Delist.ru

Методологические и содержательные основы преемственности физики, химии, биологии при формировании фундаментальных естественнонаучных понятий (07.09.2007)

Автор: Похлебаев Сергей Михайлович

Процесс познания является предметом изучения не только методологии, но и других наук, которые предлагают свои подходы, принципы и методы (общенаучная методология, частные методологии) к его изучению. К настоящему времени более разработанной (в сравнении с частнонаучной методологией) оказывается общенаучная методология, в рамках которой достаточно широко исследован системно-синергетический подход и метод моделирования. В связи с этим остро встает проблема ранжирования методологий различного уровня обобщенности и правильного выбора их при изучении природных объектов различного уровня сложности, установления преемственности между ними.

В понимании иерархической организации научного знания очень четко проявляется общая диалектика взаимодействия цели и средства деятельности, а именно знания более высокого уровня абстракции выполняют методологические функции по отношению к более конкретному знанию. Так, например, системный подход конкретизирует принципы материалистической диалектики, кибернетические представления об управлении, информации, обратной связи играют роль методологических постулатов в нейрокибернетике, бионике, при разработке электронно-вычислительной техники и т. п.

Исторический подход является методологической основой для создания эволюционного учения, которое, в свою очередь, служит основной методологией для разработки других биологических теорий: клеточной, биопоэза, симбиотической теории образования эукариот и др. Таким образом, при формировании научного знания происходит взаимодействие между целями и средствами деятельности: то, что было целью в одной системе деятельности, становится средством в другой системе. Однако проблемы современной методологии не исчерпываются пониманием этого взаимодействия, так как методологическое знание все более и более приобретает специальный статус, что требует его специального изучения. Итак, диалектический материализм как современная методология познания объективной реальности позволяет определить потенциальные возможности и границы применения как специальнонаучных методологий, так и общенаучной методологии, а также их взаимосвязь и эволюцию, что имеет исключительное значение для процесса познания и преобразования окружающей нас действительности, а также самого человека. Эта методологическая система служат главным основанием для определения стратегии преемственности между курсами физики, химии, биологии, которая реализуется посредством использования фундаментальных понятий, законов, теорий, общих для данных дисциплин, с целью раскрытия сущности изучаемых ими объектов неживой и живой природы.

Анализ истории развития методологического знания свидетельствует, что значимость методологии как стратегии развития всего сущего резко возрастает в период революционных преобразований. Именно такие преобразования происходят в настоящее время в нашем обществе как в целом, так и в его главнейших сферах ? науке, образовании. Не является исключением в этом смысле и педагогическая наука, которая, говоря языком теории самоорганизации систем, находится в настоящее время в точке бифуркации, и ее дальнейший прогресс или регресс будет зависеть от той методологии, на которой она остановит свой выбор. Вместе с тем, как и в другие периоды революционной ломки, в настоящее время на поверхность всплывают различные философские учения, в том числе и спекулятивные, претендующие на роль абсолютной истины. Это обстоятельство накладывает еще большую ответственность на тех исследователей, которые по своему статусу призваны определять дальнейшую стратегию развития той или иной сферы человеческой деятельности.

Анализ педагогических концепций показывает, что официальная педагогика российского государства и ее представители придерживаются трех основных подходов. Одни обосновывают свои концепции на философском уровне и используют в качестве методологии диалектический материализм. Однако в большинстве случаев данная методология лишь декларируется, а сами концепции не находят глубокого философского обоснования. Другие ? не касаются философского уровня методологии в своих работах, а опираются лишь на современную общенаучную методологию – системный подход, который также чаще всего только обозначается. Третьи – опираются лишь на эмпирические данные, а проекты этих авторов вряд ли можно назвать концепциями, в силу того что они методологически не обоснованы и отражают некоторые частные вопросы.

Обозначенная выше тенденция негативно сказывается на эффективности школьного образования. Об этом свидетельствует мнение Б.Д. Комисарова, который отмечает, что деятельность по формированию научного мировоззрения учащихся носит начетнический характер и в лучшем случае сводится к примерам, подтверждающим проявление законов диалектики.

