Глава 1. Структура и содержание учебного материала
§ 2. Модели логической структуры учебного материала
2.3 Подходы к преобразованию логической структуры учебного материала (Часть 2)

   
   С содержательной и процессуальной сторон обучения анализирует фундаментальные физические теории в средней школе И.С. Карасова. В частности, составляя свою авторскую программу для классов с углубленным изучением физики, она исходит из того, что "дидактической единицей" обучения учащихся старших классов по физике является фундаментальная физическая теория, а учебным элементом знаний теории ("клеточкой") служит - "понятие" [20, с.49]. В своем исследовании она приводит граф логической структуры изучения фундаментальной физической теории (рис. 12) [там же, с. 54] и серию содержательных графов логической структуры учебного материала по нескольким разделам курса физики.

Граф логической структуры изучения фундаментальной теории

основание			ядро			следствие
факты	модель объекта	поня- тия	прин- ципы	осно- вопо- лага- ющие законы	мате- мати- ческие урав- нения	объясне- ние новых фактов, явле- ний, част- ных зако- нов	объясне- ние фи- зичес- ких прин- ципов работы приборов установок	пред- ска- зание явле- ний

Рис. 12. Граф-схема изучения фундаментальной физической
теории (автор И.С. Карасова).
   С несколько иной стороны выдвигает требование выстраивать учебный материал курса физики в соответствии со структурой научной теории В.Г. Разумовский. Он также полагает, что теория должна включать основания и следствия. Но структуру теории он представляет в соответствии с циклом научного познания, который отображается в виде структурно-логической схемы [43, с.14] (рис. 13):


Рис. 13. Схема взаимосвязи исходных фактов, абстрактной
модели-гипотезы, теоретических следствий и эксперимента
(автор В.Г. Разумовский).
   Согласно этому циклу строятся рассуждения ученым при проведении научного исследования. Представление учебного материала в учебном процессе согласно этому циклу позволяет в явном виде показать механизм получения достоверного знания, наилучшим образом реализовать метод проблемного изложения и обеспечить сочетание исторического и логического в учебном познании.
   Кратко суть цикла заключается в следующем. На основании наблюдений и специально поставленных экспериментов устанавливается ряд научных фактов. Эти факты объясняются путем выдвижения гипотезы. Гипотеза может описывать состояние изучаемых объектов, механизм протекающих процессов. Самая существенная сторона этих состояний и механизмов отображается в виде различного вида моделей. Путем логических рассуждений из гипотезы и модельных представлений о изучаемых явлениях, процессах, состояниях выводится система следствий. Проверка следствий осуществляется прямым экспериментом. Эксперимент дает новый набор опытных фактов и подтверждает либо не подтверждает предсказания. В случае подтверждения логических следствий принимается правомерность выдвинутой гипотезы и возможность ее использования для объяснения новых опытных фактов.
   В этом же ключе дает рекомендации составителям учебных программ Ю.И. Дик: "Курс строится на основе генерализации учебного материала вокруг фундаментальных физических теорий... В педагогических целях в процессе обучения целесообразно воспроизводить генезис теоретического обобщения знания в виде циклической спирали: факты -> модель -> следствия -> экспериментальная проверка следствий -> новые факты ... Это способствует эффективному развитию творческих способностей, формированию логики мышления"[11, с.34].
   Один из существенных элементов цикла учебного познания - модель. Как отмечают С.Е. Каменецкий и Н.А. Солодухин, "не всегда интересующие нас характеристики и признаки, например, физического явления легко поддаются обособленному выделению, а следовательно, и быстрому усвоению учащимися. Возникает методическая необходимость предварительно делить объект на определенные части, вычленять в нем существенное и главное и брать для обучения не сам объект, а какой-то другой, наделенный несколькими характеристиками объекта и называемый моделью" [19, с.12].
   Они делят модели на предметные, рисуночно-фотографические, образные и символические. Предметные, в свою очередь, делятся на физически подобные и аналогии; рисуночно-фотографические - на рисунки, фотографии, учебные фильмы; образные - на чувственные и идеализированные образы; символические - на описательные, математические, графические [там же, с.14].
   Аналогично определяют модель Л.М. Фридман и Г.А. Балл: "Моделью некоторого объекта А (оригинала) называется объект В, отличный от А, но и в каком-то отношении подобный (аналогичный) А, выбранный или построенный субъектом С ..." [68, с.90]. "Система В является моделью системы А ..., если основанием для ее использования ... служит ее структурное сходство с моделируемой системой А" [2, с.18].
   Модели часто делят на материальные и идеальные или материальные, материализованные и идеальные. Среди идеальных моделей выделяются образные, знаковые или знаково-символические, мысленные или воображаемые, умственные. К материальным моделям относятся: например, модели машин. К материализованным - модели материальных объектов [там же].
   Ориентация современного курса физики средней школы на теоретический уровень систематизации знаний дала возможность выдвинуть принцип генерализации его содержания [см., напр, 43]. Это в значительной мере позволило снять противоречие между быстрым ростом объема научной информации, быстрым старением знаний и ограниченными временными и познавательными возможностями их усвоения.
   В.Н. Мощанский необходимость конструирования знаний учащихся в соответствии со структурой теории доказывает тем, что теория является средством обоснования фундаментальных идей, формирования убеждений [37, с.70]. При этом, опираясь на философский анализ структуры теории, проведенный И.В. Кузнецовым, он приводит ее упрощенный и дидактически адаптированный вариант. Выделяя в физической теории основание, ядро и воспроизведение (следствия), он к числу структурных элементов теории относит исходные опытные факты, идеализированный объект (модель), фундаментальные понятия (величины), основные принципы и гипотезы, законы, выводимые как следствия из исходных принципов, и их экспериментальную проверку [там же, с.21-22].
   Говоря об опытной проверке исходных принципов, В.Н. Мощанский останавливается на фундаментальных экспериментах, и приводит единую логическую схему их объяснения, воспроизводящую в общих чертах логику научного экспериментального исследования. Эта схема имеет следующий вид:

