Обучение физике студентов инженерных специальностей с использованием современных компьютерных технологий

Для подготовки специалистов-профессионалов сегодня является общепризнанным, что традиционное понима ние профессионального инженерного образования как усвоения определенной суммы знаний, основанного на препода© Н. В. Вознесенская, 2006

вании фундаментальных, общетехнических и специальных предметов, явно недостаточно. Для достижения нового качества профессионального технического образования в соответствии с Концепцией модернизации российского образования на период до 2010 г. будут осуществляться информатизация образования и оптимизация методов обучения, углубление в высшей школе интеграционных и междисциплинарных программ, соединение их с прорывными компьютерными технологиями. В связи с этим владение современными компьютерными методами обработки информации и умение применить их в профессиональной деятельности является одним из обязательных требований, предъявляемых к выпускникам технических вузов, закрепленных в Государственном образовательном стандарте высшего профессионального образования.

Таким образом, специфика учебного процесса в техническом вузе состоит в практической направленности изучаемых дисциплин и активном использовании компьютерных технологий, при этом физика представляет собой фундамент для дисциплин технического направления. Однако анализ учебных планов и программ по физике для различных инженерно-технических специальностей высших учебных заведений и проведенный нами констатирующий эксперимент позволили сформулировать противоречия:

— между необходимостью подготовки в технических вузах высокопрофессионального специалиста, владеющего фундаментальными знаниями по физике и умеющего применять современные компьютерные технологии при решении прикладных задач, и практическим отсутствием соответствующего научно-методического обеспечения учебного процесса;

— между постоянно увеличивающимся объемом учебного материала по физике в технических вузах и предостав ляемым учебным временем на его изучение;

— между возрастающим числом часов, отведенных студентам на самостоятельную работу, и нерациональным их использованием.

Обучение физике студентов технических вузов мы предлагаем осуществлять на трех различных уровнях. Так как одна из целей курса физики технического вуза — создание фундаментальной теоретической базы выпускника вуза в области технических наук, то первый уровень — инвариантный (базовый), который предполагает решение стандартных задач, включает традиционные лабораторные работы по физике. Это демонстрирует то, что специфические требования к курсу физики в техническом вузе не должны осуществляться в ущерб основным задачам этого предмета как фундаментального. При всей важности межпредметных связей нельзя превращать науку в подготовительный учебный предмет для изучения специальных дисциплин. Недопустимо, чтобы исчезли фундаментальные классические эксперименты, некоторые из которых в корне меняли сложившиеся представления в физике. Таким образом, обучение на первом уровне осуществляется в соответствии с принципом фундаментальности.

Обучение физике студентов технического вуза имеет и специфические цели: создание научной базы для изучения общетехнических и специальных дисциплин; формирование видов деятельности, адекватных профессиональной деятельности инженера. Поэтому обучение на втором уровне ориентировано на применение физических законов и явлений в профессиональной деятельности. На протяжении всего периода обучения в техническом вузе студенты сталкиваются с междисциплинарными связями, а также связями между фундаментальными, общеобразовательными и специальными дисциплинами. Таким образом, построение дидактического процесса на втором уровне следует проводить на основе междисциплинарного подхода и принципа профессиональной направленности обучения. Для этого можно использовать все возможные методы, формы и средства обучения. Как показала практика, использование междисциплинарного подхода и принципа профессиональной направленности помогает учащимся раскрыть взаимосвязь дисциплин, их взаимовлияние.

Однако важнейшим направлением развития инженерного образования и трансформации его в инновационное образование является органическое включение студентов в активную творческую деятельность, обеспечение их массового участия в научно-исследовательской работе, поэтому третий уровень носит научно-исследовательский характер. Задачи и лабораторные работы этого уровня должны стать основой проектов, в которых студент не столько следует стандартным методикам и известным способам решения, сколько ведет поиск пределов применимости тех или иных методов, проверку их надежности, достоверности, эффективности. Процесс обучения студентов на этом уровне объединяет два важных принципа: фундаментальность общенаучной подготовки и непосредственное соединение учебного процесса с научным исследованием.

На различных уровнях образовательного процесса компьютерные технологии занимают разное место. Ключевую роль они играют на профессионально ориентированном и научно-исследовательском уровнях. Вопрос заключается в том, как наиболее эффективно применять компьютерные технологии, какие программные продукты использовать в учебном процессе.

