ПЕДАГОГИКА УДК 378.147:53 ЧЕМУ И КАК УЧИТЬ ФИЗИКЕ СТУДЕНТОВ ТЕХНИЧЕСКОГО ВУЗА?

Среди фундаментальных наук, определяющих современный научно-технический прогресс, физике принадлежит особая роль в подготовке выпускников технического вуза, т.к. она является не только теоретико-экспериментальной наукой, но и основой техники и технологии. Целью изучения физики в техническом вузе является создание основы теоретической подготовки будущего инженера и той фундаментальной компоненты технического образования, которая будет способствовать в дальнейшем освоению самых разнообразных инженерных специальностей – в различных областях техники.

Однако следует отметить, что «в последние десятилетия наметились отрицательные тенденции снижения роли фундаментальной подготовки в инженерном образовании. Это выражается и в том, что с конца 50-х и до начала 90-х годов XX века объем курса физики в технических вузах уменьшился в среднем вдвое, в 90-е и последующие годы продолжалось его дальнейшее сокращение. Ограничение фундаментальной естественнонаучной подготовки в технических вузах привело к тому, что у дисциплин, в частности физики, не только исчезает мировоззренческий подтекст, но и приводит к серьезному снижению уровня фундаментальной подготовки студентов технических университетов и ставит под вопрос статус технического образования»².

В связи с этим возможный вариант эффективности усвоения физики в техническом вузе представляется как совершенствование приемов учебной деятельности студентов и отбор такой методики преподавания, при которой главное внимание уделяется, во-первых, изучению основных фактов, понятий, законов, теорий и методов физической науки и, во-вторых, обобщению широкого круга физических явлений на основе теорий. Осуществление данной методики возможно через реализацию двух идей, которые, подобно двум составляющим железобетонной конструкции - арматура и раствор, обеспечат прочность полученных знаний:

Первая идея – генерализация естественнонаучного знания в каждой учебной дисциплине (физике, химии, математике и т.д.) отдельно.

Вторая идея – усиление межпредметных связей, при котором все учебные дисциплины воспринимались бы как общее естественнонаучное направление.

Процесс генерализации научного знания предполагает объединение или группировку учебного материала в курсе дисциплины вокруг ведущих (сквозных, т.е. пронизывающих весь курс в целом) идей или принципов. Применительно к курсу физики это идеи и принципы сохранения, относительности, близкодействия, минимума потенциальной энергии, симметрии, суперпозиции и т.д.

Генерализация физических знаний, по мнению авторов,³ решает ряд проблем:

- изложение курса физики как стройной логически выдержанной науки;

- активизация в этой связи самостоятельности учащегося в анализе знаний и ознакомление их с элементами методологии познания;

- значительное сокращение объема фактического учебного материала;

- создание резерва для более глубокого изучения основополагающих идей и законов природы;

- более широкого применения дедуктивного метода познания и формирования у учащихся устойчивых познавательных интересов.

Что касается второй идеи, то специфика обучения в технических вузах состоит в том, что помимо изучения фундаментальных наук студенты также обучаются циклу профессионально-технических дисциплин. Фундаментальность физического образования предполагает, что в высших технических учебных заведениях знания, сформированные у студентов на занятиях по физике, являются фундаментальной базой для изучения общетехнических и специальных дисциплин, освоения новой техники и технологий. Поэтому процесс обучения должен совершаться на основе межпредметных связей общеобразовательных дисциплин с общетехническими и специальными дисциплинами, что, в конечном счете, отражается на качестве и эффективности усвоений знаний и умений. В этом случае физическое образование становится целостным, более того, дисциплины учебного плана оказываются объединенными общей методологией построения, ориентированной на междисциплинарные связи.

Истоки возникновения МПС следует искать ещё в педагогических взглядах учения др. Греции. В течение долгих веков своего существования греческая наука была единой наукой о мире и его законах, обозначалась термином «натурфилософия», что означает «философия природы». По мнению Аристотеля: «Природа тесно связала три вида души, и в воспитании мы должны следовать за природой, тесно связывая физическое, нравственное и умственное воспитание»⁴.

Существует мнение, что И. Г. Песталоцци (1746-1827), швейцарский педагог-демократ, был первым из педагогов своего времени, кто вернулся к идее создания интегративных курсов, существовавших в античных школах, для того, чтобы устранить противоречия, возникающие в процессе предметного обучения. Но так как такие курсы им созданных не были, он видел выход для разрешения данных противоречий в реализации межпредметных связей⁵.

