Об интегративных возможностях курса физики в высшем техническом учебном заведении

УДК 53 ББК 22.3

ОБ ИНТЕГРАТИВНЫХ ВОЗМОЖНОСТЯХ КУРСА ФИЗИКИ В ВЫСШЕМ ТЕХНИЧЕСКОМ УЧЕБНОМ ЗАВЕДЕНИИ

I А.Е. Айзенцон

Аннотация. Актуальной проблемой физического образования в вузах является нарушение одного из важных принципов обучения - отсутствие непрерывности и преемственности физического образования. В работе обсуждается отсутствие целостности обучения в высшем техническом учебном заведении, в частности разрыв между базовым курсом физики и техническими дисциплинами, соответствующими профилю вуза. В качестве одного из решений проблемы предлагается включать в учебный план после изучения физики промежуточный адаптивный курс. Содержание и средства такого курса разработаны автором применительно к военному вузу: программа, тематический план, учебное пособие, включающее теорию и задачник, лабораторный практикум. Трехлетняя апробация курса подтвердила не только его востребованность, но и эффективность. С одной стороны, он повышает мотивацию изучения физики, с другой - повышает качество базовой составляющей военно-технических дисциплин.

152

Ключевые слова: физика как учебная дисциплина втуза; целостность и профессиональная направленность обучения; мотивация преподавателей и студентов; адаптивный курс; вооружение и военная техника.

on the integrative opportunities of the course of physics in high technical educational institutions

I A.E. Aizentson

Abstract. The urgent problem of teaching physics in higher education institutions is violation of one of the most important principles of training - the absence of continuity and succession. The absence of integrity of education in a higher technical educational institution, the break between the basic course of physics and technical branches of science corresponding to the institute of higher education profile in particular is discussed in this article. As one of solutions it is offered to include in the curriculum after studying of physics an intermediate adaptive course. The contents and means of such course are de-

veloped by the author in relation to military higher education institution: the program, the thematic plan, the manual including the theory and the book of problems, laboratory practical work. Three year approbation of the course confirmed not only its demand, but also efficiency. On the one hand, it increases motivation of studying of physics and on the other hand it increases the quality of a basic component in military and technical branches of science.

Keywords: physics as an educational discipline of a higher technical educational institution; integrity and vocational orientation of training; motivation of lecturers and students; adaptive course; arms and military equipment.

Как известно, древнегреческая «любовь к мудрости», образно говоря, рассыпалась на семена. И если выросшие из них ветвистые деревья вновь стали переплетаться, то во многом благодаря физике. Проникновение ее методов, средств и аппарата в химию, астрономию, биологию и другие науки инициировало в этих науках значимые прорывы, синтезировало гибридные методы и средства и изменило сам стиль мышления. Физика обогащает уже и гуманитарную сферу, в частности экономику («эконофизика»), а базирующаяся на физике синергетика проникает вообще во все сложные нелинейные диссипативные системы, независимо от их природы. Что же касается всеобъемлющей «любви к мудрости», то именно физические открытия периодически ставят философию в тупик, вынуждая переосмысливать ее положения.

Образование обязано отслеживать эти тенденции по определению — как в части формирования у обучаемых соответствующих знаний, навыков и компетенций, так и в отношении привития основ целостного мышления. Между тем, системообразующие, интегративные возможности физики как учебной дисциплины реализуются плохо даже в отношении частных задач подготовки инженеров. Среди

причин — разного рода разрывы целостности обучения, которая требует не только взаимосвязанности и ско-ординированности компонентов, но и результативности каждого этапа.

Разрывы существуют на «стыках» между: 1) конечным уровнем подготовки по физике абитуриентов и начальным уровнем вузовского курса; 2) математическим компонентом «языка» физики в вузе и курсом математики; 3) знаниями, навыками и компетенциями обучаемых, полученными «на выходе» вузовского курса физики, и их востребованностью на последующих этапах обучения.

На существование последней I53 проблемы влияют также психологические компоненты и мотивации преподавателей физики и «профильных» дисциплин втуза.

«Предметно-центрический» подход большинства преподавателей физики к своей дисциплине основан на представлении о ее самодостаточности. Некоторые основания для этого действительно есть. Трудно отрицать то бесспорное обстоятельство, что физика формирует универсальные знания о законах природы, научно-техническое мышление, навыки, инструментарий и мировоззрение специалиста. В принципе, преподаватели физики ничем не

154

мотивированы к тому, чтобы принимать во внимание следующие за ней технические и специальные дисциплины, для которых она является базовой. Точно так изготовитель микрометра не озабочен вопросом, что именно им в последующем будут измерять, а обучающий алфавиту или таблице умножения не отвечает за то, как ими будут пользоваться в дальнейшем.

