CC BY
5КРИТИЧЕСКАЯ МАССА МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
Одним из важнейших принципов университетского образования остается фундаментальность знаний, зависящая от уровня науки высшей школы. Хотя время от времени приоритеты смещаются, и опять не менее значим для нас принцип социальной справедливости, именно фундаментальное университетское образование определяет его профессиональный уровень [1]. Цивилизованное общество всегда заинтересовано в том, чтобы необходимое число людей сохраняло и развивало достижения науки [2].
Интересный анализ взаимосвязи одной из моделей образования с математической моделью теории горения, используемой скорее в качестве красивой метафоры, проясняет важность понятия критическая масса образования. Если кусок угля довольно долго нагревать до определенной невысокой температуры - уголь не загорится, то есть, если прекратить подачу тепла, не достигнув критической температуры, то тело остынет, однако, перейдя соответствующую температурную грань, оно само начинает гореть и даже давать тепло. Фундаментальность университетского образования обеспечивается в том случае, когда подобного рода «критические значения» знаний удается преодолеть в различных дисциплинах, в том числе и «Материаловедении»[3].
С наступлением нового тысячелетия начинается эра нанотехнологии. Технический прогресс направлен в сторону разработки более мощных, быстрых, компактных и изящных машин. Пределом такого развития можно считать машины, размером с молекулу. Машина, построенная из ковалентно связанных атомов, чрезвычайно прочна, быстра и мала.
По прогнозам ученых, нанотехнологии XXI века произведут такую же революцию в манипулировании материей, какую в XX произвели компьютеры в манипуляции с информацией, а их развитие изменит жизнь человечества больше, чем освоение письменности, паровой машины или электричества.
Для развития материаловедения крайне важна фундаментальная (стержневая) компонента изучаемой дисциплины, так как количественная информация и номенклатура материалов постоянно обновляются и в рамках существующих часов невозможно дать всю эмпирику, которая постоянно прибывает. Только в этом случае специалист XXI будет лабилен и приспособлен к постоянно меняющейся ситуации в современной рыночной экономике. Заучивание без понимания таких сложных университетских курсов, как материаловедение, приводит только к «тлению», в лучшем случае к «горению», но всё равно без «отдачи тепла».
Анализ теоретических работ и образовательной практики показывает, что исследования направляются на повышение системности, фундаментальности и усиление прикладной значимости обучения по общепрофессиональным дисциплинам. Однако на практике недостаточно реализуются проектируемые инструментальные средства с более совершенными дидактическими функциями, которые облегчают восприятие, осознание, анализ и применение знаний, координируют сенсорику и интеллектику, соединяют статические свойства наглядности и динамические свойства ориентировочных основ действий, становятся посредником между изучаемыми объектами и мышлением.
Из исследований по информационной и инженерной психологии известно, что человеческий глаз может воспринять поток информации со скоростью 3-10 млн. бит/с, органы слуха - 20-50 тыс. бит/с. Однако канал связи, по которому семантическая информация поступает в блок сознания (оперативной памяти), обычно пропускает (по данным различных авторов) лишь не более 18-50 бит/с.
Если с физиологической точки зрения такой подход можно считать оправданным, то с педагогической точки зрения это не совсем так. Главное состоит в выборе тех средств, которые в каждой конкретной ситуации полнее и лучше реализуют дидактические функции. Качественно иного уровня усвоения материала можно достичь, когда сами студенты производят познавательные действия со вспомогательными средствами. То есть, хотя учебный процесс стимулируется внешним средством, однако сущест-
венное наращивание знаний происходит благодаря его познавательной деятельности.
Последнее положение часто игнорируется в литературе, и на первый план выдвигается утверждение о необходимости максимально широко использовать зрительный канал, действительно обладающий большей пропускной способностью. С этим положением нельзя полностью согласиться. Следует также учитывать закономерности мышления, что правое полушарие обеспечивает целостное восприятие внешнего мира, а левое преимущественно управляет речью и связанными с ней процессами.
