This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
Надія Павловська
Юрій Павловський
У статті розглянуто особливості вивчення основ електротехніки в гімназіях і ліцеях на заняттях з трудового навчання та технологій в умовах дистанційного навчання. Обґрунтовано необхідність оновлення змісту електротехнічних робіт у контексті переходу від навчального предмету «Трудове навчання» до предмету «Технології» у проєкті Нової української школи та з урахуванням сучасних досягнень науки і техніки та соціально-економічних відносин в Україні. Проблему засвоєння учнями нових знань, умінь і навичок з основ електротехніки в умовах дистанційного навчання запропоновано вирішувати за допомогою програмно-апаратних комплексів: дистанційних або віртуальних лабораторій типу Multisim, Phet, Electronics Workbench, LabVIEW тощо.
Ключові слова: технології; основи електротехніка; віртуальна лабораторія; симулятори; моделювання.
При вивченні технологій у закладах освіти особливою популярністю користується електротехнічний напрямок. Розвиток сучасних соціально-економічних відносин в Україні вимагає нової якості освіти. Він передбачає готовність і здатність випускників загальноосвітніх закладів нести особисту відповідальність як за власний добробут, так і за добробут суспільства. Важливу роль у досягненні цієї мети має відіграти технологічна освіта школярів. Трудова підготовка учнів, яка існувала довгі роки в українських школах мала і позитивні, і негативні сторони. Інтерес до трудового навчання був невисокий, тому що не був пов’язаний із потребами та нахилами учнів. Вони не бачили соціальної та особистісної значущості своєї праці. Традиційні форми та методи організації трудового навчання не залучали учнів у дослідницьку діяльність.
Виходячи з цього, у контексті переходу від навчальної дисципліни «Трудове навчання» до предмету «Технології» у проєкті Нової української школи, методика вивчення останнього потребує розробки відповідного навчально-методичного забезпечення, яке враховує широку потребу оновлення змісту, практико-орієнтовану спрямованість, поєднання продуктивної та репродуктивної діяльності учнів. Не останню роль тут відіграє технологія електротехнічних робіт. Хоч для учнів вона є досить складною, однак надзвичайно цікавою частиною технологій. Її основними завданнями є: ознайомлення з такими напрямками, як «електротехніка», «радіоелектроніка», «електронна автоматика», «енергетика» та їх технічними додатками; розширення знань у галузі даних наук; ознайомлення з тенденціями розвитку електротехніки, радіоелектроніки, мікроелектроніки та їх практичним застосуванням; формування та розвиток творчих здібностей, потреби у творчому підході до будь-якої справи, раціоналізації та винахідництві; підготовка до усвідомленого вибору професії.
Раннє ознайомлення учнів з елементами електротехніки зумовлено умовами життя. Відбулися глибокі зміни у побуті, діти надзвичайно рано, особливо в умовах сьогодення, стикаються з електричними явищами та електротехнічними пристроями: освітлювальними та нагрівальними приладами, приладами для приготування їжі, накопичувачами електричної енергії, з електронними забавками тощо. Усе це, а також стрімкий розвиток електротехніки та електроніки, мають відображатися у змісті розділу «Електротехнічні роботи» при вивченні навчального предмету «Технології».
У складним умовах сьогодення (карантинні заходи щодо протидії COVID-19, воєнний стан) виникла проблема організації змішаного навчання. У цих умовах провідну роль відіграють засоби дистанційного навчання. При вивченні основ електротехніки на заняттях з технологій можна ефективно застосувати так звані віртуальні лабораторії типу Multisim, Phet, Electronics Workbench, LabVIEW тощо. Використання віртуального лабораторного практикуму при правильній постановці завдань сприяє ефективнішій роботі під час лабораторно-практичного заняття, що значно розширює можливості реального експерименту. Віртуальні роботи можна також використовувати як аналог демонстраційного експерименту при самостійному вивченні теоретичного матеріалу.
