Развитие самостоятельной познавательной деятельности студентов при использовании алгоритмических предписаний для решения задач по термодинамике Текст научной статьи по специальности «Науки об образовании»

УДК [378.147.88: 378.662]: 53

ББК 74.262.22

РАЗВИТИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОЗНАВАТЕЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ СТУДЕНТОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ АЛГОРИТМИЧЕСКИХ ПРЕДПИСАНИЙ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПО ТЕРМОДИНАМИКЕ

В. П. Быкова

Аннотация. В условиях рыночной экономики конкурентоспособным станет специалист, который готов осваивать новые методы, технику, а уровень .знаний (не столько объем памяти, сколько качество знаний и умение ими пользоваться) становится важнейшим критерием компетентности специалиста сегодняшнего дня. Однако в настоящее время студенты не умеют использовать свои знания на практике, например, при решении задач.

Мы предлагаем новый метод решения заданий любого типа, основанный на использовании универсальных алгоритмических предписаний, что позволит будущему молодому специалисту получить навыки применения своих знаний и умений для проектирования научных экспериментов, а также развить готовность к созданию и использованию технологий новых поколений, управлению производством. Основной целью обучения является развитие познавательного интереса студента и, как следствие, формирование его познавательной активности и самостоятельности, способности к дальнейшей профессиональной деятельности. Самостоятельная познавательная деятельность студентов при изучении физики должна обеспечить им последовательный переход от учебных форм овладения профессией (например, при решении отдельных познавательных и профессиональных задач по термодинамике) к самостоятельному выполнению будущей профессиональной деятельности; скажем, в испытаниях и сдаче в эксплуатацию опытных образцов изделий, узлов, систем и деталей новых и модернизированных объектов техники.

Ключевые слова: самостоятельная познавательная деятельность студентов, алгоритмические предписания к решению задач, термодинамика.

STUDENTS' INDEPENDENT COGNITIVE ACTIVITY

IN USING ALGORITHMIC PRESCRIPTIONS FOR SOLVING PROBLEMS

IN THERMODYNAMICS

V. P. Bykova

Abstract. Under free market conditions, only the specialist who is ready to master new skills and techniques becomes competitive, while the proficiency level (the quality of knowledge and the ability to apply it rather than the memory span) represents the most important criterion for present-day professional competence. However, currently students are not able to apply their knowledge, for example, when solving the problems.

We offer a new method for solving problems of any kind, based on the use of universal algorithmic prescriptions, which will provide future specialists with proper skills required to apply their knowledge and competences in order to undertake scientific experiments, to get ready to develop and to use new generation technologies and to control production. The main goal is to develop students' cognitive interest and consequently their cognitive activity and independence, a set of skills for future professional life. Independent cognitive activity in the study of physics facilitates a seamless continuum from educational forms of mastering the profession (for example, for solving cognitive and professional tasks in thermodynamics) to independent performance of future professional activities, as testing and completion of prototypes of products, units, systems and parts of new and modernized technological items.

Keywords: students' independent cognitive activity, algorithmic prescriptions for solving problems, thermodynamics.

Введение

Анализируя учебные планы технических вузов, мы пришли к выводу, что в них не прослеживается тесная связь между естественнонаучными, профессионально-техническими и специальными дисциплинами. Однако только обучение, построенное на основе межпредметных связей дисциплин всех циклов, позволит будущему инженеру овладеть теми или иными профессиональными знаниями и умениями и успешно применить их на практике.

Курс физики для инженерных направлений - это основа основ, так как его содержание должно заложить фундамент современных представлений о физической картине мира, способах и методах ее познания. Обучение физике должно быть ориентировано на междисциплинарные связи и самостоятельную познавательную деятельность студентов. А использование современных методических приемов преподавания сделает процесс познания успешным и инте-

ресным. В нашей статье мы предлагаем новый прием решения физических задач.

