целям и задачам, методов исследования; применением статистических методов обработки экспериментальных данных и согласованностью полученных результатов.

Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялись в учебном процессе студентов физико-математического факультета Нижнетагильской государственной социально-педагогической академии. Основные теоретические положения и результаты диссертационного исследования докладывались на заседаниях кафедры физико-математического образования и кафедры информационных технологий НТГСПА. Апробация осуществлялась в результате обсуждений основных положений работы на Международных научно-практических конференциях («Повышение эффективности подготовки учителей физики и информатики», г. Екатеринбург, 2006 г., 2007 г., 2012 г.; «Физика в системе современного образования (ФССО-11)», г. Волгоград, 2011 г.), Всероссийских научно-практических конференциях («Актуальные вопросы использования инновационных технологий в образовательном процессе», г. Нижний Тагил, 2010 г., 2012 г.), Региональных научно-практических конференциях («Философия и наука», г. Екатеринбург, 2007 г.; «Актуальные проблемы обучения физике», г. Нижний Тагил, 2009 г.; «Формирование профессиональных компетенций у будущих учителей физики», г. Омск, 2010 г.; «Актуальные проблемы физико-математического образования в школе и ВУЗе», г. Нижний Тагил, 2012 г.).

Основные положения исследования отражены в 14 публикациях, в том числе 4 - в журналах, рекомендуемых ВАК МО и Н РФ.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Существенный вклад синергетической концепции в становление ведущих принципов современной научной картины мира обусловливает необходимость включения идей, методов, подходов синергетики в содержание обучения физике будущих учителей.

2. Конструирование методической системы обучения физике на основе идей синергетики должно осуществляться с учетом требований к элементам этой системы, направленных на формирование современного научного мировоззрения:

- отбор учебного материала следует проводить в соответствии с комплексом критериев (доказательности, доступности, генерализации, межпредметности, перспективности) на основании логики построения теорий, на которых базируется синергетика;

- индивидуальная исследовательская деятельность студентов, основанная на технологии вычислительного эксперимента и принципе иерархии упрощенных моделей, должна стать приоритетным методом обучения, что будет обусловливать понимание методологии современных исследований в физике;

- контрольно-оценочная деятельность должна осуществляться в форме мониторинга результатов деятельности студентов по этапам проведения вычислительного эксперимента. Компоненты современного научного мировоззрения (обобщенные знания, взгляды и убеждения, свойства диалектического мышления) диагностируются на этапе анализа свойств и закономерностей поведения нелинейных самоорганизующихся систем и представления результатов индивидуальных исследований.

3. Реализация разработанной методической системы обучения студентов физике на основе идей синергетики обеспечивает результативность процесса формирования системы обобщенных знаний, взглядов и убеждений, свойств диалектического мышления, соответствующих современному научному мировоззрению.

2. Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность, определяются объект и предмет, формулируются цель, гипотеза и задачи исследования, раскрываются теоретические и методологические основы, методы и этапы исследования, приводятся его научная новизна, теоретическая и практическая значимость, а также положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Теоретические аспекты формирования мировоззрения в процессе обучения физике» представлен анализ философско-методологических основ формирования научного мировоззрения, выявлены специальные содержательно-процессуальные условия формирования современного научного мировоззрения в процессе обучения физике, теоретически обосновано положение о необходимости включения в содержание обучения физике будущего учителя изучения идей, методов, подходов синергетики.

Мировоззрение является важным компонентом структуры личности и формируется под влиянием большого числа факторов практически на протяжении всей жизни человека. Проведенный анализ учебно-методических подходов (В.Г. Иванов, С.Е. Каменецкий, В.Н. Мощанский, Н.С. Пурышева, Н.В. Шаронова) к формированию мировоззрения в процессе обучения физике позволил выделить три его основных компонента:

- формирование системы знаний об основных понятиях, законах и принципах физики, способствующих созданию представления о научной картине мира и процессе научного познания;

- формирование взглядов и убеждений, соответствующих диалектико-материалистическому пониманию природы и процесса ее познания;

- развитие диалектического стиля мышления.

