Физика – основа профессиональной подготовки инженера

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 378

Физика - основа профессиональной подготовки инженера

В.И. Попков

Рассмотрены вопросы совершенствования преподавания физики в техническом университете как основы профессиональной подготовки инженера. инженер физика профессиональный

Ключевые слова: физика; естественно-научная подготовка; научная картина мира; инженер.

Высшее профессиональное образование в последнее время сталкивается с серьезными проблемами. С одной стороны, произошли изменения в представлениях общества о целях и содержании образования как такового, приведшие к появлению новой образовательной парадигмы, основанной на гуманистических и демократических принципах и ставящей в центр внимания задачу воспитания гармонически развитой личности. Эти представления пока еще находятся в противоречии с педагогической практикой, ориентированной на узкоспециальную подготовку, что особенно характерно для инженерных специальностей.

С другой стороны, изменились требования к характеру и качеству профессиональной подготовки специалистов вследствие качественного скачка в социально - экономическом и техническом развитии общества. Это выражается в появлении новых типов теоретических и практических задач, отличающихся системным и междисциплинарным характером, нестандартностью, глобальностью возможных последствий. Такие задачи не имеют простых и однозначных решений, что требует существенного изменения характера всей профессиональной деятельности специалистов, в том числе и инженеров, обусловливает необходимость подготовки специалистов нового типа, умеющих творчески и широко мыслить, способных самостоятельно принимать решения и сознающих свою личную и корпоративную ответственность за их результаты. Особую роль в решении этих проблем играет естественно-научная подготовка специалистов, основу которой составляет физика.

Судьба естественно-научного образования, особенно физического, как в средней, так и в высшей школе России на протяжении последних десятилетий складывается весьма противоречиво. Под разговоры на всех уровнях о необходимости усиления фундаментальной подготовки на всех ступенях образования фактически происходило сворачивание ее. С конца 50-х к началу 90-х годов объем математики в технических вузах уменьшился на 30%, практически в два раза сократился курс химии. В период с 1959 по 1972 год курс физики в технических вузах составлял 350 аудиторных часов, читался в течение четырех семестров. Кроме того, читались спецкурсы объемом 50 - 70 аудиторных часов [1] . В настоящее время для большинства технических специальностей курс физики читается в течение трех семестров, объем аудиторных часов сократился до 204, т.е. курс физики сократился на 40% по сравнению с 60-ми годами ХХ века. Ликвидированы у большинства специальностей спецкурсы. В последнее десятилетие упал престиж естественно-научного образования в целом.

Цикл естественно-научных дисциплин выпускающими кафедрами воспринимается часто как вспомогательный. Часто идет речь о профилизации курса физики с учетом будущей специальности, об изложении только тех вопросов, которые могут пригодиться в будущей профессиональной деятельности. При этом не принимается во внимание, что физика - единая наука, обладающая внутренней структурой, все части которой взаимосвязаны. Исключение отдельных разделов нарушает внутреннюю логику дисциплины, делает преподавание физики формальным. В этом случае у студентов формируется неполная, фрагментарная физическая картина окружающего мира. Выпускающие кафедры часто претендуют на чтение курсов по выбору из блока естественно-научных дисциплин. В последние годы стареет и почти не обновляется лабораторная база кафедр физики в вузах, все труднее становится комплектовать преподавательский состав специалистами, ухудшается положение и с лаборантским составом. Все это ведет к ухудшению подготовки инженеров по физике и естественно-научной подготовки в целом, что, соответственно, снижает качество выпускаемых инженеров.

В то же время роль физики и других естественных наук должна возрастать. При интенсивном развитии новых сложных процессов и технологий физика все чаще выступает по отношению к технологии не только как ее естественно-научное обоснование, но и как повседневный рабочий инструмент. Растет насыщенность производства физическими методами контроля, расширяются масштабы использования в технике и технологиях новых физических эффектов и явлений, нанотехнологий. Увеличение наукоемкости приближает инженерные теории к физическим. В настоящее время не может быть выдающихся технических решений без использования фундаментальных открытий. Вся история развития техники представляет собой галерею блестяще реализованных в инженерных конструкциях теоретических и экспериментальных физических открытий: законы термодинамики, использованные в тепловых двигателях; научные идеи К.Э.Циолковского, воплощенные в ракетной технике; электродинамика Максвелла - Фарадея, ставшая основой современной радиоэлектроники; открытие электрона Д.Томсоном, положившее начало технической электронике; теория относительности А.Эйнштейна и открытие деления урана, лежащие в основе ядерной энергетики; предсказание В.А.Фабрикантом возможности создания молекулярного генератора световых волн на основе теории индуцированного излучения А.Эйнштейна и создание лазеров Н.Г.Басовым, А.М.Прохоровым и Ч.Таунсом; полупроводниковая техника и многое другое.

