Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Развитие творческой самостоятельности студентов технического вуза в процессе обучения через чтение учебника физики. Монография.pdf
ПЗ № 1. Найти связь между физическими величинами, характеризу-
Динамика
Поступательного движения материальной
Вращательного движения абсолютно
твёрдого тела
Ускорение а
Угловое ускорение ε
Масса m
Момент инерции J
Сила F
Момент сил M
Второй закон Ньютона
= m
= J
Закон справедлив в инерциальной системе отсчёта
относительно неподвижной оси,
ющими вращательное движение абсолютно твёрдого тела в условиях конкретной задачи.
Решение ПЗ № 1.
Студент по тексту задачи определяет:
1. Объект исследования (ОИ): барабан, на который намотан шнур.
2. Объект воздействия (ОВ): груз, подвешенный на свободный
конец шнура.
3. Условие воздействия (УВ): груз через шнур действует на барабан,
барабан – на груз.
4. Результат воздействия (РВ): груз совершает поступательное движение вертикально вниз, барабан – вращательное движение относительно
неподвижной оси, проходящей через точку центр масс.
Студент выполняет рисунок с указанием сил, действующих на вра-
щающийся барабан и на груз, подвешенный на нити.
5. Вывод (В): студент прибегает к методу прямая аналогия (адаптирует
ранее имевшееся знание о поступательном движении тела к вращательному
движению абсолютно твёрдого тела). По аналогии с основным уравнением
динамики, описывающим поступательное движение материальной точки
(груза), записывает основное уравнение динамики, описывающее вращательное движение абсолютно твёрдого тела (барабана) (табл. 2.1).
Таблица 2.1
Основное уравнение динамики, описывающее механическое движение
точки (системы материальных точек)
проходящей через точку центр масс.
Студент обращается к учебному тексту [338, с. 37-38]. Прочитав
учебный текст, студент формулирует следующие вопросы-задачи:
ПЗ № 1.1. Найти направление псевдовектора момент силы М относи-
тельно неподвижной точки О.
ПЗ № 1.2. Найти проекцию псевдовектора момент силы М
тельно неподвижной оси (ZZ
'
), проходящей через точку центр масс.
относи-
z
81
Студент снова обращается к учебному тексту. Осваивает его содержание на ступени понимания на уровне кодирования: записывает решение
ПЗ № 1.1 и ПЗ № 1.2 и основное уравнение динамики, описывающее вращательное движение, в проекции на ось вращения (ZZ
'
):
M
= J
Студент возвращается к тексту задачи.
ПЗ № 2. Найти момент инерции J абсолютно твёрдого тела, совершающего вращательное движение.
Решение ПЗ № 2.
Определяет:
1. Характеристики объекта исследования (ХОИ): R=0,5 м; J-?
2. Характеристики объекта воздействия (ХОВ): m=10 кг; а=2,0 м/с
2
.
Записывает условие задачи и её решение (Н. Н. Тулькибаева) [342].
Студент сравнивает собственное решение задачи с образцом, которое
предлагает преподаватель, и вносит коррективы, если в этом есть необходимость.
Студент, записав основное уравнение динамики вращательного движения абсолютно твёрдого тела, хочет убедиться в его справедливости.
ПЗ № 3. От чего зависит величина углового ускорения ε?
Решение ПЗ № 3.
Студент предполагает:
1. Величина углового ускорения ε зависит от величины момента сил
M при постоянном значении момента инерции J=const.
2. Величина углового ускорения ε зависит от величины момента
инерции J при постоянном значении момента сил M=const.
На занятии лабораторного практикума студент выполняет опытную
проверку предположений 1 и 2 на реальной опытной установке. Анализ результатов лабораторной работы подводит его к выводу: закон динамики
вращательного движения справедлив и математическая запись его для абсолютно твёрдого тела, вращающегося относительно неподвижной оси
'
(ZZ
), проходящей через точку центр масс, определяется по формуле:
= J
Теорема Штейнера. Студент формулирует ПЗ.
ПЗ № 4. Будет ли справедлив закон динамики вращательного движения
M
относительно неподвижной оси (ZZ
= J
'
), не проходящей через точку центр масс?
Преподаватель предлагает студенту решить задачу.
Задача. К ободу однородного сплошного диска радиусом 0,5 м приложена постоянная касательная сила 100 Н. При вращении диска относительно
82
неподвижной оси (ZZ'), проходящей через точку на расстоянии 0,5 м от цен-
Динамика
Поступательного движения системы
материальных точек
Вращательного движения абсолютно
твёрдого тела
Скорость v
Угловая скорость ω
Масса m
Момент инерции J
Импульс p
Момент импульса L
Закон сохранения импульса
= const
= const
Закон справедлив для замкнутой системы.
