CC BY
56
УДК 53
Рахматуллин Марат Тимергалиевич
Кандидат педагогических наук, старший преподаватель кафедры общей физики и методики обучения физике Бирской государственной социально-педагогической академии, [email protected], Бирск
СОДЕРЖАТЕЛЬНЫЙ И ПРОЦЕССУАЛЬНЫЙ АСПЕКТЫ СИНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗНАНИЙ ПРИ ОБУЧЕНИИ ШКОЛЬНОМУ КУРСУ ФИЗИКИ
Rakhmatullin Marat Timergalievich
Candidate of Pedagogical Sciences, Birsk Stale Social Pedagogical academy, the Faculty of Physics and Mathematics, the Department of General Physics and Methodology of Physics Teaching, [email protected], Birsk
THE SUBSTANTIAL AND PROCEDURE ASPECTS OF THE SYNERGETIC KNOWLEDGE IN TEACHING PHYSICS
AT SCHOOL
Исследования в области нелинейной динамики, качественной теории дифференциальных уравнений, статистической физики заложили основу нового междисциплинарного научного направления - синергетики. Ее становление связано с изучением процессов самоорганизации в самых различных явлениях природы. Под самоорганизацией понимают процессы возникновения макроскопических упорядоченных пространственно-временных структур в сложных нелинейных системах, находящихся в далеких от равновесия состояниях, вблизи особых критических точек - точек бифуркации, в окрестности которых поведение системы становится неустойчивым [3, с. 546]. Появление теорий генерации лазера, колебательных химических реакций, диссипативных структур, турбулентности, динамического хаоса, катастроф послужило основанием для пересмотра методологических основ науки и образования, а так же формированию постнеклассического этапа их развития.
Философские основы синергетики изучались В. И. Аршиновым, В. Г. Будановым, Е. Н. Князевой, В. С. Степиным и др. При этом авторы развитие синергетики в философском плане видят в трех основных направлениях: в осмыслении онтологических категориальных структур самоорганизации и саморазвития, анализе гносеологической и методологической тематики, которая предполагает выяснение новых пониманий познавательных идеалов и норм для освоения сложных саморазвивающихся систем, включении в культуру новых научных представлений о саморазвитии. Согласно мнению исследователей синергетика претендует на то, чтобы стать ядром общенаучной картины мира.
К настоящему времени накопилось достаточно много теоретических и методических разработок с применением идей синергетики в области гуманитарных наук, в частности педагогики. Исследованию педагоги-
ческих процессов с позиции синергетики посвящены работы В. И. Андреева, М. В. Богуславского, В. Г. Виненко, Л. Г. Вяткина, А. Ю. Ефремова, Л. Я. Зориной, Е. Н. Князевой, В. Н. Корчагина, С. В. Кульневича, М. Ю. Опенкова, Ю. В. Талагаева, а так же методистов-физиков Н. В. Ко-чергиной, А. П. Усольцева и др.
Несмотря на появление многочисленных работ в этой области, ряд вопросов, касающихся содержательной и процессуальной сторон обучения, остаются не решенными. Это, в первую очередь, связано с определением синергетических знаний и их места в модели учебного предмета, в частности физики. Действительно, анализ научной и научно-методической литературы показал, что определение понятия «синергетические знания» нигде и никем не приводятся. Тем не менее, авторы работ продолжают использовать в своих исследованиях понятийный аппарат синергетики. Для определения понятия «синергетические знания» необходимо провести некий исторический экскурс в область данного научного направления. Поскольку любое научное исследование, проводимое в той или иной научной отрасли, связано с изучением и анализом его истоков.
