Обучение термодинамике студентов технического вуза на основе методов научного познания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 13.00.02, кандидат педагогических наук Толчина, Светлана Ивановна

• Толчина, Светлана Ивановна
• кандидат педагогических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат педагогических наук Толчина, Светлана Ивановна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ЭМПИРИЧЕСКИЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ ТЕРМОДИНАМИКИ В СТРУКТУРЕ УЧЕБНОГО ПОЗНАНИЯ.

1.1. Методологический анализ термодинамики как фундаментальной физической теории.

1.2. Научные основы построения методической системы обучения термодинамике.

1.3. Управление процессом учебного познания студентов в условиях методической системы обучения термодинамике.

ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ОБУЧЕНИЯ СТУДЕНТОВ ТЕХНИЧЕСКОГО ВУЗА ТЕРМОДИНАМИКЕ КАК ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ В УСЛОВИЯХ МЕТОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ.

2.1. Структура формирования знаний содержательных обобщения термодинамики.

2.2. Термодинамические и статистические методы формирования системных знаний теоретических обобщений начал термодинамики.

2.3. Эксперимент как один из методов научного познания при обучении термодинамике студентов технического вуза.

2.4. Использование современных форм организации самостоятельной работы студентов на практических занятиях.

ВЫВОДЫ ПО ВТОРОЙ ГЛАВЕ.

ГЛАВА 3. ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ: ЗАДАЧИ,

ОРГАНИЗАЦИЯ, РЕЗУЛЬТАТЫ.

3.1. Задачи педагогического эксперимента, условия проведения, критерии и показатели оценки результативности разработанной методической системы обучения термодинамике на основе методов научного познания в техническом вузе.

3.2. Методика проведения и результаты констатирующего и поискового экспериментов.

3.3 Методика проведения и результаты обучающего и контрольного экспериментов.

ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обучение термодинамике студентов технического вуза на основе методов научного познания»

Преобразование в социальной и экономической сферах жизни нашей страны вызвали кардинальные перемены в системе образования, в том числе высшего. Поиск путей решения актуальных проблем, связанных с совершенствованием профессионального образования, привёл к изменению содержания программ и технологий обучения в соответствии с требованиями новых стандартов (ФГОС ВПО). Цели вузовского технического образования обусловлены потребностями общества в подготовке инженера, который способен соединить теоретические знания с практикой. В настоящее время обучать студентов основам фундаментальных наук, например, физике, невозможно без учёта текущих и перспективных задач социально-экономического развития общества.

Практические подходы к решению проблемы обеспечения качества высшего образования связаны с достижениями современного понимания содержания обучения, источников его обновления. Речь идёт о проектировании такого содержания образования, в частности, физического, которое соответствовало бы критериям и нормам положений Болонского процесса, обеспечивающим международную мобильность выпускников и студентов вуза.

Решение важнейших задач подготовки специалистов, профессионалов своего дела, во многом зависит от того, как осуществляются идеи фундаментализации и генерализации, обобщения и систематизации знаний и умений, способов владения ими на основе современных методов научного познания. Реализация этих задач требует создания такой методической системы обучения отдельным разделам курса физики, основу которой составляла бы взаимосвязь содержательной и процессуальной сторон обучения.

Исходя из принципа профессиональной направленности, так же к основным задачам обучения физике в техническом вузе относятся: формирование системных знаний физических теорий на основе методов научного познания; знаний физических эффектов; формирование знаний о современной физической картине мира; формирование естественнонаучного мировоззрения и развитие научного мышления. Достижение этих целей осуществляется в структуре методической системы обучения.

Вопросам построения методической системы в педагогической литературе уделяется достаточное внимание. Моделирование методической системы на основе принципов фундаментализации и генерализации рассматривали Г.М. Голин, Г.Г. Гранатов, Н.Е. Важеевская, Е.Ф. Ефименко, H.A. Клещёва, В.В. Мултановский, Н.С. Пурышева, А.П. Усольцев и др.; на основе принципов преемственности и систематизации - C.B. Бубликов, В.И. Земцова, М.П. Панкина, A.A. Петров, М.В. Потапова, С.А. Суровикина, В.И. Тесленко, H.H. Тулькибаева, A.B. Усова, A.A. Шаповалов и др.; принципов информатизации - Д.А. Исаев, A.C. Кондратьев, В.В. Лаптев, Р.В. Майер, Д.Ш. Матрос и М.Д. Даммер, Е.В. Оспенникова, М.И. Старовиков и др. Содержательные и процессуальные аспекты методической системы раскрываются в соответствии с эволюцией физического знания, базис которого составляют фундаментальные физические теории. Методологический аппарат этих теорий исследовали: Л.Я. Зорина, Р.Х. Казаков, С.Е. Каменецкий, И.С. Карасова, В.Г. Разумовский, Ю.А. Сауров, М.С. Свирский и др.

Физические теории являются непосредственным источником содержания естественнонаучного образования в техническом вузе. Дидактический принцип научности направлен на реализацию системного содержательного физического образования будущего инженера. Методическая задача формирования системных знаний требует отражения в содержании обучения (как элемента методической системы обучения) системно-структурных свойств изучаемых физических теорий, генезиса элементов физических теорий как концептуальных систем, научных методов познания. В учебном процессе должна быть выявлена «генетически исходная, всеобщая связь, определяющая содержание и структуру всего объекта данных понятий (В.В. Давыдов) изучаемой физической теории. Вне системы знаний сами по себе физические понятия и законы утрачивают содержательный смысл, предсказательные и объяснительные функции. Акцент на эмпирическое основание теории, эмпирические методы познания и дедуктивные следствия при игнорировании логического генезиса концептуального ярда теории приводит к представлению о физических теориях как наборе эмпирических фактов, разрозненных утверждений, рецептов решения частных задачах [42]. Формирование системных знаний физических теорий осуществляется углубленным анализом содержания теорий.

