Особенности подготовки студентов на направлении «Прикладные

математика и физика» физического факультета СПбГУ.

Директор НОЦ «Электрофизика», проф. Ю.К. Стишков.

В рамках национального проекта «Образование» на физическом

факультете СПбГУ создан НОЦ «Электрофизика». О реализации

инновационных форм обучения на направлении «Прикладные математика и

физика» рассказывает директор нового центра.

Стратегической целью НОЦ «Электрофизика» является формирование партнерства учреждения высшей школы, научной организации и представителя бизнес-сообщества по решению задач повышения качества подготовки специалистов по направлению «Прикладные математика и физика». В качестве бизнес-партнера на физическом факультете в течении пяти лет выступает один из мировых лидеров в области оборудования для электроэнергетики - Промышленная группа «Таврида Электрик» (ПГ ТЭЛ). Наш пятилетний опыт сотрудничества с (ПГ ТЭЛ), дает возможность сформулировать состав общих требований к выпускнику направления «Прикладные математика и физика».

Промышленная Группа Таврида Электрик, как, вероятно, и многие другие российские промышленные структуры, ощутила устойчивый дефицит квалифицированных специалистов, способных создавать наукоемкую высокотехнологичную продукцию третьего тысячелетия.

Проанализировав рынок образовательных услуг в России, руководство ТЭЛ выбрало физический факультет СПбГУ для целевой подготовки специалистов. Причины такого выбора - прежде всего высокий уровень общего физико-математического образования нашего выпускника по сравнению с выпускниками технических и специализированных ВУЗов России.

Подготовка студентов традиционных на физическом факультете направлений «Физика» и «Радиофизика» нацелена на выпуск физиков-исследователей, способных вести поисковые научные исследования в выбранной области физики. Эта ориентация требует: во-первых, расширенной базы знаний в выбранной узкоспециальной области физики, во вторых - изучения специальных методов исследования, применяющихся для получения научных знаний в современных условиях. В настоящее время на ФФ существует более 40 магистерских программ, направленных на выпуск физиков классического образца. Каждая магистерская программа, как правило, узко специализирована и содержит набор из 8-10 спецкурсов. Каждую магистерскую программу поддерживает набор 5-8 спецкурсов, читаемых в бакалавриате. Эти курсы на разных кафедрах различны. Такой механизм подготовки специалистов, выработанный еще в условиях плановой экономики дает на выходе некоторый небольшой процент ученых, которыми мы по праву гордимся.

Однако многие наши выпускники не находят спроса в области своей специализации.

А для того, чтобы сразу после окончания университета приступить к созданию новых технологий и устройств, образования «классического» физика явно недостаточно. Когда выпускник классических направлений факультета приходит на предприятие, занимающееся созданием высокотехнологичного оборудования, ему нужна переподготовка, так как в учебном плане физического факультета нет дисциплин технической направленности. Как правило, после поступления на работу в ту или иную фирму, проходит несколько лет, прежде чем такой специалист становится ее полноценным сотрудником. Этот процесс адаптации в условиях рыночной экономики невыгоден, и его следует свести к минимуму либо исключить совсем. При отсутствии государственного планирования нерентабельно готовить узкоквалифицированных специалистов, не зная потенциального спроса на них. Именно поэтому западная система высшего образования объективно сложилась как саморегулирующаяся, когда базовый уровень высшего образования сочетается с возможностью специализироваться и, по мере необходимости, продолжать обучение.

В свете последних постановлений правительства РФ традиционная система подготовки специалистов требует пересмотра, особенно когда речь идет о построении образовательной политики на вновь создаваемом направлении. Направление «Прикладные математика и физика» открыто на физическом факультете СПбГУ в 2002 году. В отличие от классических направлений, у направления ПМФ иная ориентация: подготовка специалистов, профессиональная деятельность которых - развитие новой техники и новых наукоемких технологий. Выпускникам этого направления, также как и всем студентам физического факультета, необходимо базовое классическое образование по общим и общепрофесиональным физико-математическим дисциплинам.

