автореферат и диссертация по педагогике 13.00.02 для написания научной статьи или работы на тему: Интеграция физики и биологии при изучении термодинамических систем в классах естественно-научного профиля

Автореферат диссертации по теме "Интеграция физики и биологии при изучении термодинамических систем в классах естественно-научного профиля"

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)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата педагогических наук

1 5 [-ДП ТсЦ

Москва-2014

005547697

005547697

Работа выполнена на кафедре профессиональной педагогики, истории и философии ФГБОУ ВПО «Уральская государственная академия ветеринарной медицины»

Научный руководитель: доктор педагогических наук, профессор

СТАРЧЕНКО СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

Официальные оппоненты:

ЯВОРУК ОЛЕГ АНАТОЛЬЕВИЧ,

доктор педагогических наук, профессор, ГБОУ ВПО «Югорский государственный университет», кафедра физики и общетехнических дисциплин, профессор кафедры

РОМАШКИНА НАТАЛЬЯ ВАЛЕРЬЕВНА,

кандидат педагогических наук, ГБОУ Многопрофильный технический лицей № 1501, заместитель директора по учебно-воспитательной работе

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Челябинский государственный

педагогический университет»

Защита состоится «16» июня 2014 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.154.05 при ФГБОУ ВПО «Московский педагогический государственный университет» по адресу: 119435, г. Москва, ул. М. Пироговская, д. 29, ауд. 49.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский педагогический государственный университет», по адресу: 119991, г. Москва, ул. М. Пироговская, д. 1 и на официальном сайте университета www.mpgu.edu.

Автореферат разослан «_»_2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Прояненкова Лидия Алексеевна

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 бы 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 к дальнейшей профессиональной деятельности.

В работах В.А.Асеева, Б.М.Кедрова, В.Н.Кузнецова, А.Д.Суханова, А. Д. Урсула, М. Г. Чепикова, Г. П. Щедровицкого указывается, что фундаментальность образования характеризуется принципами научности и систематичности, а системность обусловлена целостностью и взаимосвязанностью. Ведущим направлением в реализации этих принципов является интеграция естественно-научных представлений о материи, формах и способах ее существования, физические знания являются теоретической основой этих представлений. Одновременно с возрастающей ролью интеграции меняется соотношение между фундаментальными предметными знаниями и их практическим приложением, что приводит к смене ориентиров в профильном естественно-научном образовании в сторону построения целостного содержания естественно-научных знаний на основе фундаментальных физических законов, объясняющих изучаемые естественными науками явления природы.

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

3

На современном этапе развития российского образования профильная направленность содержания физического образования должна также ориентироваться на переход в характере мышления учащихся от фрагментарного к целостному восприятию мира, что обуславливает развитие естественно-научного мышления. Проблема его развитая исследовалась в работах Г. А. Берулава, А. И. Гурьева, Ю. И. Дика, Н. М. Зверева, М. И. Махмутова, Л. П. Свиткова, С. А. Старченко, 3. А. Скрипко, И. Т. Суровегиной, Н. Ф. Талызиной, А. В. Усовой и других исследователей.

В решении проблем интеграции содержания естественно-научного образования, развития естественно-научного мышления, активизации познавательной деятельности и мотивации учащихся к получению профильного естественно-научного образования 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.

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.

В работах А. И. Гурьева, В. С. Елагиной, А. В. Зубова, Ц. Б. Кац, И. Е. Карнаух, М. Т. Рахматуллина, В. А. Попкова, Л. А. Прояненковой, С. А. Старченко, Г. Н. Степановой, Л. П. Свиткова, А. В. Усовой, А. А. Фадеевой, Л. С. Хижняковой, Ю. С. Царева, А. Т. Цветковой, В. П. Шумана и других рассматривались проблемы методики обучения физике в средней школе в условиях межпредметного взаимодействия с биологией, в частности термодинамики. Однако проблема развития естественнонаучных знаний и их практическое использование на основе интеграции учебных предметов физики и биологии в представленных работах отражена недостаточно. 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 сформированное™ естественно-научных знаний, развитие естественно-научного мышления и мотивации учащихся к получению профильного естественно-научного образования позволил сделать вывод: несмотря на необходимость формирования у учащихся современного научного мировоззрения, более глубоких физических и естественно-научных знаний в целом, развития естественно-научного мышления, наблюдается низкий уровень усвоения естественно-научных знаний, в частности при изучении термодинамических систем, 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 не на успешное продолжение обучения в учреждениях профессионального образования и на дальнейшее использование естественно-научных знаний в профессиональной деятельности, а на сдачу единого государственного экзамена.

В работах Е. А. Вечкановой, Г. А. Ворониной, Е. Н. Жуковой, Д. Н. Климовой, Н. С. Пурышевой, В. Г. Разумовского, М. Т. Рахматуллина, С. А. Старченко, А. В. Хуторского, Т. Т. Федорова, А. Т. Цветковой и других рассматривались проблемы естественно-научного образования в условиях профильного обучения. 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 федеральному закону «Об образовании в Российской Федерации» (ст. 66), подготовка учащихся должна быть направлена на развитие интереса к познанию, формирование навыков самостоятельной учебной деятельности на основе индивидуализации и профессионачьной ориентации содержания среднего общего образования. В качестве одного из путей решения обозначенных требований выступает разработка индивидуальной образовательной траектории учащегося. В этом случае единицей профильного обучения становится не класс, а набор подвижных групп, формирующихся при изучении учебных модулей различного содержания. Стандарт определяет возможности сочетания фундаментальной подготовки учащихся профильных классов с широким спектром учебных модулей (ФГОС С(П)00 (п. 18.3.1)).

