ЗАКАРПАТСЬКИЙ ІНСТИТУТ ПІСЛЯДИПЛОМНОЇ ПЕДАГОГІЧНОЇ ОСВІТИ

ВІДДІЛ ОСВІТИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ ТУР'Є-РЕМЕТІВСЬКОЇ СІЛЬСЬКОЇ РАДИ

УЖГОРОДСЬКОГО РАЙОНУ ЗАКАРПАТСЬКОЇ ОБЛАСТІ

ВІДДІЛ ОСВІТИ, ОХОРОНИ ЗДОРОВ’Я, КУЛЬТУРИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ

БІЛКІВСЬКОЇ СІЛЬСЬКОЇ РАДИ ХУСТСЬКОГО РАЙОНУ 

ЗАКАРПАТСЬКОЇ ОБЛАСТІ

 

 

 

Мінькович Віктор Вікторович Кепша Ліля Семенівна 

 

 

 

ВИКОРИСТАННЯ ПРИНЦИПІВ СИМЕТРІЇ 

ПРИ ВИКЛАДАННІ 

ПРИРОДНИЧИХ ДИСЦИПЛІН

У ЗАГАЛЬНООСВІТНІЙ СЕРЕДНІЙ ШКОЛІ

 

 

 

 

Методичний посібник

 

 

 

 

 

 

 

УДК 501:37.161.2 (477.87)(072)      М 57

 

Мінькович В. В., Кепша Л. С. 

Використання принципів симетрії при викладанні природничих дисциплін у середній школі. Методичний посібник. – Ужгород: ФОП Ребрик А. І., 2023. – 88 с.: іл.

 

У методичний посібник увійшли матеріали аналізу програми інтегрованого курсу «Природознавство» для профільного навчання у старших класах з урахуванням нових тенденцій реформування загальноосвітньої школи. А також план конспект узагальнюючого кейс-уроку з презентацією на тему «Просторова симетрія та її властивості», у якому приведені прояви принципу симетрії у різних науках, мистецтві та побуті. На сукупності прикладів запропоновано вивчення у шкільному курсі природознавства поняття фракталу як «особливого» елементу симетрії та показано його загальнонаукове значення.

Матеріали методичного посібника адресовані вчителям фізики, хімії та інтегрованого курсу «Природознавство». Може бути використаний при вивченні природничих дисциплін, факультативів, курсів за вибором у середній школі учнями старших класів.

 

Рецензенти:

Химинець В. В., доктор фіз.-мат. наук, професор, професор кафедри педагогіки, психології та освітнього менеджменту ЗІППО.

Грабовська Т. І., к.фіз.-мат. наук, доцент, заступник директора з навчально-методичної роботи та моніторингу якості освіти ЗІППО.

 

Схвалено науково-методичною радою Закарпатського інституту післядипломної педагогічної освіти.  Протокол №3 від 18.09.2023 року.

 

 

 

© Мінькович В. В., Кепша Л. С., 2023 © ФОП Ребрик А. І., 2023

 

ЗМІСТ

                                                                                                                              

ПЕРЕДМОВА                                                                                 1. ТРАНСФОРМАЦІЯ ШКІЛЬНОЇ ОСВІТИ	4
У НОВІТНІЙ ІСТОРІЇ УКРАЇНИ   1.1. Реформа системи шкільної освіти сучасної	7
України з урахуванням передового світового досвіду	7
1.2. Огляд концепції нової української школи     2. ІНТЕГРОВАНИЙ КУРС ЯК УМОВА ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ  ПРИРОДНИЧО-НАУКОВОЇ ОСВІТИ
В СТАРШІЙ ШКОЛІ ГУМАНІТАРНОГО ПРОФІЛЮ	22
2.1.  Що таке інтегроване навчання          2.2.  Загальна вимоги до інтегрованого курсу	22
«Природознавство»	26
2.3.  Аналіз програми курсу «Природознавство»       для старшої профільної школи
гуманітарного напрямку     3. РЕАЛІЗАЦІЯ МІЖПРЕДМЕТНИХ ЗВ’ЯЗКІВ В КУРСІ	30
ПРИРОДОЗНАВСТА ПРИ ВИВЧЕННЯ ПОНЯТТЯ СИМЕТРІЇ	34
3.1.  Поняття симетрії	34
3.2.  Симетрії у сучасній фізиці             3.3.  Кейс-урок на тему	36
«Просторова симетрія та її властивості»	42
3.4. Фрактальна симетрія	45
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ	57

 

Додаток 1. Програма курсу «Природознаавство» для 10-11  класів профільної (старшої) школи гуманітарного напряму    59 Додаток 2. Презентація до кейс-уроку з курсу «Природознавство» для учнів 11 класу старшої профільної школи  гуманітарного напряму, на тему «Просторова симетрія»   71

 

ПЕРЕДМОВА

 

Шлях європейської та світової інтеграції, обраний Україною, зумовлює необхідність інтенсивних змін в політичному, економічному й соціальному житті нашої держави. Саме тому останніми роками відбуваються реформаційні процеси в Україні, у тому числі  і в освітній галузі, спрямовані на досягнення рівня найкращих світових стандартів. Цивілізаційний поступ України в умовах інформаційного суспільства неможливий без успішної реалізації стратегічних завдань освітньої реформи. Ключовою реформою у сфері освіти є «Нова українська школа», яка зокрема передбачає навчання вихованців на основі компетентнісного підходу, що у майбутньому забезпечить особистості здатність успішно реалізувати себе у житті і професійній діяльності, мати активну життєву позицію. Виклики завтрашнього дня потребують не мільйони поверхово начитаних людей, які виконують вказівки, «не моргнувши оком», а людей, які в умовах ринку зможуть знайти себе, обрати свій шлях та адаптуватися до будь-яких змін. 

Школі різних країн властива значна кількість загальних рис, однак не варто забувати, що в кожній із них відображаються особливості соціально-економічного базису країни, своєрідність її культурно-історичних традицій. Сучасна українська школа ґрунтується на засадах особистісно орієнтованого навчання, яке спрямоване на формування високорозвиненої особистості на основі врахування індивідуальних освітніх потреб учнів. Цьому сприятиме навчання у старших класах загальноосвітніх шкіл відповідного профільного спрямування. Профільне навчання вимагає розробки навчальних програм, відповідних  дисциплін і курсів, які враховують психологічні особливості учнів. Зокрема в учнів суспільно-гуманітарного, спортивного та художньо-естетичного напрямку, цілісне сприйняття інформації обумовлено домінуванням функцій правої півкулі мозку (образної) над лівою (аналітико-логічною).

Зміни, що відбуваються в сучасній освіті передбачають відмову від таких традиційних прийомів як відповіді учнів біля дошки, фронтальне опитування, диктування конспектів, перегляд тривалих навчальних фільмів й презентацій тощо. Натомість запроваджуються елементи педагогічного партнерства: учитель виступає скоріше в ролі колеги й консультанта. Учні опановують навчальний матеріал значною мірою завдяки самонавчанню, що сприяє розвитку пізнавальної активності та самостійності.

Таким чином сучасна школа потребує упровадження нових педагогічних технологій, одна з яких – впровадження інтегрованих курсів, зокрема курсу «Природознавство» для класів суспільно-гуманітарного, спортивного та художньо-естетичного спрямування. Навчальний матеріал курсу повинен формуватися навколо змістових ліній: загальні поняття природознавства як наскрізний стрижень курсу; структурні рівні організації живої і неживої природи у мікро-, макро-, мегасвіті; методи наукового пізнання в природознавстві; значення природничо-наукових знань у житті людини та їхня роль у суспільному розвитку, професіональній діяльності людини; оволодіння здатністю оперувати базовими закономірностями природи та довкілля як природничонауковою компетентністю.

Курс спрямований на формування в учнів природничо-наукової картини світу та природничо-наукової компетентності, уявлень про роль і місце людини в природі, засвоєння ними основних понять природознавства, що складають ядро знань про природу. Інтеграція – це необхідний дидактичний засіб, за допомогою якого можна створити у свідомості учнів цілісну картину світу. 

На цей час актуальними є розробка тем інтегрованого курсу «Природознавство», оскільки з їх успішним впровадженням у навчальний процес закладів загальної середньої освіти передбачається досягнення основної мети – підвищення якісної освіти. При цьому необхідно досягнути того, щоб для учнів наука була не переліком відкрить, не сумою формул, а способом мислення в ході пізнання навколишнього світу, логічним підходом до вирішення проблем. Для вчителів-предметників це доволі складне завдання: поєднати зміст окремих предметів з компетентнісним потенціалом наскрізних ліній, на опанування учнями фундаментальних ідей, усвідомлення ними суті понять і законів, принципів і теорій.

Досягнути більш повного єднання можливо поклавши в основу методологічні принципи, які на теоретичному рівні є системоутворюючими зв’язками окремих теорій. Для цього необхідно навчати використовувати загальний підхід в будь-якій області природознавства для досягнення достовірних результатів як у навчальнопізнавальній, так і в практично-перетворюючій діяльності. Серед сукупності методологічних принципів сучасного природознавства надзвичайно суттєву роль відіграють принципи симетрії, інваріантності. В більш розширеному варіанті ідея симетрії передбачає не лише інваріантність, незмінність, але й незалежність деякої сукупності параметрів, властивостей, типів взаємодій відносно тих чи інших фізичних умов та певних груп перетворень.

Шкільний курс природознавства надає широкі можливості для послідовного використання симетрії як при розгляді теоретичних питань, так і при розв’язку задач, причому починаючи із самих перших кроків вивчення наук про природу. При цьому важливо, щоб демонструвалася інваріантність певних характеристик системи відносно перетворень симетрії.

Метою цього методичного посібника було показати можливість використання у курсі природознавства середньої школи симетрію як критерій подібності, схожості або тотожності та розглядати принципи симетрії, інваріантності як  ефективний методологічний засіб уніфікації, який дає змогу визначити, знайти подібне, тотожне в різноманітному і на цій підставі відшукати модель чи узагальнену теорію, об’єднуючу сукупність об’єктів чи явищ.

Для досягнення цієї мети необхідно вирішити такі завдання:

-  обґрунтувати необхідність у процесі реформування шкільної освіти з профільним навчанням у старших класах уведення інтегрованого курсу «Природознавство» з впровадженням компетентнісного підходу, що забезпечить особистості здатність успішно реалізувати себе у житті і професійній діяльності;

-  провести аналіз  програми курсу «Природознавство» для профільного навчання у класах суспільно-гуманітарного, спортивного та художньо-естетичного спрямування;

-  розглянути розвиток  поняття принципу симетрії як елемента краси і гармонії та у природознавстві, зокрема у сучасній фізиці;

-  показати на прикладі узагальнюючого кейс-уроку використання методологічного принципу симетрії як засобу уніфікації, який дає змогу визначити, знайти подібне, тотожне в різних предметних галузях; 

-  вивчити можливість уведення у вивчення  шкільного курс природознавства поняття фракталу як «особливого» елементу симетрії, показати його загальнонаукову сутність.

1. ТРАНСФОРМАЦІЯ ШКІЛЬНЇ ОСВІТИ

У НОВІТНІЙ ІСТОРІЇ УКРАЇНИ

 

1.1.  Реформа системи шкільної освіти сучасної України з урахуванням передового світового досвіду

 

У період реформування, який переживає українське суспільство, саме реформа освіти є найвідповідальнішим сектором змін, що стосується не тільки майбутнього країни в цілому, а й безпосередньо кожної дитини. З набуттям Україною незалежності в системі освіти країни і, зокрема, у школі відбулися докорінні зміни, які насамперед відобразилися на законодавчому. Перша хвиля реформ була пов’язана з формуванням нової демократично-базованої системи освіти, деідеологізацією змісту освіти, надання йому національного характеру. Закони України («Про освіту», «Про загальну середню освіту», «Про вищу освіту» та ін.), прийняті у той час, заклали фундамент для розбудови нової системи освіти. 

Реформування освіти з урахуванням передового світового досвіду (принципи демократизації, гуманізації, гуманітаризації освіти, відкритості системи освіти, безперервності освіти, багатоукладності та варіативності освіти) було одним із стратегічних завдань освітньої реформи у перші роки незалежності. Окрім законодавства, трансформацій зазнала також методологія: відбулася зміна ціннісної освітньої парадигми, яка передбачала вільний розвиток особистості на засадах гуманізму, демократизму, дитиноцентризму. Національна спрямованість освіти і національне виховання визначалися органічним, обов’язковим компонентом для всієї системи освіти [1]. Подальша інтеграція країни у світовий економічний та культурний простір, активні глобалізаційні процеси, спонукають до синхронізації української освіти з європейською для ефективної співпраці та виходу на новий рівень взаємодій. Зараз відбувається новий етап реформування освіти, що передбачає системні, трансформаційні зміни. які відповідають та співвідносяться із тенденціями розвитку світової та європейської освіти у ХХІ столітті [2].

На початку нового тисячоліття в умовах глобалізації перед країною й освітою постали нові виклики, які потребували нових реформ. «Національна доктрина розвитку освіти в Україні у ХХІ столітті» окреслила стратегічні напрями її розвитку під гаслом «Рівний доступ до якісної освіти», розпочався процес стандартизації змісту шляхом впровадження державних стандартів, стартував процес переходу школи на 12-річний термін навчання [4].

Наразі європеїзація України формує нові виклики, які обумовлюють необхідність подальших кардинальних трансформацій національної освіти у напрямі її гармонізації з європейськими стандартами. У 2016 р. МОН України представлено інноваційний документ – «Нова українська школа. Концептуальні засади реформування середньої освіти», який пройшов широке громадське обговорення [5]. У ньому визначено покрокову реалізацію освітньої реформи з 2018–2027 рр., сформовано нову освітню мету, розроблено концептуальні засади реформування, що зорієнтовані на зближення української освіти з європейською. Окрім того, у жовтні 2016 р. прийнято у першому читанні Закон України «Про освіту», який покликаний формувати європейськобазований простір національної освіти. Здійснений аналіз цих документів дозволив визначити основні тенденції реформування шкільної освіти України, які відповідають загальним європейським тенденціям розвитку освіти [6].

1.                      Глобалізація освіти. Глобалізація – це складне, системне явище, яке охоплює всі сфери діяльності людини, у тому числі й освітню. Слід зауважити, що глобалізаційні процеси суттєво впливають на освітню політику, на вибір її пріоритетів. За останні роки відбулася значна адаптація національно-освітньої нормативно-правової бази до європейських стандартів (наприклад, приєднання України до Болонського процесу). Серед проявів глобалізації дослідники визначають уніфікацію системи освіти, мінімізацію відмінностей національної системи. Одним із прикладів уніфікації національної системи в сучасній реформі є перехід з 2018 року на 12-річну систему навчання. В Європі, крім Білорусі та Російської Федерації, 12-річна або 13-річна базова середня освіта. За новою реформою передбачається три рівні середньої освіти: початкова (4 роки), базова (5 років) і професійна середня (3 роки).

2.                      Гуманізація освіти. Гуманізація націлена на повагу до особистості вихованця, формування у нього самостійності, найповніше розкриває освітні потреби та інтереси учнів [7]. Цінності дитиноцентризму, гуманістичні цінності покладено в основу реформування нової української школи. Зокрема, метою повної загальної середньої освіти є різнобічний розвиток, виховання та соціалізація особистості, яка усвідомлює себе громадянином України, здатна до життя в суспільстві та цивілізованої взаємодії з природою, має прагнення до самовдосконалення й навчання впродовж життя, готова до свідомого життєвого вибору та самореалізації, трудової діяльності та громадянської активності (Проект Закону України «Про освіту», робоча версія).

3.                      Запровадження компетентнісного підходу. Динамічний розвиток суспільства, швидке розповсюдження інформації, її доступність спонукають науковців, педагогів до пошуків нових ідей та їх взаємодій. У сучасному світі дитині вже не достатньо дати лише знання, важливо навчити користуватися ними. У цьому контексті «вчитись» означає не отримувати більше знань та інформації, а бути здатним користуватися ними. У зв’язку з цим у документі «Нова українська школа» було визначено поняття «компетентність» і «ключові компетентності». Ключові компетентності варто розуміти як такі, яких кожен потребує для особистої реалізації, розвитку, активної громадянської позиції, соціальної інклюзії та працевлаштування і які здатні забезпечити особисту реалізацію та життєвий успіх упродовж усього життя [5].

Спрямованість глибинних, трансформаційних змін в освіті залежить насамперед від наявних уявлень у тих або інших країнах про те, якою має бути людина: що вона повинна знати і вміти, якими компетенціями володіти [2]. Аналіз європейського досвіду реформування освіти, показує, що розвиток освіти в країнах ЄС характеризується трансформацією на компетентнісну модель освіти. Отже, однією з провідних тенденцій розвитку освіти є трансформація знаннєвої парадигми освіти на компетентнісну.

