Фрагмент интерактивно-коммуникативной технологии (изучение законов развития технических систем на практическом занятии по физике)

Произвести иллюстрацию применения элемента интерактивно-коммуникативной технологии в процессе изучения физики возможно с использованием объективно существующих, описанных Альтшуллером Г. С. законов развития технических систем, которые он разделил на три группы: «статику», «кинематику» и «динамику» [7]. Действительно, такие разделы механики изучают будущие инженеры в процессе своей профессиональной подготовки. Законы развития технических систем, обобщенные под такими названиями, выполняются для любых инженерных объектов, которые в свою очередь, подчиняются физическим законам. При этом совпадение названий групп законов развития технических систем и разделов изучаемого курса физики не вызывает необходимость их согласования.

Технические системы так же являются объектом профессиональной деятельности и интереса будущих инженеров. Приведем методическое описание способа деятельности преподавателя, который стремится своими простыми, понятными, наводящими вопросами поэтапно продвигать студентов в сторону овладения материалом курса физики в контексте изучения законов развития технических систем. Такая методика будет инновационной и формирующей профессиональную компетентность будущих инженеров.

Простота наводящих вопросов не должна снижать ценность интеллектуального труда, напротив, динамичное направленное движение в русле очевидного необходимо для формирования в процессе интерактивной коммуникации студентов необходимых профессиональных компетенций. Конечно же, этому предстоит глубокая работа педагога, способного масштабировать уровень сложности изучаемого материала, выбирая формат изложения, исходя из текущего уровня развития и контингента студентов.

Начинать познание и преобразование технически важных объектов профессиональной деятельности можно, зная законы функционирования технических систем, которые изучаются для некоторых направлений подготовки в рамках дисциплины «основы инженерного проектирования». Проектирование объектов невозможно без знания физических законов мира, в котором будут функционировать эти объекты, и законов развития технических систем, которым они будут подчиняться в период своего жизненного цикла. Современное преподавание физики стремится к междисциплинарности, и такой вариант применимости знаний может оказаться востребованным и приемлемым.

Будущему инженеру на современном этапе развития техники необходима основательная методологическая подготовка для устойчивой ориентации в сфере непрерывно обновляющейся техники и развивающихся технологий. Фундаментальные физические законы, а так же законы развития технических систем являются неизменным базисом постоянного создания и усовершенствования инженерных объектов и технологий. Наличие диалектической связи фундаментальных физических знаний и практики прикладных инженерных решений может явиться стимулом к обучению студентов способности самостоятельно ориентироваться в выбранной профессиональной сфере. Следовательно, студентам необходимо иметь обширную физико-техническую базу знаний, позволяющую разбираться в специфике узкопрофессиональных вопросов для того, чтобы стать востребованным и компетентным специалистом в решении межотраслевых задач. Идея методического сближения в процессе преподавания физики фундаментальных физических законов и прикладных технических знаний выражена на примере изучения законов развития технических систем.

Предлагаемая обучающая программа изучения законов развития технических систем не предполагает эпизодическое изучение отдельных сведений об этих законах в рамках прохождения разделов курса физики с аналогичными названиями «статика», «динамика», «кинематика». Возможна организация итогового практического занятия в конце обучения курса физики в игровой, интерактивной форме, на котором будет сделано обобщение по изученному физическому материалу с учетом законов развития технических систем. Методика проведения практического занятия требует оснащения студентов доступом в Интернет, а так же возможностью демонстрации самостоятельно найденных материалов.

Дальнейшее изложение формирующей методики представлено в виде краткого конспекта занятия в свободной форме, позволяющего преподавателю выстроить логическую структуру практического занятия, задавать цепочку наводящих вопросов, давать задания студентам. В дальнейшем в изложении вопросов характерно выдержан разговорный жанр, который позволяет создать проблемный тон в процессе занятия и задержать внимание студентов на четко поставленных вопросах. Присутствие разговорного жанра в формате монографии в этом плане является уместным и допустимым, поскольку иллюстрирует специфику постановки вопросов студентам со стороны преподавателя.

Законы статики, Для того, чтобы показать логику развития умозаключений студентов, приведем пример, как можно при помощи простых наводящих вопросов в процессе изучения физики обучить студентов трем законам статики, от выполнения которых зависит жизнеспособность технической системы. Самые очевидные ответы будут опущены, остальные приведены в качестве утверждений, заполняющих пунктир выбранной линии интерактивного обучения.

1. Закон полноты частей системы. Вопросы преподавателя: «Будет ли техническая система способна к жизни, если у нее нет каких-либо основных частей? А если все части есть, но они не работают? Должна ли быть хоть минимальная работоспособность частей системы, или постоянно надо, чтобы техника работала на износ, по максимуму? Достаточна минимальная работоспособность. Если у нас есть работоспособная деталь, часть системы, обязана ли она ввиду своей работоспособности, функционировать абсолютно везде, в составе любой другой произвольной системы? Приведите примеры. Аккумулятор от телефона не может работать вместо аккумулятора автомобиля. Двигатель внутреннего сгорания не может быть двигателем самолета или лайнера. Часть системы относится к системе, и ее работоспособность оценивается тоже в системе».

