Решение прикладных задач по физике - важный фактор активизации познавательной деятельности обучающихся

Решение прикладных задач по физике  важный фактор познавательной Ôèçè÷åñêîå îáðàçîâàíèå â âóçàõ. активизации Ò. 9, ¹ 2, 2003 деятельности обучающихся

39

Решение прикладных задач по физике  важный фактор активизации познавательной деятельности обучающихся М.С. Мартынов Академия Федерального Агентства правительственной связи и информации при Президенте Российской Федерации, г. Орел В статье освещается опыт решения физических задач межпредметного характера с целью активизации познавательной деятельности обучающихся. Приведены примеры некоторых прикладных задач, сформулированы рекомендации преподавателям.

Известно, что курс “Физика” в большинстве технических вузов страны завершается уже в третьем семестре, а профилирующие технические предметы изучаются на старших курсах. Длительная пауза между этими дисциплинами вызывает у старшекурсников затруднения при овладении физическими основами работы технических устройств. Чтобы знания и умения, которые обучающиеся приобрели при изучении физико/математических дисциплин, стали пригодными для практического использования выпускниками вуза, необходимо, на наш взгляд, соблюдение преемственности в преподавании общенаучных, общепрофессиональных и специальных дисциплин, установление точек их соприкосновения и взаимопроникновения. Эта мысль является ключевой и в работах [ 1/3]. Можно выделить несколько путей реализации принципа непрерывной фундаментальной подготовки специалистов: первый − включение в учебный план старшекурсников инженерно/физических дисциплин; второй − углубление физического содержания специальных дисциплин; третий − разумная профилизация курса общей физики, нацеленная на активизацию познавательной деятельности обучающихся и формирование у них профессиональных знаний. Учет профиля вуза в процессе преподавания физики позволяет обучающимся уже на младших курсах ощутить связь математики и физических теорий и методов с инженерными задачами, убедиться в необходимости прочных физико/ математических знаний и умений для их решений. Важным направлением, в определенной мере обеспечивающим профилизацию учебного процесса в техническом вузе, следует считать решение прикладных задач на занятиях по физике. Прикладные задачи по физике − это учебные задачи, имеющие техническое содержание и отражающие специфику будущей профессиональной деятельности, которые решаются с использованием физических законов. Задачи подобного рода знакомят будущих специалистов с принципами действия технических устройств,

40

М.С. Мартынов

физическими методами исследования, позволяют видеть единство законов природы и получать системные представления о ее явлениях, формируют научную картину мира. Соотношение физического компонента и материала смежных дисциплин в прикладных задачах может быть различным: в одном случае техническая составляющая выступает в большем объеме, в другом − в меньшем. Прикладные задачи по физике подразделяются на качественные и количественные, или расчетные. При решении первых определяются только качественные зависимости между физическими величинами, применяются физические закономерности к анализу явлений, о которых говорится в задаче. Эти задачи развивают логическое мышление, умение применять физические законы и правила для объяснения процессов и явлений, происходящих в объектах техники и вооружения. Количественные задачи нацелены на более глубокое усвоение физических теорий и законов, систематизируют знания и умения. Они решаются с использованием физических формул. Большинство качественных и количественных задач носит проблемный характер, так как они содержат значительную трудность и рассчитаны на творчество обучающихся, поиск ими в ходе размышлений, умственных операций нужного решения и результата. Качественные и количественные задачи не следует противопоставлять друг другу, потому что в основе тех и других лежит понимание сущности физических законов и явлений и умение применять их на практике. Они пробуждают интерес к физике, убеждают в широких ее возможностях. Задачи такого типа формируют следующие общеинженерные умения: исследовать проблемную ситуацию на основе общих законов и методологических принципов физики; строить модели физических явлений; делать допущения; обрабатывать, оценивать и сравнивать полученные в ходе решения результаты. Среди прикладных задач можно выделить и такие, данные характеристик объектов в которых получают путем проведения физических экспериментов. Эти задачи называют экспериментальными. Задачи по физике с межпредметным содержанием являются источником, средством и условием развития познавательного интереса. Если обучающийся (курсант, студент) имеет прочные знания и умения в области физики, то умение решать прикладные задачи с использованием межпредметного взаимодействия существенно активизирует его познавательную деятельность. Замечено, что удовлетворенность учением представляет важный эмоциональный фактор учебной работы, создающий установку на самостоятельное приобретение и углубление знаний, повышение мотивации познания и творческого потенциала будущего специалиста. Чем выше удовлетворенность учебой, тем прочнее знания и умения,

Решение прикладных задач по физике  важный фактор активизации познавательной деятельности обучающихся