Роль теоретических знаний в повышении образовательного, воспитывающего и развивающего потенциала обучения на основе теоретических обобщений достаточно хорошо обоснована в дидактике (Б.П. Есипов, Л.Я. Зорина, В.В. Краевский, И.Я. Лернер, П.И. Пидкасистый, М.Н. Скаткин, С.А. Шапоринский и В.В. Мултановский и др.). Вопросы обобщений в формировании понятий занимают одно из главных мест в работах педагогов Ю.К. Бабанского, М.А. Данилова, Б.П. Есипова, И.Т. Огородникова, М.Н. Скаткина, Г.И. Щукиной и др. Однако не все вопросы разработаны в одинаковой степени полно, а результаты исследований по данной проблеме не всегда успешно реализуются в практике обучения.

Термодинамика как одна из фундаментальных физических теорий образует целостную, относительно самостоятельную систему знаний о реальных термодинамических процессах. Элементы структуры данной теории гносеологически связаны и упорядочены, они находятся в устойчивых логических отношениях. Целостность такой методической системы означает то, что её гносеологические свойства и функции неаддитивны по отношению к сумме свойств и функций элементов системы.

В классической термодинамике рассматриваются системы, находящиеся в устойчивом или близком к нему состояниях. Такие системы получили название замкнутых или изолированных, в них проходят обратимые и линейные процессы. Однако в природе классических замкнутых систем не существует, они все открытые, поэтому им свойственны другие закономерности. Термодинамика необратимых открытых процессов устанавливает взаимную связь объектов, исследует поведение систем на основе идей самоорганизации, которые являются более общими законами природы. Таким образом, термодинамика, как методическая система, со всеми присущими ей свойствами и гносеологическими функциями теории (объяснительной, развивающей, предсказательной) имеет свою область исследования, самостоятельную модель, понятийный аппарат, принципы, законы и другие компоненты сложной системы, относящиеся к фундаментальной физической теории. Между тем, в известных нам исследованиях термодинамику рассматривают чаще всего как раздел молекулярной физики или как следствие молекулярно-кинетической теории строения вещества.

Учитывая вышесказанное, следует отметить, что поиск путей разработки методической системы обучения термодинамике как системы научного знания, построенной на основе методов научного познания с позиции принадлежности ее к фундаментальной физической теории, затруднен, так как понимание статуса термодинамики неоднозначно. Анализ научных публикаций по методологическим, дидактическим и методическим аспектам учебного познания по термодинамике как одной из фундаментальных физических теорий, собственный опыт обучения физике студентов технического вуза позволил выделить противоречия: - между непрерывным процессом обновления содержания образования в соответствии с социальным запросом общества, профессиональной направленностью образовательного процесса, значимостью его отдельных этапов в реализации преемственных связей и недостаточной ориентацией методической системы обучения физике на установление логической и методологической связей между содержательной и процессуальной Ч а 1 сторонами обучения отдельным разделам курса общей физики, в том числе термодинамике;

- между современными требованиями к содержанию физического образования, ориентированными на процессы фундаментализации и генерализации, преемственности и системности, информатизации и технологизации, и недостаточной разработанностью методической системы, реализующей эти направления в обучении физике в техническом вузе;

- между потребностью практики в методологически обоснованной методической системе обучения основам термодинамики студентов технического вуза и существующими способами организации образовательного процесса по физике, мало использующими современные методы научного познания.

Необходимость разрешения данных противоречий определяет актуальность исследуемой проблемы, заключающейся в поисках ответа на вопрос: как обучать физике студентов технического вуза на основе методической системы, базис которой составляют методы научного познания? Проблема, требующая разрешения, определяет выбор темы исследования «Обучение студентов технического вуза термодинамике на основе методов научного познания».

Объектом исследования является процесс обучения термодинамике студентов технических вузов.

Предметом исследования послужил процесс обучения студентов технического вуза термодинамике в условиях современной методической системы, базис которой составляют методы научного познания.

Цель исследования заключается в следующем: теоретически обосновать и разработать методическую систему обучения студентов технического вуза термодинамике в курсе общей физики на основе методологических и дидактических обобщений фундаментальной физической теории.

Для достижения цели исследования была выдвинута следующая гипотеза: обучение студентов технического вуза термодинамике может быть эффективным, если организовать его в условиях методической системы на основе следующих методов научного познания:

- гносеологического (от единичного к общему, а от него - к предельно общему), представляющего систему методологических знаний (эмпирическое основание, теоретическое ядро, дедуктивное следствие);

- обобщения на основе системного анализа термодинамики как фундаментальной физической теории;

- моделирования логических связей структурных компонентов термодинамики, обеспечивающего познавательную, методологическую, развивающую функции обучения фундаментальной физической теории;

- наблюдения, эксперимента, способствующих активизации учебно-познавательной деятельности студентов, мотивации их учения.

