Из советского опыта: экспериментальный учебный план

ИСТОРИЯ  ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО  ОДНОЦИКЛИЧНОГО  УЧЕБНОГО  ПЛАНА  НА  ФИЗИЧЕСКОМ  ФАКУЛЬТЕТЕ  В  КАЛИНИНГРАДСКОМ  УНИВЕРСИТЕТЕ
                                         (1970 – 1980 гг)
           Доктор физико-математических наук Рунар Викторович Гострем работал в Калининтрадскомуниверситете с 1970 года, активно реализуя свой научный и педагогический опыт. В 1972 году была создана кафедра экспериментальной физики под  его руководством.  
При определении задач, возлагаемых на кафедру экспериментальной физики, профессор Р.В. Гострем   предложил разделить все физические дисциплины на три части:
1)      феноменологическая физика, аналитически описывающая детерминированное движение материи и включающая в себя механику, электричество, теоретическую механику, электродинамику и физику сплошных сред;
2)      квантовая и стохастическая физика;
3)      специальные курсы.
Кафедре экспериментальной физики было поручено согласование программ и разработка логической схемы учебного процесса для курсов феноменологического раздела физики.
Преподавание указанных курсов для студентов-физиков всех специальностей осуществлялось кафедрой по разработанной преподавателями кафедры программе, в основу которой был положен принцип одноцикличности (без деления курсов на  общие и  теоретические). Преподаваемые по такой программе механику и теоретическую механику целесообразнее назвать - механика1 и механика2, а электричество и эдектродинамику – соответственно – электродинамика1 и электродинамика2 (физика электромагнитных явлений). 
В связи с этим необходимо было перейти к более строгому количественному математическому изложению указанных курсов (в отличие от более описательного в курсах общей физики), и именно кафедра экспериментальной физики явилась инициатором усиления математической подготовки студентов-физиков, начиная с первого курса.
Большое внимание было уделено преподаванию основ физического эксперимента, которое начиналось с первого курса, в содержание этого лабораторного практикума входили описание сущности исследуемых физических явлений, вопросы проведения и обработки результатов эксперимента. 
Было принято решение увеличить количество часов на классические математические дисциплины (по согласованию с математическими кафедрами) и включить преподавание векторного и тензорного исчисления на более ранней стадии обучения. Современная физика показывает, что большинство явлений, изучаемых в курсах феноменологической физики, существенно проще описывается с помощью векторов и тензоров. 
Кафедрой экспериментальной физики осуществлялся пересмотр учебных программ указанных курсов и результат постепенно внедрялся в учебный процесс. Ниже в таблице приведен сравнительный перечень основных курсов по экспериментальному и типовому (на тот момент времени) планам для специальности «физика».



