CC BY
16
УДК 002.5(042.4)
Клещева Нелли Александровна
доктор педагогических наук, профессор Дальневосточного федерального университета
Бернавская Майя Владимировна
кандидат педагогических наук, доцент Высшей школы иностранных языков Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого
МЕТАПРЕДМЕТНЫЙ ПОДХОД К РАЗРАБОТКЕ УЧЕБНЫХ КУРСОВ ДЛЯ STEM-СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ
Аннотация:
В статье обсуждаются вопросы метапредмет-ного построения содержания курса «Специальные главы физики» для магистрантов STEM-специальностей. Предложена основная содержательная единица курса, относительно которой отображается единство и взаимосвязь гуманитарного, естественно-научного и технического знаний, - понятие «физическая картина мира» (ФКМ). Обоснован выбор методологической платформы для систематизации понятийного аппарата ФКМ - теория научных революций Т. Куна. Отмечено, что на этой основе структура ФКМ может быть представлена в виде двух взаимосвязанных блоков: научной парадигмы и научного знания. Описана технология построения каждого понятийного уровня, отражающая логику развития научного знания в рамках каждой ФКМ. Показано, что использование парадигматики Т. Куна позволяет с единых методологических позиций объяснить генезис и развитие механистической, электродинамической и квантовополевой картин мира. Представлены содержание учебных модулей курса и элементы учебно-методического комплекса. Проанализирован комплекс метакомпе-тенций, которые могут быть сформированы при внедрении в образовательную практику предлагаемого подхода к построению содержания курса.
Ключевые слова:
метапредметный подход, STEM-специальности, физическая картина мира (ФКМ), теория научных революций, научная парадигма ФКМ, научное знание ФКМ.
https://doi.org/10.24158/spp.2019.12.21 Kleshcheva Nelly Alexandrovna
D.Phil. in Education Science, Professor, Far Eastern Federal University
Bernavskaya Maya Vladimirovna
PhD in Education Science, Associate Professor, Higher School of Foreign Languages, Saint Petersburg Polytechnic University
META-SUBJECT APPROACH TO THE DEVELOPMENT OF TRAINING COURSES FOR STEM SPECIALTIES
Summary:
The paper discusses the issues of meta-subject construction of the content of the course "Special Chapters of Physics" for graduate students of STEM specialties. The main substantive unit of the course is proposed, with respect to which the unity and interconnection of humanitarian, natural-scientific and technical knowledge is displayed as the concept of "physical picture of the world". The choice of a methodological platform for systematizing the conceptual apparatus of the course (the theory of scientific revolutions by T. Kuhn) is justified. It is noted that, on this basis, the structure of physical picture of the world can be represented in the form of two interconnected blocks: a scientific paradigm and scientific knowledge. The technology of constructing each conceptual level, which reflects the logic of the development of scientific knowledge within each physical picture of the world, is described. It is shown that the use of T. Kuhn's paradigm allows us to explain the genesis and development of the mechanistic, electrodynamic, and quantum-field physical picture of the world from a unified methodological position. The content of the training modules of the course and the elements of the educational complex are presented. The complex of meta-competencies that can be formed when implementing the educational approach of the proposed approach to the construction of the course content is analyzed.
Keywords:
meta-subject approach, STEM specialties, physical picture of the world, theory of scientific revolutions, scientific paradigm of physical picture of the world, scientific knowledge of physical picture of the world.
Современный этап развития мировой образовательной системы ориентирован на формирование у студентов метапредметных компетенций, способствующих их общекультурному, личностному и познавательному развитию. Проблема изучения сущности и структуры метакомпе-тенций, а также механизмов их формирования уже вышла за рамки системы образования, как в зарубежных [1], так и в российских исследованиях [2]. Данная проблема становится предметом исследования многих наук - социологии и культурологии, инженерии и менеджмента знаний, теории управления и измерений [3]. Несмотря на значительный пласт имеющихся исследований, проблема еще далека от стадии своего теоретического и практического решения. В теоретическом аспекте в полной мере не исследованы эпистемология и семантика таких сложных категорий, как метазнания и метакомпетенции, нет однозначного подхода к определению комплекса необходимых метакомпетенций, формирующих профессиональный и личностный статус будущего специалиста. В практическом аспекте недостаточно обоснованных исследований, раскрывающих механизмы реализации метапредметного подхода в рамках предметных форм обучения, технологии формирования метазнаний и метакомпетенций.
