АКТУАЛЬНЫЕ ПРИКЛАДНЫЕ ПРОБЛЕМЫ И СОВРЕМЕННЫЙ КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ ДЛЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ВУЗОВ

Рубрика : Интересное

АКТУАЛЬНЫЕ ПРИКЛАДНЫЕ ПРОБЛЕМЫ И СОВРЕМЕННЫЙ КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ ДЛЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ВУЗОВ(Опубликовано в ж. «физическое образование в ВУЗах»,т.9,№2, 2003, сс.31-37)

АКТУАЛЬНЫЕ ПРИКЛАДНЫЕ ПРОБЛЕМЫ И СОВРЕМЕННЫЙ КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ ДЛЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ВУЗОВ

Кисин В.В., Зюрюкин Ю.А., А.А. Князев,

Саратовский  государственный технический госуниверситет

Введение

Последние десять лет изменения в экономике России сопровождались сворачиванием крупного наукоемкого производства и технически оснащенного сервиса. Это привело к перераспределению желающих получить высшее образование в пользу разнообразных экономических и юридических специальностей. Сегодня интересы абитуриентов возвращаются ко всему спектру профессий, обеспечивающих потребности индустриального общества, в том числе и к тем, которые базируются на физике.

Однако увеличение конкурса на вступительных экзаменах в технический университет (по крайней мере, в Саратовском регионе) во многом происходит за счет молодежи, которая недостаточно хорошо подготовлена как с точки зрения уровня школьных знаний, так и с точки зрения умения упорно учиться. Вследствие указанных обстоятельств сужаются области, в которых могут быть использованы в качестве базовых курсы физики, предназначенные для ее углубленного изучения [1,2].

Эти особенности пытаются учесть новые образовательные стандарты и учебные планы по физике для технических ВУЗов. Постоянно создаются новые курсы, отражающие, с одной стороны, особенности набора студентов, а с другой стороны, ежегодно возрастающий объем научных знаний и непрерывное расширение областей применения этих знаний в технике.

Отдельные курсы лекций преобразуются в учебники, которые,  суммируя накопленный опыт,  служат ориентиром для преподавателей. Именно в этом смысле отметим среди учебников последних лет книги [3-5]. Курс [3], имеет, по сути, классическую структуру, но выделяется удачным стилем изложения,  компактностью и современными примерами, сопровождающими практически все темы. Два других курса предлагают некоторые изменения концепции преподавания, приближая общий курс как по структуре материала, так и по манере использования математического аппарата к курсу теоретической физики.

Целью данной работы является рассмотрение места и роли актуальных прикладных проблем в современном курсе общей физики для технических вузов, основанное на материале, который содержится в учебниках [1-5] и материале, полученном в результате практической работы авторов со студентами разных специальностей Саратовского государственного  технического университета.

Современные потребности образования и возможности лектора.

Лектору приходится считаться с тем, что потребность в образовании имеет в настоящее время кроме обычной общекультурной цели, ярко выраженную практическую направленность. В частности, желательно, чтобы подготовка молодого специалиста позволяла ему самостоятельно делать некоторые прогнозы развития областей естественнонаучного знания, и давала ему возможность ориентироваться на конкурентном рынке труда, развитие которого в немалой степени определяется достижениями науки, причем не в последнюю очередь – физики.

Однако внутренняя логика развития фундаментальной физики становится видна только после трудоемкого и глубокого ее изучения. Более того, в предсказаниях такого рода неоднократно ошибались как сами физики, так и специалисты науковеды.

Более скромная, но и более простая задача – научить студента постоянному вниманию к последним достижениям и прикладным проблемам физики, которые ставятся потребностями передовой техники и технологии. Тем более что этому способствует разнообразная информация, непрерывно поступающая не только через специализированные журналы, но и через развитую сеть массмедиа, интернет, а также благодаря ежедневным контактам человека с наукоемкой техникой.

В рамках намеченного направления можно не только проводить коррекцию и углубление школьных знаний, но и выявлять основные тенденции развития фундаментальной физики, их глубокую связь с прикладными проблемами, потребностями технической науки, демонстрировать взаимодействие различных разделов физики друг с другом. Преподавателю вполне по силам параллельно с решением основных задач читаемого курса помочь студенту приобрести такие навыки.

