Проведення практичних занять для школярів в університеті як засіб профорієнтаційної роботи для вступу на технічні спеціальності

У статті наведені приклади практичних занять для школярів 10−11 класів при проведенні навчальної (технологічної) практики в лабораторіях університету на кафедрі, що забезпечує підготовку та випуск фахівців першого, другого та третього освітнього рівня за галуззю знань «Електрична інженерія». Заняття відповідають програмі підготовки і забезпечують вивчення основних фізичних законів у механіці та електротехніці із застосуванням сучасних електронних систем і комп’ютерних програм. Приведені приклади практичних занять є структурно та методично завершеними. Дана стаття є першою частиною роботи. Приведені практичні заняття орієнтовані на опанування інформаційними технологіями в електромеханіці та автоматиці. В наступних статях автори планують розглянути заняття з інформаційного пошуку, а також принципів побудови електричних схем і дії їх механічних та електричних компонентів.

Ключові слова: вищий навчальний заклад, університет, технічні спеціальності, практичні заняття, профорієнтація.

Аннотация

В статье приведены примеры практических занятий для школьников 10−11 классов при проведении учебной (технологической) практики в лабораториях университета на кафедре, обеспечивающей подготовку и выпуск специалистов первого, второго и третьего образовательного уровня по отрасли знаний «Электрическая инженерия». Занятия соответствуют программе подготовки и обеспечивают изучение основных физических законов в механике и электротехнике с применением современных электронных систем и компьютерных программ. Приведенные примеры практических занятий являются структурно и методически завершенными. Данная статья является первой частью работы. Приведенные практические занятия ориентированы на овладение информационными технологиями в электромеханике и автоматике. В следующих статьях авторы планируют рассмотреть занятия по информационному поиску, а также принципам построения электрических схем и действия их механических и электрических компонентов.

Ключевые слова: высшее учебное заведение, университет, технические специальности, практические занятия, профориентация.

Актуальність роботи. Час, у якому ми живемо, — це час інформатизації суспільства. Інформаційно-комунікаційні технології стрімко ввійшли у наше життя, і галузь освіти також не залишилась поза межами їх впливу. У навчальний процес і вищої, і загальноосвітньої школи впроваджуються електронні технології та форми навчання, які включають використання глобальної мережі Інтернет, електронні бібліотеки, навчально-методичні мультимедійні засоби, лабораторні практикуми з віддаленим доступом тощо. І навчальні заклади в глобальному процесі інформатизації суспільства змушені забезпечувати необхідну якість підготовки фахівців (за найменших витрат) в умовах реконструкції та перебудови системи освіти.

Разом з тим, не зважаючи на всі процеси «гуманізації та гуманітаризації» суспільство вимагає, в першу чергу, фахівців інженерно-технічних спеціальностей, підготовка яких неможлива без достатнього знання технічних наук; по-друге, безперечним фактом, який доведено дослідженнями, є те, що технічні науки формують й універсальні уміння і навички, які стають основою існування людини в соціумі, необхідний рівень компетентностей, достатній для продовження навчання випускника школи на більш високому рівні [1].

Матеріал і результати досліджень. Метою даної роботи є розробка засобів підвищення рівня підготовки школярів з технічних дисциплін, придбання необхідних компетенцій для подальшого вступу на технічні спеціальності у вищі навчальні заклади (ВНЗ).

Виходячи із актуальності питання та поставленої мети роботи були сформульовані основні завдання, які необхідно вирішити при розробці засобів підвищення рівня підготовки школярів з технічних дисциплін:

