CC BY
81
ББК 74.58.215: 31.23
В. Н. Миронов Астраханский государственный технический университет
РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ПРАКТИКУМА ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ»
Внедрение информационных технологий в образование направлено на оптимизацию учебного процесса и достижение гарантированных результатов обучения, что невозможно без адекватного программно-методического обеспечения. Компетентностный подход к обучению призван способствовать подготовке квалифицированных специалистов, конкурентоспособных на рынке труда, готовых к постоянному профессиональному росту.
Дисциплина «Электротехнические материалы» стоит в ряду дисциплин, призванных непосредственно формировать компетенции будущих инженеров. При построении структуры данной дисциплины и наполнении ее содержанием необходимо учитывать обширность и постоянное обновление номенклатуры электротехнических материалов, многообразие их параметров, зависящих от воздействия окружающей среды и конструктивно-технологических условий работы. Кроме того, необходимость активной работы со справочной литературой требует от студентов значительных временных затрат.
Отсюда можно сделать вывод, что процесс обучения в рамках данной дисциплины требует такой его организации, при которой студенты должны включаться в активную деятельность, направленную не только на усвоение знаний, умений, навыков и способов мышления, но и на выработку определенных компетенций. Это означает, что методика дисциплины «Электротехнические материалы» с необходимостью предполагает широкое использование учебных задач в процессе изучения электротехнических материалов и их свойств.
Имеются работы, в которых приведены научные сведения о структуре и свойствах задач [1]. При этом исследования касаются в основном задач математического типа, т. е. таких задач, где в условии описывается ситуация, в которой неизвестна какая-либо характеристика (или характеристики) того или иного объекта (или объектов). Требования к задачам математического типа состоят в описании с необходимой полнотой неизвестных характеристик с использованием связей между ними и известных характеристик. Такого типа задачи являются корректно сформулированными и содержат только необходимые и достаточные для решения данные.
Ниже предложена типизация задач по дисциплине «Электротехнические материалы», которая может послужить основанием для разработки практикума по данной дисциплине. Под практикумом понимается [2] совокупность практических занятий по решению задач и выполнению упражнений, способствующих изучению и закреплению пройденного учебного материала и контролю его усвоения.
На первом этапе обучения требуется ознакомиться с параметрами электротехнических материалов и научиться их определять. В качестве характерной для этого этапа может быть рассмотрена задача первого типа:
«При включении в электрическую цепь проводника диаметром 0,5 мм и длиной 43 мм разность потенциалов на концах проводника составила 2,4 В при токе 2 А. Определить удельное сопротивление материала проводника».
Такие задачи аналогичны задачам математического типа, поэтому они не имеют методической новизны.
Вторым типом учебных задач по дисциплине «Электротехнические материалы» являются задачи, в которых исследуется влияние внешних факторов на характеристики электротехнических материалов. Например, влияние температуры на электропроводность проводниковых материалов может быть рассмотрено в задаче:
«Удельное сопротивление чистой меди при 20 и 100 °С равно соответственно 0,0168 и 0,0226 мкОмм. Пользуясь линейной аппроксимацией зависимости р(Т), определить температурный коэффициент удельного сопротивления при 0 °С».
Следующий этап изучения электротехнических материалов предполагает либо сравнение однотипных электротехнических материалов, либо выбор группы электротехнических материалов, удовлетворяющих определённым условиям и т. п. Это, собственно, и является требованием для данного (третьего) типа учебных задач по дисциплине «Электротехнические материалы». Условием задач по этой дисциплине является классификационная характеристика электротехнических материалов, т. е. учебные задачи для данного этапа изучения электротехнических материалов могут быть сформулированы следующим образом:
«Просмотреть список проводниковых материалов и определить, какие из них имеют температуру плавления более 3 000 К, а удельное сопротивление ниже 0,01 мкОм-м» или: «Из перечня металлов и сплавов выбрать проводниковые материалы, у которых температура плавления не выше 1 000 К, удельное сопротивлении не выше 0,03 мкОмм, плотность не более 10 мг/м3 и температурный коэффициент удельного сопротивления не более 50-10-4 К1».
