Структура глави підручника з електротехніки

Педагогические науки/4. Стратегич. направл. реформир. системы образования

Канд. фіз.- мат. н. Латинін Ю.М.

Українська інженерно-педагогічна академія

СтруктурА ГЛАВИ підручника з електротехніки

Актуальною проблемою освіти є створення й удосконалення існуючих підручників для всіх ланок навчання. Підручник (П) – навчальне видання, що містить систематизоване викладення навчальної дисципліни й офіційно затверджене як такий вид. Він припускає вироблення загальних і спеціальних критеріїв змісту з обґрунтуванням їх специфіки для окремих спеціальностей. Окрім знань, методів, цінностей у П має бути представлений апарат контролю, який забезпечує зворотний зв'язок у навчанні та обумовлює перевірку знань та вмінь.

Зміст П-ка повинен відображати певну систему науково-наочних знань, складові ядра відомостей даної галузі науки чи сфери людської діяльності, що є необхідними й достатніми для подальшого оволодіння професією і застосування їх в конкретній області: машинобудуванні, будівництві тощо. Отож, структура П залежіть від його призначення: (для загальноосвітньої, середньої чи вищої школи) і від майбутньої спеціальності студента. Наприклад, трифазні кола в П для загальноосвітніх закладів не розглядають, що цілком слушно. А в П з електротехніки (Е) для ПТНЗ, технікумів, ВНЗ структури наближаються одна до одної, відрізняючись у залежності від їх спрямованості лише складністю й загальним об’ємом матеріалу, кількістю завдань й контрольних запитань (КЗ).

Вдосконалення існуючих П без їх аналізу є неможливим. Зупинимося на аналізі структури лише однієї глави й окремих її параграфів вітчизняних П й посібників з Е [1-9]. В якості останньої виберемо «Трифазні кола». Вона є типовою. Матеріал містять всі П. Поняття, терміни її є усталеними, сутність їх − відома з 19 століття. Приймемо до уваги, що кожен П має певну композицію, елементами якої є частини, розділи (глави), параграфи. Найменша структурна одиниця – параграф. Одиницею змісту П-ка є глава. Навчальний матеріал її повинен розгортатися в єдності освітнього, виховного, розвиваючого й контролюючого засвоєння знань аспектів. Зауважимо, що більшість П з Е не є орієнтованими на конкретну майбутню спеціальність студентів, як правило, для неелектротехнічного фаху і все. При розгляді врахуємо й інший матеріал глави: КЗ, приклади задач, їх розв’язок тощо, з якими параграфи змістовно пов’язані.

Глава «Трифазні електричні кола» П [1], що призначений для студентів ВНЗ спеціальності «Підйомно-транспортні, будівельні, дорожні, меліоративні машині та обладнання», складається з 9 параграфів (52 сторінки): 1. Основні поняття трифазної системи; 2. Генерування трифазного струму; 3. З'єднання джерел струму; 4. З'єднання фаз «трикутником»; 5. З'єднання фаз «зіркою»; 6. Потужність трифазного струму; 7.Втрата напруги в трифазній лінії; 8.Утворення обертального магнітного поля електротехнічних пристроїв; 9. Автоматичний захист електричних ліній та електротехнічного обладнання. В кінці глави наведені методики розв’язання задач та КЗ. З усіх розглянутих П він є типовим і практично єдиним, де матеріал глави прив’язаний до фаху. Тому аналіз її виконаємо докладно.

