методика и дистанционные технологии в курсе общей физики в нияу мифи

35Методика и дистанционные технологии в курсе общей физики в НИЯУ МИФИ
УДК 53:378.147
Методика и дистанционные технологии в курсе общей
физики в НИЯУ МИФИ
Ирина Николаевна Завестовская, Николай Павлович Калашников,
Олег Николаевич Крохин, Сергей Сергеевич Муравьев Смирнов
Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ,
115409 Москва, Каширское ш., 31; e mail: INZavestovskaya@mephi.ru;
kalash@mephi.ru; krokhin@sci.lebedev.ru; SSMuravyevsmirnov@mephi.ru
Рассмотрены методика преподавания общей физики и дистанционные технологии,
реализуемые в магистерских программах в НИЯУ МИФИ.
Ключевые слова: преподавание общей физики, методика обучения, магистратура,
дистанционное образование, типовые расчеты.
Введение
СтратегическийпринципдеятельностиИнститутамагистратурыНИЯУМИФИ
предусматривает развитие партнерских отношений с предприятиями ГК «Росатом».
Все преимущества таких партнерских отношений реализуются в форме сетевого
обучения [1, 2], одной из составляющих которой является дистанционная методика. С
2013 года впервые в НИЯУ МИФИ проводятся дистанционные занятия по курсу
«Избранныеглавыобщейфизики»(ИГОФ)понаправлению14.04.02«Ядернаяфизика
и технологии» в рамках трех магистерских программ: «Системы автоматизации
физических установок и их элементы» (кафедра 2), «Физика ядерных энергетических
установок» (кафедра 5), «Теплофизика ядерных энергетических установок» (кафедра
13). При этом студентами являются сотрудники предприятий Концерна
«Росэнергоатом», которые обучаются в магистратуре с частичным отрывом от работы:
Курская АЭС (г. Курчатов), Балаковская АЭС (г. Балаково), Нововоронежская АЭС
(г. Нововоронеж), Проектно конструкторский филиал и ВНИИАЭС (г. Москва).
Цели и модульная структура курса
Курс «Избранные главы общей физики» (ИГОФ), являясь составной частью
магистерской подготовки, должен показать в явной форме насколько правильно
подобраныучебно методическиематериалы,выбраныподходыиметодыобучениядля
студентов, изучающих ядерные дисциплины в дистанционной форме. Трудоемкость
курса варьируется: 72 часа (кафедра 5), 216 часов (кафедра 2), 252 часа (кафедра 13).
Курс читается на первом году магистратуры в течение одного семестра и этим
объясняется его название и содержание: избранные главы общей физики [2, 3].
Физическое образование в вузах. Т. 21, № 3, 2015
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

36 И.Н. Завестовская, Н.П. Калашников, О.Н. Крохин, С.С. Муравьев Смирнов
Цели учебного курса:
• дать общее представление о физической картине мира,
• установить действующие в нем законы, обобщая полученные на младших курсах
знания,
• подготовить магистрантов к различным видам профессиональной деятельности,
•изучитьосновныеметодыфизическихисследованийиобозначитьобластиприменения
этих законов и методов,
• воспитать культуру системного подхода, навыков логического мышления, привычки
обдумывать результаты, строить правильные рабочие гипотезы и четко
формулировать задачу,
• сформировать общекультурные и профессиональные компетенции. Среди
компетенций,которымидолженобладатьбудущиймагистр,напервоеместоследует
поставить умение владеть методами работы.
Программа курса ИГОФ состоит из трех модулей (рис. 1). Вводный модуль дает
общий обзор программы обучения, проводится классификация разделов, выдается
индивидуальное задание для самостоятельной работы – типовые расчеты, список
вопросовкэкзамену.Заданиятиповыхрасчетовприводятсявсоответствующемразделе
настоящей статьи. В программу вводного модуля включены лекции по механике как
основевсегокурсафизики.Напрактическихзанятияхразбираютсяпримерырешения
типичных задач по механике и электростатике. Вводный модуль реализован на очных
занятиях на московской площадке НИЯУ МИФИ.
Рисунок 1. Модульная структура курса ИГОФ.

