CC BY
67Слуев В. и., Ванюшкин В. П., крылов А. Н.
о роли физики при подготовке инженеров мчс россии
В статье обосновывается необходимость преподавания курса физики в вузах МЧС России. Делается вывод о том, что изучение физики способствует пониманию специальных дисциплин, успешному применению профессиональных знаний и их постоянному обновлению.
Ключевые слова: курс физики, профессиональная подготовка сотрудников МЧС России.
Sluyev V., Vanjushkin V., Krylov A.
ON THE ROLE OF PHYSICS IN ENGINEERING
EDUCATION FOR EMERCOM OF RUSSIA
The article substantiates the necessity of teaching a course in physics at universities of EMERCOM of Russia. It is concluded that the study of the physics promotes understanding of special subjects, the successful application of professional knowledge and its continuous renewal.
Keywords: physics course, training employees of EMERCOM of Russia.
Современная цивилизация всё более интенсивно влияет на окружающую среду, порождая различные опасности. Это связано с тем, что развитие техногенной сферы ХХ века происходило исключительно высокими темпами по сравнению с предыдущими столетиями. Выдающиеся результаты в авиационной, атомной, химической и других отраслях промышленности привели к росту количества происшествий и чрезвычайных ситуаций. Из-за аварий и катастроф мировое сообщество ежегодно теряет около 10 % совокупного валового продукта. На Земле, по разным оценкам, ежегодно происходит 5-10 млн пожаров [1-3]. Проблемами обеспечения безопасности людей и техносферы в Российской Федерации занимается Министерство по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации послед-
ствий стихийных бедствий (МЧС России), сотрудники которого, часто рискуя собственной жизнью, ежегодно спасают десятки тысяч человек. Необходимым условием успешного решения этих проблем является подготовка высококвалифицированных инженеров в системе высших учебных заведений МЧС России, которая включает, в частности, изучение такой науки как физика.
об общих задачах Физики
Как известно, физика - наука о природе. Она изучает общие свойства мира, в котором мы живем, формируя научную картину мировоззрения. Термин «физика» впервые появился в сочинениях одного из величайших мыслителей древности Аристотеля, жившего в IV веке до нашей эры. Первоначально термины «физика» и «философия» были синонимичны, поскольку и физика, и философия пытались объяснить законы функционирования Вселенной. Однако в ходе научной революции в Новое время физика выделилась в отдельное научное направление. Слово «физика» в русский язык было введено М. В. Ломоносовым, который издал первый в России учебник физики.
Законы физики лежат в основе естествознания. В соответствии с многообразием материи и форм её движения современная физика подразделяется на механику, молекулярную физику, электромагнетизм, квантовую физику, физику элементарных частиц, квантовую электронику и т. д. Очевидно, что физика нужна каждому человеку и для развития, так как она помогает узнать и понять законы природы.
Физика является одной из основ современной техники. Всё то, чем отличается
современная цивилизация от цивилизаций прошлых веков, появилось в результате применения на практике физических открытий. Так, исследования в области электромагнетизма привели к появлению телефонов, открытия в термодинамике позволили создать автомобиль, развитие электроники привело к появлению компьютеров. В последние десятилетия именно на основе физики разрабатываются способы предотвращения многих чрезвычайных ситуаций [2, 3].
почему будущим инженерам МЧС РОССии нужно изучать физику?
Физика помогает развивать логическое и аналитическое мышление, выявлять причинно-следственные связи наблюдаемых явлений. В жизни может и не пригодиться закон Ома или Гука, можно забыть изученные определения, понятия, формулы. Но физика даёт возможность научиться логически мыслить, анализировать, правильно выражать свои мысли [3-8]. Изучение физики помогает развить навыки и умения, которые относятся не только к ней:
- запись данных задачи: умение анализировать и систематизировать исходные знания;
- система единиц: умение ориентироваться в единицах измерений;
- решение: способность к анализу, нахождение путей решения проблем, предвидение развития ситуации;
- проверка: умение соотносить результат с ожидаемым и реальностью;
- ответ: умение доводить решение задачи до конечного результата.
К сожалению, сейчас физику на базовом уровне в 10-11-ых классах средней школы изучают не все школьники. Базовый уровень - это два урока в неделю. Естественно, за это ограниченное время научить школьника физике невозможно.