Досліджуваній тематиці у вітчизняній літературі присвячено досить мало наукових праць. Історія вивчення електротехнічних робіт на уроках у школі простежується з 1947‒1948 навчального року, коли до навчальних планів з трудового навчання було введено практикум з електротехніки. З розвитком електротехнічної галузі, в наступні роки, зростала кількість годин на вивчення основ електротехніки (Капустянский Р.А., 1970). До предмету «Трудове навчання» було введено розділ «Електротехнічні роботи» і суттєво зросла кількість відведених годин (Тхоржевський, 1978). Після реформування загальноосвітньої школи у 1985 році, обсяг електротехнічної підготовки учнів було значно обмежено (Тхоржевський, 1986; Деловая, 1988) і лише з вересня 2001 року, коли всі загальноосвітні заклади України перейшли на 12-річний термін навчання, до програм з трудового навчання у 5‒9 класах було знову включено розділ «Електротехнічні роботи». У наступні роки вивченню основ електротехніки у школі приділялося дедалі менше уваги. У діючій програмі з трудового навчання вивчення електротехнічних робіт передбачено лише у варіативних модулях.
Сучасний стан, проблеми та перспективи становлення профільного навчання у загальноосвітніх навчальних закладах розглядаються у монографії «Проблеми профільного навчання з електротехніки в загальноосвітніх навчальних закладах» (Пригодій, 2009). Автором визначені передумови поширення професій електротехнічної галузі виробництва, проаналізовано та визначено методику ефективного використання міжпредметних зв’язків, проблемності, наочності та технічних задач при формуванні знань з електротехніки в учнів загальноосвітніх закладів. Визначено місце лабораторно-практичних робіт у системі формування умінь за електротехнічним профілем.
Частіше зустрічаються окремі статті присвячені проблемі підготовки майбутніх педагогів професійної освіти із курсу «Електротехніка та електроніка» (Шишкін, 2014; Дідик, 2017; Петрицин, 2017; Павловський, 2022). У них досліджуються основні компоненти теорії та методики викладання електротехніки під час навчання майбутніх педагогів професійної освіти, вчителів трудового навчання та технологій. Авторами пропонується системний підхід, направлений на професійну орієнтацію теоретичного матеріалу електротехніки та електроніки, обґрунтовується необхідність вдосконалення та оновлення як змісту навчальної дисципліни «Електротехніка та електроніка», так і методики її викладання. Намічені перспективи подальшої професіоналізації дисципліни, наближення теоретичних положень до предметної галузі, наповнення ідеалізованих визначень реальним фізичним змістом.
Метою статті є аналіз особливостей та можливостей вивчення основ електротехніки у закладах загальної середньої освіти на заняттях з трудового навчання та технологій в умовах дистанційного навчання за допомогою програмно-апаратних комплексів.
Цифрова трансформація освіти веде до її якісної перебудови і полягає у досягненні необхідного навчального результату кожним учнем шляхом персоналізації навчального процесу на основі використання засобів віртуальної реальності, які створюють можливість застосування цифрових тренажерів, не прив’язаних до одного робочого місця, що розширює коло технологій, які вивчаються (Гриневич, 2020; Дущенко, 2021).
Ключовим у розвитку процесів цифровізації сучасної освіти є її ресурс, який найбільш динамічно розвивається – дистанційне навчання, яке сьогодні використовується в ході реалізації освітніх програм практично всіх ступенів освіти і спрямоване на збільшення доступності та індивідуалізації освітнього процесу за рахунок телекомунікаційних та віртуально-мережевих технологій. У зв’язку з цим за відсутності можливості працювати в лабораторіях навчального закладу в практичній підготовці учнів використовуються віддалені віртуальні лабораторії, що дозволяють без прямої взаємодії з викладачем моделювати поведінку реальних об’єктів у комп’ютерному середовищі (Загиряк, 2012).
Віртуальна лабораторія – це програмно-апаратний комплекс, що дозволяє проводити експерименти без прямого контакту з реальною установкою або за її відсутності. У першому випадку ми маємо справу з так званою Лабораторною установкою з віддаленим доступом, яка має справжнє обладнання, програмне та апаратне забезпечення для управління установкою та оцифрування отриманих даних, а також засоби зв’язку. У другому випадку, всі процеси моделюються на комп’ютері, це інтерактивний симулятор (Гуревич, 2002).
Можна виділити два типи таких програмно-апаратних комплексів:
1. Дистанційна лабораторія – лабораторна установка із віддаленим доступом.
2. Віртуальні лабораторії – програмне забезпечення, що дозволяє моделювати лабораторні досліди.
Існує ще кілька класифікацій: За способом доставки контенту: На компакт-дисках; онлайн (що розміщуються в інтернеті). За способом візуалізації: двовимірна графіка; тривимірна графіка; анімація; відео. За ступенем обмеженості експериментів, які проводяться: предметна область представлена з обмеженим набором заздалегідь запрограмованих дослідів; застосування математичних моделей без обмеження можливих підготовлених результатів дослідів.
