Учебно-методическое пособие по курсу

«КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО

ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУ ВПО «РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет естествознания

Кафедра общей биологии

Учебно-методическое пособие по курсу

«КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ»

Ростов-на-Дону

2006

УДК - 50

ББК - 20

М-54 КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ. Учебно-методическое пособие к лекционному курсу, семинарским занятиям и для самостоятельной работы студентов. Ростов–на–Дону. Издательство Ростовского государственного педагогического университета, 2006. – 78 с.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Ростовского государственного педагогического университета.

Учебное пособие утверждено на заседании кафедры общей биологии РГПУ (протокол № 8 от 7 апреля 2006 г.)

Составители: Абакумова Л.В., кандидат биологических наук, доцент;

Кирой Р.И., кандидат биологических наук, доцент;

Шустанова Т.А., кандидат биологических наук, доцент;

Мягкова Ю.Я., кандидат биологических наук, доцент.

Рецензент: Буриков А.А., доктор биологических наук, профессор кафедры общей биологии Ростовского государственного педагогического университета

Введение

В настоящем учебном пособии представлен учебно-методический материал по организации аудиторных занятий и самостоятельной работы студентов, а также различные виды тестовых заданий по курсу «Концепции современного естествознания» в полном соответствии с ГОС ВПО 2005 г. и программой этого курса для студентов гуманитарных факультетов Ростовского государственного педагогического университета.

• Пособие может быть использовано для подготовки к занятиям, зачету и экзамену, при самостоятельной работе студентов, а также для традиционного, либо тестового контроля знаний студентов в курсе «Концепции современного естествознания».

Целью курса «Концепции современного естествознания» является обеспечение фундаментальности и целостности высшего образования, что, в свою очередь, соответствует тенденциям общемирового развития науки и общества в целом.

Задачи курса: ознакомление с историей естествознания, достижениями современного естествознания, овладение понятийным аппаратом естественных наук, приобретение опыта анализа информации, проникающей в массовое сознание, усвоение основных методов.

В результате освоения курса студент:

должен знать основные направления развития естествознания и их главные проблемы, содержание естественнонаучного метода познания и его взаимоотношения со специфическими методами исследования конкретных наук о природе, знать историю естественнонаучной мысли;

должен иметь представление о месте и роли естествознания в системе культуры, об организационном единстве микро-, макро- и мегамиров, единстве фундаментальных законов строения и эволюции мегамира;

должен уметь ориентироваться в новейших достижениях естествознания, давать научно обоснованное толкование информации, проникающей в массовое сознание.

Программа курса

Понятие естествознания. Наука как часть культуры общества. Классификация наук. Естествознание как система наук. Роль естественных наук в жизни общества на нынешнем этапе развития.

Актуальность синтеза естественнонаучных знаний: существующие подходы и перспективы.

Предмет естествознания. Научные факты, научные методы и научные результаты, их общность и различия.

Фундаментальные и прикладные естественные науки, их взаимосвязь. Пограничные естественные науки и их роль в интеграции естественнонаучных знаний.

Научные методы естествознания. Роль метода в естественных науках. Многообразие научных методов. Эмпирические и теоретические методы научного познания. Различие и общность наблюдений и экспериментов. Измерение – основа количественного опыта.

Основные теоретические методы познания, их взаимодополнительность. Догадка, гипотеза и теория как этапы теоретического осознания явлений. Проверка гипотез. Индукция, дедукция и аналогия как виды теоретических умозаключений. Синтез, анализ и моделирование как эффективные научно-теоретические методы. Объективные условия возрастания роли моделирования в современной науке. Виды научных моделей: идеальные и материальные, физические и математические модели.

Системный подход в естествознании. Общая теория систем, ее основные положения. Понятие о статических и динамических, открытых и закрытых, детерминированных и вероятностных, простых и сложных системах. Понятия подсистемы, элемента, среды, состава, структуры, состояния, процесса. Связи – основное понятие теории систем. Обратные связи (положительные и отрицательные) и их роль в саморегуляции систем.

История естественнонаучной мысли. Античная цивилизация как наследница египетской и вавилонской культур. Выдающаяся роль Древней Греции в общемировом развитии. Зарождение естественных наук в Древней Греции, основные характеристики этого процесса. Натурфилософский подход к изучению природы, его основные черты.

