О.А. Золотов

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Учебно-методическое пособие для семинарских занятий, самостоятельной работы и выполнения контрольных работ специалистов и бакалавров по направлению «Социальная работа» очной и заочной форм обучения

2012
СТРУКТУРА СЕМИНАРСКИХ ЗАНЯТИЙ
Тема 1. История естествознания. Панорама современного естествознания. Тенденции развития. Взаимосвязь естественно-научной и гуманитарной культур. Научный метод.

История естествознания. Панорама современного естествознания. Тенденции развития.

Взаимосвязь естественно-научной и гуманитарной культур. Краткий очерк истории науки. Первые университеты. Методология естественнонаучного познания. Наблюдение, эксперимент, моделирование. Анализ и синтез, индукция и дедукция. От гипотезы к теории. Научная картина мира. Научный метод.
Тема 2. Структурные уровни организации материи. Микро-, макро- и мегамиры. пространство, время, принципы относительности. Принципы симметрии, суперпозиции.

Понятие и принципы симметрии: однородность, изотропность, обратимость пространства и времени.

Закон движения, кинематические характеристики. Законы Ньютона. Силы в природе, принцип суперпозиции. Импульс. Область применимости законов Ньютона. Система материальных точек, закон изменения и сохранения импульса системы. Реактивное движение.

Работа и энергия. Закон сохранения и изменения механической энергии.

Модель абсолютно твердого тела. Число степеней свободы. Поступательное и вращательное движение, два типа пространств состояний. Момент инерции, момент силы, момент импульса. Закон сохранения и изменения момента импульса системы.
Тема 3. Законы сохранения, взаимодействие, близкодействия, дальнодействие; состояние.

Закон сохранения.

Закон взаимодействия, близкодействия и дальнодействия.

Состояние.

Тема 4. Динамические и статистические закономерности в природе.

Модель осциллятора. Колебания вблизи равновесия. Спектр. Резонанс. Звучание музыкальных инструментов. Волны поперечные и продольные.

Волновое уравнение, принцип Гюйгенса-Френеля. Явления дисперсии, интерференции, дифракции, поляризации. Цвета тонких пленок, радуга.


Тема 5. Законы сохранения энергии в макроскопических процессах. Принцип возрастания энтропии.

Законы сохранения энергии в макроскопических процессах. Принцип возрастания энтропии. Второе начало термодинамики. Необратимость тепловых процессов. Гипотеза о тепловой смерти Вселенной. Необратимые процессы переноса: диффузия, теплопроводность, вязкость. Третье начало термодинамики.

Тема 6. Электростатика

Закон Кулона. Электростатическое поле. Закон Гаусса. Потенциал. Ток. Закон Ома. Диполь. Диэлектрики. Электростатические поля в быту и природе. Пробой.

Магнитостатика. Природа магнитного поля. Сила Лоренца. Магнитосфера - магнитный щит Земли. Магнитный момент. Магнетики. Закон Гаусса для магнитного поля. Магнитные поля в быту и природе.

Электродинамика. Закон электромагнитной индукции Фарадея-Ленца. Приложения закона в технике и повседневности. Нестационарные токи, закон Ампера, ток смещения. Система уравнений Максвелла. Электромагнитные волны.

Тема 7. Разрешение противоречия между классической механикой и электродинамикой.

Постулаты теории относительности Эйнштейна. Следствия теории относительности: относительность одновременности, сокращение продольных размеров движущихся тел, замедление хода движущихся часов. Парадокс близнецов. Преобразования Лоренца.

Мир Минковского. Инвариантность причинной связи в теории относительности. Релятивистские энергия, импульс. Обобщение закона Ньютона.

Общая теория относительности. Принцип эквивалентности гравитационной и инертной массы. Уравнения Эйнштейна. Эволюция звезд. Черные дыры и возможность их косвенного наблюдения.

Тема 8. Неопределенность и даполнительность.

