WWW.PDF.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Разные материалы
 

Pages:   || 2 | 3 |

«ИНТЕГРАЦИЯ ФИЗИКИ И БИОЛОГИИ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ В КЛАССАХ ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНОГО ПРОФИЛЯ ...»

-- [ Страница 1 ] --

ФГБОУ ВПО «Уральская государственная академия ветеринарной медицины»

На правах рукописи

Уткина Татьяна Валерьевна

ИНТЕГРАЦИЯ ФИЗИКИ И БИОЛОГИИ

ПРИ ИЗУЧЕНИИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

В КЛАССАХ ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНОГО ПРОФИЛЯ

13.00.02 – теория и методика обучения и воспитания (физика)

Диссертация

на соискание учёной степени

кандидата педагогических наук

Научный руководитель – доктор педагогических наук, профессор С. А. Старченко Троицк – 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Глава 1. ФОРМИРОВАНИЕ ЦЕЛОСТНОСТИ СОДЕРЖАНИЯ

ФИЗИЧЕСКОГО И БИОЛОГИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ ПРИ ИЗУЧЕНИИ

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1.1. Интеграция физики и биологии в условиях профильного обучения в классах естественно-научного профиля

1.2. Методологические основы интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем

1.3. Возможности построения учебного модуля «Термодинамика биологических систем» в условиях профильного обучения

Глава 2. МЕТОДИКА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИНТЕГРАЦИИ ФИЗИКИ И

БИОЛОГИИ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ОТКРЫТЫХ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ



СИСТЕМ

2.1. Модель методики осуществления интеграции физики и биологии на основе понятия «энергия» при изучении открытых термодинамических систем

2.2. Реализация интегративных форм учебных занятий при изучении открытых термодинамических систем

2.3. Приёмы, методы и средства развития естественно-научного мышления учащихся при изучении учебного модуля «Термодинамика биологических систем»

Глава 3. ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

3.1. Задачи и методика проведения педагогического эксперимента.................. 132

3.2. Критерии оценки эффективности проведения педагогического эксперимента

3.3. Анализ результатов педагогического эксперимента

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЯ….…………………………………………………………………168 ПРИЛОЖЕНИЕ…………………………………………………………………….....187

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Актуальность исследования. На современном этапе развития российского образования актуальной является проблема повышения качества образования, которое удовлетворяло бы познавательные потребности учащихся, обеспечивало высокий уровень их фундаментальной подготовки, развитие личности и ее адаптацию в быстро изменяющихся социально-экономических и технологических условиях. Содержание и направление образовательной политики России определены в Федеральном законе «Об образовании в Российской Федерации», «Национальной доктрине образования в Российской Федерации» до 2025 г., Национальной образовательной инициативе «Наша новая школа».

Ориентация современной российской системы образования на потребности личности, учет способностей и возможностей учащихся, профильную направленность содержания образования ставит задачи повышения качества профильного естественно-научного образования. Вопрос повышения качества образования неразрывно связан с требованиями к результатам освоения основной образовательной программы, установленными федеральным государственным образовательным стандартом среднего общего образования (далее – Стандарт) на личностном, метапредметном и предметном уровнях.





В рамках реализации государственных приоритетов модернизации образования перед педагогическим сообществом актуализировалась проблема выбора стратегии профильного обучения, которая наиболее полно отражала требования государства и общества к качеству образования в направлениях: 1) обеспечение высокого уровня фундаментальной подготовки учащихся; 2) развитие личности учащихся, повышение мотивации к обучению и целенаправленной познавательной деятельности; 3) подготовка учащихся к последующему профессиональному образованию и успешному продолжению обучения в образовательных учреждениях профессионального образования и к дальнейшей профессиональной деятельности.

В работах В. А. Асеева, Б. М. Кедрова, В. Н. Кузнецова, А. Д. Суханова, А. Д. Урсула, Н. К. Чапаева, М. Г. Чепикова, Г. П. Щедровицкого указывается, что фундаментальность образования характеризуется принципами научности и систематичности, а системность обусловлена целостностью и взаимосвязанностью [5; 62; 73; 129; 137; 167; 168; 176]. Ведущим направлением в реализации этих принципов является интеграция естественно-научных представлений о материи, формах и способах ее существования. Физические знания являются теоретической основой этих представления, так как физика, как наука изучает строение материи и формы существования материи. Одновременно меняется соотношение фундаментальных предметных знаний и их практическим приложением, что приводит к смене ориентиров в профильном естественнонаучном образовании в сторону построения интегративных знаний на основе фундаментальных физических законов, объясняющих изучаемые явления.

В исследованиях по вопросу целостности содержания естественно-научного образования в области дидактики (Ю. И. Дик, И. Д. Зверев, Л. Я. Зорина, В. И. Кузнецов, В. М. Симонов, А. А. Панайотов, А. В. Усова, В. Н. Федорова и др.), методики преподавания естественно-научных предметов (Г. М. Анохина, А. И. Гурьев. М. Д. Даммер, Ц. Б. Кац, О. А. Митина, Е. Б. Петрова, М. В. Потапова, Л. А. Прояненкова, Н. С. Пурышева, С. А. Старченко, Н. Н. Тулькибаева, А. А. Фадеева, А. Г. Хрипкова, О. А. Яворук и др.), создания экспериментальных программ (И. Ю. Алексашина, М. Г. Гапонцева, Ю. А. Коварский, Е. К. Страут, Н. С. Пурышева, З. А. Скрипко, Л. С. Хижнякова, А. Ю. Хотунцев, Ю. Л. Хотунцев и др.) указывается, что интеграция знаний существенно повышает у учащихся интерес и мотивацию к обучению.

На современном этапе развития российского образования профильная направленность содержания физического образования должна ориентироваться не только на освоение учащимися знаний и видов деятельности, определяющих предметно-тематическое содержание [153], но и на переход в характере мышления учащихся от фрагментарного к целостному восприятию мира, на их личностное становление, развитие их познавательных и мыслительных способностей, что обусловливает развитие у них естественно-научного мышления. Проблемой развития естественно-научного мышления занимались Г. А. Берулава, А. И. Гурьев, Ю. И. Дик, Н. М. Зверев, М. И. Махмутов, А. В. Петров, М. В. Потапова, Л. П. Свитков, С. А. Старченко, С. А Суровикина, Н. Ф. Талызина, А. В. Усова, Н. В. Шаронова [12; 37; 43; 49; 79; 92; 96; 108; 119; 127; 130; 140; 171] и т. д.

В решении проблем целостности содержания естественно-научного образования, развития естественно-научного мышления значительную роль играет изучение в курсе физики средней школы элементов пограничных наук, в частности вопросов биофизики.

Интеграция физики и биологии при обучении физике позволяет раскрыть обобщенную методологию познания. Поскольку физика изучает наиболее простые формы движения материи, а биология – наиболее сложные, то интеграция этих двух областей познания позволит учащимся в полной мере осознать восхождение от абстрактного к конкретному, научит анализировать живые системы и видеть, как появляются в них новые интегративные качества при объединении (синтезе) простых форм движения.

Необходимо также отметить, что интеграция физических и биологических знаний в учебном процессе выступает не только как совокупность конкретных образовательных результатов, развитие целостного взгляда на природу, но и как пропедевтическая система для дальнейшего изучения курса биофизики в вузах естественно-научной направленности.

Курс физики средней школы объединяет основы целой системы наук (механика, термодинамика, оптика, электродинамика и т. д.), позволяющих интегрировать физические и биологические знания. Особое место занимает термодинамика, так как она изучает общие закономерности обмена и превращения энергии, применяемые к процессам, протекающим как в неживой природе, так и в живых системах (например, к метаболизму). Однако в школьном курсе физики применение законов термодинамики ограничивается тепловым двигателем, что значительно сужает мировоззренческий потенциал данного раздела. При изучении термодинамических систем интеграция физических и биологических знаний позволит выйти на новый уровень познания, раскроет новые возможности их описания на основе самоорганизации и аутостабилизации в живом организме.

Проблемы методики обучения физике в средней школе в условиях межпредметного взаимодействия с биологией и в частности термодинамике рассматривались в работах В. В. Губина, А. И. Гурьева, В. С. Елагиной, А. В. Зубова, И. Е. Карнаух, Ц. Б. Кац, О. Нормурадова, В. А. Попкова, Л. П. Свиткова, Л. А. Прояненковой, М. Т. Рахматуллина, С. А. Старченко, Г. Н. Степановой, А. В. Усовой, А. А. Фадеевой, Л. С. Хижняковой, Ю. С. Царева, А. Т Цветковой, В. П. Шумана [36; 38; 44;

55; 59; 61; 88; 95; 99; 103; 108; 120; 124; 142; 151; 160; 165; 166; 175] и др. Однако проблема развития естественно-научных знаний и их практическое использование на основе интеграции учебных предметов физики и биологии в представленных работах недостаточно отражена. В них не выявлены теоретические основы интеграции физики и биологии применительно к профильному личностно ориентированному обучению.

Проведенный в рамках исследования констатирующий педагогический эксперимент, направленный на выявление уровней сформированности естественнонаучных знаний, развитие естественно-научного мышления и профильной направленности учащихся, позволил сделать вывод: несмотря на необходимость формирования у учащихся современного научного мировоззрения, более глубоких физических и естественно-научных знаний в целом, развития естественнонаучного мышления, наблюдается низкий уровень усвоения естественно-научных знаний, в частности при изучении термодинамических систем (величин, явлений, методов, законов), а естественно-научное мышление учащихся находится в основном на уровне эмпирически-научной стадии развития.

Это обусловлено низким уровнем мотивации учащихся в получении естественно-научных знаний (по данным констатирующего эксперимента). Мотивация учащихся профильных естественно-научных классов в основном направлена на сдачу единого государственного экзамена, а не на успешное продолжение обучения в учереждениях профессионального образования и на дальнейшее использование естественно-научных знаний в профессиональной деятельности.

Проблемы естественно-научного образования в условиях профильного обучения рассматривались в работах Е. А. Вечкановой, Г. А. Ворониной, Е. Н. Жуковой, А. И. Гурьева, Д. Н. Климовой, М. В. Потаповой, Н. С. Пурышевой, В. Г. Разумовского, М. Т. Рахматуллина, С. А. Старченко, А. В. Хуторского, Т. Т. Федорова, А. Т. Цветковой [22; 26; 45; 46; 65; 96; 101; 102; 103; 119; 163; 156;

166] и других. В исследованиях перечисленных авторов пути решения проблем определялись до принятия Стандарта и были ориентированы либо на общекультурное и мировоззренческое развитие личности, либо на углубленное изучение естественно-научных предметов.

Согласно современным требованиям, профильная подготовка учащихся должна быть ориентирована на совершенствование имеющегося и приобретение нового опыта познавательной деятельности, профессиональное самоопределение учащихся и значима для продолжения обучения … и успешной социализации [152] на основе индивидуализации и профессиональной ориентации содержания среднего общего образования [153]. В качестве одного из путей решения обозначенных требований государства и общества к подготовке выпускников профильных классов выступает разработка индивидуальной образовательной траектории учащегося (Федеральный закон «Об образовании в Российской Федерации» (ст.

34), ФГОС С(П)ОО (п. 18.3.1)). В этом случае единицей профильного обучения становится не класс, а группы учащихся, формируемые при изучении учебных модулей различного содержания. Стандарт определяет возможности сочетания фундаментальной подготовки учащихся профильных естественно-научных классов с широким спектром учебных модулей, позволяющим сконцентрировать усилия учащихся на действительно важных для них аспектах учения [152; 153].

Таким образом, возникает необходимость осуществления интегративного подхода при изучении предметов предметной области «Естественные науки» и возможность его осуществления через набор учебных модулей. Содержание модулей основано как на интеграции естественно-научных знания, так и на знаниях, полученных при изучении смежных предметных областей. Набор учебных модулей определяет структуру и содержание единого элективного курса метапредметного характера. Одним из таких модулей может быть интегративный учебный модуль «Термодинамика биологических систем», который, с одной стороны, будет учитывать индивидуальные потребности учащихся с определённым стилем мышления, проявляющих способности к естествознанию, с другой – будет направлен на достижение метапредметных результатов, развитие естественно-научного мышления и профессионально значимых характеристик, необходимых для осознанного выбора учащимся жизненной стратегии и дальнейшего продолжения обучения.

Эффективность реализации модульной технологии при изучении курса физики в общеобразовательной школе была доказана в работах Л. И. Васильева, Е. А. Вечкановой, Т. С. Данильсона, О. Н. Королевой, В. Г. Разумовского, Е. А. Румбешта, П. И. Третьякова [19; 22; 41, 68; 102; 135] и другие. Однако в контексте требований Стандарта преподавание интегративного учебного модуля для учащихся естественно-научного профиля как педагогическая проблема не исследовалась. Отсутствуют методические рекомендации по преподаванию интегративного учебного модуля как целостной системы естественно-научных знаний и надпредметных умений.

На основании вышеизложенного можно констатировать, что в педагогической науке накоплен опыт по построению целостной системы содержания естественно-научного образования. Однако естественно-научное образование в условиях профильного обучения на сегодняшний день не обладает таким дидактическим и методическим инструментарием, практическая реализация которого на уровне интеграции физических и биологических знаний, в частности применительно к термодинамике открытых систем, могла бы способствовать естественно-научной подготовке учащихся, соответствующей требованиям общества, потребностям и интересам учащихся.

Анализ современного состояния профильного естественно-научного образования в целом и физического образования в частности, методологической, психолого-педагогической, научной и методической литературы, нормативных документов регламентирующих образовательный процесс, позволил выявить противоречия:

– между требованиями государства и потребностями общества в выпускниках профильных естественно-научных классов, обладающих целостными естественно-научными знаниями, развитым естественно-научным мышлением и реальным состоянием подготовки выпускников профильных классов, обладающих предметно-ограниченными знаниями и находящихся на эмпирически-научной стадии развития естественно-научного мышления;

– между интенсивными темпами развития процессов интеграции физических и биологических знаний в современной науке и недостаточной разработанностью дидактических механизмов их отражения в содержании физического образования в частности при изучении термодинамических систем в классах естественно-научного профиля;

– между потенциальными возможностями изучения термодинамических законов и закономерностей, обеспечивающих повышение качества естественнонаучной подготовки, развития естественно-научного мышления учащихся и неудовлетворительным состоянием существующего учебно-методического обеспечения для классов естественно-научного профиля, которое не позволяет реализовать данные возможности.

Необходимость разрешения данных противоречий обусловливает актуальность темы исследования «Интеграция физики и биологии при изучении термодинамических систем в классах естественно-научного профиля» и определяет проблему исследования: какой должна быть методика осуществления интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем в классах естественно-научного профиля в условиях.

