Безопасность государства напрямую коррелирует с использованием новейших военных технических разработок, что определяет потребность в высококвалифицированных офицерах. Поэтому подготовка военных специалистов высокого уровня имеет важное значение. Повысить уровень профессиональной подготовки будущих военных возможно при условии реализации межпредметных связей в системе высшего профессионального образования [1–3].
Вопросы межпредметных связей в образовании изучаются с середины прошлого века и постепенно сублимировались от простого кросс-предметного аспекта до отдельной дидактической проблемы. В изучение данной темы внесли вклад такие ученые, как М.Н. Берулава, С.Н. Бабина, А.В. Усова, И.Д. Зверев, и другие исследователи. Однако эта тема остается актуальной и в современном мире. Реализации межпредметных связей в высшем образовании посвящены работы А.Ю. Сагайдак, А.Н. Крылова, И.П. Томиной и других ученых [4–6].
В настоящее время рассмотрены вопросы, связанные с осуществлением межпредметных связей при изучении в военном вузе общепрофессиональных дисциплин, физики и военно-специальных и технических дисциплин, математики и внешней баллистики, при подготовке психологов, формировании физических понятий и ряд других.
Однако анализ научной литературы выявил существующее противоречие между возможностью повысить уровень профессиональной подготовки будущих военных специалистов посредством реализации межпредметных связей физики, электротехники и электроники и недостаточной разработанностью методики осуществления педагогических условий этих связей в образовательном процессе; конгруэнтностью терминов, понятий и обозначений указанных дисциплин; наличием учебной и методической литературы, позволяющей реализовать поставленную цель.
Цель исследования состояла в теоретическом обосновании и экспериментальной проверке педагогических условий повышения уровня профессиональной подготовки будущих военных специалистов при реализации межпредметных связей физики, электротехники и электроники.
Материалы и методы исследования. Для реализации поставленной цели проведен анализ научной и учебной литературы, дидактических материалов, нормативных документов. Рассмотрим обозначенную проблему на примере изучения дисциплин «Физика», «Электротехника и электроника» в системе высшего военного образования, в которой преподавание дисциплины «Электротехника и электроника» происходит после изучения предмета «Физика». В частности, тема «Расчет характеристик электрической цепи» изучается по программе дисциплины «Физика» и имеет преемственность в электротехнике и электронике. Однако существует несогласованность в используемых терминах, условных обозначениях и понятиях, что негативно влияет на процесс обучения и формирование профессионально значимых компетенций в системе высшего военного образования [7].
Из таблицы видно, что понятие «эквивалентная схема», используемое для расчета характеристик электрической цепи в физике, равнозначно понятию «схема замещения» (расчетная схема), применяемому в электротехнике и электронике. Монтажными схемами пользуются при изготовлении, монтаже и ремонте электрических устройств и цепей; принципиальными схемами – при изучении принципа работы устройства, монтаже и ремонте устройств и цепей. При изучении физики понятия «монтажная схема», «принципиальная схема» не используются и не указывается факт существования таких понятий, что приводит к нарушению межпредметных связей и систематизации знаний.
Сравнительная таблица терминов, понятий, обозначений
|
ФИЗИКА |
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА |
|
ПОНЯТИЯ |
|
|
Эквивалентная схема |
Схема замещения (расчетная схема) Монтажная схема Принципиальная схема |
|
Источник тока (аккумулятор) |
Источник электрической энергии, расчетный эквивалент (источник ЭДС (напряжения) и последовательно с ним включенное внутреннее сопротивление реального источника энергии) |
|
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ |
|
|
Источник тока
|
Источник тока
|
|
Аккумулятор
|
Источник напряжения или ЭДС (идеальный)
|
|
Источник электрической энергии на эквивалентной схеме
|
Источник электрической энергии на схеме замещения
|
|
ТЕРМИНЫ |
|
|
Правила Кирхгофа |
Законы Кирхгофа |
|
Закон сохранения энергии |
Баланс мощностей |
Под источником электрической энергии в электротехнике понимают устройство, в котором электрическое сопротивление гораздо больше, чем сопротивление нагрузки, и поэтому ток можно считать постоянным и не зависящим от сопротивления нагрузки (внешнего сопротивления). Поэтому в электротехнике величина тока рассчитывается по формуле:
,
при этом не уточняется, каким способом он получен, и не учитываются реальные физические процессы, протекающие в данном техническом устройстве.
