- содержание учебного материала, построенного на основе применения идей синергетики для объяснения явлений самоорганизации, возникающих в нелинейных колебательных системах;
- формы и методы обучения физике, основанные на организации исследовательской деятельности студентов;
- содержание и формы контрольно-оценочной деятельности, которые подразумевают мониторинг результатов деятельности студентов по этапам вычислительного эксперимента.
3. Предложен диагностический комплекс для проверки результативности обучения, позволяющий определить уровни сформированности у студентов системы обобщенных знаний, взглядов и убеждений, развития диалектического мышления, соответствующих современному научному мировоззрению.
Теоретическая значимость исследования:
1. Определены содержательно-процессуальные условия формирования современного научного мировоззрения будущего учителя физики: отражение в содержании обучения знаний, обеспечивающих понимание принципов современной научной картины мира (системности, синтеза научных знаний, глобального эволюционизма, самоорганизации), организация исследовательской деятельности студентов, опирающейся на специфические методы и структуру современных физических исследований.
2. На основе анализа научных оснований синергетики, их вклада в понимание принципов современной научной картины мира, с учетом требований к уровню подготовки будущего учителя физики, обоснована необходимость включения идей, методов, подходов синергетики в содержание обучения физике и разработки соответствующей методической системы.
3. Выделены дидактические основания (иерархия упрощенных моделей физических систем, логика построения теорий, на которых базируется синергетика) и система критериев (доказательности, доступности, генерализации, межпредметности, перспективности) отбора содержания обучения физике на основе идей синергетики для формирования современного научного мировоззрения.
Практическая значимость исследования состоит в том, что теоретические результаты доведены до уровня практического применения, разработаны и внедрены в учебный процесс:
1. Учебно-методический комплекс по дисциплине «Самоорганизующиеся системы в физике» для будущих учителей физики, содержащий: учебную программу, лекционный материал, тематику и описание работ лабораторного практикума, список рекомендованной литературы.
2. Система заданий для организации исследовательской деятельности студентов с применением вычислительного эксперимента над математическими моделями физических систем.
3. Методические рекомендации для преподавателей вуза по организации образовательной деятельности студентов в условиях реализации предлагаемой методической системы обучения в форме элективного курса.
Достоверность результатов, полученных в исследовании, и обоснованность сформулированных выводов обеспечиваются теоретико-методологическими основами исследования; обобщением педагогического опыта преподавателей физики; внутренней непротиворечивостью логики исследования, использованием теоретических и экспериментальных, соответствующих целям и задачам, методов исследования; применением статистических методов обработки экспериментальных данных и согласованностью полученных результатов.
Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялись в учебном процессе студентов физико-математического факультета Нижнетагильской государственной социально-педагогической академии. Основные теоретические положения и результаты диссертационного исследования докладывались на заседаниях кафедры физико-математического образования и кафедры информационных технологий НТГСПА. Апробация осуществлялась в результате обсуждений основных положений работы на Международных научно-практических конференциях («Повышение эффективности подготовки учителей физики и информатики», г. Екатеринбург, 2006 г., 2007 г., 2012 г.; «Физика в системе современного образования (ФССО-11)», г. Волгоград, 2011 г.), Всероссийских научно-практических конференциях («Актуальные вопросы использования инновационных технологий в образовательном процессе», г. Нижний Тагил, 2010 г., 2012 г.), Региональных научно-практических конференциях («Философия и наука», г. Екатеринбург, 2007 г.; «Актуальные проблемы обучения физике», г. Нижний Тагил, 2009 г.; «Формирование профессиональных компетенций у будущих учителей физики», г. Омск, 2010 г.; «Актуальные проблемы физико-математического образования в школе и ВУЗе», г. Нижний Тагил, 2012 г.).
Основные положения исследования отражены в 14 публикациях, в том числе 4 - в журналах, рекомендуемых ВАК МО и Н РФ.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Существенный вклад синергетической концепции в становление ведущих принципов современной научной картины мира обусловливает необходимость включения идей, методов, подходов синергетики в содержание обучения физике будущих учителей.
2. Конструирование методической системы обучения физике на основе идей синергетики должно осуществляться с учетом требований к элементам этой системы, направленных на формирование современного научного мировоззрения:
- отбор учебного материала следует проводить в соответствии с комплексом критериев (доказательности, доступности, генерализации, межпредметности, перспективности) на основании логики построения теорий, на которых базируется синергетика;
- индивидуальная исследовательская деятельность студентов, основанная на технологии вычислительного эксперимента и принципе иерархии упрощенных моделей, должна стать приоритетным методом обучения, что будет обусловливать понимание методологии современных исследований в физике;
- контрольно-оценочная деятельность должна осуществляться в форме мониторинга результатов деятельности студентов по этапам проведения вычислительного эксперимента. Компоненты современного научного мировоззрения (обобщенные знания, взгляды и убеждения, свойства диалектического мышления) диагностируются на этапе анализа свойств и закономерностей поведения нелинейных самоорганизующихся систем и представления результатов индивидуальных исследований.
3. Реализация разработанной методической системы обучения студентов физике на основе идей синергетики обеспечивает результативность процесса формирования системы обобщенных знаний, взглядов и убеждений, свойств диалектического мышления, соответствующих современному научному мировоззрению.
