Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,222

Штагер Е.В., Пышной А.М.

Изучение и осознание логической структуры учебного предмета - непременное условие процесса систематизации и обобщения знаний, выяснения мировоззренческого содержания учебной информации. Существующий до сих пор в высшей технической школе традиционный характер предъявления познавательного материала базовых инженерных дисциплин в описательной, информативной форме и соответствующий ему иллюстративно-объяснительный тип обучения ориентирован в основном на пассивное усвоение предмета. Такой подход не обеспечивает необходимого накала мышления для активной познавательной деятельности, что негативно отражается на процессе формирования профессиональных компетентностей будущих специалистов.

Учитывая огромное гносеологическое, мировоззренческое и системообразующее значение теоретической механики в общей структуре инженерной подготовки при организации изучения данной дисциплины, в первую очередь, должен быть решен вопрос логической взаимосвязи основных блоков ее учебной информации, то есть выстроена логико-дидактическая структура.

Первоосновой данной процедуры является определение базовой системы методологических принципов строения научного знания дисциплины. Именно этот начальный, но в тоже время определяющий идейное содержание учебного предмета этап чаще всего упускается из виду разработчиками программ и планов инженерной подготовки. Такое положение негативно отражается на общем процессе функционирования дидактических систем - зачастую нарушенная логическая структура «развертки» учебной информации курсов не позволяет обеспечить содержательную целостность образовательного пространства.

Существуют различные подходы к отбору методологических принципов организации научного знания, к определению их функциональной нагрузки. Представляется приоритетным использование для этой цели методов системного анализа конкретной научной теории, лежащей в основе учебной дисциплины. Взглянув на научную теорию с системных позиций можно заметить, что в качестве системообразующих связей выступают такие свойства теории, которые обеспечивают целостность ее строения и возможность внутреннего развития. Эти свойства определяют методологические принципы функционирования соответствующей области знания. В свою очередь, в общей системе инженерной подготовки определяющее и доминирующее значение принадлежит физике. Совершенно очевидно, что определяющим фактором при исследовании и формировании логико-дидактической структуры дисциплины «Теоретическая механика» должно быть установление соответствия логического и понятийного строения курса внутренней организации физической науки.

Из всего комплекса методологических принципов строения физического знания был выделен ряд принципов, несущих наиболее функциональную нагрузку для построения логико-дидактической структуры теоретической механики. К ним были отнесены следующие: объяснения, простоты, единства физической картины мира, симметрии, сохранения, соответствия.

Выделенные принципы характеризуются тесной взаимосвязью и взаимодополнением. По сути, они образуют регулятивную систему строения любой физической теории. Так требование объяснения есть исходный методологический принцип, конституирующий само существование любой частной физической теории. Данный принцип реализуется либо с помощью установления математических закономерностей, связывающих характеристики объясняемых фактов, либо с помощью содержательных гипотез, описывающих сущность наблюдаемых явлений. В качестве критерия выбора между конкурирующими объяснениями выступает принцип простоты, играющий роль своеобразного фильтра, пропускающего сквозь себя лишь более простые объяснения. Стремление к единству объяснения находит свое воплощение в требовании единства физической картины мира, что можно охарактеризовать как требование глобальной простоты. Принципы симметрии, с одной стороны, и принципы сохранения, с другой - организуют дальнейшую конкретизацию требования единства физического знания. Они являются выражением общей связи между математическим и содержательным способами объяснения. Принцип соответствия рассматривается как регулятив применимости теории.

На основе данной системы методологических принципов организации физического знания был проведен анализ структуры и содержания традиционных учебников, учебно-методических пособий и учебных программ по теоретической механике на предмет соответствия логического и понятийного представления курса внутреннему строению физического знания.

В результате анализа были получены следующие результаты:

1. Традиционная структура представления учебной информации теоретической механики в инженерных вузах - вначале изучаются условия равновесия материальных систем (статика), а затем только фундаментальные основы классической механики - законы движения материальных объектов (кинематика - динамика) - разрушает внутреннюю логику физического знания, задаваемую приведёнными выше методологическими принципами.

