Формирование исследовательской компетенции обучающихся при изучении экспериментальных методов (на примере изучения диффузионного смешения в газовых смясях)

Методынаучного исследованияподразделяются на эмпирические и теоретические. Соответственно в структуре научного знания выделяют два основных уровня: эмпирический и теоретический, а в философии науки - эмпирический и теоретический уровни научного познания. Таким образом, существует связь эмпирических и теоретических методов исследования со структурой научного знания и научного познания, что свидетельствует о сложной взаимосвязи этих понятий.

Всякое научное знание есть результат деятельности рациональной ступени сознания (мышления) и это относится как к теоретическому, так и к эмпирическому уровням научного знания. Сами по себе чувственные данные, сколь бы многочисленными и адаптивно-существенными они не были, научным знанием еще не являются. Это справедливо и для данных научного наблюдения и эксперимента, пока они не получили нужной мыслительной обработки и не выражены в языковой форме (в виде терминов и положений эмпирического языка науки) [11].

Эксперимент характеризуется вмешательством исследователя в поло­жение изучаемых объектов, воздействием на предмет исследования различ­ных приборов и экспериментальных средств. Позволяет осуществлять:

- вычленение предмета исследования и изучение его в «чистом» виде;

- выбор или создание экспериментальных средств;

- целенаправленное воздействие на объект: изменение объекта и изме­нение условий его существования для получения искомого результата;

- многократное воспроизведение хода процесса, фиксацию данных, их обработку и перенос на другие объекты данного класса.

Эксперимент необходим как основное средство накопления фактов, со­ставляющих эмпирический базис всякой теории, и является, как и вся практика в целом, объективным критерием относительной истинности теоретических по­ложений и гипотез. В нем можно вычленить три элемента: познающий субъект (экспериментатор), средства эксперимента и объект исследования [12].

При формировании исследовательской компетенции обучающихся с помощью выполнения учебных исследований по физике экспериментальными методамиопираются на соответствующую методологическую схему, раскрывающую содержание и временную структуру научного исследования.

Обобщенная схема, раскрывающая методику подготовки обучающихсяк выполнению учебного исследования эмпирического уровня, включая дея­тельность преподавателя и обучающихся, представлена в таблице 2.

Таблица 2

Обобщенная схема подготовки обучающихся к выполнению учебного исследования эмпирического уровня

Этапы	Содержание деятельности преподавателя и обучающихся
1. Вводный	Преподаватель. Организует работу по вовлечению обучающихся в проектирование исследования, по завершению которого формулируются конкретные задачи по выполнению учебного исследования эмпирического уровня. Обучающиеся. Определяют совместно с преподавателем задачи исследования и условия их решения: что исследовать, при каких условиях будет выполняться исследование, каковы погрешности измерений, какие условия будут влиять на результаты исследований, в каких пределах будут меняться физические величины и т.п.
2. Содержа­тельный. Подготовка эксперимента	Преподаватель. Организует выполнение этапа технологической подготовки исследования в виде предварительного экспериментального исследования взаимодействия поставленной задачи. Обучающиеся. Выполняют отладку экспериментальной установки и измерительной ячейки под планируемый эксперимент, подбирают серию образцов, способных обеспечить полноту и достоверность эксперимен­тального исследования, проводят предварительный эксперимент с целью обнаружения исследуемого явления и границ его исследования
3. Выполнение эксперимента	Преподаватель. Организует и контролирует выполнение обучающимися стадии проведения исследования, при необходимости консультирует и помогает. Обучающиеся. Аккуратно и добросовестно выполняют экспериментальное исследование, осуществляют регистрацию результатов эксперимента в журнале, строят предварительные графики, повторяют эксперимент для достижения нужной повторяемости результатов и требуемой точности измерений
4. Обработка результатов эксперимента	Преподаватель. Контролирует обработку результатов эксперимента Обучающиеся. Осуществляют с помощью пакетов компьютерных программ обработку результатов экспериментального исследования с целью установления физических закономерностей, объясняют результаты экспериментального исследования на основе физических явлений, моделей, законов и анализа ранее выполненных и опубликованных науч­ных и учебно-методических работ
5. Апробация результатов и рефлексия собственной деятельности	Преподаватель. Организует обсуждение результатов выполненного исследования, определяет пути дальнейшего исследования: дополнительные экс­перименты, подготовка выступлений, написание тезисов или статьи. Обучающиеся. Обсуждают результаты проведенного эксперимента, выполняют при необходимости дополнительный эксперимент, приступают к оформлению результатов исследования: подготовка доклада или сообщения, курсовая или дипломная, тезисы, статьи. Оценивают свою деятельность и намечают планы дальнейших исследований