Фундаментом мировоззрения является система обобщенных знаний, поэтому одним из направлений деятельности учителя физики является сообщение знаний о методах исследования, о физической картине мира и отдельных этапах познания природы.

Физическая картина мира, согласно Н.С. Пурышевой, представляет собой идеальную модель природы, включающую в себя общие понятия, принципы, законы, теории и гипотезы физики и характеризующую определенный исторический этап ее развития. Физическая картина мира является базой общенаучной картины мира.

В понимание принципов современной научной картины мира существенный вклад вносит синергетика:

1. Принцип системности - мир признается совокупностью разноуровневых систем, находящихся в состоянии иерархической соподчиненности. Синергетика изучает открытые, неравновесные и нелинейные системы, в которых могут возникать пространственные, временные или функциональные структуры, т. е. образуется система более высокого уровня, свойства которой качественно отличаются от свойств отдельных подсистем.

2. Принцип синтеза научных знаний - построение общенаучной картины мира на основе интеграции знаний из различных дисциплинарных областей. Синергетика дает единое понимание процессов эволюции различных систем, тем самым она позволяет построить картину мира, в которой все связано и подчинено единым фундаментальным законам.

3. Принцип глобального эволюционизма - мир является развивающейся системой. Согласно синергетической концепции система может переходить от более низкого уровня сложности к более высокому, таким образом происходит развитие системы.

4. Принцип самоорганизации - Вселенная является открытой сложноорганизованной системой, нелинейно эволюционирующей под действием механизмов самоорганизации. Именно изучением закономерностей возникновения самоорганизации (упорядоченности) в динамических системах и занимается синергетика как наука.

Учет принципов современной научной картины мира, особенностей постнеклассической науки, характеристик обобщенной деятельности преподавателя, направленной на формирование научного мировоззрения учащихся, позволил выделить содержательно-процессуальные условия формирования современного научного мировоззрения в процессе обучения физике.

1. Обогащение содержания образовательного процесса за счет мировоззренческих идей, мировоззренческих знаний, обеспечивающих понимание современной научной картины мира:

- описание явлений, процессов с позиции идеи изменения, эволюции;

- демонстрация взаимосвязи свойств отдельных подсистем от координации друг с другом;

- показ структурной иерархичности окружающих явлений и объектов;

- рассмотрение связей и закономерностей в поведении сложных, нелинейных систем, в том числе, в явлениях самоорганизации.

2. Отражение в содержании обучения проблем, в том числе, нерешенных, важных для развития современной науки и общества (проблема сосуществования естественной и искусственной среды, проблема обеспечения человечества энергетическими ресурсами, проблема возникновения жизни и др.).

3. Организация активной интеллектуальной деятельности студентов по усвоению мировоззренческих знаний, соответствующих современной научной картине мира (проблемное обучение):

- анализ поведения сложных, нелинейных систем;

- определение свойств частей из динамики поведения целостной системы (в отличие от классической физики, где по свойствам частей судили о поведении системы).

4. Организация исследовательской деятельности студентов, опирающейся на методологические знания, которые позволяют учитывать специфические методы и структуру современных физических исследований:

- математическое моделирование;

- построение иерархии упрощенных моделей;

- проведение вычислительного эксперимента.

5. Осуществление межпредметных связей с учетом принципа синтеза научных знаний:

- отражение в содержании задач, проблем и результатов междисциплинарных исследований;

- включение в содержание изучения универсальных математических моделей, описывающих явления и процессы из различных областей науки;

- организация проведения комплексных исследовательских проектов.

Из анализа научных оснований синергетической концепции следует, что включение их в содержание обучения физике создаст условия для формирования у будущих учителей современного научного мировоззрения.

