Педагогічні науки/4.- Стратегічні напрямки реформування системи освіти

                             К. фіз.-мат. наук  Латинін Ю.М.

                 Українська інженерно-педагогічна академія

Спадкоємність навчання  і підручники з електротехніки.

        Людина вчиться все життя. Вивчати електротехніку (Е) починають в школі (Шк), продовжують у професійно-технічному навчальному закладі (ПТНЗ), коледжі, технікумі. Завершують систематичне навчання Е, як правило, у вищому навчальному закладі (ВНЗ). Матеріал П, методика його подання повинен бути адаптованим й таким, що однозначно трактується учнем на будь-якому етапі навчання. Підручник (П) з Е на етапах навчання від Шк до ВНЗ поступово й послідовно повинен вести учня від простих до все більш узагальнюючих істин, спрямовуючи на вироблення ним відповідних все більш складних, професійних навичок та вмінь. Тому між існуючими П-ми для різних етапів навчання, повинен існувати «генетичний» зв’язок, спадкоємність, який суттєво впливає на ефективність навчання. Отож, проблема створення взаємообумовлених П з Е для різних етапів навчання є актуальною. І першим кроком на цьому шляху повинен бути аналіз вже існуючих П під кутом їх спадкоємності. Але подібний аналіз П ще не виконувався, хоча про недолугість понятійного апарату Шк П мова вже йшла в [1]. При аналізі особливу увагу звернемо на основні положення, закони електротехніки, явище електромагнітної індукції, однаковість понять, термінів, їх визначення та трактування у різних П [2-8]. 

Підґрунтям Е є явище електромагнітної індукції. Отож, розуміння його сутності учнем, студентом вкрай важливо. Але чи зможе він зрозуміти його сенс, якщо пояснення у П: «магнітне поле ротора жене через обмотку статора вільні електрони внаслідок взаємодії силових ліній магнітного поля статора з силовими лініями мікромагнітних полів вільних електронів», або  «…при обертанні ротора перед обмоткою змінюється магнітна індукція (щільність силових ліній)» є  помилковим. Індукція постійного магніту не може бути змінюваною. При обертанні останнього змінюється магнітний потік, але не індукція. Силова лінія як графічна,  умоглядна модель магнітного (електричного) поля, що придатна для наочного пояснення багатьох магнітних явищ, введена М.Фарадеєм. Реально вона не існує. Дефініцію величини треба формулювати через об’єктивно існуючи, реальні речі, але ніяк не через ідеальні. Тому недоцільно визначати магнітний потік «створюється кількістю магнітних силових ліній, що проходять через площину S», або „магнітна індукція” – «характеризує щільність магнітних силових ліній, що проходять через площину S», «напруженість магнітного поля показує яка намагнічувальна сила припадає на кожний метр довжини поля» (П для ПТНЗ) [2]. Оскільки магнітна силова лінія реально не існує, то й використовувати її в дефініції недоречно, особливо при формулюванні основних величин, що характеризують магнітне поле (індукція, напруженість, магнітний потік тощо). Подібні визначення притаманні й П для ВНЗ: «Густина магнітних ліній характеризує величину магнітного потоку Ф…», «Щільність магнітного потоку або магнітна індукція В характеризує кількість магнітних ліній на одиницю площі», «Якщо магнітні лінії паралельні і проходять на однаковій відстані одна від одної, то таке магнітне поле називають однорідним » (Будіщев М.С.[8], с.112).