4.                      Інтеграція змісту освіти через запровадження інтегрованих предметів, курсів, інтегрованих предметних галузей. Інтеграція змісту освіти сприяє гармонійному розвитку особистості, розвитку системного мислення, дає можливість зменшити кількість обов’язкових предметів, підвищує науковий рівень навчання, водночас вимагає від учителя високої педагогічної майстерності та відповідної підготовки. Разом з цим процес інтеграції змісту є комплексною, нелінійною проблемою дидактики. Важливо, щоб інтеграція не перетворилася на мозаїку формально об’єднаних за зовнішніми ознаками різнорідних знань.

5.                      Рівний доступ до освіти. Зараз сільські учні, на рівні школи позбавлені у доступі до якісної освіти, що робить їх неконкурентоспроможними як для подальшого отримання вищої освіти, так і на ринку праці зокрема. Створення опорних шкіл ставить собі за мету ліквідувати цю проблему. У 2016 р. в Україні було створено 178 опорних шкіл, і надалі цей процес активно продовжується.

6.                      Стандартизація освіти. Планується повне оновлення стандартів середньої освіти. Реформу було розпочато з модернізації програм початкової школи (з 1 по 4 класи). Оновлення програм для початкової школи у 2016–2017 рр. відбулося в межах наявного стандарту. Кардинальні нововведення плануються запровадити після оновлення стандартів освіти, нової системи підготовки та перепідготовки вчителів, нової концепції української школи загалом. Ці реформи потребують кардинальних трансформацій. На рівні початкової освіти найголовнішим розглядається запровадження компетентнісного підходу у навчанні (наприклад відхід від техніки читання до розуміння прочитаного тексту). Згідно з оновленою програмою, у процесі навчання української мови необхідно сформувати в учнів комунікативну компетентність, яка має проявлятися у здатності школярів успішно користуватися мовою. Навчання української мови варто спрямовувати на формування соціокультурної компетентності, а також на компетентності вміння вчитися. Ця новація у запровадженні компетентнісного підходу у навчанні відповідає загальносвітовим тенденціям в освіті. До оновлення програм з початкової школи вперше залучилися не тільки експерти, науковці, а й учителі, методисти, психологи, батьки. Робота з удосконалення навчальних програм відбувалася публічно та прозоро за допомогою соціальної онлайнплатформи EdEra за співробітництва з МОН України та підтримки Міжнародного фонду «Відродження». Результатом цієї роботи після активного публічного обговорення став документ «Опис ключових змін з оновлених програм початкової школи». У 2016 р. МОН України було затверджено зміни до таких програм початкової школи: «Українська мова», «Літературне читання», «Математика», «Природознавство», «Я у світі», «Інформатика», «Іноземні мови для загальноосвітніх та спеціалізованих навчальних закладів», «Трудове навчання», «Образотворче мистецтво», «Музичне мистецтво», «Мистецтво», «Фізична культура» «Основи здоров’я» [8]. Окрім запровадження компетентнісного підходу, зокрема, відбулося розвантаження програм, видалення з програм зайвої, застарілої інформації, лексики, знято дублювання змісту у навчальних предметах «Основи здоров’я», «Я у світі», «Природознавство», уніфіковано й уточнено термінологію програм. Було знято фіксовану кількість годин на вивчення кожної теми, тепер це самостійно має право визначати кожен вчитель. Було враховано рекомендації щодо скорочення обсягу домашніх завдань, знято оцінювання каліграфії, вилучено вимоги та критерії щодо підписання зошитів та щомісячну оцінку за ведення зошитів тощо. Наприклад, у програмах з математики для 1–2 класів знято вимоги щодо знання напам’ять таблиць додавання та віднімання. У програмі з «Літературного читання» було вилучено деяких радянських авторів і додано сучасних, скасовано кількісний показник темпу читання, змінено підходи до аналізу тексту. Зараз відбувається активна робота щодо перегляду навчальних програм для 5–9 класів (осучаснення та розвантаження програм від другорядної інформації, зняття дублювання, перехід на компетентнісні засади).

7.                      Децентралізація освіти. Децентралізація в системі управління; перерозподіл функцій та повноважень між центральними і місцевими органами виконавчої влади, органами місцевого самоврядування та навчальними закладами. Передбачено скорочення контрольно-наглядових функцій з боку центральних органів влади, запровадження автономії навчальних закладів. Також у новому законі «Про освіту» заплановано зміни в системі фінансування: гроші плануються виділятися не на фінансування інфраструктури навчальних закладів, а на кожну окрему дитину. Отже, децентралізаційний вектор реформ, делегування від центральних органів управління більш широких повноважень місцевим органам щодо управління і фінансування освітніх закладів є сучасною світовою тенденцією. Проте, щоб досягти справжніх змін, необхідний розумний баланс та взаємовплив центральної та локальної частин [9].

8.                      Участь у міжнародних порівняльних дослідженнях якості освіти. Україна неодноразово брала участь у різних міжнародних порівняльних дослідженнях якості освіти (TIMSS, PIRLS тощо). У 2018 р., вперше в історії незалежної України, міжнародною організацією PISA проведено опитування знань учнів (тестування навичок і знань 15-річних учнів) Головне завдання – оцінити грамотність учнів з читання, математики і природознавства. Це дуже важливий крок щодо подальшої уніфікації національної системи освіти та розвитку європейського, стратегічного вектору в освіті. Тест відбувся з 15 квітня по 12 травня 2018 року. Участь взяли 250 закладів освіти та понад 300000 українських школярів. Національний та міжнародний звіти за 2018 рік представили 3 грудня 2019 року [10] згідно яких не змогли досягнути базового рівня:

•  з читацької грамотності – 25,9% (37-42 місце в рейтингу серед 78 країн);

•  з математичної – 36% (41-46 місце в рейтингу серед 78 країн);

•  природничо-наукової – 26,4% (35-42 місце в рейтингу серед 78 країн).

Приведені дані вельми не втішні і мають стати серйозним сигналом для наших вчителів, батьків та суспільства загалом. Тепер має стати очевидним, що реформа шкільної освіти для України – не забаганка, а об’єктивна потреба. В середньому в Європі лише 22% підлітків не досягли базового рівня з читацької компетентності, математичної – 23,9%, природничо-наукової – 21%.

9.                      Запровадження й удосконалення моніторингу якості освіти. Передбачається проведення Українським центром оцінювання якості освіти моніторингових досліджень з читацької та математичної компетентностей четверокласників. Моніторинг навчальних досягнень учнів початкової школи розподілено на декілька етапів. Моніторинг дасть змогу зафіксувати стан навчальних досягнень випускників початкової школи 

10.                Підвищення якості підготовки та роботи вчителів. Одним із важливих складників освітніх трансформаційних змін є реформування підготовки та перепідготовки вчителів. Нова система післядипломної освіти передбачає запровадження ваучеру професійного розвитку вчителя, забезпечивши цим самостійний вибір місця підвищення кваліфікації. Одним із важливих складників реформування підготовки вчителів є розробка норм, стандартів і процедур атестації педагогічних працівників. Усі ці заходи, а також підвищення заробітної плати педпрацівникам, сприятимуть підвищенню статусу професії вчителя в суспільстві. Отже, нова система підготовки та перепідготовки вчителів у кінцевому варіанті повинна дати умотивованого, креативного вчителя, який постійно розвивається. Саме вчителі є носіями змін в освіті, а постійне професійне навчання та зростання вчителів є першочерговою умовою досягнення результативності та успішності у проведенні реформ [9]. Саме підтримка вчителів, як ключових учасників процесу, покликана зумовити суттєву, структурну переробку системи, а отже, у кінцевому варіанті – системні трансформаційні процеси в освіті. Отже, кардинальні реформи в шкільній освіті країни передбачають модернізацію змісту освіти, її структури, запровадження компетентнісного підходу в освіті, оновлення та перезавантаження системи підготовки та перепідготовки вчителів, справедливе фінансування та рівний доступ до освіти. 

Підсумовуючи, можна зазначити, що трансформаційні процеси в Україні, що відбуваються в освітній сфері, цілком відповідають загальним європейським тенденціям реформування в освіті, таким як глобалізація в освіті, уніфікація національної системи освіти; запровадження компетентнісного підходу в освіті; рівний доступ до освіти; стандартизація в освіті; децентралізація в освіті; європеїзація, підвищення якості підготовки та роботи вчителів. Узагальнення досвіду впровадження реформ, що відбулися у зарубіжних країнах, аналіз загальноєвропейських тенденцій в освітній сфері є важливим для подальшого реформування системи освіти нашої країни.

 

 1.2. Огляд концепції нової української школи

 

XXI століття ЮНЕСКО оголосило століттям освіти. Це означає, що міжнародне співтовариство визнало освіту як домінанту не лише у розв’язанні глобальних проблем, які переживає людство, а й у формуванні духовних підвалин нової цивілізації. Організація Об’єднаних Націй визнала рівень та якість освіти показниками розвитку людського потенціалу, який забезпечує соціальноекономічний прогрес суспільства загалом. Слід підкреслити, що сучасне інформаційне суспільство потребує якісно іншої освіти, а тому виникає необхідність перебудови освітніх систем, їх реформування і модернізації відповідно до цивілізаційних викликів. Зокрема, нагальним питанням в умовах сьогодення для більшості країн світу постає необхідність переходу від усталеної адаптаційної освітньої моделі до моделі інноваційної, спрямованої на розвиток здібностей людини, її інноваційного мислення, здатності до сприймання мінливих умов сучасного світу. 

Україна, вступивши до третього тисячоліття, як незалежна держава, розбудовує національну систему освіти. Основними пріоритетами в модернізації освіти визнано: демократизацію системи освіти; підвищення її фундаментальності; гуманізацію і гуманітаризацію освіти, використання найновіших технологій навчання; інтеграцію різних форм і систем освіти як на національному, так і на світовому рівнях.

Зауважимо, що модернізація освіти – це нова філософія освітньої діяльності, яка потребує нового, інноваційного мислення, нових принципів організації навчального процесу, нових взаємовідносин в освітньому середовищі. Кожна країна зберігає і розвиває те позитивне, що дозволяє ідентифікувати систему освіти як національну, що виокремлює її як оригінальну систему і робить привабливою для європейської спільноти. Таким чином, інноваційні зміни в системі освіти кожної країни є стратегічно зумовленими і закономірними, а реформування її структури та змісту здійснюються відповідно до вимог суспільства.

У руслі цих завдань закономірним є поява концепції нової української школи [4], розробленої і опублікованої Міністерством освіти і науки України, згідно якої “Метою повної загальної середньої освіти є різнобічний розвиток, виховання і соціалізація особистості, яка усвідомлює себе громадянином України, здатна до життя в суспільстві та цивілізованої взаємодії з природою, має прагнення до самовдосконалення і навчання впродовж життя, готова до свідомого життєвого вибору та самореалізації, трудової діяльності та громадянської активності” (Проект Закону України “Про освіту” №3491-д від 04.04.2016).

Випускник нової школи − це цілісна особистість, усебічно розвинена, здатна до критичного мислення, патріот з активною позицією, який діє згідно з морально-етичними принципами і здатний приймати відповідальні рішення, поважає гідність і права людини. Це також новатор, здатний змінювати навколишній світ, розвивати економіку за принципами сталого розвитку, конкурувати на ринку праці, учитися впродовж життя.

Формула нової школи.  Новий зміст освіти, заснований на формуванні компетентностей, потрібних для успішної самореалізації в суспільстві. Педагогіка школи – ґрунтується на партнерстві між учнем, учителем і батьками.  Учитель нової школи – це умотивований учитель, який має свободу творчості й розвивається професійно, зорієнтований на потреби учня в освітньому процесі, який передбачає і виховання, що формує цінності. 

Нова структура школи дає змогу засвоїти новий зміст і набути компетентності для життя, тому наскрізне застосування інформаційно-комунікаційних технологій (ІКТ) в освітньому процесі та управлінні закладами освіти і системою освіти нової школи і має стати інструментом забезпечення успіху нової української школи. Запровадження ІКТ в освітній галузі має перейти від одноразових проектів у системний процес, який охоплює всі види діяльності. ІКТ суттєво розширять можливості педагога, оптимізують управлінські процеси, таким чином формуючи в учня важливі для нашого сторіччя технологічні компетентності. Запорукою успіху нової школи є тісна співпраця з батьками, громадами і підтримка з їхнього боку.

Ключові компетентності для життя. Нові освітні стандарти будуть ґрунтуватися на «Рекомендаціях Європейського Парламенту та Ради Європи щодо формування ключових компетентностей освіти впродовж життя» (18.12.2006), але не обмежуватимуться ними. У цих Рекомендаціях визначено 8 груп компетентностей.

Компетентність – динамічна комбінація знань, способів мислення, поглядів, цінностей, навичок, умінь, інших особистих якостей, що визначає здатність особи успішно провадити професійну та/або подальшу навчальну діяльність”.

Ключові компетентності – ті, яких кожен потребує для особистої реалізації, розвитку, активної громадянської позиції, соціальної інклюзії та працевлаштування і які здатні забезпечити особисту реалізацію та життєвий успіх протягом усього життя.

10 ключових компетентностей нової української школи:

1)                    Спілкування державною (і рідною у разі відмінності) мовами. Це вміння усно і письмово висловлювати й тлумачити поняття,  думки, почуття,  факти та погляди (через слухання, говоріння, читання, письмо, застосування мультимедійних засобів). Здатність реагувати мовними засобами на повний спектр соціальних і культурних явищ – у навчанні, на роботі, вдома, у вільний час. Усвідомлення ролі ефективного спілкування. 

2)                    Наукове розуміння природи і сучасних технологій, а також здатність застосовувати його в практичній діяльності. Уміння застосовувати науковий метод, спостерігати, аналізувати, формулювати гіпотези, збирати дані, проводити експерименти, аналізувати результати. 

3)                    Інформаційно-цифрова компетентність передбачає впевнене, а водночас критичне застосування інформаційно-комунікаційних технологій (ІКТ) для створення, пошуку, обробки, обміну інформацією на роботі, в публічному просторі та приватному спілкуванні. Інформаційна й медіа-грамотність, основи програмування, алгоритмічне мислення, робота з базами даних, навички безпеки в інтернеті та кібербезпеці. Розуміння етики роботи з інформацією (авторське право, інтелектуальна власність тощо). 

4)                    Уміння вчитися впродовж життя. Здатність до пошуку та засвоєння нових знань, набуття нових вмінь і навичок, організації навчального процесу (власного і колективного), зокрема через ефективне керування ресурсами та інформаційними потоками, вміння визначати навчальні цілі та способи їх досягнення, вибудовувати свою освітньо-професійну траєкторію, оцінювати власні результати навчання, навчатися впродовж життя. 

5)                    Спілкування іноземними мовами. Уміння належно розуміти висловлене іноземною мовою, усно і письмово висловлювати і тлумачити поняття, думки, почуття, факти та погляди (через слухання, говоріння, читання і письмо) у широкому діапазоні соціальних і культурних контекстів. Уміння посередницької діяльності та міжкультурного спілкування. 

6)                    Математична компетентність. Культура логічного і алгоритмічного мислення. Уміння застосовувати математичні (числові та геометричні) методи для вирішення прикладних завдань у різних сферах діяльності. Здатність до розуміння і використання простих математичних моделей. Уміння будувати такі моделі для вирішення проблем.

7)                    Ініціативність і підприємливість. Уміння генерувати нові ідеї й ініціативи та втілювати їх у життя з метою підвищення як власного соціального статусу та добробуту, так і розвитку суспільства і держави. Вміння раціонально вести себе як споживач, ефективно використовувати індивідуальні заощадження, приймати доцільні рішення у сфері зайнятості, фінансів тощо. 

8)                    Обізнаність та самовираження у сфері культури. Здатність розуміти твори мистецтва, формувати власні мистецькі смаки, самостійно виражати ідеї, досвід та почуття за допомогою мистецтва. Ця компетентність передбачає глибоке розуміння власної національної ідентичності як підґрунтя відкритого ставлення та поваги до розмаїття культурного вираження інших. 

9)                    Екологічна грамотність і здорове життя. Уміння розумно та раціонально користуватися природними ресурсами в рамках сталого розвитку, усвідомлення ролі навколишнього середовища для життя і здоров’я людини, здатність і бажання дотримуватися здорового способу життя. 

10)              Соціальна та громадянська компетентності. Усі форми поведінки, які потрібні для ефективної та конструктивної участі у громадському житті, в сім’ї, на роботі. Уміння працювати з іншими на результат, попереджати і розв’язувати конфлікти, досягати компромісів. Повага до закону, дотримання прав людини і підтримка соціокультурного різноманіття. 

Усі перелічені компетентності однаково важливі й взаємопов’язані. Кожну з них діти набувають під час вивчення різних предметів на всіх етапах освіти.

Спільними для всіх компетентностей є такі вміння: читати і розуміти прочитане; висловлювати думку усно і письмово; критичне мислення;  здатність логічно обґрунтовувати позицію; виявляти ініціативу; творити; уміння вирішувати проблеми, оцінювати ризики та приймати рішення; уміння конструктивно керувати емоціями; застосовувати емоційний інтелект; здатність співпрацювати в команді.

У рамках запровадження компетентнісного підходу передбачено створення нової системи вимірювання й оцінювання результатів навчання. Зокрема при зовнішньому незалежному тестуванні.

