CC BY
32
УДК 378.14 Науч. спец.: 09.00.01
ОСОБЕННОСТИ ПРЕПОДАВАНИЯ ФИЗИКИ В РОССИЙСКИХ ТЕХНИЧЕСКИХ ВУЗАХ ПЕРВОЙ ЧЕТВЕРТИ XXI ВЕКА
Опорные университеты и отраслевые вузы призваны готовить инженерные кадры для экономики регионов. Реалии высшего образования таковы, что такие направления, как машиностроение, экология и транспорт в региональных вузах не являются привлекательными для абитуриентов, получивших высокие баллы по ЕГЭ. Фундаментом инженерного образования является физика, изучение которой мы предлагаем начинать с молекулярно-кинетической теории. В статье рассматриваются проблемы преподавания физики для бакалавров технических направлений в региональных вузах. Предлагается подход к формированию у студентов внутренней мотивации к успешному изучению физики.
Ключевые слова: бакалавр техники, внутренняя мотивация, преподавание физики, молекулярно-кинетическая теория.
К 2020 г. в России планируется создать 30-40 лидирующих университетов мирового класса, 100-150 опорных университетов, 70-80 отраслевых вузов [1]. В настоящее время в России 33 университета имеют статус опорных [2]. Их цель - удовлетворять кадровые потребности региональных экономик. В опорных университетах открыты широкие возможности обучения на бюджетных местах по техническим направлениям. Однако отток из регионов хорошо подготовленных абитуриентов (со средним баллом ЕГЭ больше 80) в ведущие вузы Москвы, Санкт-Петербурга, Казани, Новосибирска, Томска создает для опорных университетов большие трудности в подготовке качественных специалистов. Статистические данные 8-го ежегодного мониторинга качества студентов, зачисленных в российские вузы по результатам ЕГЭ и олимпиад в 2017 г., показывают, что средний балл по техническим направлениям находится в пределах от 58 до 70. Самые неутешительные показатели на направлениях «Технологические машины и оборудование» (61), «Экология» (61), «Транспортные средства» (58) [3; 4]. Перед первокурсниками стоит нелегкая задача: как с таким багажом знаний успешно изучать физику и математику - основы инженерного образования.
Физика преподается, начиная с первого семестра, ее изучение начинается с механики. Так построены абсолютно все вузовские учебники по физике для специалистов, академических и прикладных бакалавров [5-9]. В это время (первые два месяца учебы) от студента требуются следующие математические знания:
- дифференцирование функции одной переменной (например, определение скорости частицы выражается формулой vx=dx/ Шг);
- частные производные (связь силы с потенциальной энергией);
И. И. Гончар, М. В. Чушнякова, Т. А. Аронова 1.1. Gontchar, M. V. Chushnyakova, T. A. Aronova
THE CHARACTERISTIC FEATURES OF TEACHING PHYSICS IN RUSSIAN TECHNICAL UNIVERSITIES IN THE FIRST QUARTER OF XXI CENTURY
Flagship and branch-wise universities are designed to prepare the engineering staff for the regional economy. In reality of high education, the mechanical engineering, ecology, and transport at the regional universities are not attractive for high-school graduates, who received high marks in the unified state exams. Physics is the fundamental for the engineering education. We propose to start learning physics from the molecular-kinetic theory. In this article, we consider the problems of teaching physics to the bachelor degree students at the regional universities. We suggest an approach for forming intrinsic motivation of students for successful studying physics.
Keywords: bachelor in technology, intrinsic motivation, teaching physics, molecular-kinetic theory.
- производная от сложной функции (все зависимости координат от времени, кроме степенной);
- дифференцирование векторов (определение ускорения частицы: а = Шх> / Шг);
- дифференцирование вращающегося орта (разложение ускорения частицы на нормальное и тангенциальное:
^ Ш ( ^ \ Шъ ^ Швъ
а = — те =--^ Н--);
ШЛ ' Шг Шг
- интегрирование (решение основной задачи механики частицы);
- решение обыкновенных дифференциальных уравнений с разделяющимися переменными (движение частицы под действием вязкого трения);
- сложение векторов (закон сохранения импульса);
- скалярное произведение векторов (работа силы);
- векторное произведение векторов (момент импульса частицы).
