Совершенствование лабораторного эксперимента при преподавании материаловедения

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ПРИ ПРЕПОДАВАНИИ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

ТВЕРДЫНИН Н.М., ВЕЛИКАНОВ Е.Ю., ГРИНЬ П.В.

При преподавании материаловедения студентам педагогического вуза лабораторный эксперимент занимает одно из ключевых мест. Перспективными направлениями развития этой методической составляющей учебного процесса является вовлечение максимально большого числа студентов в исследования, содержащие элементы научного поиска. Для этого был спроектирован ряд экспериментальных установок с использованием информационно-коммуникационных (ИКТ) технологий.

While teaching material sciences to students of pedagogical universities laboratory experiment takes one of the key places. One of the most perspective direction in the development of this methodical component of educational process is involvement in researches containing elements of scientific search as many students as possible. For this purpose a number of experimental installations with the use of information-communication (ICT) technologies has been designed.

При преподавании любого естественнонаучной или технической дисциплины, сочетающей в себе большое количество взаимодополняющих друг друга сведений теоретического и прикладного характера, необходимой частью учебного процесса является демонстрационный эксперимент. Не является исключением и материаловедение - предмет необходимый как любому студенту, получающему образование в области техники и технологии, так и будущему педагогу, избравшему образовательную область «Технология».

Цель данной статьи - ознакомление с результатами внедрения в традиционный демонстрационный эксперимент информационно - коммуникационных технологий (ИКТ), позволяющих создавать качественно новые лабораторные устройства и активно вовлекать студентов в процесс знакомства с элементами научно-исследовательской деятельности.

Качество подготовки современного педагога, соответствующее требованиям, предъявляемым к нему не только нормативными документами, но и самой жизнью не может быть обеспечено без оптимального сочетания классических методик обучения и внедрения в образовательное пространство последних достижений научно-технического прогресса. Иначе компетентностный подход к деятельности педагога, о котором так много (и вполне справедливо) говорят и пишут в последе время [1], останется лишь очередной модной новацией. Само внедрение новых средств обучения и, прежде всего, связанных с компьютерной техникой, естественно не может происходить одинаково во всех предметных областях. Достижения информационно - коммуникационных технологий (ИКТ), появление которых связано как с развитием собственно компьютеров, так и средств коммуникации (в первую очередь Интернета), должны быть адоптированы в каждом конкретном случае их применения. Чем более прикладной по своему характеру является изучаемая дисциплина, тем, по нашему мнению, такой процесс сложнее. В данной статье авторы хотят рассказать о тех результатах, которые были достигнуты при внедрении ИКТ в учебный процесс при подготовке студентов факультета технологии и предпринимательства Московского городского педагогического университета (ГОУ ВПО МГПУ) в специализированной лаборатории материаловедения.

Проблема внедрения цифровой техники в учебный процесс в ходе подготовки специалистов в образовательной области «Технология» требует творческого подхода ввиду того, что

предметная база подготовки таких специалистов крайне широка и, так или иначе, сопрягается со многими науками, как естественными, так и гуманитарными [2]. Именно это требует активизация межпредметных связей и требует творчества в адаптации цифровой техники в каждом конкретном случае.

Своеобразным «полигоном» на котором отрабатывалось внедрение цифровой техники в учебном процесс стала лаборатория материаловедения кафедры машиноведения факультета технологии и предпринимательства ГОУ ВПО МГПУ. В ней были опробованы методики применения серийного оборудования и самостоятельно созданных лабораторных установок применительно к таким курсам как «Материаловедение и «Инженерная экология», а так же ряду дисциплин специализации и курсов по выбору в том числе: «Эволюция технических устройств и материалов», «Новые материалы и технологии». При этом основной упор делается на внедрении элементов самостоятельного научного исследования в сочетании с наглядно-иллюстративным методом в ходе объяснения различных теоретических положений читаемых курсов.

Примером такого внедрения может служить создание экспериментального оборудования для проведения демонстрационного эксперимента в лабораторном практикуме по материаловедению и инженерной экологии. Основу созданных установок составляет комбинация оптического, либо цифрового микроскопа и телевизионной камеры, соединённых с компьютером. Данные установки созданы на базе стандартного оборудования и могут быть использованы как в лабораторном практикуме, так и в научных исследованиях (в частности в выполнении дипломных работ). При этом требования к подготовке персонала, работающего на установках минимальны. Именно это обстоятельство позволило применять установки не только в процессе проведения лабораторных работ, но и при выполнении рядом наиболее подготовленных студентов исследовательских дипломных работ. Методика работы со всеми установками построена таким образом, что студенты могут не только самостоятельно участвовать в эксперименте, но и варьировать его параметры, получая оригинальные результаты. Эти результаты они могут сохранять для последующей обработки и демонстрации при защите результатов проделанной работы. Рассмотрим некоторые из созданных и внедрённых в учебный процесс установок, классифицируя их по соотношению расположения оптического прибора и исследуемого образца [3-5] .

