Содержание естественно-математической подготовки бакалавров в условиях постнеклассического этапа развития науки
На правах рукописи
ШЕПЕЛЬ ОЛЕГ МИХАЙЛОВИЧ СОДЕРЖАНИЕ ЕСТЕСТВЕННО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ БАКАЛАВРОВ В УСЛОВИЯХ ПОСТНЕКЛАССИЧЕСКОГО ЭТАПА РАЗВИТИЯ НАУКИ 13.00.08 – Теория и методика профессионального образования Диссертация на соискание учёной степени доктора педагогических наук
Томск 2013 Содержание Введение ……….....……………………………………………………………..4 Глава 1. Междисциплинарная интеграция содержания естественно математических дисциплин в науке и образовании………………………….23 1.1. Динамика междисциплинарного взаимодействия в науке...……………23 1.2. Динамика междисциплинарного взаимодействия в образовании………38 1.3. Соотношение процессов интеграции в науке и образовании..………….55 1.4. Образование в условиях постнеклассического этапа развития науки....67 Выводы……….……………………………………………………………..…... Глава 2. Теоретические предпосылки пересмотра содержания естественно математического образования студентов бакалавриата...……………………. 2.1. Концепция естественнонаучного подхода к анализу процессов информационного обмена…..………………………………………………….. 2.2. Методология координации содержания естественно-математического образования ……………………………………………………………………. 2.3. Координация содержания учебного материала между различными естественно-математическим дисциплинами………………………………... 2.4. Координация содержания учебного материала между естественно математическими и гуманитарными дисциплинами………………………... 2.5. Координация содержания учебного материала естественно математических дисциплин с достижениями современной науки…………. Выводы ……….………………………………..………………………………. Глава 3. Методические основы подготовки преподавателей к обучению студентов бакалавриата естественно-математическим дисциплинам в услови ях постнеклассического этапа развития науки………………………………. 3.1. Принципы и цели подготовки преподавателей к обучению студентов ба калавриата естественно-математическим дисциплинам……………………. 3.2. Содержание подготовки преподавателей к обучению студентов бакалав риата естественно-математическим дисциплинам………………………….. 3.3. Методы и технологии подготовки преподавателей к обучению студентов бакалавриата естественно-математическим дисциплинам………………… Выводы………………………………………………………………………… Глава 4. Методика проведения и результаты педагогического эксперимента…………………………………………………………………... 4.1. Задачи и методика проведения педагогического эксперимента ……… 4.2. Основные результаты констатирующего этапа педагогического эксперимента…………………………………………………………………... 4.3. Основные результаты пробного и формирующего этапов педагогического эксперимента……………………………………………….. 4.4. Основные результаты контрольного этапа педагогического эксперимента………………………………………………………………….. Выводы……….………………………………………………………………... ЗАКЛЮЧЕНИЕ………...………………….………………………………… СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………...….….…………………………………. ПРИЛОЖЕНИЯ……………………………………………………………... ВВЕДЕНИЕ Актуальность исследования. Усиление спроса Российского рынка на специалистов с техническим и естественно-математическим образованием сопровождается повышением требований к качеству этого образования. Ме жду тем, общепризнанного толкования самого понятия «качество образова ния» до сих пор нет. Выходом из сложившейся ситуации может стать при знание относительности указанного понятия, заключающееся в констатации изменения его значения при изменении положения «наблюдателя» – заданно го норматива.
Например, качество Российского естественно-математического образо вания относительно государственных требований достаточно высокое – кон троль над соответствием результатов обучения и предписанных эталонов не прекращался даже в самые нестабильные годы всевозможных реформ. В ча стности, сегодня таковыми эталонами являются компетенции, предусмотрен ные образовательными стандартами. Методы диагностики указанного каче ства непрерывно развиваются М.Г. Мининым, А.Н. Майоровым, В.С. Аване совым и др. Качество же этого образования относительно достижений совре менной науки следует признать мало приемлемым. Действительно, естество знание, оттолкнувшись от классического уровня И. Ньютона, Р. Декарта уже преодолело неклассический уровень А. Эйнштейна, В. Гейзенберга и достиг ло постнеклассического уровня И. Пригожина, Г. Хакена. Между тем, содер жание школьного, вузовского и послевузовского естественно математического образования остается до сих пор на уровне классическом.
То есть качество образования относительно достижений современного есте ствознания оказывается невысоким.
Таким образом, понятие «качество образования» приобретает смысл только при указании «наблюдателя» (стандарта), относительно которого это качество рассматривается.
Для устранения противоречия в оценке качества образования различны ми «наблюдателями» – в данном случае государственным образовательным стандартом и постнеклассическим естествознанием – необходимо совместить их позиции, а именно, предусмотреть в государственных образовательных стандартах обучение самым последним фундаментальным достижениям со временной науки.
Однако, нет необходимости ждать, пока эти изменения произойдут. Ву зовские стандарты третьего поколения помимо базовой (обязательной) части, предусматривают в структуре обучения вариативную часть, позволяющую преподавателю использовать её по своему усмотрению, в том числе для со кращения всё возрастающего разрыва между эволюционно-синергетическим уровнем единства современной картины мира и классическим уровнем сего дняшнего преподавания естественно-математических дисциплин.
При этом, в условиях современного двухуровневого профессионального образования, предусматривающего подготовку бакалавров и магистров, представляется целесообразным наиболее активно обучать студентов осно вам классического, неклассического и постнеклассического естествознания именно в рамках бакалавриата, представляющего собой наиболее фундамен тальный уровень профессиональной подготовки.
Кроме того, по мнению А.М. Новикова «Естественно-математическое и техническое образование очевидно необходимо специалистам и в сугубо гу манитарных сферах. Так, например, полное отсутствие преподавания физики студентам консерваторий привело к тому, что если во времена И.С.Баха и В.А.Моцарта музыканты владели 11 способами оркестрового строя, то со временные музыканты знают только два – из-за этого многие произведения старых мастеров не исполняются – они «не звучат», т.к. именно с точки зре ния физики (акустики) они не соответствуют авторскому оригиналу». Ярким подтверждением необходимости естественно-математического образования в гуманитарных сферах может служить и творчество таких незаурядных Рос сийских музыкантов как А.П. Бородин (химик), Л.С. Термен (физик), Э.В.
Денисов (математик), которое было бы невозможно без широкого научного кругозора этих выдающихся деятелей искусства.
Поскольку объективация субъекта возможна только после субъектива ции объекта, то есть, в данном случае обучение неклассическому и постне классическому естествознанию педагогом становится возможным только по сле обучения неклассическому и постнеклассическому естествознанию педа гога, то соответствующий новый, непривычный учебный материал, предна значенный для обучающихся, должен быть, прежде всего, усвоен в полном объёме преподавателем. Разработка содержания этого материала представля ет собой весьма непростую задачу. Хотя некоторые фрагменты сведений об основах общей теории относительности и синергетики попадают на страни цы школьных учебных пособий, однако, все они представляют собой попыт ку изложить содержание неклассического и постнеклассического естество знания классическим языком, оправдываемую стремлением к доступности изложения. Между тем для реального овладения новыми уровнями естество знания обучающимся, а прежде этого педагогам, следует овладевать языком этих уровней, благодаря которому только и возможно качественно другое мышление. Для неклассического естествознания – это язык тензорных и вол новых уравнений, а также понятийный аппарат теории гравитации и теории элементарных частиц. Для постнеклассического – язык нелинейных диффе ренциальных уравнений и понятийный аппарат теории самоорганизации.
Массово тиражируемый сегодня перевод достижений неклассической и по стнеклассической науки на язык классический мало способствует повыше нию уровня мышления, предоставляя для восприятия преимущественно об разные, внешние картинки действительности, внутри которых остаётся спря танной суть объектно-субъектного единства.
Сегодня в качестве варианта выхода из сложившейся ситуации предлага ются синергетические подходы к образованию (В.Г. Буданов, В.Г. Виненко, Г.И. Рузавин и др.), заключающиеся не только в обучении основам постне классической науки, заложенным Г. Хакеном, И. Пригожиным, Г. Николи сом, но и в развитии междисциплинарной интеграции, способствующей фор мированию представлений о неразрывной целостности естественнонаучной картины мира в сознании обучающихся, и осуществляемой через установле ние межпредметных связей (И.Д. Зверев, В.Н. Максимова, Н.Е. Кузнецова и др.) Стремление придать завершённую форму многочисленным и значитель ным усилиям по согласованию содержания различных предметов привели к появлению новых интегративных дисциплин «Естествознание» и «Концеп ции современного естествознания». Но, несмотря на чётко обозначенные функции и общедидактические приёмы реализации межпредметных связей, единой методологии, позволяющей системно осуществлять координацию преподавания, по сей день не существует. Поэтому новые предметы стали дополнительными дисциплинами, отдельные темы которых нуждаются в серьёзном согласовании с традиционными темами физики, химии, биологии, математики. Важнейшей причиной отсутствия такой методологии является недостаточная теоретическая база, которая позволила бы осмыслить законо мерности интенсивного информационного обмена между педагогом и обу чающимися и использовать их для совершенствования учебного процесса, в том числе для гармонизации процессов междисциплинарной интеграции.