Второй модуль посвящен самостоятельному решению задач типовых расчетов и
проводится в дистанционном режиме. Тематика типовых расчетов включает: физические
основымеханики,электростатика,оптика,тепловоеизлучение,квантысвета,классическая
и квантовая статистика, основы строения вещества. Второй модуль имеет самый большой
объем. Преподаватели поддерживали с магистрантами постоянную связь посредством
электронной почты с целью оказания консультативной помощи по вопросам решения
типовыхрасчетов.АтакжепроводилисьвыездныезанятиянабазеУчебно тренировочного
центра Курской АЭС (г. Курчатов) и на базе Учебно информационного центра
НововоронежскойАЭС(г.Нововоронеж)вмалыхгруппах(рис.2,3):прочитанылекциипо
избранным темам, рассматривались примеры решений наиболее трудных задач, а также
проводились индивидуальные консультации. Завершается второй модуль изучением тем
теоретической части курса, которые вынесены на самостоятельную проработку. По этим
темам магистрант в письменном виде представляет конспект, из которого следует, что он
самостоятельно полно проработал соответствующие темы. И этот собственноручно
написанный конспект необходимо представить на экзамене. Второй модуль заставляет
учитьсясамостоятельноприобретатьзнания,работатьсинформацией,овладеватьспособами
познавательной деятельности, которые могут быть полезны для решения проблем
окружающейдействительности.
Рисунок 2. Проведение консультации в Учебно информационном центре
Нововоронежской АЭС (г. Нововоронеж).

Рисунок 3. Занятия в дисплейном классе Учебно информационного центра
Нововоронежской АЭС (г. Нововоронеж).
Особое внимание уделяется защите типовых расчетов – третий модуль.
Третий модуль реализован на очных занятиях на московской площадке НИЯУ
МИФИ (рис. 4). Этот модуль также включает консультацию по наиболее
трудным вопросам экзаменационных билетов. Защита ТР проводится на
собеседовании. От магистрантов требуется продемонстрировать умение объяснять
решения задач. По результатам защиты ставится аттестация разделов практической
части курса при условии решения всех задач из списка задач типовых расчетов, при
наличии собственноручно написанного конспекта лекционного курса. Курс
завершается экзаменом, на котором проверяется уровень полученных компетенций.
Типовые расчеты
Типовойрасчетпреследуетцельуглубленногоизученияосновныхразделовкурса
ИГОФ и развития навыков самостоятельной работы с учебной, методической и
справочной литературой, а также с современными компьютерными технологиями.
Каждомустудентуучебнойгруппывыдаетсяиндивидуальныйварианттиповогорасчета.
Номер варианта типового расчета соответствует номеру фамилии студента в журнале.
Расчет содержит задачи по основным разделам изучаемого курса. Для решения задач

типового расчета от студента требуется умение применять теоретические знания по
нескольким взаимосвязанным разделам курса физики, а также высшей математики. В
заданиях включены задачи на использование численных методов и информационных
технологий. Это задача № 3 по электростатике и задача № 4 по теме «Классическая и
квантовая статистика. Основы строения вещества». Для решения этих задач
используются пакеты прикладных программ: Maple, Mathcad, MATLAB, Excel, Origin
и другие по выбору студентов.
Рисунок 4. Защита типовых расчетов на очных занятиях в НИЯУ МИФИ (г. Москва).
Приведем примеры заданий типовых расчетов (ТР):
ТР 1 «Физические основы механики»
1. Камень брошен вертикально вверх с начальной скоростью 0 20v = м/с. По
истечении какого времени камень будет находится на высоте 15h = м? Найти
скорость v камня на этой высоте. Сопротивлением воздуха пренебречь. Принять
g = 10 м/c2
.
2. Диск радиусом R = 2 см и массой т = 7 кг вращается согласно уравнению ϕ = A +
Bt + Ct3
, где А = 3 рад, В = –1 рад/с, С = 0,1 рад/с3
. Найти закон, по которому меняется
вращающий момент, действующий на диск. Определить момент сил М в момент
времени t = 2 c.
3. Вывести формулу и определить момент инерции тонкого диска массой т = 5 кг и
радиусом R = 47 см относительно оси, перпендикулярной плоскости диска и
проходящей через его край.