Анализ учебных программ, содержания курсов, учебных пособий и педагогического опыта учителей и преподавателей физики позволил сделать следующие выводы:

- Исследуемые системы, представленные в содержании обучения будущего учителя физики, в основном являются замкнутыми и линейными.

- Вопросы синергетики рассматриваются как небольшие фрагменты традиционных курсов.

- Не выявлены дидактические принципы, основания и критерии отбора содержания и проектирования методической системы обучения будущих учителей физике на основе идей синергетики, отсутствует целостное учебно-методическое обеспечение учебного процесса.

В связи с описанными выше обстоятельствами в настоящее время требуется разработка методической системы обучения студентов педагогических вузов физике на основе идей синергетики.

Вторая глава «Методическая система обучения физике на основе идей синергетики» посвящена теоретическому обоснованию и проектированию элементов методической системы, использование которой обеспечивает формирование современного научного мировоззрения будущего учителя физики.

Анализ целей профессионального образования, целей обучения, сформулированных в ФГОС ВПО в виде требований к квалификации выпускника, обучающегося по направлению подготовки «Педагогическое образование», позволил сформулировать цели, которые должны быть реализованы при обучении физике на основе синергетической концепции:

1. Овладение знаниями и умениями, необходимыми для анализа поведения сложных самоорганизующихся систем и способствующих формированию современного научного мировоззрения студентов.

2. Овладение методологическими знаниями, которые учитывают специфические методы и структуру современных физических исследований.

Разработанная методическая система предполагает рассмотрение в содержании традиционных курсов физики закономерностей функционирования нелинейных систем, примеры которых представлены в таблице 1.

Обобщение знаний о механизмах возникновения явлений самоорганизации в сложных нелинейных системах реализуется в форме элективного курса.

Методологическую основу проектирования и отбора содержания элективного курса составляют базовые дидактические принципы, уточненные в соответствии с целью обучения. Основаниями отбора учебного материала являются: логика изучения физических процессов и явлений на основе иерархии математических моделей и теорий, на которых базируется синергетика, предметные и методологические знания (Таблица 2).

Таблица 1 Нелинейные системы в содержании традиционных курсов физики

Курс	Физическое явление	Нелинейный эффект
Механика	Течение жидкости (газа)	Переход ламинарного течения в турбулентное. Нелинейность уравнений движения жидкости при больших числах Рейнольдса играет определяющую роль
	Пружинный маятник	Нелинейность зависимости коэффициента упругости от деформации пружины
	Затухающие колебания	Нелинейность зависимости коэффициента трения (затухания) между поверхностями тел от относительной скорости этих тел
	Задача Кеплера	Зависимость периода обращения планет вокруг Солнца от параметров орбит
Электричество и магнетизм	Сверхпроводимость	Электрическое сопротивление скачком падает до нуля при охлаждении ниже определённой критической температуры, характерной для данного материала
	Газовый разряд	Переход несамостоятельного газового разряда в самостоятельный при напряжении на газовом промежутке цепи выше напряжения пробоя
Оптика	Самофокусировка	Показатель преломления среды может увеличиваться с ростом интенсивности излучения. Вследствие нелинейного изменения электронной поляризации вещества происходит искривление пути самого луча. В зависимости от того, увеличивается или уменьшается показатель преломления в поле пучка, наблюдается концентрация энергии или, наоборот, ее рассеяние
	Самопросветление	Среды, непрозрачные для слабого излучения, могут стать прозрачными для высокоинтенсивного излучения (просветление), и, наоборот, прозрачные материалы могут «затемняться» по отношению к мощному излучению (нелинейное поглощение). Это объясняется нелинейной зависимостью коэффициента поглощения от интенсивности света
Квантовая физика	Возникновение когерентного излучения	При определенном значении мощности накачки активной среды лазера (пороговая мощность лазерной генерации), все атомы начинают осциллировать в фазе и испускают один гигантский цуг когерентного лазерного излучения. Интенсивность излучения света (выходная мощность) резко возрастает
Статистическая физика и термодинамика	Явления переноса	В реальных газах коэффициенты теплопроводности, диффузии и вязкости довольно сложные нелинейные функции макроскопических параметров среды (температуры, давления, плотности)
	Фазовые переходы	При изменении значений внешних параметров (температуры, давления, магнитных и электрических полей и т. д.) происходит переход вещества из одной фазы в другую
Физика атомного ядра и элементарных частиц	Существование нестабильных ядер	При некотором значении числа частиц в ядре интенсивность электромагнитного взаимодействия достигает значения ядерного, а при дальнейшем увеличении энергия электромагнитного взаимодействия превышает энергию сильного взаимодействия, чем объясняется существование нестабильных ядер
	Движение заряженных частиц в ускорителях	Форма и размеры пучка частиц определяются нелинейными компонентами действующей на них силы