Главная цель инженерного образования - формирование гармонически развитой личности, в совершенстве владеющей основами профессиональной деятельности, удовлетворяющей современным требованиям производства, обладающей научным мировоззрением, потребностью и умением познавать окружающий мир, работать творчески. Так как основу всех технических систем и технологий составляют естественные науки, необходимо целенаправленно усиливать естественно-научную подготовку инженеров, как количественно, так и качественно.

Науки о природе не только обеспечивают технологический прогресс, но и формируют менталитет инженера, особый тип рационального мышления. Критически - аналитическая рациональность, свойственная естественно-научному знанию, важна для мировоззренческой ориентации современного инженера. Она приучает инженера к относительности систем отсчета и суждений, к уяснению ограниченности и модельности наших представлений о мире, к новым представлениям об объективности научного знания, к пониманию дополнительности и альтернативности как природных, так и социальных феноменов [2]. Инженеру необходимо систематическое знакомство с методами физического моделирования как специфической формой научного мышления и познания окружающего мира. Физическое моделирование приучает к анализу и учету условий функционирования объекта, к необходимости сопоставления теоретических построений с действительностью, к относительности области применения тех или иных моделей, а также к абстрагированию и формализации информации.

В новой научной парадигме акцент переносится с изучения инвариантов системы положений равновесия на изучение состояний неустойчивости, механизмов возникновения нового, рождения и перестройки структур, самоорганизации. Возникает возможность универсальным образом описывать явления самоорганизации, проявляются значение открытости систем и конструктивная роль хаоса, природа катастрофических революционных изменений в системах, механизмы альтернативности их развития и т.д. Синергетические идеи, воплощенные в теории диссипативных структур, можно рассматривать как платформу, на которой возникает новое, эволюционное естествознание.

Существенное изменение общественных требований к качеству высшего образования в последнее время диктует необходимость постоянного обновления его содержания, в том числе и в первую очередь цикла естественно-научных дисциплин, совершенствования организационных форм и структур высшей школы. К сожалению, часто курс физики модернизируется путем механического добавления нового материала без учета его влияния на осмысление и формирование физической картины мира в целом. В курсах физики часто отсутствует направленность на удовлетворение мировоззренческих потребностей личности, проявляющихся в интересе к методологическим аспектам становления и развития физического знания, к установлению родства между рационально - научным знанием и другими компонентами человеческой культуры [3] .

В результате изучения естественно-научных дисциплин в техническом вузе необходимо усвоить общие естественно-научные и методологические подходы, специфически преломляемые в каждой отдельной дисциплине: методологические закономерности развития естественно-научного знания, смена типов научной рациональности и общих представлений о взаимоотношениях природы и познающего субъекта, осознание единства человека и природы, потребность в формировании целостной естественно-научной культуры и развитии рационального естественно-научного мышления. Академик Н.Н.Моисеев писал: «Сегодня под лавиной информации мы страдаем от неспособности охватить комплексность проблем, понять связи и взаимодействия между вещами, находящимися для нашего сегментированного сознания в разных областях». Возникла необходимость замены механистическо - детерминистской картины мира на синергетически - эволюционную. Парадигмой становится биосфера как единое целое, которое или стремится к ноосфере, или гибнет.

