КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Основные цели дисциплины – сформировать у студентов комплексный подход к пониманию специфики гуманитарного и естественнонаучного компонента культуры, возможностей рационального естественнонаучного подхода и его дополнительной природы по отношению к художественному методу освоения действительности.

Задачи дисциплины – научить студентов:

– анализу естественнонаучных процессов на основе целостного взгляда на окружающий мир;

– пониманию сущности конечного числа фундаментальных законов природы, определяющих облик современного естествознания;

– принципам научного моделирования природных явлений.

В результате изучения дисциплины студент должен быть подготовлен к решению задачи успешного изучения цикла общепрофессиональных и специальных дисциплин на основе глубокого понимания физической сущности рассматриваемых при этом процессов.

ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ОСВОЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

В результате изучения дисциплины «Концепции современного естествознания» студент должен:

· знать:

– сущность физических явлений, протекающих в окружающем мире, и научные теории, описывающие их, основные понятия, модели и законы механики, статистической физики и термодинамики, электричества и магнетизма, колебаний и волн, квантовой физики, физики твердого тела, ядерной физики;

– принципы преемственности, соответствия и непрерывности в изучении природы, а также необходимость смены адекватного языка описания по мере усложнения природных систем: от квантовой и статистической физики к химии и молекулярной биологии, от неживых систем к клетке, живым организмам, человеку, биосфере и обществу;

· уметь:

– формировать представления о принципах универсального эволюционизма и синергетики как диалектических принципах развития в приложении к неживой и живой природе, человеку и обществу;

– использовать физические законы и основные подходы к моделированию и исследованию реальных систем на основе концепций и методов современного естествознания;

· получить навыки:

– проведения физических измерений и обработки их результатов.

ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ. УЧЕБНО-ТЕМАТИЧЕСКАЯ КАРТА ДИСЦИПЛИНЫ

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ

Раздел 1: Физика глазами гуманитария

Введение

Предмет и содержание дисциплины. Требование программы, структура и порядок изучения курса, содержание разделов и методические основы их изучения, связь курса с общепрофессиональными и специальными дисциплинами.

Тема 1. История естествознания

Естественнонаучная и гуманитарная культуры. Научные методы познания. История естествознания - от Древней Греции до средневековья. Эпоха Возрождения. Борьба за гелиоцентрическую систему мира: Леонардо да Винчи, Коперник, Дж. Бруно, Кеплер, Галилей. Диалектика развития физики. Философия и физическая картина мира. Две закономерности истории развития физики - революционная и эволюционная. Панорама современного естествознания. Тенденции развития.

Практическое занятие 1: Методология естественнонаучного исследования.

Отработка основных этапов общего методологического подхода выполнения научного исследования в рамках сформулированной научной задачи на примере теории Ломброзо.

Практическое занятие 2: Логико-математические подходы в науке.

Решение конкретных модельно-теоретических задач методом парадоксов.

Практическое занятие 3: Элементы космологии.

Решение задач с использованием закона Хаббла.

Тема 2.Механическая картина мира

И.Ньютон и становление механической картины мира. Взаимодействиедискретных объектов - физика частиц. Корпускулярная концепция описания природы. Законы динамики и детерминизм Лапласа. Концепция дальнодействияиблизкодействия. Импульс, момент импульса и энергия - как меры движения. Законы сохранения. Законы сохранения энергии в макроскопических процессах. Пространство, время, движение как абсолютные категории. Принципы симметрии. Единство и универсальная взаимосвязь явлений природы.

Практическое занятие 1: Основы метрологии.

Ознакомление с основными понятиями и правилами метрологии. Измерение линейных размеров одним из видов измерительных устройств по одному из методов измерений.

Практическое занятие 2: Космическая метрология.

Изучение метода измерения скоростей космических объектов, основанного на оптическом эффекте Доплера.

Практическое занятие 3: Моделирование гармонии.

Изучение закона гармонии и красоты на примере математической модели «золотой пропорции».

Тема 3. Строение вещества. Основы молекулярной физики

Успехи механической картины природы в описании тепловых явлений. Молекулярно-кинетическая теория. Теплота как форма энергии. Первое начало термодинамики. Температура. Микроскопическая теория теплоты. Идеальный газ и его законы. Кинетическая теория газов. Распределение Максвелла. Второе начало термодинамики. Порядок и беспорядок в природе. Хаос. Энтропия. Принцип возрастания энтропии. Динамические и статистические закономерности в природе. Абсолютизация механической картины мира и ее крушение.

Практическое занятие: Математика и спорт.

Применение методов математической статистики для проектирования спортивных квалификационных нормативов.