Тем не менее в связи с изменившимися образовательными ориентирами метапредметный подход к построению содержания учебных курсов и организации образовательного процесса рассматривается как основа формирования целостного мировоззрения и освоения универсальных способов деятельности. В рамках каждой дисциплины должны быть выявлены и обоснованно реализованы содержательные, методические и дидактические средства, с помощью которых можно формировать и метазнания (т. е. знания о том, как оно устроено и структурировано), и определенные метакомпетенции (системное мышление, когнитивные умения и т. д.).
В этом смысле трудно переоценить роль курса физики в формировании метапредметных знаний и компетенций. Научное знание физики имманентно является метапредметным. Гносеологические основания физики определяют ее взаимосвязь с философией, логикой, методологией науки и являются частью общечеловеческой культуры. Онтологические основания физики «руководят» построением научного знания большого спектра дисциплин естественно-научного и технического направлений. Однако в реальной образовательной практике мощный методологический и мировоззренческий фундамент физического знания остается вне «когнитивной карты» студентов, во всяком случае в системе бакалавриата. Это связано с большим комплексом причин как объективного, так и субъективного характера. К ним можно отнести резкое уменьшение трудоемкости дисциплины «Физика», содержательную неподготовленность студентов к восприятию метапредметности физического знания (не прочитаны курсы философии, логики, теоретической механики, дисциплин технического цикла) и ряд причин дидактического плана.
Представляется возможным решить эту важную социокультурную и педагогическую задачу на более высоком уровне образовательной структуры - в системе магистратуры. Практически на всех направлениях академической и прикладной технической магистратуры современными образовательными стандартами регламентируется курс «Специальные вопросы (главы) физики». Традиционно в него включаются элементы физического знания, формирующие систему технического знания соответствующей предметной области, которые либо не рассматриваются на уровне бакалавриата, либо требуют более глубокого осмысления. Как правило, вне содержательной канвы курса остаются вопросы методологии физического знания и научного познания, вопросы принципов построения научного знания, единых как для физического, так и для технического знания. Следует отметить, что в американских и западноевропейских вузах практически на всех направлениях магистратуры STEM-специальностей (Science, Technology, Engineering and Mathematics) в образовательную практику включены интегрированные учебные курсы по методологии науки и физики, в которых синтезируется гуманитарное, естественно-научное и техническое знание программ бакалавриата [4].
Учитывая высокий образовательный статус магистратуры, представляется целесообразным актуализировать разработки метапредметного подхода к построению содержания данного курса, основанного не на изложении отдельных разделов физики, а на «акцентировании» методологического и мировоззренческого характера физического знания, его доминирующей роли в комплексе наук о природе и в системе технического знания. В статье представлен опыт разработки такого курса, внедренного в образовательную практику в Дальневосточном федеральном университете в системе академической магистратуры по направлению подготовки «Инфокомму-никационные технологии и системы связи».
Направление подготовки является актуальным, так как инфокоммуникационные технологии внедрены во все сферы деятельности человека. Профессиональная деятельность выпускников связана с разработкой радиоэлектронных устройств, проведением научно-исследовательской работы, созданием новых средств связи, тестированием нового оборудования, организацией испытаний электронных средств.
Направленность на метапредметный характер построения курса «Специальные главы физики» потребовала определения концептуальных оснований органичного включения в содержание курса методологических и логических знаний (метазнаний), позволяющих в процессе обучения «внутренне» соединить физическое знание с методами его познания. Высшей формой научного знания является понятие «картина мира» [5]. Физическая картина мира (ФКМ) - это высший уровень систематизации знаний, на котором наиболее полно проявляется взаимосвязь физики с философией, логикой и методологией науки [6]. Поэтому понятие «физическая картина мира» выступило метапредметной категорией, относительно которой можно структурировать научное и учебное физическое знание. Методологической основой структурирования была выбрана теория научных революций Т. Куна [7]. Следует отметить, что в XX в. в рамках западноевропейского и американского неопозитивизма было предложено значительное число интересных (хотя и спорных) концепций логики развития и принципов построения научного знания [8]. Концепция научных революций представляется нам наиболее интересной в смысле ее адекватности логике развития физического знания.
