Методическая система обучения студентов технических вузов материаловедению и технологии конструкционных материалов: На примере подготовки инженеров железнодорожного транспорта

Сейчас перед страной стоит необходимость решения актуальных задач развития транспортной системы России, которая имеет важнейшее государственное, народнохозяйственное и оборонное значение. Решение задач развития транспортной системы особенно возрастает в условиях введения рыночных отношений, перестройки управления экономикой, т. к. от железных дорог требуется своевременное, качественное и полное удовлетворение потребностей населения и народного хозяйства, грузоотправителей и грузополучателей в перевозках. Любая, даже кратковременная задержка выполнения заявки на перевозки, наносит ущерб нормальной работе предприятий, подрывает договорные основы ведения хозяйства, снижает конкурентоспособность железнодорожного (ж/д) транспорта. Железные дороги располагают различными инженерными сооружениями, устройствами и средствами: (ж/д) путь, подвижной состав, локомотивы, вагоны, локомотивные и вагонные депо, осуществляющие различные виды ремонта и профилактических работ, сооружения и устройства сигнализации, связи, вычислительной техники, электрои водоснабжения, ж/д станции и узлы.

Следовательно, ж/д транспорт России представляет собой многоотраслевое хозяйство, требующее от специалистов всесторонних взаимосвязанных и взаимодействующих на проблему специальности знаний и умений. Поэтому направление подготовки дипломированных специалистов по ж/д транспорту 657 600 — Подвижной состав железных дорог, охватывающее специальности: 150 800 — Вагоны- 150 700 — Локомотивы- 657 700 — Системы обеспечения движения поездов и др. в соответствии принятому Гособразовательному стандарту высшего профессионального образования 2000.2005 г. г. приобретает государственное актуальное значение.

Сфера деятельности будущего специалиста по любой из указанных специальностей включает технологическую, проектно-конструкторскую и эксплу-тационную деятельность. Во всех направлениях этой деятельности основной проблемой является обеспечение надежности ж/д объектов (локомотивов, вагонов, подвижного состава, и др. оборудования) при эксплуатации. При этом одной из актуальнейших задач, в обеспечении надежности объектов ж/д транспорта на всех уровнях их создания и эксплуатации (проектно-конструкторский, технологический при изготовлении и эксплуатации, научно-исследовательский при проектировании, изготовлении, совершенствовании и эксплуатации), является повышение долговечности и надежности материалов.

В последние годы созданы новые локомотивы и вагоны для скоростного движения, устройства автоматики, телемеханики и т. п., соответствующие мировому уровню, поэтому в транспортном машиностроении значительно расширилась номенклатура материалов с повышенными требованиями к прочности, жаростойкости, коррозионной и химической стойкости. При эксплуатации, выбранные конструкторами и технологами материалы подвергаются разнообразным эксплуатационным нагрузкам, поэтому при изучении материаловедения и ТКМ должны более детально раскрываться современные, признанные в научной практике, дислокационно-структурные механизмы разрушения материалов, а также возможности релаксационных и рекристаллизационных процессов, позволяющие повышать надежность работы объектов ж/д транспорта при их эксплуатации [1].

При обучении студентов ж/д втузов материаловедению и ТКМ актуальным становится более конкретная ориентация на материалы объектов ж/д транспорта, в этом случае подготовка по материаловедению и ТКМ будет профессионально направленной. Кроме того, содержание изучаемой дисциплины должно быть ориентировано на новые подходы в науке о материалах, связанные с оценкой их надежности при эксплуатации.

Проблема изучения материаловедения и ТКМ заключается в обеспечении студентов знаниями и умениями: 1) по выбору оптимальных материалов, что до недавнего времени в учебном процессе решалось описательными кур-сами материаловедения (сведения о существующих и новых разрабатываемых и внедряемых материалахо структурных превращениях, сопровождающих термическую обработку, при температурах значительно более высоких, чем температуры, возникающие в деталях машин при их эксплуатации) — 2) по определению способности материалов увеличить срок эффективной и функциональной работы объектов ж/д транспорта, что решается изучением структурных превращений под действием многочисленных эксплуатационных факторов, определяющих процессы разрушения материалов. Именно второе при обучении студентов ж/д втузов раскрывается недостаточно и снижает уровень подготовки инженера при решении проблем надежности ж/д транспорта.

