Formation of research skills of future engineers in the process of studying material science

Full Text

Введение В современном высокотехнологичном обществе инженерная деятель- ность приобретает особое место в культуре. В связи с этим актуализируется проблема подготовки инженерных кадров, ориентированных на потребности инновационного развития производства [1-2]. Значительное место в подго- товке востребованного компетентного инженера занимает материаловедение. Ни одно производство не обходится без исследований и контроля материалов в ходе технологического процесса. Каким из свойств заготовок и продукции (физических, механических, технологических, эксплуатационных) отдается предпочтение, зависит от характера производства и свойств выпускаемой продукции. Кроме того, если в ходе производственного процесса появляется бракованная продукция, то для решения вопросов об устранении брака обяза- тельно привлекут материаловедов. Сегодня наука «Материаловедение» по- стоянно развивается, совершенствуется, усложняется, разрабатывает новые материалы как для простых объектов бытового назначения, так и для объек- тов эксклюзивных. С одной стороны, жизнь продвигает исследования в раз- личных областях науки - физике, химии, информатике и других, что требует необходимости разработки новых приборов с особыми материалами для бо- лее точных научных исследований. С другой стороны, развитие необходимых современному миру самолетостроения, космонавтики, атомной энергетики и других требует материалов с уникальными свойствами с целью разработки новых технологических процессов для непосредственного применения. Вследствие этого преподавание материаловедения требует постоянного со- вершенствования, однако в современной научной литературе найдется не так много исследований на данную тему. Примеры исследований с научно- технологической и педагогической точек зрения вопросов преподавания науки о материалах можно найти в [3-4]. В статье [5] выделены проблемы преподавания материаловедения, определены роль и место материаловедения в структуре подготовки современного инженера, сформулированы цели, средства, методы, результаты и принципы преподавания данной учебной дисциплины в техническом вузе. Прежде всего следует отметить в професси- ональной деятельности материаловеда необходимость синтеза практических и исследовательских навыков: материаловедам нельзя догматично указывать на порядок действий. В процессе подготовки, проведения и анализа экспери- ментов и исследований объяснение полученных результатов и выводы мате- риаловед в каждом конкретном случае делает самостоятельно. Вследствие этого проблема развития исследовательских умений в процессе преподавания материаловедения приобретает особую актуальность. Обзор литературы Исследовательская составляющая и проблемы ее формирования постоян- но находятся в поле зрения современных исследователей и педагогов- практиков. Описание основ активного обучения для повышения исследова- тельских навыков студентов инженерных специальностей представлено в [6]. Модель для формирования исследовательской компетенции, педагогические и учебные рекомендации представлены в [7]. Эмпирическое исследование эффективности преподавания, направленного на развитие исследовательских навыков, рассмотрено в [8]. В статье [9] представлено качественное исследо- вание, которое выявило несоответствие между подготовленностью выпуск- ников и ожиданиями работодателей, особенно в том, что касается ориентации выпускников на обучение и выработку навыков исследования. То есть фор- мирование исследовательских навыков требует постоянного внимания и со- вершенствования. Педагогические условия, обеспечивающие успешное включение исследо- вательской деятельности в процесс обучения, сформулированы в [10]. Это: личностно-ориентированный подход к обучению; включение задачи формирования исследовательской компетентности в содержание образования; использование активных, проблемных методов обучения; разработка и использование в учебном процессе специальных комплек- сов исследовательских задач, лабораторных работ, индивидуальных заданий для самостоятельной работы исследовательского характера; постепенное усложнение предлагаемых задач и усиление требований к качеству исследования; предоставление (по мере развития исследовательских умений и приоб- ретения опыта исследовательской деятельности) большей самостоятельности и свободы в выборе целей, средств и методов решения проблем, переход от ориентировочной основы действий второго рода к ориентировочной основе действий третьего рода; поэтапный переход от контроля и оценки со стороны преподавателя к самоконтролю и самооценке. Однако следует заметить, что исследовательская деятельность инженера имеет ряд особенностей. Не случайно российский философ В.