Методы обучения учащихся конструированию

технических устройств

Постоянно возникающие перед современным производством сложнейшие технические задачи требуют неординарного подхода к их решению. Творческий поиск, творческая инициатива и интуиция - отличительные черты инженеров, техников и передовых рабочих.

Новаторы производства, рационализаторы и изобретатели, обладающие творческим мышлением, получают, как правило, первый толчок к данной деятельности ещё в детстве, в техническом кружке, в школьной мастерской. Следовательно, развитие и формирование технических способностей, подготовку к творческой деятельности, к выбору профессии, нужно начинать ещё в школах и внешкольных учреждениях.

Творческая деятельность учащихся, связанная с самостоятельным поиском правильных технических решений, отвечает индивидуальным и возрастным особенностям детей младшего, а особенно, среднего подросткового возраста. У школьников в возрасте 12-14 лет ярко выражено стремление к самостоятельности, в которой они видят возможность самоутверждения как личности. Это стремление способствует активизации мыслительной деятельности и совершенствованию потребностно-мотивационной сферы учащихся.

Развитие творческих умений и навыков в процессе формирования технических способностей учащихся, предполагает включение их в продуктивную эвристическую деятельность, при выполнении которой учащиеся самостоятельно или с некоторой помощью учителя должны решать следующие вопросы:

- анализ технического задания;

- ознакомление с прототипами и аналогами решения конструкции данного объекта;

- изложение замыслов в виде технических рисунков;

- выбор оптимальной схемы конструкции объекта;

- оформление эскизов и чертежей изделия;

- определение основных размеров конструкции;

- определение размеров деталей и их элементов;

- определение размеров заготовок для изготовления деталей;

- выбор формы и материала деталей;

- поиск способов соединения деталей;

- подбор необходимых для выполнения работы инструментов, оборудования и приспособлений;

- определение последовательности изготовления деталей, а также сборки объекта;

- определение способов отделки поверхностей деталей и изделия в целом;

- изготовление изделия и контроль качества работы;

- испытание технического устройства;

- доработка модели, конструкции, технического устройства и т.п.;

- использование технического устройства с учётом всех рекомендаций по его эксплуатации.

Реализация перечисленных элементов творческой деятельности учащихся осуществляется в процессе разработки схемы конструкции объекта и его изготовления.

Развитие творческих способностей у юных техников есть педагогически управляемый и стимулируемый процесс, успешность которого зависит от форм, методов и приёмов организации творческой деятельности учащихся на учебных и внеклассных занятиях в школьных мастерских. При этом учителю необходимо:

1) учитывать возрастные и индивидуальные особенности школьников;

2) развивать потребностно-мотивационную сферу учащихся в области технического творчества;

3) создавать обстановку, при которой каждый учащийся смог бы проявлять самостоятельный подход к решению поставленных перед ним технико-технологических задач;

4) формировать устойчивый интерес детей к технике, к вопросам рационализации и изобретательства на основе посильно выполняемых работ;

5) ознакомить учащихся с основами научно-технического творчества;

6) разрабатывать эффективные формы, методы и приёмы включения учащихся в проектировочно-конструкторскую деятельность;

7) сочетать индивидуальную и коллективную творческую деятельность школьников при организации непрерывного процесса обучения во взаимосвязи учебных и внеклассных занятий;

8) учитывать единую психологическую основу творческого процесса детей и взрослых, придавая значимость результатам труда.

При этом следует понимать, что школьное конструирование, в отличие от инженерного, опирается не столько на профессиональную деятельность конструктора, сколько на общую структуру разработки технических устройств (уяснение и принятие задачи - определение основных характеристик изделия и требований к нему; поиск путей решения задачи – предложение конструктивных вариантов; анализ вариантов – выбор оптимального решения; реализация принятого решения – разработка технологического процесса; изготовление и сборка объекта конструирования; испытание устройства; доработка изделия и чертежей; использование технического устройства). Данные задачи могут быть решены на занятиях по техническому моделированию и конструированию с помощью различных методов обучения учащихся 5-9 классов. Чем сложнее занятие и обширнее деятельность педагога и обучаемых, тем разнообразнее методы творческой деятельности.

