С. В. Степанов
Оборудование школьного физического кабинета
Вопросы и задания к главе 5
1. Перечислите требования к демонстрационным приборам.
2. Перечислите требования к приборам для фронтальных работ.
3. Какова допустимая норма для учащихся при переносе тяжестей?
4. Каков порядок хранения приборов, предназначенных для демонстрационного эксперимента?
5. Как организовать справочно-библиографический аппарат кабинета физики?
6. Как проводится учет оборудования в кабинете физики?
7. Для каких целей проводится инвентаризация оборудования?
Глава 6
Конструирование, изготовление и ремонт учебного оборудования
6.1. Конструирование самодельного оборудования по физике
Неотъемлемой частью работы многих учителей является разработка конструкций и изготовление учебного оборудования. Использование самодельных устройств во время уроков позволяет в ряде случаев заметно повысить качество проведения учебного эксперимента по физике, расширяет методические возможности учителя.
Под конструированием понимают вид деятельности человека, направленный на создание механизмов, машин и сооружений, включающий разработку их проектов, выполнение расчетов и определение состава и взаимного расположения отдельных частей.
Объектами конструкторской деятельности учителя физики могут быть как сами физические приборы, необходимые для постановки опытов, так и различное вспомогательное оборудование, облегчающее работу с приборами, их хранение и ремонт. Кроме того, учителя иногда сами создают устройства и специальные системы, позволяющие эффективнее использовать оборудование кабинета и облегчающие их труд, например пульт управления ТСО, тумбы для размещения ТСО, устройства затемнения. При оформлении кабинета также часто используют стенды и витрины. В процесс конструирования учитель включается и при проведении занятий физико-технических кружков.
Самодельные устройства, за разработку которых берется учитель, в зависимости от его профессиональной подготовки и опыта работы, по уровню сложности можно условно разделить на три категории. К первой причисляют простейшие приспособления для кабинета (лотки, подставки, подвесы, держатели и т. п.). Следующая категория охватывает доработки, изменения конструкций, вносимые учителем в заводские приборы. Разработка третьей категории сложности представляет собой самостоятельно сконструированные и изготовленные приборы.
По степени новизны предлагаемые учителями конструкции выполняются на разных уровнях творчества: внесение по своему усмотрению некоторых изменений в рекомендуемую конструкцию; копирование по образцу или описанию, данному в методической литературе; проведение полностью авторской разработки.
Учителя, как правило, отказываются от повторения конструкций тех приборов, которые выпускаются серийно и могут быть приобретены через торговую сеть. Дело в том, что, копируя промышленный прибор в школьных условиях, в лучшем случае удастся создать устройство, которое будет работать не хуже заводского. По качеству изготовления учитель вряд ли сможет конкурировать с заводской технологией. Более правильным является иной подход, в соответствии с которым областью технического творчества учителя становится разработка уникальных, не существующих на данный момент приборов.
В списке оборудования, выпускающегося промышленностью для оснащения школьного физического кабинета, немало таких устройств, которые в свое время были созданы учителями и, после всесторонней проверки, рекомендованы для серийного изготовления.
Известный русский методист Д. Д. Галанин считал, что «работа преподавателя над конструированием приборов является ни с чем не сравнимой школой самообучения лабораторному искусству и искусству экспериментирования».
В процессе создания нового прибора можно выделить следующие основные этапы: 1 – определение цели разработки; 2 – изучение опыта других учителей; 3 – выработка технических решений; 4 – изготовление и испытание опытного образца; 5 – доработка образца; 6 – экспериментальная проверка нового изделия.
Суть первого этапа – выяснение цели разработки, определение функций и задач, для выполнения которых создается прибор. От того, насколько четко будет сформулирована конструкторская задача, зависит и эффективность поиска путей ее решения.
В ходе второго этапа изучается опыт других учителей по созданию аналогичных устройств. Учет этого опыта значительно сокращает время разработки, позволяет выявить и сопоставить достоинства и недостатки имеющихся технических решений. Задачей учителя на этом этапе является отбор таких технических решений, которые наиболее соответствовали бы его конструкторскому замыслу, возможностям материальной базы кабинета и ремесленным умениям учителя или его помощников.
В итоге информационного поиска преподаватель может остановиться на уже опробованном другими варианте конструкции, приемлемой для него в методическом и техническом отношении. Заниматься поиском самостоятельного конструкторского решения рационально тогда, когда после изучения существующих конструкций выясняется, что ни одна из них по каким-то причинам не пригодна. В этом случае за основу берется совершенно новая идея, базирующаяся на иных принципах по сравнению с теми, на которых уже действуют существующие приборы.
