книги / Фотоника и оптоинформатика. Введение в специальность

Федерации, направленных на совершенствование системы образования, необходимость его модернизации также связывается с безопасностью страны.

В соответствии с новой образовательной парадигмой у высшего технического образования две основные задачи:

–подготовка высококвалифицированного специалиста, обладающегопрофессиональнымикомпетенциями;

–формирование широкообразованной личности и общих знаниевых компетенций.

Первая задача – более узкая и простая; она у каждого своя (как и специальность) и не рассчитана на всю жизнь (многие специалисты вынуждены неоднократно менять свою специальность). Вторая задача универсальна, т.е. одинакова для всех, и ее значимость не меняется в течение профессиональной деятельности специалиста. Без решения второй задачи полноценно решить первую невозможно. Одно из важнейших требований к широкообразованной личности – это творческое системное мышление и способность обеспечивать в условиях научно-технического прогресса устойчивое существование человечества на Земле. Качества широкообразованной личности и общие компетенции можно приобрести, лишь глубоко освоив фундаментальные и гуманитарные основы выбранной специальности. Компетенция – совокупность взаимосвязанных качеств человека, позволяющих ему эффективно выполнять свои профессиональные обязанности

(профессиональные компетенции), успешно ориентироваться в жизненных и служебных ситуациях (общие компетенции).

Учебный план включает три блока дисциплин:

1)гуманитарные, социальные и экономические (ГСЭ);

2)математические и естественно-научные (МЕН);

3)профессиональные (ПД).

Каждый из трех блоков содержит федеральный и региональный компоненты, а также базовую и вариативную части, в том числе дисциплины по выбору студента (элективные).

11

Гуманитарные и фундаментальные знания сосредоточены в блоках ГСЭ и ЕН. Эти дисциплины изучаются на первых курсах.

Фундаментальные знания превратились в наиболее эффективную движущую силу производства. Фундаментальные знания создаются фундаментальными науками, т.е. науками, посвященными исследованию природы. К таким наукам относятся: физика, математика, информатика, химия, биология и некото-

рые другие. Инженерные теории, как правило, представляют собой модифицированные варианты теорий фундаментальных наук. Модификация состоит в том, что фрагменты общенаучных теорий, имеющие прикладное значение, преобразуются в теории, позволяющие выполнять инженерные расчеты и проекты. Поэтому любая инженерная дисциплина содержит фундаментальное ядро. Задача студента – научиться выделять из различных дисциплин фундаментальные знания, интегрировать и обобщать их в своем сознании. Без этого не может сформироваться широкообразованный специалист. Справиться с этой задачей помогают специальные учебные дисциплины, в которых интегрируются основополагающие знания. «Введение в специальность» – одна из интегрирующих дисциплин.

1.2. Особенности обучения в вузе

Основной особенностью обучения в вузе является то, что в вузе не учат, а учатся. Студент – взрослый человек, осознанно выбравший данную специальность, и поэтому обязан сам осваивать все дисциплины учебного плана, позволяющие ему стать специалистом-профессионалом. Очевидно, что человек, не проявляющий самостоятельность в учебе, не станет самостоятельным и в работе. Поэтому в университете не столь тщательно, как в школе, контролируются текущие знания студента; значительная роль отводится самоконтролю.

Отсутствие постоянного самоконтроля в учебе – основной признак того, что поступивший в вуз еще не созрел, чтобы быть студентом. В настоящем пособии вопросы для самокон-

12

троля приведены в конце каждой главы. Материал, необходимый для ответа на эти вопросы, выделен в тексте пособия курсивом.

Второй особенностью обучения в вузе является то, что студент за время учебы должен освоить значительно больше дисциплин, чем в школе за 10 лет. В учебном плане эти дисцип-

лины распределены по четырем блокам, наименования которых подчеркивают содержательное различие отнесенных к ним дисциплин. Это очевидное различие мешает неискушенному студенту осознать менее очевидное, но чрезвычайно важное единство всех дисциплин учебного плана. Единство дисциплин связано с двумя обстоятельствами.