Однако применение традиционных методов классической физики для решения прикладных задач зачастую неэффективно по следующим причинам:

• Они требуют высочайшей квалификации исследователя и знание оригинальных методов в конкретной области, а поэтому исключают многопрофильность исследователя.

• Они трудоемки, а поэтому достаточно дороги и не оперативны.

• Зачастую они работают только в особых условиях, например для простых геометрий, тогда как на практике эти условия не выполняются.

Чтобы получить устойчивый спрос в современных быстроизменяющихся условиях, выпускники направления ПМФ должны иметь достаточно широкий арсенал знаний в различных областях физики. Физик – исследователь, ориентированный на создание новых наукоемких устройств и технологий должен уметь достаточно квалифицированно и оперативно решать задачи из различных областей физики, используя накопленный к настоящему времени богатый арсенал знаний по физическим наукам.

Традиционным способом ориентации выпускников на практическую деятельность, используемым в большинстве ВУЗов России, не исключая Физтех, является изучение т.н.

инженерных наук, позволяющих рассчитывать сложные конструкции. Кроме этого, в специализированных ВУЗах большое внимание уделяется изучению созданных к настоящему времени, методов и конструкций. Этот прием требует больших затрат аудиторного времени и лабораторных занятий на дорогостоящем оборудовании и по мнению наших заказчиков малоэффективен.

Вместо этого мы предложили альтернативный метод, опирающийся на базовое классическое образование и современные информационные технологии. Наш метод достаточно универсален, не требует кардинального пересмотра учебного плана, существенно отличает нас от конкурентов по рынку образовательных услуг и, как показала практика, конкурентоспособен. Он прошел успешную апробацию в течении четырех лет и позволил успешно конкурировать с МФТИ и другими ВУЗами России при агитации абитуриентов. Как известно конкурс на ПМФ физического факультете СПбГУ устойчиво высок.

Практическая направленность студента ПМФ определяется прежде всего содержанием новых курсов блока учебных дисциплин «Информатика», разработанных и внедренных в учебный план направления с момента его открытия. Очень важно, что эта направленность осуществляется на младших курсах, что позволяет на протяжении всего последующего обучения решать множество практических задач в рамках самостоятельной работы. Компьютер становится повседневным и универсальным рабочим инструментом, студента использующимся для проведения моделирования тех или иных физических явлений, проведения математических расчетов, для получения и обработки экспериментальных данных, поиска необходимой информации, составления отчетов и презентаций и т.д.

При обучении студентов классических направлений традиционно высокое внимание уделяется изучению программирования. Однако для студента направления ПМФ, изучение классического программирования является лишь малой частью необходимых знаний в области информатики. При решении большинства практических задач нет необходимости создавать свое оригинальное программное обеспечение. Это требуется лишь в тех случаях, когда имеющегося в настоящее время богатого арсенала программных средств и систем недостаточно для решения конкретной задачи. Поэтому особый упор в процессе подготовки студентов направления ПМФ делается на изучении и использовании в практической деятельности современных математических пакетов, систем компьютерного моделирования физических процессов, средств обработки сигналов и изображений, средств работы с текстовой и графической информацией.

Расчет сложных моделей с использованием этих систем стал в последнее время необходимым условием организации циклов создания новой наукоемкой продукции и успешного продвижения ее как на отечественный, так и международный рынок. Таким образом, студент нового направления должен владеть широким спектром современных компьютерных технологий, использующихся при работе с физико-математической информацией.

Для реализации поставленных целей на направлении ПМФ применяются новые современные методы преподавания, особенно в области информатики, существенно отличающиеся от методов обучения «классических» направлений. Появление нового элемента - компьютера в педагогической системе во многом изменяет ее функции и позволяет достичь педагогического эффекта значительно быстрее и надежнее. Компьютер дает такие возможности информационного обеспечения учебного процесса, которых до сих пор никогда не было. Однако содержание компьютерного занятия должно обязательно включать данные о способах анализа условий задачи, о поисках способа ее решения, о способах контроля за правильностью решения.