Общеизвестная теория информации не может служить такой базой, посколь ку, согласно её основным положениям, количество информации представля ет собой всего лишь величину, являющуюся функцией измеряемого количе ства знаков, кодирующих сведения, и вероятности их использования. Эта теория является исторически первой попыткой установления аналогии между закономерностями мышления и естественнонаучных явлений. На основании сходства между уравнением Л. Больцмана и формулой для расчёта количест ва информации К. Шеннона в ней постулируется тождественность негэнтро пии и количества информации. Но, названная теория, разработанная для ре шения конкретных технических задач, существенно дополненная и расши ренная Н. Винером, Р.В.Л. Хартли, А.Н. Колмогоровым, преобразуемая в си нергетическую теорию информации В.Б. Вяткиным, оказывается совершенно неприменимой к процессам информационного обмена между педагогом и обучающимися. Кроме того, в её рамках не удалось установить аналогий с другими фундаментальными понятиями естествознания, тесно связанными с энтропией, такими как энергия, температура, масса, количество вещества, время, пространство.
Таким образом, к настоящему времени отчётливо обозначились противо речия между:
– эволюционно-синергетическим уровнем единства современной научной картины мира и классическим уровнем содержания преподаваемых естест венно-математических дисциплин (физики, химии, биологии, естествознания, математики);
– необходимостью обучать студентов основам не только классического, но также неклассического, постнеклассического естествознания и отсутствием соответствующей подготовки преподавателей высших учебных заведений;
– всеобщим признанием необходимости интеграции, координации обучения различным предметам математического и естественнонаучного цикла, и от сутствием методологии, позволяющей педагогам системно осуществлять эту координацию в образовательном процессе;
– объективным единством гуманитарных и естественнонаучных явлений, но недостаточным использованием этого единства при обучении студентов ба калавриата и учащихся школ.
– интенсивностью информационного обмена между педагогом и обучающи мися, с одной стороны, и недостаточностью теоретического осмысления за кономерностей этого обмена, с другой.
Выделенные противоречия обусловили актуальность выбранной про блемы исследования, включающей вопросы теоретического и методологиче ского характера:
– как сократить всё возрастающий разрыв между классическим содержанием естественно-математического образования и постнеклассическим уровнем достижений современной науки?
– каким образом сформировать методологическое обеспечение междисцип линарной интеграции, являющейся одним из аспектов синергетического ха рактера учебного процесса?
– какие фундаментальные законы лежат в основе процессов информационно го обмена, сопровождающих обучение?
– Какие профессиональные компетенции преподавателя бакалавриата необ ходимы для обучения студентов естественно-математическим дисциплинам в условиях постнеклассического этапа развития науки?
Важность и актуальность рассматриваемой проблемы послужили осно ванием для определения темы исследования «Содержание естественно - ма тематической подготовки бакалавров в условиях постнеклассического этапа развития науки».
Цель исследования – разработка содержания естественно - математи ческой подготовки студентов бакалавриата с использованием методологии, опирающейся на закономерности процессов информационного обмена.
Объект исследования – процесс обучения студентов бакалавриата ес тественно-математическим дисциплинам (физике, химии, биологии, естест вознанию, математике) в условиях постнеклассического этапа развития нау ки.
Предмет исследования – содержание естественно-математического образования студентов бакалавриата, соответствующее постнеклассическому этапу развития науки.
Гипотеза исследования: качество обучения студентов бакалавриата естественно-математическим дисциплинам относительно достижений совре менного естествознания повысится если:
• содержание естественно-математических дисциплин (физики, химии, биологии, математики) будет разрабатываться с учётом теоретических пред ставлений о закономерностях процессов информационного обмена между преподавателем и студентами, аналогичных представлениям о закономерно стях процессов синергетических.
• учебный процесс студентов естественно-математического бакалавриата будет предусматривать:
– использование методологии, позволяющей формировать восприятие физи ки, химии, биологии, естествознания, математики как аспектов неразрывного целого;
– обучение в рамках вариативной части образовательных программ основам неклассического естествознания, включающим представления о квантово полевой природе материи и математический аппарат общей теории относи тельности, а также основам постнеклассического естествознания, состоящим не только в феноменологическом описании синергетических процессов, но и в изучении нелинейных дифференциальных уравнений, которым эти процес сы подчиняются • повышение квалификации преподавателей естественно математических дисциплин указанного бакалавриата будет опираться на:
– изучение методологии, позволяющей формировать в сознании студентов восприятие содержания отдельных предметов как различных аспектов еди ной действительности;
– самостоятельную разработку методик обучения, основанную на указанной методологии;
– синергетические подходы к обучению, активно развивающиеся в последние годы;
• обучение студентов гуманитарного бакалавриата будет предусматривать использование методологии, позволяющей формировать восприятие естест венно-математических и гуманитарных дисциплин как аспектов неразрывно го целого, условно разделяющих единую неделимую действительность;
• повышение квалификации преподавателей гуманитарного бакалавриата будет опираться на изучение методологии, позволяющей формировать в соз нании студентов восприятие содержания гуманитарных и естественно математических предметов как различных аспектов единой действительно сти.
Для достижения поставленной цели и проверки выдвинутой гипотезы были сформулированы следующие задачи:
1. Проанализировать теоретический материал, накопленный практический опыт по межпредметным связям и междисциплинарной интеграции, изучить современные представления о закономерностях процессов восприятия ин формации.
2. Установить особенности информационного обмена в процессе обучения различным естественно-математическим и гуманитарным дисциплинам.
3. Обосновать методологию координации содержания различных естествен но-математических и гуманитарных дисциплин.
4. Разработать:
– методику обучения основам классического, неклассического и постнеклас сического естествознания студентов технического и гуманитарного бакалав риата;
– учебные пособия, предназначенные для студентов и преподавателей бака лавриата и реализующие предложенную методологию;
– учебное пособие, предназначенное для слушателей курсов повышения ква лификации и студентов бакалавриата, излагающее основы неклассического и постнеклассического естествознания.
5. Осуществить экспериментальную проверку:
– качества знаний основ неклассического и постнеклассического естество знания, приобретаемых студентами технического и гуманитарного бакалав риата с помощью предложенной нами методики, использованием специаль но разработанных диагностических материалов и учебных пособий;
– усвоения методологии координации содержания различных дисциплин преподавателями технического и гуманитарного бакалавриата – слушателя ми курсов повышения квалификации.
Методологическую основу исследования составили идеи, принципы, методы и подходы общенаучной методологии, гносеологии, науковедения:
идеи историзма, целостности, взаимосвязи научного и философского позна ния, динамичной структуры научного познания (В.И. Вернадский, В.С. Стё пин, Б.М. Кедров, и др.), идея синергетической природы общественно- исто рического процесса научного познания (Г. Хакен, И. Пригожин, Г. Николис, И. Стенгерс, С.П. Капица, Г.Г. Малинецкий, Е.Н. Князева, С.П. Курдюмов, Н.М. Таланчук, и др.), синергетические подходы к обучению (О.Н. Астафье ва, Т.С. Назарова, и др.), методы педагогической синергетики (М.А. Весна, М.А. Фёдорова и др.), принципы системно-синергетического подхода к ана лизу и организации учебного процесса (В.И. Андреев, В.И. Аршинов, В.Г.
Буданов, Л.Ю. Калинин, Ю.Л. Климонтович, О.Н. Козлова, Д.И. Трубецков, П.И.Третьяков, С.С. Шевелёва, М.Г Кучеренко, Ю.К. Махно, В.Г. Виненко, и др.), методы диагностики качества обучения (В.С. Аванесов, Н.А. Гулюкина, М.Б. Челышкова, А.Н. Майоров, М.Г. Минин и др.), методы и подходы к обучению на основе межпредметной интеграции (В.С. Леднёв, И.Д. Зверев, В.Н. Максимова, Д.П. Ерыгин, Н.Е. Кузнецова, М.А. Шаталов, и др.).
Теоретической базой исследования явились фундаментальные работы в области философии образования (Б.С. Гершунский, С.И. Гессен, В.В. Краев ский, И.Я. Лернер Б. Саймон и др.), дидактики (В.С. Безрукова, В.И. Загвя зинский, Л.Я. Зорина, В.С. Леднёв, М.Н. Скаткин, и др.), теории оптимизации процесса обучения (Ю.К. Бабанский, В.П. Беспалько, П.М. Эрдниев, и др.), теории учебно-познавательной деятельности (Дж. Брунер, П.Я. Гальперин, Ж. Пиаже и др.), теорий развивающего, проблемного, личностно ориентированного обучения (В.И. Андреев, В.В. Гузеев, В.В. Давыдов, М.И.