Непрерывно возрастающие требования к свойствам материалов обуславливают необходимость опережающего развития научных разработок в области материаловедения. Современное материаловедение как наука о структуре и свойствах различных материалов, существенно модернизируется за счет интеграции физики твердого тела, химии и технологии неорганических веществ, механики твердого деформированного тела и нелинейной механики разрушения. Единый подход к явлениям первичной и вторичной кристаллизации, упругой и пластической деформации стал возможен благодаря новому пониманию реальной структуры материалов на всех иерархических уровнях" [2]. Все материалы «живут», изменяют свои структуры и свойства в процессе их получения, изготовления из них деталей и дальнейшей их эксплуатации. Очевидно, что материаловедение и ТКМ должны базироваться при обучении студентов ж/д втузов на современное направление материаловедения — «от микроструктуры — к макросвойствам» [2], т. е. от микроструктуры к физико-механическим свойствам с учетом эволюции микроструктур и свойств материалов при их эксплуатации в объектах ж/д транспорта.

Структурные превращения по границам зерен микроструктуры материалов, обусловленных действием многих факторов эксплуатации и дислокационным механизмом разрушения являются научной основой решения проблемы долговечности и надежности деталей машин, а также и методической основой при изучении курса материаловедения и ТКМ, т. к. эксплуатационная прочность материалов обеспечивает в большинстве случаев безаварийную работу ж/д транспорта. Научно-методическая основа изучения курса материаловедения и ТКМ, кроме, изучаемых ранее, номенклатуры и свойств материалов, должна быть построена на изучении следующих понятий: 1) микроструктуры металлов и сплавов — основного фактора надежности и долговечности деталей машин- 2) пространственной атомно-кристаллической (а.-к.) структуры материалов- 3) аллотропических превращений компонентов сплавов, происходящих при определенных условиях на различных стадиях термической, упрочняющей др. видов обработки материалов- 4) возникновения дефектов (а.-к.) строения и их влияния на механические и др. свойства материалов, а значит, на долговечность и надежность деталей и машин- 5) дислокационно-структурного механизма разрушения- 6) механизма структурных превращений при деформациях- 7) значения и влияния микроструктуры деталей при эксплуатации на долговечность и надежность деталей машин- 8) выбора материалов в зависимости от условий эксплуатации.

Надежность деталей при эксплуатации машин оценивается по различным критериям: прочность, усталость, механическое изнашивание, теплостойкость, и т. п. Каждый из этих критериев зависит от конкретных и одновременных воздействий различных факторов (нагрузки, различные по величине, направлению, цикличности, воздействиям температуры, химических сред, и т. п.). Все эти факторы эксплуатации оставляют свой отпечаток в поверхностном слое детали — это микроструктура эксплуатируемой детали. Прочность материала, его надежность в любой момент эксплуатации зависит и может определяться микроструктурой поверхностного слоя детали. Установление состояния микроструктуры даст возможность прогнозировать с учетом оценки возникающих дислокаций дальнейшее изменение свойств поверхностного слоя детали с возникновением в ней дефектов, а значит, прогнозировать ее долговечность.

В последние годы получило развитие новое научное направление в материаловедении — фрактальное материаловедение Основная задача фрактального материаловедения заключается в разработке принципов управления структурой материалов за счет целенаправленного введения и последующей реализации контролируемых обратных связей с целью получения материалов с дис-сипативными свойствами, необходимыми для заданных условий эксплуатации" [3]. Структура всех уровней сплавов рассматривается как живой организм, в котором постоянно под действием эксплуатационных факторов происходят структурные превращения как с прямыми, так и обратными связями.

Следовательно, при обучении студентов ж/д втузов материаловедению и ТКМ необходимо больше уделять внимания изучению дислокационноструктурным механизмам превращений в сплавах, фракталов и возможностей использования принципа обратных связей для сохранения оптимальной метаста-бильной структуры, соответствующей требуемым физико-механическим свойствам сплавов для повышения долговечности их работы.

Специфика обучения материаловедению и ТКМ такова, что в учебных планах втузов, кроме естественнонаучных дисциплин существуют циклы общетехнических и специальных дисциплин, поэтому процесс обучения должен осуществляться на основе межпредметных взаимосвязей, способствующих успешному овладению профессиональными знаниями и умениями. Формирование познавательной и творческой активности будущих инженеров должно осуществляться на основе комплексного подхода, объединяющего фундаментальное (естественнонаучное) и общетехническое образование, что с ориентацией на выявление сущностных основ и связей производственных процессов приводит к целостности образования.

