Введение. C 2005 г. в высших учебных заведениях России начался эксперимент по введению Федерального Интернет-экзамена в сфере профессионального образования

C 2005 г. в высших учебных заведениях России начался эксперимент по введению Федерального Интернет-экзамена в сфере профессионального образования, сокращённо ФЭПО. Как заявлено на сайте ФЭПО, эта инициатива Национального аккредитационного агентства в сфере образования предпринята с целью оказания помощи вузам при создании систем управления качеством подготовки специалистов на основе независимой внешней оценки. Одной из задач, которую был призван решить Интернет-экзамен, была задача формирования единых требований к оценке качества подготовки специалистов.

Как считают разработчики, ФЭПО направлен на проверку выполнения требований Государственных образовательных стандартов профессионального образования. И хотя сами государственные образовательные стандарты второго поколения по курсу общей физики являются документами, которые имеют чрезвычайно много недостатков и недоработок, в не меньшей степени недоработанной является и концепция проведения ФЭПО. Можно подвергнуть критике многие аспекты ФЭПО.

Приведём лишь несколько примеров. Например, судя по документам, представленным на сайте ФЭПО, студенту могут предложить сдать Интернет-экзамен после изучения соответствующего курса, но не позднее, чем через год после завершения изучения этого курса. Это означает, что речь идет о проверке так называемых «остаточных» знаний, но нигде и никем не определено, что означает этот термин. Разработчики молчаливо предпочитают его даже не называть, а ведут речь об усвоении дидактических единиц. Остаётся загадкой, каким образом под разные тексты стандартов они выделяют одни и те же дидактические единицы. Эта информация остаётся закрытой. Не выдерживает критики и критерии оценки знаний студентов: предполагается, что число студентов, верно ответивших на все вопросы теста, должно превышать 50%. Как известно, при использовании критериально-ориентированных тестов для итоговой оценки знаний, не рекомендуется использовать критерий в 100% усвоения учебного материала [1]. Это требование вызвано многими разумными причинами, в частности, тем фактом, что, отвечая полтора часа на вопросы в быстром темпе, студент может случайно совершить ошибку. Кроме того, как показал опыт написания тестов по физике студентами МГТУ (а также других вузов[1]), некоторые тесты содержали ошибки, т.е. не имели ни одного правильного ответа из четырёх приведённых.

Весьма вероятно, что разработчики тестовых материалов прямолинейно интерпретировали требование закона «Об образовании» (статья 33, п.20): «Целью аттестации является установление соответствия содержания, уровня и качества подготовки выпускников вуза требованиям ГОС: условием аттестации образовательного учреждения являются положительные результаты итоговой аттестации не менее чем половины его выпускников в течение трех последовательных лет» [2]. Скорее всего, разработчики приравняли «положительные результаты обучения», взятые ими из закона об образовании, к 100%-му правильному выполнению предложенных ими тестов.

Несмотря на многие недостатки, ФЭПО имеет одно неоспоримое достоинство: он задаёт хоть какие-то, но главное, единые требования для вузов всей Российской Федерации. Мне, как преподавателю с многолетним стажем, представляется достаточно очевидным, что разработчики при составлении измерительных материалов опирались, прежде всего, на то представление о некотором минимуме содержания обучения по физике в вузе, который сложился у них, как у экспертов в данной области. И эта экспертная оценка всё же лучше, чем аналогичная, но разработанная в рамках конкретного вуза именно в силу того, что она единая.

Таким образом, на сегодняшний день проведение ФЭПО – это реальность учебного процесса в вузе, с которой надо считаться. Эта реальность ставит перед преподавателями задачу – приучать студентов к тестовой форме контроля знаний. Это означает, что необходимо разрабатывать различные тестовые измерительные материалы, которые можно использовать как для промежуточной, так и для итоговой оценки знаний и умений учащихся по изучаемому курсу. Очевидно, что эти тестовые материалы должны разрабатываться под конкретные рабочие программы и для решения конкретных задач обучения.