1. Возникновение проблемы, замысла исследования и выдвижение рабочей гипотезы.
2. Разработка и создание экспериментальной установки по проверке рабочей гипотезы.
3. Постановка, выполнение опыта.
4. Обработка и анализ экспериментальных данных.
5. Формулирование выводов и истолкование результатов.
6. Роль опыта в утверждении теории [там же, с.70].

   Кроме того В.Н. Мощанский описывает структуру постижения парадокса. Она выглядит следующими образом:
      а) осознание двух точек зрения на одну и ту же проблему - новую и ранее существовавшую;
      б) осознание их противоречивости;
      в) разрешение, снятие парадокса в результате осознания причины противоречивости двух точек зрения, которая состоит или в абсолютизации старого знания вне границ его применимости, или в абсолютизации представлений повседневного опыта и "здравого смысла" [там же, с.60].
    Теория является центральным элементом и в системе методологических знаний, предлагаемой Г.М. Голиным. Эта система, вокруг которой предполагается проводить обобщение всего учебного материала, включает следующие направления:
      1. Научный эксперимент и методы экспериментального (эмпири-ческого) познания.
      2. Физическая теория и методы теоретического познания.
      3. Стержневые методологические идеи физики.
      4. Основные закономерности развития физики [8, с.28].
    "В процессе изучения физических теорий или их элементов, - отмечает Г.М. Голин, - учащиеся должны увидеть их системный характер, структуру:
      1) основные понятия, отражающие эмпирический базис, и совокупность фактов, на которых зиждется теория-основание теории;
      2) основные принципы и законы, составляющие ядро теории;
      3) следствия, выведенные из принципов и законов путем логической дедукции. Эти структурные компоненты устоявшейся теории должны включаться в логически замкнутую цепочку - схему научного познания, представляющего собой единство экспериментального и теоретического уровней познания природы" [там же, с.79].
    Научная теория в работах В.Г. Разумовского, Л.Я. Зориной, В.Н. Мощанского, Г.М. Голина рассматривается не просто как один, пусть и важнейший, элемент знания, но и как метод познания. Метод же познания подразумевает, что ученик должен будет овладеть не только некоторым объемом предметных знаний, но и определенным категориальным аппаратом, выработанным всем общественно-историческим опытом человечества.
    В плане обучения этому категориальному аппарату выполнен ряд исследований. Одно из них, посвященное формированию системы учебных умений на основе методологических знаний физики, проведено М.И. Линником [33]. В работе подробно рассмотрена методологическая функция текстовых элементов учебника физики IX-X (X-XI) классов и предложен способ работы по выявлению их методологического содержания - сортировка учебного материала. Продуктом сортировки и обобщения учебного материала с помощью специальных, разработанных автором исследования учебных карт, являются своеобразные систематизирующие таблицы.
    Материал сортируется по следующим блокам:
Основные понятия
      1. Объекты, процессы, явления.
      2. Свойства.
      3. Физические величины.
Формулы, уравнения
      1. Функциональная зависимость величин.
      2. Определение величин.
      3. Причинно-следственная зависимость.
Эксперимент, история, практика
      1. Наблюдение объектов, процессов, явлений.
      2. Обнаружение или иллюстрация свойств.
      3. Практические применения.
Рисунки, графики, схемы
      1. Предметные.
      2. Структурные.
      3. Функциональные [там же, с.11].
    Наряду с сортировкой, дидактическая система М.И. Линника предусматривает структурирование учебного материала в соответствии с "цепочкой": наблюдение явлений - проведение опытов - введение понятий - рассмотрение логических следствий. В качестве средств для вычленения и запоминания главного в новом материале он называет следующие:
      1. изложение материала в соответствии с циклом: "явления - факты - проблемы - гипотезы - следствия - подтверждения";
      2. составление "контурного" конспекта главного в содержании;
      3. вариативное воспроизведение его [32, с.24].
    Говоря о логической структуре учебного материала, способах его рационального изложения и усвоения, следует упомянуть о работах П.М. Эрдниева [82, 83]. Так, анализируя проблемы построения учебников математики, он пишет: "Педагоги могут справиться с возрастающей информационной нагрузкой лишь на путях изыскания и создания новых дидактических путей ускоренного обучения, перехода к таким системам и методам обучения, которые позволяют вооружить учащихся за меньшее время большим объемом знаний, причем одновременно должны повыситься качество, прочность, действенность и другие основные параметры усвоения знаний" [82, с.57].
