Фрагмент проектной технологии формирования профессиональной компетентности будущих инженеров (усовершенствование мотора Бедини)

В процессе изучения раздела физики «энергия, закон сохранении и превращения энергии» в целях формирования профессиональной компетентности будущих инженеров целесообразно мотивировать студентов к изучению дополнительных материалов о применении наиболее распространенных свинцово-кислотных аккумуляторов в качестве источников электроэнергии в автомобильном транспорте, а так же для обеспечения работоспособности агрегатов и устройств в аварийном режиме. Изучая процессы генерации, накопления и преобразования энергии, преподаватель строит процесс познания на репродуктивно-продуктивном подходе. Указанный подход к формированию профессиональной компетентности будущих инженеров заключается в том, что не достаточно требовать от студентов приобретения глубоких и прочных знаний о физическом принципе работы свинцово-кислотных аккумуляторов, основанном на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в сернокислотной среде; выполнения репродуктивных действий по запоминанию значений физических и эксплуатационных характеристик аккумуляторов (рабочей температуры, КПД, номинальной и резервной емкости). Продуктивность формирующего педагогического процесса выражается в необходимости привести студента к эвристическому поиску усовершенствования процесса зарядки аккумулятора, к сбору информации о многообразии всех известных к настоящему времени способов, к самостоятельной постановке и решению качественно новой творческой инженерно-технической задачи. А так же воплощению результатов конструкторского поиска в виде полезной действующей модели, макете, образце усовершенствованного объекта. Изучение свойств, характеристик и параметров работы созданной модели и сравнение их со свойствами и параметрами работы известных и использующихся технических объектов, позволяет студентам в рамках собственного профессионального становления стать причастным к техническому творчеству, узнать о способах воплощения физических принципов, законов, явлений в инженерно-технических объектах.

Педагогическая деятельность, регламентирующая действия преподавателя и студента по формированию профессиональной компетентности будущих инженеров в процессе изучения физики имеет свою направленность и динамику, которая может быть выражена в следующих этапах деятельности, представленных на примере модификации мотора Бедини.

Первый этап – поиск, сбор и классификация информации об объектах профессиональной деятельности инженеров, физических принципах их функционирования. Этот этап деятельности преподавателя и студентов, предшествует самостоятельной постановке исследовательской задачи – на нем происходит подготовка научно-теоретического базиса, накопление и изучение полезной информации по заданной исследовательской теме. Дальнейшее изучение, систематизация, осмысление, обобщение и анализ информации позволяет обнаружить студентам возможность самостоятельной творческой реализации в русле выбранной темы. В качестве примера, выбранного в настоящей статье, приводится выполненное студентами изменение конструкционных особенностей мотора Джона Бедини – зарядного устройства аккумуляторов, выполненного по принципу Николы Тесла. Указанное зарядное устройство имеет перспективные и нестандартные физико-технические особенности: его использование позволяет увеличить емкость аккумуляторов в 2,5 раза, восстановить до 70% нерабочих аккумуляторов, которые до этого заряжались при помощи традиционного способа, кроме того, нагрев аккумулятора при зарядке отсутствует. К примеру, произведенная студентами технологическая классификация способов зарядки аккумуляторов позволяет выделить две основные группы устройств: во-первых, свинцовые аккумуляторы заряжают зарядным устройством постоянного тока, например, в автомобилях свинцовый аккумулятор высокой емкости заряжается от генератора с выпрямительным мостом. Во-вторых, существует ряд устройств, называемых импульсными зарядными устройствами. Классификация способов зарядки аккумуляторов позволяет сузить область инженерного поиска и сконцентрировать внимание на наиболее проблемной, интересной и перспективной области исследований.

Второй этап – выбор схемы зарядного устройства в целях последующего физико-технического усовершенствования его конструкционных особенностей. Первоначальный импульс продуктивной творческой деятельности студентов связан с выбором наиболее интересных, простых и понятных студентам схем зарядных устройств, но в то же время и имеющих серьезный потенциал для дальнейшего физико-технического моделирования и конструирования. Исходная простота сборки и настройки зарядного устройства с одной стороны, не должна отпугнуть студентов на первоначальном этапе творческой деятельности от возможности попробовать свои силы на поприще последующего видоизменения конструкции изучаемого объекта профессиональной деятельности. С другой стороны, простота выбранной схемы выполнения объекта должна иметь определенный инженерный потенциал, и не должна нарушать перспективу дальнейшего видоизменения за счет своей тривиальности. На Рисунке 3.2.1. приведена оригинальная схема мотора Бедини, выбранного в качестве устройства, подлежащего последующей модификации.