В соответствии с целью исследования и его гипотезой были поставлены и решались следующие задачи:

1) Определить системные свойства, гипотетико-дедуктивную организацию знания равновесной термодинамики как фундаментальной физической теории и как непосредственного источника содержания физического образования в вузе.

2) Разработать структурно-функциональную модель методической системы обучения термодинамике на основе системных свойств фундаментальных физических теорий; обосновать выбор учебных заданий, структуру и содержание самостоятельной работы студента.

3) Составить эффективную модель управления учебным познанием студентов при изучении термодинамики.

4) Осуществить коррекцию структуры и содержания лабораторного практикума и практикума по решению физических задач по термодинамике на основе методов научного познания;

5) Провести педагогический эксперимент по оценке эффективности разработанной методической системы обучения началам термодинамики.

Теоретико-методологическую основу данного исследования составили: диалектика процесса познания, рассматривающая явления в единстве и взаимосвязи, причинной обусловленности; методологические аспекты организации учебного познания при изучении фундаментальных физических теорий; теоретические основы конструирования моделей, отражающих гносеологическую цепочку научного познания (от единичного к общему, а от него - к предельно общему); теория систем в исследовании структурно-функциональных моделей; закономерности процесса обучения фундаментальным физическим теориям как системы разноуровневых знаний (от эмпирического основания до теоретического ядра, а от него - к дедуктивному следствию); психологическая теория деятельности (потребности - мотивы - цели - действия - операции); теоретические положения дидактики высшей школы о фундаментализации и преемственности в обучении; концепции технологизации физического образования; теории компетентностного подхода в обучении; дидактические теории организации самостоятельной работы студентов на основе современных методов и средств обучения.

Для решения поставленных задач применялись следующие методы исследования:

- теоретические: анализ философской, психологической и методической литературы, отражающей проблемы формирования теоретических обобщений в виде понятий, законов, принципов, идей физической картины мира в физике, взаимосвязи систем научных знаний и методов познания, анализ содержания образовательных стандартов, учебных планов, программ, учебников и методических разработок по физике для вузов. Анализ организации процесса преподавания физики в практике работы вузов. Моделирование учебного процесса по термодинамике, анализ и обобщение передового опыта педагогов.

- эмпирические: накопление научных фактов, их отбор, анализ, синтез и количественная обработка; личное преподавание в ТюмГНГУ; наблюдение учебного процесса; устный опрос студентов, проведение письменных проверочных работ и практических занятий; анкетирование и тестирование студентов, беседы с педагогами и студентами; математическая обработка результатов исследования на основе поэлементного анализа письменных проверочных работ.

В качестве опытно-экспериментальной базы исследования выступили Технологический институт и институт Геологии и нефтегазодобычи Тюменского нефтегазового университета. Основные результаты исследования обсуждались на: 1) международных научно - практических конференциях (Москва, МГОУ, 2008,2009 гг., Челябинск, ЧГПУ, 2010, 2011 гг.) 2) методологических семинарах и заседаниях кафедры ФМД ТюмГНГУ (Тюмень 2008-2012 гг.)

В соответствии с поставленными задачами диссертационное исследование проводилось с 2007 по 2012 годы в четыре этапа.

На первом этапе (2007 - 2008 уч. год) была проанализирована педагогическая, психологическая, философская литература по проблеме исследования; были определены объект, предмет, сформулирована гипотеза исследования, поставлены задачи, разработан план исследовательской работы; осуществлен констатирующий эксперимент.

На втором этапе (2008 - 2009 уч. год) проводилось моделирование учебного процесса, отрабатывались и корректировались основные идеи использования таких методов научного познания как обобщение и систематизация. Была разработана методическая система обучения термодинамике студентов технического вуза на основе методов научного познания. Осуществлен поисковый эксперимент.

На третьем этапе (2009 - 2010, 2010 - 2011 уч. года) осуществлялся обучающий эксперимент, целью которого являлись проверка эффективности разработанной методики, анализ результатов педагогического эксперимента, уточнение некоторых положений диссертационного исследования.

На четвертом этапе (2011 - 2012 уч. год) был завершен педагогический эксперимент по теме исследования, осуществлено внедрение разработанной методической системы в процесс обучения термодинамике студентов Технологического института и института Геологии и нефтегазодобычи. Осуществлен контрольный эксперимент для оценки достоверности результатов исследования, сформулированы основные выводы.

Научная новизна проведённого исследования заключается в следующем:

1. Обоснована необходимость разработки методики поэтапного обучения термодинамике от эмпирического основания к теоретическому ядру и к дедуктивному следствию, реализующей гносеологическую цепочку познания (от единичного к общему, а от него - к предельно общему).

2. Осуществлено моделирование логических связей структурных компонентов поэтапного изучения термодинамики как фундаментальной физической теории в форме содержательного графа, обеспечивающего познавательную, методологическую и развивающую функции обучения студентов технического вуза.

3. Разработана структурно-функциональная модель методической системы обучения термодинамике студентов технического вуза, включающая целевой (современные требования по подготовке конкурентоспособного специалиста), содержательный (обучение термодинамики на основе методов научного познания), процессуальный (самостоятельная работа студентов на лекциях, семинарах и в лабораторном практикуме по термодинамике) и диагностирующий (сформированность профессиональных компетенций будущего инженера) компоненты.

4. Разработана методическая система на основе структурно-функциональной и управленческой моделей, реализация которой обеспечивает эффективное обучение студентов технического вуза термодинамике в соответствии с этапами научного познания, системой форм, методов и средств, активизирующих познавательную деятельность студентов.