ТР 2 «Электростатика»
1. Расстояние между двумя длинными тонкими проводниками, расположенными
параллельно друг другу, равно 16 см. Проводники заряжены разноименными
зарядами с линейной плотностью τ = 150 мкКл/м. Какова напряженность Е поля в
точке, удаленной на расстояние a = 10 см как от первого, так и от второго
проводника?
2. Шарик массой m = 1 г и зарядом q=10 нКл движется по прямой, соединяющей
точку А, потенциал которой равен 600 В, с точкой В, потенциал которой равен нулю.
Чему равна его скорость v в точке А, если в точке В она стала равной v2
= 0,2 м/с?
3. Вычислить численно напряженность Е электростатического поля на боковой
поверхности бесконечного цилиндра радиусом R, заряженного с объемной
плотностью заряда ρ = A exp(–r3
/R3
). Конкретные числовые значения для R и A
приведены в таблице 1.
Таблица 1
Числовые данные для задачи 3
ТР 3 «Оптика. Тепловое излучение. Кванты света»
1. Светильник в виде равномерно светящегося шара в 500 кд имеет диаметр 50 см.
Определить: 1) полный световой поток, излучаемый светильником, 2) его
светимость, 3) освещенность, светимость и яркость экрана, на который падает 20%
светового потока, излучаемого светильником. Площадь экрана S = 0,5 м2
,
коэффициент отражения – 0,7.
2. Температура вольфрамовой спирали в 25 ватной электрической лампочке
Т=2450 К. Отношение ее излучательной способности к поглощательной
способности абсолютно черного тела при данной температуре равно 0,3. Найти
площадь S излучающей поверхности.
3. Лазер излучил в импульсе длительностью τ = 0,13 мс пучок света с энергией
Е =10 Дж. Найти среднее давление такого светового импульса, если его
сфокусировать в пятнышко диаметром d = 10 мкм на поверхность,
перпендикулярную к пучку, с коэффициентом отражения 0,50.

ТР 4 «Классическая и квантовая статистика. Основы строения вещества»
1. Найти среднее значение энергии поступательного движения молекул газа,
используя распределение Максвелла. Сравнить эту величину с величиной m<v2
>/2.
2. Построить примерные графики зависимости средней энергии квантового
осциллятора от: а) температуры системы при фиксированной частоте осцилляторов,
б) частоты при фиксированной температуре.
3. На какое минимальное расстояние может приблизиться к ядру меди α частица с
энергией 5,30 МэВ?
4. При распаде радиоактивного изотопа А с периодом полураспада TA
образуется
радиоактивный изотоп В с периодом полураспада TB
. В закрытый сосуд помещено
N0
= 6⋅1023
молекул изотопа A. Через t1
= 10 мин количество изотопа B составило NB
молекул. Найти численно значения или для данных, приведенных в таблице 2.
Подготовить таблицы в MS Excell зависимости NA
и NB
от времени. По этим таблицам
построить графики в MS Excell.
Указание: Необходимо вывести формулу, выражающую зависимость NB
(t,TA
,TB
) и
найти корень функции F(TB
) = NB
(t,TA
,TB
) – NB
в задачах вариантов 1 – 3 и F(TA
) =
NB
(t,TA
,TB
) – NB
в задачах варианта 4 и т.д.
Таблица 2
Числовые данные для задачи 4
ТР 4 Специальный типовой расчет
Для магистрантов АЭС с учетом профессиональных требований разработан
специальный типовой расчет, включающий задачи по темам:
– «Характеристики атомных ядер. Энергия связи»;
– «Ядерные реакции»;
– «Радиоактивность. Прохождение излучений через вещество. Элементы дозиметрии
ионизирующих излучений».
1. Медная монетка, состоящая из атомов 63
Cu, имеет массу m = 3 г. Какую энергию
надо затратить, чтобы отделить все протоны и нейтроны в этой монетке друг от
друга? Масса нейтрального атома меди равна mCu
= 62,92960 а.е.м.