Цель данного издания – представить контрольные измерительные материалы по разделу курса общей физики «Основы механики, молекулярной физики и термодинамики». Эти материалы могут быть использованы преподавателями для промежуточного и итогового контроля знаний, а также студентами при подготовке к промежуточной или итоговой аттестации. Отмечаю, что предложенные тестовые материалы могут также быть использованы в системе внутривузовской оценки качества обучения.

Автор предлагаемого читателю издания использовал эти материалы на протяжении ряда лет для контроля знаний студентов направлений: 140100 «Теплоэнергетика»; 140200 «Электроэнергетика»; 190601 «Автомобили и автомобильное хозяйство».

Содержание обучения

Раздел курса общей физики «Основы механики, молекулярной физики и термодинамики» изучается студентами направлений 140100 «Теплоэнергетика»; 140200 «Электроэнергетика»; 190601 «Автомобили и автомобильное хозяйство»; 190500 «Эксплуатация транспортных средств» во втором семестре 1-го курса. Студенты всех названных направлений формируют единый лекционный поток, им выделяется, согласно учебному плану, одинаковое число часов на лекции (36 часов), практические (18 часов) и лабораторные (18 часов) занятия. Вместе с тем, содержание курса, представленное в виде перечня разделов, внесённое в Государственные образовательные стандарты (ГОС) второго поколения по указанному разделу физики, заметно отличается.

Так для направления 140100 (Теплоэнергетика) в ГОСе указано лишь общее название изучаемых разделов, без какой-либо детализации: физические основы механики, молекулярная физика и термодинамика.

Для направления 140200 (Электроэнергетика) в ГОСе написано значительно больше, а именно. Физические основы механики: понятие состояния в классической механике, уравнения движения, законы сохранения, основы релятивистской механики, принцип относительности в механике, кинематика и динамика твердого тела, жидкости и газов; статистическая физика и термодинамика: три начала термодинамики, термодинамические функции состояния, фазовые равновесия и фазовые превращения, элементы неравновесной термодинамики.

В ГОСе для направления 190601 (Автомобили и автомобильное хозяйство) написано следующее. Физические основы механики: понятие состояния в классической механике, уравнения движения, законы сохранения, основы релятивистской механики и принцип относительности, кинематика и динамика твердого тела, жидкости и газов; молекулярная физика и термодинамика: законы идеальных газов, три начала термодинамики, кинетическая теория газов, термодинамические функции состояния, фазовые равновесия и фазовые переходы, элементы неравновесной термодинамики.

Для направления 190500 «Эксплуатация транспортных средств» в ГОСе указаны следующие темы курса физики. Физические основы механики: понятие состояния в классической механике, уравнения движения, законы сохранения, основы релятивистской механики и принцип относительности, кинематика и динамика твердого тела, жидкости и газов. Молекулярная физика и термодинамика: законы идеальных газов; три начала термодинамики, кинетическая теория газов; термодинамические функции состояния, фазовые равновесия и фазовые переходы, элементы неравновесной термодинамики, классическая и квантовая статистики, кинетические явления, конденсированное состояние; реальные газы и пары; жидкости; твердые тела.

Из приведённых текстов видно, что ГОС по направлению «Теплоэнергетика» предоставляет полное право преподавателю физики, опираясь на своё понимание предмета, отбирать содержание обучения, в то время как более подробное перечисление тем раздела в ГОСе направлений «Автомобили и автомобильное хозяйство» и «Электроэнергетика», казалось бы, направляет преподавателя на конкретный отбор содержания обучения, хотя, в сущности, ничего не проясняет. Например, фраза «основы релятивистской механики» мало говорит о предполагаемом содержании обучения. Из неё не понятно, например, следует ли вводить понятие релятивистской массы или инвариантность интервала между событиями или можно обойтись без них. Из сказанного следует, что содержание обучения по физике в рассматриваемых ГОСах представлено столь неопределённо, что только квалификация преподавателя даёт возможность сформировать адекватную рабочую программу и соответствующие измерительные материалы в виде тестов. Но утверждать, как это делают разработчики ФЭПО, что тесты проверяют все (или не все) дидактические единицы, представленные в ГОСах, это абсолютно необоснованное утверждение. Мне представляется, что было бы лучше, если бы составители контрольных материалов для ФЭПО откровенно признались, что их контрольно-измерительные материалы основаны на экспертных оценках, в связи с недостаточной проработанностью ГОСов второго поколения с точки зрения содержания обучения курса общей физики.[2]

В связи с тем, что студенты всех вышеназванных направлений образуют единый лекционный поток, и количество аудиторных часов, отводимых на изучение курса общей физики во втором семестре, у них одно и то же, рабочая программа всех трёх направлений по изучаемым разделам – одна и та же. Содержание изучаемых во втором семестре разделов рабочей программы представлено ниже.

