Методика обучения студентов машиностроительных направлений подготовки обобщенному методу решения типовых профессиональных задач

МЕТОДИКА ОБУЧЕНИЯ СТУДЕНТОВ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ПОДГОТОВКИ ОБОБЩЕННОМУ МЕТОДУ РЕШЕНИЯ ТИПОВЫХ ПРОФЕССИОНАЛЬНЫХ ЗАДАЧ

А.Г. Валишева, И.А. Крутова

Аннотация. В статье представлен способ реализации практической направленности подготовки инженера, через выявление системы типовых профессиональных задач специалиста и формирование методов их решения в обобщенном виде. Описана методика обучения студентов обобщенному методу решения типовых профессиональных задач.

Ключевые слова: инженерное образование, типовые профессиональные задачи, обобщенный метод, методика обучения обобщенному методу.

Summary. This article presents the methods of implementation the practice-oriented training of engineers through the identification of typical professional tasks and the formation of generic means to solve them. It also describes the methodology of students training to the generalized means of solving typical professional tasks.

Keywords: engineering education, typical professional tasks, generalized method, means of training the generalized method..

На современном этапе развития общества первоочередной задачей является подготовка высококвалифицированных, конкурентоспособных специалистов любой отрасли. Государство нуждается в специалистах, адаптированных к быстро меняющимся условиям, способных решать разнообразные производственные задачи. Введение федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования привело к пересмотру содержания, методик и технологий образования. В результате освоения основной образовательной программы выпускник должен овладеть определенным набором об-

щекультурных и профессиональных компетенций. Их анализ позволяет выделить виды профессиональной деятельности, которыми должен овладеть будущий инженер, с опорой на научные знания, приобретенные в процессе изучения различных дисциплин математического и естественнонаучного и профессионального циклов, в число которых входит физика.

В процессе изучения курса физики в университете у студентов должны быть сформированы знания и умения, необходимые для дальнейшего изучения дисциплин профессионального цикла. Поэтому курс физики должен

117

118

стать средством подготовки будущего инженера и иметь профессиональную направленность.

Анализ курса физики показал, что при изучении большинства тем имеются возможности для раскрытия значимости физических знаний в профессиональной деятельности инженера. Однако существующие программы по физике не отражают в полной мере профессиональной направленности обучения, следствием чего является отсутствие у студентов мотивации к изучению физики и недостаточный уровень их подготовки. Проведенный констатирующий эксперимент также показал, что обучаемые испытывают затруднения в применении физических знаний для решения профессиональных задач.

В качестве теоретической основы для поиска другого направления, позволяющего подготовить специалиста в университете, выбрана идея Н.Ф. Талызиной о том, что «при разработке целей обучения конкретному предмету прежде всего необходимо выделить систему типовых задач, для решения которых готовится обучаемый». Эта идея позволила выявить способ решения проблемы подготовки студентов к профессиональной деятельности при изучении конкретных учебных дисциплин. Для этого необходимо: 1) выявить систему типовых профессиональных задач инженера в области машиностроения; 2) разработать методы их решения в обобщенном виде; 3) разработать методику их формирования у студентов.

Инженер в области машиностроения должен быть готов к выполнению следующих видов деятельности: производственно-технологиче-

ской, научно-исследовательской, про-ектно-кон структорской, органи за ци-онно-управленческой деятельности. Анализ конечных продуктов деятельности инженера и «механизм» выделения типовых профессиональных задач специалиста [1, с. 49] позволил выделить следующие типовые профессиональные задачи, которые решает инженер:

1) создание объекта с заданными свойствами;

2) разработка технологии (метода) создания объекта с заданными свойствами;

3) устранение отклонений от нормы значений параметров состояний объ екта;

4) хранение или транспортировка объекта без изменения заданных свойств;

5) нахождение или оценка значения величин, описывающих физические (физико-механические) свойства объекта в определенном состоянии;

6) управление технологическим процессом получения объекта с заданными свойствами;

7) эксплуатация технического оборудования (приборов и технических устройств, предназначенных для получения сварных соединений, контроля качества сварных соединений, выпускаемой продукции и участвующих в технологическом процессе);

8) проектирование деталей и узлов машиностроительных конструкций различного назначения в соответствии с заданием;

9) наладка, настройка и регулирование технического оборудования (приборов и технических устройств, предназначенных для получения сварных соединений, контроля качества сварных соединений, выпускаемой

продукции и участвующих в технологическом процессе);

10) моделирование процессов и оборудования;

11) управление технологическим процессом, работой технического объекта.