Махмутов, В.В Сериков, И.С. Якиманская и др.), теории педагогического об разования (Б.Т. Лихачёв, П.И. Пидкасистый, И.Ф. Харламов и др.).
Для решения поставленных задач применялись теоретические и эмпи рические методы исследования.
Теоретические методы: теоретический анализ и синтез, абстрагирова ние и конкретизация, аналогия и моделирование, изучение философской, психолого-педагогической и методологической литературы, стандартов есте ственнонаучного образования и подготовки педагогических кадров, а также методических и учебно-программных материалов. Эмпирические методы:
анализ и обобщение педагогического опыта, анкетирование, беседы, наблю дение, педагогический эксперимент, статистические методы обработки педа гогического эксперимента.
Научная новизна исследования:
• Разработаны теоретические основы процессов информационного обме на, предлагающие воспринимать знание, как синергетическую систему, по требляющую и систематизирующую информацию, а также производящую источники информации. Информационный обмен рассматривается как про цесс, аналогичный естественнонаучным процессам вещественно энергетического обмена, обеспечивающим функционирование живых систем.
• Обоснована объективная необходимость формулирования нового дидак тического принципа, который может быть назван принципом комплементар ности (соответствия) уровня развития естествознания и модели организации процесса естественно-математического образования (подразумевается, что каждый последующий этап развития науки представляет собой более высо кий уровень её достижений).
• Расширено толкование принципа междисциплинарных связей, область применения которого в настоящей работе распространяется не только на свя зи между различными естественно-математическими дисциплинами, но так же на:
- внутридисциплинарные связи между различными темами (модулями) внут ри одной дисциплины;
- связи между естественно-математическими и гуманитарными дисциплина ми;
- связи между учебными дисциплинами и содержанием современного естест вознания.
• Уточняются границы применимости принципа наглядности: рекомен дуется чрезвычайно осторожно пользоваться указанным принципом при рас смотрении основ неклассического естествознания, и делать акцент на воспи тании умения оперировать понятиями, не представляемыми наглядно (четы рёхмерное не Эвклидово пространство, корпускулярно-волновой дуализм, мнимая размерность и др.). Вместе с тем, изучение основ постнеклассическо го естествознания, напротив, предполагает возврат к активному использова нию принципа наглядности, поскольку объектом рассмотрения вновь стано вятся фрагменты привычного макромира Эвклидова пространства.
• Выделены в качестве отдельных элементов содержания учебного про цесса системообразующие, связующие сведения и знания, активное исполь зование которых при обучении естественно-математическим дисциплинам способствует формированию у школьников и студентов целостной естест веннонаучной картины мира.
• Предложена методология координации содержания естественно математического образования, рассматривающая координацию содержания:
— различных тем (модулей) внутри одной дисциплины (физики, химии, био логии, математики);
— различных естественно-математических дисциплин между собой;
— естественно-математических и гуманитарных дисциплин;
— естественно-математического образования с содержанием достижений со временной науки, позволяющая устранять несогласованности при обучении предметам естест венно-математического цикла и регулировать процессы их интеграции с дис циплинами гуманитарными.
• Предложен критерий – восприятие пространства, времени, события, на блюдателя учёными различных эпох – позволяющий разделять классический, неклассический и постнеклассический уровни естествознания. В классиче ском естествознании пространство, время, событие и наблюдатель рассмат риваются как четыре независимых друг от друга компонента действительно сти. В неклассическом естествознании все четыре указанных компонента оказываются объединёнными в одно, единое целое, движущееся в уникур сальном направлении – от прошлого к будущему. В постнеклассическом ес тествознании будущее оказывается разветвлённым.
Теоретическая значимость исследования:
• Разработана концепция синергетического подхода к анализу процессов информационного обмена, согласно которой развитие обучаемого аналогич но физическим, в частности, синергетическим процессам, являющимся осно вой функционирования живых систем. Синергетические процессы воспри нимаются основой:
— развития любых физико-химических систем;
— функционирования живых организмов;
— информационного обмена между преподавателем и обучаемым.
Развитие – самоорганизующийся недетерминированный процесс – ока зывается системообразующим звеном, объединяющим в единое целое физи ческие, живые и ментальные явления. Таким образом, снимается антагонизм противоречия между двумя доминирующими концепциями современного ес тествознания: физикоцентризмом, утверждающим объяснимость всего миро здания одними физическим явлениям и витацентризмом, постулирующим жизнь как вселенскую стихию, присущую любому феномену. Предлагается рассматривать процессы физические, процессы обеспечивающие функцио нирование живых систем и процессы информационного обмена при обуче нии аспектами единого целого.
• Получили дальнейшее развитие три направления синергетического под хода к учебному процессу, сформулированных В.Г. Будановым: синергетика для образования, синергетика в образовании, синергетика образования. В рамках первого направления, предполагающего разработку интегративных курсов обучения, реализована методология координации содержания различ ных дисциплин, позволяющая: регулировать процессы интеграции естест венно-математических и гуманитарных дисциплин, снимать замеченные про тиворечия между предметами естественно-математического цикла, устранять внутридисциплинарные несогласованности между различными темами одно го предмета. В соответствии со вторым направлением, характеризующимся внедрением в учебный процесс материалов, иллюстрирующих принципы си нергетики, разработано содержание учебного материала по основам неклас сического и постнеклассического естествознания, предназначенного для пре подавателей и студентов бакалавриата. В развитие третьего направления, предусматривающего синергетичность самого обучения в условиях постне классического этапа развития науки, делается вывод о необходимости по строения процессов образования, основанных на смещении акцента к само стоятельному поиску информации обучаемым в открытой динамичной ин формационной среде Интернета.
• Обоснованы целесообразность и важность мониторинга содержания ес тественно-математического образования бакалавров, заключающегося в сис тематическом просмотре изучаемых тем, поиске и исследовании несогласо ванностей, нарушений логики последовательности изложения учебного ма териала, которые могут возникать внутри одной дисциплины, между различ ными дисциплинами, между содержанием учебного материала и достиже ниями современной науки;
Практическая значимость работы заключается в том, что:
• предложенная в диссертации методология позволила:
- устранить многие несогласованности в содержании обучения как внутри отдельных естественно-математических дисциплин (физики, химии, биоло гии, математики), так и между ними, формируя и поддерживая у обучающих ся представления о неразрывной целостности современной естественнонауч ной картины мира;
- интегрировать фрагменты содержания физико-математического образова ния в содержание гуманитарного музыкального образования, используя, в частности, точные уравнения для описания музыкальных строев;
- сократить разрыв между современным постнеклассическим уровнем дости жений современной науки и классическим уровнем содержания естественно математического учебного материала, предназначенного для студентов бака лавриата.
• На основе методологии координации содержания естественно математического образования разработаны учебные пособия «Основы не классического и постнеклассического естествознания», «Математика», «Ес тественникум» и рабочие программы, которые легли в основу следующих курсов повышения квалификации для преподавателей бакалавриата:
- координация содержания естественно-математического образования с со держанием достижений современной науки;
- координация содержания естественно-математических и гуманитарных дисциплин;
- координация содержания химии и биологии;
- координация содержания физики и математики;
- внутридисциплинарная координация различных разделов химии.
• Разработана рабочая программа курса «Основы неклассического и по стнеклассического естествознания», предназначенная для студентов бакалав риата, обучающихся по направлениям подготовки: 011200 – Физика;
– Химия;
020400 – Биология;
010100 – Математика.
Исследование проводилось в 4 этапа:
На поисковом этапе (2001 – 2004 гг.) анализировалась педагогическая, дидактическая, научно-методическая, философская литература, связанная с темой диссертационного исследования;
сопоставлялся уровень достижений современного естествознания с содержанием естественнонаучного образова ния в средних, средних специальных и высших учебных заведениях. Изуча лись синергетические подходы к анализу и организации образовательной деятельности синергетика, синергизм, ценностно (педагогическая синергетический подход, системно-синергетический подход), а также пред посылки к синергетическим подходам – многочисленные работы по теории, практике междисциплинарных связей и междисциплинарной интеграции.
Сопоставлялась динамика междисциплинарного взаимодействия в образова нии с динамикой междисциплинарного взаимодействия в науке. Обнаружи лось недостаточное внимание к отражению достижений неклассического и постнеклассического естествознания в учебном процессе.
На экспериментально-формирующем этапе (2004 – 2008 гг.) разрабаты вались предложения по дополнению содержания отдельных общеобразова тельных тем физики, химии, биологии, естествознания, математики конкрет ными связующими и системообразующими сведениями, позволяющими уст ранять несогласованности в практике обучения этим дисциплинам. Осущест влялись констатирующий, пробный и формирующий этапы педагогического эксперимента на курсах повышения квалификации Национального исследо вательского Томского политехнического университета с участием препода вателей Томского государственного педагогического университета, Нацио нального исследовательского Томского государственного университета и других вузов России учащихся.
