Педагогическое проектирование начальной профессиональной подготовки по электронике

ПЕДАГОГИКА

УДК 370.179.1

ББК 4 486.88.

В. Б. Венславский

г. Чита

Педагогическое проектирование начальной профессиональной подготовки по электронике

В статье обсуждаются аспекты методической и предметной подготовки студентов к работе в условиях профильного обучения по направлению «Электроника».

Ключевые слова: предметная компетентность, профессиональная компетентность, электроника, математическое моделирование, педагогическое проектирование, электронное устройство.

V. B. Venslavsky

Chita

Pedagogical design of initial professional training in electronics

The paper discusses some aspects of methodical and subject area of students' training for work under conditions of profile instruction in "Electronics" course.

Keywords: subject competence, professional competence, electronics, mathematical modeling, pedagogical projection, electronic device.

Педагогическая проектная деятельность под-чиненапедагогическимцелямирассматривается как средство их достижения. Успешность педагогических проектов учителей-исследователей позволяет администрации школ выполнять собственные поисково-исследовательские функции, определять конкурентно-устойчивые ниши на рынке образовательных услуг. Интерес учащихся старших классов к процессу обучения находится в плоскости начальной профессиональной подготовки, приобретения знаний и практического опыта в рамках тех предметов, которые востребованы будущей профессией. Направленность первого этапа «непрерывного профессионального образования» в настоящее время может самостоятельно определяться руководством школы в расчёте на профессиональную компетентность педагога-исследователя, способного к творческой деятельности и организации условий профильного обучения. Процесс перехода на профильное обучение школь-

ников сопряжен с формированием готовности выпускников педагогических вузов к работе в новых условиях, что требует выполнения ряда конструктивных шагов в методической подготовке студентов — будущих учителей — технологов образовательного процесса. Это новые подходы к содержанию профильных предметов как главного источника личностно ориентированного, ценностного отношения к знаниям и учебной деятельности, к технологиям учебного процесса в развиваемой информационно-образовательной среде (ИОС) [3, с. 89]. Формирование готовности студентов — будущих учителей физики и технологии к работе в условиях профильного обучения школьников по направлению «Электротехника / радиоэлектроника» (далее — «Электроника») включает развитие культуры педагогического проектирования и учебного моделирования электронных устройств (ЭУ), и является предметом обсуждения [5; 7, с. 184].

В проблемное поле создания ИОС при переходе на индустриально-технологический профиль можно отнести: развитие тезауруса и отсутствие специализированных толковых словарей по направлению «Электроника», обеспечивающих коммуникационную составляющую обучения; недостаточное количество современной учебной литературы, в которой не проявляются концептуальные заблуждения описания простейших электрических цепей как целостных систем. Учебная литература как один из главных компонентов ИОС должна отвечать современному статусу и опираться на достаточно строгую систему терминов (чтобы учитель и ученик свободно понимали друг друга). Трудности освоения понятийного аппарата в образовательных областях «Физика» и «Технология» особенно ощутимы при переходе от элементарной физики к основам электроники и схемотехники. Это можно объяснить отсутствием наглядности электромагнитных процессов, протекающих в электронных устройствах. Визуальному восприятию доступны только сама элементная база с кодировкой и маркировкой знаков полярности. О процессах в электрических цепях можно судить только косвенно, опираясь на измерение физических величин с помощью приборов. Методики эффективного соединения теории и практики во многом опираются на проектноисследовательский метод — учебное моделирование и проектирование, приобретение знаний и практического опыта в процессе творческого поиска проектных решений — автодидактизм (по О. С. Газману). Значимым элементом учебной проектной технологии является освое-