Подготовку обучающихся к выполнению учебных исследованийявления диффузионного смешения в газовых смясяхцелесообразно начинать с изучения теории диффузии в многокомпонентных газовых смесях. Рассмотрим проведение учебного исследования экспериментальными методами конкретным примером изучения диффузионного смешения в газовых смясях.

Эксперименты по изучению диффузионного смешения, в основном, проводятся двухколбовым методом, а в ряде случаев с визуализацией процесса смешения.

Двухколбовый метод является классическим квазистационарным методом, который используется при измерении КВД, самодиффузии, термодиффузии, изучении диффузионного бароэффекта, а также при исследовании явлений, сопровождающих режимы смешения в многокомпонентных газовых смесях. Положительной стороной метода является возможность проведения экспериментов в широкой области параметров (давление, температура, концентрация). К недостаткам этого метода можно отнести, во-первых, продолжительность экспериментов для получения коэффициентов переноса с минимальной погрешностью (при больших давлениях может достигать нескольких десятков часов), во-вторых, получаемые коэффициенты переноса являются усредненными по сечению и длине диффузионного канала, в-третьих, допущения, сделанные при выводе расчетной формулы.

В двухколбовом методе изучается процесс диффузии газов в противоположных направлениях в диффузионном канале площадью поперечного сечения S и длины L из одной колбы объемом V_I в другую объемом V_II. Расчетная формула метода для коэффициентов взаимной диффузии имеет вид:

, (1)

где∆х₀, ∆х_τ – разности концентраций между колбами аппарата в начальный и конечный моменты времени; τ – время процесса смешения.

Выражение (1) было получено с применением следующих допущений: квазистационарное состояние в диффузионном канале наступает быстро, концентрации газов в колбах прибора выравниваются мгновенно, объем канала значительно меньше объема колб, КВД не зависят от концентрации. Но при выполнении экспериментов не всегда представляется возможным выполнить все ограничения, поэтому в формулу (1) вводят поправки. Так, в работе [15], вследствие влияния диффузионного сопротивления, вместо геометрической длины диффузионного канала было использовано ее эффективное значение:

Lэф=L+kd, (2)

где d – диаметр канала; k=(0,745±0,012) – поправочный коэффициент.

Принципиальная схема установки приведена на рисунке 2.

А, Б - баллоны с газами; I - блок подготовки газов; II - термостат с двухколбовым аппаратом; 1 - 10 - краны; 11 - мембранные разделители; 12 - образцовые манометры; 13 - выравнивающая емкость; 14 - нижняя колба; 15 - диффузионный канал; 16 - верхняя колба; 17 - фторопластовая таблетка; 18 - шток; 19 – вороток.

Рисунок 2 - Схема экспериментальной установки двухколбового метода

В соответствии с рисунком 2 экспериментальная установка состоит из двух основных частей. Первая – это блок подготовки газов, который включает в себя набор вентилей для заполнения из баллонов исходными газами колб аппарата и по окончании опыта взятия проб газов на анализ; емкости (объем ее больше или соизмерим с объемом колбы), с помощью которой выравнивают давление в колбах прибора, и контролирующими давление манометрами (использовались образцовые манометры с соответствующими пределами измерений класса точности 0,4) со специально изготовленными мембранными разделителями. Мембранные разделители отсекали достаточно большой объем полости манометра от соответствующей колбы, исключая, таким образом, значительную паразитную емкость.