Теоретическая значимость результатов исследования состоит:

- в разработке теоретических положений о подготовке будущего специалиста к использованию теоретических знаний по термодинамике и методов научного познания для практического осмысления прикладных вопросов в области теплотехники, физической химии, технической термодинамики;

- в разработке содержательных компонентов модели управления учебным познанием студентов при изучении термодинамики от единичного (факты термодинамики) к общему (начала термодинамики), а от него - к предельно общему (взаимодействие линейных или нелинейных систем), а также процессуальных компонентов (форм организации учебных занятий, методов и приёмов, средств и форм обучения, видов учебно-познавательной деятельности).

Практическая значимость работы состоит во внедрении разработанных учебно-методических материалов в педагогическую практику, что позволяет повысить эффективность обучения физике в вузе. По результатам исследования разработаны:

- содержательный граф логической структуры термодинамики;

- обобщающая схема изучения термодинамики как фундаментальной физической теории студентами технического вуза;

- методическое пособие по обучению основам термодинамики студентов технического вуза;

- методические указания к виртуальным лабораторным работам «Наблюдение фазовых переходов «жидкость-газ» и определение критической температуры Фреона-13» и «Определение изменения энтропии»;

- методические указания по проведению обобщающих лекций и семинара по термодинамике.

Достоверность и обоснованность полученных результатов исследования обусловлены аргументированным отбором теоретических положений и принципов, отвечающих современным тенденциям развития образования; адекватностью выбранных методов целям и задачам исследования; положительными результатами педагогического эксперимента. Исследование опирается на принципы диалектического метода познания, достижения психолого-педагогических наук, концепцию теоретических обобщений в обучении, анализа системных свойств термодинамики.

Положения, выносимые на защиту:

1. Современные методы учебного познания, отражающие особенности научных методов, реализуют гносеологический и методологический аспекты диалектического метода научного познания (от единичного к общему, а от него - к предельно общему), нашедшие отражение в логике изучения термодинамики (от эмпирического основания к теоретическому ядру, а от него - к дедуктивному следствию).

2. Содержательный граф логической структуры термодинамики как одной из фундаментальных физических теорий построен в соответствии с логикой учебного познания, системным подходом. Он обеспечивает выполнение следующих функций:

- познавательной, заключающейся в получении новых знаний и умений, способов владения ими на основе гносеологической цепочки учебного познания (от единичного к общему, а от него - к предельно общему);

- методологической, раскрывающей существенные связи между выделенными компонентами фундаментальной физической теории (основание, ядро, следствие);

- развивающей, обеспечивающей обучение в соответствии с взаимосвязанной цепочкой дидактического познания (от эмпирических методов к теоретическим, а от них - к практическим).

3. Структурно-функциональная модель методической системы обучения термодинамике включает: целевой компонент подготовки конкурентоспособного специалиста в области техники; содержательный компонент познания фактов, явлений и процессов термодинамики (единичное), начал термодинамики (общее); закономерностей взаимодействия живых или неживых систем (предельно общее); процессуальный компонент основных видов учебно-познавательной деятельности (самостоятельная работа, наблюдения, эксперимент, обобщение и систематизация).

4. Разработанная на основе структурно-функциональной и управленческой моделей методическая система обеспечивает позитивную мотивацию учения студентов технического вуза; их активность в выполнении самостоятельной работы по решению физических задач, лабораторного эксперимента (натурного и виртуального); адекватность и сочетаемость форм, методов и приёмов, средств обучения логике учебного познания по термодинамике как фундаментальной физической теории; позволяет студентам, будущим инженерам, теоретически и практически осмыслить прикладные вопросы термодинамики.

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертационного исследования

1. Толчина, С.И. Методические проблемы раскрытия содержания нулевого начала термодинамики и понятия температуры / С.И. Толчина // «Вестник Челябинского государственного педагогического университета». -2011 г. - №4.- С. 143- 150.

2. Толчина С.И. Методические проблемы раскрытия содержания первого начала термодинамики в курсе молекулярной физики вуза /

С.И. Толчина // «Вестник Челябинского государственного педагогического университета». - 2011 г. - №5. - С. 226 - 233.

Научные статьи и материалы выступлений на конференциях

1. Толчина, С.И. Методические проблемы раскрытия содержания понятия энтропии / С.И. Толчина // Доклады научно-практической конференции «Проблемы контроля и оценки качества образования по физике. Общеобразовательные учреждения, педагогический вуз» Доклады научно-практической конференции, г. Москва: издательство МГОУ, 2008. - С. 61 -63.

2. Толчина, С.И. Реализация содержательного и информационно-рецептурного аспектов обучения физике в вузе / С.И. Толчина, Р.Х. Казаков, Н.П. Исакова, Л.Б. Половникова // Доклады научно-практической конференции «Методы конструирования учебной деятельности по физике. Общеобразовательные учреждения, вузы», г. Москва: издательство МГОУ, 2009 г. - С. 29 - 32 (авторство 30%).

3. Толчина, С.И. Формирование мотива к познавательной деятельности в рамках семинарских занятий по курсу физики / С.И. Толчина // Доклады научно-практической конференции «Методы конструирования учебной деятельности по физике. Общеобразовательные учреждения, вузы», г. Москва: издательство МГОУ, 2009. - С. 63 - 64.