Проведенный теоретико-методологический анализ позволил заключить, что повышение уровня естественнонаучного образования современных школьников, приведение его в соответствие с законами развития самой природы и запросами общества возможно только при условии кардинальной перестройки содержания предметов естественного цикла и пересмотра последовательности их изучения в школе. Понимание острой необходимости таких преобразований в современной школе стимулировало работу ряда исследователей (физиков, химиков, биологов, географов), направленную на модернизацию естественнонаучного образования с целью приведения его в соответствие с объективными законами развития природы. Преобразования проводились в рамках Новой концепции естественнонаучного образования, основанной на опережающем изучении курса физики (начиная с V класса) и курса химии (начиная с V?-го класса), разработанной академиком РАО А.В. Усовой. Концепция включена в план исследования РАО и поддержана грантами Министерства образования и науки РФ.

Новизна данной концепции заключается, прежде всего, в том, что в ее основу положены две важнейшие методологические идеи, которые позволили, в условиях эксперимента, вывести естественнонаучные знания учащихся на новый качественный уровень. Первой исходной и фундаментальной является идея (учение) диалектического материализма о генетической связи различных форм движения материи, их иерархичности и преемственности. Согласно данному учению основополагающей является физическая форма движения материи, которая в процессе своего развития «породила» более сложную – химическую форму движения, а она, в свою очередь, – биологическую.

Приоритетность физической науки, ее главенствующая роль среди других естественных наук определяется, таким образом, как ее положением в системе естественных наук (она изучает наиболее простую форму движения материи), так и теми фундаментальными законами и принципами, лежащими в основе организации и развития материи, которые открыла эта наука и которые определяют стратегию развития других естественных наук. Фундаментальные понятия и законы природы, изучаемые в курсе физики, также были положены нами в основу преемственности и интеграции естественнонаучных знаний. Познание этих законов и их использование при изучении курсов химии, биологии в условиях эксперимента обеспечило у учащихся формирование системы естественнонаучных знаний, научного миропонимания и мировоззрения. Познанные закономерности природы становились общими законами мышления, они обеспечивали правильное формирование сознания учащихся и их личностных качеств.

Сущность второй идеи, положенной в основу построения новой концепции заключается в рациональном сочетании таких направлений развития научного знания, как дифференциация и интеграция. В основной школе, согласно данной концепции, обучение строится на основе предметного дифференцированного преподавания физики, химии, биологии и географии. Вместе с тем, в Х–ХI классах вводится интегративный курс «Естествознание», который призван систематизировать и обобщать знания, полученные учащимися в V–IХ классах по предметам естественного цикла. Диалектическое сочетание выше обозначенных подходов и позволило при проведении нашего эксперимента привести в соответствие иерархию и содержание естественных дисциплин, изучаемых в школе, с уровнем развития современной науки и удовлетворить запросы, продиктованные научно-технической революцией.

Анализ стратегии развития методики физики, химии, биологии в отечественной и зарубежной школах свидетельствует, что она следует по пути вооружения учащихся методами научного познания в единстве с усвоением знаний и умений. В своих исследованиях мы опирались и на положение о том, что метод познания в физике является образцом – парадигмой современного научного познания, поэтому овладение им одинаково важно и для ученого-исследователя и для учащегося, овладевающего достижениями науки. Только при этом условии можно достичь активизации познавательной деятельности учащихся. В этой связи объектами изучения в курсах естественнонаучного цикла на доступном для учащихся уровне наряду с фундаментальными естественнонаучными понятиями, законами и теориями являлись и методы научного познания, прежде всего, такие, как эксперимент, метод построения моделей (гипотез) и метод их теоретического анализа.

