CC BY
26Индивидуализированное познание программного материала по предметам учебного плана позволит обучающимся, уже в начальной школе, иметь возможность быть полноправными субъектами в образовательном процессе, выстраивать индивидуальную картину мира, формировать личностный жизненный опыт в рамках обсуждения полученных результатов.
Литература:
1. Приказ Министерства просвещения Российской Федерации от 31 мая 2021 г. № 286 «Об утверждении федерального государственного образовательного стандарта начального общего образования» // [Электронный ресурс] URL: https://base.garant.ru/197127/.
2. Алдушкина, Е.В. Особенности формирования универсальных учебных действий у младших школьников с задержкой психического развития / Е.В. Алдушкина // сайт www.prodlenka.org - URL: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/269438-osobennosti-formirovanija-universalnyh-uchebn (дата обращения: 01.06.2022).
3. Воронцов, А.Б. Учебная деятельность: введение в систему Д.Б. Эльконина, В.В. Давыдова / А.Б. Воронцов, Е.В. Чудинова - М.: Рассказов, 2018. - 300 с.
4. Давыдов, В.В. Что такое учебная деятельность? / В.В. Давыдов // Возрастная и педагогическая психология. - М.: Просвещение, 2015. - С. 66-97.
5. Суртаева, Н.Н. Педагогические технологии. Учебное пособие для бакалавриата и магистратуры / Н.Н. Суртаева. -2-е изд., испр. и доп. - М.: ЮРАЙТ, 2019 - 250 с.
6. Хуторской, А.В. Развитие одаренности школьников. Методика эвристического обучения. Пособие для учителя / А.В. Хуторской. - М.: Центр дистанционного образования "Эйдос", 2020. - 217 с.
Педагогика
УДК 378
доктор физико-математических наук, доцент Милинский Алексей Юрьевич
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Благовещенский государственный педагогический университет» (г. Благовещенск); студент Шкарина Ольга Михайловна
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Благовещенский государственный педагогический университет» (г. Благовещенск)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАБОРА АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ LEXSOLAR-NEWENERGY READY-TO-GO В ЛАБОРАТОРНОМ ПРАКТИКУМЕ ОБЩЕГО КУРСА ФИЗИКИ ПЕДАГОГИЧЕСКОГО ВУЗА
Аннотация. Содержание и структура высшего педагогического образования на сегодняшний день является предметом активных дискуссий в связи с внедрением единого подхода к осуществлению подготовки будущих учителей педагогическими университетами страны в рамках «Ядра высшего педагогического образования». Объявленное Президентом РФ «Десятилетие науки и технологий» требует повышенного внимания к подготовке учителей физики, поскольку физика является научной основой всей техники. Для реализации усиленной подготовки будущих учителей физики и других естественнонаучных дисциплин в государственных педагогических университетах в рамках проекта «Учитель будущего поколения России» созданы межфакультетские технопарки универсальных педагогических компетенций - современные образовательные пространства. Технопарк в частности содержит оборудование для изучения альтернативных источников энергии - набор leXsolar-NewEnergy Ready-to-go. Основной целевой аудиторией данного набора являются обучающиеся средних школ. Для его использования при обучении будущих учителей физики общему курсу физики необходимо разработать ряд лабораторных работ, соответствующих высшему педагогическому образованию. В настоящей статье предлагается лабораторная работа с методическими рекомендациями по определению коэффициента полезного действия реверсивного водородного топливного элемента.
Ключевые слова: лабораторный практикум, физика, педагогический университет, топливный элемент, анкетирование.
Annotation. The content and structure of higher pedagogical education today is the subject of active discussions in connection with the introduction of a unified approach to the training of future teachers by the country's pedagogical universities within the framework of the "Core of Higher Pedagogical Education". The Decade of Science and Technology announced by the President of the Russian Federation imposes increased requirements on the training of physics teachers, since physics is the scientific basis of all technology. To implement the enhanced training of future teachers of natural sciences at state pedagogical universities, within the framework of the project "Teacher of the Future Generation of Russia", interfaculty technoparks of universal pedagogical competencies have been created - modern educational spaces. The technopark, in particular, contains equipment for studying alternative energy sources - the leXsolar-NewEnergy Ready-to-go kit. The main target audience of this set are secondary school students. For its use in teaching future physics teachers the general course of physics, it is necessary to develop a number of laboratory works corresponding to higher pedagogical education. This article proposes a laboratory work with guidelines for determining the efficiency of a reversible hydrogen fuel cell.
Key words: laboratory workshop, physics, pedagogical university, fuel cell, questioning.
Введение. Высшее педагогическое образование, его содержание, структура и организация являются предметом активных дискуссий. В последние годы обсуждение резко оживилось в связи с переходом педагогических университетов в ведомство Министерства Просвещения и с переходом с 2022 года государственных педагогических университетов (ГПУ) страны на «Ядро высшего педагогического образования». Принимая во внимание недавний указ Президента Российской Федерации (№ 231 от 25 апреля 2022 года) «Об объявлении в Российской Федерации Десятилетия науки и технологий», необходимо отметить усиление роли учителей физики в подготовке школьников, которые в ближайшие годы станут молодыми специалистами [1, 2].
