CC BY
27
УДК 378.14
йй! 10.25513/1812-3996.2018.23(2).73-79
ПРЕПОДАВАНИЕ ФИЗИКИ СТУДЕНТАМ ИНЖЕНЕРНЫХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ: ОБЪЕМ ИНФОРМАЦИИ И КОЛИЧЕСТВО ЧАСОВ
И. И. Гончар1, М. В. Чушнякова2, С. Н. Крохин1
1Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск, Россия 2Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
Информация о статье
Дата поступления 22.02.2018
Дата принятия в печать 29.03.2018
Дата онлайн-размещения 25.06.2018
Ключевые слова
Образовательная логистика, анализ учебного плана, преподавание физики во втузе
Аннотация. Обсуждается объем информации, которую должны освоить студенты при изучении курса физики в техническом вузе. В качестве примера подробно проанализированы физические величины, которые являются одними из основных единиц информации в физике. Их насчитывается более 80. Суммарно в курсе физике количество единиц информации (физических явлений, величин и законов) по самым скромным подсчетам близко к двум сотням. Каждая такая единица содержит не только термин, но также определение (словесное и формульное), условия применения, примеры использования, связи с другими единицами и др. При этом количество аудиторных часов, выделяемых для их изучения, обычно не превышает 200 вместе с лабораторными работами. Таким образом, в работе на количественном уровне продемонстрировано, что предлагаемый объем информации совершенно не соответствует количеству часов, которое отводится для изучения курса физики. Производится сравнение с объемом информации и количеством часов при преподавании иностранного языка. Ставится под сомнение целесообразность именно такого распределения учебного времени.
TEACHING PHYSICS FOR STUDENTS OF ENGINEERING SPECIALTIES: CONFRONTING THE AMOUNT OF INFORMATION WITH THE CLASS HOURS
I. I. Gonchar1, M. V. Chushnyakova2, S. N. Krokhin1
1Omsk State Transport University, Omsk, Russia 2Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Article info
Received 22.02.2018
Accepted 29.03.2018
Available online 25.06.2018
Keywords
Educational logistics, teaching physics for undergraduate students, analysis of the education plan
Abstract. In the paper the amount of information which is supposed to be learned by students when studying physics in technical universities is discussed. As an example the physical quantities are analyzed in detail since they are the basic units of information in physics. They amounted to more than 80. In physics the total quantity of the information units (physical phenomena, quantities, and laws) at a conservative estimate is close to two hundred. Each unit contains not only the term, but also the definition (verbal and symbolic), conditions of use, examples, relations with other units etc. At the same time the quantity of class hours devoted to their study usually is no more than 200 hours together with the laboratory classes. Thus in the present paper it is shown quantitatively that the proposed amount of information is in disagreement with the number of class hours that is devoted to study the physics course. The comparison with the amount of information and class hours for the foreign language is performed. It is stated that such sharing of class hours is doubtful.
В настоящее время в России физика преподается студентам большинства технических (инженерных) специальностей [1]. Обычно на изучение этой дисциплины отводится около 400 часов, из которых 200 часов - самостоятельной работе, 100 часов -лекциям, 50 часов - практическим занятиям, 50 часов - лабораторным занятиям [2-5]. Иностранный
язык также преподается всем студентам, и на его изучение выделяется примерно 150 часов.
Внимательное рассмотрение курса физики показывает, что за 200 аудиторных часов студент должен освоить как минимум 180 единиц информации, к которым мы относим 80 физических величин, 40 законов физики, 60 физических явлений.
Обсуждая соотношение между количеством часов и числом единиц информации по физике, нужно принять во внимание следующие обстоятельства.
1) Изучать новый материал в часы лабораторных занятий невозможно, ведь студент должен разобраться в оборудовании, произвести несколько измерений, обработать их и сдать преподавателю (защитить лабораторную работу).
2) Изучать новый материал на лекции тоже невозможно: на лекции студент впервые слышит о явлении, законе, физической величине, знакомится с ними. Таким образом, для первичного ознакомления студентов со 180 единицами информации по физике во втузе выделяется 100 лекционных часов.
3) Изучать новый материал на практических занятиях по физике также невозможно: там студентам нужно решать задачи, используя те законы и величины, с которыми они только-только познакомились на лекциях.
4) Для ознакомления с новым материалом (это 100 лекционных часов из 200 аудиторных) студентов собирают в лекционной аудитории по 150-300 человек. Почему-то для той же цели при изучении иностранного языка студентов разбивают на подгруппы по 10-15 человек.