На экспериментально-обучающем этапе (2008 – 2010 гг.) осуществлялся контрольный этап педагогического эксперимента. В том числе проводилось исследование влияния изученной педагогами методологии координации со держания естественно-математического образования на качество усвоения студентами бакалавриата сведений междисциплинарного характера, вклю чающих в себя достижения неклассического и современного постнеклассиче ского естествознания.
На заключительном этапе (2010 – 2011 гг.) корректировались основные положения исследования, обобщались и систематизировались материалы пе дагогического эксперимента, формулировались выводы, завершалась работа над диссертацией.
Экспериментальная база исследования: Национальный исследователь ский Томский политехнический университет, Томский государственный пе дагогический университет, Национальный исследовательский Томский госу дарственный университет., Томский областной музыкальный колледж им. Э.В. Денисова. В отдельных аспектах исследования были задействованы:
Томский областной институт повышения квалификации и переподготовки работников образования (ТОИПКРО), учебно-методический центр областно го управления начального профессионального образования администрации Томской области.
На защиту выносятся:
1. Концепция синергетического подхода к анализу процессов информацион ного обмена, включающая модель взаимодействия обучаемого с поступаю щей к нему информацией, аналогичную модели взаимодействия синергети ческой системы с внешней средой. Закономерности мышления, обмена зна ниями и информацией оказываются сопоставимыми с физическими, в част ности, термодинамическими закономерностями вещественно энергетического обмена, наблюдающимися в синергетических процессах.
2. Методология координации содержания естественно-математического об разования, разработанная в рамках концепции синергетического подхода к анализу процессов информационного обмена и включающая в себя следую щие этапы:
— мониторинг – систематический просмотр изучаемых тем, поиск и иссле дование несогласованностей, нарушений логики последовательности изло жения учебного материала, которые могут возникать внутри одной дисцип лины, между различными дисциплинами, между содержанием учебного ма териала и достижениями современной науки;
— устранение несогласованностей – разработка способов, методов и методик устранения обнаруженных нарушений логики изложения материала с помо щью связующих и системообразующих сведений;
—систематизация – поиск возможностей интеграции предлагаемого студен там материала, позволяющей воспринимать разрозненные сведения аспекта ми единого целого.
3. Положение о несоответствии содержания современного классического ес тественно-математического образования постнеклассическому уровню дос тижений современной науки. Классическое естествознание, сформированное И. Ньютоном, Р. Декартом, Р. Бойлем, остаётся для обучаемых главным ис точником естественнонаучных сведений о явлениях окружающей действи тельности. Неклассическое естествознание, основанное А. Эйнштейном, В.
Гейзенбергом, Э. Шрёдингером излагаемое достаточно специфическим ма тематическим языком, оказывается практически доступным лишь узкому кругу специалистов. Попытки представить неклассическое естествознание классическим языком, оправдываемые стремлением к доступности изложе ния, мало способствуют развитию диалектического мышления, формирова нию современной научной картины мира, предоставляя для восприятия пре имущественно образные, внешние картинки действительности, внутри кото рых остаётся спрятанной суть объектно-субъектного единства. Обучение по стнеклассическому естествознанию, зародившемуся в 20 веке благодаря тру дам И. Пригожина, Г. Хакена, ограничивается феноменологическим описа нием синергетических процессов и определениями основных понятий синер гетики, не затрагивая уникальных свойств нелинейных дифференциальных уравнений, которым подчиняются все синергетические процессы.
4. Теоретические представления о развитии двух направлений синергетиче ского подхода к учебному процессу: синергетика для образования, синерге тика в образовании. Первое направление (синергетика для образования) предполагает разработку интегративного обучения различным естественно научным дисциплинам, которая может осуществляться на основе методоло гии координации содержания различных дисциплин. Второе направление (синергетика в образовании) характеризуется внедрением в частных дисцип линах материалов, иллюстрирующих принципы синергетики. При этом ма тематическое описание таких простейших синергетических систем как брюс селятор, орегонатор, ячейки Бенара целесообразно предлагать студентам ба калавриата технических специальностей.
5. Критерий, позволяющий педагогам и учащимся однозначно разделять классический, неклассический, постнеклассический уровни естествознания и представляющий собой совокупность особенностей восприятия пространст ва, времени, события, наблюдателя учёными различных эпох.
В классическом естествознании, сформированном физикой И. Ньюто на, Р. Декарта, Р. Бойля, пространство представляет собой протяжённость, в которой располагаются объекты и происходят наблюдаемые события, а вре мя – длительность, относительно которой измеряются эти события, в том числе процессы эволюции. Пространство, время, событие и наблюдатель рас сматриваются как четыре независимых друг от друга компонента действи тельности.
В неклассическом естествознании А. Эйнштейна, В. Гейзенберга, Э. Шрёдингера все четыре условно выделенных компонента действительно сти (пространство, время, событие, наблюдатель) оказываются объединён ными в одно, единое целое, движущееся в уникурсальном направлении – от прошлого к будущему.
Постнеклассическое естествознание, основоположниками которого считаются И. Пригожин и Г. Хакен, обнаружило способность материи к мак ропроцессам, направление развития которых, начиная с определённого мо мента (точки бифуркации) становится многовариантным, а выбор конкретно го варианта оказывается принципиально непредсказуемым для наблюдателя.
Таким образом, свойства прошлого и будущего в постнеклассическом есте ствознании становятся существенно различными. Если прошлое определяет ся изучением пройденного пути, то будущее оказывается объективно вероят ностным и точно не предсказуемым в принципе, оно оказывается разветв лённым.
Достоверность результатов обеспечивается исходными методологиче скими и теоретическими позициями исследования, соответствующими его целям и задачам;
концептуальной непротиворечивостью положений и выво дов диссертации основным положениям современной дидактики и методоло гии педагогики;
репрезентативностью данных, полученных в ходе педагоги ческого эксперимента;
апробацией результатов исследования.
Апробация и внедрение результатов исследования. Результаты иссле дования внедрены в практику обучения учащихся средней общеобразова тельной школы, средних специальных и высших учебных заведений, а также в процесс повышения квалификации преподавателей системы среднего, на чального профессионального и высшего образования с использованием учебных пособий и методики, разработанных автором. Основные положения работы обсуждались на следующих конференциях:
— международных: «X Российско-Американская научно-практическая кон ференция по актуальным вопросам современного университетского образо вания» (Санкт-Петербург, 2007);
«Интеграция Казахстана в мировую систему образования: перспективы развития, проблемы и пути их преодоления» (Рес публика Казахстан, Талдыкорган, 2006);
«Формирование научной картины мира Человека XXI века» (Горно-Алтайск, 2006);
«Модернизация профес сионального послевузовского образования: теория и практика подготовки научно-педагогических кадров» (Томск, 2006), «Управление качеством обра зования: проблемы непрерывного образования» (Екатеринбург, 2006),;
«Формирование научной картины мира Человека XXI века» (Горно-Алтайск, 2007);
— всероссийских: «Непрерывное педагогическое образование: качество, проблемы, перспективы», (Томск, 2002), «Х Всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Наука и образование» (Томск, 2006);
«Актуальные проблемы модернизации химического и естественнона учного образования» (Санкт-Петербург, 2008);
— межрегиональных и региональных: «Проблемы инженерного образова ния» (Томск, 2003), «Новые педагогические технологии в вузе» (Шадринск, 2006), «Музыкальное искусство: из века ХХ в век ХХI» (Томск, 2006).
Структура работы определялась задачами исследования и последова тельностью их решения. Диссертация состоит из: введения, четырёх глав, за ключения, библиографии, приложений.
ГЛАВА МЕЖДИСЦИПЛИНАРНАЯ ИНТЕГРАЦИЯ СОДЕРЖАНИЯ ЕСТЕСТВЕН НО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ ДИСЦИПЛИН В НАУКЕ И ОБРАЗОВАНИИ Междисциплинарная интеграция учебного процесса воспринимается сегодня как одно из направлений синергетического подхода к организации образования [17, с. 18;
27, с. 300], который наиболее адекватен современно му постнеклассическому этапу развития науки. Однако, на протяжении дли тельного времени основным аргументом, обосновывающим необходимость интеграции содержания учебного материала различных дисциплин, остава лась констатация интеграционных процессов в науке, которые, безусловно, должны находить своё отражение и в образовательной деятельности [120, с. 7–9]. Великий дидакт Я.А. Коменский подчёркивал: «Всё, что находится во взаимной связи, должно преподаваться в такой же связи» [150, с. 287], И.Г. Песталоцци исходил из требования: «Приведи в своём сознании все по существу взаимосвязанные между собой предметы в ту именно связь, в кото рой они действительно находятся в природе» (цит. по [120, с. 7]). Поэтому прежде чем приступать к анализу процессов интеграции в образовании, рас смотрим динамику междисциплинарного взаимодействия в науке.
