ОТ ИДЕИ — К КОНСТРУКЦИИ

Что лучше — копировать модель по готовому образцу, имея под рукой чертежи и описания, или самостоятельно конструировать новую машину, зная лишь самые общие условия их работы, отталкиваясь от общей идеи и схемы построения нового, не существующего еще аппарата?

Вопрос этот, быть может, несколько риторический с точки зрения любителей технического творчества (интересно и то и другое — у каждого свой вкус: один строит модели-копии, другой — экспериментальные), приобретает принципиальное значение для педагогов. Ведь речь идет о том, при каком методе работы со школьниками можно достигнуть наилучших результатов, быстрее развить у ребят творческое мышление, конструкторские навыки, предрасположенность и новаторской, рационализаторской работе.

Спор вокруг этой проблемы идет давно — с тех пор как только возникла у нас в стране трудовая политехническая школа и начали интенсивно развиваться различные виды моделизма. Одни утверждают, что моделизм в его, так сказать, классическом виде ничего не дает для развития творческого мышления у ребят, другие считают (на вполне солидной научной основе), что именно через моделизм можно воспитывать у школьников с ранних лет интерес к технике, к техническому творчеству.

Мы не будем сейчас обсуждать все аспекты этой в общем-то не простой проблемы, пригласив, однако, читателей высказать на страницах журнала свое мнение. Мы покажем на примере работы Валентина Федоровича Шилова, аспиранта Научно-исследовательского института общего и политехнического образования АПН СССР, кан можно практически углубить знания учащихся по тем или иным разделам физики, привить им интерес к конструкторскому творчеству, показать радость творческих открытий и увлекательность поисков экспериментатора, ученого-исследователя.

Все происходило как будто довольно буднично. Научно-технические конференции учащихся не такая уж педагогическая новинка. Вступительное слово учителя «О значении автоматических систем на производстве». Доклады учеников. Одни интересные, другие скучные. Обычные темы: «Датчики», «Усилители».

Но вот на кафедру поднялся Виктор Ситчихин из 10-го класса «А». И председатель конференции в наступившей вдруг тишине объявил торжественным голосом:

— А сейчас приступаем к защите проектов, которые разработали сами ребята. Виктор расскажет нам о фотореле на транзисторах. Схему он разработал сам и сам же изготовил этот прибор. Вы можете, ребята, устно или письменно задавать Виктору вопросы по схеме и конструкции его прибора.

По рядам прошло веселое оживление. Некоторые с неподдельным интересом разглядывали схему и сам прибор, другие кидали сочувствующие взгляды на Виктора: дескать, крепись, достанется тебе сейчас на орехи.

Виктор начал рассказывать. Сначала не очень уверенно. Но постепенно его голос становился тверже, движения точнее, спокойнее. А когда Виктор перешел к показу прибора в действии и демонстрации узлов в работе, совсем освоился, лихо отвечал на вопросы, и чувствовалось, что был готов снова и  снова возвращаться к рассказу о своем проекте.

Потом начали «защищаться» коллеги Виктора — второй, третий, десятый. И так вошли в роль, что, когда подводили итоги конференции, все выступили вновь и сказали в один голос — такие «защиты» надо устраивать почаще.

Юра Якурнов из 10-го класса «В» отметил: «Конференция принесла огромную пользу старшеклассникам. Оказывается, мы сами можем показать свое творчество и убедить других в рациональности разработанных нами конструкций!» А слова Толи Житлухина из 10-го класса «А» явились как бы заключительным аккордом всей конференции: «Пусть многие из нас взяли свои проекты из книг, но мы нашли им новое применение. Нам радостно, что участники конференции не остались равнодушными к обсуждаемым вопросам. Значит, конференция зажгла в них искру творческого исследования. И мы бы хотели, чтобы всегда вот так шли рядом учеба и исследовательская работа».

…Чтобы всегда шли рядом учеба и исследовательская работа. Исключительно верная, интересная мысль. Но как практически сделать, чтобы действительно нога в ногу шли учебный процесс и исследовательская работа школьников? Видимо, здесь не обойтись обычными методами. У нас ведь в школах да и во внешкольных учреждениях практикуется порой своеобразное натаскивание учащихся. Педагоги стремятся лишь сообщить знания школьникам, не заботясь о сколь-нибудь серьезном контроле над применением этих знаний в конкретной работе. А если и пытаются научить ребят практическим действиям, то только на примере копирования с образцов, с готовых чертежей при изготовлении известных уже приборов и моделей.

Мы решили совершенно иначе построить свои занятия, особенно факультативные и внеклассные, поставив задачу формирования у школьников потребности в непременном освоении новейших достижений науки и техники, воспитания у них творческих навыков при решении практических задач на конструирование.

В 9-х и 10-х классах при изучении основных разделов курса физики мы раздали ученикам специальные задания, выполнение которых вполне посильно при добросовестном изучении материала.

