 |
В техническом университете
|
|
|
|
Фундаментальное образование, как важнейшее условие формирования интеллектуально развитой личности, специалиста, вооруженного действенными знаниями, творчески-способного участника научно-технического прогресса и социальных преобразований, вытекает из насущных потребностей современного общества. Научный уровень знаний специалистов, обслуживающих современное производство, не может быть ниже уровня знаний, опредмеченных в технике и технологиях. От специалистов требуется не просто знание отдельной отрасли науки, а овладение целостной системой знаний и современным стилем мышления, чтобы использовать, с одной стороны, все достижения научно-технического прогресса и исключить, с другой стороны, могущие стать столь разрушительными последствия их неумелого и однобокого использования. Знания выпускников школ и специалистов должны быть также пригодными для самостоятельного и творческого их применения, так как для обслуживания современного производства и решения социальных проблем требуется уже не просто опыт, квалификация, сноровка, а умение практически реализовать свои знания в условиях реального производства и общественной жизни, воспитание привычки опираться на научную информацию в поиске решений производственных и социальных задач. Выпускникам высшей школы предстоит научиться не просто использовать научные рекомендации и разработанные технологии, а самим вырабатывать эти рекомендации, конструировать наиболее эффективные и экономные пути достижения поставленной цели.
Фундаментальное университетское техническое образование означает основательную научную подготовку, присущую классическим университетам, при сохранении ориентации на инженерные профессии и прикладной характер научных исследований (И.Б. Федоров, 12). По сути дела, ставится вопрос о переходе от изучения базовых теоретических дисциплин к фундаментальному общему высшему образованию. В связи с этим роль физики, как общетехнической дисциплины, в фундаментальной подготовке инженеров в технических университетах становится исключительно важной.
|
|
|
Физика в техническом университете призвана обеспечить создание современной информационной базы в области физики и техники в интересах научного кругозора, методологической ясности, профессиональной компетенции и общей культуры, а также интеллектуальной основы многогранной познавательной деятельности и научного рационального мышления в различных сферах жизни (А.Д. Гладун). Фундаментальное физическое образование должно обеспечивать «сформированность целостного инвариантного осмысления физического единства и многообразие мира; устойчивые навыки физического мышления как развитой формы научного познания; сформированность представлений о фундаментальности, универсальность и конструктивности современного физического подхода к природе и технике. В такой постановке требования к физическому образованию отражают не только его общеобразовательную направленность, но и необходимость для реальной профессиональной деятельности по техническим направлениям.» (там же).
Важность единства фундаментальной и профессиональной направленности в подготовке по физике студентов технических вузов раскрыта в работе (Л.В. Масленникова). Предлагается различать инвариантную (фундаментальную) и варьируемую (прикладную) компоненты курса, отразив в последней познавательную деятельность, адекватную профессиональной деятельности инженера данного профиля.
Проблема фундаментализации современного высшего технического образования содержит два аспекта: овладение целостной системой знаний, традиционно называемых фундаментальными (стержневыми, системообразующими, методологическими, значимыми и т.д.) и использование фундаментальных и обобщенных теоретических представлений и знаний в осуществлении предметной деятельности по физике и в поиске решений современных научно–технических проблем. Методические задачи, возникающие при реализации названной проблемы состоят: 1) в систематизации фундаментальных знаний по уровням теоретических обобщений,
|
|
|
2) в разработке методики формирования и использования фундаментальных знаний в учебном курсе физики,
3) в разработке методики обучения способам предметной деятельности по физике на основе теоретических обобщений,
4) в ознакомлении студентов технического университета с теоретическими и экспериментальными методами физического познания окружающего мира,
5) в формировании научно-теоретического способа мышления у студентов технического университета.
Выделим следующие уровни фундаментализации знаний по физике:
- идеальные физические модели и модельные представления,
- фундаментальные физические теории,
- основополагающие принципы физики,
- универсальные теоретические обобщения физики,
- физическая картина мира.