5) Для решения задач по физике (это 50 часов из 200 аудиторных) студентов собирают группами, иногда по 30-35 человек в аудитории. В то же время почему-то, чтобы попрактиковаться в иностранном языке, студентов разбивают на подгруппы по 10-15 человек.
6) Выделяя наши 180 единиц информации по физике, мы в основном не учитывали те единицы, которые студенты изучили в школе. Между тем у большинства студентов школьная подготовка крайне слабая и преподавателям физики приходится на ходу заделывать дыры в школьных знаниях своих студентов.
В таблице ниже приводится минимальный перечень физических величин, который должны освоить студенты за 2-3 семестра [6-10]. Здесь же приведены обозначения, единицы измерения и формульные определения величин (заметим, что последние не всегда совпадают с определениями из учебных изданий [6-10]). Понятно, что учет физических законов, явлений и частных формул примерно удваивает список единиц информации.
Заметим, что для каждой векторной величины надо знать на самом деле три формулы - проекции этой величины на декартовы оси. Эта простенькая процедура - проецирование векторной формулы на ось - вызывает у многих современных студентов немалые затруднения.
Полезно также обсудить определения некоторых величин, входящих в таблицу, которые могут вызывать недоумение, затруднения и возражения. В частности, определением абсолютной температуры является формула 1/Т = dS/dU, но для студентов, тем более первого курса, такое определение, на наш взгляд, слишком сложно. Поэтому для первого знакомства подходит более простое и понятное соотношение {Wkxn1) = 3квТ/2. Мы также понимаем, что для электрического и магнитного дипольных моментов приведенные в таблице формулы соответствуют частным, а не самым общим случаям.
Выводы из нашего анализа баланса учебных часов и объема материала по физике напрашиваются сами собой.
1) Количество часов на практические занятия по физике должно быть приблизительно в два раза больше, чем число лекционных часов, т. е. практических занятий должно быть 200 часов.
2) Часть из них, например половина, должна быть посвящена не решению задач, а проработке теоретического материала, в частности обсуждению и вычислению физических величин. При вычислении физических величин (в отличие от решения задач) не нужно получать расчетную формулу - нужно использовать известную формулу или выбрать нужную из нескольких, понять все ее компоненты и произвести вычисления. Такие вычисления могут быть предложены для разных условий. А решение задач с участием изучаемой физической величины - это уже следующий уровень.
3) Все занятия по физике следует проводить с группами из 10-15 человек, как это сейчас делается при изучении иностранного языка.
4) Бесплатное и обязательное изучение иностранного языка студентами инженерных специальностей (бакалавриат) представляется нам совершенно необоснованным: как раз этих 150 часов и не хватает для полноценного изучения физики - основы техники.
Минимальный перечень физических величин, который должны освоить студенты за 2-3 семестра [6-10], и их формульные определения (в тех случаях, когда формульного определения не существует, физическая величина определяется набором свойств)
№ п/п Название и обозначение величины Единица измерения Формульное определение
1 Ускорение частицы, а м-с"2 _ du d2r a =— = —-dt dt2
2 Радиус-вектор, г м -
3 Скорость частицы, и -1 м-с 1 - dr u = — dt
4 Нормальное ускорение, ап м-с-2 a=ь dsu dt
5 Тангенциальное ускорение, ац м-с-2 du a»= du
6 Плоский угол поворота, ф рад \d\ = d 1 Г-1 R
7 Угловая скорость АТТ, т рад-с-1 wz z dt
8 Угловое ускорение АТТ, е рад-с-2 do)v d2m s = —z- = —^ dt dt2
9 Импульс частицы, р -1 кг-м-с 1 p=mu
10 Потенциальная энергия, Wp Дж dWp = -F •dr
11 Момент импульса частицы, Li Дж-с Hw]
12 Момент импульса АТТ, L Дж-с Lz = J&
13 Момент инерции АТТ, ]z кг-м2 N /=1
14 Момент силы, М Н-м M = r F
15 Кинетическая энергия АТТ, Wk Дж = mu2c + JzCa2 2 2
16 Работа силы, Ар Дж SAF=F-dr
17 Мощность силы, N Вт SAF N =-r-dt
18 Давление, Р Па p= dS
19 Циклическая частота колебаний,ш рад-с-1 2n ш = — T
Продолжение табл.