Интеграцию физики и биологии при изучении термодинамических систем в классах естественно-научного профиля будем рассматривать как условие для развития естественно-научного мышления, а также для создания информационной образовательной среды, способной обеспечить фундаментальную подготовку учащихся через повышение уровня усвоения естественно-научных знаний, способов деятельности и мотивацию учащихся к получению профильного естественнонаучного образования.

Объектом исследования является процесс обучения физике в классах естественно-научного профиля.

Предметом исследования является методика осуществления интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем в классах естественно-научного профиля.

Цель исследования состоит в обосновании и разработке методики осуществления интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем в классах естественно-научного профиля.

Гипотеза исследования представляет собой предположения о том, что если:

– методика осуществления интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем будет основана на системно-синергетическом и интегративно-модульном подходах;

– интеграция физики и биологии при изучении термодинамических систем будет рассматриваться в рамках учебного модуля «Термодинамика биологических систем», объединяющего физические знания по термодинамике и биологические знания по метаболизму;

– содержание модуля будет построено в соответствии с логикой развития понятия «энергия» при изучении открытых термодинамических систем с позиций синергетики;

– в процессе обучения на основе учебного модуля использовать репродуктивный, продуктивно-практический, частично-поисковый, исследовательский методы, основанные на приемах межпредметного обобщения и систематизации, решении качественных, количественных, экспериментальных и исследовательских межпредметных задач, применять методы физического исследования к живым организмам на различных формах учебных занятий, то у учащихся естественно-научного профиля:

– повысится уровень усвоения естественно-научных знаний и способов деятельности;

– произойдет развитие естественно-научного мышления вследствие активизации познавательной деятельности;

– усилится мотивация к получению профильного естественно-научного образования.

Для проверки гипотезы и достижения цели исследования решались следующие задачи.

1. Выявить состояние проблемы интеграции физики и биологии в педагогической науке и общеобразовательной практике и обосновать необходимость интеграции знаний для повышения качества подготовки учащихся в классах естественно-научного профиля.

2. Обосновать интеграционное взаимодействие физических знаний по термодинамике и биологических знаний по метаболизму в учебном модуле «Термодинамика биологических систем», адекватно отражающих современную естественно-научную картину мира.

3. Выявить теоретические основы интеграции физики и биологии в учебном процессе применительно к открытым термодинамическим системам.

4. Теоретически обосновать и разработать модель методики осуществления интеграции физики и биологии на основе системно-синергетического и интегративно-модульного подходов.

5. Разработать содержание учебного модуля «Термодинамика биологических систем» для учащихся естественно-научного профиля, генерализованное вокруг содержания понятия «энергия».

6. Определить методы, приемы, средства и формы интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем, обеспечивающие межпредметное обобщение, систематизацию знаний и способов деятельности, развитие естественно-научного мышления учащихся.

7. Провести педагогический эксперимент с целью проверки гипотезы исследования.

Теоретико-методологическую основу исследования составили:

– теория единства и целостности образования (Б. М. Кедров, В. В. Краевский, В. С. Леднев и др.);

– эволюционно-синергетический подход (Е. Н. Князева, С. П. Курдюмова, И. Р. Пригожин, Г. Хакен) и ее реализация в образовании (В. Г. Буданов, О. Н. Голубева, А. Д. Суханов);

– теории становления личности как субъекта самопознания (Л. С. Выготский, С. Л. Рубинштейн и др.);

– теории личностно-деятельностного (В. В. Давыдов, М. И. Махмутов, Д. Б. Эльконин, И. С. Якиманская), интегрированного подходов к образованию (М. Н. Берулава, И. Д. Зверев, Л. Я. Зорина, С. А. Старченко, С. А. Суровикина, Н. К. Чапаев и др.);

– проблемы дифференциации и индивидуализации в обучении (Л. Я. Зорина, Н. С. Пурышева, И. Э. Унт и др.);

– принцип генерализации учебного материала вокруг физических идей и единиц знаний (Г. М. Голин, В. В. Мултановский, Н. С. Пурышева, Л. С. Хижнякова, А. В. Усова и др.);

– исследования, посвященные разработке и внедрению модульной технологии обучения (Л И. Васильев, Е. И. Попов, П. И. Третьяков, В. В. Шоган, П. Юцявичене и др.);

– исследования в области теории и методики обучения физике в общеобразовательной школе (С. Е. Каменецкий, А. А. Пинский, Н. С. Пурышева, Н. Н. Тулькибаева, А. В. Усова, А. П. Усольцев, А. А. Фадеева, Л. С. Хижнякова, Н. В. Шаронова и др.).

Для решения поставленных задач применялись теоретические методы исследования (анализ философской, психолого-педагогической, методической литературы при определении понятийного аппарата и методологических основ исследования; историко-логический анализ оценки подходов к формированию целостностного физического и биологического содержания естественнонаучного образования; анализ нормативных документов, регламентирующих деятельность образовательного учреждения; моделирование) и эмпирические методы (наблюдение, анкетирование, опрос, тестирование, обобщение опыта работы учителей физики и биологии по организации естественно-научного образования; педагогический эксперимент), а также методы математической статистики.

Исследование проводилось с 2007 по 2013 год в несколько этапов.

На первом этапе (2007–2008 гг.) проводилось ознакомление с теорией педагогической интеграции, был проведен анализ состояния проблемы в теории и практике профильного обучения физике и биологии, выявлены противоречия.

Сформулированы цели, объект и предмет исследования, гипотеза, задачи, этапы и методы исследования. Определены теоретические и методологические основы интеграции физики и биологии в классах естественно-научного профиля. Проведен констатирующий педагогический эксперимент.

На втором этапе (2009–2011 гг.) теоретически обосновывалась и разрабатывалась модель методики осуществления интеграции физики и биологии на основе системно-синергетического и интегративно-модульного подходов. Разработано содержание учебного модуля «Термодинамика биологических систем». Проведён поисковый педагогический эксперимент.

На третьем этапе (2012–2013 гг.) проведена опытно-экспериментальная работа по проверке гипотезы, обобщены результаты исследовательской работы, разработаны методические рекомендации, проведён обучающий педагогический эксперимент. Оформлено диссертационное исследование.

Экспериментальная база исследования. Педагогический эксперимент проводился с учащимися профильных естественно-научных классов общеобразовательных учреждений Челябинской области (Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение лицей № 102 г. Челябинска; Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение лицей № 77 г. Челябинска; Государственное бюджетное учреждение общеобразовательная школа-интернат «Челябинский областной лицей-интернат»

г. Челябинска; Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение лицей № 23 г. Озерска, Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение лицей № 13 г. Троицка; Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа № 18» г. Златоуста; Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа № 25»

г. Златоуста; Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа № 1 г. Верхнеуральска; Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение Фершампенуазская средняя общеобразовательная школа, муниципальное казенное общеобразовательное учреждение Ново-Рассыпнянская средняя общеобразовательная школа, муниципальное казенное общеобразовательное учреждение Остроленская средняя общеобразовательная школа Нагайбакского муниципального района).

Научная новизна результатов исследования.

1. Обоснована возможность и доказана эффективность использования интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем в классах естественно-научного профиля. Интеграция знаний курса физики по термодинамике и курса биологии по метаболизму осуществляется на уровне дидактического синтеза на основе содержания понятия «энергия».

2. Теоретически обоснована и разработана модель методики осуществления интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем на основе содержания понятия «энергия», направленная на повышение целостности содержания естественно-научного образования и развитие теоретического естественно-научного мышления учащихся. Отличительной особенностью модели является ее концептуальное основание: системно-синергетический и интегративно-модульный подходы, раскрывающие формирование и реализацию содержания образования как системы знаний и способов деятельности, отражающих стратегию и тактику моделирования целостности содержания физических и биологических знаний при изучении термодинамических систем.

Системный подход формирует у учащихся единство взглядов на термодинамические системы через рассмотрение энергетических процессов, протекающих в них. Синергетический подход ориентирует на рассмотрение целостности элементов структуры, которые образуются в открытых системах благодаря обмену энергией с окружающей средой. Интегративный подход обеспечивает рациональное последовательное изложение учебного материала, при котором физические и биологические знания, дополняя друг друга, показывают общность методов познания. Модульный подход конкретизирует биофизическое содержание и определяет особенности методики преподавания интегративного учебного материала.

3. Разработана методика осуществления интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем, включающая: а) содержание учебного модуля, построенного на основе фундаментальных законов термодинамики и генерализации знаний вокруг содержания понятия «энергия»; б) деятельность преподавателя, включающую действия по осуществлению ориентации, проектирования и реализации интеграции физики и биологии, а также оценки эффективности методики осуществления интеграции физики и биологии в учебном процессе; в) методы преподавания (объяснительный, инструктивно-практический, объяснительно-побуждающий, побуждающий) и методы учения (репродуктивный, продуктивно-практический, частично-поисковый, исследовательский), основанные на общности целей; г) приемы и способы деятельности учителя на различных формах учебных занятий, позволяющие осуществить межпредметное обобщение и систематизацию знаний, решение качественных, количественных, экспериментальных и исследовательских межпредметных задач, обосновать влияние физических факторов на функциональность биологических систем, применять методы физического исследования к живым организмам с помощью различных приборов и цифровых лабораторий, использовать физические законы и закономерности, объясняющие явления, протекающие в биологических системах; д) деятельность учащихся (экспериментальная, исследовательская, проектная), обеспечивающая фундаментальность образования, за счет интегративного характера содержания деятельности, развитие естественно-научного мышления при моделировании исследования в условиях учебной деятельности, мотивацию к получению профильного естественно-научного образования при решении комплексных задач, имеющих практическое значение.

4. В зависимости от уровней целостности содержания естественно-научного образования выделены предметные, межпредметные, интегративные виды учебных занятий. Содержание учебного модуля осуществляется в рамках интегративных учебных занятий, обеспечивающих интеграцию знаний и способов деятельности из двух предметных областей.

5. Разработаны методы, приемы, средства и формы интеграции физики и биологии, обеспечивающие развитие естественно-научного мышления учащихся при изучении учебного модуля «Термодинамика биологических систем», через: а) межпредметное обобщение, соединение физических и биологических знаний, применение физических методов исследования, законов и теорий к описанию биологических систем; б) комплексное рассмотрение проблем в теоретическом и практическом аспектах; в) обобщенные способы деятельности, адекватные деятельности естествоиспытателя (экспериментальная, исследовательская, проектная); г) формирование мыслительных операций (анализ, синтез, сравнение, абстрагирование, конкретизация, систематизация и обобщение).

Теоретическая значимость исследования заключается в том, что ее результаты вносят вклад в развитие идей теории интеграции естественно-научного образования и выражены в следующем:

– уточнено понятие «учебный модуль в естественно-научном профильном обучении» как относительно самостоятельная, логически завершенная по отношению к установленным целям и результатам образования автономная структурная единица образовательного процесса, позволяющая построить интегративное естественно-научное содержание, обеспечивающее удовлетворение потребностей учащихся, определяющее вектор развития их профильного интереса, формирующее навыки самостоятельной деятельности на основе интеграции знаний и способов деятельности из различных областей естествознания;

– определены теоретические основания интеграции физики и биологии, раскрывающие тенденции, факторы, источники, направления, закономерности, принципы, типы, уровни и формы осуществления интеграции физики и биологии в классах естественно-научного профиля, которые могут быть использованы при отборе и структурировании содержания естественно-научного модуля;

– выявлены принципы обучения, которые необходимо учитывать при моделировании методики осуществления интеграции физики и биологии: качественная несводимость объектов физического и биологического познания; научная целесообразность представления содержания; учет истории развития биофизического знания; использование индуктивно-дедуктивного метода обучения, позволяющего организовать различные формы интегративных занятий.

Практическая значимость проведенного исследования определяется тем, что создано и внедрено в образовательную практику учебно-методическое обеспечение по осуществлению интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем, включающее:

1. Учебное пособие «Термодинамика биологических систем», которое предусматривает логически последовательное изложение содержания учебного материала, углубление и расширение физических знаний о термодинамических системах, и представление этих знаний во взаимосвязи со знаниями биологическими.

Учебное пособие опубликовано и внедрено в учебный процесс обучения физике в классах естественно-научного профиля.

2. Учебно-методическое обеспечение интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем:

– для учителей физики созданы методические рекомендации, раскрывающие методику осуществления интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем; структуру и содержания учебного модуля; деятельность, ориентированную на освоение учащимися интегративного материала и получение навыков по его использованию на практике;

– для учащихся создана система качественных, количественных, экспериментальных и исследовательских задач, дидактические материалы, обеспечивающие формирование межпредметного обобщения, применение физических методов исследования, законов и закономерностей термодинамики для описания функциональных характеристик биологических систем.

Данное учебно-методическое обеспечение представлено в методических рекомендациях к учебному модулю, сборнике задач и упражнений, которые опубликованы и внедрены в учебный процесс обучения физике в классах естественнонаучного профиля.

3. Карты контроля уровня усвоения естественно-научных знаний и полноты сформированности умений учащихся осуществлять учебно-исследовательскую деятельность, критериально-ориентированный тест по оценке развития естественно-научного мышления учащихся при изучении открытых термодинамических систем, анкета для оценки познавательного, эмоционального и поведенческого отношения учащихся к получению профильного естественно-научного образования.

Внедрение разработанной методики в педагогическую практику позволяет не только повысить познавательную активность учащихся, уровень усвоения естественно-научных знаний и способов деятельности при изучении термодинамических систем, но и способствует развитию естественно-научного мышления и повышению мотивации учащихся к получению профильного естественнонаучного образования.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Для достижения качества профильного естественно-научного образования следует повышать целостность содержания физического и биологического образования. Представления этого содержания может быть реализовано на основе интеграции физических знаний по термодинамике и биологических знаний по метаболизму.

2. Теоретическими основами интеграции физики и биологии в профильных естественно-научных классах являются тенденции, факторы, источники, направления и закономерности интеграции физики и биологии, принципы формирования интегративного содержания, приемы, способы и формы реализации интеграции физики и биологии в образовательном процессе.

3. Модель методики осуществления интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем спроектирована на основе системносинергетического и интегративно-модульного подходов. Модель включает пять взаимосвязанных блоков: мотивационный – отражает комплекс потребностей, которые обеспечивают мотивацию к изучению термодинамических систем; целевой

– представлен единством цели и системы задач, решение которых обеспечивает достижение результата; содержательно-деятельностный – включает содержательный (содержание учебного модуля «Термодинамика биологических систем») и деятельностный (деятельность учителя по осуществлению интеграции и развитию естественно-научного мышления учащихся, деятельность учащихся по осуществлению экспериментальной, исследовательской и проектной деятельности) компоненты; технологический, описывающий основные методы, средства и формы организации образовательного процесса при изучении открытых термодинамических систем в профильных классах; результативный – отражает степень соответствия полученных результатов поставленной цели.

