CC BY
37
УДК 378.147:53:502/504 ОБРАЗЦОВ П.И.
доктор педагогических наук, профессор, Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева E-mail: [email protected] БУДАШЕВА Н,В,
кандидат технических наук, доцент, Академия ФСО России
E-mail: [email protected] СТАРОСТИНА О.А. сотрудник Академии ФСО России E-mail: [email protected]
UDC 378.147:53:502/504 OBRAZTSO V P.I.
Doctor of pedagogical sciences, professor, Russia, Orel,
Orel State University E-mail: [email protected] BUDASHEVA N.V.
Candidate of technical sciences, associate professor, Federal Guard Service Academy of the Russian Federation
E-mail: [email protected] STAROSTINA O.A.
Employer, Federal Guard Service Academy of the Russian
Federation E-mail: [email protected]
МЕТОДИКА РАЗРАБОТКИ ЗАДАЧ ПО ФИЗИКЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ С ЦЕЛЬЮ ФОРМИРОВАНИЯ ОБЩЕНАУЧНЫХ КОМПЕТЕНЦИЙ ОБУЧАЮЩИХСЯ
THE METHODS OF WORKING OUT PROBLEMS IN PHYSICS OF ECOLOGICAL ORIENTATION AIMING AT FORMING GENERAL SCIENTIFIC COMPETENCES FOR STUDENTS
Приведена методика разработки задач межпредметного характера по физике с экологической составляющей, которая может быть использована преподавателями для развития творческого, интегративного мышления и повышения познавательной активности обучающихся. Составление межпредметных задач и введение их в структуру учебного материала направлено на формирование у выпускников технических вузов общенаучных компетенций.
Ключевые слова: методика, общенаучные компетенции, интеграция, межпредметные задачи по физике, экологическая направленность.
The article considers the methods of working out interdisciplinary problems in physics with an ecological component that can be used by teachers to develop creative, integrative thinking and increase cognitive activity of students. The development of interdisciplinary problems and their introduction into the structure of the training material is aimed atforming general scientific competences for graduates of technical universities.
Keywords: methods, general scientific competences, integration, interdisciplinary problems in physics, ecological orientation.
Внедрение новых образовательных стандартов предъявляет особые требования к выпускникам технических вузов, и делает актуальным для них овладение такими общенаучными компетенциями как умение научно анализировать проблемы, процессы и явления профессиональной деятельности; владение основными теоретическими и экспериментальными методами научного познания и механизмами их применения для самостоятельных научных исследований. Становится крайне важной такая общенаучная компетенция как понимание роли естественных наук для активной деятельности по охране окружающей среды, развитию и сохранению цивилизации.
Формирование указанных компетенций осуществляется, прежде всего, при изучении дисциплин естественно-научного цикла, причем наиболее эффективно, как показывает опыт, это реализуется в процессе их интеграции [1-5]. Учитывая тенденцию экологизации образования, становится очевидной необходимость интеграции таких естественно-научных дисциплин как
экология и физика, которая направлена на обеспечение целостности знаний и научного мировоззрения, построение единой картины окружающего мира, формирование интегративного мышления.
Как одно из перспективных направлений подобной интеграции целесообразно рассматривать усиление в учебном процессе прикладного аспекта междисциплинарных связей - введение задач по физике с экологической составляющей.
Задачи по физике экологической направленности, как разновидность межпредметных задач, являются заданиями проблемного характера и требуют от обучающихся комплексного применения знаний.
Анализ научных исследований, посвященных межпредметным задачам [4, с. 6-8], показал, что основное внимание в них направлено на поиск определения понятия «межпредметные задачи», классификацию этих задач, обучение методам их решения. Однако проблема составления задач с межпредметными связями практи-
© Образцов П.И., Будашева Н.В., Старостина O.A. © Obraztsov P.I., Budasheva N.V., Starostina O.A.
чески пока не нашла должного отражения в научной и методической литературе. В связи с этим, авторами предлагается методика разработки задач межпредметного характера на примере задач по физике с экологической составляющей, которая может быть использована преподавателями для развития творческого мышления и повышения познавательной активности обучающихся.
Методика составления задач по физике экологической направленности включает следующие этапы:
1. «Идейный» этап, в ходе которого осуществляется поиск идей, фактов, которые закладываются в основу задачи.
2. Этап уточнения информации, методов экологических исследований и решения экологических проблем, основанных на применении конкретного фи-
зического явления, процесса, закона.
3. Этап поиска конкретных численных экологических данных.
4. Этап первичной формулировки условия, в ходе которого задача намечается схематично.
5. Этап детального формулирования развернутого условия задачи.
6. Этап решения. В ходе решения составленной задачи, уточняется согласование данных, соответствие полученного результата реальным значениям.
7. Этап корректировки условия задачи.
Предложенную методику разработки межпредметных задач на примере задач по физике с экологической составляющей можно представить в виде соответствующего алгоритма (рис. 1).
