Применение лабораторного оборудования на уроках технологии при изучении модуля «Электротехника» в 8 классе

МКОУ СОШ села Голуметь

Методическая разработка учителя технологии МКОУ СОШ села Голуметь Петрова Ивана Иннокентьевича на тему: Применение лабораторного оборудования на уроках технологии при изучении модуля «Электротехника» в 8 классе

Село Голуметь 2023 год

Когда Вы заимствуете материал у одного автора, это — плагиат, но когда у многих – это исследование.

Уилсон Мизнер.

Аннотация

Данный материал поможет учителям технологии создать лабораторное оборудование для выполнения практических, исследовательских, проектно-конструкторских, лабораторных работ по темам, связанным с электричеством. Предлагаемые решения используются мною на протяжении ряда лет, практическое применение на уроках технологии за этот период позволило выявит и устранить слабые стороны предлагаемых решений, отказаться от малоэффективных решений. Использование предлагаемого комплекта оборудования способствует достижению высоких образовательных результатов.

Введение

В соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом в понятие «новое качество» образования вкладывается, прежде всего, способность школьников самостоятельно учиться и добывать знания. Сегодня каждый ученик на уроках должен работать активно и увлечённо, именно практическая деятельность используется как отправная точка для развития любознательных, способствует возникновению глубокого познавательного интереса. Школа в современном образовании должна сформировать целостную систему УУД, а также дать опыт самостоятельной деятельности и личной ответственности обучающихся за результаты обучения. Повышение качества образования должно осуществляться через совершенствование форм, методов обучения, отбора содержания образования, через внедрение образовательных технологий.

Слова «лаборатория», «лабораторный» своей сущностью наталкивают на мысль использования интеллектуальных и технических средств для поиска и решения каких-либо научных и жизненных задач. В целях взаимосвязи теории и практики в предмете «Технология» в последние годы лабораторные работы получили широкое распространение. Они является одним из важнейших элементов в учебном процессе, в нем ученики впервые встречаются с практической деятельностью в исследовательской области. Фактически данные занятия связывают элементы теоретического исследования и практической работы. Когда учащиеся проводят лабораторные исследования, учебный материал по любой теме они воспринимают лучше, проявляется связь теории и практики.

Лабораторные мероприятия являются разновидностью индивидуальной занятости школьников на практике, на которой они углубляют и закрепляют теоретические знания путем проведения экспериментов, подтверждают или опровергают выдвинутые гипотезы. При использовании лабораторного оборудования могут быть достигнуты следующие цели:

• учащиеся получат возможность закрепить на практике теоретические сведения, у них сформируются умения и навыки в работе с электричеством;

• учащиеся смогут приобрести навыки в проведении опытов, у них будут сформированы умения анализировать полученные данные;

• будут созданы условия для моделирования и конструирования различных электротехнических устройств;

• будут созданы условия для самостоятельной научно-исследовательской или практической деятельности по проектам, связанным с электротехникой, электроникой, робототехническими устройствами.

Когда формируются модули по электротехнике и робототехнике (автоматизированные системы, элементы «умного дома» ...), очень важно правильно подобрать темы, для которых можно использовать лабораторные исследования. Когда составляется программа по технологии, необходимо опираться на ту часть учебного материала, которую лучше реализовывать при использовании предлагаемого лабораторного оборудования.

Педагог, когда планирует провести какую-либо лабораторную или практическую работу по технологии, учитывает не только свои предметные задачи, но и учебные цели педагогов других дисциплин (физики, математики), а так же деятельность школьников в целом. Главное в грамотном осуществлении экспериментальной подготовки учащихся — взаимопонимание между педагогами, в четкой согласованности учебных программ для проведения занятий, с использованием лабораторного оборудования. Чтобы была правильная связь между разными учебными предметами для проведения единых практических работ необходимо скоординировать следующие действия:

• согласовать понятия, определения используемых физических и математических величин и терминов так, чтобы они составляли единую систему во всех учебных дисциплинах;

• согласовать план введения необходимых понятий с педагогами других предметов по месту и времени с тем, чтобы другие дисциплины и «Технология» в положенное время подготавливали учащихся к пониманию материала.