Таблица 2 Компоненты содержания обучения физике на основе идей синергетики, реализуемого в форме элективного курса

Содержательный компонент	Процессуальный компонент
Понятийный аппарат	Исследовательская деятельность, основной методологией которой является вычислительный эксперимент
Физические модели самоорганизующихся систем (Ван-дер-Поля, Лоренца, Рикитаки, Дюффинга, Рэлея и др.), и классические модели синергетики из других дисциплинарных областей (морфогенеза, Ферхюльста, брюсселятора и др.)
Характеристики свойств систем, в которых могут возникать явления самоорганизации
Описание сценариев поведения сложных, неравновесных нелинейных систем
Современные методы физических исследований (математическое моделирование, концепция иерархии упрощенных моделей, вычислительный эксперимент)

Для осуществления отбора содержания обучения определена система критериев:

1. Критерий доказательности предполагает отбор учебного материала по принципу его логического обоснования, отказа от догматизма в изложении основных научных положений.

2. Критерий доступности связан с понятием сложности учебного материала.

У истоков синергетики лежат физические теории (теория колебаний, теория волновых процессов, неравновесная термодинамика и др.). В содержании обучения будущего учителя физики представлены теория колебаний и термодинамика. Применение критериев доказательности и доступности определяет отбор содержания обучения с точки зрения результатов, полученных при решении задач теории нелинейных колебаний. Мы считаем, что такой подход в большей степени отвечает реализации поставленной цели обучения, так как при формировании мировоззрения особое внимание следует обращать на убедительность обоснования важнейших законов и принципов, самостоятельность получения субъективно новых знаний, что более успешно выполняется при изучении «более простых» закономерностей и математических моделей, описывающих поведение колебательных систем.

3. Критерий генерализации предполагает выделение одной или нескольких главных идей и объединение вокруг них учебного материала. Центральной идеей содержания элективного курса является возможность самоорганизации в открытых системах, это накладывает определенные требования к отбору учебного материала, к выбору исследуемых систем и их математических моделей.

4. Критерий межпредметности указывает на необходимость отражения в содержании обучения внутрипредментых и межпредметных связей между изучаемыми явлениями. Обучение физике на основе идей синергетики способствует формированию представлений о единой общенаучной картине мира. Для этого необходимо учитывать знания, которые студенты приобрели при изучении других учебных дисциплин, уделять должное внимание обобщенным естественнонаучным идеям, приводить примеры, научные факты, исследуемые математические модели, принадлежащие различным областям научного знания.

5. Критерий перспективности определяет опережающую функцию образования. В рамках обучения физике на основе синергетической концепции он выполняется в полной мере, так как подразумевает включение в содержание обучения таких материалов, которые будут востребованы и будут активно развиваться в ближайшем будущем.

Отбор содержания учебного материала элективного курса осуществлен с учетом цели и задач обучения, дидактических принципов, оснований, выделенных критериев (доказательности, доступности, генерализации, межпредметности, перспективности), научных положений синергетической концепции.