2. Найти энергию реакции 9
Be(p, α)6
Li. Каковы кинетические энергии продуктов
реакции,еслиядромишени(9
Be)покоилось,кинетическаяэнергияпротонаравнялась
Tp
= 5,45 МэВ, а ядро гелия вылетело под углом 90° к направлению движения протона?
3. На рисунке
показана область существования β стабильных ядер. Прямая линия равновесные
значения Zβ
, соответствующие β стабильным ядрам. Здесь Z – порядковый номер
элемента, а N – число нейтронов в ядре. Определить в области Z < Zβ
: ядра обладают
избытком протонов Z или нейтронов N; являютсяβ–
илиβ+
радиоактивными.
4.Определитьмассовыйрасходdm/dt ядерногогорючего235
UвреактореАЭС.Тепловая
мощность станции равна P = 10 МВт. Принять, что в одном акте деления выделяется
энергия Q = 200 МэВ, а КПД станции равен η = 0,2.
5. Природный уран представляет собой смесь трех изотопов: 234
U, 235
U, и 238
U.
Содержаниеурана234
Uничтожно(0,006%),надолю235
Uприходится0,71%,аостальную
массу (99,28%) составляет уран 238
U. Периоды полураспада этих изотопов
соответственноравны2,5⋅105
лет,7,1⋅108
лети4,5⋅109
лет.Вычислитьактивностькаждого
изизотоповипроцентнуюдолюрадиоактивности,вносимуюкаждымизотопомвобщую
радиоактивность образца природного урана массой m = 1 кг.
МетодическимобеспечениемкурсаИГОФявляютсяизвестныеучебныепособия
[4 7]. На протяжении нескольких лет, начиная с 2011 г, авторами работы выработан
особыйподходкпреподаваниюобщейфизикивмагистратуресучётомразноговходного
уровня знаний, временных рамок, отведенных на изучение дисциплины,
индивидуализации самостоятельной работы магистрантов, требований конкретных
магистерских программ в рамках новых образовательных стандартов ФГОС 3 [3, 8].
Общее количество магистрантов, изучавших курсу ИГОФ в дистанционной
форме в 2013 2014 учебном году, составило 18 человек, в 2014 2015 учебном году – 42
человека. Опыт проведения дистанционного курса ИГОФ убеждает в необходимости
проведение регулярных интерактивных лекций, web семинаров, которые должны
сочетатьсяссамостоятельнойработойиактивнымучастиеммагистрантов,т.к.результат
обучения напрямую зависит от самостоятельности, самодисциплины и способностей
магистранта.

Большоезначениепридаетсяобратнойсвязи–тестированиюмагистрантовиих
отзывам о достижении ими личных целей изучения общей физики в магистратуре. На
вопрос,соответствоваллиизучаемыйкурсИГОФихпрофессиональнымпотребностям
45% поставили оценку «5», 28% – «4», 7% – «3» по пятибалльной шкале (рис. 5).
Рисунок 5. Оценка соответствия курса профессиональным потребностям.
Как отмечалось в анкетах отзывах респондентов, курс ИГОФ дал дополни
тельный импульс и вызвал интерес для их дальнейшего обучения в магистратуре по
выбраннымнаправлениям.Следуетотметить,чтомагистрантынабора2013г.,которые
изучали курс ИГОФ в осеннем семестре 2013 – 2014 учебного года и успешно сдали
экзамен, приняли участие в IV Международной молодежной научной школе
конференции«Современныепроблемыфизикиитехнологий»(рис.6).Школа семинар
прошлас19по22марта2015годавг.МосквевНИЯУМИФИ,организаторамивысту
пили Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ, Физический
институтим.П.Н.ЛебедеваРАН,РоссийскийФондФундаментальныхИсследований.
Рисунок 6. Стендовый доклад на IV Международной молодежной научной школе
конференции «Современные проблемы физики и технологий» (г. Москва).

