Формирование методов решения профессиональных задач слушателей института морских технологий, энергетики и транспорта

УДК 53:[378.147:66]

Л. П. Скрипко

ФОРМИРОВАНИЕ МЕТОДОВ РЕШЕНИЯ ПРОФЕССИОНАЛЬНЫХ ЗАДАЧ

СЛУШАТЕЛЕЙ ИНСТИТУТА МОРСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ, ЭНЕРГЕТИКИ И ТРАНСПОРТА

В ходе исследования для слушателей института морских технологий, энергетики и транспорта выделено семь типов профессиональных задач, при решении которых используются знания по физике. Разработаны требования по составлению профессиональных задач. Предложена методика обучения слушателей выполнению отдельных действий в рамках обобщенного метода решения задач, связанных с разработкой технологии или способа выполнения деятельности с определенными объектами в определенных условиях на примере специальных упражнений. Использование методики демонстрируется на примере решения профессиональной задачи «Устранение отклонений от нормы значений параметров, характеризующих состояние объекта» при изучении курса общей физики в блоке общеобразовательных дисциплин. Теоретически определено, что существующий базовый курс общей физики позволяет сформировать профессионально значимые умения у студентов института морских технологий, энергетики и транспорта.

Ключевые слова: профессиональные задачи, практически значимые задачи; методы решения профессиональных задач; обобщенные методы решения.

Введение

Практическая подготовка будущих специалистов на современном этапе развития общества является первоочередной задачей системы профессионального образования. В государственном образовательном стандарте высшего профессионального образования (ГОС ВПО) определены требования к содержанию подготовки дипломированного специалиста с присвоением квалификации инженера, бакалавра, магистра. Суть требований ГОС ВПО, предъявляемых к выпускнику технического университета, заключается в том, что дипломированный специалист должен уметь решать задачи, которые будут возникать в процессе его профессиональной деятельности, с применением приобретенных за время учебы знаний. Это означает, что слушатель в процессе обучения должен овладеть методами решения таких задач. Разработка методов решения профессиональных задач осуществляется на основе знаний по естественнонаучным дисциплинам, среди которых существенная роль отводится физике, являющейся фундаментом, на котором строится общеинженерная и профессиональная подготовка слушателей (инженеров, бакалавров, магистров) технического вуза.

Практическая направленность преподавания курса физики в высшей школе определяется многими исследователями как актуальная методическая проблема

Целью нашего исследования являлась разработка методики формирования у слушателей института морских технологий, энергетики и транспорта обобщенных методов решения профессиональных задач с применением знаний по физике.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- определить профессиональные задачи слушателей института морских технологий, энергетики и транспорта, решаемые с применением физических знаний;

- разработать методы решения задач выделенных типов;

- отобрать учебный материал курса физики, изучение которого позволяет формировать у студентов методы решения профессиональных задач;

- разработать требования к формулировкам таких профессиональных задач;

- разработать методику обучения слушателей методам решения задач выделенных типов при изучении курса физики.

Анализ видов профессиональной деятельности специалистов института морских технологий, энергетики и транспорта позволил выделить следующие типы профессиональных задач:

1) получение вещества в заданном состоянии с требуемыми свойствами;

2) разработка технологии (метода, способа) создания заданного объекта для выполнения деятельности с определенными объектами в определенных условиях;

3) эксплуатация технического объекта;

4) устранение отклонений от нормы значений физических параметров, характеризующих состояние объекта;

5) нахождение или оценка значений физических величин, описывающих свойства объекта в заданном состоянии;

6) управление технологическим процессом, работой технического объекта;

7) хранение или транспортировка объекта в определенном состоянии без изменения заданных свойств.

Эти задачи связаны с осуществлением контроля над автоматическими системами и электрооборудованием, генераторами, насосами, нахождением значений напряжения, сопротивления в сетях, температуры и уровня подсланевых вод и пр.

В то же время методы решения этих задач содержат действия, выполняемые с применением знаний по общей физике. Это такие действия, как:

- выявление физических процессов, явлений, воздействий, которые могут быть причиной изменения состояния объекта и приобретения им требуемых свойств;

- выделение условий, при которых осуществляются выявленные процессы, явления, воздействия;

- проведение расчетов (затрат) энергии, необходимой для получения требуемого объекта в заданном состоянии;

- составление принципиальной схемы установки, позволяющей перевести заданный объект из начального состояния в требуемое [1].