Третий этап самый ответственный. Используя полученную информацию, анализируя собственные подходы к решению поставленной технической задачи и свои возможности, учитель останавливается на каком-то определенном техническом решении. Идея будущего прибора материализуется на рисунках общего вида, а при необходимости и отдельных деталей. Продумывается компоновка узлов, расположение органов управления, материал, из которого прибор будет создаваться, последовательность сборки. Здесь же определяются технические характеристики изделия. При этом принимаются во внимание эксплуатационные качества будущего изделия, которым оно должно соответствовать, а также учитываются характеристики того оборудования, совместно с которым предполагается использовать новый прибор.
Четвертый этап начинается с изготовления опытного образца прибора. Выявляются особенности его сборки, конкретизируются отдельные характеристики и размеры. На этом этапе могут возникнуть трудности с приобретением нужных деталей, продумываются возможные варианты их замены. Готовый образец подвергают пробному включению и испытанию. Цель этапа – в том, чтобы убедиться в жизнеспособности избранного технического решения, оценить соответствие будущего изделия педагогическим требованиям к учебному оборудованию.
Пятый этап состоит в доработке конструкции опытного образца по результатам его испытания. При этом устраняются выявленные недостатки, уточняются отдельные эксплуатационные характеристики. Обращают внимание на внешний вид изделия, окраску его корпуса. Рядом с органами управления наносят поясняющие надписи.
В ходе завершающего, шестого, этапа проводят экспериментальную проверку нового изделия и выясняют, насколько оно соответствует цели, поставленной при его разработке. Выясняются возможности изделия для решения методических задач учителя. Проводят уроки с его использованием. Если оказывается, что ожидаемый результат получен, новый прибор вводится учителем в практику своей работы.
В зависимости от сложности создаваемого прибора отдельные из рассмотренных этапов могут дополняться другими действиями или, наоборот, оказаться свернутыми, или отсутствовать вовсе.
Рассмотренные этапы можно проиллюстрировать на примере создания простейшего и тем не менее необходимого для кабинета приспособления – укладочного ящика. В кабинете физики имеется большое число одинаковых приборов для проведения фронтального эксперимента. Эффективность их использования и сохранность во многом зависят от условий хранения. В настоящее время укладочные ящики промышленностью не выпускаются, и учителя вынуждены организовывать их изготовление своими силами.
Целью разработки в данном случае будет создание устройства, которое, с одной стороны, позволит упорядочить хранение лабораторного оборудования, с другой – облегчит его подачу на рабочие места учащихся. Устройство должно быть по возможности унифицировано под размер корпусов большинства лабораторных приборов и в то же время компактно размещаться во внутренней полости шкафа так, чтобы не возникало пустых зон. Сформулировав таким образом цель и задачи разработки, целесообразно вспомнить конструкции подобных устройств, которые раньше попадались на глаза, посмотреть, как у других учителей организовано хранение лабораторного оборудования, продумать, из какого материала проще будет делать ящики. Выбрав приемлемый вариант, определяют размеры будущего изделия, учитывают его возможную массу, определяют необходимое количество ящиков, способы их размещения в шкафу, вид отдельных деталей, последовательность сборки. Выполняется рисунок будущего изделия, из которого можно было бы представить внешний вид, размеры его деталей и способы их соединения.
При изготовлении пробного ящика в конструкцию, возможно, будут внесены некоторые изменения, например окажется целесообразным дополнить боковые стенки стойками, которые позволят устанавливать ящики один на другой. Доработав окончательно конструкцию, решают вопросы внешней отделки. Обращают внимание на то, чтобы поверхность была без заусенцев, имела опрятный вид и цвет. Продумывают способ нанесения надписей, их шрифт. Отработав все приемы на опытном образце, приступают к изготовлению необходимого количества укладок. Затем размещают в них лабораторное оборудование и устанавливают на хранение в шкафы.
Пытаясь самостоятельно изготовить некоторые образцы учебного оборудования, учитель неизбежно столкнется с тем, что во многих описаниях и руководствах по изготовлению самодельных приборов не только приводятся схемы, чертежи и рисунки с указанием точных размеров, но и даются довольно категоричные указания о материалах и комплектующих. При попытке неукоснительно следовать рекомендациям по сборке, приведенным в этих описаниях, нередко оказывается, что собрать устройство невозможно из-за отсутствия нужных деталей или инструментов. Если же от приведенных рекомендаций отойти, то часто оказывается, что собранный прибор либо работает плохо, либо вовсе не работает.