Во-первых, все дисциплины учебного плана образуют единую систему курсов, внутренне согласованных друг с другом так, что вместе они позволяют подготовить высококвалифицированного и широкообразованного специалиста. Принципиальная основа этой внутренней согласованности учебных дисциплин определяется Федеральным государственным образовательным стандартом (ФГОСом), а практическая реализация обеспечивается рабочими программами дисциплин.

Во-вторых, почти все учебные дисциплины имеют общие фундаментальные основы, так как отражают различные стороны одной и той же объективной реальности.

Документами, которые определяют описанные выше особенности обучения студента в вузе, являются ФГОС, учебный план и рабочие программы дисциплин. Эти документы рассмотрены в третьей главе пособия.

Отметим также, что, в отличие от обучения в средней шко-

ле, учеба в вузе – это фактически начало профессиональной дея-

тельности человека. Во-первых, студент осваивает содержательную основу будущей профессиональной деятельности, а вовторых, интеллектуально созревает как специалист, занимаясь конкретными исследованиями. И то, и другое обеспечивается всеми дисциплинами учебного плана. Кроме того, успех в про-

фессиональной карьере специалиста зависит и от способности

13

студента самостоятельно работать с профессионально значимой литературой вне учебного плана.

Вопросы для самоконтроля

1.Что такое фотоника и оптоинформатика? Каковы особенности этой дисциплины?

2.Какие государственные задачи решает высшее техническое образование?

3.Какие требования к подготовке современного дипломированного специалиста соответствуют новой образовательной парадигме?

4.Какие науки и знания относятся к фундаментальным?

5.В чем состоят основные особенности обучения в вузе?

6.По какому признаку распределены дисциплины в учебном плане?

7.В чем состоят различия и единство дисциплин учебного плана?

8.Какие основные документы регламентируют учебный процессввузе?

2. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ТВОРЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

2.1.Направления творческой деятельности

Всоответствии с доктриной двухступенчатого высшего образования направление бакалаврской подготовки предполагает дальнейшее обучение в магистратуре. Но и этот этап формирования специалиста является промежуточным. В течение всей творческой деятельности, назовем ее инженерной, приходится осваивать новые знания.

Принципиально различающихся в своей естественно-науч- ной основе направлений инженерной деятельности только шесть.

Они связаны с информацией, энергией, сырьем, материалами,

14

изделиями и транспортом. Каждое направление подразумевает соответствующее производство: производство информации, энергии и т.д. Любое из названных производств рассматривается здесь в самом широком смысле. Производство информации включает получение, обработку и передачу информации во всех сферах деятельности человека. Производство энергии включает преобразование любых видов энергии (от механической до внутриядерной энергии) в виды, непосредственно применяемые на производстве и в быту, например в механическую или электрическую. Производство сырья включает сырье, связанное не только с геологическими, но и биологическими и другими источниками. Материалы – результат придания сырью свойств, которые обеспечивают получение из него тех или иных изделий. К изделиям отнесено то, что производится из материалов – от пуговицы до сложнейшей автоматизированной системы управления производством, от лопаты до здания, от игрушки до гидроузла и т.д. В понятие «транспорт» включается все, что обеспечивает доставку материалов, изделий и т.д. к месту дальнейшей переработки, потребления или хранения. Сюда относятся любые средства перемещения – от гужевого транспорта до фотонной ракеты.

Составные части приведенного перечня инженерной деятельности связаны между собой, так как без информации невозможно включить знания и опыт в производственную сферу, без энергии производство теряет свою естественную движущую силу, без сырья невозможно производство материалов и т.д.

Их взаимозависимость проявляется в том, что никакая из них не может существовать вне связи со всеми остальными. Это проявляется, например, в любых производственных проектах и бизнес-планах, которые обязательно учитывают издержки на информационное сопровождение, энергоснабжение, приобретение материалов и т.д. Описанные взаимосвязи наиболее ярко проявляются тогда, когда на их основе возникает конкретная инженерная специальность. Ее становление сопряжено с использованием знаний, касающихся сразу нескольких или даже всех направлений прак-

15

тической деятельности. Это находит отражение в учебных планах любого направления. Например, в учебном плане направления «Фотоника и оптоинформатика» имеются дисциплины, связанные с информатикой, энергетическими вопросами, материаловедением и т.д.

