Курс общей физики в системе профессионального образования инженеров института морских технологий, энергетики и транспорта

УДК 53: [378.147: 66]

Л. П. Скрипко

КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ В СИСТЕМЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ИНЖЕНЕРОВ ИНСТИТУТА МОРСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ, ЭНЕРГЕТИКИ И ТРАНСПОРТА

В государственном образовательном стандарте высшего профессионального образования сформулированы квалификационные требования, предъявляемые к выпускнику технического вуза (в нашем случае речь будет идти о выпускниках института морских технологий, энергетики и транспорта при Астраханском государственном техническом университете), представленные в виде перечня умений, необходимых для решения профессиональных задач. Студент в процессе обучения должен овладеть методами решения таких задач, которые ему необходимо будет решать в последующей профессиональной деятельности с применением знаний, приобретенных в техническом вузе. Методы решения инженерных задач основаны на знаниях по естественнонаучным дисциплинам, среди которых существенная роль отводится физике. Без знаний законов физики деятельность в области кораблестроения, теплоэнергетики или автоматизации просто невозможна. Физика является фундаментом, на котором строится общеинженерная и профессиональная подготовка специалистов, выпускаемых институтом морских технологий, энергетики и транспорта.

Одна из задач курса общей физики в техническом вузе всегда состояла в том, чтобы показать студентам - будущим инженерам, что научные знания позволяют: создавать технические устройства; оценивать физические величины, которые описывают свойства технических объектов в определенном состоянии; осуществлять управление работой технического объекта, а также эксплуатацию этих объектов [1]. Решается эта задача путем включения в учебники описаний принципа действий тех или иных технических объектов. На практических занятиях студенты решают задачи, используя при этом сборники, в которых нет вопросов прикладного характера, требующих умения применять общие теоретические закономерности к конкретным профессиональным ситуациям. Курс общей физики должен быть курсом экспериментальной физики, т. е. изучение физики в техническом университете должно проводиться на экспериментальной основе. При этом студенты должны ощущать реальность изучаемых явлений, законов, процессов, должны освоить методы современного физического эксперимента, очень важно придать экспериментальной физике профессиональную направленность. Лабораторный практикум по физике является одной из самых активных форм изучения физики. Ему отводится значительная часть времени - 1/3 всех отведенных стандартом часов. Он позволяет студентам наблюдать физические явления в различных условиях, выявлять их закономерности, знакомиться с техническими средствами и методами измерения физических величин.

Однако проводить лабораторный практикум студентам предлагают в готовом виде на уже существующих экспериментальных установках, даже обработка результатов и расчет погрешностей задаются готовыми формулами. В результате студенты забывают пройденный материал по курсу общей физике. Именно поэтому нельзя сказать, что поставленная перед физическим образованием задача успешно решена.

Решить эту очень важную задачу можно, как нам представляется, ставя перед студентами практически значимые задания, требующие самостоятельной разработки методов их решения.

В профессиональных задачах, которые получены при анализе видов профессиональной деятельности инженеров института морских технологий, энергетики и транспорта, конечным продуктом решения большинства из них является: разработка технологии или способа выполнения деятельности с определенным объектом в определенных условиях; или нахождение значений параметров, описывающих свойства объекта в определенном состоянии; или устранение отклонений от нормы значений параметров состояния объекта; или эксплуатация технического объекта и др. По сути, это задачи, связанные с осуществлением контроля над автоматическими системами и электрооборудованием, генераторами, насосами, нахождением значений напряжений, сопротивлений в сетях, температуры и уровня подсланевых вод и пр. На первый взгляд кажется, что такие задачи нецелесообразно предлагать студентам, изучающим курс общей физи-

ки. В то же время обобщенные методы решения этих задач содержат действия, выполняемые с применением знаний по общей физике. Действительно, такие действия, как: 1) выявление физических процессов, явлений, воздействий, которые могут быть причиной изменения состояния объекта и приобретение им требуемых свойств; 2) выделение условий осуществления выявленных процессов, явлений, воздействий; 3) проведение расчетов энергии по получению требуемого объекта в заданном состоянии; 4) составление принципиальной схемы установки, позволяющей перевести заданный объект из начального состояния в требуемое, выполняются с опорой на знания по физике.