Основаниями научных знаний являются материальный мир и практическая деятельность человека, которые, однако, непосредственно в знания не входят, представляясь в них в отраженных в сознании человека формах – в понятиях и законах. Последние и представляют в идеальном свойства реального мира и факты материальной действительности, имея в качестве промежуточного звена, «моста», связывающего их с объектами бытия, физические модели – идеализированные объекты, наделенными небольшим числом существенных свойств и выступающих в качестве абстрактных копий вещного мира. Если целью научного познания является познание объектов и явлений в реальных условиях посредством изучения моделей, то целью обучения является изучение содержащейся в моделях информации о явлениях в реальных связях и отношениях.
В общем курсе физики студентов знакомят с базовыми моделям
.
физической науки.
|
|
|
Модели – идеализации, в которых рядом свойств реальных объектов, несущественных в данном рассмотрении, пренебрегается. К таким моделям относятся материальная точка, абсолютно твердое тело, упругое тело, несжимаемая жидкость, идеальная жидкость, модель потока, точечный заряд, электрический диполь, электрический и магнитный вибраторы, магнитный диполь, абсолютно черное тело.
Модели-представления, раскрывающие адекватный образ физического объекта. К ним относится представления о потоке физической величины, векторных линиях поля, зонах Френеля, строении атома, атомного ядра, кварковой структуре элементарных частиц.
Функциональные модели, в основе которых положена не структура объекта, а его функции. Например, распределение энергии по степеням свободы, энергетические уровни, энергетические зоны в твердом теле, квазичастицы.
Знаковые модели – модели, выражающие свойства реального мира с помощью рисунков, символов, знаков. К ним относятся: химические формулы, блок-схемы, символьные схемы ядерных реакций и взаимопревращений элементарных частиц, диаграммы Феймана и др. Их особенность в том, что они используют не «внешний» облик предмета, а определенные его свойства.
Графические модели, в которых, как отмечал А.Г. Столетов, средство изображения (график, диаграмма) не имеетпретензии совпадать – хотя бы приблизительно – с тем, что оно изображают; модель есть только условное изображение. К таким моделям относятся потенциальные диаграммы (потенциального барьера туннельного эффекта, контакта двух полу проводников и др.), вольтамперная характеристика тока в проводнике, графики плотностей функций распределения, зона Бриллюэна и др.
Математически подобные модели, которые не имеют с оригиналом ни физического, ни геометрического сходства. В этом случае за основу берут аналогию, описание объекта и модели одинаковыми уравнениями. Примером такого моделирования являются аналогия дифференциальных уравнений механических и электрических колебаний, волновой формализм уравнения бегущей волны и волны «вероятности» в задачах квантовой механики и др. (С.Е. Каменецкий).
|
|
|
Покажем на примере представления о потоке физической величины, методику формирования и применения идеализированных модельных представлений в учебном курсе физики. Воспользуемся представлением о течении жидкости или несжимаемого газа по каналам и трубопроводам. Можно предложить решение конкретной задачи, например, об определении давления воды в водостоке, вызванного его изгибом. Последовательно вычисляют секундные объемный и массовый расходы жидкости, а так же поток импульса, переносимого текущей жидкостью. Важно обратить внимание учащихся на то, что произведение средней скорости движущейся жидкости на время протекания представляет собой расстояние, на которое перемещается граница мысленно выделенного объема жидкости за рассматриваемое время. (При необходимости можно ввести в рассмотрение плотность потока жидкости, электрического тока, физической величины).
При рассмотрении электрического тока в проводнике гидродинамическая аналогия потока распространяется на движение частиц, что используется при выводе соотношения плотности электрического тока со средней скоростью упорядоченного движения заряженных частиц, при установлении связи силы Ампера и силы Лоренца, применяется для расчёта силы давления пучка заряженных частиц на заземлённую мишень или светового луча (фотонов). Моделью потока можно воспользоваться для вывода основного уравнения молекулярно-кинетической теории газов, при рассмотрении явлений переноса и в др. Представление о потоке физической величины обобщается далее для случая векторного поля.