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 знаний, так и на знаниях, полученных при изучении смежных предметных областей. Набор учебных модулей определяет структуру и содержание единого элективного курса метапредметного характера. Учебные модули позволят конструировать содержание естественно-научного образования в зависимости от потребностей и возможностей учащихся, развивая у них познавательный интерес и раскрывая актуальные направления их будущей профессиональной деятельности, позволят сконцентрировать усилия учащихся на действительно важных для них аспектах учения. Одним из таких модулей может быть интегративный учебный модуль «Термодинамика биологических систем», который, с одной стороны, будет учитывать индивидуальные потребности учащихся с определенным стилем мышления, проявляющих способности к естествознанию, с другой стороны, будет направлен на достижение метапредметных результатов, развитие естественно-научного мышления и профессионально значимых характеристик, необходимых учащимся для дальнейшего продолжения обучения и осознанного выбора жизненной стратегии.

Эффективность реализации модульной технологии при изучении курса физики в общеобразовательной школе доказана в работах Л. И. Васильевой, Е. А. Вечкановой, Т. С. Данильсона, О. Н. Королевой, В. Г. Разумовского, Е. А. Румбешта, П. И. Третьякова и др. Однако, в контексте требований Стандарта преподавание интегративного учебного модуля для учащихся естественно-научного профиля как педагогическая проблема не иссле-

довалась. Отсутствуют методические рекомендации по преподаванию интегративного учебного модуля как целостной системы 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 термодинамическим системам, 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, научно-методической литературы и нормативных документов, регламентирующих образовательный процесс, позволил выявить ряд противоречий:

- между требованиями государства и потребностями общества в выпускниках профильных естественно-научных классов, обладающих целостными естественнонаучными 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 естественно-научной 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 обуславливает 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.

Интеграцию физики и биологии при изучении термодинамических систем в классах естественно-научного профиля будем рассматривать как информационно-образовательную среду, способную обеспечить фундаментальную подготовку учащихся через повышение уровня усвоения естественно-научных знаний и способов деятельности, развитие естественно-научного мышления и мотивацию учащихся к получению профильного естественно-научного образования.

Объект исследования: процесс обучения физике в классах естественно-научного профиля.

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

Цель исследования: теоретическое обоснование и разработка 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 содержания 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 при изучении биологических систем 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-синергегического 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,

B. С. Леднев и др.);

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

- теория становления личности как субъекта самопознания (Л. С. Выготский,

C. Л. Рубинштейн и др.);

теории личностно-деятельностного (В. В. Давыдов, М. И. Махмутов, Д. Б. Эльконин, И. С. Якиманская и др.), интегрированного подходов к образованию (М. Н. Берулава, И. Д. Зверев, Л. Я. Зорина, С. А. Старченко, 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, А. В. Усова, Л. С. Хижнякова 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 целостного физического и биологического содержания естественно-научного образования; анализ нормативных документов, регламентирующих деятельность образовательного учреждения; моделирование) и эмпирические методы (наблюдение, анкетирование, опрос, тестирование, обобщение опыта работы учителей физики по осуществлению интеграции физики и биологии, педагогический эксперимент), а также методы математической статистики.

Исследование проводилось с 2007 по 2013 гг. в несколько этапов.

На первом этапе (2007-2008 гг.) проведено ознакомление с теорией педагогической интеграции, проанализировано состояние проблемы, выявлены противоречия. Сформулированы цель, объект, предмет, 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 обоснована и разработана модель методики осуществления интеграции физики и биологии на основе системно-синергетического и интегративно-модульного подходов. Разработано содержание учебного модуля «Термодинамика биологических систем». Проведен поисковый педагогический эксперимент

На третьем этапе (2012-2013 тт.) проведена опытно-экспериментальная работа по проверке гипотезы, обобщены результаты исследовательской работы и оформлено диссертационное исследование, разработаны методические рекомендации, проведен обучающий педагогический эксперимент.

Экспериментальная база исследования. Опытно-экспериментальная работа проводилась с учащимися профильных естественно-научных классов общеобразовательных учре-

ждений Челябинской области (МАОУ лгщей №102 г.Челябинска; МАОУлицей №77 г.Челябинска; ГБУОШИ «Челябинский областной лицей-интернат» г.Челябинска; МБОУ лицей № 23 г. Озерска; МБОУ лицей № 13 г. Троицка; МАОУСОШ № 18 г. Златоуста; МАОУСОШ № 25 г Златоуста; МОУСОШ №1 г. Верхнеуральска; МКОУ Фершампенуазская СОШ, МКОУ Ново-Рассыпнянская СОШ, МКОУ Осгролен-ская СОШ Нагайбакского муниципального района).

Научная новизна результатов исследования

1. Обоснована возможность и доказана эффективность использования интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем в классах естественнонаучного 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, представленную действиями 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 при проведении учебных занятий в различных формах, 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 (эксперименталь-

нал, 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 биолопш при изучении термодинамических систем:

- для учителей физики созданы методические рекомендации, раскрывающие методику осуществления интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем; структуру и содержание 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 естественно-научного профиля.

3. Карты контроля уровня усвоения естественно-научных знаний и полноты сформированное™ умений учащихся осуществлять учебно-исследовательскую деятельность, критериально-ориентированный тест 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.

Внедрение разработанной методики в педагогическую пракшку 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 естественно-научного образования.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Для достижения качества профильного естественно-научного образования следует повышать целостность содержания физического и биологического образования. Представление 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 системно-синергетического и интегра-тивно-модульного подходов. Модель включает пять взаимосвязанных блоков: мотивацион-ный - 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 деятельиостный (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 учеб-нош модуля «Термодинамика биологических систем» на основе 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 межпредмегных 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 учебно-исследовательскую 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, Нагайбак-ский муниципальный район) посредством публикаций статей в печати и участия в работе международных (гг. София, Челябинск), всероссийских (гг. Челябинск, Казань) и региональных (гт. Челябинск, Екатеринбург, Тюмень, Курган) конференций, в ходе практики преподавания в Челябинском институте 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».