Правое полушарие развертывает и формирует пространства возможных объектов и их признаков, а левое находит в них место конкретным воспринимаемым объектам и признакам (Л. Витгенштейн, В.В. Иванов и др.). Если предположить, что эти функции выполняются не только при эмпирическом мышлении, но и при теоретическом - на моделях-заместителях, то представление и анализ знаний на естественном языке должны поддерживаться адекватными инструментами, так как преобладание вербальной формы представления информации затрудняет участие правого полушария в познавательной деятельности. Но так как традиционные наглядные пособия и иллюстрации не поддерживают процессы переработки информации, следовательно, инновационные средства должны задействовать оба полушария головного мозга. Экспериментально подтверждено положение о том, что лучшее запоминание достигается при совместном и одновременном использовании слухового и зрительного каналов в практике обучения.
Педагогическая функция дидактических инструментов заключается в том, чтобы сформировать адекватный образ изучаемого фрагмента действительности и расширить чувственный опыт. Но главное - в том, чтобы раскрыть сущность изучаемых явлений, установить связи и отношения между частями целого, а также внешней средой, подвести к надлежащим научным обобщениям.
Мы предлагаем функцию ориентировочных основ учебных действий и вербального контекста моделирования возложить на когнитивные карты. Совместное и последовательное применение орудийного, многомерного и деятельного подходов служит методологической основой создания когнитивных карт - дидактических многомерных инструментов нового поколения, как средство для формирования познавательных системных навыков студентов технического вуза.
Формирование системности мышления студента-заочника осуществляется благодаря навыку программирования операций анализа и синтеза, а также опоры внешнего и внутреннего планов на учебные и технологические модели, необходимые при проектировании и моделировании знаний, экспликации и визуализации проблемных ситуаций, поиске их решений.
Объективным условием для систематизации знаний студента является логическая структура учебного предмета, инструментально разработанного преподавателем.
«Когнитивная карта» - это ментальная репрезентация человека о пространственной организации окружающей среды, субъективная картина, имеющая пространственные координаты, схематичное отображение причинно-следственных связей в объекте исследования, призванная обозначить характер и структуру проблемной ситуации. Основываясь на принципе преемственности научного знания, дидактические многомерные инструменты общего среднего образования являются базисом когнитивных карт.
Спроектированный в соответствии с целями и содержанием обучения на основе когнитивных карт, авторский дидактический комплекс по дисциплине «Материаловедение» [4]. Познавательный потенциал комплекса реализуется при помощи дидактического обеспечения функций эмпирического и теоретического мышления в каждой компоненте учебной деятельности:
• Содержательной: заданная система действий и знания, обеспечивающие освоение этой системы: дедуктивно-логический каркас завершенных блоков многомерного информационного пространства, представленных графически;
• Мотивационной: опыт, эрудиция и убеждения студента, установка на восприятие наглядного представления связей и отношений в структуре предмета, логика построения содержания закладывают основу для степени осознания потребностей, понимания целей и задач учебной деятельности;
• Ориентировочной: когнитивные карты соединяют статические свойства наглядности и динамические свойства ориентировочных основ действия, направляют мыслительную деятельность человека в процессе восприятия информации, анализа и применения знаний;
• Исполнительной: фрактально (повторение ограниченного числа операций) смоделированный учебный материал стимулирует последовательный процесс поэлементного формирования умений осуществлять мыслительную деятельность человека в процессе
восприятия, при этом осмысленность и обобщенность достигается пониманием сущности предметов;
Одна из главных методических проблем преподавания дисциплины «Материаловедения» заключается в том, что необходимо наглядно, корректно и достаточно просто показать фундаментальное единство и специфику различий в структуре и свойствах материалов через рассмотрение следующей логической цепочки: состав - тип связи - структура (строение) - свойство материала. Как эта проблема решается, при помощи когнитивных карт покажем на примере (рис.1) из авторского дидактического комплекса [5].
Термической обработкой пользовались с древнейших времен. Только в 1868 г. великий русский металлург Дмитрий Константинович Чернов обнаружил, что сталь при нагреве претерпевает при определенных температурах структурные изменения. Охлаждение аустенита с требуемой скоростью - это этап термообработки, который является важным моментом, так как при этом формируется окончательная структура, которая определяет свойства конструкции детали.
Обработка металлов и сплавов, заключающаяся в их нагреве, выдержке при высоких температурах и охлаждении в режимах, необходимых для получения желаемого внутреннего строения и рационального сочетания свойств, называется термической обработкой.
Как всякое фазовое превращение, превращение аустенита в перлит (А0,8%с ^ П(Ф002%С + Ц 6,67%с)) идет путем возникновения зародышевых центров и их роста, причем ведущей фазой является цементит: вблизи пластин цементита появляются обедненные по углероду участки аустенита, которые превращаются в феррит. Таким образом, поочередного возникновения цементита и образование из обедненных участков феррита и происходит превращение аустенита в перлит.