тра масс, на него действует момент силы трения 2 Н∙м. Определите массу
диска, если известно, что угловое ускорение его постоянно и равно 16 рад/с
2
.
Решение ПЗ № 4.
Студент обращается к учебному тексту [338, с. 36]. Изучает теорему
Штейнера по плану изучения физического закона [352]. Записывает условие задачи и её решение [342]. Сравнивает собственное решение задачи с
образцом, которое предлагает преподаватель, и вносит коррективы.
Закон сохранения момента импульса для замкнутой системы. Преподаватель предлагает студенту по аналогии с законом сохранения импульса для замкнутой системы материальных точек, совершающих поступательное движение, записать закон сохранения импульса для абсолютно
твёрдого тела, совершающего вращательное движение (табл. 2.2).
Таблица 2.2
Закон сохранения импульса для системы материальных точек,
совершающих поступательное движение, и закон сохранения импульса
для абсолютно твёрдого тела, совершающего вращательное движение
Преподаватель предлагает студенту самому выбрать задачу на закон
сохранения импульса для тела, совершающего вращательное движение, и
решить её самостоятельно [337].
Студент выбирает задачу, записывает условие задачи и её решение.
Сравнивает собственное решение задачи с образцом, которое предлагает
автор сборника задач, и вносит коррективы.
Студент ведёт поиск технических устройств, принцип действия которых основан на явлении вращательное движение абсолютно твёрдого тела.
ПЗ № 5. Гироскоп – техническое устройство.
Решение ПЗ № 5. Студент рассматривает гироскоп как техническое
устройство и описывает его по плану рассказа о техническом устройстве
[352]. Студент расширяет и углубляет содержание текста учебника, используя научно-техническую и техническую литературу, а также информацию в сети Интернет. Он осваивает содержание информации на ступени
понимания на уровне кодирования.
83
С целью разрешить противоречие между временными ограничениями
учебного процесса и необходимостью подготовки студентов к инновационной деятельности на лабораторном занятии студент, прежде чем приступит к
исследованию физического явления или выполнению экспериментальной
проверки справедливости физического закона, усваивает новое знание.
Фрагмент содержания учебника автора-студента.
Эффект Холла.
Задача. Через сечение медной пластинки толщиной d=0,2 мм про-
пускается ток I=6 А. Пластинка помещается в однородное магнитное поле
с индукцией B=1 Тл, перпендикулярное ребру пластинки и направлению
тока. Считая концентрацию электронов проводимости равной концентрации атомов, определите возникающую в пластинке поперечную (холловскую) разность потенциалов. Плотность меди ρ=8,93 г/см
3
[337, с. 271].
Студент формулирует систему вопросов – познавательных задач (ПЗ).
ПЗ № 1. В чём состоит сущность эффекта Холла?
Решение ПЗ № 1.
Студент по тексту задачи определяет:
1. Объект исследования (ОИ): медная пластинка с постоянным током.
2. Объект воздействия (ОВ): однородное магнитное поле, перпенди-
кулярное ребру пластинки и направлению тока.
3. Условие воздействия (УВ): медная пластинка с постоянным током
помещается в однородное магнитное поле, перпендикулярное ребру пластинки и направлению тока.
4. Результат воздействия (РВ): студент наблюдает эффект Холла.
Студент выполняет рисунок, в котором указывает: на движущиеся
электроны металлической пластинки с постоянным током в однородном
магнитном поле, перпендикулярном ребру пластинки и направлению тока,
действует сила Лоренца F
. Под действием силы Лоренца Fл электроны
л
движутся в направлении действия силы перераспределяются по верхней и
нижней поверхности пластинки. Электроны совершают работу под действием Лоренца F
– силы неэлектрической природы. В пластинке возни-
л
кает электродвижущая сила Ɛ (поперечная разность потенциалов Δφ).
5. Вывод (В): эффект Холла – это физическое явление, состоящее в
возникновении поперечной разности потенциалов в металлической пластинке с постоянным током, помещённой в однородное магнитное поле,
перпендикулярное ребру пластинки и направлению тока.
Студент обращается к учебному тексту: вносит дополнения и коррективы, если в этом есть необходимость [338, с. 213-214].