Понятие «источник тока» в физике не учитывает изложенного факта, и под этим термином понимается реальный источник электрической энергии, в котором, как правило, внутреннее сопротивление гораздо меньше сопротивления нагрузки и величина тока определяется по формуле:
.
Понятие «источник напряжения, или ЭДС» (ЭДС – электродвижущая сила) в электротехнике предполагает устройство, в котором создается постоянная ЭДС, не зависящая от внешней нагрузки. В физике технические устройства, поддерживающие постоянный ток или напряжение, имеют общее название «аккумулятор».
Правила Кирхгофа получены на основе закона сохранения энергии и закона Ома для неоднородного участка цепи, поэтому справедливо имеют название «правила», что не соответствует терминологии в электротехнике и электронике – «законы Кирхгофа».
Указанные выше противоречия могут быть устранены частно-методическим путем – решением межпредметной методической комиссии, которое позволит внести соответствующие коррективы в понятия, условные обозначения и термины, что даст возможность осуществлять преемственность знаний и формировать необходимые профессиональные компетенции на более высоком уровне.
Рассмотрим особенности методик решения задачи «Расчет характеристик многоконтурной электрической цепи», используемых в физике и электротехнике.
Режим работы электрической цепи определяется типами используемых соединений и характеристиками ее отдельных элементов, таких как, например, источники электрической энергии и резисторы. Иметь представление о методах количественного анализа процессов, протекающих в электрических цепях современных технических устройств, в том числе военного назначения, необходимо как при проектировании таких устройств, так и при их эксплуатации.
В связи с этим приобретение навыка расчета характеристик многоконтурных электрических цепей позволяет решать учебные и воспитательные задачи: совершенствование навыков самостоятельного решения прикладных задач, использования вычислительной техники (калькуляторов) и пакетов программ для их решения на ПЭВМ; формирование интереса к изучаемой дисциплине и профессионально значимых компетенций.
В задаче «Расчет характеристик многоконтурной электрической цепи» необходимо определить: величины токов на всех участках цепи; напряжение на пассивных элементах электрической цепи; общую мощность, выделяемую на пассивных элементах электрической цепи; общую мощность Р, развиваемую источниками ЭДС.
Провести проверку результатов расчета с использованием энергетического баланса в электрической цепи (баланса мощностей). Для каждого варианта представлены схемы разветвленных электрических цепей постоянного тока и таблица с указанием численных данных, необходимых для расчетов.
Согласно алгоритму решения задачи, далее необходимо перейти от принципиальной схемы к схеме замещения (расчетной). Электрические цепи в электротехнике принято изображать в виде различного рода схем [8, 9]. Чаще всего пользуются тремя видами схем: монтажными, принципиальными и замещения. Монтажными схемами пользуются при изготовлении, монтаже и ремонте электрических устройств и цепей, принципиальными схемами – при изучении принципа работы устройства, а также при монтаже и ремонте устройств и цепей. Схемы замещения применяют при расчете режима работы электрической цепи. Схема замещения – графическое изображение электрической цепи, содержащее условные обозначения ее основных элементов и способы их соединения. На этой схеме реальные элементы замещаются расчетными моделями (идеализированными элементами). При этом все вспомогательные элементы, не влияющие на результаты расчета, на схеме замещения отсутствуют.
В физической методике решения задачи переходят к эквивалентной схеме, на которой также отсутствуют вспомогательные элементы. Однако обозначение источника электрической энергии в обеих методиках имеет принципиальное отличие, которое видно в таблице. Обозначение, используемое в электротехнике, по мнению авторов, носит более информативный характер (активное сопротивление указывает на наличие внутреннего сопротивления источника электрической энергии, а стрелка внутри круга показывает направление действия ЭДС), поэтому целесообразно использовать данный символ. Пример перехода от принципиальной схемы к схеме замещения приведен на рисунке.
Переход от принципиальной схемы к схеме замещения
Для того чтобы получить линейно независимые уравнения, по первому правилу Кирхгофа составляют систему уравнений, в которой количество уравнений на одно меньше числа узлов. По второму правилу Кирхгофа составляют число уравнений, равное числу ветвей, за вычетом числа уравнений, составленных по первому правилу Кирхгофа. Итак, в данном случае можно составить столько независимых уравнений, сколько ветвей в цепи (количество ветвей равно степени свободы данного объекта).
В рассматриваемом задании представлены разветвленные электрические цепи, содержащие три ветви. Это указывает на то, что по правилам Кирхгофа необходимо составить три независимых уравнения (степень свободы данного объекта определяется количеством ветвей и в данном случае равна трем).