• 1. Підвищення рівня зацікавленості абітурієнтів до вибору майбутньої спеціальності. Підвищення престижу інженерної освіти шляхом популяризації власних досягнень, зокрема наукових розробок та впроваджень.
• 2. Удосконалення взаємозв'язку: школа — ВНЗ. Задача середньої освіти — надати школярам необхідні знання для успішного вступу до ВНЗ. А ВНЗ, в свою чергу, зацікавленні в абітурієнтах, які мають надійні базові знання з профілюючих дисциплін, здатні до творчої активності та дослідницької праці. Це обумовлює необхідність взаємозв'язку школи та ВНЗ на етапі, який забезпечує максимальну ефективність функціонування системи «школяр-абітурієнт-студент».
• 3. Привиття школярам навиків практичної діяльності шляхом проведення на базі ВНЗ практичних занять. ВНЗ організовує проведення практикуму на базі науково-дослідних лабораторій, із застосуванням лабораторного обладнання яке використовується у навчальному процесі, що підвищить зацікавленість абітурієнтів до вступу на технічні спеціальності.
• 4. Заохочення учнів, із достатнім рівнем інтелектуальних здібностей, та здатних до творчих, наукових досліджень до вступу на технічні спеціальності. Проводячи співбесіди, творчі конкурси, тестові фахові відбори тощо. При проведенні профорієнтаційної роботи у загальноосвітніх закладах профільного навчання слід зазначати, що не менш важлива технічна освіта для фахівців інших напрямів, де вона є основним інструментом засвоєння фахових дисциплін та майбутньої професійної діяльності. Зокрема, природничі, економічні, соціальні, інформаційні, гуманітарні науки, які вимагають ґрунтовного володіння основами статистичного аналізу, розуміння принципів математичного моделювання. Доводити абітурієнтам, що при вивченні наприклад, фізико-математичних наук, у будь-якого фахівця закладається не тільки методологічний, але й психофізіологічний фундамент системного, логічного та критичного мислення, що є життєво необхідним.

Проведення навчальної практики старших класів загальноосвітньої школи спрямоване на розвиток пізнавальної діяльності учнів, залучення їх до пошукової роботи, поглиблення та систематизацію знань, умінь і навичок, поглибленого засвоєння практичної складової навчальних курсів, формування міжпредметних зв’язків тощо.

Методика проведення навчальної практики включає такі етапи:

• 1) підготовчий, під час якого учні знайомляться з метою навчальної практики та формами її проведення, отримують завдання та вимоги щодо представлення результатів проведеної роботи, інструктуються з правил техніки безпеки;
• 2) змістовно-організаційний, під час якого відбувається навчальна діяльність, що передбачена планом проходження практики;
• 3) підсумковий, під час якого проводиться звітування учнів щодо проведеної роботи, перевірка набутих знань і вмінь, підбиття підсумків навчальної практики.

Якість практики залежить від чіткої організації та взаємодії різних структурних підрозділів як навчального закладу, так і установи на базі якої проходить практика, а також, бажання та правильного підходу до питань практики з боку учнів. Для підвищення якості навчання з технічних дисциплін, оволодіння практичними навичками і вміннями, та закріплення теоретичних знань отриманих учнями у процесі навчання доцільно проводити літню навчальну практику старшокласників на базі ВНЗ у науково-дослідних лабораторіях, під керівництвом фахівців вищої школи. Практика дає учню можливість остаточно ствердитися у виборі напряму подальшого навчання. Під час її проходження він може перевірити свої «професійні» здібності, отримує можливість вивчити реальні ситуації які можуть виникнути на промисловому підприємстві. Він може самостійно приймати рішення, обґрунтовуючи вірність своїх висновків перед керівником практики. Майбутній спеціаліст навчається субординації, роботі в колективі, отримує навички професійного спілкування.

Проходячи тільки теоретичний курс і отримуючи незначні практичні навички в стінах навчальних закладів, учні не завжди ясно розуміють, як відбуваються фізичні процеси, які технології застосовуються тощо.

При організації навчальної практики, наприклад, на базі кафедри систем автоматичного управління та електроприводу Кременчуцького національного університету імені Михайла Остроградського (САУЕ КрНУ), враховуючи необхідність підвищення якості підготовки з технічних напрямів, учні можуть отримати наступні практичні навики:

1) технологія процесу пайки, при якій необхідно навчитися суворо контролювати, щоб усунути можливість відхилень таких параметрів, як температура і час пайки, щільність флюсу, ефективність очищення поверхні.

