Не отставайте!. Метапредметный подход в преподавании естественнонаучных дисциплин

В марте 2011 года в «Учительской газете» состоялся «круглый стол», посвященный метепредметности. Как известно, в новых стандартах общего образования в качестве нового методологического подхода заложено требование к метапредметным результатам обучения. Участники «круглого стола», в большинстве своем учителя-практики, продемонстрировали универсальность метапредметных технологий на разном предметном материале. Тезисы некоторых выступлений с презентациями мы предлагаем вашему вниманию в рубрике «Метапредметность».

Знаменитый австрийский физик, один из создателей квантовой механики, лауреат Нобелевской премии Эрвин Шредингер написал в 40-е годы века книгу «Что такое жизнь? Физические аспекты существования живой клетки», в которой поставил вопрос: в чем состоит феномен жизни как таковой, и за счет какого базового физического процесса существует жизнь? В книге была описана, по существу, программа комплексного развития наук о жизни и живом, которая объединяла биологию с химией, физикой и математикой. Хорошо известно, что Джеймс Уотсон и Френсис Крик, биологи, получившие Нобелевскую премию за расшифровку структуры ДНК и первые модели передачи наследственной информации, начали свою работу после прочтения книги Шредингера, и двигались в рамках описанной им программы. Так физик Эрвин Шредингер определил полувековое развитие биологии, в том числе появление молекулярной биологии и практической генетики, а значит и современной биотехнологии.

Острая необходимость внедрения метапредметного подхода в массовую образовательную практику связана с тем, что традиционные средства и способы педагогической работы не позволяют сделать обучение в современной школе адекватным уровню развития науки и промышленности. Но именно эти сферы предъявляют наиболее жесткие требования к выпускникам школ, особенно с точки зрения владения современными передовыми знаниями, а также уровня способностей школьников.

Общеобразовательные программы опираются сегодня на достижения наук более чем полувековой давности и совершенно не ставят перед собой задачу обновления знаний, передаваемых ученикам. Но эта задача должна быть поставлена, коль скоро мы рассчитываем запустить в стране обеспеченные кадрами процессы модернизации. Считается, что школа формирует некий базовый уровень знаний, с опорой на который в высших или средних специальных учебных заведениях студентам передаются уже современные знания, относящиеся к конкретной специальности. Но проблема общего образования состоит в том, что сами базовые знания претерпели со времен разработки учебных программ серьезные изменения. Научные теории и понятия, в первой половине XX века считавшиеся специальными и даже специфическими, сегодня играют роль основы основ многих современных научных дисциплин, а результаты – научной базой для создания технологий, без которых немыслима никакая модернизация отечественной экономики. Речь идет о таких областях промышленности, как микроэлектроника, биотехнологии, нанотехнологии, эффективная энергетика, скоростной транспорт и многие другие.

В основу новой дидактики, работающей с передовыми знаниями, должен быть положен такой принцип, который позволил бы школьникам не просто ознакомиться с достижениями современной науки, но освоить эти новые знания и научиться работать с передовыми научными теориями, новыми предметами, исследованиями и разработками, получать и применять знания из содержания прорывной науки.

В противном случае мы придем к ситуации, которая остроумно описана Нобелевским лауреатом, замечательным физиков Ричардом Филипсом Фейнманом в его книге «Вы конечно шутите, мистер Фейнман!».

(См. слайд 2 презентации).

Во время преподавания студентам-физикам в Бразилии Ричард Фейнман обратил внимание на то, насколько хорошо у них развита способность запоминать определения и формулировки законов, а именно это требовалось для успешной сдачи экзаменов. Фейнман решил проверить знания студентов на простых практических задачах, для решения которых требовалось знать не описанный на лекциях алгоритм, а суть и смысл законов физики, в частности, законов оптики. Но бразильские студенты не справились с данными Фейнманом задачами. Этот пример отлично иллюстрирует простой факт: никакое знание не может быть передано вербально, путем рассказа и запоминания, путем отработки алгоритма действий. Знание всегда связано с живым мышлением и с пониманием, а критерии его усвоения – возможность человека это знание порождать заново, использовать в различных нестандартных ситуациях, наращивать, развивать.

На мой взгляд, в основу такой дидактики должен быть положен метапредметный подход. Этот подход предполагает, что образование нацелено не на освоение раздробленных сведений, определений, законов и типов задачек, взятых из содержания классических наук, но на обучение работе с универсальными организованностями нашего мышления и нашей деятельности на материале предметных действительностей, в том числе только-только зарождающихся и создающихся.