Условия современной жизни делают поставленную задачу совершенно естественной. Действительно, несмотря на явный недостаток прочных знаний, студент живет сегодня в атмосфере избытка  информации, имеет первичное, правда подчас искаженное, представление практически по любой теме. Сложные, но близкие к сиюминутным потребностям проблемы физики увлекают его сильнее, чем фундаментальные проблемы, решенные век назад. Порой, не представляя смысла терминов «фазовая модуляция», «цифровая обработка сигнала», затрудняясь показать лазер на плате устройства для чтения компакт дисков, молодые люди с увлечением  обсуждают друг с другом чисто технические преимущества аудио- или видео устройств, имеющихся в продаже.

Вместе с тем академический подход легко может увлечь  преподавателя на путь избыточно теоретезированного анализа физических явлений с получением решения в общем виде. Общее решение содержит в себе частные случаи, многие из которых могли бы заинтересовать аудиторию приложениями в хорошо знакомых устройствах. Однако и детализация материала, и борьба за аудиторию порой рассматривается лекторами как нарушение классичности изложения.

В результате, на экзамене студенты демонстрируют заученные (чаще — списанные) формулировки и выводы формул, которые отделены от интуитивных представлений. А ведь формирование адекватной физической интуиции является одной из задач курса, причем для многих студентов нефизических специальностей общий курс физики оказывается последним курсом физики в системе их инженерного образования.

Годы кампании последовательного сокращения аудиторных часов, отводимых на преподавание естественнонаучных дисциплин для специальностей, непосредственно не связанных с физикой, создали почву для развития буквально религиозных взглядов на мироздание. Современный выпускник не физик, практически не понимает, как работают привычные устройства и приборы, насколько тесно связаны между собой на первый взгляд различные явления природы. Как ни парадоксально, многим окружающий мир представляется сегодня таким же мистическим, каким его видели наши далекие предки. Преподаватель курса общей физики для нефизических специальностей имеет возможность в какой-то степени поправить положение, обращаясь к актуальным прикладным проблемам и иллюстрируя теоретический материал современными примерами.

Уровень сложности лекционного курса общей физики.

Как известно, при планировании лекции необходимо учитывать  особенности восприятия человеком устной речи в сравнении с восприятием печатного текста. Скучной и даже непонятной получается лекция, просто воспроизводящая материал учебника. При этом важность информации отходит на второй план по сравнению с удобством ее усвоения аудиторией. Для оживления «трудных» разделов физики, как правило, бывает достаточным включить в изложение примеры, вызывающие живой интерес аудитории, и связанные с ними паузы в потоке рассматриваемых идей. Вместе с тем, подробности некоторых расчетов уместно оставлять для семинаров или факультативных курсов.

Особенностью курса общей физики для студентов технических вузов, в первую очередь для студентов нефизических специальностей является не просто сокращение материала или упрощение изложения по сравнению с курсом, читаемым для физиков, а принципиально иное его содержание. Если основу курса для студентов-физиков  составляет последовательное обоснование и анализ (в том числе и математический) моделей явлений природы, то содержание лекций, например, для студентов-гуманитариев составляет прежде всего, связное изложение современных концепций физики. Постоянная иллюстрация сказанного яркими примерами только украшает лекцию, делает ее доступной.

Привлекая в качестве примеров устройства современной техники для иллюстрации основного материала курса общей физики, имеет смысл выделять в сложном изделии отдельные простые узлы, а в сложном процессе –  отдельные эффекты. В частности, принцип действия и устройство атомно-силового микроскопа может служить как примером прямого наблюдения зависимости межатомных сил от расстояния, так и примером применения пьезоэффекта или примером метода преодоления оптического дифракционного предела с передачей функции формирования изображения электронному устройству. Этот же прибор прекрасно демонстрирует потребности современной техники в сотрудничестве разных специалистов – физиков, конструкторов, технологов.

Иное дело объемные курсы [1,2], или курсы, в которых легко выделяются разные уровни сложности [5]. С учетом соображений, изложенных выше, их целесообразно рекомендовать как источники дополнительного материала для самостоятельной работы студентов как книги, предназначенные для вдумчивого чтения. В аудитории же уровень изложения целесообразно ограничить изложением основных идей и концепций в целом, широко привлекая при этом оценки, делая акцент на общности подходов в разных разделах физики, сопровождая изложение лекционными демонстрациями, примерами использования достижений физики в изделиях передовой техники, подчеркивая тесную связь  фундаментальных физических знаний с актуальными прикладными проблемами.