Историю науки Т. Кун представил как смену общих представлений об окружающей действительности, стратегиях научного исследования и методах научной деятельности. Он ввел фундаментальное понятие, позволяющее описывать и различать эти этапы в истории науки, -понятие «парадигма», определенное им как система общепринятых в конкретный момент времени знаний и методов исследования окружающей действительности. Таким образом, процесс развития науки Т. Кун рассматривает как «двухфазный». Формирование парадигмы: фаза «поиска научного обоснования» сменяется фазой «нормальной науки», которая, исчерпав свои возможности, снова сменяется фазой «поиска научного обоснования». Смена парадигмы означает научную революцию. Такой подход к процессу развития науки, по нашему мнению, позволяет раскрыть генезис и развитие всех трех ФКМ, выделенных в методологии физики, - механистической (МКМ), электродинамической (ЭДКМ) и квантовополевой (КПКМ) и, соответственно, продемонстрировать их смену (т. е. научные революции).
Так, для магистрантов, изучающих процессы распространения электромагнитных волн, теорию поля и специальные вопросы электродинамики, особенно значимым становится постижение ФКМ, связанной с электродинамической, квантовополевой и механистической картинами.
На этой основе концептуальная структура физической теории была представлена в виде двух взаимосвязанных понятийных структур: блока «научная парадигма ФКМ» и блока «научное знание ФКМ». В свою очередь, структура каждого блока определялась следующими соображениями. Основанием для систематизации и структурирования любого научного знания выступают универсальные философские категории, раскрывающие сущность явлений окружающего мира. В рамках физической картины мира в качестве таких категорий выступают понятия «материя», «движение», «пространство», «время», «взаимодействие». Поэтому диалектический ряд этих понятий сформировал высший уровень блока «научная парадигма ФКМ» - уровень общефилософских представлений. Функцию переходного звена от философского уровня методологического анализа теории к уровню ее научного знания выполняют основополагающие физические понятия, идеи, принципы, формирующие второй уровень - уровень общенаучных представлений.
Научная парадигма формирует второй структурный элемент ФКМ - научное знание. Для осознания индуктивно-дедуктивного метода физического познания студенты должны четко представлять, что целостность физического знания обеспечивается взаимодействием элементов эмпирического и теоретического знания. Привлечение в процесс познания средств математики и логических операций обобщения, анализа, синтеза, абстрагирования и т. д. приводит к построению фундаментальных физических законов, составляющих понятийный фундамент соответствующей картины мира. Исходя из этих соображений, структура блока «научное знание ФКМ» была представлена в виде трех понятийных уровней: эмпирический базис, теоретический базис и непосредственно ядро физической картины мира.
Таким образом, использование концепции Т. Куна позволяет представить всю совокупность физического знания в виде логически взаимосвязанной понятийной структуры и, соответственно, «проследить» методологию физического познания. В процессе преподавания можно наглядно продемонстрировать, как появление «аномальных элементов» научного знания приводит к постепенному изменению представлений о фундаментальных философских категориях, т. е. к смене существующей парадигмы. Так, например, область электрических и магнитных явлений не объяснялась представлениями о материи как вещественной субстанции и механистической концепцией взаимодействия (концепцией дальнодействия). Изучаемые закономерности движения частиц со скоростями, близкими к скорости света, не объяснялись представлениями об абсолютном пространстве и времени. Эти научные факты принципиально «расширили» механистическую парадигму, подведя ее к точке бифуркации, - произошла научная революция -механистическая картина мира сменилась электродинамической. В свою очередь, в рамках электродинамической картины мира появились элементы знания (тепловое излучение, фотоэффект), объяснение которых привело к введению в науку принципиально отличных от классических представлений о дискретности и корпускулярно-волновом дуализме материи, - электродинамическая парадигма сменилась квантовополевой.