Педагогіка партнерства. Кожна дитина – неповторна, наділена від природи унікальними здібностями, талантами та можливостями. Місія нової української школи – допомогти розкрити та розвинути здібності, таланти і можливості кожної дитини на основі партнерства між учителем, учнем і батьками. Нова школа працюватиме на засадах “педагогіки партнерства”. Основні принципи цього підходу: В основі педагогіки партнерства – спілкування, взаємодія та співпраця між учителем, учнем і батьками. Учні, батьки та вчителі, об’єднані спільними цілями та прагненнями, є добровільними та зацікавленими однодумцями, рівноправними учасниками освітнього процесу, відповідальними за результат. Школа має ініціювати нову, глибшу залученість родини до побудови освітньо-професійної траєкторії дитини. 

Нова школа допомагатиме батькам здобувати спеціальні знання про стадії розвитку дитини, ефективні способи виховання в дитині сильних сторін характеру і чеснот залежно від її індивідуальних особливостей. Діалог і багатостороння комунікація між учнями, учителями та батьками змінить односторонню авторитарну комунікацію «вчитель» – «учень». 

Педагогіка передбачає виховання і застосовування поваги до особистості; доброзичливе і позитивне ставлення; довіру у відносинах; налаштування діалогу – взаємодія – взаємоповага; навчання розподіленого лідерства (проективність, право вибору та відповідальність за нього, горизонтальність зв’язків); навчання принципам соціального партнерства (рівність сторін, добровільність прийняття зобов’язань, обов’язковість виконання домовленостей) і застосування їх.

Для педагогіки партнерства і компетентнісного підходу заплановано впровадження нового освітнього середовища, яке буде створене із допомогою новітніх інформаційно-комунікаційних технологій, так як вони підвищують ефективність роботи педагога, ефективність управління освітнім процесом, а водночас уможливлюють індивідуальний підхід до навчання. Для підтримки Нової української школи запланована підтримка у вигляді електронної платформи, де можна створювати і поширювати електронні підручники і власні навчальні курси для школярів та вчителів.

Умотивований учитель. Нова школа потребує нового вчителя, який зможе стати агентом змін. Реформою передбачено низку стимулів для особистого і професійного зростання, з метою залучення до професії найкращих.  Насамперед, творчому та відповідальному вчителю, який постійно працює над собою, буде надано академічну свободу. Учитель зможе готувати власні авторські навчальні програми, власноруч обирати підручники, методи, стратегії, способи і засоби навчання; активно виражати власну фахову думку. Держава гарантуватиме йому свободу від втручання у професійну діяльність. Велика увага приділяється матеріальному стимулюванню. 

Суттєвих змін зазнає процес і зміст підготовки вчителя. Учителі вивчатимуть особистісно-орієнтований та компетентнісний підходи до управління освітнім процесом, психологію групової динаміки тощо. У зв’язку з цим учитель матиме нову роль – не як єдиного наставника та джерело знань, а як коуча, тьютора, модератора в індивідуальній освітній траєкторії дитини.  

Форми підвищення кваліфікації буде диверсифіковано: курси при ІППО, семінари, вебінари, онлайн-курси, конференції, самоосвіта (визнання сертифікатів). Учитель отримає право вибору місця і способу підвищення кваліфікації, як передбачено проектом Закону “Про освіту”.

Орієнтація на учня. Нова українська школа буде працювати на засадах особистісно-орієнтованої моделі освіти. У рамках цієї моделі школа максимально враховує права дитини, її здібності, потреби та інтереси, на практиці. Освітню діяльність буде організовано з урахуванням навичок XXI століття відповідно до індивідуальних стилів, темпу, складності та навчальних траєкторій учнів: від комунікативних типів завдань (знайти спільну мову з друзями, учителями, однокласниками, батьками, незнайомими людьми) до творчих (креативно-інноваційних). У навчанні будуть враховані вікові особливості фізичного, психічного і розумового розвитку дітей. Для цього запроваджується дво-циклова організація освітнього процесу на рівнях початкової та базової загальної середньої освіти. Дітей навчатимуть справлятися зі стресом та напругою. Педагогічні задачі вирішуватимуться в атмосфері психологічного комфорту та підтримки. Нова українська школа буде розкривати потенціал кожної дитини і забезпечувати неупереджене та справедливе ставлення до кожного учня, долати будь-яку дискримінацію. Відзначатимуться зусилля й успіхи всіх учнів. Учителів навчатимуть, як плекати в учнів та в собі гідність, оптимізм, сильні риси характеру та чесноти. Учні матимуть свободу вибору предметів та рівня їхньої складності. З’явиться можливість навчання в різновікових предметних або міжпредметних групах.

Виховання на цінностях. Ключовим виховним елементом стане приклад учителя, який покликаний зацікавити дитину. У Новій українській школі будуть виявляти індивідуальні нахили та здібності кожної дитини для цілеспрямованого розвитку і профорієнтації. У цій справі Нова школа буде тісно співпрацювати з позашкільними закладами освіти. Допомагати формувати оптимальну траєкторію розвитку кожної дитини будуть висококваліфіковані психологи та соціальні педагоги. Буде запроваджено програми із запобігання дискримінації, насильства та знущанням у школі. Відносини між учнями, батьками, вчителями, керівництвом школи та іншими учасниками освітнього процесу буде побудовано на взаємній повазі та діалозі.

Нова структура. Новий базовий Закон «Про освіту» передбачає три рівні повної загальної середньої освіти: – початкова освіта (тривалість – чотири роки); – базова середня освіта, яка здобувається в гімназії (тривалість – п’ять років); – профільна середня освіта, яка здобувається в ліцеї або закладах професійної освіти (тривалість – три роки).

Базова середня освіта. Особливу увагу в освітньому процесі буде приділено вивченню державної мови. На цьому рівні буде закладено базу свідомого самовизначення учня як особистості, члена сім'ї, нації і суспільства, здатність терпимо і з розумінням ставитися до різноманіття світу і людей. Перший цикл буде пробуджувати і підтримувати інтерес до сфер знань і діяльності, передбачених навчальною програмою. Другий цикл базової середньої освіти сприятиме формуванню учнів як відповідальних членів суспільства, здатних самостійно долати проблеми повсякденного життя, вибирати шлях подальшого навчання відповідно до своїх інтересів і здібностей. Навчання буде здебільшого предметним. Частину часу буде відведено на предмети за вибором. Після завершення базової середньої освіти учень буде усвідомлювати, які ціннісні орієнтири лежать в основі його вчинків, спиратися на сильні риси свого характеру, відчувати відповідальність за результати своєї діяльності. Результати навчання будуть оцінюватися через державну підсумкову атестацію у формі зовнішнього незалежного оцінювання.

Автономія школи і якість освіти. Адміністративні та навчально-методичні повноваження будуть делегуватися на рівень закладу освіти. Школи зможуть самостійно формувати освітні програми, складати навчальні плани і програми з навчальних предметів відповідно до стандартів середньої освіти та досягнень сучасної науки, обирати підручники, методики навчання і виховання, розвивати навчально-матеріальну базу. Автономія передбачає і вищий рівень відповідальності закладу освіти. Засновники школи контролюватимуть освітню та фінансово-господарську діяльність закладу освіти, призначатимуть на умовах контракту керівника школи.

Колегіальним органом управління школою в Новій українській школі є педагогічна рада. Повноваження, порядок формування і регламент роботи педагогічної ради визначаються установчими документами закладу освіти. В управлінні школою братиме участь громадське самоврядування працівників закладу, учнів та їхніх батьків. Колегіальним органом батьківського самоврядування закладу освіти в Новій українській школі є батьківська рада. Наглядова рада школи здійснюватиме громадський нагляд, зокрема зможе брати участь у визначенні стратегії розвитку закладу освіти, аналізувати діяльність закладу освіти та його посадових осіб, контролювати виконання кошторису та/або бюджету закладу освіти, сприяти залученню додаткових джерел фінансування. Разом із запровадженням автономії буде посилено відповідальність школи перед суспільством за якість освіти. При цьому тотальний державний контроль у вигляді інспектування замінить громадсько-державна система забезпечення якості.

Сучасне освітнє середовище. Вільному розвитку сприяє творче середовище. Таке середовище буде організовано в Новій українській школі. Зміні підлягають фізичне просторово-предметне оточення, програми та засоби навчання. Запровадження ІКТ в освітній галузі перейде до системних проектів, що охоплює всі види діяльності. Розвиватиметься інфраструктура для забезпечення різних форм навчання. Зокрема буде створено освітню онлайн платформу з навчальними і методичними матеріалами для учнів, учителів, батьків і керівників навчальних закладів. Освітній простір нової української школи розвиватиметься для забезпечення різних форм навчання учнів, учителів, батьків і керівників навчальними закладами. Формуванню навичок наукової діяльності та винахідництва слугуватимуть сучасні лабораторії, а також програми доступу дітей до наукових музеїв, обсерваторій, відкритих навчальних курсів та інших ресурсів. У Новій школі буде заохочуватися інклюзивна освіта. Для учнів з особливими потребами буде створено умови для навчання спільно з однолітками. Для таких дітей буде запроваджено індивідуальні програми розвитку, зокрема корекційно-реабілітаційні заходи, психологопедагогічний супровід і необхідні засоби навчання.

Реформа на десятиріччя. Розбудова Нової української школи – це довготермінова реформа, яка розпочинається вже зараз. План упровадження передбачає наступність дій і відповідне ресурсне забезпечення на кожному етапі, а також враховує загальний контекст суспільних змін.

 

 

 

2.  ІНТЕГРОВАНИЙ КУРС ЯК УМОВА ПІДВИЩЕННЯ

ЕФЕКТИВНОСТІ ПРИРОДНИЧО–НАУКОВОЇ ОСВІТИ

В СТАРШІЙ ШКОЛІ ГУМАНІТАРНОГО ПРОФІЛЮ

 

 

2.1. Що таке інтегроване навчання.

 

У Великому тлумачному словнику інтеграція – це “доцільне об’єднання та координація дій різних частин цілісної системи”. За системного підходу інтеграція визначається як процес взаємодії двох або більше систем з метою створення нової, яка набуває нових властивостей. При цьому результат об’єднання в сумі перевершує їхнє значення до взаємодії. З іншого боку поняття “інтеграції” в загальнонауковому аспекті, є природним протиставленням поняттю “диференціація” та, наголошуючи на високому рівні системності, це процес взаємопроникнення, ущільнення, уніфікації знання, яка проявляється через єдність з протилежним йому процесом розчленування, розмежування, диференціації. Таким чином, інтеграція – це процес взаємодії, об’єднання, взаємовпливу, взаємопроникнення, взаємозближення, відновлення єдності двох або більше систем, результатом якого є утворення нової цілісної системи, яка набуває нових властивостей та взаємозв’язків між оновленими елементами системи. Концепція сприйняття інтеграції в межах системного підходу відображається і при її проекції на сферу освіти.

Сучасний стан розвитку суспільства, ставлять нові вимоги до освіти, навчального процесу [11]. Вони мають забезпечити формування у підростаючих поколінь цілісне сприйняття природи, світу, обмежувати вседозволеність щодо природи. Саме інтегроване навчання – це навчання, яке ґрунтується на комплексному підході. Освіта розглядається через призму загальної картини, а не ділиться на окремі дисципліни. Предметні межі (роздільники) зникають, коли вчителі заохочують учнів робити зв’язок між дисциплінами й спиратися на знання і навички з кількох предметних областей.

Учням потрібні відкриті можливості для інтеграції знань і навичок із різних дисциплін і критичного оцінювання того, як усі ці частини взаємодіють. Інтеграція у шкільному навчанні реалізується як у межах окремого навчального предмета, так і між різними навчальними дисциплінами. Коли вчитель встановлює зв’язки між блоками навчальної інформації (чи окремими темами) у межах кожного навчального предмета, він реалізує внутрішньопредметну інтеграцію. Її ще називають послідовною інтеграцією та порівнюють з ниткою, на яку, наче намистинки, нанизують теми в певній логічній послідовності. Саме так створюють цілісність – намисто. Під час послідовної внутрішньопредметної інтеграції вчитель має створити умови, за яких учні не тільки вивчають теми, а й розуміють зв’язки між ними. Якщо вчитель установлює зв’язки між різними навчальними дисциплінами, він реалізує міжпредметну інтеграцію. Сучасна українська освіта в основному предметоцентрична, отже, основну увагу зосереджують на внутрішньопредметній інтеграції. Перехід освіти на якісно новий рівень, це, по суті, рух від внутрішньопредметної до міжпредметної інтеграції. Інтегроване навчання за сутністю є реалізацією міжпредметної інтеграції змісту навчання.

Таким чином, інтегроване навчання – це сукупність послідовних та взаємопов'язаних дій учителя і учня, які спрямовані на формування цілісної картини світу школяра на основі об’єднання навчального матеріалу з різних освітніх галузей (навчальних предметів). Інтегроване навчання дає змогу вчителю та учням «виходити» за межі окремого навчального предмета (окремої освітньої галузі) та сприяє формуванню в дітей цілісної картини світу. Учні зможуть:

•краще зрозуміти сутність об'єкта чи явища в контекстах рі-зних навчальних предметів та сформувати цілісне уявлення про них; 

•глибше зрозуміти ключові ідеї з огляду на їх аналіз із різних точок зору;

•краще оцінити, як використати набуті ідеї та навички в життєвих ситуаціях; 

•системно мислити. 

Упровадження інтегрованого навчання – це, по-перше, питання рівня взаємодії навчальних дисциплін та глибини об’єднання їхнього навчального змісту; по-друге, визначення способів, якими цього можна досягти. Головне питання, яке виникає в учителя, коли починається впровадження міжпредметного інтегрованого навчання, – це зв’язки між навчальними предметами (освітніми галузями). Учителю потрібно відповісти на низку запитань: 

-  Яка частина навчального матеріалу одного предмета буде пов’язана з навчальним матеріалом з іншого предмета? 

-  Із якою метою, яким способом, у якій формі, яким чином бу-дуть використовуватися базові знання учнів з окремих навчальних предметів для усвідомлення та розв’язання міждисциплінарних проблем? 

-  Яким чином сформувати взаємозв’язки між навчальними предметами (освітніми галузями)? Зв’язки можна встановлювати на різних рівнях: змістовому; операційно-діяльнісному; ціннісносмисловому. 

Тож можна визначити такі види міжпредметної інтеграції: 

•контент-орієнтовану інтеграцію (або інтеграцію на основі змісту навчальних предметів, її ще називають тематичною інтеграцією); 

•інтеграцію, орієнтовану на формування способів дій (або ін-теграцію навичок); 

•інтеграцію на ціннісно-смисловому рівні (або  інтеграцію перспектив).

Природознавство у всі часи було фундаментом наукового світорозуміння, оскільки його утворює система знань про природу, структуру світобудови і фундаментальні, найбільш загальні закони природи, які характеризують наукову картину світу. Саме тому таке важливе значення має для людини розвиток її природничо- наукової культури, яка характеризується цілісним поглядом на світ як на систему; ціннісним поглядом на світ і місце людини в ньому; еволюційним та екологічним поглядом на світ.

Вчителі природознавчих курсів повинні володіти методичною системою навчання учнів старшої школи інтегрованого природознавства, формування у них цілісності знань про природу, природничо-наукової картини світу, «образу природи», природничо-наукової компетентності. Це водночас необхідна умова переорієнтації природничої освіти на цілі сталого розвитку суспільства, на компетентнісну модель природничої освіти в старшій школі. 

Аналіз досліджуваної проблеми показує, що: 

-  системотвірним фактором у методичній системі навчання природознавства в старшій школі є дидактичний принцип сутнісної інтеграції всіх елементів змісту природничо-наукової освіти на основі ядра природничо-наукових знань та принципів освіти для сталого розвитку (ОСР), насамперед формування життєствердного національного образу світу, навчання учнів безпосередньо в етносоціоприродному довкіллі; 

-  втілення в навчальному процесі компетентнісної моделі природничої освіти, яка має враховувати рівні стандарту освіти, навчального плану, навчального матеріалу, навчальної діяльності, результатів навчання; 

-  навчальний процес із природничо-наукової освіти учнів ста-ршої школи зумовлює особистісну орієнтованість навчання, формування в учнів життєствердного національного образу світу та екологічної взаємодії з етносоціоприродним середовищем життя як умови сталого розвитку суспільства [12, 13]. 

Методична система цілісної природничо-наукової освіти підвищить рівень цілісності знань про природу учнів старшої школи, розуміння навчального матеріалу, оволодіння природничонауковою компетентністю за умов, якщо вона втілюватиме в навчальній програмі інтегрованого курсу концептуальні основи цілісної природничо-наукової освіти та спрямовуватимуть навчальну діяльність учнів на моделювання цілісності знань усіх відрізків навчального матеріалу (з уроку, теми, розділу, курсу). 