4. Толчина, С.И. Преемственность термодинамики и курса теплотехники вуза. / С.И. Толчина //. Доклады научно-практической конференции «Проблемы методологии преемственности обучения физике. Общеобразовательные учреждения, педагогический вуз», г. Москва: издательство МГОУ, 2010. - С. 141 - 142.

5. Толчина, С.И. Формирование понятия теплоемкости, как собственной характеристики термодинамической системы у студентов вузов / С.И. Толчина // Материалы XVIII научно-практической конференции «Методология и методика формирования понятий у студентов вузов и учащихся школ». 14-15 апреля 2011г. г. Челябинск: издательство «Край Ра», 2011 г.- С.211 -212.

Заключение диссертации по теме «Теория и методика обучения и воспитания (по областям и уровням образования)», Толчина, Светлана Ивановна

5. Выводы.

Ниже представлен примерный конспект семинара, составленный на основе обобщающей схемы изучения термодинамики как фундаментальной физической теории студентами технического вуза.

Независимые эксперты. Методы статистической физики (в частности, методы молекулярно-кинетической теории) позволяют раскрыть молекулярно-кинетический механизм и смысл основных (исходных) термодинамических функций состояния - температуры Г, внутренней энергии и, энтропии £ и функций процесса - теплоты () и работы А.

Термодинамика оперирует макроскопическими параметрами при описании состояния изучаемой системы, в статистической физике раскрывается молекулярно-кинетический механизм и смысл состояния термодинамической системы. Фундаментальным объектом, которым оперирует термодинамика, является физическая система как неструктурированный макроскопический объект без указания материальной природы объекта. Фундаментальным объектом статистической физики

71 л« 1* ч является совокупность N неструктурированных частиц (обычно N порядка числа Авогадро), хаотически движущихся и взаимодействующих между собой. Собственно, само различие объектов равновесной термодинамики и статистической физики следует из различия термодинамического и статистического методов исследования состояния физической системы.

Преподаватель. Первый вопрос, который мы обсудим, - содержание нулевого начала термодинамики.

Равновесная термодинамика оперирует фундаментальным понятием -равновесным состоянием термодинамической системы. Из эксперимента следует, что при заданных неизменных внешних условиях рассматриваемая термодинамическая система приходит в конечное состояние, называемое равновесным. Это состояние характеризуется макропараметром, относящимся ко всей системе, - температурой Т системы. Утверждение о существовании термодинамического равновесия и функции состояния системы при равновесии - температуры Т - составляет содержание нулевого начала термодинамики.

Эксперты в области термодинамики. В рамках термодинамики понятие температуры довольно абстрактное понятие. Можно сформулировать операционное определение температуры. Например, температура тела - это физическая величина, измеряемая термометром (далее студенты кратко описывают сам прибор - газовый или жидкостный термометры - и все манипуляции процесса измерения температуры). При измерении температуры оперируют понятием равновесного состояния, т.к. термометр измеряет собственную температуру. Снятие показания термометра осуществляется после достижения термодинамического равновесия между термометром и измеряемой системой. Приведенное определение конструктивно, чем бессодержательное выражение типа: температура - это мера нагретости. Операционное определение температуры фактически является своего рода переформулировкой нулевого начала термодинамики.

Эксперты в области статфизики: Операционное определение не раскрывает молекулярно-кинетического содержания понятия температуры. Молекулярно-кинетический смысл температуры раскрывается методами MKT, при этом понятие температуры приобретает многогранный смысл.

Итак, во-первых, температура является мерой кинетической энергии

Соотношение получено из анализа основного уравнения молекулярно-кинетической теории при приближении к состоянию термодинамического равновесия двух тел. В равновесном состоянии средняя кинетическая энергия

Во-вторых, температура является мерой разброса молекул по скоростям (кинетическим энергиям) около среднего значения, например, около среднеквадратичного значения скорости молекул. Действительно, из распределения Максвелла, представленного на слайде (рис. 8) молекул: е >=-кГ. 2 молекул пропорциональна температуре: m(v2) ' 2 fM

Рис. 8 . Распределение молекул по скоростям.

2 кТ <v> =

8 кТ

ЪкТ получаем средние скорости: vBep. =

•> ^ср.кв. пт

V, т т

Если подставит наиболее вероятную скорость в распределение Максвелла, то получим, что значение функции распределения для этой скорости имеет вид: распределения стремится перейти в дельта-функцию, а при увеличении температуры разброс средних скоростей возрастает, причем в пределе Т —» оо наблюдается стремление к равнораспределению молекул по скоростям. В-третьих, из распределения Больцмана следует, что температура Т является мерой распределения статистических объектов по энергиям в потенциальном силовом поле. Например, распределения молекул в поле силы тяжести или взвешенных частичек суспензии в опыте Перрена (Еп = mgh).

Независимые эксперты: При всей кажущейся самоочевидности нулевого начала, оно обладает нетривиальным содержанием. В частности, понятие о термодинамическом равновесии детализируется методами термодинамики при рассмотрении первого и второго начала термодинамики. Раскрытие сущностного содержания фундаментального понятия термодинамики - термодинамического равновесия и соответствующей функции состояния - температуры Т - требует предварительного рассмотрения феноменологии газовых законов, принципа работы газового термометра, основных положений молекулярно-кинетической теории и их опытных оснований. Температура - это физическая величина, имеющая определенное значение для конкретного равновесного состояния, то есть она является функцией состояния системы. К функциям состояния относится не только температура, но и давление, внутренняя энергия, энтропия, свободная энергия и др. Функции состояния термодинамической системы являются своего рода языком термодинамики. этого следует, что в пределе при Т —» О функция п = щ е кТ

Ч"

Нулевое начало констатирует факт эволюции термодинамической системы из неравновесного в равновесное состояние.