Выполненный нами анализ: 1) опыта организации лекционных и лабо-раторно-практических занятий по общетехническим дисциплинам, в т. ч. по материаловедению и ТКМ, в их взаимосвязи с естественнонаучными дисциплина-ми [4−48, 51−73]- 2) диссертационных исследований [74−94]- 3) монографий и учебных пособий [49, 50, 55−101, 59, 102−106], 4) учебных планов и программ, квалификационных характеристик, стандартов для инженерных специальностей [107−115]- 5) анкетирование преподавателей, ведущих занятия по материаловедению и ТКМ во втузах ж/д транспорта позволил выявить, что: при построении учебных курсов различных циклов инженерной подготовки практически не реализуются: 1) принцип научности в свете современного материаловедения — от микроструктуры к макросвойствам материалов- 2) принцип преемственности содержательной компоненты образования, который позволял бы студентам осмысливать и усваивать постепенно и логично наращиваемый багаж знаний, укрепляющий и фиксирующий связи между предметами и направленный на решение проблем ж/д специальностей. Кроме этого анализ показал, что:

— в учебных планах и программах практически отсутствует объективная сущность (субстрат) современного материаловедения (от микроструктуры к макросвойствам);

— в соответствии с субстратом современного материаловедения практически отсутствуют методологические и методические установки при формировании учебного содержания дисциплины «Материаловедение и ТКМ»;

— отсутствие общности методологических и методических установок приводит к автономному преподаванию учебных предметов без отслеживания логико-содержательных связей между материаловедением, ТКМ и др. общетехническими и специальными дисциплинами, которые должны быть направлены на решение проблем специальностей ж/д транспорта;

— число обязательных часов на изучение материаловедения и ТКМ неуклонно сокращается, несмотря на то, объем изучаемого программного материала постоянно увеличивается вследствие научно-технического прогресса;

— программы по материаловедению и ТКМ для ж/д втузов не отражают в достаточной степени направленность обучения на решение проблем специальностей ж/д транспорта, поэтому содержание данной дисциплины для различных ж/д специальностей практически одинаково;

— вопросы технологии обучения по материаловедению и ТКМ в ж/д втузе не получили достаточной разработки;

— число часов на самостоятельную работу на дневных отделениях приближается к 50% от общего количества часов, но эффективно не используется как следствие недостаточной разработки технологии обучения;

— практически отсутствует теория и методика обучения материаловедению и ТКМ по ж/д специальностям.

Поэтому многие студенты не осознают цели изучения материаловедения и ТКМ. У них слабо формируются знания, соответствующие новым фундаментальным подходам к рассмотрению физико-механических свойств и физических проблем прочности материалов, умения использовать эти знания при дальнейшем изучении специальных дисциплин и тем более, применять их к решению задач, направленных на повышением качества и надежности ж/д транспорта. Кроме того, у обучающихся не формируются знания о новых подходах в науке о материалах (от микроструктуры к макросвойствам), связанными с оценкой надежности материалов, применяемых в ж/д транспорте при их эксплуатации. Недостаточное внимание уделяется формированию знаний о процессах структурных превращений в материалах при эксплуатации под действием многочисленных, вместе действующих, факторов [116−118, 30, 31, 47, 48], определяющих процессы разрушения материалов.

Идея о том, что все материалы «живут», изменяют свои структуры, а соответственно прочностные свойства в периоды их получения, изготовления из них деталей и их эксплуатации должна быть фундаментальной основой при изучении материаловедения и ТКМ и раскрываться при рассмотрении: 1) микроструктуры сплавов как основного фактора их надежности и долговечности- 2) пространственной а.-к. структуры материалов- 3) аллотропических превращений, происходящих на различных стадиях термической и др. видов обработки материалов- 4) возникновения дефектов а.-к. строения и их влияния на физико-механические свойства материалов, на надежность деталей и машин- 5) дислокационно-структурного механизма разрушения- 6) механизма межграничных структурных превращений при деформациях- 7) значения микроструктуры деталей при эксплуатации на надежность машин- 8) выбора материалов в зависимости от условий эксплуатации.

Следовательно, как при создании сплавов, так и при их эксплуатации для эффективного управления их свойствами необходимо представлять механизмы структурных превращений в сплавах, использовать принцип обратных связей, действующий в живых организмах, для сохранения оптимальной структуры соответствующей требуемым физико-механическим свойствам сплавов и материалов. Используемые же в настоящее время при изучении материаловедения программы, комплексы лабораторно-практических работ, учебники и учебные пособия во многих случаях абстрактны и не отличаются четкой направленностью на решение задач и проблем ж/д транспорта. Недостаточно внимания уделяется вопросам: обеспечения и поддержания эксплуатационной надежностиизменениям структур материалов, а значит и свойствдислокационно-структурному механизму разрушения материалов. В существующих учебных курсах почти не освещается новое научное направление в материаловедениифрактальное материаловедение, задачей которого является разработка принципов управления структурой материалов за счет введения и последующей реализации контролируемых обратных связей с целью получения материалов с дис-сипативными свойствами для заданных условий эксплуатации.

