Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы профессиональной направленности обучения физике студентов технических вузов Вьетнама 16-29
1.1. Принцип профессиональной направленности обучения как ведущий принцип педагогики высшего образования 16-29
1.2. Физика в учебных планах технических вузов Вьетнама 29-36
1.3. Состояние подготовки по физике студентов технических вузов Вьетнама 36-44
Выводы по Главе 1 45-46
Глава 2. Теоретические основы методики обучения физике студентов технических вузов Вьетнама 47-82
2.1. Варианты реализации принципа профессиональной направленности обучения физике в технических вузах 47-60
2.2. Идея педагогической интеграции как основа отбора содержания спецкурсов по выбору студентов 60-66
2.3. Спецкурс по физике как средство реализации профессиональной направленности обучения будущих инженеров 66-71
2.4. Модель методики обучения физике будущих инженеров в профессионально направленном спецкурсе 71-80
Выводы по Главе 2 81-82
Глава 3. Методика профессионально направленного обучения физике студентов технических вузов Вьетнама на занятиях спецкурса 83-126
3.1. Содержание спецкурса по физике для студентов технических вузов 83-90
3.2. Содержание и методы обучения на лекционных занятиях спецкурса «Физические основы вращательного движения твёрдого тела в технологии машиностроения» 90-98
3.3. Содержание и методы обучения решению задач на занятиях спецкурса «Физические основы вращательного движения твёрдого тела в технологии машиностроения» 98-104
3.4. Содержание и методы проведения лабораторных занятий «Физические основы вращательного движения твёрдого тела в технологии машиностроения» 104-114
3.5. Обучающий эксперимент 114-125
Выводы по Главе 3 126-126
Заключение 127-129
Список литературы 130-139
- Физика в учебных планах технических вузов Вьетнама
- Идея педагогической интеграции как основа отбора содержания спецкурсов по выбору студентов
- Содержание и методы обучения на лекционных занятиях спецкурса «Физические основы вращательного движения твёрдого тела в технологии машиностроения»
- Содержание и методы проведения лабораторных занятий «Физические основы вращательного движения твёрдого тела в технологии машиностроения»
Физика в учебных планах технических вузов Вьетнама
Рассмотрим место физики в учебных планах технических вузов Вьетнама на примере учебного плана по специальности 52510202 «Технология машиностроения», так как указанная специальность является базовой для всех специальностей, дающих квалификацию инженера-механика.
В учебных планах можно выделить четыре цикла учебных дисциплин:
- цикл общественных дисциплин, который включает философию марксизма-ленинизма, общую экономику, общее законодательство, революционный путь коммунистической партии Вьетнама, мысли Хо Ши Мина, иностранный язык и другие;
- цикл общенаучных дисциплин, включающий физику, химию, высшую математику, статистику, введение в информатику;
- цикл общетехнических дисциплин, который включает начертательную геометрию и инженерную графику, технический чертеж, проектирование механизмов на компьютере, теоретическую механику, сопротивление материалов, материаловедение, пневматические приводы, технологию обработки металлов, безопасность и промышленную среду, электротехнику, электронику, допуски - методы измерения, теплотехнику, детали машин, промышленную экономику, оснащение электричеством, механику жидкости, технику программирования PLC;
- цикл специальных дисциплин, включающий теорию резания, проектирование режущих средств, технологию машиностроения, кондуктор, автоматизацию производственных процессов, станки с числовым программным управлением, режущий станок, промышленную робототехнику, трибологию, проектирование металлорежущих станков, проектирование механических цехов, технологию проиводства заготовок.
Учебный план специальности 52510202 «Технология машиностроения» включает также технические дисциплины. В таблице 1 приведено число часов на физику в соответствии с учебными планами до 2011г. и после 2011 г.
Анализ учебных планов, приведенных в таблице 1, позволяет сделать следующие выводы:
1. В настоящее время для всех специальностей на изучение физики отводится равное число часов - 255.
2. Общее число часов на изучение физики по сравнению до 2011 годом увеличилось (на 153,75 час), однако увеличение часов произошло только за счет времени, отведенного на самостоятельную работу студентов (180 часа). Увеличение числа часов на самостоятельную работу студентов было сделано исходя из необходимости решения задачи развития их познавательных способностей путем организации индивидуальной работы.
