Педагогічні науки /5- Сучасні методи викладання

Латинін Ю.М. к. ф.-м. н., доцент

Україньска інженерно-педагогічна академія, Харків,

Погарська О.М., вчитель-методист

середня загальноосвітня школа №151 м. Харків

АНАЛІЗ ВЗАЄМОЗВ’ЯЗКУ ПідручникІВ З ФІЗИКИ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ

Взаємозв’язок навчальних матеріалів суміжних дисциплін є вкрай важливим на будь-яких етапах навчання. Він скорочує термін навчання, дає можливість краще розуміти учню, а потім майбутньому студенту сенс матеріалу, що вивчається, вчить бачити явища, предмети у взаємозв’язку з іншими. Проаналізуємо його стосовно загальноосвітнього навчання, що закладає підвалини майбутньої підготовки у вищих навчальних закладах на прикладі електротехніки та фізики. Між розділами фізики (електрикою й магнетизмом) та електротехнікою (електропобутові прилади, електротехнічні роботи − Трудове навчання) повинен існувати тісний зв'язок, незважаючи на те, що їх вивчають на різних етапах навчання. Відразу вірно вчити, особливо на ранніх етапах, вкрай важливо. Засвоєні учнем помилкові, положення, висновки формують у нього викривлене уявлення про явища, процеси. Аналіз виконаємо на багатьох навчальних джерелах, але ретельно проаналізуємо 2 найбільш типових: [1,2]. Перше є змістовним, докладним підручником для профільного навчання. Він пройшов наукову та педагогічну експертизу провідних інститутів АН України. Друге джерело − допомагає учню готуватися до всіх видів занять.

Яким основним вимогам повинні відповідати підручники, інша навчальна література з цих дисциплін? По перше, термінологія суміжних дисциплін повинна корегуватися з поняттями й термінами базових державних стандартів з електротехніки й фізики. Нажаль, визначення однакових термінів і величин у цих стандартах іноді не співпадає. Визначення величин, характеристик і, саме головне, основних понять та термінів повинні бути чіткими, однозначними. У підручниках для перших етапів навчання дефініції можна спрощувати. Сенс, зміст терміну, поняття при цьому не повинен змінюватися. Тоді учня, студента, не треба перевчати. Перевчати людину на подальших етапах навчання: засвоювати новий зміст термінів, виробляти нові адекватні навички, розуміння набагато важче, ніж відразу вірно вчити.

Дефініції основних понять, законів правил, положень, які є загальними для обох дисциплін, повинні бути не тільки однозначними, близькими за сенсом і навіть за формулюванням. Різне формулювання обумовлює те, що студент не буде знати, яка з дефініцій є найбільш загальною, а яка − менш. У електротехніці змінний струм – струм який змінюється у часі. У фізиці змінний струм – такий, що періодично змінює значення та напрям [1]. Два визначення не корелюють між собою. Яке з них є вірним? Припустимо, що струм змінює напрямок, але не значення або періодично змінює значення, але не напрямок. То що він не буде змінним? Буде. В другому випадку він є змінним, пульсуючим струмом. Визначення змінного струму у фізиці стане тотожним за сенсом з тим, що є в електротехніці, якщо викинути слово «періодично» і замість сполучника «та» вжити «або».

Друге правило Кірхгофа у фізиці формулюють по іншому, ніж в електротехніці. Позначення внутрішнього опору джерела живлення та зовнішньої ділянки кола різними буквами (малою r і відповідно − великою R) обумовлює те, що з літерно-символьного виразу (формули) другого правила Кірхгофа [1]:

неможливо отримати закон Ома для повного кола: I∙( r + R) = ε. Струму у вітці з конденсатором не буде і наведена вище дефініція правила не дозволить визначити стан такого кола постійного струму. Отож, вона не є загальною. Але напруга на будь-яких елементах кола існуватиме завжди. Тому правило треба формулювати саме через цю величину.

В [1] наголошують на різниці понять «напруга» і «падіння напруги». Але стандарт з електротехніки визначає їх як тотожні. Недоречно коли один і той самий елемент має різне графічне зображення й однакове літерне. Резистор і плавкий запобіжник в [1] позначені однаково, але зображені по різному, що ставить учня у скрутне становище. Зображення трансформатора на схемі не є загальноприйнятим в електротехніці. Таке становище не привчає учня дотримуватися прийнятим нормам, стандартам, ускладнює вивчення електротехніки.

В деяких підручниках фізики стверджують, що резонанс у електричному колі з послідовно чи паралельно з’єднаними конденсатором та котушкою індуктивності настає, коли власна частота контуру співпадає з частотою джерела живлення. Внаслідок втрат енергії у контурі (нагрівання провідників, осердь, випромінювання) власні коливання завжди є затухаючими, причому частота їх залежить від параметрів усіх елементів кола, тобто від R, L та С. Але частоту резонансу f₀ визначають лише реактивні елементів L та C, причому коливальна система виникає, коли активний опір R контуру є малим. Отож, частота резонансу в цьому випадку є близькою до частоти власних коливань, але ніколи не співпадатиме з нею. Визначення власних коливань в [1] як «теоретично можливих вільних незатухаючих коливань» суперечить визначенню, що вище наведено у підручнику. Отож воно є помилковим.