    Аналогичные мысли высказывает Г.М. Донской, анализируя проблемы структуры учебника истории. Отмечая противоречие между скоростью роста объема знаний и возможностью овладения этими знаниями в рамках школьного обучения, он называет два относительно самостоятельных пути разрешения этого противоречия в области исторического образования: совершенствование структуры исторических курсов и совершенствование методики обучения предмету. Оба пути, по его мнению, должны привести к одному и тому же результату: увеличению объема усваеваемой за единицу времени информации [12, с.30].
    Поставив одной из основных целей экспериментального обучения: научить ученика пользоваться методом соединения анализа с синтезом, П.М. Эрдниев пришел к выводу о том, что возможно и выгодно укрупнять единицы усвоения знаний [82, с.57-58, 70].
    Укрупнение дидактических единиц основывается им на ряде принципов.
    Например, одним из корней композиции его учебников математики является принцип противопоставления контрастных или сходных понятий и операций, реализуемый при совместном рассмотрении взаимно обратных или аналогичных действий, задач, теорем, функций.
    Другим основным средством укрупнения единицы усвоения в его системе выступает принцип обратных задач.
    И, что очень важно, в основе системы П.М. Эрдниева лежит принцип системности знаний, относимый им к числу важнейших в дидактике. П.М. Эрдниев полагает, что "...вопреки традиции (формальной логике!) более важными должны быть именно связи между однопорядковыми элементами одной и той же структуры: линейное уравнение и квадратное уравнение как однородные элементы не образуют структурного единства, в то время как линейное уравнение и линейное неравенство образуют (как однопорядковые!) одну целостность знаний" [там же, с.65].
    Кроме того, П.М. Эрдниев, основываясь на концепции Н.М. Амосова об этажной переработке информации мозгом человека посредством иерархической системы все усложняющихся кодов: кода знаков, кода слов, кода фраз и кода смысла, полагает, что "рационализации учебного процесса будет способствовать тренировка в двустороннем "спуске-подъеме" по иерархии кодов" [там же, с.67].
    Чрезвычайно важное место он отводит умелому использованию в учебных текстах символов, знаков, цвета, пространственного расположения знаков, специальным приемам выделения логических подлежащих, схемных и формульных средств фиксации информации. При этом в ранге основного дидактического правила выступает положение: "на начальном этапе освоения новых понятий, операций или преобразования информацию надо давать в таких деталях, чтобы она была понятна не только человеку, но и ...машине" [там же, с.69].
    Многопланово и оригинально решает проблемы систематизации и структурирования знаний А.Н. Крутский в разрабатываемом им направлении педагогической науки "Психодидактика" [26]. Среди выделяемых в психодидактике методологических подходов к обучению, системно-функциональный [24, 28], системно-структурный [27] и дискретный [29] подходы напрямую связаны с рассматриваемой проблемой.
    Суть системно-функционального подхода состоит в следующем. Рассматривая процесс познания учеником субъективно новых объектов и явлений, А.Н. Крутский показывает, что стадии этого процесса в большинстве случаев для разных учеников при изучении ими разных вопросов разных учебных дисциплин оказываются одинаковыми. Анализ структуры сложного объекта идет в направлении расчленения его на элементы. После выяснения функций этих элементов возникает возможность провести их систематизацию по общности функций и формализовать полученное знание. На основе формализованных знаний синтезируются правила их системного усвоения, которые могут применяться для обучения учащихся как правилам, так и методам системного усвоения знаний [28, с.12-15].
    Применяя системно-функциональный подход к анализу учебного материала курса физики средней школы как нового для ученика объекта, А.Н. Крутский выделяет девять элементов знания: физическое явление, физическую теорию, научный факт, гипотезу, идеальный объект, физическую величину, закон, практическое применение, задачи.
    Наиболее крупным элементом в системе физического знания он считает физическое явление, которое выступает для учащегося объектом учебного познания и усвоения.
    Функцию физической теории он видит в объяснении физических явлений, предсказании их протекания, поиске количественных характеристик, выявлении закономерностей и возможных путей использования.
    Научный факт рассматривается как основание для развития теории.
    Гипотеза дает объяснение происходящим явлениям и конкретно установленным фактам.
    Для абстрагирования от несущественных свойств изучаемых явлений и концентрации внимания на существенных свойствах вводится идеальный объект.
    На этапе перехода от качественного изучения физических явлений к количественному, выделяются такие элементы знания как физическая величина, дающая возможность делать измерения, и закон, служащий для установления связей, взаимозависимостей, которые позволяют управлять физическими процессами.
    Элемент знания, называемый практическим применением, рассматривается как конечная цель физического знания.
    Задачам, как элементу знания, отводится роль моделирования в учебных целях практических явлений и ситуаций, протекающих в природе или в искусственно создаваемых установках.