Когда был проработан вопрос о природе электрического тока в металлах, в вакууме, полупроводниках и газах по разделу «Постоянный электрический ток», учащимся предложили в течение двух недель разработать проект-схему автоматического или контрольно-измерительного устройства (фотореле, реле времени, резонансного реле, контактного реле, емкостного, индуктивного и др.), описать принцип его действия и найти практическое ему применение. Для выполнения такого задания необходимо знать не только принцип действия датчика и усилителя постоянного тока (на вакуумном триоде или транзисторах), но и иметь понятие об основных их параметрах. Естественно, что без предварительной педагогической, технической и даже психологической подготовки ребята не смогут найти правильное решение поставленной задачи.

Выполнению таких серьезных заданий, требующих синтеза знаний не одного раздела физики, предшествовали более мелкие, носящие повторительный или расчетный характер. Так, при изучении раздела «Постоянный электрический ток» ученики обратились к учебнику физики для 8-го класса и разобрались вновь в устройстве и принципе действия микрофона, телефона, электромагнитного реле; повторили, в чем заключается явление электромагнитной индукции и как работает трансформатор; по справочной литературе ознакомились с основными параметрами микрофонов, электромагнитных реле, термистора, фоторезистора, неоновых ламп, вентильного фотоэлемента. Мы проверяли затем, насколько четко они усвоили весь этот материал.

Когда выполнялись повторительные и расчетные задания на конструирование, учащиеся могли воспользоваться литературой, сосредоточенной в школьной библиотеке. Список литературы вывешивался в кабинете физики. Можно было обращаться за консультацией не только к справочной и учебной литературе, но и к учителям физики, руководителям технических кружков.

Истек срок, отведенный на разработку проекта, и ученики сдали свои работы на проверку учителю. Были отобраны лучшие, наиболее оригинальные проекты. Совет специалистов (в который входили учителя труда и руководители технических кружков) сказал свое веское слово о возможности практической реализации этих проектов в школьной лаборатории, мастерской или в домашних условиях. Лаборант и учитель позаботились о приобретении необходимых деталей и материалов.

Из 90 проектов, разработанных нашими учениками, мы отобрали десять лучших: 1) фотореле на фоторезисторе; 2) реле времени на неоновой лампе; 3) реле времени на вакуумном пентоде; 4) акустическое реле; 5) бесконтактное фотореле; 6) фотореле с фотодиодом; 7) светопередатчик на транзисторах; 8) светоприемник (бесконтактное фотореле); 9) усилитель постоянного тока на транзисторах; 10) высокочувствительное фотореле. Авторам предложили самим сконструировать прибор по разработанному ими проекту.

Многие ребята были, естественно, в затруднении. Ведь в своих проектах они приводили лишь принципиальную схему и описание принципа ее действия, но не проставляли на схеме номиналы деталей. Методикой расчета они еще не овладели. Мы разрешили проставить обозначения на схемах после проведения экспериментального исследования, то есть после сборки и наладки прибора, хотя в общем-то расчет должен предшествовать эксперименту, последний только уточняет номиналы деталей.

Вот один из десяти проектов, который был реализован в практическую конструкцию. Автор его — Виктор Чашников.

Реле времени на неоновой лампе (рис. 1) работает следующим образом. Конденсатор С₁ постепенно заряжается через резистор R₂ до напряжения зажигания неоновой лампы. Неоновая лампа зажигается, сопротивление ее резко падает, и конденсатор разряжается через лампу и последовательно включенный с ней телефон. При этом в телефоне прослушивается характерный щелчок. Как только напряжение на конденсаторе станет меньше напряжения потухания неоновой лампы, лампа гаснет. Снова начинается заряд конденсатора С₁, до напряжения зажигания неоновой лампы, и процесс повторяется. Время заряда конденсатора будет пропорционально его емкости и величине сопротивления резистора R₂. Так как резистор R₂ переменный, то с помощью его можно регулировать частоту колебаний реле. Последнее питается от сети через выпрямитель (ДС₂). Виктор задумал использовать реле времени в качестве метронома и применять его на уроках физики при изучении отдельных вопросов кинематики и колебательного движения. Когда он начал проводить его испытания, то выявил, что громкость щелчков, прослушиваемых в телефоне, недостаточна. Тогда он исключил из схемы резистор R₂, а вместо телефона поставил динамик. Но и это не дало нужного результата.

А если включить динамик параллельно конденсатору С₁ через контакты реле? Тогда возникает необходимость в электромагнитном реле, которое бы периодически срабатывало и замыкало конденсатор С₁ на динамик. Оно будет работать в этом режиме, если его включить вместо телефона. Но поскольку ток, проходящий через неоновую лампу, составляет 1—3 ма, электромагнитное реле должно быть высокой чувствительности. Подходящим оказалось поляризованное реле.