4. Методика осуществления интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем включает:

– определение источников, тенденций и направлений интеграции физического и биологического образования, выявление типа, вида и уровня интеграции содержания образования, реализацию основных форм ее осуществления в образовательном процессе;

– дидактическое соединение физических и биологических знаний в содержании учебного модуля «Термодинамика биологических систем» на основе содержания понятия «энергия»;

– разработку интегративных форм учебных занятий (лекции, практические занятия по решению задач, лабораторные занятия, конференции, экскурсии), обеспечивающих интеграцию знаний и способов деятельности из двух предметных областей;

– реализацию методов преподавания и учения, приемов и способов деятельности преподавателя (межпредметное обобщение и систематизация знаний; решение качественных, количественных, экспериментальных и исследовательских межпредметных задач; применение методов физического исследования к живым организмам), средств и форм интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем;

– осуществление мониторинга уровня усвоения естественно-научных знаний и способов деятельности, развитие естественно-научного мышления учащихся с помощью карт контроля полноты усвоения естественно-научных знаний и полноты сформированности умений учащихся осуществлять учебноисследовательскую деятельность, а также критериально-ориентированного теста по оценке развития естественно-научного мышления учащихся при изучении открытых термодинамических систем, анкеты для оценки познавательного, эмоционального и поведенческого отношения учащихся к получению профильного естественно-научного образования.

Апробация и внедрение результатов диссертационного исследования осуществлялись в ходе опытно-экспериментальной работы в общеобразовательных учреждениях Челябинской области (гг. Челябинск, Златоуст, Троицк, Верхнеуральск, Нагайбакский муниципальный район), посредством публикаций статей в печати и участия в работе международных (гг. София, Челябинск), всероссийских (гг. Челябинск, Казань) и региональных (гг. Челябинск, Екатеринбург, Тюмень, Курган) конференций, в ходе практики преподавания в ГБОУ ДПО «Челябинский институт переподготовки и повышения квалификации работников образования», при обсуждении на заседаниях кафедры естественно-математических дисциплин ГБОУ ДПО «Челябинский институт переподготовки и повышения квалификации работников образования» и кафедрах физики, биофизики, математики и информатики, профессиональной педагогики, истории и философии ФГБОУ ВПО «Уральская государственная академия ветеринарной медицины».

Глава 1

ФОРМИРОВАНИЕ ЦЕЛОСТНОСТИ СОДЕРЖАНИЯ

ФИЗИЧЕСКОГО И БИОЛОГИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ПРИ ИЗУЧЕНИИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1.1. Интеграция физики и биологии в условиях профильного обучения в классах естественно-научного профиля Ориентация современной российской системы образования на потребности личности, учёт способностей и возможностей учащихся, профильную направленность содержания образования ставит задачи повышения качества профильного естественно-научного образования.

Гегель понимает «качество» как логическую категорию, составляющую начальную ступень познания вещей и становления мира, как непосредственную характеристику бытия объекта [31]. Иначе говоря, качество – это присущие какомулибо объекту свойства и характеристики, которые определяют объект и отличают его от другого.

В статье 2 Федерального закона «Об образовании в Российской Федерации»

определено понятие «качество образования» – это комплексная характеристика образования, выражающая степень его соответствия федеральным государственным образовательным стандартам и федеральным государственным требованиям (образовательным стандартам) и (или) потребностям заказчика образовательных услуг, в том числе степень достижения планируемых результатов образовательной программы [153].

Исследования Российской академии образования позволяют сформулировать характеристики качественного образования: образование призвано вооружить учащихся знаниями и навыками, которые не устареют в обозримом будущем, сформировать и развить такие личностные качества, которые максимально облегчат процесс адаптации к социальным реалиям, позволят реализовать себя в сложном, противоречивом обществе наиболее адекватными в личностном и социальном планах способами [150].

Обострение проблемы качества профильного естественно-научного образования приводит к необходимости обновления содержания естественно-научного образования путём пересмотра его содержания, изменения организации образовательного процесса, форм и методов обучения.

Повышение качества профильного естественно-научного образования, возможно, реализовать через повышение целостности содержания физического и биологического образования.

Понятие «целостность» в Философском словаре определяется как внутреннее единство объекта [159].

По мнению Г. Ф. Федорец, основой формирования целостного содержания естественно-научного образования в условиях предметного изучения является интеграция наук [154]. На это указывается в работах В. С. Безрукова, М. Н. Берулавы, М. Г. Гапонцевой, Ю. И. Дика, И. Д. Зверева, Л. Я. Зориной, И. Е. Карнаух, Т. В. Кирилловой, В. С. Леднева, И. Я. Лернера, В. Н. Максимовой, С. А. Старченко, А. Д. Суханова, А. В. Усовой, В. Н. Федоровой, Т. Т. Федоровой, Н. К. Чапаева, М. Г. Чепикова, О. Я. Яворука и т. д. [10; 13; 29; 43; 49; 53; 59; 69; 75; 77; 78; 121; 129;

140; 155; 156; 167; 168; 179].

Несмотря на большое количество исследований, проводимых в области интеграции в образовательной сфере, до сих пор не существует единого определения понятия «интеграция». Б. М. Кедров считает, что «интеграция есть конкретное выражение синтеза наук как междисциплинарного процесса их слияния воедино; их взаимного связывания» [62, с. 35]. По мнению И. Д. Зверева, интеграция это процесс создания неразрывно связанного, цельного, осуществляемое путём слияния в одном курсе элементов разных учебных предметов [52]. В. П. Кохановский под интеграцией понимает «взаимопроникновение наук или научных дисциплин, стирание граней между ними, объединение их в единое целое» [69]. С точки зрения А. И. Гурьева интеграция это результат построения целостности, которая создаётся путём синтеза научных знаний на основе фундаментальных закономерностей природы [38, с. 86].

Более точно и объёмно дано определение интеграции в работе С. В. Кульневич, Т. Т. Лакоцениной: «Интеграция – это глубокое взаимопроникновение, слияние, насколько это возможно, в одном учебном материале обобщённых знаний в той или иной области» [74].

При всём разнообразии подходов к определению понятия «интеграция» у учёных нет принципиальных понятийно-теоретических расхождений.

Обобщая вышеизложенное, можно отметить, что в педагогической науке интеграция рассматривается как система взаимосвязанных составляющих, обеспечивающая целостность образования.

Исследователями [119, 174] в области интеграции определены три модели направления интеграции естественно-научных знаний (рис. 1).

–  –  –

Рисунок 1. Направления интеграции естественно-научных знаний Модель 1.

Интеграция физики, химии и биологии в целостное научное знание. Соединение, в данном случае, реализуется на основе целостной естественнонаучной картины мира.

Модель 2. Интеграция физики и биологии с включением химической формы познания окружающего мира.

В данном случае рассмотрение естественнонаучного содержания осуществляется через раскрытие биофизических теорий, определяющих сущность функционирования живого организма.

Модель 3. Интеграция физических и биологических знаний без учёта химических формы познания окружающего мира.

В большей степени такая интеграция раскрывает прикладные вопросы наук (медицины, ветеринарии).

С учётом выделенных направлений и реализации их прикладного аспекта нами выбрано модель, в которой интеграция физических и биологических знаний осуществляется без акцента на химические знания.

Для настоящего исследования представляют интерес диссертационные исследования по реализации в образовательном процессе взаимосвязи физики и биологии: В. П. Шумана (определены направления, по которым необходимо осуществление взаимодействия физики и биологии) [175]; С.

П. Злобиной (представлены различные формы организации учебных занятий на основе межпредметных связей в 7–8 классах основной школы) [52]; О. Нормурадова (освещены вопросы профильной подготовки учащихся на медицинские специальности за счёт внедрения вопросов биофизики в курс физики средней школы) [88]; В. В. Губина (определены формы реализации межпредметных связей физики и биологии в старших классах средней школы) [36]; М. Т. Рахматуллина (описаны возможности осуществления межпредметных связей физики, химии и биологии при изучении фундаментальных естественно-научных теорий) [103]. Ц. Б. Кац и Ю. С. Царев [61; 165] в своих работах отобрали и систематизировали материал естественно-научного содержания, показали влияние взаимосвязи преподавания физики с биологией на формирование интереса учащихся к изучаемым предметам.

На основании анализа диссертационных исследований можно констатировать, что в истории педагогики накопилось ценное наследие по теории и практике реализации межпредметных связей физики и биологии: выделены методологические основы, определены основные аспекты взаимосвязи физики и биологии, определены направления осуществления этих связей в общеобразовательном учреждении, определены дидактические функции, обоснована объективная необходимость отражать взаимосвязи в учебном процессе, выявлено их положительное влияние на формирование системы знаний, были разработаны методики скоординированного преподавания учебных предметов физики и биологии.

Однако все эти исследования были направлены на осуществление межпредметных связей между учебными предметами, а реализация межпредметных связей преследует цель создания условий для формирования у учащихся конкретных знаний по этим предметам. В этой ситуации межпредметные связи «служат хотя и важным, но вспомогательным средством, объединяющим знания школьников» [80]. Как отмечает Д. Н. Климова, на современном этапе развития педагогической науки для повышения целостности содержания естественно-научного образования уже недостаточно использовать только межпредметные связи, должен осуществляться «поиск возможностей более высоких уровней системности содержания образования» [65, с. 3].

Следовательно, возникает необходимость исследования интеграции физики и биологии, обладающей большим потенциалом образовательных возможностей, так как «межпредметные связи можно «устанавливать», а синтез и интеграция могут осуществляться и достигаться» [179].

Для раскрытия интеграции физики и биологии в системно-логическом контексте необходимо задать общую логику и иерархию компонентов, раскрывающие теоретические основы интеграции. Рассматривая интеграцию содержания общего и профессионального образования в профтехучилищах, М. Н. Берулава выделяет тенденций, закономерности, направления, виды, типы, уровни и формы интеграционных взаимодействий. Источниками интеграции содержания профессионального образования, по его мнению, являются интеграционные процессы в науке, а также усиление взаимосвязи общего и профессионального образования [13].

По мнению М. Н. Берулава принципы профессиональной направленности, политехнизма, системности, научности и доступности обучения выступают в качестве факторов интеграции [13].

С точки зрения С. А. Старченко, факторы интеграции делятся на временной, предметный, общественный, коллективный и индивидуальный [121].

Временной фактор развития определяет приоритетность интеграции физических и биологических знаний над их дифференциацией.

Предметный фактор определяет приоритетность одного естественнонаучного предмета относительно другого.

Общественный фактор определяет учёт государственных интересов и потребностей в области естественно-научного образования. Эти требования определяются стандартами в предметной области «Естественные науки» как совокупность определённых знаний, способов деятельности, компетенций, которыми должен владеть учащийся после окончания средней общеобразовательной школы.

Коллективный фактор определяет учёт групповых интересов учащихся в получении профильного обучения, позволяющего им успешно самоопределяться после окончания средней школы.

Индивидуальный фактор определяет построение индивидуальных образовательных траекторий, позволяющих удовлетворять познавательные потребности учащегося через учебно-исследовательскую деятельность. В условиях гуманизации образования при разработке содержания естественнонаучного образования основным становится индивидуальный фактор.

Ключевыми тенденциями интеграции содержания естественно-научного образования могут быть материальное единство мира, единство анализа и синтеза в познании мира, взаимосвязь различных отраслей научного знания [119].

Направления интеграции физического и биологического образования рассматриваем в рамках горизонтальной и вертикальной интеграции.

Горизонтальная интеграция осуществляется через взаимосвязь содержания отдельных предметов, создания единых блоков. Вертикальная интеграция реализуется на основе целостности предметов интеграции за счёт углубления и расширения знаний и умений учащихся на основе синтеза [121].

Анализ развитие интегративного взаимодействия в естествознании, позволил выделить закономерности интеграции физики и биологии: преимущество интеграции над дифференциацией; смена лидерства в естественно-научном познании от физического к биологическому; увеличение скорости интеграции;

неравномерность интегративных процессов, зависящая от смены интегрирующих факторов; возрастание роли интеграции в направлении к гуманному использованию научных знаний.

А. Ф. Зубов в своем исследовании дает объяснение межнаучному взаимодействию физики и биологии на основе материалистической диалектики с применением следующих принципов: историзма, структурно-системного, динамической и вероятностно-статистической детерминации в живом [55].

И. А. Рыбин, рассматривая границы применения законов физики в познании живых объектов, отмечает, что при взаимодействии физики и биологи проявляются следующие позиции: физический редукционизм и биологический антиредукционизм. Гносеологические корни такой противоположности точек зрения заключены в том, что явления жизни можно рассматривать как с позиции физических закономерностей, протекающих в живой материи, так и с позиции биологических фактов, которые выражаются в адаптации, развитии, наследственности и эволюции [106].

Физическая редукция при изучении термодинамических систем предусматривает описание сложных биологических процессов и явлений физическими законами термодинамики.

При рассмотрении интеграции физики и биологии и отражения этой целостности в естественно-научном образовании С. А. Старченко выделяет принципы: качественной несводимости физики и биологии, историзма в развитии физики и биологии, индуктивно-дедуктивного синтеза в методах познания живого организма [122].

Принцип качественной несводимости заключается в том, что принципы и законы, управляющие биологической формой движения, качественно не сводимы к физической форме.

Принцип историзма позволяет рассмотреть ещё одну грань дополнительности в интеграции физики и биологии.

Суть индуктивно-дедуктивного синтеза в условиях интеграции физики и биологии заключается в том, что характерный для физики дедуктивный метод познания взаимодействует через содержание для биологии индуктивным (описательным) методом познания [121].

Интегративные факторы, лежащие в основе целостного содержания естественно-научного образования, позволяют выделить следующие типы интеграции:

общеметологический, общенаучный и частнонаучный [13; 119]. К интегративным факторам относят структурные элементы естественно-научных знаний (факты, понятия, принципы, методы, законы, теории, идеи, концепции, научные картины мира, материальные объекты), способы деятельности, объекты исследования, методы познания и т.д. [13; 44; 58; 119; 144; 174].

Развитие обобщающего аппарата научного познания, определение единых методов исследования, формирование новых единых понятий обеспечивают общеметодологический тип интеграции. Реализация в образовательном процессе общенаучных средств и форм интеграции связана с общенаучным типом интеграции. Частнонаучный тип интеграции подразумевает объектную интеграцию.

Вид интеграции определяется тем, какой предмет положен в основу интеграции (физический, химический, биологический) [174].

