Анализ квалификационных характеристик выпускника по направлению подготовки 08.03.01 «Строительство», сформулированных в Федеральном государственном образовательном стандарте высшего образования (ФГОС ВО 3++) нового поколения свидетельствует о том, что одним из важнейших умений является проектирование объектов профессиональной деятельности. К объектам профессиональной деятельности будущего бакалавра-строителя относятся, например, промышленные и гражданские здания, гидротехнические и природоохранные сооружения, строительные конструкции и др. Проектирование объектов профессиональной деятельности является практически значимой, типовой профессиональной задачей для выпускника строительного вуза. Метод решения типовой профессиональной задачи основывается на знаниях естественно-научных, общепрофессиональных и специальных дисциплин.
Курс физики в техническом вузе составляет основополагающую базу, на которой строится общепрофессиональная и специальная подготовка бакалавров-строителей. Анализ учебных планов направления «Строительство» различных классических и технических вузов показал, что физика изучается в течение двух семестров и в среднем составляет 252 часа. Физические знания применяются для расчетов нагрузок на строительный объект; значений прочностных, деформационных и других физико-механических характеристик строительных материалов и грунтов; выполнения теплотехнических расчетов; расчета и оценки основных световых характеристик помещения и др. Все эти виды деятельности являются крайне необходимыми для проектирования объектов профессиональной деятельности.
Чтобы профессиональные задачи бакалавра–строителя включить в цели обучения физике, необходимо дополнить эти задачи обобщенными методами решения. Обобщенные методы решения задач используются при решении большого круга практически значимых задач [1-3]. В частности, сформированный обобщенный метод проектирования отдельного элемента строительной конструкции на занятиях по физике может быть использован в дальнейшем при изучении общетехнических и специальных дисциплин для проектирования любого инженерного сооружения в целом.
Цель исследования
Целью нашего исследования является разработка методики обучения проектированию объектов профессиональной деятельности студентов направления «Строительство», используя обобщенные методы решения типовых профессиональных задач, с применением знаний из курса физики.
Материал и методы исследования
Для выделения типовых профессиональных задач бакалавров-строителей воспользуемся «механизмом», предложенным Г.П. Стефановой [4]. Содержание данного «механизма» включает:
1) анализ практически значимых ситуаций, видов деятельности бакалавра-строителя, дипломных и курсовых проектов студентов, обучающихся по профилю «Промышленное и гражданское строительство», с целью выявления типовых профессиональных задач, решаемых с опорой на физические знания;
2) конкретизацию объектов профессиональной деятельности с учетом знаний курса физики. При этом следует иметь в виду, что конструкция сложной формы требует выделения отдельных элементов и сведения их к простейшим типам: брус (стержень, балка, стержневые системы), пластина (плита), оболочка, массивное тело;
3) выявление типовых профессиональных задач будущего бакалавра-строителя, в которых используются знания из курса физики.
Данный «механизм» позволил нам выделить основную типовую профессиональную задачу, связанную с проектированием объектов профессиональной деятельности. Оказалось, что эта задача включает следующие этапы, выполняемые на основе физических знаний: расчет механических характеристик объектов профессиональной деятельности или его отдельных элементов; расчет теплофизических характеристик строительных конструкций или его отдельных элементов; расчет световых характеристик зданий и сооружений.
В процессе выделения обобщенных методов решения типовых профессиональных задач бакалавра-строителя, содержащих отдельные этапы по проектированию конструкций, будем руководствоваться следующими положениями.
1. Деятельность по проектированию объектов профессиональной деятельности представляет собой целенаправленную систему взаимосвязанных элементов, объединенных единым мотивом и в совокупности обеспечивающих достижение конечной цели деятельности (разработка проектной документации строительного объекта), в состав которой они входят [5]. Взаимосвязь этих элементов обеспечивается за счет того, что результаты, полученные при изучении физики, передаются на следующие изучаемые дисциплины с постепенным усложнением и укрупнением этапов деятельности по проектированию. В результате последовательное выполнение отдельных этапов, через решение типовых профессиональных задач, приводит студентов к конечному результату деятельности – проектированию объекта профессиональной деятельности.