Монопозиционное наблюдение динамичных процессов. При этом виде лабораторного эксперимента производится изучение развивающихся во времени явлений (процессов) при расположении объекта непосредственно на предметном столике микроскопа. Для наблюдения и последующей фиксации видеоматериала используют следующие приборы и инструменты: биоло1ический или металлографический микроскоп типа: МЕТАМ-21РВ, МИМ-7, МБС-10, 9 и т.д.; видеокамера-насадка для микроскопа; компьютер с картой видеозахвата (устройство позволяющее записывать видеоизображение на жесткий магнитный диск компьютера для дальнейшей обработки видео); лабораторное стекло.

В качестве примера применения перечисленного оборудования для демонстрационного лабораторного опыта рассмотрим изучение процесса кристаллизации раствора соли. Данный опыт важен для понимания процесса образования кристаллической структуры различных материалов и влияния на него различных факторов, что, в последствии, может повлиять на конечный свойства материала. Первоначально подготавливают лабораторное оборудование к

работе: сопрягают видеокамеру-насадку с картой видеозахвата, настраивают программное обеспечение (настройка параметров качества оцифровки видео), затем подготавливают образец (с помощью бюретки наносят капли раствора на предметное стекло микроскопа) и настраивают микроскоп (подбирают необходимую кратность увеличения, регулируют фокусное расстояние). Далее воздействуют на каплю раствора источником теплового излучения (лампа накаливания средней мощности). При этом происходит испарение воды и выпадение кристаллов. Параллельно этим процессам производят захват видеоряда на компьютер. После этого полученное видеоизображение обрабатывают программами-редакторами видео (Adobe Premiere). Например, увеличение скорости демонстрации процесса даёт возможность акцентировать внимание на составляющих процесса кристаллизации (интенсивность образования центров кристаллизации, скорость роста кристаллов, образование разветвлённых структур -дендритов и так далее). При этом используются возможности нелинейного видеомонтажа. Первоначально преподаватель проводит данный опыт демонстрационно, используя свой микроскоп и выводя результаты на большой плазменный монитор, находящийся на стене лаборатории. Затем студенты получают возможность проведения собственного лабораторного исследования. (В лаборатории 9 микроскопов МБС - 10). Учитывая, что студенты работают с различными материалами, то каждый получает свою, отличную от других оцифрованную видеозапись процесса из которой он затем может вычленить с помощью компьютера кадры наиболее, по его мнению, характеризующие изменения структуры вещества в ходе изучаемого процесса.

Многопозиционное наблюдение. Данный вид лабораторного эксперимента имеет, как и предыдущий, смешанных характер и может применятся как для демонстрации разрушения материалов после различных видов обработки, так и при индивидуальной работе студента, позволяя привнести в неё элементы исследовательской деятельности. Сам способ заключается в изучение явлений (процессов) при расположении объекта на пересечении оптической оси двух и более микроскопов. При работе используют для наблюдения и последующей фиксации видеоматериала в зависимости от числа наблюдаемых плоскостей: два и более микроскопа, видеокамеры насадки, компьютеры с картами видеозахвата, лабораторный штатив, лабораторное стекло.

Методика применения при многопозиционном наблюдении не отличается от монопозиционной. Однако теперь видеоизображение транслируется в двух (по отношению к наблюдателю) перпендикулярных, параллельных или направленных под углом плоскостях. Это находит применение при наблюдении механических свойств конструкционных материалов (сжатие, растяжение, изгиб и так далее); эксплуатационных свойств материалов (влагопроницаемость, устойчивость к истиранию тканых материалов) и других процессов (явлений). Наблюдение за процессом одновременно, либо последовательно в нескольких плоскостях, как в режиме реального времени, так и в замедленном, позволяет резко повысить наглядность изучаемого материала и его усвояемость. Например, можно наблюдать проникновение влаги между волокнами различных тканей одновременно с внутренней и наружной стороны, разрушение модели металлической конструкции под действием изгибающих нагрузок и т. д.