Таблица 3 Содержание обучения физике на основе идей синергетики, реализуемое в форме элективного курса

№ п/п	Тема	Содержание темы
1	Современная научная картина мира. История становления синергетики	Цели и задачи курса. Этапы развития физической картины мира. Осмысление идей теории самоорганизации в рамках физической науки. Синергетика как мировоззрение, как наука, как методология
2	Свойства систем, в которых могут возникнуть явления самоорганизации	Детерминистические и стохастические динамические системы. Противоречие между обратимой механикой и необратимой термодинамикой. Открытость, неравновесность, нелинейность систем как условие возникновения явлений самоорганизации
3	Математическое моделирование физических процессов	Построение математической модели. Методы исследования математических моделей (аналитическое решение, численное решение, вычислительный эксперимент). Концепция иерархии упрощенных моделей. Иерархия математических моделей колебательных систем
4	Методы исследования математических моделей физических процессов	Роль линейных задач в физике. Этапы вычислительного эксперимента (на примере гармонического осциллятора). Учет нелинейных эффектов при исследовании физических процессов. Способы представления результатов исследований. Изображение состояния системы в фазовом пространстве. Количество степеней свободы, фазовая траектория, фазовый портрет, топологическая эквивалентность фазовых портретов. Анализ устойчивости колебательной системы (на примере осциллятора с трением)
5	Динамические режимы нелинейных систем	Установившиеся режимы поведения нелинейных динамических систем. Аттрактор. Особая точка. Классификация особых точек для систем с двумя степенями свободы (узел, фокус, седло, центр). Анализ устойчивости стационарного состояния нелинейной системы. Метод линеаризации. Вид динамических режимов для систем с тремя и более степенями свободы
6	Основы теории бифуркаций	Бифуркация. Бифуркация в автоколебательной системе. Бифуркационный параметр, бифуркационная диаграмма. Диаграмма разбиения плоскости параметров на области
7	Детерминированный хаос	Детерминированный хаос. Свойства детерминированного хаоса. Странный аттрактор. Применение модели Лоренца для описания поведения динамических систем (ячейки Бенара, лазер, диссипативный осциллятор с инерционной нелинейностью)
8	Явления самоорганизации	Физические примеры явлений самоорганизации (ячейки Бенара, одномодовый лазер). Примеры самоорганизации в других дисциплинарных областях (реакция Белоусова-Жаботинского, морфогенез). Случайности и определенности в окружающем нас мире

Обоснование методов, организационных форм и средств обучения проведено с учетом основной цели и логики построения обучения, дидактического анализа отобранного учебного материала. Установлено, что наиболее значимым методом обучения физике на основе идей синергетики должна стать исследовательская деятельность, основанная на технологии вычислительного эксперимента. Она проходит в форме самостоятельной работы, во время которой студенты овладевают методами научного познания при построении математических моделей физических систем и проведении вычислительного эксперимента, что отвечает реализации цели обучения.

Проведение вычислительного эксперимента с учетом принципа иерархии упрощенных моделей обусловливает усвоение знаний на уровне применения их к анализу явлений в новой ситуации и на уровне обобщения, что является необходимым компонентом формирования мировоззрения. Пример применения концепции иерархии упрощенных моделей представлен в таблице 4.

Применение концепции иерархии упрощенных моделей для колебательных систем позволяет перейти от «простой» модели гармонического осциллятора к более «сложной», например, модели Ван-дер-Поля, которая дает возможность продемонстрировать возникновение автоколебаний в открытой, диссипативной, нелинейной электрической цепи.