Существенную роль в успехе практических работ играет состояния самой лабораторной базы, её методическое обеспечение, степень подготовки учащихся, их положительная активность во время занятий.

Лабораторные и практические работы могут выполняются следующими методами: репродуктивным, частично-поисковым, исследовательским.

Репродуктивный метод — метод выполнения работы, при котором у учащихся формируются навыки, происходит воспроизводство готовых решений (работа в знакомой ситуации) с помощью учителя. Выполнение работы репродуктивным методом начинается с повторения пройденного материала по данной теме. Далее обсуждается ход выполнения работы, и учащиеся приступают к сборке установки. Следующим этапом проводятся необходимые наблюдения, измерения и их обработка, делаются соответствующие выводы. Данный метод направлен на воспроизведение имеющихся опытов по определенному алгоритму, что исключает самостоятельность учащихся, но при этом закрепляются умения и навыки в работе с оборудованием.

Частично-поисковый метод предполагает руководство учителем практическими действиями учащихся, давая им последовательные указания, а затем с помощью вопросов направляет их на анализ полученных результатов исследования и на формулировку выводов (работа в измененной ситуации). Лабораторный эксперимент, при использовании данного метода, выступает как источник знаний для учащихся, которые они получают самостоятельно с помощью наблюдений. Использование частично-поискового метода применимо тогда, когда действия, необходимые для выполнения, уже усвоены учащимися и выполняются легко. Применяется данный метод в работах, направленных на создание продукта с измененными свойствами.

Исследовательский метод – это метод, при котором учащиеся получают или самостоятельно определяют задание, путь его выполнения находят самостоятельно, проводят все основные этапы исследования: сбор установки, проведение измерений, их обработку и анализ полученных данных, формулируют выводы. Исследовательский метод используется в индивидуальной работе с сильными учащимися, которые участвуют в проектно-исследовательской деятельности.

Цель данной разработки — способствовать учителям технологии в создании и использовании лабораторного оборудования для выполнения практических работ по темам, связанным с электрическим током.

Основная часть

Согласно государственного стандарта Российской Федерации о безопасности электрических контрольно-измерительных приборов и лабораторного оборудования ГОСТ Р 51350-99 т(МЭК 61010-1-90) к лабораторному оборудованию предъявляется ряд требований:

• оно должно быть безопасным;

• должно выполнять возложенные на него функции;

• должно быть многофункциональным;

• должно быть надежным;

• должно быть долговечным;

• иметь информативные обозначения.

Источники питания

Любая лаборатория, связанная с исследованиями электрического тока, начинается с источников питания. Учитывая то, что раздел электротехника, автоматика изучается только в 8 классе, прокладывать электрические цепи к от стационарного источника питания к рабочим местам учеников нецелесообразно. Для выполнения практических работ мы используем только мобильные источники питания постоянного тока с выходным напряжением 5 и 12 вольт, токи ограничиваю 2 А. В случае необходимости иметь другое напряжение используются отдельные повышающие или понижающие модули, что является дополнительным фактором безопасности. Безопасным считается напряжение до 12 вольт.

Согласно ГОСТ Р 51350-99 т(МЭК 61010-1-90) источник напряжения должен обеспечивать от 90 до 110% любого номинального напряжения питания, для работы при котором предназначено оборудование. Если оборудование рассчитано на большие изменения напряжения, используют любое напряжение в пределах допустимого диапазона. Входные и выходные напряжения, включая напряжение холостого хода, должны быть установлены в пределах диапазонов их номинальных значений. Оборудование должно работать таким образом, чтобы обеспечивать номинальную выходную мощность на номинальной нагрузке.

Исходя из всего вышесказанного мною разработаны два типа источников питания постоянным током: 5 вольт и 12 вольт.