Общенаучное преставление тесно связано с набором специальных дисциплин, изучаемых в рамках направления подготовки «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», - специальные вопросы спутниковых и наземных средств связи, цифровая передача информации, обработка сигнала в трактах звукового и телевизионного вещания, специальные вопросы цифровой связи. В свою очередь, эти и другие дисциплины из блока профессиональных тесно связаны с профессиональным стандартом и требованиями, предъявляемыми предприятиями регионов, для которых ведется подготовка специалистов.
Выбор исходных методологических установок для отбора и структурирования учебного знания дисциплины «Специальные вопросы физики» определил информационное поле и логическую структуру курса. Учебное содержание курса структурировано в два модуля. В первом модуле представлены основные этапы развития физической науки от Античности до наших дней. Рассматриваются вопросы методологии научного познания и логики развития научного знания. Особое внимание уделяется наиболее интересному, по мнению авторов, подходу к решению этой проблемы - теории научных революций Т. Куна.
В содержании второго модуля физическое знание представлено на более высоком уровне систематизации - на уровне физической картины мира. С позиций парадигматики Т. Куна прослеживается генезис и развитие физического знания - показывается, как появление новых физических идей способствовало «разрушению» существующей научной парадигмы и привело к формированию новой. Отмечены основополагающие идеи механистической, электродинамической и квантовополевой картин мира.
Таким образом, основная образовательная цель построения содержания курса была ориентирована на формирование в процессе преподавания не просто совокупности физических знаний, а системы знаний о структуре, принципах организации и логике развития этих знаний, их способах получения, единых для всего естествознания и техники, т. е. метазнаний. Степень ин-териоризации этих знаний, т. е. уровень сформированности определенных компонентов мета-компетенций, оценивается по результатам выполнения студентами четырех творческих заданий.
Для успешного выполнения первых трех заданий - «Структура и основное содержание МКМ/ЭДКМ/КПКМ» - студенты должны не только обладать теоретическими знаниями в соответствующей области физики, но и демонстрировать устойчивые навыки аналитико-синтетических компонентов мышления для логического отображения причинно-следственных связей физического знания. Выполнение этих заданий ориентировано на формирование ряда важных содержательных компонентов метакомпетенций - системного мышления, умения управлять имеющейся информацией и регулировать мыслительные процессы, способности к саморазвитию и саморефлексии.
Четвертое задание - «Физические основы современных инфокоммуникационных технологий» - ориентировано на акцентирование метапредметного характера физического знания в системе технического знания. Для его успешного выполнения студенты должны не только обладать знаниями в области физической науки, но и четко представлять структуру и содержание предметной области «Инфокоммуникационные технологии», перспективы ее дальнейшего развития. Выполнение этого задания также способствует формированию таких важных для будущего инженера элементов метакомпетенций, как когнитивная мобильность, креативность, критичность и проблемная ориентация, способность к прогнозированию и оценке результатов.
Учитывая принципиальную новизну предлагаемого учебного материала, для поддержки степени его усвоения и выполнения заданий мы разработали мультимедийное учебное пособие [9]. В содержании пособия представлена не полнотекстовая версия соответствующего курса лекций, а символьно-графическое отображение основных фрагментов учебной информации, полностью соответствующих логике и структуре читаемого курса. В приложениях пособия кратко представлены основные элементы физического знания, обращение к которым поможет студентам выполнить предлагаемые задания - представить собственное видение соответствующей физической картины мира.
По нашему мнению, предлагаемый подход к разработке содержания учебного курса «Специальные главы физики», с одной стороны, подчеркивает многоуровневый и метапредметный характер физического знания, а с другой - знакомит студентов с современными подходами в методологии научного познания, расширяя тем самым образовательную и эрудиционную значимость курса.
Представленный подход позволит выпускникам STEM-специальностей уверенно ориентироваться в сложных задачах профессиональной деятельности, найти свое место в структуре быстро развивающегося инфокоммуникационного рынка. Кроме того, специалисты смогут управлять создаваемой в России устойчивой и безопасной информационно-телекоммуникационной инфраструктурой высокоскоростной передачи, обработкой и хранением больших объемов данных.