Відповідно до концепції профільного навчання [14] природничо-наукові дисципліни, у тому числі предмет «Природознавство», посідають важливе місце в ряду предметів загальнокультурної спрямованості, обов’язкових для засвоєння на базовому рівні у старшій школі, оскільки вони зумовлюють:

–засвоєння учнями знань про сучасну природничо-наукову картину світу і методи природничих наук; ознайомлення з найважливішими ідеями та досягненнями природознавства, що справили визначальний вплив на наші уявлення про природу, на розвиток техніки і технологій; 

–оволодіння вміннями застосовувати набуті знання для по-яснення явищ природи, використання та критичної оцінки природничо-наукової інформації, що міститься в повідомленнях ЗМІ, ресурсах Інтернету та науково-популярних статтях, усвідомленого визначення власної позиції щодо обговорюваних у суспільстві проблем науки; 

–розвиток інтелектуальних, творчих здібностей і критично-го мислення під час проведення найпростіших досліджень, аналізу явищ, сприйняття та інтерпретації природничо-наукової інформації; 

–виховання переконаності в пізнаванності світу та можли-вості використання досягнень природничих наук для розвитку цивілізації; усвідомленого ставлення до реальності небезпечних екологічних та етичних наслідків, пов’язаних з досягненнями природничих наук; 

–застосування природничо-наукових знань у повсякденному житті для забезпечення безпеки життєдіяльності, охорони здоров’я, енергозбереження, захисту довкілля. 

Очікувані результати за підсумками вивчення цього курсу можна сформулювати так: 

-  здатність учнів критично оцінювати інформацію природни-чо-наукового змісту; 

-  оволодіння елементами різних природничо-наукових до-слідницьких методів та отримання уявлення про характер наукової діяльності; 

-  набуття вмінь використовувати природничо-наукові знан-ня в повсякденному житті.

 

 

2.2. Загальна вимоги до інтегрованого курсу 

«Природознавство»

 

Згідно Державного стандарту базової і повної загальної середньої освіти [15, 16] метою освітньої галузі «Природознавство» є формування в учнів природничо-наукової картини світу (ПНКС) та природничо-наукової компетентності, уявлень про роль і місце людини в природі, засвоєння ними основних понять природознавства, що складають ядро знань про природу, на створення особистісно-значимої системи знань – образу природи як основи життєствердного образу світу.

Загальними змістовими лініями освітньої галузі є: - закони і закономірності природи;

-  методи наукового пізнання, специфічні для кожної з природничих наук;

-  екологічні основи ставлення до природокористування;

-  екологічна етика;

-  значення природничо-наукових знань у житті людини та їх роль у суспільному розвитку;

-  рівні та форми організації живої і неживої природи, які структурно представлені в таких компонентах освітньої галузі, як загально-природничий, астрономічний, біологічний, географічний, фізичний, хімічний, екологічний.

Загальноприродничий компонент забезпечує формування в учнів основи цілісного уявлення про природу і місце людини в ній, пропедевтичну підготовку учнів до вивчення окремих навчальних предметів, що сприяє розвитку ціннісних орієнтацій учнів у різних сферах життєдіяльності та їх адекватній поведінці в навколишньому природному середовищі.

Астрономічний компонент зорієнтований на забезпечення засвоєння учнями наукових фактів, понять і законів астрономії, методів її дослідження, усвідомлення знань про будову Сонячної системи, створення і розвиток Всесвіту, формування наукового світогляду.

Біологічний компонент забезпечує засвоєння учнями знань про закономірності функціонування живих систем, їх розвиток і взаємодію, взаємозв’язок із неживою природою, оволодіння основними методами пізнання живої природи, розуміння біологічної картини світу, цінності таких категорій, як знання, життя, природа, здоров’я, формування свідомого ставлення до екологічних проблем, усвідомлення біосферної етики, застосування знань з біології у повсякденному житті та майбутній професійній діяльності, оцінювання їх ролі для суспільного розвитку, перспектив розвитку біології як науки та її значення у забезпеченні існування біосфери.

Географічний компонент спрямований на засвоєння учнями знань про природну і соціальну складову географічної оболонки Землі, формування в учнів комплексного, просторового, соціально орієнтованого знання про планету Земля у результаті застосування краєзнавчого, регіонального і планетарного підходів та усвідомлення цілісного географічного образу своєї країни.

Фізичний компонент забезпечує усвідомлення учнями основ фізичної науки, засвоєння ними основних фізичних понять і законів, наукового світогляду і стилю мислення, розвиток здатності пояснювати природні явища і процеси та застосовувати здобуті знання під час розв’язання фізичних задач, удосконалення досвіду провадження експериментальної діяльності, формування ставлення до фізичної картини світу, оцінювання ролі знань фізики в житті людини і суспільному розвитку.

Хімічний компонент забезпечує засвоєння учнями знань про речовини та їх перетворення, хімічні закони і методи дослідження, навички безпечного поводження з речовинами, формує ставлення до екологічних проблем і розуміння хімічної картини світу, вміння оцінювати роль хімії у виробництві та житті людини.

Екологічний компонент спрямований на формування в учнів екологічної свідомості та дотримання правил екологічно безпечної поведінки в навколишньому природному середовищі.

Відповідно до цього можна сформулювати такі завдання шкільного предмета «Природознавство» у профільній школі [17, 18]:

-  засвоєння учнями цілісності змісту компонентів освітньої галузі «Природознавство», ознайомлення їх з методами пізнання природничих наук, з найбільш важливими ідеями і досягненнями природознавства, що спричинили визначальний вплив на уявлення людини про природу, розвиток науки і техніки; духовний і культурний розвиток людини; 

-  формування ядра природничих знань, особистісно значимої системи знань про природу – образу природи, що визначає виважену поведінку людини в природному, суспільному, культурному, технологізованому довкіллі, його збереженні для наступного покоління, критичну оцінку і використання нею природничонаукової інформації, позицію по відношенню до наукових проблем, що розв’язуються в суспільстві;

-  розвиток високих рівнів інтелекту, творчих здібностей і критичного мислення в процесі формування цілісних уявлень про природу, проведення дослідів, використання і фундаменталізації природничо-наукової інформації на основі загальних закономірностей природи (ЗЗП) та засад освіти сталого розвитку;

-  переконання в можливості пізнання законів природи і необхідності використання знань про природу для розвитку природозбережувальної цивілізації, прийняття обґрунтованих на основі законів рішень під час розв’язання суспільних проблем та проблем, пов’язаних зі своєю професією;

-  використання природничо-наукових знань у повсякденному житті.

Курс передбачає формування загальнонавчальних умінь і навичок,  ключових компетентностей, таких як: природничо-наукової, математичної, спілкування державною мовою, комунікаційної, громадянської, соціальної, інформаційної, здоров’язбережувальної, ініціативності та підприємливості, екологічної грамотності. Під час вивчення курсу в учнів розвивається:

-  здатність до дослідницької діяльності (постановка проблеми, висунення гіпотези, здійснення її перевірки);

-  здатність цілісно бачити проблему і приймати рішення з опорою на об’єктивні закономірності;

-  здатність використовувати наукові методи, закони при розв’язанні проблем, пов’язаних з обраною в старшій школі професією, суспільним та повсякденним життям; 

-  здатність до саморозвитку та самоосвіти, пошуків, критичного оцінювання та передачі інформації, переформулювання її та виразу у компактній формі;

-  здатність до організації і участі в колективній діяльності; 

-  виконання екологічних вимог у навчальній діяльності і повсякденному житті.

Курс повинен враховувати психологічні особливості учнів, які навчаються за різними профілями (фізико-математичнтм, хімікобіологічним, гуманітарним і т.д.), цілісне сприйняття ними інформації. 

Зміст курсу «Природознавство»  має охоплювати зміст освіти та державні вимоги до рівня загальноосвітньої підготовки учнів Державного стандарту природничо-наукової освіти, її загальноприродничого, астрономічного, біологічного, фізичного, хімічного, фізико-географічного компонентів у старшій школі; реальні об’єкти та процеси довкілля старшокласника. 

Навчальний матеріал курсу доцільно формувати за лінійноконцентричним принципом навколо змістових ліній:

-  загальні поняття природознавства як скрізний стрижень курсу;

-  структурні рівні організації живої і неживої природи у мікро-, макро-, мегасвіті;

-  методи наукового пізнання в природознавстві;

-  значення природничо-наукових знань у житті людини та їхня роль у суспільному розвитку, професіональній діяльності людини;

-  оволодіння здатністю оперувати базовими закономірностями природи та довкілля як природничо-науковою компетентністю.

 

 

2.3. Аналіз програми курсу «Природознавство»  для старшої профільної школи гуманітарного напрямку

 

Відповідно до наказу № 1407 від 23.10.2017 р. Міністерства освіти і науки України «Про надання грифу МОН навчальним програмам для учнів 10-11 класів закладів загальної середньої освіти» [19] зміст програми навчального предмету «Природознавство» для старшої профільної школи гуманітарного напрямку розподіляється за роками навчання таким чином: 10 клас 

Розділи: І. Вступ. Основні поняття природознавства та наукові методи  пізнання природи; ІІ. Фізико-астрономічний модуль; ІІІ. Хімічний модуль; IV. Біолого-екологічний модуль; V. Географічний модуль; VІ. Узагальнення знань.

11 клас 

Розділи: I. Вступ. Еволюція природничо-наукової картини світу; II. Фізико-астрономічний модуль; ІІІ. Хімічний модуль; IV.

Біолого-екологічний модуль; V. Узагальнення знань.

Повний зміст програми Наведений у Додатку 1.

Як видно з приведеної програми пропонується розпочати вивчення природознавства у 10 класі із загально-природничого модулю «Основні поняття природознавства та методи природничонаукового пізнання», який є узагальненням знань про природу основної школи і дає можливість розкрити мету вивчення природознавства в профільній школі. Вступ є структурантом до вивчення курсу, у ньому обґрунтовується встановлення єдності знань  на основі  загальних закономірностей природи, учні знайомляться з методами і формами навчання, специфічними для інтегрованого курсу, набувають умінь формувати природничонаукову картину світу, образ природи, використовуючи загальні закономірності природи; розширюють уявлення про методи наукового пізнання природи: спостереження, дослідження, вимірювання, моделювання об’єктів і процесів, що вивчаються, їх пояснення на основі законів; про звичаєве коло українського етносу, його світоглядне значення. 

Далі вивчаються модулі: фізико-астрономічний, хімічний, біолого-екологічний. Закінчується вивчення курсу в 10 класі географічним модулем, який має значний інтегративний потенціал. Кожний модуль є мінікурсом, який включає основні поняття, знання, вміння, цінності відповідно до ДС освіти, передбачені щодо компонентів освітньої галузі «Природознавство», 

В 11 класі продовжується визначена в 10 класі послідовність вивчення модулів: природничо-наукового, фізико-астрономічного, хімічного, біолого-екологічного. 

Аналіз приведеної програми показує, що в неї включені як фізичні, хімічні, біологічні, астрономічні, фізико-географічні так і міжпредметні та метапредметні, загально-природничі знання. При модульній організації навчального процесу учні зможуть зосередити увагу на змісті одного компоненту знань про природу, засвоювати його цілісно, не витрачаючи енергії на переорієнтацію мислення з одного об’єкта на другий, як при вивченні окремих предметів. У навчальному процесі реалізується загальноприродничий компонент, в першу чергу, природничо-наукова картина світу (ПНКС), загальні закономірності природи, фундаментальні природничі ідеї, на основі яких інтегруються всі елементи  знань компонентів освітньої галузі «Природознавство».  

При розробленій структурі його зможе викладати як один підготовлений учитель-предметник, так і вчителі фізики, хімії, біології, географії, де кожен викладає свій модуль, узагальнює знання в кінці його вивчення. На першій порі вивчення в І семестрі (природничий та фізико-астрономічний модуль) курс зможуть викладають вчителі фізики і астрономії, в ІІ – вчителі хімії, біології (хімічний, біолого-екологічний модуль) та географії (географічний модуль). 

Курс має чітку особистісну та компетентнісну спрямованість, оскільки впродовж вивчення курсу в учнів формується особистісно значима система знань про природу – образ природи та природничо-наукова компетентність як здатність оперувати загальними закономірностями природи, об’єктивно, цілісно вирішувати проблеми, пов’язані із взаємодією людини із середовищем життя.

Проблема розроблення вітчизняного інтегрованого курсу з природознавства для старшої школи полягає в тому, що базовий навчальний план виділяє для предмета «Природознавство» 3 год на тиждень у 10−11-х класах [20], а стандарт освітньої галузі «Природознавства» розрахований на більшу кількість годин. У типовому навчальному плані відведено 2 год на тиждень на фізику, 1,5 год − на біологію, 1 год − на хімію, по 0,5 год − на астрономію й екологію. Проблема полягає також у тому, що на загальноприродничий компонент у старшій школі навчальних годин не виділяється, його зміст до навчальних програм із фізики, хімії, біології не входить, а в змісті предмета «Природознавство» цей компонент необхідно реалізувати. Немає сенсу розробляти спеціальний стандарт освіти для курсу з природознавства у профільній школі. Всі учні мають навчатися за одним стандартом. Кількість годин, яка виділяється Базовим навчальним планом для засвоєння змісту освітньої галузі «Природознавство» має передбачатися однакову кількість годин як для тих учнів, що вивчають окремі природничі предмети на рівні стандарту, так і для тих, які вивчають інтегрований курс з природознавства. 

Більше того, вивчення окремих предметів, якщо на них відведено менше 3 год на тиждень, малоефективне, а викладання різними вчителями елементів фізики, хімії, біології, астрономії призводить до фрагментарності природничо-наукових знань, які самочинно у свідомості учнів не об’єднуються в цілісність, природничо-наукову картину світу, комплексний образ природи, що, у свою чергу, спричиняє соціально небезпечну сегментацію свідомості учнів. 

Природничо-наукова освіта необхідна кожному представникові сучасного технократичного і технологізованого суспільства, у тому числі гуманітарію. Учні, які обрали в старшій школі гуманітарний профіль, мають:

-  засвоїти систему знань про природу та об’єднану в природничо-наукову картину світу;

-  сформувати для себе образ природи, який би обумовлював адекватну поведінку в природі й суспільстві, був основою життєствердного національного образу світу;

-  ознайомитися з найважливішими ідеями й здобутками природознавства, що справили визначний вплив на розвиток уявлень про природу, прогрес техніки, технології. 

Природничо-наукове дослідження, спостереження за явищами, його опис, використання законів і передбачення на їхній підставі явищ необхідні спеціалісту з будь-якої сфери діяльності. Соціологія, психологія, лінгвістика дедалі більше наближаються за методологією до наук, які прийнято називати точними. 

Звернемо увагу на підходи до вивчення курсу з природознавства, задекларовані в проекті концепції профільного навчання (2014 р.): «На рівні стандарту базовий навчальний предмет може вивчатись як інтегрований курс або як курс, побудований за модульним принципом, де кожен модуль реалізує визначений стандартом зміст відповідного компонента освітньої галузі». Таким чином реалізація інтегрованого курсу з природознавства в 10−11-х класах більшою мірою, ніж вузькопредметне викладання знань про природу, відповідає соціальному замовленню і потребам особистості – формуванню цілісності свідомості учнів, зміцненню їхнього психічного й тілесного здоров’я, високих рівнів інтелекту. Крім того, забезпечення учнів підручниками до інтегрованого курсу «Природознавство» економічно доцільніше, ніж підручниками до п’яти предметів, які реалізують зміст освітньої галузі «Природознавство». 

 

 

3. РЕАЛІЗАЦІЯ МІЖПРЕДМЕТНИХ ЗВ’ЯЗКІВ В КУРСІ

ПРИРОДОЗНАВСТА ПРИ ВИВЧЕННЯ ПОНЯТТЯ СИМЕТРІЇ 

 

 

3.1. Поняття симетрії

 

Під симетрію, ми часто розуміємо пропорційність, впорядкованість, гармонійність у розташуванні елементів якоїсь групи або складових якогось предмета. У перекладі з грецької мови симетрія – це співмірність, незмінність, відповідність. Величезну кількість симетричних об’єктів демонструє нам природа: симетричними є тварини, риби, птахи, комахи, симетрія проявляється також у регулярності зміни дня і ночі, пір року. Більшість творінь людських рук також мають симетричну форму. Вона проявляється у різноманітних творах живопису, музики та архітектури. Проявом симетрії є ритмічна побудова мелодій та віршів. Фактично симетрія є скрізь, де присутня будь-яка впорядкованість.

У своїх роздумах над картиною світобудови людина з давніх часів активно використовувала ідею симетрії. Стародавні греки вважали, що Всесвіт симетричний просто тому, що симетрія є одним з проявів краси та гармонії. Виходячи з міркувань симетрії, вони висловили ряд припущень та здогадок. Так, Піфагор (V ст. до н. е.), вважаючи сферу найбільш симетричним і досконалим тілом, зробив висновок про сферичність Землі і її рух по сфері. При цьому він вважав, що Земля рухається по сфері навколо деякого «центрального вогню». Навколо того самого «вогню» за Піфагором, повинні обертатися відомі в ті часи шість планет, а також Місяць, Сонце, зірки. Окрім того, стародавні греки встановили надзвичайно цікавий факт: існує всього п’ять правильних опуклих многогранників різної форми (тетраедр, куб, октаедр, додекаедр, ікосаедр), які є втіленням симетрії. Уперше досліджені піфагорійцями ці п’ять правильних многогранників були згодом докладно описані Платоном (427-347 до н.е.) і одержали назву платонових тіл .