Основы учения о природе представителей милетской школы натурфилософов (Фалес, Анаксимандр, Анаксимен), его обогащение в трудах Гераклита, Эмпедокла, Левкиппа, Демокрита. Выдающаяся роль Аристотеля в систематизации и развитии естественнонаучных знаний древнегреческого мира, его основные научные достижения.

Анализ натурфилософского подхода в изучении природы. Выдающиеся достижения и недостатки натурфилософии. Значение натурфилософии как базы последующего прогресса естественнонаучной мысли.

Особенности эллинистического этапа естественнонаучного развития в Древней Греции, его главные достижения и выдающиеся представители (Аристарх, Евклид, Эпикур, Архимед). Естественнонаучные воззрения в Древнем Риме как отражение преемственности в развитии античной культуры.

Общая характеристика естественнонаучного развития в эпоху средневековья. Господство религиозной схоластики и искоренение научных достижений античности в V-ХII в.в. н.э. Роль алхимии в развитии естествознания и ее достижения в эпоху средневековья.

Арабская линия в средневековой науке, ее общие черты и отличия от европейской линии. Возрождение и развитие античных естественнонаучных достижений в работах выдающихся арабских ученых (Хорезми, Бируни, Авиценны, Омара Хайяма, Улугбека).

Естественнонаучное развитие в эпоху Возрождения. Постепенный отход от натурфилософии и зарождение элементов современной науки. Взаимосвязь развития естествознания и техники как материальной базы новой науки. Леонардо да Винчи – универсальный гений эпохи Возрождения, его заслуги перед естествознанием.

Развитие астрономической метрологии и необходимость пересмотра системы мира Птолемея. Учение Н.Коперника об устройстве Вселенной. Первая научная революция в естествознании.

Зарождение специальных естественных наук – анатомии (А.Везалий), физиологии и эмбриологии (У.Гарвей). Зарождение новой физики и выдающаяся роль в ней Г. Галилея.

Формирование новой научной методологии, ее основные положения. Выдающийся вклад в методологию Ф.Бэкона и Р. Декарта.

Развитие достижений Н.Коперника в работах И. Кеплера. Завершение подготовительного этапа формирования механики как единой науки о движении земных и небесных тел.

Естественнонаучное развитие в новое время (эпоха капитализма). Выдающаяся роль И.Ньютона как создателя классической механики – первой законченной научной теории. Влияние классической механики на научное мировоззрение эпохи капитализма. Формирование первой физической картины мира и ее воздействие на развитие специальных наук. Вторая научная революция. Механистическая картина мира (Г. Галилей, И. Кеплер, И. Ньютон). Основные положения механической картины мира.

Основные достижения специальных наук в ХVII-ХVIII вв., базирующиеся на механистическом подходе к явлениям природы: физики жидкости (Э.Торричелли, Б.Паскаль), газа (Р.Бойль, Э.Мариотт), твердого тела (Р.Гук), электричества и магнетизма (Кулон, Гальвани, Вольта, Ом), химии (А. Бойль, А. Лавуазье, А. Авогадро), физиологии.

Возрождение античного системно- эволюционного подхода к изучению биологических объектов (Ж.Кювье, К. Линней, Ж. Ламарк).

Естественнонаучное развитие в ХIХ веке и его характерные особенности. Третья революция в естествознании. Открытие закона сохранения и превращения энергии и его значение для естествознания (Ю. Майер, Д. Джоуль).Вклад химиков в диалектизацию естествознания (Ф. Велер, Ш. Жерар, Д. И. Менделеев).

Открытие полевой формы материи и его значение для естествознания (М.Фарадей, Д.Максвелл). Принципиальное отличие полевого подхода в изучении взаимодействия тел от неполевого (дальнодействие и близкодействие). Уравнение Максвелла как теоретическое обоснование единой природы электричества и магнетизма.

Замена физической механистической картины мира электромагнитной, ее основные положения. Преимущества электромагнитной картины мира в объяснении явлений и объектов природы.

Четвертая научная революция в естествознании. Проникновение вглубь материи. Доказательства дискретности строения вещества: открытие электрона (Д. Томсон) и радиоактивности атома (А. Беккерель, П. и М. Кюри). Модель атома Резерфорда-Бора.

Торжество дискретно-атомистического подхода в химии и биологии ХIХ в. Труды Д.Менделеева, А.М. Бутлерова в области химии.

Создание клеточной теории и ее значение в биологии (М.Шлейден, Т.Шванн, Р.Вирхов).