Дидактическая концепция построения учебного курса физики опирается на физические теории, в процессе изучения которых раскрываются их логические структуры, выводятся конкретные зависимости, как следствия теоретических положений. В структуре физической теории различают: 1)основание, 2) ядро, 3) выводы. Эти составляющие теории сопоставимы с элементами гносеологического цикла: предметная деятельность, содержательные обобщения, восхождение от абстрактного к конкретному.
Основание теории. Группа экспериментальных фактов, не укладывающихся в существующие объяснения физических процессов и явлений, отбирается, осмысливается, «уплотняется» в эмпирический базис новой теории. Эмпирический базис и совокупность новых физических понятий воссоединяются в идеализированном объекте новой теории, который в специфической модельной форме воплощает сущность и особенности исследуемой области явлений. Далее следует разработка свойств идеализированного объекта и введение системы фундаментальных величин, каждая из которых характеризует определенное свойство или связь его с другими объектами. Как правило, характеристики идеализированного объекта абстрактны, свое конкретное содержание они обретают через связь с реальным предметом в процессе измерений. Физические измерения, заданные правилами определенных предметных действий или операций, также входят в основание теории. Правила и операции с физическими величинами, отражающих природу последних (векторы, тензоры, операторы и и т.д.), также входят в основание теории.
|
|
|
Ядро теории представляет собой общую математическую модель связей и отношений идеализированного объекта теории, выраженных в математических уравнениях. В ядре выделяют постулаты, являющиеся либо словесными формулировками уравнений ядра теории, либо положений, приводящих к ним. Особая роль в ядре физической теории отводится законам сохранения энергии, импульса, момента импульса, четности, электрического заряда и других (специфических) зарядов и чисел. Относясь к ядру теории в качестве самостоятельного элемента, законы сохранения вместе с тем должны вытекать из ее уравнений – только тогда последние правильно отражают действительность.
К ядру относят инвариантность основных уравнений по отношению к тем или иным преобразованиям, а также константы, которые дают возможность сделать конкретные выводы благодаря измерению их значений.
Выводы (воспроизведение конкретного). Назначение теории состоит в получении из ядра конкретных выводов. Требование к теории состоит в ее замкнутости: для определенного теорией круга явлений на основе системы понятий, и исходя из ядра теории, должны быть получены исчерпывающие выводы, объяснены все известные факты. Характернейшая особенность теории состоит в предсказании нового. Всякая теория потенциально содержит в себе неизмеримо больше, нежели конкретные факты эмпирического базиса.
Современные курсы и зиждятся на 4-х физически теоретических системах: механика, статистическая физика, электромагнетизм и квантовая физика. Заметим, что формируемые на основе теории знания оказываются ограниченными рамками этих теорий, обладают направленными «по вертикали» в соответствии с восхождением от абстрактного к конкретному связями, в то время как для современной науки и человеческой практики характерны активное использование и кооперирование знаний на различных уровнях, широкое развитие так называемых межпредметнвх связей, связей с гуманитарными и общенаучными дисциплинами. Формируемая у обучающихся система знаний должна закладывать основы современного стиля мышления и быть также открытой для пополнения знаний в будущем. Поэтому наряду с создаваемыми теориями физика вырабатывает ряд принципиальных положений, принципов, представляющих собой аксиомы, постулаты, гипотезы или выдвигаемые на основе человеческой практики утверждения. Неся в себе функции законов, принципы глубоко и сущностно отражают реальную действительность. В своем методологическом понимании они не есть выводимые на основе конкретных законов следствия, а являются, напротив, той исходной позицией, которая сущностно отражает рассматриваемую область бытия и на основе которой в случае конкретных ситуаций может быть предсказан наблюдаемый на практике результат. Об исключительной роли физических принципов для фундаментализации инженерной подготовки говорит тот факт, что к ядру структурной модели научной информации ее авторы А.И. Маркушевич, В.А. Фабрикант отнесли принципы и факты.
Физические принципы могут иметь разные масштабы, различные области и границы применимости. Мы не относим к физическим принципам те конкретные законы, которые хотя и вошли в историю физики под названием принципов, но являются по своей сути теоремами. Например, принцип минимума потенциальной энергии, теорема Лиувилля и др. Ниже перечисляются принципы в общем курсе физики технического университета (с небольшим комментарием в необходимых случаях).
