Россия
Рассматривается введение в процесс обучения в ФГБОУ ВО «Астраханский государственный технический университет» двух форм проведения лабораторного практикума по физике у студентов инженерно-технических направлений подготовки в области судовой тепло- и электроэнергетики, электрооборудования и средств автоматики. Показана возможность формирования у студентов навыка работы в реальных условиях с промышленными устройствами и инженерного подхода при учете многофакторных условий эксперимента в качестве самостоятельной работы в рамках мастерской технического творчества «Прикладная физика», организованного на кафедре «Общеинженерные дисциплины и наземный транспорт». Проиллюстрировано формирование профессиональной направленности межпредметных связей студентов направления подготовки «Теплоэнергетика и теплотехника» на примере разработки лабораторной работы «Определение удельной теплоемкости металлов». Рассмотрены преимущества виртуальных лабораторных работ и возможность их использования на образовательном портале Астраханского государственного технического университета, построенном на основе обучающей виртуальной среды Moodle. Приведен пример создания виртуальной лабораторной работы «Изучение закона сохранения импульса». Теоретически обосновано, что введение в образовательный процесс по физике данных видов работ способствует оптимально эффективному формированию общепрофессиональных компетенций и профессиональной направленности обучения студентов. Доказана значимость внедрения в образовательный процесс преподавания физики в вузе данных видов лабораторных работ для развития у студентов аналитических способностей, креативности и инновационности, что является необходимым условием для подготовки современных инженеров, востребованных на рынке труда в быстро меняющемся мире.
профессиональная направленность обучения, инженерный подход, мастерская технического творчества, виртуальная лабораторная работа, методика обучения
Введение
Одним из необходимых условий развития промышленности и импортозамещения в нашей стране является подготовка квалифицированных инженеров. Получить востребованных на современном рынке труда специалистов в области кораблестроения, судовой тепло- и электроэнергетики, электрооборудования и средств автоматики можно путем постоянного совершенствования педагогического процесса подготовки студентов [1].
Задача профессорско-преподавательского состава вузов заключается в подготовке квалифицированных инновационных инженеров, имеющих не только сформированные общеобразовательные и профессиональные компетенции, но и развитое нестандартное мышление, способных к интердисциплинарному восприятию изучаемых предметов.
Не секрет, что уровень подготовки абитуриентов, поступающих учиться на технические направления, оставляет желать лучшего. Это связано с низким уровнем фундаментальных знаний абитуриентов по физике и математике [2]. В настоящее время количество выпускников школ, сдающих физику, резко упало, т. к. поступить в вуз на инженерную специальность можно, заменив ЕГЭ по физике информатикой. По нашему мнению, это большая ошибка, поскольку физика является фундаментом для дальнейшего освоения профессиональных дисциплин. Важно, чтобы процесс обучения физики в техническом вузе закрывал пробелы школьных знаний, был увлекательным, профессионально направленным, содержал цифровые инструменты и программные продукты.
Актуальность исследования
Одной из общеобразовательных компетенций, которую должны освоить студенты инженерно-технических направлений подготовки, является способность самостоятельно проводить научные эксперименты с использованием современного исследовательского оборудования и приборов, оценивать результаты исследований. Успешному овладению данной компетенцией будущему современному инженеру будут способствовать лабораторные работы по физике, для выполнения которых необходим инженерный подход к достижению цели лабораторной работы. Инженер должен учитывать многофакторные условия эксперимента, т. к. в реальной жизни нет идеальных условий.
Цифровизация общества и развитие искусственного интеллекта диктуют дополнительные требования к подготовке современного инженера, которому в своей работе необходимо использовать современные цифровые инструменты и программные продукты. Новым перспективным и инновационным способом овладения данной компетенцией являются виртуальные лабораторные работы по физике, которые помогут сделать учебный процесс динамичным, увлекательным и доступным для студентов из любой точки, где есть интернет.
