- Не выявлены дидактические принципы, основания и критерии отбора содержания и проектирования методической системы обучения будущих учителей физике на основе идей синергетики, отсутствует целостное учебно-методическое обеспечение учебного процесса.
В связи с описанными выше обстоятельствами в настоящее время требуется разработка методической системы обучения студентов педагогических вузов физике на основе идей синергетики.
Вторая глава «Методическая система обучения физике на основе идей синергетики» посвящена теоретическому обоснованию и проектированию элементов методической системы, использование которой обеспечивает формирование современного научного мировоззрения будущего учителя физики.
Анализ целей профессионального образования, целей обучения, сформулированных в ФГОС ВПО в виде требований к квалификации выпускника, обучающегося по направлению подготовки «Педагогическое образование», позволил сформулировать цели, которые должны быть реализованы при обучении физике на основе синергетической концепции:
1. Овладение знаниями и умениями, необходимыми для анализа поведения сложных самоорганизующихся систем и способствующих формированию современного научного мировоззрения студентов.
2. Овладение методологическими знаниями, которые учитывают специфические методы и структуру современных физических исследований.
Разработанная методическая система предполагает рассмотрение в содержании традиционных курсов физики закономерностей функционирования нелинейных систем, примеры которых представлены в таблице 1.
Обобщение знаний о механизмах возникновения явлений самоорганизации в сложных нелинейных системах реализуется в форме элективного курса.
Методологическую основу проектирования и отбора содержания элективного курса составляют базовые дидактические принципы, уточненные в соответствии с целью обучения. Основаниями отбора учебного материала являются: логика изучения физических процессов и явлений на основе иерархии математических моделей и теорий, на которых базируется синергетика, предметные и методологические знания (Таблица 2).
Таблица 1 Нелинейные системы в содержании традиционных курсов физики
|
Курс |
Физическое явление |
Нелинейный эффект |
|
|
Механика |
Течение жидкости (газа) |
Переход ламинарного течения в турбулентное. Нелинейность уравнений движения жидкости при больших числах Рейнольдса играет определяющую роль |
|
|
Пружинный маятник |
Нелинейность зависимости коэффициента упругости от деформации пружины |
||
|
Затухающие колебания |
Нелинейность зависимости коэффициента трения (затухания) между поверхностями тел от относительной скорости этих тел |
||
|
Задача Кеплера |
Зависимость периода обращения планет вокруг Солнца от параметров орбит |
||
|
Электричество и магнетизм |
Сверхпроводимость |
Электрическое сопротивление скачком падает до нуля при охлаждении ниже определённой критической температуры, характерной для данного материала |
|
|
Газовый разряд |
Переход несамостоятельного газового разряда в самостоятельный при напряжении на газовом промежутке цепи выше напряжения пробоя |
||
|
Оптика |
Самофокусировка |
Показатель преломления среды может увеличиваться с ростом интенсивности излучения. Вследствие нелинейного изменения электронной поляризации вещества происходит искривление пути самого луча. В зависимости от того, увеличивается или уменьшается показатель преломления в поле пучка, наблюдается концентрация энергии или, наоборот, ее рассеяние |
|
|
Самопросветление |
Среды, непрозрачные для слабого излучения, могут стать прозрачными для высокоинтенсивного излучения (просветление), и, наоборот, прозрачные материалы могут «затемняться» по отношению к мощному излучению (нелинейное поглощение). Это объясняется нелинейной зависимостью коэффициента поглощения от интенсивности света |
||
|
Квантовая физика |
Возникновение когерентного излучения |
При определенном значении мощности накачки активной среды лазера (пороговая мощность лазерной генерации), все атомы начинают осциллировать в фазе и испускают один гигантский цуг когерентного лазерного излучения. Интенсивность излучения света (выходная мощность) резко возрастает |
|
|
Статистическая физика и термодинамика |
Явления переноса |
В реальных газах коэффициенты теплопроводности, диффузии и вязкости довольно сложные нелинейные функции макроскопических параметров среды (температуры, давления, плотности) |
|
|
Фазовые переходы |
При изменении значений внешних параметров (температуры, давления, магнитных и электрических полей и т. д.) происходит переход вещества из одной фазы в другую |
||
|
Физика атомного ядра и элементарных частиц |
Существование нестабильных ядер |
При некотором значении числа частиц в ядре интенсивность электромагнитного взаимодействия достигает значения ядерного, а при дальнейшем увеличении энергия электромагнитного взаимодействия превышает энергию сильного взаимодействия, чем объясняется существование нестабильных ядер |
|
|
Движение заряженных частиц в ускорителях |
Форма и размеры пучка частиц определяются нелинейными компонентами действующей на них силы |
Таблица 2 Компоненты содержания обучения физике на основе идей синергетики, реализуемого в форме элективного курса
|
Содержательный компонент |
Процессуальный компонент |
|
|
Понятийный аппарат |
Исследовательская деятельность, основной методологией которой является вычислительный эксперимент |
|
|
Физические модели самоорганизующихся систем (Ван-дер-Поля, Лоренца, Рикитаки, Дюффинга, Рэлея и др.), и классические модели синергетики из других дисциплинарных областей (морфогенеза, Ферхюльста, брюсселятора и др.) |
||
|
Характеристики свойств систем, в которых могут возникать явления самоорганизации |
||
|
Описание сценариев поведения сложных, неравновесных нелинейных систем |
||
|
Современные методы физических исследований (математическое моделирование, концепция иерархии упрощенных моделей, вычислительный эксперимент) |
Для осуществления отбора содержания обучения определена система критериев:
1. Критерий доказательности предполагает отбор учебного материала по принципу его логического обоснования, отказа от догматизма в изложении основных научных положений.