Пространственное разделение (наблюдение за стеклом) - изучение явлений (процессов) при расположении наблюдаемого объекта за пределами фокусного расстояния объектива микроскопа. Данный способ требует увеличения фокусного расстояния микроскопа, что по-

зволяет изучать процессы воздействия на материалы различных факторов при одновременном наличии термического воздействия (высоких, либо низких температур). При этом наблюдение за процессом (явлением) происходит не дискретно, а непрерывно, в реальном времени. Наиболее интересными в качестве демонстрационного эксперимента является, на наш взгляд, изучение процесса плавления металлов и химико-термической обработки различных материалов.

Установка включает специально изготовленный штатив, способный принимать в зависимости от исследуемого процесса любое положение от горизонтального до вертикального. На штативе по одной оптической оси располагаются объектив микроскопа и дополнительный объектив для увеличения штатного фокусного расстояния. Специальные дополняющие устройства позволяют фокусировать направленный световой поток на изучаемом объекте и экранировать пространство между объективами от бокового (постороннего) освещения. Установка позволяет в буквальном смысле заглянуть в муфельную печь и проследить изменения, происходящие с материалами при воздействии температур более тысячи оС. Данный вид лабораторного эксперимента носит главным образом демонстрационный характер, но может быть рекомендован и для студентов, выполняющих исследовательскую дипломную работу.

Таким образом, использование созданных на кафедре экспериментально-учебных установок позволяет в значительной степени активизировать учебный процесс. При этом сочетаются наглядность демонстрационного эксперимента и возможность активного участия студента в лабораторном эксперименте. Каждый студент из простого исполнителя рутинной работы превращается в ключевой элемент творческого процесса, получая при этом навыки самостоятельного научного исследования. Последнее обстоятельство трудно переоценить, поскольку происходит своеобразное «перекидывание мостика» между знаниями, полученными при изучении классических естественнонаучных дисциплин и реалиями современного научного технического прогресса. Без такой связки, по нашему мнению, не возможно качественная подготовка специалиста с высшем педагогическим образованием в области «Технология». Опыт по примению разработанных методик лабораторного эксперемента показал, что он может быть успешно применён не только при подготовке будующих учителей технологии, но самых разнообразных специалистов как высшего, так и среднего профессионального образования. В частности, хорошие результаты применения данных приёмов лабораторного эксперимента были получены при работе со студентами Политехнического колледжа №8 им. дважды Героя Советского Союза И.Ф. Павлова.

Описанные в статье лабораторные установки трижды отмечались грамотами Всероссийского конкурса НТТМ и были удостоены Золотой медали ВВЦ.

По результатам проведённой работы можно сделать следующие основные выводы. Использование информационно-коммуникацинных технологий позволило значительно облегчить восприятие ряда сложных тем при изучении материаловедения студентами факультета технологии и предпринимательства ГОУ ВПО МГПУ. Студенты в большей степени и более легко стали приобщаться к основам научно-исследовательской деятельности. Опробованные методики лабораторного эксперимента могут быть использованы как в высших, так и средних профессиональных учебных заведениях.

Библиографический список

1. В.Медведев, Ю. Татур. Подготовка преподавателя высшей школы: компетентностный подход. Высшее образование в России 2007 г., №11,с. 46 -56.

2. Н.П. Пищулин, Н.М. Твердынин. Развитие творческого потенциала педагога в современной образовательной среде: Сборник статей. - М. : МГПУ, 2008, с32-38.

3. Великанов Е.Ю., Гринь П.В., Твердынин Н.М. Некоторые аспекты использования мультимедиа пособий в высших и среднеспециальных учебных заведениях при преподавании дисциплины «Материаловедение» // Юбилейный сборник трудов сотрудников факультета технологии и предпринимательства. М., 2006, с. 26 - 34.

4. Резников Ф.А., Комягин В.Б. Видеомонтаж на персональном компьютере. Adobe Premiere 6.x и Adobe After Effects 5.x: Учебное пособие. М., 2003, 256 с.

5. Великанов Е.Ю., Гринь П.В., Твердынин Н.М. Совершенствование обучения студентов педагогического вуза при внедрении информационно-коммуникационных технологий в учебный процесс. Информационно-коммуникационные технологии в подготовке учителя технологии и учителя физики: в 2-х ч. Ч.1. Сборник материалов научно-практической кон-ференции/Отв. Ред. А.А. Богуславский-Коломна: КГПИ, 2007 с. 21-23.