«Педагогические науки»

2. Проблемы подготовки специалистов.

Свириденко Ю.Ф., Кунцов В.П.

ЮФ «Крымский агротехнологический университет» НАУ

Особенности преподавания физики для биологических специальностей аграрных вузов

Физика составляет фундамент всякого естественнонаучного и инженерного образования. Профиль вуза требует выбора подходящей формы курса физики, его объёма, уровня используемого математического аппарата, места дисциплины в учебном плане и сопряжения с последующими дисциплинами.

Поскольку живая материя гораздо сложнее неживой, неудивительно, что для успешной работы в различных областях биологии необходимы глубокие познания в физике.

В настоящее время мы достигли очень больших успехов в познании живой природы, и можно надеяться, что нам удастся проникнуть в тайны хотя бы простых биологических явлений.

Взаимосвязь физики и биологии разнообразна. Пастер, прежде чем заняться микроорганизмами, изучал кристаллы. Юнг, чьё имя связано с явлением интерференции и исследованиями упругости, был врачом. Эффект Мёссбауэра был открыт на медицинском факультете. Электроника широко применяется в медицине. Рентгеновские лучи с равным успехом используются для изучения неорганических кристаллов, в биологии и медицинской практике. При помощи изотопов исследуют механизмы реакций, протекающих как в пробирке, так и в живой клетке.

Для биологических специальностей сельскохозяйственных вузов (агрономов, ветеринаров и т.п.) курс физики может оказаться последним и единственным курсом, содержащим материал по физике. Согласно современным учебным планам этих специальностей, весьма компактный курс физики изучается только на первом курсе обучения, начиная с первого семестра. По этой причине изложение материала может вестись с минимальным количеством математических выкладок, делая основной упор на физическую сущность рассматриваемых явлений. Компактность курса физики предполагает его обзорный характер, то есть он никоим образом не исчерпывает всю программу по физике, ограничиваясь выделением ряда наиболее важных тем.

При этом целесообразна «привязка» курса физики к интересам будущей специальности студентов путём рассмотрения примеров биологии, демонстрирующих возможности использования законов физики.

Традиционная биология долгое время была в значительной степени описательной, эмпирической наукой. Широкое использование химических и физических методов позволило изучать биологические явления на молекулярном уровне. Появилась возможность научного объяснения основных проявлений жизни на основе современных представлений, развиваемых в физике и химии, хотя существуют объективные трудности математического описания биологических явлений, что порождает у некоторых учёных неовиталистические концепции, согласно которым современная физика не в состоянии объяснить эти явления.

Современные научные данные не дают никаких оснований для гипотезы о существовании каких-то сил или полей, присущих только явлениям жизни. В книге «Что такое жизнь с точки зрения физики?» Э.Шредингер утверждает:

«Хотя современная физика и химия не могут объяснить процессы, происходящие в живом организме, нет никаких оснований сомневаться в возможности их научного объяснения». Дальнейшее развитие науки полностью подтвердило такое мнение.

Все живые существа состоят из атомов и молекул, которые в свою очередь построены из электронов и атомных ядер. В процессах жизнедеятельности не затрагиваются явления, связанные с преобразованием атомных ядер и релятивистскими скоростями. Поэтому для описания основных процессов жизнедеятельности достаточно использовать закономерности современной классической и квантовой физики, успешно применяемые для описания свойств неживой природы. При этом, конечно, следует иметь в виду, что биологические объекты обладают многими особенностями, существенно отличающими их от тел неживой природы. Это, прежде всего самовоспроизводство и адаптация к изменяющимся внешним условиям, тончайшая регуляция и самосогласование всех биологических процессов, происходящих в живой материи.

Всё своеобразие живых организмов, отличающих их от неживой природы, возникает в результате особой организации сложных биологических молекулярных систем:

1.Все живые организмы – существенно-неоднородные системы. При исследовании неживой природы можно рассматривать системы, имеющие одинаковый состав, плотность и другие характеристики.

2.Все биологические объекты являются открытыми системами. Их жизнедеятельность возможна только при непрерывном обмене энергией и веществом с окружающими телами. При исследовании же тел неживой природы можно изучать свойства почти изолированных систем.

3.Изолированные физические системы эволюционируют к состоянию наименьшей упорядоченности, характеризуемой максимальной энтропией. Все живые организмы всегда находятся в состоянии, далёком от термодинамического равновесия. Они эволюционируют только в одном направлении. Процесс старения нельзя обратить вспять. Любая биологическая система рождается –развивается - погибает. При наступлении полного термодинамического равновесия все белки живого организма распадаются.

Жизнь не противоречит термодинамике, но термодинамическое описание недостаточно для понимания и объяснения биологических явлений-прежде всего вследствие их значительной удалённости от равновесия и большой неоднородности. Именно неоднородность биосистемы и их далёкие от термодинамического равновесия состояния не позволяют без достаточных оговорок пользоваться в биологии хорошо установившимися понятиями энтропии, количества информации, свободной энергии и другими термодинамическими функциями, характеризующими состояния однородных систем, находящихся в термодинамическом равновесии.

Успешное теоретическое описание отдельных биологических явлений на молекулярном уровне возможно только при значительном упрощении явления. При таком упрощении - моделировании – учитывают только главные, определяющие данное явление (обычно коллективные) степени свободы и не учитывают второстепенные. Успех теории определяется умелым выбором модели и методов её описания.

Последние десятилетия характеризуются глубоким проникновением идей и методов, точных наук - химии, физики и математики в науку о живом.