В связи с этим разработка и введение в учебный процесс по физике как полноценных расчетных виртуальных лабораторных работ, так и профессионально ориентированных лабораторных работ с реальными промышленными приборами, в которых имеет место инженерный подход, требуется оценка и расчет действия различных факторов на эксперимент, являются особенно актуальными для подготовки студентов инженерно-технических направлений подготовки.
Методы и результаты исследования
Будущим специалистам в области судовой энергетики, тепло- и электроэнергетики необходимо научиться учитывать многофакторные условия эксперимента, работать в реальных условиях с промышленными устройствами. В связи с дефицитом учебных часов, выделенных на контактную работу со студентами, предлагается вынести на самостоятельную работу студентов лабораторные работы по тем разделам физики, которые необходимы для углубленного изучения по конкретному направлению подготовки. Этот акцент в самостоятельной работе студентов позволит реализовать профессиональную направленность обучения физике.
В качестве самостоятельной работы учащихся в рамках мастерской технического творчества «Прикладная физика», организованной на кафедре «Общеинженерные дисциплины и наземный транспорт» ФГБОУ ВО «Астраханский государственный технический университет» (АГТУ), под контролем преподавателя студенты могут сформировать определенные навыки. Мы считаем, что лучшим способом обучения является заинтересованное самообучение, когда под контролем преподавателя студент проводит исследование, цель и задачи которого грамотно поставлены наставником. Так, например, студентам направления подготовки «Теплоэнергетика и теплотехника» в рамках самостоятельной работы дается задание освоить лабораторный комплекс ЛКТ-2 (рис. 1), научиться определять удельные теплоемкости различных веществ, удельную теплоту плавления и приращение энтропии; исследовать теплопроводность металлов, диэлектриков, теплоизоляторов. Выполнение данного задания осуществляется на основе технических методов.
В рамках самостоятельной работы студентам было дано задание провести анализ экспериментальных методик определения удельной теплоемкости металлов и выбрать оптимальную методику. Результаты работы были представлены в виде доклада на 72-й Международной студенческой научно-технической конференции АГТУ и опубликованы в сборнике материалов конференции [3]. Согласно результатам анализа различных методик была выделена методика определения удельной теплоемкости металлов, при которой студентам необходимо учитывать естественные потери тепла в окружающую среду и потери тепла, затрачиваемые на разогревание печи-термостата. Учет влияния различных внешних факторов на эксперимент дает наиболее точный результат, а студентам позволяет научиться реализовывать инженерный подход к выполнению эксперимента.
Учет вышеназванных факторов достигается методом двукратного нагрева печи-термостата, состоящей из плиты с двумя тепловыделяющими элементами. Первоначально осуществляется нагрев мощностью P1 = 15 Вт с шагом по температуре 20 °С за промежуток времени Δt1, во второй раз – мощностью P2 = 25 Вт за промежуток времени Δt2. С помощью датчиков на панели модуля 6 (рис. 1) определяется изменение температуры ΔT, напряжение питания U и сила тока I. Таким образом, можно определить мощность потерь Pп и теплоемкость пустой печи С0:
Рп = (Р1Δt1 – Р2Δt2) / (Δt1 –Δt2);
С0 = (UI – Wп)Δt / ΔT.
Рис. 1. Лабораторный комплекс ЛКТ-2: 1 – каркас 600 мл с электропитанием и двумя ящиками;
2 – измерительная система ИСТ-4К; 3 – блок приборный; 4 – компрессор; 5 – блок баллонов; 6 – печь термостат;
7 – модуль для изучения теплопроводности металлов; 8 – калориметр балластный; 9 – блок «свойства газов»;
10 – блок «газ-жидкость»
Fig. 1. Laboratory complex LKT-2: 1 – 600 ml frame with power supply and two drawers;
2 – IST-4K measuring system; 3 – instrument unit; 4 – compressor; 5 – cylinder block; 6 – termostat furnace;
7 – module for studying the thermal conductivity of metals; 8 – ballast calorimeter; 9 – block “own-gases”;
10 – gas-liquid block
С использованием того же метода была определена теплоемкость печи C вместе с образцом металла. Для этого первоначально производится нагрев мощностью P1 = 20 Вт с шагом по температуре 20 °С за промежуток времени Δt1, во второй раз – мощностью P2 = 40 Вт за промежуток времени Δt2. Затем определяется теплоемкость образца C1:
C1 = C – С0.