Преподаватель. Второй вопрос - первое начало термодинамики. Независимые эксперты: В первом начале содержатся следующие утверждения:

- термодинамическая система характеризуется функцией состояния -внутренней энергией системы II;

- энергия системы изменяется только при взаимодействии с внешними телами. В изолированной термодинамической системе выполняется закон сохранения энергии (независимо от того, находится термодинамическая система в равновесии или нет);

- внутренняя энергия замкнутой термодинамической системы - системы с постоянным числом частиц - может быть изменена двумя способами: 1) подводом в систему тепла £) (или отводом 0 и 2) совершением системой работы А (или совершением внешними телами работы А над системой).

Первое начало в дифференциальной форме имеет вид: где Ь<2 - элементарная порция тепла, сообщенная термодинамической системе или отведенная из системы; ЗА - элементарная работа, совершенная системой или над системой, ёС - приращение внутренней энергии системы. Теплота и работа - функции процесса, вследствие чего понятие приращения для этих величин бессодержательно - теплота и работа совершаются, но не содержатся. Данное обстоятельство на языке математики выражается тем, что теплота и работа в общем случае не являются полными дифференциалами. В этой связи для указания бесконечно малой порции подведенного тепла и бесконечно малой (элементарной) совершенной работы здесь использован не оператор дифференцирования «й» , а «8» (как бесконечно малая порция). Внутренняя энергия и содержится в термодинамической системе и как функция состояния является полным дифференциалом. В интегральной форме первое начало термодинамики запишется в виде: 2

50 = |сШ+ \ЪА или = А1/ + А, процесс) 1 (процесс) где, соответственно, () и А - конечная подведенная (отведенная) теплота и конечная совершенная работа системой (над системой) в некотором термодинамическом процессе.

Подчеркнем содержательное различие как с позиции термодинамики, так и молекулярно-кинетических представлений: 1) между внутренней энергией £7 и способов переноса энергии и А; 2) между двух способов переноса энергии - различие между и 8А.

Преподаватель. Обсудим представление понятия внутренней энергии с позиции термодинамики.

Эксперты в области термодинамики. Под внутренней энергией в термодинамике понимается энергия системы, зависящей от внутреннего состояния этой системы. Молекулярно-кинетический механизм внутреннего состояния в термодинамике не рассматривается, ибо моделью термодинамики является неструктурированное тело. Возвращение системы в исходное термодинамическое состояние означает, что внутренняя энергия системы принимает исходное значение.

Эксперты в области статфизики. С позиции молекулярно-кинетических представлений внутренняя энергия термодинамической системы определяется суммарной кинетической энергией хаотического движения молекул, атомов, ионов системы и потенциальной энергией их взаимодействия. Кинетическая энергия системы как целого и потенциальная энергия системы во внешнем потенциальном силовом поле (например, гравитационном) не входят во внутреннюю энергию системы.

Преподаватель. Рассмотрим различие между ЪQ и 5А, которое выявляется при термодинамическом и статистическом анализе этих видов переноса энергии.

Эксперты в области термодинамики. Термодинамическая система совершает работу (положительную или отрицательную) при перемещении внешних тел, с которыми взаимодействует система. Положение внешних тел относится к внешним параметрам термодинамической системы. Например, стенки сосуда, в котором находится газ, ограничивают объем газа и объем сосуда V является внешним параметром, а давление газа р, обусловленное хаотическим движением молекул, является внутренним параметром системы. Объем самого газа относится к внутренним параметрам. Объем сосуда равен объему газа. Это пример того, что внешние параметры определяют внутренние параметры термодинамической системы. Другой пример. В случае подвижного поршня под действием внешнего давления объем газа изменяется и устанавливается в соответствии с внешним давлением (внешнее давление является внешним параметром, а объем газа - внутренним).

Работа совершается только при перемещении внешних тел. Например, при расширении газа в вакуум работа не совершается, т.к. в этом случае в выражении 5А = р&У давление р на границе газа равна нулю, следовательно, равна нулю работа. Работа, совершаемая над термодинамической системой, имеет обратный знак в сравнении с работой системы. Данное обстоятельство объясняется третьим законом Ньютона и предположением, что перемещение границы термодинамической системы равно перемещению внешних тел.

При совершении термодинамической системой работы движение внешних тел носит упорядоченный характер, внешние тела движутся как единое целое, а работа совершается за счет убыли внутренней энергии системы.

Эксперты в области статфизики. Рассмотрим пример работы идеального газа по перемещению поршня в цилиндре. Давление газа на поршень обусловлено ударами большого числа молекул, вследствие чего

77 поршень получает суммарный импульс. Положение поршня является внешним параметром термодинамической системы. Энергия хаотического движения молекул переходит в механическую энергию упорядоченного движение макроскопического тела - поршня, который является внешним по отношению к газу телом. Внутренняя энергия газа уменьшается на величину совершенной работы. Молекулярно-кинетический механизм убыли внутренней энергии заключается в том, что при расширении газа молекула, отраженная от удаляющегося поршня, будет иметь меньший по модулю импульс, чем до удара о поршень. Это приводит к уменьшению средней кинетической энергии молекул, следовательно, уменьшение температуры газа. При сжатии (работа над газом) средняя кинетическая энергия увеличивается, т.к. в этом случае молекула, отраженная от набегающего поршня, будет иметь больший по модулю импульс, чем до удара о поршень. Если лекционное время позволяет, то можно привести соответствующие расчеты или же предложить эту работу на дом с указанием, что в расчетах следует рассматривать скорость молекул по отношению к относительно медленно движущемуся массивному поршню.