Не слід вживати термін «закон», якщо мова йде лише про закономірність або узагальнюючий висновок. Чи відбиває словосполучення «закон паралельного з’єднання для опору» сенс речей? На наш погляд, ні. По перше, з’єднують між собою не опори, але елементи електричного кола (ділянки, вітки). По друге, мова повинна йти про закономірності, що об’єктивно відбивають розподіл струмів при паралельному з’єднанні двополюсних елементів (провідників, резисторів, конденсаторів, віток кола).

«Послідовне з’єднання» двох провідників між собою визначають − як «з’єднання, при якому кінець одного провідника з’єднується з початком іншого». Але провідник немає ні початку, ні кінця, а лише два кінці. Останні звичайно називають полюсами – виводами. За допомогою їх з’єднують між собою і приєднують до мережі живлення різні електротехнічні двополюсні елементи чи прилади: лампи освітлення, двигуни, амперметри, резистори тощо. Тому мова повинна йти про полюси електротехнічних елементів. Обидва полюси лінійних пасивних елементів (резисторів, неелектролітичних конденсаторів і т.д.) є тотожними, рівнозначними. При послідовному з’єднанні двох таких елементів між собою будь-який полюс (кінець провідника) одного з’єднують з будь-яким полюсом другого елемента, а тими полюсами (кінцями), що залишилися («вільними»), з’єднують з іншими елементами кола або з джерелом живлення. Напрям струму у котушці визначає розташування магнітних полюсів при виникненні струму і спрямування силових ліній магнітного поля. Якщо знехтувати впливом магнітного поля однієї котушки на іншу (явищем взаємної індукції), то полюси у неї також будуть однаковими, рівнозначними.

Не можна ототожнювати реальний елемент (резистор, конденсатор і т.д.) з його параметром (опором, ємністю тощо), а коло − з його схемою. Остання є лише його графічною моделлю, кресленням. В противному випадку виникають непорозуміння, нісенітниці. Чи можна «внести зміни у зібрану схему», «визначити усі сили струмів» схеми, «знайти в ній провідники»? Зрозуміло, що ні. Безглузде й запитання «що буде, якщо в схемі з попереднього завдання амперметр та вольтметр переставити місцями». Не можна на малюнку кола, де зображені реальні його елементи зображати умовне графічне зображення плавких запобіжників, позначати фізичну величину чи елементи кола на протязі всього підручника по різному. Наприклад, температуру великою літерою Т, а потім маленькою t. Що зрозуміє учень у вислові «на внешнем сопротивлении выделяется мощность», «влияние емкости цепи на величину действующего значения переменного тока определяется его емкостным сопротивлением», «сопротивления образуют замкнутый треугольник»? І це при тому, що на схемі (треба ділянки кола) провідники (але не їх опори) не з’єднані за схемою «трикутник»: вузлів бути не може, оскільки в них не стикаються три елементи (вітки).

Конкретні положення, мета лабораторної роботи (ЛР) не повинні суперечити основним постулатам, на яких базуються інші дисципліни. Фізика багато в чому базується на експериментальних дослідженнях і вимірах. Тому зміст ЛР повинен відповідати постулатам метрології. Зокрема, така фізична величина, як діаметр, існує тільки у межах прийнятої моделі об’єкту досліджень, тобто у тіл сферичної чи циліндричної форми. В роботі «Визначення розмірів малих тіл» [2] стверджують, що у зернини квасолі, рису є діаметр. Але це не відповідає істині. На рисунку посібника зернини рису укладають у ряд одне за одним так, щоб вони щільно стикалися кінчиками. Отож, при цьому визначають лише повздовжній типовий, середній розмір зернин. У ЛР №4 стверджують, що опір самої лампи розжарювання не змінився, а сила струму у колі збільшилася (хоча і незрозуміло чому при цьому змінився струм). Але зі зростанням струму лампи збільшується і потужність, що вона споживає: висновок з закону Джоуля-Ленца. Разом з ним зростатиме і температура нитки розжарення, її опір. Отож, опір лампи залежить від напруги на її затискачах або від струму лампи, що є нелінійним електротехнічним елементом. У роботі стверджують, що напруга на затискачах джерела живлення при перегорянні лампи розжарення не зміниться. Це суперечить істині: закону Ома для повного кола. Припустимо, що напруга на затискачах джерела живлення, а отож і на навантаженні, не змінюється при приєднанні (від’єднанні) до нього споживачів. Тоді останніх до одного джерела можна приєднати нескінчену кількість. У нашому випадку напруга на затискачах джерела збільшиться, що витікає з закону Ома для повного кола і за числовим значенням практично дорівнюватиме ЕРС джерела живлення.