Ідея симетрії активно працює у багатьох природничих науках: фізиці, кристалографії, кристалохімії та біології. Симетрія є одним з ключових понять математики. Зокрема, вивчення властивостей симетрії будь-яких математичних об’єктів (геометричних фігур чи рівнянь) дозволяє краще зрозуміти їх структуру. Математичне уявлення про симетрію сформувалося порівняно недавно – у ХІХ ст. Сучасне тлумачення симетрії полягає у наступному: симетричним називають об’єкт, який внаслідок певних перетворень не змінює своєї форми та властивостей. Іншими словами, симетрія передбачає незмінність об’єкта відносно будь-яких перетворень, які виконуються над ним. Відповідні перетворення називають перетвореннями симетрії або симетріями фігури.

Один із засновників вчення про симетрію, німецький математик Герман Вейль писав: «Симетрія – у широкому і вузькому значенні, в залежності від того, як ви визначите значення цього поняття, – є тією ідеєю, за допомогою якої людина протягом століть намагається зрозуміти і створити упорядкованість, красу і досконалість» [21]. Він дав максимально широке тлумачення симетрії, звертаючи увагу на роль ідеї симетрії як засобу пізнання і творчості.

З точки зору геометрії симетрія є окремим видом рухів. Рухом площини (простору) називається таке перетворення площини (простору), при якому зберігається відстань між точками. Більшість просторових рухів добре нам відомі із повсякденного життя. Коли ми йдемо по прямій, то піддаємося паралельному перенесенню. Коли повертаємо за ріг, здійснюємо обертання, а коли підіймаємось гвинтовими сходами – гвинтове переміщення. Перетворення, яке зіставляє відображення у звичайному дзеркалі, являє собою симетрію відносно площини; комбінуючи його з обертанням або з паралельним переносом, можна отримати обертальну симетрію і ковзну симетрію. Розрізняють наступні види геометричної симетрії на площині: симетрія відносно точки, симетрія відносно прямої, поворотна симетрія (або поворот), ковзна симетрія. До перетворення симетрії також можна віднести паралельне перенесення. 

У просторі до основних видів геометричної симетрії відносять відповідно: симетрію відносно точки, симетрію відносно прямої, поворотну симетрію, паралельне перенесення, дзеркальну симетрію, ковзну симетрію, обертальну симетрію та гвинтове переміщення. Кожен рух у просторі можна подати як композицію поданих рухів. Більш того, аналогічно як і для площини, у просторі кожен рух можна подати як композицію не більше як чотирьох симетрій. Якщо цей рух містить нерухому точку, то максимальне число симетрій можна скоротити до трьох.

Аналіз наукової літератури дозволяє переконатись, що без поняття симетрії не може обійтись ні одна галузь науки. Сучасна наука характеризується зближенням сфер, які традиційно вважались зовсім віддаленими, що привело до появи різноманітних областей знань. При цьому найбільші результати іноді приносить саме сміливе перенесення у нові галузі методів дослідження, які виробилися в інших галузях науки.

 

 

3.2. Симетрії у сучасній фізиці

 

У фізиці терміну «симетрія» надається більш широкий зміст, ніж в геометрії. Щоб пояснити, що розуміють під цим терміном в сучасній фізиці, найкраще простежити, як виникало і еволюціонувало поняття симетрій у фізиці, який вплив справила ця концепція на розвиток науки і який її статус на сьогоднішній день. У зв'язку з цим, погляд на історію цього питання дозволив би знайти закономірності в тому, як розвивалося цей питання, а через це і припустити, в якому напрямку буде розвиватися наука найближчим часом. Окремий цікаве питання, полягає в тому, як пов'язані між собою поняття наукового знання і істинності з одного боку і краси і гармонії з іншого – чи є між ними зв'язок [22].

Почнемо з давньогрецької філософії відмінною рисою якої була її натурфілософська спрямованість – на відміну від східної школи, яка розвивалася в першу чергу у площині метафізики. Грецька традиція почалася з Мілетської школи, підхід якої можна охарактеризувати як науковий. Дійсно, представників цієї школи в першу чергу цікавило питання, що є першоелементом всього сущого, причому ці досить сміливі гіпотези носили науковий характер – кожну з них намагалися обґрунтувати логічно і емпірично, показати, що одна є краща за іншу; інакше кажучи, навколо них велася дискусія. Можна сказати, що з цього моменту почався пошук деякого універсального початку, яке б пояснило весь існуючий світ, що в наші дні досить аналогічно пошуку теорії великого об'єднання.

Щоб побачити зародження концепції симетрій, звернемося до фігури одного з засновника атомізму, Демокрита. Він стверджував, що Всесвіт складається тільки з атомів, які підкоряються чисто механічним законам. Особливо цікавим для нас є його висловлювання про те, що в порожнечі немає ні верху, ні низу, а значить і у атомів немає виділеного напрямку руху. Ця ідея вже несе в собі досить великий рівень абстракції: по суті, в ній постулюється ізотропність простору, що є фундаментальною симетрією в сучасній науці, а наявність Землі та інших тіл трактується як фактори, що порушують цю симетрію при русі об'єктів. Що також цікаво, дана симетрія є у Демокріта не просто емпіричним даним, а спеціального роду «першопричиною», через яку він пояснював інші явища і їх закономірності. Важливим прикладом уявлення давніх про рух в надмісячному світі – єдиний можливий рух там вважався коловим, оскільки він був ідеальним, або, кажучи іншими словами, максимально симетричним. Так уявлення про красу стали знаходити своє місце у фізиці, стаючи керівним принципом в систематизації наявних і пошуках нових знань і уявлень про навколишній світ. Одним з продуктів цього синтезу також стало поняття симетрії як про певну форму краси, яка повинна бути закладена в природі.

Однак, світ порядку і гармонії, створений древньогрецьким філософами був зруйнований після зроблених Кеплером відкрить: стало неможливим збереження колишніх поглядів на світ, коли людина була його центром, а в ідеальному надмісячному світі панувала краса і постійність. Навпаки, стало зрозуміло, що підмісячний і надмісячний світи влаштовані однаковим чином, що в кожному з них є місце змінам, знищенню та народженню. Можна сказати, що навколишній світ став представлятися набагато менш впорядкованим, тобто менш симетричним, ніж до цього, а старі погляди мали бути замінені новими, які тільки належало знайти з дослідів і їх осмислення. При цьому віра в красу не зникла, але її розуміння мало стати більш тонким, перш ніж вона знову була б відкрита.

Одним з перших кроків до відновлення симетрій був зроблений Галілео Галілеєм в його «Діалозі про дві системи світу», де він ввів принцип відносності, що і нині носить його ім'я. В ньому було зазначено, що «для предметів, захоплених рівномірним рухом, це останнє як би не існує і проявляє свою дію тільки на речах, які не беруть в ньому участі». На тлі привнесеного відкриттями Кеплера хаосу в розумінні світобудови, це спостереження Галілея знову повертало деяку впорядкованість, оскільки говорило, що будь-які фізичні процеси йтимуть однаково в будь-якій системі відліку, що рухається рівномірно і прямолінійно відносно Землі, що мало на увазі під собою і нову красу законів світу. Розвиток і уточнення цієї думки привели до створення таких теорій, як механіка Ньютона і загальна теорія відносності Ейнштейна, тому недооцінювати важливість цієї думки неможливо.

Подібна ситуація, коли нове знання спочатку грає негативну роль, руйнуючі старе и впорядковане світорозуміння, але потім стає джерелом нових, і в той же час просто поглибленням старих знань, є досить загальною Крім хіба що наведеної ситуації, аналогічні зміни відбулися при відкритті електромагнітної теорії та при виявленні ролі теорії груп у фізиці елементарних частинок. До останніх двох подій ми звернемося в подальшому, а зараз відзначимо це як важливе історичне зауваження, яке вперше проявилося у таких великих масштабах.

Наступною ключовою фігурою є Ісаак Ньютон, важливість робіт якого полягає у тому, що він істотно уточнив погляд Галілея и упорядкував нове знання про світ. Для нас найбільш важливий перший пункт, який одержав свою реалізацію в книзі "Математичні початки натуральної філософії", де ним були введені закони, іменовані нині трьома законами Ньютона. Оскільки всі вони певного мірою пов'язані з поняттям симетрії, то ми коротко розглянемо кожен з них. Перші два з них в історичному формулюванні говорять про те, що «будь-яке тіло продовжує утримуватись у стані спокою або рівномірного і прямолінійного руху, поки й оскільки воно не примушується прикладеними силами змінити цей стан», і, відповідно, про те, що «зміна кількості руху пропорційна прикладеній силі і відбувається по напрямку тієї прямої, по якій ця сила діє». За своїм ідеологічнім змістом, вони є першою і не повною формалізацією принципу відносності Галілея, хоча в них и вводиться принципова нова и важлива категорія сили. Дійсно, ці два закони, зокрема, говорять про те, що рівномірній рух принципова нічим не відрізняється від стану спокою, а єдине, що може змінити характер цього руху, це взаємодія з тілами. Останнє ж можна розглядати як фактор, що порушує симетрію. Подібний підхід, оскільки він дозволить знаходити аналітичні вирази для різних сил, ставши також ж в майбутнього фундаментом для пошуку симетрій, які пояснюли би їх походження, як це, наприклад, було зроблено Ейнштейном у випадка з гравітацією, або Максвеллом і Лоренцом в електромагнетизмі. Принцип відносності Галілея ширший наведення двох законів Ньютона, оскільки в ньому було неявно закладена ідея інваріантності фізичних законів при переході з однієї системи відліку в іншу, яка рухається рівномірно і прямолінійно, що відсутнє в законах Ньютона. Розглянемо тепер останній третій закон Ньютона, який в оригінальному формулюванні стверджує, що «Дії завжди є рівна і протилежна протидії, інакше, взаємодії двох тіл один на одного рівні і спрямовані в протилежні сторони». За цим твердженням також лежить симетрія, яка полягає в рівноправності двох різних систем – жодна з них не є відділеною по відношенню до іншою, і тому взаємодія системи «один» на систему «два» має бути таким же, як і системи «два» на систему «один». Зрозуміло, подібна інтерпретація законів Ньютона є досить штучною, але має право на існування і дозволяє побачити приховану за ними красу.

Одним з ключових моментів проникнення симетрії в фізику, є написання Джеймсом Максвеллом рівнянь електромагнітного поля. Хоча при цьому він не виходив з будь-яких строгих міркувань симетрії, але критичну роль в їх написанні зіграла спроба «симетризувати» роль електричного и магнітного полів, яка виражалася в однотипності рівнянь, яким вони підпорядковувалися. Ця подія, в неявній формі, також є джеролом об'єднання двох, здавалось б, різних сил – електричної и магнітної. Виявлення и усвідомлення цього факту привело до різкого розвитку принципу симетрій у фізиці, в тому числі і до створення спеціальної теорії відносності, яка змінила уявлення про фундаментальні фізичні властивості простору і взаємодій.

Це відкриття, звичайно, не відбулося б, якби Майкл Фарадей не відкрив явище електромагнітної індукції. Воно полягає в тому, що змінне магнітне поле породжує електричне поле. Він продемонстрував це відкриття, опускаючи і виймаючи назад постійний магніт з котушки, в якій, при цьому, як показував прилад, виникав струм. Це було сигналом до того, що якщо електричні і магнітні поля мають не однакову або дуже схожу природу, то сильно переплетені між собою. Однак, оскільки Фарадей був експериментатором, то потрібні були ще Максвелл, а за ним Лоренц и Ейнштейн, щоб зрозуміти, яка математика лежить за цим фактом, і знайти їй належне місце у фізичній картині світу.

Заслуга Максвелла полягала в тому, що він зміг виписати повні рівняння електромагнетизму, уточнивши їх вид – він додав в них член, що робить електричне та магнітне поля більш рівноправними, інакше кажучи, він симетризував їх. Зміна полягала в тому, що, відповідно до його системи рівнянь, не тільки змінне магнітне поле породжує електричне, а й навпаки, змінне електричне поле породжує магнітне, що також побічно випливало з експериментів Фарадея з двома котушками. При цьому з написаних ним рівнянь відразу випливало, що електромагнітне поле є поперечна хвиля, що рухається з кінцевою швидкістю, швидкістю світла. Тобто, електромагнітний світ не може бути представлений як деякий об'єкт класичної механіки, оскільки він є хвилею, що розповсюджується з кінцевою швидкістю, незважаючи на відсутність маси.

Але більш цікавим для нашої роботи наслідком цих рівнянь є те, що вони були не інваріантні відносно перетворень Галілея, і тим самим порушували його принцип еквівалентності, який подразумівав моментальну взаємодію – можливість «поширення» з нескінченно швидкістю.

Альберт Ейнштейн у своїй роботі з спеціальної теорії відносності почав пов'язувати структуру простору-часу з перетвореннями Лоренца. Важливо, що при цьому він використовував варіаційний принцип, який до цього ще жодного разу не застосовувався для виведення рівнянь теорії, тобто отримав теорію тільки виходячи з наявних у ній симетрій. Але при цьому він не міг надати своїй теорії правильного фізичного сенсу (він не думав, що його рівняння описують гравітацію). У зв'язку з цим, можна сказати, що в загальній теорії відносності світ став максимально симетричним.

Особливу роль симетрія зіграла також і у фізиці елементарних частинок. На початку і середині 20-го століття в різних експериментах фізики стали знаходити все більше і більше елементарних частинок, причому їх кількість ставало непристойно великою, ця ситуація іноді характеризувалася як «зоопарк елементарних частинок». Це стимулювало спроби знайти структуру в їх характеристиках і якось їх упорядкувати, як хімічні елементи в таблиці Менделєєва. Було відмічено, що багато які з них близькі за масою, і їх можна групувати за цією ознакою. Далі виявилося, що якщо ввести поняття ізитопічного спіна і розташувати частки на площині відповідним чином, то вони будуть утворювати мультиплети. Цей факт вказував на те, що за цими частками криється деяка група, деяка більш фундаментальна симетрія, а всі ці частинки повинні одержуватись шляхом дії цієї групи на більш фундаментальні частинки.

Опис електричних і магнітних сил за допомогою одного поля стало першим прикладом об'єднання фундаментальних взаємодій, які вважалися різними. Це відкриття стимулювало подальші спроби синтезу – об'єднання сильного, слабкого, електромагнітного і гравітаційного взаємодій в рамках єдиної теорії, в той час як кожна з них відповідала за свій, здавалося, незалежний сектор Всесвіту: гравітація відповідала за великомасштабну структуру Всесвіту, сильні сили – за стабільність атомного ядра, слабкі – за взаємоперетворення елементів, і, нарешті, електромагнітні – за макроскопічні властивості тіл. Причому механізм подібного об'єднання став зрозумілим – необхідно було знайти симетрію, яка об'єднала б в собі ці різні явища. Подібну "теорію всього" стали називати "теорією великого об'єднання". Після створення загальної теорії відносності Ейнштейн намагався побудувати саме таку теорію, пробуючи вирішити цю задачу зверху, тобто намагаючись написати цю теорію виходячи із загальних фізичних, математичних і філософських міркувань, але зазнав невдачі. Єдиним істотним і перспективним просуванням на цьому шляху була теорія, що дозволяє об'єднати гравітацію і електромагнетизм шляхом додавання додаткового компактного п'ятого виміру. У цій теорії рівняння Максвелла були лише рівняннями Ейнштейна для додаткового виміру, але створити повну непротиречиву і узгоджену з феноменологією теорію виявилося складним завданням, яка не знайшла поки що свого рішення. Незважаючи на незначні успіхи, пошуки "теорії всього" тривають, і підтримуються також явищами, які до цього часу не знайшли задовільного пояснення (темна енергія, проблема космологічних співпадінь). Все це говорять про те, що нам є куди йти в розумінні Всесвіту для пояснення краси і гармонії навколишнього світу.

3.3. Кейс-урок на тему 

«Просторова симетрія та її властивості»

 

Сучасне покоління школярів потребує нових знань, вмінь та компетенцій, які не може запропонувати класична освітня система. Саме тому виникла потреба в нових навчальних методах, за допомогою міжпредметного, кейсового навчання. Кейс-метод (англійською Case method, метод кейсів, метод конкретних ситуацій, метод ситуаційного аналізу) – техніка навчання, що використовує опис реальних ситуацій. Кейси ґрунтуються на реальному фактичному матеріалі або ж наближені до реальної ситуації. Метод був вперше застосований у Гарвардській школі бізнесу, викладачі якої швидко зрозуміли, що не існує підручників, потрібних для аспірантської програми в бізнесі. Кейс-уроки – це інноваційний підхід у навчанні, тому що саме таким чином вирішується головна проблема закладів: як поєднати теорію з практикою і знання з компетенціями. Кейс-уроки – це навчальний матеріал, структурований в особливому форматі. Він складається з 6 – 10 розгорток, які системно відображають розділи шкільної програми, а також суміжну інформацію за межами шкільної програми.

