Научный журнал
Международный журнал экспериментального образования

ISSN 2618–7159
ИФ РИНЦ = 0,431

ОБУЧЕНИЕ МОДЕЛИРОВАНИЮ СТУДЕНТОВ ТЕХНИЧЕСКОГО ВУЗА ПРИ РЕШЕНИИ КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ЗАДАЧ ПО ФИЗИКЕ И ЗАДАЧ С ТЕХНИЧЕСКИМ СОДЕРЖАНИЕМ

Шабунина Н.В. 1 Оруджова О.Н. 1
1 ФГАОУ ВО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»
Обучение студентов высшей школы одному из методов научного познания – методу моделирования при решении физических задач вызывает затруднение в том, что среди многообразия задач сложно отобрать такие задачи, в которые были бы включены все основные этапы моделирования при их решении, задачи, в которых было бы возможно проследить преобразование модели объекта-оригинала. В связи с этим в представленном исследовании показано, как возможно при решении задач, объединенных в систему, сформировать умения моделирования у студентов, обучающихся в вузах по техническим направлениям подготовки. Представлены задачи, которые объединены в системы задач, имеющих следующую классификацию: системы теоретических задач (СТЗ), включающие в данную группу: системы теоретических задач по физике (СТЗФ) и системы задач с техническим содержанием и задач по физике (СЗТСиЗФ), а также системы экспериментальных задач (СЭЗ). Использование СЗТСиЗФ в ходе изучения дисциплины «Физика» в вузе способствует не только формированию умений моделирования у студентов, но и раскрывает тесную взаимосвязь фундаментальных дисциплин, а именно дисциплины «Физика» естественнонаучного цикла с дисциплинами профессионального цикла инженерно-технических направлений подготовки. Принцип преобразования «простой» модели объекта-оригинала в более «сложную» заложен в процесс организации деятельности студента по обучению методу моделирования и формирования умений данного метода в ходе решении систем задач.
моделирование
физика
решение задач
практическое занятие
объект познания
модель объекта познания
1. Афонин В.В. Моделирование систем: учебно-практическое пособие. М.: БИНОМ. ЛЗ, ИНТУИТ, 2012. 231 c.
2. Бендриков Г.А., Буховцев Б.Б., Керженцев В.В., Мякишев Г.Я. Задачи по физике: для поступающих в вузы: учеб. пособие для подгот. отделений вузов. 10-е изд., стереотип. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. 344 с.
3. Кропачева Н.Ю. Применение элементов моделирования в обучении // Теория и практика сервиса. СПб.: Изд-во СПбГУСЭ, 2010. № 3. С. 120–124.
4. Оруджова О.Н., Махин В.Э., Шабунина Н.В. Интеграция и междисциплинарные связи физики и предметов профессионального цикла // Развитие Северо-Арктического региона: проблемы и решения материалы научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова. 2016. С. 350–353.
5. Шейнбаум В.С. Методология инженерной деятельности: учеб. пособие. Н. Новгород: Изд-во РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2007. 360 с.

С одной стороны, решение любых задач, в том числе и задач по физике, направлено на закрепление теоретических знаний, применение их в конкретных ситуациях, формирование научного стиля мышления [1–3], что естественно связано с методологией научного познания, с другой стороны, переход системы образования на стандарты III поколения обусловил в среднем изменение количества часов в естественнонаучном цикле подготовки студентов высшей технической школы, но при этом по-разному распределив количество часов на занятия разной формы обучения. А именно, произошло уменьшение количества часов, отводимых на изучение курса общей физики бакалаврами, но при этом количество часов для проведения практических занятий увеличилось по сравнению с подготовкой специалитета. Поэтому наиболее целесообразно формировать умения моделирования на практических занятиях при решении задач.

Цель исследования: формирование умений моделирования в ходе заполнения таблицы по освоению основных этапов метода моделирования после решения СЗТСиЗФ. Струбцина детали – изучаемый объект познания в рассматриваемой системе задач.

Материалы и методы исследования: СЗТСиЗФ (система задач с техническим содержанием и задач по физике); таблица «Формирование умений моделирования в ходе решения систем задач»; метод моделирования, используемый в ходе решения разных типов систем задач.