Таким образом, учебные задачи третьего типа по дисциплине «Электротехнические материалы» должны быть построены на основе классификации, ранжирования, поиска материала, удовлетворяющего предъявленным условиям и т. п., что и определяет их формулировку, а следовательно, условие и требование задачи.
Четвертый тип задач представляют задачи на выявление электротехнических материалов, соответствующих заданным конструкторско-технологическим параметрам конкретного электротехнического изделия:
«Из какого проводникового материала следует изготовить обмотку электромагнита контактора, если поперечное сечение проволоки должно быть 0,34 мм2, длина 150 м, а сопротивление не должно превышать 240 Ом?».
Такого рода задачи могут быть менее конкретизированными, т. е. задача может формулироваться следующим образом:
«Указать, какие проводниковые материалы с какими значениями удельного сопротивления и температурного коэффициента удельного сопротивления следует выбрать: а) для монтажных проводов; б) для спирали нагревательного прибора; в) для обмотки электродвигателя».
В этом случае решение может быть получено, если учащийся, кроме умения работать со справочными данными электротехнических материалов, обладает сведениями прикладного характера. Он должен знать, что для проводов и обмоток используются материалы высокой проводимости, при этом монтажные провода и проводники обмоток должны удовлетворять различным требованиям по плотности тока, для нагревательных элементов используются тугоплавкие проводниковые материалы высокого сопротивления.
Таким образом, совокупность учебных задач по дисциплине «Электротехнические материалы» должна представлять собой систему, которая призвана обеспечить приобретение требуемых знаний и умений, способствовать умственному и личностному развитию студентов в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта, т. е. овладение компетенциями. Каждая учебная задача, как одно из методических средств освоения учебного материала, является компонентом системы учебных задач и должна находиться во взаимосвязи с другими учебными задачами.
На основе проведённого анализа выделено четыре типа учебных задач по дисциплине «Электротехнические материалы», которые представляют собой систему, иерархически адекватную целям обучения и компетенциям будущих инженеров:
— 1-й тип - задачи на расчетное определение параметров электротехнических материалов;
— 2-й тип - задачи на исследование влияния внешних факторов на характеристики электротехнических материалов;
— 3-й тип - задачи на сравнение свойств электротехнических материалов на основе классификации и ранжирования;
— 4-й тип - задачи на подбор электротехнического материала по заданным конструкторско-технологическим критериям.
Только по первым двум типам задач имеются задачники, готовые для учебного процесса [3]. Выявленные же третий и четвертый типы задач являются в основном слабоформализуемы-ми и предполагают при их решении работу с большими массивами данных об электротехнических материалах. Следовательно, существует проблема решения системы учебных задач третье-
го и четвёртого типа, предназначенных для определения параметров электротехнических материалов, изучения их свойств и применения в электротехнических устройствах, машинах и аппаратах. В настоящем исследовании для решения этой проблемы предложена постановка практикума на основе базы данных электротехнических материалов [4, 5]. Разработанная учебная база данных электротехнических материалов обеспечивает:
— адаптацию справочных данных к учебному процессу;
— доступность справочных данных и оперативность работы с ними;
— возможность своевременного корректирования номенклатурного перечня электротехнических материалов;
— возможность хранения экспертных данных.
Для получения наиболее эффективной структуры данных информация об электротехнических материалах представляется различными отношениями [6], которые могут быть определены общеизвестной классификацией электротехнических материалов [7]. Следовательно, структура учебной базы данных может быть определена четырьмя основными классами электротехнических материалов: проводниковые, диэлектрические, магнитные и полупроводниковые материалы. Дальнейшая детализация отношений между соответствующими группами электротехнических материалов позволяет установить иерархию уровней их взаимосвязей.