Структура диссертации. Диссертационное исследование объемом 221 страницу (основной текст составляет 167 страниц) состоит из введения, трех птав, заключения, библиографического списка, включающего 184 источника, и 8 приложений. Изложение материала проиллюстрировано 20 таблицами, 17 рисунками.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность исследования, определены цель, объект и предмет исследования; сформулированы гипотеза, задачи и методы исследования; раскрыты научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, положения, выносимые на защиту; приведены сведения об апробации результатов.

Первая глава «Формирование целостности содержания физического и биологического образования при изучении термодинамических систем» посвящена определению теоретико-методологических основ интеграции физики и биологии в содержании естественно-научного образования, уточнению понятия «учебный модуль», анализу возможностей построения учебного модуля «Термодинамика биологических систем», определению деятельности по осуществлению интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем.

Анализируя особенности современного естественно-научного образования, мы выделяем общую тенденцию повышения целостности его содержания в условиях профильного обучения. Одним из направлений повышения целостности является интеграция физики и биологии, так как целостность содержания естественно-научного образования обусловлена интеграцией наук о природе.

Теоретические основы взаимосвязи содержания естественно-научного образования раскрываются в системно-логическом контексте многими исследователями. Однако в них не представлены особенности интеграции физики и биологии применительно к профильному обучению. Существующие подходы формирования целостности содержания естественно-научного образования ограничиваются в основном межпредметными связями. На современном этапе развития профильного естественно-научного образования необходимо вводить в образовательный процесс модули, которые обеспечивают интеграцию физических и биологических структур предметных знаний. В частности, можно рассмотреть соединение физических знаний по термодинамике и биологических знаний по метаболизму и на этой основе представить сущность функционирования открытых термодинамических систем. Соединение именно этих знаний определяет наличие общего предмета изучения (термодинамические системы), рассматриваемого физикой и биологией с различных точек зрения. Для раскрытия теоретических основ интеграции физики и биологии использована иерархия компонентов, раскрывающих тенденции, источники и направления интеграции физического и биологического образования; типы, виды и уровни интеграции, основные формы ее осуществления в образовательном процессе (таблица 1).

Таблица 1

Интеграция физики и биологии в содержании естественно-научного образования

Компоненты интеграции Содержание компонентов интеграции физики и биологии

Тенденции - целостное представление содержания образования с учетом познавательных потребностей личности; - обновление содержания образования посредством внугридисциплинарнош, междисциплинарного и межкультурнош синтеза; - возрастание прогрессивной роли интеграции содержания в движении к гуманному использованию научного знания и достижений науки; - индивидуализация содержания образования с учетом возможностей, способ-

Компоненты интеграции Содержание компонентов интеграции физики и биологии

ностей и направленности личности

Факторы - временной фактор, определяющий опережающую роль интеграции по отношению к дифференциации; - предметный фактор, определяющий значимость одного предмета относительно другого; - общественный фактор, определяющий всеобщий характер содержания образования; - личностный фактор, определяющий индивидуальный характер образования

Источники - целостность естествознания как отрасли научного знания о природе; - интеграционные процессы в науке и практике, особенности их отражения в образовании; - диалектическое единство процессов интеграции и дифференциации, проявляющееся в образовании

Направления - горизонтальная интеграция, обеспечивающая объединение биологических и физических знаний с целью формирования мировоззрения учащихся; - вертикальная интеграция, раскрывающая взаимосвязь дидактических единиц, обеспечивающих фундаментальную подготовку учащихся

Закономерности - преимущество интеграционной тенденции над дифференциацией; - смена лидерства в естественно-научном познании от физического к биологическому; - возрастание степени сложности интеграпшного содержания в связи с усложнением предмета, структуры и функций в обучении естественным наукам; - увеличение скорости интеграционных процессов; - неравномерность процесса интеграции, обусловленная сменой конкретных интегрирующих факторов

Принципы качественная несводимость объектов физического и биологического познания; научная целесообразность представления содержания; учет истории развития биофизического знания; использование индуктивно-дедуктивного метода обучения

Типы интеграции общеметодологический; общенаучный; часшонаучный

Уровни - внутрипредметного синтеза при изучении основ пограничных наук (например, биофизики); - межпредметного синтеза на основе взаимосвязи предметов естественнонаучного профиля; - дидактического синтеза на основе соединения содержания предметного образования; - дидактической целостности на основе объединения предметов естественнонаучного профиля

Формы организации Предметные, межпредметньге, интегративные учебные занятия

Эта логика дидактической интеграции позволяет определить общие методологические особенности преподавания, выявить закономерности и принципы интеграции физики и биологии в условиях профильного обучения, задать более высокий уровень целостности содержания естественно-научного образования, раскрыть

формы организации учебных занятий, обеспечивающих интеграцию физических и биологических знаний.

Методологическими основами интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем в нашем исследовании выступают системно-синергетический и интегративно-модульный подходы к формированию содержания. Системно-синергетический подход позволяет сбалансировать физические и биологические знания, обеспечивает изучение живого организма как открытую термодинамическую систему, которой присущи важнейшие характеристики: открытость, саморегуляция, самоорганизация и самовоспроизведение. Интегративно-модульный подход минимизирует объем содержания учебного модуля, который значительно сокращается благодаря интеграции физических и биологических знаний.

В таблице 2 представлены действия и содержание операций по осуществлению интеграции физики и биологии при проектировании учебного модуля «Термодинамика биологических систем».