Результаты исследования и их обсуждение

Обучение студентов высшей школы одному из методов научного познания – методу моделирования при решении физических задач вызывает затруднение в том, что среди многообразия задач сложно отобрать такие задачи, в которые были бы включены все основные этапы моделирования при их решении, задачи, в которых было бы возможно проследить преобразование модели объекта-оригинала. В связи с этим в представленном исследовании показано, как возможно при решении задач, объединенных в систему сформировать умения моделирования у студентов, обучающихся в вузах по техническим направлениям подготовки. Задачи в системы подобраны таким образом, чтобы в каждой системе выполнялось условие преобразования «простой» модели объекта-оригинала в более «сложную» модель. Преобразование «простой» модели в более «сложную» модель происходит, если к изучаемому объекту-оригиналу добавляются новые исследуемые объекты и (или) учитываются внешние факторы (рис. 1).

habun1.wmf

Рис. 1. «Простая» модель, преобразованная в «сложную»

Будем считать, что «простая» модель объекта-оригинала – это модель, которая частично отражает свойства изучаемого объекта-оригинала, а «сложная» – это модель, которая более полно описывает свойства, изучаемого объекта-оригинала.

Используя указанный общий прием преобразования «простой» модели в «сложную», из огромного количества задач отобраны задачи и составлены системы задач следующей классификации: системы теоретических задач по физике (СТЗФ); системы задач с техническим содержанием и задач по физике (СЗТСиЗФ); системы экспериментальных задач (СЭЗ) [4–5].

Отличие СЗТСиЗФ от СТЗФ сводится к тому, что при решении данной системы изучаются устройство и работа технических механизмов, (например, грузоподъемный кран, лифт, оборудование для крепления горных выработок, оборудование для бурения шпуров и скважин, индукционный нагреватель, электропечь дуговая, насосы, компрессоры, ресивер, сушилка и другие) на основе физических явлений и законов. Важность решения СЗТСиЗФ заключается в тесной связи дисциплин спецкурсов и курса физики, которые изучаются в технических вузах.

Как пример СТЗ, в данной статье рассмотрим СЗТСиЗФ. Изучаемым объектом познания в данной системе является струбцина детали.

Использование систем задач с техническим содержанием и задач по физике при изучении курса физики в вузе позволит как сформировать умения моделирования объектов познания у студентов, так и раскрыть тесную взаимосвязь фундаментальных дисциплин, а именно дисциплины «Физика» естественнонаучного цикла с дисциплинами профессионального цикла инженерно-технических направлений подготовки.

Рассмотрим в качестве примера три задачи:

Задача 1. Определите, какую минимальную силу F необходимо приложить к концу однородного стержня массой m = 6 кг и длиной L, находящегося на столе, чтобы стержень оставался в горизонтальном положении (рис. 2)? Считайте, что две трети длины стержня находятся за краем стола.

habun2.wmf

Рис. 2. Стержень на столе

habun3.wmf

Рис. 3. Струбцина

Задача 2. На рис. 3 схематично показана струбцина к столу металлорежущего станка. Сила прижима P составляет 3 кН, f0 = 0,1 – коэффициент трения на оси струбцины, r = 10 мм – радиус штока. Размеры l и l1 равны 50 мм и 150 мм соответственно. Определить необходимую силу F зажимного цилиндра.

Задачу 3 рассмотрим подробно, представив ее решение.

Задача 3. На рис. 4 схематично показана струбцина детали к столу металлорежущего станка. Сила прижима P составляет 3 кН, f0 = 0,1 – коэффициент трения на оси струбцины, f = 0,15 – коэффициент трения между струбциной и деталью, радиус штока r = 10 мм. Размеры l, l1, h и h1 равны 50 мм, 150 мм, 35 мм и 20 мм соответственно. Определить необходимую силу F зажимного цилиндра.

habun4.wmf

Рис. 4. Струбцина детали другой формы

Дано: P = 3 кН = 3×103 Н; r = 10 мм = = 10×10-3 м; f0 = 0,1; f = 0,15; l = 50 мм = = 50×10-3 м; l1 = 150 мм = 150×10-3 м; h = 35 мм = 35×10-3 м; h1 = 20 мм = 20×10-3 м.

Найти: F.

Решение: Для определения силы hab01.wmf зажимного цилиндра воспользуемся условием равновесия струбцины детали – hab02.wmf

На струбцину детали действует шесть сил (рис. 4): сила зажимного цилиндра hab03.wmf, сила прижима hab04.wmf, сила тяжести hab05.wmf и сила нормального давления опоры hab06.wmf, силы трения hab07.wmf и hab08.wmf.

Тогда условие равновесия для прихвата детали запишется

hab09.wmf (1)

Моменты силы тяжести и силы нормального давления опоры относительно оси О равны нулю (Mmg = 0, MN = 0), так как их плечи равны нулю.