Актуальность темы

Обучение физике должно основываться на рассмотрении таких физических явлений, процессов и законов, которые создадут первичную теоретическую базу знаний студента, как будущего инженера конкретного профиля. Именно они должны пригодиться ему в будущей профессиональной деятельности. Лучше всего это можно сделать через самостоятельную учебную познавательную деятельность студентов, которая должна следовать структуре развития профессионального мышления: постановка задачи; решение задачи; исследование решения и ее обоснование, то есть контроль и оценка правильности решения. Но сначала обучающийся должен научиться правильно решать и анализировать познавательные за-

дачи любого раздела курса физики, например «Термодинамики».

Самостоятельная познавательная деятельность студента

При обучении физики в технических вузах главный акцент делается на формировании компетенций. Причем одним из главных направлений выступает принцип профессиональной направленности, который можно реализовать только через формирование типовых профессиональных задач. Для этого необходимо осмысление студентами того факта, что профессиональные задачи решаются на основе знаний курса физики. Глубина знаний основ физики формируется в процесс самостоятельной познавательной деятельности обучаемого.

Самостоятельная познавательная деятельность студента - это не что иное, как составная часть общей структуры познавательной деятельности обучаемых, и выражается в ее активном характере. Опираясь на деятельностный подход к процессу учения, мы полагаем, что познавательная самостоятельность - это интегральное свойство личности студента. Познавательная самостоятельность имеет три компонента, определяющих ее структуру: мотивацион-ная, содержательно-операционная и контролирующая. Мотивационная, как любая деятельность, возникает только в том случае, если есть определенный мотив, потребность в этой деятельности. Мотив можно определить как то, что в отражаемой человеком реальности побуждает и направляет его деятельность. Деятельность человека побуждается обычно несколькими мотивами одновременно, один или одни из которых являются ведущими, а другие - второстепенными. Основным видом деятельности студентов является учебная деятельность. К мотивам учебной деятельности можно отнести социальную установку, престиж профессии будущего инженера и другие. Каким бы ни был ведущий (основной) мотив, его всегда сопровождают второстепенные мотивы, исполняющие роль

стимуляторов. Одним из таких стимуляторов для обучаемого является осознанное побуждение - познавать. Этот мотив формируется в процессе осознания обучаемыми противоречия между познавательной потребностью и возможностью ее удовлетворить самому. Так умело осуществляемая в процессе обучения профессиональная направленность является огромным стимулом положительной мотивации учения. Обучаемый осознает, для чего получает знания по предмету, где конкретно они ему пригодятся в будущей профессии. Второй компонент познавательной самостоятельности обучаемых - содержательно-операционный. Содержательная сторона познавательной самостоятельности отражается в учебных планах, программах, методических пособиях, учебниках, обучающих программах по физике. Суть ее состоит в том, чтобы сформировать у студентов определенную систему научных знаний через определенную систему заданий. Критерием знаний является действие, а само действие - это не что иное, как сознательный акт деятельности, который направляется на объект [1, с. 22]. Третий компонент познавательной самостоятельности - контролирующий. Под контролем в педагогике понимается целая система проверки результатов не только обучения, но и воспитания обучаемых, причем результаты учения должны быть соотнесены с поставленными целями и задачами обучения. С помощью контроля обучаемый должен самостоятельно соотнести свои действия и их результаты с данными ему образцами, а также установить качество этих результатов.

Итак, согласно теории деятельности, знания, умения и навыки приобретаются студентом через соответствующую деятельность, в том числе при решении профессиональных и познавательных задач.

Прогностически обоснованный учебный материал по физике должен логически увязываться с материалом, изучаемым профилирующими и специальными дисциплинами того или иного профиля подготовки. Определить связи между курсом «Общая

физика»» и курсами профилирующих и специальных дисциплин можно, опираясь на методику определения значимости учебных дисциплин, курсов, разделов, тем и т. д. [2, с. 2]. В результате нами были выделены наиболее важные для инженеров разделы физики: 1. «Электричество и магнетизм», 2. «Молекулярная физика и термодинамика». Понятийный аппарат разделов: явление поляризации диэлектриков, правила Кирхгофа, законы электрического тока, теория электропроводности металлов, взаимодействие токов в магнитном поле, свойства сегнетоэлектриков и ферромагнетиков; явления переноса в термодинамических системах, первое и второе начала термодинамики, тепловые и электрические двигатели и холодильные машины и т. д. Основы физических знаний (тезаурус) должны сохраниться в памяти обучаемого, чтобы он смог впоследствии ими воспользоваться.