Особое значение в экспериментальном обучении мы придавали методу моделирования. Это обусловлено: во-первых, тем, что в основе научного познания лежит моделирование реальных объектов и процессов. Этот метод обладает огромной эвристической силой, так как при конструировании модели у школьников возникает наглядный обобщенный образ существенных свойств моделируемого объекта; во-вторых, построение моделей является формой взаимодействия эмпирического и теоретического уровней познания, мышления с чувственностью, не наглядных элементов с наглядными, соответствующей требованиям и потребностям современной науки. Эта функция облегчает понимание формальных теорий и является особенно важной в процессе преподавания и обучения. Оперирование идеальными (мысленными) моделями представляет собой элемент теоретической (умственной) деятельности, складывающейся как из логического, дискурсивного мышления, так и из процесса творческого воображения.

?ние учащимися познавательной теоретической деятельности явилось решающим фактором экспериментального обучения и интеллектуального развития учащихся до уровня естественнонаучного мышления и научного мировоззрения.

Во второй главе «Образно-знаковые модели как средство формирования фундаментальных естественнонаучных понятий в условиях реализации межпредметных связей физики, химии и биологии» анализируется проблема моделирования как одна из важнейших методологических проблем, выдвинутых на передний план развитием ряда естественных наук ХХ века, в особенности физики, химии, биологии, кибернетики. Для исследования гносеологического значения моделирования нами выбрана диалектико-материалистическая концепция метода моделирования, разработанная В.А. Штоффом, которая позволяет раскрыть сущность и функции различного рода моделей, исходя из фундаментального принципа познания – принципа отражения. Разделяя мнение В.А. Штоффа, мы пришли к пониманию категории «модель» как к мысленно представляемой или материально реализованной системе, которая, отображая или воспроизводя объект исследования, способна замещать его так, что ее изучение дает нам новую информацию об этом объекте.

В рамках нашего исследования была разработана атрибутивная модель понятия «материя» (рис. 1), которая отражает и интерпретирует сущность диалектического материализма, как основного метода познания материального мира. По нашему мнению, она является метамоделью естествознания и определяет общую стратегию изучения всех естественных дисциплин, их интеграции, способствует развитию теоретического мышления и научного мировоззрения не только у учащихся, но и у студентов, учителей и преподавателей вуза.

Метамодель построена на основе системы атрибутов (неотъемлемых, существенных свойств объекта) – движения, взаимодействия, отражения, раскрывающих сущность понятия материи. Материя и ее атрибуты являются философскими абстракциями, формирующими совокупность наших представлений о реальном мире. Естествознание, не претендуя на изменение смысла понятия «материя», использует ряд категорий, позволяющих конкретизировать и обобщить все явления окружающей действительности на основании качественных и количественных характеристик. Такими категориями являются понятия энергии, информации и энтропии. Они имеют абстрактный смысл, т. е. недоступны прямому наблюдению, их значения определяются расчетным путем с использованием результатов замера других наблюдаемых величин. Тем не менее, в общем виде они выступают как мерные характеристики атрибутов материи и поэтому играют важную роль в понимании сущности материального мира.

В понимании сущности материи важную роль играют и другие ее характеристики: формы проявления (виды материи) – вещество и поле, а также формы существования (бытия) – пространство и время. Структурными элементами вещества являются элементарные частицы, атомы (ионы) и молекулы. Взаимодействие между ними осуществляется посредством полей: гравитационного, электромагнитного, сильного взаимодействия и слабого взаимодействия. В модели отражена взаимосвязь вещества и поля, которая осуществляется через взаимопревращаемость элементарных частиц и полей, лежащих в самом фундаменте материи и определяющих ее единство и бесконечное движение в пространстве и во времени.

Атрибутивная модель понятия материи включает всю совокупность этих характеристик, сводит их в логически связанную целостную модельную

систему, которая является своеобразной методологией изучения конкретных объектов и явлений окружающего мира.

Необходимость применения моделирования в образовательной области естествознания очевидна в силу сложности и комплексности этой предметной области. В последнее время наблюдается тенденция к изменению парадигмы подготовки учащихся, а именно переход от экстенсивно-кумулятивной парадигмы к интенсивно-технологической, предполагающей формирование методологической культуры у школьников вплоть до интеллектуальной деятельности (В.И. Разумов). Поэтому нам представляется актуальным обучение моделированию учащихся основной школы и использование системы моделей при формировании фундаментальных естественнонаучных понятий, а также их применение при объяснении сущности законов и теорий, общих для курсов физики, химии, биологии.