Отсюда возникает необходимость разработки методики обучения студентов ж/д втузов материаловедению и ТКМ, позволяющей через освоение научной сущности дисциплины формировать у студентов современное научно-техническое мышление, готовить их к самостоятельной работе по освоению все нарастающего объема научно-технической информации, дальнейшему изучению специальных дисциплин и будущей профессиональной деятельности.

Проблеме преподавания общетехнических дисциплин во втузах, к которым относится материаловедение и ТКМ, посвящены диссертационные работы Измайловой А. А. [77], Баляевой С. А. [74], Клещевой Н. А. [79], Коваленко Н. Д. [80], Масленниковой Л. В. 83], Майкова Э. В. 95], Нартовой Л. Г. [84], и др. Вместе с тем, исследований, посвященных подготовке студентов по материаловедению и ТКМ в ж/д втузах практически до сих пор нет. Таким образом, существует противоречие между стоящими на современном этапе задачами подготовки будущих инженеров железнодорожного транспорта и отсутствием модели методической системы обучения материаловедению и ТКМ, которая характеризовалась бы фундаментальностью, целостностью, направленностью на формирование познавательной и творческой активности инженера.

Анализ учебного процесса по материаловедению и ТКМ вскрыл и некоторые другие противоречия, например:

— с одной стороны, необходимость построения образовательного процесса, в соответствии с современными научными подходами к структуре и свойствам материалов (от микроструктуры к макросвойствам) способствующего целостности восприятия студентами научной сущности материаловедения, развития современного научно-технического мышления, с другой — практика обучения, проявляющаяся в предметной ориентации, в недостаточности межпредметных связей, преемственности учебных курсов различных циклов в их направленности на решение проблем ж/д транспорта;

— с одной стороны, высокий, не только прикладной, но и научный потенциал дисциплины (материаловедение и ТКМ — теории дислокаций, пластичности, сплавов как термодинамической системы и др.), с другой — недостаточное использование этого потенциала в системе подготовки инженера;

— с одной стороны, стремление к интеграции материаловедения и ТКМ с циклом специальных дисциплин, с другой — фрагментарное и репродуктивное построение курсов материаловедения и ТКМ.

Эти противоречия обуславливают актуальность данного исследования.

Исходя из вышеизложенного, в данном исследовании ставится цельразработать методику обучения материаловедению и ТКМ студентов ж/д втузов, соответствующую по содержанию, принципиально новому и определяющему будущее развитие материаловедения направлению, профессионально направленному на решение проблемы повышения надежности материалов объектов ж/д транспорта через изучение дислокационно-структурных механизмов превращений в материалах при эксплуатации, способную показать будущим специалистам возможные пути управления структурами материалов с целью повышения надежности ж/д транспорта.

Проблема исследования заключается в поиске ответа на вопрос: какой должна быть методическая система преподавания материаловедения и ТКМ в ж/д втузах, способствующая повышению качества подготовки будущих инженеров транспорта к решению профессиональных задач.

Объектом исследования является процесс обучения студентов материаловедению и ТКМ в железнодорожных втузах в современных условиях.

Предметом исследования является методическая система обучения студентов втузов ж/д транспорта материаловедению и ТКМ, включающая цели, содержание, структуру, методы, формы и средства обучения.

Цель исследования состоит в теоретическом обосновании и создании модели методической системы обучения материаловедению и ТКМ, а также конкретной методики обучения этим дисциплинам студентов железнодорожных втузов.

Гипотеза исследования состоит в следующем: если методическую систему обучения материаловедению и ТКМ построить на основе современных научных представлений о микроструктуре материалов, о механизмах изменения микроструктур и соответственно свойств материалов, дидактических принципов фундаментальности, профессиональной направленности, межпредметных связей, то реализация такой методической системы обучения в учебном процессе приведет к формированию у студентов теоретических знаний и умений, творческой самостоятельности, что в целом повысит качество подготовки инженера ж/д транспорта.

Цель и гипотеза исследования определили следующие задачи.

1. Теоретически обосновать роль материаловедения и ТКМ в подготовке инженеров ж/д транспорта, выявить причины, снижающие эффективность обучения этим дисциплинам в системе ж/д втузов.

2. Выявить реальный уровень подготовки студентов ж/д втузов по материаловедению и ТКМ.

3. Теоретически обосновать и разработать модель методической системы обучения студентов ж/д втузов материаловедению и ТКМ. Для этого:

— исходя из целей обучения и логического анализа общетехнического знания разработать требования к содержанию и структуре курсов материаловедения и ТКМ для подготовки инженеров ж/д транспорта;

— разработать содержание (определить его инвариантный и варьируемый компоненты), методы и средства обучения.

4. Разработать методическую систему, содержание и методы проведения лекционных, лабораторных и практических занятий по материаловедению и ТКМ.