В таблице представлены значения удельных теплоемкостей c образцов металлов массой m, полученные с использованием экспериментальных данных по формуле
c = C1 / m = (C – С0) / m.
Найденные в процессе проведения эксперимента и табличные значения
удельных теплоемкостей металлов, Дж/(кг·К)
The table values of specific heat capacities of metals found during the experiment, J/(kg·K)
|
Металл |
Экспериментальное значение |
Табличное значение |
|
Алюминий |
900 |
920 |
|
Сталь |
500 |
460–500 |
|
Латунь |
410 |
380 |
Согласно таблице экспериментальная методика определения удельной теплоемкости металлов, учитывающая влияния различных факторов, дает достаточно точный результат. Такие лабораторные работы позволяют научить студента учитывать влияние различных факторов на эксперимент, развивают его аналитические способности.
Выполнение лабораторных работ, в основе которых лежат технические методы исследования по разделам физики, являющимся основополагающими для дальнейшего обучения студентов по их специальности, позволяет реализовать в обучении профессиональную направленность межпредметных связей. Так, студентам направления подготовки «Теплоэнергетика и теплотехника» для углубленного изучения необходимы работы по разделу физики «Термодинамика». На рис. 2 приведена такого вида работа для студентов направления «Эксплуатация судового оборудования и средств автоматики» по разделу «Электродинамика» на примере сборки и настройки простейшего радиоприемника с использованием лабораторного стенда «Электричество и магнетизм» ЭиМ-02-М.
Рис. 2. Сборка и настройка простейшего радиоприемника с использованием лабораторного стенда
«Электричество и магнетизм» ЭиМ-02-М
Fig. 2. Assembly and configuration of the simplest radio receiver using the laboratory stand
Electricity and magnetism ЭиМ-02-M
В процессе обучения студентов физике хорошо себя зарекомендовали виртуальные лабораторные работы. Такие лабораторные работы имеют ряд преимуществ. Их можно делать не только в компьютерном классе, но и запускать с мобильного устройства. Для того чтобы визуализировать физический процесс, не нужно идти в физическую лабораторию и собирать экспериментальную установку, достаточно по ссылке зайти на сайт с мобильного устройства. Виртуальные лабораторные работы позволяют сделать процесс обучения физике увлекательным, динамичным и вызывают интерес у студентов. Особенно актуально такое выполнение лабораторных работ для студентов, находящихся по каким-либо причинам на дистанционном обучении, или для студентов заочной формы обучения.
В открытом доступе имеются виртуальные лабораторные работы по физике [4], с помощью которых можно визуализировать физическое явление или процесс, посмотреть, как работает тот или иной физический закон. Однако такие работы [4] носят в основном демонстрационный характер, имеются в открытом доступе в ограниченном количестве. В связи с этим в рамках работы мастерской технического творчества «Прикладная физика» перед студентами, углубленно изучающими физику и языки программирования, была поставлена задача попытаться создать оригинальную виртуальную лабораторную работу, которая предполагает выполнение расчетов по результатам виртуального эксперимента и вычисление погрешностей измерений. Для выполнения данной задачи студентам была предоставлена физическая модель процесса, необходимая для создания электронной платформы для лабораторной работы по физике «Изучение закона сохранения импульса». Результаты работы студента, реализовавшего эту задачу, были представлены в виде доклада на 73-й Международной студенческой научно-технической конференции АГТУ и опубликованы в сборнике материалов конференции [5]. Данный доклад занял призовое место. Разработанная виртуальная лабораторная работа прошла апробацию на занятиях по физике в АГТУ. Скриншот этой работы приведен на рис. 3.