Число направлений подготовки, обеспечивающих инженерную деятельность, велико. Их перечень постоянно изменяется – некоторые исчезают, появляются новые. Эти изменения отражают общий научно-технический прогресс. В настоящее время технические вузы страны осуществляют подготовку инженеров примерно по80 направлениям.

При подготовке бакалавров взаимосвязи между направлениями практической деятельности учитываются различными дисциплинами учебных блоков, в равной мере обогащающими интеллект будущего специалиста знаниями, формирующими творческое мышление высококвалифицированного специалиста. Поэтому нельзя в процессе учебы делить дисциплины на важные и неважные, как это часто делают неискушенные студенты и недостаточно опытные преподаватели. Здесь ситуация вполне аналогична методам подготовки спортсмена. Спортсменом высокого класса невозможно стать, не закалив волю, не «накачав» все группы мышц, не укрепив дыхательный аппарат, сердечнососудистую систему, общую выносливость организма и психологическую устойчивость. В профессиональном спорте не делят тренировки на важные и неважные. Точно так же, обучаясь в вузе, следует всесторонне «накачивать» свой интеллект с помощью всех дисциплин учебного плана.

Практическая деятельность человека связана с природой.

Информация, лежащая в основе всех направлений деятельности человека, извлекается им из природы либо непосредственно (естественными науками), либо опосредованно – путем по-

лучения вторичной информации (из первичной, фундаментальной), посредством прикладных наук и инженерной практики.

16

PNRPU

Энергия связана с природой как общий признак, общая мера различных форм движения и взаимодействия материальных объектов.

Любое сырье есть природное вещество.

Материалы – те же вещества, преобразованные к виду, более удобному для непосредственного практического исполь-

зования. Причем преобразуются они в технологических процессах, подчиняющихся законам фундаментальных наук.

Любые изделия, а также самые сложные и хитроумные устройства являются лишь комбинациями конструкционных элементов, выполненных из материалов с использованием процессов,

подчиняющихся законам природы.

Транспорт использует принципы перемещения тел в пространстве, разрешенные и определяемые физическими законами.

Таким образом, все направления инженерной деятельности либо копируют природу, либо, если и создают новое, то лишь в рамках допустимого законами природы. Поэтому не существу-

ет технических специальностей, не опирающихся на законы фундаментальных наук. В частности, все дисциплины учебного плана, формирующие специалиста данного профиля, имеют общие фундаментальные основы.

К сожалению, общность фундаментальных основ дисциплин учебного плана далеко не всегда осознается студентами. Это затрудняет формирование у студента системного мышления и приобретение им широких профессиональных знаний.

2.2.Практическая деятельность человека

исовременное естествознание

Практическая деятельность человека многогранна. В данном разделе рассматривается лишь ее часть, относящаяся непосредственно к производству.

Современное естествознание создало научно обоснованную картину мира, которая включает материальные структуры, воз-

17

никшие в процессе эволюции Вселенной. Магистральный путь эволюции – переход от простого к более сложному. Один из ее основных механизмов – самоорганизация материальных струк-

тур. На некотором этапе эволюции природа проявляет способность создавать биологические объекты, т.е. материальные структуры, для которых характерны избирательный обмен веществом и энергией с внешним окружением, внутренняя саморегуляция, самовоспроизводство, эволюционное самосовершенствование и адаптация к окружающей среде. В процессе эволюции адаптивные способности таких структур преобразовались в сложную информационную систему сбора, переработки и рационального использования важной для жизни информации – возникла эффективно действующая нервная система. В условиях Земли эволюция нервной системы живых организмов привела к появлению че-

ловеческого мозга и разума. Возможности человеческого разума выходят за рамки простых потребностей поддержания жизни. Максимально ярко эти возможности проявляются в абстрактном мышлении, которое позволяет человеку познавать окружающий мир, формируя научные представления о нем.