Пояснення явища (див. §3.8 „Електромагнітна індукція” П для технікумів, коледжів ([4], с.41) теж не є коректним. „При переміщенні провідника у магнітному полі, …  в ньому виникає струм”, про що свідчить поява «на кінцях провідника ЕРС», причому „у провідника більшої довжини сила індукованого струму буде більшою”.  Але у окремому провіднику, що рухається у магнітному полі, струм не виникне, оскільки коло не є замкненим (див. рис. П). На вільні  електрони провідника з боку магнітного поля при його русі поперек поля діє сила Лоренца. Вона обумовить на його кінцях появу  зарядів і, отож, виникнення електричного поля і напруги між кінцями провідника. Якщо до останніх приєднати будь-який електротехнічний елемент так, що виникне замкнене коло, то в ньому виникне електричний струм. Незрозумілість сутності  явища,  невміння викласти цей матеріал досить просто і адекватно у П підтверджують і такі помилкові твердження: «на виводах з’явиться  е.р.с. самоіндукції», «одержують на виводах статора  змінну …. е.р.с.». Але кількісно ЕРС визначає інтеграл від напруженості  стороннього поля  по контуру. ЕРС має сенс незалежно від властивостей контуру, який може бути провідниковим чи ні. Тільки між затискачами провідникового контуру з’явиться електрична напруга, але не ЕРС.

Студент у П ВНЗ «відкриє»  «Закон електромагнітної інерції» і сенс явища електромагнітної індукції: «виникнення ЕРС на кінцях провідника», а також, що «механічний вплив полю на струм фізично пояснюється прагненням силових ліній, перекручених внесенням проводу, випрямитися», а «силові лінії, прагнучи випрямитися, здійснюють тиск на провід праворуч ліворуч». Він може прийти до некоректного висновку виникнення руху провідника: «справа в тім, що магнітне поле механічно впливає на заряди, що упорядковано рухаються у провіднику (сили Лоренца),  а вже ці заряди зіштовхуючись при своєму упорядкованому русі з іншими частками речовини провідника, передають силу самому провідникові» ([5],с.93). Але відповідні  енциклопедії закону електромагнітної інерції не містять. Більш того, магнітне поле діє  на провідник зі струмом, але не на сам струм. В цьому випадку сила діє на кожен окремий заряд, що рухається у напрямку під кутом до магнітного поля.

Учню Шк, ПТНЗ треба подавати факти, істини, що мають місце і не перетерплять кардинальних змін на протязі його життя і, саме головне, будуть допомагати йому активно, усвідомлено діяти. Незрозуміло, чому  Шк П не містить інформації про сучасні технології й прилади, які використовують в електротехніці, про квартирну трипровідну мережу живлення, триполюсні розетки, які суттєво підвищують рівень безпеки людини. Не дивно, що школа намагається вкласти у голову учня масу усяких, частенько непотрібних, знань, які він не буде використовувати у своєму житті.

Чи доцільно випускнику ПТНЗ вміти розраховувати магнітні кола і «проектувати електромагніти за заданими зусиллями Fм чи Фм»? На наш погляд, недоцільно. Математичний апарат, що використовують у будь-якому П, повинен відповідати розвитку та рівню підготовки його читача. Чи зможе пересічний учень ПТНЗ розв’язати систему з 3-х комплексних рівнянь. Думаємо, що ні. Отож, використовувати у П для ПТНЗ диференційне числення, векторний добуток двох векторів, метод послідовних наближень при розв’язанні систем нелінійних рівнянь чи лінеаризації тощо є помилкою. Замість спрощення воно ускладнюватиме розуміння сутності матеріалу. Недоцільно й вводити поняття «одиничної магнітної трубки» для графічного зображення магнітного потоку, диференційної проникності, які практично далі у П не використовуються. Їх у більшості не використовують вузівські підручники з електротехніки.

Понятійний апарат П для різних етапів навчання  повинен бути єдиним. У Шк П, а також ПТНЗ з метою кращого розуміння і усвідомлення визначення понять, термінів спрощують, адаптують, використовуючи відповідну лексику. Але при цьому дефініція повинна однозначно відбивати сутність і,  ні в якому разі, не давати спотворену істину. З цією метою в П для ВНЗ бажано дотримуватись базових державних стандартів з Е (ДСТУ 2843-94 та  2815-94). В разі невдалого визначення терміну у стандарті, необхідно наводити декілька дефініцій, роблячи наголос саме на ті, які більше відповідають сутності. Наприклад, базові ДСТУ  з Е не визначають такі види, способи з’єднань чи ввімкнення: незалежне чи самостійне, почергове, залежне ввімкнення тощо, які подає Шк П. Та й що таке незручність послідовно з’єднаних споживачів? Незалежного з’єднання у колі не буває. Будь-яке приєднання елемента чи елементів до вихідного кола змінює його, тобто параметри: напруги, струми віток. В противному випадку до джерела можна приєднати безліч приладів чи споживачів. Немає послідовного, паралельного, змішаного з’єднання опорів чи у трипроменеву зірку, трикутник: опір є параметром резистору чи іншого елементу. З’єднують між собою будь-які елементи, ділянки кола, вітки, але не їх параметри.

