Особенности методики изучения гидромеханики в высшей школе

Гидромеханика (механика жидкостей – от греч. υδρο + μηχανικη – «вода + механика») – раздел физики, описывающий закономерности движения и равновесия жидкостей, а так- же взаимодействие жидких сред с погруженными или движущимися в них телами. Часто используется как синоним гидроаэромеханики, изучающей не только жидкие, но и газовые среды. Как часть механики гидромеханика включает три основных раздела: гидростатику (изучает равновесие жидкостей и газов), кинематику жидкостей и газов (изучает движение жидкостей и газов во времени, не рассматривая его причины), гидродинамику (изучает движение жидкостей и газов в связи с их взаимодействием).

Началом гидромеханики как науки можно считать трактат Архимеда «О плавающих телах» (примерно 250 год до н. э.), хотя человек имел гидромеханические представления и успешно применял их на практике даже в первобытный период своего развития – передвижение по воде, изготовление бытовой утвари, приготовление пищи, создание детских игрушек и др. Сегодня механика жидкостей – это интенсивно развивающийся раздел как теоретической, так и прикладной физики, имеющий большое значение не только для формирования научно обоснованного мировоззрения в обществе, но и для развития многих жизненно важных отраслей – медицины, водного и воздушного транспорта, энергетики, нефтегазодобывающей промышленности, метеорологии, климатологии и т. д.

Гидромеханика является базовой дисциплиной для обширного круга специальностей и направлений подготовки высшего образования. При этом опыт работы авторов в инженерном (Г.В. Куповых) и педагогическом (Е.В. Донскова и Н.Ф. Полях) вузах, а также опыт других исследователей (Ю.В. Никоноро-ва, В.М. Степанов, Е.З. Шнеерсон и др.), представленный в научно-методических публикациях, свидетельствуют о наличии общих проблем, возникающих при изучении гидромеханики студентами вузов разных профилей. Перечислим важнейшие из данных проблем.

Эти проблемы видят не только преподаватели, но и сами студенты. При проведении опросов они отмечают, что для успешного освоения физики им не хватает знаний и умений, сформированных в школе. Многие студенты жалуются, что им недостаточно времени для освоения учебного материала на аудиторных занятиях, что предлагаемая самостоятельная работа чрезмерно объемна. При изучении гидромеханики особую трудность студенты испытывают, решая задачи, поскольку большинство из них скучные (абстрактные) и требуют сложных математических выводов.

В российских вузах вышеописанные проблемы решаются по-разному. Некоторые вузы оптимизировали курс гидромеханики, распределив его содержание между курсом общей физики и специальными дисциплинами. В других вузах предпринимается попытка повышения общего уровня физико-математической подготовки студентов за счет организации довузовской подготовки старшеклассников, ориентированных на поступление в инженерно-техническийвуз (НГТУ[8]), а также проведение адаптационных занятий по физике и математике для студентов-первокурсников, имеющих слабую предметную подготовку (НИ ТПУ [3]). Отдельные вузы разрабатывают и внедряют новые подходы в методике обучения гидромеханике, в том числе интеграцию с курсом «Математический анализ» (НИЯУ МИФИ [6]); выделение опорных теоретических моментов на основе теории поэтапного формирования умственных действий (ГАУ Северного Зауралья [9]); инновационные методы обучения – деловые игры, кейс-стади, групповые дискуссии, видеоанализ (ТГУ [10]); специфические наглядно-образные приемы для лекционных занятий (РГГМУ [11]); мультимедийные презентации (КНИТУ-КАИ [12]) и др.

Оригинальный опыт решения проблем методики обучения студентов гидромеханике также имеется в Южном федеральном и в Волгоградском государственном социально-педагогическом университетах. В ЮФУ гидромеханика как самостоятельный учебный курс включена в учебный план только некоторых направлений подготовки и аспирантуры, для остальных инженерно-технических и естественно-научных направлений она входит как раздел в обобщенные курсы физики или механики. Оба варианта предполагают формирование у студентов теоретической основы для освоения технических приложений, связанных с применением ее законов в конкретных профессиональных областях.