Таким образом, создавая структуру базы данных на основе классификации электротехнических материалов, мы получаем структуру данных, наиболее точно отражающую реальное положение электротехнических материалов в установившейся классификационной системе и способную представлять важнейшие свойства объектов и связи между ними, что в дальнейшем может послужить основой для формулирования условий и требований задач, решаемых студентами на практических занятиях.
Для получения информации об электротехнических материалах и их параметрах, для редактирования и представления в удобном виде справочных данных о значениях электрофизических параметров этих материалов при проведении лабораторных и практических работ разработана программа сопровождения базы данных, которая официально зарегистрирована в Реестре программ для ЭВМ [8].
Функционально программа обеспечивает:
— организацию типов материалов в виде иерархической структуры;
— определение списка материалов каждого типа;
— определение списка параметров для каждого типа материалов;
— определение значений доступных параметров для каждого типа материала;
— выборку значений списка материалов в соответствии с ограничениями, наложенными на значения параметров.
Язык программы - Object Pascal (в среде Borland Delphi Enterprise 7.0).
Заключение
Электронный практикум по дисциплине «Электротехнические материалы» разработан на основе базы данных электротехнических материалов и представляет собой совокупность следующих компонентов:
1. Учебная база данных электротехнических материалов, предназначенная для хранения информации об электротехнических материалах.
2. Приложение - оригинальная программа сопровождения учебной базы данных, предназначенная для редактирования и представления в удобном виде справочных данных о значениях электрофизических параметров электротехнических материалов при проведении лабораторных и практических занятий.
3. Методические указания для студентов и преподавателей по подготовке, организации и проведению практических занятий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Балл Г. А. Теория учебных задач: Психолого-педагогический аспект. - М.: Педагогика, 1990. - 184 с.
2. Ширшов Е. В. Информационно-педагогические технологии: ключевые понятия: словарь / Е. В. Ширшов; Под ред. Т. С. Буториной. - Ростов-н/Д.: Феникс, 2006. - 256 с.
3. Антипов Б. Л., Сорокин В. С.. Терехов В. А. Материалы электронной техники: Задачи и вопросы / Под ред. В. А. Терехова. - 2-е изд. - СПб.: Лань. - 2001. - 208 с.
4. Миронов В. Н., Ишкина Е. Г. Электронный практикум как информационно-методическая составляю-
щая курса «Судовые электротехнические материалы» // VIII Междунар. науч.-метод. конф. вузов и факультетов телекоммуникаций: Тр. конф. - М.: МТУСИ, 2004. - С. 163-167.
5. Зайнутдинова Л. Х. Создание и применение электронных учебников (на примере общетехнических
дисциплин): Моногр. - Астрахань: Изд-во «ЦНТЭП», 1999. - 364 с.
6. Малыхина М. П. Базы данных: основы, проектирование, использование. - СПб.: БХВ-Петербург,
2004. - 512 с.
7. Колесов С. Н., Колесов И. С. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учеб. для вузов. - М.: Высш. шк., 2004. - 519 с.
8. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2006612151. Электронный практикум «Электротехнические материалы» / Е. Г. Ишкина, В. Н. Миронов.
Получено 20.12.2006
THE DEVELOPMENT AND INTRODUCTION OF AN ELECTRONIC PRACTICAL WORK ON THE DISCIPLINE «ELECTROTECHNICAL MATERIALS»
V. N. Mironov
The analysis of educational tasks on the discipline «Electrotechnical materials» on the basis of scientific data about the structure and properties of problems of a mathematical type and features of teaching material of the given discipline according to requirements of training and development of students’ competences is shown in the paper. On the basis of the analysis four types of educational problems on the discipline are distinguished: problems on calculation and definition of parameters of electrotechnical materials; problems on comparison of properties of electrotechnical materials on the basis of classification and ranging; problems on research of the influence of external factors on characteristics of electrotechnical materials; problems on revealing of electrotechnical material by the set design and technological criteria. The structure of the electronic practical work realizing the mentioned requirements is shown. Its components are the following: educational database of electrotechnical materials, the appendix - an original support program of an educational database and methodical instructions for students and teachers.