    Выстраивая из выделенных элементов иерархическую структуру, А.Н. Крутский выделяет несколько уровней рассмотрения физического знания.
    На первом уровне он располагает элементы наиболее общего характера - физические явления, на втором уровне - физические теории.
    Такие элементы знания как факты, гипотезы, идеальные объекты, величины, законы, практическое применение он включает в состав научной теории. Каждый из элементов научной теории моделируется с помощью задач и все девять выделенных элементов далее разбиваются на составные части [там же, с.17-21].
    Системно-структурный подход к анализу механизма усвоения учащимися знаний [27] позволил А.Н. Крутскому весь курс физики X-XI классов полностью представить в виде набора структурных схем, оформленных в логике развития учебной теории. С формальной точки зрения все схемы единообразны и имеют примерно равный объем. Каждая из них сопровождена вариантом пересказа.
    Следует отметить, что многие структурные схемы А.Н. Крутского имеют не только вертикальную, но и горизонтальную разграфку. Такие схемы объединяют несколько однородных явлений и являются вариантом крупноблочного представления учебного материала. Вторично применяя системно-функциональный подход к анализу каждого из девяти выделенных элементов знаний, А.Н. Крутский выявил их структуру, обозначил функции, провел систематизацию по общности функций, разработал правила и технологию системного усвоения.
    Например, в приложении к законам, выражающим функциональную зависимость между несколькими величинами, и содержащим коэффициент пропорциональности, физической величине, определяемой через отношение или произведение других величин, правила их системного усвоения включают правила чтения закона и определяющего уравнения величины, правила выявления физического смысла коэффициента пропорциональности в законе и физического смысла величины, правила получения единицы коэффициента пропорциональности в законе и единицы величины [28, с.106-137].
    Сущность дискретного подхода к анализу учебного материала состоит в том, что выделяемые в нем доминирующие (встречающиеся впервые, наиболее важные) элементы знаний представляются в виде четырехколоночных систематизирующих таблиц, содержащих вопросы, ответы к ним, порядковые номера вопросов и номера страниц учебника, на которых находится необходимая информация [27, 29].
    Одним из последователей А.Н. Крутского является Н.В. Бедарев. Применяя к анализу учебного материала системно - функциональный подход, он, как и А.Н. Крутский, в конечном счете весь материал курса физики средней школы представляет в виде единообразных структурно-логических схем, правда несколько отличных по элементному составу [3].
    Своеобразны взгляды на изучение физических явлений у Ч. Гурбангелдиева [60, с.197-200]. Процесс объяснения явлений он разбивает на шесть взаимосвязанных последовательных этапов. На первом этапе через изложение материала учителем, демонстрацию модели, диапозитива, диафильма, чтение учебного или научно-популярного текста, постановку опыта и т.д. проводится знакомство с внешними особенностями явления. На втором этапе учеником составляется рассказ об услышанном или увиденном. На третьем этапе выделяются взаимодействующие объекты и устанавливаются их состояния. Далее раскрывается механизм протекания явления. При этом сложный процесс делится на более простые составляющие процессы. Выясняется, как и почему протекает каждый процесс, каков его результат. На пятом этапе кратко суммируются полученные на предыдущем этапе данные. Завершается объяснение явления общим выводом и кратким заключением о сущности объясняемого явления. В случае необходимости правильность суждений проверяется на опыте.
    Каждый из этапов объяснения явления Ч. Гурбангелиев анализирует с психологической точки зрения. Так, первый этап он связывает с чувственным восприятием; второй, на котором усваиваются исходные факты, с речевыми действиями ученика. На третьем и четвертом этапах, как он показывает, осуществляется аналитическая деятельность сознания, опирающаяся на логическое мышление, а на пятом и шестом этапах производятся такие мыслительные операции как вычленение основных сведений из материала и синтез полученных знаний. Единая структура объяснения физических явлений представлена Ч. Гурбангелиевым в виде схемы [там же, с.199].
    Алгоритмизирует процесс обучения на основе обобщающих планов и таблиц учитель физики А.А. [60, с.192-196].
    В структуре физического знания он выделяет такие элементы как явления, объекты, величины, законы и теории. Учебный материал излагается на основе составленных им обобщающих планов описания каждого из названных видов знания.
    Изучение физического процесса или явления предполагает раскрытие следующих вопросов:
      1. Основные сведения (проявление, экспериментальная установка для обнаружения, величины, измеренные в эксперименте, графическое описание, главные особенности).
      2. Теория (модель, краткая сущность теории, причинная обусловленность).
      3. Практическое применение.