Осуществление идеи генерализации учебного материала тесно связано с принципом прочности результатов обучения, предусматривающим сохранение в памяти студентов системы знаний учебного предмета и определенных умений как обобщенных действий. Знания в процессе обучения могут выступать как мотив и как цель учебной деятельности, основным свойством которой являются качества знаний. Уровень сформиро-ванности у студента соответствующих умений характеризуется качествами знаний (глубина, полнота, оперативность, свернутость и развернутость, обобщенность и др.). В психолого-педагогических исследованиях под глубиной знаний понимают определенную педагогическую характеристику сформирован-ности у обучаемого определенного умения как обобщенного действия, которое может быть выполнено обучаемым в различных условиях и выступает как результат обобщения и освоения любого действия [3, с. 55]. Проверить усвояемость студентом умений использовать основные положения физики для практической деятельности можно при решении задач.

В данной работе мы рассматриваем формирование предметных умений - уме-

ний анализировать условие задачи, графика и определять необходимые явления, процессы, законы, которые помогут решать физическую задачу. С позиции деятельности процесс решения задачи можно представить как процесс преобразования некоторой заданной (начальной) ситуации в некоторую конечную ситуацию.

В своей работе мы используем алгоритмический способ решения задач, так как он способствует формированию общественных приемов решения задач. Решение типовых задач по алгоритмам - вовсе не механический процесс, исключающий мышление, так как алгоритмические предписания способствуют формированию общего подхода к решению, а это, в свою очередь, является необходимым условием управления процессом формирования навыков самопознания, осознанного творческого подхода к процессу решения любой профессиональной задачи. Для построения алгоритмических предписаний решения задачи любого типа надо описать задачу так, чтобы выявить все ее основные части и отношения между ними. Определив структуру, мы сможем составить подробную схему процесса решения задачи, положив ее в основу алгоритма решения.

Так как процесс решения задачи отражает процесс мышления, то логико-психологическая схема процесса решения любой физической задачи, составленная нами как схема «Действие - результат» (СДР) (рис. 1), отражает основные этапы деятельности по решению задач, предусматривающие поэтапное формирование умственных действий.

Деятельность по решению задачи многоаспектна и предполагает несколько этапов решения задачи: ориентировочный, исполнительный и контролирующий. Каждый из этапов содержит определенную совокупность взаимосвязанных операций [1, с. 56].

Процесс решения задачи начинается с чтения текста задачи и анализа исходных данных (АИД) - это сложный мыслительные процесс, связанный с осознанием смысла задачи (рис. 2). Для данной опера-

ции важным являются: переформулировка условия задачи; динамическое представление словесно описанной ситуации; схематизация и мысленное моделирование процессов и явлений; перевод условия задачи на символический язык.

При переводе условия задачи на язык символов важную роль играют операции по расчленению текста задачи на логико-грамматические структуры и сопоставлению их с физическими величинами в буквенном их обозначении.

Операция процесса решения задачи -информационная подготовка (ИП), где обучаемый должен определить для себя, какие законы, процессы (явления) используются в задаче. Осознав смысл задачи, студенты заменяют реальные явления и процессы их физическими моделями, которые затем изображают в виде схематических рисунков и чертежей. Этот этап связан с использованием графической наглядности и имеет сложную структуру. На данном этапе мысленная модель, которая сложилась у студента в результате АИД, изображается в виде рисунка, графика, диаграммы - построение физической модели (ПФМ).

Следующий этап связан с построением математической модели (ПММ), то есть записью реальных физических процессов и явлений математическими выражениями и получением численного результата. На данном этапе записываются физические

законы математическими формулами или уравнениями и выполняются расчеты. Здесь важную роль играют такие операции, как выражение всех неизвестных величин через известные, то есть получение конечной общей формулы (уравнения) для определения искомой величины.