На современном этапе развития общества качество обучения в вузе должно подняться на новую ступень. Знания должны служить руководством к действию, способствовать творческому преобразованию действительности. Задача вуза – подготовить инициативного, творческого специалиста, способного решать задачи производства в условиях конкуренции и свободного предпринимательства.

С целью развития у студентов творческого мышления в каждом разделе учебной дисциплины их внимание необходимо привлекать к вопросам, на которые современная наука не дала ещё однозначного ответа.

Биология есть наука о живой природе, объекты которой неизмеримо сложнее неживых. Поэтому предстоит пройти ещё долгий путь, прежде чем удастся раскрыть сколько-нибудь полно глубинные физические основы биологических явлений и закономерностей.

Сегодня имеются все основания утверждать, что современная физика не встречается с границами своей применимости к рассмотрению биологических явлений. Развитие биофизики, как части современной физики свидетельствует

о её неограниченных возможностях. Приходится, конечно, вводить новые физические представления, но не новые принципы и законы.

В определении физики как науки, изучающей строение и свойства конкретных видов материи- веществ и полей, и формы существования материи – пространство и время, нет разграничения живой и неживой природы. Приведенное определение не означает сведения всего естествознания к физике, но из него следует, что конечные теоретические основы любой области естествознания имеют физический характер. Эти основы уже раскрыты в химии, мы знаем сейчас, что химия изучает структуру и изменения электронных оболочек атомов и молекул при их взаимодействии. Соответственно теоретическая химия сегодня полностью основана на квантовой и статистической механике, на термодинамике и физической кинетике.

Изучение физики в сельскохозяйственном вузе должно способствовать ознакомлению студентов с физическими основами техники и технологии современного сельскохозяйственного производства и перспективами его дальнейшего развития. Особое внимание необходимо уделять ознакомлению студентов с современными методами научного исследования, применяемыми в агрофизике и биофизике, по изучению влияния различного рода физических факторов на жизнь сельскохозяйственных растений, а также возможностями курса физики в привитии студентам практических умений и навыков по выполнению наблюдений и исследований, которые могут быть необходимыми в будущей деятельности на производстве и в научных исследованиях. С этой целью при постановке лабораторных работ следует учитывать потребности иллюстрации основных физических законов и специфики вуза, вводя в практикум задачи, выполняя которые студенты могли бы представить области применения получаемых физических знаний в своей будущей работе и научиться проводить измерения, наиболее необходимые для будущей специальности.

Профиль вуза, при сохранении общего единства изложения физики как науки, можно учитывать с помощью перераспределения материала между отдельными разделами, а также выбором характерных примеров и приложений, иллюстрирующих действие физических законов в этой или иной специфической области. Специфика такого рода особенно может быть отражена на семинарских и практических занятиях.

Проблемы биологии требуют вероятностного мышления, ясного представления о том, что в природе, особенно живой, мы имеем дело не с детерминистическими, а со стохастическими (вероятностными) закономерностями.

Биолог и агроном должен знать, что разрабатываемые модели явлений должны помогать при разрешении сложных практических ситуаций. При этом ясно себе представлять факт господства в природе случайных воздействий и возможность описания детерминистических тенденций динамикой их средних значений параметров. Биологам и агрономам необходимо дать ясное представление о наличии закономерностей двух типов: детерминистических и стохастических.

Традиционное изложение физики не учитывает специфики вуза, факультета. Эта традиция основана на том, будто студенты сами в практической работе, оказавшись перед выбором, перед необходимостью привлечь знания по физике к решению возникающих задач, вспомнят содержание курса и выберут нужные им понятия, приёмы и методы исследования.

В действительности дело обстоит иначе. Нужно, прежде всего, не только знать методы, но приучаться использовать физические модели для конкретных биологических объектов (животное, растение). И этому следует учить систематически, прививая мысль о том, что физика существует не только для того, чтобы затруднять жизнь студента, а для того, чтобы использовать эту науку в практике, применять по мере необходимости, научиться видеть в физике инструмент изучения явлений природы и выработки отчётливых представлений об их протекании.

Цивилизованное ведение сельского хозяйства требует бережного использования природных ресурсов, что предусматривает поиск оптимальных решений, при которых для получения заданных результатов сведутся к минимуму расходы сырья, земельных угодий, энергетических носителей.

Несколько слов о компактности курса физики в учебных планах биологических специальностей аграрных вузов при переходе обучения на Болонские принципы. В Болонских принципах основная идея о самостоятельном изучении большой доли учебного материала обучающимся при консультативной помощи обучающего безусловно правильная. Этот принцип был главным в высокоэффективной советской школе до тех пор (70-80годы ХХ века), пока зашоренные плановостью советские бюрократы и сердобольные родители не убедили общество в том, что для получения качественного образования достаточно присутствовать в классах и аудиториях. Это условие необходимое, но недостаточное. В результате этих сдвигов в настоящее время после школы в аудитории вузов приходит студент, который не имеет хорошей подготовки по фундаментальным дисциплинам выбранной специальности. Школьнику разрешили выбирать выпускные экзамены, в результате физику выбирают единицы. Что сможет освоить студент, не имея хорошей школьной подготовки, в процессе компактного курса физики даже, если он этого очень пожелает?

На наш взгляд, реформирование образования в стране следует начинать со средней школы. При этом во главу угла на втором (конечном) этапе обучения в зависимости от будущей профессиональной ориентации и способностей будущего выпускника школы должны быть поставлены - изучение фундаментальных дисциплин и количество часов, отводимых на их изучение.

А в той ситуации, которой мы находимся в высшей школе на современном этапе, в учебных планах базового высшего образования следует идти по пути сокращения количества дисциплин и при этом находить учебные часы для базовых, фундаментальных дисциплин.