Таблица 2

Деятельность по осуществлению интеграции физических и биологических знаний при проектировании учебного модуля «Термодинамика биологических систем»

Действия Содержание операций по осуществлению интеграции физических и биологических знаний

Ориентация при осуществлении интеграции физики и биологии 1. Анализ тенденций интеграции физических и биологических знаний при изучении термодинамических систем. 2. Анализ источников интеграции физических и биологических знаний. 3. Определение факторов интеграции физических и биологических знаний. 4. Определение приоритетных направлений и уровня интеграции с учетом возможностей и потребностей учащихся

Проектирование методики осуществления интеграции физики и биологии 1. Постановка дидактических целей интеграции физического и биологического образования. 2. Выделение понятия «энергия» в качестве генерализирующего физические и биологические знания при изучении термодинамических систем. 3. Выявление способов и средств, обеспечивающих инге1рацгао физических и биологических знаний при изучении термодинамических систем. 4. Построение на основе системно-синергетичесюго и интегративно-модульного подходов модели методики осуществления интеграции физических и биологических знаний при изучении открытых термодинамических систем. 5. Построение содержания на основе интеграции знаний и умений

Реализация интеграции физики и биологии 1. Использование различных интегративных форм учебных занятий. 2. Использование приемов, методов и средств, повышающих целостность содержания физического и биологического образования. 3. Использование различных способов деятельности учащихся по усвоению интегративных физических и биологических знаний при изучении термодинамических систем

Оценка эффективности методики интеграции физики 1. Контроль эффективности методики осуществления интеграции физических и биологических знаний при изучении термодинамических систем на основе содержания понятия «энергия»: а) мониторинг усвоения структурных элементов естественно-научных знаний и способов деятельности;

Действия Содержание операций по осуществлению интеграции физических и биологических знаний

и биологии в учебном процессе при профильном обучении б) мониторинг развития естественно-научного мышления; в) мониторинг мотивации учащихся к получению профильного естественно-научного образования. 2. Предсказание новых направлений повышения целостности естественно-научного содержания

Во второй главе «Методика осуществления интеграции физики и биологии при изучении открытых термодинамических систем» рассматривается модель методики осуществления интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем на основе содержания понятия «энергия», реализация интегративных форм учебных занятий, соединяющих физику и биологию, приемы, методы и средства, обеспечивающие развитие естественно-научного мышления учащихся в рамках учебного модуля «Термодинамика биологических систем».

Методика осуществления интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем строится на основе общей методики преподавания вопросов биофизики в классах естественно-научного профиля, рассмотренной в работах С. А. Старченко. Мы рассматриваем термодинамические системы с позиции физической редукции, учитываем принципы качественной несводимости объектов физического и биологического познания, научной целесообразности представления содержания, историю развития биофизического знания. Основным методом обучения выступает индуктивно-дедуктивное изложение учебного материала, которое раскрывает сущность и особенности естественно-научного познания.

В рамках исследования на основе системно-синергетического и интегративно-модульного подходов разработана модель (рис. 1) методики осуществления интеграции физики и биологии при изучении открытых термодинамических систем на основе содержания понятия «энергия» (рис. 2). Она состоит из пяти взаимосвязанных блоков: мотивационного, целевого, содержательно-деятельностнош, технологического и результативного.

Блоки включают смыслообразующие мотивы обучения, целевые ориентиры учащихся, интегрированное содержание физики и биологии, основные приемы, методы и средства деятельности учителя и учащихся, обеспечивающие формирование целостности физического и биологического материала при рассмотрении термодинамических систем, в совокупности решающих проблемы повышения уровня усвоения естественно-научных знаний и способов деятельности, развитие естественно-научного мышления и мотивацию учащихся к получению профильного естественно-научного образования.

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. На этом этапе происходит обобщение физических и биологических знаний, полученных учащимися при изучении термодинамики в курсе физики и метаболизма в курсе биологии.

Внешние факторы: социальный заказ на подготовку выпускников естественно-научного профиля; основные направления развития естественно-научного образования

I §

я ю я « о я 5 1

I

0 я

Л

5

1 и ? §

о.

<и

ч

о О

Внешний мотив

X

Внутренний мотив

познание мира

дальнейшее обучение

направленность личности

профильное естественнонаучное образование

Принципы -*-

Подходы ~—?—

- повышение целостности естественно-научных знаний и способов деятельности учащихся;

- развитие естественно-научного мышления в условиях интеграции физических и биологических знаний при изучении термодинамических систем;

- создание базы для дальнейшего обучения учащихся в высших учебных заведениях

;....................-............................*...................................

; Результативный блок: контроль уровня усвоения структурных элементов естественно-научных знаний и ! полноты сформированное™ умений учащихся осуществлять учебно-исследовательскую деятельность на ос-| нове специально разработанных карт, критериально ориентированное тестирование по оценке развития естественно-научного мышления обучающихся, анкетирование для оценки профильной направленности учащихся

Рис. 1. Модель методики осуществления интеграции физических и биологических знаний на основе содержания понятия «энергия» при изучении открытых термодинамических систем

Рис. 2. Содержание понятия «энергия» в учебном модуле «Термодинамика биологических систем»

На втором этапе ведущей идеей является то, что любая биологическая система обладает энергией и это ее универсальная физическая характеристика. Раскрывается она через расширение знаний об энергетических явлениях и процессах, протекающих на клеточном и организменном уровнях при теоретическом обобщении явлений переноса тепла, при объяснении явления теплопродукции, закона Гесса, при расчете энергетических превращений в живом организме. На этом этапе осуществляется синтез физических, биологических и медицинских знаний при изучении физиологических основ терморегуляции организма и физических методов воздействия, применяемых в медицине, формируются обобщенные способы экспериментальной, исследовательской и проектной деятельности учащихся.