Сведения о процессе, принципах и правилах конструирования педагог даёт в виде объяснения, рассказа и беседы. Для наглядности применяются методы демонстрации. Формированию рационализаторских и изобретательских умений и навыков учащихся способствуют следующие методы конструирования технических устройств:

1. Метод самостоятельной работы учащихся (выполнение технического задания на моделирование или конструирование).

2. Метод коллективного обсуждения (вариантов будущего технического устройства – структурно-функциональных характеристик, последовательности изготовления и др.).

3. Метод решения технико-технологических задач (конструкторских и технологических, типовых и творческих и др.).

4. Метод макетирования (изготовление макета).

5. Метод доконструирования изделия (по технологической документации с неполными данными, по технологической карточке-заданию).

6. Метод творческого проектирования (разработка, изготовление и защита индивидуальных или коллективных творческих проектов).

Выбор методов и их сочетаний зависит от содержания и целей занятий. Охарактеризуем каждый из вышеуказанных методов с учётом возрастных и индивидуальных особенностей учащихся.

Основным видом метода самостоятельной работы учащихся является выполнение технических заданий на моделирование и конструирование. При этом учащимся приходится самостоятельно работать с технической литературой, решать графические (эскизы, чертежи, схемы), технико-технологические и организационные задачи, делать различного рода расчёты, изготавливать детали и собирать из них техническое устройство или модель, испытывать их в работе и вносить коррективы.

Педагогическая эффективность самостоятельной работы учащихся во многом зависит от качества руководства ею на всех этапах выполнения задания со стороны учителя. Он должен заранее продумать порядок выполнения технического задания на каждом его этапе, обучить рациональным приёмам умственного труда, инструктировать перед выполнением очередной работы, наблюдать за её ходом, своевременно оказывать учащимся помощь в преодолении возникающих трудностей, в исправлении допущенных ошибок и т.п.

При изготовлении моделей или технических устройств учащимся приходится выполнять незнакомые им ранее операции или виды работ. Чтобы постоянно не отвлекаться для сообщения теоретических сведений и проведения инструктажа по выполнению практических работ, полезно иметь краткие методические указания. Основой их могут быть либо инструкционно-технологические карты на выполнение наиболее распространённых операций или изготовление деталей, встречающихся в моделях или технических устройствах, либо справочные таблицы, графики, расчётные формулы.

Кроме того, нужны руководства и пособия по использованию на занятиях приспособлений, механизированного инструмента, станков. Всё это облегчит работу учителя, ускорит приобретение технических знаний и практических умений учащимися, создаст благоприятные условия для развития самостоятельности и инициативы.

Наряду с основными занятиями необходимо организовать дополнительные в форме консультаций. Они особенно важны при разработке учащимися задания в графической форме и в процессе изготовления объекта. Консультации могут быть общими и индивидуальными и проводиться по графику или плану и без плана, по просьбе кружковцев. К проведению консультаций целесообразно привлекать специалистов – учителей физики, математики, черчения, а также родителей и шефов. Шефы и родители могут оказать помощь в приобретении недостающих материалов, инструментов, подсказать темы для рационализаторской и изобретательской деятельности учащихся.

Наблюдая за самостоятельной работой каждого ученика на всех этапах разработки технического устройства, педагог делает записи в своём дневнике или журнале о затруднениях ученика в выполнении той или иной работы, о пробелах в знаниях, намечает меры по оказанию ему помощи, пути стимулирования познавательной деятельности учащихся, развития их самостоятельности, волевых качеств и вносит коррективы в ход занятий.

В связи с этим, после каждого занятия необходимо анализировать результаты работы: выявлять отступления от намеченных планов, устанавливать причины и определять пути устранения недостатков, вносить коррективы в план работы.

Сущность метода коллективного обсуждения схемы конструкции и последовательности её изготовления заключается в том, что учитель вначале ставит перед школьниками технико-технологические задачи на планирование, а затем, в ходе беседы, подводит их наводящими вопросами, консультациями и дополнениями к правильному решению.

Таких задач, стоящих в определённой последовательности и охватывающих ряд основных характеристик разрабатываемого изделия, бывает несколько. Это относится и к разработке технологического процесса на изготовление данного объекта труда.