Ян Амос Коменский (1562-1670), чешский мыслитель-гуманист, педагог и писатель, в своём труде «Великая дидактика», писал, что: «Никому нельзя дать образования на основе одной какой-нибудь частной науки, независимо от остальных наук …»⁶. Он первый высказал идею, что установление связей между отдельными предметами значительно сокращает объем фактического учебного материала, создает резерв для более глубокого изучения основополагающих идей, полнее представляет научную картину мира.

По мнению академика Б. М. Кедрова «Взаимное проникновение наук отражает ... объективную диалектику природы; оно свидетельствует о том, что природа в своей основе едина и неразделима, представляет собой единство в многообразии, общее в особенном. Ни одна особая часть природы не изолирована от остальных её частей, а находится с ними в общей связи, прямой или опосредственной»⁷.

«Наука представляет собой внутреннее единое целое. Её разделение на отдельные области обусловлено не столько природой вещей, сколько ограниченностью человеческого познания. Существует непрерывная цепь от физики к химии через биологию и антропологию к социальным наукам, цепь, которая ни в одном месте не может быть разорвана, разве лишь по произволу», так писал об этом еще немецкий физик Макс Планк (1858 - 1947) в одной из своих работ⁸.

Великий русский ученый энциклопедист В. И. Вернадский (1863 - 1945) отмечал: «В наше время рамки отдельной науки, на которые распадается научное знание, не могут точно определить область научной мысли исследователя, точно охарактеризовать его научную работу. Проблемы, которые его занимают, все чаще не укладываются в рамки отдельной, определенной, сложившейся науки. Мы специализируемся не по наукам, а по проблемам»⁹.

Основоположником научной и методической разработки теории межпредметных связей можно считать К. Д. Ушинского (1824 - 1870), который высказывал идею о необходимости комплексного изучения учебных предметов в различных типах учебных заведений.

Специфика технического учебного заведения предполагает, что по своему содержанию технология обучения физике должна быть интегративной. Знания, получаемые студентами, должны быть профильно интегрированными, т.е. смысл и содержание которых заключается в интеграции курса физики с элементами профильных дисциплин. Цель обучения физике – формирование физико-технической базы для усвоения специальных знаний.

Таким образом, обучение физике в техническом вузе должно быть взаимосвязано со специальными дисциплинами и базироваться на рассмотрении конкретных процессов и явлений, относящихся к профессиональной деятельности будущего специалиста.

В связи с этим предполагаю, что обучение студентов вуза техническим дисциплинам может быть осуществлено качественно, если:

- использование межпредметных связей физики с техническими дисциплинами реализуется как дидактическое условие обучения;

- приобретенные знания по физике имеют политехническую направленность;

- система преподавания физики имеет профессиональную нацеленность.

Реализация данного предположения предусматривает использование межпредметных связей физики с техническими дисциплинами в содержании учебного материала. Межпредметные связи по содержанию изучаемого учебного материала условно можно разделить на четыре вида:

1. 
   По использованию полученных знаний по физике, для более глубокого усвоения знаний по общетехническим дисциплинам;
   
2. 
   По законам и теориям для объяснения явлений и процессов, изучаемых в физике и общетехнических предметах;
   
3. 
   По единству трактовки понятий, явлений, процессов, изучаемых в физике и общетехнических предметах;
   
4. 
   По отбору изучаемого материала, имеется ввиду концентрация изучения отдельных вопросов, предусмотренных программами различных предметов, в одном предмете (теоретические основы – в общеобразовательных и общетехнических, практические – в специальных).
   

Так, например, при решении задач на движение тела под действием сил можно повторить буквально весь раздел «Механическое движение», рассмотреть большинство действующих на тело сил, вспомнить размерности физических величин и т.д. Иными словами, решение задач представляется эффективным инструментом усиления связи между темами и формированием новых связей, недоступных для организации в полной мере за счет теоретической части курса.

Для систематической реализации межпредметных связей в решении задач по физике В. Н. Янцен¹⁰ предлагает использовать в практической работе различные виды физических задач с межпредметным содержанием.

1. 
   Задачи, постановка которых способствует выяснению, усвоению и закреплению существенных признаков, рассмотренных ранее или получающих дальнейшее развитие при изучении других дисциплин.
   
2. 
   Задачи, решение которых требует применения знаний и умений, приобретенных учащимися на учебных занятиях по другим дисциплинам.
   
3. 
   Задачи, при решении которых необходимо применять теории, законы, правила, усвоенные при изучении нескольких дисциплин.
   
4. 
   Задачи, решение которых предполагает использование методов, усвоенных на учебных занятиях по другим дисциплинам, или общих методов, применяемых в науке и технике.
   