5. Разработать задания для студентов ко всем формам занятий, к контрольным и курсовым работам.

6. Осуществить экспериментальную проверку гипотезы исследования.

Методологическую основу исследования составляют:

1) системный подход, определяющий современное научное мировоззрение;

2) теория и методология научного познания материаловедения (от микроструктуры к макросвойствам) — 3) системный подход, позволяющий рассматривать обучение материаловедению и ТКМ студентов ж/д втузов как методическую систему, включающую цели, содержание, методы, формы и средства обучения- 4) сложившийся в дидактике подход к структуре учебного предмета, в соответствии с которым в учебных дисциплинах «Материаловедение» и «ТКМ» выделяются содержательный и процессуальный блоки- 5) логический подход к анализу общетехнического знания, позволяющий определить инвариантную и варьируемую компоненты содержания курсов «Материаловедение» и «ТКМ» для ж/д втузов- 6) деятельностный подход, позволяющий отразить в процессуальной компоненте учебных предметов «Материаловедение» и «ТКМ» познавательную и творческую деятельность, адекватную профессиональной деятельности инженера ж/д транспорта.

Методы исследования, применявшиеся при выполнении данной работы: 1) теоретические — анализ философской, естественнонаучной, научно-технической, психолого-педагогической литературыанализ и экстраполяция результатов исследований и педагогического опытамоделирование педагогических ситуаций- 2) экспериментальные — наблюдение, педагогический эксперимент, экспертная оценка и тестирование.

Теоретическую основу исследования составляют:

— исследования по методологии и истории развития физического материаловедения и техники — Н. Ф. Болховитинова, А. П. Гуляева, Ю. М. Лахтина, В. П. Леонтьевой, В. А. Канке, В. Н. Князева, B.C. Степина и др.;

— труды по теоретическим основам профессиональной подготовки специалистов — А. А. Вербицкого, В. Г. Ерастова, Н. В. Кузьминой, И. Г. Огородникова, Э. Д. Новожилова, Э. В. Майкова, Л. Ф. Спирина, А. И. Щербакова и др;

— труды по современной дидактике профессиональной школы — П. Р. Атутова, С. Я. Батышева, В. П. Беспалько, П. П. Блонского, Ю. К. Васильева, З.А. Решето-вой, В. С. Леднева, А. Я. Найна, Т. Новацкого, П. И. Ставского и др;

— современные представления о структуре физики и физического материаловедения как науки, развитые П. Дираком, Р. Доэрти, B.C. Ивановой, И. А. Одингом, А. Ф. Иоффе, А. Х. Котреллом, Дж. Мартиным, В. М. Финкелем, Stroh A.N. и др.;

— исследования по психологии, педагогике, методике высшей школы, — С. И. Архангельского, В. В. Давыдова, В. В. Краевского А.Н. Леонтьева, И.Я. Лерне-ра, Н. Ф. Талызиной и др.;

— исследования по проблемам фундаментальности образования в высшей школе — О. Н. Голубевой, А. И. Наумова, В. А. Сластенина, А. Д. Суханова и др.;

— исследования по методике преподавания общетехнических дисциплин в технических вузах — А. Е. Айзенцона, А. А. Гладуна, М. М. Горунова, A.M. Дорош-кевича, Л. В. Масленниковой, Э. В. Майкова и др.;

— исследования по проблемам профессиональной направленности обучения М. И. Махмутова, Г. С. Гутурова, А. О. Измайловой, А. Я. Кудрявцева, А. А. Червовой, и др.;

— теоретические исследования в области методики преподавания общетехнических дисциплин в средней школе — А. И. Бугаева, А. Т. Глазунова, В. А. Извозчикова, С. Е. Каменецкого, А. С. Кондратьева, В. В. Лаптева, В.В. Мултановско-го, Н С. Пурышевой, JI.C. Хижняковой и др.

В соответствии с поставленными задачами исследование проводилось в три этапа: 1-й этап- 1996;2000 г. г.) включал изучение, анализ Госстандартов высшего профобразования, квалификационных характеристик, учебных планов и программ по материаловедению и ТКМ для инженерных специальностей, проведение анкетирования студентов и выявление у них уровня теоретических знаний по материаловедению и ТКМ, умений их применять при решении профессиональных задач. В результате работы был выявлен комплекс проблем в системе высшего ж/д технического образования, требующих пересмотра методики обучения студентов по материаловедению и ТКМ. Для определения общей методологической основы исследования осуществлялись изучение, анализ литературы по педагогике, методике преподавания естественнонаучных и общетехнических дисциплин в различных системах образования, по философии, логике научного познания, анализ учебников и учебных пособий по естественнонаучным и общетехническим дисциплинам.