Преподаватель. Обсудим понятие теплоты.

Эксперты в области термодинамики: Обмен теплом осуществляется при контакте двух тел с разной температурой. При контакте двух тел с разной температурой с течением времени устанавливается термодинамическое равновесие. Это равновесие осуществляется передачей тепла от горячего к холодному телу, при этом внутренняя энергия одной физической системы переходит во внутреннюю энергию другой системы. Важное обстоятельство в понимании процесса теплопередачи заключается в том, что при передаче тепла положение внешних тел как внешних параметров термодинамической системы не изменяются.

Эксперты в области статфизики. При контакте двух тел с разной температурой с течением времени устанавливается термодинамическое равновесие. Микроскопический механизм установления равновесия

78 выражается во взаимодействии молекул холодной и горячей систем. При взаимодействии систем с разной температурой средняя кинетическая энергия молекул этих систем <е> = ^кТ изменяется: у более холодного тела возрастает, у нагретого - понижается. В этом проявляется механизм переноса внутренней энергии из одной системы в другую. В силу распределения молекул по скоростям на границе контакта двух систем на микроуровне имеют место процессы переноса энергии как в ту, так и в другую систему и под 50 понимается «результирующая» переносимая энергия в сторону менее нагретого тела. Подчеркнем, что закон сохранения энергии не накладывает ограничения на направление переноса энергии. Например, согласно первому началу термодинамики можно вскипятить воду в чайнике, поставив его на холодный лед. При этом закон сохранения энергии не будет нарушен, если предположить, что вода нагревается за счет внутренней энергии льда.

Независимые эксперты. Внутренняя энергия является функцией состояния термодинамической системы. Возвращаясь в исходное состояние, независимо от пути перехода, внутренняя энергия системы не изменяется. Внутренняя энергия содержится в системе. Работа и теплота являются функциями процесса - теплота и работа совершаются. Значения этих величин зависят от пути перехода системы из одного состояния в другое.

Преподаватель. Обсудим содержание второго начала термодинамики.

Независимые эксперты: Исходный эмпирический факт, лежащий в основании второго начала термодинамики, - направленность самопроизвольных процессов в природе. Идея о направленности процессов в природе и их необратимости в неявной форме содержится уже в нулевом начале термодинамики.

Идея о направленности процессов в природе выражена в формулировке второго начала, которую предложил Клаузиус: теплота не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к телу более нагретому.

Ключевым понятием в формулировке Клаузиуса является понятие самопроизвольного процесса. Под самопроизвольным процессом в системе двух тел, находящихся в тепловом контакте, понимается процесс, когда в окружающих телах никаких изменений не происходит. В формулировке Клаузиуса вовсе не содержится утверждение, что переход от холодного тела к горячему запрещен. Такой переход возможен при условии, если в окружающих телах происходят соответствующие изменения - так называемые компенсирующие процессы. Например, такие процессы во внешних телах происходят при работе холодильной машины, где переход тепла от холодного к горячему происходит не самопроизвольно, а за счет работы компрессора как части внешней системы. Работа компрессора над рабочим телом холодильника осуществляется за счет электрической энергии, поступающей в компрессор.

Любая тепловая машина состоит из нагревателя с температурой Т\, холодильника с температурой Т2. Между нагревателем и холодильником находится рабочее тело тепловой машины. В соответствии с формулировкой

Клаузиуса поток тепла направлен от нагревателя к холодильнику. КПД тепловой машины, работающей по циклу Карно, определяется выражением:

А ТХ-Т2 Ох Т,

Приведем формулировку второго начала Томсона-Планка: невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара. Обе формулировки эквивалентны.

Второе начало термодинамики вводит функцию состояния - энтропию. Энтропия 5 - это самостоятельная характеристика состояния термодинамической системы. Термин «энтропия» ввел Р. Клаузиус из анализа работы С. Карно «Размышление о движущей силе огня». [27 с. 73175, 179].

I | 4

Второе начало термодинамики содержит два утверждения: 1) существование функции состояния термодинамической системы - энтропии и постоянство энтропии системы в обратимых циклических процессах; 2) возрастание энтропии в адиабатически изолированной системе, в которой происходит необратимый процесс. Уменьшение энтропии в изолированной системе в принципе невозможно при любых преобразованиях энергии.

Эксперты в области термодинамики: Обычно понятие термодинамической энтропии вводится из обобщения выражения для к.п.д. идеального цикла Карно. За цикл для рабочего тела теплового двигателя верно соотношение (с учетом знака Qг):

Г, Т2

Это соотношение похоже на закон сохранения. В обратимом цикле в рабочем теле сохраняется некоторая величина Из обобщения на произвольный обратимый цикл получаем равенство Клаузиуса:

Обр)

Клаузиус постулировал, что в термодинамической системе существует функция состояния Б, называемая термодинамической энтропией, которая характеризует состояние этой системы подобно температуре, внутренней энергии, давлении. Эта характеристика системы будет изменяться, если в систему подвести порцию тепла при данной температуре системы Т, на величину: ё5= Щ-.