Кількість ЛР повинна відповідати необхідності формування відповідних навичок та вмінь. Назва лабораторної роботи, її мета, положення, висновки не повинні суперечити існуючим законам, аксіомам, принципам тощо. Не слід подавати їх і різними термінами. Так метою ЛР «Збирання електричного кола та вимірювання сили струму у різних точках кола», є «навчитися вимірювати силу струму у різних ділянках кола». Визначити струм у точці звичайним амперметром неможливо: термін «точка кола» учню не є зрозумілим. Більш доцільним був би вираз струм вимірюють у конкретній вітці, зокрема зовнішній нерозгалуженій ділянці кола, джерела, чи елементі кола (резисторі, котушці, провіднику). Не слід у назві роботи вживати термін «модель двигуна», а у меті та опису роботи – реальний «найпростіший двигун». Назви ЛР «Вивчення послідовного (паралельного) з’єднання провідників», «Визначення питомого опору провідника» є некоректними. Вони суперечать сенсу речей: у провідника немає такого параметра як «питомий опір». Останній визначає властивість матеріалу провідника. Вивчають властивості нерозгалуженого (розгалуженого) кола, де є ділянки з послідовним чи паралельним з’єднанням елементів (провідників), але не з’єднання. Не може бути метою ЛР «Вивчення послідовного та паралельного з’єднання провідників» експериментальна перевірка законів послідовного і паралельного з’єднання провідників».

Висновки не повинні суперечити сенсу, здоровому глузду. Так у ЛР для 11 класу «Вивчення явища електромагнітної індукції» стверджують, що змінне магнітне поле створюється «за допомогою рухомого постійного магніту»? При наближені магніту до котушки індуктивності зростає індукція магнітного поля в будь-якій точці площі її поперечного перерізу і збільшується магнітний потік крізь неї. У відповідності з законом електромагнітної індукції при цьому виникає змінне електричне поле вихрового характеру, яке і обумовлює генерування ЕРС у котушці (контурі). При русі магніту його поле як було постійним, так ним і залишатиметься. Ще висновок, який не є конкретним: «В цепи переменного тока, содержащих емкостную нагрузку, колебания напряжения… отстают по фазе на четверть периода от колебания силы тока». По перше, коло може містити багато елементів, зокрема джерело, що має внутрішній опір, ЕРС. Саме воно і конденсатор (але не ємнісне навантаження) визначають струм. Якщо мати на увазі падіння напруги у джерелі, то висновок не буде вірним. Тому він стосується лише ділянки кола з конденсатором. По друге, у колі коливаються лише заряди − вільні електрони, а напруга, струм змінюються у часі.

Недоречні вислови, що є невдалими, незрозумілими чи суперечать сенсу речей: «Один з контактів реостата змінний», «струм перемістився на відстань», «працювати з високою напругою», «конденсатор, який вимкнений із джерела, несе великий заряд, який може бути небезпечним для життя», «поверни амперметр до попереднього положення», «замкни коло», «струм не йтиме», «Розрахуй опір двох резисторів разом», «у колі струм тече від…», «При роботі з електричним струмом», «працювати з високою напругою», «вільний дріт», і т.д. Переміститися на деяку відстань може електрон, іон, провідник, але не струм. Замість «послідовно з’єднане коло» більш доцільним буде нерозгалужене коло, або ділянка кола з послідовним з’єднанням елементів.

В навчальній літературі слід вживати тільки сучасні поняття, терміни, що відповідають вітчизняним стандартам. Застарілих треба позбавлятися. Застарілими, некоректними є: «клема», «ключ», «полярність підключення», «полярність з’єднання», «вільний дріт», «нульовий провід» (замість нейтральний). Слово «ключ» має багато сенсів. Це і джерело, і знаряддя для замикання (відмикання) замка, загвинчування гайок, болтів і т.д. Лише у телеграфному апараті ним називають вимикач для замикання (розмикання) кола на різний термін часу. Замість вище зазначених термінів доцільно вживати «полюс», «вимикач». Дійсно, замикають − вимикач, а електротехнічні прилади мають полюси, за допомогою яких їх з’єднують з іншими, приєднують до джерела. Зокрема, загальноприйнятий термін: «двополюсні», «триполюсні» розетки».

Суттєвим недоліком навчальної літератури і є те, що в ній не дотримуються правил наближених обчислень і навіть заокруглення. Зокрема, в одних випадках трансцендентне число π подають 5-ма значущими цифрами (3,1416), в інших 3-ма (3,14), атомні одиниці маси в одних випадках беруть 7-ма значущими цифрами, а в інших 5-ма, не дивлячись на те, що інші константи підставляють у формулу всього двома цифрами, а швидкість світла навіть однією. Результат обчислень при цьому подають двома і навіть однією значущою цифрою. Такий підхід не дозволяє формувати культуру обчислень, закріплює викривлені навички і вади, які важко перебороти на подальших етапах навчання.

Література:

1. Засекина Т.Н., Засекин Д.А. Физика: учебн. для 11 кл. общеобраз. учебн. заведен.: академич. уровень, профильн. уровень, Харьков: Сиция, 2011.-336с.

2. Готові домашні завдання плюс. Лабораторні та практичні роботи. 6-11 класи. Посібник для школи. Навч. видання під редакцією Д.В. Маркова.- Харків: Торсінг, 2003.-368 с.