Определив направления векторов hab10.wmf, hab11.wmf, hab12.wmf и hab13.wmf по правилу правого винта и учитывая, что Mmg = 0, MN = 0, выражение (1) примет вид

hab14.wmf

или

hab15.wmf, (2)

где l, h, r, l1 – плечи сил Р, Fтр, Fтр0, F соответственно.

Согласно определению силы трения Fтр и Fтр0 равны

hab16.wmf, (3)

hab17.wmf. (4)

Подставим (3) и (4) в (2):

hab18.wmf или hab19.wmf.

Тогда hab20.wmf.

Выполним вычисления:

hab21.wmf Н.

Ответ: F = 1132 Н.

Формирование умений моделирования в ходе решения систем задач

Этапы метода моделирования

Действия, выполняемые студентами

в ходе решения системы задач

1. Формулировка задачи

Проанализируйте условия (решения) задач системы и сформулируйте цель исследования.

Выясните причины, влияющие на силу прижима детали струбциной.

Укажите, какой объект исследуется в системе задач (объекты исследования: физические объекты; технические устройства; явления, свойства которых различаются физическими величинами)

Струбцина для прижима детали

2. Построение или выбор модели объекта познания

В задачах выберите модели исследуемого объекта-оригинала, используя переход от «простой» модели к более «сложной»:

Модель 1 – стержень с равномерно распределенной массой по всему объему.

Модель 2 – струбцина.

Укажите, какова причина изменения модели:

У исследуемого объекта изменилась форма, а также действует сила трения в оси струбцины.

Модель 3 – струбцина детали другой формы.

Укажите, какова причина изменения модели:

Изменилась форма исследуемого объекта, а сила трения появилась еще между струбциной и деталью

Окончание таблицы

Этапы метода моделирования

Действия, выполняемые студентами

в ходе решения системы задач

3. Исследование модели объекта познания

Укажите преобразования, которые произошли с моделями (1, 2, ….) объекта познания с помощью законов физики и математических выражений.

Для модели 1 – hab22.wmf.

Для модели 2 – hab23.wmf.

Для модели 3 – hab24.wmf.

4. Разбор и анализирование результатов, полученных при изучении модели

Проведите анализ ответов (числовых или в общей форме), полученных в пункте 3.

Для модели 1 – F = 30 Н.

Для модели 2 – F = 1027 Н.

Для модели 3 – F = 1132 Н.

Полученные ответы при решении задач указывают на то, что сила зажима между струбциной и деталью увеличивается

5. Перенос знаний о модели на изучаемый объект

Обобщите результаты пункта 4, сделайте вывод об объекте познания на основе изменения его моделей.

Форма струбцины и наличие трения влияют на силу прижима детали струбциной.

Учет трения не только в оси струбцины, но и между прижимом струбцины и детали увеличивает силу прижима детали струбциной

Заключение

1. Цель изучения дисциплины естественнонаучного цикла «Физика» заключается не только в формировании у студентов глубоких знаний и умений для использования их в практической деятельности, но и в обучении студентов методам учебного познания содержания дисциплины, в частности методу моделирования, соответствующим общекультурным, профессиональным компетенциям и видам профессиональной деятельности [4–5].

2. Одной из познавательных задач проведения практических занятий по физике в техническом вузе является обучение студентов методу моделирования объектов познания.

3. Выявление соответствия знаний и умений, определяемых содержанием курса физики, видами профессиональной деятельности разных направлений подготовки, компетенциями и умениями метода моделирования осуществляется в ходе решения задач на практических занятиях при сотрудничестве преподавателя и студентов.

4. Общий принцип преобразования «простой» модели объекта познания в более «сложную» модель при решении СТЗ заложен в учебную деятельность студента для формирования умений моделирования объектов познания.


Библиографическая ссылка

Шабунина Н.В., Оруджова О.Н. ОБУЧЕНИЕ МОДЕЛИРОВАНИЮ СТУДЕНТОВ ТЕХНИЧЕСКОГО ВУЗА ПРИ РЕШЕНИИ КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ЗАДАЧ ПО ФИЗИКЕ И ЗАДАЧ С ТЕХНИЧЕСКИМ СОДЕРЖАНИЕМ // Международный журнал экспериментального образования. – 2019. – № 1. – С. 34-39;
URL: http://expeducation.ru/ru/article/view?id=11854 (дата обращения: 27.01.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074