Гипотеза квантов Планка. Явление фотоэффекта и теория фотонов Эйнштейна. Корпускулярно-волновой дуализм света. Модель атома Бора. Постулаты Бора. Волны материи де-Бройля. Уравнение Шредингера. Операторы и современный формализм квантовой механики. Соотношение неопределенности Гейзенберга и принцип дополнительности Бора. Фермионы и бозоны.

Тема 9. Физика и современные технологии.

Зонная теория. Металлы, полупроводники, диэлектрики. Сверхпроводимость. Лазер, когерентное излучение, голография. Монокристаллы, поликристаллы, аморфные тела. Электронно-микроскопический и рентгеновский анализы. Отличие в формировании изображений в электронном и оптическом микроскопе. Прохождение света и электронов через вещество. Характеристическое и тормозное рентгеновское излучение. Дефекты твердых тел. Нарушения кристаллической решетки. Вакансии. Междоузельные атомы, дислокации. Современные технологии производства полупроводниковых приборов. Легирование, ионная имплантация, диффузия, отжиг, закалка, эпитаксия, литография. Наноструктуры. Сверхрешетка.

Тема 10. Химические системы. Химические процессы. Реакционная способность веществ.

Химические вещества. Энергетика химических процессов. Типы химической связи. Валентность. Химические процессы. Реакционная способность веществ. Периодическая система элементов. Неорганические и органические соединения. Катализ. Синтез. Биополимеры.

Тема 11. Внутреннее строение и история геологического развития Земли. Современные концепции развития геосферных оболочек.

Структура и эволюция Вселенной. Солнечная система. Внутреннее строение и история геологического развития Земли. Современные концепции развития геосферных оболочек.

Тема 12. Литосфера как абиотическая основа жизни. Экологические функции литосферы: ресурсная, геодинамическая, геофизико-геохимическая. Географическая оболочка Земли.

Солнечная активность и биосфера. Радиационные пояса Земли. Современные геофизические условия жизни.

Тема 13. Живые системы. Особенности биологического уровня организации материи.

Структурная организация и поведение живых систем. Саморегуляция, самообучение, самовоспроизведение. Нуклеиновые кислоты, генетический код, биосинтез белка. Белки: ферменты. Особенности биологического уровня организации материи. Биологические мембраны. Жизнь в потоке вещества, энергии и информации. Основные свойства живых систем (целостность, гомеостаз и способность к адаптации, трансформация энергии, наследственность и изменчивость, иерархичность и разнообразие структурной организации, открытость, неравновесность, самовоспроизведение, эволюция). Основные функции живого (питание, дыхание, движение, размножение, рост и развитие, раздражимость).

Тема 14. Принципы эволюции, воспроизводства и развития живых систем. Многообразие живых организмов – основа организации и устойчивости биосферы

Организм. Эволюция организмов. Принципы эволюции, воспроизводства и развития живых систем. Микроэволюция и макроэволюция. Факторы эволюции. Скорость эволюции. Критические эпохи геологической истории. Глобальные экологические кризисы. Многообразие живых организмов – основа организации и устойчивости биосферы. Многообразие клеточных типов, разделение и интеграция основных жизненных функций. Роль эндокринной и нервной систем в осуществлении целостных реакций организма животных. Понятие о генотипе и фенотипе; современные представления о геноме.

Тема 15. Генетика и эволюция. Принципы универсального эволюционизма. Пути к единой культуре.

Различные представления о зарождении жизни (гипотезы самозарождения, панспермии; креационизм). Основы эволюционной теории Дарвина. Теория самоорганизации и индивидуальное развитие. Синергетика как универсальный язык описания эволюционирующих систем.

Принципы универсального эволюционизма. Пути к единой культуре. Концепция “устойчивого развития” (экоразвития).

Экологическое прогнозирование. Модель хищник - жертва в природе и обществе. Экологические модели и проблемы устойчивости, роль разнообразия видов.

Тема 16. Человек: физиология, здоровье, эмоции, творчество, работоспособность.