Продуктом превращения является феррито-карбидная смесь пластинчатого строения различной степени дисперсности (пластинки феррита и цементита различной толщины, размеры которых указаны на шкале карты) в зависимости от степени переохлаждения, чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения его. Чем ниже температура распада аустенита, тем дисперснее смесь и тем выше ее твердость.
При малых степенях переохлаждения образуется довольно грубая смесь, называемая перлитом (НВ=190). При большем переохлаждении феррито-карбидная смесь более тонкая и называется сорбитом (НВ=250). При еще большем переохлаждении возникает настолько мелкая феррито-карбидная смесь, что ее строение не
различимо в оптический микроскоп. Смесь эта называется троо-ститом (НВ=375).
Когнитивная карта “Структурные превращения аустенита в стали У8 при ее охлажден ии с различными скоростями”
1,00
0,60
0,30
3 0,25
2
% 0,1
Аустенит
Охлаждение с печью со скоростью менее
Сорбит
0,10
Рис. 1
Если аустенит переохладить ниже мартенситной точки, когда диффузия атомов углерода невозможна, то происходит бездиффузи-онное превращение: А0,8% ^ М0,8% Мартенсит является перенасыщенным раствором углерода Fea. Особенности межатомного взаимодействия в мартенсите, сочетающие металлическую и ковалентную связи в его кристаллической решетке, являются основной причиной, предопределяющей его очень высокую твердость и хрупкость.
Представленная когнитивная карта позволяет наглядно представить зависимость между скоростью охлаждения аустенита, которая определяется средой охлаждения, структурой и проанализировать механические свойства материала. Так решается одна из главных методических проблем преподавания дисциплины «Материаловедения» - наглядно, корректно и достаточно просто показать фундаментальное единство и специфику различий в структуре и свойствах материалов.
По словам Аристотеля, логика лишь инструмент, придающий науке форму. Если студент ставит цель понять, то сложная техническая информация должна подвергаться в его мышлении преобра-
зованию: анализу, синтезу, сравнению, обобщению с помощью когнитивных карт.
Найти каждому материалу оптимальное применение - это задача исследователей и практиков, выполнение ее возможно, если сделать науку не только познающей, но и понимающей. На что похож фуллерен и чем уникальна нанотрубка, как создать автомобили на экологически чистых топливных ячейках, самоочищающиеся покрытия - вопросы, ответы на которые предстоит решить специалистам в XXI веке. Знание - это сила в буквальном смысле слова, это научный, экономический и военный потенциал государства.
Приведенный пример показывает, что пока возникает стремление преодолеть «критические значения» знаний для того, чтобы «горение» было с «отдачей тепла», пока работает творческая мысль, всегда будет поиск методов представления критической массы дисциплины, использование технологий, ориентированных на приоритетное развитие человеческой личности, прежде всего, ее способности к саморазвитию и самореализации.
Решение этой проблемы мы предлагаем в виде авторского дидактического комплекса, инструментально проработанного учебного материала дисциплины «Материаловедение» в виде когнитивных карт [5]. Освоение нового - многомерного - способа (инструмента) мыслительных действий во внешнем и внутреннем планах с помощью когнитивных карт позволяет снять противоречие между возрастающими требованиями к эффективности технологий обучения и недостаточным уровнем оснащённости преподавателя и студента дидактическими инструментами.
Роль инновационного средства как «виртуального собеседника» в том, чтобы помогать «сгущать» и прояснять информацию, формулировать вопросы и генерировать нестандартные идеи, а значит, заставлять мыслить самостоятельно.
1. Еровенко В., Михайлова Н. Рационализм в современном познании // Высшее образование в России № 6, 2000.
2. Капица С.П., Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г. Синергетика и прогнозы будущего. - М.: Наука, 1997.
3. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. -Москва : Металлургия, 1977.
4. Мозберг Р.К. Материаловедение. Учебное пособие. - М.: Высшая школа, 1991.
5. Посягина Т.А., Мамцев А.Н., Штейнберг В.Э. Педагогический паспорт авторского дидактического комплекса по дисциплине «Материаловедение» г. Мелеуз, филиал МГУТУ, 2005 г.