2. Основное содержание работы
Во введении обосновывается актуальность, определяются объект и предмет, формулируются цель, гипотеза и задачи исследования, раскрываются теоретические и методологические основы, методы и этапы исследования, приводятся его научная новизна, теоретическая и практическая значимость, а также положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Теоретические аспекты формирования мировоззрения в процессе обучения физике» представлен анализ философско-методологических основ формирования научного мировоззрения, выявлены специальные содержательно-процессуальные условия формирования современного научного мировоззрения в процессе обучения физике, теоретически обосновано положение о необходимости включения в содержание обучения физике будущего учителя изучения идей, методов, подходов синергетики.
Мировоззрение является важным компонентом структуры личности и формируется под влиянием большого числа факторов практически на протяжении всей жизни человека. Проведенный анализ учебно-методических подходов (В.Г. Иванов, С.Е. Каменецкий, В.Н. Мощанский, Н.С. Пурышева, Н.В. Шаронова) к формированию мировоззрения в процессе обучения физике позволил выделить три его основных компонента:
- формирование системы знаний об основных понятиях, законах и принципах физики, способствующих созданию представления о научной картине мира и процессе научного познания;
- формирование взглядов и убеждений, соответствующих диалектико-материалистическому пониманию природы и процесса ее познания;
- развитие диалектического стиля мышления.
Фундаментом мировоззрения является система обобщенных знаний, поэтому одним из направлений деятельности учителя физики является сообщение знаний о методах исследования, о физической картине мира и отдельных этапах познания природы.
Физическая картина мира, согласно Н.С. Пурышевой, представляет собой идеальную модель природы, включающую в себя общие понятия, принципы, законы, теории и гипотезы физики и характеризующую определенный исторический этап ее развития. Физическая картина мира является базой общенаучной картины мира.
В понимание принципов современной научной картины мира существенный вклад вносит синергетика:
1. Принцип системности - мир признается совокупностью разноуровневых систем, находящихся в состоянии иерархической соподчиненности. Синергетика изучает открытые, неравновесные и нелинейные системы, в которых могут возникать пространственные, временные или функциональные структуры, т. е. образуется система более высокого уровня, свойства которой качественно отличаются от свойств отдельных подсистем.
2. Принцип синтеза научных знаний - построение общенаучной картины мира на основе интеграции знаний из различных дисциплинарных областей. Синергетика дает единое понимание процессов эволюции различных систем, тем самым она позволяет построить картину мира, в которой все связано и подчинено единым фундаментальным законам.
3. Принцип глобального эволюционизма - мир является развивающейся системой. Согласно синергетической концепции система может переходить от более низкого уровня сложности к более высокому, таким образом происходит развитие системы.
4. Принцип самоорганизации - Вселенная является открытой сложноорганизованной системой, нелинейно эволюционирующей под действием механизмов самоорганизации. Именно изучением закономерностей возникновения самоорганизации (упорядоченности) в динамических системах и занимается синергетика как наука.
Учет принципов современной научной картины мира, особенностей постнеклассической науки, характеристик обобщенной деятельности преподавателя, направленной на формирование научного мировоззрения учащихся, позволил выделить содержательно-процессуальные условия формирования современного научного мировоззрения в процессе обучения физике.
1. Обогащение содержания образовательного процесса за счет мировоззренческих идей, мировоззренческих знаний, обеспечивающих понимание современной научной картины мира:
- описание явлений, процессов с позиции идеи изменения, эволюции;
- демонстрация взаимосвязи свойств отдельных подсистем от координации друг с другом;
- показ структурной иерархичности окружающих явлений и объектов;
- рассмотрение связей и закономерностей в поведении сложных, нелинейных систем, в том числе, в явлениях самоорганизации.
2. Отражение в содержании обучения проблем, в том числе, нерешенных, важных для развития современной науки и общества (проблема сосуществования естественной и искусственной среды, проблема обеспечения человечества энергетическими ресурсами, проблема возникновения жизни и др.).
3. Организация активной интеллектуальной деятельности студентов по усвоению мировоззренческих знаний, соответствующих современной научной картине мира (проблемное обучение):
- анализ поведения сложных, нелинейных систем;
- определение свойств частей из динамики поведения целостной системы (в отличие от классической физики, где по свойствам частей судили о поведении системы).
4. Организация исследовательской деятельности студентов, опирающейся на методологические знания, которые позволяют учитывать специфические методы и структуру современных физических исследований:
- математическое моделирование;
- построение иерархии упрощенных моделей;
- проведение вычислительного эксперимента.
5. Осуществление межпредметных связей с учетом принципа синтеза научных знаний:
- отражение в содержании задач, проблем и результатов междисциплинарных исследований;
- включение в содержание изучения универсальных математических моделей, описывающих явления и процессы из различных областей науки;
- организация проведения комплексных исследовательских проектов.
Из анализа научных оснований синергетической концепции следует, что включение их в содержание обучения физике создаст условия для формирования у будущих учителей современного научного мировоззрения.
Анализ учебных программ, содержания курсов, учебных пособий и педагогического опыта учителей и преподавателей физики позволил сделать следующие выводы:
- Исследуемые системы, представленные в содержании обучения будущего учителя физики, в основном являются замкнутыми и линейными.
- Вопросы синергетики рассматриваются как небольшие фрагменты традиционных курсов.