ПЗ № 2. От чего зависит величина поперечной разности потенциалов Δφ в металлической пластинке с постоянным током, помещённой в
однородное магнитное поле, перпендикулярное ребру пластинки и
направлению тока?
84
Решение ПЗ № 2.
1. Предположим, что величина поперечной разности потенциалов Δφ
зависит от величины силы тока I при постоянном значении индукции магнитного поля B=const и B=const.
2. Предположим, что величина поперечной разности потенциалов Δφ
зависит от величины индукции магнитного поля B при постоянном значении силы тока I=const.
Студент выполняет опытную проверку предположений 1 и 2 на реальной или стендовой опытной установке, используя описание к лабораторной работе «Наблюдение эффекта Холла в металлах». Строит графики
зависимости Ɛ= Ɛ(I) при B=const и B=const и Ɛ= Ɛ(B) при I=const. Используя график зависимости Ɛ= Ɛ(I) при B=const и B=const выполняет вычисления и находит концентрацию электронов в металлической пластинке с постоянным током, помещённой в однородное магнитное поле, перпендикулярное ребру пластинки и направлению тока.
Студент возвращается к тексту задачи.
ПЗ № 3. Найти значение поперечной разности потенциалов Δφ в металлической пластинке с постоянным током, помещённой в однородное
магнитное поле, перпендикулярное ребру пластинки и направлению тока.
Решение ПЗ № 3.
Определяет:
3
1. Характеристики объекта исследования (ХОИ): ρ=8,93 г/см
; d=0,2
мм; I=6 А.
2. Характеристики объекта воздействия (ХОВ): B=1 Тл [20].
Студент записывает условие задачи и её решение [342]. Студент снова обращается к тексту задачи: сравнивает решение задачи с образцом и
вносит коррективы, но уже в образец, тем самым устраняет ошибки, допущенные автором.
ПЗ № 4. Будет ли наблюдаться эффект Холла, если металлическую
пластинку заменить на пластину из полупроводника не меняя условия
воздействия?
Решение ПЗ № 4. Студент объясняет сущность явления эффект Холла в полупроводниках и наблюдает его при выполнении лабораторной работы «Наблюдение эффекта Холла в полупроводниках».
На после лабораторном занятии студент ведёт поиск технических
устройств, принцип действия которых основан на явлении эффект Холла.
ПЗ № 5. Датчик Холла – элемент системы зажигания авто.
Решение ПЗ № 5. Студент выполняет поиск и кодирование научнотехнической и технической литературы, а также информации в сети Интернет. Рассматривает датчик Холла как часть целого системы зажигания
авто: датчик Холла как техническое устройство и описывает его по плану
рассказа о техническом устройстве [352].
85
Творческая самостоятельность есть деятельность, направленная на
удовлетворение потребностей. Студенты различных направлений подготовки и профиля обучения в зависимости от деятельности, направленной
на удовлетворение личных потребностей, формулируют сами для себя
свои вопросы-задачи. Мы считаем, что, именно, такой подход к чтению
учебного текста по физике, в перспективе даст возможность инженеру
снять физическое противоречие при решении изобретательской задачи.
2.3.4. Гуманитаризация физического образования
в техническом вузе в контексте синергетического подхода
XXI век – век всеохватывающей компьютеризации общества. В обществе в условиях замены реального человеческого общения на виртуальное актуальной становится проблема гуманитаризации образования.
Проведённый нами анализ научной литературы и диссертационных
исследований показал, что проблемы гуманитаризации инженерного образования в целом и гуманитаризации физического образования в техническом вузе в частности далеки от разрешения.
Проблема гуманитаризации инженерного образования в последнее время обсуждалась на Международной научно-методической конференции «Гуманитаризация инженерного образования: методологические основы и практика» (Тюмень, апрель 2018 г.), I Международном форуме «Гуманизация инженерного образования» (Санкт-Петербург, июнь 2018 г.). Учёные затронули
широкий спектр вопросов: от смены современной образовательной парадигмы
и формирования новой инженерной ментальности до внедрения гуманитаризационных технологий в образовательный процесс и формирования востребованной модели выпускника технического вуза. Участники подошли к выводу:
необходим комплексный подход к решению проблемы гуманитаризации инженерного образования через создание целостной культурно-образовательный
среды в университете, формирующей условия для подготовки современного
инженера, готового к решению сложных социотехнических задач.