№ п/п Название и обозначение величины Единица измерения Формульное определение
20 Линейная частота колебаний, V Гц 1 V = — т
21 Амплитуда колебаний, разные -
22 Коэффициент затухания колебаний, @ с-1 2т
23 Логарифмический декремент затухания, Л 1 д , ?т(*) Л = -7 + 0
24 Добротность, Q 1 * Л АШТ0(1)
25 Фаза колебаний, а рад а = шЬ + а0
26 Длина волны, Л м -
27 Волновое число, к м-1 2п к=т
28 Фазовая скорость волны, иф м-с-1 а ф к
29 Волновой вектор, к м-1 к = Ча
30 Плотность массы, рт кг-м-3 Ьт Рт =
31 Плотность энергии, рщ Дж-м-3
32 Объемная плотность заряда, ря Кл-м-3 Р=ы
33 Поверхностная плотность заряда, ая Кл-м-2 £ II -Q
34 Линейная плотность заряда, Лч Кл-м-1 яq= d
35 Плотность потока тепла, ^ Вт-м-2 ■ _ s2Q = dtdS
36 Плотность электрического тока, А-м-2 dl = Jqds
37 Абсолютная температура, Т К 3kBT (Wkxnl) = 4^-
38 Внутренняя энергия, Ш[п Дж win = 1^wpij + ^wkxi j i
39 Количество теплоты, Q Дж -
40 Энтропия,5 Дж-К-1 S = k„ !пГ; dS = — B T
Продолжение табл.
№ п/п Название и обозначение величины Единица измерения Формульное определение
41 Работа газа при его расширении, Ад Дж SAg = PdV
42 Число степеней свободы, i 1 -
43 Концентрация, п м-3 dN n =— dV
44 Напряженность электрического поля, Е Н-Кл-1; В-м-1 Ё = — %
45 Напряженность магнитного поля, Н А-м-1 Mo
46 Электрическая индукция, D Кл-м-2 D = s0E + Pe
47 Магнитная индукция, В Тл F, = a v R 1L max 4 u
48 Поляризованность вещества, Ре Кл-м-2 pJA. e dV
49 Диэлектрическая проницаемость, s 1 s = 1+ K
50 Диэлектрическая восприимчивость, к 1 Pe=£0KEpe3
51 Магнитная проницаемость, ^ 1 И = 1+Х
52 Магнитная восприимчивость, х 1 Jm=XH
53 Намагниченность вещества, J А-м-1 3-' II
54 Потенциал электрического поля, (р В 9 =—
55 Электрический дипольный момент, ре Кл-м Pe = ql
56 Магнитный дипольный момент, рт А-м2; Дж-Тл-1 r II и
57 Электроемкость проводника, С Ф с =q yn 9
58 Электроемкость конденсатора, С, Ф с =q Ck U
59 Сила тока, I А I=di dt
60 Электродвижущая сила, E В А £ — Аст q
61 Электрическое напряжение, U В Uab = VA-VB+ 9 AB
62 Мощность тока, N Вт N = UI
Окончание табл.
№ п/п Название и обозначение величины Единица измерения Формульное определение
63 Индуктивность, £ Гн Ф = LI ФBI LI
64 Магнитный поток, Фв Вб аФв = в•ds
65 Электрическое сопротивление, Я Ом R = U I
66 Удельное электрическое сопротивление, рк Ом-м SdR PR= dl
67 Индуктивное сопротивление, Хь Ом XL — шЬ
68 Емкостное сопротивление, Хс Ом - 1 ^ II <o
69 Реактивное сопротивление, X Ом X = XL-XC
70 Показатель преломления, п 1 V2 П12 = — V1
71 Амплитуда вероятности (волновая функция), ^ разные -
72 Интенсивность света, I Вт-м"2 I = (jw(t))r
73 Плотность вероятности для случайной величины рп ГС ]-1 dU Pn = dt
74 Коэффициент отражения, Кк 1 JwoTp ]Wuap,
75 Коэффициент прохождения, Кт 1 JWnpo Kf — . ] Wnap,
76 Теплоемкость тела, С Дж-К"1 с=SQ dT
77 Удельная теплоемкость вещества, Ст Дж-кг-1-К-1 Cm = Cm-1
78 Главное квантовое число, п 1 -
79 Орбитальное квантовое число, 1 1 -
80 Магнитное квантовое число, т 1 -
81 Спиновое квантовое число, 5 1 -
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Министерство образования и науки РФ : сайт. URL : минобрнауки.рф (дата обращения: 03.11.2016).