И тем не менее, нельзя не принимать во внимание то обстоятельство, что универсализм физики во втузе способствует решению не только общих вышеназванных задач, но и частных, связанных с подготовкой конкретных специалистов. Это нисколько не снимает с нее роли универсальной базы всех технических (и не только) специальностей, но ставит акценты, актуальные «здесь и сейчас». Реальность такова, что игнорируя такие акценты, преподаватели физики отрываются от интенций и мотиваций аудитории и задач, стоящих перед следующими этапами обучения, тем самым объективно способствуя разрыву его целостности.

В полном «психологическом единстве» с отвлеченным от специальности выпускника преподаванием физики и с теми же последствиями работают многие преподаватели профильных дисциплин, «отвлекаясь» теперь уже от базовой физики. Они отличаются своим собственным предметным «центризмом», а на физику опираются не только скупо, но и зачастую непрофессионально. Разумеется, среди преподавателей физики и преподавателей технических дисциплин встречаются те, кто озабочен последовательностью и связностью обучения, но они составляют, скорее, исключения.

Что же касается объекта педагогических воздействий, то нынешние сту-

денты втузов зачастую не отличаются никаким «центризмом» вообще. Многие из них не мотивированы ни к истинному профессиональному учению, ни, тем более, к сложным фундаментальным дисциплинам, которые воспринимают как неизбежное зло. В лучшем случае, такие студенты или курсанты стремятся с минимальными потерями миновать эти промежуточные барьеры и перейти к «настоящему делу», ради которого поступили во втуз. Поддержку таким настроениям и интенциям они находят порой и среди преподавателей технических и специальных дисциплин, особенно в военных вузах. Разумеется, и среди студентов (курсантов) есть исключения, но речь опять-таки не о них.

Описанные реалии не могут оставаться в стороне от векторов развития учебно-методических систем, обязанных гибко реагировать на тенденции и вызовы времени. Названные противоречия требуют адекватных решений — не только частно-методических, но и структурных, организационных. Проблемы целостности взывают к встречному движения блоков физики и технических дисциплин, но для автора, находящегося внутри дисциплины «физика», корректнее в большей степени обсуждать именно ее возможности.

В порядке некоторой «самоорганизации» у преподавателей физики вузов достаточно давно возникла профессиональная направленность обучения этой дисциплине, способствующая, в частности, мотивации студентов, однако методология застыла. Как правило, практикуется совокупность разобщенных профессионально значимых примеров, приводимых в теоретическом курсе, и таких же компонентов в теоретическом и лабораторном практикуме. Подобные «вкрапления» безусловно

важны и полезны, и автор настоящей работы посвятил этому направлению достаточно много усилий. Был разработан компактный теоретический курс [1], содержащий множество иллюстраций применения физических законов в технике. Ввиду востребованности, он был затем дополнен и переиздан [2]. С названным курсом увязано содержание специализированного задачника, дифференцированное по уровням сложности задач, во многом ориентированных на технические проблемы [3]. Наконец, начиная с семидесятых годов прошлого века, разрабатывался и непрерывно совершенствовался специализированный лабораторный практикум, в котором физические законы изучались на базе лабораторных установок, содержащих реальные технические компоненты. Сравнительно завершенный вариант практикума издан в 1993 г. [4], последнее издание осуществлено в 2008 г. [5]. Были и промежуточные издания.

Следует заметить, что отдельных профессионально значимых включений в курс физики недостаточно. Если рассматривать профессиональную направленность обучения физике в качестве компонента целостной системы обучения, то она должна обладать еще и собственной целостностью. Стремясь к этому, автор настоящей работы с сотрудниками на протяжении ряда лет апробировал два взаимоувязанных варианта профессиональной направленности физики. В первом из них профессионально значимые объекты обучения включались в курс не только «россыпью». Среди них вычленялись и применялись «сквозные» объекты, адресация к которым осуществлялась в разных разделах дисциплины. В качестве одного из примеров можно привести

применяемый в лабораторном практикуме автомобильный коленчатый вал. На его основе изучается процесс измерения момента инерции несимметричных тел, а также крутильные колебания, демпфером которых служит жидкостное трение, изученное ранее с применением аналога автомобильного амортизатора.

В теоретической части курса пример одного из «сквозных» объектов — ракетная техника

В разделе «Молекулярная физика и физическая кинетика» представления и закономерности различных видов течения рассматриваются на базе режимов обтекания воздухом ракет и десантируемых объектов. При этом вихри турбулентного движения представлены как пример самоорганизации диссипативной среды. Здесь же обсуждается стохастический характер отклонений ракеты от заданной траектории, в частности, из-за флук-туаций среды. С этим связана необходимость непрерывного контроля траектории и введения динамических

155

156

поправок курса. Такое сочетание мо-тивационно полезно для обсуждения соотношений статистических и динамических закономерностей, характерных для данного раздела курса.