    Физический объект изучается по схеме:
      1. В состав каких других объектов входит.
      2. Из каких объектов состоит сам.
      3. Условия образования.
      4. Физические свойства.
      5. Количественные характеристики.
      6. Модель.
      7. Основные уравнения, его описывающие.
      8. Возможные состояния.
      9. Явления, которые могут с ним происходить.
      10. Практическое применение.
      11. Общая характеристика.

   Обобщающий план изучения физической величины включает следующие пункты:
      1. Происхождение слова - название и его перевод.
      2. Характеризуемое этой величиной свойство объекта или явления.
      3. Что определяет.
      4. Частные случаи.
      5. Обозначение.
      6. Единица в СИ.
      7. Способ измерения.
      8. Прибор для измерения.
      9. Связь с другими величинами.
      10. Интервал измерения.
      11. Границы применимости.
      12. Определение.

   Обобщающий план изучения закона имеет вид:
      1. Что устанавливает, утверждает.
      2. Кем открыт и в каком году.
      3. На основании каких данных сформулирован.
      4. Какие величины связывает.
      5. Основная формула.
      6. Частные случаи.
      7. Опыты, подтверждающие справедливость закона.
      8. Границы применимости.
      9. Практическое применение.
      10. Формулировка.

   Для изучения теории А.А. Найдин использует план:
      1. Основание (наблюдения, эксперименты, главные понятия и величины, идеализированный объект).
      2. Ядро теории (постулаты, законы, константы).
      3. Следствия (выводы и формулы, экспериментальная проверка, границы применимости, практическое применение).

   Учебный материал, представленный в соответствии с приведенными обобщающими планами оформляется А.А. Найдиным в виде обобщающих таблиц, в которых информация представлена либо в словесно-символьной форме [там же, с.193], либо в форме рисунков [там же, с.194].