Кейс – це не конспект або реферат, а навчальна технологія, виготовлена за особливим алгоритмом, який дає цілісне уявлення про явище, що досліджується.

 «Предметна» система, що існує зараз, значною мірою застаріла, адже вона схожа на принцип роздільного харчування, при якому, як відомо, білки, жири, вуглеводи і вітаміни вживають окремо. Однак фізіологія людини така, що травна система переробляє змішану їжу набагато ефективніше, ніж розділену на компоненти. Так і їжа для розуму.

Людський мозок активніше і результативніше засвоює інформацію, якщо відомості взаємопов'язані, і, навпаки, однорідну інформацію мозок запам'ятовує слабше, тому що не знає, куди її «відправити на зберігання». Зв'язки між навчальними дисциплінами і явищами легко встановлюються впровадженням перехресних «розгорток з предметів».

Кейси побудовано за принципом 2 в 1: і для ерудиції, і за програмою. Вони супроводжуються формулами, графіками, діаграмами і рівняннями, які відповідають «розділам підручників». Одна з головних переваг полягає в тому, що кейси – це ниточка до дорослого життя з багатовимірним сприйняттям світу, цінностей та явищ.

Нижче представлений кейс-урок на тему  «Просторова симетрія та її властивості» з презентацією, яка включає такі розгортки:

-       поняття симетрії, елементи симетрії;

-       симетрія у математиці;

-       симетрія у біології;

-       симетрія у хімії;

-       симетрія у фізиці і техніці;

-       симетрія в архітектурі; - симетрія у мистецтві.

 

Мета уроку:

-       навчальна:

-       узагальнення  поняття симетрії та встановлення її проявів у різних предметах;

-       навчитися будувати симетричні фігури та використовувати  властивості симетрії для вирішення практичних завдань;

-       повторення навчального матеріалу з різноманітних предметів, у тому числі не тільки природничо-наукового циклу; - розвивальна:

-       продовжити розвиток логічного мислення, уяви, емоціональної сфери учня і його творчих здібностей, розвивати спостережливість; 

-       виховна:

-       виховувати почуття гармонії і прекрасного. Структура уроку

 I. Організація початку уроку 1 хв

   1. Привітання. Вступне слово вчителя для створення гарного настрою. Повідомлення теми уроку.

II. Мотивація навчальної діяльності та актуалізація опорних знань 1 хв

1.            Що таке симетрія?

2.            Чим відрізняються прямокутний, рівнобедренний і рівносторонній трикутники.

ІІІ. Сприймання і усвідомлення учнями навчального матеріалу.

1.            Узагальненння  поняття «Симетрія».

2.            Розгляд основних елементів симетрії на конкретних прикладах

ІV. Практична робота.

1.   Пошук елементів симетрії на слайдах різних розгорток. 

2.   Пояснення формул, законів, явищ з відповідних предметів.

3.   Конструювання і проведення технологічних операцій з виготовлення сніжинки з використанням листка паперу і ножниць.

VI. Домашнє завдання.

V. Самостійна творча робота «Фрактали – як новий елемент симетрії», «Асиметрія». 

До слайдів першої розгортки «Поняття симетрії, основні елементи симетрії» наведено узагальнюючі коментарі вчителя, до зображень на слайдах всіх інших розгорток учні самостійно повинні не тільки відшукати всі елементи симетрії, але максимально прокоментувати їх з точки зору відповідної предметної області. Повний перелік слайдів представлений у Додатку 2.

СЛАЙД №1. Тема уроку: «Просторова симетрія та її властивості»

СЛАЙД №2. Симетрія (від грецького συμμετρεῖν − міряти разом) − властивість об'єкта відтворювати себе при певних перетвореннях (трансформаціях), які називаються операціями симетрії. Симетрія − передусім геометричне поняття, однак воно застосовується також для негеометричних об'єктів у математиці загалом, інших науках: фізиці, хімії, біології, та галузях людської діяльності: естетиці, архітектурі, мистецтві тощо. 

СЛАЙДИ №3 – №6  Елементи (операції) симетрії.

Основними елементами симетрії є центр симетрії, вісь симетрії, площина симетрії, інверсійна вісь симетрії та дзеркально-поворотна вісь, трансляція.

Центр симетрії – така точка всередині фігури, що будь-яка пряма, проведена через центр симетрії, з'єднує по обидві сторони від центра точки фігури на однаковій відстані.

Вісь симетрії – пряма лінія, повертання навколо якої на певний кут суміщає фігуру саму з собою. Порядок осі симетрії (поворотної осі) n вказує, скільки разів фігура суміщається сама з собою при повному повороті навколо цієї осі. 

Площина симетрії – площина, яка поділяє фігуру на дві частини, одна з яких є дзеркальним відображенням іншої.

Інверсійна вісь симетрії – поєднання осі повороту і одноразової інверсії в центрі симетрії. 

Дзеркально-поворотна вісь симетрії – поєднання осі симетрії і відбивання в площині симетрії, перпендикулярній до цієї осі.

У випадку нескінченних об’єктів до точкових операцій симетрії додаються трансляції – нескінченно повторюване паралельне перенесення об’єкта на деяку відстань, що називається періодом трансляції,

Додавання операцій трансляції привело до встановлення нових складних елементів симетрії.

Площина ковзного відбивання – операція при якій фігура суміщається сама з собою внаслідок дзеркального відбивання в площині та зміщення на половину вектора трансляції паралельно цій площині.

Гвинтова вісь – операція, що становиться з повороту та трансляції на певну частку періоду.

У наступних слайдах учні самостійно відшуковують елементи симетрії.

СЛАЙДИ №7    – №10      Симетрія у математиці.

СЛАЙДИ №11 – №15      Симетрія у біології.

СЛАЙДИ №16 – №18      Симетрія у хімії.

СЛАЙДИ №19 – №22      Симетрія у фізиці.

СЛАЙДИ №23 – №28      Симетрія в архітектурі.

СЛАЙДИ №29 – №31      Симетрія у мистецтві та побуті.

 

 

3.4. Фрактальна симетрія

 

У кінці XX століття змінилася наукова парадигма і змінився науковий світогляд: відбувся перехід від класичної до нелінійної термодинаміки, від топологічної теорії особливостей – до теорії катастроф, від однозначного детермінізму – до теорії динамічного хаосу. Світ опинився хаотичним, катастрофічним, непередбачуваним, а класичні уявлення про однозначно детермінований і повністю передбачуваний світ – зруйнованими. У зміненій картині світу однозначна детермінованість стала окремим випадком, а передбачуваність – принципово обмеженою. У колишні часи механічних машин наука розглядала головним чином стійкість, рівновагу, порядок, замкнуті системи і лінійні залежності, перехід ж до відкритих систем і нелінійних явищ та застосування інформаційних технологій привели до появи нових підходів. 

Найгеніальніші відкриття в науці здатні кардинально змінити людське життя. Винайдена вакцина може врятувати мільйони людей, створення зброї, навпаки, життя людей забирає. У масштабі історії людства зовсім недавно ми навчилися "приборкувати" електрику – а тепер не можемо собі уявити життя без усіх цих зручних пристроїв, що використовують електроенергію. Але є і такі відкриття, яким приділяється не така велика увага, хоча вони теж сильно впливають на наше життя, на наше розуміння навколишнього світу. Одним з таких «непомітних» відкрить ХХ століття є фрактали,

Термін фрактал походить від латинського fractus, і означає – розбитий на частини, подрібнений, дробовий. Початково фракталом позначали геометричні об’єкти з дивовижною властивістю – кожна частина фракталу містить його зменшене зображення, тобто є його маленькою копією; отже фрактал означає об’єкт, картинку, явище, яка має властивість самоподібності. Таким чином фракталам притаманний особливий вид симетрії – незмінність фрактала відносно масштабу.

Суворого і вичерпного визначення фракталів все ще не існує. Фрактальна структура утворюється шляхом нескінченного повторення (ітерації) будь-якої вихідної форми, яка зменшується (або збільшується) у масштабі за певним алгоритмом, тобто відповідно до певної математичної процедури. Цей нескладний процес зі зворотним зв'язком дає разюче різноманітний морфогенез, нерідко подібний створенню природних форм.

Найбільш простими і наглядними є геометричні фрактали. Один з найпростіших геометричних фракталів є лінія і сніжинка Коха (рис.3.1). Для побудови лінії Коха візьмемо одиничний інтервал, розділимо його на 3 рівні частини і центральну частину замінимо рівностороннім трикутником без основи. 

 

                                                                               а.                                    б

Рис.3.1. Лінія (а) та сніжинка (б) Коха

На наступному кроці повторимо операцію для кожного з чотирьох одержаних відрізків, потім повторюємо цю операцію ще й ще. В результаті отримаємо фрактал, названий кривою Коха. На рис.3.1а. показаний зовнішній вигляд кривої через певне число ітерацій n.

Якщо взяти правильний трикутник з довжинами сторін, рівними одиниці і побудувати на кожній з них криву Коха, то отримаємо замкнену фігуру яка дістала назву «сніжинка Коха»

(рис.3.1б.). 

Довжина контуру отриманої фігури дорівнює 3 * 4/3 * 4/3 * 4/3 ... і так далі тобто її довжина прямуватиме до нескінченності. Однак площа, яку обмежує сніжинка Коха все ж менше площі кола, описаного навколо початкового трикутника. Таким чином, нескінченно довга лінія окреслює обмежену площу, тобто контур Коха з нескінченною довжиною тісниться в обмеженому просторі. Сама крива являє собою вже щось більше, ніж просто лінія, але все ж це ще не площина; вона глибшa одновимірного об'єкта, але не дотягує до двовимірної форми. Іншим прикладом геометричного фракталу є серветки (трикутник і квадрат)  Серпинського

(рис.3.2, рис.3.3).

 

 

 

                                          

 

Рис.3.2. Послідовні ітерації побудови трикутника Серпінського Фрактал «трикутник Серпінського» був одержаний  близько 100 років тому назад польським математиком Вацлавом Серпінським. Для його отримання використовується рівносторонній трикутник. На першому етапі побудови необхідно розділити цей трикутник середніми лініями на 4 трикутники, і вилучити внутрішній з них. Після цього ці ж дії повторити з кожним з решти трьох трикутників, і т.д. Трикутник Серпінського має нульову площу. 

Аналогічно фрактал «килим Серпінского» є квадрат, який ділиться двома горизонтальними і двома вертикальними лініями на дев'ять рівних частин – квадратів, подібних вихідного. Потім центральний квадрат викидається, а до решти восьми застосовується така сама процедура, і т.д.

Слово "подібний" у визначенні фракталу не завжди має класичний зміст "лінійно збільшений або зменшений", а більше співпадає із поняттям  "схожий". Наприклад, розглядаючи невелику гілку (рис.3.4), можна помітити, що вона, з сучками і відгалуженнями, сама схожа на велике дерево; частина гілки папороті  майже повністю є зменшеною копією цілої гілки.

 

              

Рис.3.3. Послідовні ітерації побудови килима Серпінського.

 

           

а.

б.

Рис. 3.4. Фрактальна будова дерева (а) та гілки папороті (б).

 

Окремі частина блискавки, морської хвилі з малюнка відомого японського художника  виділені на рис. 3.5 ніби є їх відповідними зменшеними копіями.

Рис. 3.5. Фрактали у природі та мистецтві.

 

                                                                            

Рис. 3.6.  Фрактальна картинка, створена у фотошопі

Граючись у фотошопі із фотографією кішки, замінюючи її вуха зменшеними цілими зображеннями (рис. 3.6), можна  створити теж такий смішний фрактал. Звичайно не у всіх наведених картинках є стопроцентна відповідність, але схожість очевидна.

Поняття фрактал вперше застосував французький вчений Бенуа Мандельброт, і стало воно надзвичайно популярним після публікації ним наприкінці минулого століття книжки під назвою «Фрактальна геометрія природи» [23, 24], в якій автор зібрав і систематизував практично всю наявну на той момент інформацію про фрактали і в легкій і доступній манері виклав її. Основний упор в своєму викладі Мандельброт зробив не на великовагові формули і математичні конструкції, а на геометричну інтуїцію читачів. Завдяки ілюстраціям, отриманим за допомогою комп'ютера, і історичним байкам, якими автор вміло розбавив наукову складову монографії, книга стала бестселером, а фрактали стали відомі широкому загалу. Їх успіх серед нематематика багато в чому обумовлений тим, що за допомогою вельми простих конструкцій і формул, які здатний зрозуміти і старшокласник, виходять дивовижні за складністю і красу зображення. Коли персональні комп'ютери стали досить потужними, то з'явилося навіть цілий напрям в мистецтві – фрактальна живопис, причому займатися нею міг практично будь-який власник комп'ютера. 

Мандельброт народився у литовській єврейській сім’ї у Варшаві, його родина у 1936 році  враховуючи в тодішнє політичне становище у Європі році емігрувала до Франції де жив його рідний дядя досить відомий математик. Після початку війни ховаючись від нацистів сімя Мандельбротів змушена були переїхати на південь країни. Згодом, завдяки неабияким здібностям, Б.Мандельброт стає студентом Сорбони. Після цього, переїхавши у США, він закінчує Каліфорнійський інститут технології. У 1952 р. отримав докторський ступінь в одному з університетів Парижа З 1958р. Б.Мандельброт проживав і працював в США. Він займався теорією ігор, економікою, географією, астрономією, фізикою... Саме він, усвідомивши широке розповсюдження фракталів та розвинувши математичні методи для їх опису; змінив наш погляд на дуже багато наукових фактів і явищ у природі.

Нова велика область міждисциплінарних досліджень, яку прийнято іменувати фрактальною наукою, вже повинна починати викладатись у школі. Прикладом цього може слугувати видана ще 1992 році книга «Fractals for classroom» [25] призначена для вчителів математики.

 Розглянемо декілька прикладів прояву фракталів при викладанні різних розділів природознавства.

 Всім відомий бро́унівський рух — невпорядкований, хаотичний рух маленької частинки під дією нерівномірних ударів молекул речовини з різних сторін в розчинах або газах. Цей безперервний рух названий на честь ботаніка Броуна, який спостерігав під мікроскопом частинки пилку квіток у воді у 1827 році, однак не зміг його пояснити. Ґрунтовне дослідження броунівського руху провів французький фізик Жак Перен, а теорію розробили незалежно один від одного Альберт Ейштейн і польський вчений Маріан Смолуховський. Суть дослідів Перена полягала у наступному. Якщо положення будь-якої броунівської частинки фіксувати послідовно через певні рівні інтервали часу, наприклад, через кожні 100 с (рис.3.7), та з’єднати ці послідовні положення прямими лініями, то одержимо «заплутану» ламану (на малюнку вона чорна), яка характеризує траєкторію, котра насправді значно складніша – це зелена лінія. При фіксації положень кожні 10 секунд або 1 секунду звичайно ми отримаємо іншу картинку , однак характер ламаних ліній не зміниться.

 Класичним прикладом фракталу у біології є капуста романеско  (лат. Brassica oleracea), зображена на рис. 3.8. Її бутон складається з серії невеликих бутонів, які розташовано на логарифмічній спіралі. Цей візерунок продовжується на декількох дрібніших рівнях. Візерунок є лише приблизним, оскільки фрактальний візерунок у підсумку закінчується, коли розмір елемента стає досить малим. 

Рис. 3.7. Фрактальний характер броунівського руху.

 

 

Рис. 3.8. Класичний приклад фракталу в біології –  капуста Романеско.

 

При виконанні дослідницьких робіт з хімії на тему «Вирощування кристалів» здебільшого не вдається одержати монокристалічні зразки. Наприклад, при випаровуванні розчину кристали хлориду натрію (кухонної солі) ростуть у формі гілочок – дендритів. Провести такий експеримент дуже просто. Треба звернути прямокутний шматочок фільтрувального паперу в циліндр діаметром 2-3 см і висотою 15-25 см, поставити циліндр вертикально в чашку Петрі і закріпити його зверху. У чашку майже доверху насипають хлорід натрію, добавляючи трохи жовтої кров'яної солі K₄ [Fe (CN) ₆] (чверть чайної ложки), далі перемішують і доливають воду – щоб вона добре змочила сіль і розчин почав підніматися вгору по фільтрувальному папері. З поверхні паперу розчин буде поступово випаровуватися, а на його місці з чашки будуть підніматися свіжі порції (за рахунок капілярного ефекту). У міру випаровування розчину добавляють у чашку воду і підсипають сіль. Поступово на поверхні паперу почнуть рости кристали солі, які через кілька днів візьмуть форму гілочок (рис.3.9). Сам паперовий циліндрик стане схожий на білий корал. Добавка жовтої кров'яної солі сприяє формуванню волокнистих кристалів хлориду натрію. 

         

Рис. 3.9. Дендровидні кристали хлориду натрію.