Приведем формулировки конкретных задач, относящихся к указанным типам, решаемых с использованием физических знаний:

• создайте устройство, сигнализирующее о загазованности помещения, в котором ведутся сварочные работы, выше установленных норм (задача первого типа);

• разработайте технологию обнаружения утечки газа в магистральном трубопроводе (задача второго типа);

• предложите метод по устранению вредных веществ, выделяющихся в процессе проведения сварочных работ (задача третьего типа);

• обеспечьте безопасное хранение водорода при температуре 20 °С в баллоне, имеющем пятикратный запас прочности, если известно, что 1 кг азота, хранившийся в таком же баллоне, взорвался при температуре 350 °С (задача четвертого типа);

• подъемный кран с помощью стального троса, имеющего площадь поперечного сечения 2 см2, поднимает грузы разной массы. Груз какой максимальной массы может поднять кран без разрыва троса, если разрушающая нагрузка для стали при растяжении равна 125 МПа, коэффициент запаса прочности - 2,5 (задача пятого типа);

• для газосварки используется баллон с кислородом, находящийся под давлением. в процессе сварки с помощью редуктора в горелке было установлено давление 5,0^105 Па. На какое вре-

мя хватит кислорода для непрерывной сварки, если горелка потребляет его со скоростью 2^10-2 м3/ч? Учесть, что сварка прекратится, как только давление в баллоне сравняется с давлением в горелке. Температуру считать постоянной (задача пятого типа).

• докажите, что в котле, состоящем из цилиндрической части (обечайки) и двух полусферических днищ, прочности обечайки и днищ окажутся равными, если сделать днища вдвое более тонкими, чем стенки обечайки (задача пятого типа).

После того как выявлены типовые профессиональные задачи, необходимо разработать методы их решения в обобщенном виде. Обобщенные методы обладают свойством широкого переноса и позволяют решать целый класс задач данного типа. Обобщенные методы решения типовых задач разного типа раскрыты в ряде работ авторов [1-4].

Рассмотрим обобщенный метод решения профессиональной задачи «Нахождение или оценка значения величин, описывающих физические (физико-механические) свойства объекта в определенном состоянии». Он выделен на основе обобщенного метода решения типовой задачи по нахождению значения физических величин [5, с. 30] и представляет собой последовательность логически взаимосвязанных обобщенных действий:

1) выделить физическую величину, которую надо найти или оценить;

2) указать, какое свойство объекта и в каком состоянии описывает искомая физическая величина;

3) составить физическую модель ситуации, описанной в задаче;

4) записать закон, описывающий физическую модель ситуации;

119

120

5) составить уравнение (систему уравнений), в которую входит искомая физическая величина;

6) проверить, соответствует ли составленное уравнение (система уравнений) физической модели ситуации, описанной в данной задаче;

7) проверить, соответствует ли число неизвестных в уравнении (системе уравнений) числу уравнений;

8) решить уравнение (систему уравнений) относительно искомой величины;

9) найти или оценить значение искомой физической величины;

10) проверить полученное значение физической величины на соответствие реальным значениям (сравнить с допустимыми значениями).

Формирование данного обобщенного метода происходит на практических занятиях по физике. Оно не требует дополнительного времени и укладывается в количество часов отведенных для занятий данного вида. Как правило, курс физики изучается на протяжении трех семестров. Количество часов, отведенных на семинарские занятия при изучении разделов курса физики, таково: «Физические основы механики» и «Молекулярная физика и термодинамика» - 38 часов; «Электричество и магнетизм» - 36 часов; «Оптика. Атомная и ядерная физика. Квантовая физика» - 38 часов.

Рассмотрим методику обучения студентов обобщенному методу решения типовых профессиональных задач. Система занятий по формированию обобщенных методов реше-

ния типовых задач разбивается на три этапа.