На третьем этапе содержание понятия «энергия» выступает связующим звеном между первым и вторым началом термодинамики, раскрывается понятие энтропии, характеризующее энергетическое состояние системы (организма), и подчеркивается значение энтропии как меры рассеивания энергии при необратимых процессах.

Четвертый этап предусматривает через содержание понятия «энергия» рассмотрение термодинамических систем в рамках синергетической картины мира, которая расширяет границы описания и понимания 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).

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

В зависимости от уровня реализации целостности содержания естественнонаучного образования нами выделены предметные, межпредметные, интетративные виды учебных занятий. Предметные виды учебных занятий выполняют традиционные предметные образовательные функции обучения, воспитания и развития личности в рамках учебного предмета физика. В них системно представляются физические научные знания, специфические методы исследования. Межпредметные виды учебных занятий осуществляют координацию содержания предметного учебного материала, определяют преемственность в изучении предметов, формирование понятий, законов и теорий, их единой интерпретации. Их особенность - изучаемый учебный материал иллюстрируется сведениями из других предметов, обеспечивая при этом синхронность изучения по пересекающимся линиям (темам) нескольких предметов, которые разделены по времени на месяцы, годы. Интегративные виды учебных занятий интегрируют знания из двух предметных областей. Условием моделирования данных видов учебных занятий является реализация целостности содержания естественно-научных знаний и способов деятельности, их системного представления.

В рамках учебного модуля «Термодинамика биологических систем» наше внимание уделено использованию интегративных учебных занятий, так как они в большей

степени обеспечивают повышение целостности физических и биологических знаний, развитие теоретического естественно-научного мышления в условиях профильного обучения и мотивацию учащихся к получению профильного естественнонаучного образования.

На лекционных занятиях реализуются приемы по осуществлению интеграции физики и биологии, включающие: построение структурно-логических схем на основе взаимосвязи структурных элементов физических и биологических знаний; систематизацию и обобщение знаний на основе обобщенных планов изучения структурных элементов естественно-научных знаний; решение качественных и количественных межпредметных задач на различных этапах проведения лекции (актуализация знаний и создание мотивации освоения материала, углубление и расширение знаний, закрепление, обобщение и повторение учебного материала); использование самостоятельной внеаудиторной деятельности по созданию компьютерных проектов лекционного материала.

Практические занятия по решению межпредметных задач способствуют повышению у учащихся уровня развития естественно-научного мышления, сформированности обобщенной структуры решения задач межпредметного характера в следующих направлениях: а) раскрытие физических явлений, протекающих в биологических системах; б) описание применения физических методов для лечения, диагностики, профилактики и исследования биологических объектов; в) влияние внешних физических факторов на живой организм; г) использование физических законов и закономерностей для объяснения процессов, протекающих в биологических системах; д) рассмотрение действия физических приборов, аппаратов, оборудования на живой организм.

Лабораторные занятия в учебном модуле выстроены в направлении поэтапного формирования учебно-исследовательской деятельности учащихся. В зависимости от характера деятельности учащихся в рассматриваемом учебном модуле реализованы репродуктивные, частично-поисковые и исследовательские лабораторные работы. На этих занятиях реализуются приемы: формирование способов деятельности, характерных для учебного исследования при постановке эксперимента; применение методов физического исследования к живым организмам с помощью различных приборов и цифровых лабораторий; включение в содержание средств экспериментального исследования, широко применяемых в медицинской практике; лабораторное моделирование физического исследования живого организма.

Разработанная нами методика осуществления интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем позволила в рамках учебного модуля обобщенно представить особенности развития естественно-научного мышления учащихся. Развитие естественно-научного мышления при изучении учебного модуля осуществляется в направлениях: а) последовательное формирование всех компонентов мышления: от наглядно-образного к обобщенно-образному, понятийно-теоретическому и пракгико-действенному; б) приоритет в формировании понятийно-теоретического мышления над наглядно-образным; в) совершенствование развития мышления от эмпирического к теоретическому; г) сочетание образного, логического и абстрактного мышления; д) реализация мыслительных операций, обеспечивающих анализ, синтез, абстрагирование, сравнение, конкретизацию, обобщение и систематизацию естественно-научных знаний; е) формирование обобщенных способов деятельности, обеспечивающих становление экспериментальной, исследовательской и проектной деятельности учащихся.

Глава III «Педагогический эксперимент» раскрывает этапы организации и проведения педагогического эксперимента, направленного на проверку эффектив-

ности разработанной методики осуществления интеграции физики и биологии при изучении открытых термодинамических систем, а также результаты, полученные в ходе эксперимента.

Результаты эксперимента оценивались по следующим критериям: 1) уровень и полнота усвоения естественно-научных знаний и способов деятельности; 2) сформиро-ванность естественно-научного мышления учащихся; 3) мотивация учащихся к получению профильного естественно-научного образования.

Основными методами диагностики выступали наблюдение, анкетирование, поэлементный анализ усвоения знаний, пооперационный анализ выполнения учебно-исследовательской деятельности учащимися; критериально-ориентированное тестирование. Экспериментальные данные обрабатывались с помощью методов математической статистики.

Эксперимент, апробация и совершенствование методики осуществлялись в три этапа: констатирующий, поисковый и обучающий.

В ходе эксперимента по исследованию полноты усвоения учащимися естественнонаучных знаний учащимся предлагались планы обобщенного ответа о величине, методе, явлении и теории. Результаты эксперимента представлены на рисунке 3.

А Б

Рис. 3. Полнота усвоения естественно-научных знаний учащимися до (А) и после (Б) эксперимента

Полнота усвоения учащимися способов деятельности определялась с помощью карты пооперационного анализа учебно-исследовательской деятельности. Анализ результатов представлен в таблице 3.