3. Время, отводимое на лекционные занятия, уменьшилось (на 10часов), число практических занятий тоже уменьшилось (на 10 часов), а число лабораторных занятий уменьшилось ( на 6,25 часа).
Приведенные выводы говорят о том, что время на изучение физики как учебного предмета уменьшается. Отсюда следует, что у студентов технических вузов недостаточно времени на осввоение основ физики, а это, в свою очередь, отражается на уровне как их подготовки по физике и, соответственно, на уровне их профессиональной подготовки. Возникает вопрос: как увеличить в учебных планах время на изучении прикладных воросов физической науки? Ниже в таблице 2 показано место дисциплин разных циклов в учебном плане Виньского педагогического технического государственного университета.
Анализ таблицы наглядно показывает, что место физики в учебном плане ещё не является оптимальным, студентам, для того чтобы начать изучать курс физики в университете, надо получить достаточный объём знаний не только по высшей математике, но также и по информатике, проектированию механизмов на компьютере и т.д. Однако физика может служить ещё и базой для изучения таких учебных дисциплин, как теоретическая механика, электротехника, электроника, материаловедение, поэтому студентам необходимо изучать курсы физики по выбору во втором и третьем семестрах.
Анализируя учебные программы по физике для различных инженерных специальностей высших технических учебных заведений, включая и педагогические технические вузы, можно увидеть, что курс физики, наряду с курсами математики и механики, составляет основу теоретической подготовки по технической специальности, он считается фундаментом, без которого невозможна успешная профессиональная деятельность. Таким образом, можно сделать вывод, что курс физики, изучаемый в технических университетах и на технических факультетах, должен обеспечивать не только формирование знаний о соответствующей дисциплине, об основах физической науки и применении их в технике и технологиях, но и способствовать формированию прикладных знаний и видов профессиональной деятельности.
Поэтому целесообразным при подходе к изучению физики будет использование всех видов занятий (лекций, семинаров, практикумов) и обеспечение строго последовательного, целостного изучения науки. Очень важно объяснять студентам, что физика в настоящее время является универсальной базой техники и что даже физические явления и процессы, неприменимые на сегодняшний день в технике, нельзя не принимать во внимание, т.к. в будущем они могут не только успешно использоваться, но окажутся в центре новаторских достижений. [58, с.52].
Анализ учебных программ по физике для высших учебных заведений показывает, что структура курса во всех вузах одинакова.
Программа включает в себя следующие разделы и темы:
Раздел 1. Механика
1.1. Кинематика точки
1.2. Динамика материальной точки
1.3. Динамика системы материальных точек и твёрдого тела
1.4. Работа и энергия
1.6. Механика жидкости
1. 7. Релятивистская механика
Раздел 2. Молекулярная физика и термодинамика
2.1. Эмпирические законы идеальных газов
2.2. Первый закон термодинамики
2.3. Второй закон термодинамики
2.4. Реальный газ
2.5. Свойства жидкости
2.6. Фазовые переходы
2.7. Классическая статистическая физика
Раздел 3. Электродинамика
3.1. Электростатика
3.2. Проводники в электрическом поле
3.3. Диэлектрики в электрическом поле
3.4. Законы постоянного электрического тока
3.5. Стационарное магнитное поле
3.6. Явление электромагнитной индукции
3.6. Магнитный материал
3.7. Электромагнитное поле
Раздел 4. Коллебания и волны
4.1. Механические колебания
4.2. Электромагнитные колебания
4.3. Механические волны
4.4. Электромагнитные волны
Идея педагогической интеграции как основа отбора содержания спецкурсов по выбору студентов
Одним из механизмов профессионально направленной подготовки по физике студентов технических вузов является реализация межпредметных связей физики и общетехнических и профессиональных дисциплин. Идея межпредметных связей в настоящее время трансформировалась в так называемый принцип интеграции в обучении [58].
Проблеме интеграции в естественнонаучном образовании посвящены работы М.Н.Берулывы[8] . Он рассматривает педагогическую интеграцию как разновидность научной интеграции, осуществляемой в рамках педагогической теории и практики, и утверждает, что процесс интеграции осуществляется на логико-содержательно основе. При этом интеграция может осуществляться в разных формах.