Как отмечалось выше, синергетика до своего окончательного толкования изучалась в рамках различных научных направлений, в первую очередь, естественно-математических. Методы нелинейной динамики и качественная теория дифференциальных уравнений, будучи основой синергетики, разрабатывались задолго до ее появления великим французским математиком, физиком и философом Анри Пуанкаре. Его именем связано введение в научной обиход терминов аттрактор, точка бифуркации, неустойчивые траектории, динамический хаос, которые составляют понятийный аппарат синергетики. Большой вклад в разработку вероятностных методов статистической физики внес Л. Больцман. В дальнейшем эти методы и теории известные к тому времени уже как состоявшиеся послужили основанием для исследования самоорганизующихся систем физической, химической и биологической природы.
Таким образом, синергетика базировалась на знаниях философии, математики, естественных наук и формировалась в их пересечении. При этом, как утверждают многие ученые, она пытается синтезировать предыдущие подходы (системный, кибернетический и др.) на основе современной культуры моделирования, дополняя их новыми открытиями в области динамических теорий катастроф, хаоса и самоорганизации. Анализ истории возникновения синергетики, а также мнение исследователей этой области, приводят к выводу о том, что синергетика - это междисциплинарное научное направление, которое изучает закономерности развития сложных, самоорганизующихся систем. В междисциплинарных науках синтезируются понятия, законы, теории, а так же средства и методы, выработанные в разных дисциплинах для решения специфических задач.
Под синергетическими знаниями мы понимаем межпредметные научные знания о понятиях, законах, принципах, методах, теориях и картинах мира, обеспечивающие познание самоорганизующихся систем.
Любая наука отражается в содержание учебного предмета как система знаний и как деятельность. В этой связи модель учебного предмета, в частности физики, представляется в виде двух блоков: содержательный и процессуальный. В содержательный блок входят предметные научные знания, а процессуальный блок составляют способы деятельности и формы организации процесса обучения. В этой модели нас интересует комплекс вспомогательных знаний, состоящий из философских, логических, методологических, историко-научных, межпредметных и оценочных знаний. Отметим, что синергетические знания в этом комплексе в явном виде не представлены. Однако в нашей работе они рассматриваются как межпредметные. Поскольку синергетика и его понятийный аппарат возникли на стыке междисциплинарных научных направлений, а ее знания были позаимствованы из соответствующих областей.
В педагогической литературе вопрос, связанный с местом комплекса вспомогательных знаний в модели учебного предмета является несколько дискуссионным. Одни исследователи утверждают, что вспомогательные знания обеспечивают процесс усвоения предметных знаний в связи, с чем их приписывают к процессуальному блоку. Другие доказывают, что вспомогательные знания как и предметные научные знания являются объектом изучения, а последние могут выполнить такие же функции как и первые, в зависимости от формы организации познавательной деятельности обучаемого и предлагают их отнести к содержательному блоку. Отметим, что большинство ученых место вспомогательных знаний в модели учебного предмета определяют исходя из тематики своего исследования.
В определении места комплекса вспомогательных знаний, в модели учебного предмета, мы учитывали мнение тех и других исследователей, и пришли к следующему выводу: с одной стороны, такие элементы знаний комплекса как философские, логические, историко-научные, межпредметные не только дополняют содержание предметных научных знаний, но и повышают их научность и доступность. С этой позиции комплекс вспомогательных знаний близок к содержательному блоку учебного предмета. С другой стороны, в комплекс входят методологические знания, которые трактуются как «знания о знаниях» и как знания о методах познания. В этом отношении комплекс вспомогательных знаний входят в состав процессуального блока. В таких ситуациях следовало бы утверждать о том, что для комплекса вспомогательных знаний характерна двойственность подобно природе света. Так, вспомогательные знания, в частности синергетические, в зависимости от условий их введения в учебный процесс, во-первых, могут выступить в качестве его содержания, во-вторых, способны выполнить функцию одного из средств усвоения научных знаний и, в-третьих, могут выступить одновременно как содержание и средство по его усвоению. Рассмотрим сначала синергетических знаний как содержание обучения.
С позиции классической методологии науки в синергетическом знании В. И. Аршинов, В. И. Буданов и В. Э. Войцехович выделяют три уровня:
частнонаучный, общенаучный и философский [1]. Заполнение уровней знаниями может быть произвольным, однако в своей работе мы придержемся мнению вышеуказанных авторов и где-то их дополним новыми идеями.