Рис. 3. Скриншот виртуальной лабораторной работы «Изучение закона сохранения импульса»
Fig. 3. Screenshot of the virtual laboratory work Studying the law of conservation of momentum
Для написания электронной платформы для виртуальной лабораторной работы был выбран язык программирования Javascript. Этот язык существует уже 25 лет, и за это время он стал очень популярным в IT-индустрии. Его преимущество состоит в том, что он доступен для освоения даже новичкам. Javascript позволяет делать интерактивные сайты, с помощью которых можно дополнить лабораторную работу анимацией, всплывающими окнами, формами для отправки информации. Данные функции языка программирования Javascript способны сделать виртуальные лабораторные работы увлекательными, информационно насыщенными, легкими для заполнения форм и отправки расчетов преподавателю.
В качестве физической модели для создания виртуальной лабораторной работы был использован типовой комплект оборудования «Упругое соударение тел», предназначенный для экспериментального изучения законов механики в учебном процессе высшей школы. Физическая модель процесса состоит в следующем. На рабочее поле с помощью катапульты выпускается шайба 1, имеющая начальные координаты (x01; 0), которая, свободно двигаясь, останавливается под действием силы трения в некоторой точке с координатой (x; 0). Далее шайба 1, имеющая первоначальные координаты (x01; y01), выпускается для соударения с покоящейся шайбой 2, первоначальные координаты которой (x02; y02). Рабочее поле покрыто миллиметровой бумагой, что позволяет зафиксировать координаты точек, в которых после упругого удара и дальнейшего движения под действием силы трения остановятся шайбы 1 и 2. Это координаты (x1; y1) и (x2; y2) соответственно. Согласно рис. 3 точное значение координат студент может видеть во всплывающем окне. Опыт многократно повторяется для нахождения среднего значения конечных координат шайб и расчета погрешности измерения. По измеренным величинам находим:
где l0 – путь, пройденный шайбой 1 по рабочему полю до остановки при свободном движении; l1, l2 – расстояния, проходимые шайбами после взаимодействия.
Под действием силы трения шайбы останавливаются. Работа силы трения определяется формулой Атр = μmgl. По теореме о кинетической энергии эта работа равна приращению энергии тела:
Приравнивая два выражения для работы силы трения, можно найти скорость шайбы 1 в момент соударения (рис. 4), а также скорости шайб 1 и 2 после удара (рис. 5):
Рис. 4. Положение шайб до удара
Fig. 4. Position of the washers before impact
Рис. 5. Положение шайб после удара
Fig. 5. The position of the washers after impact
Массы шайб одинаковы, поэтому закон сохранения импульса для данной системы тел имеет вид:
(1)
Таким образом, с помощью прямых измерений координат шайб можно проверить закон сохранения импульса. Приняв удар шайб за абсолютно упругий, можно воспользоваться законом сохранения полной механической энергии до и сразу после соударения:
(2)
Далее законы сохранения импульса (1) и энергии (2) были расписаны в проекциях на координатные оси (см. рис. 4 и 5). Совместное решение данных уравнений позволило рассчитать, как изменяются скорости шайб после абсолютно упругого удара [5]:
Полученная система уравнений стала математической моделью процесса взаимодействия шайб. На основании полученной системы уравнений на языке программирования Javascript была написана программа [5], которая позволила моделировать поведение шайб на доске. Эта программа стала электронной платформой для виртуальной лабораторной работы. После апробации данной виртуальной лабораторной работы на занятиях по физике и успешном выступлении на 73-й Международной студенческой научно-технической конференции АГТУ [5] студенту были поставлены задачи по проекту «Разработка цикла виртуальных лабораторных работ по физике» в рамках договора по программе «УМНИК»: 1) создать электронные платформы для цикла виртуальных лабораторных работ по физике, дополнив их всплывающими окнами в виде последовательных указаний по выполнению виртуального эксперимента, обработки результатов измерений и расчета погрешностей, формами для отправки результатов преподавателю; 2) провести тестирование и апробацию этих работ в группах студентов, при необходимости устранить недостатки; 3) зарегистрировать программы для виртуальных лабораторных работ; 4) сделать выводы о коммерческой выгоде при реализации проекта для образовательных учреждений. Для выполнения этих задач студенту были предложены физические модели механических, термодинамических, электромагнитных, оптических и квантовых процессов. Разработка электронных платформ для виртуальных лабораторных работ по этим физическим моделям позволит сделать образовательный процесс по физике увлекательным и наглядным для студентов. Преподаватель сможет через образовательный портал оценивать результаты расчетов выполненных студентом виртуальных лабораторных работ.