Еще более широкие возможности дает применение компьютерного моделирования для повышения степени усвояемости материала по общепроффесиональным дисциплинам.

Известно, что традиционная система образования в ВУЗах России, основана, прежде всего на аудиторной форме работы со студентами. Эта форма развилась в условиях плановой экономики. Построение образовательного процесса по европейскому образцу, когда самостоятельной работе со студентами уделяется повышенной внимание особенно целесообразно и эффективно при обучении прикладным наукам.

В связи с активацией болонского процесса в ВУЗах России учебный процесс на новом направлении ПМФ во многом ориентирован на самостоятельную работу студентов.

В процессе обучения самостоятельная работа студентов, реализована в виде курсовых работ, при выполнении которых каждый студент учится непосредственно у своего научного руководителя. При выборе тем курсовых работ и определении способа их выполнения приоритет отдается решению практических задач с использованием систем компьютерного моделирования и других информационных технологий, входящих в список компетенций студента.

Еще одним компонентом успеха новых образовательных технологий является непрерывный контроль их успешности. Лучшей формой такого контроля является наличие организации, заинтересованной в подготовке студентов данного направления. В качестве такой организации на физическом факультете СПбГУ, более четырех лет, выступает наш бизнес-партнер ПГ «Таврида электрик», осуществляющая с нашей помощью текущий мониторинг успеваемости студентов и поощрительные формы стимуляции обучения.

Существующий учебный план направления ПМФ и его реальное воплощение в виде программ учебных дисциплин в настоящее время реализует сформулированные базовые положения:

1. Расширенное изучение основ информатики с упором на освоение современных пакетов компьютерной математики и систем компьютерного моделирования физических процессов и современных средств работы с сигналами и изображениями реализовано в блоке взаимосвязанных информационных учебных дисциплин: «Введение в информатику», «Введение в ТКМ» и «Физические основы методов обработки и передачи информации». Использование компьютера в педагогическом процессе дает возможность существенно обогатить информационное обеспечение учебного процесса и повысить скорость усвоения излагаемого материала. Широкое использование в учебном процессе, начиная с ранних стадий обучения, современных систем компьютерного моделирования позволяет существенно ускорить как процесс обучения студента различным областям физики, так и сделать доступной быструю переориентацию будущего исследователя из одной области физики в другую.

2. Широкопрофильная специализация студентов направления ПМФ, обусловлена расширенным набором общефизических и общепрофессиональных дисциплин.

3. Индивидуальная работа со студентами, начиная с первого семестра, как в рамках выполнения курсовых работ по ведущим дисциплинам (существующий учебный план бакалавриата ПМФ предусматривает выполнение 7 курсовых работ в течении первых четырех лет обучения), так и при изучении дисциплин в области информационных технологий. Тематика курсовых работ затрагивает большинство разделов прикладной физики. Практикуется широкое использование систем компьютерного моделирования при написании курсовых работ, бакалаврских и магистерских диссертаций, а также в научных целях. В рамках индивидуальной работы практикуется отработка современных форм представления и защиты результатов исследований студентов.

Для реализации инновационных образовательных технологий в области информатики необходимы специальные дорогостоящие лаборатории, созданные при финансовой поддержке бизнес партнера - ПГ «Таврида Электрик» в 2001-2004 годах. Это:

«Лаборатория информатики», «Лаборатории технологий компьютерного моделирования», «Лаборатория методов обработки и передачи информации (МОПИ), осуществляющие на протяжении четырех лет подготовку студентов направления ПМФ по блоку информационных дисциплин.

В конце 2006 года в рамках национального проекта «Образование» на базе этих неформальных структур был создан инновационный Научно-образовательный центр (НОЦ) «Электрофизика». Центр основан Физическим факультетом СПбГУ, НИИ Радиофизики, внешней научной организацией: ФТИ РАН и представителем бизнес сообщества - ПГ «Таврида Электрик». Научно-методический совет центра, состоящий из представителей организаций соучредителей, в целом одобрил структуру и концепцию образовательной деятельности центра.

НОЦ «Электрофизика» является структурным подразделением физического факультета.