 

Класичним прикладом фракталу у географії є вимірювання берегової лінії наприклад Англії. Якщо вона вимірюється відрізками по 100 км, то її довжина становить приблизно 2 800 км. Якщо використовуються відрізки по 50 км, то довжина дорівнює приблизно 3 400 км, що на 600 км більше (рис.3.10). Це наштовхнуло Річардсона на наступне відкриття: довжина кордонів країни або берегової лінії залежить від лінійки, якою ми їх вимірюємо. Чим менший масштаб, тим довшою виходить межа. Це відбувається через те, що при більшому збільшенні стає можливим враховувати все нові і нові вигини, які раніше ігнорувалися через грубість вимірювань. І якщо при кожному збільшенні масштабу будуть відкриватися раніше не враховані вигини ліній, то вийде, що довжина кордонів нескінченна! Правда, насправді цього не відбувається – у точності наших вимірювань є кінцева межа.

Те, що розмірність фрактальної кривої лежить між одиницею і двійкою, означає, що вона займає проміжне положення між лінією і площиною. У той час як гладка крива заповнює в точності одномірний простір, фрактальна крива за рахунок своєї нескінченної розгалуженості як би виходить за межі одновимірного простору.

Розмірність є кількісною мірою того, наскільки «щільно» фрактальна множина заповнює навколишній евклідовий простір.

 

         

Рис. 3.10. Довжина берегової лінії Англії

 

На завершення наведемо приклад відтворення великого у малому, якщо якщо розглянути кровоносну систему руки або бронхи людини (рис. 3.11) (фрактали в анатомії і медицині).

 

 

                                                          а.                                                     б.

Рис. 3.11. Фрактальна будова кровоносної системи руки (а)  та бронхів (б) людини. 

 

У всіх приведених прикладах спостерігається масштабна у просторі або у часі повторюваність та незмінність, іншими словами – інваріантність, тобто фрактальна поведінка. Можна до безмежності наводити приклади фрактальних об'єктів у природі. Фрактальний підхід знаходять все більше і більше застосування в науці і техніці. Основна причина цього полягає в тому, що він описуює реальний світ іноді навіть краще, ніж традиційна фізика або математика. Крім того, фрактали знаходять застосування в децентралізованих комп'ютерних мережах і «фрактальних антенах». Вельми цікаві і перспективні для моделювання різних «випадкових» процесів, так звані стохастичних фрактали, приклади яких наведені на рис. 3.12, розгляд яких, однак, виходить за межі даної роботи, враховуючи степінь математичної підготовки учнів середньої школи.

 

 

 

 

         

 

 

                   

 

 

 

  

    

 

Рис. 3.12 Стохастичні фрактали.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

 

1.                       Постанова  Кабінету Міністрів України від 3 листопада 1993 р. N 896

Про Державну національну програму "Освіта" ("Україна XXI століття") 

2.                       Локшина О. І. Зміст шкільної освіти в країнах Європейського Союзу: теорія і практика (друга половина ХХ – початок ХХІ ст.) : монографія / О. І. Локшина ; Ін-т педагогіки АПН України. – К. : Богданова А. М., 2009. – 403 c.

3.                       Авшенюк Н. М. Європейські виміри модернізації сучасної педагогічної освіти / Н. М. Авшенюк // Модернізація педагогічної освіти в європейському та євроатлантичному просторі : монографія / авт. кол. : Н. М. Авшенюк, В. О. Кудін, О. І. Огієнко та ін. – К. : Педагогічна думка, 2011. – 232 с.

4.                       Указ Президента України від 25 червня 2013 року № 344/2013 «Про Національну стратегію розвитку освіти в Україні на період до 2021 року».

5.                       Нова українська школа. Концептуальні засади реформування середньої школи. – Міністерство освіти і науки України, 2016. – 34 с.

6.                       Глушко О.З. Європейський вектор освітніх реформ в Україні, Український педагогічний журнал.  2017. № 4, с. 5 – 11.

7.                       Енциклопедія освіти / Акад. пед. наук України ; гол. ред. В. Г. Кремень. – К. : Юрінком Інтер, 2008. – 1040 с.

8.                       Оновлені програми для початкової школи 1-4 класів Режим доступу:

https://mon.gov.ua/ua/osvita/zagalna-serednya-osvita/pochatkova-shkola/ onovleni-programi-dlya-pochatkovoyi-shkoli-1-4-klasiv  

9.                       Фуллан М. Сили змін. Вимірювання глибини освітніх реформ /

Майкл Фуллан ; пер. з англ. Г. Шиян, Р. Шиян. – Львів : Літопис, 2000. – 269 с.

10.                  Результати PISA: 36% українських учнів не досягли базового рівня знань з математики. Режим доступу

https://24tv.ua/education/rezultati_pisa_36_ukrayinskih_uchniv_ne_dosyagli_b azovogo_rivnya_znan_z_matematiki_n1243035

11.                  Ильченко В. Р.Модернизация содержания образования как национальная проблема / В. Р. Ильченко, К. Ж. Гуз // Педагогика. – 2011. − № 4. − С. 3−8. 

12.                  Гуз К. Ж. Теоретичні та методичні основи формування в учнів цілісності знань про природу / К. Ж. Гуз. – Полтава : Довкілля-К, 2004. – 472 с.

13.                  Ільченко В. Р.Компетентнісна модель освітньої галузі як необхідна умова ефективної освіти / В. Р. Ільченко //Український педагогічний журнал. – 2015. − № 1. − С. 163−171

14.                  Наказ МОН № 1456 від 21.10.13 року «Про затвердження Концепції

. профільного навчання у старшій школі

15.                  Постанова  КМУ від 23 листопада 2011 р. № 1392 «Про затвердження Державного стандарту базової і повної загальної середньої освіти» 

16.                  Про затвердження Державного стандарту базової і повної загальної середньої освіти // Інформаційний збірник та коментарі Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України. – 2012. – № 4–5 (лютий). – С. 3–57. 

17.                  Формування природничо-наукової картини світу в учнів середньої школи : колективна монографія / [В.Р. Ільченко, К. Ж. Гуз, В. С. Коваленко, Л. М. Рибалко та ін]. – Полтава : Довкілля-К, 2005. – 224 с.

18.                  Ільченко В. Р., Гуз К. Ж. Інтегрований курс як умова підвищення ефективності природничо-наукової освіти в старшій школі. Український педагогічний журнал , 2015, № 3, с. 116-125.

19.                  Наказ МОН України № 1407 від 23.10.2017 р. «Про надання грифу МОН навчальним програмам для учнів 10-11 класів закладів загальної середньої освіти» 

20.                  Про затвердження Державного стандарту базової і повної загальної середньої освіти : постанова Кабінету Міністрів України від 23 листопада 2011 р. № 1392 // Інформаційний збірник та коментарі Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України. − 2012. − № 4-5.

21.                  Вейль Г. Симметрия / Вейль Г. – М.: Наука,1968. – 192с.

22.                  Іен Стюарт. Істина і краса. Всесвітня історія симетрії. Пер. з англ. Олексія Семіхатова. – М .: Астрель, Корпус, 2010. – 461 с.

23.                  Mandelbrot B.B. The fractal geometry of nature. W.H.Freemanand Co:

N.Y. 1983. 468 p.

24.                  Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы. — М,: Институт компьютерных исследований, 2002, 656 стр.

25.                  Peitgen H.-O., Jürgens H., Saupe D. Fractals for the classroom. SprigerVerlag: Berlin. 1992. 450 p.

                                                                                                                                                                Додаток 1. 

 

Програма курсу «Природознавство» для 10 – 11 класів 

профільної (старшої) школи гуманітарного напряму

 

10 клас

 

Розділ І. Природничий модуль (6 год.)

Тема 1. Основні поняття природознавства наукові методи  пізнання природи (6 годин).

Природознавство як система наук про природу. Фундаментальні ідеї природничих наук. Наукові методи пізнання природи.

Загальні закони та закономірності природи (ЗЗП).

Уявлення про природничо-наукову картину світу, образ природи. 

 

Розділ ІІ. Фізико-астрономічний модуль (60 год., 3 год. – резервні)

Тема 1. Механіка (29 годин).

Місце фізико-астрономічних знань в образі природи старшокласника. 

Механіка. Уявлення про простір і час у класичній та релятивістській механіці. Швидкість світла у вакуумі, залежність маси тіла від швидкості. Маса спокою. Основна задача механіки та способи її розв’язання. Основні поняття кінематики, їх зв'язок з однорідністю простору і часу та закономірністю збереження.  

Механічний рух у природі. Рівняння та графіки прямолінійних рухів, прояв у них законів збереження. Рівномірний рух по колу, його основні характеристики. Сила. Додавання сил. Будова Сонячної системи. 

Механічні коливання та хвилі. Звук. Узагальнення обертових та коливних, хвильових рухів на основі закономірності періодичності. 

Закони динаміки. Інертність. Гравітаційне поле та гравітаційна взаємодія. Закон всесвітнього тяжіння. Вага і невагомість. Вільне падіння. Закони Кеплера. Штучні супутники Землі. Розвиток космонавтики. Обґрунтування та узагальнення елементів знань з динаміки на основі закономірності направленості самочинних процесів у природі.

Умови рівноваги тіла, що має вісь обертання. Коливальні та хвильові механічні процеси, їх прояв у живій природі.

Імпульс тіла. Закон збереження імпульсу. Реактивний рух. Їх пояснення на основі закономірності збереження. Механічна енергія. Закон збереження і перетворення енергії. Загальний характер закономірності збереження. Узагальнення знань з теми на основі загальних закономірностей природи. 

Тема 2. Молекулярна фізика (15 годин).  

Молекулярно-кінетична теорія. Тепловий рух у природі. Його відмінність від механічного руху. Основні положення молекулярно-кінетичної теорії, їх дослідне обґрунтування; використання їх при поясненні явищ у живій природі. Кількість речовини. Обґрунтування основних понять молекулярно-кінетичної теорії на основі закономірності збереження та направленості процесів.

Властивості газів.  Кінетична теорія ідеального газу. Газові закони для ізопроцесів. Рівняння стану ідеального газу. Прояв газових законів в живій природі, географічній оболонці.

Пароутворення і конденсація. Насичена і ненасичена пара. Вологість повітря. Прояв  цих явищ в живій природі. Властивості рідин. Змочування. Капілярні явища. Кристалічні і аморфні тіла, їх властивості. Використання знань з хімії при поясненні їх. Рідкі кристали.

Узагальнення знань на основі ЗЗП. Моделювання цілісності знань з теми на основі закономірності збереження та направленості процесів; врахування зв’язків з хімічними та біологічними знаннями (типи кристалів, дихання живих організмів; роль рідини в обміні речовин в рослинному і тваринному організмі).

Тема 3. Основи термодинаміки. Статистичні закономірності в науці (13 год.).

Статистичні закономірності, їх відміна від законів механіки. Зміни внутрішньої енергії. Кількість теплоти. Перший закон термодинаміки.

Робота термодинамічного процесу. Необоротність процесів у неживій і живій природі. Уявлення про другий закон термодинаміки як закон спрямованості процесів природи. Теплові машини. Коефіцієнт корисної дії теплової машини. Холодильна машина.

Узагальнення знань з теми. Моделювання цілісності знань з теми з врахуванням зв’язків з хімічними, біологічними явищами.

Узагальнення знань з фізико-астрономічного модуля.

Розділ III. Хімічний модуль (27 год.)

Тема 1. Неметалічні елементи, їхні сполуки у природі і техніці (14 год).

Роль і місце хімічних знань серед природничих наук в образі природи старшокласника. Періодичний закон і періодична система як основа для характеристики будови атомів, засіб передбачення фізичних та хімічних властивостей речовин.

Неметалічні елементи: загальна характеристика, поширення в природі.

Явище алотропії, алотропні видозміни Оксигену і Карбону. Значення озонового шару для організмів на Землі. Поширеність неметалічних елементів у природі, застосування неметалів. Поняття про адсорбцію. Основні хімічні та фізичні властивості неметалів як простих речовин. Роль неметалічних елементів у клітині.

Сполуки неметалічних елементів з Гідрогеном. Склад, фізичні властивості, добування в лабораторії амоніаку і гідроген хлориду та їх взаємодія з водою. Використання ЗЗП при поясненні властивостей неметалічних елементів. Оксиди неметалічних елементів, їх кислотний характер. Кислотні дощі, парниковий ефект.

Сульфатна, нітратна, карбонатна кислоти, солі цих кислот, поширення їх у природі та використання людиною. Пояснення їх властивостей з використанням ЗЗП. Якісні реакції на сульфатіони, карбонат-іони. 

Будівельні матеріали і їх використання. Проблема вмісту нітратів у харчових продуктах.  Загальні відомості про мінеральні добрива та раціональне їх використання. Проблеми охорони природи від забруднення продуктами та відходами хімічних виробництв. Роль хімії у розв’язуванні продовольчої проблеми.

Роль неметалічних елементів-органогенів у живій природі. Кругообіг неметалічних елементів у довкіллі. Обґрунтування цього процесу на основі ЗЗП.

Роль діяльності людини у кругообігу елементів та екологічні проблеми, до яких вона приводить. Шляхи вирішення екологічних проблем. Узагальнення знань на основі загальних законів та закономірностей природи. Моделювання СЛС теми.

Тема 2. Металічні елементи та їхні сполуки, роль у природі і виробництві (13 год).

Місце металічних елементів у періодичній системі елементів

Д. І. Менделєєва.  Металічні  s-, p-, d-елементи, уявлення про їхні хімічні властивості. Загальні фізичні і хімічні властивості металів. Металічний зв'язок. Корозія металів, захист від корозії. Хімічні властивості лужних та лужноземельних елементів, властивості їх оксидів та гідрооксидів. Обґрунтування властивостей металів на основі ЗЗП.

Твердість води та методи її усунення.

Властивості металічних p- і d-елементів та їхніх сполук.

Алюміній та його сполуки.

Ферум — найважливіший d-елемент, його хімічні властивості. Фізичні властивості заліза. Оксиди Феруму. Пояснення елементів знань на основі ЗЗП.

Сполуки Феруму у природі.  Залізо, його властивості і використання. Залізні руди. Метали та їхні сплави у сучасній техніці.

Ідеї В. І. Вернадського про геологічну та хімічну діяльність людини. Узагальнення знань з хімічного модуля на основі загальних закономірностей природи. Моделювання цілісності знань як складової образу природи десятикласника.

 

Розділ IV. Біолого-екологічний  модуль (51 год, 3год – резервні).

Тема 1. Молекулярний рівень організації живої природи (15 год.).

Система біологічних наук та їх зв'язок з іншими науками. Місце біологічних знань в образі природи старшокласника та ПНКС. Методи біологічних досліджень. Рівні організації живої природи, їх взаємозв’язок за хімічним складом та загальними закономірностями природи.

Елементний склад організмів. Класифікація хімічних елементів за їх кількістю і значенням в організмах. Роль неорганічних речовин у процесах життєдіяльності організмів, їх пояснення на основі обміну енергією та речовиною, ЗЗП

Органічні речовини, що входять до складу організмів, їх різноманітність та біологічне значення. Будова, властивості та функції органічних речовин, їх пояснення на основі загальних законів природи.

Дія ферментів, нуклеїнових кислот, їх роль у життєдіяльності організмів та пояснення її на основі загальних закономірностей природи. Узагальнення знань на основі ЗЗП. Моделювання цілісності знань з теми (СЛС).

Тема 2. Клітинний рівень організації живої природи (18 год).

Загальний план будови клітини, пояснення його на основі ЗЗП. Методи цитологічних досліджень. Поверхневий апарат клітини; клітинні мембрани. ранспорт речовин через мембрани та обґрунтування їх дії на основі ЗЗП. Будова  та функції ядра. Особливості будови клітин прокаріотів і еукаріотів. 

Складники цитоплазми: цитозоль, цитоскелет, мембранні, не мембранні органели, включення. Будова і функції цитоскелету. Прояв у них загальних законів природи. Будова клітинного центру, його роль в організації цитоскелету.

Хімічний склад, будова і функції рибосом. Біосинтез білка.

Будова і функції одномембранних та двомембранних органел клітин. Прояв в них загальних законів природи. Клітинний цикл еукаріотичних організмів. Прояв у ньому ЗЗП. Мітоз. Мейоз.

Обмін речовин та перетворення енергії у клітині – енергетичний і пластичний обмін. Пояснення їх на основі ЗЗП. Сучасна клітинна теорія. 

Узагальнення знань на основі ЗЗП. Моделювання цілісності знань з теми .

Тема 3. Неклітинні форми життя та одноклітинні і багатоклітинні організми (18 год).

Віруси і пріони, їх будова та життєві цикли. Роль вірусів в природі і житті людини. Профілактика ВІЛ-інфекції/СНІДу та інших вірусних захворювань людини.

Особливості організації і життєдіяльності прокаріотів. Бактерії. Роль бактерій у природі та в житті людини. Профілактика бактеріальних захворювань людини. Колоніальні організми.

Багатоклітинні організми без справжніх тканин. Багатоклітинні організми  зі справжніми тканинами. Будова і функції тканин тварин, їх пояснення на основі законів природи. 

Утворення, будова і функції тканин рослин, їх здатність до регенерації, як прояв направленості процесів у природі. Органи багатоклітинних організмів, пояснення їх дії на основі загальних законів природи. Регуляція   функцій у багатоклітинних організмів, прояв у ній загальних законів природи.