Таким образом, человек оказался той материальной структурой, посредством которой природа проявляет свою способность к самопознанию и к осознанному самосовершенствова-

нию. Человек, развивая фундаментальные науки, познает законы природы и в пределах «разрешенного» этими законами создает элементы искусственной природы, призванные улучшать качество жизни и обеспечивать ему все новые возможности для более глубокого ее познания. К элементам искусственной природы относятся предметы быта, различные технические устройства, механизмы, сооружения и т.д., предназначенные для удовлетворения потребностей человека во всех сферах его жизнедеятельности. Иными словами, к искусственной природе относится все то, что производится человеком в направлениях практической деятельности.

18

Эволюция искусственной природы, опирающаяся на разум, науку и инженерную деятельность, также идет от простого к сложному. После удовлетворения элементарных потребностей учеловека неизбежно возникают новые, более сложные. Например, потребность дистанционного общения, которая первоначально реализовывалась передачей информации мимикой, жестами, акустическими сигналами, стала затем обеспечиваться почтовыми сообщениями, телеграфом, телефоном и, наконец, бурно развивающимися в настоящее время сложными глобальными электронными системами связи с использованием широкого спектра электромагнитных волн, искусственных спутников Земли, Интернета.

Потребности общества расширяются – вплоть до желания создавать системы, подобные самому человеку как в «техническом» (роботы), так и в «интеллектуальном» (искусственный разум) отношении. В конечном счете все, что создает себе в помощь человек, должно (в области своего применения) обладать большими возможностями, чем сам человек. Здесь нет никаких принципиальных ограничений. Иными словами, в своей практической деятельности человек (в рамках законов природы) всемогущ. Он выступает в качестве творца нового направления эволюции Вселенной, создавая искусственную природу. Собственно, к этому и сводится вся его практическая и научная деятельность.

Эволюция естественной природы проявляется в виде эволю-

ции Вселенной. В процессе эволюции природа действует «вслепую», методом проб и ошибок. Она случайным образом создает любые «разрешенные» законами природы материальные структуры. «Выживают» из них лишь наиболее стабильные в данных условиях. К таким структурам относятся, в частности, те, для которых характерна максимальная энергетическая выгодность. Все «выжившие» кнастоящему времени материальные структуры и составляют современнуюестественнуюприроду.

Только на стадии возникновения мыслящей материальной структуры начинает действовать новая движущая сила эволюции – творец, проектирующий каждый отдельный акт развития

19

искусственной природыиосуществляющийсвоипроекты. Вэтом– суть практической деятельности человека и, в частности, суть деятельности инженера. Следовательно, практическая деятельность человека есть результат эволюции Вселенной. Решающим фактором в этой деятельности является ее естественно-научная основа, которая охватывается современным естествознанием, что в равной степени относится и к инженерной деятельности в области фотоники и оптоинформатики.

Эти рассуждения станут еще более убедительными, если ознакомиться с основными элементами современной научной картины мира, включающей представления о Вселенной

иее эволюции.

2.3.Естественно-научные основы практической деятельности человека

Человек распространил свои познания Вселенной до расстояний 1026 м, проник в микромир до размеров 10–18 м и углубился в прошлое при изучении эволюции окружающего мира на 14 млрд лет. Выяснилось, что все и всегда во Вселенной сводилось к трем сущностям: материальные системы (объекты), взаимодействие объектов и их движение (развитие). Ничего иного в мире не обнаружено.

Вселенная представляет собой единую, целостную, необозримо сложную материальную систему. По этому поводу поэт сказал: «Все сущее во все века без счета верст невидимый связует мост, и не сорвать тебе цветка, не стронув звезд» (Френсис Томпсон, XIX в.). Описанная взаимосвязь затрагивает любые формы проявления материи, включая духовную, культурно-гуманитар- ную, социальную и т.п. сферы. Не является исключением и сфера инженерной деятельности, а также подготовка к этой деятельности, т.е. обучение в вузе. Вот почему кажущаяся разнородность учебных курсов относится лишь к частностям; на самом деле практически все дисциплины обладают глубоким естественно-научным единством. Это единство проявляется во многих аспектах.

20