В ходе коллективного обсуждения конструкции выявляются его формы, зависящие от функционального назначения данного изделия. Затем определяются размеры всего объекта и составляющих его деталей. Способ соединения деталей связывается со свойствами материала, из которого они будут изготовлены. Определяется также способ отделки деталей и изделия в целом.

В продолжение беседы, направленной на выяснение этих вопросов и их решения, все выдвигаемые школьниками предложения анализируются учителем для последующего выбора оптимального варианта. При этом на доске вычерчиваются схемы конструкции объектов: самостоятельно учащимися или с некоторой помощью учителя, записываются цифры, характеризующие размеры объекта, его деталей или отдельных элементов данной конструкции.

В качестве критериев при отборе лучших вариантов целесообразно взять такие, как совершенство конструкции, воспитательное воздействие, функциональность, технологичность. Более совершенной при прочих равных качествах считается простая в изготовлении конструкция с меньшим числом деталей и подвижных соединений и большим – унифицированных деталей и сборочных единиц. Воспитательное воздействие конструируемого объекта зависит от его общественно полезной и политехнической значимости, посильности изготовления в данных условиях, возможности приобретения новых знаний и практических умений. Функциональность характеризуется соответствием конструкции её назначению, работоспособностью (предположительно), основными характеристиками и др. Технологичность определяется оптимальностью и эффективностью разработанного технологического процесса на изготовление изделия.

В 5-6 классах для выбора оптимальной схемы конструкции объекта достаточно иметь 3-4 её варианта. При большем количестве вариантов внимание учащихся рассеивается и они теряют возможность охватить все признаки анализируемых предметов. В 7-9 классах количество анализируемых вариантов может быть больше.

В результате применения метода коллективного обсуждения схемы конструкции объекта и последовательности его изготовления учащиеся усваивают взаимосвязи между назначением, формой и размерами объекта, материалом для деталей, а также зависимость способов обработки и соединения деталей от свойств материала, из которого они изготавливаются. При этом выясняются возможности вариантного решения конструкторской задачи и необходимость определённой последовательности в ходе разработки конструкции и её воплощения в материале.

После усвоения школьниками этого круга первоначальных понятий возможен переход к другим уровням творческой деятельности. Особенностью метода является то, что учитель не может предложить школьникам единовременно весь комплекс вопросов, связанных с выполнением задания на конструирование и последующее изготовление даже несложного объекта. Он включает их поэтапно. Например, на одном занятии решаются вопросы, связанные с определением назначения объекта, его эксплуатационными характеристиками, формой и размерами, выбором материала для отделки деталей, определением размеров заготовок, способов изготовления этих деталей, их отделки и т. д. На других занятиях возникают и рассматриваются вопросы, относящиеся к технологической последовательности изготовления отдельных деталей и сборки объекта, его отделки в целом и др.

В результате у школьников ещё не создаётся цельного представления о конструкторской разработке объекта. Кроме того, специфика данного приёма даёт возможность некоторым учащимся не участвовать в разработке конструкции. Даже в 5-6 классах, где коллективное конструирование даёт лучшие, по сравнению с другими классами результаты, имеются ученики, не проявляющие активность. В 7, особенно в 8-9 классах, в силу возрастных особенностей, таких учащихся становится значительно больше.

Наиболее распространённым в школьной практике способом творческой деятельности учащихся на учебных и внеклассных занятиях по технологии является метод решения технико-технологических задач. Данные задачи разнообразны как по содержанию, так и по дидактическим целям. Их можно классифицировать по различным признакам: степени трудности, способу решения, по дидактическим целям, по способу задания, по условию задачи и др. Положив в основу способ решения, Э.Ф.Зеер выделят следующие технической задачи: качественные (задачи-вопросы), количественные (расчётные), графические, технологические, конструкторские.