2 этап
Уточнение информации, методов экологических исследований и решения экологических проблем, основанных на применении конкретного физического явления, процесса, закона
3 этап
Уточнение численных экологических данных в приложении к физической задаче с экологической составляющей
4 этап
Составление краткого условия задачи
5 этап
Составление развернутого условия задачи по физике с экологической составляющей
6 этап
Решение задачи
7 этап
Проверка соответствия полученного результата реальным значением, корректировка условия
Ответ
Рис. 1. Алгоритм разработки задач по физике с экологической составляющей.
Наиболее сложными в методике являются первые три этапа. Рассмотрим их подробнее, и приведем примеры задач, составленных согласно предложенной методике.
На первом этапе при подборе материала для условий задач можно исходить из следующих позиций (рис.1):
- от физического явления, процесса, закона, и определить их использование в экологических исследованиях. в решении экологической проблемы;
- от известного экологического факта, конкретной экологической проблемы и способа ее разрешения, и найти, какие физические законы, процессы, явления объясняют их или связаны с ними.
Например, хорошо известно использование физических методов анализа и исследования вещества, в частности группы спектральных и других оптических методов, основанных на измерении различных эффектов при взаимодействии вещества с электромагнитным излучением; масс-спектрометрических методов, основанных на разном отклонении различных по массе ионов, которые получают ионизацией исследуемого вещества. Поэтому очевидно их применение в экологических исследованиях для качественного и количественного анализа состава загрязняющих веществ, для изучения состояния биообъектов и характера изменений этого состояния, что и было использовано при составлении задач 1,2.
Задача 1. Для анализа состава промышленных газовых выбросов используют масс-спектрограф, в котором исследуемый образец газа сначала ионизируют с помощью электронного пучка. Затем ионы ускоряются электрическим полем, и, попадая после этого в магнитное поле, отклоняются под его воздействием и движутся по круговым траекториям. Зная, что ускоряющее напряжение в приборе равно 2 кВ, индукция магнитного поля 0,25 Тл, и, измерив расстояние на фотопластинке между двумя линиями спектра (Д/ =11,2 мм) и расстояние от точки влета в магнитное поле до первой линии (ОА = Зсм), определить величину тщ для каждой линии в масс-спектре (рис. 2). (Состав газового выброса определяется путем сравнения полученных значений т/С[ со справочными данными).
• • • •
Задача 2. В ходе исследований по определению концентраций растворов вредных веществ используется метод абсорбционной фотометрии - поглощения света при пропускании его через вещество или его раствор. Известно, что в 5-процентном растворе вещества интенсивность света уменьшается в 3 раза на глуби-
не / = 3 см. Найти концентрацию раствора того же вещества, в котором на глубине /, = 2 см интенсивность света уменьшается в 9 раз.
В качестве примера, иллюстрирующего второй подход, можно привести экологическую проблему образования разливов нефтепродуктов на водной поверхности. Анализ научной литературы позволяет выделить множество возможных способов обнаружения и определения характеристик нефтяного загрязнения, основанных на физических закономерностях - определение толщины нефтяной пленки интерференционными и поляризационными методами, обнаружение границ нефтяного пятна методами фиксации тепловых потоков, идущих от чистой и загрязненной поверхности воды. Этот подход был заложен в основу задачи 3.
Задача 3. Одним из дистанционных методов обнаружения нефтяных разливов является регистрация собственного излучения водной и нефтяной поверхности в инфракрасной области спектра. Границы нефтяного пятна определяют по различию спектральных и интегральных излучательных способностей воды и нефтепродуктов, то есть при наблюдении скачка, определяемых по излучению, температу р. На длине волны 10 мкм, на которую приходится максимум спектральной излучательной способности чистой воды, коэффициент излучения («коэффициент серости») чистой воды равен 0,993, а воды, покрытой пленкой нефти - 0,972. Найти отношение интегральных излучательных способностей воды и нефтяной пленки, регистрируемых прибором, если радиационная температура нефтяного загрязнения примерно на 1 К меньше, чем воды (при толщине нефтяной пленки 10-20 мкм). Тепловизирование происходит в ночное время, когда нет нагрева нефтяной пленки солнечным светом.
Второй этап - уточнения информации - характерен тем, что в ряде случаев не совсем очевидно, какие физические явления или процессы сцеплены с конкретной экологической ситуацией или методами экологического мониторинга. Тогда, необходим поиск информации о наличии такой связи, выявлении того, в чем она заключается, в ее уточнении. Если же пара - экологическая проблема (экологический факт) - физическое явление (закон) определена, то необходим поиск деталей, конкретизация того, как практически это реализуется.
Например, при анализе выбросов промышленных предприятий необходимо выделить различные физические принципы определения концентрации твердых, жидких, газообразных загрязняющих веществ. И в связи с этим определить физические методы эффективной очистки от них. Эта идея была использована при разработке задачи 4.