Метапредметный подход ставит по отношению к традиционным предметам два вопроса, ответы на которые и определяют для нас новую дидактику. Первый вопрос – о переработке содержания традиционных предметов на основе метапредметных технологий. Это означает, что предметное образование должно быть пересмотрено и пересобрано с точки зрения тех базовых и необходимых школьникам понятий и идеализаций, языковых систем и способов работы со схемами, задач и моделей, теоретических и практических позиций, противоречий и проблем, которые определяют суть той или иной предметной области.

(См. слайд 3 презентации).

Метапредметный подход предлагает такую переорганизацию предметного образования, когда за счет использования на уроках метапредметных технологий  транслируется и необходимое предметное содержание – не как сведения для запоминания, но как знания для осмысления и использования, а школьники учатся разбираться в устройстве предметных действительностей. Последнее означает, что школьники при помощи метапредметных технологий обучаются видеть, какие теории и системы понятий стоят за той или иной наукой, в каких они находятся взаимоотношениях, какие позиции сталкиваются и тем самым разворачивают науку, наконец, какие рубежи современного знания та или иная наука уже освоила, а какие нет, и где основные точки приложения сил, в которых ожидаются прорывные результаты.

Но появится такое образование может только при решении второго вопроса – о внедрении в массовую образовательную практику метапредметов как таковых. Если смыслом предметного преподавания, в том числе в рамках метапредметного подхода, является обучение предметным же знаниям, то смысл метапредметов как таковых –  обучение универсальным техникам и способам мышления, коммуникации и действия и за счет этого формирование у школьников рефлексивного мышления. Предметы и метапредметы в рамках метапредметного подхода ни в коем случае не исключают друг друга, они друг друга взаимно дополняют. На предметах акцент сделан на собственно научных знаниях и способах работы, а универсальные технологии метапредметов выступают в роли средства освоения этих знаний. На метапредметах акцент сделан на анализе и освоении универсальных мыслительных способов, средств и техник как таковых, а предметное содержание выступает в роли необходимого материала, на котором эти способы, средства и техники будут применяться и отрабатываться.

(См. слайд 4 презентации).

Поступление в институт и трудоустройство сегодня – это своеобразная лотерея: профессиональные требования, даже сам набор востребованных на рынке труда профессий быстро меняется. При этом профессиональную стратегию за отсутствием системы распределения и конкуренции на рынке труда каждому выпускнику приходится выстраивать индивидуально, часто корректировать и перестраивать.

Ответом на эти требования времени может быть только такое образование, которое обеспечивает развитие способностей и достаточную гибкость выпускника.

С другой стороны, стать успешным участником процессов модернизации сможет только такой выпускник, который способен быстро осваивать новые для себя области теории и практики, и самостоятельно в них профессионализироваться. Если мы говорим о модернизации как о решительном развитии ряда сфер отечественной промышленности до качественно нового уровня технологических возможностей, то основными сферами приложения сил и способностей сегодняшних школьников станут крупномасштабные проекты в масштабах страны или даже многих государств – проекты качественного развития энергетики, создания новых производств и даже новых индустрий, создания новых инфраструктур, например, систем высокоскоростного транспорта.

Описанный нами метапредметный подход позволяет создать такое образование, которое позволит выпускникам российских школ отвечать на эти непростые вызовы. Хотелось бы привести два достаточно известных примера такой «метапредметной» работы, когда за счет анализа структуры современной науки крупные ученые создавали программы, на полвека определявшие все развитие даже не одной, а многих сфер науки и производства.

(См. слайд 5 презентации).

Знаменитый австрийский физик, один из создателей квантовой механики, лауреат Нобелевской премии Эрвин Шредингер написал в 40-е годы XX века книгу «Что такое жизнь? Физические аспекты существования живой клетки», в которой поставил вопрос: в чем состоит феномен жизни как таковой, и за счет какого базового физического процесса существует жизнь? В книге была описана, по существу, программа комплексного развития наук о жизни и живом, которая объединяла биологию с химией, физикой и математикой. Хорошо известно, что Джеймс Уотсон и Френсис Крик, биологи, получившие Нобелевскую премию за расшифровку структуры ДНК и первые модели передачи наследственной информации, начали свою работу после прочтения книги Шредингера, и двигались в рамках описанной им программы. Так физик Эрвин Шредингер определил полувековое развитие биологии, в том числе появление молекулярной биологии и практической генетики, а значит и современной биотехнологии.

(См. слайд 6 презентации).