За эти два месяца имеется в лучшем случае 9 практических занятий, а в некоторых вузах всего 4! Напомним, что учиться на бакалавров техники идут молодые люди, имеющие не очень хорошие школьные знания по физике и математике. В результате - низкая успеваемость; многие студенты просто бросают учебу, задавленные потоком непонятного материала.
Кроме того, все изученные с таким трудом методы механики можно применять почему-то только к макроскопическим телам. Абсолютно неупругий удар (законы сохранения импульса и энергии) изучается на примере забивки сваи. Но баба копра и свая явно не являются замкнутой системой: свая существенно взаимодействует с землей.
Итак, для студента все начинается с того, что
1) физика использует уйму математики, которую еще не «проходили» вообще;
2) физика просто скучная, в ней нет и упоминания о современной технике, о тех загадочных темных энергиях и материях, про которые пишет интернет и говорит телевизор.
Что предлагаем мы? Необходимо обратиться к внутренним мотивам учения, к которым относятся познавательные интересы. Начинать преподавание физики нужно с особенностей строения Вселенной (включая ускорение разбегания галактик) и со строения вещества [10]. Это так называемые основные положения молекулярно-кинетической теории, которые правильнее было бы назвать базовыми идеями физики [11; 12]. Нобелевский лауреат, один из крупнейших физиков середины XX в., Р. Фейнман писал: «Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то, какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это — атомная гипотеза... все тела состоят из атомов — маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому. В одной этой фразе... содержится невероятное количество информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть соображения» [10, с. 23].
Ниже мы приводим в виде текста развернутый план, по которому работают в порядке эксперимента некоторые преподаватели и студенты Омского государственного университета путей сообщения и Омского государственного технического университета.
Самым большим объектом, который изучает современная наука, является все, что видно в наши телескопы. Это называется Вселенная. В настоящее время твердо установлено, что Вселенная существует 14 • 109 лет (14 Глет). Тогда произошел так называемый Большой взрыв. Это не фантастика и не астрологическо-лженаучная игра словами: мы имеем огромное количество астрономических данных, заставляющих верить в реальность такого развития событий. Итак, тогда (14 миллиардов лет назад) что-то (мы не знаем, что) взорвалось, и смесь кварков, электронов и фотонов начала разлетаться во все стороны, остывая при этом. По мере остывания кварк-глюонной плазмы, из кварков образовались нуклоны, а излучение «оторвалось» от вещества и стало эволюционировать, слабо взаимодействуя с ним. Это реликтовое излучение, остывшее с той поры до 3,5 К, было обнаружено в 1965 г. американскими инженерами А. Пензиасом и В. Вильсоном.
Вселенная состоит из множества групп звезд - галактик. В одной типичной галактике около 200 млрд звезд. В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл установил, что далекие галактики удаляются от нас. Чем дальше находится галактика, тем быстрее она от нас удаляется. Расстояние до галактики R связано со скоростью ее удаления и законом Хаббла:
и = Н • R.
Постоянная Хаббла Н по современным данным равна примерно (14 Глет)-1.
К концу XX века было твердо установлено, что самые далекие галактики удаляются от нас несколько медленнее,
чем должно быть по закону Хаббла с постоянной H, а более близкие - быстрее. Это означает, что расширение Вселенной ускоряется со временем. Следовательно, во Вселенной существует нечто, обладающее свойством антигравитации. Это нечто, о свойствах которого мы почти ничего не знаем, названо темной энергией. Она составляет около 70 % энергии (массы) Вселенной.
До недавнего времени считалось, что весь материальный мир, который окружает нас, состоит из барионно-го вещества (атомы, молекулы, электроны...) и излучения (фотоны). Современные данные (космическая обсерватория «Планк») говорят, что эти две субстанции составляют по массе (энергии) лишь 5 % всей массы Вселенной. Остальная масса (энергия) приходится на темную материю (25 %) и темную энергию.