Технологічний процес пайки складається з наступних операцій: фіксації сполучних елементів з попередньо підготовленими до пайки поверхнями; нанесення дозованої кількості флюсу і припою; нагрівання деталей до заданої температури і витримка протягом обмеженого часу; охолодження з'єднання без переміщення поверхонь що паяються; очистка з'єднань; контроль якості.

2) технологія збору електричних схем за допомогою конструктора електричних схем, який дозволяє наочно і швидко збирати та тестувати електронні та електричні схеми.

Даний підхід дозволяє показати зв’язок між шкільною програмою і оточуючим нас сучасним життям. Конструктор містить елементи, які присутні практично у всій техніці яка нас оточує - комп’ютерах, телефонах, автомобілях, фото і відеокамерах, телевізорах, музичній апаратурі тощо. При складанні схем закріплюються теоретичні навики які були отримані при вивченні наступних тем з предмету фізики: «Механічні коливання і хвилі. Звук», «Основи електроніки», «Інтегральні мікросхеми», «Цифрова техніка. Логічні схеми», «Електричні явища. Постійний струм», «Електричний струм у різних середовищах. Напівпровідникові компоненти», «Електромагнітні явища», «Електростатика».

3) технологія збору електричних схем за допомогою віртуального конструктора, що дозволяє імітувати на екрані комп’ютера різні процеси електронної зборки електричних схем, наочно дослідити особливості їх принципової роботи, проводити електротехнічні вимірювання основних електричних величин так, як це робиться у звичайному фізичному досліді та експерименті.

За допомогою віртуального конструктора учні зможуть наочно вивчити:

• — залежність електричного опору провідників від наявного питомого опору його матеріалу, поперечного перерізу і довжини;
• — основні закони постійного електричного струму: закон Ома для певної ділянки ланцюга і закон Ома для повного електричного кола;
• — фундаментальні закони паралельного та послідовного з'єднання електричних провідників, котушок і конденсаторів;
• — принципи застосування електричного захисту (запобіжників) в різних електронних схемах, що допомагає зрозуміти небезпеку аварійних ситуацій;
• — основні закони виділення енергії тепла в освітлювальних і електронагрівальних приладах, діючі принципи узгодження електричних джерел струму з електричним навантаженням;
• — принципи вимірювань електричного струму та різниці потенціалів (напруги) в електронних схемах, дослідження виду змінного електричного струму на окремих ділянках, зсуву фаз між напругою і струмом в ланцюгах змінного струму; навчальний школяр інженерія електричний
• — різні прояви індуктивного й ємнісного опорів в електричних ланцюгах змінного струму, а також їх залежність від робочої частоти електрогенератора змінного струму і номіналів конкретних деталей;
• — виділення електричної потужності в колах змінного струму;
• — явище резонансу в електричних ланцюгах з паралельним і послідовним коливальним контуром (електричний контур ємності й індуктивності);
• — основні принципи побудови фільтрів (електричних) для діючих ланцюгів змінного струму.
• 4) технологія складання та програмування роботів, яка реалізується за допомогою програмованого робото-технічного конструктору Lego Mindstorms NXT та Education EV3, у яких використовується середовище програмування QReal: Robots. Робото-технічний конструктор (РТК) — це навчальний комплекс із звичним набором деталей та спеціалізованими завданнями і електронним зошитом, до якого входить блок для програмування (програмований мікрокомп'ютер), інтерфейс для реєстрації даних, набір датчиків, батарея-акумулятор, колеса, електромотори.