Рис. 3.2.1. Оригинальная схема мотора Бедини.

Третий этап – физико-технический анализ схемы, разбор функционального назначения отдельных ее конструкционных элементов и их совокупности, оценка возможности и необходимости их наличия в схеме, поиск возможности их замены и способов включения других конструкционных элементов, сохраняющих основное назначение и функциональность исходной схемы. На этом этапе оценки оригинальной схемы начинается детальный разбор, связанный с возможностью ее выполнения в экспериментальных условиях. К примеру, оригинальная схема выбранного мотора Бедини содержит бифилярную катушку индуктивности (катушку индуктивности, намотанную в два провода). Возможность самостоятельного выполнения подобного конструкционного элемента подразумевала в нашем случае использование эмальпровода. Но как оказалось, выбранное техническое решение встретило препятствие дефицитного характера (эмальпровод, который требовался для изготовления катушки, не оказался в наличии в г. Орске). Студент 2 курса механико-технологического факультета ОГТИ (филиала) ОГУ Павел Ермилов в докладе с представлением действующей модели модифицированного зарядного устройства на XV Юбилейной внутривузовской научно-практической конференции Орского гуманитарно-технологического института (филиала) ОГУ сообщил по этому случаю: «Пришлось пошевелить мозгами и использовать то, что имеется под рукой. Как известно электродвигатели содержат обмотки, которые намотаны на статор, ротор же может быть целиком выполнен из магнита, который насажен на ось вращения, хотя в оригинальной схеме используется большое количество магнитов. Собственно модификация оригинального устройства и заключается в использовании готовой конструкции (кулера), чтобы не искать провода и не мотать их». Таким образом, отсутствие возможности точного воспроизводства модели по предложенной схеме заставляет студентов осуществлять свои поиски возможного конструкционного исполнения элементов схемы изучаемого и моделируемого устройства. Разумеется, существует возможность на следующих итерациях творческого процесса многократно возвращаться к возможности усовершенствования и видоизменения не только конструкционных элементов оригинальной схемы, но и изменения и самой схемы в целом и ее функционально-логического содержания. Однако, на первоначальных этапах физико-технического моделирования, не имея достаточных навыков и достижений в проектно-конструкторской и монтажно-эксплуатационной деятельности с исследуемым объектом, видоизменение схемы изучаемого устройства является затруднительным, но в то же время не являясь принципиально невозможным. В процессе подготовки к выступлению на конференции была произведена дополнительная замена выбранного конструкционного элемента, что позволило при сохранении всех функциональных характеристик предложенной действующей модели повысить ее демонстрационные качества. Своеобразный «маркетинг» макета, подготовка модели к ее представлению на конференции, уже по итогам завершения всех этапов опытно-экспериментальной деятельности является повторением третьего этапа деятельности с учетом необходимости сделать представление функциональности представляемого устройства более зрелищно, заметно, наглядно. На Рисунке 3.2.2 представлен процесс подготовки студентами под руководством автора монографии действующей модели мотора Бедини к демонстрации на конференции.