Як і всі електронні освітні ресурси віртуальні лабораторії мають ряд переваг та недоліків.
Для зручності використання у навчальному процесі віртуальна лабораторна робота має відповідати низці критеріїв: відсутність необхідності встановлення додаткового спеціалізованого програмного забезпечення; дружній інтерфейс; інтерактивність, варіативність та динамічність; відповідність отриманого результату поставленій у роботі меті; безпека; можливість проведення експерименту, що у звичайних умовах неможливий; спрощення контролю за підготовкою учня до цієї лабораторної роботи; можливість диференціювати процес навчання.
Поряд із плюсами є й негативні сторони: відсутність практичних навичок роботи з обладнанням; відсутність предметної наочності.
Серед основних віртуальних середовищ можна виділити PhET, Multisim, Electronics Workbench, LabVIEW тощо.
Особливої уваги заслуговує PhET – безкоштовний сайт для створення інтерактивних симуляцій з природничих наук та математики, заснований лауреатом Нобелівської премії Карлом Віманом (проєкт університету Колорадо Боулдер). Учні можуть запускати ці симуляції, маніпулюючи різними аспектами конструкції, щоб зрозуміти науково-математичні концепції. Залежно від симуляції учні також можуть збирати, графічно та аналізувати дані, щоб зробити власні висновки.
Симуляції PhET особливо корисні для створення візуальних представлень важкозрозумілих понять у науці, водночас роблячи їх захоплюючими через доступні маніпуляції учнів. Симуляції PhET легкодоступні та безкоштовні для будь-кого, хто має пристрій і підключення до інтернету. Для користування не потрібен обліковий запис або вхід, з безкоштовним обліковим записом учителі також можуть мати доступ до вправ і відео-курсів. Загалом, це чудовий ресурс для оживлення концепцій STEM. Учителі можуть дуже легко переглядати відео, вибираючи предметну область, рівень класу та/або мову. Є розділ порад для вчителів та неймовірно корисний довідковий центр. Симуляції інтуїтивно зрозумілі та майже не потребують пояснень, що дає учням змогу легко досліджувати концепції науки та математики. Щоправда окремі з цих симуляцій PhET старіші, тому можуть виникнути певні труднощі з початковим налаштуванням, наприклад, встановлення Java та налаштування сумісності пристроїв учнів із конкретною симуляцією, яка обирається.
Симуляції PhET дозволяють вивчати елементи електричного кола: провідники, джерела живлення, споживачі електричної енергії, елементарні запобіжні пристрої; складати схеми електричних кіл та візуалізувати їх фактичним виглядом складових елементів; змінювати електричні параметри компонентів кола; вмикати вимірювальні прилади, тощо.
Інтерактивні моделі та симуляції PhET забезпечують ефективну та безкоштовну природничу та математичну освіту в інтуїтивному ігровому середовищі, де учні навчаються за допомогою досліджень та відкриттів. Симулятори дозволяють провести віртуальну лабораторну роботу та взаємодіють з інтерактивними дошками. Також є мобільні програми.
Для вивчення електричних кіл змінного струму можна скористатися системою схемотехнічного моделювання Electronics Workbench, яка призначена для моделювання та аналізу електричних схем. Програма Electronics Workbench дозволяє моделювати аналогові, цифрові та цифро-аналогові схеми середнього та великого ступеня складності. Наявні в програмі бібліотеки мають великий набір доволі поширених електронних компонентів. Є можливість підключення та створення нових бібліотек компонентів. Параметри компонентів можна змінювати у широкому діапазоні значень. Прості компоненти описуються набором параметрів, значення яких можна змінювати безпосередньо з клавіатури, активні елементи – це моделі, які є сукупністю параметрів і описують конкретний елемент або його ідеальне уявлення. Модель вибирається зі списку бібліотек компонентів, параметри моделі можуть бути змінені користувачем (Кучеренко, Щерба, 2005). Широкий набір приладів дозволяє проводити вимірювання різних величин, задавати вхідні дії, будувати графіки. Усі прилади зображуються у вигляді максимально наближеному до реального, тому працювати з ними просто і зручно. Результати моделювання можна вивести на принтер або імпортувати у текстовий або графічний редактор для подальшої обробки. Програма Electronics Workbench сумісна з програмою P-SPICE, тобто надає можливість експорту та імпорту схем та результатів вимірювань у різні її версії.