Таблица 4 Иерархия математических моделей колебательных систем

Колебательная система	Пример реальной физической системы	Математическая модель
Свободные колебания
Гармонический осциллятор
Осциллятор с линейным трением
Осциллятор с отрицательным трением (груз на ленте транспортера)
Осциллятор с нелинейной силой упругости и трением
Осциллятор с нелинейным трением и нелинейной силой упругости
Вынужденные колебания
Осциллятор с трением, нелинейной силой упругости и внешней силой
Осциллятор с нелинейной силой упругости, нелинейным трением и внешней силой
Автоколебания
Механические часы с анкерным механизмом
Осциллятор Ван-дер-Поля

В математической модели этой цепи источник энергии входит в виде отрицательного сопротивления. При изменении параметра, отвечающего за разность между вносимой и рассеиваемой энергией, в системе наблюдается бифуркация, и возникают автоколебания - как пример возникновения временной упорядоченности или самоорганизации.

Анализ структуры ФГОС ВПО, а также перечня профессиональных компетенций, как результата освоения профессионального цикла, позволили определить, что элективный курс может изучаться в вариативной части профессионального цикла.

Контрольно-оценочная деятельность осуществлялась в процессе работы студентов над заданиями лабораторного практикума в соответствии с этапами вычислительного эксперимента, проводимого над математическими моделями исследуемых систем. Для оценки результата исследовательской деятельности классификация заданий будет иметь вид, представленный в таблице 5 (в соответствии с выделенными П.В. Зуевым уровнями усвоения содержания обучения).

Таблица 5 Классификация заданий для диагностирования целей обучения

Уровень усвоения	Задания	Задания, применительно к вычислительному эксперименту
Воспроизведение	Цель + нач. условия + способ деятельности	Проведение вычислительного эксперимента с известной математической моделью динамической системы при определенных начальных условиях по обозначенному алгоритму
Эвристический	Цель + нач. условия	Проведение вычислительного эксперимента с известной математической моделью динамической системы, без или с частично определенными начальными условиями, интерпретация результатов
Творческий	Цель	Проведение вычислительного эксперимента и интерпретация результатов при содержательной постановке цели исследования

Диагностирование целей обучения проходит на этапе анализа свойств и закономерностей функционирования нелинейных самоорганизующихся систем и представления результатов индивидуальных исследований.

В третьей главе «Проверка эффективности реализации методической системы обучения физике на основе идей синергетики» описаны этапы педагогического эксперимента, указаны используемые методы, приведены результаты исследования и их анализ.

Эксперимент проводился с 2005 по 2012 годы и состоял из следующих этапов: констатирующего, поискового и формирующего. Для создания критериев результативности предложенной методической системы мы воспользовались методикой, разработанной Н. В. Шароновой - задания, по результатам, выполнения которых можно сделать выводы о сформированности соответствующих знаний, взглядов и убеждений, свойств мышления, должны составлять систему (Таблица 6).

Таблица 6 Уровни сформированности компонентов мировоззрения

	Компоненты формирования мировоззрения
Уровни сформированности	Система обобщенных знаний	Формирование взглядов и убеждений	Развитие диалектического мышления
I	Уровень воспроизведения	Уровень уверенности в истинности знания	Уровень работы с противоречиями «и-и»
II	Уровень применения без философской терминологии	Уровень готовности отстаивать свои знания	Уровень работы с противоречиями «и-и, ни-ни»
III	Уровень применения с формулировкой философского положения	Уровень применения при наличии препятствия	Уровень работы с противоречиями «и-и, ни-ни, одновременно»

Нами была разработана система заданий, в которую были включены вопросы по физике, распределенные по уровням.

Общее число студентов физико-математического факультета НТГСПА, принявших участие в педагогическом эксперименте, составило 166 человек; учителей физики общеобразовательных школ г. Нижнего Тагила и пригородного района и преподавателей НТГСПА - 40 человек.

В ходе констатирующего эксперимента было проведено анкетирование учителей и преподавателей общеобразовательных школ г. Нижнего Тагила, пригородного района и Нижнетагильской государственной социально-педагогической академии. В результате анализа анкет установлено, что респонденты считают уровень подготовки студентов в области формирования у них системы знаний, соответствующих современной научной картине мира, недостаточным (65 %); большая часть преподавателей отмечают влияние физических основ синергетики на формирование мировоззрения будущего учителя физики (77,5 %), и, вместе с тем, недостаточный уровень их отражения в содержании предметной подготовки (82,5 %).