Саме в умовах навчальної практики учні набувають практичні знання і необхідні навики при опануванні предмету «Інформатика». Інформатика є одним із самих складних предметів шкільного курсу. Це пов’язано із тим, що учням приходиться вчитися створювати абстракції, принципово не зримі та неосяжні. Тому у шкільній програмі часто використовують поняття «Виконувач» — деяка абстрактна сутність, яка здатна виконувати команди і діяти у певному середовищі. Спостерігаючи за поведінкою «Виконувача» учні можуть відслідкувати як працює їх програма. У якості такого «Виконувача» і використовуються зазначені РТК. Вони використовуються для вирішення широкого кола навчальних задач, наприклад «розумний дім». Ресурси РТК дозволяють реалізувати достатньо складні алгоритми на самому роботі, такі як розпізнання відео образу, звуку, синтез мови тощо.

На навчальній практиці учні можуть вирішувати більш складні та творчі задачі, які створюють інженерні та наукові працівники. Наприклад, коли для моделі робота можна задати чотири різні сенсори, вибрати їх тип та розташування відповідно певної позиції. Крім самого програмування робота відбувається симуляція оточуючого його середовища — можливе завдання ліній на підлозі, на які реагують сенсори світла і кольору, та стін, на які реагують сенсори відстані та торкання (і сам робот, зупиняючись при «врізанні» в них).

Для більш реалістичної симуляції можливо включити додавання шуму, який буде вносити випадкові збурення в роботу сенсорів і моторів, симулюючи проблеми, що виникають з пристроями реального світу. Конфігурацію робота і навколишнього світу двовимірної моделі можна зберігати і завантажувати за бажанням користувача.

Розроблені фахівцями кафедри САУЕ КрНУ практичні роботи є результатом багаторічної роботи у галузі впровадження нових форм і методів організації навчально-виховного процесу у навчальних закладах, а саме використання в освітньому процесі інформаційно-комунікаційних технологій. Основні дослідження зосереджені саме на застосуванні інформаційно-комунікаційних технологій.

Пропоновані практичні роботи (заняття) ґрунтуються на аналізі процесу підготовки і вивченні законів природи, основних фізичних законів у механіці, електротехніці із застосуванням сучасних електронних систем і комп’ютерних програм.

Приведемо приклади декількох практичних занять. До кожної практичної роботи розроблено індивідуальні завдання та перелік контрольних питань для перевірки засвоєння матеріалу. Перші два практичні заняття присвячені створенню механотронних систем на основі набору Lego Mindstorms Education і мають за мету набуття практичних навичок роботи з набором Lego Mindstorms, вивчення призначення складових та засвоєння етапів створення механотронної системи на базі набору, набуття навичок створення реалістичних конструкцій роботів та програм для їх функціонування.

Практична робота 1. Тема: Вивчення базового набору Lego Mindstorms Education.

Механотроніка як наука передбачає оснащення сучасних складних систем електронно-механічними пристроями, здатними до самопрограмування або поєднання у системи більш високого порядку. Нині механотроніка активно розвивається, з’являються нові методологічні й концептуальні засади проектування і створення механотронних систем та окремих модулів [2, 3]. Початкове ознайомлення з механотронікою учні мають здійснити на основі вивчення комплекту, який має для цього усі необхідні функції та передбачає створення як типових, так і власних розробок, спроможних виконувати задані циклові дії або неявні алгоритми при програмуванні безпосередньо механотронного блоку або за допомогою зовнішнього програмувальника (наприклад, iPod). Під час роботи з Lego Mindstorms Education учні опановують навички створення механотронних систем із базових блоків, засвоюють основи програмування та об'єднання окремих блоків в єдину систему, розвивають творче мислення та загальноінженерні навички [4−6]. Базовий набір Lego Mindstorms Education використовується для конструювання та програмування робота. Дозволяє групам із 2−3 учнів побудувати та запрограмувати реалістичного робота. У комплекті інструкція базової навчальної моделі. Базовий набір Lego Mindstorms Education включає в себе 431 деталь, у тому числі: процесорний блок NXT, 3 сервомотори, сенсори звуку, ультразвуку, дотику, освітленості, акумуляторну батарею (рис. 1).

Рисунок 1. Базовий набір Lego Mindstorms Education.