2. Учебный план ОмГТУ для бакалавров, обучающихся по направлению 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника». 2016. URL : http://www.omgtu.ru/educational_activities/areas-of-training-implemented-in-omsk-university-in-accordance-with-gef-in/bachelor/the-list-of-working-programs-for-electrical-cluster/13.03.01_Plan. pdf (дата обращения: 03.11.2016).
78 -
Herald of Omsk University 2018, vol. 23, no. 2, pp. 73-79
3. Учебный план ОмГТУ для бакалавров, обучающихся по направлению 210700.62 «Инфокоммуникаци-онные технологии и системы связи». 2013. URL: http://omgtu.ru/educational_activities/opisanie_oop_v_ sootvetstvii_s_trebovaniyami_postanovleniya_pravitelstva_rf_582/files/Bak/plan_bak_21070062_0.pdf (дата обращения: 03.11.2016).
4. Учебный план БГТУ им. В.Г. Шухова для бакалавров, обучающихся по направлению 130302.62 «Электроэнергетика и электротехника». 2011. URL: http://e.bstu.ru/specialties (дата обращения: 03.11.2016).
5. Учебный план НИ ТПУ для бакалавров, обучающихся по направлению 12.03.01 «Приборостроение». 2016. URL: http://app.tpu.ru/up-viewer/separateWinUP.html?upId=16585&bysem=0 (дата обращения: 03.11.2016).
6. Савельев И. В. Курс общей физики : в 3 т. Т. 1. Механика, колебания и волны, молекулярная физика. М. : Наука, 1970. 508 с.
7. Ландсберг Г. С. Элементарный учебник физики : учеб. пособие : в 3 т. Т. 1. М. : Физматлит, 2001. 607 с.
8. Савельев И. В. Курс общей физики : в 3 т. Т. 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. М. : Наука, 1982. 496 с.
9. Яворский Б. М., Пинский А. А. Основы физики : в 2 т. Т. 1. Механика. Молекулярная физика. Электродинамика. М. : Физматлит, 2003. 576 с.
10. Савельев И. В. Курс общей физики : в 3 т. Т. 3. Оптика, атомная физика, физика атомного ядра и элементарных частиц. М. : Наука, 1970. 537 с.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Гончар Игорь Иванович - доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры физики и химии, Омский государственный университет путей сообщения, 644046, Россия, г. Омск, пр. Маркса, 35; e-mail: vigichar@hotmail.com.
Чушнякова Мария Владимировна - кандидат физико-математических наук, старший преподаватель кафедры физики, Омский государственный технический университет, 644050, Россия, г. Омск, пр. Мира, 11; e-mail: maria.chushnyakova@gmail. com.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Gonchar Igor' Ivanovich - Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Professor of the Department of Physics and Chemistry, Omsk State Transport University, 35, pr. Marksa, Omsk, 644046, Russia; e-mail: vigichar@hotmail.com.
Chushnyakova Maria Vladimirovna - Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Senior Lecturer, the Department of Physics, Omsk State Technical University, 11, pr. Mira, Omsk, 644050, Russia; e-mail: maria.chushnyakova@gmail.com.
Крохин Сергей Николаевич - кандидат физико-математических наук, заведующий кафедрой физики и химии, Омский государственный университет путей сообщения, 644046, Россия, г. Омск, пр. Маркса, 35, e-mail: KrokhinSN@omgups.ru.
Krokhin Sergei Nikolaevich - Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Head of the Department of Physics and Chemistry, Omsk State Transport University, 35, pr. Marksa, Omsk, 644046, Russia; e-mail: KrokhinSN@omgups.ru.
ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ
Гончар И. И., Чушнякова М. В., Крохин С. Н. Преподавание физики студентам инженерных специальностей: объем информации и количество часов // Вестн. Ом. ун-та. 2018. Т. 23, № 2. С. 73-79. Э01: 10.25513/1812-3996.2018.23(2).73-79.
FOR CITATIONS
Gonchar I.I., Chushnyakova M.V., Krokhin S.N. Teaching physics for students of engineering specialties: confronting the amount of information with the class hours. Vestnik Omskogo universiteta = Herald of Omsk University, 2018, vol. 23, no. 2, pp. 73-79. DOI: 10.25513/1812-3996.2018.23(2).73-79. (in Russ.).