Биоэтика, человек, биосфера и космические циклы: ноосфера, необратимость времени, самоорганизация в живой и неживой природе.

Современная экология. Основные понятия и законы экологии. Популяции, сообщества, экосистемы и биосфера как уровни биологической организации. Экологическая ниша; трофические цепи и сети, биопродуктивность. Экологические пирамиды. Экологическое равновесие. Гомеостаз экосистем. Биосфера, ее эволюция и космические циклы.

Человек в биосфере. Понятие о ноосфере (В.И.Вернадский, П.Тейяр де Шарден). Замкнутые экологические системы – экспериментальные модели биосферы (БИОС-3, БИОСФЕРА -2….).

Человек: физиология, здоровье, эмоции, творчество, работоспособность.

Биоэтика, человек, биосфера и космические циклы: ноосфера, необратимость времени, самоорганизация в живой и неживой природе.

Проблемы демографии, развития технологической цивилизации, ресурсов биосферы. Антропогенное воздействие на природу. Экологический кризис. Критерии кризиса и катастрофы.
Тема 17. Современное естествознание. Корпускулярная и континуальная концепции описания природы. порядок и беспорядок в природе. Хаос.

Принципы синергетики. Неравновесная термодинамика (Г.Хакен, И.Пригожин). Нелинейность, незамкнутость, неустойчивость.

Самоорганизация. Самоорганизация в физике, химии, биологии, геологии, экологии. Корпускулярная и континуальная концепции описания природы. порядок и беспорядок в природе. Хаос. Фракталы.

Бифуркации и историчность развития. Бифуркационное дерево как модель эволюции природы, человека, общества. Диалектика и теория катастроф. Принципы синергетики в экономике, физике, биологии, развитии человека и общества.

Список литературы
Основная

1. 
   Дубнищева И.А. Концепции современного естествознания. Новосибирск: ЮКЭА, 1997.
   
2. 
   Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. М.: Академ. Проект, 2005.
   
3. 
   Энциклопедический словарь «ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ». М.: Науч.изд-во «Большая Российская энциклопедия», 2003.
   
4. 
   Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. А.М. Прохоров. Ред. кол. Д. М. Алексеев, А.М. Бонч-Бруевич, А.С. Боровик-Романов и др. – М.: Сов. Энциклопедия, 1983. – 928 с.
   

Дополнительная

5. 
   Дубнищева Т.Я. Концепции современного есетсвознания. Основной курс в вопросах и ответах: Учебное пособие.- Новосибирск: Сиб.унив.изд-во, 2003. – 407 с.
   
6. 
   Степин B.C., Кузнецова Л.И. “Современная научная картина мира”. М.: Наука, 1997.
   
7. 
   Буданов В.Г., Мелехова О.П. Концепции современного естествознания. М.: МГТУГА, 1998.
   
8. 
   Брильков А.В., Тихомиров А.А. и др. Основы современного естествознания. Учебное пособие.- Новосибирск: Наука, 1998.
   
9. 
   Степин B.C. Философская антропология и философия науки. М.: Высшая школа,1992.
   
10. 
    Степин B.C. “Естественно-научное образование гуманитариев”. ВШ России, № 1, 1994.
    
11. 
    Курдюмов С.П., Князева Е.Н. “Законы эволюции и самоорганизации сложных систем”. М.: Наука, 1994.
    
12. 
    Капица С.П., Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г. “Синергетика и прогнозы будущего”. М.: Наука, 1997.
    
13. 
    Пригожин И., Стенгерс И.. Порядок из хаоса. М.: Мир, 1990.
    
14. 
    Хакен Г. Синергетика. Гл1. М.: Мир, 1980.
    
15. 
    Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. М.: Мир, 1990.
    
16. 
    Моисеев Н.Н. Человек и ноосфера. М.: Прогресс, 1985.
    
17. 
    Мелехова О.П. “Биология в фундаментальном образовании гуманитариев”. Биология, гуманитарные науки и образование. М.: МГУ, 1997.
    