41

тем выше “выживаемость” знаний и лучше отношение к будущей профессии. Познавательный интерес способствует приобщению к духовному потенциалу общества, выступает как цель воспитания. Поскольку он лежит в основе творческих способностей личности, то благодаря ему происходит не только овладение и присвоение, но и создание новых духовных ценностей. Следовательно, познавательный интерес − важный компонент всестороннего развития личности. Д.И. Писарев говорил, что каждому человеку свойственно желание быть умнее, лучше и догадливей. Именно это стремление учащихся подняться над тем, что уже достигнуто, приносит им при успешной деятельности удовлетворение, хорошее настроение, при котором работается быстрее и продуктивнее. Кафедра физики академии ФАПСИ уже пять лет активно работает с материалами “Сборника прикладных задач по физике” [4]. Решение предложенных в нем задач показывает, что курсантами усваивается не только теоретический фундамент курса “Физика”, но и его прикладное содержание. Отвечая целям обучения, задачи “Сборника” подразделены по степени сложности, требуют синтеза знаний из разных теоретических разделов физики и смежных дисциплин. Характерной чертой сложных задач является их направленность на формирование у обучающихся способности системно ориентироваться в условиях исследования, на выработку умения соотнести сложившуюся на практике ситуацию с конкретной предметной областью, дать профессиональную интерпретацию полученных результатов и затем сформировать практические инженерные рекомендации. Наибольший интерес у курсантов вызывают прикладные задачи по темам “Законы сохранения в механике”, “Механика твердого тела”, “Уравнения Максвелла”, “Интерференция, дифракция и поляризация электромагнитных волн”, “Взаимодействие электромагнитных волн с веществом”, “Электроны в кристаллах”. Позволим себе привести в качестве иллюстрации следующие задачи: 1. Посредине радиорелейной трассы длиной 50 км находится препятствие. Определите минимально допустимое расстояние между линией прямой видимости, соединяющей передающую и приемную антенны, и препятствием (высоту просвета) при условии, что радиорелейная связь осуществляется с помощью: а) радиостанции Р/409 на длине волны 5 м; б) радиостанции Р/414 на длине волны 15 см. 2. В электрооптическом фазовом модуляторе света на основе эффекта Поккельса к анизотропному кристаллу LiNbO3 в продольном направлении приложено напряжение 4,6 кВ. Чему равен фазовый сдвиг, если скорость света в кристалле в отсутствие поля 2,15⋅108 м/с, электрооптический коэффициент 8,6⋅10/12 м/В? Длина световой волны в вакууме 1,3 мкм. Начальный сдвиг фаз равен нулю.

42

М.С. Мартынов

Решение этих и подобных физических задач, имеющих прямой выход на инженерную практику, стимулирует познавательный интерес, помогает курсантам лучше понять необходимость глубокого знания физики и ее применения в будущей профессиональной деятельности. Практическая деятельность инженера требует умения самостоятельно ставить задачи, в курсе же физики студенты получают их в готовом виде [5]. Поэтому решение обозначенных выше задач способствует выработке умения выделить в производственном задании физическую задачу, сформулировать ее, установить физическое явление, имеющее место в данной задаче, дать его математическое описание. При решении прикладных задач на практических и семинарских занятиях по физике преподаватели используют дифференцированный подход. Часть задач, выносимых на практические занятия, решаются всеми курсантами. Более сложные задачи предлагаются отдельным, наиболее подготовленным, учащимся для самостоятельного решения. На семинарские занятия выносятся так называемые “дискуссионные” задачи. Они прорабатываются наиболее эрудированными курсантами под руководством преподавателя заранее, на самоподготовке, и потом решаются ими вместе с группой. Такой подход обусловлен спецификой междисциплинарных задач, требующих определенных технических познаний. Примером “дискуссионных” задач могут быть следующие. 1. Сравнить и выделить общее и особенное в волновых явлениях, наблюдаемых при дифракции света на щели, в интерференционном поле синфазной линейной решетки излучателей (аналог дифракционной решетки) и поле излучения плоской фазированной антенной решетки. Эта задача ставится перед участниками семинара, посвященного изучению интерференции и дифракции электромагнитных волн, после выступлений трех курсантов с сообщениями по вышеназванным вопросам. 2. Увеличить полосу пропускания последовательного колебательного контура можно путем уменьшения его добротности, но при этом ухудшается избирательность. Как можно разрешить (хотя и не полностью) это противоречие? 3. Как можно усилить и ослабить действие кумулятивного эффекта? В особую группу включены трудные задачи, решение которых приводится в “Сборнике”. Они предлагаются сильным курсантам, чтобы те на самоподготовке разобрались в их физической сущности и методике получения результата, а на практических занятиях решили вместе с группой. В качестве примера можно привести задачу из темы “Электроны в кристаллах”: Определите добротность оптического резонатора полупроводникового лазера,