ние проектной процедуры моделирования и входящих в неё процедур анализа, синтеза и оптимизации. Выполнение проектных процедур при схемотехническом изыскании приводит к частным проектным решениям в форме описания информационных математических моделей прототипа ЭУ и переход к модели в форме электрической схемы (замещения или принципиальной). Процедуры анализа, оптимизации и синтеза в процессе моделирования ЭУ направлены на создание приемлемого учебного проектного решения. Учебное проектирование простейших двух- и трехэлементных схем — задача начального этапа изучения схемотехники, выполнение которого позволяет освоить ядро ИОС и основные проектные процедуры. Технологическая цепочка обучения основам схемотехники базируется на принципах программирования, на построении информационной модели по заданной программе — математической модели системы. Значимая учебная задача схемотехники — освоение учебной технологии анализа и синтеза самых простых систем, простейших соединений в цепь источника и приемника. Специфика учебного проектирования ЭУ состоит в том, что студент педагогического вуза готовится к применению учебной технологии элементарного моделирования устройств в условиях профильной школе, т.е. к технологиям педагогического проектирования без применения языка высшей математики. Технология моделирования ЭУ позволяет учителю гибко выбирать доступные методы графического или аналитического решения, строить математическую модель (программу) и на этой основе изображать принципиальную схему или вариант ее схемы замещения, используя условные графические обозначения (УГО) элементов. Наглядность в описании процедуры анализа схем достигается, на наш взгляд, если язык программирования на физическом уровне используется в графической форме, устранена многозначность терминов и используются информационные технологии, позволяющие реализовать ИОС и имитационное моделирование.

Результат первого этапа учебного исследования — найти обоснования и выразить на информационном носителе техническое предложение. Участие студентов в проектировании ЭУ и самостоятельный поиск проектных решений позволяет активно продвигаться в направлении планируемого освоения компетенций, необходимых для работы учителем в условиях профильного обучения. В учебных проектах педагогической направленности одним из ожидаемых результатов является составление учебных текстов разного уровня сложности и

назначения. В процессе работы над учебными техническими текстами студент вынужден опираться на проектную процедуру — исследование содержания литературных источников, включая статьи энциклопедических словарей. В последние годы в России выпущены толковые словари, адресованные школьнику и студенту, которые после определенной коррекции могут оказать значительное положительное влияние на восприятие современной электроники [см.: 2]. Толкование системы понятий в статьях словарей опирается на субъективные взгляды их авторов и не исключает ошибочные представления и неточности. Подобные издания требуют широкого обсуждения и внесения коррекции. На этапе апробации толковых словарей происходит переосмысление отдельных статей, уточнение толкования ряда понятий, выявление пробелов и как в любом живом языке введение новых научных терминов. В настоящей работе делается попытка уточнения терминологии модельного ряда элементной базы современной электроники и понятийного аппарата описания целостных систем источник-приёмник, которые дополняют или находятся в противоречии с отдельными статьями толкового словаря [см.: 2]. Переход к профильному обучению школьников электронике в первую очередь, на наш взгляд, ставит задачи по обновлению толковых словарей профильных направлений и созданию учебных пособий нового поколения, ориентированных на основы моделирования и проектирования устройств.

Реальные электронные приборы, составляющие элементную базу и измерители параметров, как известно, можно описать на языке математических моделей в графической или аналитической формах. В определенных пределах реальные свойства приборов описываются линейными моделями. Например, закон Ома — линейная модель резистивного элемента цепи, которую удобно именовать R-элемент (в отличие от варисторов, термисторов и т.д.). Линейные модели диссипативных элементов цепи, в которых энергия упорядоченного движения (электрического тока) преобразуется в энергию теплового и электромагнитного хаотического излучения, в современной учебной литературе по теории цепей принято называть: R-элемент, С-элемент, L-элемент, ХХ-элемент ^ = ж), КЗ-элемент ^ = 0).