Качественные задачи-вопросы требуют объяснения технического явления, принципа работы технического устройства (конструкции) и т.д. без выполнения расчётов, схем и чертежей. Решаются они, чаще всего, устно. Количественные задачи предполагают выполнение расчётов в ходе их решения. Графические задачи требуют от учащихся выполнения чертежей, эскизов, схем. Технологические задачи, а также задачи на планирование и организацию труда, чрезвычайно разнообразны. К ним относятся задачи, содержанием которых является:

- выбор материала для изготовления детали;

- определение последовательности операций и способов обработки заготовок;

- выбор способов соединения отдельных деталей и заготовок;

- определение последовательности изготовления детали;

- определение способа отделки деталей и всего объекта;

- определение последовательности сборки объекта;

- определение необходимого для выполнения работы контрольно-измерительного и рабочего инструмента, а также приспособлений и оборудования.

Технологические задачи получили наибольшее распространение среди других задач, применяемых учителями технологии и руководителями технических кружков.

Разновидностью технических задач являются конструкторские задачи, которые приходится решать учащимся в процессе доработки или изменения конструкции объекта, а также при создании оригинальных технических устройств. В процессе конструирования и последующего изготовления объекта учащиеся решают ряд технических задач: графических, расчётных, конструкторских, технологических. Эти задачи могут иметь и самостоятельное значение, так как их решение на занятиях по труду расширяет возможности формирования конструкторско-технологических знаний, умений и навыков учащихся.

Обучение школьников решению технических задач начинается с наименее сложных. К ним относятся качественные, количественные и графические задачи. Учащиеся постепенно подводятся к технологическим, а также к задачам, связанным с планированием и конструированием. Место для решения технических задач можно найти в ходе каждого практического занятия. Задания на их решение ставятся перед всей группой или выдаются учащимся в индивидуальной форме.

Следующий метод школьного конструирования – это метод макетирования, в ходе которого применяются различного рода "конструкторы" или всевозможные легкообрабатываемые подручные материалы, такие как плотная бумага, куски картона и фанеры, мягкая проволока, пластилин и др. С их помощью создаётся макет конструируемого объекта, который служит важным ориентиром для уточнения формы и размеров как отдельных деталей и узлов, так и объекта в целом. Изготовив макет, уточняют эскизы и, продолжая конструирование, вносят изменения и дополнения в чертежи.

Макетирование активизирует мыслительную деятельность школьников, все усилия которых, как в умственном, так и в практическом планах, направляются на решение конструкторской части задачи. Они освобождаются от действий, связанных с проектированием объектов, в первую очередь, от графических, малодоступных для большинства учащихся.

Эффективность решения задачи зависит от гармонического сочетания теоретического и практического компонентов деятельности. Первоначальный замысел, возникнув на основе анализа воспринимаемых действий, корригируется в процессе манипулирования ими, что служит предметом теоретического анализа и способствует конкретизации идеи. Соотношение практических и мыслительных действий на разных этапах неодинаково, так как решение задачи начинается чаще в умственном плане, заканчивается же оно - в практическом.

Практические и мыслительные действия, выполняя разные функции, взаимосвязаны и составляют единство, так как мыслительные действия уже в ходе ориентировки в условиях задачи нуждаются в чувственной опоре. Кроме того, одновременность зрительного и осязательного восприятия, характерная для метода макетирования, даёт значительно больший эффект, чем каждый из этих видов восприятия в отдельности.

Макетирование из легкообрабатываемых материалов применимо в 5-9 классах. Объектами его в 5-6 классах являются различные однодетальные изделия, такие как кронштейны для кашпо из проволоки, укладочные коробки из картона и тонкого листового металла, а также объекты, состоящие из небольшого количества деталей: декоративные полочки, укладочные ящики из древесины и фанеры, сувениры и т.д. В 7-9 классах данный метод используется для уточнения конструктивной схемы объекта, оптимальной компоновки деталей, а также для выполнения формы отдельных, наиболее сложных деталей при разработке конструкций различных приспособлений и других сложных объектов.

Другой вид макетирования опирается на использование наборов различного рода "конструкторов". Для разработки конструкции моделей учащимися выдаются письменные инструкции. Их содержание, в зависимости от периода обучения, может быть различным. Инструкция для первоначального этапа обучения содержит рисунок объекта, иногда - отдельных его узлов, список деталей и инструментов, последовательность сборки объекта и некоторые методические указания, относящиеся к сборке и регулировке моделей. Такое содержание инструкции обеспечивает тренировку внимания, способствует формированию таких качеств личности, как аккуратность и точность в работе.