Первый этап - подготовительный. На этом этапе организуется деятельность студентов по решению конкретных задач определенного типа. Преподаватель мотивирует студентов, создавая ситуацию, в которой возникает потребность в решении конкретной задачи, и предлагает им самостоятельно разработать метод ее решения. При этом он обращается к студентам с вопросами, побуждающими к формулировке названия действия и к выполнению этого действия. При этом результат деятельности студентов фиксируется в тетради и на доске в табл. 1. Заполнение такой таблицы позволяет в дальнейшем выявить обобщенный метод решения задач определенного типа.

При решении следующей задачи целесообразно предложить студентам разбиться на группы и самостоятельно предложить метод ее решения. Затем каждая группа докладывает о результатах своей работы. Скорректированный метод решения конкретной задачи записывается в тетради. В качестве домашнего задания студентам предлагается система задач, для которых необходимо разработать метод решения. На данном этапе учащимся достаточно решить пять-шесть задач.

Опишем фрагмент сценария занятия, на котором организуется деятельность студентов по планированию действий при решении конкретной задачи при изучении темы «Упругие деформации твердого тела».

Таблица 1

Таблица результатов деятельности обучающихся по выделению методов решения задачи

№ действия Метод решения задачи Результат выполнения каждого действия метода

Преподаватель: Одним из неразъемных способов соединения двух деталей является клепка. В отверстие склепываемых деталей клепка вставляется как в холодном, так и в горячем состоянии. Итак, давайте решим задачу: «Установите, с какой силой стягиваются клепанные детали толщиной по 9 мм, если стальная заклепка диаметром 10 мм была первоначально раскалена до температуры 500 °С. Остыв, заклепка приобретает температуру 20 °С».

Составим систему действий по решению данной задачи. Записи будем производить в таблице (см. табл. 1). Начертите ее в тетради. Начинать решение любой задачи надо с анализа ее текста с целью выяснения конечного продукта деятельности - определения физической величины, которую надо найти или оценить. Проанализируйте условие задачи и выясните, что необходимо найти в задаче.

Студент: Необходимо найти силу стягивания двух деталей.

Преподаватель: Запишем этот ответ в третью графу таблицы. Достаточно ли нам знать, что надо найти силу стягивания двух деталей?

Студент: Нет. Мы должны знать, в каком состоянии находятся соединяемые детали и заклепка.

Преподаватель: Сформулируйте второе действие метода по решению данной задачи.

Студент: Определить в каком состоянии находятся тела, о которых идет речь в тексте задачи.

Преподаватель: Запишите это действие во вторую графу под номером 2, выполните его и результат зафиксируйте в третей графе таблицы. В каком состоянии находятся тела, о которых идет речь в тексте задачи?

Студент: Тело заклепок раскалено до 500 °С.

Преподаватель: Какое следующее действие мы должны выполнить?

Студент: Перевести текст задачи на язык физики.

Преподаватель: Составить физическую модель ситуации описанной в задаче. Запишите это действие во вторую графу под номером 3. Что нам необходимо для того, чтобы составить физическую модель ситуации, описанной в задаче?

Студент: Выделить взаимодействующие тела, таковыми являются деталь и заклепка; определить начальные и конечные параметры этих тел: раскаленная до 500 °С заклепка вставляется в отверстие двух деталей, в конечном состоянии тело заклепки охлаждается до температуры 20 °С, сужаясь, стягивает склепываемые детали.

Преподаватель: Запишите полученный результат в третью графу таблицы.

Аналогично организуется деятельность студентов по выявлению действий метода и его конкретизации при решении конкретной задачи. В результате в тетрадях студентов получается табл. 2.

Второй этап обучения обобщенному методу решения типовых задач (методологический этап) целесообразно провести сразу же после завершения первого этапа. Обучаемым предлагается сравнить последовательность и содержание действий, выполняемых ими при решении задач, и выделить обобщенный метод их решения.