В разделе «Термодинамика» рассматривается работа пороховых, жидкостных и воздушно-реактивных двигателей (на иллюстративном уровне).

В разделе «Электромагнетизм» рассматривается принцип действия приборов магнито-электрической и электромагнитной систем, встроенных в электрооборудование ракет, а также применяемых в нем электромагнитных реле, датчиков и взрывателей.

В разделе «Колебания и волны» обсуждаются применение электромагнитных волн в контексте работы наземных и бортовых систем наведения, эффект Доплера, локация, радиовзрыватели, оптические приборы и системы сканирования местности, бортовые системы телевидения, применение оптоволокна в беспилотных самолетах-разведчиках и противотанковых управляемых ракетах.

В разделе «Квантовая физика» закономерности теплового излучения изучаются, в том числе, на примерах их использования в головках наведения ракет; проводимость полупроводников — в бортовых изделиях, выполненных по технологии МЭМС (микроэлектронные механические системы); лазерная генерация — в гироскопах, целеуказателях и системах наведения высокоточного оружия и т.д.

В разделе «Ядерная физика» вопросы физики увязаны с принципом действия, устройством и работой боевых головок ракет.

Разумеется, приведенный перечень не исчерпывает всей физической тематики, в которую могут быть

вовлечены иллюстрации из области ракетной техники или на базе которых она обсуждается качественно и количественно. Разумеется, и ракетная техника не исчерпывает перечня возможных «сквозных» объектов.

В упомянутом выше специализированном задачнике по физике к последнему, четвертому, уровню сложности отнесены, в том числе, профессионально ориентированные задачи, требующие привлечения материала из разных разделов физики.

Вышеупомянутые обогащения курса физики, бесспорно, повышают мотивацию и, соответственно, результаты ее изучения, однако на преодоление разрыва целостности между базовой и профильными дисциплинами влияют недостаточно. Причины, в основном, две: 1) отсутствие соответствующего ресурса времени; 2) профессионально ориентированный материал не должен нарушать фундаментальности и цельности собственно курса физики. В связи с этим был разработан переходный, «связующий» курс, изучаемый после физики и иллюстрирующий ее роль в профессионально значимых объектах. Естественно, введение такого курса в учебный план, даже в вариативной его части (дисциплина по выбору), требует разного рода усилий, в том числе, организационных, однако опыт показал, что они себя оправдывают. Как следует из его названия [6], курс предоставляет возможность изучения физических основ любых военно-технических объектов, однако реализовать ее можно лишь в рамках весьма ограниченного учебного времени и применительно к профилю конкретного вуза.

Служа своеобразным «мостом» между базовыми и профессиональными

дисциплинами, курс построен с учетом непрерывного соперничества средств и методов нападения и защиты, разрабатываемых «в ногу» с достижениями физики. Особенно тесным «переплетением» отличаются последние десятилетия, в связи с прогрессом как «обычного», так и высокоточного оружия.

Разработанное в обеспечение курса учебное пособие [там же] иллюстрирует реализацию изученных в курсе физики соотношений и законов в различных образцах вооружения и военной техники (ВВТ), примеры решения типовых задач и подборку задач для практических занятий.

Полезность курса для закрепления базовых физических знаний состоит, прежде всего, в том, что, находясь «над физикой», он волен оперировать ее материалом свободно и в любых требуемых сочетаниях — в рамках физики это можно делать только в отношении уже изученного материала.

Полезность курса для военно-технических и военно-специальных дисциплин состоит в профессионально физическом обосновании принципов конструирования и особенностей работы тех изделий ВВТ, которые являются предметом изучения. Тем самым расширяется профессиональная база специалиста: его компетенции, связанные с их разработкой и эксплуатацией, становятся глубже.

Важно также и то обстоятельство, что упомянутые компоненты полез -ности курса уже не зависят от мотивации преподавателей — они достигаются самим его существованием и содержанием.

В курс не входит детальное изучение конструкций, типов, марок, параметров ВВТ и правил их эксплуатации — это задача других дисциплин.

В то же время он не подменяет и курс физики (который уже изучен), а опирается на него. Если у курсанта возникает необходимость освежить учебный материал, относящийся к тем или иным законам и формулам, то ему следует обращаться к какому-либо курсу физики для инженерных вузов, например, того же автора [2].