Этап подстановки числовых данных в конечную формулу и получения численного результата (ПЧР). Предварительно надо, чтобы студент перевел (если это необходимо) все единицы физических величин в единицы СИ. Необходимо проанализировать ответ, обосновать надежность и достоверность полученного численного результата - этот этап называется проверка полученного результата (ППР).

Существует несколько способов проверки результата: проверка по размерности; проверка соответствия численного результата правдоподобным данным. Анализ полученного ответа обогащает понимание студентами физических явлений, развивает мышление. Если говорить о машинном способе анализа ответа, то, так как возможности машины пока ограничены, следует остановиться на ППР путем подстановки единиц физических величин, выраженных в СИ, в конечную формулу и получения единицы искомой физической величины (см. рис. 2).

Если при решении задачи студент полностью выполняет все этапы решения за-

Ориентировочный —► Анализ исходных данных задач (АИД)

этап —► Информационная подготовка (ИП)

Исполнительный Построение физической модели (ПФМ)

—►

этап —► Построение математической модели (ПММ)

—ь

Контролирующий —► Получение численного результата (ПЧР)

—►

этап —► Проверка полученного результата (ППР)

Рис. 1. Схема «Действие — результат»

Умение анализировать исходные данные 1. Исходные данные. Анализ исходных данных Заключение о достаточности исходных данных

Умение готовиться к решению задачи 2. Информационно-техническая подготовка задачи Готовность решить задачу

Умение строить физическую модель 3. Построение физической модели Физическая модель

Умение строить математическую модель 4. Построение математической модели Математическая модель

Умение получать численный результат 5. Получение численного результата Численный результат

Умение проверять полученный результат 6. Проверка полученного результата на достоверность Заключение о достоверности полученного результата

Умение оформлять задачу 7. Оформление текста решенной задачи Отчет о решении задачи

Рис. 2. Схема этапов решения любой физической задач

дач, разработанные нами, то будет реализована схема «Действие - результат».

Примеры решения задач

Условие задачи (УЗ) № 1 (познавательная задача).

В цилиндре тепловой машины находится 1 моль одноатомного идеального газа. Определите КПД тепловой машины, если изменения состояния газа в цилиндре осуществляется по циклу (рис. 3).

Анализ исходных данных (АИД).

Исходных данных достаточно для решения задачи. Газ идеальный и одноатомный, количество вещества известно

V = 1 моль.

Информационная подготовка (ИП).

Идеальный одноатомный газ совершает замкнутый цикл с термодинамическим КПД.

бы"

КПД

Работа в термодинамике для замкнутого цикла может быть определена как площадь Sabcal внутренняя энергия одноатомного идеального газа определяется

Аи = 3 уЛДГ, или, согласно уравнению состояния идеального газа, Ди = у (Р2У2 - Р1У1); работа для

изобарного процесса А = Р(У2 - V)

Построение физической модели (ПФМ). График цикла уже дан в условии задачи.

Р А

2Р„

О А

100% или КПД = —100% ,

Он Он

А = Оы - Ох, где Оы - количество теплоты, полученное от нагревателеля на участках аЪ и Ъс; Ох - количество теплоты, отданное холодильнику на участках сё и ёа. Для определения полученного количества теплоты необходимо воспользоаться первым законом термодинамики для изохорного процесса на участке аЪ: О = Ди и изобарного процесса на участке Ъс: О = Ди + А.

1 к - - 1

а

У„

2У„

0 0 Рис. 3. Циклический процесс изменения состояния идеального газа

V

Ъ

с

Р

0

0

Построение математической модели (ПММ).

1. Определяем работу в термодинамике для замкнутого цикла по площади прямоугольника ^ = (2Р0 - Р0) (2К0 - Г0) = Р0Г0.