При вивченні електротехнічних робіт на заняттях з технологій для виконання моделювання та аналізу електричних схем, електротехнічних та електронних пристроїв та установок незамінною є система Multisim (у перекладі multi – «багато», simulation – «моделювання»), розроблена на основі віртуальної електронно-інструментальної лабораторії Electronics Workbench (Маланчук, 2018). Цей програмний продукт є віртуальною лабораторією, у бібліотеках якої у вигляді умовних графічних символів розміщені практично всі елементи, необхідні для креслення та складання сучасних електричних схем: джерела напруги і струму, резистори, котушки індуктивності, напівпровідникові прилади тощо. Для вивчення найпростіших кіл, а також виконання лабораторних та контрольних завдань знадобиться набір віртуальної вимірювальної техніки: амперметр, вольтметр, мультиметр, осцилограф тощо. При цьому здобувач освіти проводить самомоделювання електричного кола на рівні, близькому до професійного, може за своїм бажанням редагувати параметри всіх без винятку елементів і приладів у максимально широкому діапазоні (Медведенко, 2015).
Основні властивості віртуальних компонентів Multisim можна порівняти з характеристиками справжніх фізичних елементів. Така функціональна можливість програмного продукту призводить до того, що електричне коло, зібране в робочому вікні програми Multisim, після його активації вимикачем живлення оживляється: його вітками протікає струм, а на елементах кола з’являються спади напруги. Приєднавши до схеми віртуальні прилади, можна виміряти значення струму, напруги, опору , задавати та досліджувати сигнали.
Grapher та Postprocessor – програми пакету Multisim, які дозволяють відображати результати моделювання у графічному вигляді.
Показово, що правила збирання віртуальної електричної схеми, вимірювання та інші дослідження виконуються практично за тими ж правилами, що й для справжньої схеми. Кількість і тип електричних і електронних схем для різних цілей, які можуть бути зібрані і досліджені на звичайному сучасному комп’ютері, безмежні. Після збирання на «робочому полі» електричної схеми, згідно із завданням лабораторного практикуму, її можна дослідити в перехідних режимах, а також провести повний аналіз.
Варто наголосити, що при якісному проведенні віртуального експерименту його результати будуть ідентичні до результатів дослідження у цій схемі, а за точністю навіть перевищать їх, що є безперечною перевагою моделювання електричних схем у рамках віртуальної лабораторії.
Ще одна важлива перевага програми Multisim полягає в тому, що час, необхідний для складання та перевірки схем, суттєво менший, ніж для складання та дослідження реальних електричних кіл, та існує набагато більше варіантів і можливостей для досліджень, ніж на фізичному стенді в лабораторії.
Отже, пакет Multisim, по суті, є сучасною віртуальною електротехнічною лабораторією, розміщеною в персональному комп’ютері, і сьогодні вона стає незамінним помічником у рамках дистанційного здійснення навчального процесу. Це означає, що після проходження певної теоретичної підготовки та отримання мінімальних навичок роботи з програмним продуктом учень має можливість провести віртуальне моделювання та вивчити широкий спектр електричних схем, що відповідають конкретній реальній установці. При цьому методологічно важливо, щоб учень був ознайомлений з основами роботи на персональному комп’ютері; знав, принаймні, основи електротехніки та електроніки в рамках освітньої програми; чітко уявляв собі завдання дослідження, схему, що моделюється, і можливі результати, які будуть отримані. Для цього він повинен попередньо скласти принципову схему дослідження та розрахувати основні параметри його елементів з урахуванням меж зміни основних фізичних величин (напруги, струму, потужності тощо).
З точки зору практичної значущості використання системи схемотехнічного моделювання, полягає в тому, що, розрахувавши і спроєктувавши електротехнічний пристрій, учень може зібрати його віртуальну схему, ретельно дослідити її, провести необхідні вимірювання і тільки після цього доопрацювати схему, переконавшись, що вона відповідає всім заданим параметрам. Це початкове призначення та головна перевага програми Multisim, яка зумовила її постійне вдосконалення та все більше поширення з дослідницькою та освітньою метою.