Основы механики (18 часов)

Элементы кинематики. Материальная точка (МТ). Тело и система отсчета (СО). Траектория МТ. Перемещение. Длина пути. Скорость. Ускорение. Нормальное и тангенциальное ускорение. Угловая скорость и угловое ускорение. Связь линейных и угловых кинематических параметров.

Законы Ньютона. 1-ый закон. Инерция. Инерциальные и неинерциальные системы отсчёта (СО). Импульс тела. 2-ой закон. 3-й закон. Пределы применимости законов Ньютона. Импульс механической системы. Механическая система. Замкнутая система. Вывод закона сохранения импульса замкнутой системы тел на основании 2-го закон Ньютона.

Работа и энергия. Элементарная работа силы по перемещению тела. Работа силы на участке траектории. Мощность. Консервативные и неконсервативные силы. Кинетическая, потенциальная, полная механическая энергия системы тел. Связь между потенциальной энергией и силой. Потенциальная энергия, напряженность поля тяготения. Зависимость напряженности поля тяготения от высоты. Потенциальная энергия упруго сжатой пружины. Закон сохранения механической энергии и теорема об изменении полной механической энергии системы. Законы сохранения и симметрия пространства. Абсолютно упругий и неупругий удар.

Силы инерции. Силы инерции, действующие на тело, находящееся в неинерциальной СО, которая движется прямолинейно с ускорением. Силы инерции, действующие на тело, покоящееся во вращающейся СО. Силы инерции, действующие на тело, движущееся во вращающейся СО. Силы Кориолиса. Второй закон Ньютона в неинерциальных СО.

Абсолютно твердое тело (АТТ) в механике. Момент инерции материальной точки, системы материальных точек с дискретным и непрерывным распределением массы относительно оси вращения. Момент инерции сплошного, полого цилиндров, прямого тонкого длинного стержня. Теорема Штейнера. Кинетическая энергия тела, вращающегося вокруг неподвижной оси. Кинетическая энергия плоского движения. Момент силы относительно полюса, оси. Работа при вращательном движении. Основное уравнение динамики вращательного движения АТТ. Момент импульса и закон его сохранения. Момент импульса материальной точки относительно полюса, неподвижной оси. Момент импульса твердого тела относительно оси. Закон сохранения момента импульса. Аналогия между величинами и законами, описывающими вращательное и поступательное движение. Мгновенные оси. Свободные оси. Гироскоп.

Постулаты специальной теории относительности (СТО). «Светоносный эфир» и попытки его обнаружения (опыт Майкельсона-Морли). Преобразования координат и времени Галилея и Лоренца. Правило сложения скоростей в релятивистской механике. Следствия из преобразований Лоренца. Сокращение длин, замедление хода движущихся часов. Инвариантность интервала между событиями. Релятивистская динамика. Релятивистский импульс (РИ). Уравнение движения релятивистской частицы. Закон сохранения РИ. Релятивистское выражение для энергии. Взаимосвязь массы и энергии. Полная, кинетическая и энергия покоя. Связь энергии и РИ. Значение СТО и представление об общей теории относительности.

Основы молекулярной физики и термодинамики (18 часов)

Основы молекулярной физики. Динамический и статистический метод. Вывод основного уравнения МКТ идеальных газов. Молекулярно-кинетическое толкование температуры. Среднеквадратичная скорость. Опытное обоснование МКТ: опыты Броуна, Штерна, Перрена.

Закон Максвелла для распределения молекул идеального газа по скоростям и энергиям. Функция распределения Максвелла по скоростям. Наиболее вероятная скорость. Функция распределения Максвелла по энергиям. Вычисление средних величин с использованием функции распределения.