''Обратные'' технические задачи в курсе физики

Ôèçè÷åñêîå îáðàçîâàíèå â âóçàõ. Ò. 9, ¹ 4, 2003 «Обратные» технические задачи в курсе физики

69

«Обратные» технические задачи в курсе физики Е.Г. Надолинская Волгоградская архитектурностроительная академия Описана методика решения на лекциях по физике «обратных» технических задач, позволяющая акцентировать внимание студентов на практической значимости фундаментальных физических законов для создания передовых технологий и современной техники. Подобные задачи интересны для включения их в задания студенческих олимпиад по физике.

Становление рыночного сектора в нашей стране выявило, что вузовские знания и диплом не обеспечивают трудоустройства выпускников и не устраивают работодателей. Работодатели ищут умелых людей с опытом или имеющих представление о методике и практике инженерного дела. Комплекс фундаментальных, технических и гуманитарных наук в современном техническом вузе сам по себе не гарантирует надежной инженерной подготовки, если он не направлен на развитие у студентов способности эффективно использовать полученные знания, и не стимулирует творческой мыслительной деятельности. Курс физики в системе вузовской подготовки инженеров в этом плане занимает особое место. Физика, как ни какая другая наука, способствует организации и развитию творческого мышления, является базой большинства технических наук, дает основу экологическому образованию, расширяет научно технический и мировоззренческий кругозор. В условиях внедрения в промышленность принципиально новых технологий, основанных на широком использовании достижений современных фундаментальных наук, физика, сохраняя статус базовой дисциплины в системе инженерного образования, все более приобретает значение самостоятельной дисциплины. В последнее время достаточно широко обсуждается проблема адаптации курса общей физики к решению инженерных задач. Простой иллюстрации применения физических эффектов и явлений в технике здесь явно не достаточно. Необходимо сформировать у студентов систему действенных физических знаний, востребованных и в будущей профессиональной деятельности. Важной становится задача организации учебного процесса по физике таким образом, чтобы физика стала интересной, доступной, впечатляющей и запоминающейся наукой, способной научить будущих инженеров решать

70

Е.Г. Надолинская

технические проблемы на уровне понимания физических принципов действия механизмов и процессов. Создание на занятиях по физике творческипоисковых проблемных ситуаций и разрешение их самими студентами способствует развитию сильного системного и продуктивного мышления. С этой целью в ВолГАСА на лекциях по физике на инженерностроительных потоках апробирован метод решения «обратных» технических задач [1]. В работе [2] был рассмотрен интересный и сильный метод решения «обратных» физических задач, требующий умения по известному ответу восстановить «исходные условия», найти закон действия сил или схему соединения элементов. Такой метод учит анализировать, устанавливать взаимосвязи между физическими величинами, заставляет искать разные пути решения задачи и находить оптимальное, верное решение. Метод решения «обратных» технических задач заключается в следующем: ♦

В начале лекции рассматривается «сильное» известное решение сложной технической проблемы строительного производства, найденное с применением физического закона или явления. ♦ Студентам ставится задача определить и указать в конце лекции, какой из рассмотренных на ней физических эффектов, был применен для решения технической проблемы и предложить свой метод практического применения данного физического эффекта. ♦ За правильные рассуждения и предложения ставятся высокие оценки, а затем приводится настоящее решение задачи, защищенное авторским свидетельством или патентом. Собран «банк данных» для постановки таких «обратных» технических строительных задач, при решении которых использованы физические эффекты и явления, изучаемые в различных разделах курса физики. По теме «Закономерности вынужденных колебаний. Резонанс» можно предложить задачу определить, какой из эффектов, рассмотренный на данной лекции, позволил блестяще решить проблему гашения колебаний высотных зданий и повышения устойчивости высотных зданий и телебашен − до 500 м высотой, и как наиболее конструктивным и рациональным способом применить данный эффект. На лекции «Физические свойства твердых тел» приводятся впечатляющие данные о достижениях, например, в мостостроении из предварительно напряженного железобетона – строительство вантовых мостов с пролетами 500  800 и более метров с гарантированным сроком службы моста 120 лет по критерию

«Обратные» технические задачи в курсе физики

71

долговечности бетона и т.д. Студентам ставится задача определить или предложить метод использования чисто физического (термоэлектрического) эффекта для натяжения стержневой арматуры, который бы не нарушал ее упругих свойств. Именно такой метод предложили российский ученый Михайлов В.В. и его коллеги для создания высокопрочного предварительно напряженного железобетона. За разработку и внедрение данного метода авторам была присуждена Ленинская премия, и он нашел широкое применение в строительной индустрии самых передовых стран мира. После высказанных мнений студентов зачитывается интереснейшее решение данной проблемы, изложенное в авторском свидетельстве. Решение подобных задач на лекциях позволяет акцентировать внимание студентов на практической значимости фундаментальных физических законов и явлений для создания принципиально новых технологий и технических устройств. Совместно со студентами специальности «Информационные системы и технологии» проанализированы все авторские свидетельства и патенты ведущих ученых и преподавателей ВолгГАСА, имеющиеся в отделе интеллектуальной собственности. Из них выбраны те, в которых технические решения найдены с использованием законов физики. Они пополнят «банк данных» для «обратных» и технических задач и войдут в разрабатываемые для студентов и лекторов потоков методические указания по их решению и использованию в учебном процессе. Данная работа направлена не только на формирование интереса у студентов к физике, но и на повышение авторитета ведущих специалистов академии. Попадая на старших курсах на специальные кафедры и знакомясь с преподавателями, студенты уже будут знать об их научных интересах и изобретениях, защищенных авторскими свидетельствами и патентами, которые ранее рассматривались на лекциях по физике. «Обратные» технические задачи, наряду с подобными задачами по лекционному эксперименту, включаются и в «экспериментальные» задания очного тура ежегодной студенческой олимпиады по физике, проводимой в ВолгГАСА. Цель последних − выяснить, узнают ли участники олимпиады теоретически хорошо известные им законы и явления в демонстрациях физических опытов, и смогут ли грамотно и понято объяснить наблюдаемые эффекты с помощью формул соответствующих законов или анализа физической природы наблюдаемых явлений. Это оказалось совсем не простым делом. Задания экспериментального тура олимпиады, сформулированные в виде «обратных» задач, оказались неожиданными, непривычными и вызывающими затруднения даже у сильных студентов. Результаты «Экспериментального» тура олимпиады оказались намного ниже,

72

Е.Г. Надолинская

по количеству баллов, заработанных его участниками, чем в туре – «Решение задач». Студентам гораздо легче решать привычные «прямые», расчетные или качественные олимпиадные физические задачи, чем экспериментальные или технические «обратные» задачи. Тем не менее, включение «обратных» задач в олимпиадные задания, представляется целесообразным, поскольку позволяет наиболее объективным образом оценить глубину понимания студентами сущности физических законов и явлений, и дает возможность студентам оценить практическую значимость глубоких знаний по физике для инженеров. В заключение автор выражает благодарность за постоянный интерес к работе и полезные обсуждения результатов заведующему кафедрой физики профессору Шильникову А.В., а также всем преподавателям кафедры физики, способствующим проведению олимпиад по физике и участвующим в плодотворных дискуссиях.

Литература 1. Надолинская Е.Г. «Методы повышения познавательной активности студентов при изучении курса физики в техническом вузе» // Тез. докл. Съезд Российских физиковпреподавателей «Физическое образование в ХХI веке». Москва, 2000, С. 235. 2. Николаев В.И. «Обратные задачи в курсе физики» // Физическое образование в вузах. 1998. Т. 4, № 4, С. 107123.