Рынок компьютерных технологий предлагает большое количество различных программ. В зависимости от классов специальностей (специальности гуманитарного, технико-технологического, экономического, информационного и педагогического классов) выделяют те или иные приоритетные направления в изу чении компьютерных технологий. Если содержание курса информатики на гуманитарных факультетах ориентировано в основном на получение «компьютерной грамотности», т. е. базовых знаний и умений в области наиболее массовых компьютерных технологий, то в технических вузах даются более глубокие знания в области технического и программного обеспечения, компьютерных и телекоммуникационных систем. Для инженерных специальностей приоритетной является информационная деятельность, связанная со сравнительно сложным анализом и преобразованием числовой и другой информации с высоким уровнем абстрагирования. Специфичный прикладной аспект заключается в ориентации на методы моделирования, средства автоматизации производства и проектирования, на использование табличных и графических редакторов и программного комплекса 3D. Общая прикладная подготовка для инженерных специальностей основывается на единых заданиях фундаментального содержания и актуальных для конкретных специальностей профессионально ориентированных заданиях.

На основе проведенного анализа содержания курса физики и анализа складывающихся мировых тенденций на рынке программного обеспечения нами была составлена таблица профессионально-фундаментальных знаний и сформированы тематические группы, где использование компьютерных технологий является предпочтительным. Причем при обучении физике необходим переход от языков программирования к универсальным математическими пакетам (MathCAD, MathLab и др.), в которых автоматизированы размерные расчеты и в полной мере воплотился принцип триединства численных, аналитических и графических методов решения задач. Использование языков программирования исключает из задачи ее физическую основу: переменные программы хранят только числовые значения, а соответ- ствующие им единицы измерения студент должен держать в уме.

Системы автоматизированного проектирования (CAD, САМ, САЕ, PDM), как и математические пакеты, являются предметом специального изучения в технических вузах и поэтому могут быть использованы при решении физических задач профессионального содержания. Так как почти все физические поля описываются дифференциальными уравнениями в частных производных и эти уравнения служат фундаментальным базисом для законов науки, то целесообразно изучение физики в технических вузах сопроводить с использованием пакетов, в основе которых лежит метод конечных элементов. Это ANSYS американской компании ANSYS Inc,, FEMLAB (новая версия COMSOL Multiphysics) от Шведской фирмы Comsol, ELCUT российской компании ТОП Системы и др. Преимуществами ELCUT, безусловно, являются наличие распространяемой бесплатно студенческой версии программы, русскоязычный интерфейс и help-система, развитые возможности по обработке результатов расчета (расчет индуктивностей, емкостей и т. и.).

Наиболее полное исследование физических явлений и процессов, а также ре шение задач третьего, научно-исследовательского, уровня возможно в результате использования так называемых пакетов визуального моделирования, в которых студенту предоставляется возможность описывать моделируемую систему преимущественно в визуальной форме, например, графически представляя как структуру системы, так и ее поведение. Такой подход позволяет студенту не заботиться о программной реализации модели, что значительно упрощает процесс моделирования.

Анализ результатов обучающего эксперимента показал, что у студентов технических вузов, обучающихся по разработанной методической системе, формируются профессионально значимые фундаментальные знания и умения, адекватные современным условиям повсеместного использования компьютерных технологий, в том числе и на машиностроительных предприятиях. Таким образом, выпускники технического вуза за годы обучения при изучении ряда дисциплин, в том числе физики, должны получить разносторонний опыт использования компьютерных технологий, быть психологически готовы к их использованию в будущей профессиональной деятельности.

Поступила 06.11.06.

ДОВУЗОВСКОЕ ОБРАЗОВАНИЕ КАК СВЯЗУЮЩЕЕ ЗВЕНО СИСТЕМЫ «ШКОЛА — ВУЗ»

Опыт работы со слушателями подготовительных курсов убеждает в том, что существует определенный разрыв между знаниями, полученными в школе, и требованиями, предъявляемыми к знаниям студентов при изучении общеобразовательных предметов в вузе. Несмотря на то что программы курсов содержат ряд разделов, в какой-то мере изу- педагогики МГУ им. Н. П. Огарева ченных в средней школе, число первокурсников, испытывающих трудности при их изучении, с каждым годом возрастает. В процессе учебно-воспитательной работы в вузе приходится сталкиваться с целым рядом недостатков в подготовке выпускников средней школы.

Во-первых, школа не готовит учащихся к восприятию лекций. Это проявляет-

Я№. В. Моисеева, 2006