Первый уровень синергетических знаний составляют объектные теории, разработанные в рамках различных наук. Для естественных наук (физики, химии, биологии) выделяются теории механических и электрических автоколебаний, турбулентности, нелинейной термодинамики, лазеров, химической динамики (Белоусова-Жаботинского), нелинейной биоэволюции и генно-структурной коэволюции Ч. Ламсдена и Э. Уилсона. Между этими теориями существуют связи, которые осуществляются с помощью принципов нелинейности, неустойчивости, открытости, подчинения.
Второй уровень синергетических знаний - общенаучный — образуют два блока: содержательный и формальный. В первый блок входят метатеории (концепции, в частности Г. Хакена и И. Пригожина), а во второй - теории катастроф, вероятностей, алгоритмов, категорий, клеточных автоматов, фрактальной геометрии. Этот уровень описывает, объясняет и предсказывает любые явления самоорганизации, а так же частные теории. В качестве основных принципов, устанавливающих связь между этими теориями, выступают принципы становления, свободы, диалогичности, фрактальности и сложности.
Третий уровень включает знания из области различных мировоззренческих учений. Этот уровень до конца еще не сформирован в нем складываются самые различные идеи, образы, мифы и переживания, в качестве которых выступают нелинейность, сложность, самоорганизация, становление, хаос и порядок, фрактал, холизм, теология и др.
Синергетические знания, которые мы выделяем для школьного курса физики, должны строиться, во-первых, с учетом степени их разработанности в науке и, во-вторых, доступности для учащихся. В этой связи предлагаем включить знания из частнометодического уровня и исключить последние два - общенаучный и философский - в силу высокой степени их научности и несоответствия уровня подготовки учащихся для усвоения.
Согласно теории содержания образования в предметных научных знаниях выделяют элемент, который имеет значимость для структуры содержания учебного предмета на каждом уровне его формирования. Так, для школьного курса физики старших классов таким элементом (дидактической единицей) является учебная теория. Следовательно, структура курса физики должна быть конструирована согласно структуре научных теорий, а содержание сгруппировано вокруг структурных и подструктурных ее элементов. Содержание школьного курса физики можно представить в виде шести фундаментальных физических теорий (классическая механика, молекулярно-кинетическая теория строения вещества, теория электромагнитного поля, электронная теория строения вещества, специальная теория относительности, нерелятивистская квантовая механика) которые были выделены И. С. Карасовой [2].
Как отметили выше, частнометодический уровень синергетических знаний составляют знания о теориях разных наук. Знания, которые входят в содержательный блок учебного предмета, в частности физики, должны быть логически подстроены в предметные научные знания, последние которых выступают как основные. Отметим, что теории, выделенные на частнометодическом уровне синергетических знаний, являются частными. Тем не менее, между фундаментальными и частными теориями существует взаимосвязь. Во-первых, для всех теорий существует единая структура, в которой выделяют: основание (научные факты, понятия, идеализированная модель), ядро (принципы, законы, математические уравнения), следствия и интерпретация. Во-вторых, фундаментальные физические теории состоят из более частных теорий, которые возникли на ранних этапах их развития и сохраняют самостоятельность в них. В-третьих, подструктуриые элементы частных теорий могут выступить элементами другого уровня фундаментальных теорий. Так, законы, ранее входившие в частные теории, предстают как следствие общих законов фундаментальной теории. И, в-четвертых, частные теории являются эмпирическим базисом для фундаментальных теорий в связи, с чем опытная проверка последних происходит на уровне первых.