Смена парадигмы в области естественнонаучного образования, детерминированная социально-экономическими запросами общества, определяет новые цели и задачи обучения – развитие у учащихся естественнонаучного теоретического мышления, навыков самостоятельного освоения и критического анализа новых сведений, умения строить научные гипотезы и планировать поиск для их проверки, что способствует развитию творческих способностей.

Мы разделяем мнение ученых Л.П. Анастасовой Б.Д. Комиссарова, И.Д. Зверева, Д.Д. Утешинского, А.В. Усовой и др., что учащихся необходимо знакомить со структурой научных знаний, включать их в построение философско-методологических «стержней», обеспечивающих поиск проблем, погружать их в «открытия», «озарения», интеллектуальные и практические «изобретения». Пришло время вместо «насыщения» учащихся «готовыми знаниями» с помощью традиционных форм и методов обучения создать условия для моделирования ситуаций научного поиска, развития эмоционального отношения к изучаемым системам, их постижения одновременно разумом и сердцем.

Анализ концепций и теорий, касающихся процесса филогенеза человеческого мышления, свидетельствует, что оно прошло длинный исторический путь развития от наглядно-действенного до понятийного и диалектического видов мышления. Промежуточным этапом на этом пути явилось наглядно-образное мышление. Последовательность прохождения данных этапов мышления характерна и для онтогенеза человека. Знание данной закономерности является исключительно важным при изучении предметов естественнонаучного цикла. Однако практика свидетельствует, что не только в школе, но и в вузе знания большинства учащихся и студентов не достигают теоретического уровня, в основе которого лежит понятийное мышление. Наибольшие затруднения в развитии мышления школьников возникают на этапе трансформации наглядно-образного мышления в понятийное.

В разрешении этой проблемы большое значение имеют результаты исследований в области физиологии мышления, полученные в лаборатории, руководимой Г.А. Твердохлебовым. На основании экспериментальных данных автор обосновывает наличие еще одного вида мышления – обобщенно-образного, которое является связующим звеном между наглядно-образным и понятийным мышлением. Установление данной формы мышления является исключительно значимым, так как во многом определяет стратегию перехода от наглядно-образного к понятийному мышлению. Косвенным подтверждением существования четвертого вида мышления является концепция Ж. Пиаже о четырех уровнях (этапах) развития процесса мышления в онтогенезе современного ребенка. Такую позицию разделяет и А.В. Усова, обоснованно считая, что при формировании научных понятий учитель должен решить вопрос о правильном сочетании наглядно-образного, словесно-теоретического (понятийного) и практически-действенного компонентов мышления в работе учащихся по овладению понятием.

Цель формирования обобщенно-образного мышления предопределяет необходимые средства, одним из которых является метод моделирования.

В наших исследованиях достижение поставленной цели реализуется через теоретико-методологическое обоснование и конструирование системы идеализированных моделей высокого уровня обобщенности. Эти модели выполняют методологические функции при изучении живых и неживых объектов различного уровня сложности и одновременно усваиваются как современные научные методологии познания природы, обеспечивая тем самым формирование и развитие обобщенно-образного мышления и развитие его до уровня понятийного и диалектического.

Анализ педагогической практики свидетельствует, что проблема формирования обобщенно-образного мышления, которое в действительности отсутствует как у большинства школьников, так и студентов, является весьма актуальной и требует незамедлительного решения. Это подтверждает многолетний опыт нашей работы со школьниками, студентами и учителями. Даже студенты старших курсов в большинстве своем не имеют должных теоретических знаний, практических навыков и умений по составлению обобщенных моделей (схем), в то время как исследования психологов (Л.М. Фридман, В.П. Давыдов, В.И. Загвязинский, П.И. Образцов, А.И. Уман, Р. Атаханов и др.) свидетельствуют об огромной значимости моделей в формировании наглядных обобщенных образов.