Энтропия б1 - это самостоятельная характеристика состояния термодинамической системы, а вышеуказанное выражение определяет приращение энтропии. В частности, если состояние системы не изменяется (термодинамическая система находится в равновесии), то система обладает определенной энтропией. Энтропия как функция состояния является характеристикой любой термодинамической системы и вовсе не ограничивается сферой рабочих тел тепловых двигателей, а метод циклов является наглядным и содержательным способом обнаружения этой функции состояния у термодинамических систем.

Эксперты в области статфизики: Возрастание энтропии при необратимых процессах соответствует переходу системы из менее в более вероятное состояние. В частности, из этого следует, что состояние равновесия (нулевое начало) является наиболее вероятным состоянием.

Макросостояние в каждом равновесном состоянии остается неизменным и реализуется соответствующим набором микросостояний молекул. Понятия микро- и макросостояния, а также статистическую интерпретацию понятия энтропии удобно моделировать известным примером с десятью монетами на подносе.

Вначале десять монет уложены на поднос максимально упорядоченно: все монеты лежат, например, орлами вверх. После двух-трех встряхиваний подноса монеты будут лежать разными сторонами. Причем на подносе в основном реализуются случаи 4-6, 5-5, 6-4, реже 3-7, очень редко 2-8, практически не будут наблюдаться ситуации 1-9 и 0-10 (нами проделано более пятидесяти таких экспериментов).

Назовем ситуацию с конкретным расположением сторон всех монет на подносе макросостоянием этой системы, а число способов реализации данного макросостояния - числом микросостояний системы м? (таб. 2, показывает на слайде). Например, макросостояние (8-2) (макроситуация на подносе) может быть реализовано 45-ю «микросостояниями», т.е. ориентациями сторон конкретных монет. Макросостояние (8-2) реализуется, например, следующим образом: монета № 2 - решка, монета № 7 - решка, остальные монеты лежат орлами вверх. Это же макросостояние может быть реализовано другим «микросостоянием» монет: монета № 5 - решка, монета № 9 - решка, остальные монеты лежат орлами вверх, и таких возможностей -45. Общее число микросостояний = 210 = 1024. Вероятность реализации, например, состояния (10-0) составляет ~ 1/1000, состояния (9-1) ~ 1/100, а состояния (5-5) ~ 1/4.

Список литературы диссертационного исследования кандидат педагогических наук Толчина, Светлана Ивановна, 2012 год

1. Задачи можно классифицировать по различным признакам.

2. По содержанию: абстрактные и конкретные, с производственным и историческим содержанием, занимательные.

3. По дидактическим целям: тренировочные, контрольные, творческие.

4. По способу задания условия: текстовые, графические, задачи-рисунки, задачи-опыты.

5. По степени трудности: простые (содержат одно-два действия), сложные, комбинированные.

6. По характеру поставленной задачи и методу исследования: количественные, качественные, экспериментальные.

7. В рамках термодинамики курса молекулярной физики одной из такихвопросов семинарского занятия может быть выбрана, например, тема

8. ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ: ЗАДАЧИ, ОРГАНИЗАЦИЯ, РЕЗУЛЬТАТЫ

9. Задачи педагогического эксперимента, условия проведения, критерии и показатели оценки результативности разработанной методической системы обучения термодинамике на основе методов научного познания в техническом вузе

10. Для определения коэффициента полноты усвоения структурных элементов знания термодинамики, использовался поэлементный анализ письменных контрольных работ. Расчет коэффициента полноты усвоения элементов знания использовалась формула А. В. Усовой:

11. В соответствии с данным подходом содержание образования модернизируется и представляется как система компетенций и компетентностей, интегрирующая совокупность взаимосвязанных смысловых ориентаций, умений, знаний для решения профессиональных задач.

12. Приобретенные обучаемыми профессиональные компетенции, могут быть оценены через результаты обучения.

13. В настоящее время существуют разные методики оценки степени сформированности компетенций будущего специалиста 8, 30, 18 и др.. Мы посчитали целесообразным выбрать следующую методику.

14. В соответствии с целями Б.С. Блума можно выделить основные уровни усвоения знаний и умений:

15. Уровень распознавания понятия, явления, и т.д.

16. П.Уровень запоминания и воспроизведения элементов знания. Ш.Уровень понимания.1..Уровень алгоритмических предписаний.

17. V.Уровень «переноса» знаний.

18. I. уровень 20 % или 20 баллов ,1.. уровень 28 % или 28 баллов }- умениевый компонент

19. Согласно описанной методике, коэффициент сформированности профессиональной компетенции имеет обобщенный характер и на среднем уровне требований к результатам обучения не должен превышать 0,7.

20. Статистическая оценка эффективности предложенной методической системы осуществлялась с помощью критерия Пирсона 95, с. 113-114.:

21. В ходе педагогического эксперимента на всех его этапах использовались следующие методы эмпирического исследования: опрос, анкетирование,наблюдение, тестирование, а так же методы математической статистики для обработки результатов эксперимента.

22. Методика проведения и результаты констатирующего и поискового экспериментов.

23. На этапе констатирующего эксперимента была проанализирована традиционная методическая система обучения общей физике технического вуза, традиционные методы и формы обучения курсу общей физике в высшей школе.

24. Констатирующий эксперимент проводился со студентами первого курса ТюмГНГУ в 2007 2008 уч. гг.