Тема 4.Электромагнитная картина мира

Электростатическое взаимодействие. Закон Кулона. Принципы суперпозиции. Электрический ток и его законы. Магнитное поле тока. Движение заряженных частиц в магнитных полях. Явление электромагнитной индукции. М.Фарадей и концепция близкодействия. Д. Максвелл и становление электромагнитной картины мира. Мир непрерывных объектов - физика полей. Континуальнаяконцепция описания природы. Электромагнитное поле и электромагнитные волны. Уравнения Максвелла. Электромагнитная природа света. Явление интерференции, дифракции, поляризации света. Идея голографии. Принципы относительности. А.Эйнштейн и относительность пространства и времени. Основы специальной теории относительности. Второй этап в развитии электромагнитной картины мира. Абсолютизация электромагнитной картины мира.

Практическое занятие 1: Релятивистское движение. Элементы специальной теории относительности.

Изучение законов единого четырехмерного пространственно-временного континуума.

Практическое занятие 2: Элементы общей теории относительности.

Практические задачи по теоретическому исследованию состояния равновесия звезд.

Тема 5.Становление квантово-полевой картины мира

Физика возможного. Недостаточность классического описания природы. Макс Планк и квантовый характер теплового излучения. Фотоэффект и его объяснение Эйнштейном. Эффект Комптона. Строение атома и теория Н. Бора гипотеза де-Бройля и формирование квантовой механики Шредингера-Гейзенберга-Дирака. Физические величины, состояния, средние значения, флуктуации.Принципынеопределенностиидополнительности. Квантовые переходы и излучения. Квантовая физика вокруг нас: лазеры, транзисторы, сверхпроводимость. Квантовая физика - ключ к субатомному миру: кварки, адроны, ядра атомов. Вероятностная форма закономерности и причинности в квантово-полевой картине мира. Относительность понятий "часть" и "целое". Структурность и целостность в природе. От двойственного мира классической физики к двойственному описанию целостной природы в неклассической физике.

Практическое занятие: Закономерности развития научных теорий.

Изучение функций обоснования и предвидения на примере создания пироцентрической, геоцентрической и гелиоцентрической систем мира.

Тема 6.Физика как целое

Структурные уровни организации материи. Иерархия структур природы. Мега-, макро- и микромиры. На пути в глубины материи: идеи структурности материи от Демокрита до наших дней. Критерий относительности элементарности: «лестница» Вайскопфа. Элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия. Эволюция Вселенной. От архаичных мифов космогенеза к единым теориям всего сущего. Этапы эволюции горячей Вселенной, неоднозначность сценария и антропный принцип. От физики существующего к физике возникающего. Устойчивость современных физических теорий. Принципиальная незавершенность современной физической картины мира. Истоки нового взгляда на объективность познания природы. Потребность в универсальной теории эволюции. Проблема времени и будущее физики.

Тема 7.Диалектика и проблемы развития химической формы движения материи

Объект химии.Химические процессы. Основные внутренние противоречия развития химии. От химического элемента к химии высокомолекулярных соединений и биоорганической химии. Прогресс химии неорганических соединений. Классификация химических соединений. Структурная теория. Диалектика химических процессов и периодический закон. Реакционная способность веществ. Единство структуры и процессов в химии. Квантовая химия - основа теории строения вещества. Проблема эволюции вещества в природе.

Практическое занятие: Фундаментальный закон химии и его физический смысл.

Изучение Периодического закона и основных правил построения электронных оболочек атомов.

Раздел 2: Жизнь. Живые системы и человек

Тема 8. Живые системы

Неорганические и органические соединения и их многообразие. Макромолекулы, гиперцикл и зарождение жизни. Жизнь во Вселенной. Особенности биологического уровня организации материи. Молекулы живых систем. Белки: ферменты и живые машины. Матричный синтез. Информационные молекулы. Биологические структуры. Уровни организации живых систем. Принципы эволюции, воспроизводства и развития живых систем. Клеточное строение организмов. Жизненный цикл клетки. Единство и многообразие клеточных типов. Дифференциация и интеграция функций в организмах. Многообразие живых организмов - основа организации и устойчивости биосферы.Эволюционное и индивидуальное развитие. Роль живых организмов в эволюции Земли. Генетика и эволюция. Жизненные циклы. Биологическое время. Смерть и ее биологический смысл.

Практическое занятие 1: Биоэнергетика.

Изучение химических реакций в живых организмах.

Практическое занятие 2: Вода на Земле.

Изучение свойств воды и расчет буферных растворов.

