Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ВОПРОСЫ МЕТОДИКИ ПРЕПОДАВАНИЯ КУРСА ФИЗИКИ В ТЕХНИЧЕСКОМ УНИВЕРСИТЕТЕ

Лидер А.М. 1 Склярова Е.А. 1 Сёмкина Л.И. 1
1 ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
В статье рассматриваются вопросы разработки рабочей программы при изложении фундаментального курса физики с использованием междисциплинарных связей этого курса с общетехническими (инженерными) дисциплинами (используя, например, материал практических физических приложений, при этом не урезая, а дополняя содержание дисциплины). Авторами предлагается выделять некоторые фундаментальные темы, которые не будут иметь продолжения в дисциплинах профессионального цикла и специальных дисциплинах, но являются необходимым элементом базового фундаментального образования будущих инженеров и должны рассматриваться в курсе физики в завершённом виде. Авторы выделяют также темы (основы механики, термодинамики и т.п.), объем изложения которых можно сократить, из-за их включения в курс теоретической механики или, например, в последующие специальные курсы термодинамики, гидравлики и т.д. В связи с этим очень важным при разработке рабочей программы дисциплины «Физика» является оптимальная реализация межпредметных связей (начиная с введения согласованных обозначений физических величин, определения границ изложения пересекающихся тем и их взаимосвязи и взаимопроникновения). Отмечаются методические сложности и возможные варианты разработки программ изложения отдельных разделов физики (например, элементов физики твердого тела) и использования соответствующего математического аппарата.
рабочая программа
физика
структурирование курса
межпредметные связи
1. Ерофеева Г.В., Ларионов В.В., Сёмкина Л.И., Тюрин Ю.И., Чернов И.П. Концепция подготовки элитных специалистов в системе фундаментального образования // Элитное техническое образование: Труды Международной конференции в рамках симпозиума «Элитное техническое образование». – Томск: Изд-во ТПУ, 2003. – С. 79–81.
2. Крючков Ю.Ю. Фундаментальное образование как основа элитного обучения в техническом вузе / Ю.Ю. Крючков, Г.В. Ерофеева, В.В. Ларионов, Л.И. Семкина, Ю.И. Тюрин, И.П. Чернов // Инженерное образование. – 2004. – № 2. – С. 94–97.
3. Ларионов В.В., Тюрин Ю.И. Физика. Проблемно ориентированная система обучения физике в техническом университете. Методика структурирования содержания задач и формирования идей на уровне проекта. – Томск: Изд-во Том. ун-та, 2010. – 194 с.
4. Лидер А.М., Л.И. Семкина, Склярова Е.А. Согласование интегрированных компетенций по ООП бакалавриата и специалитета в рамках предметной области «Физика» // Уровневая подготовка специалистов: международная концепция CDIO и Стандарт ООП ТПУ: Сборник трудов научно-методической конференции; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во ТПУ, 2013. – С. 60–63.
5. Петровская Т.С., Соловьев М.А., Чернов И.П., Сёмкина Л.И. Фундаментальная подготовка – основа формирования профессиональных компетенций в инженерном образовании // Уровневая подготовка специалистов: государственные и международные стандарты инженерного образования: Сборник трудов научно-методической конференции; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во ТПУ, 2011. – С. 10–14.
6. Похолков Ю.П. Инновационное инженерное образование: содержание и технологии. / Ю.П. Похолков, А.И. Чучалин, Б.Л. Агранович, М.А. Соловьёв // Инновационный университет и инновационное образование: модели, опыт, перспективы: Труды Междунар.симп. – Томск: Изд-во ТПУ, 2003. – С. 9–10.
7. Стандарты и руководства по обеспечению качества основных образовательных программ подготовки бакалавров, магистров и специалистов по приоритетным направлениям развития ГОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» (Стандарт ООП ТПУ): Сборник нормативно-производственных материалов / под редакцией А.И. Чучалина, Е.Г. Язикова. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. – 150 с.
8. Шильников А.В. Инновационные технологии преподавания физики в системе профессиональной подготовки инженеров / А.В. Шильников, Н.М. Галиярова, Е.Г. Надолинская и др. / Физическое образование в вузах. – 2003. – Т. 9, № 4. – С. 43–56.
9. Фабрикант В.А. Новое в инженерном образовании. Физика и её роль. // Современная высшая школа, 1974. – № 1. – 109 с.
10. Федеральный государственный стандарт высшего профессионального образования по уровням подготовки (бакалавр, магистр, специалист). Утв. 22.2.2007 г.

Физика, как развивающаяся фундаментальная наука, отражающая основные наиболее общие закономерности в природе, всегда востребована в любой сфере инженерной деятельности. Это инициирует и поддерживает потребность в разностороннем образовании инженера, которое необходимо и достаточно в качестве базового для знаний и умений в области узкой специализации [5, 9].