Курс математического анализа излагался в течение первого года обучения с перевесом в количестве часов в первом семестре. К концу второго семестра студенты пользовались почти всем аппаратом классического математического анализа, включая дифференциальное исчисление функции одной и многих переменных, неопределенный и определенный интеграл, кратные и криволинейные интегралы, ряды, и, кроме того, теорией дифференциальных уравнений. 
       Практика показала, что, несмотря на некоторую формализацию усвоения математических понятий студентами на первых курсах, в дальнейшем в процессе использования этой математики для описания природы явлений, студенты познают и глубину математики, как отражения природы.
            Начиная со второго семестра, студенты-физики приступали к изучению первого физического курса – механики1.
       Тензорное исчисление  и векторный анализ преподавалось студентам-физикам во втором и третьем семестрах. Во втором семестре излагалась теория декартовых тензоров, т.е. тензоров, построенных в ортогональном декартовом пространстве и состоящих из физических компонент той же размерности, что и сама тензорная величина. Этот аппарат служил основой классической механики и релятивисткой кинематики.
       В третьем семестре излагался общий тензорный анализ в криволинейных координатах перед чтением курса механики2 (теоретической механики), который в основном освещал общие принципы аналитической механики. Эти результаты затем использовались в курсах электродинамики2 и физики сплошных сред (V и VI семестры), для серьезного изложения которых необходимо привлечение понятий и представлений неэвклидовой геометрии.
       Преподавание курсов электродинамического цикла: электродинамики1 (электричества), электродинамики2 и физики сплошных сред – было организовано по общему плану. Уже в первом курсе этого цикла внимание было сконцентрировано на изучении динамических закономерностей электромагнетизма (а не статических!), причем изложение основ электрических и магнитных явлений, имеющих общую природу, проводилось параллельно с выявлением аналогий и различий между ними.
       Последовательное применение аппарата векторного анализа, изученное студентами на первом курсе, позволило сравнительно быстро  сформулировать основные уравнения электромагнитного поля – уравнения Максвелла. Изучение уравнений Максвелла, дифференциальных уравнений I порядка, сопровождалось изучением теории потенциала – дифференциальных уравнений II порядка Пуассона-Лапласа-Даламбера, второго способа описания электромагнитного поля.
       Вопросы экспериментального обоснования электромагнитной теории были вынесены в лабораторный практикум.
       Помимо обязательных разделов: феноменологическая теория поляризации и намагничения вещества, электрический ток, энергия электромагнитного поля, электрические колебания, в курсе электродинамика1 рассматривались вопросы, сравнительно редко включаемые в традиционные курсы электричества: локализация зарядов, анализ условия квазистационарности, соотношение между токами проводимости и токами смещения. Весь курс был сцементирован математическим аппаратом достаточно высокого уровня, что создавало надежную базу для дальнейшего изучения электродинамики2.
       Курс электродинамики2 был посвящен теории излучения, вопросам канализации электромагнитной энергии. Излагалась также  релятивистская электродинамика на основе развития ранее представлений о релятивистской кинематике и динамике.
       Курс физики сплошных сред завершал механический и электродинамический циклы и включил в себя некоторые вопросы  механики и электродинамики изотропных и анизотропных сред. Студентам излагались физические основы частотной и пространственной дисперсии для однородной и безграничной среды. Электродинамические эффекты в движущихся проводящих жидкостях и газах были включены в раздел магнитной гидродинамики.
        В  данном виде экспериментальный учебный план осуществлялся в течение пяти лет до 1977 года. Была пересмотрена последовательность прохождения учебных дисциплин. Были пересмотрены и созданы заново программы по курсам: тензорное исчисление1 и 2, векторный анализ, механика1 и 2, физика электромагнитных явлений1 и 2, физика сплошных сред. Был разработан общий физический практикум с вводным курсом основ физических измерений. По согласованию с математиками были внесены коррективы в математическое обеспечение курсов физики.
       Перед физиками факультета стояла следующая задача – создание программ квантово-стохастического цикла физики.
       Традиционные курсы атомной физики и оптики, сложившиеся еще в 30-х годах прошлого века, не отвечали современному состоянию науки, поскольку не базировались на логических математических основах, а являлись, по существу, историческим описательным обзором, излагаемым в отрыве от результатов квантовой механики. Подобное изложение теории атома нерационально и приводит, как и в рамках традиционных феноменологических курсов, к неизбежному повторению многих разделов, следствием чего является совершенно неоправданная потеря учебного времени.
       Поэтому было предложено отказаться от чтения традиционного  курса атомной физики, включив основные его разделы эмпирического характера в курс квантовой физики в качестве иллюстративного материала (IV-VI семестры).