На третьем этапе осуществляется обучение студентов самостоятельному планированию деятельности по решению конкретных задач с опорой на обобщенный метод. Чтобы содержа-

121

Таблица 2

Результаты деятельности студентов по выделению метода решения задачи «Нахождение или оценка значения величин, описывающих физические (физико-механические) свойства объекта в определенном состоянии»

122

№ действия Метод решения задачи Результат выполнения каждого действия метода

1 Выделить физическую величину, которую надо найти или оценить Сила стягивания двух деталей Е

2 Определить в каком состоянии находятся тела, о которых идет речь в тексте задачи Тело заклепок раскалено до 500 °С

3 Составить физическую модель ситуации описанной в задаче 1. Взаимодействующие тела: деталь и заклепка; 2. Начальные параметры тел: начальная температура заклепки Т0 = 500 °С, диаметр заклепки d0 = 10 мм, длина 10 = 18 мм 3. Конечные параметры: конечная температура заклепки Т = 20 °С

4 Записать законы, описывающие физическую модель ситуации Закон Гука _ „, а = Ее,

5 Составить систему уравнений, в которую входит искомая физическая величина Напряжение , ° = ^ ' (3) о та^ где Л =- - площадь поперечного сечения 4 заклепки

6 Проверить, соответствует ли составленная система уравнений физической модели ситуации, описанной в данной задаче Соответствует

7 Проверить, соответствует ли число неизвестных в уравнении (системе уравнений) числу уравнений Число уравнений не соответствует числу неизвестных. Относительное сжатие заклепки е = М- (4) /

8 Решить систему уравнений относительно искомой величины р = ап Ей2 (То - Т) (5) 4

9 Найти или оценить значение искомой физической величины F = 112,3 кН

10 Проверить полученное значение физической величины на соответствие реальным значениям Полученное значение силы соответствует реальным значениям

ние обобщенного метода было усвоено обучаемыми, необходимо многократно применить его для решении конкретных задач.

Обобщенный метод «Нахождение или оценка значения величин, описывающих физические (физико-механические) свойства объекта в определенном состоянии», применим для решения задач не только в курсе физики, но и в курсах «Техническая механика», «Электротехника и электроника», «Основы проектирования» и «Проектирование сварных конструкций».

Для проверки сформированности у студентов обобщенных методов решения типовых профессиональных задач им предлагаются задания, целью которых является фиксирование выполняемых действий. Для выяснения соответствия метода, предложенного студентом, обобщенному методу решения задач данного типа в выполненных работах проверяется наличие каждого действия, входящего в обобщенный метод. Получены следующие результаты: 60% студентов усвоили метод полностью, 25% - усвоили метод частично, пропустив некоторые его действия, 11% - выполнили действия обобщенного метода хаотично и 4% студентов не справились с заданием. Коэффициент сформированно-сти умений составляет 0,91, что является оптимальным.

Чтобы выяснить подготовленность студентов к самостоятельному реше-

нию различных задач, им предлагаются профессионально-ориенти ро ванные задания. Результаты выполнения предложенных заданий показали также оптимальные значения коэффициентов усвоения. Это свидетельствует об эффективности разработанной методики обучения студентов обобщенным методам решения типовых профессиональных задач инженера.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

1. Стефанова Г.П., Крутова И.А., Валише-ва А.Г. Инновационный подход к формированию методов решения типовых профессиональных задач у будущих инженеров // Альма-матер. Вестник высшей школы. - Вып. 8. - 2011. - С. 48-51.

2. Крутова И.А., Валишева А.Г. Обучение студентов обобщенным методам решения профессиональных задач инженера // Вестник Томского государственного педагогического университета. - 2011. - № 2.

- С. 95-99.

3. Крутова И.А., Валишева А.Г. Формирование у студентов обобщенных методов решения типовых профессиональных задач как средство подготовки конкурентоспособного инженера // Наука и школа. - «пп 2011. - № 6. - С. 69-72. '23

4. Крутова И.А., Валишева А.Г. Проблемно-ориентированный подход в профессиональной подготовке будущих инженеров // Наука и школа. - 2012. - № 6. - С. 108111.

5. Стефанова Г. П. Подготовка учащихся к практической деятельности при обучении физике - Астрахань: Изд-во АГПУ, 2001.

- 184 с.