Определены требования к формулировкам задач выделенных типов. Обобщенные методы решения задач конкретного типа подробно описаны в работах Г. П. Стефановой [2, 3].

Выделенные типы задач являются ориентирами для преподавателей, ведущих курс физики у слушателей института морских технологий, энергетики и транспорта, которым необходимо предлагать вполне конкретные задачи. Приведем примеры сформулированных нами задач, которые имеют практическое значение (табл. 1).

Таблица 1

Примеры профессиональных задач для слушателей института морских технологий, энергетики и транспорта

Тип задачи Конкретные формулировки задач данных типов

1. Получение вещества в заданном состоянии с требуемыми свойствами. 1. Приготовьте смазку с определенным пределом прочности при деформации сдвига.

2. Разработка технологии (метода, способа) создания заданного объекта для выполнения деятельности с определенными объектами в определенных условиях. 1. Требуется разработать способ определения уровня подсланевых вод и их автоматической откачки в судовых условиях. 2. В судовых условиях при поломке основного масляного насоса подключают резервный. Требуется разработать способ автоматического включения резервного масляного насоса. 3. При обесточивании судовой электрической сети включается аварийный дизель-генератор. Требуется разработать способ для аварийного включения дизель-генератора. 4. Предложите способ подключения измерительных приборов, реле и аппаратов автоматики через измерительные трансформаторы в сетях с напряжением выше 1 кВ.

3. Эксплуатация технического объекта. 1. Разработайте систему действия по использованию компрессорных станций магистральных газопроводов, станций газовых хранилищ, установок компрессорной подготовки газа и нефти на месторождениях, на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях, на газонаполнительных станциях и терминалах сжиженного газа, на предприятиях переработки нефти и газа, компрессорных станциях сжиженного воздуха. 2. Разработайте систему действий, позволяющую увеличить мощность оборудования с газотурбинным приводом. 3. Разработайте систему действий по эксплуатации судовых энергетических установок.

4. Устранение отклонений от нормы значений физических параметров, характеризующих состояние объекта. 1. Устраните замерзание хладагента в системе охлаждения холодильного оборудования судов. 2. При контакте катушек первичной и вторичной обмоток трансформатора происходит пробойное напряжение. Каким образом устранить пробойное напряжение, возникшее в трансформаторе?

5. Нахождение или оценка значений физических величин, описывающих свойства объекта в заданном состоянии. 1. Оцените напряжение на клеммах генератора, питающего электродвигатель, который находится на достаточно большом расстоянии от электростанции. 2. К групповому распределительному щиту электрической подстанции присоединили три параллельные группы потребителей электроэнергии. Оцените ток, идущий по магистральному проводу.

6. Управление технологическим процессом, работой технического объекта. 1. Необходимо осуществить контроль над автоматической подзарядкой аккумуляторов на стационарных установках. 2. Необходимо осуществить контроль над рабочими параметрами дизель-генератора.

7. Хранение или транспортировка объекта в определенном состоянии без изменения заданных свойств. Осуществить транспортировку рыбы в наружном размещении при колебаниях температуры от 20 до 40 °С.

Методы исследования

Чтобы систему практически значимых профессиональных задач включить в цели обучения физики, кроме формулировки этих задач необходимы обобщенные методы их решения.

Далее необходимо установить, какому типу задач возможно обучать слушателей в ходе преподавания конкретной темы курса физики.

Обучение слушателей обобщенным методам решения профессиональных задач выделенных типов должно осуществляться поэтапно.

Начинать обучение необходимо с мотивационного этапа. Цель этапа - создание ситуации, в которой у обучающихся возникают потребность, желание овладеть методами решения профессиональных задач.

Второй этап - подготовительный. Суть его заключается в организации деятельности слушателей по решению задач определенного типа в конце изучения определенной темы курса физики. На этом этапе происходит накопление методов решения конкретных задач.