Открытие Ч.Дарвином основных закономерностей биологической эволюции и их общенаучное значение. Открытие Г.Менделем основных законов биологической наследственности, общенаучное значение этого достижения. Взаимоотношения открытий Ч.Дарвина и Г.Менделя на начальном этапе эволюционного учения и в дальнейшем.

Естествознание в конце ХIХ – первой половине ХХ вв. как отражение качественного скачка познания природы. Взаимоотношения классической и релятивистской механики. Общая теория относительности А.Эйнштейна и относительность пространства и времени.

Новейшая революция в естествознании и замена электромагнитной картины мира квантово- полевой, ее основные положения.

Проявление новейшей естественнонаучной революции в области биологии, становление и развитие молекулярной биологии (Ф. Крик, Д. Уотсон, Т. Морган, Л. Полинг, Ф. Сенгер). Значение молекулярной биологии для биологических наук и естествознания в целом.

Панорама современного естествознания. Основные направления развития современного естествознания (в области физики, химии, биологии) и их главные научные проблемы.

Современная научно-техническая революция (НТР) и ее характерные особенности. Влияние НТР на развитие естествознания и общественный прогресс. Основные направления развития НТР (освоение новых источников энергии, создание материалов с заданными свойствами, разработка информационных технологий и т.д.).

Основные категории естествознания: материя, движение, пространство, время, организация. Материя как объективная реальность. Антипод материи – идеальное. Материализм и идеализм как два альтернативных методологических подхода к происхождению мира. Формы материи: вещество, поле и вакуум. Их взаимопревращение и основные закономерности таких процессов. Общность и различие вещественной и полевой форм материи. Корпускулярно-волновой дуализм.

Движение – неотъемлемое свойство материи. Формы движения материи, их иерархия. Естествознание как общая наука о природных формах движения материи.

Пространство – как основная категория естествознания. Абсолютное и относительно, однородное и неоднородное, дискретное и непрерывное пространства, их отличия. Евклидова и неевклидовы геометрии пространства, их особенности.

Время как форма существования материи. Абсолютное и относительное, однородное и неоднородное, дискретное и непрерывное время, их отличия. Направленность («стрела») времени.

Понятие о 4-х мерном пространстве-времени (Г.И. Минковский). Интервал между событиями и его инвариантность. Проблема «путешествий во времени и пространстве».

Организация – важнейшее свойство движущейся материи. Организация - как мера упорядоченности системы. Виды организации: структура и ритм. Их различие и диалектическое единство. Основные количественные характеристики организации: неопределенность, энтропия, информация.

Вероятность и организация. Единицы измерения информации – бит и байт. Передача информации по каналам связи. Способы борьбы с помехами: избыточное кодирование, фильтрация. Применение информационного подхода в естествознании (информационная емкость молекул, уровень организации биосистем, пропускная способность рецептивных каналов, кодирование и фильтрация информации в органах чувств и др.)

Понятие о самоорганизации.

Схема структурной организации материи и ее основные свойства (древовидность, самозамкнутость, иерархичность).

Уровни структурной организации фундаментальной материи. Элементарные частицы как низший уровень материальных структур. Классификация элементарных частиц по различным критериям (массе, электрическому заряду, времени жизни и др.) Гипотеза кварков и ее значение для объяснения многообразия элементарных частиц, кварковая модель адронов.

Фундаментальные взаимодействия (силы природы) – решающий фактор движения и организации материи. Виды фундаментальных взаимодействий и их основные характеристики (радиус действия, относительная величина, частицы – переносчики). Современные научные представления о единстве фундаментальных взаимодействий. Перспективы теоретического объединения всех сил.

Объединение элементарных частиц в атомные ядра, основные закономерности этого процесса. Ядерные реакции синтеза и расщепления. Объединение атомов в молекулы. Виды химической связи и ее фундаментальная природа. Объединение молекул в простые вещества. Основные агрегатные состояния вещества. Плазма – особое состояние вещества. Отличия низкотемпературной и высокотемпературной плазмы. Основные свойства плазмы.

Уровни структурной организации геологической ветви материи: минералы – горные породы – геологические формации –надформационные структуры (геосинклинали, геоплатформы) - земная кора Геосфера и ее оболочки (магнитосфера, атмосфера, гидросфера, литосфера, мантия, барисфера).