Важнейшим компонентом естественно-научной и профессиональной подготовки инженера является формирование научного мировоззрения. Особенно возрастает роль мировоззренческой подготовки в условиях непрерывного научно - технического прогресса, перехода к постиндустриальному и открытому обществу, глобального распространения информационных технологий. Вузовский курс физики предоставляет богатые возможности для мировоззренческой подготовки. Физика имеет тесные связи как с другими естественными науками, опирающимися на лежащие в основе изучаемых ими явлений физические закономерности и использующими физические методы исследований, так и с общетехническими дисциплинами (сопротивлением материалов, теоретической механикой, электротехникой и др.). Физика является естественно-научным основанием техники. В то же время физика, изучая наиболее общие и фундаментальные законы природы, имеет много точек соприкосновения с философией. В физике широко используются важнейшие философские категории: материя и движение, пространство и время, конечное и бесконечное, необходимое и случайное, причина и следствие и т.д. С другой стороны, физика дает огромный фактический материал для конкретизации и развития философских законов и категорий, понимания многих методологических проблем науки. Подчеркивая ведущую роль физики в ХХ веке, член-корреспондент РАН Н.В.Карлов писал: «Вне всяких сомнений, ХХ век был веком физики, люди именно этой науки создали ХХ век таким, каким он, как некая цельность, вошел в историю человечества и занял в ней свое славное место… Ни один мало-мальски серьезный культурологический дискурс, претендующий на выявление культурной, в широком смысле слова «культура», доминанты ХХ века, не обходится без совершенно справедливых рассуждений о роли фундаментальной науки вообще и физики в особенности в создании того облика этого века, который мы наблюдаем как в философской отстраненности, так и в жизненной повседневности. Физика в ХХ веке - это не только основополагающая наука, формирующая мировосприятие деятельного человека. Она не только снабдила человечество знанием природы вещей и умением это знание использовать. Она построила надежное научное основание развитию инженерного искусства, химии и биологии, материаловедения и энергетики, дала мощный импульс математике и обеспечила в начале XXI века триумфальное шествие науки о живом и информатики» [4].

Формирование научного мировоззрения - чрезвычайно сложная проблема. Умение ориентироваться в сложном, противоречивом, но взаимосвязанном мире не приходит стихийно, ему надо учить систематически и целенаправленно. В процессе преподавания физики необходимо использовать богатейший материал по вопросам методологии, логики и теории познания. Это позволяет расширить и углубить представления студентов о сущности материи и движения, единстве, многообразии и взаимосвязи материального мира.

При изучении физики большое внимание уделяется категориям материи и движения. Это необходимо не только потому, что физика ХХ века существенно изменила представления о материи и движении, но и потому, что на новейших открытиях физики спекулируют различные идеалистические школы, искажая их смысл. Глубокий смысл понятия материи раскрывается не в классической физике, а именно тогда, когда вводится понятие поля как одного из видов материи: в теории относительности, атомной и ядерной физике, физике элементарных частиц. Особое внимание обращается на осознание понятия бесконечности материи. Под этим понимается не только отсутствие границ материального мира во времени и пространстве, что актуально при рассмотрении различных моделей эволюции Вселенной, но и бесконечность по своим свойствам каждого материального объекта, что иллюстрируется открытиями в физике элементарных частиц.

В курсе физики полезно обращать внимание студентов на то, как под влиянием новых открытий менялось содержание тех или иных физических понятий. В качестве примера можно привести изменения представлений о пространстве и времени, рассмотреть диалектику понятия массы.

Особое место в физике занимают законы сохранения. Исключительная общность и универсальность законов сохранения определяют их научное, методологическое и философское значение. Они являются основой важнейших расчетов в физике и ее технических приложениях. С законами сохранения связано введение в физику новых фундаментальных идей, имеющих принципиальное значение. Законы сохранения служат пробным камнем любой физической теории. Непротиворечивость теории этим законам служит убедительным аргументом в ее пользу и является критерием ее истинности. Поэтому в современных физических теориях большую роль играет идея сохранения специфических для данной теории величин, причем часто поиски этих величин являются важнейшей частью теории. В законах сохранения находит свое отражение материалистический принцип неуничтожимости материи и движения, взаимосвязь между различными формами движущейся материи и специфика превращения одних форм движения в другие, что очень важно для инженерной практики.