Деталі утворюють 5 великих груп:

• 1. Електронні компоненти: процесорний блок NXT; сенсори; сервомотори; з'єднувальні кабелі.
• 2. Шестерні, колеса й осі.
• 3. З'єднувальні елементи.
• 4. Будівельні елементи: балки; блоки; пластини.
• 5. Спеціальні деталі: кольорові кулі; фігурки чоловічків.

Головним елементом робота є процесорний блок NXT з чотирма вхідними та 3 вихідними портами (рис. 2).

Рисунок 2. Процесорний блок NXT із сенсорами:

• 1. Керований комп’ютером, інтелектуальний LEGO® блок NXT — мозок робота, створеного на основі конструктора LEGO MINDSTORMS® Education.
• 2. Сенсори дотику. Дозволяють роботові реагувати на навколишні перешкоди.
• 3. Датчик звуку — мікрофон. Дозволяє роботові реагувати на рівень гучності звуку.
• 4. Датчик освітленості. Використовуючи датчик, робот може реагувати на зміну освітленості або кольори.
• 5. Ультразвуковий датчик. Дозволяє роботові визначати відстань до об'єкта та реагувати на рух.
• 6. Підключення датчиків. Сенсори можуть бути підключені до кожного з входів з номерами 1−4 будь-якими кабелями за винятком спеціальних кабелів-адаптерів.

Технічні характеристики NXT:

• — 32-бітний мікропроцесор ARM7 з 256 кб FLASH пам’яті, 64 кб ОЗП;
• — 8-бітний мікроконтролер AVR з 4 кб FLASH пам’яті, 512 б ОЗП;
• — бездротовий Bluetooth зв’язок, Bluetooth class II V2.0 compliant;
• — порт USB 2.0;
• — 4 шестиконтактні цифрові вхідні порти;
• — 3 шестиконтактні цифрові вихідні порти;
• — графічний дисплей, 60×100 пікселів;
• — гучномовець з частотою звучання 8 кГц;
• — джерело живлення: літієвий акумулятор або шість AA батарейок;
• — живлення від мережі: 230 B ~ 50Гц.

Рисунок 3. Процесорний блок NXT із сервомоторами та периферійними пристроями:

• 1. Процесорний блок NXT.
• 2. Акумуляторна батарея. Забезпечує живлення NXT.
• 3. Лампи. Підключені й запрограмовані лампи використовуються як сигнальні вогні, підсвічування датчика освітленості або просто як прикраса.
• 4. Кабель-адаптер. До базового набору входять три лампи й три кабелі-адаптери для підключення додаткових пристроїв (ламп, датчиків тощо).
• 5. З'єднувальні кабелі.

Порядок виконання роботи складається із наступних етапів:

• 1. Ознайомитися з основними елементами базового набору Lego Mindstorms.
• 2. Здійснити підключення до NXT акумулятора та увімкнути його.
• 3. Кнопками навігації здобути навички роботи з інтерфейсом NXT.
• 4. Ввести параметри елементів інтерфейсу згідно з варіантом, виданим викладачем.
• 5. Записати результати виконання програми на базі інтерфейсу NXT.

Практична робота 2. Тема: Вивчення програмного забезпечення LEGO Mindstorms Education Nxt.

Програмне забезпечення LEGO Mindstorms Education Nxt використовується для програмування роботи конструкцій механотронних систем (рис. 4).

Рисунок 4. Загальний вигляд LEGO Mindstorms Education Nxt.

Програмні засоби Lego MINDSTORMS NXT (інша назва NXT-G) були розроблені компанією LabVIEW, йдуть у комплекті з набором Lego Mindstorms. Середовище має візуальний інтерфейс [7, 8].

У середовищі програма складається з блоків. Кожний блок відповідає за контроль певного елемента робота. Їх можна класифікувати як блоки дій, які включають у себе набір команд, що керують моторами, гучномовцем, екраном та дають змогу відправити повідомлення на комп’ютер чи на інший блок NXT, блоки сенсорів, які допомагають знімати показання з сенсорів, блоки операторів та блоки даних використовуються в математичних обчисленнях та роботі зі змінними.