Третий этап - методологический, на котором слушатели самостоятельно выделяют обобщенный метод решения задач выделенного типа. Здесь же преподавателем осуществляется работа по усвоению обучающимися его содержания. Необходимость этого этапа обосновывается тем, что при самостоятельном выделении содержания обобщенного метода слушателями будут осмыслены все действия, входящие в него, и их последовательность.

Четвертый этап - самостоятельное планирование действий при разработке метода решения конкретных задач с опорой на обобщенный метод.

Пятый этап - полностью самостоятельное решение конкретных профессиональных задач.

Формирование методов решения профессиональных задач возможно только в том случае, если слушатели обучены способам выполнения каждого действия, входящего в их содержание. Для успешного решения задач 1 и 2 типа слушатели в процессе изучения соответствующих тем курса физики должны овладеть следующими навыками:

1) выделять физические явления, процессы, воздействия, с помощью которых можно перевести заданное вещество из начального состояния в требуемое;

2) указывать условия, при которых физические явления, процессы, воздействия возможно осуществить;

3) составлять принципиальную схему установки, позволяющей перевести заданное вещество из начального состояния в требуемое;

4) находить значение энергии, необходимой для получения требуемого вещества в заданном состоянии при определенных условиях.

Овладение каждым отдельным действием осуществляется с помощью специальной серии упражнений, целью которых является закрепление навыка.

Первому действию метода решения профессиональной задачи «Получение вещества в заданном состоянии с требуемыми свойствами» целесообразно обучать слушателей в ходе изучения тем «Реальные газы, жидкости и твердые тела», «Электрический ток в металлах, жидкостях, газах и плазме», «Магнитные свойства вещества», «Электромагнитная индукция», «Термодинамика» и др. Выполнение этого действия опирается на понятие «физическое явление», определяемое как изменение состояния вещества одного физического тела при взаимодействии его с другим физическим телом (веществом) или полем в определенных условиях.

Программа деятельности по выделению физических явлений, в результате которых вещество из начального состояния переходит в новое состояние с требуемыми свойствами, опирается на четыре структурных элемента физического явления, заложенные в его определении: 1) вещество, состояние которого изменяется, и его свойства в начальном состоянии; 2) вещество и его свойства в новом состоянии; 3) воздействующий объект и воздействие, которые являются причиной изменения состояния вещества; 4) условия, при которых возможен переход данного вещества из начального состояния в требуемое.

Для усвоения рассматриваемого действия слушателям предлагается задание «Укажите физические явления, процессы, воздействия, с помощью которых можно перевести заданное вещество из начального состояния в требуемое» и перечень из 8-10 ситуаций. Примерами таких ситуаций могут служить следующие задания:

1. Для бесперебойной работы котлов нужен жидкий мазут, имеющий малую вязкость -около 22-107 м2/с. Требуется осуществить подачу мазута, который находится в высоковязком состоянии в удаленном от котельной резервуаре.

2. Из атмосферного воздуха получен жидкий воздух с целью выделения его компонентного состава.

Образец выполнения задания применительно к данным ситуациям представлен в табл. 2.

Таблица2

Образец выполнения задания

Программа деятельности Выполнение действий программы

Ситуация 1 Ситуация 2

1. Укажите вещество, состояние которого изменяется, и его свойства в начальном состоянии. Мазут в высоковязком состоянии, находящийся в удаленном от котельной резервуаре. Атмосферный воздух в газообразном состоянии при нормальных условиях (Т = 20 °С; Р = 1,013105 Па).

2. Выделите свойства данного вещества в новом состоянии. Жидкий мазут требуемой вязкостью 22-107 м2/с для бесперебойного передвижения его к котлам. Жидкий воздух при критической температуре (Тк = -141 °С).

3. Выделите физические явления, процессы, воздействия, которые являются причиной изменения состояния и получения вещества с требуемыми свойствами. Нагревание мазута. 1) Процесс адиабатического расширения воздуха и охлаждение его вследствие этого. 2) Охлаждение воздуха при совершении им работы.

4. Укажите условия, при которых возможно осуществить выделенные физические явления, процессы и воздействия. Нагревание только части объема мазута до температуры 60 °С обогревателем, установленным внутри резервуара, при отсутствии теплообмена с окружающей средой. Подача жидкого мазута осуществляется из нагреваемого объема. Медленное прохождение порции воздуха под действием перепада давлений сквозь пористую перегородку (дроссель); охлаждение порции воздуха до температуры сжижения ниже критической осуществляется путем многократного прохождения через дроссель (Т < Тк).