При подготовке будущих учителей физики особое внимание уделяется натурному эксперименту [3, 4]. Однако в некоторых педагогических университетах материально-техническая база, оснащение лабораторным и демонстрационным физическим оборудованием на протяжении многих лет уступали школьной. Для устранения этой проблемы в рамках Федерального проекта «Учитель будущего поколения России» во всех педагогических университетах страны созданы современные технологически насыщенные образовательные пространства - межфакультетские технопарки универсальных педагогических компетенций (Технопарки).
В Благовещенском ГПУ Технопарк содержит оборудование по робототехнике, технологиям дополненной и виртуальной реальности, фундаментальной физике, рентгенографии, нейрофизиологи и т.д. Имеется оборудование для
изучения альтернативных источников энергии, в частности набор leXsolar-NewEnergy Ready-to-go - альтернативные виды энергии. Набор предназначен в большинстве своем для учащихся средних школ. С набором поставляются краткие описания лабораторных работ [5], демонстрирующих преобразования различных видов энергии в электрическую. Для использования этого набора при обучении студентов педагогических университетов общему курсу физики необходимо разработать ряд лабораторных работ, соответствующих уровню высшего учебного заведения. Поэтому основная проблема - несоответствие предлагаемого практикума к набору leXsolar уровню высшего педагогического образования.
Изложение основного материала статьи. Цель исследования - разработка лабораторной работы для студентов педагогических университетов по определению коэффициента полезного действия (КПД) реверсивного топливного элемента, входящего в набор leXsolar, и формулировка методических рекомендаций по ее выполнению.
Методы: анализ научно-методической литературы и нормативных документов, анкетирование.
Перед разработкой лабораторной работы со студентами педагогического направления подготовки 44.03.05 профиль «Физика» были проделаны основные эксперименты согласно описанию к набору leXsolar [5]. После чего проводилось анкетирование студентов для установления наиболее интересных экспериментальных заданий. На основе анализа полученных результатов было принято решение о разработке лабораторной работы по изучению КПД реверсивного топливного элемента для лабораторного практикума общего курса физики раздела «Электричество». В анкетировании приняли участие студенты (п = 15) 3 курса направления 44.03.05 профиль «Физика» физико-математического факультета Благовещенского ГПУ.
Результаты проведенного анкетирования указывают на преобладающий интерес студентов к работам по исследованию реверсивного топливного элемента (13 человек из 15). Реверсивный топливный элемент состоит из электролизера и топливного элемента. Во время зарядки электролизер преобразует электрическую энергию и воду в водород и кислород. Топливный элемент осуществляет обратный процесс и, таким образом, может вырабатывать электрическую энергию. Для зарядки электролизера из набора leXsolar к нему необходимо подключить внешний источник питания напряжением не более 2 В.
Фиксацию временных зависимостей тока и напряжения во время зарядки и разрядки реверсивного топливного элемента удобнее всего осуществлять при помощи видеозаписи на смартфон. Затем по видеозаписи необходимо заполнить таблицу, в которой будут занесены значения тока I и напряжения и через определенные моменты времени. Потребляемая элементом электрическая мощность Р(^) в каждый момент времени найдется как произведения тока на напряжение:
Р^) = Ш,
а суммарная мощность за время заряда/разряда найдется как площадь фигуры, ограниченной кривой Р({) и осью абсцисс:
t
Р = | Р(Г
0
При напряжении заряда 2 В кривая потребляемой мощности реверсивным топливным элементом Рз({) представлена на рис. 1. Она содержит два участка: первый в интервале времени от 0 до 10 с и второй от 10 до 360 с. На первом Р^) и втором Р2з(0 участках экспериментальные точки хорошо аппроксимируются полиномами второй степени:
Р1з(0 = 0,0073 - 0,1272^ + 1,5711,
Р2з(0 = 610-7 г2 - 0,0005 ■ t + 1,0174.
0 100 200 300
и С
Рисунок 1. Временная зависимость мощности, потребляемой реверсивным топливным элементом во время заряда при напряжении 2 В. Сплошные линии - наложенные на экспериментальные точки линии тренда
Для нахождения суммарной мощности Рз, потребленной элементом за 360 с, найдем сумму двух определенных интегралов:
10 360
Рз = |(0,0073/ - 0,1272-г + 1,5711) Л + |(б-10"Ч2 - 0,0005-г + 1,0174) Л =
0
10
А0-0073 3 0'1272^2 + 1.5711-/
V 3 2
= 11,78 Вт + 333,05 Вт = 344,83 Вт.