При выборе стратегии в решении вышеобозначенной нами проблемы преемственности курсов физики, химии, биологии в условиях МПС мы опирались на результаты исследований В.В. Давыдова и В.П. Зинченко. Анализируя онтогенез познания в предметной деятельности, они отмечают, что при овладении каким-либо учебным предметом школьники под руководством и с помощью учителя должны анализировать учебный материал, выделять в нем некоторое общее отношение, обнаруживая вместе с тем, что оно проявляется и во многих других отношениях. Фиксация детьми в какой-либо знаковой форме общего исходного отношения дает им содержательную абстракцию изучаемого предмета. Продолжая анализ учебного материала, школьники раскрывают закономерную связь выделенного исходного отношения с его различными проявлениями и тем самым строят содержательное обобщение изучаемого предмета. Затем они используют содержательные абстракции и обобщения для выведения (опять с помощью учителя) других, более частных абстракций и для объединения их в целостном (конкретном) учебном предмете».

Использование разработанных нами моделей в учебном процессе показало, что учащиеся и студенты усваивают их, после чего они становятся своеобразными методологиями изучения конкретного материала, и это способствует формированию обобщенно-образного мышления, которое является важнейшим звеном на пути к понятийному виду мышления.

В третьей главе «Содержательные основы преемственности формирования фундаментальных естественнонаучных понятий физики, химии и биологии в условиях межпредметных связей» определен общий подход к раскрытию сущности содержательных связей курсов физики, химии, биологии. В качестве общенаучного подхода было выбрано учение Ф. Энгельса о генетической связи между формами движения материи, которое играет ключевую роль в понимании законов развития природы, общества и мышления. Выявлена философская категория, через которую выражаются наиболее общие и существенные моменты (стороны) этих законов. Такой категорией является «преемственность», раскрывающая не только сущность основного закона развития природы ? отрицания отрицания, но и являющаяся проявлением закона количественных изменений в качественные и закона единства и борьбы противоположностей. Отобраны наиболее значимые фундаментальные естественнонаучные понятия, подходы и теории, являющиеся содержательной основой интеграции курсов физики, химии, биологии, предопределяющей формирование естественнонаучного мышления и естественнонаучной картины мира.

Диалектика природы раскрывается через общие закономерности перехода от низших форм движения материи к высшим. Каждая более высокая форма движения материи, будучи преемственно связана с более низкой, не отменяет их, а включает и подчиняет их себе, поднимая развитие на качественно новую ступень. В своих исследованиях мы опирались на эту закономерность и диалектическое положение о том, что форма есть внутренняя организация содержания, а содержание есть определяющая сторона целого, совокупность частей (элементов) предмета; исходили из того, что в содержании и форме мысленно отображается весь мир. Это позволило нам определить статус понятий «форма и содержание» не только как исходных философских категорий, объясняющих закономерности в смене форм движения материи, но и как естественнонаучных, позволяющих выявить механизмы развития конкретных природных форм (объектов), их взаимосвязь и стратегию развития.

Исключительно важным для нашего исследования было положение В.И. Ленина о том, что «…мир есть движущаяся материя. Понятие «материя» отражает ту сторону предмета научного познания, которая характеризуется его как содержание; понятие «движение» – ту, которая характеризуется как форма, присущая этому содержанию, следовательно, как способ бытия материи» (курсив наш). Это позволило заключить, что форма – это способ существования любого объекта природы и материи в целом, а применение диалектической связи между формой и содержанием при изучении природных объектов позволит понять основной механизм их эволюции и сформировать диалектический стиль мышления.

Для понимания структурности материи большое значение имеет уяснение соотношения формы и содержания. Сами понятия формы и содержания относительны. Например, атом является содержанием по отношению к молекуле и формой по отношению к элементарным частицам, из которых он состоит. На основании этого делается вывод, что форма есть не только внешняя, но и внутренняя организация системы, т.е. способ связи элементов внутри системы. В такой трактовке понятие формы совпадает с понятием структуры.