Ссылки:
1. Литвинов А.В., Иволина Т.В. Метакогниция: понятие, структура, связь с интеллектуальными и когнитивными способностями (по материалам зарубежных исследований) // Современная зарубежная психология. 2013. № 3. С. 59-70 ; Bergmann G. Mal Kompetenz: Thesen zu Kompetenz, Kompetenzentwicklung und Metakompetenz [Электронный ресурс]. URL: http://www.wiwi.uni-siegen.de/inno/pdf/meta-kompetenz_8_mal-1.pdf (дата обращения: 22.12.2019) ; Dimitrova D. Das Konzept der Metakompetenz. Wiesbaden, 2008 ; Erpenbeck J. Metakompetenzen und Selbstorganisation // Metakompetenzen und Kompetenzentwicklung. Berlin, 2006. S. 5-14.
2. Грешилова А.В. Содержание метапредметных компетенций у студентов среднего профессионального образования // Magister Dixit : электронный научно-педагогический журнал Восточной Сибири. 2014. № 1 (13). С. 174-178 ; Громыко Н.В. Метапредметный подход в образовании при реализации новых образовательных стандартов [Электронный ресурс] // Учительская газета. 2010. 7 сент. URL: http://www.ug.ru/archive/36681 (дата обращения: 22.12.2019) ; Николаева А.Д., Маркова О.И. Метапредметные компетенции как педагогическая категория [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образования : электронный научный журнал. 2015. № 4. С. 45-47. URL: https://www.science-educa-tion.ru/ru/article/view?id=20437 (дата обращения: 22.12.2019) ; Хуторской А.В. Метапредметное содержание и результаты образования: как реализовать федеральные государственные образовательные стандарты (ФГОС) [Электронный ресурс] // Эйдос : интернет-журнал. 2012. № 1. URL: http://www.eidos.ru/joumal/2012/0229-10.htm21 (дата обращения: 22.12.2019).
3. Карпов А.В., Скитяева И.М. Психология метакогнитивных процессов личности. М., 2005. 352 c. ; Рубцов В.В., Забродин Ю.М. Компетентностный подход как концептуальная основа связи профессионального образования и профессионального труда // Вестник практической психологии образования. 2012. № 3. С. 56-59 ; Холодная М.А. Психология интеллекта. Парадоксы исследования. СПб., 2002 ; Ядов В.А. Саморегуляция и прогнозирование социального поведения личности: диспозиционная концепция. М., 2013.
4. Alley R.E.Jr. Physics in Undergraduate Engineering Education - Report of a Survey // American Journal of Physics. 1972. Vol. 40, no. 8. P. 1063-1069. https://doi.org/10.1119/11986761 ; Goldschmid В., Goldschmid M.L. Modular Instruction in Higher Education: a Review // Higher Education. 1972. № 2. 15-32. https://doi.org/10.1007/bf00162534 ; Intelligence and Learning / ed. by M. Friedman, J.P. Das, N. O'Connor. N. Y., 1981. https://doi.org/10.1007/978-1-4684-1083-9.
5. Ахиезер А.И., Рекало М.П. Современная физическая картина мира. М., 1980.
6. Клещева Н.А., Шилова Е.С. Разработка дополнительных курсов физического содержания в системе инженерного образования // Фундаментальные исследования. 2012. № 11, ч. 2. С. 336-340.
7. Клещева Н.А., Шилова Е.С. Указ. соч. ; Кун Т. Структура научных революций : пер. с англ. М., 1972.
8. Лакатос И. Избранные произведения по философии и методологии науки / пер. с англ. И.Н. Веселовского [и др.]. М., 2008 ; Фейерабенд П. Избранные труды по методологии науки / пер. с англ. и нем. А.Л. Никифорова. М., 1986 ; Эд-мондс Д., Айдиноу Дж. Кочерга Витгенштейна: история десятиминутного спора между двумя великими философами / пер. с англ. Е. Канищевой. М., 2004.
9. Клещева Н.А., Краевский А.М., Стаценко Л.Г. Специальные главы физики : учеб. пособие. Владивосток, 2016.
References:
Akhiezer, AI & Rekalo, MP 1980, Modern Physical Picture of the World, Moscow, (in Russian).