Решение прикладных задач по физике  важный фактор активизации познавательной деятельности обучающихся

43

излучающего на длине волны 1,3 мкм. Длина резонатора 400 мкм. Показатель преломления вещества активной области лазера 3,6. Вследствие того что курсанты младших курсов не знакомы с устройством и принципами действия средств связи, иногда в прикладных задачах приходится делать дополнительные пояснения. Это приводит к удлинению условия задачи и увеличению времени для ее решения. Однако предпринимаемый шаг, на наш взгляд, оправдан. Он направлен на повышение интереса к задаче, расширения кругозора курсантов. Приводим условие задачи, требующей дополнительных пояснений: В системах космической связи для регистрации слабых сигналов используются сквиды − сверхпроводящие высоко чувствительные квантовые интерферометры (магнитометры), действие которых основано на явлении квантования магнитного потока в сверхпроводящем кольце с включенными в него контактами Джозефсона. Магнитный поток, пронизывающий сверхпроводящее кольцо сквида, может принимать только значения, кратные кванту магнитного потока Ф0. Найдите величину кванта Ф0. Межпредметные задачи решаются не только на практических и семинарских занятиях, но и в процессе чтения лекций. Привлекают внимание слушателей задачи на расчет индуктивности двухпроводной линии передачи сигналов, определение физических принципов работы однонаправленного преобразователя поверхностных акустических волн и др. Свое отношение к включению в курс физики прикладных задач курсанты высказывают в периодически проводимом кафедрой анкетировании. Письменный опрос первокурсников во втором семестре 2001/2002 учебного года показал следующее: 72 % из 180 респондентов отметили, что решение прикладных задач по физике повышает интерес к изучению физики, позволяет наглядно увидеть практическую значимость этой науки; 55 % подчеркнули, что прикладные задачи несут информацию о будущей профессиональной деятельности, вырабатывают начальные прикладные умения. В то же время 60 % опрошенных заявило о трудностях, которые возникают при выделении в условии прикладной задачи физического процесса, протекающего в техническом устройстве. Вопрос “На каких видах занятий должны рассматриваться прикладные задачи?” получил единодушный ответ: “На всех видах занятий”. Опыт использования прикладных задач при обучении курсантов убеждает, во/первых, в том, что для достижения высокой профессиональной компетентности выпускников вуза нужна тесная взаимосвязь приобретаемых ими фундаментальных и профессиональных знаний и умений; во/вторых, в том, что преподаватели физики должны знать основы

44

М.С. Мартынов

технических дисциплин, изучаемых в данном вузе. “Техническое обогащение” может быть достигнуто в процессе самостоятельной работы с литературой по техническим предметам, через посещение лекций и других видов учебных занятий преподавателей общепрофессиональных и выпускающих кафедр, путем чтения ими специальных лекций для преподавателей кафедры физики, через проведение консультаций и т.п.; в/третьих, преподавателям физики необходимо учитывать, что такой вид деятельности, как решение прикладных задач, направленных на развитие познавательной активности и творческой самостоятельности, должен быть осознанным как преподавателями, так и обучающимися; в/четвертых, использование задач междисциплинарного характера на занятиях по физике должно быть дозированным (1/2 и не более), не наносящим ущерба собственной дисциплине, не нарушающим логику ее изучения. Учет настоящих рекомендаций позволит, как нам представляется, обеспечить достойный научно/методический уровень преподавания физики, будет способствовать формированию высокопрофессиональных специалистов.

Литература 1. Анцибор М.М. Активизация учебно/познавательной деятельности студентов. − М.: Прометей, 1989. С. 107/136. 2. Айзенцон А.Е. Целостный подход к обучению физике в системе военно/инженерных вузов.// Физическое образование в вузах, 1999. Т. 5, № 4, С. 45/49. 3. Журавлева Н.И., Заварыкина Л.Н. и др. Роль выпускных квалификационных работ межпредметного характера в системе фундаментальной и профессиональной подготовки студентов педуниверситетов. //Физическое образование в вузах. 1999. Т. 5, № 4, С. 64/67. 4. Мартынов М.С. Сборник прикладных задач по физике для специальностей связи. − М.: Радио и связь, 1997. С. 3/196. 5. Талызина Н.Ф. Деятельностный подход к построению модели специалиста. //Вестник высшей школы. 1986. № 3 С. 10/14.