Конкретизация квалификационных умений инженера данного направления подготовки позволила выделить следующие задачи: 1) создание объекта с заданными 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; 8) передача информации; 9) обработка информации.

Обобщенные методы решения задач конкретного типа подробно описаны в работах Г. П. Стефановой [2, 3].

Формирование обобщенных методов возможно только в том случае, когда студенты уже обучены способам выполнения каждого действия, входящего в их содержание. Поэтому при изучении курса общей физики необходимо до решения типовых профессиональных задач сформировать у студентов действия, которые выполняются с применением знаний по физике. Овладение каждым отдельным действием осуществляется с помощью специальной серии упражнений, цель которых - является многократное выполнение различных действий

Рис. 1. Подъемный кран Рис. 2. Буровая вышка

Рис. 3. Вышка Рис. 4. Эстакада

Рис. 5. Буровая станция

После того как отработаны все необходимые действия, можно обучать студентов обобщенным методам решения рассматриваемых задач. Задачи при этом должны быть физические, практически значимые, предполагающие в итоге решение либо получение технического устройства, прибора, либо нахождение значений физических величин, описывающих свойства объекта, и другие задачи. Выделенные типы задач создают лишь ориентиры для преподавателей, ведущих курс физики для студентов института морских технологий, энергетики и транспорта. Студентам следует предлагать вполне конкретные задачи. Но их необходимо составлять.

Приведем примеры сформулированных нами задач, которые имеют практическое значение для студентов института морских технологий, энергетики и транспорта. 1. Требуется разработать способ определения уровня подсланевых вод и их автоматической откачки в судовых условиях. 2. Необходимо осуществить контроль за автоматической подзарядкой аккумуляторов на стационарных установках. 3. В судовых условиях при поломке основного масляного насоса подключают резервный. Требуется разработать способ автоматического включения резервного масляного насоса. 4. При обесточивании судовой электрической сети включается аварийный

дизель-генератор. Требуется разработать способ для аварийного включения дизель-генератора. 5. Необходимо осуществить контроль за рабочими параметрами дизель-генератора. 6. Оцените напряжение на клеммах генератора, питающего электродвигатель, который находится на достаточно большом расстоянии от электростанции. 7. К групповому распределительному щиту электрической подстанции присоединили три параллельные группы потребителей электроэнергии. Оцените ток, идущий по магистральному проводу. 8. Предложите способ подключения измерительных приборов, реле и аппаратов автоматики через измерительные трансформаторы в сетях с напряжением выше 1 кВ. 9. Устраните замерзание хладагента в системе охлаждения холодильного оборудования судов. 10. При контакте катушек первичной и вторичной обмоток трансформатора возникает пробойное напряжение. Каким образом можно устранить пробойное напряжение, возникшее в трансформаторе?

Обучение обобщенному методу решения задач определенного типа начинается в конкретной теме курса общей физики в соответствии с принципом: знаний по теме должно быть достаточно для выполнения всех действий формируемого метода. Для эффективного овладения студентами методом решения задач определенного типа необходимо, чтобы задачи именно этого типа могли быть решены в четырех следующих друг за другом темах на основе полученных при их изучении знаний. При этом последовательно организуются следующие этапы: мотивационный, подготовительный, методологический, этап самостоятельного планирования действий при разработке метода решения задач с опорой на обобщенный метод, этап самостоятельного решения конкретных профессиональных задач разного типа. Последний этап может продолжаться как практикум по решению полностью профессиональных задач инженера института морских технологий, энергетики и транспорта в блоке специальных и профессиональных дисциплин.

На основе психолого-педагогических закономерностей деятельностной теории обучения выделены следующие положения: сформировать обобщенный метод решения задачи возможно только при многократном и самостоятельном выделении его при решении конкретных практически значимых задач; для усвоения обобщенного метода решения задач определенного типа необходимо, чтобы они решались в четырех следующих друг за другом темах курса физики.

Приведем примеры решения задач, разработанных нами для студентов на основе обобщенного метода [4].

В теме «Давление твердых тел, жидкостей и газов» студентам предлагается решить следующую задачу четвертого типа:

Клапан, обеспечивающий выход воздуха из находящегося под водой устройства на судне, обрастает мелкими ракушками, водяной растительностью и со временем перестает открываться. Если же создается давление больше наружного и кран открывается, то клапан не закрывается. Устраните причину этого недостатка в работе клапана.