Таблица 3

Полнота усвоения способов деятельности учащимися контрольных и экспериментальных групп

Группы Коэффициент полноты усвоения способов деятельности Коэффициент эффективности

Контрольные 0,38 1,95

Экспериментальные 0,74

На рисунке 4 представлены результаты исследования сформированности стадий естественно-научного мышления учащихся при традиционном обучении и при использовании разработанной нами методики осуществления интеграции физики и биологии при изучении открытых термодинамических систем.

70 60 50 40 30 20 10 0

«4- 58

171В ,.18

* Н

£3 Контро/ъная группа Я Экспериментальная группа

вн

I ¿м

3 Контрольная группа ■ Экспериментальная группа

А Б

Рис. 4. Стадии сформированности естественно-научного мышления учащихся до (А) и после (Б) эксперимента: 1 - эмпирически-бытовая, 2 - эмпирически-научная, 3 - дифференциально-синтетическая, 4 - синтетическая

Количественным показателем мотивации учащихся к получению профильного естественно-научного образования выступали коэффициенты познавательного, эмоционального и поведенческого отношения учащихся к содержанию естественнонаучного образования, коэффициент профильной направленности (рис. 5).

А Б

Рис. 5. Значения коэффициентов до (А) и после (Б) эксперимента: 1) познавательного, 2) поведенческого, 3) эмоционального отношения учащихся, 4) профильной направленности экспериментальных и контрольных групп

Положительная динамика результатов педагогического эксперимента позволила нам сделать вывод о том, что выдвинутая гипотеза подтверждена, поставленные задачи решены, цель достигнута.

В заключении излагаются основные результаты исследования и приводятся основные выводы.

В приложениях приведены дополнительные материалы, не вошедшие в основную часть диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. На основании проведенного анализа состояния проблемы интеграции физики и биологии в педагогической науке и общеобразовательной практике выявлено, что повышение целостности содержания профильного естественно-научного образования имеет свою специфику и особенности, обусловленные интеграционными процессами в научном знании и в образовании. Целевой характер реализации интеграции физики и биологии определяется требованиями к повышению качества профильного естественно-научного образования в направлении повышения уровня фундаментальной подготовки учащихся, ориентированной на знания, способствующие целостному восприятию естественно-научной кар-

тины мира. Фундаментальная подготовка учащихся профильных естественно-научных классов предполагает отражение в содержании физического образования теоретической и практической составляющих биофизических научных знаний, которые в процессе овладения ими способствуют развитию естественно-научного мышления учащихся и повышению мотивации к получению профильного естественно-научного образования.

2. Интеграционное взаимодействие физики и биологии в содержании профильного естественно-научного образования возможно реализовать посредством учебного модуля «Термодинамика биологических систем», что обеспечит углубление физических знаний о термодинамических системах новым биологическим содержанием на основе интегратив-ного содержания, а не изолированными фрагментами межпредметных знаний. Интеграция знаний из двух предметных областей в учебный модуль позволит показать обобщенную методологию познания, раскроет новые возможности описания термодинамических систем на основе синергетической теории и самоорганизации сложных систем.

3. Выявленные теоретические основы интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем, раскрывающие тенденции, факторы, источники, направления, закономерности, принципы, типы, уровни и формы осуществления интеграции физики и биологии в классах естественно-научного профиля могут быть использованы при отборе и структурировании содержания естественно-научного модуля.

4. Теоретически обоснованная и разработанная модель методики осуществления интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем на основе содержания понятия «энергия» повышает целостность содержания естественнонаучного образования, обеспечивает развитие естественно-научного мышления и мотивацию учащихся к получению профильного естественно-научного образования. Отличительной особенностью модели является ее концептуальное основание: системно-синергетический и интегративно-модупьный подходы, которые раскрывают стратегию и тактику моделирования содержания физического и биологического образования при изучении термодинамических систем в профильных естественно-научных классах. Системный подход формирует у учащихся единство взглядов на термодинамические системы через рассмотрение энергетических процессов, протекающих в них. Синерге-тический 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.

5. Разработано содержание учебного модуля «Термодинамика биологических систем» для учащихся естественно-научного профиля, генерализованное вокруг содержания понятия «энергия». Выделение основного понятия обеспечивает теоретическое обогащение и упорядоченность всей понятийной структуры учебного материала. Содержание учебного модуля включает: а) основные (факты, понятия, законы и теории термодинамики, методы научного исследования) и вспомогательные знания (методологические, историко-научные, интегративные); б) деятельность учителя, представленную действиями (ориентация, проектирование, реализация, оценка) и последовательностью операций, соответствующих выделенным действиям; в) деятельность учащихся, осуществляемую в рамках экспериментальной, исследовательской и проектной деятельности.

6. В соответствии с предложенной моделью разработана методика осуществления интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем в классах естественно-научного профиля, включающая: содержание учебного модуля, построенного на основе фундаментальных законов термодинамики и генерализации знаний вокруг содержания понятия «энергия»; основные элементы учебных занятий и составляющих их компонентов; методы преподавания (объяснительный, инструктивно-практический, объяснительно-побуждающий, побуждающий) и методы учения (репродуктивный, продуктивно-практический, частично-поисковый, исследовательский), основанные на общности целей; приёмы и способы деятельности учителя, 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; деятельность учащихся (экспериментальная, исследовательская, проектная), которая обеспечивает фундаментальность образования за счет ин-тегративного 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; проведение диагностики уровня усвоения естественно-научных знаний и полноты сформированности умений учащихся осуществлять учебно-исследовательскую деятельность, стадий сформированности естественно-научного мышления и мотивации учащихся к получению профильного естественно-научного образования.