Это подтверждается следующим: для обоснования научной информации статики неизбежно постулируется ряд аксиом (законов) как теоретической базы данного отдела механики. Такой подход создаёт впечатление будто бы законы статики существуют сами по себе и никак не связаны с фундаментальными основами классической механики - законами динамики. Фундаментальное в механике понятие «сила» вводится в статике математизированно (вектор), а сущностная характеристика его как количественной меры переноса механического движения даётся только в разделе «Динамика». В результате возникает не только логико-понятийная разобщённость в восприятии курса, но и нарушается диалектический принцип взаимосвязи явлений, согласно которому равновесие неотделимо от движения и является его предельным случаем.

2. Логический разрыв учебной информации теоретической механики послужил причиной недостаточно чёткой формулировки обобщающей цели изучения всего курса. Каждый раздел - статика, кинематика, динамика - имеет свою цель изучения, соответствующую характеру рассматриваемых в нём задач. Такое построение механики неизбежно требует представления её в качестве аксиоматической системы, основы которой постулируются, а выбор исходных понятий - дело соглашения.        Основной причиной изложения курса преимущественно аксиоматико-дедуктивным методом следует считать излишнюю политехнизацию механики. Исторически обусловленная необходимость приближения основ механики к запросам инженерной практики негативно отразилась на процессе представления в технических учебных заведениях её фундаментальных теоретических основ. Постепенно физические основы механики перестали излагаться в необходимом для их осмысления объёме, а дальнейшее насыщение учебников техническими методами решения инженерных задач послужило причиной перевода теоретической механики из разряда фундаментальных естественнонаучных дисциплин в ряд общетехнических, специальных предметов.

Такой подход не позволяет научнообоснованно объяснить мир механических явлений в целом, разрушает логику и преемственность развития научного знания механики, снижает мировоззренческий аспект её изучения.

Совершенно очевидно, что учебная информация механики как науки о простейших формах движения материи в отношении их причин и следствий должна представляться в диалектическом развитии от основополагающих принципов и законов классической механики (ядра её научной теории) к конкретно-научным методам исследования различных состояний материальных объектов.

С этой позиции предметный материал статики целесообразно излагать в качестве предельного случая динамики и получать условия равновесия материальных тел как частный случай уравнений, описывающих их движение. В связи с этим логично изучение курса теоретической механики начать с раздела «Кинематика», а основные вопросы статики изложить после изучения динамики перед рассмотрением элементов аналитической механики, что будет соответствовать как внутреннему строению физической науки, так и порядку изучения раздела курса физики «Физические основы механики». Основные задачи статики, при этом, формулируются в едином контексте с целевым назначением динамики:

  • решить проблему замены данной системы сил другой, более простой, но оказывающей то же воздействие на движение материальных объектов;
  • определить условия равновесия этих объектов под действием данной системы сил.

В такой постановке исключается необходимость введения дополнительных аксиом статики. Её основные понятия сущностно определяются основополагающими принципами и законами динамики: II закон Ньютона методологически обосновывает понятие силы как меры механического взаимодействия тел, что даёт возможность сразу осуществить классификацию сил и их систем в механике, ввести понятие связей и их реакций; принцип равенства действия и противодействия постулирует характер взаимодействия макрообъектов; принцип независимости действия сил определяет сущность понятия «равнодействующая сила»; принцип инерции логически связан с представлением об условии сохранения материальным объектом состояния покоя.

В результате проведенного исследования была реформирована рабочая учебная программа курса теоретической механики. Доминирующе место в ней заняла динамика. С одной стороны это подчеркивает фундаментальный характер учебного материала данного раздела, с другой - дает возможность осуществить логическую связь информационного материала всех разделов теоретической механики как единого иерархического комплекса. Данная программа послужила методическим основанием реформирования традиционной системы практических занятий по механике, построения адаптированного к современным реалиям инженерной подготовки комплекса учебно-профессиональных задач.

Предложенный подход к организации обучения теоретической механике используется авторами на протяжении ряда лет в порядке педагогического эксперимента. Пролонгированные наблюдения за студентами позволили констатировать положительную динамику обучаемости, развитие структурно-функциональных компонент мышления - умение анализировать, систематизировать и обобщать фундаментальное и прикладное знание механики.