Тема 9. Человек: организм и личность

Особенности физиологии основных систем организма. Организм как целое, его системная организация. Эндокринная система. Мозг и высшая нервная деятельность. Здоровье, эмоции, творчество, работоспособность. Биосоциальные основы поведения. Стресс и тренировка. Здоровье и патологическое потомство. Биологический возраст. Биоэтика. Человек, биосфера и космические циклы.

Практическое занятие 1: Изучение индивидуальных авторитмов.

Исследование особенностей биологической и психофизиологической организации человека с помощью авторитмов.

Практическое занятие 2: Физическое моделирование авторитмов.

Построение физических моделей ритмов популяций.

Тема 10. Биосфера и цивилизация

Популяция, сообщества, экосистемы. Принципы их организации. Формы биологических отношений в сообществах. Круговороты вещества и энергии. Биосфера, ее эволюция, ресурсы, пределы устойчивости. Биопродуктивность. Антропогенное воздействие на биосферу, экологический кризис и пути его преодоления. Принципы рационального природопользования. Охрана природы. Экология человека и социальная экология. Принципы взаимодействия организма и среды обитания. Факторы экологического риска и здоровья человека. Ресурсы биосферы и демографические проблемы. Экологическое право.

Практическое занятие: Искажения восприятия действительности.

Оценка искажения восприятия зрительного анализатора и возможности коррекции искажений.

Тема 11. Перспективы биологии

Законы генетики в жизни человека и в сельскохозяйственном производстве. Методы и возможности селекции. Биотехнология. Борьба с болезнями, продление жизни.

Раздел 3: Эволюционно-синергетическая парадигма: от целостного естествознания к целостной культуре

Тема 12. Формирование эволюционного естествознания

Формирование нестабильности от Пуанкаре и до наших дней. Диалектика и теория катастроф: структурная устойчивость, универсальность, признаки и предсказуемость катастроф. Наследственность, изменчивость, отбор в естествознании, роль флуктуаций. Бифуркационное дерево как модель эволюции природы, человека, общества.Необратимость времени.

Практическое занятие: Расчет планковских констант.

Установление взаимоотношений между различными фундаментальными величинами.

Тема 13. Динамический хаос - фундаментальное свойство реальности

Универсальные сценарии перехода к хаосу. Стохастические структуры. Хаос, квант и проблема времени. Гармония в хаосе. Самоорганизация в живой и неживой природе. Происхождение Галактики и Солнечной системы. Внутреннее строение и история геологического развития Земли. Современные концепции развития геосферных оболочек. Литосфера как абиотическая основа жизни. Экологические функции литосферы: ресурсная, геодинамическая, геофизико-геохимическая. Географическая оболочка Земли. Климат. Роль океанов. Информационные аспекты синергетики. Антиэнтропийные механизмы. Активные среды, клеточные автоматы. Мозг как синергетический компьютер. Распознавание образов. Механизмы языка. Гуманитарные приложения синергетики. Циклические биосферные и социокультурные процессы. Ноосфера - человек и эволюция Земли.

Практическое занятие: Настоящее и будущее Вселенной.

Расчет основных качественных и количественных характеристик эволюции Вселенной.

Тема 14.Заключение

Современное естествознание и проблемы социума. Техногенное общество. Роль современного естествознания в преодолении энергетического, экологического и информационного кризисов. Конвергенция естественнонаучного и гуманитарного знания. Наука, философия, религия - новые возможности диалога. Принципы универсального эволюционизма. Путь к единой культуре.Целостность, широта, разносторонность и фундаментальность образования, и формирование гармоничной личности.

ОРГАНИЗАЦИЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТА

Самостоятельная работа студентов по дисциплине включает:

– самостоятельное изучение теоретических разделов дисциплины по заданию лектора по рекомендованной литературе;

– повторение и углубленное изучение лекционного материала по рекомендованной литературе;

– решение практических задач и подготовку к практическим занятиям;

– выполнение индивидуального домашнего задания в виде реферата;

– подготовку к экзамену.

ПРИМЕРНЫЕ ТЕМЫ РЕФЕРАТОВ

1. Единство живой и неживой природы в представлениях русских космистов. Развитие идей активной коэволюции.

2. Развитие идей Вернадского. Путь в ноосферу.

3. Солнечно-земные связи и их влияние на человека.

4. Гипотезы о возникновении жизни на планетах, подобных Земле.

5. Обсуждение гипотез о НЛО.

6. Солнечная активность, атмосфера и погода.

7. Представления древних мистиков и современная картина мира.

8. Астрология и причины ее популярности.

9. Энергия, энтропия и среда обитания.

10. Перспективы энергетики с точки зрения термодинамики.

11. Оценка пользы малой энергетики.