Метод решения

1. Выделить объект, параметры состояния которого должны соответствовать нормативным. Речь идет о клапане, обеспечивающем выход воздуха из устройства, находящегося под водой.

2. Выделить нормативные параметры состояния этого объекта. Клапан должен открываться при увеличении давления в устройстве и закрываться при уменьшении давления в нем.

3. Выделить параметры состояния объекта, отличающиеся от нормативных: если клапан открылся, то он не закрывается, и если закрылся, то не открывается.

4. Выделить явления, которые могут быть причиной этого отличия. Явление - причина: клапан под водой обрастает ракушками, водяной растительностью и становится тяжелым.

5. Установить, какое из явлений служит причиной отклонения от нормы значений параметров состояния данного объекта. Клапан становится тяжелым.

6. Выделить условия, при которых явление - причина не может существовать. Условие, при котором явление - причина не может существовать - вода не должна попадать на клапан.

7. Подобрать оборудование, с помощью которого можно реализовать эти условия. Для создания этого условия можно использовать колокол или стакан, перевернутый и открытый снизу, в который надо поместить клапан. При погружении такого устройства в воду воздух в нем сжимается и не пускает воду на клапан.

8. Разработать систему действий по практической реализации условий, при которых явление - причина не может существовать. Для практической реализации этого условия можно на клапан снизу надеть кусок трубы.

В ходе обучения преподаватель осуществляет проверку сформированности у студентов института морских технологий, энергетики и транспорта умения решать типовые профессиональные задачи. Предлагаемый подход к обучению студентов решению этих типовых профессиональных задач позволяет конкретизировать цель проверки: установить, овладел ли каждый студент системой действий, составляющей содержание обобщенного метода решения задач определенного типа. Если метод усвоен студентами, то его действия при решении конкретной типовой профессиональной задачи будут соответствовать известному алгоритму, что обнаружится в соответствующей записи решения.

Первый контроль проводится на методологическом этапе обучения и позволяет выяснить, овладели ли студенты института морских технологий, энергетики и транспорта методом решения задач определенного типа. Преподаватель предлагает разнообразные формулировки задач одного и того же типа.

Второй контроль осуществляется на этапе самостоятельного планирования действий при разработке метода решения задач с опорой на обобщенный метод. Студенты полностью самостоятельно разрабатывают метод решения и решают конкретные типовые профессиональные задачи для инженеров, выпускников вышеназванного института.

Третий контроль проводится через определенный интервал времени, например в конце изучения следующей темы.

Таким образом, подготовка студентов в техническом университете состоит в том, чтобы сформировать у студентов умение решать профессиональные задачи пользуясь обобщенными методами. Пользуясь этими методами, они смогут самостоятельно разработать метод решения любой конкретной профессиональной задачи.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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

2. Стефанова Г. П. Формирование у учащихся обобщенного приема решения физических задач: дис. ... канд. пед. наук. - М., 1979. - 170 с.

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

4. Скрипко Л. П. Формирование обобщенных методов решения типовых профессиональных задач ин-женера-технолога при изучении курса физики в техническом вузе: дис. ... канд. пед. наук. - Астрахань, 2006. - 170 с.

Статья поступила в редакцию 25.12.2009

THE COURSE OF GENERAL PHYSICS IN THE SYSTEM OF PROFESSIONAL EDUCATION OF ENGINEERS OF THE INSTITUTE OF MARINE TECHNOLOGIES,

POWER ENGINEERING AND TRANSPORT

L. P. Skripka

The capabilities of education of students of the Institute of Marine Technologies, Power Engineering and Transport in Astrakhan State Technical University to generalized methods of professional task solutions requiring the application of physical knowledge are examined. During the investigation nine types of professional tasks are defined; the requirements for arranging professional tasks and the technique of teaching students to perform separate actions of the generalized method of tasks solution, connected with the operation of the technical object by the example of special exercises are developed. The technique to teach students some generalized methods of tasks solution is demonstrated on the example of the professional task "Elimination of deviations from the norm of parameter values describing the object condition". It is theoretically defined that the basic course of general physics allows formation of professionally significant skills of students of the institute of marine technologies, power engineering and transport.

Key words: professional tasks, practically valuable tasks, generalized methods of solutions, generalized methods formation, exploitation of technical object, activity educational theory.