2. Критерий доступности связан с понятием сложности учебного материала.
У истоков синергетики лежат физические теории (теория колебаний, теория волновых процессов, неравновесная термодинамика и др.). В содержании обучения будущего учителя физики представлены теория колебаний и термодинамика. Применение критериев доказательности и доступности определяет отбор содержания обучения с точки зрения результатов, полученных при решении задач теории нелинейных колебаний. Мы считаем, что такой подход в большей степени отвечает реализации поставленной цели обучения, так как при формировании мировоззрения особое внимание следует обращать на убедительность обоснования важнейших законов и принципов, самостоятельность получения субъективно новых знаний, что более успешно выполняется при изучении «более простых» закономерностей и математических моделей, описывающих поведение колебательных систем.
3. Критерий генерализации предполагает выделение одной или нескольких главных идей и объединение вокруг них учебного материала. Центральной идеей содержания элективного курса является возможность самоорганизации в открытых системах, это накладывает определенные требования к отбору учебного материала, к выбору исследуемых систем и их математических моделей.
4. Критерий межпредметности указывает на необходимость отражения в содержании обучения внутрипредментых и межпредметных связей между изучаемыми явлениями. Обучение физике на основе идей синергетики способствует формированию представлений о единой общенаучной картине мира. Для этого необходимо учитывать знания, которые студенты приобрели при изучении других учебных дисциплин, уделять должное внимание обобщенным естественнонаучным идеям, приводить примеры, научные факты, исследуемые математические модели, принадлежащие различным областям научного знания.
5. Критерий перспективности определяет опережающую функцию образования. В рамках обучения физике на основе синергетической концепции он выполняется в полной мере, так как подразумевает включение в содержание обучения таких материалов, которые будут востребованы и будут активно развиваться в ближайшем будущем.
Отбор содержания учебного материала элективного курса осуществлен с учетом цели и задач обучения, дидактических принципов, оснований, выделенных критериев (доказательности, доступности, генерализации, межпредметности, перспективности), научных положений синергетической концепции.
Таблица 3 Содержание обучения физике на основе идей синергетики, реализуемое в форме элективного курса
|
№ п/п |
Тема |
Содержание темы |
|
|
1 |
Современная научная картина мира. История становления синергетики |
Цели и задачи курса. Этапы развития физической картины мира. Осмысление идей теории самоорганизации в рамках физической науки. Синергетика как мировоззрение, как наука, как методология |
|
|
2 |
Свойства систем, в которых могут возникнуть явления самоорганизации |
Детерминистические и стохастические динамические системы. Противоречие между обратимой механикой и необратимой термодинамикой. Открытость, неравновесность, нелинейность систем как условие возникновения явлений самоорганизации |
|
|
3 |
Математическое моделирование физических процессов |
Построение математической модели. Методы исследования математических моделей (аналитическое решение, численное решение, вычислительный эксперимент). Концепция иерархии упрощенных моделей. Иерархия математических моделей колебательных систем |
|
|
4 |
Методы исследования математических моделей физических процессов |
Роль линейных задач в физике. Этапы вычислительного эксперимента (на примере гармонического осциллятора). Учет нелинейных эффектов при исследовании физических процессов. Способы представления результатов исследований. Изображение состояния системы в фазовом пространстве. Количество степеней свободы, фазовая траектория, фазовый портрет, топологическая эквивалентность фазовых портретов. Анализ устойчивости колебательной системы (на примере осциллятора с трением) |
|
|
5 |
Динамические режимы нелинейных систем |
Установившиеся режимы поведения нелинейных динамических систем. Аттрактор. Особая точка. Классификация особых точек для систем с двумя степенями свободы (узел, фокус, седло, центр). Анализ устойчивости стационарного состояния нелинейной системы. Метод линеаризации. Вид динамических режимов для систем с тремя и более степенями свободы |
|
|
6 |
Основы теории бифуркаций |
Бифуркация. Бифуркация в автоколебательной системе. Бифуркационный параметр, бифуркационная диаграмма. Диаграмма разбиения плоскости параметров на области |
|
|
7 |
Детерминированный хаос |
Детерминированный хаос. Свойства детерминированного хаоса. Странный аттрактор. Применение модели Лоренца для описания поведения динамических систем (ячейки Бенара, лазер, диссипативный осциллятор с инерционной нелинейностью) |
|
|
8 |
Явления самоорганизации |
Физические примеры явлений самоорганизации (ячейки Бенара, одномодовый лазер). Примеры самоорганизации в других дисциплинарных областях (реакция Белоусова-Жаботинского, морфогенез). Случайности и определенности в окружающем нас мире |
Обоснование методов, организационных форм и средств обучения проведено с учетом основной цели и логики построения обучения, дидактического анализа отобранного учебного материала. Установлено, что наиболее значимым методом обучения физике на основе идей синергетики должна стать исследовательская деятельность, основанная на технологии вычислительного эксперимента. Она проходит в форме самостоятельной работы, во время которой студенты овладевают методами научного познания при построении математических моделей физических систем и проведении вычислительного эксперимента, что отвечает реализации цели обучения.