7. Педагогический эксперимент подтвердил выдвинутую гипотезу исследования о возможности повышения уровня усвоения естественно-научных знаний и способов деятельности, развитие естественно-научного мышления и усиления мотивации к получению профильного естественно-научного образования учащихся профильных естественно-научных классов в условиях интеграции физики и биологии при изучении термодинамических систем.

Полагаем, что проведенное исследование не исчерпывает всего многообразия рассматриваемой проблемы. Дальнейшее исследование интеграции физического и биологического образования в условиях профильного обучения разумно осуществлять в направлении поиска новых образовательных структур, обеспечивающих повышение уровня целостности содержания естественно-научного образования. Целесообразно совершенствование профильного естественно-научного образования в направлении повышения теоретического уровня познания неживой и живой природы, ее вариативности через индивидуализацию образовательного процесса.

Основное содержание диссертационного исследования отражено в 22 публикациях, общим объемом 23,58 п. л. (авторских -18,4 п. л.)

I. Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Уткина, Т. В. Роль межпредметных связей в формировании понятия «энергия» / Т. В. Уткина // Биология в школе. - 2007. - № 8. - С. 24-27. (0,25 п. л.)

2. Уткина, Т. В. Биофизические задачи на уроках биологии / В. С. Елагина, Т. В. Уткина, // Биология в школе. - 2009. - № 3. - С. 26-29. (0,25 п. л., авторских - 0,125 п. л.)

3. Уткина, Т. В. Конструирование учебного занятия по теме «Способы переноса тепловой энергии в организме» / Т. В. Уткина // Физика в школе. - 2012. - № 5. -С.30-35.(0,38 п. л.)

4. Уткина, Т. В. Формирование целостностного содержания естественнонаучного образования при профильном обучении / Т. В.Уткина // Биология в школе. - 2012. - № 7. - С. 24-30. (0,44 п. л.)

5. Уткина, Т. В. Учебные модули - средство повышения качества естественнонаучного образования при реализации ФГОС / Т. В. Уткина // Биология в школе. - 2013. - № 10. - С. 64-75. (0,75 п. л.)

II. Учебно-методические пособия

6. Уткина, Т. В., Сгарченко, С. А. Термодинамика биологических систем : методические рекомендации к учебному модулю для профильных классов общеобразовательных учреждений / Т. В. Уткина, С. А. Старченко. - Челябинск : Изд-во ЧИППКРО, 2012. - 131 с. (10,97 п. л., авторских - 8,7 п. л.)

7. Старченко, С. А., Уткина, Т. В. Термодинамика биологических систем : учебное пособие / С. А. Старченко, Т. В.Уткина. - Челябинск : Изд-во ЧИППКРО, 2012. - 61 с. (4,0 п. л., авторских - 2,0 п. л.)

8. Уткина, Т. В., Сгарченко, С. А. Термодинамика биологических систем: Сборник задач и упражений: пособие для учащихся общеобразовательных учреждений / Т. В. Уткина, С. А. Сгарченко. - Челябинск, 2012. - 50 с. (3,2 п. л., авторских - 2,4 п. л.)

III. Статьи в материалах научно-практических конференций

9. Уткина, Т. В. Отражение целостности физических и биологических знаний при изучении открытых термодинамических систем / Т. В. Уткина // Материалы VIII меж-дунар. науч.-пракгич. конф. «Ключевые вопросы современной науки». Педагогические науки. - Том 16. - София : «Бял ГРАД-БГ» ООД, 2012. - С. 22-25. (0,17 п. л.)

10. Уткина, Т. В. Понятие «энергия» как фундаментальное естественно-научное понятие / Т. В. Уткина // Методология и методика формирования научных понятий у учащихся школ и студентов вузов : материалы XIV Междунар. науч.-практ. конф. 14—15 мая 2007. - Ч. 1. - Челябинск : ГОУ ВПО «ЧГПУ» ; Изд-во ИИУМЦ «Образование», 2007.-С. 97-100.(0,26 п. л.)

11. Уткина, Т. В. Синтезированные формы учебных занятий, соединяющие физику и биологию при изучении открытых термодинамических систем / Т. В. Уткина // Усовские чтения. Методология и методика формирования научных понятий у учащихся школ и студентов вузов : материалы XVIII междунар. науч.-практ. конф. 14-15 апреля 2011 г. В 2 ч. Ч. 2 / под ред. О. Р. Шефер. - Челябинск: «Край Ра», 2011. - С. 97-101. (0,23 п. л.)

12. Уткина, Т. В. Синтез физических и биологических знаний на основе понятия «энергия» при изучении открытых термодинамических систем / Т. В. Уткина // Методология и методика формирования научных понятий у учащихся школ и студентов вузов / под ред. О. Р. Шефер : материалы XVII Междунар. науч.-практ. конф. 17—18 мая 2010 г. - Ч. 1. - Челябинск : Изд-во ИИУМЦ «Образование», 2010. - С. 260-264. (0,2 п. л.)

13. Уткина, Т. В. Модель методики синтеза физических и биологических знаний на основе понятия «энергия» при изучении открытых термодинамических систем / Т. В. Уткина // Усовские чтения. Методология и методика формирования научных понятий у учащихся школ и студентов вузов : материалы XVIII междунар. науч.-практ. конф. 12-13 апреля 2012 г. В 2 ч. Ч. 1 / под ред. О. Р. Шефер. - Челябинск : «Край Ра», 2012.-С. 197-201.(0,2 п. л.)

14. Уткина, Т. В. О реализации иите1ративных связей при формировании естественно-научного понятия «энергия» / Т. В. Уткина // Теоретико-методологические основы совершенствования естественно-научного и технологического образования в школе и педвузе. III Всеросс. науч-пракгич. конф. 18-19 февраля 2008 г. - Челябинск : Изд-во ИИУМЦ «Образование», 2008. - С. 79-82. (0,27 п. л.)