Таким образом, содержание предметных научных знаний можно представить в виде фундаментальных физических теорий, которые свою очередь состоят из более частных теорий. Теории из частнометодического уровня синергетических знаний являются составной частью фундаментальных физических теорий. Например, теории колебаний маятника, механических автоколебаний, турбулентности являются компонентами более развитой фундаментальной физической теории - классической механики. Кроме того, объединив вместе теории (физические, химические, биологические) частнометодического уровня можно создать учебную фундаментальную теорию (синергетическую), способную описывать, объяснять и предсказывать процессы самоорганизации. Методика изучения подобного рода теорий нами рассмотрена более подробно в работе [4].
Перейдем к рассмотрению вопроса связанного с процессуальной стороной синергетических знаний при обучении физике. Отметим, что применение синергетического подхода к процессу обучения подразумевает его развитие согласно теории самоорганизации. Вопрос, связанный с процессом обучения требует уточнение содержания понятий «обучение» и «процесс обучения». Существуют разные точки зрения на определение этих понятий. В наиболее распространенных из них обучение понимается как целенаправленный процесс взаимодействия..., взаимно обусловленных вида деятельности..., общение обучаемого с обучаемым... и др. Понятие «процесс» по отношению к обучению характеризует его развитие в пространстве и по времени.
На основе вышеизложенного, если обучение определить через деятельность, а процесс как смену состояний деятельности, то процесс
обучения с точки зрения синергетики (самоорганизации) нами понимается как совместная и согласованная в пространстве и по времени деятельность учителя и ученика, сопровождающаяся сменой устойчивых и неустойчивых состояний приводящие к созданию новых знаний, умений и навыков.
Раскроем смысл вышеприведенного определения. Для этого сначала нам необходимо разобраться в сущности явления самоорганизации. Понять механизмы самоорганизации позволяют соответствующие модели. В рамках нашего исследования за основу была выбрана модель когерентного лазерного излучения, имеющая физическую природу. Выбор нами этой системы обосновывается тем, что, во-первых, само понятие «синергетика», что означает в переводе с греческого «совместное действие», произошло на основе исследований когерентного лазерного излучения. Во-вторых, процессы, происходящие в лазерном излучении, являются аналогом процессов самоорганизации, имеющие синергетический смысл.
Световые волны, распространяясь в веществе, взаимодействуют с атомами среды, последние поглощая часть энергии излучения, переходят в возбужденное состояние, которое характеризуется как неустойчивое. Спустя некоторое время атомы спонтанно (произвольно) переходят в невозбужденное состояние, излучая при этом световые цуги (волны). Для перевода атомов в возбужденное состояние, т. е. создания среды с инверсной населенности необходимо внешнее воздействие, которое называется накачкой. Она сообщает системе дополнительную энергию, которая идет на то, чтобы сделать среду активной. Мощность накачки является параметром порядка системы. Если атомы накачиваются (возбуждаются) внешним источником слабо, то на выходе из системы получается слабый по интенсивности свет (лазер действует как обычная лампа). Это объясняется тем, что атомы среды независимо друг от друга испускают волновые цуги в разные моменты времени, имеющие разные частоты, направления распространения, поляризации, т. е. световое поле спонтанного излучения, представляет собой волны с хаотическим набором фаз.
При увеличении мощности накачки до некоторого его критического значения резко возрастает интенсивность лазерного излучения. Это происходит за счет согласованного, кооперативного излучения волн, находящихся в одной фазе. Система переходит в новое, высокоорганизованное состояние, происходит ее самоорганизация.
Таким образом, модель когерентного лазерного излучения позволяет нам выдвинуть ряд положений необходимых для моделирования процесс обучения как самоорганизующейся системы:
- система, в которой происходит процесс самоорганизации, должна быть сложной, т. е. сложные связи между ее элементами;
- поведением элементов системы каждого уровни управляют параметры порядка;
- процесс самоорганизации происходит в открытой системе, далекой от термодинамического равновесия, которые добиваются за счет флуктуаций до макроскопического уровня;
- переход системы из неупорядоченного в упорядоченное состояние происходит в результате неустойчивости предыдущего неупорядоченного состояния при критическом значении некоторого параметра, отвечающем точке бифуркации;
- в точке бифуркации невозможно предсказать, в каком направлении будет развиваться система, станет ли состояние хаотическим или она перейдет на новый, более высокий уровень упорядоченности;
- дальнейшее развитие системы от точки бифуркации определяется аттрактором, т. е. целью-программой.