М.Н. Берулава выделил «три уровня интеграции: межпредметные связи, дидактический синтез, целостность» [26]. Эта идея была реализована Л.В.Дубицкой при разработке методической системы подготовки учителя предметной области «Естественные науки».
Первый уровень интеграции – межпредметные связи означает, что при преподавании различных естественнонаучных предметов устанавливаются и учитываются межпредменые связи как содержательные, так и процессуальные.
Второй уровень – уровень дидактического синтеза – реализуется при создании новых интегрированных курсов. К таким курсам относятся, например, курсы «Естествознание» для системы общего образования и «Концепции современного естествознания» или «Естественнонаучная картина мира» для системы высшего образования. «Дидактический синтез» может слушить основой для разработки элективных курсов, для организации проектной и исследовательской деятельности обучающихся. Учебный материал в этих курсах интегрируется на основе общего объекта изучения (природа) и общих методов исследования (научный метод познания).
Третий уровень интеграции - уровень целостности. Для него характерно максимальное объединение, упорядоченность и взаимосвязь знаний различных дисциплин. Он может быть реализован при создании метапредметных курсов, удовлетворяющих целям и задачам образовательного процесса и влючающих в содержание образования общенаучные понятия, законы, методологические принципы, теории.
В нашем случае первый уровень интеграции имеет место при реализации профессиональной направленности основного курса физики. При этом устанавливаются перспективные связи между содержанием курса физики и материалом общетехнических дисциплин. Профессионально направленные спецкурсы отражают второй уровень интеграции – дидактический синтез. Отбор их содержания также осуществляется на основе межпредметных связей, но в этом случае происходит интеграция физического и технического материала и не только на понятийном уровне, но и на процессуальном. В частности, предусматривается решение задач с профессиональным содержанием, выполнение профессионально ориентированных лабораторных работ.
Отражение в процессе обучения связи физики и общетехнических и профессиональных дисциплин является отражением объективно существующих связей междц физической наукой и техникой.
Физика выросла из потребностей техники и непрерывно использует ее опыт, техника в большой степени определяет тематику физических исследований и создает необходимые для физики аппараты и устройства. Техника вырастает из физики, в физических лабораториях создаются новые отрасли техники и новые методы решения технических задач. В технике на основе законов статики и кинематики появились первые артефакты (рычаг, полозья, колесо и т.п.) и затем совокупность артефактов - механизмы и машины (подъемные рычажные механизмы, метательная осадная машина, сани, колесницы, гладкоствольное оружие, примитивные станки-приспособления для обработки мягких материалов и т.п.); на основе понятий о тепловых явлениях возникли артефакты (костер, печь, руда) и затем совокупность артефактов -устройства и приспособления для процесса получения железа и стали, отливки и ковки металлов (молот, наковальня, горн, домницы, мечи, кованые и литые заготовки и изделия); на основе законов отражения и преломления света появились артефакты (отражения и преломления света от блестящих поверхностей), а затем совокупность артефактов - устройства для освещения закрытых помещений, медные и другие зеркала; на основе закона Архимеда, появились артефакты - плавающие доски, плоты и их совокупности - лодки, корабли и т.п.
Так, основы динамики позволили, используя простейшие механизмы и машины, создавать более сложные совокупности артефактов, такие как ветряные, водяные мельницы, часы гиревые, башенные, маятниковые, нарезное оружие, совершенствование конструкций обрабатывающих станков, токарные и копировальные станки; основы гидростатики позволили создавать корабли большей грузоподъемности, земляные, деревянные и каменные плотины, оросительные системы, водопровод; физическое учение о газах и дали импульс к развитию воздухоплавания - воздушные шары, аэростаты; паровой машины, понятие времени и пространства, основы физической оптики дают толчок к созданию оптических приборов (зрительная труба, бинокль и телескоп Г. Галилея).