Общенаучные принципы
1. Материальное единство мира (целостность вселенной, внутреннее единство, субматерия).
2. Движение – способ существования материи (взаимопревращение, развитие, формы движения).
3. Пространство и время – формы существования физических объектов и процессов.
4. Взаимодействие как фундаментальное понятие физики, близкодействие, принцип конечности скорости передачи сигнала.
5. Основные формы существования материальных объектов – вещество и поле.
Общефизические принципы
1. Относительность движения. Преобразование координат, инвариантность преобразования.
2. Движение по инерции.
3. Принцип инерции (Первый закон Ньютона).
4. Инерциальная система отсчета и принципы симметрии.
5. Принцип эквивалентности инерциальных систем отсчета.
6. Принцип эквивалентности гравитационных сил и сил инерции.
Принципы механики
1. Закон парного характера силового взаимодействия.
2. Принцип суперпозиции сил.
3. Принцип эквивалентности гравитационной и инертной масс.
4. Принцип независимого сложения смещений, упругих деформаций, колебаний, волн.
5. Принцип возможных перемещений.
Принципы молекулярной физики и термодинамики
1. Принцип неразличимости (тождественности) атомов и молекул.
2. Постулат существования термодинамического равновесия.
3. Постулат существования температуры (нулевой закон термодинамики).
4. Гипотеза полного хаоса.
5. Постулат аддитивности энергии.
6. Принцип равного распределения энергии по степеням свободы молекул.
7. Начала термодинамики.
8. Принцип Больцмана (статистическое толкование энтропии).
Принципы в электромагнетизме
1. Принцип суперпозиции силовых полей.
2. Гипотеза Ампера молекулярных токов.
3. Гипотеза Максвелла о токе смещения.
Принципы в оптике
1. Принцип постоянства скорости света в вакууме.
2. Принцип Ферма.
3. Принцип прямолинейного распространения света в однородной среде.
4. Принцип Гюйгенса-Френеля.
Принципы квантовой физики
1. Гипотеза де Бройля.
2. Принцип дополнительности.
3. Принцип неопределенностей Гейзенберга.
4. Постулаты Бора.
5. Постулаты квантовой механики.
6. Принцип суперпозиции квантовых состояний.
7. Принцип Паули.
8. Принцип запрета для частиц с полуцелым спином.
Следующим уровнем фундаментализации физического образования в техническом университете является освоение обобщенных знаний по физике.
На первый взгляд может показаться, что сущность познаваемого выражается в законах поведения идеализированных объектов. Однако научная мысль, преодолевая это заблуждение редукционизма, заключает, что глубинная сущность познания заключается не в расчленении системы на составные элементы, не в законах, с фатальной неизбежностью определяющих движение идеализированных систем, а в универсальной закономерности, описывающей всевозможные состояния и флюктуации реальной системы (в. Тростников). Такими обобщениями являются уравнения приращения импульса, момента импульса, энергии механической системы, вероятностные методы, правила Кирхгофа, для расчета электрической цепи и др. В отдельных случаях это будет приводить к некоторому усложнению форм знаний и методов по сравнению с их частными вариантами. Однако это усложнение является кажущимся, т.к. универсальность общего метода позволяет сократить число частных его аналогов.