Еще при постановке первого опыта Виктор заметил, что частота колебаний метронома зависит от напряжения питания. Возникла необходимость стабилизации этого напряжения. В результате мысленного и реального эксперимента схема метронома приобрела вид, показанный на рисунке 2.

А вот как разрабатывалось высокочувствительное фотореле, состоящее из фотоумножителя ФЭУ-19М и усилителя постоянного тока на лампе 6П14П (рис. 3).

Автор его — Толя Житлухин — привел следующее описание принципа работы прибора.

Внутри вакуумной стеклянной трубки фотоумножителя расположены пластинки (диноды), имеющие наружные выводы, которые соединяются с источником постоянного тока так, что между первой пластинкой и второй, второй и третьей и т. д. образуется сильное электрическое поле. Под действием света из фотокатода, расположенного в торцевой части трубки, вылетают электроны, увлекаются электрическим полем и ударяются о первый динод. При этом они выбивают с поверхности динода вторичные электроны. Эти электроны под действием электрического поля ускоряются и попадают на второй динод. В результате из второго динода выбивается еще большая группа вторичных электронов, которая попадает на третий динод. Электронная лавина продвигается от первого динода до последнего с огромной сноростью, обрастая и умножаясь, как снежный ком, все большим количеством электронов.

Фотоэлектронный усилитель близок к идеальному усилителю. Он исключительно удобен для усиления таких слабых и широкополосных сигналов, как фототоки. Основной его недостаток — невозможность усиления сравнительно мощных сигналов. Поэтому обычно применяют комбинированное усиление: первоначально, пока сигнал мал, применяют фотоэлектронный умножитель, а затем, когда сигнал усилен настолько, что ему не страшны флуктуационные помехи лампового усилителя, применяют последний.

Произведенные автором измерения показали, что фототок умножителя не вызывает срабатывания реле. Возникла необходимость в усилителе постоянного тока. Для усиления фототока была выбрана лампа 6П14П, так как она имеет высокую крутизну анодно-сеточной характеристики, а следовательно, может дать большее усиление.

Дальнейший эксперимент показал, что фотореле срабатывает от горящей спички, расположенной от фотокатода на расстоянии 5 — 7 м. Более того, было найдено, что с помощью фотоэлектронного умножителя можно измерить ток вторичной эмиссии. Для этого автор сделал дополнительный вывод (зажим С). Вначале через миллиамперметр нужно подать напряжение 100 в на зажимы А и С, затем 1500 в на зажимы А и Б и сравнить показания прибора.

Подобная работа проводилась нами и при изучении ряда других разделов курса физики: например, теплового расширения твердых тел, жидкостей и газов; механических колебаний и волн и др.

Хотелось бы дать в заключение практический совет педагогам. Уже при отборе проектов учитель должен видеть продолжение работы над этими проектами, над их синтезированием.

На защиту у нас выносились так называемые комплексные проекты; некоторые из них представляли отдельные узлы кибернетической модели «черепаха». Поэтому авторы этих проектов могут объединиться и изготовить вместе эту сложную модель. Другие также объединились в группы, одна из которых изготовила автомат для подачи звонков в школе, другая — полуавтомат для кинопроектора.

Групповой метод работы по созданию сложных конструкций, как правило, дает лучшие результаты, чем индивидуальный. Здесь мы обнаруживаем и лучшее конструктивное решение, и техническое выполнение прибора, и сокращенные сроки в достижении практического результата. Огромный труд по изучению вопросов, относящихся к поставленной задаче, всякого рода расчеты по ходу работы, моделирование узлов и их экспериментальная проверка распределяются на всех членов группы более равномерно.

Для разработки сложных коллективных конструкций учитель или руководитель кружка должен найти заранее решения поставленных перед учащимися задач, с тем чтобы их тщательно проанализировать и найти оптимальные пути практического создания таких конструкций. Только после этого он сможет провести учащихся, опираясь на их максимальную самостоятельность, по кратчайшему пути творческого исследования.

В процессе решения сложных задач у учащихся вырабатывается умение самостоятельно сопоставлять факты, анализировать связи между отдельными явлениями, устанавливать функциональные зависимости между входными и выходными величинами для отдельных блоков, узлов, понимать работу конструкции во всей совокупности входящих в нее элементов. В результате этого степень осмысления учебного материала достигает такого уровня, при котором ученики, получая представление о применении законов физики в технике, стремятся сами найти в литературе и в жизни дополнительные сведения и на этой основе самостоятельно разработать конструкции отдельных узлов. А затем, в процессе коллективного творчества, синтезировать их в сложные приборы и модели.

Таким образом, решение задач на конструирование заставляет учащихся не только постоянно пополнять свои знания, но вместе с тем развивает способность применять полученные знания в новой, незнакомой ситуации, что обеспечивает более качественное усвоение знаний на уровне их творческого применения. Кроме того, эти задачи воспитывают у учащихся способность и стремление к исследованию, без чего не может быть новаторского и рационализаторского подхода к работе на производстве.

В. ШИЛОВ