В процессе развития физики сформировались основные научные положения технических теорий (резания материалов, станкостроения, материаловедения, технологии металлов и др.), накоплен большой практический и экспериментальный материал. Волновая теория света позволила создать оптические приборы (микроскопы, телескопы); открытие электрического тока позволило создать большие источники тока в виде гальванических батарей. Законы сохранения энергии при любых физических и химических превращениях позволил рассчитать и сконструировать электроосветительные, нагревательные, отопительные приборы и установки; на основе законов термодинамики и теории электромагнитных колебаний создан телеграфный аппарат, телефонный аппарат; с возникновением теории относительности (А. Эйнштейн 1905 г.), изменились физические представления о пространстве, времени и движении, следствием теории относительности является соотношение между массой и энергией, существенное для ядерных процессов; создана общая теория относительности, преобразовавшая старое учение о тяготении; квантовая механика, созданная в результате исследований взаимодействия излучения с частицами вещества и изучения состояний внутриатомных электронов и т.п.[58, с. 123].
В целом связи между физикой и техникой прослеживается по направлениям [58]:
- развитие физики от простых физических понятий и законов статики, кинематики и т.п. до фундаментальных физических теорий;
- создание на основе физических теорий профессиональных объектов;
- создание промышленных технологий на основе взаимодействия фундаментальных физических законов с эксплуатацией профессиональных объектов, что и приводит к созданию научно-технических теорий;
- взаимодействие фундаментальных физических теорий с научно-техническими теориями и объектами;
Преподавание физики в высшей технической школе должно отвечать требованиям:
- вооружить студентов знания основ физической науки на уровне государственного стандарта;
- формирование прикладных знаний и видов профессиональной деятельности в профессиях инженерного работника.
Таким образом, профессионально направленные курсы по физике по выбору студентов представьляют собой интегрированные спецкурсы, в которых теоретический материал расширяет и углубляяяет знания учащихся по физике, практико- ориентированный материал отражает применния знаний по физике в изучаемых технических объектах и технологических процессах.
В содержании спецкурса целесообразно выделять две части: инвариантную и вариативную. К инвариантной части следует отнести материал, который должны знать все студенты технических вузов, изучающие физику [73]
Содержание и методы обучения на лекционных занятиях спецкурса «Физические основы вращательного движения твёрдого тела в технологии машиностроения»
Рассмотрим содержание некоторых лекционных занятий в соответствии с разработанной рабочей программой, в которой выделены инвариантный и варьируемый компоненты, определяющие содержание и контрольные вопросы для проверки усвоения студентами лекционного материала.
Кроме вопросов, которые иллюстрируют теоретический материал, излагаемый преподавателем на лекции, нами разработана система профессионально направленных вопросов и заданий, применение которой при обучении позволит осуществить связь изучаемого материала с профессииональной подготовкой студентов. Эти задания предлагаются студентам для обдумывания и выполнения в качестве домашней работы, а обсуждаются или на практических групповых занятиях, или во время индивидуальных консультатций. К некоторым заданиям преподаватель обращается при чтении лекций. Все эти задания представляют собой единую систему и составлены таким образом, что требуют от студентов различной умственной деятельности. Однако в связи с тем, что эти задания носят профессионально направленный характер и связаны с применением физических понятий и законов, они рассчитаны в основном на продуктивную деятельность; задания, требующие воспроизведения знаний, в предлагаемую систему не входят. Некоторые задания требуют привести примеры, иллюстрирующие то или иное физическое понятие. Некоторые задания требуют от студентов соотнесения изученных понятий с объектами их профессиональной деятельности или предполагают анализ технологического процесса и применение физических знаний для его объяснения; в других заданиях студентам предлагается найти связь между физическими величинами, характеризующими машиностроительные объекты, и их движение.
После отбора содержания лекционного курса для студентов инженерных специальностей с учетом общих и специфических целей обучения возникает необходимость учета факторов, представляющих собой современные тенденции развития инженерного образования и интеграцию материала с содержанием общетехнических и специальных дисциплин на основе принципа единства фундаментальности и профессиональной направленности обучения.
При обсуждении понятия твёрдого тела можно привести такие примеры, как сверло, резец, фрез, шлифовальный круг, шпиндель станка и т.д. Это конкретные примеры терминов, используемых в технологии машиностроения.
Система вопросов и заданий к лекциям по спецкурсу «Физические основы вращательного движения твёрдого тела в технологии машиностроения» (вариативный компонент).
1. Какое движение называется поступательным? Приведите примеры поступательных движений металлорежущего инструмента.
2. Приведите примеры вращательного движения твёрдого тела в металлорежущих станках и значения угловой скорости и углового ускорения.
