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).
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.
Рис. 2. Стержень на столе
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.
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 
зажимного цилиндра воспользуемся условием равновесия струбцины детали – 
На струбцину детали действует шесть сил (рис. 4): сила зажимного цилиндра 
, сила прижима 
, сила тяжести 
и сила нормального давления опоры 
, силы трения 
и 
.
Тогда условие равновесия для прихвата детали запишется
(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 
, 
, 
и 
по правилу правого винта и учитывая, что Mmg = 0, MN = 0, выражение (1) примет вид
или
, (2)
где l, h, r, l1 – плечи сил Р, Fтр, Fтр0, F соответственно.
Согласно определению силы трения Fтр и Fтр0 равны
, (3)
. (4)
Подставим (3) и (4) в (2):
или 
.
Тогда 
.
Выполним вычисления:
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 – Для модели 2 – Для модели 3 – |
|
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.