Содержание учебного курса, в отличие от традиционного подхода, при котором учебные разделы соответствуют разделам гидромеханики (гидростатика, кинематика движения жидкостей и газов, гидродинамика и гидравлика), представлено в виде системы физико-математических моделей (гидростатическая, кинематическая и динамическая модели жидкой среды; модели ламинарного и турбулентного движения жидкости; модели нестационарного течения вязкой сжимаемой жидкости; модель гидравлического удара).

Такой подход обоснован значимостью моделирования как метода научного познания в физике и как метода обучения физике. Модели в физике это – средство систематизации и структуризации научных знаний; метод исследования моделируемого объекта (его структуры, свойств, законов функционирования и взаимодействия с другими объектами и различными средами); тренажер для управления сложными ситуациями и событиями в различных условиях; способ прогнозирования последствий воздействия на объект. В методике обучения физике модели традиционно входят в предметное содержание, а моделирование как универсальный метод познания рассматривается в качестве метапредметного результата физического образования.

Система моделей, через которые раскрывается содержание гидромеханики, позволяет наглядно представить этапы моделирования жидкой среды, рассмотреть примеры модификации модели для движущейся жидкости и вязкой жидкости, а также показать существующие приемы работы с моделями при реше- нии конкретных задач в технических приложениях гидромеханики.

Описание гидромеханических закономерностей в учебном курсе основывается на понятии сплошной среды, обладающей бесконечным числом внутренних степеней свободы. Поведение таких систем описывается не через координаты и скорости отдельных частиц, как в классической механике, а через скалярное поле плотности и векторное поле скоростей. Это является допущением с точки зрения математического моделирования, поскольку реальные системы обладают конечным числом степеней свободы. Для моделирования используются дополнительные законы и соотношения, носящие эмпирический характер (критерии (числа) Рейнольдса, Эйлера, Струхаля, Фруда и т. д.), с которыми связана теория гидродинамической устойчивости: переход от ламинарного к турбулентному течению и образование пограничного слоя.

Математический аппарат учебного курса основан на методах статистической физики, теории подобия, теории дифференциальных уравнений, которые позволяют создать специфический математический формализм при решении общих и частных задач гидромеханики. При этом методы математического моделирования используются равноправно с эмпирическими гипотезами, методами теории подобия и численными методами при решении целого ряда гидромеханических задач.

Таким образом, изучение теоретического курса становится для студентов тренингом, в процессе которого осваивается метод моделирования не только как универсальный метод научного познания, но и как метод будущей профессиональной деятельности.

Многолетний опыт преподавания курса гидромеханики дает основание утверждать, что, несмотря на сложность представляемого материала, его освоение не требует от студентов специальной подготовки кроме знания основных понятий, определений и законов, а также владения компетенциями по физическим и математическим дисциплинам в объеме базовой части учебных планов инженерных направлений подготовки.

По содержанию курса разработано и издано учебное пособие «Основы гидромеханики» [4], которое успешно используется в учебном процессе ЮФУ. В ВГСПУ самостоятельный курс «Основы гидродинамики» включен в учебный план профиля «Технология обработки тканей и пищевых продуктов», для других профилей («Информатика и физика», «Математика», «Безопасность жизнедеятельности»,

«Экология») элементы гидромеханики рассматриваются как отдельные темы в обобщенных курсах «Общая и экспериментальная физика» или «Физика». Преподавание осуществляется на основе классического содержания гидромеханики и традиционной методики изучения этого раздела.

Однако при обучении студентов – будущих учителей физики (профиль «Информатика и физика»), которые должны иметь глубокие предметные знания и широкий естественно-научный кругозор, кроме традиционной методики, применяется технология контекстных задач, позволяющая достичь более высокого уровня освоения физических знаний, в том числе и гидромеханических. В психологии задача рассматривается как мотивирующее, организующее и направляющее начало человеческой деятельности, а в методике обучения физике задача понимается как форма представления природной, бытовой, технической или абстрактной ситуации, побуждающая применять физические законы и методы для ее объяснения. Задачи являются неотъемлемой частью методики обучения физике, ведь это «великолепный полигон, на котором можно учиться умению оценивать ситуацию и принимать решение, сообразуясь с обстоятельствами» [5, с. 6].