Источники питания на 5 вольт представляют собой отдельные модули с встроенными литиевыми перезаряжаемыми аккумуляторами, по два на один модуль питания формата 18650. Аккумуляторы включены последовательно при использовании платы БМС (для выравнивания уровня заряда и защиты: от сильного разряда, перезаряда аккумуляторов, токов короткого замыкания). К соответствующим клеммам платы БМС подключен разъем («мама» 3.5 х 1.35, закреплен на корпусе) для подключения зарядного устройства. Аккумуляторы в сумме дают напряжение 5.6 — 8.4 вольта, к соответствующим клеммам платы БМС подключена плата XL4015 (понижающий модуль зарядного устройства для заряда литиевых батарей), в данном случае он является стабилизатором выходного напряжения (5V) и защитой от перегрузок (настраиваю на ток 2 А). От выхода платы XL4015 стабилизированное напряжение подается на выходы. Один выход представляет собой разъем 3.5 х 1.35 «папа» для подключения различных модулей. Для включения источника питания предусмотрен выключатель. Источник питания имеет встроенный цифровой вольт-амперметр, показывающий выходной ток и выходное напряжение. Для контроля состояния уровня заряда аккумуляторов используется этот же вольтметр, на лицевой панели источника питания находится двухдиапазонный переключатель, в положении I — показывает выходное напряжение на клеммах, зажимах и разъеме, а в положении II — уровень заряда аккумуляторов в вольтах.

Есть у нас и другие конструктивные решения в схемотехнике при использовании одного литиевого аккумулятора 18650, к нему подсоединены модули МТ3608 (два повышающих модуля настроенных на 5.05 V и соединенных параллельно). Эти модули не имеют защиты по току, для заряда аккумулятора используется модуль ТР4056, для защиты от короткого замыкания, токов перегрузки после модулей МТ3608 включен модуль MH-CD42 DC 5V 2A. Возможно использовать только модуль MH-CD42 DC 5V 2A, так строится Powerbank — схема вполне рабочая, но на слабом аккумуляторе работает нестабильно.

Корпус подойдет любой. Для наглядности верхнюю крышку корпуса изготавливаем из оргстекла. В качестве корпусов используем и корпуса от аналоговых вольтметров, амперметров и других приборов из кабинета физики (приборы либо устаревшие, либо неисправные).

Рис .1 — Источник постоянного тока напряжением 5V и токами до 5А (настроен на ток 2А).

Для многих проектов необходимо питание напряжением 12 вольт. Учитывая то, что современные мастерские имеют инструменты с питанием от аккумуляторов, мы разработали источники питания постоянным током 12 при использовании этих аккумуляторов. Для стабилизации напряжения используется понижающий модуль XL4015. Функцию контроля заряда батареи в этом проекте не используем.

Для проектов, где необходимо другое напряжение используем понижающие модули.

Очень важно иметь корпуса отличные от источников питания в 5 вольт. Выходной разъем для 12 вольтовых источников питания используем 5.5 х 2.1, в этом случае невозможно перепутать подключаемые модули с напряжением 5 вольт (там используем разъемы 3.5 х 1.35).

Рис .2 — Источник постоянного тока напряжением 12V и токами до 5А (настроен на ток 2А).

Рис .3 — Источник постоянного тока напряжением 12V и подключенный к нему регулируемый понижающий модуль 1.2V – 11.9 V.

Внутри корпуса этого модуля находится понижающий модуль XL4016 Е1.

Лабораторные модули для сборки и тестирования электрических цепей

Для выполнения практических работ мною разработаны несколько типов модулей. Особенность предлагаемых решений состоит в том, что контакты от соответствующих элементов соединяются при помощи тестовых зажимов типа «крокодил». Контакты от лампового патрона, кнопки, резисторов представляют собой скрутки медной не изолированной проволоки диаметром 1 мм. Сами модули собраны на обрезках ламината толщиной 8 мм, с обратной стороны имеют ножки.

Рис. 4 — Модуль для сборки электрических цепей №1.

На модуле имеется три резистора МЛТ 2. Сопротивление первого и второго по 47R, третий сопротивлением 68R. Они позволяют изучать последовательное, параллельное и смешанное соединение потребителей. Три кнопки и три лампочки накаливания (3.5V 0.15А) позволяют собирать и тестировать электрические цепи.

Рис. 5 — Модуль для сборки электрических цепей №2.

Модуль имеет аналогичные размеры, но содержит: три светодиода (красного, синего и зеленого цветов) с токоограничивающими резисторами , три кнопки без фиксации, два выключателя однополюсных, три лампочки накаливания (3.5V 0.15А) — позволяют собирать и тестировать электрические цепи, содержащие и светодиоды.