Отсутствие специальных исследований по проблеме разработки методики решения задач межпредметного характера в системе подготовки инженеров технического вуза, а также специальных задачников, включающих такие задачи, приводит к использованию на учебных занятиях по физике адаптированных технических задач. Под адаптированной технической задачей, по мнению И. П. Маклецова¹², следует понимать задачу, сформулированную таким образом, что содержание, структура и методы её решения соответствуют содержанию и методам решения физической задачи, но в качестве объекта используются конкретные узлы и устройства с конкретными характеристиками. Решение адаптированной технической задачи предполагает знания принципов функционирования технического объекта и его устройства, без чего решить задачу не представляется возможным.

Одной из составных частей обучения физике являются лабораторные занятия по курсу физики, физический практикум. При выполнении лабораторных работ студенты самостоятельно всесторонне изучают физические явления и законы, пользуясь доступными приборами для воспроизведения эксперимента. Умения, получаемые студентами в процессе работы в физической лаборатории, понимание наблюдаемых процессов, пользование измерительными приборами, обработка полученных результатов – необходимы в процессе дальнейшего обучения, при изучении технических дисциплин.

Основная задача лабораторного практикума в технических вузах состоит в применении полученных знаний и методов проведения эксперимента, полученных в процессе его проведения, в производственной практике.

По мнению С. И. Архангельского «в учебном процессе всё большее развитие будет получать исследовательская деятельность студентов и творческий процесс решения научно-учебных задач»¹³.

Лабораторный практикум – одна из организационных форм обучения, где наиболее полно возможно развитие конструктивных основных инженерных умений, таких как: постановка цели исследования, формулировка гипотезы, построение физической модели явления, анализ экспериментальных данных и др. Лабораторный практикум следует рассматривать как форму обучения, а его основной целью считать – формирование экспериментальных умений.

При правильной организации лабораторных занятий у студентов формируются исследовательские умения; в процессе проведения эксперимента студенты убеждаются в объективности физических законов и получают представления о методах, применяемых в научных исследованиях по физике; примечательно то, что аналогичными методами ученые пользуются при разработке новейших образцов в технике. Тщательно подобранные лабораторные работы физического практикума не только способствуют успешному усвоению технических дисциплин в дальнейшем, но и наиболее сильно приближают студента к производственным условиям, обеспечивают формирование в стенах вуза специалиста, владеющего исследовательским аппаратом в соответствующей научно-практической среде.

Еще советскими учеными-педагогами отмечалось, что наши школьники, а, в конечном счете, и студенты, имея очень высокие знания по общеобразовательным предметам, в то же время не умеют в полной мере их использовать в производственных условиях; при обучении недостаточно внимания уделяется формированию научно-технического мышления, не на должном уровне ведется работа по развитию творческих, конструктивных способностей, изобретательности, т.е. именно тех качеств, которые требуются от современного специалиста.

Учителя школ и преподаватели вузов больше практикуют «меловые» методы обучения, чрезмерно увлекаются в обучении написанием всякого рода докладов, рефератов, курсовых работ, т.е. от студента требуется написание, точнее, переписывание материала из научной литературы и его красочное оформление, что в последнее время не представляет особой трудности в связи с использованием сети Internet.

Возможно, это объясняется очень низкой учебно-материальной базой физического эксперимента и лабораторного практикума, как в школах (не стоит забывать, что школа - основной «поставщик» студентов), так и в вузах. Особенно в плачевном состоянии находится физическое лабораторное оборудование в сельских школах, где из-за его отсутствия или непригодности невозможно провести простейшие лабораторные работы, элементарный учебный эксперимент, и потому единственная форма обучения – самоотверженный труд учителя, «орудием» которого является только мел и тряпка.

Физический эксперимент является не только средством наглядности в руках учителя (преподавателя вуза), но и используется учащимися как метод исследования, как источник знания, как критерий проверки предложений и теоретических выводов. Определены важные тенденции в изменении содержания лабораторных работ. Условно их можно разделить на пять различных направлений. Из них первые три являются традиционными, а две другие – существенно новыми:

1. 
   Определение физических величин путем прямых и косвенных измерений.
   
2. 
   Проверка физических законов.
   
3. 
   Выполнение фундаментальных опытов.
   
4. 
   Наблюдение и исследование физических явлений и процессов с целью их объяснения и установления закономерностей.
   
5. 
   Конструирование и сборка технических установок, электрических цепей, приборов, изучение принципа их действия, снятие характеристик и т.п.
   