Другой знаменитый пример «метапредметной» работы, когда ученый выходит за рамки своей дисциплины и создает программу исследований и разработок, объединяющую многие, в том числе и еще не созданные предметы, преподносит уже упомянутый нами Ричард Ф. Фейнман – создатель квантовой электродинамики. Его знаменитая статья «Внизу полным полно места» описывает возможность создания нанотехнологии, причем в ней указаны все задачи, которые стоят перед современной наукой и техникой наноразмерных структур: создание новых материалов, развитие микроэлектроники, появление принципиально новой медицины. В прошлом году в рамках реализации научной программы, описанной Фейнманом, двое наших бывших соотечественников – Александр Гейм и Константин Новоселов – стали нобелевскими лауреатами как раз за открытие нового, ценного для нанотехнологий, двухмерного вещества графена.

Давайте рассмотрим возможности метапредметного подхода в преподавании естественнонаучных дисциплин на примере введения школьников в подобную нанотехнологии молодую и сложную для непосредственного понимания, но очень многообещающую область – спинтронику. Представим себе, что мы должны познакомить с этой областью восьмиклассников, но не просто рассказать о ней в популяризаторском ключе, а дать им возможность освоить основные теоретические положения и способы этой новой сферы науки и техники.

(См. слайд 7 презентации).

Спинтроника – дисциплина, изучающая технические возможности управления спинами электронов в веществе, и различные взаимодействия, обусловленные наличием у электронов спина. Напомним, что спином называют внутреннюю степень свободы элементарной частицы, сродни способности вращаться вокруг собственной оси. Эта степень свободы, как и многие другие характеристики в микромире, может принимать лишь определенные, как говорят, квантованные значения. В случае электрона эта особенность охарактеризована спиновым квантовым числом, которое может принимать только два значения + ½ и – ½, или, как говорят, «спин вверх» и «спин вниз». Любая система, которая может находиться только в двух состояниях, может быть использована как единица памяти в вычислительных машинах, пользующихся двоичной логикой. При этом переход из состояния «спин вверх» в состояние «спин вниз» требует намного меньше энергии, чем аналогичный переход между состоянием «тока нет» в состояние «ток есть» в микроэлектронике. Поэтому спиновые вычислительные системы требуют намного меньших затрат энергии и намного меньше нагреваются, а нагревание элементов памяти и счетных элементов – серьезная проблема в микроэлектронике. Для ее решения, а также в рамках работ по дальнейшей миниатюризации счетных элементов, в последние десять лет ведутся активные работы по построению спиновой микроэлектроники – спинтроники.

(См. слайд 8 презентации).

Давайте рассмотрим путь вхождения в спинтронику, который предлагается традиционной системой образования. Во-первых, в рамках школьной программы нет ни слова про спинтронику, да и само понятие спина не дается ни в химии, ни в физике. Школьники лишь учатся пользоваться связанным со спином принципом запрета Паули, не входя в понимание его сути. Итак, четыре года мы, желающие связать свое будущее со спинтроникой, проведем без нее, изучая школьную программу по физике. Следующие три года, в случае успешного поступления в технический или естественнонаучный вуз, мы проведем за изучением уже институтского курса физики, в котором опять же о спинтронике речи не идет и где мы на новом уровне понимания научимся пользоваться принципом Паули, но так и не узнаем о специфических, связанных со спином, взаимодействиях. Наконец, сдав все промежуточные экзамены, мы познакомимся в рамках курса физики твердого тела с моделями, учитывающими обменные взаимодействия, но так и не узнаем ни того, что эти взаимодействия принципиально важны для спинтроники, ни того, почему важны. Сдав первый раз государственные экзамены и став бакалаврами, а также поступив в магистратуру, мы сможем, если нам повезет, прослушать спецкурс спинтроники, где нам наконец объяснят, что же это за область науки и практики, и какие за ней стоят базовые знания (их мы еще раз повторим) и какие стоят перед ней задачи. И только в самом конце этого пути, двенадцать лет спустя возникновения первого интереса к спинтронике, у нас будет возможность в рамках образования разобраться с этой областью, и в этом нам поможет научный руководитель – во время написания кандидатской диссертации. Если, конечно, такое научный руководитель найдется.

Метапредметный подход предлагает, на наш взгляд, значительно более простое решение этой задачи – введение школьников в содержание новой научно-практической области спинтроники.

(См. слайд 9 презентации).

Для этого мы предлагаем сначала поставить перед ребятами необычный, но интересный для них вопрос, отвечая на который, они смогли бы двигаться все глубже и глубже в новое научное содержание. По отношению к спинтронике, которая является не только новым разделом физики, но и сферой технических разработок, уместно задать вопрос: «Сколько стоит спиновая квантовая точка?». Этим мы сразу же определяем логику дальнейшего движения учеников: они будут не только разбираться с тем, что такое спинтроника, но и стараться выяснить, в чем ее практическая важность и актуальность.

(См. слайд 10 презентации).