Перший параграф «Основні поняття трифазної системи» вводить 4 поняття: багатофазна, трифазна система, фаза, несиметрична система ЕРС, не розглядаючи такі, як зв’язані, незв’язані трифазні електричні кола, з’єднання фаз приймача чи джерела живлення між собою, фазна, лінійна напруга тощо. Назва глави є «трифазні …кола», а не системи. Тому і основні поняття повинні відноситися до кола. І саме головне. Визначення понять повинні відповідати здоровому глузду й стандартам. Але дефініція «багатофазна система – сукупність кіл багатофазного струму», або «…трифазна система, що називається трифазним струмом» є некоректною, помилковою: багатофазного й трифазного струму не існує. Базовий стандарт з Е (ДСТУ2843-94) відносить до основних понять: симетричне багатофазне коло, зрівноважена багатофазова, трифазні системи електричних струмів, тощо (всього 11). Базові ДСТУ з Е 2815-94, 2843-94 не містять поняття «трифазний струм» і визначають 18 термінів із словом струм: постійний, змінний, пульсуючий, поляризації, провідності тощо. Тому назва глави П [1] не обумовлює назв її параграфів: 2-ий та 6-ий («Генерування трифазного струму», «потужність трифазного струму») є помилковими. Дійсно, потужність, як і струм, є величиною. Перша характеризує швидкість протікання енергетичних процесів, що мають місце у колі, окремих його пристроях, друга − є кількісною характеристикою спрямованого руху зарядів. Термін не можна утворювати об’єднанням двох рівнозначних понять, величин. При цьому виникає нісенітниця, що розуміти під висловом «величина величини!?».

Матеріал параграфу «З'єднання фаз «зіркою»» П [1] викладений доступно, логічно, досить цікаво, з орієнтацією на майбутню професію студентів: наведена таблиця «Стандартні напруги у споживацьких мережах» і схема «Ввімкнення у трифазну чотирипровідну мережу освітлювального й силового навантажень». З 10-ти навчальних елементів, термінів глави виділені в тексті параграфу три: нейтральний (нульовий) провід, фазна напруга, лінійна напруга. Схема «чотирипровідної мережі 380/220 В для живлення житлового будинку» формує інтерес до матеріалу параграфу. Електричні схеми кіл допомагають в опануванні матеріалу й відповідають навчальним цілям параграфу. Але КЗ сформульовані не чітко, з цієї теми їх лише 4, що недостатньо. Чисельність КЗ повинна перевищувати щонайменше кількість навчальних елементів глави у 2-3 рази. Якщо навчальних елементів багато, то доцільно структурувати КЗ, або наводити їх після кожного параграфу.

Нових термінів, які б були введені чи виділені у цих параграфах, немає. Найбільше їх в 9-му параграфі («Автоматичний захист електричних ліній та електротехнічного обладнання»), де їх виділено 7: автомат максимального (мінімального) струму, плавкий запобіжник, плавка вставка, номінальний струм, кратність струму тощо. Саме він містить задачі до всього розділу, хоча бажано було б їх дати окремим параграфом. Деякі описані у главі пристрої та відповідні терміни можна було б викласти у главі, що присвячена однофазним колам. Недоречно розглядати докладно плавкі запобіжники. Вони є вже застарілими пристроями. Зараз широко застосовують автоматичні вимикачі, особливо у житлових будинках. Недостатня й кількість КЗ (39): менше одного запитання на сторінку тексту. Формулювання їх не відповідає вимогам і відбиває назви закінчених підрозділів глави П: втрата напруги в трифазних мережах, розрахунок запобіжників, види електричного захисту, утворення обертального моменту, графічне визначення струму в нульовому проводі тощо. Доречно конструювати їх у формі: відповіді на запитання; спонукання до виконання дії, завдання, обчислення; сформулювати закон, правило; написати рівняння; порівняти дефініції і виділити суттєві ознаки, тощо. Наприклад: 1. Які властивості притаманні трифазному приймачу, фази якого з’єднані зіркою, у випадку відсутності струму нейтрального проводу; 2. Наведіть визначення терміну лінійна (фазна) напруга; 3. Запишіть співвідношення між лінійною й фазною напругами, між лінійним струмом та фазним для симетричного трифазного кола, коли фази приймача сполучені зіркою; 4. Як за допомогою фазних струмів приймача (відомі й початкові фази) за допомогою графо − аналітичного методу визначити струм нейтрального проводу? Наведіть приклад. Поряд з цим КЗ повинні спонукати учня користуватися довідковою літературою, стандартами.

Трифазні кола у П [2] викладені як окремий § 3.3 глави «Кола змінного струму». В кінці його приведені приклади розв’язання 2-х задач. В параграфі вживають помилковий термін «трифазний струм»; структурування матеріалу практично відсутнє. Більш того, матеріал важко вивчати самостійно, оскільки П не містить КЗ, завдань для закріплення матеріалу й самоконтролю.