При формировании рабочей программы изучения дисциплины кафедра физики стремится к тому, чтобы физика изучалась как единственный и последовательный курс, но при этом учитывались требования основной образовательной программы для данного направления (профиля) [7, 10]. Сложность задачи разработки рабочей программы и методики практической реализации этой программы заключается в изложении фундаментального курса физики с использованием междисциплинарных связей этого курса с общетехническими, общеинженерными и инженерными дисциплинами таким образом, чтобы поддерживать постоянный «неискусственный» интерес студентов к вопросам физики.

Определим некоторые результаты наших размышлений и практической деятельности по формированию и структурированию курса физики, предлагаемого студентам в техническом университете.

По нашему мнению, курс физики, вне зависимости от специализации для всех общетехнических направлений (ООП института природных ресурсов, института неразрушающего контроля, института физики высоких технологий) должен строиться как последовательный и единый курс естественнонаучной дисциплины, отражающей основные наиболее общие закономерности в природе [4]. При этом для построения рабочей программы по курсу физики нужно выделить отдельные фундаментальные темы, которые не будут иметь продолжения в дисциплинах профессионального цикла и специальных дисциплинах. Такие разделы, как основы общей и специальной теории относительности, некоторые вопросы волновой и квантовой оптики, элементы квантовой механики не имеют развития в дальнейшем обучении студентов на старших курсах, но являются необходимым элементом базового фундаментального образования будущих инженеров [1, 2].

Эти фундаментальные темы должны рассматриваться в курсе физики в завершённом виде, т.е. студенты, пройдя обучение на кафедре общей физики, должны получить глубокие подробные знания физической сущности явления, основных законов и границ их применимости (в объёме, представленном в рекомендованных учебниках), которые не обеспечиваются никакими другими кафедрами.

Отметим, совершенно противоположную ситуацию при изложении основ механики, термодинамики и т.п., объем которого можно сократить, из-за запланированного рассмотрения, например, кинематических и динамических характеристик движения в курсе теоретической механики, или, например, циклических процессов в газах, закономерностей течения жидкости в последующих специальных курсах термодинамики, гидравлики и т.д.

В связи с этим очень важным при разработке рабочей программы дисциплины «Физика» является оптимальная реализация межпредметных связей (начиная с введения согласованных обозначений физических величин, определения границ изложения пересекающихся тем и их взаимосвязи и взаимопроникновения).

Красной нитью всего представления содержания курса физики является стремление поддерживать постоянный активный интерес студентов к вопросам физики, используя, например, материал практических физических приложений (при этом, не урезая, а дополняя содержание дисциплины) [8].

1. При изучении раздела «Молекулярная физика и термодинамика» предпочтительно акцентировать внимание на изучении вопросов, связанных с теплофизическими процессами.

2. В разделе «Электростатика» возможно подробнее рассматривать разнообразные применения действия электрических полей на заряженные объекты в разнообразных технологических процессах.

3. После рассмотрения вопросов раздела «Колебания и волны» естественно уделить внимание отдельным задачам акустики.

4. В теме «Элементы квантовой оптики» необходимо особо обратить внимание на практические применения явления люминесценции в светотехнике.

В целом, необходимо искать возможные варианты изложения материала для современных студентов так, чтобы поддерживать (разжигать) интерес к лекционному материалу, конкурируя, в том числе, с Интернетом и другими источниками [6]. Это не значит, что можно свести всё содержание курса к облегченному, доступному изложению. Да это и не возможно, так как успешное освоение понятий современной физики требует использования элементов теоретической физики и соответствующего математического аппарата.

Тесная связь физики и математики обусловлена их общим развитием. Некоторые математические понятия и теоремы возникли благодаря постановке специальных задач, которые возникали в физике при её развитии. Математика для физики является и её языком, и необходимым аппаратом исследования закономерностей физических явлений.

Необходимо и в процессе обучения физике учитывать то, что курс математики имеет определённую последовательность изложения математического материала. Содержание курса математики следует строго логической последовательности его частей и наиболее важные для курса физики разделы математики, такие как дифференцирование и интегрирование, не могут быть изложены в начале курса математики, а только после изложения теории пределов и непрерывности функций. Отчасти некоторая подготовка к восприятию использования в физике аппарата дифференциального и интегрального исчисления осуществляется теперь в школьном курсе математики. Но можно в курсе физики акцентировать задачу обучения студентов применению математических методов в физике, что поможет в дальнейшем строить хорошие математические модели физических явлений.

Понятие производной хорошо воспринимается студентами при определении кинематических характеристик движения (скорости прямолинейного движения, ускорения и т.д.). Понятие определённого интеграла cвязано с применением множества физических задач: определение приращения скорости движения частицы при заданном ускорении; определение перемещения частицы при заданном ускорении; определение работы переменной силы и т.п.

Формулировка основных законов физики должна подтверждаться анализом экспериментальных фактов и полностью отражать существо этих законов, а также определять границы их применимости.