1.1. ДИНАМИКА МЕЖДИСЦИПЛИНАРНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В НАУКЕ При рассмотрении соотношения процессов междисциплинарной диф ференциации и интеграции, до недавнего времени выделяли три основных этапа развития научного познания [280]: синкретический, классический и не классический. Первый этап относится к античной науке. В это время проис ходит становление научного познания. Оно ещё не дифференцировано, не расчленено, находится в синкретическом состоянии. Наука только зарожда ется, она заменяет мифологию, пытается постичь окружающий мир, заменить слепую веру знанием. Знания в античный период не развиты, и стремление постичь то, что лежит в основе мироздания, реализуется во многом наивны ми путями. Знаковыми представителями этого этапа можно назвать Пифаго ра (6 в. до н.э) и Аристотеля (384-322 до н.э.). Будучи разделёнными во вре мени друг от друга почти на три столетия, они одинаково целостно воспри нимали науку, искусство и религию.
Второй этап развития науки ознаменовался её дифференциацией на от дельные отрасли. Именно на этом этапе возникли арифметика и геометрия в ответ на потребность измерения земельных площадей, механика – в ходе работы по созданию приспособлений для поднятия тяжестей и откачки воды.
Появление физиологии и биологии обусловлено развитием сельскохозяйст венной практики. Особенно быстрое «отпочкование» частных наук от син кретического знания, роль которого играла философия, происходило в эпоху Возрождения. Дифференциация наук длилась почти до середины XIX столе тия. Автор [280] считает, что противоположного явления – интеграции наук – в это время не наблюдалось. Аналогичной точки зрения придерживается Б.М. Кедров [212]. Согласно его взглядам, в аналитическую, или дифферен циальную, стадию своего развития познание вступило в эпоху Возрождения, когда начался процесс массового отпочкования от ранее нерасчленённой или слабо расчленённой науки древних отдельных научных дисциплин – чтобы исследовать частности, надо было вычленить их из общей связи. Возникает современная наука в собственном смысле этого слова: сначала естествозна ние (математика, физика, химия, биология и т.д.), а несколько позднее обще ствоведение (политэкономия, социология, демография и т.д.). Теперь каждая из дисциплин имеет свой предмет исследования. Астрономия занимается не бесными телами, химия – превращением веществ, биология – явлениями жизнедеятельности, политическая экономия – экономическим фундаментом общества. Человечество делает огромный шаг вперёд в познании объектив ной реальности. В этот период идёт, и весьма бурно, развитие каждой дисци плины. Так возникли первые и вместе с тем базовые единицы научного зна ния… Однако между самими дисциплинами практически не было внутрен них или непосредственных контактов. Попытки систематизации в этот пери од неизбежно носили во многом случайный характер. Внутренняя связь меж ду науками не выявлялась. Наука субъективно оказалась раздробленной, хо тя объективно, конечно, оставалась целостной системой, что предопределя лось неразрывной связью частнонаучного и философского мышления, адек ватно отражающего мир. Но такая реальная связь не осознавалась. Наоборот, осознавалось и абсолютизировалось то, что разъединяло науку на отдельные части и дисциплины. Формировалась классическая наука, становление и раз витие которой обычно связывают с именами П. С. Лапласа, И. Ньютона, Р.
Декарта, К. Линнея, Р. Бойля и др. Иногда классический этап развития есте ствознания условно разбивают на два периода: 1) с XVII в. до начала ХIX.;
2) XIX в. – начало ХХ в [69]. В первый период при рассмотрении природы предполагалось, что она неизменна, статична, не развивается как единое це лое. Широкое развитие получили идеи детерменизма - концепции, при знающей объективную закономерность и причинную обусловленность всех явлений природы и общества. Например, французский астроном, математик, физик Пьер Симон Лаплас (1749 – 1827) утверждал, что если бы было из вестно положение всех частей и элементов мира и силы, действующей на них, если бы нашёлся ум, объединивший эти данные в одной формуле, не ос талось бы ничего непонятного в природе, было бы открыто не только про шлое, но и будущее. Наряду с принципом детерменизма, широкое распро странение получили идеи дальнодействия, а также абсолютности простран ства и времени, выдвинутые и развиваемые Исааком Ньютоном (1643 – 1727), активно использовавшем математический аппарат, разработанный Ре не Декартом (1596 – 1650). В области биологии важнейшее значение приоб рели методы анализа, систематизации и классификации эмпирического мате риала, накопленного натуралистами. В частности, значительную роль в даль нейших исследованиях сыграли: система классификации Карла Линнея ( – 1778) и классификация животных Жоржа Бюффона (1707 – 1788). Парал лельно шло накопление большого эмпирического материала в области хи мии. Роберт Бойль (1627 – 1691) высказал идею о некоторых неизменных но сителях (позднее их назвали элементами) свойств простых тел и химических соединений.
Во втором периоде, хотя развитие происходило, в основном, в рамках классической науки, уровень знания поднялся до высот, которые подготови ли почву для новейшей революции в науке, благодаря трём величайшим от крытиям второй трети XIX века:
- создание клеточной теории Якобом Маттиасом Шлейденом (1804 – 1881);
- открытие Юлиусом Робертом Майером ( 1814-1878) и Джемсом Прескоттом Джоулем (1818-1889) закона сохранения и превращения энергии;
- создание Чарлзом Робертом Дарвином (1809 – 1882) эволюционного уче ния.
Кроме того, в этот период были заложены основы теории химического строения органических соединений, химической термодинамики, электро магнитной теории, периодической системы элементов, научной физиологии и др. Наряду с величайшими открытиями широкое распространение получи ла сеть институтов и академий, развивались прикладные науки. Одной из центральных проблем становился синтез знания, поиск путей объединения различных направлений естествознания.
И вот, примерно, в 40-х годах XIX века, новые открытия стали проис ходить именно на стыках наук. Так начался третий этап в развитии науки, связанный с интеграцией научного знания. В нём, в свою очередь, выделяют ся также две ступени. Первая, по мнению А.П. Суханова [280], была подме чена Марксом и Энгельсом и заключалась в соприкосновениях наук, от кото рых ожидалось получение наибольших результатов. Вторая, проявляющаяся более явно, наблюдается в современный период. Её характерные приметы – размывание границ отдельных наук;
взаимопроникновение наук, образова ние новых научных направлений на основе слияния различных наук. На этой почве делаются весьма плодотворные открытия. Например, появлению и раз витию физико-химической биологии мы обязаны получением таких ценных медицинских препаратов, как инсулин, интерферон и др. В последнее время наблюдается повышение роли синтеза методов, которые предлагаются раз личными науками. Так математические методы внедряются во все другие науки, включая и лингвистику;
методы, используемые в физике, - в химию, биологию, геологи.;
методы химии – в биологию, технику, геологию и т.д.
Возникают так называемые науки-партнёры – биохимия, физическая химия, геохимия, математическая лингвистика и др. Интеграционные процессы в науке, которые носят либо локальный (внутридисциплинарный), либо гло бальный (комплексный общенаучный) характер, многими учёными призна ются как закономерность развития науки. Эта закономерность проявляет себя в различных аспектах. Иногда науки объединяются сразу, но чаще всего это объединение проходит через последовательные ступени интеграции в про цессе развития познания. Так, кооперация физики и геологии привела внача ле к образованию минералогии, а, затем, когда началось исследование физи ческими методами кристаллической структуры минералов, появилась новая отрасль в науке – кристаллофизика. Подобную судьбу предсказывают и фи зике горных пород, которая рождается в точках соприкосновения физики твёрдого тела, минералогии и петрографии.
Полным синтезом можно объяснить слияние космогонии и астрофизи ки, в результате чего мы имеем далеко идущее в своём развитии направле ние. К нему примыкает планетная радио- и лазеролокация, рентгеновская, ультрафиолетовая, нейтронная, инфракрасная и гамма-астрономия, ракетно-спутниковая фототелевизионная астрономия и т.д., формируя новую науку - космофизику.
Авторы [181] замечают, что появление междисциплинарных образова ний многое меняет и в базовых науках (монодисциплинах), ведь интеграция менее всего похожа на простое суммирование;
одни элементы комплекса оказываются лидирующими;
другие – подчинёнными. Само развитие моно дисциплин отныне во всё большей степени зависит от их места и роли в междисциплинарных образованиях. При этом всё чаще историческая ини циатива, или лидерство, переходит от монодисциплин к полидисциплинам.