Курс ядерной физики следует читать (как считал Р.В. Гострем) после завершения квантовой физики, базируясь на последней.
       Логика учебного процесса настоятельно требовала более раннего обучения студентов основам термодинамики, так как основные термодинамические функции используются в общих курсах, например, физике сплошных сред и во многих специальных курсах.
       По мнению Р.В. Гострема,  изложение основных курсов физики по одноцикличному принципу не предполагает отказа от преподавания истории формирования и развития основных физических идей как научной основы мировоззрения. В связи с этим предполагалось введение курса по истории физики как отдельной дисциплины в VIII семестре.  Во-первых, многие вопросы истории физики невозможно изложить в современных курсах физики, построение которых базируется на замкнутых многоаксиомных структурах, являющихся вершиной в развитии данного раздела физики. Изложение в таких курсах исторически отживших гипотез и отвергнутых положений нарушило бы внутреннюю структуру этих курсов. Во-вторых, введение курса по истории физики необходимо для выработки у учащихся правильного миропонимания и мировоззрения и усвоения внутренних законов физики как науки.
       В качестве методических разработок появились  учебные пособия Р.В. Гострема, Г.С. Соколовой «Тензорное исчисление и векторный анализ» для первокурсников (издано в Калининградском университете в 1976 году), «Методические указания. Обработка экспериментальных данных в лабораторном практикуме», подготовленные доцентами Е.Ф. Кондратьевым и А.С. Васильевым (издано в Калининградском университете в 1977 году), написаны отдельные главы пособия по физике электромагнитных явлений, была начата подготовка к математическому обоснованию построения оптимальных структур дисциплин и учебного плана.
       В связи с предстоящей  в 1977 году задачей реализации второго этапа  экспериментального учебного плана: разработки программ преподавания курсов квантово-стохастического цикла физики – при обсуждении этой работы проявились разногласия между преподавателями физического факультета. Вследствие этого работа была прервана  на основании решения Ученого Совета университета. Кафедра экспериментальной физики была расформирована, коллектив распался.     
       Профессор Р.В. Гострем вернулся к обсуждению проблемы одноцикличного учебного плана по физике  на состоявшемся в Москве в апреле 1980 г. II Всесоюзном совещании-семинаре заведующих кафедрами физических и астрономических специальностей университетов, где он выступил с предложением организовать в одном или двух университетах преподавание физики и математики для физиков по измененному учебному плану. 
       Из предложения Р.В. Гострема:  
«Новый учебный план должен быть построен на следующих принципах:
а) не производится деление на общую и теоретическую физику;
б) последовательность преподавания физики должна быть четко согласована с математическими дисциплинами;
в) объем лекционных часов сокращается путем перехода к проблемно-концептуальному изложению материала, увеличивается количество лабораторных, семинарских, практических занятий, на которых главное значение уделяется решению задач с использованием изученного математического аппарата и разъяснению физической сущности явлений;
       Обсуждаемый учебный план позволил бы:
а) сократить общее время, отводимое на изучение физики, тем самым предоставить большие возможности студентам для самостоятельной работы на старших курсах;
б) более глубоко осмыслить  и усвоить физику как науку экспериментальную, с одной стороны, а с другой – получить более цельное представление о математическом аппарате и пробрести навыки пользования этим аппаратом, особенно численными методами».
       Пользуясь одобрением указанного семинара-совещания, проф. Р.В. Гострем обращался в Министерство образования и затем в ректорат Калининградского университета с целью организовать кафедру фундаментальной физики и продолжить работы по одноцикличному учебному плану, однако положительного решения не было принято.
       Тем не менее проведенная работа кафедрой экспериментальной физики в 1971-1977гг. имела свои реальные результаты. Так, из студентов-физиков, окончивших университет в 1976г. (набор 50 чел.)  46 окончили, из них 13 с отличными и хорошими оценками, а 5 из них получили дипломы с отличием. И сейчас в Калининградском университете кафедра радиофизики возглавляется проф. Захаровым В.Е., в свое время учившимся по этому учебному плану, да и из сотрудников этой кафедры добрая половина или учились по этому плану или были причастны к нему.
       Этот опыт актуален и в настоящее время в связи с введением двухуровневой системы высшего образования и может быть полезен для подготовки в первую очередь бакалавров-физиков, а также инженеров в области высоких технологий.
Принципы построения основных курсов физики и математики на физических факультетах и процесс их внедрения в учебный процесс для студентов-физиков Калининградского университета почти ежегодно излагались и обсуждались на семинарах преподавателей физики вузов Прибалтийских республик, Белорусской ССР и Калининградской области, начиная с 1971 года и до 1977года.
       На фото 1  изображены профессор Р.В. Гострем и ряд преподавателей Калининградского университета, участвовавшие в работе третьего научно-методического семинара преподавателей физики вузов прибалтийских республик, Белорусской ССР и Калининградской области РСФСР в Вильнюсе в июне 1971 г.                                            

                                           Фото  1
       На этом семинаре проф. Р.В. Гострем впервые в докладе «О преподавании основных курсов физики и математики на физических факультетах» заявил о необходимости группирования основных курсов физики с их математическими основами вокруг главных физико-математических принципов изложения разделов физики (см. в начале текста). В этом же докладе тензорный и векторный анализ назван  «основополагающим курсом для дальнейшего изучения физики».
       В 1974 году в Калининградском университете был отмечен 60 - летний юбилей проф. Р.В. Гострема со дня рождения и 40 лет научно-педагогической деятельности .
                                                    

                                                        Фото 2
        На фото 2 изображен коллектив сотрудников, поздравивший юбиляра. 
Весь этот коллектив был привлечен Рунаром Викторовичем Гостремом к научно-педагогической работе и разделял в то время его идеи.
       Фото 3 - портрет Рунара Викторовича Гострема в 1984 г. в день его семидесятилетия.

"Физика, как более красочная и многоликая наука, упорядочивается с помощью математики, позволяющей выразить количественную внутреннюю логическую связь между явлениями."
                                       д.ф.- м.н.   Р.В. Гострем