В педагогическом вузе введение этих терминов, с нашей точки зрения, особенно важно в связи с переходом на профильное обучение, когда ученик и учитель в процессе выполнения педагогических проектов должны быть обеспечены коммуникативными средствами. Наибольшие понятийные и терминологические трудно-

сти, при формировании готовности студентов к восприятию электроники с целью ее преподавания на профильном уровне, связаны с источниками электрической энергии. Источники энергии в школьных учебниках традиционно называют «источниками тока», что вносит противоречия, т.к. смешиваются принятые в текстах теории цепей термины источник задающего напряжения (ИЗН) и источник задающего тока (ИЗТ). В моделях транзисторов, как известно, применяются сразу две модели и без приведения этого вопроса к соответствию теории цепей двигаться к рефлексивному взаимодействию достаточно проблематично. Для последующего воспроизведения моделей источников и их использования в учебном процессе, с нашей точки зрения, педагогическим сообществом должны быть приняты термины модельного ряда генерирующих устройств, которые уже применяются отдельными авторами (в теории цепей) и ускоряют понимание сути. Во-первых, реальные ИЗН и ИЗТ — принципиально нелинейные устройства. Для упрощения описания режима генерации принято использовать линейные модели резистивных источников электропитания с внутренним сопротивлением г, которое оценивается по напряжению холостого хода и и току короткого замыкания I.

Режим генерации можно изобразить на воль-тамперной плоскости нелинейной вольтамперной характеристикой (ВАХ) источника в IV (II) квадрантах или линейными моделями и именовать г-элементами. Кроме линейной математической модели источника, которая описывает дуальные модели ИЗН / ИЗТ (отрезок прямой, ограниченный координатами [0, — I ] и [ихх 0]), используются модели идеальных источников, которые, как мы считаем, удобно называть — Е-элемент (г = 0) и 1-элемент (г = ж). Наиболее близко Е-элементу модель гальванического вторичного элемента — аккумулятора (для которого внутреннее сопротивление мало), что на практике позволяет применять инженерный подход — обозначать ЭДС аккумулятора через Е, пренебрегать внутренним сопротивлением источника. Схема линейной цепи - информационная модель в виде соединения в различные структуры R-элементов, С-элементов, L-элементов, ХХ-элементов, КЗ-элементов и источников электропитания: линейных ИЗН / ИЗТ -г-элементов (в схемах замещения — идеальных Е-элементов или 1-элементов). Если математические модели (таблицы данных, графики) компонентов цепи известны, то для «ненакапливающих элементов» (т.е. кроме моделей ёмкостных и индуктивных элементов) можно воспользоваться языком графического анализа. Особенности представления ВАХ источников (генераторов:

гальванических аккумуляторов, солнечных элементов) в том, что возможны два режима:

— генерации, график ВАХ или модели в IV (или II) квадрантах;

— регенерации (преобразования), график ВАХ или модели аккумулятора в режиме зарядки в I (или III) квадрантах.

Между элементами системы в электрических цепях проявляются связи на основе законов сохранения заряда и энергии, которые применяются в форме системы структурных топологических законов: закона токов Кирхгофа (ЗТК), закона напряжений Кирхгофа (ЗНК). Система уравнений Кирхгофа для цепи типа контур - математическая модель цепи как системы. Решение системы уравнений Кирхгофа позволяет оценивать и задавать режим по постоянному току — планируемую силу тока и величину напряжения на рабочем элементе в замкнутой электрической цепи, соответствующие энергетическому балансу между источниками и приёмниками. В систему понятия режим по постоянному току входят парные понятия: источник (генератор) и приёмник (нагрузка), генерация и регенерация, рабочий элемент и балластный элемент, цепь смещения и цепь нагрузки.

Согласно теореме Телледжена алгебраическая сумма произведений силы тока на напряжения в элементах контура равна нулю, т.е. для системы генератор-нагрузка выполняется баланс мощностей:

¡иг + шн = 0, откуда шн - |шг| = 0.