В настоящем исследовании придерживаемся классификации уровней целостности научного познания, предложенной С. А. Старченко, которая включает:

внутрипредметный синтез, межпредметные связи, дидактический синтез и интегративную целостность [119]. На уровне внутрипредметного синтеза рассматривается целостное представление содержания учебного предмета. Уровень межпредметных связей положен в основу определения общих объектов и методов познания, научных фактов, понятий, законов общих для двух или нескольких предметов [174]. На уровне дидактического синтеза целостность содержания образования осуществляется при рассмотрении общенаучных проблем на основе соединения знаний нескольких предметов. Уровень интегративной целостности характеризуется максимальным объединением, упорядоченностью, взаимообусловленностью знаний. Этот уровень реализуется через объединение предметных областей, целостного представления основного и профильного образования. Важно отметить, что на данном уровне осуществляется полная содержательная и процессуальная интеграция в рамках образования нового целостного предмета.

Если уровни предметной целостности, межпредметных связей достаточно давно реализуются в практике обучения, то уровни дидактического синтеза и интегративной целостности являются не достаточно поработанными уровнями интеграционного взаимодействия. Особенно перспективен в плане профильного обучения уровень дидактического синтеза. По мнению академика РАО А. В. Усовой, «знания становятся более глубокими, если укрупнённые системы созданы за счёт дидактического синтеза знаний из различных предметов, поэтому возникает проблема разработки теории обучения и педагогических технологий, построенных на идее дидактического синтеза» [131].

А. В. Хуторской предлагает для обеспечения личностного развития учащихся вместо критериев отбора содержания определить критерии его структурирования.

Одним из критериев может служить генерализация содержания образования на основе фундаментальных образовательных объектов, в том числе и метапредметных.

В структуре содержания образования определяются последовательные периодически повторяющиеся участки интеграции и дифференциации содержания общего образования на метапредметной основе [163].

В методике преподавания естественно-научных предметов О. А. Яворук выделяет основные направления внедрения в образовательный процесс интегративного содержания, к которым относятся: полипредметные интегративные курсы;

пограничные курсы, созданные на основе интегративных наук; стержневые курсы, созданные на основе стержневых наук; интегративные курсы, созданные на основе общенаучных понятий, законов и теорий; интегративные курсы, созданные на основе изучения вопросов эволюции науки, методов научного познания природы, естественно-научной картины мира; интегративные курсы, созданные на основе изучения комплексных объектов, различных проблем на основе деятельности человека [179].

Учитывая исследования С. А. Старченко, А. В. Хуторского, О. А. Яворука по внедрению интегративного содержания в образовательный процесс, а также уровни целостности содержания естественно-научного образования, были выделены интегративные, синтезированные, межпредметные и предметные формы учебных занятий.

Каждая из этих форм «есть способ существования и выражения содержания» учебного занятия [50, с. 43]. Учебное занятие – это целостный фрагмент образовательного процесса, представляющий систему взаимосвязанных элементов: образовательных ситуаций, форм организации взаимодействия участников, образовательной задачи (цели), содержания образования, методов и средств обучения [170].

С точки зрения классификации форм организации учебных занятий, рассмотренных в диссертационном исследовании К. А. Звягина, к ним относятся:

урок, семинар, конференция, экскурсия, лекция и другие. Уточним, что каждая из этих форм организации учебных занятий в зависимости от уровня реализации целостности содержания образования может быть реализована на предметном, межпредметном и интегративном уровне представления учебного материала.

Такие формы организации учебных занятий, как урок, семинар, конференция, экскурсия, лекция и другие мы относим к типам, а уровень реализации интеграции учебного материала на этих формах организации учебных занятий – к видам (рис. 2).

–  –  –

Рисунок 2. Систематизация форм и видов организации учебных занятий Предметные виды организации учебных занятий выполняют традиционные предметные образовательные функции в рамках учебного предмета.

В них системно представляются физические, химические, биологические и другие научные знания, специфические методы исследования.

Межпредметные виды организации учебных занятий осуществляют координацию содержания предметного учебного материала, определяют преемственность в изучении предметов, формирование понятий, законов и теорий, их единой интерпретации, устранения дублирования в изучении естественно-научных знаний, показа общности методов исследования и структуры познавательной деятельности для естественно-научных предметов. Их особенность – изучаемый учебный материал иллюстрируется сведениями из других предметов, обеспечивая при этом синхронность обучения по пересекающимся линиям (темам) нескольких предметов, которые разделены по времени на месяцы, годы.

Интегративные виды организации учебных занятий раскрывают соединение содержания естественно-научного образования на основе биофизических, биохимических, физико-химических понятий, законов, теорий, картин мира. Эти формы обеспечивают становление профильно-значимых образовательных траекторий, развивают профильный интерес учащихся, реализуют естественно-научную направленность образовательного процесса, обеспечивают развитие теоретического естественно-научного мышления учащихся. При реализации интегративных форм организации учебных занятий каждый из учебных предметов реализует свою задачу, используя содержание другого предмета для её достижения, при этом каждый предмет сохраняет свои концептуальные основания.

В заключение данного параграфа можно сделать вывод, что на современном этапе развития российской системы образования закономерным и научно обоснованным направлением является повышение целостности содержания естественнонаучного образования на основе интеграционного взаимодействия физического и биологического образования. Так как профильное обучение требует новых подходов к формированию содержания образования, существующие подходы формирования целостности содержания естественно-научного образования не должны ограничиваться только межпредметными связями. Необходимо вводить в образовательный процесс модули и курсы, которые обеспечивают соединение физических и биологических структур предметных знаний.

Интеграция содержания физического и биологического образования в классах естественно-научного профиля включает следующие компоненты: тенденции, факторы, источники, направления, закономерности, принципы, типы и уровни интеграции, основные формы её организации. Системно это представлено в таблице 1.

Таблица 1 Теоретические основы интеграция содержания физики и биологии в естественно-научного образования

–  –  –

1.2. Методологические основы интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем Под методологией понимается «система принципов и способов организации и построения теоретической и практической деятельности» [158, с. 365];

учение о структуре, логической организации, методах и средствах всех видов деятельности, в том числе учебной [117, с. 797].

Разработка методологии интеграционных процессов в педагогических системах нашло отражение в работах В. С. Безруковой, М. Н. Берулавы, В. В. Краевского, С. А. Старченко, А. В. Усовой, Н. К. Чапаева и других [10; 13; 70, 121;

141; 167].

Н. Р.

Шталева считает, что методологические основы интеграции физики и биологии составляют следующие компоненты [174]:

1) методологические знания – о методах, лежащих в основе особенностей естественно-научного отражения реальной действительности, необходимых для системного усвоения открытых термодинамических систем учащихся;

2) психологические знания – об особенностях формирования естественнонаучного мышления и диалектического мировоззрения учащихся, которые являются одновременно и средством развития учащихся;

3) историко-научные знания – об эволюции биофизических представлений, идей, понятий, теорий при изучении открытых термодинамических систем, раскрывающих логику процесса естественно-научного познания.

Под методологическими основами интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем будем понимать методы и средства познания, а также способы деятельности, обеспечивающие развитие естественно-научного мышления учащихся в условиях интеграции физики и биологии.

Методологические основы интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем раскрываются в следующих аспектах:

1. Методы научного познания при изучении термодинамических систем.

2. Методологический анализ развития интеграции и дифференциации физических и биологических знаний при изучении термодинамических систем.

3. Отражение целостности физики и биологии в развитии естественнонаучного мышления при изучении термодинамических систем.

Методы научного познания при изучении термодинамических систем Методологию науки можно охарактеризовать как учение о методе научнопознавательной деятельности. Научный метод – это система регулятивных принципов и приёмов, с помощью которых достигается объективное познание действительности [125, с. 21]. Основными уровнями научного познания являются эмпирическое и теоретическое исследования.

Основными структурными элементами системы естественно-научных знаний (научные факты, законы, теории, методы исследования, понятия, научная картина мира) задают соответствующие методы познания (эмпирический и теоретический). На эмпирическом уровне исходной формой знаний являются научные факты. Пути накопления фактов: наблюдение, опыт и эксперимент. Для установления факта необходимо истолкование выявляемого в наблюдениях содержания, которое предполагает широкое использование ранее полученных теоретических положений. Теория – это высшая форма организации научного знания, определяющая целостное представление о закономерностях и взаимосвязях изучаемых объектов.

Теория выполняет следующие функции: 1) объяснительную, подчиняя факты некоторым теоретическим обобщениям; 2) систематизирующую, организуя в более широкий теоретический контекст знаний; 3) предсказательную, обосновывая научные прогнозы и возможное будущее состояние соответствующей области исследования.

В нашем исследовании эмпирический и теоретический уровни познания взаимосвязаны между собой. Методы научного познания включают как овладение отдельными методами, так и обеспечение целостности физических и биологических знаний при изучении термодинамических систем. Они представлены всеми составными частями (основанием, ядром и выводами): 1) основные понятия, отражающие эмпирическую базу, и совокупность фактов, на которых строится термодинамика открытых систем (основание); 2) основные законы термодинамики, составляющие её ядро; 3) следствия, выведенные из законов. Эти структурные компоненты составляют схему научного познания, при этом эмпирический уровень выступает в качестве базиса теоретического обоснования изучения термодинамических систем.

Таким образом, в самом общем методологическом виде изучение термодинамических систем в условиях интеграции физики и биологии сводится к следующему: 1) рассмотрение научных фактов и понятий термодинамики, характеризующих открытые термодинамические системы; 2) упрощение биологического объекта исследования, моделирование и описание его на языке физических величин, раскрывающих количественное изменение состояния открытых термодинамических систем; 3) расширение физического содержания и установление связей между физическими и биологическими свойствами и явлениями, протекающими в живых организмах, установление частных законов и закономерностей, выражающих интеграцию физических и биологических знаний при изучении термодинамических систем; 4) объяснение явлений и процессов, протекающих в живых организмах на основе биофизических закономерностей;

5) рассмотрение физических методов, позволяющих исследовать процессы и явления протекания в живых организмах.

Методологический анализ развития интеграции и дифференциации физических и биологических знаний в образовательном процессе при изучении термодинамических систем Фундаментальность профильного образования подразумевает получение теоретических знаний в области естественных наук. В основе фундаментальности лежит принцип научности, который ориентирован на включение современных знаний в содержание образования. Рассмотрение вопросов интеграции и дифференциации физических и биологических знаний в образовательном процессе должно рассматриваться в контексте изменения научных взглядов на проблему изучения окружающего мира.

Генезис любой науки рассматривается в аспекте периодизации основных этапов развития этой науки. Академиком РАО А. В. Усовой определены возможные способы периодизации науки физики: периодизация, связанная с деятельностью выдающихся, наиболее крупных учёных; периодизация с позиции развития фундаментальных физических идей и теорий; периодизация, связанная с развитием производственных сил и общественно-экономических отношений [139, с. 8].

Будем придерживаться периодизации, исходя из развития физических и биологических фундаментальных идей и теорий.

Современное естествознание в историческом аспекте прошло несколько стадий. Первая стадия характеризуется обобщенными представления об окружающем мире.

В ХV–ХVI веках начинается стадия расчленения и выделения частей, приведших к возникновению и развитию физики и биологии.

Ближе к ХХ столетию вновь происходит восстановление целостной картины материального мира на основе разрозненных частностей. В этот период интенсивно развиваться учение о термодинамике, процесс развития которой был фактически процессом интеграции физических и биологических знаний. Важным достижением на пути процесса интеграции знаний было открытие фундаментального закона природы – закона сохранения и превращения энергии.

Следующий этап в развитии термодинамики связан с изучением открытых неравновесных систем, близких к равновесию. Эта линейная термодинамика создана трудами Г. Николиса [87], И. Пригожина [98] и других учёных.

При изучении линейной неравновесной термодинамики происходит стремительное сближение физики и биологии. В это время появляется наука биофизика.

Исследования в области открытых термодинамических систем позволили установить, что открытые системы способны творить порядок из хаоса за счёт экспорта энтропии, её оттока из открытой системы. Это открытие дало начало развитию новой области физики – физике диссипативных систем (И. Пригожин), или синергетике (Г. Г. Хакен).

Появление междисциплинарного направления – синергетики является доказательством нового вектора в развитии естествознания. Г. Г. Хакен подчёркивал [160], что синергетика возникла из необходимости интеграции различных родственных дисциплин для определения их общих понятий и установления единых принципов и методов исследования. Это положило начало новому этапу развития термодинамики.

Таким образом, в истории естествознания были периоды, когда принципиально менялись приоритеты и направления познания: от дифференциации наук к интеграции; от частных научных понятий, теорий и законов к становлению общенаучных понятий, теорий и законов; от отдельных научных дисциплин к появлению междпредметных отраслей знаний, сформированных на интегративной основе, которые на сегодняшний момент задают новый синергетический взгляд и новое мировоззрение на живую и неживую природу.

В настоящее время содержание естественно-научного образования в системе общего образования рассматривается в рамках учебных предметов физики, химии и биологии.

В системе профильного естественно-научного образования развитие процессов дифференциации (изучение предметов на углублённом уровне), обусловленных личностным фактором, приводит к усилению процессов интеграции содержания образования в направлении повышения его целостности. В связи с этим возникает необходимость рассматривать диалектическое единство процессов интеграции и дифференциации в профильном естественно-научном образовании.

Отражение целостности физики и биологии в развитии естественно-научного мышления при изучении термодинамических систем Фундаментальные исследования в философском анализе сущности мышления осуществлены Э. В. Ильенковым [56].

По роду связей и отношений, отражаемых мышлением, выделяют эмпирическое и теоретическое. Эмпирическое мышление отражает объекты со стороны их внешних связей и проявлений и имеет формальный характер их обобщения, теоретическое – изучает внутренние связи объектов с точки зрения их происхождения и развития.

При изучении термодинамических систем мы рассматриваем развитие у учащихся теоретического естественно-научного мышления, так как оно направлено на «проникновение в сущность изучаемых предметов, выход за пределы непосредственно воспринимаемых явлений и переход в область таких сторон и связей изучаемых объектов, которые не поддаются непосредственно чувственному восприятию, а познаются с помощью теоретического мышления» [144, с. 75].

Мы согласны с точкой зрения С. М. Похлебаева, который утверждает, что «основной упор в школе … должен делаться на формирование научнотеоретического мышления, что позволит заложить основы для подготовки высококвалифицированных специалистов» [97, с. 81].

Проблема формирования и развития теоретического естественно-научного мышления обсуждались в работах Г. М. Анохиной, Г. А. Берулава, Д. В. Виноградова, А. И. Гурьева, В. Р. Ильченко, С. Е. Каменецкого, М. В. Потаповой, Н. С. Пурышевой, С. А. Старченко, С. А. Суровикиной, Н. В. Шароновой [2; 12; 24; 37; 96; 119; 127; 132; 171].

Один из аспектов развития теоретического естественно-научного мышления составляет усвоение учащимися естественно-научной картины мира. Естественно-научная картина мира – это интегрированный образ, созданный на основе фундаментальных закономерностей живой и неживой природы. Естественно-научная картина мира включает «частные картины мира», которые «являются непосредственным материалом, на базе которого складывается естественно-научная картина мира» [34, с. 16]. В рамках границ частных картин мира (физической и биологической) трудно уловить общие тенденции развития знаний о термодинамических системах, поэтому термодинамические системы будем рассматривать в рамках синергетической картины мира (рис. 3).

СИНЕРГЕТИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

–  –  –

Рисунок 3. Схематическое представление синергетической картины мира Изучение термодинамических систем в контексте синергетической картины мира позволяет: 1) показать, что синергетическая картина мира является результатом интеграции физической и биологической моделей природы; 2) обосновать эволюцию взглядов о термодинамических системах; 3) раскрыть фундаментальные идеи природных явлений и процессов, составляющих базис изучения термодинамических систем; 4) раскрыть термодинамические системы с точки зрения неравновесных, открытых, нелинейных систем; 5) сформировать теоретическое естественно-научное мышление учащихся.

Такой подход оказывается весьма эффективным, так как убираются разграничения в описании живой и неживой природы.

На основе всего выше изложенного можно констатировать, что для повышения целостности содержания естественно-научного образования при изучении термодинамических систем в классах естественно-научного профиля необходима целенаправленная работа по разработке содержания, раскрывающего сущность функционирования термодинамических систем в условиях профильной подготовки учащихся. В ходе решения этой задачи был сделан следующий вывод: разработку и построение содержания целесообразно осуществлять на стратегическом уровне с позиций системного и синергетического подходов, на тактическом уровне – с позиций интегративного и модульного подходов.

Системный подход к формированию содержания основан на разработке методов исследования и конструирования сложноорганизованных биологических объектов – открытых систем. По мнению Л. фон Берталанфи [11], живой организм – не конгломерат отдельных элементов, а определенная система, обладающая организованностью и целостностью.

Разработка системного подхода в педагогической теории нашла отражение в работах Ю. К. Бабанского, М. Д. Даммер, А. А. Никитина, И. Д. Зверева, Л. Я. Зориной, Н. Ф. Талызиной, А. А. Фадеевой и др. [7; 40; 49; 54; 86; 1304 151].

В нашем исследовании использование общих идей системного подхода к формированию содержания в условиях интеграции физики и биологии проявляется через реализацию следующих положений:

1. Системный подход выступает методологической основой исследования по формированию содержания изучения термодинамических систем, обеспечивает рассмотрение их как целостного объекта познания, как систему, в которой протекают биофизические процессы и явления, как результат взаимодействия этих систем с внешней средой.

2. Процессы и явления, протекающие термодинамических системах, обеспечивают переход термодинамической системы от одного состояния к другому, могут быть представлены как функционирование и диалектическое единство взаимосвязанных подсистем, в которых происходят качественные и количественные изменения.

3. Процессы и явления, протекающие в термодинамической системе, обладают динамичностью, гибкостью, управляемостью, открытостью, рассмотрение которых подразумевает наличие элементов, прямых и обратных связей, системообразующих факторов.

4. Процессы и явления, протекающие в термодинамических системах, реализуются в направлении обесценивания энергии – это центральное понятие термодинамики, которое выступает интегрирующим фактором.

5. Результатом изучения термодинамических систем является система биофизических знаний о живом организме, обеспечивающая удовлетворенность учащихся в естественно-научном познании, самоопределение их в дальнейшей жизнедеятельности.

Реализация синергетического подхода предполагает учёт природосообразной самоорганизации объекта и ориентирует на исследование процессов изменения и развития систем, формирования новых систем в процессе самоорганизации, изучение реальности как совокупности процессов самоорганизации неживых и живых систем, подчиняющихся «нелинейным» законам и существующих в нестабильных, постоянно меняющихся условиях [180, с. 35].

Изучению вопросов, связанных с синергетическим подходом в исследовании педагогических проблем, посвящены работы В. А. Асеева, В. Г. Буданова, Е. Н. Князевой, Б. А. Мукушева, И. П. Яковлева и др. [5; 17; 66; 84; 181].

Основные положения, отражающие идеи использования синергетического подхода при изучении термодинамических систем, включают следующее:

1. Синергетический позволяет рассмотреть термодинамическую систему как сложную, неравновесную систему, способную сохранять и совершенствовать свою организацию в зависимости от изменения внешних и внутренних условий.

2. Данный подход позволяет изучать термодинамическую систему как саморазвивающуюся систему, которой невозможно навязать пути развития, а можно лишь способствовать её развитию.

3. В свете данного подхода развитие живого организма можно рассматривать как процесс нелинейного взаимодействия с внешней средой, при котором организм принимает среду для обогащения и совершенствования своей структуры и содержания.

4. Данный подход позволяет обосновать наличие стационарных состояний в живом организме, рассмотреть механизмы аутостабилизации, объяснить систему самоорганизации.

5. Сложной системой живого организма можно оперировать и эффективно управлять с помощью определённых воздействий, которые влияют на выбор пути развития организма.

Применение интегративного подхода при изучении термодинамических систем позволяет уйти от разрозненности, односторонности при формировании целостных знаний, так как данный подход обусловливает процесс объединения в целое разрозненных частей, что ведёт к повышению уровня целостности и организованности элементов системы.

Исследования в области интеграции содержания образования представлены в параграфе 1.1.

В настоящем исследовании основные положения, лежащие в основе интегративного подхода при изучении открытых термодинамических систем, представлены следующим образом:

1. Интегративный подход выступает практико-ориентированной тактикой исследования по разработке целостного содержания учебного модуля «Термодинамика биологических систем».

2. Целостность определяется интеграцией физики и биологии, раскрывающейся через выявление источников и тенденций интеграции содержания естественно-научного образования, определение направлений взаимосвязи физики и биологии, учёт закономерностей и принципов соединения физики и биологии, использование различных видов и уровней объединения физики и биологии, оценки качественных и количественных достижений учащихся при соединении физики и биологии.

3. Деятельность по осуществлению интеграции содержания физического и биологического образования при рассмотрении термодинамических систем предусматривает выделение ориентирующих, проектирующих, реализующих и прогнозирующих действий педагога по межпредметному обобщению и систематизации учебной деятельности учащихся.

4. Генерирующим фактором интеграции содержания при рассмотрении открытых термодинамических систем выступает понятие «энергия» как единая форма движения и взаимодействия материальных объектов. Энергетическое сохранение, изменение и превращение в живом организме протекают в соответствии с фундаментальными законами термодинамики и описывают многообразие вопросов прикладных наук.

5. Результатом интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем является развитие естественно-научного мышления учащихся.

Модульный подход к формированию содержания естественно-научного образования заключается в создании целостной системы, способной оперативно реагировать и мобильно адаптироваться к изменяющимся запросам учащихся [174].

Модульный подход теоретически проработан и нашёл широкое применение в условиях школьного образования в работах Л. И. Васильева, Е. А. Вечкановой, Т. С. Данильсон, И. С. Карасовой, О. Н. Королевой, С. А. Старченко, Е. А. Румбешта, П. И. Третьякова, Т. И. Шамовой, В. В. Шогана и др. [19; 22; 41; 58; 76; 122;

135; 1704 173].

Основными положениями модульного подхода при изучении открытых термодинамических систем являются:

1. Модульный подход выступает практико-ориентированной тактикой исследования по разработке структуры содержания изучения открытых термодинамических систем для профильных классов.

2. Данный подход определяет логическую структуру представления изучения открытых термодинамических систем, задаёт направления естественнонаучного познания в зависимости от дидактических целей.

3. Структура учебного модуля представлена как укрупнённая дидактическая единица, сформированная с учётом принципов научности, доступности, последовательности, связи науки и практики.

4. Содержание учебного модуля требует использования интегративных форм учебных занятий, реализации способов познавательной деятельности с учётом вариативности и гибкости образования.

Анализ выше рассмотренных подходов позволяет утверждать, что между ними существует взаимосвязь.

Системный подход формирует целостную систему взглядов учащихся на термодинамические системы через рассмотрение энергетических процессов, протекающих в них, а синергетический подход ориентирует на рассмотрение целостности элементов структуры, которые образуются в открытых системах благодаря обмену энергией с окружающей средой. Сущность такого единства во взаимодополнительном характере составляющих.

Интегративный подход обеспечивает целостность естественно-научного образования, модульный – конкретизирует естественно-научное содержание.

Таким образом, исходя из вышеизложенного, наиболее оптимальными при изучении термодинамических систем являются системно-синергетический и интегративно-модульный подходы, так как ни один из этих подходов в отдельности не решает проблемы повышения целостности содержания естественно-научного образования при изучении термодинамических систем в профильных классах средней школы.

Использование системно-синергетического подхода при изучении термодинамических систем позволяет изучать эти системы как природные системы, имеющие общие принципы организации.

Суть интегративно-модульного подхода заключается в интеграции физических и биологических знаний при изучении термодинамических систем на основе модульного построения интегративного содержания.

Объединение подходов в формировании естественно-научного содержания естественно-научного образования не ново. Для решения проблемы целостности содержания физического и биологического образования учёные-исследователи использовали различные совокупности подходов: интегративно-личностный (С. А. Старченко), системный и деятельностный (М. Т. Рахматуллин), интегративно-модульный (Н. Р. Шталева), системно-синергетический (С. М. Похлебаев) и т. д. Как отмечает Е. В. Яковлев, всё больше учёных и практиков приходят к выводу об ограниченности отдельно взятых подходов и необходимости их объединения [181, с. 36].

Подводя итог данного параграфа, необходимо отметить, что методологические основы интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем определяют системно-синергетический и интегративно-модульный подходы.

Системно-синергетический подход составляет стратегическую линию естественно-научного познания, а интегративно-модульный определяет тактическую линию. Определение стратегической и тактической линий объясняется тем, что на методологическом уровне образовательные стратегии и тактики являются средством описания, объяснения и прогнозирования фундаментальных оснований современного образования.

1.3. Возможности построения учебного модуля «Термодинамика биологических систем»

в условиях профильного обучения В стремлении представить содержание естественно-научного образования в условиях профильного обучения как целостное многими педагогами предпринимаются попытки создания различных интегрированных курсов [14; 29; 119;

162; 179].

В рамках данного исследования наиболее целесообразно использование именно учебного модуля, который ориентирован на приведение содержания учебных предметов физики и биологии в единую систему естественно-научных знаний и обеспечение формирование знаний и умений, необходимых учащимся для дальнейшего профессионального обучения. В отличие от «интегрированного курса», рассматриваемого в качестве взаимосвязанного единства традиционных школьных предметов, учебный модуль позволяет конструировать содержание естественно-научного образования на основе интегративных наук. Наша позиция находит точки соприкосновения с позицией А. В. Хуторского, в работе которого для решения данной проблемы вводится понятие «учебного метапредмета» – предметно оформленной образовательной структуры, содержание которой базируется на системе фундаментальных образовательных объектов [164, с. 207].

Соглашаясь с выводами, полученными в исследованиях [19; 22; 41; 58; 68;

122; 174; 173], мы считаем, что соединение отдельных элементов содержания на основе модульного принципа есть процесс формирования структуры естественнонаучного содержания, способ повышения целостности и направленности образовательного процесса в изучении свойств объектов живой природы и фундаментальных законов физики.

Идея модульного обучения берёт начало в трудах Б. Ф. Скинера [184] и получает дальнейшее развитие в трудах различных учёных. Одни использовали модульное обучение, чтобы обеспечить учащимся обучение в удобном для них темпе, избрать подходящий для них способ учения [183]; вторые – используя корректирующие модули дать возможность учащимся тренироваться самим [64]; третьи – интегрировали различные методы и формы обучения [30]; четвёртые – из единиц учебного материала строили гибкое содержание обучения [47].

Философию этого понятия раскрывает К. Я. Вазина, предлагая рассматривать модуль в качестве средства системного отражения мира. Она считает, что модуль – это «доза или способ саморазвития» [18].

П. Юцявичене определяет учебный модуль как блок информации, состоящий из логически завершенной единицы учебного материала, программу действий и методическое руководство по их осуществлению, обеспечивающее достижение поставленных дидактических целей [178]. Зарубежные авторы понимают под модулем формирование автономной единицы учебной деятельности, позволяющей самостоятельно достичь определённых целей [182], автономную порцию учебного материала [183].

На основе обзора существующих понятий и опираясь на исследования В. В. Краевского [71], под учебным модулем будем понимать относительно самостоятельную, логически завершенную по отношению к установленным целям и результатам образования автономную структурную единицу образовательного процесса, позволяющую построить интегративный естественно-научный модуль, обеспечивающий удовлетворение потребностей учащихся, определяющую вектор развития их профильного интереса, формирующую навыки самостоятельной деятельности на основе интеграции знаний и способов деятельности из различных областей естествознания.

Учебный модуль в условиях профильного обучения позволяет решить ряд задач. Во-первых, обеспечивает развитие единых естественно-научных понятий. Вовторых, способствует повышению целостности содержания естественно-научного образования. В-третьих, позволяет осуществить профильную подготовку учащихся и преемственность при изучении естественно-научных дисциплин в высших учебных заведениях. Решение выше обозначенных задач позволит усилить мотивацию при изучении естественно-научных предметов (физики и биологии).

Основой для конструирования содержания учебного модуля могут выступать элементы естественно-научного знания, «…те элементы научного знания и функциональной грамотности, без освоения которых … уровень общего образования, достигнутый выпускником российской школы начала XXI столетия, не может быть признан достаточным для полноценного продолжения образования и последующего личностного развития» [152, с. 20]. К ним относятся естественнонаучные факты, понятия, законы, теории, концепции, идеи, методы познания.

Мы согласны с позицией исследователей [44; 59; 110; 116; 144], которые считают, что для формирования научной картины мира и способов практического приложения теоретических знаний особое значение имеют фундаментальные естественнонаучные понятия, без которых невозможно сформировать другие элементы системы научных знаний: законы и закономерности, теории. И. С. Якиманская отмечает [180], что фундаментальные научные понятия способствуют формированию единых методов познания, характерных не для одной, а для целой группы наук.

Среди фундаментальных естественно-научных понятий, изучаемых в школе и имеющих исключительно большое значение для повышения целостности содержания естественно-научного образования и развития естественно-научного мышления учащихся, в качестве основного объекта интеграции выделяем понятие «энергия», так как это «важнейшее понятие об обмене веществ, связанное с жизненными функциями и условиями жизни, требует особого внимания…» [21, с. 90].

Раскрывая значение этого понятия, А. В. Усова называет его ключевым понятием всего естествознания [144, с. 7], так как «энергия выступает как фундаментальная характеристика физических и биологических форм движения материи» [59].

В рамках проведённого исследования были проанализированы стандарт среднего общего образования (углубленный уровень), программы, учебники и учебные пособия по физике и биологии. Результатом анализа явилось обобщение следующего характера. Несмотря на большой интерес исследователей [38; 59; 97;

103; 144] к формированию и развитию понятия «энергия» при изучении предметов естественно-научного цикла, использование фундаментального естественнонаучного понятии для показа единства взглядов физики и биологии на объекты живой природы не всегда осуществляется в полном объёме.