Г. Горохов пи- сал: «Часто инженера определяют как специалиста с высшим техническим образованием. Но инженер должен уметь нечто такое, что невозможно оха- рактеризовать словом «знает». Он должен обладать еще и особым типом мышления, отличающимся как от обыденного, так и от научного» [11]. О.О. Горшкова в своем диссертационном исследовании подчеркивает: «Ис- следовательская деятельность инженера нами рассматривается как процесс целенаправленного, активного взаимодействия человека с реальным или мо- делируемым объектом, ориентированный на получение нового знания в соот- ветствии с интеллектуальными запросами личности и социума» [12]. Кроме того, авторами статьи [13] было выявлено различие в подходах работодателей к определению исследовательской компетентности инженера: «Если НИИ де- лают упор на навыки научной коммуникации, владение методами проведения исследования, то собственно производственные предприятия - на работу с оборудованием и умения применить теоретические знания и методы, а также опыт, полученный в ходе научно-исследовательской работы, на практике». То есть в отличие от гуманитариев инженер должен также уметь работать руками, грамотно обращаться с современными приборами и материалами. Материалы и методы В процессе исследования применялись следующие методы: анализ науч- ной и методической литературы, изучение российской и зарубежной научной периодики, изучение образовательных стандартов, учебников, учебных посо- бий, рабочих программ, педагогическое наблюдение, педагогический экспе- римент, интервью, обобщение педагогического опыта. Результаты исследования Преподавание учебной дисциплины «Методы исследования микро- и наносистем» по направлению подготовки 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов» предоставляет широкие возможности для форми- рования исследовательских умений будущих инженеров. Данный курс опира- ется на требования общепрофессиональной компетенции ОПК-2, которая предполагает развитие «способности использования в профессиональной дея- тельности знания о подходах и методах получения результатов в теоретиче- ских и экспериментальных исследованиях». Для преподавателя задача по- ставлена сложная, так как дисциплина преподается на 1-м курсе, когда у сту- дентов еще нет знаний и понятий о специальности и предмете. В статье [13] показано, что развитие у инженеров способности к научно-профессиональной деятельности зависит от уровня их академической подготовки и мотивации научно-исследовательской деятельности. Поэтому для того, чтобы получить высокие результаты при обучении и заразить интересом к специальности, необходимо: показать востребованность специальности; развивать заинтересованность и обязательность в получении качествен- ных результатов; показать важность качественного и точного исследования свойств и структуры объекта с многократным повторением проверок, так как на предприятиях невнимательность исследователя может привести к поломкам, браку, возникновению опасности для жизни тех, кто связан эксплуатацией приборов и механизмов; научить собирать и концентрировать полученные знания, развивать наблюдательность и сообразительность при выполнении исследований, так как в большинстве случаев материаловед сам решает, где и как вырезать об- разец для исследования и контроля, в каких условиях его испытывать. Исследовательская составляющая присутствует на каждой лекции по кур- су, в лабораторных работах, на практических занятиях. Исследовательские умения, сформированные на лекциях, - это теоретические основы изменения внутреннего строения и связанных с ним изменений свойств материалов. Они помогают понять и усвоить происходящие в материале процессы при нагреве, охлаждении, обработке давлением и т. д. Все эти процессы дают определен- ный результат, положительный или отрицательный, с точки зрения необхо- димых свойств. Практические занятия позволяют узнавать то, что не сказано на лекциях, получать дополнительные знания, решать практические задачи, изучать с исследовательской точки зрения ГОСТы - почему они задают именно такие условия, например размеры