Заключение
Добавление в лабораторный практикум по физике работ, которые необходимы для углубленного изучения по конкретному направлению подготовки студентов и виртуальных лабораторных работ, позволит, с одной стороны, сформировать профессиональную направленность межпредметных связей у студентов, а с другой – будет способствовать использованию современных цифровых инструментов, сделает учебный процесс динамичным, увлекательным и доступным для студентов из любой точки, где есть интернет.
В ближайшее время планируется разработать и внедрить в образовательный процесс цикл оригинальных виртуальных лабораторных работ по физическим моделям механических, термодинамических, электромагнитных, оптических и квантовых процессов. Предлагается дополнить их всплывающими окнами в виде последовательных указаний по выполнению виртуального эксперимента, обработки результатов измерений и расчета погрешностей, формами для отправки результатов преподавателю. Такие лабораторные работы имеют ряд преимуществ. Их можно делать не только в компьютерном классе, но и запускать с мобильного устройства. Виртуальные лабораторные работы планируется сделать доступными для студентов на образовательном портале АГТУ, построенном на обучающей виртуальной среде Moodle и доступном из любой точки, имеющей подключение к сети Интернет, в том числе из локальной сети АГТУ.
1. Быкова В. П. Профессиональная направленность обучения студентов технического вуза в рамках спецкурса по физике // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2023. № 3. С. 114–124.
2. Неупокоева И. В. Актуальные проблемы преподавания физики в вузах и средних школах // Материалы 64-й Междунар. науч. конф. Астрахан. гос. техн. ун-та, посвященной 90-летнему юбилею со дня образования Астрахан. гос. техн. ун-та (Астрахань, 20–25 апреля 2020 г.). Астрахань: Изд-во АГТУ, 2020. С. 179–181. 1 CD-диск. URL: http://www.astu.org/Content/Page/5833 (дата обращения: 20.10.2023). № гос. регистрации 0322002778.
3. Давыдов М. В. Анализ экспериментальной методики определения удельной теплоемкости металлов // Материалы 72-й Междунар. студен. науч.-техн. конф. Астрахан. гос. техн. ун-та (Астрахань, 18–23 апреля 2022 г.). Астрахань: Изд-во АГТУ, 2022. С. 504–506. 1 CD-диск. URL: http://astu.org/Content/Page/5833 (дата обращения: 20.10.2023). № гос. регистрации 0322203345.
4. Девяткин Е. М. Виртуальные лабораторные работы по физике. 2022. URL: https://efizika.ru/ (дата обращения: 29.09.2023).
5. Дьяков Д. М. Разработка виртуальной лабора-торной работы «Изучение закона сохранения импульса» с использованием языка программирования JavaScript // Материалы 73-й Междунар. студен. науч.-техн. конф. Астрахан. гос. техн. ун-та (Астрахань, 17–22 апреля 2023 г.). Астрахань: Изд-во АГТУ, 2023. С. 942–944. 1 CD-диск. URL: http://astu.org/Content/Page/5833 (дата обращения: 10.10.2023). № гос. регистрации 0322304165.