Анализ содержания программ, учебников и учебно-методических пособий по физике [60; 76; 99; 124; 134; 152; 161], а также диссертационного исследования [108], позволил сделать вывод, заключающийся в том, что при изучении сущности закона термодинамического равновесия, способов изменения внутренней энергии, направленности тепловых процессов (второй закон термодинамики) в качестве примеров не используются живые организмы.

В ходе анализа было установлено, что в программах по биологии не предусмотрено использование фундаментального понятия «энергия», законов и теории термодинамики для изучения биологических систем. Целостное представление о понятии «энергия» носит случайный характер, а фрагментарный биофизический материал основывается только на межпредметных связях. В программах по биологии не привлекается материал из курса физики для объяснения влияния физических факторов на процессы жизнедеятельности организма, не изучается теплопроводность в живом организме, поверхностно изучается энергетика обмена веществ, не устанавливается должной связи между обменом веществ и калорийностью пищи при изучении пластического и энергетического обменов веществ. Авторами программ при рассмотрении обмена веществ и превращения энергии не предлагается использовать физическое понятие «энтропия» для объяснения того, что же заставляет живые системы постоянно поглощать новые порции энергии (пищи), чтобы поддерживать своё структурное и функциональное состояние.

В аспекте современной интерпретации понятий и законов термодинамики был проведён анализ учебников и учебно-методической литературы по физике и биологии. Анализ показал, что используемый в курсах физики и биологии научный взгляд не всегда согласуется с современной трактовкой, «…процесс совершенствования методики формирования понятия и трактовка их содержания в школе намного отстаёт от развития этих понятия в науке» [144, с. 277]. Например, современные учебники физики и биологии не учитывают синергетического подхода к изучению термодинамических систем. Однако в современном естествознании термодинамические системы являются одним из объектов исследования науки синергетики, рассматриваемых с позиций: а) преимущественной диссипации или поглощения энергии; б) поступления исходных веществ и удаления продуктов; в) сохранения или расходования носителей информационных структур [107, с. 49].

Таким образом, анализируя содержание профильного естественно-научного образования, следует отметить: а) современное положение естественно-научных предметов (физики и биологии), их структура и содержание не обеспечивают целостности содержания естественно-научного образования, при этом профильное содержание естественно-научного образования базируются только на предметноспециализированных физических и биологических знаниях; б) необходимо пересмотреть содержание естественно-научного образования и отразить в нём синергетические принципы построения сложных развивающихся структур.

Для решения выше обозначенных проблем предлагается объединить знания курса физики по термодинамики и курса биологии по метаболизму в единый учебный модуль «Термодинамика биологических систем», который позволит выйти за пределы обычного монопредметного профильного естественно-научного образования.

Соединение именно этого содержания определяется наличием общего предмета изучения (термодинамических систем), изучаемого физикой и биологией с различных точек зрения (табл. 2) на основе понятия «энергия».

Таблица 2 Соотнесение содержания знаний курса физики по термодинамике и

–  –  –

Введение учебного модуля в профильных классах не исключает из учебного процесса углубленное изучение физики и биологии.

В качестве доказательства целесообразности выбора интеграции физических и биологических знаний именно при изучении термодинамики и метаболизму, появлении в содержании профильного естественно-научного образования учебного модуля «Термодинамика биологических систем» был проведён анализ структуры учебников и учебных пособий по биофизике, используемых в высших учебных заведениях [3; 4; 16; 25; 104; 106], применительно к физическим и биологическим специальностям университетов. Анализ показал, что изложение учебного материала по биофизике в высших учебных заведениях начинается с теоретических основ, включающих изучение термодинамики и математического моделирования биологических систем.

Следовательно, учебный модуль «Термодинамика биологических систем» не только отражает научное естественно-научное знание, но и обеспечивает адаптацию учащихся к вузовскому естественно-научному образованию.

Наиболее близки к данному исследованию диссертационные работы М. Т. Рахматуллина [103] и Е. Г. Светич [107].

В своем исследовании М. Т. Рахматуллин обосновал необходимость введения в обучение учащихся старших классов элективного курса «Молекулярная физика и термодинамика в живой и неживой природе» на основе межпредметных связей физики, химии и биологии [103]. Не умаляя достоинств исследования М. Т. Рахматуллина, которое внесло определённый вклад в совершенствование методики обучения при рассмотрении тепловых явлений в живом организме, отметим, что осуществлялось оно в контексте теории межпредметных связей, что на современном этапе развития профильного естественно-научного образования не достаточно.

В диссертационном исследовании по теме «Обучение физике учащихся старшей профильной школы в условиях синергетического подхода» Е. Г. Светич был разработан элективный курс по проблеме поиска нового миропонимания как дидактического средства обучения учащихся старшей профильной школы идеям синергетики [107].

Автором подобраны вопросы, расширяющие границы применения явлений, законов термодинамики с позиции синергетики. При этом конкретного приложения законов термодинамики к биологическим системам автором не рассмотрено.

На основании всего вышеизложенного можно констатировать, что при изучении термодинамических систем выбранные в данном исследовании подходы открывают новые возможности повышения целостности содержания естественнонаучного образования в условиях профильного обучения. В этом смысле созданный С. А. Старченко для общеобразовательной школы учебный курс «Биофизика 10–11 кл.» кажется наиболее приемлемым [118]. Данный курс построен с учётом общей методологии естественно-научного познания и имеет свою структуру, логику и место в образовательном процессе.

Учитывая рекомендации М. Рахматуллина, Е. Г. Светич и С. А. Старченко [103; 107; 118], специфику задач, решаемых в условиях профильного обучения по вопросу выбора направлений осуществления взаимосвязи физики и биологии, был разработан учебный модуль «Термодинамика биологических систем», который: 1) повышает целостность содержания естественно-научного образования при изучении термодинамических систем в условиях интеграции физики и биологии; 2) формирует новые знания учащихся на основе синергетической картины мира; 3) обеспечивает повышение целостности знаний, включённых в программу физики и биологии, а также развитие естественнонаучного мышления учащихся; 4) способствует удовлетворению индивидуальных потребностей учащихся профильных классов в знаниях, представляющих ценность для их личностного развития и самоопределения в дальнейшей жизни; 5) показывает прикладной характер физических знаний с использованием законов термодинамики.

Концептуальными основами построения содержания учебного модуля «Термодинамика биологических систем» являются следующие идеи:

1. Интеграция физических и биологических знаний при изучении термодинамических систем позволяет получить новое естественно-научное содержание, раскрывающее сущность функционирования открытых систем.

2. Целостность учебного модуля повышает теоретический уровень познания живого организма.

3. При изучении открытых термодинамических систем следует учитывать особенности естественно-научного содержания:

– качественная несводимость живой и неживой материи при рассмотрении превращения энергии в биологических системах;

– физическая редукция, раскрывающая сложные энергетические явления и закономерности, протекающие в живом организме;

– объяснение жизни как продукта эволюции, подчиняющейся описанию более простыми формами материального мира.

4. Основным методом изложения учебного материала является индуктивнодедуктивный метод, который раскрывает сущность и особенность естественнонаучного познания.

При рассмотрении теоретических основ интеграции физики и биологии в учебном модуле выделяем тенденции, источники, факторы, направления, закономерности, принципы, типы, уровни и формы организации интеграции физического и биологического содержания образования.

При изучении термодинамических систем интеграция физики и биологии обусловлена объективными источниками интеграции: целостность физического и биологического знания, раскрывающего сущность термодинамики как системы научного знания о неживой и живой природе; целостность живого организма как объекта познания; связь физических, биологических знаний и медицинской практики, обусловливающая профильную направленность в познании термодинамических систем; высокие темпы внедрения научного биофизического знания в практику профильного обучения; историческая предрасположенность соединения физики и биологии в содержании естественнонаучного образования.

Кроме этого можно выделить субъективные источники: требования государства к повышению целостности естественно-научного образования учащихся профильных классов; потребности учащихся в биофизическом содержании профильного естественно-научного образования; возможности учащихся отражать соединение физического и биологического содержания образования при изучении термодинамических систем.

Следует обозначить, что необходимость преподавания учебного модуля обусловлена тенденциями развития интеграции в естествознании:

– отражение целостности физического и биологического содержания образования с учётом познавательных возможностей и способностей учащихся;

– синтез физики и биологии, соединяющий знания о термодинамических системах и отражение их в образовательном процессе, с учётом способностей, возможностей и предрасположенности учащихся;

– единство процессов дифференциации и интеграции в формировании естественно-научного содержания образования, требующего, с одной стороны, содержания, удовлетворяющего потребности учащихся, а с другой – целостного представления содержания физического и биологического образования [121].

Наш подход при формировании содержания учебного модуля «Термодинамика биологических систем» предусматривает вертикальное направление интеграции физических и биологических знаний. Вертикальная интеграция повышает целостность естественно-научного образования через углубление физических знаний при изучении термодинамических систем, обеспечивает фундаментализацию образования и переход к профильному обучению. Она обеспечивает осуществление научной направленности учебного модуля, которая способствует профилизации содержания учебного модуля. Профилизация содержания формирует интегративные знания, обобщенные способы деятельности и профильные компетенции.

Рассматривая содержание учебного модуля «Термодинамика биологических систем», можно выделить следующие закономерности интеграции физики и биологии:

– ассимиляция биологии физикой через раскрытие применимости законов термодинамики к биологическим системам;

– ассимиляция физики биологией через демонстрацию физических явлений, процессов и методов, используемых в медицинской практике;

– интеграция физических и биологических знаний при изучении термодинамических систем.

Ассимиляция биологии физикой при изучении термодинамических систем реализуется через использование законов термодинамики на уровне клетки и организма; термодинамического анализа открытых систем, а также изучение неравновесных термодинамических процессов.

Второе начало термодинамики иллюстрирует закономерность ассимиляции физики биологией, так как живой организм является примером стационарного состояния термодинамических систем, для которых справедлив второй закон термодинамики.

Интеграция физических и биологических знаний при изучении термодинамических систем осуществляется через понятие о самоорганизации в открытых (биологических) системах, обменивающихся с окружающей средой веществом и энергией.

Общеметодологический тип интеграции естественно-научного содержания учебного модуля раскрывается при рассмотрении вопросов естественно-научного познания на основе философии. Рассмотрение естественно-научного материала на философском уровне позволяет объединить физическую и биологическую картины мира, формируемые в содержании учебного модуля.

Общенаучный тип интеграции связан с использованием единых форм и методов естественно-научного познания. Учебный модуль «Термодинамика биологических систем» повышает теоретический уровень познания физики и биологии, обеспечивает естественно-научную направленность содержания образования, а также преемственность между профильным обучением в общеобразовательных учреждениях и вузом.

Источниками частнонаучного типа интеграции содержания выступают отдельные элементы физических и биологических знаний. К ним относятся факты, понятия, законы термодинамики, а также методы познания.

Частнонаучный тип интеграции стирает границы между физикой и биологией, позволяет решить проблему удовлетворения познавательных потребностей учащихся в узкопредметном познании.

Повышение теоретического уровня познания можно осуществить через повышение уровня целостности естественно-научных предметов. Подробно представленные уровни целостности рассмотрены в параграфе 1.1.

В параграфе 1.1 было описано, проанализировано и установлено, что интеграцию физических и биологических знаний в условиях профильного обучения наиболее эффективно осуществлять на уровне дидактического синтеза, включающего: внутрипредметный, межпредметный и дятельностный синтезы.

Внутрипредметный синтез реализуется через целостное представление открытых термодинамических систем внутри учебного модуля. Межпредметный синтез осуществляется на основе общих объектов исследования, общих понятий и законов термодинамики. Этот вид синтеза позволяет сочетать различные способы познавательной деятельности: учебной, самостоятельной, экспериментальной, учебно-исследовательской и проектной.

Интеграция знаний и способов деятельности применительно к учебному модулю рассматривается в данном исследовании через генерализацию объекта интеграции, соединение структур учебной, поисковой, исследовательской деятельности, моделирование индивидуальных образовательных траекторий, обеспечивающих направленность поведения личности.

Таким образом, рассматриваем содержание учебного модуля через единство содержания и процесса, которым характеризуется обучение с позиций дидактики.

При конструировании содержания учебного модуля решающее значение имеют его функции в физическом и биологическом образовании.

Методологическая функция проявляется в раскрытии направлений совершенствования физических и биологических знаний при изучении термодинамических систем, сущности синергетической картины мира, позволяющей отражать процессы возникновения и формирования новых, более сложно организованных систем, а также реализует связи физических, биологических и практических медицинских знаний. Соединение физического и биологического содержания при изучении термодинамических систем формирует у учащихся естественно-научную картину мира, развивает естественно-научное мышление, которое позволяет ориентироваться в явлениях и процессах, протекающих в открытых системах.

Единством процессов дифференциации и интеграции определяет дифференцирующую функцию, которая предусматривает осуществление познавательной деятельности учащихся с учётом их индивидуальных особенностей.

Функция профильной направленности раскрывается через синтез естественно-научного образования с медицинским профилем. Она находит свое отражение в развитии профильной направленности процесса обучения.

Функция, определяющая развитие естественно-научного мышления учащихся при изучении содержания учебного модуля определяет ментальность и стиль мыслительных процессов учащихся. Интеграция естественно-научного содержания при изучении термодинамических систем обеспечивает соединение физических и биологических знаний, позволяет осуществить теоретическое обобщение и систематизацию знаний в определённой логике, реализовать способы обобщенной познавательной деятельности, задать технологию комплексного решения практически значимых задач.

Наиболее приемлемо реализовать интеграцию физики и биологии через следующие формы организации учебных занятий: лекции, практические занятии по решению межпредметных задач, лабораторные занятия, учебные конференции, учебные экскурсии.

На основе анализа исследований М. Н. Берулавы, В. В. Краевского, И. А. Рыбина, С. А. Старченко [13; 71; 106; 122] были выделены действия учителя по осуществлению интеграции физики и биологии в соответствии с заданной структурой педагогического процесса. Осуществление интеграции содержания учебного модуля начинается с ориентации в содержании образования, при этом определяются источники, выявляются факторы, тенденции, корректируются цели естественно-научного образования. Следующее действие – проектирование интеграции содержания, проявляющееся в определении направлений, типа и вида интеграции, определения интегрирующего фактора. Только после ориентирования и проектирования интеграции содержания выполняется действие реализации. Данное действие включает использование технологий интеграции, форм и методов объединения знаний и способов деятельности. Завершается деятельность по осуществлению интеграции прогнозом дальнейшего развития образовательной системы с учётом тенденций, предпосылок, повышающих уровень целостности образования.