У російськомовному П [3] глава «Трехфазный переменный ток» об’ємом 18 сторінок складається з 4-х параграфів й КЗ (9). Назва глави є помилковою: поняття «трехфазный ток» не існує. Тому назви параграфів (принцип построения трехфазной системы, соединение звездой, соединение треугольником, мощность трехфазной системы и методы ее измерения) не відповідають загальному принципу побудови структури глави – від загального до часткового. Останній параграф поділений на 4 підпараграфи (за кількістю розглянутих методів вимірювання потужності). Кількість ключових слів, понять, термінів − 18 =5+7+1+5: «многофазная, трехфазная система и генератор, симметричный и несимметричный режим, соединение звездой, нулевой (общий) провод, нулевая точка, линейные провода, четырехпроводная система, линейное, фазное напряжение, соединение треугольником; ваттметр, способ одного ваттметра, способ одного ваттметра с созданием искусственной нулевой точки, способ трех ваттметров, способ двух ваттметров». З аналізу витікає, що тільки основні виділені терміни вдвічі перевищують кількість КЗ. Нажаль, П не містить переліку літератури, хоча посилання на нього у змісті є. Але на вказаній сторінці дається саме зміст П. У тексті практично не зустріти терміну «трифазне коло». Не зустріти його і в КЗ. Невірне трактування, введення власних понять, термінів (трифазний, однофазний струм, а не коло) порушує ієрархію, обумовлює похибки у дефініціях, назві глави, параграфів, а отож, впливає на структурування матеріалу. Назва глави повинна бути найбільш загальним поняттям, що є спільним для всіх її параграфів. Назви параграфів є менш загальними, похідними від назви глави й такими, що витікають чи пов’язані з нею чи з попереднім матеріалом. Недоречно, коли назва є незакінченою думкою або сформульованою за допомогою ідеалізованих чи помилкових понять. В разі некоректної назви глави («Трифазний змінний струм») будь – які назви параграфів не будуть змістовно пов’язані. Більш того, сполучення фаз приймача, генератора (трикутником, зіркою)не впливає на характер струму.

Не коректна у П дефініція основного поняття «трифазна система змінного струму»: «…сукупність трьох однофазних змінних струмів однакової частоти й амплітуди, але зсунених по фазі один до одного на 1/3 періоду (120⁰)», яка стосується лише симетричного трифазного кола. Струм кожної фази може бути зсуненим на будь-який кут по відношенню до струму іншої фази чи навіть його може не бути взагалі, але трифазне коло при цьому не перестає бути таким. Тому узагальнювати поняття «отримання трифазного струму» як назву параграфу є також помилковим. Підкреслимо ще раз: назви глави, параграфів повинні містити загальні поняття, терміни. Бажано, щоб їх визначав ДСТУ з Е.

У П [4] глава «Трифазні електричні кола» об’ємом 14 сторінок складається з 4-х параграфів: «отримання трифазної системи ЕРС»; «способи з’єднання фаз трифазного джерела. Поняття про лінійні і фазні напруги»; «способи включення навантаження у трифазну електричну мережу»; «основні розрахункові співвідношення у трифазному навантаженні». В останньому як підпараграфі розглянуті приклади аналізу стану трифазних кіл. В кінці глави є 11 КЗ для самоконтролю. У главі виділені терміни: трифазна система, зірка, зірка без нейтрального проводу, зірка з нейтральним проводом, трикутник, лінійна напруга, однофазний приймач, трифазний приймач, симетричне навантаження, несиметричне навантаження, схема зірка, напруга зміщення нейтралі, схема трикутник. Але назви параграфів не зовсім корелюють з назвою глави: § 4.4 «Основні розрахункові співвідношення у трифазному навантаженні», назви підпараграфів 4.4.1 «Схема зірка», 4.4.2. «Схема трикутник». У назві §4.4 слова «основні», «розрахункові» є зайвими. Вони нічого не визначають. Слово «навантаження» не прив’язане до назви глави, попередніх параграфів й матеріалу. Незрозумілий і сенс слова «співвідношення»: між чим і чим? Мабуть більш доцільною була б таке: § 4.4 «Співвідношення між електричними величинами, що характеризують трифазне коло. Споживані приймачем потужності»; § 4.4.1 З’єднання фаз трифазного приймача зіркою (трикутником, § 4.4.2).