Структуры мегамира: планеты, звездно-планетные системы, звездные системы (галактики), Вселенная (Метагалактика), соотношение их уровней организации. Органическое единство мега- и микромира, обусловленное единством их происхождения.

Структурные уровни организации биологической ветви материи. Биологические макромолекулы - основные структурно-функциональные элементы жизни. Основные виды биомолекул, особенности строения, функции. Клетка - структурная и функциональная единица организма. Основные положения клеточной теории (Т. Шванн, М. Шлейден, Р. Вирхов). Органоиды клетки, их функции. Ткани, органы, системы органов, организм, сообщества организмов. Сложные биологические системы: популяция, вид, биогеоценоз. Их особенности и иерархия.

Человек – тело и разум. Ветвь интеллекта в организации материи. Единство материального и идеального в организации мозга. Человеческий мозг как высший уровень организации материи.

Геосфера, биосфера, ноосфера как завершение ветвей структурной организации материи. Единство и различие всех сфер.

Ритмическая организация материи – закономерное следствие ее временной организации. Гипотетические представления о внутренней природе, происхождении и эволюции естественных ритмов.

Электромагнитные взаимодействия как субстрат и причина большинства известных ритмов. Их проявление в изменениях состояний атомов, молекул и надмолекулярных структур. Астрономические мегаритмы (для Вселенной, Галактики, Солнечной системы), и их проявление на уровне глобальных геологических и биологических процессов.

Солнечные ритмы. Два вида солнечных ритмов: - физические (ритм солнечной активности); - геометрические (астрономические). Ритмы магнитосферы Солнца, их связь с «солнечным ветром» и влияние на земные процессы.

Гравитационные солнечно-лунно-земные ритмы и их проявление на нашей планете. Лунно-земные ритмы, обусловленные периодичностью лунных фаз. Гидросферные, атмосферные и литосферные приливы, их связь с жизнедеятельностью

Внутриземные ритмы, обусловленные протеканием внутренних геофизических процессов и проявляющиеся в движении магнитных земных полюсов, вулканических извержениях, колебаниях и перемещениях земной коры и т.д. Их влияние на общебиологические процессы. Земные общепланетные ритмы: годичные и суточные. Важнейшая роль циркадных ритмов в процессах жизнедеятельности, современные научные данные о циркадных ритмах человека. Внутриклеточные биохимические и физиологические ритмические процессы, их роль в жизнедеятельности. Понятие о «внутренних часах» и научные данные об их изучении.

Универсальный эволюционизм природы. Проблема научного познания космогенеза: история, современное состояние, перспективы. Важность решения этой проблемы для естествознания. Исторические попытки теоретического описания состояния Вселенной (А.Эйнштейн, А.А.Фридман, Ж. Леметр). Гипотеза Ж. Леметра «Большого взрыва» Вселенной, ее теоретические и опытные обоснования. Закон Э.Хаббла и его значение для космологии. Гипотезы, альтернативные «Большому взрыву», и их обоснования. Общие представления о возникновении и развитии Вселенной согласно гипотезе «Большого взрыва». Хронология эволюции Вселенной (основные эры и эпохи).

Современная (звездная) эра Вселенной. Начало структурной самоорганизации вещества во Вселенной. Жизнь звезд. Различные сценарии звездных превращений. Механизмы образования легких, средних и тяжелых химических элементов во Вселенной, их распространенность в космосе. Возникновение космического молекулярного вещества.

Основные параметры Вселенной в настоящее время, методы их определения. Теоретические модели будущего развития Вселенной и три основных сценария этого процесса. Плотность вещества Вселенной как основной критерий выбора адекватной модели ее развития. Образование звездно-планетных систем – закономерный этап развития Вселенной. Основные характеристики Солнца – центрального тела солнечной системы. Параметры Солнца как звезды Галактики. Строение и состав Солнечной системы (планеты, спутники, кометы, метеориты). Земля как планета солнечной системы. Внутреннее строение Земли. Научные представления о происхождении и эволюции нашей планеты. Земля как динамическая неравновесная система.