18. 
    Буданов В.Г. “Эволюционно-синергетическая концепция естественнонаучного образования гуманитариев”. ВШ России, № 4, 1994.
    
19. 
    Буданов В.Г. “Трансдисциплинарное образование и принципы синергетики”. М.: Прогресс-Традиция, 2000.
    
20. 
    Брильков А.В., Тихомиров А.А. и др. Основы современного естествознания. Учебное пособие.- Новосибирск: Наука, 1998.
    
21. 
    Холостова З.Г., Фишов В.В. Концепции современного естествознания. Методические указания к лабораторным работам. – Красноярск: КрасГУ, 2006
    
22. 
    Шаталов С.В. Концепции современного естествознания. Практикум: учебное пособие для вузов / Под ред. проф. А.И. Баранникова. – Ростов н/Д: Феникс, 2003. - 224 с.
    
23. 
    Ремизов А.Н. и др. Сборник задач по медицинской и биологической физике: Учеб. пособие для мед. вузов. – М.: Высш. шк. 1987. 159 с.
    
24. 
    Иродов И.Е. Задачи по общей физике: Учеб. пособие. – 2-е изд., перераб. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. – 416 с.
    
25. 
    М. Джермен. Количественная биология в задачах и примерах. Перевод с английского А.Д. Базыкина. – М.: Мир, 1972.
    
26. 
    Чертов А.Г. Международная Система Единиц Измерений. М.: Высшая школа. 1967.
    

Перечень наглядных и других пособий, методических указаний и материалов к техническим средствам обучения

1. 
   CD - Залымова Т.С., Холостова З.Г. Мультимедийная библиотека для курса «Естествознание». - Красноярск: ИЕиГН, 2007.
   
2. 
   CD - Сидачев А.В., Сорокин А.В. Мультимедийная библиотека «Фундаментальные модели в курсе «Концепции современного естествознания»». – Красноярск: ИЕиГН, 2007.
   
3. 
   CD – Петрусенко Е.Н., Коваленко В.В., Холостова З.Г. Мультимедийная библиотека раздела «Явление радиоактивности и его использование» в курсе «Концепции современного естествознания» - Красноярск: ИЕиГН, 2007.
   
4. 
   Фотографии и слайды по всем разделам курса – 200 шт.
   

Методическое обеспечение самостоятельной работы
и контрольных работ студентов очной и
заочной форм обучения
Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов, изучающих дисциплину «Концепции современного естествознания» состоит из:

• 
  тем контрольных работ по курсу «Концепции современного естествознания» и методических указаний по их выполнению;
  
• 
  перечня вопросов для самоподготовки и повторения по курсу «Концепции современного естествознания»;
  
• 
  задач по курсу "Концепции современного естествознания";
  
• 
  списка основной и дополнительной литературы.
  

Темы контрольных работ по курсу Концепции современного естествознания и методические указания по их выполнению
1. Методические указания
Выполнение контрольной работы направлено на углубление теоретических знаний студента по дисциплине «Концепции современного естествознания» с целью проверки качества этих знаний и закрепления их.

При написании контрольной работы необходимо соблюдать следующее:

1. 
   Контрольная работа выполняется по одному из предлагаемых вариантов по предлагаемой тематике.
   
2. 
   При оформлении контрольной работы основной текст следует структурировать по разделам; выделить введение, оглавление, заключение; оформить титульный лист и список литературы.
   
3. 
   Содержание текста должно быть написано четко (лучше в печатном виде) с выделением основных положений выбранной темы. Во введении следует ясно сформулировать цель и задачу работы. В основном тексте изложить ответы на вопросы, а в заключении показать научное или практическое значение их решения. Объем работы должен иметь 10-12 страниц.
   
4. 
   Выполненная контрольная работа передается на кафедру современного естествознания с указанием фамилии преподавателя.
   