Рис. 3.2.2. Подготовка действующей модели

к участию в конференции

Четвертый этап – сборка модифицированного устройства по оригинальной схеме с использованием альтернативных конструкционных элементов. Основное требование к реализации деятельности преподавателя и студентов на указанном этапе – осуществление возможности для студентов выполнения самостоятельных действий, что подкрепляет их уверенность в способности творческой самореализации в процессе конструкторско-монтажной деятельности. Разумеется и возможно, этап сборки устройства может оказаться затруднительным, в этом случае преподавателю следует не лишая самостоятельности студента, дать четкие и простые указания, направленные не на то, чтобы показать единственно возможный и правильный способ действий, а задать направление осуществления действий, способных привести студента к нахождению правильного (а возможно и уникального) способа сборки указанной конструкции. Ценность настоящего этапа заключается в самостоятельности выполнения сборочных действий и операций, которые в последствии становятся предметом профессионального опыта студента. И этим полученным опытом студент, как правило, охотно делится с товарищами, с интересом рассказывая о нем на конференции. К примеру, доклад Павла Ермилова содержал следующие, безусловно, ценное для личности профессионально заинтересованного студента изложение приобретенного опыта: «Пару слов по поводу сборки: собирать не трудно, делать печатную плату тоже, всё делается из подручных материалов. Конкретно к кулеру, который я использовал для этого устройства, оказалось, что он имеет 4 обмотки, намотанные без разрыва в 2 провода, было видно начала и концы этих обмоток. Я распаял схему кулера, убрал лишние детали и окончательно закрепил выводы проводов на корпусе кулера. Из схемы также видно, что используется n-p-n транзистор, реостат, включенный в цепь база-эмиттер, чтобы регулировать ток в этом переходе, неоновая лампа включена в схему коллектор-эмиттер, для того чтобы энергия, которая поступает с катушек не сожгла транзистор, когда аккумулятор не подключен. Диод на заряжаемую батарею и диод в базе-эмиттер для защиты от высоковольтных импульсов и для их выпрямления». Излишняя лексическая стандартизация ретрансляции полученного студентами опыта конструкторско-монтажной деятельности на данном этапе не является необходимой, поскольку эмоциональный накал живого объяснения выполненных действий и операций на простом, разговорном языке привлекает студентов к выполнению аналогичного творческого поиска, позволяет проникнуться его ценностной и личностной значимостью. На Рисунке 3.2.3. представлен общий вид модифицированного устройства по итогам сборки и монтажа выбранных конструкционных элементов.

Рис. 3.2.3. Внешний вид действующей модели

модифицированного мотора Бедини

Пятый этап – настройка параметров и получение значений физических характеристик работы созданной действующей модели зарядного устройства, наблюдение сопутствующих физических явлений. Предыдущий этап сборки устройства по оригинальной схеме с изменением конструкционных элементов подготовил экспериментальную базу для выполнения исследовательской работы конкретно физического содержания. В нашем случае, приведенном в качестве примера, необходимо было настроить работу полученного зарядного устройства, таким образом, чтобы при малом токе в переходе база-эмиттер были импульсы высокого напряжения на выходе. Выполнение настройки параметров работы модели модифицированного устройства производится вращением ручки переменного резистора (реостата). В процессе настройки работы модифицированной модели зарядного устройства студенты наблюдают за индикацией физических процессов и явлений, и фиксируют наблюдения их в виде текущего отчета, описывая и экспериментальные условия, и реальные фактические явления. К примеру, описание настройки модифицированного мотора Бедини было выполнено студентом Павлом Ермиловым следующим образом: «На входе я поставил блок питания (называемый в быту «зарядник»), на выходе я подключил нагрузку в виде лампы дневного света, рассчитанную на 220 В. Установленная лампа в процессе изучения параметров работы модифицированного мотора Бедини не горела ровным светом, а мерцала, причем довольно заметно». В качестве ключевого параметра оценки работы модифицированного мотора Бедини была выбрана вольтамперная характеристика (ВАХ), которая представляла зависимость выходного напряжения от входного тока. Входное напряжение на протяжении всей настройки модифицированного мотора Бедини не менялось.

Шестой этап – анализ физико-технических параметров работы модифицированного устройства, обобщение экспериментальных данных. По итогам сбора физических данных студентом была графически построена вольтамперная характеристика работы устройства (Рисунок 3.2.4.).