Помещения центра отремонтированы - ЦЧМ «Таврида электрик» в октябре – ноябре 2006 года. Оборудование учебных лабораторий существенно обновлено, стенды лабораторий модернизированы из средств национального проекта «Образование». В настоящее время новые лаборатории активно используются для проведения учебного процесса на направлении ПМФ в соответствии с учебным планом направления, положением и концепцией НОЦ «Электрофизика».

На фотографиях занятия в новых подразделениях НОЦ «Электрофизика».

Студентам ежедневно предоставляется беспрепятственный доступ в учебные лаборатории для проведения самостоятельной работы. Студенты имеют возможность получения консультаций у преподавателей направления.

Для реализации инновационных образовательных технологий преподавательскому составу центра необходимо было пройти существенную переподготовку с целью освоения современных компьютерных технологий, методов работы с информацией и приобретения навыков работы с программными комплексами и системами. В настоящее время преподавательский состав центра, имеет необходимые навыки и компетенции. Следует отметить, что в числе преподавателей более половины молодые люди, в возрасте не выше 40 лет.

Студенты и преподаватели НОЦ «Электрофизика»

Дальнейшее использований инновационных образовательных технологий в учебном процессе.

Уровень подготовки студентов по информатике, позволяет начиная с середины второго семестра проводить часть практических занятий по общей физике и электродинамике с использованием технологий компьютерного моделирования. Это позволяет студенту детально анализировать исследуемые явления, особенно в разделах физики сплошных сред и электромагнетизма. На семинарах моделируются различные физические процессы, например - механические деформации различных тел, расчет их собственных частот, течения в трубах, обтекание жидкостью тел простых геометрий, распределение электростатических и магнитостатических полей различных источников, явления теплопередачи и др. Преимущества таких занятий в следующем: закрепление навыков компьютерного моделирования, детальный анализ сложного физического процесса, индивидуальное выполнение заданий каждым студентом, написание отчетов по каждой теме в электронном виде с анализом физических результатов моделируемого явления.

В течение первых четырех курсов студенты выполняют курсовые работы по общей физике, информатике, ТКМ, МОПИ, МЦОСИ и электрофизике. Приведем некоторые темы курсовых работ: «Моделирование обтекания подводной лодки», «Расчет деформации арочной крыши под воздействием распределенной и сосредоточенной нагрузи», «Изучение влияния неоднородностей на механические характеристики различных объектов», «Вынужденный теплообмен от поверхности твердого тела в жидкости», «Изучение влияния излучения и конвекции на теплоотвод», «Моделирование фонтана», «Магнитные задачи в плазме», «Выбор оптимальной формы для торпеды»

и др. В числе тем курсовых и бакалаврских работ имеются работы, интересующие нашего бизнес партнера - ПГ ТЭЛ. Защиты курсовых работ проходят в мультимедиа аудитории. Презентации курсовых работ выполнены в POWER POINT. Время доклада – 15 мин. Средний объем текста курсовой работы в редакторе WORD 10-15 стр. Защиты курсовых работ проходят в торжественной обстановке в присутствии представительной комиссии.

За время совместной работы с фирмой партнером создана и функционирует группа научного и инженерного моделирования, обеспечивающая активное участие наиболее подготовленных студентов в решении научных и учебных задач, а также производственных задач ЦЧМ ТЭЛ. Это стало возможным благодаря инновационным На фотографии студент Морозов выступает с докладом на еженедельном научном семинаре НОЦ «Электрофизика»

методам подготовки студентов направления на ранних стадиях обучения (1 и 2 курс) и освоения ими современных моделирования физических процессов. Студенты младших курсов овладевают инструментом, позволяющим достаточно оперативно выполнять самостоятельные исследования, представляющие научный и производственный интерес. Отработаны формы взаимодействия студентов младших и старших курсов, участвующих в проекте и формы обмена опытом в рамках постоянно действующего научного семинара НОЦ «Электрофизика». Работа группы научного моделирования происходит в свободное от занятий время на базе лабораторий «Информатики» и «Технологий компьютерного моделирования», доступ в которые обеспечен в любое время ежедневно. Налажена система взаимного обмена информацией (взаимообучения) студентов группы научного моделирования и остальных студентов, выполняющих самостоятельные работы в течении всего семестра.