Рис. 6 — Модуль реле №1 с катушкой 12 V (для защиты от ЭДС самоиндукции, к проводам питания катушки припаян защитный диод 1N4007.

Рис. 7 — Модуль реле высокого и низкого уровня.

Рис. 8 — Модуль одноканальный дистанционного реле.

Рис. 9 — Модуль двухканальный дистанционного реле.

Рис. 10 — Модуль датчика огня (пламени).

Рис. 11 — Модуль датчика дождя.

Рис. 12 — Модуль с герконами и модулем реле низкого уровня.

Рис. 13 — Терморегулятор W1209.

Рис. 14 — Модуль управления насосом для воды (жидкости).

Рис. 15 — Датчики уровня жидкости на микропереключателях.

Рис. 16 — Датчики уровня жидкости на герконах.

Модули (рис.6 — 14) позволяют выполнять работы при использовании реле. Кроме указанных в данной работе у нас имеются различные модули уровня воды, управления насосом и многие другие.

Для выполнения работ по изучению преобразователей имеются модули преобразователей.

Рис. 17— Модуль повышающий напряжение.

Рис. 18 — Модуль понижающий напряжение.

Рис. 19 — Модуль для проектов, связанных с дистанционным открыванием дверей, управления проветриванием в теплицах.

Данный модуль имитирует работу линейного актуатора. Состоит из: разъема питания реле (12V), разъема питания мотор-редуктора (5 V), концевых выключателей, двухпозиционного переключателя направления работы электромотора, соединительных клемм (проволочных скруток) — для подключения: терморегуляторов, модулей дистанционных реле … .

Рис. 20 — Соединительные провода. (В общей сложности 130 штук)

Заключение

Предлагается разработанное мною лабораторное оборудование модульного типа, состоящее из отдельных модулей: питания, реле, лампочек, светодиодов, терморегуляторов и много другого. Особенность разработки в том, что этот комплект позволяет вести исследования, выполнять практические работы, не только по технологии, но и заниматься робототехникой, разрабатывать различные элементы «умного дома».

В общей сложности лаборатория содержит в настоящее время 93 модуля. Для практических работ по сборке и исследованию низковольтовых цепей разработаны макетные платы. Отличительная особенность их в том, что соединение элементов при помощи тестовых проводов с зажимами типа «крокодил», что дает быструю сборку, хороший визуальный контроль за счет использования разноцветных проводов или силиконовых изолирующих трубок.

Сами контакты (клеммы) в виде медных проводов, скрученных для лучшего сцепления с «крокодилами». Предлагаемые решения протестированы на протяжении ряда лет (некоторым модулям более 5 лет). Считаю, что моя разработка может использоваться многими учителями технологии.

Все оборудование является совместными проектами моих учеников, то есть мы не только на уроках и во внеурочной деятельности используем готовые решения, но и сами ведем их разработку, что способствует достижению высоких предметных и личностных результатов и по другим модулям образовательной области «Технология».

Предлагаю план-конспект урока с использованием лабораторного оборудования по технологии в 8 классе на тему: «Сборка и исследование электрической цепи» https://disk.yandex.ru/i/57MQ_m1nkpolBQ

Исследовательские работы с использованием предлагаемого оборудования:

• Дистанционное управление насосом для воды по радиоканалу. https://disk.yandex.ru/i/3nRX2ZJ-zc3o7Q

• Защита от протечек и переливов воды. https://disk.yandex.ru/i/S3uk3CQb_oDTmw

• Умная теплица на терморегуляторах. https://disk.yandex.ru/i/PUkutw10ylqtmQ

Список использованных источников информации:

1. Бредихин, А.Н. Слесарь-электромонтажник: справочник / А.Н. Бредихин. - М.: Радио и связь, 2012. - 368 c.

2. Примерная рабочая программа основного общего образования по «Технологии» для 5-9 классов образовательных организаций. - М: Министерство просвещения Российской Федерации. Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Институт стратегии развития образования Российской академии образования, 2022г. -133 с.

3. Технология. 5 – 11 классы: проектная деятельность учащихся / авт.-сост. Л.Н. Морозова, Н.Г. Кравченко, О.В. Павлова. – Волгоград: Учитель , 2007г.