На рисунку 5 зображено приклад програми в середовищі програмування для Lego Mindstorms NXT.

Рисунок 5. Приклад програми в середовищі NXT-G.

За цією програмою робот має проїхати вперед один оберт колеса, повернути праворуч на 90°, дочекатися звукового сигналу, а потім їхати, доки сенсор дотику не наткнеться на перешкоду. Коли робот наштовхнувся на перешкоду, він англійською промовляє «Good Job». Всі ці дії робот повторює три рази[9, 10].

Приклади конструкцій механотронних пристроїв наведені на рисунку 6.

Рисунок 6. Конструкції механотронних пристроїв.

Завдання до практичної роботи:

• 1. Створіть базову конструкцію механотронного пристрою, який міг би здійснювати рух на твердій площині.
• 2. Додайте до конструкції пристрою різні сенсори.
• 3. Розробіть та настройте програму з використанням програмного забезпечення NXTG, запрограмуйте пристрій для руху вперед-назад з умовою спрацювання різних сенсорів.

Висновки

Такий підхід дозволить забезпечити підвищення ефективності навчання, більш повного розуміння основних природних явищ і фізичних законів природи. Виконуючи завдання до практичних робіт школярі вже на майбутнє можуть замислитись над можливістю реалізації своїх індивідуальних творчих здібностей. Працюючи за програмою практичних робіт можна вибрати та власноруч створювати ті чи інші прилади й устаткування, зібрати схему експерименту за своїм індивідуальним завданням, провести пошукове моделювання досліджуваного фізичного процесу при різних заданих параметрах і обмеженнях, обробити результати дослідження тощо.

При виконанні практичних робіт вивчається робота електротехнічних пристроїв і електромеханічних систем у всіх режимах, включаючи аварійні, вивчається вплив зміни параметрів елементів на функціонування пристроїв, набуваються навички та знання технологій налагодження та ін. Таким чином тут у повному обсязі реалізується комплекс освітніх функцій, покладених на технологічну практику.

Список використаної літератури

• 1. Результати роботи науково-методичного семінару «Інформаційні технології в навчальному процесі» [Електронний ресурс], — назва з екрану. — Режим доступу: http://saue.kdu.edu.ua/index.php/ua/seminar-itnp.
• 2. Подураев Ю. В. Мехатроника: основы, методы, применение: учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по специальности «Мехатроника» направления подгот. «Мехатроника и робототехника» / Ю. В. Подураев. — М.: Машиностроение, 2006. — 255 с.
• 3. Юревич Е. И. Основы робототехники / Е. И. Юревич. — СПБ.: БХВ-Петербург, 2005. — 252 с.
• 4. Mindstorms. su [Електронний ресурс]. — Режим доступу: http://mindstorms.su/ index. html
• 5. Вікіпедія. Вільна енциклопедія [Електронний ресурс]. — Режим доступу: ttp://uk.wikipedia.org.
• 6. Mindstorm [Електронний ресурс]. — Режим доступу: http://mindstorms.lego.com/en-us/ Default.aspx.
• 7. Белиовская Л. Г. Программируем микро-компьютер NXT в LabView / Л. Г. Белиовская. — М.: ДМК Пресс, 2010.-280 с.
• 8. Тревис Дж. LabView для всех / Джеффри Тревис. — М.: ДМК Пресс; ПриборКомплект, 2005. — 544 с.
• 9. Бурдаков С. Ф. Системы управления движением колесных роботов / С. Ф. Бурдаков, И. В. Мирошник, Р. Э. Стельмаков. — СПб.: Наука, 2001. — 229 с.
• 10. Лукьянов А. А. Интеллектуальные задачи мобильной робототехники /А. А. Лукьянов. — Иркутск: Изд-во. Иркутск, гос. Ун-та, 2005. — 312 с.