Компьютерные модели в вузовском курсе "безопасность жизнедеятельности": ключевые идеи и технологические особенности Текст научной статьи по специальности «Науки об образовании»

УДК 519.6

КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОДЕЛИ В ВУЗОВСКОМ КУРСЕ «БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ»: КЛЮЧЕВЫЕ ИДЕИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ

© 2004 г. Е.Н. Ладоша

To fit together mathematics, global safety and computer science as educational subjects somewhat original concept and technique are suggested. Computer science is chosen as a tool of its’ integration. It is shown that an active research is very desirable for university teachers. General recommendations purposed to grade the educational process are formulated.

Наддисциплинарный характер безопасности жизнедеятельности (БЖД) как науки «роднит» ее с математикой - первая объединяет практически все известные предметные области человеческого знания на уровне постановки (проблем), вторая - на уровне техники поиска приемлемых решений. В результате БЖД, обеспечивая стойкую социальную потребность всемерно развивать средства компьютерного моделирования (КМ), по сути дела формирует концептуальный базис математики. Последняя в свою очередь служит ведущим инструментом при планировании, проектировании, реализации, эксплуатации, модернизации и утилизации природно-технических систем и их элементов. «Побочным продуктом» такой симгар-монии являются многочисленные частные результаты, подпадающие под компетенцию самых разных направлений науки, т. е. отвечающие развитию знания в целом.

Весьма заманчиво попытаться «встроить» отмеченное сродство БЖД и математики в системы компьютерного (заочного, дистанционного и пр.) обучения этим дисциплинам, тем более, что современные информационные технологии [1] позволяют реализовать эту идею достаточно полно. Очень важно суметь аккуратно состыковать вузовские курсы высшей математики, БЖД и информатики, которой отводится роль фиксатора навыков (само)обучения и созидания.

Традиционно преподавание математики осуществляется снизу - вверх, и у ученика часто не хватает мотивации, чтобы усвоить поле знаний, необходимых для перехода на следующую (обычно ближайшую сверху) ступень абстрактного мышления. Развитие абстрактного мышления естественно рассматривать как физиологическую потребность мозга сохранять максимально много «свободного места» при хранении заданного объема информации (с учетом возможностей запоминать и перерабатывать первичные данные), а также индивидуальной практической ценности мыслительной работы. Отсюда следует, что мотивация - источник всякого умственного напряжения. Вызвать подобное психическое состояние у обучаемого можно, демонстрируя (неизбежно декларативно) возможности, которые откроются перед ним после постижения текущей ступени в осваиваемой предметнопонятийной иерархии. Существенно, что предмет стимула должен быть достижим на следующем уровне понимания, привлекательным на последующих и

чрезвычайно заманчивым в отдаленной перспективе. Достичь определенных успехов здесь удается, постепенно отодвигая туманную линию горизонта знаний -предварительно приводя общие сведения об устройстве прилежащих (сверху к осваиваемому) иерархических уровнях модели предметной области.

Придать углублению математических познаний в учебном процессе втуза наиболее естественную форму можно, отказавшись от принятого в чистой математике приоритета строгой логики над утилитарными качествами. Это равносильно идеологии [2], постулирующей исключительно прикладной (ни в коем случае не общеразвивающий!) характер математики в системе подготовки инженерных кадров. БЖД в этом контексте представляется неисчерпаемым источником проблем и задач, разнообразие которых покрывает весь спектр современных математических методов и уровней их освоения обучающимся. Параллельное изучения БЖД и математики представляется тем стержнем, который одновременно систематизирует (все) предметные знания и стимулирует выработку знаний фундаментальных.

Из сказанного следуют повышенные требования к квалификации втузовских преподавателей БЖД, которым необходимо активно заниматься научной деятельностью с широкой опорой на математические методы и информационные технологии. Роль последних становится понятной, если учесть многочисленность алгоритмических деталей и количественные (номенклатурные) показатели информационно-математических образов изучаемых в БЖД объектов: рутинные преобразования и вычисления просто необходимо возложить на компьютер. При этом студент сможет (без излишних подробностей) усвоить больший объем предметной информации, «цементируя» его на уровне «блоков», отвечающих отдельным иерархическим ступеням в моделях предметных областей.

Содержательно большинство задач БЖД в той или иной мере определяют взаимодействия технических объектов с окружающей и рабочей средами. Оба типа сред, предполагаемых сплошными, могут иметь различное агрегатное состояние, но наиболее распространены газовые. Легко просматривается связь между реалистичностью моделей сплошной среды [3] и использованным в них математическим формализмом: соответствующие данные сведены в таблицу.