Визначення електротехнічних величин, висновків, законів мають бути близькими один до одного за сутністю, незважаючи на те, для кого вони розраховані: учнів чи студентів. В ідеалі бажано, щоб вони були ідентичними за змістом, оскільки лише в такому випадку досягається мета – підвищення ефективності навчання.  У П для 7 класу (с.158) стверджують, що «паралельно можна з’єднувати лише такі джерела, що мають однакову напругу», а у П ПТНЗ «при однакових ЕРС усіх джерел»([2], с.12). Обидва висновки не є коректними. Паралельно можна з’єднувати будь-які джерела, але найбільш доцільно - однакові,  (з рівними ЕРС та внутрішніми опорами). Визначення не  повинні суперечити тим, що існують у суміжних дисциплінах, наприклад у фізиці. Чи є така величина, як „потужність … енергії”. Ні, немає.  Визначення люмінесценції у П 6 класу: „світіння речовин під дією електричної енергії без випромінювання тепла”, не відповідає сутності явища. Випромінювання світла при люмінесценції виникає при дії на речовину різних  чинників: протіканні хімічних реакцій (наприклад при гнитті рослин), під дією електричного поля, радіації чи ультрафіолетового випромінювання, але  не під впливом електричної енергії. Не повинно бути розбіжностей, що ставлять учнів у суперечність з дійсністю. Чи знає учень постулат про «взаємодію лише подібних величин»? Ні. І не дивно. Взаємодіють між собою лише реальні речі або поля, але не параметри чи величини, які їх описують. Чи не здивує учня ПТНЗ, що «зі зростанням кількості послідовно увімкнених реальних джерел ЕРС еквівалентне значення джерел наближається до ідеального джерела струму», або, «що це не кулонівська, а набагато сильніша взаємодія – магнітна». Відомо, що суто кулонівське взаємодія електричних зарядів завжди  значно сильніше, ніж її магнітна складова.

Не корегуються дефініції другого закону Кірхгофа різних П. „У замкнутому контурі електричного кола алгебраїчна сума ЕРС дорівнює алгебраїчній сумі спаду напруг на всіх ділянках контура” [2]. «Алгебраїчна сума ЕРС усіх віток контура і падіння напруг на опорах віток однакові або алгебраїчна сума напруг у контурі дорівнює нулю [3]. „В кожному замкненому контурі складного електричного кола алгебраїчна ЕРС дорівнює алгебраїчній сумі спадів напруг на окремих його ділянках” [4]. Мабуть недоречно подавати у якості окремого параграфу закони електротехніки для електричних кіл синусоїдного струму». Тим більше, що дефініція 2-го закону Кірхгофа («сума комплексів ЕРС при обході замкненого контуру дорівнює сумі добутків струмів на відповідні комплекси опорів та сумі комплексів напруг»[3]) не корегує з формулюванням цього закону стосовно кіл постійного струму.