Подобной противоречивой ситуации удается избежать, если учитель будет выполнять указания по сборке не вслепую, а вполне осмысленно, уяснив себе прежде всего основную идею прибора и рассматривая данные в описании рекомендации как одно из возможных технических решений. Лишь при таком подходе можно верно сориентироваться в том, какие характеристики и материалы являются действительно необходимыми, определяющими работоспособность и качество будущего изделия, и какие без вреда могут быть заменены на другие.
Создавая новый прибор, нередко приходится выполнять некоторые расчеты, чаще всего это требуется при решении вопроса о возможной замене недостающей детали, при определении технических характеристик изделия, выборе оптимального рабочего режима.
В большинстве случаев достаточно проведение оценочного расчета, определяющего порядок той или иной физической величины. Но иногда требуется и точное вычисление значения какого-то параметра. Избежать возможных ошибок при этом легче, если четко представлять себе суть физических явлений, на которых основан принцип действия прибора. Расчеты проводить будет легче, если под рукой окажутся необходимые справочные данные.
Подход к оценке параметров изделия можно пояснить на примере расчетов, выполняемых при создании прибора для демонстрации действия силы Ампера. Возможный вариант его конструкции представлен на рис. 6.1.
К одной опоре прикреплены подковообразный магнит и проводник, подвешенный на тонких проволоках. При подключении к выпрямителю в проводнике возникает электрический ток и, в зависимости от его направления, под действием магнитного поля проводник отклоняется в ту или другую сторону. Для установления соотношения между величиной силы Ампера и силой тока в проводнике на одной из сторон магнита прикреплена шкала, а на конце проводника – стрелка.
Рис. 6.1. Возможный вариант конструкции прибора для демонстрации действия силы Ампера
При создании прибора необходимо установить: какой магнит использовать, характеристики проводника (материал и размеры), какой провод применить для подвеса, оптимальное значение силы тока для прибора, величину смещения проводника в магнитном поле.
Для решения этих вопросов необходимо получить расчетную формулу, связывающую параметры установки. Записывают соотношение между силами, действующими на проводник с током, подвешенный в поле постоянного магнита. Проводник будет отклоняться до тех пор, пока силы, действующие на него со стороны магнитного поля Земли и подвеса, не окажутся скомпенсированными (рис. 6.2). Этому условию соответствует равенство: 
(1). После записи в скалярной форме, подстановки выражений для сил и учета малости угла отклонения (tgα ≈ sinα = 
) получим расчетную формулу:
где X – отклонение проводника; В – индукция магнитного поля; I – сила тока в проводнике; l – длина проводника; L – длина подвеса; m – масса проводника; g – ускорение свободного падения.
Рис. 6.2
В первую очередь задают величины, значения которых учитель не может варьировать. В рассматриваемом примере кроме ускорения свободного падения таких величин еще две: Х и В. Величина отклонения проводника Х задается условиями видимости результата опыта с расстояния в 10 м (удаление от демонстрационного стола последних мест учащихся) и не должна быть меньше 25 мм. Величина индукции магнитного поля в приборе определяется тем магнитом, который будет использован. В кабинете физики имеется лишь один подковообразный магнит, индукция магнитного поля которого, судя по технической документации, составляет порядка 10 (в 3-й степени) Тл.
Величины I, l, L и m могут быть произвольными, лишь бы выполнялось соотношение (2).
Определяя характеристики проводника, целесообразно руководствоваться следующими соображениями. Масса проводника должна быть, по возможности, меньше, так как из формулы (2) видно, что она отрицательно сказывается на результате опыта (чем больше масса, тем меньше отклонение проводника). Она зависит от геометрических размеров проводника и его плотности. Сам проводник, являясь объектом наблюдения, должен быть виден с расстояния 10 м, то есть его диаметр не может быть меньше 1,5–2 мм. Длина проводника как будто непосредственно на работу прибора не влияет, поскольку в расчетной формуле ее величина присутствует как в числителе, так и в знаменателе (станет наглядным, если выразить значение массы через плотность и объем). Но это справедливо до тех пор, пока проводник находится внутри однородного магнитного поля. Если же проводник будет больше, то часть его окажется вне зоны действия силы Ампера. Следовательно, чрезмерное увеличение длины проводника приведет к неоправданному увеличению его массы и отрицательно скажется на величине отклонения. Размер области, в которой магнитное поле можно считать однородным, оценивают экспериментально. Для этого с помощью металлических опилок достаточно получить спектр силовых линий того магнита, который предполагается использовать в установке. Для школьного подковообразного магнита эта величина составит порядка 5–10 см.
Материал, из которого будет сделан проводник, должен иметь возможно меньшую плотность и удельное сопротивление. Очевидно, из доступных материалов этим требованиям удовлетворяет алюминий.
