Процессуальная сторона синергетических знаний при обучении школьному курсу физики

УДК 53 ББК 22.3

Рахматуллин Марат Тимергалиевич

кандидат педагогических наук кафедра общей физики и методики обучения физике Бирская государственная социально-педагогическая академия

г. Бирск

Rakhmatullin Marat Timergalievich

Candidate of Pedagogics Chair of General Physics and Methods of Teaching Physics Birsk State Socio-Pedagogical Academy Birsk

Процессуальная сторона синергетических знаний при обучении

школьному курсу физики

Procedural Part of Synergetic Knowledge in Teaching Physics at School

В статье дается сущность понятия «синергетические знания», раскрывается процессуальная сторона этих знаний и их место в модели учебного предмета. Представлена синергетическая модель дидактической системы и ее функционирование, основанное на теории самоорганизации. Описывается взаимодействие структурных элементов дидактической системы при обучении школьному курсу физики.

This article gives the essence of the concept «synergetic knowledge»; reveals the procedural part of this knowledge and its place in the subject model. The synergetic model of the didactic system and its functioning according to the self-organization theory is presented. The interaction of structural elements of the didactic system in teaching Physics at school is described.

Ключевые слова: синергетика, самоорганизация, дидактическая система, открытость, нелинейность, неустойчивость, точка бифуркации, аттрактор.

Key words: synergetic, self-organization, didactic system, openness, non-linearity, instability, bifurcation point, attractor.

Синергетика - это междисциплинарное научное направление, которое исследует развитие сложных самоорганизующихся систем различной природы: физической, химической, биологической, социальной и др. В междисциплинарных науках, как правило, преобладают преимуществом средства и методы разных дисциплин, которые синтезируются в новой науке для решения ее специфических задач. По мнению А.В. Усовой, такие науки являются «гибридными» или «мостиковыми», в содержание которых синтезируются понятия, законы и теории двух, а иногда и трех близких отраслей науки, например, физическая химия, биохимия, биофизика, кибернетика [5, с. 7]. В этом отношении синергетика, безусловно, принадлежит к междисциплинарным направлениям науки,

которая наследует основные идеи тектологии, кибернетики, теории систем и др. Вместе с тем она отличается от своих предшественниц своим математическим аппаратом, основу которого составляют нелинейные дифференциальные уравнения.

Предметом изучения синергетики являются самоорганизующиеся системы. В «Новой философской энциклопедии» под редакцией В.С. Степина под самоорганизацией в синергетике понимается «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» [1, с. 546]. Пространственно-временные структуры, образовавшиеся в результате процесса самоорганизации, называются диссипативными. Такие структуры могут возникнуть вдали от равновесия в нелинейной области, если параметры системы превышают критические значения. Переход динамической структуры в состояние равновесия происходит скачкообразно. Таким образом, приходим к выводу о том, что:

- система, в которой происходит процесс самоорганизации, должна быть сложной, т.е. сложные связи между ее элементами;

- поведение элементов системы каждого уровня 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.

Вышеуказанные положения можно обнаружить при переходе ламинарного течения жидкости в турбулентное как самоорганизующейся системы физической природы. Ламинарное течение жидкости характеризуется как плавное и спокойное ее движение. По мере увеличения скорости ламинарное течение становится неустойчивым, возникают стационарные колебания скорости движения, которые называются турбулентными. Оно начинается при достижении числом Рейнольдса критического значения (точки бифуркации), которое является параметром порядка. В точке перехода путем самоорганизации диссипа-тивных структур происходит упорядочение, при котором часть энергии системы переходит в макроскопическое организованное вихревое движение. Гидродинамическая неустойчивость при переходе ламинарного течения в турбулентное связана с образованием динамических диссипативных структур в виде вихрей.

Проблемой исследования педагогических явлений с позиции синергетики на теоретическом и методическом уровнях занимались В.И. Андреев, М.В. Богуславский, В.Г. Виненко, Л.Г. Вяткин, А.Ю. Ефремов, Л.Я. Зорина, Е.Н. Князева, В.Н. Корчагин, С.В. Кульневич, М.Ю. Опенков, Ю.В. Талагаев, а так же методисты Н.В. Кочергина, А.П. Усольцев и др.

Следует, отметить, что ни в энциклопедических словарях, ни в научной литературе, ни в методических разработках не приводится определение понятия «синергетические знания». В этой связи, нами была сформулирована и предложена авторская трактовка этого понятия.

Под синергетическими знаниями мы понимаем междисциплинарные знания о понятиях, законах, принципах, методах, теориях и картинах мира, способствующие к самоорганизации процесса познания в плане дальнейшего его развития (совершенствования).