Заключение
Заинтересованность большей части магистрантов позволяет надеяться, что
полученные в рамках курса ИГОФ знания будут успешно применены в их будущей
научно практической деятельности в области ядерной энергетики. Авторы выражают
благодарность заместителю директора учебно тренировочного центра Курской АЭС
В.А. Матвейчук и начальнику отдела развития персонала Нововоронежской АЭС
Л.А. Бризицкой за содействие и помощь в организации выездных занятий.
Литература
1. Григорьева М.С., Завестовская И.Н., Крохин О.Н., Стриханов М.Н., Фроня А.А. Сетевые
формы обучения – эффективность и перспективы: опыт Института магистратуры НИЯУ
МИФИ. // Физика в системе современного образования (ФССО 2015): материалы
XIII Международной конференции. Т. 1 – СПб, 2015 – C. 3 8.
2. Григорьева М.С., Завестовская И.Н., Крохин О.Н., Стриханов М.Н., Фроня А.А. Сетевые
формы обучения – эффективность и перспективы: опыт Института магистратуры
НИЯУ МИФИ. // “Физическое образование в вузах”. 2015, Т. 21, № 3, С. 24-34.
3. Завестовская И.Н., Калашников Н.П., Крохин О.Н., Муравьев Смирнов С.С. Актуальные
проблемы реализации УМКД общей физики в магистратуре НИЯУ МИФИ. //
“Физическое образование в вузах”. 2013, Т. 19, № 3, С. 27 32.
4. Калашников Н.П., Смондырев М.А., Основы физики. Упражнения и задачи. – М.: Дрофа.
2007. – 464 с.
5. Калашников Н.П., Смондырев М.А., Основы физики т.1. – М.: Дрофа. 2007. – 400 с.
6. Калашников Н.П., Смондырев М.А., Основы физики т.2. – М.: Дрофа. 2007. – 432 с.
7. Калашников Н.П. Руководство к решению задач по физике. «Основы квантовой физики.
Строение вещества. Атомная и ядерная физика». – М.: НИЯУ МИФИ, 2012. 252 с.
8. Гервидс В.И., Иванова Н.А., Калашников Н.П., Муравьев Смирнов С.С. и др. Методические
указания по организации образовательного процесса по курсу общей физики. – М.: НИЯУ
МИФИ, 2014. – 104 с.

Methodology and Distance Strategies of General Physics Course
in National Research Nuclear University «MEPhI»
I.N. Zavestovskaya, N.P. Kalashnikov, O.N. Krokhin,
S.S. Muravyev Smirnov
National Research Nuclear University « MEPHI», 115409 Moscow, Kashirskoye road 31,
E mail: INZavestovskaya@mephi.ru; kalash@mephi.ru; krokhin@sci.lebedev.ru;
SSMuravyevsmirnov@mephi.ru
Received July 23, 2015 PACS: 01.55.+b, 01.40.gb
General physics methodology and distance strategies and their application in master
program in National Research Nuclear University « MEPHI» are under discussion.
Keywords: general physics teaching, methodology of teaching physics, method of
education, magistracy, distance education, model calculations.
References [in Russian]
1. Grigoryeva M.C., Zavestovskaya I.N., Krokhin O.N, Strikhanov M.N., Fronia A.A. Net interaction
teaching aspects – efficiency and perspectives: experience in National Research Nuclear University
«MEPhI» // Physics In The System of Modern Education (PSME – 2015): materials of XIII
International Conference «Physics In The System Of Modern Education» V. 1, St. Petersburg,
2015 – pp. 3 8.
2. Grigoryeva M.C., Zavestovskaya I.N., Krokhin O.N, Strikhanov M.N., Fronia A.A. Net interaction
teaching aspects – efficiency and perspectives: experience in National Research Nuclear
University «MEPhI» // Physics In Higher Education. 2015, V. 21, № 3, pp. 24-34.
3. Zavestovskaya I.N., Kalashnikov N.P., Krokhin O.N., Muravyev Smirnov S.S. Urgent Aspects of the
General Physics Course Realization in the Master of Science (Magister) Program in National
Research Nuclear University «MEPhI» // Physics In Higher Education. 2013 V. 19, № 3, p. 27 32.
4. Kalashnikov N.P., Smondyrev M.A. Basis of physics. Exercises and problems. – Drofa, Moscow, 2007
– 464 p.
5. Kalashnikov N.P., Smondyrev M.A. Basis of physics. Volume 1. – Drofa, Moscow, 2007 – 400 p.
6. Kalashnikov N.P., Smondyrev M.A. Basis of physics. Volume 2. – Drofa, Moscow, 2007 – 432 p.
7. Kalashnikov N.P. Guide to solving problems in physics. «Basis of of quantum physics. The structure
of the substance. Atomic and nuclear physics». – М.: NRNU «MEPhI», 2012. – 252 p.
8. Gervids V.I., Ivanova N.A., Kalashnikov N.P., Muravyev Smirnov. S.S. et al. Guidelines for the
organization of educational process at the general physics course. – М.: NRNU «MEPhI», 2014. –
104 p.

методика и дистанционные технологии в курсе общей физики в нияу мифи

More Related Content

Viewers also liked

Similar to методика и дистанционные технологии в курсе общей физики в нияу мифи

More from Иван Иванов

методика и дистанционные технологии в курсе общей физики в нияу мифи