Но при этом введение элементов теоретической физики должно облегчать понимание физики, поэтому не следует использовать сложный математический аппарат, закрывающий само существо рассматриваемых физических законов. К тому же можно пересмотреть традиционное изложение курса физики, пронизанное выводами классической механики Ньютона [3].

Законы сохранения – основа раздела механики; здесь даётся понятие об общих динамических закономерностях, о связи законов сохранения с симметрией пространства и времени с использованием специального математического аппарата. Для записи физических законов используются понятия векторного исчисления, такие как поток вектора и циркуляция вектора. И эти понятия удобно ввести при изложении законов электромагнетизма для выражения свойств полей математическими методами. Это позволяет, например, сформулировать закон сохранения заряда в виде уравнения непрерывности (в дифференциальной и интегральной форме) и обосновать представление о токе смещения.

Теорему Остроградского-Гаусса можно сразу не выводить, а представить как обобщение опытных фактов и определить вектор электростатической индукции через поток этого вектора для поля, созданного зарядами.

Можно отказаться от доказательства теоремы о циркуляции вектора напряженности магнитного поля при описании характеристик магнитного поля. На основании обобщения опытных фактов индукция магнитного поля вводится (по определению) в выражении для силы, действующей на проводник с током, находящийся в магнитном поле. В то же время, обобщая факты появления магнитного поля в пространстве, окружающем проводник с током, можно сформулировать теорему о циркуляции вектора напряженности H магнитного поля, из которой непосредственно следует определение напряженности магнитного поля, как количественной характеристики поля.

Для обоснованного изложения раздела «Молекулярная физика» можно рассмотреть темы этого раздела уже после ознакомления студентов с вопросами строения атомов и молекул, с вопросами ядерной физики.

Важной методической задачей является организация в рамках курса общей физики (в соответствующей последовательности тем и в необходимом и достаточном объёме) изучение элементов физики твердого тела, учитывающего специализацию выпускника вуза. Интересы различных технических специальностей требуют подробного рассмотрения вопросов, связанных с характеристикой двух агрегатных состояний вещества («Жидкость», «Твердое тело»). Студенты в процессе обучения должны научиться представлять особенности жидкого состояния вещества, понимать природу фазовых переходов, адсорбционных явлений, сил поверхностного натяжения.

Изучение механических свойств твердых тел, используемых в различных современных производствах, должно затрагивать вопросы темы: дефекты структуры твердых тел (точечные, линейные и двумерные дефекты). Наличие дислокаций (линейных дефектов, нарушающих кристаллическую решётку твёрдого тела) приводит к пластической деформации кристаллов и существенно влияет не только на механические, но и на другие физические свойства кристаллов. Рассмотрение этих вопросов является базой для понимания проблем создания материалов с заданными физическими характеристиками, в том числе сверхпрочных материалов.

Объяснение наблюдаемых свойств и явлений в твердых телах и законов взаимодействия частиц, составляющих твердые тела, возможно только с привлечением законов квантовой механики. В программе курса физики темы раздела «Физика твердого тела» вводятся в последнем (третьем) семестре изучения данной дисциплины.

Предварительно в предшествующий период обучения у студентов должно быть сформировано твердое убеждение о недостаточности классической интерпретации для точного анализа свойств твердых тел и необходимости использования квантовых представлений.

Но в то же время, применяя теорию Бора (которая не является последовательно классической и не является последовательно квантовой), на примере атома водорода студенты могут сделать заключение о точности соответствия найденных значений энергии электрона для стационарных состояний и результатов многочисленных экспериментов с водородом. Это поможет в дальнейшем с пониманием воспринимать переход к применению квантовой механики для анализа явлений в твердых телах.

Применение, например, решений уравнения Шредингера для анализа поведения свободных электронов в металлах чётко объясняет очень малый вклад электронного газа в металле в величину теплоёмкости металлов. Особо можно выделить необходимость проведения анализа магнитных свойств твёрдых тел с применением квантовой теории металлов, которая требует знания, кроме распределений Максвелла и Больцмана, также основ распределения Ферми-Дирака. Например, природа ферромагнетизма не может быть объяснена только с использованием классической теории магнитных явлений.

Такое структурирование программы изучения курса физики не потребует значительных усилий со стороны студентов, но должно способствовать формированию современных представлений о структуре и свойствах вещества.

Рецензенты:

Румбешта Е.А., д.п.н., профессор, кафедра физики Томского государственного педагогического университета, г. Томск;

Улеников О.Н., д.ф.-м.н., профессор, кафедра теоретической физики Томского государственного университета, г. Томск.

Работа поступила в редакцию 19.02.2015.


Библиографическая ссылка

Лидер А.М., Склярова Е.А., Сёмкина Л.И. ВОПРОСЫ МЕТОДИКИ ПРЕПОДАВАНИЯ КУРСА ФИЗИКИ В ТЕХНИЧЕСКОМ УНИВЕРСИТЕТЕ // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 2-4. – С. 787-790;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=36934 (дата обращения: 16.10.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074