В вышеприведенном определении отражены содержательный и процессуальный аспекты синергетических знаний, которые относятся к подсистеме зна-

ний общенаучной методологии. При этом они, в какой-то степени, имеют прямое отношение к методологическим знаниям. Последние трактуются как «знания о знаниях» и как знания о методах познания. Остановимся более подробно на процессуальной стороне синергетических знаний.

По мнению большинства исследователей, процесс обучения есть сложная по своей структуре самоорганизующаяся система. Теоретической моделью процесса обучения выступает дидактическая система. Главным отличием одних дидактических систем от других является механизмы их функционирования, основанные на закономерности того или иного научного направления. Под самоорганизацией дидактической системы мы понимаем эффективное ее функционирование, обеспечивающее гибкое отношение к социально-экономическим и технологическим условиям с целью создания внутри себя новых структур (упорядочение). Тогда процесс обучения нами понимается как совместная и согласованная деятельность учителя и ученика направленная на смену устойчивого и неустойчивого состояний последнего.

Анализ научной и научно-методической литературы показал, что основными структурными компонентами дидактической системы выступают общественные цели обучения, содержание обучения, методы, формы и средства обучения, преподавание и учение - совместная и согласованная по времени и пространстве деятельность субъектов процесса обучения, дидактические условия, характеризующие совместную и согласованную деятельность учителя и учащихся, результат обучения - это те знания и умения учащихся, которых достигли учащиеся в обучении.

Понять процесс обучения как самоорганизующейся системы позволяет ее синергетическая модель (Рис.1).

<«—,

Первоначальное состояние дидактической системы характеризуется как устойчивое. В ходе процесса обучения за счет нелинейных эффектов она должна прийти к неустойчивости. К этому состоянию систему могут привести внутренние противоречия между ее структурными элементами. В модели дидактической системы в качестве центрального ее компонента выступает совместная и согласованная деятельность учителя и ученика. Взаимодействие общества с учеником, которое способствует формированию цели дидактической системы,

осуществляется двумя каналами связи. Согласно первому каналу общественные цели обучения действуют на ученика посредством содержания образования, которые являются, по сути дела содержанием каждого отдельного учебного предмета. При этом организатором такой деятельности выступает учитель. По второму каналу взаимодействие этих компонентов происходит напрямую. В этом случае полученные знания и умения учащихся можно считать донаучными, так как они приобретены из жизненной практики. Следует отметить, что знания полученные учеником по второму каналу очень часто приходят в противоречие со знаниями, идущие по первому каналу. При последующем нарастании противоречий в знаниях система становится нелинейной и приходит к состоянию неустойчивости. Состояние системы считается критической, т.е. она находится в точке бифуркации в том случае, когда наблюдается равенство между объемами знаний, полученные учеником из двух разных каналов связей. Дальнейшее развитие системы зависит от ее выбора одного из возможных аттракторов - цели-программы, которые приводят к результату обучения. Выбор системой того или иного аттрактора зависит от степени взаимодействия ее структурных элементов между собой и внешних воздействий. Вероятность выбора системой одного из эффективных путей своего развития зависит от того, насколько была согласована совместная деятельность учителя и ученика.

Таким образом, задача учителя заключается в организации совместной и согласованной деятельности с учеником, направленной на смену устойчивых и неустойчивых состояний последнего, приводящих к образованию новых внутренних структур (знаний, умений). К немаловажным факторам, приводящим дидактическую систему к нелинейности и 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[4]. Для нас представляет интерес выводы, полученные из решения этих уравнений. Отметим, что успешность процесса обуче-

ния согласно этой модели зависит от коэффициента обучаемости и индивидуального коэффициента восприятия информации учащимся. Как показывают исследования [3, с. 418-432] 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.

Кроме того, нелинейность процесса обучения на уровне восприятия и анализа в его конкретной форме обусловлена нелинейными эффектами. Это имеет место при переходе от одного этапа процесса обучения к другому. Например, при переходе от предъявления и восприятия фрагмента содержания к контролю и самоконтролю восприятия учащихся.

Нелинейность процесса обучения, приводящая к неустойчивости дидактической системы, в целом может быть обусловлена количеством учащихся в учебных группах. Оптимальное количество обучаемых в учебных группах может быть описано с помощью математической модели в виде нелинейного степенного уравнения [3, с. 424].