При изучении физики мы будем обсуждать лишь вещество и излучение: только они хорошо изучены сегодня. К веществу относится такой вид материи, который состоит из частиц, имеющих ненулевую массу покоя. Мельчайшими частицами вещества, которые сохраняют его свойства, являются молекулы. Из молекул состоит вода, углекислый газ, кислород при нормальных условиях, песок. Молекулы состоят из атомов (т. е. атомы являются структурными элементами молекул). Поэтому знание того, как устроен атом, представляется таким же элементом общей культуры, как знание поэзии Пушкина или музыки "The Beatles".
Всего в настоящее время известно 118 атомов различных элементов. В центре любого атома находится ядро. Оно имеет положительный электрический заряд. В ядре сосредоточена почти вся масса атома. Размеры ядра (радиус) порядка 5 фм = 5 • 10-15 м.
Вблизи ядра по орбиталям движутся легкие отрицательно заряженные электроны. Каждый электрон несет на себе заряд e = -1,6 • 10-19 Кл (элементарный заряд). Масса электрона 9,11 • 10-31 кг. Размеры атома (радиус) порядка 0,1 нм = 10-10 м. Число электронов в атоме обозначается заглавной буквой Z. Суммарный электрический заряд всех электронов по модулю равен заряду ядра, так что атом в целом электронейтрален.
Если от атома или молекулы оторвать один электрон, получается однозарядный положительный ион. Процесс ионизации происходит все время вокруг нас за счет космического излучения и радиоактивного распада, однако концентрация ионов в окружающем нас воздухе невысока по сравнению с концентрацией нейтральных молекул. В воздухе оторвавшиеся от своих атомов электроны тотчас «прилипают» к другим молекулам (например, к молекулам кислорода О2), образуя однозарядные отрицательные ионы.
Атомные ядра состоят из нейтронов и протонов, которые называют общим словом нуклоны. Например, ядро бериллия 10Be состоит из 4 протонов (Z = 4, зарядовое число) и 6 нейтронов (N = 6, число нейтронов). Всего в ядре бериллия 10 нуклонов (А = 10, массовое число). Разумеется, А = Z + N.
Ядра атомов одного и того же сорта содержат, конечно, одно и то же число протонов, но могут содержать разное число нейтронов. Такие атомы и их ядра называются изотопами. Изотопы почти неотличимы по своим химическим свойствам. Например, медь встречается в природе в виде
98
Гуманитарные исследования • 2019 • № 1 (22)
двух изотопов: с числом нуклонов 63 (так и говорят, медь-63) и с числом нуклонов 65 (медь-65). Большинство элементов встречается в природе в виде нескольких изотопов.
Для наших целей ядра можно считать сферическими. Радиус ядра вычисляется по формуле К = ГА7',
я 0 '
г0 ~ 1,2 фм имеет смысл радиуса нуклона.
Свойства ядер в значительной степени обусловлены свойствами нуклонов. Протон и нейтрон очень похожи. Оба они имеют спин / и являются фермионами. Их массы почти одинаковы и равны примерно -1,67 • 10-27 кг. Отличие состоит в том, что каждый протон несет на себе заряд е, а нейтроны - электронейтральны.
Протоны и нейтроны не являются элементарными частицами, они состоят из кварков. Структура кварков в настоящее время неизвестна, поэтому они считаются элементарными частицами. В состав нейтрона и протона входят upquark (верхний кварк) и downquark (нижний кварк). Кварки являются фермионами и имеют спин /. Электрический заряд у кварков дробный: qup = 2e / 3, qdown = -е / 3.
Излучением называется такой вид вещества, который состоит из частиц, масса покоя которых равна нулю. В жизни нам приходится сталкиваться только с электромагнитным излучением, которое состоит из частиц (квантов, порций). Оно испускается квантами, поглощается квантами и распространяется в виде квантов. Эти кванты названы фотонами. Фотоны во многом похожи на обычные частицы (например, электроны). Как и электрон, фотон обладает энергией Мфимпульсом р и собственным моментом импульса (спином)
С любой частицей связан вероятностный волновой процесс. Это утверждение мы считаем четвертой базовой идеей физики, дополняющей три основных положения молекулярно-кинетической теории. Характеристики волны, отвечающей этому процессу, связаны с корпускулярными характеристиками соответствующих частиц. Основными характеристиками волны являются ее длина 1 и период т. С ними связаны основные корпускулярные характеристики частицы - импульс р и энергия М
р = 2тт h / X, р = 2ъ h / т.