В.С. Стёпин на конкретных примерах показывает, что на протяжении всей истории развития наук, их дифференциация всегда сопровождалась ин теграцией [274;
312]. В то же время, интеграция не препятствует дальнейшей дифференциации наук, но более того обусловливает её. Однако, периодиза ции преобладания дифференциации над интеграцией и наоборот, примерно совпадают с этапами, выделяемыми А.П. Сухановым [280]. В работе [274] констатируется, что большинство наук, которые мы сегодня рассматриваем в качестве классических дисциплин, - биология, химия, технические и соци альные науки, - имеют корни в глубокой древности. Историческое развитие знания накапливало факты об отдельных особенностях исследуемых в них объектах. Но систематизация фактов и их объяснение длительное время осу ществлялись посредством натурфилософских схем. После того как возникла первая теоретически оформленная область научного знания – физика, а ме ханическая картина мира приобрела статус универсальной научной онтоло гии, начался особый этап истории наук. В большинстве из них предпринима лись попытки применить для объяснения фактов принципы и идеи механиче ской картины мира.
Механическая картина мира, хотя она и сформировалась в рамках фи зического исследования, в эту историческую эпоху функционировала и как естественнонаучная, и как общенаучная картина мира. То есть, механика, бу дучи только что дифференцированной, сразу же интегрировалась во все ос тальные области знания. Обоснованная философскими установками механи стического материализма, она задавала ориентиры не только для физиков, но и для учёных, работающих в других научных направлениях. Например, в XVII веке все химические явления Бойль предлагал объяснить исходя из представлений о механическом движении «малых частиц материи» (корпус кул). Исходя из универсальности действия законов механики, он заключил, что принципы механики должны быть «применимы к скрытым процессам, происходящими между мельчайшими частицами тел». [107, с. 188]. Пытаясь найти естественные причины развития живых организмов, Ламарк также ру ководствовался объяснениями, заимствованными из механики. Он опирался на сложившийся в XVIII столетии вариант механической картины мира, включавший идею «невесомых» флюидов как носителей различных типов сил, и полагал, что именно невесомые флюиды являются источником орга нических движений и изменения в архитектонике живых существ. Развитие жизни, с его точки зрения, представало как «нарастающее влияние движения флюидов», которое выступало причиной усложнения организмов. «Кто не увидит, - вопрошал он, - что именно в этом проявляется исторический ход явлений организации, наблюдаемой у рассматриваемых животных, кто не увидит его в этом возрастающем усложнении их в общем ряду при переходе от более простого к более сложному» [166, с. 148]. В XVIII веке законы ме ханики пытались применять и по отношению к знаниям о человеке и общест ве. Ламетри писал, что «человеческое тело – это заводящая сама себя маши на, основное олицетворение беспрерывного движения…». Он представлял человека как «часовой механизм», но огромных размеров и построенный с таким искусством и изощрённостью, что если остановится колесо, при по мощи которого в нём отмечаются секунды, то колесо, обозначающее минуты, будет вращаться и идти, как ни в чём не бывало [167, с. 219]. Гольбах, соли даризуясь с Ламерти в понимании человека как машины, полагал возможным описать с помощью механики и человеческое общество: « … человек, сопро тивляясь разрушению, испытывает силу инерции, тяготеет к самому себе, притягивается сходными с ним объектами и отталкивается противополож ными ему… Всё, что он делает и что происходит в нём, является следствием силы инерции, тяготения к самому себе, силы притяжения и отталкивания, стремления к самосохранению, одним словом, энергии, общей ему со всеми наблюдаемыми существами» [78, с. 47– 48]. Этот же подход обнаруживается и на более поздних этапах развития знания. Например, Сен-Симон в работе «Труд о всемирном тяготении» отмечал, что «прогресс человеческого ума дошёл до того, что наиболее важные рассуждения о политике могут и долж ны быть непосредственно выведены из познаний, приобретённых в высших науках и в области физики» [259, с. 212]. По мнению Сен-Симона, закон все мирного тяготения должен стать основой новой философии, которая, в свою очередь, может стать фундаментом новой политической науки.
К концу XVIII – началу ХIХ века стала складываться новая ситуация, приведшая к становлению дисциплинарного естествознания, в рамках кото рого научная картина мира приобретала особые характеристики и функцио нальные признаки. Например, в этот период при трансляции принципов ме ханической картины мира в химию, они не просто трансплантировались в «тело» химической науки, задавая собственно механическое видение хими ческих объектов, но сопоставлялись с теми признаками, которые были при сущи объектам, исследуемым в химии, что стимулировало становление хи мии как науки с её специфической предметной составляющей и формирова ние в ней особой, уже несводимой к механической, картины исследуемой ре альности.
В частности, атомистическая картина, в процессе её развития была обо гащена представлениями о молекулах как о единой системе атомов, а также представлениями о химических процессах как взаимодействии молекул, при котором они обмениваются атомами. В свою очередь, представления об атомно-молекулярном строении вещества под влиянием успехов химии нача ли оказывать обратное воздействие на физические исследования. Характер но, что разработка молекулярно-кинетической теории теплоты, пришедшей на смену теории теплорода, во многом опиралась на представление, что ве щество построено из движущихся молекул. То есть, происходило не только конституирование химии в самостоятельную науку, но и её интеграция в фи зику. Сходные процессы становления специальной научной картины мира и конституирования научной дисциплины можно проследить и на материале развития биологического знания.
Первые шаги к конституированию социальных наук в особую сферу дисциплинарного знания были сопряжены с модернизацией образов, заимст вованых из механической картины мира. Уже О. Конт признанный одним из основоположников социологии, включал в создаваемую им картину реально сти, представление о её историческом развитии, которое полагал фундамен тальной характеристикой общества. Далее, в его концепции общество начи нает рассматриваться не как механизм, а как особый организм, все части ко торого образуют целостность. В этом пункте отчётливо прослеживается влияние на контовскую социологическую концепцию биологических пред ставлений, которые будучи только что дифференцированными, оказались сразу же интегрированными в социологические теории. Дальнейшее развитие этих идей было связано с разработкой Г. Спенсером общей теории эволюции и представлений о развитии общества как особой фазе эволюции мира. Спен сер не просто переносит на область социальных наук идеи биологической эволюции, а пытается выделить некоторые общие принципы эволюции и их специфические конкретизации применительно к биологическим и социаль ным объектам [269].
После формирования дисциплинарно организованной науки каждая дисциплина обретает свои специфические основания и свой импульс внут реннего развития. Но науки не становятся абсолютно автономными. Они взаимодействуют между собой, и обмен парадигмальными принципами вы ступает важной чертой такого взаимодействия. Характерным примером в этом отношении может служить перенос в химию из физики фундаменталь ного принципа, согласно которому процессы преобразования молекул, изу чаемые в химии, могут быть представлены как взаимодействие ядер и элек тронов, а поэтому химические системы могут быт описаны как квантовые системы, характеризующиеся определённой – функцией [160]. Эта идея легла в основу нового направления – квантовой химии, возникновение кото рой знаменовало революцию в современной химической науке и появление в ней принципиально новых стратегий исследования. Более того, согласно тео рии единого спинорного нелинейного поля В. Гейзенберга, сами элементар ные частицы продуцируются однородными обладающими внутренним вра щательным моментом квантами «пра-поля», взаимодействующими в ультра малых масштабах (10– 14 см) сами с собой (подобно волнам океана). [67;
68;
282]. Возникновение квантовой химии, квантовой механики, разработка А. Эйнштейном теории относительности, благодаря которой обнаружилась зависимость свойств пространства и вещества от состояния наблюдателя (субъекта), заставили отказаться от классического восприятия науки, сфор мированного И. Ньютоном, Р. Декартом, Р. Бойлем. Наука перестала быть классической. Она стала неклассической. Объединение разрозненных явле ний в единую естественнонаучную картину стало основной тенденцией ис следований. Интеграционная мощь нового, третьего, этапа естествознания проявилась в восприятии неразрывной целостности: пространства, времени, гравитации, массы. Развитие взглядов В. Гейзенберга и подхваченное после дователями А. Эйнштейна стремление к созданию единой теории поля сфор мировали в настоящее время множество теоретических направлений: теория струн, теория суперструн, непризнаваемая теория физического вакуума и др.
[373;
374]. Кроме того, одной из черт неклассического естествознания стал принцип дополнительности, который сегодня расширился до концепции до полнительности в философии образования человека [87].
А.К. Сухотин, анализируя стремление всякой теории к объединению максимально возможного количества явлений, выделяет в качестве одного из критериев её истинности минимальность исходных положений: «… если тео рии удаётся экспансия в новые области фактов без введения дополнительных положений, то ясно, что её исходные утверждения становятся более общими.
Такая теория конкурентоспособнее (при выборе простой теории) тех, кото рые вынуждены в аналогичных условиях вносить новые допущения, уточ няющие параметры и т.п. Здесь простая теория оказывается экономнее и с точки зрения использования ею количества исходных положений и в смысле их общности [282]. Ещё в 20-х годах прошлого столетия Эдвин Барт, форму лируя принципы научного прогресса, указывал на очень важную роль в про ведении селекции альтернативных точек зрения «принципа бережливости в утверждениях»: « Когда налицо две теории, каждая из которых объясняет определённую группу фактов, следует принять ту, которая объясняет их та ким путём, что объединяет их с возможно бльшим числом других фактов из других областей знания, так что разум оказывается способным охватить и контролировать обширнейшую совокупность фактов в терминах предполо жения с наименьшим числом необходимых допущений» [388]. Принцип бе режливости представляется Э. Барту одним из необходимых установлений «правильного мышления». Альтернативой этому была бы ситуация, в кото рой всё новые и новые знания располагались бы друг около друга, образуя необъяснимую груду фактов. Но разум не может принять такой точки зрения.