При изучении законов сохранения внимание обращается на то, что сохраняемость - всеобщее свойство материи, противоположностью которого является превращаемость. Законов сохранения может быть много, так как существует бесконечное множество специфических сторон материи, каждая из которых обладает каким-либо постоянством. В курсе физики раскрывается содержание различных законов сохранения, их значение для инженерной практики. Обращается внимание на особую важность для инженерной практики законов сохранения энергии, импульса, момента импульса, первого и второго начал термодинамики. Одним из аспектов законов сохранения является их связь с принципами симметрии. В курсе физики показывается связь законов сохранения энергии, импульса и момента импульса со свойствами пространства и времени. Обращается внимание на то, что многие законы представляют собой частные случаи более общих законов. Так, законы Бернулли, Джоуля - Ленца, первое начало термодинамики, уравнение Эйнштейна для фотоэффекта представляют собой различные проявления закона превращения и сохранения энергии. Это подтверждает единство и взаимосвязь явлений в природе.

Естественно-научная подготовка инженера включает выработку активного отношения к действительности, умения ставить проблемы, объективно верно отражать окружающий мир. В современном естествознании одной из основных тенденций является усложнение объекта исследования. Предметом исследования стал мир квантово - механических явлений, характеризующийся новыми, несводимыми к классической физике закономерностями, а также принципиальной ненаблюдаемостью изучаемых объектов. Исследование квантово - механических объектов специфично, здесь непосредственному восприятию доступен лишь результат воздействия частиц на приборы. Возрастает познавательная активность субъекта, что связано с повышением значения приборов, а также с широким применением в познании математических средств.

Особый интерес представляет проблема измерений в микромире. В классической физике считалось, что введение прибора в какую-либо систему не изменяет состояния системы. В применении к макроскопическим системам воздействие наблюдателя (субъекта) на объект ничтожно мало, им можно пренебречь. Совершенно иначе обстоит дело в микромире, где макроскопический прибор не может не влиять на микрообъект. При квантово-механическом описании природы объект изучения и экспериментальный прибор образуют единую систему. Рассматривать поведение изучаемого объекта имеет смысл только исходя из результатов измерений. В экспериментах мы наблюдаем не реальность как таковую, а лишь квантовое явление, включающее результат взаимодействия прибора с микрообъектом. Имеются два класса приборов: в одних квантовые микрообъекты ведут себя как волны, в других - как частицы. Корпускулярный или волновой характер микрообъект приобретает только в глазах экспериментатора. М.Борн образно заметил, что волны и частицы - это «проекции» физической реальности на экспериментальную ситуацию. Значение эксперимента в квантовой механике возросло до такой степени, что В.Гейзенберг заметил: «… наблюдение играет решающую роль в атомном событии, реальность различается в зависимости от того, наблюдаем мы ее или нет… Квантовая теория уже не допускает вполне объективного описания природы». В соответствии с принципом неопределенности В.Гейзенберга, в физической системе нельзя измерять все без конца и края. В ней всегда остаются неизвестные величины, о которых можно судить с некоторой вероятностью, но без полной определенности.

Другая тенденция современного естествознания - проникновение вглубь материального мира, усложнение взаимодействия с ним, рост абстрактности научной теории, усложнение взаимодействия теоретического и эмпирического уровней знаний, формализованного и содержательного языков. Возрастает значение теоретических методов, математических средств, аксиоматико - дедуктивных способов построения научных теорий, формализации. В современной физике широко используется построение математических моделей, которые до определенного времени не имеют своей содержательной, предметной интерпретации. Потеря наглядности осложняет процесс познания. В этих условиях нередко допускается субъективизация научного теоретического знания, а иногда - отрицание объективной истины. Это необходимо аргументированно разъяснять студентам при изложении соответствующего материала. Иначе у инженеров рождается представление об абсолютной оторванности таких моделей от реальности, об отсутствии у них статуса объективности. Деятельность по созданию знаковых моделей нередко рассматривается как особый род произвольной игры. Тенденция к абстрагированию проявляется не только в физике, химии, биологии, но и в области технических дисциплин. Повышение уровня абстрактности технических дисциплин выражается в усилении их относительной самостоятельности по отношению к инженерной практике, в возрастании роли методологических принципов, заимствованных из области системного подхода.