Соответствия между иерархией моделей сложно устроенной сплошной среды [3] и разделами (методами) математики

Неравновесная физико-химическая кинетика элементарных объектов (атомов, молекул, ионов, электронов и фотонов) Системы интегродифференциальных уравнений

Моментное осреднение

Газодинамика параметрически неравновесных течений Системы гиперболических УЧП

«Выключение» макропереноса

Реакционно-диффузионная динамика Системы параболических УЧП

Пространственное сосредоточение

Химическая кинетика в реакторе идеального смешения Системы ОДУ

Нахождение точек равновесия

Стационарные состояния открытых реагирующих систем Системы АУ

«Выключение» источников

Химическая термодинамика закрытых систем Системы АУ простейшего вида (без потоков вещества)

Пренебрежение превращениями

Техническая термодинамика АУ простейшего вида

Примечание. УЧП - уравнения с частными производными, ОДУ и АУ - соответсвенно обыкновенные дифферинциальные и алгебраические уравнения.

Структурное подобие математического инструментария и задач механики сплошных сред (как важнейшего класса задач БЖД) не случайно: все развитие математики и ее современное устройство продиктованы историческими потребностями общественной практики. Отмеченное обстоятельство, во-первых, подтверждает изначально прикладной характер математического знания, а во-вторых, представляет естественный способ стимулировать обучение.

В качестве технологии обучения БЖД во втузе автором предложено КМ частных задач [4, 5], предметное содержание которых преподаватель может выбирать в соответствии с личным опытом и сложившимися предпочтениями. На практических, лабораторных занятиях или для самостоятельного исследования обучаемому предоставляется программная реализация информационно-математической модели, созданная преподавателем или его коллегами в процессе реальных НИР и служащая «идеальным» образом некоторого явления, процесса или эффекта. Целью учебного исследования определяется построение иерархии упрощенных моделей (проекций, сечений), удовлетворяющих заданным целевым условиям, критерию минимальности [6] и реализуемых при помощи стандартных пакетов инженерной математики [7]. Реализация «эталонной» модели в форме компьютерной

лабораторной работы должна содержать определенные «подсказки» касательно состава и структуры содержательного аттрактора или минимальной модели [6], установленных в процессе исследовательского вычислительного эксперимента преподавателем -разработчиком модели. «Заглядывание в ответ» здесь только стимулирует обучаемого к поиску правильного пути среди огромного множества возможных [2, 6].

Практика реализации сопряженного изучения БЖД и математики выявила необходимость существенного пересмотра технологии преподавания обеих дисциплин во втузе - в направлении изменения формата стандартов (необходимо проблемно-темати--ческое расширение за счет отказа от многочисленных несущественных деталей) и структуры учебного процесса (следует резко увеличить роль индивидульного творчества студентов, через их вовлечение в исследования посредством КМ). Эти меры по существу означают фундаментализацию высшего технического образования. Последняя реализуема только на основе современных информационных средств и технологий, что придает курсу информатики статус «ведущего общеобразовательного». Сейчас качество и динамика образовательного процесса, прежде всего по фундаментальным дисциплинам (к ним относятся как математика, так и БЖД), зависят главным образом от на-

сыщенности информационными технологиями и обеспеченности соответствующими стредствами. Таким образом, информатика представляется органичным средством для интегрирования всех сфер знания и в первую очередь системообразующих - математики и БЖД.

Литература

1. Башмаков А.И., Башмаков И А. Разработка компьютерных учебников и обучающих систем. М., 2002.

2. Мышкис АД. Лекции по высшей математике. М., 1978.

3. Климонтович Ю.Л. Турбулентное движение и структура хаоса: Новый подход к статистической теории открытых систем. М., 1990.

4. Загороднюк В.Т., Яценко О.В., Ладоша Е.Н. Информационные технологии обеспечения безопасности жизнедеятельности: Учеб. пособие. Ростов н/Д, 2002.

5. Жигулин И.Н., Ладоша Е.Н., Магнитский Ю.А., Яценко О.В. Тепломассообмен в энергетических и транспортных системах: компьютерные методы исследования и обучения. Ростов н/Д, 2002.

6. Малинецкий Г.Г., Потапов А.Б. Современные проблемы нелинейной динамики. М., 2000.

7. Рыжаков Ю.И. Решение научно-технических задач на персональном компьютере. СПб., 2000.

Донской государственный технический университет________________________________________________2 декабря 2003 г.