Особую роль в обучении физике играют контекстные задачи, под которыми понимается «вопрос, задача, проблема, изначально ориентированная на тот смысл, который данные феномены имеют для обучающегося… это не просто адаптация к личности обучаемого, но и способ актуализации его личностного потенциала, пробуждения его смыслопоисковой активности, осознания ценности изучаемого» [1, с. 103].

В работе В.И. Данильчука, Е.В. Донсковой, Т.В. Клеветовой [2, с. 100] выделены условия контекстности физических задач, которые мы конкретизируем для задач по гидромеханике:

• 1)    содержание задачи должно возбуждать любопытство и познавательный интерес – описывать не только типичные гидростатические и гидродинамические ситуации в природе, быту и технике, но и различные парадоксы, случаи из жизни, обывательские мифы, оригинальные гидравлические машины и механизмы и т. п.;

• 2)    форма предъявления задачи должна быть эстетична и вызывать положительную эмоциональную реакцию – это может быть текст, иллюстрированный фотографиями и рисунками, текстовые фрагменты из публика-

• ций в СМИ, видеофрагменты художественных фильмов, видеоролики, телесюжеты и др.;

• 3)    решение задачи должно основываться на фундаментальных законах, принципах и методах гидромеханики, но учитывать уровень математический подготовки обучаемых;

• 4)    результат решения задачи должен сочетать предметность (формирование умения применять теоретические знания по гидромеханике для объяснения различных ситуаций) и контекстность (развитие жизненного опыта студентов – опыта миропонимания, мирооце-нивания, коммуникации, самоопределения).

Кроме решения контекстных задач по гидромеханике студентам предлагается работа по самостоятельному поиску и формулированию таких задач для школьного уровня физики. Это помогает закрепить в памяти основные гидромеханические понятия и законы, детально разобраться в сути процессов, происходящих в жидких и газовых средах, научиться моделировать наблюдаемые в реальности ситуации и представлять их в форме физических задач, получить опыт самостоятельного выбора и обоснования методов и способов решения, а также освоить методы прогнозирования ошибок и трудностей, которые могут возникнуть при решении задачи. Эти способности относятся к метапредметным компетенциям, которые важны для любого человека, а для учителя физики они являются частью специальных профессиональных компетенций.

Для усиления профессионального (педагогического) контекста заданий на формулировку физических задач мы придерживаемся требований из работы Н.Ф. Полях [7, с. 15]:

• 1)    конструируется не одна отдельно взятая задача, а система, чтобы отследить пользу (или бесполезность) отдельно взятой задачи;

• 2)    при конструировании системы задач учитывается обеспечение достижения как ближайших учебных целей, так и отдаленных;

• 3)    задачи конструируются так, чтобы предусмотренные процессом их решения усвоенные средства деятельности выступали как прямой продукт обучения;

• 4)    задачи обеспечивают усвоение различных подгрупп средств решений, а не отдельных элементов системы средств решений, что предоставляет возможность решать задачи не только определенного класса.

Важно, что контекстные задачи не заменяют, а дополняют систему традиционных задач по гидромеханике, что дает возможность без снижения уровня теоретической подготовки студентов развивать их учебную мотивацию и интерес к физической науке.

Таким образом, несмотря на общие проблемы методики изучения гидромеханики в российских вузах, каждый вуз имеет положительный опыт их решения, обоснованный спецификой профилей и специальностей подготовки. В ЮФУ в системе инженерного образования используется новый подход к отбору и структурированию учебного содержания на основе гидромеханических моделей. В ВГСПУ традиционная методика обучения будущих учителей физики дополняется технологией контекстных задач. Реализация этих подходов в практике учебного процесса дает устойчивый положительный результат.