3vR(Tb -Та) =2(РЬК - PaVa) = Qbc = ЩС + АС = 2 (PcVc -PbVb) + Pbc (V - Vb) = 5P0V0;'

2 Qab

= 3 P V; 2 0*0 '

3. Qh = Qab + Qbc = 6,5P0V0; Qh - qx

4. кпд =

Qh

100%.

Получение численного результата (ПЧР).

кпд = Qh - Qx 100% = P v° 100% =

Qh

6,5 P0V0

= 15,4%.

Проверка полученного результата (ППР).

Данный ответ согласуется с теоретическими данными для тепловых двигателей, работающих по такому циклу.

Условие задачи (УЗ) № 2 (задача профессионального характера)

Для цикла с подводом тепла при p = const определить параметры в характерных точках, полезную работу, термический КПД, количества подведенного и отведенного тепла, если дано: P1 = 1 атм, t1 = 20°С; s = 12,7; р = 2; к = 1,4. Рабо чее те-ло - воздух. Теплоемкость считать постоянной. Проанализировать работу цикла (рис. 4).

Рис. 4. Циклический процесс дизельного двигателя

Построение физической модели (ПФМ). Точка 1: Определяем удельный объем, используя уравнение состояния идеального КТ го газа V = —1.

1 Р V

Точка 2: Так как степень сжатия г = —,

V V

то V2 = —, температура в конце адиабатно-

г / -1

I V I ЙТ

го сжатия Т2 = ТII и давление Р2 = . Точка 3: Из соотношения параметров в

Т V

изобарном процессе получаем = = р, отсюда Т3 = Т2 р, V3 = V2 р.

Точка 4: V4 = V1 и давление в конце ади-

абатного расширения равно

P ( v4 ) (vj) ;

температуру в конце адиабатного сжатия определяем из соотношения параметров в

Р

изохорном процессе 4-1: Т4 = Тх —.

Р1

Количество подводимого тепла: Q1 = 02-з = СР (Т3 - Т2), количество отведенного тепла: Q2 = = Cv (Т4 - Т1). Термический КПД цикла П =

Q - Q2

01

работа цикла А = - 02, конечная расчетная формула имеет вид

П = 1 --

Рк -1

(*)

к (р —1)гк—1 '

Построение математической модели (ПММ) и анализ.

Если произвести расчет согласно данным задачи, то КПД цикла п = 57,7%, а работа цикла А = 48 250 кгм/кг. Анализируя формулу (*), отмечаем, что КПД дизельного двигателя растет с увеличением степени сжатия £ и уменьшается с увеличением степени предварительного расширения р (рис. 5, прерывная линия).

Качественно это легко показать, приняв во внимание, что при р > 1 стоящая в числителе величина рк — 1 при к > 1 всегда больше находящегося в знаменателе вы-

п

I1 2

у= 3

п =4

г«

е

0,35 ю ц 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Рис. 5. Зависимость термического КПД дизельного двигателя от характеристик £ и р

ражения (р > 1). Расчеты при к = 1,4; е = 12,7 и р = 2, 3, 4 дают наглядное доказательство сказанного.

Очевидно, в отличие от бензинового и дизельного топлива газомоторное топливо имеет лучшие антидетонационные характеристики. И, как следствие, при переходе с жидкого топлива на газомоторное двигатель будет работать лучше, кроме того, метан более экологичен.

Если предположить, что двигатель в нашей задаче работает на газомоторном топливе, и продолжить расчеты до £ = 30, то КПД двигателя мог бы увеличиться до 70%. Дизельный двигатель является двигателем, воспламенение топлива в котором осуществляется при нагревании от сжатия. Стандартный дизельный двигатель не может работать на газовом топливе, потому что метан обладает существенно более высокой температурой воспламенения, чем дизельное топливо (почти в 2 раза), другая причина - явление детонации, которое возникает при избыточной степени сжатия [3, с. 125]. Поэтому для перевода

а) р

а с)а=о Р.1 Р]

Г сС 1 аГ — 1 1

—У2— 1 V, -- V

дизельного двигателя в газомоторный режим потребуется снизить степень сжатия двигателя.