Аналогічні недоліки назв подібної глави (8 стор.) й параграфів має і П [5]. Так § 5.2 має назву «Утворення трифазного струму», а § 5.5 – «Потужність трифазного струму». Але струм не характеризує такий параметр як потужність. Останній притаманний трифазному споживачу, наприклад, двигуну. З початку параграфу йде мова про трифазний генератор. Параметром, що характеризує його властивість, є ЕРС, а не напруга. Остання змінюється у залежності від його навантаження. Тому формули, що наводить П, стосуються не генератора, а споживача.

У П [6] для ПТНЗ матеріал щодо трифазних кіл поданий 2-ма параграфами (§ 3.6 Трифазний струм та § 3.7 Чотирипровідна система з нульовим проводом) і має об’єм 5,5 сторінок, 7 рисунків та 2 КЗ. Більшість термінів, їх дефініції не відповідають державному стандарту з Е, відповідним законам й здоровому глузду. Наприклад, «трифазний струм складається з трьох струмів, синусоїди яких відхилені одна від одної на фазний кут 120⁰». або «зменшити пусковий струм і збільшити пускову силу тяги у трифазному асинхронному двигуні…», «схеми квартир між собою приєднані паралельно і до різних фаз зіркою», «у обмотці статора утворюється струм». По-перше, у обмотці статора виникає ЕРС, а струм - лише у випадку, коли коло є замкненим. По-друге, зменшення струму обмотки статора двигуна, а отож й магнітного потоку, приводить до убування обертового моменту (сили тяги). По-третє, трифазна обмотка двигуна не може «одержувати трифазний струм від генератора». Назви параграфів не відповідають вимогам узагальненості, стислості й однозначності. Наприклад, чотирипровідна мережа живлення складається з трьох лінійних та одного нейтрального проводів (іншого просто не може бути). Кількість КЗ є недостатньою, підписи до рисунків іноді є незрозумілими.

У П [7] для ВНЗ глава «Трифазні кола» має 16 сторінок, 15 рисунків, 14 КЗ та 6 типових задач для розв’язання. Вона складається з 4 параграфів, деякі з них діляться на підпараграфи. Перший параграф має назву «Основні поняття та визначення». Але він практично їх не містить, про що свідчать назви підпараграфів: багатофазні, трифазні кола та їх переваги, трифазна система ЕРС, принцип роботи трифазного синхронного генератора, способи представлення трифазної симетричної системи ЕРС. Назва підпараграфу 3.2.1 «Розширення поняття фази» не відповідає сутності матеріалу, бо в ньому мова йде не про розширення змісту, а про його зовсім інший сенс.

Відносно добре структурованою є глава «Трифазні кола» П [8]: об’єм 25 сторінок, 10 параграфів, 15 рисунків. Основні терміни, визначення виділені шрифтом. Але відсутність КЗ, завдань суттєво зменшує позитивні моменти від детального структурування матеріалу. В главі розглядають (§ 2.7) вимірювання потужностей трифазного кола за допомогою ватметрів, амперметрів та вольтметрів, а також виміри струму амперметром, напруги – вольтметром. активної потужності – ватметром. Але такий матеріал треба було б розглядати раніше, наприклад у главі, що стосується однофазних кіл змінного струму. Позитивним моментом П є наявність § 2.10 «Резюме». Воно має об’єм 2,5 сторінки, тобто як звичайний параграф, де викладена сутність матеріалу глави та висновки. Всього їх 15. Резюме у разі значного його об’єму треба структурувати та й наводити - лише найголовніші висновки, сутність матеріалу глави. В противному випадку, найважливіші моменти матеріалу розчиняться у другорядних аспектах.