Роль региональной компоненты учебного плана и элективных курсов

Качественное или полуколичественное рассмотрение принципов построения устройств передовой техники на основе материала базового курса общей физики позволяет обсуждать основные концепции и тенденции развития естествознания с прагматических позиций, связывать  достижения физики с задачами, решаемыми в химии, биологии, медицине, экологии, промышленности и других областях деятельности человека. Для реализации в полном объеме этой возможности лектору желательно иметь возможность оперировать как можно более полным спектром физических явлений. Поэтому курс физики должен быть уже освоен аудиторией.

Элективные курсы и курсы, учитывающие специфику регионов, которые предусмотрены в настоящее время учебными планами технических вузов, дают студентам исключительно благоприятную возможность знакомства с  современным уровнем мировой науки и техники. Особенно, если такой курс читается после завершения базового курса физики, что позволяет задействовать потенциал всех его разделов. Безусловно, при составлении элективного курса следует помнить, что он остается в рамках естественнонаучного цикла, а не является спецкурсом.

При этом лекции приобретают дополнительную привлекательность, если в них отражаются личные научные интересы преподавателя. Можно, однако, высказать сомнения в необходимости узкой специализации элективного курса. Напротив, рассматривая на фундаментальной основе широкий круг вопросов, относящихся к конкретной актуальной прикладной проблеме, можно подготовить почву для облегчения восприятия студентами технологий, еще не разработанных, инструментов, еще не созданных, принципов и знаний, которые или еще не вошли в широкую практику, или вообще пока не открыты.

Например, авторы данной статьи в элективных курсах анализируют интенсивно развивающиеся системы неразрушающего контроля, устройства микроэлектроники и акустооптоэлектроники, системы анализа сложных газовых смесей, построенные по принципу обонятельной системы млекопитающих – системы искусственного носа,. Другая группа элективных курсов посвящена изложению синергетической концепции, новым методам исследования и результатам, полученным в ходе развития современного научного направления – динамики открытых неравновесных систем.

Порядок изложения материала в курсе.

Историческая последовательность интересна и важна для воспитания будущих специалистов. Но она практически не позволяет уложиться во временные рамки, отводимые современным курсам физики в технических вузах. Другим недостатком курса, основу которого составляет историческая панорама развития физического знания, является то, что он обречен на фрагментарность, затрудняет обобщения.

Например, в традиционном изложении механические колебания и звуковые волны рассматриваются в механике, а затем к изучению колебаний и волн возвращаются в разделе электричество и магнетизм. Такое повторение полезно с точки зрения постепенности углубления знания, но им приходится жертвовать в условиях дефицита лекционного времени.

Историзм в преподавании отдельных разделов, например, термодинамики, скорее всего, разумен. Для других разделов, например, магнетизма, он менее уместен. Здесь полезнее начинать с теоретических обобщений Био, Савара, Лапласа, Лоренца и современного релятивистского толкования явления, не отвлекаясь на развитие эмпирических знаний о магнитных явлениях.

Использование современных примеров в ориентированном на историю развития физики курсе выпадает из тематической линии. Однако следует заметить, что тлеющий разряд в фонарях уличного освещения, искровой разряд в свечах зажигания двигателя внутреннего сгорания, особенности работы ксерокса скорее заинтересуют современных студентов, чем огни святого Эльма или даже природа молнии и принцип действия громоотвода. А концептуально важный раздел механики, может быть изложен динамично интересно, если лектор сочетает историзм в постановке проблем с современным пониманием значения их решения для остал ьных разделов физики.

В учебно-методической литературе идет поиск оптимальной последовательности изложения разделов в курсе общей физики для технических вузов. Предлагается распределение материала по примеру  курсов теоретической физики (частицы, поля, колебания и волны, конденсированные среды, статистика и т.д.) [4], смена порядка чередования разделов [5].