«Алгебраїчна сума падінь напруг у будь-якому замкнутому контурі дорівнює алгебраїчній сумі ЕРС, що діють уздовж того ж контуру, або алгебраїчна сума напруг (але не спадань напруг) уздовж будь-якого замкнутого контура дорівнює нулю [5]. В  П [6] вони  сформульовані, на наш погляд найкраще, але  у різних місцях - по різному. Так робити недоцільно. І ось чому. Воно заважатиме студентові визначити, яка з дефініцій є найбільш загальною, і саме головне,  не дає  можливості зрозуміти  його  сутність, область застосування. Формулювання й 1-го закону Кірхгофа є різним, не дивлячись на те,  що сутність його є більш простою. У П ПТНЗ його дефініція така: „алгебраїчна сума струмів у вузлі електричного кола в кожний момент часу дорівнює нулю”. У П [3] «Алгебраїчна сума струмів, що сходяться до вузла, дорівнює нулю». У вузлі сходяться вітки кола, але не струми. Струм  конкретної вітки у розглядувану мить може бути спрямованим до вузла, а інших – у напрямку від нього і навіть дорівнювати нулю. У П [4], визначаючи область застосування цього  закону, стверджують, що він стосується «розгалужених електричних кіл, де є одне джерело живлення». Але це  не відповідає істині.

Наведемо визначення різних з’єднань двополюсників у П, поняття «схема електричного кола» (принципова, монтажна). В останньому випадку існує найбільше перекручування істини. Схему нерідко ототожнюють з колом. Навіть правила Кірхгофа формулюють для неї. Наведемо типові приклади: «трифазна

схема, яка однозначно визначає повний склад елементів та зв’язок між ними і дає уявлення про принцип роботи кола (пристрою) [7]
 

мостова схема», «контактна схема», «складає схеми випрямлення», «після перевірки електромонтажної схеми від’єднай її від джерела...» тощо.

Дефініції терміну «схема кола», «з’єднання елементів» від П до П-ка різнить не тільки форма, лексика, але й зміст. По-перше, двополюсник має два полюси,  що не позначені на ньому, як „початок” чи „кінець”. По-друге, у визначенні їх будь-якого з’єднання повинна відбиватися саме різниця  у сполученні відповідних полюсів елементів. По-третє, коло може бути знеструмленим, але з’єднання елементів при цьому не зникає. Тому наведемо вимоги стосовно дефініції величини, поняття, правила тощо. Дефініція повинна:

▪ відбивати якісний бік величини, поняття, а потім −  кількісний;

▪ відповідати практиці, можливості експериментальної перевірки;

▪ не суперечити більш загальним законам, правилам, поняттям;

▪ містити область, границі використання;

▪ корелюватися з визначеннями основних понять, термінів, у тому числі, з дефініціями їх у базових державних стандартах з Е;

▪ формулюватися чіткою мовою, необхідною і достатньою кількістю слів (зайвих слів не повинно бути). Лексика, яку використовують при формулюванні,  може бути різною у залежності від рівня розвитку учня, але, ні в якому разі, вона не повинна спотворювати сутності, істини.

Одиниці виміру величини треба наводити лише в системі  СІ. Їх не слід плутати з розмірністю: «потенціал має розмірність [B]», «розмірність напруженості буде ньютон поділений на кулон або вольт поділений на метр». Одиниці вимірювання повинні відповідати загальноприйнятим. В П для ПТНЗ індуктивність котушки вимірюють у Генрі - Ом.с, абсолютну магнітну проникність - в Ом.с/м, питомий опір ρ - Ом·м/мм2. І саме головне, одиниці виміру не повинні бути помилковими. Спожиту електроенергію Шк П подає не в кВт·год, але в кВт/год і навіть кВт. Абзац П, що стосується обліку спожитої електричної енергії, з методичного боку викладений некоректно. Починається він з твердження, що облік енергії визначають за допомогою лічильника. В наступному реченні вводять величину «потужності спожитої електроенергії» і одиницю її виміру (Вт, кВт), тобто замість енергії мова йде про потужність. Третє речення знову повертає учня  до лічильника, спожитої енергії та її вартості. Учень просто заплутається в одиницях виміру енергії та потужності, особливо враховуючи, що одиниця енергії є помилковою.