В связи с этим записываем первое правило Кирхгофа для любого узла цепи:
и, выбрав произвольно положительное направление обхода цепи, пишем второе правило Кирхгофа для двух любых ветвей многоконтурной цепи, которое говорит о том, что в любом замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивления соответствующих участков этого контура равна алгебраической сумме ЭДС, встречающихся в этом контуре.
Проверка результатов расчета характеристик многоконтурной цепи в физике иногда производится путем подстановки найденных значений токов в третье уравнение, полученное по второму правилу Кирхгофа и не используемое при нахождении токов, что определяет математический подход, но при этом не учитывается физический смысл процессов, протекающих в цепи. Это порой приводит к ошибочным результатам: мощность источника электрической энергии становится меньше потребляемой мощности, а коэффициент полезного действия (КПД) электрической цепи оказывается больше 100%. Поэтому необходимо использовать метод энергетического баланса в электрической цепи, применяемый в электротехнике и электронике [10].
При протекании токов по сопротивлениям в последних выделяется тепло, которое на основании закона сохранения энергии должно равняться энергии, вырабатываемой за то же время источником питания. Следовательно, в данном случае при изучении предмета «Физика» может быть использован не термин «энергетический баланс», как при изучении предмета «Электротехника», а понятие о законе сохранения энергии.
Если через источник с ЭДС ε течет ток I так, что направление тока совпадает с направлением ЭДС, то в цепь в единицу времени доставляется энергия (или мощность), равная ε·I, которая входит с положительным знаком в уравнение энергетического баланса. Если же ток I направлен встречно ЭДС ε, то источник ЭДС потребляет энергию (например, заряжается аккумулятор), и произведение ε·I входит с отрицательным знаком в уравнение энергетического баланса, которое записывается следующим образом:
где n – количество ветвей в цепи, Ii – сила тока на i-ом участке цепи, Ri – общее сопротивление на i-ом участке цепи, включая внутреннее сопротивление источников электрической энергии, εi – суммарное ЭДС на i-ом участке цепи (если на некотором участке цепи нет источника электрической энергии, то ε = 0).
Результаты исследования и их обсуждение. Существует несколько путей решения изложенной выше проблемы конгруэнтности терминологии, понятий и обозначений при реализации межпредметных связей в процессе высшего профессионального военного образования. Первый путь заключается в том, чтобы дисциплины, изучаемые ранее (нижнеуровневые) и имеющие межпредметные связи с предметами (верхнеуровневые), изучаемыми позже (в соответствии с основной профессиональной образовательной программой – ОПОП), учитывали конгруэнтность терминологии, понятий и обозначений верхнеуровневых дисциплин. Например, изучение физики осуществляется в первом и втором семестрах, в то время как электротехника изучается во втором и третьем семестрах. Поэтому используемая в физике терминология должна быть конгруэнтна и подчинена электротехнической терминологии, которая, в свою очередь, должна быть конгруэнтна и подчинена терминологии, применяемой в электронике, так как последняя дисциплина изучается в третьем семестре.
Второй путь состоит в конгруэнтности и обратном подчинении терминологии верхнеуровневых дисциплин нижнеуровневым.
Третий путь состоит во введении двойной терминологии дисциплин, имеющих межпредметные связи, и при необходимости – дополнительных понятий.
Четвертый путь состоит в определении более гармоничного пути взаимного влияния и преобразовании терминологии, понятий и обозначений нижнеуровневых и верхнеуровневых дисциплин с учетом исторической преемственности и развития научных знаний и научно-философского анализа.
Выводы. Первые два пути решают указанную проблему на уровне одного учебного учреждения и не носят всеобъемлющий характер. Четвертый путь имеет универсальный характер, но пролонгированное действие и малую вероятность реализации. Таким образом, из обозначенных путей решения проблемы конгруэнтности терминов, понятий и обозначений наиболее эффективным является третий, который позволяет дозированно вводить двойную терминологию и дополнительные понятия, решать данный вопрос на уровне взаимодействия предметных методических комиссий двух или более взаимосвязанных дисциплин. Заключение межпредметной методической комиссии по данной проблеме дает возможность решить ее в краткие сроки, а также заложить основу реализации четвертого пути – поиска более гармоничного способа развития взаимного влияния и конгруэнтности терминов, понятий и обозначений дисциплин, изучаемых при реализации высшего профессионального образования.