Таким образом, из проведенных рассуждений определилось, что в качестве проводника для прибора подойдет кусок алюминиевого провода диаметром 1,5–2 мм и длиной не более 10 см. Масса проводника при этом будет порядка одного грамма.
Параметры подвеса определяются с учетом удобства работы с прибором и его надежности. Из формулы (2) следует, что длина подвеса положительно сказывается на величине отклонения проводника, но, с другой стороны, чрезмерное увеличение этого параметра приведет к тому, что возрастает его масса и ухудшаются эргономические качества прибора (из-за слишком большой высоты его неудобно будет использовать и хранить). С учетом высоты демонстрационного стола и среднего роста человека, длина подвеса не должна превосходить 1 м.
Чем тоньше будет провод подвеса, тем меньше его масса и, следовательно, меньше влияние на результат опыта. Однако слишком тонкий провод снизит надежность работы установки (подвес будет часто рваться, возможно его перегорание из-за превышения допустимого значения плотности тока).
С учетом изложенного, для подвеса подойдут два куска провода длиной около 1 м, диаметром 0,15–0,2 мм.
Выбирая оптимальное значение силы тока, принимают во внимание, что, с одной стороны, чем больше ток в проводнике, тем интенсивнее воздействие на него со стороны магнитного поля. Но, с другой стороны, слишком большой ток может вывести из строя провода подвеса. Кроме того, нужно учесть допустимую токовую нагрузку выпрямителя, с которым предполагается использовать прибор. Для демонстрационных опытов в настоящее время выпускают источник питания ИПД, максимальный выходной ток которого не должен превышать 2 А. Задавшись этим значением, следует проверить, смогут ли провода подвеса выдержать такую токовую нагрузку. В этом поможет справочник по электротехнике. Из таблицы допустимых значений токов для медных проводов следует, что медный провод диаметром 0,15 мм расплавится при силе тока около 5 А. Таким образом, для создаваемого прибора можно считать оптимальным значение тока 1,5–2 А.
Однако, принимая во внимание школьные условия и специфику теоретической подготовки учителя физики, можно утверждать, что проведение даже оценочных расчетов возможно не всегда. Наиболее часто от них отказываются при разработке конструкций различных гидрои аэродинамических устройств, радиотехнических приборов. В этих случаях преподаватель вынужден либо жестко следовать требованиям по изготовлению, приведенным в описаниях конструкций таких устройств, либо определять необходимые параметры экспериментально, подобно тому, как это было сделано в рассмотренном выше примере с оценкой размеров поля подковообразного магнита.
В целях получения наибольшего педагогического эффекта от применения на уроках самодельных приборов, разработку их конструкций необходимо проводить с учетом общих требований к учебному оборудованию. Принимая во внимание условия, в которых создаются приборы, и возможности учителя, эти требования можно сформулировать следующим образом: самодельные приборы должны способствовать изучению физики на современном научном уровне, знакомить учащихся с приемами и методами научного познания. Особое значение имеет создание учебных приборов, помогающих формированию основополагающих современных научных знаний, законов и теорий.
Самодельные приборы должны создаваться в соответствии с дидактическими и методическими задачами, которые решаются при использовании прибора.
Необходимо, чтобы содержание и способы передачи информации, заложенные в учебном приборе, соответствовали возможностям и уровню работоспособности учащихся, их подготовке и возрастным особенностям.
Самодельные учебные приборы должны быть просты по конструкции, удобны и надежны в эксплуатации.
Самодельные приборы должны отвечать всем требованиям техники безопасности, гигиены труда и технической эстетики.
При конструировании учебных приборов следует, по возможности, шире применять стандартные и унифицированные детали и узлы. При этом желательно, чтобы вновь разрабатываемые приборы и пособия отвечали принципу комплектности, то есть находили бы себе применение не в одном, а в ряде опытов, позволяя получить максимальный эффект от минимального количества оборудования.
Устройство самодельного прибора должно обеспечивать минимальные затраты времени на его подготовку к работе и одинаковые результаты при его многократном использовании в неизменных условиях.
Приборы, созданные для проведения лабораторных работ, должны быть рассчитаны на работу в неопытных руках учащихся. Размеры этих приборов должны быть такими, чтобы собранная установка в целом не занимала более половины площади поверхности стола учащихся.
Приведенные выше требования к самодельным приборам сформулированы с учетом опыта учителей, активно занимающихся разработкой конструкций оригинальных устройств для своих кабинетов, анализа научно-методической и нормативно-технической литературы, затрагивающей вопросы разработки учебного оборудования. Их выполнение позволит направить творческий поиск учителя на создание действительно полезных, удобных и надежных приборов, применение которых на уроках повысит эффективность учебно-воспитательного процесса.