2-й этап — (2000;2003 г. г.) посвящен разработке модели методической системы обучения материаловедению и ТКМ студентов ж/д втузов. Были определены этапы построения модели методической системы и основные принципы, лежащие в основе ее создания, разработаны программы по материаловедению и ТКМ, содержание лекций, практических и лабораторных занятий, а также задания к контрольным работам. Проводился поисковый эксперимент, в ходе которого уточнялась и корректировалась методическая система обучения этим дисциплинам студентов ж/д втузов.

3-й этап — (2001;2005 г. г.) связан с проведением обучающего эксперимента по проверке выдвинутой гипотезы исследования, статистической обработке результатов эксперимента. Были опубликованы учебные пособия, монографии по материаловедению и ТКМ для студентов инженерных ж/д специальностей. На основе материалов исследований были разработаны концепция, модель методической системы и конкретная методика обучения студентов ж/д втузов материаловедению и ТКМ.

Новизна полученных результатов обусловлена тем, что проведено комплексное исследование проблемы обучения материаловедению и ТКМ студентов ж/д втузов, в ходе которого разработаны:

1. Модель методической системы обучения материаловедению и ТКМ студентов ж/д втузов, в основе которой лежат современные научные представления о микроструктуре материалов, о механизмах изменения микроструктур и соответственно свойств материалов. Её основные характеристики:

— ведущим принципом методической системы обучения материаловедению и ТКМ студентов ж/д втузов является принцип научности, направленность на решение задач и проблем ж/д транспорта;

— основу методической системы обучения материаловедению и ТКМ, студентов ж/д втузов составляют межпредметные связи общетехнических, естественнонаучных и специальных дисциплин;

— содержательный и процессуальный компоненты учебных дисциплин «Материаловедение» и «ТКМ» в ж/д втузе должны рассматриваться в единстве;

— научное и техническое знание должны быть представлены в содержании учебных дисциплин «Материаловедение» и «ТКМ в единствепри этом 1-ое составляет инвариантную часть содержания, 2-ое — варьируемую;

— содержание материаловедения и ТКМ следует группировать вокруг фундаментальных физических и научно-технических теорий, что позволяет реализовать целостность образования;

— методы, формы и средства обучения, наряду с традиционными, должны включать такие, которые адекватны деятельности инженера ж/д транспорта;

2. Методическая система обучения материаловедению и ТКМ студентов ж/д втузов, разработанная на основе модели, во всех компонентах которой (целях, содержании, методах, формах и средствах) реализуется взаимосвязь материаловедения и ТКМ со всеми циклами дисциплин.

3. Учебно-методический комплекс для осуществления фундаментальной и профессионально направленной подготовки студентов по материаловедению и ТКМ, включающий рабочую программу, содержание лекционных, практических и лабораторных занятий, насыщенное вопросами и задачами профессионального характерасистему заданий к самостоятельным и курсовым работам, нацеленным на проведение профессионально направленных мини-исследований.

Теоретическая значимость результатов исследования состоит в том, что они вносят вклад в развитие теории и методики обучения общетехническим дисциплинам, в частности: ^ - в развитие системного подхода применительно к построению методической системы преподавания материаловедения и ТКМ во взаимосвязи с естественнонаучными, общетехническими и специальными дисциплинами;

— в развитие дидактических и частнометодических принципов обучения материаловедению и ТКМ (научности, межпредметных связей, генерализации и др.);

— в развитие теории учебного предмета и содержания образования.

Практическая значимость исследования заключается в создании методической системы обучения материаловедению и ТКМ, разработке и внедрении щ учебно-методического комплекса по материаловедению и ТКМ для студентов ж/д втузов, включающего программы по специальностям втузов железнодорожного транспорта, учебно-методические пособия, лабораторные практикумы, курсовые работы, методические рекомендации, которые являются основным практическим вкладом в совершенствование процесса обучения материаловедению и ТКМ.

Содержание диссертационного исследования отражает 25-летний опыт научно-педагогической деятельности автора по совершенствованию теории и практики обучения общетехническим и специальным дисциплинам во втузе, включая личный опыт работы преподавателем в системе высшего технического ft образования (1975;2004 г. г.), участие в госбюджетной НИР за № ГР 1 970.

2 086 по теме «Организация учебного процесса студентов 1−3 курсов заочной формы обучения» Самарской государственной академии путей сообщения.