Участь у навчальному процесі, що реалізується з використанням дистанційних технологій та електронного навчання, більш наочна та зрозуміла учням, ніж практична підготовка на сучасних багатоцільових установках, представлених у вигляді функціональних блоків або мнемонічних схем у рамі лабораторного столу з елементами та приладами, які розміщені на стенді, що, як правило, ускладнює розуміння зовнішнього вигляду схеми, її структури та поведінки. У процесі виконання віртуального лабораторного експерименту можна послідовно і осмислено витягувати необхідні елементи з електронної бібліотеки компонентів та вимірювальних приладів, самостійно збирати і вивчати електричну або електронну схему на моніторі комп’ютера. При цьому дослідницькі можливості будь-якого сучасного стенду незрівнянно менші, ніж у програмного забезпечення віддаленої лабораторії.
У цілому, використання програмних продуктів PhET, Electronics Workbench, Multisim та цілого ряду інших альтернативних симуляторів електричних та електронних схем зі схожим функціоналом дозволяє майбутнім фахівцям значно розширити можливості та покращити розуміння навчальних тем у процесі виконання лабораторного практикуму та контрольних завдань, а також стимулює до більш глибокого вивчення аналізованого віртуального інструменту з метою створення, розрахунку та тестування електричних схем об’єктів на етапах проєктування, виробництва та експлуатації. У цілому ж складання електричних схем і ознайомлення з реальними приладами необхідні майбутнім технікам та інженерам.
Водночас потрібно зазначити, що виконання робіт у віртуальній електротехнічній лабораторії зручне як для учнів, так і для викладачів, проте необхідне раціональне поєднання комп’ютерного моделювання та занять у фізичній лабораторії.
Гриневич Л.М., Морзе Н.В., Бойко М.А., (2020). Наукова освіта як основа формування інноваційної компетентності в умовах цифрової трансформації суспільства. Інформаційні технології і засоби навчання. 77 (3). 1–26.
Гуревич Р.С., Кадемія М.Ю., (2002). Інформаційно-кумунікативні технології в навчальному процесі: посібник [для пед. працівників і студ. пед. навч. закл.]. Вінниця: ДОВ «Вінниця».
Дідик, А., (2018). Використання інтерактивних методів при викладанні курсу «Електротехніка та електроніка» для майбутніх педагогів професійної освіти. Збірник наукових праць Кам’янець-Подільського національного університету ім. І. Огієнка. Сер. Педагогічна. 24. 100–102.
Дущенко О.С., (2021) Сучасний стан цифрової трансформації освіти. Фізико-математична освіта. 2 (28). 40–45.
Загиряк С.К., (2012). Використаня комп’ютерних технологій на уроках трудового навчання. Актуальні проблеми сучасної науки та наукових досліджень: збірник наукових праць. 3. 44–47.
Капустянский Р.А., (1970). Формування елементарних знань та умінь з електротехніки в учнів 5-го класу. Методика трудового навчання. 5. С. 70–84.
Кучеренко М.Є., Щерба А.А., (2005). Комп’ютерні технології в електротехніці та електроніці: методичні рекомендації до виконання лабораторних робіт з дисципліни «Електротехніка та основи електроніки» з використанням програми схемотехнічного моделювання Electronics Workbench. Київ: НТУУ «КПІ».
Маланчук, Є.З. та ін. (2018). Моделювання та аналіз цифрових схем. Підручник. Рівне: НУВГП.
Медведенко Б.І., (2015). Основи електроніки. Навчальний посібник на базі програми схемотехічного моделювання «MULTISIM». Київ: Національний політехнічний університет України «КПІ».
Павловський Ю.В., (2022). Проблеми викладання курсу електротехніки в педагогічному виші для майбутніх фахівців з технологій. Український педагогічний журнал. 2. 125–130.
Петрицин, І.О., (2017). Застосування комп’ютерного моделювання у процесі електротехнічної підготовки майбутнього вчителя технологій. Молодь і ринок. 1 (144). 60–64.
Пригодій М.А., (2009). Проблеми профільного навчання з електротехніки в загальноосвітніх навчальних закладах: монографія. Чернігів: ЧДПУ імені Т.Г. Шевченка.
Тхоржевський Д.О., (1978). Уроки технічної праці в 5 класі. Київ: Радянська школа.
Тхоржевський Д.О., (1986). Актуальні проблеми підготовки вчителя загальнотехнічних дисциплін. Київ: Вища школа.
Шишкін, Г.О., (2014). Методична система формування інтегрованих знань з фізики в процесі підготовки вчителів технологій. Донецьк: ЛАНДОН-ХХІ.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
© Надія Павловська, 2023
© Юрій Павловський, 2023