Для представления модели источника в режиме генерации в первом квадранте можно также использовать модуль, что приводит к появлению «падающей характеристики» — «опрокинутой характеристике», свойственной только генераторным системам. В замкнутой цепи как целостной системе источник-приёмник проявляется свойство отрицательной резистивности, на что указывает тангенс наклона прямой после опрокидывания характеристики источника из IV в I квадрант.

Цель операции опрокидывания ВАХ (или модели) — определение режима в системе по постоянному току. Режим в цепи источник-приёмник принято определять по рабочей точке пересечения ВАХ приёмника с «опрокинутой» из IV в I квадрант ВАХ источника, чаще речь идет о построении линейных моделей. Изображение математической модели источника в графической форме в режиме генерации падающим графиком в I квадранте имеет смысл только в модели системы, включающей и ВАХ (или модель) пассивного приемника. Математическая модель системы источник-приёмник в графической форме - это ин-

вариантная форма представления модели системы на основе законов Кирхгофа. Обратим внимание, что метод Кирхгофа традиционно подразумевает аналитическую запись системы уравнений ЗНК и ЗТК. Графическая форма расчета методом Кирхгофа — метод опрокинутой характеристики, который в большей степени востребован в схемотехническом проектировании и используется в анализе нелинейных устройств. Проблема в том, что в ряде учебных текстов опрокинутая характеристика источника обозначается различными именами: «нагрузочная прямая», «внешняя характеристика нагруженного источника», «ВАХ источника» и т.д. Констатируем, что это уже не ВАХ источника, а модуль её или одной из моделей в режиме генерации. График опрокинутой характеристикой традиционно называют внешняя характеристика нагруженного источника. В практической деятельности следует различать два случая: контур состоит из источника и приёмника; в контуре один или несколько источников и приёмники (применяется метод эквивалентного генератора, когда все кроме исследуемого элементы цепи виртуально вводят в состав генератора). Для случая «источник-приёмник», с нашей точки зрения, целесообразно закрепить термин — внешняя характеристика генератора (ВХГ). Для случая «эквивалентный генератора-приёмник», с нашей точки зрения , целесообразно использовать термин внешняя характеристика эквивалентного генератора (ВХЭГ). Опрокинутая характеристика как модуль ВАХ источника (или его моделей) получает имя ВХГ и является инвариантным представлением генераторного участка в I (или III) квадранте с целью анализа режима целостной системы. Модель целостной системы источник-приёмник включает пересечение ВХГ и ВАХ (или модель) внешней нагрузки. В учебной и научной литературе в целях сокращения усилий на построение математических систем принято изображать геометрическое место решений в I квадранте, которое совпадает с ВХГ. Проблема в том, что в большинстве учебных пособий ВХГ изображается без графика нагрузки, однако, надпись под рисунком не соответствует сути — геометрическому месту решений на разных нагрузках. В учебной литературе нового поколения по направлению «Электроника» следует, как мы считаем, опираться на построение математических моделей систем, включающих ВХГ (или ВХЭГ) и ВАХ (или модель) нагрузки и только на следующем этапе показать возможность изображения графика ВХГ / ВХЭГ как геометрического места точек-решений. Распространенная ошибка, когда изображают ВХГ без нагрузки с надписью «ВАХ источника» (ВАХ источника в другом ква-

дранте). Из учебных текстов в настоящее время сложно понять о чем говорят большинство автор (о модели системы, о модели источника, о модели балластного элемента). В анализе линейных цепей и линейных четырехполюсников метод опрокинутой характеристики следует, с нашей точки зрения, применять в учебных целях как элемент инновационной учебной технологии. Использование термина внешняя характеристика генератора снимает вопросы нарушения целостности системы, поскольку в этом случае речь идёт о геометрическом месте точек готовых решений. Проблема в том, что в учебных текстах этот вопрос как и происхождение геометрического места решений не обсуждается, является областью заблуждений и умалчивания.