С позиций современной дидактики наиболее рациональным способом подготовки специалиста к профессиональной деятельности является формирование обобщенных умений. Обобщенными, по мнению авторов¹⁴, называются умения, обладающие свойством широкого переноса, это умения, которые обучающиеся могут использовать не только в рамках одного предмета, но и на учебных занятиях по другим предметам при решении соответствующего класса учебных задач, а также практической деятельности. Экспериментальные умения, сформированные в процессе выполнения работ физического практикума, в дальнейшем могут применяться при изучении технических дисциплин и даже в будущей профессиональной деятельности инженера. Такие экспериментальные умения будем считать обобщенными.

На основе вышеизложенного можно сделать вывод, что в настоящее время целью лабораторного физического практикума в техническом вузе должно быть целенаправленное формирование у студентов обобщенных экспериментальных умений исследовательского характера, обладающих свойством широкого переноса их на усвоение технических дисциплин и будущую профессиональную деятельность.

Таким образом, преподавателям вузов наиболее пристальное внимание следует уделять:

1. 
   Отбору таких лабораторных работ, при выполнении которых в полной мере возможна реализация связи курса физики с техническими дисциплинами.
   
2. 
   Работе по формированию обобщенных экспериментальных умений, владение которыми необходимо не только в процессе выполнения лабораторных работ по курсу физики, но и в процессе изучения технических дисциплин.
   
3. 
   Вопросам мотивации и актуализации профессионально значимых знаний и умений, которые возможно использовать в практической деятельности по управлению и обслуживанию техники.
   

Задача обучения не в приобретении знаний, а в обучении умений приобретать эти знания самим. «Правильно обучать юношество – это не значит вбивать в головы собранную из авторов смесь слов, фраз, изречений, мнений, а это значит – раскрывать способности понимать вещи, чтобы именно из этой способности, точно из живого источника, потекли ручейки; … приучать умы, точно молодые деревца, развиваться из собственного корня» - писал Я. А. Коменский¹⁵ еще в середине 17 века.

Поэтому одним из важных направлений вузовского образования является организация самостоятельной работы студентов. Время, отведенное на самостоятельную работу студентов, в зависимости от специальности, составляет 50-60% от общего бюджета учебного времени, из них примерно 40-45% отводится на индивидуальную работу под руководством преподавателя (СРСП), остальное – внеаудиторной самостоятельной работе студентов (СРС). Характерными особенностями таких занятий являются: индивидуальный характер заданий, выдаваемых студентам для самостоятельной работы, необходимость творческого подхода к их выполнению, регулярное общение студента и преподавателя в форме общения.

В эффективности самостоятельной работы немалую роль играет правильно и четко налаженный контроль. Например, на нашей кафедре, этот контроль осуществляется в виде принятия отчетности выполненных лабораторных работ, проведения контрольных работ, проверки индивидуальных заданий практического характера, проведения рубежного контроля теоретических знаний.

А. В. Усова и В. В. Завьялов¹⁶ по дидактической цели все виды самостоятельной работы подразделяют на 5 групп:

1) приобретение новых знаний, овладение умением самостоятельно приобретать знания;

2) закрепление и уточнение знаний;

3) выработка умения применять знания в решении учебных и практических задач;

4) формирование умений и навыков практического характера;

5) формирование умений творческого характера, умения применять знания в усложненной ситуации.

Наиболее сложной, но и наиболее значимой является пятая группа самостоятельной работы, куда входят:

1. 
   подготовка докладов и рефератов;
   
2. 
   разработка нового варианта опыта;
   
3. 
   выполнение заданий по техническому моделированию и конструированию, внесению изменений в конструкцию прибора;
   
4. 
   составление задач на использование новых физических законов и формул;
   
5. 
   построение гипотез;
   
6. 
   выполнение опытов с элементами исследования:
   

б) в производственных условиях.

Одним из наиболее интересных видов задач творческого характера являются задачи с элементами технического усовершенствования, конструирования и изобретательства. В ходе решения таких задач студенты должны, с одной стороны, воспроизвести и сохранить систему знаний, которая предписывается условиями задачи, с другой стороны – суметь отрешиться от этих знаний, преобразовать их и построить принципиально новую систему (в зависимости от постепенно раскрывающихся требований задачи). Такие задачи базируются на абстрактном мышлении, требуют анализа, синтеза, обобщения. Выполнение самостоятельных работ творческого характера развивает навыки мыслительных и практических действий, необходимых современному квалифицированному специалисту.

Производство XXI века нуждается в высококвалифицированных инженерах, обладающих фундаментальными знаниями и современным мышлением, способных к продуктивной творческой деятельности в условиях острой конкуренции рынка труда и «…если их не будет, - писал российский ученый И. В. Вышнеградский еще в XIX веке, - то страна будет осуждена на застой и постепенное падение своей промышленности, или же на постоянную зависимость от иностранцев, которым поневоле придется передавать заведывание технической частью важнейших промышленных учреждений»¹⁷.