образцов, место их вырезки, тол- щину закаленного слоя и т. д. «Зачем», «почему», «как» - это постоянные во- просы, сопровождающие любое занятие. Лабораторные работы, аккумулируя все накопленные знания, дают уже непосредственно исследовательские навыки, дают возможность самим проводить эксперимент, наблюдать, пробо- вать, анализировать результат, работать над ошибками. Иными словами, ла- бораторные работы включают теоретические и экспериментальные исследо- вания, обработку результатов, их осмысление и выводы. Каждая лаборатор- ная работа представляет собой самостоятельное исследование, которое поз- воляет получить навыки по многим направлениям: теоретическое обоснование и ознакомление с соответствующей литера- турой по изучаемому вопросу; изучение устройства и возможностей оборудования, приемов работы с учетом техники безопасности; обоснование применяемых материалов и реактивов, изучение химиче- ских веществ и правил их составления и использования; владение методиками выполнения задания. Одно дело - прочитать, как надо делать, другое дело - выполнить это са- мому. Цель любой лабораторной работы начинается словами «изучить», «ис- следовать», «научиться». Это очень емкие слова, за которыми стоит большая и серьезная работа: теоретическая подготовка, подготовка и проведение экс- перимента, заполнение таблиц, построение графиков, объяснение этих гра- фиков, формулирование выводов. Обязательными составляющими исследо- вательской работы являются аккуратность, внимание, наблюдательность, умение правильно оформить результаты экспериментов. Все эти качества по- стоянно присутствуют на занятиях. Рассмотрим процесс формирования исследовательских умений инженера на примере лабораторной работы «Приготовление микрошлифов» [14]. По классическому определению «Материаловедение» - наука, изучающая связь между химическим составом, внутренним строением и свойствами ма- териалов, закономерностями изменений свойств от внешних физикохимических воздействий. Это значит, что внутреннее строение материала, а именно структура, является определяющей для получения эксплуатацион- ных свойств. Различают свойства, которые очень сильно зависят от строения материала, - структурночувствительные, и свойства, которые не зависят от структуры. Структурночувствительными являются главные свойства: 1) ме- ханические (твердость, прочность, пластичность и др.); 2) эксплуатационные (износостойкость, антифрикционность и др.). Значения этих свойств выра- жаются в производстве и в жизни количественным числом. А значит, и структура должна быть охарактеризована определенным набором цифр для использования и сравнения. Для этого в материаловедении структуру рас- сматривают под микроскопом и дают характеристику по соответствующим ГОСТам и правилам, общепринятым в международной практике, чтобы лю- бому специалисту, связанному с производством продукции, было понятно, какая структура получена и каких свойств от нее можно ожидать. Чтобы по- смотреть структуру под микроскопом, необходимо специальным образом об- работать образец, чтобы получить шлиф - шлифованную поверхность образ- ца металла, приготовленную для исследования его структуры. Изготовление шлифов состоит из нескольких этапов: 1) правильно и в нужном месте отре- зать образец; 2) отшлифовать, потом отполировать по определенным законам и правилам; 3) произвести травление специальным травителем, зависящим от металла или сплава. Дело требует определенной последовательности дей- ствий, аккуратности, терпения. Например, при шлифовании при переходе на более мелкую шкурку необходимо обязательно протереть образцы ваткой, чтобы на поверхности не остались крупные зерна абразива, так как они могут поцарапать поверхность образца при дальнейшей обработке, и т. д. У каждого этапа есть свои правила и законы, которые необходимо неукоснительно со- блюдать. Только при выполнении всех правил и требований можно получить хорошие шлифы для дальнейшего анализа структуры, дачи рекомендаций с целью улучшения качества изделий и заключений о причинах возникнове- ния брака или аварий. Основная задача (очень трудная) состоит в том, чтобы добиться понимания студентами уже на 1-м курсе нужности, важности, вос- требованности своей будущей профессии, необходимости получения высоко- го качества результатов выполняемых работ, ответственности за характери- стику структуры и заключение по возникшей на производстве проблеме. Ко- гда студенты своими руками