Вторая часть установки представляет собой двухколбовый аппарат. При исследовании диффузии двухколбовым методом к используемой аппаратуре предъявляют различные требования, зависящие от параметров исследования. При изучении влияния температуры необходимым требованием является поддержание определенной температуры колб аппарата. При определении параметров массопереноса в зависимости от давления экспериментальная установка была выполнена из материалов, выдерживающих соответствующие давления. Для наблюдения динамики процесса смешения использовался двухколбовый аппарат со смотровыми окнами, представленный на рисунке 3.

Методика работы на двухколбовом аппарате заключалась в следующем [15]. Колбы аппарата разобщались между собой, и форвакуумным насосом производилась откачка, например, верхней колбы 1, рисунок 3, которая несколько раз промывалась соответствующим газом из баллона и затем окончательно заполнялась им до давления опыта. Аналогичную процедуру проводили с нижней колбой 2. После выхода установки на заданный температурный режим давление в колбах выравнивалось через специальную емкость 13, рисунок 1, и затем излишки газов стравливались в атмосферу через кран 10. По образцовым манометрам отмечалось давление газов в колбах аппарата. Абсолютное давление опыта определялось как сумма атмосферного давления (показания снимались с помощью манометра-барометра МБП) и избыточного давления, снятого по манометру. После выравнивания давления открывался диффузионный канал, и одновременно регистрировалось время, соответствующее началу процесса смешения. По окончании эксперимента колбы аппарата разобщались, и отмечалось время переноса. Анализ газов после диффузии проводился на хроматографе из обеих колб аппарата [13, 15].

1, 2 – верхняя и нижняя колбы; 3 – смотровые окна; 4 – диффузионный канал.

Рисунок 3. Фотография двухколбового диффузионного аппарата со смотровыми окнами

Итак, учебное исследование экспериментальными методами, может быть выполнено в соответствии с методологией научного исследования. Систематическое выполнение таких исследований будет формировать исследовательскую компетенцию обучающихся, т.е. его готовность и способность выполнить учебное исследование в соответствии с этапами научного исследования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ проблемы определения исследовательской компетенции с точки зрения методологии научного исследования позволил изучить состояние проблемыформирования исследовательской ком­петенции обучающихся и теоретико-методологические основы ее разрешения.

Как показало исследование исследовательская компетентность как интегральная характеристика личностных и профессионально значимых качеств специалиста, предполагающая обладание системой научных знаний, средствами и методами научного исследования, а также определенной системой ценностных ориентаций и целевых установок, специфических для науки позволяет обучающемуся быть компетентным в области методологии исследований по специальности.

Изучение целей и задач методики формирования исследовательской компетенции обучающихся, на примере исследования диффузионного смешения в многокомпонентных газовых смясях, позволило установить компоненты предметной исследовательской компетенции и выяснить ее основные структурные элементы - готовность и способность обучающихся выполнить учебное исследование, следуя этапам организации исследовательской деятельности, которые базируются на логике выполнения научно-исследовательского проекта.

В исследовании обосновано применение системно-синергетического подхода к формированию исследовательской компетентности при обучении в вузе, рассматриваемого как сложного многоуровневого динамичного процесса, протекающего поэтапно, который имеет различные взаимосвязанные на всех уровнях подготовки специалиста аспекты. Показано, что целостность формирования исследовательской компетенции у обучающихся обусловливается единством теоретических и эмпирических физических методов исследования.

По данным научного исследования установлено, что формирование и развитие исследовательской компетенции обучающихся в процессе исследования диффузионного смешения в многокомпонентных газовых смясях, осуществляемое при изучении физических дисциплин, должно опираться на идеи проблемного и исследовательского обучения и реализоваться с помощью системы экспериментальных исследований как процедуры учебно-исследовательской деятельности обучающихся.