3. Приведите примеры равномерных движений деталей, обрабатываемых на металлорежущих станках.
4. Что можно сказать о скорости и ускорении точки, лежащей на поверхности детали в вибробункере, если ее траектория – винтовая линия?
5. Чему равно скалярное произведение скорости и ускорения точки, лежащей на поверхности сверла, фрезы и т.п., в случае равномерного движения по окружности?
6. Что характеризуют скорость и ускорение точек, лежащих на поверхности детали, при обработке их на фрезерном или продольно строгальном станке?
7. Какое явление происходит при вращении твердого тела, если поворотная ось не проходит через центр тяжести?
8. Какова связь между угловой и линейной скоростями точки, лежащей на режущей кромке сверла?
9. Что можно сказать о линейной и угловой скоростях вершины токарного резца?
10. Опишите траекторию движения плоской детали (скольжение) и цилиндрической детали (качение) с лотка наклонной плоскости приспособления в рабочую зону металлорежущего станка.
11. Какую роль играет передаточный механизм, находящийся в металлорежущих станках? Приведите примеры и охарактеризуйте их работу.
12. Проанализируйте работу передаточного механизма. Какая сила действует между шестерней и червяком?
13. Приведите примеры вращательного движения деталей в металлорежущих станках и определите их направление и момент импульса.
Некоторые задания требуют от студентов соотнесения изученных понятий с объектами их профессиональной деятельности. Например:
1. Какова траектория движения токарного резца, детали, сверла, руки роботов, обслуживающих металлорежущий станок?
2. Каков характер движения сверла при обработке отверстий на сверлильных станках?
Некоторые задания предполагают анализ технологического процесса и применение физических знаний для его объяснения. Например:
1. Как влияет скорость продольного перемещения резца на качество обрабатываемой поверхности при точении на токарном станке?
2. Какие виды движений должны осуществлять точки на поверхности детали-заготовки и режущей кромке резца для образования цилиндрической поверхности детали при обработке на токарном станке? Для образования конической поверхности? Для образования сферической поверхности?
3. Как влияет значение линейной скорости вершины резца на качество поверхности детали при обработке на токарном станке?
В некоторых заданиях студентам предполагается найти связь между физическими величинами, характеризующими машиностроительные объекты и их движение. Например:
1. Чему должна быть равна линейная скорость вершины сверла при сверлении детали? Найдите связь между линейной и угловой скоростями.
2. Запишите уравнение равнопеременного движения сверла, если известны угловая скорость и время.
3. Как изменяются линейная и угловая скорости сверла в зависимости от расстояния точки, лежащей на режущей кромке сверла, от центра сверла?
Содержание и методы проведения лабораторных занятий «Физические основы вращательного движения твёрдого тела в технологии машиностроения»
Физика - это экспериментальная наука, поэтому лабораторный практикум по физике играет важную роль в общей системе подготовки инженеров в технических вузах. Лабораторные занятия интегрируют теоретико-методологические знания, практические умения и навыки студентов в едином процессе учебно-исследовательского характера. Кроме того, физический практикум - одна из первых лабораторий, которая предусматривает выполнение студентами учебных экспериментов, поэтому практикум становится фундаментом, на котором в дальнейшем будет строиться вся система подготовки будущего инженера, умеющего эффективно использовать современную измерительную аппаратуру и грамотно обрабатывать полученную информацию, в том числе с применением современных компьютерных технологий. «Физический эксперимент наиболее способствует пониманию того, что в основе современной техники лежат физические явления и законы». [10, с.83]. Практика обучения физике в технических вузах Вьетнама показывает, что число лабораторных работ ещё мало, студенты при выполнении лабораторных работ относятся к этому процессу формально, не осмысливая познавательные приемы, используемые ими в работе, физические понятия углубляются, развиваются и взаимосвязаны с будущей профессией, в каком случае появляется возможность вскрывать сущность тех или других физических понятий и законов. Недостатком известных методик организации проведения лабораторных занятий по физике в техническом вузе является слабая взаимосвязь между лабораторными занятиями по физике и дисциплинами общетехнического и специального цикла, между наукой и техникой. Лабораторный практикум спецкурсов по физике позволит преодолеть разрыв между теорией и практикой; а также показать, что физические явления и законы являются отображением реальной, окружающей нас действительности.