5. 
   Проверенная преподавателем контрольная работа оценивается и принимается преподавателем посредством устного собеседования со студентом.
   

Варианты контрольных работ сформулированы по следующим блокам:

1. 
   Естественно – научная и гуманитарная культуры; научный метод и структура научного познания логика и закономерности развития науки; современная научная картина мира. В этот блок входят варианты под № 1-8.
   
2. 
   Структурные уровни организации материи; пространство и время в современной научной картине мира. В этот блок входят варианты под № 9-15.
   
3. 
   Химическая наука об особенностях атомно – молекулярного уровня организации материи. В этот блок входят варианты № 16-17.
   
4. 
   Особенности биологического уровня организации материи; проблемы генетики; биосфера, ноосфера и человек. Варианты этого блока идут под № 18-26.
   
5. 
   Человек как предмет естественно – научного познания. В этот блок входят варианты под № 27-30.
   

При выполнении контрольных работ необходимо пользоваться списком литературы, приведенной в конце раздела, а также литературой, рекомендованной лектором.
2. Варианты контрольных работ по дисциплине «Концепции современного естествознания»
Вариант № 1. Естественно - научная и гуманитарная культуры
1. Выявите специфику и взаимосвязь естественнонаучного и гуманитарного типов культур.

2. Объясните необходимость единства естественнонаучной и гуманитарной культур в современном обществе.

В вопросе 1 следует выявить причины различий естественнонаучной и гуманитарной культур; далее, во 2 вопросе обратите особое внимание на факторы, которые требуют единства естественно – научной и гуманитарной культур.
Вариант № 2. Наука в духовной культуре общества
1. Покажите генезис науки в развитии духовной культуры общества.

2. Выявите особенности и структуру научного знания в дисциплинарной организации науки.

3. Дайте анализ науки как социального института и изложите основные принципы этики науки.
В этом варианте, прежде всего, необходимо показать роль науки в развитии культуры; затем показать сущность научного знания, его строение; а в 3 вопросе описать науку как научное сообщество и изложить принятые в нем нормы этики.
Вариант № 3. Методы научного познания
1. В чем суть методологии как научной дисциплины.

2. Дайте определение понятия метод, охарактеризуйте основные типы методов и их взаимосвязь.

3. Проанализируйте основные методы эмпирического и теоретического познания.
Вначале (1-ый вопрос) следует выяснить понятие «методология», определить ее предмет и сущность. Затем (2-ой вопрос) охарактеризовать методы научного познания, подчеркнув в 3-ем вопросе особые методы эмпирического и теоретического познания.
Вариант № 4. Структура научного познания
1. Вскройте особенности эмпирического и теоретического познания.

2. Дайте анализ роли эмпиризма и рационализма в истории науки.

3. Изложите современное понимание единства эмпирического и теоретического в научном познании.
В вопросе 1 следует показать различие и особенности как эмпирического, так и теоретического познания; а затем (2-ой вопрос), выявить сущность эмпиризма и рационализма, (в 3-ем вопросе) показать причины взаимосвязи этих уровней научного познания в современной науке.

и концепции науки. М., 2000.

Вариант № 5. Критерии и нормы научности
1. Охарактеризуйте теорию как высшую форму организации научного знания.

2. Проанализируйте принципы «верификации» и «фальсификации».

3. Изложите суть проблемы границ научного метода и научности.
В первом вопросе необходимо указать характеристики теории как высшей формы научного знания; во втором - показать как через фальсификацию и верификацию проверяется теория; в заключительной части (вопрос 3) выясните границы познания, критерии и нормы научности.
Вариант №6. Закономерности и модели развития науки
1. Охарактеризуйте общие модели развития науки.

2. Дайте анализ взглядов Т. Куна на проблему революций в науке.

3. Изложите идеи Н. Локатоса на закономерности развития науки.
В первом вопросе, выясните, какие существуют модели развития науки; затем (2) раскройте суть теории Т. Куна о научных революциях, и, наконец, (3) переходите к анализу концепции Н. Локатоса.
Вариант №7. Дифференциация, интеграция и математизация в развитии науки
1. Проанализируйте процессы дифференциации в развитии науки.