Относительно закона полноты частей системыАльтшуллер Г. С.добавляет, что аналогичный закон применительно к биологическим системам был сформулирован Ю. Либихом еще в середине прошлого века («закон минимума Либиха») [7]. Для студентов можно пояснить содержание этого закона, распространённого на всю естественнонаучную область – что для жизнеспособности системы наиболее важным фактором является тот, нуждаемость в котором максимальна. Именно он, при достатке и избытке всего остального, может погубить экологическую систему. Точно так же и для технической системы, сбой в работе, не отлаженность функциональности и связей частей системы является губительной. Студенты могут самостоятельно привести примеры из жизни и практики, связанные с крахом технических систем по причине катастрофического влияния лимитирующего фактора.

Закрепление полученных студентами знаний при изучении следствия из этого закона об управляемости технических систем может быть подкреплено самостоятельным составлением задач по курсу физики. Требование к составлению задач: не меняя технических характеристик объекта и его частей, внести новое качество – способность к управлению либо компонентом системы, либо ее частью. Менять свойства системы, либо ее частей можно на основе физических законов, зная взаимосвязь физических параметров и величин. В качестве примера можно привести газ некоторого объема, для которого, не меняя объем, нужно изменить температуру. Согласно уравнению Менделеева-Клапейрона, необходимо изменять давление газа, но при этом способы конкретных технических решений могут быть многообразны. Таким образом, провоцируется практический опыт инженерного мышления студентов на основе составления технических задач с применением известных физических законов, и последующего их решения, усложнения их содержания, способов постановки вопроса и выбора методов их решения.

2. Закон «энергетической проводимости» системы. Вопросы преподавателя: «Может ли часть системы существовать изолированно от остальных частей, не иметь с ними никаких связей? Что происходит с энергией, которая поступает в систему? Она преобразуется. Если нет возможности для энергии иметь сквозной проход по всем частям системы, будет ли она жизнеспособной? Как обеспечить передачу энергии к рабочему органу системы?» Студентам предложено задуматься над возможностью осуществления процесса, педагог не требует ответ, он только заостряет внимание студентов. «Передача энергии от одной части системы к другой может быть вещественной (например, вал, шестерни, рычаги и т.д.), полевой (например, магнитное поле) и вещественно-полевой (например, передача энергии потоком заряженных частиц)» [7, С. 123]. Студентам предлагается привести примеры по каждому из указанных способов передачи энергии. Затем студенты получают эксклюзивное задание – подобрать способ передачи энергии с учетом критической оценки его оптимальности для заданного технического устройства. Например, задача о преобразовании тепловой энергии, выделяющейся в химических реакциях смеси, находящейся в барабане, в энергию вращения этого барабана. И множественность объектов, и последовательное изменение физических условий их содержания, вызывает стремление проследить изменение параметров состояния объекта. Простой вопрос «А что будет?» и последующий перебор объектов и условий может вызвать целый ряд творческих ассоциаций. «Ферромагнетик находится в постоянном магнитном поле. Что будет, если поместить его во вращающийся барабан? Что будет, если увеличить скорость вращения барабана, охлаждать ферромагнетик или наоборот, нагревать его?». В итоге добываются простые факты, позволяющие управлять физической реальностью в пределах известных законов. Как уменьшить магнитное поле? Добавить холодный ферромагнетик. В итоге появляется интерес – а как это и где можно использовать, есть ли вообще где-то такая необходимость. Что делать после с нагревшимся и «вобравшим» в себя энергию магнитного поля ферромагнетиком, как его наличие повлияет на работу технической системы? С одной стороны, мы получаем новые инструменты управления технической системой, а с другой – новые технические вопросы и задачи общесистемного, функционального и конструкционного характера.

Подойти к закреплению материала о следствии из второго закона развития технических систем можно посредством следующей педагогической тактики. Педагог задает наводящие вопросы: «Существует орган управления системой, и каждая часть системы должна быть с ним связана. И эта связь должна быть обеспечена на энергетическом уровне. Как удобнее всего подвести энергию к вращающейся части системы, или такой ее части, которая не вращается, а просто находится в непрерывном движении сложной формы?» Подсказка «электрический ток» сразу же вызывает в памяти студентов ряд устройств, устроенных таким образом. Далее, пользуясь Интернетом, студенты могут найти множество конструкционных особенностей и не стандартных технических идей воплощения такого способа в современных технических объектах и объектах прошлого.