шлифуют, полируют, промывают, протирают, производят травление, то даже эти начальные практические навыки вызыва- ют у них большой интерес и желание сделать что-то еще. Одни выполняют работу старательно, по правилам, контролируя каждый этап. Другие относят- ся к заданию небрежно. По окончании изготовления шлифов студенты осу- ществляют взаимную проверку шлифов друг у друга, определяют недостатки, объясняют ошибки, оценивают качество шлифов, ставят оценки друг другу. Каждый студент внимательно просматривает 6-8 шлифов и по каждому дает заключение, отмечает положительные и отрицательные моменты. И сразу становится ясно, кто и как работал. И это еще один важный момент для вос- питания студентов, показывающий, что на каждом этапе надо работать со- средоточенно, аккуратно и по правилам. Для закрепления исследовательских умений в конце занятий проводится обсуждение результатов работы. Оценка ставится по совокупности ответов на теоретические и практические вопросы по теме с учетом качества приготовленных шлифов. Практическую ценность выполнения этой работы можно охарактеризовать по двум аспектам: 1) при- обретение навыков и умений, освоение приемов и способов профессиональ- но-исследовательской деятельности: уметь шлифовать и полировать образцы, составлять травитель, выявлять структуру сплава, рассматривать ее под мик- роскопом, правильно маркировать и хранить шлифы; 2) применение и за- крепление знаний, полученных теоретическим путем: изучение и фиксирова- ние литературных источников и справочников для выбора травителей, пони- мание принципов работы оборудования, изучение правил техники безопасно- сти при изготовлении шлифов. Опишем уровни сформированности исследовательских умений при вы- полнении лабораторной работы «Приготовление микрошлифов». Пороговый. Знает теорию и порядок операций при изготовлении шлифов. Знает технику безопасности при изготовлении шлифов. Понимает, как надо правильно шлифовать, полировать, травить шлиф. Может изготовить шлиф с помощью лаборанта. Продвинутый. Осознанно, с пониманием, строго следуя всем правилам, выполняет задание, правильно сушит изготовляемый образец. Самостоятель- но может настроить микроскоп и оценить качество шлифа перед травлением и готового. Повышенный. Знает литературу и справочники с режимами изготовления шлифов и травителями для разных металлов и сплавов. Может самостоятель- но определить режим шлифования и полирования, выбрать травитель в зави- симости от задания, применяя микроскоп, изучить образец и охарактеризо- вать структуру количественно и качественно. По результатам защиты было определено, что из 22 человек пороговый уровень имеют 6 человек (27,2 %), продвинутый - 13 человек (59,2 %) и по- вышенный - 3 человека (13,6 %). Как отмечают А.М. Новиков и Д.А. Новиков, важнейшую роль в органи- зации продуктивной деятельности играет рефлексия: оценка субъектом себя, других людей, результатов своей деятельности, оценка субъекта и его дея- тельности другими людьми [15]. Для преподавателя также важно знать мне- ние студентов об учебном процессе. Поэтому для организации обратной свя- зи и формирования способности к рефлексии студентам было предложено в письменной форме кратко изложить свои впечатления о проделанной рабо- те: чему они научились, что им понравилось (или не понравилось), какие бы- ли трудности при выполнении работы. Опрос проводился после того, как ра- бота была сдана и получены оценки. Приведем наиболее типичные выдержки из полученных эссе, сохраняя стиль изложения. Анастасия П.: «Воспоминания о лабораторной работе са- мые яркие и красочные. Это было очень интересно незабываемо. Когда я впервые вошла в кабинет, в котором проводилась лабораторная работа, ме- ня охватило большое удивление - такого количества различных приборов я никогда не видела: микроскопов, измерительных устройств. Сам процесс проведения лабораторной работы был очень увлекательным и заниматель- ным. Мне было интересно познакомиться со способом обработки образца, изучением его микроструктуры». Мария Ф.: «На первой лабораторной работе мы изготавливали шлифы. Мне этот процесс очень понравился, было инте- ресно и занимательно. Для общего развития очень хорошо. С помощью лабо- раторной работы я узнала процесс изготовления, какие были особенности и нюансы. Я считаю, что эти лабораторные работы нужны. Ведь студентам хочется не только сидеть за партой и учить теорию, но и практически изу- чать. Ведь так