Состав задач блока компьютерного моделирования физических процессов решаемых на базе группы компьютерного моделирования НОЦ «Электрофизика» достаточно широк:

Гидро- и газодинамика – внутренние и внешние течения, в том числе многофазных сред и со свободной границей.

Электростатика с учетом объемных и поверхностных зарядов Постоянный ток линейный и нелинейный случай.

Теплофизика. Нестационарные нелинейные тепловые задачи Конвективный теплообмен.

Гидро-структурные задачи. Влияние течений на тела различной формы, в том Расчет магнитных полей проводников сложной формы и их взаимного влияния Расчет полей и параметров дросселей, трансформаторов и др. устройств Индукционный нагрев.

Расчет погонных параметров кабельных и воздушных линий.

Расчет механических конструкций с учетом нелинейности материалов.

Моделирование поведения изделий из гиперупругих материалов.

Решение линейных и нелинейных контактных задач теории упругости.

Решение контактных задач с учетом токопрохождения и тепловыделения.

Решение динамических задач на столкновение упругих тел с нелинейными Распространение упругих волн в твердых телах сложной формы с учетом их нелинейных свойств.

Электрическая проводимость газов и жидкостей. (Фемлаб, Матлаб) Газовые разряды: коронный разряд, барьерная изоляция, частичные разряды.

Ударные волны в жидкостях и газах ( Ансис, Матлаб, CFD.) Течения с объемной нагрузкой, ЭГД и МГД. (Ансис, Фемлаб) Визуальное моделирование процессов в электросетях.

Визуальное моделирование линейных и нелинейных электрических цепей.

Решение практических задач по автоматизации физического эксперимента.

Реализация цифровой фильтрации сигналов. Синтез цифровых фильтров.

Компьютерная обработка статических (фото-) изображений ЭГД течений.

Компьютерная обработка видео изображений течения жидкостей и газов.

Для моделирования используются следующие программные продукты: ANSYS, FEMLAB, MATLAB, LS-DYNA, CFX, COMSOL, CFD и др.

Для оплаты работ студентов, имеющих научную и производственную ценность, введена система грантов и поощрительных стипендий, вручаемых студентам на заседаниях Ученого Совета ФУНЦ. Выпускники последних лет, в прошлом активные участники группы научного моделирования, в настоящее время являются сотрудниками фирмы партнера - ЦЧМ ТЭЛ (филиалом ПГ ТЭЛ в СПб). Одновременно с этим они ведут постоянную педагогическую работу со студентами младших курсов в рамках НОЦ Электрофизика. Таким образом реализуется принцип преемственности поколений.

Модуль спецдисциплин «Электрофизика» ориентирован на изучение широкого круга физических явлений и процессов, лежащих в основе современных электронно-ионных технологий и устройств электроэнергетики. Студенты, специализирующиеся в данном направлении получают специальную теоретическую и практическую подготовку широкого профиля в области физики плазмы, электро- и магнитной гидродинамики, электрофизики дисперсных систем, физике электрического разряда. Оригинальные лекционные курсы построены с учетом современных научных достижений в перечисленных областях и авторских научных работ. Квалификационная подготовка бакалавров и магистров по заявленному направлению обеспечивается большим опытом научной работы коллектива преподавателей, осуществляющих подготовку магистров, наличием экспериментальной, технологической и вычислительной базы, которые позволяют с первого года обучения организовать индивидуальную научноисследовательскую работу для всех студентов. В отличии от существующих узконаправленных инженерных специализаций технических вузов представляемая программа широкопрофильная, ориентирована на решение задач типичных для современной электроэнергетики. Поэтому основной акцент сделан на изучение физических процессов возникающих в высоковольтных электрических полях. На эту актуальную тему в настоящее время ежегодно проходит более десятка международных конференций, возникающие проблемы далеко не исчерпаны.