2. Любая деятельность по достижению поставленной цели состоит из трех этапов (ориентировочный, исполнительный и контрольно-корректировочный). На ориентировочном этапе студент определяет цель, выделяет объект и его свойства, а также составляет программу действий по преобразованию выделенного объекта в конечный объект с заданными свойствами. На втором этапе (исполнительном), используя разработанную программу действий, студент создает конечный объект с заданными свойствами и фиксирует информацию о его свойствах. На следующем (контрольно-корректировочном) этапе студенты сравнивают свойства конечного объекта с заданными, указанными в цели, выявляют несоответствия и при необходимости вносят коррективы в разработанную программу действий.
Нами выделено содержание трех этапов типовой профессиональной задачи «Проектирование объектов профессиональной деятельности». Выделим обобщенное содержание одного из этапов решения типовых профессиональных задач бакалавра-строителя, обучение которым осуществляется на занятиях по физике.
Содержание 1 этапа. Расчет механических характеристик объектов профессиональной деятельности или его отдельных элементов.
Выделяем цель деятельности: рассчитать механические характеристики объектов профессиональной деятельности или его отдельного элемента.
1. На исполнительном этапе устанавливаем, что в формулировке цель деятельности указана – рассчитать; конечным продуктом является значение механической характеристики объекта; свойства конечного продукта указаны – механические характеристики, описывающие объект профессиональной деятельности или его отдельный элемент.
2. Выделяем действия, которые необходимо выполнить на ориентировочном этапе: выделить объект профессиональной деятельности или его отдельный элемент; установить вид нагрузки (распределенная, сосредоточенная, постоянная, временная, статическая и т.д.), действующий на выделенный объект профессиональной деятельности или его отдельный элемент; указать физические явления и установить виды деформации; изобразить графическую модель поведения проектируемого объекта профессиональной деятельности или его отдельного элемента; установить физические величины, характеризующие данный вид деформации; записать физические законы, описывающие поведение объектов профессиональной деятельности или его отдельного элемента в заданных условиях; решить полученную систему уравнений и найти расчетное значение искомой физической величины.
3. Выделяем действие контрольно-корректировочного этапа: сравнить расчетное значение с нормативным согласно техническим условия и нормам проектирования.
Данному обобщенному методу решения типовой профессиональной задачи № 1 целесообразно обучать студентов при изучении раздела физики «Физические основы механики», включая «Механику упругих тел».
Результаты исследования и их обсуждение
Конкретизируем метод выполнения первого этапа проектирования, связанного с расчетом механических характеристик объекта профессиональной деятельности, опираясь на обобщенный метод.
Задача. В здании склада железобетонная балка опирается на пилястру и кирпичную колонну (рис. 1). определить максимальный изгибающий момент железобетонной балки от собственного веса, если полная нагрузка, которую может выдержать балка, без учета собственного веса равна 600 кН/м. Сечение балки 200х400 мм. Удельный вес железобетона 25 кН/м3. Необходимые размеры на чертеже даны в миллиметрах.
Метод решения
В первом действии обобщенного метода необходимо выделить объект профессиональной деятельности или его отдельного элемента. В данной задаче таким объектом является железобетонная балка, которая опирается на пилястру и кирпичную колонну.
Вторым действием обобщенного метода является установление вида нагрузки (распределенная, сосредоточенная, постоянная, временная, статическая и т.д.), действующей на выделенный объект профессиональной деятельности или его отдельный элемент. Согласно условию задачи, железобетонная балка испытывает нагрузку от собственного веса. Данную нагрузку необходимо учитывать в течение всего периода эксплуатации, поэтому она является постоянной. В практике инженерных расчетов нагрузка от собственного веса конструкций часто приводится к поверхностным нагрузкам, а они в свою очередь являются распределенными по некоторой поверхности. При расчете стержней распределенная нагрузка приводится к линейной нагрузке, распределенной по всей длине стержня. Поэтому в условии данной задачи нагрузка линейная распределенная и постоянная. Ее интенсивность определяется силой, отнесенной к единице длины объекта.