Каждое действие реализуется системой определенных операций. Сопоставляя выделенные действия с операциями при изучении учебного модуля «Термодинамика биологических систем», наполнили их конкретным содержанием (табл. 3).

Таблица 3 Деятельность по осуществлению интеграции физики и биологии в учебном модуле «Термодинамика биологических систем»

Действия Содержание операций

Выявление Объективные:

источников – целостность физического и биологического знания, раси факторов крывающего сущность термодинамики как системы научсинтеза физики ного знания о неживой и живой природе;

и биологии – целостность живого организма как объекта познания;

– связь физических, биологических знаний и медицинской практики, обусловливающая профильную направленность в познании термодинамических систем;

– высокие темпы внедрения научного биофизического знания в практику профильного обучения;

– историческая предрасположенность соединения физи

–  –  –

Действия Содержание операций физических явлений, процессов и методов, используемых в медицинской практике;

– интеграция физических и биологических знаний при изучении термодинамических систем Учёт принципов – качественная несводимость объектов физического и соединения физи- биологического познания;

ки и биологии – научная целесообразность представления содержания;

– учет истории развития биофизического знания;

– индуктивно-дедуктивный метод обучения Реализация со- – фактологический;

единения – понятийный;

физики и биоло- – теоретический;

гии – мировоззренческий на различных уровнях Использование – лекции;

форм занятий, – практические занятия по решению задач;

обеспечивающих – лабораторные занятия;

соединение – учебная конференция;

физики – учебная экскурсия и биологии Оценка – мониторинг усвоения естественно-научных знаний и достижений уча- способов деятельности;

щихся – мониторинг развития естественно-научного мышления;

при соединении – мониторинг мотивация учащихся к получению профизики фильного естественно-научного образования и биологии В заключение этой главы можно сделать следующие выводы.

1. На современном этапе развития профильного образования обоснованным направлением повышение целостности естественно-научного содержания в условиях профильного обучения является интеграция физики и биологии. Реализовать интеграционное взаимодействие физики и биологии в содержании образования возможно посредством преподавания учебного модуля, адекватно отражающего современную естественно-научную картину мира.

2. Методологической основой целостности естественно-научного образования выступает соединение интегративно-модульного и системно-синергетического подходов, раскрывающих формирование и реализацию содержания образования как системы знаний и способов деятельности, отражающих стратегию и тактику моделирования целостности содержания физического и биологического образования в профильных классах общеобразовательного учреждения.

3. Анализ программ и учебных пособий по физике и биологии показывает, что необходима деятельность в направлении повышения целостности физического и биологического образования. С этой целью предлагается внедрить в образовательный процесс учебный модуль «Термодинамика биологических систем», в котором знания физики по термодинамики соединяется с соответствующими знаниями по метаболизму курса биологии.

4. Интеграция физики и биологии в условиях профильного обучения осуществляется посредством учебного модуля «Термодинамика биологических систем».

5. Деятельность по осуществлению интеграции физики и биологии предусматривает реализацию определённых действий и операций, обеспечивающих повышение уровня целостности содержания естественно-научного образования, развития естественно-научного мышления. Эта деятельность лежит в основе реализации методики преподавания учебного модуля «Термодинамика биологических систем».

Глава 2

МЕТОДИКА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИНТЕГРАЦИИ ФИЗИКИ И БИОЛОГИИ

ПРИ ИЗУЧЕНИИ ОТКРЫТЫХ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

2.1. Модель методики осуществления интеграции физики и биологии на основе понятия «энергия»

при изучении открытых термодинамических систем Повышение целостности содержания профильного естественно-научного образования на стыке физики и биологии объективно невозможно без использования процедуры моделирования. По мнению В. В. Краевского, модель – это «система элементов, воспроизводящая определённые стороны, связи, функции предмета исследования» [71].

Общеметодологический подход к разработке модели рассматривается Н. Ф. Талызиной [130], которая считает, что на качество обучения влияет степень обоснованности трёх основных моментов: цели обучения (для чего учить), содержание обучения (чему учить) и принципов организации учебного процесса (как учить).

Существуют различные подходы к моделированию содержания и организации естественно-научного образования, обусловленные различными связями между объекта моделирования. Например, С. А. Старченко разработаны [119] фактологическая, практическая, понятийная, теоретическая и мировоззренческая модели. Д. Н. Климовой предложена [71] структурно-содержательная модель формирования профильной ориентации на основе межпредметной интеграции физики и медицины. На основе интегративного подхода Н. Б. Симакова конструирует организационно-педагогическую модель естественно-научного образования в общеобразовательных учреждениях через сочетание линейного и интегративного обучения биологии, химии, физике, географии и основам безопасности жизнедеятельности [112]. С. М. Похлебаев рассматривает образно-знаковую модель, которая отображает сущность биологических явлений на основе физических и химических символов [97].

Предлагаемая нами модель методики осуществления интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем на основе понятия «энергия» была разработана в рамках системно-синергетического и интегративно-модульного подходов. Системно-синергетический подход позволяет сбалансировать физические и биологические знания, обеспечивает изучение живого организма как открытой термодинамической системы, для которой присущи важнейшие характеристики: открытость, саморегуляция, самоорганизация и самовоспроизведение. Интегративно-модульный подход при конструировании содержания минимизирует объём содержания естественно-научного образования, который значительно сокращается благодаря интеграции физических и биологических знаний при изучении термодинамических систем.

Обоснование разработанной модели связывается с выявлением источников, определяющих выбор понятия «энергия»; внешних факторов; принципов, отражающих специфику современного естественно-научного образования; условий, обеспечивающих эффективность синтеза физических и биологических знаний на основе понятия «энергия» при изучении открытых термодинамических систем.

Источниками, обусловливающими в данной работе выбор понятия «энергия», являются общие понятия и законы термодинамики, присущие неживой и живой природе.

Разработанная модель детерминирована такими внешними факторами, как:

социальный заказ на подготовку выпускников естественно-научного профиля и основные направления развития естественно-научного образования.

При построении модели опора была сделана на принципы формирования естественно-научного содержания, предложенные И. А. Рыбиным и С. А. Старченко.

И. А. Рыбин рассматривает [106] совокупность принципов (качественная несводимость; редукция физического познания над биологическим; биологическая целесообразность соединения физических и биологических знаний, способов деятельности; принцип историзма; индуктивно-дедуктивного способа познания естественно-научного знания), которые обеспечивают специфику естественнонаучного знания.

С. А. Старченко эту совокупность принципов дополнил принципом профильной направленности [120].

При создании модели методики интеграции физики и биологии на основе содержания понятия «энергия» при изучении открытых термодинамических систем руководствовались принципами, обеспечивающими оптимальное её функционирование: научности, фундаментальности, целостности, генерализации знаний, профильной направленности, непрерывности и преемственности, модульности.

Принцип научности позволяет на объективной основе: а) отразить естественно-научное содержание учебного материала через включение современных знаний о самоорганизации (синергетической картине мира), соединяющей в себе физические, биологические и биофизические знания; б) развить понятие «энергия» в соответствии с современным уровнем развития естественно-научных знаний, отражённых в содержании общих методов научного познания.

Принцип фундаментальности направлен на осознание учащимися сущности учебно-познавательной и учебно-исследовательской деятельности в условиях интеграции физики и биологии. В рамках изучения учащимися открытых термодинамических систем предполагается изучение фундаментальных основ термодинамики как одного из разделов науки физики. Обучение предполагает не только способ получения теоретических знаний и формирования умений, но и вооружение учащихся способами самостоятельной познавательной деятельности (задания для самостоятельного изучения учебного материала, подготовка к выполнению лабораторной работы, решение межпредметных задач и т. д.).

Принцип целостности позволяет рассматривать живые организмы на о снове законов термодинамики как открытую и развивающуюся систему. Он реализуется через содержание учебного модуля в виде законченного блока информации.

Принцип генерализации предполагает выделение стержневого понятия «энергия», вокруг которого объединяется и концентрируется учебный материал.

На основе принципа генерализации знаний понятие «энергия» развивается через включение данного понятия в новые связи с другими понятиями, что обеспечивает формирование целостного естественно-научного знания и, соответственно, обеспечивает развитие естественно-научного мышления учащихся.

Принцип профильной направленности осуществляется в результате приобретения знаний о термодинамических системах, адекватно отражающих специфику будущей профессиональной деятельности учащихся. Этот принцип соотносится с идеей прикладного характера физических знаний, укрепляющего мотивы учащихся в выборе ими направлений своей образовательной траектории.

Принцип непрерывности и преемственности. Непрерывность выражает временную и пространственную связь всех ступеней образования (среднего и высшего). При изучении открытых термодинамических систем непрерывность означает овладение интегративными знаниями, умениями и навыками, необходимыми для получения дальнейшего естественно-научного образования.

Преемственность предполагает определённую последовательность знаний, умений, навыков, способов деятельности, которыми овладевают учащиеся «по вертикали обучения» (общеобразовательная школа – высшая школа). В предлагаемой модели преемственность выражается в содержании естественно-научного материала, формах, методах и средствах изучения открытых термодинамических систем, обеспечивающих успешную адаптацию учащихся к дальнейшему обучению в высших учебных заведениях.

Принцип модульного представления естественно-научного содержания определяет логическую структуру представления содержания учебного модуля, задаёт направления естественно-научного познания в зависимости от дидактических целей.

Выявленные закономерности интеграции физики и биологии в учебном модуле рассмотрены в параграфе 1.3.

Приступая к созданию модели, мы опирались на технологические основы проектирования и конструирования модели учебного процесса, сформулированные И. С. Карасовой, С. А. Старченко и О. А. Яворуком.

И. С. Карасова [58] при конструировании модели содержания физического образования на основе изучения фундаментальных физических теорий выделяет мотивационный, содержательный, методико-технологический, контрольно-оценочный блоки.

При построении модели интегративных курсов О. А. Яворук предлагает [179] включить целевой, общедидактический, исторический, функциональный, содержательный, обучающий, воспитательный, развивающий, материальный аспекты.

При разработке модели интеграции содержания естественно-научного образования С. А. Старченко учитывает целеполагающий, содержательный, организационный, формальный, мотивационный и управленческий компоненты [119].

Предлагаемая модель методики осуществления интеграции физики и биологии на основе понятия «энергия» при изучении открытых термодинамических систем сконструирована в данной работе как целостная система, состоящая из пяти взаимосвязанных блоков: мотивационного, целевого, содержательно-деятельностного, технологического и результативного, включающих смыслообразующие мотивы, интегрированное содержание, формирующие и развивающие теоретический тип естественнонаучного мышления, основные способы организации деятельности учителя и учащихся, в совокупности обеспечивающие эффективность усвоения учебного материала.

Представим модель графически – в виде функциональной структурно-логической схемы (рис. 4).

На рисунке 4 видно, что в предлагаемой модели отражены все компоненты методической системы: цель, содержание, методы, средства, формы, а также результат.

Рассмотрим содержание каждого блока предлагаемой модели. Мотивационный блок отражает комплекс потребностей, познавательных интересов учащихся, которые обеспечивают мотивацию процесса познания при изучении открытых термодинамических систем. Важнейшим компонентом изучения учебного модуля являются мотивы, которыми учащийся руководствуется, осуществляя те или иные учебные действия.

Мотивация процесса познания определяется внешними и внутренними потребностями учащихся. Внутренние мотивы направлены на освоение новых знаний и способов действий. Внешние мотивы направлены на саморазвитие и самообразование.

Внешние факторы: социальный заказ на подготовку выпускников естественнонаучного профиля;

основные направления развития естественнонаучного образования онный блок Мотиваци

–  –  –

Результативный блок: контроль уровня усвоения структурных элементов естественнонаучных знаний и полноты сформированности умения учащихся осуществлять учебно-исследовательскую деятельность на основе специально разработанных карт, критериально-ориентированное тестирование по оценке развития естественнонаучного мышления обучающихся, анкетирование для оценки профильной направленности учащихся Рисунок 4. Модель методики осуществления интеграции физических и биологических знаний на основе понятия «энергия» при изучении открытых термодинамических систем К внешним мотивам относим стремление учащихся получить профильное естественно-научное образование, которое позволило бы успешно продолжить обучение в высшей школе и реализовать в полной мере свой интеллектуальный потенциал, обеспечивающий в дальнейшем развитие и самоопределение личности.

Целевой блок.

На основании совокупности требований, установленных Концепцией профильного обучения [67], федеральным компонентом государственного стандарта среднего общего образования, федеральным государственным образовательным стандартом среднего общего образования к результатам освоения курса физики [152], отобранных в контексте данного исследования, определили целевой блок предлагаемой модели в виде совокупности образовательного, развивающего и воспитательного аспектов обучения:

– повышение качества физического образования через интеграцию физических и биологических знаний применительно к термодинамическим системам, обеспечивающее фундаментальность профильного естественно-научного образования;

– формирование теоретического естественно-научного мышления учащихся за счёт приёмов, методов и средств в различных формах организации учебных занятий;

– создание базы для дальнейшего обучения учащихся в высших учебных заведениях за счёт адаптации биофизических знаний и форм учебных занятий к знаниям и формам обучения в высшей школе.

Целевой блок модели ориентирован на основную цель настоящего исследования – повышение качества профильного естественно-научного образования в условиях интеграции физики и биологии на ступени среднего общего образования (профильный уровень обучения), обеспечивающего развитие естественнонаучного мышления учащихся и повышение мотивации к получению профильного естественно-научного образования.

Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач:

– углубление и расширение содержания естественно-научного образования за счет соединения физических и биологических знаний на основе понятия «энергия» при изучении термодинамики открытых систем;

– повышение уровня целостности естественно-научного образования и формирование научной картины мира на уровнях: целостности физических и биологических явлений и процессов, лежащих в основе изучения термодинамических систем; термодинамических методов их исследования; законов термодинамики, объясняющих сущность взаимосвязанных процессов и явлений;

– обеспечение развития теоретического естественно-научного мышления учащихся, формирование у них структуры познавательной деятельности, характерной для естествоиспытателя;

– осуществление профильной направленности естественно-научного образования;

– создание дидактических условий профильного обучения, обеспечивающего быструю адаптацию учащихся к естественно-научному образованию в высшей школе.

Содержательно-деятельностный блок представлен двумя компонентами: содержательным и деятельностным. Содержательный компонент включает содержание учебного модуля «Термодинамика биологических систем», которое обеспечивает профильную направленность естественно-научного образования, способствует развитию интереса к выбранному профилю.

Мы согласны с позицией И. К. Журавлева [20], что для повышения целостности содержания естественно-научного образования необходимо использовать не только основные, но и вспомогательные знания. В качестве конкретных выразителей основных знаний в предлагаемой модели выступают факты, понятия, закономерности, законы и теории термодинамики.