2001;2006 г. г.);

Апробация и внедрение результатов исследований. Теоретические и практические результаты докладывались и обсуждались не менее, чем на 20 международных, межвузовских, региональных педагогических, научно-технических конференциях, семинарах и получили в целом поддержку педагогической и научно-технической общественности: на международных конференциях по надежности машин в Институте механики и энергетики Мордовского госуниверситета в 1992;96 г. г.- на конференциях и объединенных заседа-I* ниях кафедр Институте машиностроения Мордовского госуниверситета в 1992.

96 г. г.- на Огаревских чтениях в Мордовском университете в 1985;99 г. г.- на конференциях и заседаниях кафедры научных основ образования в Мордовском государственном педагогическом институте в 2002 г.- на конференциях и заседаниях кафедры методики преподавания физики в Московском государственном педагогическом университете в 2004;05 г. г.- на научно-методических конференциях в Самарской академии путей сообщения и в ее филиалах в г. г.Самаре, Орске, Оренбурге, Уфе, Рузаевке и др. Результаты исследований были внедрены в учебный процесс по курсам материаловедение и ТКМ в Щ Самарской Академии путей сообщения и ее филиалах.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и приложения. Общий объем диссертации страниц 255, основной текст диссертации составляет 194 страниц. Работа включает: 36 рисунков, 29 таблиц и 19 схем.

Список литературы

содержит 181 наименования. Приложение составляет 61 страницы.

ВЫВОДЫ по главе IV.

1. В результате констатирующего эксперимента установлено, что в процессе обучения материаловедению и ТКМ в ж/д втузах:

— у студентов практически не формируются умения в переносе знаний по материаловедению и ТКМ на проблемы ж/д транспорта, значимость фундаментальных знаний естественнонаучных дисциплин и научно-технических теорий для профессиональной деятельности осознается ими слабо;

— фундаментальные и научно-технические законы, теории, понятия и т. п. не связываются профессионально направленно с решением задач ж/д транспорта, отсутствует методология и общие методы, предполагающие научно обоснованный подход к методике обучения.

Поисковый и обучающий этапы эксперимента были организованы в следующих направлениях: 1) экспериментальная проверка методики и модели методической системы обучения студентов ж/д втузов материаловедению и ТКМ- 2) изучение формирования взаимодействия фундаментальных знаний естественнонаучных дисциплин, научно-технических теорий, знаний и умений студентов по материаловедению и ТКМ направленных на решение проблем ж/д транспорта.

2. В результате поискового эксперимента:

— разработано содержание рабочих программ, учитывающих цели, методы, формы и средства обучения материаловедению и ТКМ в ж/д втузе, с учетом взаимосвязи общетехнических, естественнонаучных и специальных дисциплин, научного подхода с выделением субстрата современного материаловедения и принципа единства фундаментальности направленности обучения на решение проблем ж/д транспорта;

— в соответствии с рабочими программами разработано содержание лекций, лабораторных, практических занятий;

— разработана система вопросов, тестовый контроль знаний и умений к лекционным, практическим и лабораторным занятиям, система заданий к курсовым работам по материаловедению направленных на ж/д специальности;

— разработаны контрольные работы по проверке инвариантного и варьируемого компонентов содержания дисциплин материаловедение и ТКМ;

— для выводов о действительном влиянии (или отсутствия влияния) на качество обучения студентов ж/д втузов по разработанной методической системе обучения материаловедению и ТКМ был применен критерий % ;

— обучение по разработанной методической системе, основанной на взаимосвязи всех дисциплин учебного плана, научном подходе с выделением субстрата современного материаловедения и принципе единства фундаментальности и направленности обучения на решение задач ж/д транспорта, оказывает влияние на успеваемость и качество обучения (формирование фундаментальных и направленных знаний на решение задач ж/д транспорта), что подтверждается сравнением полученных значений статистики с критическим значением.

Тнаб^Ткрит),.

3. Результаты обучающего эксперимента показали, что обучение по разработанной методической системе способствует: 1) формированию фундаментальных знаний по материаловедению и ТКМ- 2) применению фундаментальных знаний по материаловедению и ТКМ при решении проблем ж/д специальностей Кроме того, эксперимент показал, что студенты, обучающиеся по разработанной методической системе, основанной на взаимосвязи общетехнических, естественнонаучных, специальных дисциплин, научном подходе с выделением субстрата современного материаловедения и принципе единства фундаментальности и направленности обучения на решение задач и проблем ж/д специальностей более активно используют полученные знания по материаловедению и ТКМ при изучении общетехнических, специальных дисциплин, при выполнении курсовых и дипломных проектов, активнее принимают участие в научно-исследовательской работе.