Достижения неклассической науки определяют направление и темпы развития техники, открытие новых источников энергии, создание новых материалов с наперед заданными характеристиками. В то же время они влияют на развитие общества в целом, на философские установки ученых и инженеров, ставят вопрос моральной ответственности в научной и технической сфере. Нынешнюю стадию развития индустриального общества часто называют «обществом риска». Риск становится атрибутом современного нестабильного социума. Степень его неопределенности и неустойчивости начала расти с тех пор, как скорость развития технологий стала превышать скорость осознания человеческим обществом причин и особенно последствий этого развития. Наше общество можно назвать обществом опасностей и катастроф, причем основные опасности сегодня зависят не от природы, а от действий и решений, принятых или не принятых человеком. Риск часто непосредственно связан с опасностями современных технологий, которые угрожают планетарной цивилизации; сегодня технико-экологические риски приобретают первостепенное значение. Впервые в истории общество имеет дело с искусственно созданной перспективой самоуничтожения [5]. Академик Н.Н.Моисеев подчеркивал: «Кризис во взаимоотношениях природы и общества стремительно нарастает, и образование должно далеко выходить за рамки узкого профессионализма. Современный человек должен видеть мир в его целостности. Только представление об общей логике развития того мира, в котором мы живем, поможет нам избежать катастрофических последствий кризиса, который неумолимо надвигается. А может, и избежать самого кризиса!» [6]. В XXI веке человечеству предстоит создать новую культуру взаимоотношений с природой. Экологические представления проникают во все сферы жизни и являются фактором, объединяющим человечество перед угрозой глобальных катастроф. Экологическое образование становится неотъемлемой частью подготовки инженера. И здесь физика, не только формирующая естественнонаучное мировоззрение, но и закладывающая базу знаний о закономерностях происходящих в природе явлений, становится неиссякаемым источником новых творческих решений эколого-сберегающих технических задач. Инженер, обладающий хорошей естественно-научной подготовкой, будет сочетать в своих проектах практическую пользу с бережным отношением к природе.

Подготовка специалистов в техническом университете должна сопровождаться обязательным совершенствованием их базовой подготовки по естественно-научным дисциплинам, и в первую очередь по физике. Выпускник БГТУ должен получать не узкоспециализированные, а фундаментальные, комплексные представления о научной картине мира, основных методологических приемах естествознания. Требуется безотлагательное улучшение математической и естественно-научной подготовки инженеров. Цикл естественнонаучных дисциплин должен быть представлен в образовательных программах в соответствии с современными требованиями к образованности инженера. Задача естественно-научного образования - обеспечить оптимальные условия для взаимодействия различных типов мышления, заложить основу для дальнейшего саморазвития и самообразования инженера в течение всей творческой жизни.

Математика, физика, теоретическая механика, информатика составляют основу теоретической подготовки инженера и играют роль фундаментальной физико - математической базы, без которой невозможна успешная деятельность инженера. Улучшение естественно-научной подготовки инженера не должно сводиться к простому увеличению объемов естественно-научных дисциплин. Речь должна идти о качественно новом уровне преподавания этих дисциплин как единого комплекса наук о природе и месте в ней человека.

Список литературы

1. Сенашенко, В. Естественно-научное образование в высшей школе / В.Сенашенко, Н.Сенаторова // Высшее образование в России. - 2001. - №2. - С. 3 - 9.

2. Голубева, О.Н.Концепция фундаментального естественно-научного курса в новой парадигме образования / О.Н.Голубева // Высшее образование в России. - 1994. - №4 . - С. 23 - 27.

3. Голубева, О. Как реформировать общее естественно-научное образование? / О.Голубева, В.Кагерманьян, А.Савельев, А.Суханов // Высшее образование в России. - 1997. - №2. - С.46 - 53.

4. Карлов, Н.В. «Одной лишь думы власть…» / Н.В.Карлов // Вестн. РАН. - 2003. - Т.73. - С. 65 - 71.

5. Попкова, Н.В. Философия техносферы / Н.В.Попкова. - М.: Изд-во. ЛКИ, 2008. - 344 с.

6. Моисеев, Н.Н. Универсум. Информация. Общество / Н.Н. Моисеев. - М.: Устойчивый мир, 2001. - 200 с. - (Б - ка журн. «Экология и жизнь». Сер. «Устройство мира»).

Размещено на Allbest.ru