В комплекс вспомогательных знаний вошли:

– методологические знания, раскрывающие логику процесса познания и сущность термодинамики открытых систем, единство и целостность материального мира;

– историко-научные знания, обеспечивающие целостное представление о становлении и эволюции понятия «энергия», раскрывающие проблемы, возникающие при изучении термодинамики открытых систем и их влияние на процессы познания;

– интегрированные знания, определяющие синтез физики и биологии на основе понятия «энергия» при изучении термодинамики открытых систем через рациональную последовательность изложения учебного материала, при котором физические и биологические знания, дополняя друг друга, показывают общность методов естественно-научного познания.

Учитывая факт, что теоретическое обоснование содержания предлагаемого учебного материла, представлено в параграфе 1.3, здесь раскроем главные элементы содержания учебного модуля «Термодинамика биологических систем». Таковыми, прежде всего, являются знания об особенностях термодинамики биологических систем, первое и второе начало термодинамики применительно к биологическим системам, превращение энергии в живом организме, перенос вещества и энергии в реальном мире, перенос тепла в живом организме, физиологические основы терморегуляции и т. д.

Процессы и явления, протекающие в живом организме, реализуются в направлении обесценивания энергии – это центральное понятие термодинамики, которое выступает интегрирующим фактором. Содержание учебного модуля постепенно «наращивается» и усложняется за счёт содержания понятия «энергия».

Изучение открытых термодинамических систем на основе содержания понятия «энергия» осуществляется в несколько этапов. Первый этап – повторение основных понятий термодинамики, явлений и процессов, протекающих в живых организмах; обращение к истории исследования превращения энергии в живом организме. На этом этапе происходит обобщение физических и биологических знаний, полученных учащимися при изучении разделов «Термодинамика» и «Метаболизм».

На втором этапе определяется значение энергии для живых организмов.

Стержнеобразующей идеей является то, что любой биологический объект обладает энергией, и это его универсальная физическая характеристика. Реализуется это через расширение знаний о явлениях и процессах, протекающих на клеточном и организменном уровнях при объяснении закона Гесса, механизма превращения энергии, расчёта теплопродукции и теплопроводности в живом организме. Кроме того, на этом этапе осуществляется синтез физических, биологических и медицинских знаний при изучении физиологических основ терморегуляции организма и физических методов воздействия, применяемых в медицине с целью лечения и профилактики заболеваний.

На третьем этапе понятие «энергия» выступает как связующее звено между первым и вторым началом термодинамики. На этом этапе раскрывается понятие энтропии, характеризующее энергетическое состояние системы (организма) и подчеркивающее значение энтропии как меры рассеивания энергии при необратимых процессах.

Для четвёртого этапа характерно преломление полученных знаний через призму теории синергетики, которая расширяет границы описания термодинамических систем как многовариативных и необратимых в плане развития (нелинейных) систем, изменяющихся под влиянием внутренних противоречий, фактов и условий (саморазвивающихся), спонтанно переходящих от хаоса к порядку (самоорганизующихся).

В совокупности вышеперечисленные этапы усиливают мировоззренческую направленность предметов, обеспечивают развитие теоретического естественнонаучного мышления и формируют у учащихся естественно-научную картину мира как интегративный образ, стирая границу между физикой и биологией.

Каждый из вышеописанных этапов преломляется через схему отражающую логику развития научного познания, включавшую 4 этапа: основание (I этап), ядро (II этап), выводные данные (III этап), следствие (IV этап) (приложение 4). Обобщение знаний доминирует на I и IV этапах, логика развития научного познания развертывается на II и III этапах. На III и IV этапах устанавливаются и осознаются причинно-следственные связи – это приводит к максимальной мере осознания учащимися этапность и системность познания термодинамических систем.

Каждый этап характеризуется дедуктивным либо индуктивным методом познания и определенными мыслительными операциями. На I этапе (основание) для понимания значения изучения термодинамических систем доминируют индуктивный метод и мыслительные операции: анализ, конкретизация, аналогия, обобщение. Метод дедукции, мыслительные операции в виде аналогии, ассоциации и суждения доминируют на II этапе (ядро). На III (выводные данных) этапе доминирует дедукция, синтез, систематизация, суждение на основе самопознания. Основу познания IV этапа (следствие) составляет индуктивнодедуктивный метод, который ориентирован на содержательное обобщение, синтез на уровне системы понятий о термодинамических системах, которые обмениваются энергией с окружающей средой.

Отличительным «инструментом» модели является овладение учащимися умением оперировать физическими величинами, фактами, законами и теориями термодинамики применительно к открытым системам. Рассмотрим это на примерах. Для описания открытых систем используются физические величины: коэффициент теплопроводности вещества, коэффициент теплоотдачи при конвекции, постоянная Стефана, их применение к открытым термодинамическим системам составляет важный элемент подготовки учащихся профильных естественно-научных классов. Интересным является показ применимости важнейших физических уравнений к описанию процессов и явлений в открытых системах. Например, при описании транспорта веществ через мембрану клетки применяется физическое уравнение закона Фика (закона диффузии) для вычисления оценки скорости диффузии.

При структурировании содержания учебного модуля «Термодинамика биологических систем» использовались следующие правила его построения:

1. Группировка учебного материала производится на основе теории синергетики.

2. Изложение учебного материала модуля осуществляется на основе понятия «энергия», являющегося интегрирующим фактора.

3. Структурирование содержания осуществляется на основе изучения открытых термодинамических систем.

4. Учебный материал содержит информацию, профессионально значимую для учащихся.

5. Каждый блок относительно самостоятелен.

В процессе разработки содержания учебного материала учитываются предметные знания учащихся по физике и биологии. Учебный материал выстроен по степени объективной трудности, новизны, уровню интегрированности с учётом рациональных приёмов усвоения, подачи материала «порцией» и сложности его переработки.

В приложении 1 и 2 приведено тематическое планирование и содержание учебного модуля «Термодинамика биологических систем».

Следующий компонент содержательно-деятельностного блока – деятельностный – включает способы деятельности учителя и учащихся, основанные на использовании понятия «энергия» и знаний законов термодинамики в процессе решения научно-практических задач.

При осуществлении интеграции физики и биологии в содержании учебного модуля деятельность педагога предполагает: ориентацию в направлениях интеграции знаний, проектирование методики интеграции физики и биологии, прогнозирование перспектив развития профильного естественно-научного образования.

Последовательность операций, соответствующих выделенным действиям, наглядно представлена в таблице 4.

Таблица 4 Деятельность учителя по осуществлению интеграции физических и биологических знаний при изучении термодинамических систем на основе понятия «энергия»

Содержание операций по осуществлению интеграции Действия физических и биологических знаний Ориентация 1. Анализ тенденций интеграции физических и биологических при осущест- знаний при изучении термодинамических систем.

влении инте- 2. Анализ источников интеграции физических и биологических грации физи- знаний.

ки и биологии 3. Определение факторов интеграции физических и биологических знаний.

Содержание операций по осуществлению интеграции Действия физических и биологических знаний

4. Определение направлений и уровня интеграции с учётом потребностей и возможностей учащихся.

Проектирова- 1. Постановка дидактических целей интеграции физического и ние методики биологического образования.

интеграции 2. Выделение понятия «энергия» в качестве генерализирующего физики и био- физические и биологические знания при изучении термодиналогии мических систем.

3. Выявление способов и средств, обеспечивающих интеграцию физических и биологических знаний при изучении термодинамических систем.

4. Построение модели методики осуществления интеграции физических и биологических знаний при изучении открытых термодинамических систем на основе системно-синергетического и интегративно-модульного подходов.

5. Построение содержания на основе интеграции знаний и умений.



Pages:   || 2 | 3 |
Похожие работы:

«Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Экономика и экологический менеджмент» № 2, 2014 УДК 332.146.2 Ситуационный анализ обеспечения инновационного развития экономики РФ Канд.техн.наук. Филатов В.В., filatov_vl@mail.ru Московский государственный университет технологий и управления им. К.Г. Разумовского, Москва, Россия канд. психол. нау...»

«Бюллетень Никитского ботанического сада. 2007. Вып. 95 ПОЗДНОЦВЕТУЩИЕ СОРТА ПЕРСИКА В.К. СМЫКОВ, доктор сельскохозяйственных наук; А.В. СМЫКОВ, кандадат сельскохозяйственных наук; А.А. РИХТЕР, кандидат биологических наук; В.Ф. ЛОБАНОВСКАЯ, О.С. ФЕДОРОВА Никитский ботанический сад – Национальный научный центр Введение Перси...»

«chdpnan`mhj` 2%%%,, 2%/ РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Институт биологии внутренних вод им. И. Д. Папанина ГИДРОБОТАНИКА: МЕТОДОЛОГИЯ, МЕТОДЫ Материалы Школы по гидроботанике Борок, 8—12 апреля 2003 г....»

«Республиканский конкурс научно-исследовательских работ обучающихся общеобразовательных учреждений имени Д.И.Менделеева Автор: Ветошкина Юлия, ученица 9 класса МОУ «СОШ» с.Керес Корткеросского района Республики Коми «Взаимосвязь тонуса вегетативной нервной системы и уровн...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» КРАТКИЙ КУРС ЛЕКЦИЙ по дисциплине Б1.Б.2.2 ФИЛОСОФИЯ НАУКИ (индекс и наименование дисциплины) Код и направление...»

«Том 7, №6 (ноябрь декабрь 2015) Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» publishing@naukovedenie.ru http://naukovedenie.ru Интернет-журнал «Науковедение» ISSN 2223-5167 http://naukovedenie.ru/ Том 7, №6 (2015) http://naukovedenie.ru/index.php?p=vol7-6 URL ст...»

«Аннотации рабочих программ дисциплин учебного плана по направлению подготовки магистров 06.04.01 Биология (профиль «Биохимия и молекулярная биология») Б1 Дисциплины Б1.Б Базовая часть Аннотация рабочей программы дисциплины Б1.Б.1 И...»

«“МЕСТНЫЙ ПЛАН ДЕЙСТВИЙ ПО ОХРАНЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ (МПДООС)” ОТЧЕТ О СОСТОЯНИИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ГОРОДА АРАРАТ Г. АРАРАТ 2004 СОДЕРЖАНИЕ 1. ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ГОРОДЕ 1.1 ФИЗИЧЕСКАЯ 1.1.1 Гео...»

«НАУЧНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ ИЗДАЕТСЯ ПРИ СОДЕЙСТВИИ РОССИЙСКОЙ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ АКАДЕМИИ (РЭА) РОССИЙСКОГО ФИЛОСОФСКОГО ОБЩЕСТВА (РФО) ФАКУЛЬТЕТА ГЛОБАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ МГУ им. М. В. Ломоносова Выходит 2 раза в год Издается с 2008 г. Шеф-редактор Л. Е. Гринин Главный редактор А. Н. Чума...»

«ISSN 2308-3115 Научно-издательский центр Априори ТЕНДЕНЦИИ И ИННОВАЦИИ СОВРЕМЕННОЙ НАУКИ Материалы IX Международной научно-практической конференции (22 августа 2013 г.) Тезисы докладов Краснодар УДК 082 ББК 72я431 Т 33 Редакционная коллегия: Бисали...»

«ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 7 БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2014. Вып. 2 Экологические проблемы и природопользование УДК 631.417.1(574.4) Л.Н. Шихова, Е.М. Лисицын ДИНАМИКА СОДЕРЖАНИЯ И ЗАПАСОВ УГЛЕРОДА ГУМУСА В ПАХОТНЫХ ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВАХ...»

«Бадмаев Сергей Гунчинович ЭКОЛОГО-ЭТОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЯКА В ВОСТОЧНОМ САЯНЕ АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук специальность 03.0016 Экология Улан-Удэ 2007 Работа выполнена в Бурятском государственном университете. Научный руководитель: доктор биологических н...»

«Учреждение образования «Международный государственный экологический университет имени А.Д. Сахарова» УТВЕРЖДАЮ Проректор по учебной работе МГЭУ им. А.Д. Сахарова О.И. Родькин «» 2013 Регистрационный № УД -_/р. БОТАНИКА Учебная программа учреждения высшего образования по учебной дисциплине для специальности 1-33 01 01 Биоэк...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный университет им. А.М. Горького» Биологический факультет кафедра физиологии человека и животных...»

«Самарская Лука: проблемы региональной и глобальной экологии. 2016. – Т. 25, № 3. – С. 128-132. УДК 581.8 АНАТОМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ КСИЛОРИЗОМА ПИХТЫ СИБИРСКОЙ (ABIES SIBIRICA LEDEB.) В УСЛОВИЯХ ЮЖНОГО УРАЛА © 2016 Н.Н. Егоро...»

«Общие вопросы Юг России: экология, развитие. №4, 2011 General problems The South of Russia: ecology, development. №4 2011 УДК 504.53.062.4 ДИНАМИКА ВОССТАНОВЛЕНИЯ РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА И КРИТЕРИИ УЧЕТА ПЛОЩАДЕЙ ТЕХНОГЕННО-НАРУШЕННЫХ ПОЧВ ТЕРСКО-КУМСКОЙ ПОЛУПУСТЫНИ © 2011 Усманов Р.З., Бабаева М.А., Осипова С.В. При...»

«УДК 151.8:378 ББК 88.362:74.480 Павлов Борис Сергеевич доктор философских наук, профессор Институт экономики Уральского отделения РАН г. Екатеринбург Павлова Вера Ивановна доктор биологических наук, профессор кафедр...»

«Буренкова Ольга Владимировна ИССЛЕДОВАНИЕ РОЛИ ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМОВ В МОДИФИКАЦИИ ПОВЕДЕНИЯ, ОПРЕДЕЛЯЕМОЙ УСЛОВИЯМИ ВЫРАЩИВАНИЯ ПОТОМСТВА МЫШЕЙ ЛИНИИ 129SV 03.03.01 Физиология Автореферат диссертации на соискание уче...»

«УДК 631.333.93 ВЛИЯНИЕ АКТИВНОЙ АЭРАЦИИ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ПРОТЕКАНИЯ БИОТЕРМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В КОМПОСТИРУЕМОЙ СМЕСИ В.В. Миронов, В.Д. Хмыров Мичуринский государственный аграрный университет Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым Ключевые...»

«ИСТОРИЯ НАУКИ Самарская Лука: проблемы региональной и глобальной экологии. 2013. – Т. 22, № 1. – С. 80-103. УДК 581.9(470.324) ДЕСЯТЬ ЛЕТ РАБОТЫ ДИССЕРТАЦИОННОГО СОВЕТА ПРИ ИНСТИТУТЕ ЭКОЛОГИИ ВОЛЖСКОГО БАССЕЙНА РАН (2001-2011) © 2013 Г.С. Розенберг, С.В. Саксонов, А.Л. Маленёв* Институт экологии Волжского бассейна РА...»








 
2017 www.pdf.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - разные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.