10
+
0 V
6 10-7 3 0,0005 2 л
^ ' -г2 + 1,0174*
3
■г
2
360
10
Для разряда топливного элемента к нему подключали внешнее сопротивление величиной 100 Ом. Кривая зависимости мощности разряда от времени Рр(г), представленная на рис. 2, содержит два участка: первый в интервале от 0 до 50 с; второй в интервале от 50 до 140 с. На первом участке кривая Р1р(г) хорошо аппроксимируется линейной зависимостью: Р1р(г) = - 0,0003-г + 0,0185, а на втором полиномом второй степени: Р2р(г) = 3- 10-7-г2 - 0,0001-г + 0,0087.
Суммарная мощность разряда Рр, найденная как сумма двух определенных интегралов равна Рр = 0,55 + 0,32 = 0,87 Вт.
0.02
0,016
о
25
50
75
и с
100
125
15С
Рисунок 2. Временная зависимость мощности, отдаваемой реверсивным топливным элементом резистору величиной 100 Ом. Сплошные линии - наложенные на экспериментальные точки линии тренда
Коэффициент полезного действия ц топливного элемента найдем как отношение мощности разряда Рр к мощности заряда Рз:
Р 0 87
п = -100% = —--100% « 0,25%
Рз 344,83
Согласно литературным данным, КПД топливных элементов может достигать 60% [6], что не соответствует полученным нами результатам. Низкое значение коэффициента полезного действия может быть связано с неоправданно большим временем зарядки. Для проверки данного предположения эксперимент был проделан повторно с меньшим временем заряда. На рис. 3 показана кривая заряда элемента в течение 24 с. Мощность заряда в данном случае составляет
Рз = |(-0,1843*3 + 1,0284*2 - 1,9245? + 2,4882) Л* +
о
24
+ |(-10-6*5 + 910-5*4 -0,0025*3 + 0,0334*2 - 0,217* +1,603) Л* = 34,23 Вт.
2
>,8 п
о
2 -
.4
СР
2 -
1,6 -
1.2 -
0.8
Рз2(*)
10
15
20
25
и с
Рисунок 3. Временная зависимость мощности, потребляемой реверсивным топливным элементом во время заряда при напряжении 2 В. Сплошные линии - наложенные на экспериментальные точки линии тренда
Мощность разряда равна (рис. 4)
60 180 -0,023'
р = 10018 / • е
0 60
Рр = |0,0187'е"0 023'+ |(4 10-11*4 - 210-8*3 + 3 • 10-6*2 - 2• 10-4* + 0,0107) Л =
= 0,95 Вт.
Коэффициент полезного действия в случае зарядки реверсивного топливного элемента в течении 24 с при напряжении 2 В равен
Р 0 95
400% = —--100% « 2,8%
Рз 34,23
что уже на порядок выше, чем в прошлом случае, и больше соответствует действительности.
О 50 100 150
t с
Рисунок 4. Временная зависимость мощности, отдаваемой реверсивным топливным элементом резистору величиной 100 Ом. Сплошные линии - наложенные на экспериментальные точки линии тренда
Студенты, выполняя лабораторную работу по определению КПД реверсивного топливного элемента, в конечном счете должны построить зависимости его КПД от времени зарядки n(t) и от напряжения зарядки n(U). На основе построенных зависимостей необходимо определить наиболее оптимальное напряжение и время зарядки для реверсивного топливного элемента, представленного в наборе leXsolar-NewEnergy Ready-to-go. Для усложнения представленной работы можно в качестве дополнительного задания для студентов сделать оценку погрешности коэффициента ц по графическим зависимостям P(t).
Выводы. Таким образом, для студентов - будущих учителей физики - разработана лабораторная работа по исследованию коэффициента полезного действия реверсивного топливного элемента, входящего в набор leXsolar-NewEnergy Ready-to-go. Сделаны методические рекомендации, основанные на опыте апробации лабораторной работы в Благовещенском ГПУ со студентами педагогического направления подготовки 44.03.05 профиль «Физика».
Литература:
1. Ермакова, Е.В. Экспериментальные задачи на лабораторных занятиях по курсу общей физики в педагогическом вузе / Е.В. Ермакова // Научно-методический электронный журнал «Концепт». - 2019. - № V1. - С. 1-9.
2. Фоминых, С.О. Некоторые аспекты формирования профессиональной компетентности будущих учителей физики / С.О. Фоминых, Т.А. Петрушкина // Вестник ЧГПУ им. И.Я. Яковлева. - 2021. - № 2(111). - С. 232-239.
3. Леонтьева, Н.В. Применение ИКТ в натурном эксперименте лабораторного практикума по физике / Н.В. Леонтьева // Молодой ученый. - 2013. - № 6(53). - С. 700-703.
4. Милинский, А.Ю. Повышение эффективности выполнения первых лабораторных работ по физике студентами ВУЗа / А.Ю. Милинский, О.А. Днепровская // Школа будущего. - 2021. - № 6. - С. 104-115.
5. leXsolar-NewEnergy Ready-to-go. Instructions manual. - 2016. - 30 pp.
6. Филиппов, С. Топливные элементы и водородная энергетика / С. Филиппов, А. Голодницкий, А. Кашин // Энергетическая политика. - 2020. - №11(153). - С. 28-39.