С целью выявления фактического уровня сформированности компонентов мировоззрения, соответствующего современной научной картине мира, у студентов физико-математического факультета НТГСПА было проведено тестирование. Результаты показали, что студенты смогли выполнить лишь небольшую часть заданий (Таблица 7).

Таблица 7 Результаты выполнения заданий тестирования студентами

Уровни сформированности	Среднее количество правильно выполненных заданий (из девяти)
I	4,58
II	4,07
III	3,55

Результаты констатирующего эксперимента позволили сделать вывод о необходимости отражения в содержании обучения будущего учителя физики основных принципов, идей, методов синергетики.

На поисковом этапе эксперимента были обоснованы теоретические основания обучения физике на основе идей синергетики, разработана соответствующая методическая система.

На этом же этапе было выполнено пробное включение разработанной методической системы в учебный процесс студентов физико-математического факультета НТГСПА и выполнена ее корректировка.

Третий этап экспериментальной работы - формирующий эксперимент - был направлен на внедрение разработанной методической системы в учебный процесс и определение ее влияния на сформированность системы обобщенных знаний, взглядов и убеждений, диалектического мышления, соответствующих современному научному мировоззрению.

В работе были задействованы студенты физико-математического факультета НТГСПА (84 человека). Эксперимент проводился с предварительным и итоговым тестированием в экспериментальных и контрольных группах в течение двух лет. В экспериментальных группах была реализована разработанная методическая система. Студенты контрольных групп изучали основные идеи синергетики в рамках дисциплин «Молекулярная физика», «Естественнонаучная картина мира».

Студенты проходили тестирование, задания в котором разделены на три уровня (Таблица 6), по результатам которого можно оценить показатели сформированности системы обобщенных знаний, взглядов и убеждений, диалектического мышления, соответствующих современному научному мировоззрению. В исследовании использовалась шкала отношений - число правильно выполненных заданий каждым студентом, который мог получить от 0 до 9 баллов на каждом уровне.

Для доказательства обоснованности выбора контрольных и экспериментальных групп, для выявления динамики изменения показателей сформированности компонентов мировоззрения, с учетом того, что в нашем случае использована шкала отношений, мы воспользовались критерием Вилкоксона-Мана-Уитни. Гипотезы, которые при этом проверялись, были сформулированы следующим образом:

Н₀: Показатели сформированности компонентов мировоззрения у студентов контрольной и экспериментальной групп совпадают.

Н₁: Показатели сформированности компонентов мировоззрения у студентов контрольной и экспериментальной групп различны.

Расчеты были выполнены независимо для каждого уровня сформированности системы обобщенных знаний, взглядов и убеждений, развития диалектического мышления, т. е. в качестве шкал представлены уровни усвоения компонентов современного научного мировоззрения (I уровень, II уровень, III уровень). Первой выборкой считались результаты тестирования экспериментальной группы, второй выборкой - результаты тестирования контрольной. Для расчета эмпирического значения критерия Манна-Уитни для каждого элемента первой выборки было найдено число элементов второй выборки, которые превосходят его по своему значению. Сумма этих чисел определила эмпирическое значение критерия Манна-Уитни, с учетом значения которого, а также числа элементов в каждой выборке было найдено эмпирическое значение критерия Вилкоксона-Манна-Уитни. Полученные эмпирические значения критерия сравнивались с критическим значением (если , тогда характеристики рассматриваемых выборок совпадают с уровнем значимости 0.05, в противном случае достоверность различий рассматриваемых выборок составляет 95 %).