Таким образом, повышение уровня фундаментальной и профессиональной подготовки, подтвержденное в ходе экспериментальной работы позволяет сделать вывод о справедливости выдвинутой гипотезы исследования и разработанной модели методической системы обучения материаловедению и ТКМ студентов ж/д технических вузов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенного исследования по теме «Методическая система обучения студентов технических вузов материаловедению и технологии конструкционных материалов» (на примере подготовки инженеров ж.д. транспорта) получены следующие выводы и результаты:

1. В результате анализа состояния обучения общетехническим дисциплинам, в частности материаловедению и ТКМ, в ж/д техническом вузе показано, что:

— при построении учебных курсов различных циклов инженерной подготовки практически не реализуется принцип преемственности в содержании образования, фиксирующий связи между учебными дисциплинами;

— в учебных планах и программах практически отсутствует объективно существующая общность методологических и методических подходов при формировании содержания учебной дисциплины;

— отсутствие общности установок приводит к автономному преподаванию материаловедения и ТКМ без отслеживания логико-содержательных связей между циклами дисциплин, и даже между дисциплинами одного цикла;

— число обязательных часов на изучение материаловедения и ТКМ неуклонно сокращается;

— одновременно с сокращением числа часов объем программного материала постоянно увеличивается как следствие научно-технического прогресса;

— программы по материаловедения и ТКМ для ж/д втузов не отражают в достаточной степени профнаправленность обучения, поэтому содержание этих дисциплин для различных инженерных специальностей практически одинаково;

— вопросы технологии обучения материаловедению и ТКМ в ж/д втузе не получили достаточной разработки;

— число часов на самостоятельную работу студентов приближается к 50% от общего количества, но эффективно не используется как следствие недостаточной разработки технологии обучения.

Решение проблемы совершенствования обучения материаловедению и ТКМ должно осуществляться на основе единства фундаментальности естественнонаучных дисциплин, научно-технических теорий на современном научном представлении (от микроструктуры к макросвойствам) и направленности на решение задач ж/д транспорта, а их взаимосвязь является основой для создания модели методики обучения материаловедению и ТКМ в ж/д втузах.

2. Проведенный констатирующий эксперимент показал, что курс материаловедения и ТКМ не опирается в должной степени на фундаментальные естественнонаучные дисциплиныстуденты не осознают цели обучения материаловедению как фундаменту специальных дисциплин и будущей ж/д профессиональной деятельностистуденты не могут трансформировать знания по естественнонаучным дисциплинам на материаловедение и специальные дисциплины и эффективно их использовать при выполнении курсовых и дипломных проектов, а также в ж/д профессиональной деятельности.

3. Разработана модель методической системы обучения материаловедению и ТКМ в ж/д втузах на современном научном представлении (от микроструктуры к макросвойствам), основанная на взаимосвязи естественнонаучных, общетехнических и специальных дисциплин и принципе единства фундаментальности и направленности обучения на решение проблем ж/д транспорта.

4. На основе рассмотрения процесса обучения материаловедению и ТКМ как дидактической системы с использованием взаимосвязи естественнонаучных, общетехнических и специальных дисциплин обоснован принцип единства фундаментальности и направленности обучения на решение проблем ж/д транспорта, обоснована и разработана методическая система обучения материаловедению и ТКМ в ж/д вузе.

5. Разработан и реализован учебно-методический комплекс для подготовки по материаловедению и ТКМ студентов ж/д инженерных специальностей, включающий: -рабочую программу по материаловедению- -монографию, как учебное пособие, «Микроструктура материалов и сплавов как научный субстрат надежности транспортных машин» для подготовки инженеров по направлению «Подвижной состав железных дорог», в которой реализуется взаимосвязь фундаментальности и профнаправленности обучения- - систему заданий к самостоятельным и контрольным (курсовым) работам по материаловедению, представляющую профессиональные мини-исследования- - компьютерная программа для осуществления контроля, включающая вопросы и индивидуальные задания.

6. Проведенный педагогический эксперимент подтвердил справедливость модели методической системы обучения материаловедению и ТКМ реализация которой способствует осознанному изучению и успешному применению фундаментальных и научно-технических знаний в материаловедении и ТКМ и будущей профессиональной деятельности инженеров ж/д транспорта.

Итоговый результат проведенного исследования состоит в следующем. Междисциплинарный подход к построению методической системы обучения материаловедению и ТКМ на современном научном представлении (от микроструктуры к макросвойствам) для студентов ж/д втузов, сочетающий естественнонаучные, методологические, дидактические и методические аспекты, основанный на взаимосвязи всех дисциплин учебного плана, научном подходе с выделением сущности современного материаловедения и принципе единства фундаментальности и профнаправленности обучения, позволяет продолжить совершенствование обучения, не только по материаловедению и ТКМ в системе высшего технического ж/д образования, но и по иным общетехническим дисциплинам с целью повышения квалификации инженеров ж/д транспорта.