15. Уткина, Т. В. Формирование культурологических ценностей посредством реализации естественно-научного образования в профильной школе / Т. В. Уткина // Тенденции дополнительного профессионального образования в контексте современной образовательной политики : материалы П межрегиональной научно-практической конференции. В 3 ч. Ч. 3. - Челябинск : Изд-во ИИУМЦ «Образование», 2010. - С. 120— 127. (0,17 п. л.)

16. Уткина, Т. В. Повышение уровня профессиональной подготовки учащихся старших профильных классов через соединение физики и биологии / Т. В. Уткина П Непрерывность образования: опыт реализации преемственности ступеней образования : материалы межрегиональной научно-практической конференции 14 мая 2010 г. / под ред. Н. Г. Миловановой. - Тюмень : ТОГИРРО, 2010. - С. 19-22. (0,17 п. л.)

17. Уткина, Т. В. Основные аспекты формирования понятия «энергия» в рамках естественно-научного образования учащихся / Т. В. Уткина // Технологии совершенствования подготовки кадров : теория и практика : межвуз. сб. науч. тр.: вып. 11.- Казань : Изд-во Татар, гуманитарно-пед. ун-та, 2008. - С. 109-112 (0,21 п. л.)

18. Уткина, Т. В. Актуальность интеграции физики и биологии в условиях профильного обучения / Т. В. Уткина // Аюуальные проблемы развития среднего и высшего образования / Т. В. Уткина // Межвузовский сборник научных трудов / под ред. М. Д. Даммер, О. Р. Шефер. -Челябинск: Изд-во ИИУМЦ «Образование», 2010. - С. 124-129. (0,27 п. л.)

19. Уткина, Т. В. Совершенствование профессионального мастерства учителя естественно-научных дисциплин по реализации межпредметного взаимодействия / Т. В. Уткина // Тенденции дополнительного профессионально-педагогического образования в контексте современной образовательной политики: материалы региональной научно-практической конференции. - Ч. 1. - Челябинск : Изд-во ИИУМЦ «Образование», 2008.-С. 20-24.(0,3 п. л.)

20. Уткина, Т. В. Формирование системы естественно-научных взглядов через соединение физики и биологии в профильной школе / Т. В. Уткина // Сборник статей по материалам регионального семинара «Школа - вуз. Непрерывное образование: проблемы и решения» / под научн. ред. Т. Б. Голубевой / Екатеринбург : Урал. гос. лесо-техн. ун-т., 2009. - С. 81-85. (0,19 п. л.)

21. Уткина, Т. В. Проблемный метод обучения в условиях реализации ИКТ на основе интеграции физики и биологии / Т. В. Уткина // Сборник материалов регионального научно-практического семинара «Проблемное обучение с применением информационных технологий в условиях перехода на федеральные государственные стандарты» 30 марта 2013 г. ЧОУ ВПО «Южно-Уральский институт управления и экономики», г. Челябинск. - Челябинск: Полиграф-мастер, 2013. -С. 154-161. (0,4 п. л.)

22. Уткина, Т. В. Методические приемы достижения метапредметных результатов на основе интеграции физики и биологии / Т. В. Уткина // Современные тенденции в преподавании предметов естественно-математического и технологического циклов: материалы X региональной научно-практической конференции / под ред. В. В. Шахматовой. - Челябинск: ЧИППКРО, 2014. - С. 250-258. (0,3 п. л.)

Подписано к печати 07.04.2014 Объем 1,5 п.л. Заказ № 24 Тираж 100 экз.

ГУ Т.МПГУ

Текст диссертации автор научной работы: кандидата педагогических наук, Уткина, Татьяна Валерьевна, Москва

ФГБОУ ВПО «Уральская государственная академия ветеринарной медицины»

04201457882 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........................................................3

Глава 1. ФОРМИРОВАНИЕ ЦЕЛОСТНОСТИ СОДЕРЖАНИЯ ФИЗИЧЕСКОГО И БИОЛОГИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ...........................................................................21

1.1. Интеграция физики и биологии в условиях профильного обучения

в классах естественно-научного профиля...............................................................21

1.2. Методологические основы интеграции физики и биологии

при изучении термодинамических систем..............................................................34

1.3. Возможности построения учебного модуля «Термодинамика биологических систем» в условиях профильного обучения.................................46

Глава 2. МЕТОДИКА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИНТЕГРАЦИИ ФИЗИКИ И БИОЛОГИИ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ОТКРЫТЫХ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ.............................................................................................................................63

2.1. Модель методики осуществления интеграции физики и биологии на основе понятия «энергия» при изучении открытых термодинамических систем...........................................................................................................................63

2.2. Реализация интегративных форм учебных занятий_при изучении открытых термодинамических систем.......................................................................................83

2.3. Приёмы, методы и средства развития естественно-научного мышления учащихся при изучении учебного модуля «Термодинамика биологических систем».......................................................................................................................114

Глава 3. ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ........................................................132

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

3.2. Критерии оценки эффективности проведения_педагогического эксперимента.............................................................................................................136

3.3. Анализ результатов педагогического эксперимента.....................................146

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................................162

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, метапред-метном 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,

A. 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,

B. 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. Ко-варский, Е. К. Страут, Н. С. Пурышева, 3. 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, JI. 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, JI. П. Свиткова, JI. А. Прояненковой, М. Т. Рахматуллина, С. А. Старченко, Г. Н. Степановой, А. В. Усовой, А. А. Фадеевой, JI. 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)00 (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 метапредмет-

ного 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 над-предметных 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 доку-

ментов 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 термодинамическ