Для усвоения слушателями третьего и четвертого действий требуются знания условных обозначений реальных объектов, формул для расчета энергетических затрат. Следовательно, формирование этих действий возможно при изучении тем «Работа. Мощность. Энергия», «Работа и мощность электрического тока», «Электричество и электромагнетизм».

Приведем пример метода решения задачи, связанной с устранением отклонения от нормы значений физических параметров, характеризующих состояние вещества, которая разработана на основе обобщенного метода. Задача такого типа может быть решена в теме «Электромагнетизм».

Задача. При транспортировке жидкой серы по трубопроводу, имеющему оболочку с горячим водяным паром, нередко наблюдается застывание серы внутри трубы. Так как расплавить серу в серо-проводе невозможно, приходится такой участок трубы вырезать вместе с застывшей в ней серой и отправлять на металлолом. Устраните проблему, вызывающую застывание серы внутри трубопровода.

Метод решения.

1. Веществом, параметры состояния которого должны соответствовать нормативным, является жидкая сера (82), которая движется внутри теплоизоляционного трубопровода с паровым обогревом.

2. Нормативные параметры серы в жидком состоянии: плотность р = 1800 кг/м3; удельная теплоемкость с = 0,26 ккал/(кг • °С); вязкость 4,5 • 10-6 м2/с; температура 125-140 °С.

3. Параметры серы, отличающиеся от нормативных: температура менее 125 °С, при этом вязкость жидкой серы повышается до 22 • 10-6 м2/с, она кристаллизуется в течение 5-7 минут, что приводит к увеличению нагрузки на трубопровод и появлению в нем трещин.

4. Явления, которые могут быть причиной несоответствия параметров серы нормативным, таковы: резкое охлаждение водяного пара в оболочке трубопровода вследствие прекращения подачи пара в нее; засорение паровой арматуры (вентилей, тройников и т. п.); трещины в паропроводе вследствие коррозии.

5. Условия, при которых явления-причины не могут существовать: 1) бесперебойная подача пара; 2) наличие теплоизоляции паровой оболочки; 3) отсутствие утечки водяного пара и конденсации его на различных узлах трубопровода. Для устранения застывания серы в трубопроводе можно предложить использовать другой способ обогрева серопровода, основанный на действии высокочастотного электромагнитного поля или тепловом действии постоянного тока.

6. Необходимое оборудование, с помощью которого можно реализовать предлагаемый способ обогрева: в первом случае - полый проводник трубчатой формы, внешняя поверхность которого заизолирована, и источник переменного тока высокой частоты; во втором случае -сплошной заизолированный проводник и два источника постоянного тока.

7. Программа по практической реализации обогрева трубопровода: 1) полый заизолиро-ванный проводник проложить под трубопроводом и подключить его к источнику переменного тока высокой частоты; 2) собрать электрическую цепь из двух секций, подключив каждую из них к разным источникам постоянного тока. При этом заизолированные проводники наматываются на изоляционную оболочку трубы по спирали. Принципиальная схема подключения обогрева трубопровода для данного случая представлена на рисунке [4].

\

\

х

х

Принципиальная схема подключения обогрева трубопровода, основанная на тепловом действии постоянного тока

Доказано, что через решение профессиональных задач, применяемых в процессе изучения общей физики в рамках общеобразовательной подготовки и при изучении дисциплин, содержащих физические знания, реализуется непрерывная подготовка студента к профессиональной деятельности.

Заключение

В ходе решения задач, поставленных в данном исследовании, разработаны обобщенные методы решения профессиональных задач для слушателей института морских технологий, энергетики и транспорта, а также разработана методика формирования обобщенных методов решения типовых профессиональных задач на примере задачи «Устранение отклонения от нормы значений параметров, характеризующих состояние вещества» и методика формирования отдельных действий, входящих в содержание метода решения задач. Таким образом, подготовка слушателей института морских технологий энергетики и транспорта состоит в том, чтобы сформировать у студентов обобщенные методы решения профессиональных задач, применяя физические знания, пользуясь которыми они смогут самостоятельно разработать метод решения любой конкретной профессиональной задачи.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Стефанова Г. П. Подготовка учащихся к практической деятельности при обучении физике: пособие для учителя / Г. П. Стефанова. Астрахань: Изд-во Астрахан. гос. пед. ун-та, 2001. 184 с.