Задача 4. Антропогенное загрязнение атмосферы, в первую очередь диоксидом серы 50, , который образуется при сжигании угля, нефти, природного газа, а также при выплавке металлов, приводит при его взаимодействии с водяным паром к образованию серной кислоты. В результате выпадают кислотные дожди - атмосферные осадки, подкисленные до водородного пока-
зателя рН менее 5,6. Определить эффективный диаметр молекулы диоксида серы $02, зная, что коэффициент вязкости диоксида серы при температуре 293,6 К равен 12,54 мкПа с. Данный расчет необходим для того, чтобы подобрать нужный способ очистки газовых выбросов.
На третьем этапе, определив конкретное физическое явление (процесс, закон), лежащее в основе экологической проблемы, ее решения или методов экологических исследований, уточняем, сопровождающие их, численные экологические данные, тем самым приближаясь к более конкретной ситуации, которая закладывается в условие задачи.
Стоит отметить, что работая с научно-экологической литературой, часто приходится сталкиваться с ситуацией, что изучаемый вопрос связи экологических исследований с физическими закономерностями отражен с изобилием специфических для данной области сведений, математических выкладок. Процесс разработки задач курса общей физики с экологической направленностью требует проведения большой работы по селекции материала, по его адаптации к применению в задаче.
Экологическая информация, содержащаяся в физических задачах, делает их несколько более объемными, но вместе с тем, наделяет реальным практическим
смыслом. К тому же при составлении задач по физике экологической направленности и в ходе их решения появляется возможность ознакомить обучающихся с количественными характеристиками экологических ситуаций, последствий воздействия человека на окружающую среду, которые часто остаются вне поля зрения.
Наполнение физических задач практической связью с экологическими проблемами и поисками их решений, когда условия этих задач погружены в реальный экологический контекст, позволяет углубить знания, как по физике, так и по экологии. Обучающиеся обнаруживают взаимосвязь этих дисциплин - физическую природу методов экологических исследований, физические принципы работы приборов экологического мониторинга, физические основы способов решения экологических проблем - которая не усматривалась ими ранее.
Таким образом, составление задач межпредметного характера по физике экологической направленности, и введение их в структуру учебного материала направлено на комплексное использование знаний, формирование у будущих инженеров общенаучных компетенций, в том числе экологической компетенции, и ее составляющих - системного экологического мышления, экологического мировоззрения.
Библиографический список
1. Базилевт С.В. Межпредметные связи и их значение для системы высшего образования. Вестник Алтайской академии экономики и права. 2010, №18. С. 204-208.
2. БерулаваМ. Н. Интеграция содержания образования. Москва: Совершенство, 1998. 192 с.
3. Быкова В. П., Ревина А. В. Межпредметные связи курса физики и дисциплин профессионального цикла для профиля «Кораблестроение». Вестник АГТУ. Серия: Морская техника и технология. 2012. №2. С. 109-115.
4. Гурьев А. II., Межпредметные связи в системе современного образования: Монография. Под ред. А.В. Усовой, А.В. Петрова. Барнаул: Изд-во Алт. гос. ун-та, 2002. 213 с.
5. Максимова В.Н. Интеграция в системе образования. СПб.: ЛОНРО, 2000. 82 с.
6. Сахаров А.В. Развитие познавательного интереса учащихся к изучению физики на основе экспериментальных заданий экологической направленности. Учебное пособие для учителей. Арзамас: Издательство АГПИ им. А.П. Гайдара, 2000. 115 с.
7. Тулъкибаева Н.Н., Драпкина М. А. (ред.) Решение задач по физике: психолого-методический аспект. Екатеринбург: Издательство УГППУ, 1995. 120 с.
8. ЛнценВ. II. Задачи по физике с позиции межпредметных связей // Физика в школе. 2002. №4. С. 18-22.
References
1. Bazilevich С. V. Interdisciplinary connections and their significance for the system of higher education. Bulletin of the Altai Academy of Economics and Law. 2010, №18. Pp. 204-208.
2. Benilava M. N. Integration of education contents. Moscow: Perfection, 1998. 192 p.
3. Bvkova V. P., Revina A. V. Interdisciplinary connections of the course of Physics and the professional cycle' disciplines for the profile «Shipbuilding». Bulletin of AGTU. Series: Marine equipment and technology. 2012. № 2. Pp. 109-115.
4. GurievA. I. Interdisciplinary connections in the system of modem education: Monograph. Ed. A. V. Usova,A. V. Petrova. Barnaul: Publishing house of the Altai State University, 2002. 213 p.
5. Maksimova V.N. Integration in the education system. St. Petersburg: LONRO, 2000. 82 p.
6. Sakhamv A.V. Development of students' cognitive interest in the study of Physics on the basis of experimental tasks of ecological orientation. Textbook for teachers. Arzamas: Publishing house of the AGPI named after A. P. Gaidar, 2000. 115 p.
7. Tulkibayeva N. N, DrapkinaM. A. (red.) Solving problems in physics: the psychological and methodological aspect. Yekaterinburg: Publishing House of UGPPU, 1995. 120 p.
8. Yantsen V. N. Problems in physics from the point of intersubject relations // Physics at school. 2002. №4. Pp. 18-22.