Предполагается, что в качестве той среды, куда поступает сигнал от внешнего источника, выступает группа учеников - класс, где каждый ученик рассматривается как отдельный атом. В этом отношении среда, где происходит процесс обучения, является сложной по своей иерархической структуре системой. Внешним источником является учитель взаимодействие, с учениками которого происходит посредством сигналов, носящих количество информации. Кроме того имеет место и другие виды внешних источников информации как Интернет, радио-телевещание, научно-популярная литература и т. д.
Начальное состояние классного коллектива, а так же отдельного ученика характеризуется как устойчивое. Поскольку учащиеся еще до начала обучения, не овладевают ни какими новыми для них знаниями, если не учитывать остаточные и полученные из жизненного опыта. Согласно теории самоорганизации система на пути своего развития постепенно должна прийти к состоянию неустойчивости, которое можно достичь за счет нелинейных эффектов. Нелинейность означает нарушение принципа суперпозиции в некотором явлении: результат суммы воздействий не равен сумме их результатов.
В процессе обучения нелинейные явления неизбежны. Они возникают практически на любом этапы его организации и этому способствуют несогласованные действия структурных элементов системы. Для того чтобы такие явления не искажали процесс обучения а наоборот повышали его эффективность необходимо знать о них и правильно ими распоряжаться. Так, несоответствие структуры учебного материала логике изложения его содержания часто приводит к нелинейным эффектам. В этой связи считаем, что содержание учебного материала должно соответствовать содержанию фундаментальных учебных теорий, а логика его изложения - логике их построения. Как отмечалось выше, содержание учебного материала школьного курса физики можно сгруппировать вокруг шести фундаментальных физических теорий (классическая механика, молекулярно-кинетическая теория строения вещества, основы теории электромагнитного поля, классическая электронная теория вещества, основы специальной теории относительно с-
ти, основы нерелятивистской квантовой механика) в состав которых входят теории из частнометодического уровня синергетических знаний.
Кроме того, неустойчивость процесса обучения может быть вызвана несоответствием методов и приемов обучения характеру отрезка учебного материала в целом, ситуации его изучения; несоответствием мотивов деятельности учащихся содержанию учебной деятельности и целям учителя; несоответствием уровня подготовленности учащихся задачам обучения, конкретному содержанию учебного материала; недостатком или отсутствием необходимых средств обучения; отрицательным влиянием психологического климата в классе и школе. В этих случаях согласно принципу неустойчивости на процесс обучения необходимо воздействовать резонансным образом т. е. в нужном месте в нужное время.
К немаловажным факторам, приводящим процесс обучения к состоянию неустойчивости, относятся особенности восприятия учащимся учебного материала и их количество в учебных группах. Наиболее адекватной для описания процесса обучения, учитывающей особенности восприятия учебного материала учеником является математическая модель с памятью, которая описывается с помощью нелинейных дифференциальных уравнений. Для нас представляет интерес выводы, полученные из решения этих уравнений в которых успешность процесса обучения зависит от коэффициента обучаемости и индивидуального коэффициента восприятия информации учащимся. Как показывают результаты исследований в этой области коэффициент обучаемости для «среднего» ученика колеблется в пределах от
0,4 до 1. Правильный выбор оптимальных значений коэффициента обучаемости позволяет обеспечить минимальное время усвоения материала при заданном коэффициенте усвоения. Индивидуальный коэффициент восприятия информации обучаемого также носит нелинейный характер. Он зависит от объема накапливаемых в процессе обучения знаний [6].
Неустойчивость процесса обучения может быть вызвана количеством учащихся в учебных группах, которое описывается с помощью нелинейного степенного уравнения [5, с. 424].