Рисунок 3.2.4. Вольтамперная-характеристика

работы модифицированного мотора Бедини

Дальнейшие аналитические действия студентов так же фиксируются студентами в виде исследовательского отчета, интегрирующего сведения об условиях эксплуатационного эксперимента, выбранных способах измерения изучаемых параметров, режимах работы измерительных приборов и наблюдаемых явлениях в процессе получения изучаемых физических параметров работы модифицированного прибора и характеристик физических процессов и явлений, протекающих в процессе его настройки и эксплуатации. К примеру, рассмотрение полученного графика ВАХ позволило студенту самостоятельно получить следующие объективные знания и сделать выводы, основанные на собственной опытно-экспериментальной работе: «Изучая полученный график, который я построил при настройке прибора, я смог выделить несколько участков полученной кривой, в которых есть характерные особенности. Первый участок ВАХ прибора: сопротивление реостата наименьшее, ток в переходе база-эмиттер наибольший, при этом вращение кулера наибольшее, а напряжение стало почти в 4 раза больше (оно возросло с 12 В на входе до 46 В на выходе). Второй участок ВАХ прибора: при увеличении сопротивления реостата, постепенно снижалась скорость вращения кулера и начинала загораться неоновая лампа, в такт с ней мерцала лампа дневного света, дойдя до точки равновесия 28 В, после которой напряжение на выходе начинает увеличиваться, несмотря на то, что сопротивление реостата снижается и ток в переходе база-эмиттер уменьшается. Третий участок ВАХ прибора: в точке, в которой напряжение на входе 12 В и ток потребления составлял приблизительно 50 мА импульсы на выходе достигали 38-37 В». Итогом шестого этапа является формулировка выводов на основе информационно-аналитической деятельности, которая подразумевает комплексную оценку полученных параметров проведенной опытно-испытательной работы с учетом эмпирических условий, состояния контрольно-измерительной базы эксперимента, а так же наблюдаемых физических явлений. В отличие от традиционного изучения физики, комплексное изучение физических параметров и характеристик органично вписывается в исследовательскую деятельность студентов, реализуемую по самостоятельно сгенерированной студентами исследовательской программе.

Седьмой этап – изучение характеристик работы модифицированного зарядного устройства в процессе его опытно-экспериментальной эксплуатации, формулировка физических принципов его функционирования. В целях непосредственного испытания качества работы сконструированного устройства зарядки аккумулятора на выходе устройства был подключен свинцовый аккумулятор емкостью 1,3 А-ч и рабочим напряжением 12 В, на входе стоял блок питания, работающий от сети переменного тока. Условия испытания, самостоятельно выбранные студентом для реализации собственной исследовательской программы, предполагали проведение 18 циклов зарядок-разрядок аккумулятора. Совокупность экспериментальных условий студентом описывалась следующим образом: «Нагрузку для аккумулятора я подобрал для удобства таким образом, чтобы аккумулятор разряжался 20 часов. Ток разряда приблизительно 28-30 мА, маловат, но аккумулятор тоже малой емкости, ток потребления больше 100 мА для него небезопасен (нагрев, сульфитация пластин)». Таким образом, исходя из описанных физических условий эксперимента, была выбрана опытно-экспериментальная программа. Согласно этой программе процесс зарядки аккумулятора до напряжения 14-15 В должен был продолжаться около 36 часов. Процесс разрядки аккумулятора до напряжения 12,4 В производился в течение 20 часов.

По итогам выполнения 18 испытательных циклов, были получены данные относительно времени, необходимого для зарядки аккумулятора. Временной диапазон зарядки аккумулятора составил от 29 часов 30 минут до 46 часов 8 минут. Среднее время зарядки аккумулятора за 18 циклов составило 37 часов. При этом заряжался аккумулятор 18 раз от начального напряжения в диапазоне 12-12,8 В до напряжения в диапазоне 14,3-15 В. Разряжался аккумулятор до значения напряжения 12,3-12,4 В, имея первоначальное значение напряжения в диапазоне 13,1-13,7 В от 15 часов 24 минут до 20 часов. Среднее время разрядки аккумулятора составило 18,5 часов. Полученные параметры работы экспериментально изучаемого устройства по итогам выполненной опытной работы является основанием для самостоятельной формулировки студентом описания принципа работы смоделированного устройства зарядки аккумулятора, основанного на явлении и законе электромагнитной индукции: «Транзистор используется в схеме в качестве триггера: в определенный момент он открывается и закрывается. Что является регулятором включения и выключения? ЭДС, наводимая северным полюсом магнита ротора! После того как северный полюс магнита прошёл над одной из обмоток статора, транзистор закрывается и за короткий промежуток времени энергия, накопленная в катушке, сбрасывается в нагрузку – аккумулятор. Надо отметить, что неоновая лампа при подключении аккумулятора гаснет. И так цикл повторяется для всех четырех обмоток. По схеме, одна из обмоток устройства является триггерной и включается в переход эмиттер-база, реостат в этой цепи является регулятором тока, а другая – съемной обмоткой, через которую накопленная энергия сбрасывается в аккумулятор или неоновую лампу. То есть на одном валу находятся и двигатель, и генератор. Триггер (транзистор) позволяет в нужный момент отталкивать магнит и поддерживать процесс вращения, а ЭДС, накопленная в другой катушке, сбрасывается в нагрузку».