Проиллюстрируем сказанное не примере энергетического метода рассмотрения физических явлений, в основу которого положены различного уровня теоретические обобщения физики: закон сохранения механической энергии, формула связи кинетической (потенциальной) энергии с работой, переход кинетической энергии в потенциальную и т.п. Все эти подходы можно объединить в едином уравнении – законе приращения полной механической энергии:
(Wк¢¢+Wп¢¢) – (Wк¢+Wп¢) = Авнеш. + Авнутр. непотенц .,
в котором индексы к и п относятся к кинетической и потенциальной энергиям, соответственно. Одним штрихом обозначена энергия системы в первом состоянии системы, двумя штрихами – во втором. В правую часть выражения входят работы внешних и внутренних непотенциальных сил. Методика решения задач на основе этого закона, отличающаяся универсальностью подхода к всевозможным примерам из физики и техники, раскрыта в (А.В. Купавцев, 1971). Подсчитывают полную механическую энергию системы в начальном и конечном состояниях, находят работу внешних и непотенциальных сил. Закон приращения полной механической энергии позволяет охватить все имеющиеся в классической физике ситуации. Виды потенциальной энергии в левой части уравнения представим в удобной для использования форме: потенциальная энергия силы тяжести, гравитационного взаимодействия тел космического масштаба, упругой деформации, заряда, находящегося в электрическом поле. Правая часть исчерпывается следующими случаями: работы силы тяги, выталкивающей силы, сил поверхностного натяжения жидкости и работа электрического поля по перенесению заряда (если в левую часть уравнения не была включена потенциальная энергии электрического заряда в электрическом поле, а также работа сил трения и магнитной силы.
Универсальность законов, единство подхода к описанию различных явлений физики демонстрируются при изучении вероятностно-статистического метода в приложении к молекулярной физике, электронному газу, радиоактивному распаду атомных ядер. Осмысление непротиворечивости корпускулярно-волновых представлений достигается сопоставительным рассмотрением этих двух сторон единого целого при изучении волновых и корпускулярных свойств фотона и микрочастиц, дифракции электронов, задач квантовой механики о прохождении микрочастиц через пороги и барьеры и др. Ориентация в обучении физике на использование универсальных способов предметных деятельностей и универсальных методик их использования достигается при использовании, к примеру, уравнений состояния газа вместо уравнений процессов в молекулярной физике, правил Кирхгофа для расчета электрической цепи, нахождением скорости изменения магнитного потока вместо применения готовых формул для э.д.с. электромагнитной индукции в конкретных вариантах и др.
Фундаментальности физического образования невозможно достичь без формирования физической картины мира (ФКМ), являющейся высшем уровнем интеграции физических знаний, как истолкованных физическими теориями, так и опытных фактов, для объяснения которых теории еще не построены. ФКМ – это не единая физическая теория, поглотившая все ранее созданные теоретические системы, а синтез их основных идеи на базе более глубоких физических представлений, объяснение сущности широкого круга явлений с позиций единых идей мироустройства. По мере развития науки возникают новые основания структурирования знаний о мире /2/.
Важным аспектом фундаментализации подготовки специалистов с высшем техническим образованием является обучение методам физического познания, плодотворно синтезирующего экспериментальные и теоретические методы изучения объектов и явлений, осваивание которых означает вооружение студентов технического университета методологией научного исследования. Курс физики в техническом университете учит будущих инженеров основам экспериментального метода исследования: наблюдению физических объектов и явлений, опытному их изучению, технике измерений физических величин, опытной проверке физических законов, правилам интерпретации результатов физического эксперимента, разработке методик реальных, модельных и мысленных физических экспериментов. Широко применяемые в физике методы сравнений, классификаций, систематизации учат студентов подниматься от ощущений через восприятие и представления к формированию физических понятий и далее с помощью суждений и умозаключений вскрывать механизмы физических процессов, закономерностей, выявлять причинно-следственные связи. Физика учит будущих инженеров учатся приемам и методам идеализации, моделирования, построению теоретических обобщений, разработке теорий физических явлений. В курсе физики студенты знакомятся с циклом научного физического познания:
факты - гипотеза – теория - следствия – эксперимент.