Интересно отметить, что даже для простого запоминания разрозненных фактов, разум нередко объединяет их в одно целое искусственными связями, не имеющими объективного эквивалента. Например, цвета видимого спектра солнечных лучей большинство школьников запоминают с помощью извест ного предложения о «каждом охотнике, желающем знать, где сидит фазан».
В данном случае начальные буквы слов, обозначающих эти цвета, объедине ны в единое предложение. Таково свойство разума – объединять в неразрыв ное целое все поступающие к нему сведения.
Весьма продуктивным оказался союз биологии и кибернетики, осно ванный на представлениях о биологических объектах как саморегулирую щихся системах с передачей информации и обратными связями. В 50 – 60-х годах И.И. Шмальгаузеном была создана теория биологической эволюции как са морегулирующегося процесса. В работе [375, с. 103]он исходил из того, что основные принципы саморегуляции могут быть использованы и при описа нии исторически развивающихся систем, в частности биологических: «Меха низмы контроля и регуляции, понятно, различны в разных системах. Однако, общие принципы регуляции могут во всех этих случаях рассматриваться под одним углом зрения в свете учения о регулирующих устройствах». В прин ципе, это был нетривиальный шаг, учитывая, что систематическая разработка в естествознании представлений о механизмах самоорганизации в историче ски развивающихся объектах началась позднее, при исследовании И. Приго жиным с его соавторами динамики неравновесных процессов [73;
216;
217;
238–238;
393–395] и синергетики, предложенной Г. Хакеном в качестве само стоятельного предмета исследований [160;
313].
Рассматривая каждую особь в качестве сложного сообщения, переко дирующего генетическую информацию молекулярного уровня в набор фено типических признаков, Шмальгаузен представил её как целостный информа ционный блок, а специфическую для каждой особи индивидуальную актив ность в биогеоценозе рассмотрел как средство передачи обратной информа ции.
Следует отметить, что в ХХ столетии значительно усилился обмен па радигмальными установками не только между различными естественнонауч ными дисциплинами, но также между ними и социально-гуманитарными науками. В частности, взаимосвязь лингвистики, биологии и теории инфор мации, во многом обязана развитию семиотики и новой трактовке лингвис тики как части семиотики. Естественные языки стали рассматриваться в ка честве варианта семиотических систем и лингвистика предстала в качестве особой части семиотики, включающей в себя не только исследование не только естественных, но и искусственных языков. Образы языка как сложной знаковой системы, передающей информацию, широко используются в зоосе миотике, изучающей язык животных. Р. Якобсон подчёркивает, что паралле ли между кодовыми системами, составляющими массив биологической ин формации, и человеческим языком открывают большие возможности перено са представлений и методов из лингвистики в биологию и обратно [382].
Современный уровень развития науки, обусловленный изучением си нергетических закономерностей действительности во всех её проявлениях, знаменуется четвёртым постнеклассическим этапом, в которой создаются но вые предпосылки формирования единой научной картины мира [57;
274;
275, с. 15–17;
277, с. 195]. Зарождение этого этапа связывают с именами И. При гожина, Г. Хакена и др. [237 – 242;
313 – 315]. Длительное время идея един ства всего сущего пребывала как идеал. Но в последней трети XX века воз никли реальные возможности объединения представлений о трёх основных сферах бытия – неживой природе, органическом мире и социальной жизни – в целостную научную картину на основе базисных принципов, имеющих об щенаучный статус [30;
258]. Эти принципы, не отрицая специфики каждой конкретной отрасли знания, в то же время выступают в качестве инварианта в многообразии различных дисциплинарных онтологий. Формирование таких принципов было связано с переосмыслением оснований многих научных дисциплин. Такое переосмысление выступает как один из аспектов великой культурной трансформации, происходящей в нашу эпоху. По мнению акаде мика Н. Н. Моисеева [199, с. 63]: «Всё наблюдаемое нами, всё, в чём мы се годня участвуем, это лишь фрагменты единого синергетического процесса».
Программной установкой синергетики является поиск общих идей, общих методов, общих закономерностей процессов самоорганизации в самых раз личных областях естественнонаучного, технического и гуманитарного зна ния [139, с. 99;
199 – 201]. Важной особенностью синергетических процессов является то, что они всегда характеризуются возникновением нового качест ва в системе, состоящей из взаимодействующих между собой элементов лю бой природы [214, с. 251]. В работе [131] самоорганизация определяется как процесс стабилизации временных и пространственных неустойчивостей за счёт баланса между внутренними диссипативными расходами (т.е. рассеяни ем) и поступлениями энергии от источника неравновесности. Но термин «энергия» имеет здесь метафорический, обобщающий характер, и под ним подразумевается как собственно энергия, например, в виде тепла, так и веще ство, информация, а в случае социологических систем – товары, деньги, культурные ценности, идеи и т.д. [53, с. 73]. Г. Хакен, например, в работе [314], описывая самоорганизацию биологических систем, приходит к выводу о применимости принципа отбора не только к животным, но и к их компо нентам, вплоть до клеточных структур. Процесс эволюции всего мира как единого целого, Э. Янч [398] описал также в терминах теории самоорганиза ции. Конкурентное поведение компонентов в неорганических автокаталити ческих реакциях, протекающих при определённых принудительных услови ях, наблюдал В. Эбелинг, показавший, что для этих реакций справедлив дар виновский закон выживания наиболее приспособленных видов [376, с. 205– 210]. Обобщая достижения современного естествознания, автор [245] харак теризует новую картину мира как синергетически-эволюционную.
Если кратко охарактеризовать современные тенденции синтеза науч ных знаний, то они согласно [274] выражаются в стремлении построить об щенаучную картину мира на основе принципов универсального эволюцио низма, объединяющих в единое целое идеи системного и эволюционного подходов. Одним из основоположников этих принципов считается М. Эйген [12;
377–379], который, опираясь на работы И. Пригожина и его соавторов подчёркивает роль организации структур в процессе возникновения жизни не столько в физическом, сколько в «информационном пространстве». Для ха рактеристики степени самоорганизации, функциональной упорядоченности и определения направления эволюции им вводится понятие «ценность инфор мации». Информация возникает и приобретает «ценность» посредством от бора, согласно которому благоприятные индивидуальные изменения сохра няются, а вредные уничтожаются. Понятие «ценность информации», таким образом, представляет собой «перевод» на современный язык дарвиновского принципа. Этот приём позволил М. Эйгену ввести в молекулярную динамику понятие отбора и согласовать его с уже известными молекулярными пара метрами. По мнению автора [12], синергетические исследования М. Эйгена показывают, что биология сводима к физике в том смысле, что физические и химические законы раскрывают основу биологических процессов, в частно сти термодинамическую. Но биология не сводима к физике в том смысле, что существуют отличные от физических биологические параметры и законы, существо которых из физики не выводимо. Особенность принципа отбора максимальной селективной ценности Эйгена состоит в том, что он объединя ет биологические, физические и химические параметры, и поэтому является не физическим, а общим физико-биологическим, или синергетическим, принципом, причём физические и химические параметры в нём автоматиче ски «подчинены» биологическим и предбиологическим.
Более современные усилия по объединению синергетики и теории ин формации, основанной К.Э. Шенноном [332], развиваемой Н.Винером [54], Р.В.Л. Хартли [318], А.Н. Колмогоровым [149], привели к попытке создания синергетической теории информации, в которой «…количество информации, самоотражаемой конечным множеством, является результатом совместного отражающего действия всей совокупности его элементов, а термин “синерге тика” буквально означает “совместный, согласованно действующий”» [63].
Характеризуя протекание интеграционных процессов в рамках естест венных наук, М.Г. Гольдфельд писал: «Интеграция естественных наук на ос нове их математизации, взаимопроникновения, стирания границ между от раслями естествознания путём создания множества пограничных областей на стыке двух, а иногда и трёх наук и заполнение, таким образом, существовав ших ранее белых пятен в общей картине мира – такова генеральная тенден ция современного естествознания» [79]. В настоящее время, каким бы узко специальным ни было естественнонаучное исследование (например, по хи мии высокомолекулярных соединений [346 – 348]), оно непременно включа ет в себя приёмы, методы, знания других дисциплин и, по сути, всегда пред ставляет собой интегрированный процесс познания1.
Следует также отметить, что решение глобальных проблем, встающих перед человечеством, и всё острее заявляющих о себе, носит также исключи тельно междисциплинарный характер [282].