Деятельность студентов при выполнении лабораторных работ осуществляется по следующим этапам:
- самостоятельно оформить бланк отчета к лабораторной работе, в котором написаны цели работы, приборы и принадлежности, схемы установки, необходимые для расчета определяемых физических величин, формулы и др.;
- подготовить установку и произвести измерения, которые заносятся в подготовленные таблицы;
- произвести математическую обработку результатов измерения, определить искомую величину и оценить погрешность измерений;
- оформить отчет по проделанной работе с формулировкой вывода, отражающего достоверность полученного результата;
- провести защиту лабораторной работы, ответив на вопросы, предложенные преподавателем.
Профессиональная направленность обучения физике находит свою реализацию при выполнении студентами лабораторных работ. Здесь существуют по крайней мере три возможности:
- разработка системы вопросов профессионально направленного характера к традиционным лабораторным работам;
- постановка профессионально направленных лабораторных работ на традиционном оборудовании;
- постановка лабораторных работ на специальном оборудовании.[58, с.241]
По нашему мнению, полезным является сочетание этих подходов.
В связи с этим содержание части лабораторных работ для студентов инженерных специальностей является традиционным, то есть студенты выполняют работы лабораторного практикума в соответствии с учебной программой. В процессе выполнения и защиты лабораторных работ студентам предлагается ответить на контрольные вопросы и решить простую задачу на применение физических явлений и законов в процессе контроля технологических процессов в машиностроении.
Список традиционных лабораторных работ по разделу «Динамика твёрдого тела» в технических вузах Вьетнама:
1. Измерение длины: определение внешнего диаметра, внутреннего диаметра и глубины цилиндра штангенциркулем. Измерение диаметра небольшой проволоки микрометром.
2. Изучение кинематики поступательного движения. Определение коэффициента трения скольжения методом угла скольжения.
3. Определение момента инерции симметричных тел. Проверка теоремы Гюйгенса - Штейнера методом крутильных колебаний.
4. Исследование поступательного и вращательного движения.
Определение момента инерции колеса и сил трения в поворотной оси К этим лабораторным работам предложена система контрольных вопросов профессионально направленного характера. Они приведены ниже.
Профессионально направленные вопросы:
Работа №1
1. Приведите примеры лабораторных работ специальности «Технология машиностроения», в которых используется штангенциркуль и микрометр. 2. Назовите правила и особенности использования этих инструментов.
Работа №2
1. Как влияет угол наклона на силу трения при скольжении детали по лотку из рабочей зоны станка к магазину-накопителю деталей?
2. Какие кинематические величины характеризуют движение вершины токарного и строгального резцов по обрабатываемой поверхности?
3. Какое движение описывает точка на внешней кромке сверла при сверлении детали?
4. Как влияет значение коэффициента трения на скорость перемещения деталей на лотках? На конвейерах? На работу тормозных устройств в машинах и механизмах?
Мы предлагаем систему лабораторных работ по теме «Вращательное движение твёрдого тела».
Контрольные вопросы
1. В чем проявляется аналогия законов, описывающих поступательное и вращательное движения?
2. Какова разница между моментом инерции и массой тела?
3. Опишите метод из мерения момента инерции твёрдых симметричных тел относительно оси, проходящей через центр масс этих тел.
4. Выведите формулу момента инерции сплошного шара из формулы момента инерции сплошного диска.
5. Объясните, почему в экспериментах, определяющих момент инерции твердого тела, особенно сферы, а также при проверке теоремы Гюйгенса – Штейнера надо создать большой начальный угол?
6. Какие физические величины влияют на период колебаний маятника, используемого в данной работе?
7. Опишите метод определения модуля кручения подвеса, используемый в данной работе.
8. В чем состоит метод проверки справедливости теоремы Гюйгенса – Штейнера, используемый в данной работе?
9. Исследуйте зависимость периода колебаний Т от параметров маятника. Имеются ли максимумы и минимумы у периода колебаний?
10. Момент инерции маятника определяют графическим и аналитическим путем. В каком случае точность выше и почему?
11. Как измерить угловую скорость и угловое ускорение маятника в данной работе?
12. Как измерить момент инерции Земли, Луны?
13. Как измерить момент инерции молекулы водорода, кислорода?