Выделяются исходные для цикла элементы знаний, отражающие достигнутый на данном этапе уровень познания и факты действительности, противоречащие сложившейся системе физических представлений и понятий. Это противоречия побуждают исследователей к поиску их объяснения, высказываются предположения, выдвигаются гипотезы. Включение физических фактов и понятий в исходный базис или гипотезу не сводится к простому их перечислению, а требует переосмысления, выделения в них определенных, важных для дальнейшего рассмотрения, сторон и свойств. Из множества частных обобщений (или обобщений предыдущего цикла) выбираются только те, которые отражают в себе сущность рассматриваемого круга явлений. Так выдвигается система постулатов нового теоретического осмысления физической сущности. На основе выдвинутых постулатов развивается физическая теория. Этот процесс в физике не сводится к формальной логике. Само по себе соединение постулатов в систему содержит уже больше, нежели их простая сумма. Конструируется содержательная абстракция, «клеточка познания», вскрываются внутренние связи и отношения с конкретными проявлениями в физике и технике, разрабатывается математический аппарат как метод мышления и т.п. Гипотеза, нашедшая свое опытное подтверждение или подтверждение практикой, становится научной физической теорией, охватывающей всю совокупность конкретных знаний, на основе которых она возникла. По мере развития науки накапливаются факты, противоречащие существующим научным теориям. Зарождается исходный базис нового цикла познания в физике (В.Г. Разумовский).
Проблема фундаментального физического образования инженеров, как ядро более широкой проблемы интеллектуального развития современного специалиста, поставленной в техническом университете, включает задачу формирования у обучающихся современного научно-теоретического способа мышления, суть которого в проникновении мышления в глубинную сущность явлений и процессов природы, техники, общественной жизни. Научно-теоретический стиль мышления – это оперирование теоретическими абстракциями, сущностно отражающими внутренние реально существующие связи и отношения. Только научно-теоретическое мышление способно охватить коренные понятия пространства и времени, идеи релятивизма и квантования, логику диалектической методологии и др.
Системный анализ научно-теоретического способа мышления с философской, логико-психологической и дидактической точек зрения выполнен в известной книге В.В. Давыдова. Специфику научно-теоретического физического мышления раскрыта в публикации (А.Д. Гладун и др.). Не повторяя обстоятельного анализа теоретического мышления, приведенного в этой работе, отметим, что ее авторы также видят путь формирования научно-теоретического способа мышления через выполнение предметной деятельности по физике. «Не демонстрируя приемов чужого мышления, «эталонных партий в шахматах», а накопление личного опыта мыслительной деятельности способно формировать устойчивые навыки, которые могут стать инвариантными по отношению к предмету познания и перенесены совсем в иную область. Анализ, проведенный с этих позиций, показывает, что традиционные методы обучения не адекватны целям развития мышления. … Следует создать такие условия, когда человек сознательно ставит цель, выбирает средства и организует свою деятельность.»
Научно-теоретический способ мышления означает переориентацию в обучении с «суммации» сведений и фактов на выявление в активной предметной деятельности сущности признака, содержательной абстракции, как исходной «генетической клеточки» всего класса явлений. Для формирования научно-теоретического стиля мышления имеет важное значение рассмотрение предметно-материальных условий происхождения теоретических понятий и обобщений, раскрывающих через модельный характер своих представлений причинно-следственный взгляд на природу физических явлений, обучение студентов различным видам предметной деятельности, позволяющим составить прогноз и анализировать поведение исследуемой системы, предсказывать характер взаимодействия физических объектов на основе фундаментальных физических представлений и образов. Обращение непосредственно к законам сохранения импульса и энергии при рассмотрении эффекта Комптона, механизму образования электрического поля при действии силы Лоренца а явлении Холла, использование представлений об уровнях и зонах при объяснении вольтамперной характеристики p-n перехода, молекулярно-кинетическое и статистическое толкование абсолютной температуры и др.
Фундаментальное физическое образование является ядром фундаментальной подготовки специалистов в системе технического университетского образования. Фундаментальные знания по физике формируются посредством раскрытия и систематизации фундаментальных физических обобщений на различных уровнях: фундаментальные физические модели и представления, фундаментальные физические теории, физические принципы и универсальные закономерности, физическая картина мира. Фундаментальная подготовка по физике включает ознакомление обучающихся с методами физического познания и формирование научно-теоретического способа мышления. Особенность фундаментальной научной подготовки инженеров в техническом университете состоит в овладении способами предметной деятельности по физике, опирающихся на фундаментальные и обобщенные знания и привлечение фундаментальных знаний к выполнению учебно-познавательной, научно-исследовательской и конструкторско-технологической деятельности.
|
|
|