Деятельность инженера находится на стыке науки и практики. Инженер создаёт новую технику. Современная техника является настолько сложной, что инженеру не всегда удаётся распознать на основе имеющихся знаний возможные последствия научно-технического развития. А значит:
- будущих инженеров необходимо знакомить с основными принци-
пами и понятиями социальной оценки техники и выработать у них уже на
начальном этапе ответственность перед обществом в процессе реализации
научно-технических инновационных проектов;
- выпускник технического вуза должен иметь базовое математиче-
ское, естественнонаучное и техническое образование, а также социальноэкономическое и гуманитарное образование и ориентирован на практическую реализацию законченных проектов.
86
Э. Крик аргументировал, что будущему инженеру необходимо изучение и знание не только технических и технологических наук, но и дисциплин на первый взгляд далёких от них. Любое знание пригодится инженеру, но глубокое знание экономики особенно. Инженер, «не умеющий
сделать экономический расчёт себестоимости, составить смету затрат на
проектирование и производство, вычислить эффективность разрабатываемой новинки и экономически обосновать один вариант из множества, – не
полноценный инженер» [176, с. 6].
Гуманизация технического образования предусматривает не только
введение в учебный план технических вузов обязательный цикл гуманитарных, социально-экономических и естественнонаучных дисциплин, но и обеспечение гуманитарной направленности всех дисциплин учебного плана.
Гуманитаризация физического образования в техническом вузе. В
соответствии с принципом преемственности ООП, структура дисциплины
«Физика» включает в себя отдельные модули [273]. В идеале содержание
дисциплины «Физика», остаётся одинаковым для студентов технических
вузов для различных направлений подготовки и профилей обучения бакалавриата, которые, по мнению разработчиков программы дисциплины,
требуют различной трудоёмкости дисциплины. Различные уровни изучения физики требуют одних и тех же разделов, которые, в первом приближении совпадают с дидактическими единицами дисциплины, принятыми
Росаккредагентством для создания тестовых заданий по мониторингу
усвоения базовых знаний по дисциплине [273, с. 9].
В соответствии с Примерными программами дисциплины «Физика»
преподаватели создают рабочие программы, содержание дисциплины в которых остаётся одинаковым для различных направлений подготовки и
профилей обучения бакалавриата. Но различают их уровни изучения одних
и тех же разделов физики: минимальный (9-11 ЗЕ/ 300 час.), базовый (1415 ЗЕ/ 450 час.) и расширенный (18-20 ЗЕ/ 600 час.) [273].
Ведущая кафедра направления подготовки и профиля обучения бакалавриата, выбирая минимальный уровень изучения содержания дисциплины «Физика», рискует получить студента не готового к изучению технических дисциплин, в перспективе – выпускника не готового к решению
сложных социотехнических задач.
Реализация рабочих программ дисциплины «Физика» для различных
направлений подготовки и профилей обучения бакалавриата допускает различные траектории изучения структурных разделов для отдельно взятого
направления подготовки и профиля обучения бакалавриата. Принцип целостности полагает, что изучать надо не отдельные понятия, а согласованные
разделы с учетом внутри- и межпредметных связей дисциплины «Физика» и
дисциплин, предусмотренных учебным планом для отдельно взятого направления подготовки и профиля обучения бакалавриата, на основе многоуровневой интеграции всего комплекса изучаемых знаний [111, с. 83-84].
87
У большей части студентов-первокурсников сформировано клипо-
вое мышление, для которого характерно поверхностное восприятие информации. Информационный барьер порождает риск готовности студен-
тов к развитию творческой самостоятельности в информационном обществе в обществе знаний. Гуманитаризация физического образования в
техническом вузе в контексте синергетического подхода позволяет снизить риски [249]. Основываясь на результаты исследований, мы подошли к выводу: с целью развития у студентов творческой самостоятельности в условиях массового высшего технического образования необходимо «получить»:
1. Студента научившегося читать учебник физики (умеющего найти
в учебном тексте главное, доказательство главного, иллюстрацию доказательства главного).
2. Читать научный текст (выполнить поиск научной информации,
освоить и применить знание, а также составить новый научный текст).
3. Осмыслить содержание теоретических и профессиональных зна-
ний в разных предметных областях в контексте синергетики (выполнить
интеграцию физических знаний на основе междисциплинарных связей).
В России проблемами синергетики занимаются Б. Г. Ананьев,
Н. Д. Никандров, Н. Ф. Талызина и др. Н. Ф. Талызина отмечает, что
накопление знаний в разных предметных областях происходит, как
правило, путём «наслоения» все новых и новых частных явлений, зависимостей, основа же сохраняется. Поэтому при построении содержания
образования важно выделить инварианты, с помощью которых можно
избежать перегрузки учебных программ. При этом их информационная
ёмкость не только не снижается, а, наоборот, повышается, так как усвоение инвариантных знаний позволяет обучаемым самостоятельно их
получать, причем не только те знания, которые известны в настоящее
время, но и новые [328].