Глава «Трифазні кола» П [9] об’ємом 24 сторінки, 10 рисунків містить 5 параграфів з розв’язком задач, а також розділи: «Це важливо знати» (5 пунктів), «Задачі для самоопрацювання» з відповідями (20) та КЗ (всього 11). Вона починається з резюме матеріалу глави, ключових понять, термінів (9) та деяких визначень. З точки зору структурування матеріалу її можна вважати взірцем. Суттєвим недоліком її те, що розглядають лише випадок симетричних трифазних кіл. Термін «схема Арона», «нульовий провід» неможливо віднести до ключових. Недоцільно вводити і термін «нульовий струм» та його дефініцію, оскільки далі його не використовують. Треба дотримуватись правил наближених обчислень, коректніше формулювати деякі висновки тощо. Незначна і кількість КЗ, яка практично співпадає з чисельністю ключових понять.

Отож, структуру глави П з Е складають інваріантна і варіативна частини:

1. Першу розпочинає «Основні поняття й терміни». Найістотніші, опорні поняття, терміни подають не тільки окремим параграфом, але – відразу після назви глави. Їх виділяють у тексті П шрифтом, підкресленням, іншим способом там, де наведена дефініція. Остання повинна відповідати державним стандартам. Обов’язково віддзеркалюють ієрархію понять; формулюють особливості матеріалу глави, відображають його зв'язки з іншими розділами, дисциплінами;

2. У параграфах, на які ділиться глава, наводять дефініції понять, термінів п.1 й тих, що є необхідними й достатніми для роботи у відповідний галузі. Структуру, об’єм, матеріал глави обумовлює майбутня спеціальність студента, причому фаховий матеріал може наводитися окремим параграфом. Назви глав й параграфів є взаємообумовленими. Розподіл матеріалу глави П з Е на параграфи, їх назви можна вважати більш – менш задовільними. Структурування матеріалу параграфу, його частин за допомогою додаткових засобів (використання кольору, шрифту, підкреслення, виділення) є недостатнім;

3. Окремим параграфом наводять «Методику розв’язання типових задач» з числовими розрахунками й дотриманням правил наближених обчислень;

4. Наприкінці глави є розділ: «Найголовніші висновки», де формулюють саме головне: базові положення, вказівки, розрахункові співвідношення тощо;

5. Окремим розділом виступає «Контрольні запитання й завдання», чисельність яких повинна перевищувати кількість навчальних елементів, термінів. Серед них є такі, що спрямовані на фах або потребують звернення до довідкової літератури й навчальних джерел, де матеріал викладений більш докладно та глибоко. Перелік таких джерел наводять у П, причому він є структурованим;

6. Варіативна частина глави може бути на електронному носії інформації. В ній розміщують матеріал, що спрямований на майбутній фах, історичні довідки, тести, теми рефератів, задачі, лабораторні роботи, іншу інформацію, що допомагає в оволодінні знаннями та виробкою навичок. Її може доповнювати безпосередньо студент на підставі узагальнення своєї навчальної діяльності.

Література:

1. Григоровський Є.П. Електротехніка, електроніка і мікропроцесорна техніка. К.: КНУБА, 2003. −372 с.

2. Городжа А.Д Загальна електротехніка. − К.: КНУБА, 2000. −248 с.

3. Синдеев Ю.Г. Электротехника с основами электроники. –Уч. пособие для уч-cя ПТУ, лицеев, колледжей.- Ростов н/Д: Феникс, 2007. −407 с.

4. Мілих В.І. Електротехніка та електромеханіка. К.: Каравела, 2005.−376 с.

5. Родзевич В.Е. Загальна електротехніка. - К.: Вища школа, 1993. – 183 с.

6.Бондар В.М., Гаврилюк В.А., Духовний А.Х. та ін. Практична електротехніка для робітничих професій. К.: Веселка, 1997. –191 с.

7.Шкрабець Ф.П., Ципленков Д.В., Куваєв Ю.В. та ін. Електротехніка, основи електроніки та мікропроцесорної техніки. Дніпропетровськ, ДНГУ, 2004. –515 с.

8. Будіщев М.С. Електротехніка, електроніка та мікропроцесорна техніка. Львів: Афіша, 2001. −424 с.

9. Коруд В.І. Гамола О.Є., Малинівський С.М. Електротехніка. – Львів: «Магнолія плюс»; 2005. – 447с.