Проведение вычислительного эксперимента с учетом принципа иерархии упрощенных моделей обусловливает усвоение знаний на уровне применения их к анализу явлений в новой ситуации и на уровне обобщения, что является необходимым компонентом формирования мировоззрения. Пример применения концепции иерархии упрощенных моделей представлен в таблице 4.
Применение концепции иерархии упрощенных моделей для колебательных систем позволяет перейти от «простой» модели гармонического осциллятора к более «сложной», например, модели Ван-дер-Поля, которая дает возможность продемонстрировать возникновение автоколебаний в открытой, диссипативной, нелинейной электрической цепи.
Таблица 4 Иерархия математических моделей колебательных систем
|
Колебательная система |
Пример реальной физической системы |
Математическая модель |
|
|
Свободные колебания |
|||
|
Гармонический осциллятор |
|||
|
Осциллятор с линейным трением |
|||
|
Осциллятор с отрицательным трением (груз на ленте транспортера) |
|||
|
Осциллятор с нелинейной силой упругости и трением |
|||
|
Осциллятор с нелинейным трением и нелинейной силой упругости |
|||
|
Вынужденные колебания |
|||
|
Осциллятор с трением, нелинейной силой упругости и внешней силой |
|||
|
Осциллятор с нелинейной силой упругости, нелинейным трением и внешней силой |
|||
|
Автоколебания |
|||
|
Механические часы с анкерным механизмом |
|||
|
Осциллятор Ван-дер-Поля |
В математической модели этой цепи источник энергии входит в виде отрицательного сопротивления. При изменении параметра, отвечающего за разность между вносимой и рассеиваемой энергией, в системе наблюдается бифуркация, и возникают автоколебания - как пример возникновения временной упорядоченности или самоорганизации.
Анализ структуры ФГОС ВПО, а также перечня профессиональных компетенций, как результата освоения профессионального цикла, позволили определить, что элективный курс может изучаться в вариативной части профессионального цикла.
Контрольно-оценочная деятельность осуществлялась в процессе работы студентов над заданиями лабораторного практикума в соответствии с этапами вычислительного эксперимента, проводимого над математическими моделями исследуемых систем. Для оценки результата исследовательской деятельности классификация заданий будет иметь вид, представленный в таблице 5 (в соответствии с выделенными П.В. Зуевым уровнями усвоения содержания обучения).
Таблица 5 Классификация заданий для диагностирования целей обучения
|
Уровень усвоения |
Задания |
Задания, применительно к вычислительному эксперименту |
|
|
Воспроизведение |
Цель + нач. условия + способ деятельности |
Проведение вычислительного эксперимента с известной математической моделью динамической системы при определенных начальных условиях по обозначенному алгоритму |
|
|
Эвристический |
Цель + нач. условия |
Проведение вычислительного эксперимента с известной математической моделью динамической системы, без или с частично определенными начальными условиями, интерпретация результатов |
|
|
Творческий |
Цель |
Проведение вычислительного эксперимента и интерпретация результатов при содержательной постановке цели исследования |
Диагностирование целей обучения проходит на этапе анализа свойств и закономерностей функционирования нелинейных самоорганизующихся систем и представления результатов индивидуальных исследований.
В третьей главе «Проверка эффективности реализации методической системы обучения физике на основе идей синергетики» описаны этапы педагогического эксперимента, указаны используемые методы, приведены результаты исследования и их анализ.
Эксперимент проводился с 2005 по 2012 годы и состоял из следующих этапов: констатирующего, поискового и формирующего. Для создания критериев результативности предложенной методической системы мы воспользовались методикой, разработанной Н. В. Шароновой - задания, по результатам, выполнения которых можно сделать выводы о сформированности соответствующих знаний, взглядов и убеждений, свойств мышления, должны составлять систему (Таблица 6).