2. Проанализируйте процессы интеграции в развитии науки. Объясните взаимосвязь дифференциации и интеграции.

3. Дайте анализ процессов математизации науки.
В ответе на вопрос 1 вскройте причины и сущность дифференциации наук; во втором вопросе объясните суть процессов интеграции наук и покажите механизмы их взаимодействия. В третьем вопросе следует выявить основные направления математизации науки и показать ее значение для развития научного познания.
Вариант № 8. Принципиальные особенности современной научной картины мира
1. Выявите особенности научной картины мира.

2. Охарактеризуйте основные принципы построения научной картины мира.

3. Опишите общие контуры современной естественно - научной картины мира.
В первом вопросе следует показать отличия научной картины мира от обыденной или религиозной. Во втором вопросе покажите те принципы, на которых строится научная картина мира; а в третьем вопросе следует дать анализ особенностей современной научной картины мира.
Вариант № 9. Структурные уровни организации материи
1. Покажите роль системных представлений в анализе структурных уровней организации материи.

2. Определите сущность макромира, микромира и мегамира.

3. Дайте анализ классического и современного понимания концепции макромира.
В вопросе 1 следует охарактеризовать основные идеи системного анализа объектов научного познания, в том числе и материи. Во втором вопросе необходимо сравнить представления современной науки о макро – микро – и мега – мирах; а в заключении (3) изложить классическое и современное понимание наукой макромира.
Вариант № 10. Микромир: концепции современной физики
1. Изложите сущность квантово - механической концепции описания микромира.

2. Объясните взгляды М. Планка, Луи де Бройля, Э. Шредингера, В. Гейзенберга, Н. Бора и др. на природу микромира.

3. Подчеркните особенности волновой генетики.
Прежде всего, следует разобраться в специфике поведения объектов в микромире и выяснить особенности их описания с помощью квантовой механики; затем (в вопросе 2) изложите основные идеи классиков квантовой механики как науки; и, наконец, покажите возможности применения знаний квантовой механики для изучения гена в современной генетике.
Вариант № 11. Атомистическая концепция строения мира
1. Дайте анализ развития идей атомизма в истории науки.

2. Изложите суть современной теории атомизма.

3. Дайте анализ квантовой модели атома. Объясните роль элементарных частиц и физического вакуума в строении атома.
В первом вопросе покажите историю развития понятия «атом» и идей атомизма. Затем изложите современное понимание сущности атома и, наконец, вскройте особенности и понимания атома с позиций квантовых представлений, выявив роль элементарных частиц и физического вакуума в понимании его сущности.
Вариант № 12. Мегамир: Современные астрофизические и космологические концепции
1. Дайте анализ понятия «Мегамир» и охарактеризуйте современные космологические модели Вселенной.

2. Изложите сущность проблемы происхождения и эволюции Вселенной.

3. Дайте анализ структуры Вселенной.
Вначале (вопрос 1) изложите современное понимание мегамира, вскройте его сущность и границы; покажите его связь с разработкой моделей Вселенной. Далее (вопрос 2) охарактеризуйте проблему происхождения Вселенной и покажите основные этапы ее эволюции. И, наконец, (вопрос 3) изложите современные представления о том как «устроена» Вселенная.
Вариант № 13. Развитие взглядов на пространство и время в истории науки
1. Покажите значение понятий пространства и времени для научного познания.

2. Проанализируйте развитие взглядов на пространство и время от античности до Ньютона.

3. Оцените познание пространства и времени в классической науке.
Первый вопрос требует определить понятия «пространство» и «время», вскрыть их сущность и показать их роль в научном познании. Далее следует показать, как развивались эти понятия от античности до классической (Ньютоновской) физики; а в заключении следует дать обобщенное изложение классической концепции пространства и времени.