Так, в упомянутых [346 – 348], исследование химических процессов проводится с помо щью: физических измерений, физико-химических методов исследования и математиче ских способов описания.
Таким образом, развитие междисциплинарной интеграции в естество знании привело к открытию синергетического единства картины мира, а зна чит, к необходимости формирования синергетического подхода к обучению естественно-математическим дисциплинам, который призван отразить дос тижения современной науки в учебном процессе.
1.2. ДИНАМИКА МЕЖДИСЦИПЛИНАРНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ОБРАЗОВАНИИ Развитие теории междисциплинарных взаимодействий всегда опира лось на фундаментальные достижения философии образования [70;
71;
157;
171], дидактики [14;
114;
115;
123 – 127;
169;
172;
202;
265;
289], теории оп тимизации процесса обучения [12;
22;
378], теории учебно-познавательной деятельности [21;
64;
230], теорий развивающего, проблемного, личностно ориентированного обучения [2 – 4;
91;
94;
151;
260;
385], теории педагогиче ского образования [173;
231;
317].
К.Д. Ушинский обосновывая важность межпредметных связей писал, что обособленность знаний приводит к омертвению идей, понятий, когда «они лежат в голове, как на кладбище, не зная о существовании друг дру га…Голова, наполненная отрывочными, бессвязными знаниями, похожа на кладовую, в которой всё в беспорядке и где сам хозяин ничего не отыщет;
голова, где только система без знания, похожа на лавку, в которой на всех ящиках есть надписи, а в ящиках пусто» [305, с. 177–178]. Подобно междис циплинарному взаимодействию в науке, динамика взаимодействия компо нентов образования демонстрирует сочетание двух противоположных тен денций – дифференциации и интеграции компонентов системы [169]. Диф ференциация связана с увеличением педагогической значимости отдельных предметов. Она может выражаться в превращении отдельных дисциплин в учебные курсы с обособлением от тех курсов, в рамках которых они выделя лись ранее. Так в своё время учебная дисциплина «химия» превратилась в самостоятельный учебный курс с выделением в нём органической и неорга нической химии. Встречается и такой аспект дифференциации, когда увели чивается набор дисциплин в учебном курсе. Например, школьный курс био логии, состоявший ранее только из ботаники и зоологии, имеет в своём со ставе сегодня и курс общей биологии.
Наблюдается и обратный процесс – интеграция, примером которой может служить сравнительно новая школьная дисциплина «Естествознание», вобравшая в себя основополагающие представления о физике, химии, биоло гии, экологии и в то же время, представляющая собой отдельный, самостоя тельный предмет [269, с. 89–93;
380].
Преподавание нового предмета в V – VII классах общеобразовательных школ позволяет учителям представлять естественнонаучные дисциплины (химию, физику, биологию), изучаемые далее в старших классах, как углуб лённое изучение отдельных разделов этого интегрированного курса [304]. В частности, авторы [284], заметив, что задачи на концентрации, осваиваемые школьниками на уроках химии в 8 классе, аналогичны задачам, решаемым на математике в 6 классе, разработали серию интегрированных уроков матема тики и химии в 6 классе, на которых обращают внимание учащихся на то, что решение подобных задач встретится им при изучении химии. В работе [319] обсуждается противоречие между традиционными пропорциями, используе мыми при решении задач по химическим уравнениям и современными фор мулами, применяемыми при решении аналогичных задач на других естест веннонаучных уроках. При этом автор предлагает использовать единый под ход на всех предметах – вместо изучения правил составления пропорций применять строгие математические формулы.
При рассмотрении интеграционных образовательных процессов следу ет разделять внутридисциплинарные связи и междисциплинарные связи. В учебнике [116] подчёркивается, что учебная дисциплина по фундаменталь ной науке рассматривается как система, в общих чертах повторяющая систе му самой науки и её связи с другими науками. При этом система, в которой каждый элемент связан непосредственно с другими элементами, обладает максимальной плотностью связей. Благодаря этому в такой системе обучения достигается максимальное число внутридисциплинарных связей, что содей ствует формированию научного знания и отвечающего ему типа мышления.
Внутридисциплинарные связи являются системообразующими связями в со держании учебной дисциплины. Наиболее подробно в учебнике рассматри ваются внутридисциплинарные связи между четырьмя основными блоками содержания химии, которые, по мнению автора, отражают четыре основных учения:
1) о направлении химических процессов (химическая термодинамика);
2) о скорости химических процессов (химическая кинетика);
3) о строении вещества;
4) о периодичности (о периодическом изменении свойств элементов и их соединений) (Рис.1.1).
Важность использования междисциплинарных связей при системном подходе к образовательному курсу вытекает из рассмотрения учебной дис циплины как элемента системы дисциплин, предлагаемых учащемуся в тече ние некоторого интервала времени обучения (рис.1.2).
Междисциплинарные (межпредметные) связи выполняют роль систе мообразующих связей между изучаемыми дисциплинами и усиливают моти вацию изучения данной дисциплины. Междисциплинарные связи чётче пока зывают обучаемому границы изучаемой науки и места соприкосновения со смежными науками, а также повышают степень многосторонности рассмотрения изу чаемого объекта.
В работе [232]рассматривается математическая модель в системе межпредметных связей – аспект взаимопроникновения в учебный процесс метода моделирования и методов исследования, характерных для естествен ных и математических наук, особенно для физики и математики. Первый этап обучения моделированию представляет собой процесс создания физиче ской модели изучаемого явления, при котором абстрагируются от ряда дета лей, несущественных для данной задачи.
Учение о строении Учение о направ вещества лении химиче ских процессов (химическая тер модинамика) Междис Внутри цип дисципли линарные нарные связи связи Учение о скоро- Учение о перио сти химических дичности (о перио процессов (хи- дическом измене мическая кине- нии свойств эле тика) ментов и их соеди нений) Рис.1.1. Системное построение курса химии Биология, Математика экология Другие Химия Физика дисциплины Рис. 1.2 Схема междисциплинарных связей Например, решая задачи механики, учащиеся должны там, где это воз можно, моделировать тело материальной точкой;
если же этого по условию задачи сделать нельзя, используется модель абсолютно твёрдого тела;
если же и эта модель непригодна, то ограничиваются моделью упругодеформиро ванного тела и лишь в крайнем случае учитывают пластические деформации.
Но, физическое моделирование является лишь предпосылкой для соз дания адекватной математической модели. При этом физическая модель ото бражается наиболее простой математической моделью, что немаловажно, так как позволяет избежать излишних математических трудностей. Последнее принципиально ценно для учебного процесса, поскольку учащиеся часто не владеют математическим аппаратом, используемым в науке, и приходится ограничиваться относительно низким уровнем математических знаний и умений.
Получив математическую модель, следует отвлечься от конкретного содержания задачи и обратиться к анализу её математической структуры.
При этом совершенно никакой роли не играет смысл величин, входящих в математическую модель, - рассматривается лишь система умозаключений, на основе которой могут быть установлены соотношения между величинами.
Здесь используются определённые логические операции, которые произво дятся по известным правилам, установленным в математике.
Но иногда математическая задача не может быть решена, ибо матема тическая модель чересчур сложна. Тогда математическую модель упрощают, вводя ряд новых допущений о характере исследуемых величин с таким рас чётом, чтобы задача могла быть решена теми математическими методами, которыми можно воспользоваться на данном этапе обучения.
После выполнения строгих выкладок математическая часть исследо вания оказывается законченной - математическая модель сыграла свою роль.
Но решение математических уравнений является конечной целью лишь для математики, в то время как для физики – лишь средством, методом исследо вания. То есть, по завершении математической части исследования, физиче ское исследование продолжается и состоит в физической интерпретации по лученного результата, а также оценке физического смысла тех допущений, которые были введены при упрощении математической модели. Кроме того, необходимо оценить границы применимости полученного результата, т.е.
область значений параметров, при которых результаты исследования будут согласовываться с данными эксперимента.
Необходимость установления в учебном процессе связей между физи кой и химией как учебными предметами, по мнению авторов [76], диктуется во-первых, объективно существующими взаимосвязями физических и хими ческих наук, во-вторых, требованиями дидактики и психологии о необходи мости последовательного развития и обобщения знаний учащимися, а также систематизации процесса формирования ими научных понятий.
В частности, в работе [76] сопоставляется содержание понятия моле кула, данное в учебниках физики и химии. Из таблицы 1.1 видно, что на уро ках физики понятием о молекуле учащиеся овладевают в достаточно полном объёме, поэтому на уроках химии нет надобности формировать его заново.
Знания о молекулах (1-8), полученные школьниками на уроках физики, сле дует лишь конкретизировать, развивать и обобщать при обучении химии.
Как указывал академик Г.С. Ландсберг «преподавание…необходимо строить таким образом, чтобы в дальнейшем учащийся мог и должен был бы доучиваться, но никогда не был бы вынужден переучиваться» [380, c. 16].