3. Закон согласования ритмики частей системы. Вопросы преподавателя: «Что будет, если ритмические колебания технической системы не будут иметь согласования между собой? Будет ли система жизнеспособной?» Студенты получают задание: выяснить, как связать между собой две собой электроэнергетические системы, одна из которых работает на частоте 50 Гц, а вторая на 60 Гц. Изучение вставок постоянного тока, параметров и характеристик их работы, перспектив их применения в развитии электроэнергетики является содержанием предложенного задания.

Кинематика понимается как движение, без рассмотрения его причин; и Г. С.Альтшуллер обобщил под таким разделом законы, описывающие развитие технических систем, не зависимо от технических и физических условий.

1. Закон увеличения степени идеальности системы. Вопросы преподавателя: «Идеальных технических систем не существует, это физические объекты, которые постоянно усовершенствовались. Сам прогресс подразумевает улучшение необходимых качеств и характеристик технических систем. Если проследить в целом техническую эволюцию, как изменяется работоспособность, функциональность технических объектов? А к чему стремятся масса, объем, площадь технических объектов?» Студенты получают задание: найти технические объекты, которые уменьшали свои размеры, и наоборот, увеличивали их в процессе своего развития. Следует указать, за счет чего (изменения каких параметров) были произведены указанные изменения. Наиболее интересным может оказаться прогресс в области военной техники, корабле и авиастроения, автомобильного транспорта. Преподавателю важно показать, что взаимные компенсации одних параметров технических объектов за счет других – всего лишь компромисс на пути к идеальности, которая понимается, как отсутствие объекта при его полной функциональности.

2. Закон неравномерности развития частей системы. Вопросы преподавателя: «Если мы имеем сложную систему, и в ней начинаем проводить улучшения. Может ли кто-нибудь гарантировать, что все части этой системы будут усовершенствованы равномерно?» Студенты получают задание найти информацию о способах маневрирования и системах торможения технических объектов, имеющих крупные габариты и высокие скорости (танкеров, космических аппаратов и т. д.), а так же исторические сведения о последствиях неудачных технических решений, в которых преимущество одной функциональной части технического объекта не было компенсировано достаточным развитием другой его части.

3. Закон перехода в надсистему. Вопросы преподавателя: «По итогам развития техническая система может исчерпать возможность своего улучшения, дальнейшее ее совершенствование уже не изменит ее функциональность. И вот, имея под рукой много локализованных, работоспособных систем, что обычно хочется с ними сделать? Конечно, объединить». Студенты получают задание найти технические объекты, представляющие собой надсистему, являющиеся синтезом нескольких отдельных систем. А так же объяснить возможность перераспределения функций частей новой обобщенной системы, совмещение и делегирование функционала ее частей на конкретных примерах.

Динамика. Так же, как динамика изучает физические явления с указанием их причин, и раздел с таким же названием объединяет законы развития современных технических систем под действием технических и физических факторов.

1. Закон перехода с макроуровня на микроуровень. Совершенствование технической системы первоначально происходит на уровне изменения формы и конструкции ее частей, а затем уже на уровне молекулярного строения материала, из которого они изготовлены. Студенты получают задание выяснить, какими физическими эффектами сопровождается переход в развитии технических систем с макро на микро уровень. Требуется найти информацию о перспективах развития нано технологий в технике, разъяснить преимущества, физическое содержание и принцип действия указанных технологий.

2. Закон увеличения степени вепольности. Термин «веполь» происходит от слов «вещество» и «поле». То есть «вещественные» системы при своем развитии стремятся стать «вещественно-полевыми». Студенты ищут доказательства этого закона в переходе от механических систем к электромагнитным, приводят примеры, сравнивают производительность, эргономику, качество работы разнообразных технических объектов быта и промышленного производства настоящего и прошлого времени.

Завершается практическое занятие по физике подведением итогов, во время проведения которого преподаватель может выделить наиболее значимую информацию из наиболее интересных докладов и дать задание студентам творчески ее обдумать в плане дальнейшего профессионального применения.

Использование структуры профессионально-значимого практического занятия по физике с выделением законов развития технических систем позволяет получить студентам вектор направленного поиска в хаотичном интернет-серфинге, и научиться самостоятельно структурировать процесс обнаружения и обработки информации по заранее приготовленным шаблонам. Использование векторов поиска нужных сведений об инженерно-технических объектах позволяет сузить доступное поле информационного облака и существенно сэкономить время. Коллективное обсуждение добытой информации делает ее социально ценной и востребованной в учебном процессе, а применение разнообразных новых интерактивных форм и способов формирования профессиональной компетентности будущих инженеров открывает дорогу к технической самореализации личности. Построение практической профессиональной деятельности студентов в процессе аудиторных занятий на основе усвоенных физических законов, и новых для них закономерностей развития техники и технологий в рамках освоения учебной программы курса физики в целом формирует профессиональную компетентность будущих инженеров.