12. Энтропия и охрана окружающей среды.

13. Космос и биосфера.

14. Цивилизация – на путях поиска идеальной энергетики будущего.

15. Информационные системы и энтропия.

16. Молекулярные основы эмоциональных состояний человека.

17. Стохастическая модель «хищник - жертва» и модель морфогенеза.

18. Духовная культура и искусство как факторы самоорганизации общества.

19. Самоорганизация процессов в геологии, биологии и экологии.

20. Симметрия в природе.

21. Возможности экономного расходования энергии.

22. Проблемы атомной энергетики.

23. Природные системы на грани хаоса и порядка.

24. Климат, погода и солнечно-земные связи.

25. ДНК – основа генетического материала.

26. Генная инженерия – плюсы и минусы.

27. Генетически модифицированные продукты.

28. Необычные состояния материи.

29. Возможности управления поведением сложных систем.

30. Биосфера как экосистема и как геологическая оболочка.

31. Теория катастроф.

32. Источники энергии Солнца и звезд.

33. Эволюция жизни на Земле.

34. Триумф небесной механики и концепция детерминизма в естествознании.

35. Микромир: теоретические концепции и человеческая практика.

36. Планета Земля: эволюция, строение, динамика.

37. Физико-химические основы биологических процессов и психологии человека.

38. Достижения науки и техники эпохи Средневековья.

39. Особенности античного научного знания.

40. Развитие науки в России в 18-19 веках.

41. Нобелевские лауреаты в области естественных наук России и СССР.

42. Обмен веществ и энергии в клетке как модель классической динамики живых объектов.

43. Климат Земли и перспективы его изменения.

44. Элементарные частицы и поиск «первичных» объектов.

45. Радиоактивные превращения и искусственные радиоактивные элементы.

46. Периодическая система элементов и история ее создания.

47. Понятие физического поля и типы полей фундаментальных взаимодействий.

48. Пространство и время в классической механике.

49. Пространство и время в теории относительности А.Эйнштейна.

50. Роль организмов в эволюции Земли.

ФОРМЫ И ВИДЫ КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ

1. Текущий контроль:

– проверка выполнения контрольных заданий и задач;

– рубежный контроль.

2. Промежуточная аттестация – зачетно-экзаменационная сессия:

– экзамен проводится в устной или письменной форме при условии выполнения всех форм текущего контроля и в соответствии с учебным планом;

3. Контроль остаточных знаний студентов (тесты).

ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЭКЗАМЕНУ

1. Две культуры – естественно-научная и гуманитарная – как отражение двух типов мышления. Рациональное и образное мышление.

2. Общенаучные методы эмпирического познания.

3. Общенаучные методы теоретического познания.

4. Взаимосвязь теории и эксперимента. Наблюдение, измерение и лабораторный эксперимент в естествознании. Реальные и мысленные эксперименты.

5. История естествознания. Атомистика древних греков.

6. Особенности античного научного знания, концепция геоцентризма.

7. Естествознание в эпоху Возрождения. Борьба за гелиоцентрическую систему мира.

8. Физика Средневековья. Достижения науки средневекового Востока. Европейская средневековая наука.

9. Развитие науки в России в 18 -19 веках.

10. Механическая картина мира и ее ограниченность.

11. Электромагнитная картина мира и ее ограниченность.

12. Роль диалектического и метафизического методов в создании естественнонаучной картины мира. Процесс диалектизации науки.

13. Учение Дарвина как генеральная линия эволюционного естествознания.

14. Успехи механической картины природы в описании тепловых явлений. Молекулярно-кинетическая теория вещества.

15. Начала термодинамики и понятие энтропии.

16. Пространство и время. Свойства пространства и времени. Представления в древности и сейчас.

17. А. Эйнштейн и относительность пространства-времени.

18. Основы специальной теории относительности. Релятивистское выражение для импульса и энергии. Взаимосвязь массы и энергии.

19. Второй этап в развитии электромагнитной картины мира. Представление об общей теории относительности.

20. Электромагнитная природа света. Волновые свойства света: интерференция, дифракция, дисперсия и поляризация.

21. Корпускулярная концепция описания природы. Основные законы классической механики Ньютона. Концепция дальнодействия.

22. Импульс, момент импульса и энергия как меры движения. Законы сохранения.

23. Становление квантово-полевой картины мира. Тепловое излучение и гипотеза Планка.

24. Квантовые свойства света.

25. Планетарная модель атома Резерфорда и ее особенности.

26. Модели атома и теория Н.Бора.

27. Гипотеза де Бройля и формирование квантовой механики Шредингера-Гейзенберга-Дирака.