42ут > N + 2Ы2

где V - производительность труда обучаемого, операций/час; т - продолжительность занятия; Nl- число сильных учащихся в группе; 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. Тем не менее, оно таким же успехом может быть применено и для старших классов профильной школы при обучении предметам естественного цикла. 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 нам добиваться хороших резуль-

татов, повысить уровень знаний по физике у учащихся химико-биологического профиля обучения, нежели группы состоящей только из одних химиков или биологов. Согласно теории самоорганизации в сложной системе за счет действия нелинейных связей возникают процессы коэволюции, характерные тем, что общий темп развития сложной системы становится выше темпа самой развитой из ее частей. В этом плане, считаем целесообразным, комплектовать смешанные группы учащихся из разных профилей и с разным уровнем знаний.

Кроме того, процесс обучения, как открытая система, при своей реализации должна удовлетворять следующим условиям: учебно-материальным (учебно-методические комплексы и средства информационных технологий обучения), благодаря которым учащиеся получают новые знания; школьно-гигиеническим, которые должны соответствовать нормативным требованиям к школьному помещению и времени, а также к определенному чередованию видов деятельности, к организации процесса обучения, способствующей меньшей утомительности учебных занятий; морально-психологическим; эстетическим и временным.

Неустойчивость процесса обучения может возникнуть на его любом этапе. Это, прежде всего, связано с несоответствием структуры учебного материала логике процесса обучения. В этой связи считаем, что содержание учебного материала предметов естественного цикла должно соответствовать содержанию фундаментальных научных теорий, а логика его изложения - логике построения этих теорий. Например, 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 относительности, основы нерелятивистской квантовой механика. Среди них имеют место теории, отличающиеся от других своим межпредметным содержанием. В частности к ним относятся: мо-лекулярно-кинетическая и электронная теории строения вещества, квантовая теория света. Межпредметный характер фундаментальных физических теорий

обусловлен, главным образом, общностью в их структуре: научных фактов, объектов исследования, понятий и законов для ряда предметов естественнонаучного цикла. Общим является понятийный аппарат этих теорий. Следовательно, при построении содержания учебного материала соответствующим теориям должны быть учтены их подструктурные элементы знаний межпредметного характера. Более подробно эти теории нами рассмотрены в работе [2].

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. Оно должно быть направлено на перестройку учебного материала в соответствие со структурой фундаментальных теорий, в частности естественнонаучных, и логики изложения учебного материала - с логикой их построения.

Таким образом, синергетика как новое междисциплинарное научное направление в системе образования играет двоякую роль. С одной стороны, его понятийный аппарат может выступить в качестве содержания учебных предметов и как средство их усвоения - с другой. Кроме того, применение фундаментальных принципов синергетики к процессу обучения обосновывает тот факт, что эта система является самоорганизующейся и функционирование ее модели основано на теории самоорганизации, которая более адекватно отражает реальный процесс обучения, в частности физике.

Библиографический список

1. Новая философская энциклопедия [Текст]: В 4 т./ Ин-т философии РАН, нац. общ-науч. фонд; Научно-ред. совет; Пред. В.С. Степин. - М.: Мысль, 2001. - Т. III. - 692 с.

2. Рахматуллин, М.Т. Теоретико-методические основы реализации межпредметных связей при изучении фундаментальных естественнонаучных теорий в профильной школе [Текст]: монография / М.Т. Рахматуллин. - Уфа: Изд-во «Гилем», 2008. - 200 с.

3. Синергетическая парадигма. Синергетика образования [Текст]. - М.: Прогресс-Традиция, 2007. - 592 с.

4. Солодов, А.В., Солодова, Е.А. Системы с переменным запаздыванием [Текст] / А.В. Солодов, Е.А. Солодова. - М.: Наука, 1980.

5. Усова, А.В. Новая концепция естественнонаучного образования и педагогические условия ее реализации [Текст] / А.В. Усова. - Челябинск: изд-во ГОУ ВПО «ЧГПУ», 2005. -48 с.

Bibliography

1. New Philosophical Encyclopaedia [Text]: In 4 V. / Institute of Philosophy of the Russian Academy of Sciences, National Public and Scientific Fund; Science and Editorial Council; Chair-manV.S.Stepin. - М: Mysl, 2001. - V III. - 692 p.

2. Rakhmatullin, M.T. Theoretical and Methodological Bases of the Intersubject Communications Realization While Studying Fundamental Natural-and-Scientific Theories at a Profile School [Text] / M.T. Rakhmatullin. - Ufa: Gylem, 2008. - 200 p.

3. Solodov, A.V., Solodova, E.A. Systems with Running Laging [Text] / A.V. Solodov, E.A. Solodova. - M.: Nauka, 1980.

Synergetic Paradigm. Synergetrics of Education [Text]. - М: Progress-Traditsiya, 2007. -

592 p.

4. Usova, A.V. New Concepts of Natural-and-Scientific Education [Text] / A.V. Usova. -Chelyabinsk, 2005. - 48 p.