'{~2УТ>N,+2Ы2, (1) где V- производительность труда обучаемого, операций/час; Т- продолжительность занятия; Ы1 - число сильных учащихся в группе; Ы2 - число слабых учащихся в группе.
Это уравнение записано для определения оптимальной учебной группы в вузе, где основной формой организации учебных занятий выступают лекции, семинары, практические и лабораторные занятия. Как показывает практика, применение соотношения (1) дает возможность оптимально создать смешанные учебные группы из классов разных профилей для проведения межпредметных лекций, семинаров и конференций. Это позволяет повысить уровень знаний по физике у учащихся химико-биологического профиля, нежели группы состоящей только из одних химиков или биологов. Согласно теории самоорганизации в сложной системе за счет действия
нелинейных эффектов возникают процессы коэволюции, характерные тем, что общий темп развития сложной системы становится выше темпа самой развитой из ее частей. В этом плане целесообразно комплектовать смешанные группы учащихся из разных профилей и с разным уровнем знаний.
Среди вышеуказанных противоречий, приводящих процесс обучения к состоянию неустойчивости, имеет место основное. Это противоречие возникает между научными знаниями и знаниями, полученными из жизненной практики (донаучными). Нередко создание проблемной ситуации учителем начинается с анализа научных фактов, которые противоречат ранее приобретенным знаниям. В результате наступает момент, когда среда обучения приходит в состояние далекое от своего равновесия, которое называется критическое. На языке синергетики система находится в точке бифуркации - выбора направления дальнейшего развития. Оно зависит, в первую очередь, от степени взаимодействия структурных элементов между собой, а так же внешних воздействий. После чего система принимает одного из своих аттракторов - цели-программы, которые предзаданы свойствами системы. В контексте обучения это означает следующее. Результаты обучения можно представить в виде нескольких устойчивых состояний, которые соответствуют определенным уровням усвоения знаний (низкий, средний, высокий). Каждый уровень знаний характеризуется как отдельный аттрактор. Выбор системой одного из успешных аттракторов, которое соответствует высокому уровню усвоения знаний, зависит от согласованной и совместной деятельности учителя и ученика.
Таким образом, синергетика как новое междисциплинарное научное направление в современном образовании может рассматриваться в двух аспектах. В первом синергетические знания выступают как содержание образования, а во втором - как его способ, метод, средство. В содержательном плане синергетические знания представляют собой частные теории, и выступаю в качестве одного из компонентов содержания предметных научных знаний. Процессуальная сторона синергетических знаний заключается в применение теории самоорганизации для процесса обучения, которая более адекватно отражает реальное его функционирование.
Библиографический список
1. Аршинов, В. И. Принципы представления процессов становления в синергетике [Текст] / В. И. Аршинов, В. Г. Буданов, В. Э. Войцехович // XI Международная конференция. Логика, методология, философия науки. Т. VII. Методологические проблемы синергетики. - М.: Обнинск, 1995. - С. 3-5.
2. Карасова, И. С. Фундаментальные физические теории в средней школе (содержательная и процессуальная стороны обучения): монография [Текст]/ И. С. Карасова.
- Изд-во ЧГПУ «Факел», 1997. - 245 с.
3. Новая философская энциклопедия: В 4 т.[Текст] / Ин-т философии РАН, нац. общ-науч. фонд; Научно-ред.совет; Пред. В. С. Степин. - М.: Мысль, 2001. -Т. III. - 692 с.
4. Рахматуллин, М. Т. Теоретико-методические основы реализации межпредметных связей при изучении фундаментальных естественнонаучных теорий в профильной школе: монография [Текст] / М. Т. Рахматуллин. - Уфа: Изд-во «Гилем», 2008.-200 с.
5. Синергетическая парадигма. Синергетика образования. [Текст]. - М.: Прогресс-Традиция, 2007. - 592 с.
6. Солодов, А. В. Системы с переменным запаздыванием [Текст] / А. В. Солодов, Е. А. Солодова. - М.: Наука, 1980.