Противоречие между широтой тематики и малым бюджетом времени, вынудило автора отобрать лишь несколько разделов физики, представляющих ее «ресурсы» в актуальных вопросах военного дела. Ввиду новизны курса, избранные главы отражают, естественно, авторские предпочтения и в данном случае их перечень выглядит следующим образом: Динамика поступательного движения объектов военного назначения. Баллистика и реактивное движение. Вращательное движение в вооружении и военной технике. Физические основы электромагнитных преобразователей. Электромагнитные волны как средство маскировки и демаскировки. Электромагнитные волны как средство передачи информации. Физические основы холодного и 157 кинетического оружия. Физические принципы огнестрельного оружия. Физические основы применения лазера как элемента вооружения. Физические основы ядерного оружия и его поражающих факторов.

Все приведенные в пособии сведения о типах вооружений и тактико-технических характеристиках почерпнуты из открытых источников.

Нельзя не признать, что описываемый курс в какой-то мере конкурирует с учебными курсами военно-технических и военно-специальных дисциплин, являясь для преподавателей этих дисциплин

158

неким раздражающим фактором. Он побуждает их, принимая от курса базовую «эстафету», подниматься над привычным (и потому комфортным) уровнем изложения учебной дисциплины, что также можно рассматривать как одну из целей курса.

В качестве дополнительного учебного пособия издание [6] может быть использовано и в гражданских инженерных вузах (особенно имеющих военные кафедры) как источник, иллюстрирующий продуктивность и конкретные актуальные области применения физики. По такому же принципу могут быть созданы и другие курсы, ориентированные на профиль конкретной группы вузов.

Как следует из перечня глав, в курсе [там же] реализуется своеобразный методический цикл: если в базовой дисциплине «Физика» через разные ее разделы «пунктиром» проходит один и тот же профессионально значимый объект, то в курсе [там же] наоборот — к изучению одного объекта совместно привлекаются разные разделы физики, что способствует осознанию ее единства. Такая содержательная, психологическая и методическая основа существенно изменяет мотивацию ее изучения. Это подтверждает и анкетирование курсантов, проводимое на значимых выборках. Оно неизменно выделяет названный курс как предпочтительный среди базовых дисциплин, например, по сравнению с физикой, химией, математикой и информатикой.

список источников и литературы

1. Айзенцон, A.E. Курс физики [Текст] / А.Е. Ай-зенцон. - М.: Высшая школа, 1996. - 460 с.

2. Айзенцон, A.E. Kypc физики [Текст] /

A.Е. Айзенцон. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2009. - 374 с.

3. Айзенцон, A.E. Специализированный задачник по физике [Текст] / А.Е. Айзенцон,

B.Н. Кудинов. - М.: «Модус», 1998. - 277 с.

4. Айзенцон, A.E. Лабораторный практикум по физике [Текст] / А.Е. Айзенцон, Г.И. Гужвенко, С.С. Минаев. - Рязань: РВ-ВАИУ, 1993. - Ч. I. - 56 с.; Ч. 2. - 56 с.; Ч. 3 - 64 с.; Ч. 4 - 68 с.

5. Aйзeнцoн, A.E. Лабораторный практикум по физике [Текст] / А.Е. Айзенцон, Ю.В. Гармаш. - Рязань: РВАИ. - Ч. I. -2008 - 115 с.; Ч. 2. - 2008 - 113 с.; Ч. 3. -2007 - 93 с.; Ч. 4. - 2007 - 90 с.

6. Aйзeнцoн, A.E. Физические основы вооружения и военной техники [Текст] / А.Е. Айзенцон. - Рязань: РВВДКУ, 2014. - 206 с.

references

1. Aizentson A.E., Fizicheskie osnovy vooru-geniya I voennoj tehniki, Ryazan, 2014, 206 p.

2. Aizentson A.E., Kurs fiziki, Moscow, 1996, 460 p.

3. Aizentson A.E., Kurs fiziki, Moscow, 2009, 374 p.

4. Aizentson A.E., Garmash Y.V., Laboratornyj praktikum po fizike, Ryazan, Ch. I, 2008, 115 p.; Ch. 2, 2008, 113 p.; Ch. 3, 2007, 93 p.; Ch. 4, 2007, 90 p.

5. Aizentson A.E., Guzvenko G.I., Minaev S.S., Laboratornyj praktikum po fizike, Ryazan, 1993, Ch. I, 56 p.; Ch. 2, 56 p.; Ch.3, 64 p.; Ch. 4, 68 p.

6. Aizentson A.E., Kudinov V.N., Special-izirovanyj zadachnik po fizike, Moscow, 1998, 277 p.

Айзенцон Александр Ефимович, доктор педагогических наук, профессор, кафедра физики и химии (Рязанский филиал), Московский государственный университет путей сообщения, fonon-41@mail.ru

Aizentson A.E., ScD in Pedagogy, Professor, Physics and Chemistry Department (Ryazan Branch), Moscow State University of Railway Communication, fonon-41@mail.ru