процесс лучше запоминается, и гораздо интереснее. Я бы хоте- ла еще раз рассматривать этот процесс. Мне очень понравилось, ведь в пер- вый раз у меня получилось неплохо». Андрей Б.: «Узнал много нового. С ра- достью хотел бы испытать эти переживания еще раз. Было очень интересно». Михаил Х.: «Во время проведения работы царила дружеская атмосфера, но при этом шел активный процесс получения знаний в области обработки шли- фа, травления и также по структуре металла». Анна В.: «Лабораторная работа была полезной. Считаю, что нужно проводить такие занятия с практикой ча- ще, т. к. это наработка опыта, которого недостает в университете. Иначе по- том, на заводе, наши знания будут без хорошей практики». Обобщая результаты опроса, следует перечислить основные моменты, отмеченные студентами в их ответах. Ценность: познакомились с основой специальности - изучением микроструктур. Впечатления очень яркие. Это были первые знания по специальности. Приступили к выполнению с припод- нятым настроением. Было очень интересно, любопытно, увлекательно. Нача- ли делать, хотелось узнать, что получится. Само выполнение, т. е. изготовле- ние шлифов, было непростым. Работа состояла из нескольких этапов, и надо было быть все время в напряжении, быть внимательным, чтобы ничего не пе- репутать, сделать все правильно и качественно на каждом этапе, чтобы не ис- портить предыдущую работу. Но процесс изготовления шлифов очень понра- вился, так как захватывал. Особенно интересно было рассматривать структу- ру готовых шлифов под микроскопом. У всех был свой образец - кусочек ме- талла одного цвета, а под микроскопом оказались разные структуры, много интересного. У многих написано, что эта работа их сплотила, сделала единым целым. Переживали и помогали друг другу, подсказывали, предупреждали. А потом с интересом рассматривали и обсуждали качество работы каждого. Все выразили желание выполнить эту работу еще раз с более осознанным, качественным, тщательным отношением к работе. Некоторые писали, что приобретенные знания пригодились им на других предметах и в быту. Следу- ет отметить, что результаты опроса согласуются с мнением зарубежных уче- ных, которые отмечают, что инженерному мышлению присущи такие каче- ства, как системность, креативность, оптимизм, сотрудничество, коммуника- бельность, открытость новому, любознательность [16], что подтверждает до- стоверность проведенного исследования и эффективность разработанной ме- тодики обучения, направленной на формирование способности применять полученные знания в теоретических и экспериментальных исследованиях. Заключение Профессиональная деятельность современного материаловеда невозмож- на без умения проводить теоретические и экспериментальные исследования. Учебная дисциплина «Методы исследования микро- и наносистем», препода- ваемая на первом курсе, открывает студентам, обучающимся по направлению подготовки 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов», мир их будущей специальности, а лабораторная работа «Приготовление микрошли- фов» позволяет сделать первые шаги по ее освоению. При проведении работы главное внимание уделялось развитию тех исследовательских умений, кото- рые составляют основу для проведения эмпирических исследований в обла- сти материаловедения, формируют способность и готовность работать с при- борами и экспериментальными образцами. Все студенты справились с пред- ложенным заданием: 27,2 % продемонстрировали пороговый уровень, 59,2 % - продвинутый и 13,6 % - повышенный. В своих эссе, написанных по- сле выполнения задания, студенты отметили необходимость подобного вида работ, их полезность для будущей профессии и общего развития. Полученные умения в области проведения экспериментальных исследований, интерес к предмету, положительное отношение студентов к изучаемой дисциплине и будущей специальности создает основу для последующего формирования компетентного материаловеда.

About the authors

Natalia V. Kosareva

Yaroslavl State Technical University

Email: nataliacosareva@yandex.ru
Cand. Tech. Sci., Associate Professor of Materials Technology, Standardization and Metrology Department. 88, Moskovskiy Prosp., Yaroslavl, 150023, Russia

Elena V. Kuznetsova

Lipetsk State Technical University

Email: eva351@yandex.ru
Cand. Phys. and Math. Sci., Associate Professor of the Department of Applied Mathematics 30, Moskovskaya St., Lipetsk, 398600, Russia

References

Supplementary files