Например, на решение задач, без которых обучение не эффективно, у учителя просто не хватает времени. В обществе интерес к изучению физики, как указано одним из руководителей общественного движения «Физика и образование» Г. Г. Спириным, снижается. Об этом свидетельствует, например, факт прихода выпускников средней школы на сдачу ЕГЭ в 2010 году на экзамен по физике всего лишь в количестве 177 тысяч человек, в то время как обществоведение с историей сдавало около 500 тысяч выпускников [4, 5].
Физика трудна, она многим дискомфортна, создаёт проблемы при организации учебного процесса (специально оборудованные кабинеты физики, демонстрации, лабораторные работы). Иногда, возможно, проще оттенить её, превратить во второразрядную, не нужную большинству дисциплину. При таком принижении роли физики как основной компоненты естественнонаучного образования может проявиться «дебилизация» молодёжи [3-5].
Многие выпускники средних школ, которые недостаточно знают физику, но хотят стать инженерами, получают необходимые знания в вузе. В обычном техническом вузе физика преподаётся в течение трёх семестров с объёмом аудиторной нагрузки около 200-250 часов. Это лишь в полтора раза больше школьной физики на базовом уровне.
Особый интерес вызывают проблемы обучения физике в высших учебных заведениях МЧС России. Нужна ли физика инженеру МЧС? Если нужна, то каким должен быть курс общей физики? На вопрос, нужна ли инженеру физика, положительно ответил ещё в 1918 году известный российский ученый-физик, с 1929 года - действительный член Академии наук СССР Л. И. Мандельштам (1879-1944) в своей вступительной лекции к курсу физики в Одесском политехническом институте [6]. Утверждая, что инженеру физика
нужна, следует иметь в виду не только то, что он должен быть знаком с теми отдельными явлениями и законами, с которыми он непосредственно встречается в своей практической деятельности. Это очевидно. Например, инженер-строитель, рассчитывая прочность сооружения, пользуется основными законами упругости; инженер-электротехник в проектировании осветительной сети руководствуется законом Ома, связывающим силу тока, напряжение и сопротивление. Когда утверждается, что инженеру нужна физика, это означает, что ему нужно знание физики как цельной дисциплины, с её специфической методикой и теорией.
Выдающийся французский математик и физик Анри Пуанкаре сравнивал физику с огромной библиотекой. Отдельные опытные данные, явления -это темы, из которых состоит библиотека. Теория - это её каталог. Как без каталога библиотека, особенно большая, представляет собой лишь собрание книг, пусть даже очень ценных, которыми в сущности продуктивно пользоваться нельзя, точно так же физика без теории не есть наука, а лишь довольно малоценный конгломерат отдельных фактов, разобраться в которых невозможно [4, 5]. Поэтому на вопрос, нужна ли инженеру МЧС России физика, ответ очевиден и ясен: нужна! Чтобы продуктивно работать, инженеру недостаточно прочесть и знать несколько книг из громадной библиотеки знания. Он должен уметь разбираться в каталоге всей библиотеки, иначе слишком часты будут случаи, когда он будет встречаться с такими явлениями, которых в его книгах нет. И тогда, не умея разбираться в каталоге, он потеряется, будет выхватывать наугад то одну, то другую книгу из огромной библиотеки, но, исключая какой-нибудь счастливый случай, не найдет того, что ему нужно.
История техники знает немало примеров загадочных случаев, имевших
иногда катастрофические последствия. Часто оказывалось, что загадочность обусловливалась не присутствием действительно новых, до тех пор не известных факторов, а отсутствием у тех, кто данными вопросами занимался, глубоких знаний физики. И когда за решение брались люди, обладавшие действительно широкими физическими знаниями, загадка не только разъяснялась, но часто открывались новые пути для дальнейшего прогресса в области обеспечения техно-сферной безопасности.
Так, например, во второй половине XIX века стали обращать на себя внимание непонятные обрушения мостов, особенно цепных, которые в то время как раз строились в сравнительно большом количестве. Было непонятно, почему мосты рушились под весьма небольшой тяжестью, которую они по расчёту должны были свободно выдерживать и фактически раньше выдерживали. Повторные проверки не обнаруживали ошибочности расчётов, а катастрофы были налицо. Инженеры оказались беспомощны перед совершившимися несчастьями и не имели возможности предотвратить их в будущем.
И только в последнем десятилетии XIX века решение задачи было найдено. Оказалось, что цепной мост представляет собой не жесткую систему, а систему, которая может, подобно струне, совершать колебания с той разницей, что струна колеблется быстро, совершая несколько сотен колебаний в секунду, в то время как мост, если заставить его колебаться, совершает за секунду, скажем, одно или даже меньше колебаний. И вот при известных условиях нагрузки наступало так называемое явление резонанса, которое и вело к гибели конструкции.