Узагальнення знань з теми на основі загальних законів природи. Моделювання цілісності знань з теми (СЛС).Узагальнення знань з біолого-екологічного модуля на основі фундаментальних природничих ідей, ЗЗП як складової образу природи. Принципи організації, функціонування і властивості молекулярного, клітинного, організмового рівнів організації живої природи. 

 

Розділ V. Географічний модуль. «Географічна оболонка та її загальні закономірності»  (17 год.)

Тема 1. Фізико-географічна складова природничо-наукової картини світу (4 год.)

Географія — система наук про природу, населення і господарство. Особливе місце і роль географії у системі природничих і суспільних наук. Місце фізико-географічних знань у природничонауковій картині світу і образі природи старшокласників. 

Структура системи географічних знань, їх зв’язок з іншими природничими знаннями. Особливості географічного світосприйняття.

Формування фізико-географічних уявлень, ідей, теорій, методів в контексті історії розвитку природознавства. Основні напрями та методи фізико-географічних досліджень, їхнє пізнавальне і прикладне значення.

Тема 2. Загальні закономірності географічної оболонки

(10 год.)

Сучасні уявлення про географічну оболонку, її межі, склад та вертикальну будову. Джерела енергії процесів у географічній оболонці. Загальні закономірності географічної оболонки. Поєднання закономірностей   цілісності та дискретності. Види географічної дискретності. Закономірність  колообігів речовини та перетворення енергії, види колообігів у географічній оболонці. Просторові закономірності географічної оболонки: зональності, азональності, полярної асиметрії. Закономірність зональності, її причини та прояви в природних компонентах та природних комплексах. Періодичний закон географічної зональності.

Закономірність азональності, її  чинники та прояви у природних компонентах та природних комплексах. Секторність у природі материків. Закономірність полярної асиметрії, її прояви в природних компонентах та природних комплексах. Закономірність ритмічності процесів у географічній оболонці. Види ритмів за походженням та тривалістю. Закономірність неперервності   розвитку географічної оболонки.  Основні етапи розвитку географічної оболонки: добіогенний, біогенний, антропогенний. Зв'язок загальних закономірностей географічної оболонки із ЗЗП.

Тема 3. Географічне середовище як сфера взаємодії суспільства і природи. (3 год.)

Поняття про географічне середовище. Природно-ресурсний потенціал Землі і проблеми його використання. Класифікація природних ресурсів.  Найбільш суттєві зміни в географічній оболонці під впливом антропогенного чинника. Сучасні ландшафти як наслідок взаємодії природних  чинників і природокористування. 

Глобальні проблеми людства, зумовлені використанням природних ресурсів. Конструктивно-географічні засади взаємодії суспільства та природи в контексті Концепції сталого розвитку людства.  

Розділ VІ. Природничий модуль (2 год.)

Образ природи учня 10 класу. Природничо-наукова картина світу. 

 

11 клас

 

Розділ I. Загально-природничий модуль (3 год.)

Основні концепції сучасного природознавства. Фундаментальні ідеї природничих наук. Сучасна природничо-наукова картина світу (ПНКС), образ природи випускника.

 

Розділ II. Фізико-астрономічний модуль (67 год.) Тема 1. Електродинаміка (32 годин).

Електродинаміка у ПНКС та образі природи випускника. Формування природничо-наукової компетентності учнів як здатності оперувати загальними закономірностями природи під час вивчення основних понять електродинаміки. Електромагнітний рух у природі. Електродинаміка. Основні поняття  електродинаміки.

Електромагнітне поле, його прояви у неживій і живій природі. 

Закон збереження електричного заряду, прояви його у фізичних і хімічних процесах. Електричне поле, його характеристики. Закон Кулона. Речовина в електричному полі. Діелектрики. Конденсатори, їх використання в техніці.

Електричний струм, електричне коло. Закон Ома для повного кола, прояв у ньому загальних законів природи. Струм у різних середовищах. Закони електролізу. Електропровідність напівпровідників. Застосування напівпровідникових приладів. Узагальнення знань на основі загальних законів природи. 

Електрична і магнітна взаємодія. Взаємодія провідників зі струмом. Сила Ампера. Сила Лоренца, пояснення їх дії на основі поняття про спрямованість процесів у природі. Індукція магнітного поля. Дія магнітного поля на провідник зі струмом. Магнітні властивості речовини. Застосування магнітних матеріалів. Електромагнітна індукція. Закон електромагнітної індукції, як прояв загальних законів природи. Правило Ленца, їх обґрунтування на основі поняття про перетворення енергії. Індуктивність.

Змінний струм. Генератори змінного струму. Трансформатор. Виробництво, передача, застосування електричного струму. Утворення електромагнітних коливань у коливальному контурі. Гармонічні електромагнітні коливання як прояв періодичних процесів у природі. Частота власних коливань контуру. Резонанс. Утворення і поширення електромагнітних хвиль як прояв періодичних процесів у природі, їх характеристики. Шкала електромагнітних хвиль. Електромагнітні хвилі в природі і техніці. Узагальнення знань з теми на основі фундаментальних ідей природничих наук. Моделювання цілісності знань на основі ЗЗП.

Тема 2. Хвильова і квантова оптика. Атомна і ядерна фізика (15 год.)

Обґрунтування змісту основ формування цілісності знань з теми. Світло як електромагнітна хвиля. Інтерференція і дифракція світлових хвиль. Поляризація і дисперсія світла. Оптичний дисперсійний спектр світла. Спектроскоп. Розкриття взаємозв’язку знань на основі ЗЗП.

Квантові властивості світла. Гіпотеза М. Планка. Світлові кванти. Маса, енергія та імпульс фотона. Фотоефект. Рівняння фотоефекту, їх обґрунтування на основі закономірності збереження.

Застосування фотоефекту. Люмінесценція.

Історія вивчення атома. Ядерна модель атома. Квантові постулати Н. Бора. Випромінювання та поглинання світла атомами. Квантові генератори та їх застосування. Корпускулярно-хвильовий дуалізм світла, його пояснення на основі загальних закономірностей. Атомні й молекулярні спектри. Спектральний аналіз та його застосування. Рентгенівське випромінювання. 

Атомне ядро. Протонно-нейтронна модель атомного ядра. Нуклони. Ядерні сили і їх особливості. Стійкість ядер. Використання періодичної таблиці під час пояснення понять. 

Фізичні основи ядерної енергетики. Енергія зв’язку атомного ядра. Способи  вивільнення ядерної енергії: синтез легких і поділ важких ядер. Ланцюгова реакція поділу ядер Урану. Прояв у цих процесах загальних закономірностей. Ядерна енергетика та екологія. Радіоактивність. Види радіоактивного випромінювання. Період напіврозпаду. Отримання і застосування радіонуклідів.

Дозиметрія. Дози випромінювання. Радіоактивний захист людини. Елементарні частинки. Загальна характеристика елементарних частинок. Класифікація елементарних частинок. Кварки. Космічне випромінювання. Узагальнення знань з теми на основі ЗЗП та фундаментальних ідей природничих наук. Моделювання цілісності знань (СЛС) теми.

Тема 3. Розвиток знань про Всесвіт. Вивчення Всесвіту і його складових (10 годин).

Сонячна система. Прояви Сонячної активності та їх вплив на Землю. Рух планет Сонячної системи. Рух Сонячної системи в Галактиці. Антропний принцип. Вплив Сонця на життя на  Землі. Прояв у будові і рухах небесних об’єктів ЗЗП.

Зорі та їх класифікація. Еволюція зір. Галактика «Молочний шлях». 

Всесвіт, теорії його виникнення та ймовірні сценарії розвитку з точки зору прояву в них загальних законів природи. Великий вибух. 

Телескопи. Дослідження Землі і Всесвіту за допомогою космічних апаратів. Вклад українських вчених в освоєння космосу

Узагальнення знань з теми. Моделювання цілісності знань з теми (СЛС).

 

Розділ III. Хімічний модуль (28 год.)

Тема 1. Органічні сполуки, їх роль у природі, техніці, побуті.

Єдність неживої і живої природи; роль ЗЗП в розкритті єдності. Теорія хімічної будови органічних сполук. Залежність властивостей органічних речовин від хімічної будови. Взаємний вплив атомів у молекулі. Ізомерія органічних сполук. Прояв у цих явищах закону направленості процесів до рівноважного стану.

Органічні сполуки — сполуки Карбону. Валентні можливості Карбону. 

Основні класи неорганічних і органічних сполук. Основи номенклатури насичених вуглеводнів. Органічні речовини в живій природі. Білки, жири, вуглеводи — основні складові живих організмів. Біологічна роль білків, нуклеїнових кислот. Біополімери як структурна та функціональна основа єдності та різноманітності живих систем, її пояснення на основі збереження і перетворення енергії.

Природні джерела органічних речовин. Основні види палива та їхнє значення в енергетиці. Природний газ, нафта, кам’яне вугілля, продукти їх переробки, застосування.

Синтез органічних сполук різних класів із вуглеводневої сировини. Добування і застосування вуглеводнів. Прояв у цих процесах загальних законів природи.

Полімерні матеріали. Пластмаси, синтетичні каучуки, гума, натуральні та хімічні (штучні і синтетичні) волокна, синтетичні лікарські препарати.

Вітаміни, харчові добавки, Е-числа. Шкідливий вплив на організм людини наркотичних речовин, паління, алкоголю; процеси, які його обумовлюють. Органічні речовини та здоров’я людини. 

Органічні сполуки в побуті. Мила та синтетичні миючі засоби. Єдність і різноманітність органічних сполук, обумовленість нею єдності і різноманітності біологічних систем. Використання органічних речовин і захист довкілля з опорою на природничонаукову компетентність. 

Узагальнення знань з органічної хімії на основі теорії хімічної будови речовини та загальних закономірностей природи, фундаментальних ідей природничих наук.

 

Розділ IV. Біолого-екологічний модуль (51 год, 3 год – резервні).

Тема 1. Організмовий рівень організації живої природи (24 год.)

Місце знань біолого-екологічного модуля в ПНКС та образі природи випускників. Роль ЗЗП в поясненні біолого-екологічних знань. 

Поняття розмноження та його пояснення на основі ЗЗП. Нестатеве розмноження організмів. Статеве розмноження організмів. Будова і утворення статевих клітин.  

Генетика. Методи генетичних  досліджень, їх пояснення на основі ЗЗП. Закони Г. Менделя, їх статистичний характер і цитологічні основи. Хромосомна теорія спадковості. Зчеплене успадкування. Комбінативна мінливість. Мутаційна мінливість. Види мутацій та мутагени. Модифікаційна мінливість.

Поняття про ген. Основні закономірності функціонування генів у про- та еукаріотів. Генетика людини. Роль генотипу і середовища у формуванні фенотипу. Химерні та трансгенні організми, розгляд з точки зору прояву ЗЗП. Генетичні основи селекції організмів. 

Основні напрямки сучасної біотехнології. Запліднення. Періоди онтогенезу у багатоклітинних організмів: ембріогенез і постембріональний розвиток. 

Вплив генотипу та факторів зовнішнього середовища на розвиток організму. Вади розвитку людини та їх корекція. Життєвий цикл у рослин і тварин та прояв у ньому ЗЗП. Узагальнення знань з теми на основі ЗЗП. Моделювання цілісності знань (СЛС).

Тема 2. Надорганізмові рівні організації живої природи: популяція, екосистема, біосфера (11 год.)

Поняття про середовище існування, шляхи пристосувань до нього організмів. Біологічні адаптивні ритми організмів. Пояснення їх на основі ЗЗП. Популяції, їх характеристика. Екологічні фактори, які впливають на чисельність популяції, їх пояснення на основі ЗЗП.

 Угруповання організмів у природі. Екосистеми. Взаємодії організмів в екосистемах. Різноманітність екосистем, їх розвиток та зміни. Колообіг   речовин і потік енергії в екосистемах, їх зв’язок з ЗЗП. Продуктивність екосистем.

Загальна характеристика біосфери. Вчення В.І. Вернадського про біосферу. Вплив діяльності людини на стан біосфери. Збереження біорізноманіття. Узагальнення знань з теми на основі ЗЗП.

Моделювання цілісності знань (СЛС)

Тема 3. Основи еволюційного вчення. Історичний розвиток органічного світу (16 год.)

Становлення еволюційних поглядів. Теорії еволюції  Ж.Б. Ламарка і Ч. Дарвіна. Основні положення синтетичної теорії еволюції. Природний добір як результат боротьби за існування і прояв закономірності направленості самочинних процесів. Мікроеволюція, видоутворення та види. Адаптації як результат еволюційного процесу. Макроеволюційний процес. 

Сучасні уявлення про фактори еволюції: синтез екології та еволюційних поглядів. Гіпотези виникнення життя на Землі. Еволюція одноклітинних та багатоклітинних організмів. Поява основних груп організмів на Землі та формування екосистем. Пояснення цих процесів на основі ЗЗП.

Історичний розвиток органічного світу та періодизація еволюційних явищ. Узагальнення знань з біолого-екологічного модуля на основі фундаментальних природничих ідей, ЗЗП як складової образу природи. Основні властивості живих систем. Можливості й перспективи застосування досягнень біології.

 

Розділ V. Узагальнення знань про природу (5 год.)

Еволюція природничо-наукової картини світу. Сучасна природничо-наукова картина світу. Умови втілення в ній стратегії сталого розвитку суспільства та відомостей про причини екологічних криз. Презентація та захист образів природи, кращих проектів.

 

Додаток 2

 

Презентація до кейс-уроку з курсу «Природознавство» для учнів 11 класу старшої профілньної школи 

гуманітарного напряму, на тему «Просторова симетрія»

 

СЛАЙД 1

 

СИМЕТРІЯ (від грецького συμμετρεῖν    − міряти разом) − властивість об'єкта відтворювати себе при     певних перетвореннях (трансформаціях), які називаються  операціями симетрії. Симетрія − передусім геометричне поняття, однак          воно застосовується також для негеометричних об'єктів у математиці    загалом, інших науках: фізиці, хімії, біології, та галузях людської    діяльності: естетиці, архітектурі, мистецтві тощо.                  ОСНОВНІ ЕЛЕМЕНТИ СИМЕТРІЇ:   -                      центр симетрії;     -                      вісь симетрії;       - площина симетрії;      -                      іверсійна  та дзеркально-поворотна вісь;.   -                      трансляція.

 

СЛАЙД 2

ОСНОВНІ ОПЕРАЦІЇ СИМЕТРІЇ

 

 

 

СЛАЙД 3

 

 

 

СЛАЙД 4

 

СИМЕТРІЯ У МАТЕМАТИЦІ

 

                               

СЛАЙД 7

 

                                     

СЛАЙД 8

 

СЛАЙД 9

 

 

 

СЛАЙД 10

СИМЕТРІЯ У БІОЛОГІЇ

 

 

СЛАЙД 11

 

СЛАЙД 12

 

СЛАЙД 13

 

               

СЛАЙД 14

 

СЛАЙД 15

 

 

СИМЕТРІЯ У ХІМІЇ

 

 

 

 

 

СЛАЙД 16

 

 

 

 

СЛАЙД 17

 

 

 

 

 

СЛАЙД 18

 

СИМЕТРІЯ У ФІЗИЦІ І ТЕХНІЦІ

 

 

 19

 

СЛАЙД 20

 

 

СЛАЙД 21

 

СЛАЙД 22

 

СИМЕТРІЯ В АРХІТЕКТУРІ

 

 

 23

 

СЛАЙД 24

 

 

СЛАЙД 25

 

СЛАЙД 26

 

 27

СИМЕТРІЯ У МИСТЕЦТВІ І ПОБУТІ

 

 

СЛАЙД 28

 

 

СЛАЙД 29

 

СЛАЙД 30

 

 

 31

Навчально-методичне видання

 

 

Мінькович Віктор Вікторович

Кепша Ліля Семенівна 

 

 

ВИКОРИСТАННЯ ПРИНЦИПІВ СИМЕТРІЇ  ПРИ ВИКЛАДАННІ ПРИРОДНИЧИХ ДИСЦИПЛІН У ЗАГАЛЬНООСВІТНІЙ СЕРЕДНІЙ ШКОЛІ

 

Методичний посібник

 

 

Автори-укладачі:

Мінькович Віктор Вікторович, вчитель фізики, інформатики та інтегрованого курсу СТЕМ-освіти  Тур’є-Реметівського закладу загальної середньої освіти І-ІІІ ступенів Тур’є-Реметівської  сільської ради Ужгородського району. Вчитель вищої категорії.

 

Кепша Ліля Семенівна, вчитель хімії та природознавства 

Великораковецького ліцею Білківської сільської ради Хустського району. Вчитель вищої категорії, старший вчитель).

 

 

Редактор Іван Ребрик

Художньо-технічна редакція Андрія Ребрика

 

Підписано до друку 09.10.2023. Формат 60х84/₁₆.

Гарнітура Cambria. Папір офсетний. Облік.-вид. арк. 3,6. 

Замовлення 34.

 

 

 

ФОП Ребрик Андрій Іванович

Код: 3068416152

Код ДПІ за основним місцем обліку 701