С одной стороны эти изменения должны помочь пониманию общей структуры физических знаний, с другой – требуют подготовленной аудитории, не вполне учитывают динамику развития студентов в процессе изучения физики, математики и других дисциплин, которые проходятся параллельно. Курс с теоретической направленностью немыслим без развитых навыков абстрактного мышления, свободного владения аппаратом высшей математики. Поэтому опыт показывает, что сжатый курс общей физики легче читать, начиная не с первого, а со второго или третьего учебных семестров.

Таким образом, для успешного курса необходимо искать и  находить оптимальную структуру каждой конкретной лекции в зависимости от аудитории.

Резервы времени.

Выделение лекционного времени для разбора примеров и обсуждения актуальных прикладных проблем физики является сложной проблемой, так как при этом необходимо, оставаясь в рамках учебного плана, обеспечить требования образовательных стандартов. Решить ее можно за счет сжатого изложения материала, отказа от рассмотрения явлений пусть важных, но выходящих за рамки образовательного стандарта по конкретной специальности.

К числу приемов, способствующих экономии времени, относится более рациональная первичная подача материала, когда отдельные разделы обобщаются и излагаются проблемно. Причем каждый из объединенных разделов лектор может в благоприятной ситуации развернуть, полностью используя способность аудитории к восприятию информации. В основном изложении остаются наиболее важные сведения и соотношения, предназначенные для запоминания студентами. Этот скелет лекции, обрастает «шубой» дополнительной информации при разборе примера или в процессе демонстрации. В результате материал лекции понимается лучше, обрастает ассоциациями, увеличивается в объеме индивидуально для каждого слушателя, давая ему возможность осмысленного вариативного ответа на экзамене.

Другим приемом, создающим некоторые резервы времени, является демонстрация на лекции решений некоторых задач студенческих и даже школьных олимпиад по физике [6-8]. Эти задачи составлены высококвалифицированными композиторами и имеют, как правило,  изящное компактное решение. Отдельные задачи вполне пригодны для замещения или существенного сокращения традиционного лекционного материала. Ценность демонстрационных задач связана с тем, что они развивают физические представления не только через логику рассуждений, но и через технику конкретных расчетов.

Заключение

Главная задача курса общей  физики в техническом вузе – системное изложение фундаментальных знаний в области физики и формирование у студентов адекватной физической интуиции. Вместе с тем  в курсе должны отражаться и актуальные прикладные проблемы. Фундаментальная и прикладная наука, потребности производства, развитие технологии на протяжении всей истории своего развития были тесно связаны друг с другом и взаимно влияли друг на друга. Современная тенденция – постоянное укрепление этих связей, может быть отражена путем введения в лекционный материал примеров, анализ которых доступен студентам с учетом уровня их подготовки и привлекающих их внимание своей актуальностью.

Во время выполнения работы авторы пользовались поддержкой грантов РФФИ № 01-02-16317-а и Минобразования России № РД02-2.7-42.

Литература

1. Д.В. Сивухин. Механика: Учеб. пособие для вузов. – 3-е изд., — М.: Наука. Гл. Ред. Физ. -мат. лит. 1989. – (Общий курс физики; Т.1).

2. А.Н. Матвеев. Механика и теория относительности: Учеб. пособие для физ. спец. вузов.–2-е изд., -М.:Высш.шк.1986.– (Курс общей физики; Т.1).

3. А.Е. Айзенцон. Курс физики — М.: Высш. шк. 1996.

4. А.Д. Суханов. Фундаментальный курс физике: Учеб. пособие для вузов. В 4-х т. Т.1 — 3 Корпускулярная физика. – М.: Идательство «Агар» 1996.

5. Курс физики. Учебник для вузов: В 2 т. /Под ред. В.Н. Лозовского. – СПб.: Издательство «Лань», 2000.

6. Задачи по физике: Учеб. Пособие / Под ред. О.Я. Савченко М.: Наука, Гл. Ред. Физ. -мат. лит. 1998.

7. А.И. Буздин, А.Р. Зильберман, С.С. Кротов. Раз задача, два задача… — М.:Наука. Гл. ред.физ. -мат. лит., 1990. – 240с ("Б-чка «Квант»; Вып.81)

8. Сборник задач по общему курсу физики. Учебное пособие: Для вузов. В трех частях. /Под ред. В.А Овчинкина. – М.: Изд. МФТИ, 1998. – 416с


Хотите получать материалы на e-mail?