Обоснование и разработка научных основ развития исследовательской компетенции у обучающихся в педвузе, реализация в учебном процессе всех её аспектов свидетельствует о достижении поставленной цели. Результаты работы по созданию методической системы формирования исследовательской компетен­ции обучающихся, на примере изучения процессов массопереноса, получили теоретическое обоснование и проверенную методику практической реализации.

Возможными направлениями работы по дальнейшему развитию вы­полненного исследования может стать проецирование концептуальных основ методической системы и методики формирования исследовательской компе­тенции обучающихся при изучении физики; дальнейшее развитие и совершенствование исследовательского подхода к обучению в педвузе на основе конкретизации отдельных направлений учебных исследований теоретического и эмпирического уровней и их включения в существующую лекционно-семинарскую системы обучения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Государственный общеобязательный стандарт высшего и послевузовского образования. Утв. постановлением Правительства Республики Казахстан от 23 августа 2012 года № 1080.

2. Советский энциклопедический словарь. – М.: Советская Энциклопедия, 1980. – 1000 с.

3. Молдабекова М.С., Акжолова А.А. Развитие исследовательской компетентности обучающихся по физике при решении профессиональных задач. // Вестник. Серия "Физико-математические науки", №3 (51). - Алматы: КазНПУ имени Абая, - 2015.- С.178-183.

4. Татур Ю.Г. Компетентность в структуре модели качества подготовки специалиста // Высшее образование сегодня. – 2004. – №3. – С. 20-26.

5. Молдабекова М., Кайдарова А. Методологическое обоснование синергетического подхода к образовательной системе // Науковi записки. Випуск 122. Серія: Педагогiчнi науки.-Кiровоград: РВВ КДПУ iм. В.Винниченка, 2013.- С.34-46.

6. Молдабекова М.С. Фундаментализация подготовки учителя физики как основа профессиональной деятельности. Системно-синергетический подход.- Алматы: Қазақ университеті, 2000.- 201 с.

7. Хакен Г. Информация и самоорганизация.Макроскопический подход к сложным системам.- М.: Мир, 1991.- 240 с.; -М.: Комкнига, 2005.-248 с.

8. Молдабекова М.С., Хмель Н.Д.Целостный педагогический процесс как синергетическая система / Преподавание физики в высшей школе //Научно-методический журнал.- М.: МГПУ, 2001.- 21. С.27-35.

9. Молдабекова М.С. Синергетический эффект как фактор повышения качества образовательной деятельности //Управление организациями образования на основе синергетического подхода /Материалы Международной научно-практической конференции.- Алматы: РИПК СО, 2006.-С.11-17.

10. Молдабекова М.С. Фундаментальность университетского образования в подготовке будущего учителя. Дисс…на соискание уч.степени доктора пед.наук. –Алматы, 2001.- 288 с.

11. Авдеев В.М. Компетентностный подход в конструировании современных образовательных моделей // Социально-Гуманитарные Знания. 2006. № 6. С. 235-240.

12. Allen P., Engelen G., Sanglier V., in: The praxis and management of complexity, Un. Nations Univ. Press, Tokyo (1986).

13. Жаврин Ю.И., Молдабекова М.С.,Поярков И.В., Мукамеденкызы В. Экспериментальное исследование диффузионной неустойчивости в трехкомпонентной газовой смеси при нулевом градиенте плотности //Письма в ЖТФ.- 2011.- т.37, вып.15. С.62-68.

14. Гершуни Г.3., Жуховицкий Е.М., Непомнящий А.А. Устойчивость конвективных течений - М.: Наука, 1989. - 320 с.

15. Косов В.Н., Селезнев В.Д. Аномальное возникновение свободной гравитационной конвекции в изотермических тройных газовых смесях.- Екатеринбург: УрО РАН, 2004.- 149 с.