Проверка полученного результата (ППР).

На рисунке (рис. 6а, 6б) изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном двигателе и в дизельном двигателе. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (1-4, 2-3) и двух адиабат (3-4, 1-2). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1-2, 3-4), одной изобары (23) и одной изохоры (4-1). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30%, у дизельного двигателя - порядка 40%. У нас в расчетной задаче получилось 57,7%, что соответствует теоретическим нормам. В тепловых двигателях стремятся достигнуть наиболее полного превращения тепловой энергии в механическую. Максимальное КПД достигается в случае когда рабочее тело выполняет цикл, состоящий из двух изотерм (1-2, 3-4) и двух адиабат (2-3, 4-1). Этот цикл называют циклом Карно (рис. 6в).

Заключение

Определены основные концептуальные положения научно-методической системы обучения физике:

• профессиональная направленность процесса обучения;

• межпредметные связи, как необходимое условие процесса обучения;

р б) 2 3

|\ 1 \ 1 \ 1 \ 1 \ н--- 1 \ ¿Ц=0

V,

V,

V

Рис. 6. Циклические процессы карбюраторного (а), дизельного (б) двигателей и идеальной тепловой машины (в)

• формирование предметных умений, а также обобщение и систематизация знаний - основные факторы формирования системы физических знаний;

• комплексный подход к формированию системы физических знаний в результате познавательной самостоятельной деятельности студента;

• проверка результатов обучения, как необходимый элемент процесса формирования физических компетенций.

Использовать основы физических знаний студент сможет на практических занятиях, при тестировании, при выполнении расчетно-графических и контрольных работ. Нами разработаны алгоритмические предписания решения задач по любому разделу курса физики или профессиональных задач. Этапы решения задачи позволяют студенту демонстрировать уровень сформированности компетенций в зависимости от индивидуального уровня обучен-ности. Подробный анализ физической модели и полученного результата задачи способствует развитию научно-исследовательского характера обучения. Правильное формирование системы физических знаний обучаемых определяет конечный результат обучения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Быкова В. П. Многоуровневая обучающая программа по физике как средство

организации самостоятельной работы студентов в интернациональной группе: дис. ... канд. пед. наук. М., 1998. 154 с.

2. Быкова В. П. Межпредметные связи курса физики и дисциплин профессионального цикла для профиля «Кораблестроение» // Вестн. АГТУ Сер.: Морская техника и технология. Астрахань, 2012. № 2. С. 109-115.

3. Лушко В. А. О повышении топливной экономичности автотранспортных средств с газовыми двигателями // Труды НАМИ: сб. науч. ст. М., 2014. Вып. 257. С. 124-139.

REFERENCES

1. Bykova V. P. Mnogourovnevaya obucha-yushchaya programma po fizike kak sredstvo organizatsii samostoyatelnoy raboty studentov v internatsionalnoy gruppe. PhD dissertation (Education). Moscow, 1998. 154 p.

2. Bykova V. P. Mezhpredmetnye svyazi kursa fiziki i distsiplin professionalnogo tsikla dlya profilya "Korablestroenie". Vestn. AGTU. Ser.: Morskaya tekhnika i tekhnologiya. Astrakhan, 2012, No. 2, pp. 109-115.

3. Lushko V. A. O povyshenii toplivnoy ekonomichnosti avtotransportnykh sred-stv s gazovymi dvigatelyami. Trudy NAMI: coll. of scient. art. Moscow, 2014. Iss. 257, p. 124-139.

Быкова Валентина Прохоровна, кандидат педагогических наук, доцент кафедры «Системы автоматизированного проектирования и моделирования» Астраханского государственного архитектурно-строительного университета

e-mail: v.p.bykova@mail.ru

Bykova Valentina P., PhD in Education, Associate Professor, Computer Aided Design and Modeling Systems Department, Astrakhan State University of Architecture and Civil Engineering

e-mail: v.p.bykova@mail.ru

Статья поступила в редакцию 14.04.2019 The article was received on 14.04.2019