Дальше мы предлагаем провести ряд занятий по физике в технологии метапредмета «Знание» с тем, чтобы сформировать у школьников понятия электрона и ядра. На наш взгляд, для решения этой задачи собственные идеальные представления школьников, их гипотезы о том, что такое электрон – частица или волна, – должны быть сопоставлены с четырьмя ключевыми культурными образцами, а именно работами Дж. Дж. Томсона, Н. Бора, Л. де Бройля и Э. Шредингера. При этом нам важно не заучивание школьниками определений электрона и ядра и не их умение воспроизводить схемы и образы из научных статей, а то, насколько у них за счет работы на уроке сформируется способность применять понятия электрона и ядра для анализа различных физических явлений и экспериментов. Суть современного понятия электрона составляет фиксация его дуальной природы – в ряде случаев он является частицей, в других случаях – волной, волновым пакетом.

(См. слайд 11 презентации).

Третий шаг – на основе выработанного понятия электрона мы будем строить со школьниками модель спина. В этом фрагменте работы мы существенно выходим за рамки сегодняшних школьных программ по физике и химии. Модель, которую мы будем строить, зависит от того, в рамках какого – волнового или корпускулярного – представления об электроне мы будем моделировать такое его свойство, как спин. В случае, если мы считаем электрон частицей, то мы будем сопоставлять гипотезы школьников с известной моделью Уленбека – Гаудсмита, где электрон представлен как волчок, и спин будет выступать для нас в качестве собственного момента импульса. Если же мы считаем электрон волновым образованием, то мы не можем рассматривать два находящихся рядом электрона по отдельности, а должны рассматривать их как два проявления, сгустка одного «электронного поля», как результат «интерференции» волновых функций этих электронов. В этом случае спин, согласно принципу запрета Паули, является показателем своеобразного взаимодействия электронов, при котором сгустки отдельных электронов находятся на максимально возможном удалении друг от друга в общем электронном облаке. Спин оказывается своеобразной характеристикой согласованного, коррелированного движения электронного волнового пакета.

(См. слайд 12 презентации).

Четвертый этап нашей работы – это формирование на основе модели спина и понятий электрона и ядра необходимого нам способа анализа вещества с точки зрения того, какие типы взаимодействий между электронами проявляются в этом веществе. Здесь мы используем технологию метапредмета «Задача». Мы предлагаем школьникам заполнить таблицу, в которой взаимодействия находятся на пересечении типов характеристик электрона с типами его движений в веществе. Речь идет о том, чтобы перерисовать полученные на предыдущем этапе модели спина с учетом других характеристик электрона, и этими перерисованными моделями заполнить таблицу.

(См. слайд 13  презентации).

Наконец, на последнем этапе работы со школьниками мы предлагаем использовать полученную нами таблицу для анализа обменных и спин-спиновых взаимодействий между электронами и ядрами в ряде конкретных веществ, например, в том же графене. Это будет занятие на отработку способа. Но именно вопрос организации необходимых спин-спиновых взаимодействий в веществе является сегодня основным предметом спинтроники.

Таким образом, за счет выделения и передачи двух ключевых понятий, затем за счет формирования модели, и далее – за счет выработки способа и его применения, мы можем осуществить введение школьников в новую для них область знаний примерно за 6 – 8 занятий.

Уместно задаться вопросом: а есть ли на самом деле такая необходимость во введении таких, казалось бы далеких от повседневной жизни школьников, передовых знаний? Наш утвердительный ответ на этот вопрос связан с пониманием того факта, что никакая модернизация и тем более никакое технологическое лидерство не может быть обеспечено при отстающей от мирового уровня знаний системе образования.

(См. слайд 14 презентации).

В то время как современная российская школа знакомит школьников только с классическими представлениями об электричестве и магнетизме, поставлена задача создания научно-технологического центра «Сколково», для работы в котором необходим уже совсем другой уровень знаний. Но и в Сколково обсуждаются проблемы, отстающие от мирового уровня развития научно-технической мысли. Такие по-настоящему прорывные проблемы обсуждаются, в частности, в ряде научных центров Министерства обороны США. Одна из этих проблем – развитие спинтроники и замена всей существующей полупроводниковой микроэлектроники на микроэлектронику спиновую.

На наш взгляд, именно такого рода проблемы и вопросы должны быть в центре обсуждений школьников и должны стать основой обновления знаний в общем образовании, обновления, которое возможно в рамках метапредметного подхода.

Игорь ЧАУСОВ, преподаватель метапредмета «Знание» в естественно-научных дисциплинах в средней школе №1314  города Москвы, студент Московской государственной академии тонкой химической технологии им. Ломоносова

Во вложенном файле – презентация к докладу.

Фото Ольги Максимович