28. Особенности свойств микромира. Принцип неопределенности Гейзенберга.

29. Корпускулярно-волновой дуализм и принцип дополнительности.

30. Иерархия структур природы. Микромир: ядра атомов, элементарные частицы, кварки. Фундаментальные взаимодействия.

31. Мегамир. «Горячее» рождение Вселенной. Модели развития Вселенной, неоднозначность сценария.

32. Закон Хаббла, «красное смещение» и нестационарность Вселенной.

33. Образование звезд в галактиках. Классификация звезд и их эволюция. Источники энергии звезд.

34. Происхождение и строение Солнечной системы. Солнце.

35. Земля и планеты земной группы.

36. Планеты-гиганты Солнечной системы. Их особенности.

37. Формирование планеты Земля, ее строение и эволюция.

38. Климат на земле. Формирование и эволюция.

39. Химические элементы и соединения как классические модели вещества. Периодическая система химических элементов.

40. Уравнения химических реакций как классические модели химических процессов. Типы химических связей и химических реакций.

41. Концепции возникновения жизни на Земле. Биохимическая эволюция.

42. Концепция Опарина возникновения жизни на Земле и опыт Миллера.

43. Клетка как фундаментальная модель живой материи на микроуровне. Жизненный цикл клетки. Единство и многообразие клеточных типов.

44. Обмен веществ и энергии в клетке как модель классической динамики живых объектов.

45. Необратимость времени для живых систем. Жизненный цикл организма: от зарождения до гибели. Проблемы старения и смерти организма.

46. Нуклеиновые кислоты. ДНК – основа генетического материала. Структура ДНК.

47. Эволюция форм жизни на Земле от анаэробных к аэробным.

48. Теории эволюции живых организмов. Возникновение и эволюция основных видов живых организмов по Дарвину.

49. Происхождение и эволюция человека.

50. Человек: поведение и высшая нервная деятельность.

51. Человек: эмоции, творчество, работоспособность.

52. Мутации и генная инженерия. Проблемы.

53. Научные и этические проблемы клонирования.

54. Основные принципы и запреты биоэтики.

55. Биоэтика. Ранговая иерархия высших животных. Иерархия потребностей человека. Проблема жизни и смерти.

56. Биосфера, ее эволюция, ресурсы, пределы устойчивости.

57. Структурные уровни биосферы, взаимосвязь ее компонентов.

58. Ноосфера Вернадского и экология окружающей природной среды.

59. Синергетика и основные принципы самоорганизации систем.

60. Современное естествознание и проблема социума. Техногенное общество. Роль современного естествознания в преодолении энергетического, экологического и информационного кризисов.

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Основная:

1. Дубнищева, Т. Я. Концепции современного естествознания : учебник / Т. Я. Дубнищева. – М. : Академия, 2003.

2. Найдыш, В. М. Концепции современного естествознания : учеб. пособие / В. М. Найдыш. – М. : Гардарики, 2004.

3. Рузавин, Г. И. Концепции современного естествознания : учебник / Г. И. Рузавин. – М. : ЮНИТИ, 2005

Дополнительная:

1. Бондарев, В. П. Концепции современного естествознания : учеб. пособие / В. П. Бондарев. – М. : Альфа-М, 2003.

2. Горелов, А. А. Концепции современного естествознания : учеб. пособие / А. А. Горелов. – М. : ВЛАДОС, 2000.

3. Гусейханов, М. К. Концепции современного естествознания : учебник / М. К. Гусейханов, О. Р. Раджабов. - М. : Дашков и К, 2004.

4. Концепции современного естествознания : метод. указ, темы семинаров и контрольные задания. Рабочая программа / сост. В. Н. Соловьев, Г. В. Парантаев, А. В. Боровиков. – СПб. : СПбГАСЭ, 2003.

5. Концепции современного естествознания : практикум /сост. А. А. Романова, В. Б. Коцкович, П. П. Рымкевич, Г. Р Асатрян [и др.]; под. ред. А. А. Романовой – СПб. : СПбГУСЭ, 2006.

ТЕХНИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА ОБУЧЕНИЯ

По данной дисциплине используются технические и электронные средства обучения:

– электронный учебник «Физика»;

– электронный учебник «Элементы космологии»;

– пакет прикладных программ по моделированию физических процессов ElektroMF.

МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

По данной дисциплине используются технические и электронные средства обучения, учебно-наглядные, видео и аудиоматериалы.

Составители: к.т.н., доц. А.А. Романова, к.т.н., проф. Ю.В. Гомзин кафедры «Прикладная физика».

Рецензент: д.т.н., проф. кафедры «Прикладная физика» Ю.Н. Чилин.