Полученные за два года результаты расчетов с достоверностью 95 % позволяют сделать вывод, что начальные характеристики контрольных и экспериментальных групп совпадают (по каждой шкале принята гипотеза Н₀), а конечные различаются (по каждой шкале принята гипотеза Н₁). Таким образом, можно утверждать, что результат изменений обусловлен именно реализацией экспериментальной методической системы, ее применение воспроизводимо обеспечивает формирование у будущих учителей физики компонентов современного научного мировоззрения.

На рисунке 1 представлены результаты тестирования после эксперимента в контрольных и экспериментальных группах - среднее количество правильно выполненных заданий, относящихся к определенному уровню сформированности компонентов мировоззрения.

Рис. 1. Среднее количество правильно выполненных заданий после эксперимента, по уровням сформированности компонентов мировоззрения в КГ и ЭГ

обучение мировоззрение физика синергетический

Для оценки статистической значимости различий между результатами тестирования в экспериментальной группе применялся U-критерий Манна-Уитни. Гипотезы, которые при этом проверялись, были сформулированы следующим образом:

Н₀: Показатели сформированности компонентов мировоззрения студентов после реализации методической системы не выше показателей до ее реализации.

Н₁: Показатели сформированности компонентов мировоззрения после реализации методической системы выше показателей до ее реализации.

Первой и второй выборкой считались результаты тестирования в экспериментальной группе соответственно до и после использования методической системы. Для каждой выборки по определенным правилам была рассчитана ранговая сумма, большая из которых, а также число элементов выборки определили эмпирическое значение U-критерия Манна-Уитни. Его сравнение с критическим значением позволило сделать вывод о существенном различии между показателями признака (количеством правильно выполненных заданий) в рассматриваемых выборках независимо для каждого уровня сформированности компонентов современного научного мировоззрения в течение двух лет (по каждой шкале принята гипотеза Н₁ с достоверностью не ниже 95%).

Приведенные итоги опытно-поисковой работы позволяют заключить, что применение разработанной методической системы воспроизводимо обеспечивает формирование у будущих учителей физики системы обобщенных знаний, взглядов и убеждений, диалектического мышления, соответствующих современному научному мировоззрению.

В заключении обобщены теоретические и экспериментальные результаты диссертационного исследования, изложены основные выводы:

1. Анализ психолого-педагогической, научно-методической литературы, государственных образовательных стандартов позволил сделать вывод об актуальности разработки методической системы обучения физике на основе идей синергетики, применение которой обеспечит формирование современного научного мировоззрения будущего учителя физики.

2. На основе анализа научных оснований синергетики сделан вывод о том, что обучение физике на основе синергетической концепции будет отвечать содержательно-процессуальным условиям формирования современного научного мировоззрения (отражение в содержании обучения знаний, обеспечивающих понимание принципов современной научной картины мира, организация исследовательской деятельности студентов, опирающейся на специфические методы и структуру современных физических исследований) будущего учителя физики. Установлено, что раскрытие закономерностей функционирования нелинейных систем в содержании традиционных курсов с последующим рассмотрением явлений самоорганизации в рамках обобщающего элективного курса позволяет формировать современное научное мировоззрение.

3. Построение методической системы обучения физике на основе идей синергетики, направленной на формирование современного эволюционного, нелинейного, интегративного научного мировоззрения будущего учителя, должно осуществляться с учетом следующих требований:

- отбор учебного материала должен проводиться в соответствии с комплексом критериев (доказательности, доступности, генерализации, межпредметности, перспективности) на основании логики построения теорий, на которых базируется синергетика;

- система исследовательских заданий должна давать возможность интерпретировать полученные результаты в соответствии с обобщающими выводами для каждой темы курса, которые отражают мировоззренческое толкование содержания дисциплины и учитывают принципы современной научной картины мира.

- наиболее значимым методом обучения должна стать индивидуальная исследовательская деятельность студентов, основанная на технологии вычислительного эксперимента и принципе иерархии упрощенных моделей;