Оценка зарубежного опыта описания источников и систем источник-приёмник позволяет говорить о наличии подобных ошибок. На первом рисунке, как правило, изображается цепь, состоящая из источника и приемника. На следующем рисунке вместо математической модели системы ошибочно изображается ВХГ без графика нагрузки (часто с надписью «ВАХ источника» или без пояснения) [4, с. 24 — 25; 6, с. 161]. Заблуждения авторов учебных текстов с позиции системного подхода приводят к трудностям понимания учебного материала на уровне меж-культурных коммуникаций и являются предметом исследования педагогики трансграничья.

Вторая крайность — когда источник считают идеальным ИЗН с г = 0 и о существовании ВХГ вообще забывают, а падающий график ВХЭГ ошибочно называют ВАХ ограничивающего (балластного) резистора в цепи смещения. В качестве редкого положительного примера приведем описание целостных систем для цепей смещения транзистора в книге «Схемотехника электронных систем. Аналоговые и импульсные устройства» [см.: 1]. Вероятность того, что эту книгу прочтут будущие учителя и сделают для себя конструктивные выводы, крайне незначительна, что требует создания учебных пособий нового поколения. На наш взгляд, важно научить студентов (в последующем и школьников) строить математические модели простых электронных системы в графической форме, развить навыки проектно-исследовательской деятельности по организации ИОС в предметной и профессиональной педагогической сфере, включить в разработку учебно-методических комплексов (УМК) профильных и элективных учебных предметов начальной профессиональной подготовки школьников электронике. Будущим учителям технологии и физики совместными действиями предстоит реализовать начальную профессиональную подготовку старшекласс-

ников электронике (профильные предметы: физика — 10 часов в неделю на 2 года; технология — 8 часов), что требует интегративного подхода в подготовке и развитии преемственности школьного и вузовского образования [см.: 7].

В системе подготовки будущих учителей технологии и физики в настоящее время, на наш взгляд, требуется восполнение начальной профессиональной подготовки в области электроники за счет вводного элективного курса, изучение которого для развития мотивации занятия электроникой и участия в НИРС целесообразно на 1 или 2 курсе. В рамках элективного курса предполагается выполнение проектов по разработке элементов УМК и выход на тему сквозного проектного задания ВКР. Примерная

структурно-логическая модель элективного курса «Введение в электронику» построена нами с учетом формирования предметной и профессиональной педагогической компетентности (ПППК) и рассматривается в качестве основы проектного задания на разработку УМК начальной профессиональной подготовки школьников по направлению «Электроника» (рис. 1).

С позиции компетентностного подхода целью подготовки будущих учителей физики и технологии к профессиональной деятельности является достижение квалификационного уровня ПППК. Модель методической системы формирования у студентов ПППК в области электроники можно представить структурно-логической моделью (рис. 2).

Введение в электронику

-------а

Методология учебного проектирования и моделирования

Ж

Ж

Информационные модели элементной базы в форме:

- УГО

- словесного портрета

- таблицы данных

- графиков у - уравнений

Ж

Линейные дуальные модели элементов цепи:

- Я-элемент - С-элемент

- г-элемент - §-элемент

- Е-элемент - 1-элемент

Т\

V

Информационные модели целостных систем в форме:

- словесного портрета

- различных схем

- таблицы или карты

- системы графиков

- системы уравнений

Ж

Модели линейных цепей как целостных систем:

- «источник-приёмник» -«источник-два приёмника»

Моделирование устройств:

- делитель напряжения

- делитель тока Конструирование устройств Макетирование, наладка

Педагогическое, проектирование элементов УМК

Рис. 1. Структурная модель модуля «Введение в электронику»

Целевой компонент'. профессиональная направленность будущих учителей технологии и физики к учебному проектированию электронных устройств и педагогическому проектированию начальной профессиональной подготовки по направлению «Электроника».

тг

Мотивационный компонент'. успешность профессиональной педагогической деятельности при реализации начальной профессиональной подготовки старшеклассников по направлению «Электроника».