Восьмой этап – формулировка выводов относительно качества работы сконструированного устройства и его свойств, положительных сторон и особенностей его эксплуатации. На настоящем этапе выводы являются результатом обобщения результатов направленного поиска физико-технической информации по итогам непосредственных наблюдений за работой модифицированного зарядного устройства. К примеру, отсутствие нагревания аккумулятора в процессе зарядки, проводимого с использованием экспериментального устройства позволило сделать студенту следующее заключение относительно конкретного негативного влияния термохимических процессов на техническое состояние и параметры работы аккумулятора: «Это хороший плюс, если учесть, что из-за нагревания аккумулятора происходит сульфитация и, как следствие, осыпание свинцовых пластин аккумулятора, ухудшение его эксплуатационных характеристик, таких как емкость и продолжительность работы». Выводы, полученные студентами по итогам опытно-экспериментальной работы, подтверждают на практике важнейшие физические законы – закон сохранения и превращения энергии, следствие из начала термодинамики о невозможности создать устройство, имеющее КПД больше единицы. Исследовательская программа в процессе ее выполнения корректировалась и дополнялась новыми эвристическими действиями, позволявшими получать новую полезную информацию. К примеру, было выяснено, что увеличение длительности зарядки аккумулятора более 36 часов так же не вызывает нагревания аккумулятора, и не влияет на длительность его разрядки. Совокупность указанных фактических сведений экспериментального характера, полученных в результате наблюдения за процессом зарядки аккумулятора, позволяет студентам синтетически обработать полученную информацию в виде следующей формулировки: «Это тоже можно назвать плюсом, так как можно не беспокоиться о том, на сколько ставить аккумулятор заряжаться, его невозможно ни перезарядить, ни перегреть: померили напряжение, если оно больше 14 В, то можно снимать аккумулятор с зарядки».

Эвристическое стремление вмешиваться в ход эксперимента, непрерывно искать и наугад пробовать новые способы мануально-интерактивного взаимодействия с модифицированным устройством дает новую информацию, которую студент не всегда может логично и достоверно объяснить. Авторитет преподавателя не должен служить препятствием к формулировке заведомо дискуссионных выводов, которые впоследствии возможно станут предметом дополнительного инженерного поиска. Удовлетворительные формулировки гасят творческий накал, создают иллюзию полной изученности вопроса и абсолютной завершенности эксперимента. Готовых ответов в процессе исследования быть не должно, преподаватель не дает разъяснений относительно способа интерпретации физических знаний и их применения к описанию наблюдаемых физико-технических процессов и явлений. Лучше, если у студентов по итогам выполненной работы останется пульсирующий в сознании вопрос, который будет в дальнейшем стимулировать и направлять творческий поиск, заставляя искать и возвращаться к процессу познания. Например, при мануальной остановке кулера в процессе работы модифицированного зарядного устройства была обнаружена следующая особенность: в указанный момент амперметр, включенный в схему, показывал снижение тока в переходе база-эмиттер. В зависимости от величины приложенного усилия к лопастям кулера для его остановки, закономерно менялся ток в переходе база-эмиттер: чем больше была сила приложенная для остановки вращения лопастей, тем меньше оказывался ток в переходе база-эмиттер. Подобные экспериментальные факты будоражат воображение, студенты ищут соответствия в известных конструкциях, и не находят: «В чём тут необычность? У обычных двигателей (а кулер до переделки был обычным двигателем постоянного тока), как постоянного, так и переменного тока при увеличении нагрузки на валу, ток потребления возрастает». До конца объяснить физическую природу экспериментально полученного факта в нашем случае, оказалось не возможным, но накопление фактов подобного рода расширяет сферу известного, что побуждает развитие творческого воображения. Так в процессе экспериментального изучения физики индивидуальный опыт является движущей личностной ценностью, направляющей учебно-профессиональную деятельность к дальнейшей самореализации студента.