В понимании вопроса об эволюции форм в природе большое значение имеет закон перехода количества в качество и обратно. Эти качественные различия основываются либо на различном химическом составе или формах движения (энергии), либо имеет место почти всегда и то, и другое. Данная закономерность во многом определяла стратегию изучения объектов и явлений в курсах физики, химии и биологии в условиях эксперимента и позволяла понять общие механизмы преобразования (эволюции) одной природной формы в другую, то есть проследить ее усложнение (упрощение) исходя из количества элементов и их связей и появления нового качества (содержания). Накопление разнообразия элементов и их связей обеспечивает перестройку внутренней структуры исходной формы, что приведет к появлению новой формы существования материи, обладающей специфическим свойством.

В процессе изучения предметов естественнонаучного цикла учащиеся прослеживали эволюцию природных форм, начиная с элементарных частиц, которые по своей организации являются относительно простыми объектами природы, и заканчивая биосферой, являющейся наиболее сложной формой проявления живого. В процессе выяснения учащимися сущности преобразования одних природных форм в другие учитель имел возможность отслеживать механизмы формирования идеализированных форм в их мышлении, так как закономерности развития природы и мышления едины.

В качестве эффективного методологического приема формирования понятий «форма и содержание» мы использовали метод моделирования. Учитель совместно с учащимися конструировал интегративные модели, которые отражали в образно-знаковой форме основные объекты неживой и живой природы и их взаимосвязь. Помимо общей модели, касающейся всех форм движения материи, создавались модели, отражающие более детально эволюцию форм, изучаемых в рамках одной дисциплины или ее раздела. При этом учитывалось, что качественная определенность этих форм будет зависеть и от количественной составляющей, которую также необходимо привлекать при интерпретации сущности изучаемого объекта.

Количественная характеристика природных форм, относящихся к различным видам движения материи, учитывалась в качестве исходного пункта для решения вопроса о принципах их организации и эволюции. Для реализации этой идеи учащиеся приводили и сопоставляли количественные данные о тех элементах и их связях, которые составляют основу изучаемой структуры (формы). На основе этих данных составлялся своеобразный вариационный ряд, который показывал общую тенденцию усложнения природных форм на основе количественных характеристик их элементов.

Таким образом, диалектическая пара категорий «форма и содержание», отражающая общие закономерности развития природных объектов, сыграла основополагающую роль при изучении эволюции природных форм, так как «движение мысли, по мнению В.П. Копнина, состоит в развитии познавательного образа, в движении от незнания к знанию». В наших исследованиях эти категории служили главным содержательным основанием преемственности курсов физики, химии, биологии, что способствовало формированию системы обобщенных знаний у учащихся и переходу внутрипредметных, межпредметных и межцикловых связей на качественно новый, теоретический уровень.

В качестве содержательной основы преемственности предметов на уровне естественнонаучного знания нами было выбрано фундаментальное естественнонаучное понятие «диффузия». Основанием для этого послужил тот факт, что диффузия лежит в основе фундаментальной формы движения – физической, которая предопределяет развитие всех остальных форм движения материи и сохраняется в них в качестве исходной. Диффузионные процессы обеспечили вещественные, энергетические и информационные взаимодействия между атмосферой, гидросферой и литосферой, которые привели к созданию геохимических (биогеохимических) циклов, обеспечивающих поддержание и развитие планеты Земля. Процесс диффузии играет исключительно важную роль в обмене веществом, энергией и информацией между любой природной системой и окружающей средой. Для всех уровней организации природных систем процесс диффузии имеет как общие закономерности своего проявления, так и частные особенности, которые были выявлены в процессе нашего исследования и использованы при раскрытии сущности физических, химических, биологических явлений, а также установления связей между ними.

Содержательная преемственность физики, химии, биологии в условиях МПС на элементарном уровне нами была раскрыта на основе электронной теории строения вещества. Особая роль электронов в современной теории вещества определяется тем, что отклик электронов на внешние электрические и магнитные воздействия существенно определяет физико-химические свойства веществ. Поэтому фундаментальное объяснение макроскопических свойств вещества связано с определением влияния электронов на формирование этих свойств. Явления, изучаемые электронной теорией вещества, имеют первостепенное значение для научно-технического прогресса.

загрузка...