В процессе научного исследования нами была разработана идеальная
структурно-функциональная модель личностно ориентированного преемственного учебника физики [113, с. 56]. Авторская концепция, отражённая в
личностно ориентированном преемственном учебнике, позволяет определить
учебник как модель в том смысле, что он не только отображает в себе структуру определённой дидактической системы, но и проектирует её реализацию.
Учебник физики для инженеров:
1) должен научить студентов понимать сущность науки физика и
применять её (науку) для совершенствования части или создания нового
технического устройства;
2) знакомить разработчика-студента с основными принципами и понятиями социальной оценки техники, а именно, обеспечить снижение рисков, вносимых самим разработчиком-студентом научно-технического ин-
88
новационного проекта и предвидение возможных рисков, вносимых производителем и потребителем нового технического устройства.
Мы считаем, что таким учебником:
- во-первых, может быть только учебник по типу диалогичный. Диалогичными были книги первого поколения: авторы обращались к читателю, как бы стремясь расположить его к себе и к книге.
-во-вторых, текст учебной книги должен обеспечивать творческую
самостоятельность в процессе обучения через чтение при минимальной
помощи преподавателя.
Знания, излагаемые в базовом учебнике, являются готовыми продуктами чужого опыта. Чтобы их усвоить, необходимо обладать определёнными средствами усвоения. Студент, обладающий такими средствами
усвоения, может знания «присвоить» (А.Н. Леонтьев), то есть «слить продукты чужого опыта с показаниями собственного» (И.М. Сеченов). Только
в этих условиях знания приобретают личностный смысл и значение для
отдельно взятого студента [385].
На основе предложенной модели:
- нами разработан алгоритм, позволяющий освоить содержание
учебного текста;
- алгоритм извлечения знаний из научных текстов;
- синергетический метод, позволяющий находить внутри- и межпред-
метные связи между различными дисциплинами и применять гуманитарные,
социально-экономические, естественнонаучные и технические знания в
изобретательской (творческой) деятельности в реальных условиях.
Таким образом, гуманизация (цель) физического образования в техническом вузе в контексте синергетического подхода – это развитие у студентов технического вуза творческой самостоятельности в процессе обучения
физике через чтение. Гуманитаризация (средство) гуманизации физического
образования в техническом вузе в контексте синергетического подхода – это
личностно ориентированный преемственный учебник физики.
89
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В монографии нашли отражение теоретические и практические аспекты развития творческой самостоятельности студентов технического вуза в процессе обучения физике через чтение учебника.
I. Анализ состояния проблемы развитие творческой самостоятельности студентов технического вуза в процессе обучения позволил:
1. Составить историографию развития российского инженерного
образования.
2. Найти отражение проблемы развития творческой самостоятельно-
сти студентов в процессе обучения на каждом этапе развития инженерного
образования.
3. Дать определение:
1) понятия «развитие»:
а) с философской точки зрения развитие есть процесс закономерного (качественного, необратимого, направленного) изменения материальных и идеальных объектов, обусловленного противоречиями самой
системы (объекта);
б) с психологической точки зрения развитие – это процесс диалектического перехода количественных изменений в качественные преобразования физических, психических и духовных характеристик личности под
воздействием факторов биологического и социального;
в) с педагогической точки зрения «развитие личности объединяет
развитие направленности личности (воспитание), развитие опыта личности (обучение), развитие психических процессов (собственно развитие)»
[225, с. 480-481].
2) понятие «творчество» определяем как «...интеллектуальная актив-
ность – интегральное свойство личности, обеспечивающее возможность
выходить за пределы заданной ситуации, действовать вне требований ситуации, т.е. позволяет выйти за рамки внешне целесообразной деятельности и осуществить собственное целеполагание» (Я. А. Пономарев) [267].
4. Выполнить анализ состояния проблемы развитие творческой само-
стоятельности в педагогической науке.
II. Анализ теоретических основ развития творческой самостоятельности студентов технического вуза в процессе обучения физике через чтение учебника позволил:
1. Определить понятие «творческая самостоятельность»:
1) как качество личности;
2) деятельность, направленную на удовлетворение потребностей
человека.
2. Установить, что самостоятельность и творчество определяют и
дополняют друг друга и представляют собой в синтезе понятие «творческая самостоятельность».
90