ИГ

Методологический компонент. формирование общекультурных, предметных и профессиональных компетенций на основе компетентностного подхода и современных педагогических технологий.

Содержательный (предметный и процессуальный) компонент:

интеграция фундаментальности, централизации, преемственности,

наглядности в моделировании, технологичности учебного проектирования, интеграции технологического и физического образования.

1П1

Основной

курс:

Электроника

Элективный курс. Цифровая электроника

Л

и

Элективный курс: Электротехника / телемеханика

г л

V Элективный курс. Введение в электронику )

Элективные курсы, проекты и индивидуальные маршруты

(уровень бакалавриата и магистратуры)'. Технологии педагогического проектирования начальной профессиональной подготовки по напоавлению «Электроника»

Рис. 2. Модель методической системы формирования ПППК

Критерием эффективности формирования ПППК выбрано продвижение студентов на более высокий уровень профессиональной и предметной компетентности. Формирование готовности будущих учителей к педагогической деятельности оценивалось по трехуровневой шкале: низкий уровень — репродуктивный, средний уровень

— репродуктивно-креативный, высокий — конструктивно-креативный. В оценке предметной компетентности будущих учителей обращалось внимание на эффективность формирования готовности к выполнению учебного моделирования электронных устройств с использованием метода опрокинутой характеристики и примерных УМК элективных курсов.

В процессе педагогического проектирования нами были разработаны примерные модели УМК элективных курсов «Введение в электронику» и «Цифровая электроника», главными элементами которых являются авторские учебные пособия «Введение в учебное проектирование электронных устройств» и «Учебное моделирование цифровых устройств». В состав примерных моделей УМК включены оригинальные

имитационные программы и аппаратные средства, разработанные в процессе учебного проектирования и НИРС. На основе примерных моделей УМК (или их вариантов) студентам предлагается провести учебную экспертизу и найти собственные проектные решения с последующей защитой и внедрением.

Оценка эффективности формирования профессиональной педагогической компетентности (с опорой на предметную компетентность) осуществлялась на основе сравнения готовности студентов к учебному педагогическому проектированию УМК профильных и элективных предметов начальной профессиональной подготовки школьников по направлению «Электроника». Приращение показателей в экспериментальной группе (28 студентов) по отношению к контрольной группе (36 студентов) оказались статистически значимыми, позволяющими сделать вывод о целесообразности внедрения методической системы формирования ПППК при подготовке будущих учителей физики и технологии, которым предстоит реализовать обучение школьников электронике на профильном уровне.

Список литературы

1. Бойко В. И. [и др.]. Схемотехника электронных систем. Аналоговые и импульсные устройства. СПб.: БХВ-Петербург, 2004. 496 с.

2. Гомоюнов К. К. [и др.]. Физика. Толковый словарь школьника и студента / под ред. К. К. Гомоюнова, В. Н. Козлова. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2007. 486 с.

3. Десненко С. И. Концепкия профессионально-методической подготовки студентов педвузов к решению задачи развития личности учащихся при обучении физики в школе. М., 2007. 260 с.

4. Корис Р., Шмидт-Вальтер Х. Справочник инженера схемотехника: пер. Ю. А. Забо-лютной. М.: Техносфера, 2008. 608 с.

5. Радионова Н. Ф. [и др.]. Проектирование в образовательном процессе вуза: гуманитарные технологии / под ред. Н. Ф. Радионо-вой. СПб.: Книжный Дом, 2008. 192 с.

6. Сюнь Д. Т., Ху Дзень Хуа. Физика: учеб. для средней школы высшей ступени: в 3-х ч. Пекин: Изд-во народного образования, 2005 (на китайском языке). 274 с.

7. Филатова Л. О. Развитие преемственности школьного и вузовского образования в условиях введения профильного обучения в старшем звене средней школы. М.: Лаборатория базовых знаний, 2005. 192 с.