(1 а, б)
Впервые такие формулы были получены для фотонов Максом Планком в 1900 г.. Для частиц вещества эти формулы впервые использовал Луи де Бройль в 1925 году. Поэтому если формула (1 а) записана для частицы вещества, то входящую в нее длину волны называют де-бройлевской.
Формулы (1) применимы как к веществу, так и к излучению. Однако связь импульса с энергией для частиц вещества и излучения различна:
М = p2 / (2т0), W = рс. (2 а, б)
Формула (2 а) справедлива для медленно движущихся частиц вещества, а формула (2 б) - для фотонов. В отличие от многих привычных нам частиц (электрона, протона, нейтрона), фотон не имеет массы покоя и движется все время с одной и той же скоростью с = 299792458 м/с относительно любой инерциальной системы отсчета.
Если микрочастица сталкивается с какой-либо преградой, и размер преграды соизмерим с длиной волны, то частица проявляет волновые свойства: возникает явление дифракции. Если длина волны много меньше размера пре-
пятствия, то частица ведет себя привычным для нас классическим образом подобно твердому шарику: движется по траектории, которая определяется вторым законом Ньютона.
Цель вышеизложенного плана состоит в том, чтобы научить студентов основам физики, не снижая при этом их мотивацию к учению. Центр внимания переносится не на выучивание частных формул, а на рассмотрение каждого физического явления, начиная с поиска тел или частиц (структурных элементов). Следующим этапом идет установление закономерностей взаимодействия, существенных для данного явления. После чего исследуется движение, которое характерно для изучаемого явления.
При таком подходе физика воспринимается как увлекательная дисциплина, связанная с окружающим нас миром и современными технологиями. Формируется внутренняя мотивация к изучению дисциплины, что позволяет первокурсникам преодолевать с помощью преподавателей и трудности математики.
1. Система высшего образования в Российской Федерации: логика изменений. URL: http://edu.interfax.ru/ articles/807/ (дата обращения: 01.06.2018).
2. Список 33 опорных вузов России. URL: https://4science. ru/articles/Spisok-33-opornih-vuzov-Rossii (дата обращения: 01.06.2018).
3. Итоги приема в вузы в 2017 году. URL:http://4ege.ru/ novosti-vuzov/55544-itogi-priema-v-vuzy-v-2017-godu.html (дата обращения: 01.06.2018).
4. Качество приема в Российские государственные вузы. URL:https://ria.ru/abitura_rus/20160908/1476335288.html (дата обращения: 01.06.2018).
5. Яворский Б. М., Пинский А. А. Основы физики : в 2 т. Т. 1. Механика. Молекулярная физика. Электродинамика. М. : Физматлит, 2003. 576 с.
6. Савельев И. В. Курс общей физики : учеб. пособие : в 3 т. Т. 1. Механика, молекулярная физика. М. : Лань, 2008. 354 с.
7. Трофимова Т. И. Курс физики. М. : Академия, 2004. 560 с.
8. Кравченко Н. Ю. Физика: учебник и практикум для прикладного бакалавриата. М. : Юрайт, 2017. 300 с.
9. Айзенцон А. Е. Физика: учебник и практикум для академического бакалавриата . М. : Юрайт, 2018. 335 с.
10. Фейнман Р. Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике: в 10 т. Т. 1, 2. Современная наука о природе. Законы механики. Пространство. Время. Движение. М. : Эдиториал УРСС, 2014. 448 с.
11. Гончар И. И., Чушнякова М. В., Крохин С. Н., Основные положения молекулярно-кинетической теории как отправная точка в изучении физики // Вестник Омского университета. 2017. № 2(84). С. 36-40.
12. Гончар И. И., Чушнякова М. В. Иерархия определений физических величин и основные положения молекуляр-но-кинетической теории // Сборник статей Международной научно-практической конференции «Взаимодействие науки и общества: проблемы и перспективы» (5 ноября 2016 г., г. Волгоград) : в 3 ч. Уфа : Аэтерна, 2016. Ч. 2. С. 91-94.
© Гончар И. И., Чушнякова М. В., Аронова Т. А., 2019