Аналогичное явление повторилось в совершенно другой области. Для передачи электрической энергии иногда используется кабель, состоящий по существу
из двух металлических проводников, проводящих ток, которые изолированы друг от друга диэлектриком. Слой диэлектрика между проводами должен зависеть от напряжения. Из соображений экономии и из-за ограничения в весе кабеля слой диэлектрика делали таким, каким нужно для определённого случая. Проверяли кабель в заводской лаборатории: для этого соединяли один провод с положительным, другой - с отрицательным полюсом батареи и смотрели, выдержит ли кабель нужное напряжение. И вот наблюдались случаи, когда при работе с переменным током кабель, полностью выдержавший испытания в лаборатории, при эксплуатации пробивался и возникал пожар.
Задача была и здесь решена лишь после того, как к ней подошли со стороны теории физики. Оказалось, что, как и в случае с мостами, проявило себя явление резонанса. Дело в том, что кабель представляет собой электрическую аналогию струны. Если длина кабеля оказывалась такой, что период пульсации тока совпадал с периодом колебаний в нём, наступал резонанс. Происходило нарастание амплитуды колебаний электрического напряжения, которое из-за этого достигало гораздо большей величины, чем то, на которое был рассчитан кабель, - изоляция пробивалась и возникал пожар.
Знание физики необходимо не только инженерам, но и специалистам, работающим в других областях. Например, неоднократно рассматривался вопрос: надо ли преподавать физику будущим врачам? В последнее время этот вопрос волнует многих и не только тех, кто готовит профессионалов в области медицины [3-5]. Как обычно, существуют и сталкиваются два крайних мнения. Те, кто за, рисуют мрачную картину, которая явилась плодом пренебрежительного отношения
к базисным дисциплинам в образовании. Те, кто против, считают, что в медицине должны доминировать чисто профессиональные знания.
Современная теоретическая и практическая медицина достигла больших успехов, и физические знания ей сильно в этом помогли. Прорыв в медицине возможен только при повышении уровня фундаментальности образования. Обычно считают, что фундаментальность - это более высокий уровень обобщения научных представлений, в данном случае - представлений о природе человека. Но это не совсем так. Изначально связь между медициной и физикой была тесной, недаром совместные съезды естествоиспытателей и врачей проходили вплоть до начала XX века, и, между прочим, физику во многом создали врачи, а к исследованиям их часто побуждали вопросы, которые ставила медицина.
Врачи - мыслители древности - одними из первых задумались над вопросом, что есть теплота. Они знали, что здоровье человека связано с температурой его тела. Так были введены понятия «температура» и «градус», ставшие основополагающими для физики и других дисциплин. Врачи древности заложили основы науки о тепле и изобрели первые термометры.
Фундаментальность для медицины - залог её сегодняшней состоятельности и будущего развития. По-настоящему достичь цели можно, рассматривая организм как систему систем и идя путём более углублённого осмысления. А как быть с медицинским образованием? Ответ ясен: повышать уровень знаний студентов в области физики и химии. В 1992 году в МГУ имени М. В. Ломоносова создан факультет фундаментальной медицины. Цель состояла не только в том, чтобы вернуть в университет медицину, но и в том,
чтобы, не снижая качества врачебной подготовки, упрочить естественнонаучную базу знаний будущих врачей.
Сегодня физика как учебный предмет выполняет важнейшие образовательные и воспитательные функции при подготовке специалистов техносферной безопасности.
связь физики с мероприятиями по обеспечению пожарной безопасности
Законы физики лежат в основе решения следующих задач:
- конструктивные решения по обеспечению пожарной безопасности жилых зданий;
- противопожарная защита электроустановок;
- разработка рекомендаций по обеспечению пожарной безопасности резервуаров с нефтью и нефтепродуктами;
- исследования параметров пожаро-взрывобезопасности смесей метана с кислородом;
- совершенствование противопожарного водоснабжения;
- обоснование технических характеристик переносных огнетушителей;
- разработка методов оценки эффективности средств огнезащиты;
- мониторинг экологических последствий пожаров в жилых зданиях.