Перелік основної літератури П ПТНЗ не може містити вузівські та підручники для технікумів, або П з теоретичних основ електротехніки (ТОЕ). Вузівські П з Е також не повинні містити у переліку П з ТОЕ. Текст, рисунки повинні відповідати один одному. Недоцільно, коли в тексті постулюють перелік дій, які треба виконати при виникненні поразки людини електричним струмом, але на малюнку зображена зовсім інша ситуація, або один і той самий малюнок в одному місті називають колом, а в іншому − монтажною схемою. Рисунки П ПТНЗ повинні бути більш простими, містити більш конкретні пояснення. Підписи до них повинні бути лаконічними, зрозумілими учням. Наведемо приклад „невдалих” підписів чи пояснень: «електрична схема протікання струму», «схема замкнутих кіл», «циклічне перемагнічування матеріалів», «однофазне доторкання людини…», «електромагнітна схема трифазного трансформатора» тощо. На протязі усього П повинна реалізовуватися  єдина методика оформлення графічної інформації. Бажаним є наявність підписів під рисунками. Неприпустимо, коли більшість рисунків не мають підписів [3], а тільки деякі їх містять. Неприпустимо, коли підписи є помилковими. Наприклад, замість пондеромоторний вживають термін «пондемоторний», не розкриваючи змісту цього терміну у тексті П. Недоречно вживати  на графіках одиниці інших систем, окрім СІ, наприклад, магнітну індукцію в  гаусах замість тесла. Не можна не вказувати біля вісі графіку величину та одиницю її виміру. Недоцільно використовувати не внормовані терміни або наводити їх визначення. Наприклад, «кутова швидкість струмів», «однофазний струм», «трифазний струм, який складається з трьох струмів, синусоїди яких відхилені одна від одної на фазний кут 1200», «котушка має активний опір, оскільки вона перемагнічується», «активний опір має поверхневий ефект», «магнітні силові лінії вміщуються у магнітному колі», «е.р.с. додається до напруги» тощо.

 Висновки.  1- Взаємообумовленість,  координація між змістом, висновками, а також визначеннями  законів й понять у підручниках з Е для шкіл, технікумів та ВНЗ на сьогоднішній день ще не є достатньою. 2.- Такий стан знижує ефективність навчання: учня, студента доводиться переучувати, що робити набагато важче, ніж відразу вірно вчити.  3.- Відхилення від сутності явищ, наявність похибок у формулюваннях величин, висновків у найбільшій мірі притаманні підручникам для середньої школи, а потім – ПТНЗ. Проблема спадкоємності залишиться, не дивлячись на додаткові заходи МОНУ стосовно майбутньої якісної підготовки рукописів підручників, у тому числі і для ПТНЗ. 4.- Для її розв’язання необхідно під егідою МОНУ створити Науково–методичну раду з проблем взаємообумовленості змісту і спадкоємності навчальної літератури.

Література:

1. Латинін Ю.М. Дидактичні характеристики розділу „Електротехнічні роботи” підручників «Трудове навчання». Матер. н-практ. конф. „Современные научные достижения-2008» (http://www.rusnauka.com/Page_ru.htm).

 2.  Практична електротехніка для робітничих професій /Бондар В.М., Гаврилюк В.А., Духовний А.Х. та ін.. Підручник для учнів проф.- навч. закладів.- Київ: Веселка, 1997.-197 с.

3. Гуржій А.М., Сільвестров А.М., Поворзнюк Н.І. Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ: Форум, 2002.-382 с.

4.  Родзевич В.Е. Загальна електротехніка. Київ: Вища шк., 1993.-183 с.

5.  Електротехніка, основи електроніки та мікропроцесорної техніки.

Навчальний посібник. /Шкрабець Ф.П. Ципленков Д.В. Куваєв Ю.В. та ін.- Дніпропетровськ: НГУ, 2004.-515 с.

6. Мілих В.І., Шавьолкін О.О. Електротехніка, електроніка та мікропроцесорна техніка. -Київ: Каравела, 2007.- 686 с.

7. Лихачев В.Л. Электротехника. Справочник в 2-х томах. Том 1. М.:

Солон-Р, 2001.-552 с.

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