Третье действие обобщенного метода заключается в указании физических явлений и установлении вида деформации. Под действием постоянной нагрузки железобетонная балка деформируется, т.е. подвергается деформации на изгиб. В четвертом действии обобщенного метода необходимо изобразить графическую модель поведения проектируемого объекта профессиональной деятельности или его отдельного элемента.
Расчет конструкции с учетом всех механических свойств твердого тела, точных геометрических размеров и строгого взаимодействия отдельных элементов является очень сложным. Поэтому перед решением задачи сделаем расчетную схему – упрощенную идеализированную схему, которая отображает наиболее существенные особенности реального объекта (конструкции или отдельного элемента), определяющие его поведение под нагрузкой (рис. 2). В пятом действии обобщенного метода необходимо установить физические величины, характеризующие данный вид деформации: а) момент силы; б) вес тела; в) сила давления; г) удельный вес балки. В шестом действии обобщенного метода необходимо записать физические законы, описывающие поведение объектов профессиональной деятельности или его отдельного элемента конструкции в заданных условиях.
Условие равновесия системы: 
.
Конкретизируем условие равновесия относительно точки А и точки В:
, 
.
Следовательно, 
.
Мысленно проведем через балку плоскость, которая делит балку на две равные части. В каждой части будут действовать силы, характеризующие взаимодействия частей АС и СВ. Отбросим правую часть балки. Жестко закрепляем в месте отсечения и определим максимальный изгибающий момент в этой точки от действия перегрузки и реакции опоры R. Предварительно равномерно распределенную нагрузку заменяем на сосредоточенную.
На рисунке 3 нагрузка Q=Р/2 является условной заменой равномерно распределенной нагрузки на участке l/2. Располагаем оси координат в центре тяжести сечения (рис. 3).
Записываем уравнения равновесия железобетонной балки относительно точки А (рис. 3).
.
Если учесть, что произведение силы на длину балки это есть нагрузка, то
.
В седьмом действии обобщенного метода необходимо решить полученную систему уравнений и найти расчетное значение искомой физической величины.
Для простоты расчета не будем учитывать экономические, социальные и экологические последствия, которые могут возникать в результате аварий, т.е. коэффициентом надежности по ответственности пренебрегаем. В этом случае сила, действующая на 1 метр балки с учетом собственного веса:
Н/м.
Определим давление на 1 метр от собственного веса балки:
Н/м,
где 
- сила давления собственного веса, 
- удельный вес балки. Из рисунка определяем расчетную длину балки:
Проведем расчет результирующего значения поперечных сил относительно оси, проходящей через центр балки:
Н=4,2 кН
Н/м
Следовательно, максимальный изгибающий момент
Н·м
На контрольно-корректировочном этапе деятельности выполняется сравнение расчетного значения с нормативным согласно техническим условия и нормам проектирования.
Выводы
Основная типовая профессиональная задача бакалавров-строителей «Проектирование объектов профессиональной деятельности» содержит отдельные этапы, обучение которым возможно и целесообразно осуществлять на занятиях по физике (расчет механических (прочностных) характеристик объектов профессиональной деятельности или его отдельных элементов; расчет теплофизических характеристик строительных конструкций или его отдельных элементов; расчет световых характеристик зданий и сооружений). Обобщенное содержание по выполнению каждого этапа, с опорой на физические знания, а также разработанные специальные дидактические средства, необходимые для усвоения этих этапов, позволяют повысить качество подготовки будущих бакалавров-строителей к проектированию строительного объекта любой сложности.