Пожарным постоянно приходится осваивать новые навыки. Например, как поступать в случае автокатастрофы, в которой участвовал электромобиль? Хотя при столкновении таких автомобилей опасность пожара небольшая (поскольку нет бензобака), но спасатели могут получить электрический удар от аккумуляторов или пострадать от разлившего-
ся электролита. Кроме того, необходимо знать отличия конструкции электромобиля от машины с двигателем внутреннего сгорания: где можно и где нельзя разрезать искорёженный корпус. Дело ещё и в том, что в случае обычного автомобиля определить, работает ли двигатель, можно по звуку, а электромоторы бесшумны. Национальная ассоциация пожарной безопасности Америки (№РА) уже организовала специальные курсы, обучающие обращению с потерпевшим аварию электромобилем и пострадавшими пассажирами. В предстоящие годы это умение будет становиться всё более актуальным. Предусмотреть и разработать такие мероприятия способен только специалист, который знаком с законами физики.
В работе [3] показано, как с помощью законов физики можно определять риски, связанные с падением людей при различных ЧС и повысить вероятность их спасения. Анализ профессиональной деятельности будущих инженеров МЧС России показывает необходимость знаний законов физики при решении прикладных задач. Преподавание физики необходимо строить так, чтобы обучаемые всегда видели логическую связь со специальными дисциплинами (пожарная тактика, пожарная техника, пожарная безопасность в строительстве, автоматика и т. д.).
учёт законов, явлений физики при обеспечении пожарной безопасности
Законы, явления физики учитываются в следующих ситуациях:
- разработка инженерно-технических решений по обеспечению пожарной безопасности на различных объектах, расчёт пожарного риска;
- оценка лесопожарной обстановки, разработка мероприятий
по предотвращению лесных и торфяных пожаров, прогноз их развития, совершенствование систем пожаротушения;
- обоснование параметров тушения пожаров в автомобильных тоннелях большой протяжённости с использованием мобильных средств пожаротушения;
- оценка безопасности пассажиров при возникновении пожара на борту самолёта;
- проектирование автоматических установок водяного пожаротушения для защиты различных объектов;
- организация и тактика тушения пожаров на различных объектах;
- организация и ведение аварийно-спасательных работ при пожарах на различных объектах.
В силу перечисленных обстоятельств физика должна быть обязательной дисциплиной для подготовки инженеров МЧС России. Большую опасность представляет упрощение курса до уровня простого перечисления правил и законов. В этом случае исключаются доказательства и выводы.
литература
1. Шойгу С. К., Владимиров В. А, Воробьёв Ю. Л. и др. Безопасность России. Защита населения и территории от ЧС природного и техногенного характера. - М.: Знание, 1999.
2. Пожарные риски. Динамика, управления, прогнозирование / Под ред. Н. Н. Брушлинского и Ю. Н. Шебеко. - М.: ВНИИПО, 2007.
3. Слуев В. И. Теоретические принципы оценки опасности падения человека с высоты. Монография. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2003.
4. Совещание заведующих кафедрами физики технических вузов России: Тезисы докл. конф., Москва, 26-28 июня 2006 г. / Отв. ред. Г. Г. Спирин. - М.: АВИАИЗДАТ, 2006.
Обучаемый, если не освоит принципы доказательств, не научится отличать правильные рассуждения от неправильных. Это лишит его возможности создавать новое в своей профессиональной деятельности.
Курс физики должен изучаться в высших учебных заведениях МЧС в объёме не менее 200-250 часов, в котором представлены все основные разделы. Для его изучения должны быть предусмотрены лекции, практические и лабораторные занятия, а также зачёты и экзамены. Современные компьютерные технологии открывают новые возможности повышения качества этих занятий [8]. Физика формирует у будущего инженера МЧС России физико-техническую картину обеспечения техносферной безопасности, является основой специальных дисциплин, помогает обосновывать управленческие решения, направленные на повышение безопасности людей при пожарах и чрезвычайных ситуациях. Благодаря изучению физики, каждый выпускник будет понимать, что образование не даётся на всю жизнь - образование должно проходить через всю жизнь.
5. Гладун А. Д., Спирин Г. Г. Нужна ли в России физика инженеру? // Физическое образование в вузах. - 2010. - № 4. - Т. 16. - С. 5-11.
6. Мандельштам Л. И. Вступительная лекция по курсу физики в Одесском политехническом институте // Полн. собр. соч. - Т. 3. -М.: Изд-во АН СССР, 1950.
7. Звонов В. С., Чумаченко А. Л. Комплект презентаций к лекции «Особенности инженерного образования в XXI веке». - СПб, 2011.
8. Овсяник А. И., Седнёв В. А. Методические указания для подготовки и проведения лекционных, семинарских, практических, лабораторных занятий и самостоятельной работы под руководством преподавателя. Уч.-метод. пособие. - М., 2007.