2. Стефанова Г. П. Формирование у учащихся обобщенного приема решения физических задач: ав-тореф. дис. ... канд. пед. наук / Г. П. Стефанова. М., 1979.

3. Скрипко Л. П. Формирование обобщенных методов решения типовых профессиональных задач инженера-технолога при изучении курса физики в техническом вузе: автореф. дис. . канд. пед. наук / Л. П. Скрипко. Астрахань, 2006.

4. Масленникова Л. В. Программа и методические указания по физике (по направлению подготовки дипломированных специалистов 651400 - Машиностроительные технологии и оборудование) / Л. В. Масленникова. М.: Школа будущего, 2000. 35 с.

Статья поступила в редакцию 03.02.2016, в окончательном варианте - 09.02.2016

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ

Скрипко Людмила Петровна - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. пед. наук; доцент кафедры «Физика»; skrip-koanastasia@mail.ru.

L. P. Skripko

DEVELOPMENT OF THE METHODS OF ACTUALIZATION OF PROFESSIONAL GOALS OF STUDENTS OF THE INSTITUTE OF MARINE TECHNOLOGIES, POWER ENGINEERING AND TRANSPORT

Abstract. During the study, for the students of the Institute of Marine Technologies, Power Engineering and Transport there were identified seven types of professional goals, the actualization of which requires the knowledge of physics. The requirements for setting professional tasks are developed. The method of teaching students to perform certain actions within the framework of the generalized method of actualization of the goals associated with the development of technology or method for performing the activity with the units in the certain circumstances by the example of special exercises, is presented. Using the method is demonstrated by the example of the solution of professional task "Removing deviations from the norm of the parameters, characterizing the state of the object" while studying the course of general physics in general studies unit. It was theoretically determined that the existing basic course of general physics allows creating professionally important skills of the students of the Institute of Marine Technologies, Power Engineering and Transport.

Key words: practically valuable tasks, generalized methods of solution, development of the methods of actualization of professional goals, elimination of deviations from the norm of the physical parameters, pragmatic theory of training.

REFERENCES

1. Stefanova G. P. Podgotovka uchashchikhsia k prakticheskoi deiatel'nosti pri obuchenii fizike: posobie dlia uchitelia [Training of the students for practice while studying physics: Teacher's book]. Astrakhan: Izdatel'stvo Astrakhanskogo gosudarstvennogo pedagogicheskogo universiteta, 2001. 184 p.

2. Stefanova G. P. Formirovanie u uchashchikhsia obobshchennogo priema resheniia fizicheskikh zadach. Avtoreferat dis. kand. ped. nauk [Development of the students' generalized approach to solution of physical tasks. Abstract of dis. cand. ped. sci.]. Moskow, 1979.

3. Skripko L. P. Formirovanie obobshchennykh metodov resheniia tipovykh professional'nykh zadach inzhenera-tekhnologa pri izuchenii kursa fiziki v tekhnicheskom vuze. Avtoreferat dis. kand. ped. nauk [Development of the generalized methods of actualization of typical professional goals of engineer while studying physics at the technical university]. Astrakhan, 2006.

4. Maslennikova L. V. Programma i metodicheskie ukazaniia po fizike (po napravleniiu podgotovki dip-lomirovannykh spetsialistov 651400 - Mashinostroitel'nye tekhnologii i oborudovanie) [Program and methodical recommendations on physics (Course for training certified specialists 651400 - Machine engineering technologies and machinery)]. Moscow, Shkola budushchego Publ., 2000. 35 p.

The article submitted to the editors 03.02.2016 in the final version - 09.02.2016

INFORMATION ABOUT THE AUTHOR

Skripko Ludmila Petrovna - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Pedagogical Sciences; Assistant Professor of the Department "Physics"; skripkoanastasia@mail.ru.