Alley, REJr 1972, 'Physics in Undergraduate Engineering Education Report of a Survey', American Journal of Physics, vol. 40, no. 8, pp. 1063-1069, https://doi.org/10.1119/119e6761, (in Russian).
Bergmann, G 2019, Times Competence: Theses on Competence, Competence Development andMetacompetence, viewed 22 December 2019, <http://www.wiwi.uni-siegen.de/inno/pdf/meta-kompetenz_8_mal-1.pdf>, (in German). Dimitrova, D 2008, The Concept of Metacompetence, Wiesbaden, (in German).
Edmonds, D, Idinou, J & Kanishcheva, E 2004, Wittgenstein's Poker: The History of a Ten-Minute Dispute Between Two Great Philosophers, Moscow, (in Russian).
Erpenbeck, J 2006, 'Metacompetence and Self-Organization', Metacompetence and Competence Development, Berlin, pp. 5-14, (in German).
Feyerabend, P & Nikiforova, AL (trans.) 1986, Selected Works on the Methodology of Science, Moscow, (in Russian). Friedman, M, Das, JP & O'Connor, N (eds) 1981, Intelligence and Learning, New York, https://doi.org/10.1007/978-1-4684-1083-9. Goldschmid, В & Goldschmid, ML 1972, 'Modular Instruction in Higher Education: a Review', Higher Education, no. 2, pp. 15-32, https://doi .org/10.1007/bf00162534.
Greshilova, AV 2014, 'The Content of Meta-Subject Competencies of Students of Secondary Professional Education', Magister Dixit: elektronnyj nauchno-pedagogicheskij zhurnal Vostochnoj Sibiri, no. 1 (13), pp. 174-178, (in Russian).
Gromyko, NV 2010, 'Meta-Subject Approach to Education in the Implementation of New Educational Standards', Uchitelskaya gazeta, September 7, viewed 22 December 2019, <http://www.ug.ru/archive/36681>, (in Russian).
Karpov, AV & Skityaeva, IM 2005, Psychology of Metacognitive Processes of Personality, Moscow, 352 p., (in Russian). Kholodnaya, MA 2002, Psychology of Intelligence. Paradoxes of Research, St. Petersburg, (in Russian). Khutorskoy, AV 2012, 'Meta-Subject Content and Results of Education: How to Implement Federal State Educational Standards', Eidos, no. 1, viewed 22 December 2019, <http://www.eidos.ru/journal/2012/0229-10.htm21>, (in Russian).
Kleshcheva, NA & Shilova, ES 2012, 'Development of Additional Physical Education Courses in Engineering Education', Fundamentalnye issledovanija, no. 11, part 2, pp. 336-340, (in Russian).
Kleshcheva, NA, Kraevsky, AM & Statsenko, LG 2016, Special Chapters of Physics: Study Guide, Vladivostok, (in Russian). Kuhn, T 1972, The Structure of Scientific Revolutions, Moscow, (in Russian).
Lakatos, I, Veselovsky, IN, et al. (trans.) 2008, Selected Works on the Philosophy and Methodology of Science, Moscow, (in Russian). Litvinov, AV & Ivolina, TV 2013, 'Metacognition: Concept, Structure, Connection with Intellectual and Cognitive Abilities (Based on Foreign Studies)', Sovremennaja zarubezhnaja psikhologija, no. 3, pp. 59-70, (in Russian).
Nikolaeva, AD & Markova, OI 2015, 'Meta-Subject Competencies as a Pedagogical Category', Sovremennye problemy nauki i obrazovania, no. 4, pp. 45-47, viewed 22 December 2019, <https://www.science-education.ru/ru/article/view?id=20437>, (in Russian). Poisons, VA 2013, Self-Regulation and Prediction of Social Behavior of an Individual: Dispositional Concept, Moscow, (in Russian). Rubtsov, VV & Zabrodin, YuM 2012, 'Competency-based Approach as a Conceptual Basis for the Connection Between Vocational Education and Professional Work', Vestnik prakticheskoj psikhologii obrazovanija, no. 3, pp. 56-59, (in Russian).
Редактор: Шитикова Ольга Сергеевна Переводчик: Ездина София Александровна