Возникновение жизни – закономерный этап земной эволюции. Жизнь как космический феномен (В.И.Вернадский). Научные данные о сроках возникновения жизни на Земле. Проблема выбора сценария появления жизни. Гипотезы стационарного состояния и панспермии. Абиогенез как наиболее вероятный гипотетический вариант и его основные положения (А.И.Опарин, Дж. Холдейн). Опыты С.Миллера как косвенное подтверждение гипотезы Опарина-Холдейна. Химическая эволюция как второй этап биогенеза. Необходимые условия для протекания химической эволюции и научные представления об их существовании на древней Земле. Предбиологическая (биохимическая и микроструктурная) эволюция как необходимый этап возникновения живых организмов. Основные итоги предбиологической эволюции: возникновение белково-нуклеотидных комплексов, ферментов, универсального генетического кода, механизмов биологического воспроизводства (репликации, транскрипции, трансляции, белковой сборки), появление первичных клеток – протобионтов.

Научные попытки определения жизни. Два основных подхода к анализу признаков живого – «структурный» и «функциональный», их основные достижения и ограничения. Критерии жизни.

Теория эволюции живых организмов. Движущие силы эволюции.

Общие черты и качественные отличия эволюции человека в сравнении с другими биологическими видами. Этапы филогенеза гоминид, социальная и биологическая эволюция человека. Развитие мозга – магистральное направление эволюции человека. Понятие о нейронном ансамбле как функциональной единице мозга. Развитие мозга в онтогенезе и формирование интеллекта. Основные характерные черты разума, его отличия от психики животных. Связь интеллекта со структурами мозга. Происхождение земного разума как итог биологической эволюции гоминид.

Возникновение интеллекта – закономерный этап эволюции Вселенной. Креационизм и другие нематериалистические подходы к пониманию происхождения интеллекта. Антропный принцип; история и формулировки.

Будущее интеллекта и жизни как кардинальная проблема космологии. Варианты будущего Земли с позиций влияния космических и геофизических факторов. Антропогенные факторы, лимитирующие естественное долголетие биосферы и геосферы, пути преодоления негативных последствий этого.

Объективные причины, предопределяющие выход человека в космос. К.Э.Циолковский – провозвестник космической эры человечества. Космические достижения землян. Основные направления освоения космоса. Проекты заселения человеком космических объектов.

Будущее интеллекта – наиболее захватывающая проблема эволюции человека. Научные подходы к трактовке биологической эволюции человека в настоящем и будущем. Возможности интеллекта в созидании биологической судьбы человечества. Искусственный и естественный интеллекты: взаимоотношения и перспективы эволюции.

Проблема научного описания самоорганизации материи: ограничения, накладываемые классической (равновесной) термодинамикой. Идеи Э.С.Бауэра, Э.Шредингера об исключительной неуравновешенности живых организмов.

Понятие о диссипативных структурах и их основные свойства (И. Пригожин). Значение изучения диссипативных структур для объяснения механизмов структурной самоорганизации.

Синергетический подход к построению теории самоорганизации материи и его отличие от неравновесно-термодинамического. Предмет изучения и области применения синергетики. (Г. Хакен).

Общее понятие о новых научных направлениях теоретического описания эволюции систем различной природы (теории самодезорганизации, бифуркации, перестроек, катастроф, нелинейных колебаний и волн, эволюционика).

Симметрия – универсальное свойство природных объектов и процессов. Пространственная симметрия формы объектов. Элементы и операции симметрии. Понятие асимметрии, дисимметрии, антисимметрии. Проявление симметрии формы в мега- и макромире.

Симметрия свойств природных объектов (физических, химических, биологических). Индикатрисы изотропных и анизотропных объектов живой и неживой природы. Общность и различия симметрий формы и свойств объектов. Зеркальная симметрия – наиболее распространенный вид природной симметрии. Различия в свойствах и поведении у «правых» и «левых» природных объектов (физических, химических, биологических) и фундаментальные причины этого.

Симметрия физических явлений и процессов и ее связь с симметрией пространства и времени. Проблема роли симметрии и ее нарушений в происхождении и эволюции материального мира. Фундаментальная роль науки о симметрии в естествознании.

Вненаучные методы познания природы: мифология, религия, искусство, литература (в т.ч. научно-художественная и научно-фантастическая), рациональный опыт, обыденное сознание. Их возможности, сравнительные особенности и основные достижения. Взаимодополнительность научных и вненаучных методов познания природы.

«Две культуры» в общественном развитии как следствие исторических условий и сложности социогенеза (Ч.Сноу). Закономерный переход к синтезу достижений культуры в настоящее время. Существующие проблемы и способы их преодоления на пути к единой культуре.