Деятельность по образцу, в котором указаны все необходимые элементы для её осуществления, необходима на самом первом этапе обучения. Но довольно скоро такой вид деятельности перестаёт удовлетворять ребёнка. После сборки нескольких моделей, когда школьники приобретут определённый опыт, содержание инструкции становится обобщённым. Работая по такой инструкции, учащиеся самостоятельно составляют в умственном плане алгоритм решения поставленной перед ними задачи. Содержание такой обобщённой инструкции может быть, примерно, следующим:

1. Рассмотри рисунок модели (следует название модели).

2. Подумай, как будет действовать модель, какие части её будут подвижными, какие неподвижными.

3. Подбери из набора все необходимые для сборки модели детали.

4. Собери модель.

5. Испытай модель.

Подобные краткие инструкции дают школьникам только общие указания, относящиеся к разработке конструкции и последующей сборке объекта. К тому же в процессе этой деятельности учащиеся развивают умения планировать свою работу, а затем выполнять её в соответствии с намеченным планом. В свою очередь, полные инструкции, в которых перечислены все операции, ориентируют школьников на пунктуальное их исполнение. За длинным рядом перечисляемых операций от них ускользают такие элементы умственной деятельности как представление о взаимодействии деталей модели, принцип её действия и др.

Кроме того, определённая содержанием инструкции установка на конкретную практическую деятельность не стимулирует активной умственной деятельности (при наличии подробной инструкции, перечисляющей в нужной последовательности все операции, отпадает необходимость самостоятельного обдумывания задания). Самостоятельное же решение предложенной технической задачи в сочетании с последующим разъяснением допущенных учащимися ошибок приносит значительно большую пользу, вооружая школьников конкретными, относящимися к содержанию данного типа задач знаниями и умениями.

В зависимости от возраста и подготовленности учащихся им могут предлагаться различные по сложности задачи на конструирование из деталей "конструкторов". Самостоятельное решение школьниками таких задач способствует формированию некоторых умений обобщённого характера, таких как умение анализировать конструктивные особенности технического материала (в данном случае деталей наборов), обнаруживать общие принципы действия конструируемого устройства, изображать модель в схематическом рисунке, рассматривать один и тот же объект с нескольких точек зрения и т. д.

Рассмотрим метод доконструирования изделий по технической документации с сокращёнными (неполными) данными. Этот метод применяется учителями-практиками, главным образом, в 6-9 классах в процессе работы по изготовлению инструментов, приспособлений, приборов, оборудования и других, аналогичных по сложности технических объектов.

Технической документацией с сокращёнными (неполными) данными в педагогической и специальной литературе принято считать такую, в которой отсутствуют некоторые размеры деталей или изделия; указания о способе соединения деталей; нет принципиального решения конструкции детали или узла (сборочной единицы). Могут быть сокращены также и некоторые другие данные, касающиеся конструкции объекта, например, сведения о материале для некоторых деталей или об их отделке и т. д.

Объекты труда, изготавливаемые учащимися в школьных мастерских с использованием данного метода, различные по степени сложности. При подготовке технической документации подобного рода необходимо учитывать то, что разработка заданий не должна требовать от школьника в профессиональном смысле каких-либо специальных (специфических) конструкторско-технологических знаний, умений и навыков.

Задание на доработку конструкции объекта выдаётся, как правило, фронтально - одно для всех учеников группы. На доске изображается чертёж и записываются необходимые для решения поставленной задачи данные, которые учащиеся переносят в свои тетради.

Этот способ выдачи задания удобен на начальных этапах конструкторской деятельности учащихся, когда он сочетается с коллективным обсуждением схемы конструкции и технологического процесса на изготовление будущего объекта труда. Школьникам, имеющим некоторый опыт работы с такой технической документацией, задание выдаётся в виде заранее подготовленной карточки с записанными на ней необходимыми сведениями. Такая технологическая карточка-задание чаще выдаётся на одну подгруппу школьников, состоящую из 2-4 человек. Использование её в индивидуальном плане происходит реже.

Выдача технологических карточек-заданий на подгруппу или каждому ученику группы требует от учителя значительно большей затраты времени при подготовке занятия и осложняет его деятельность непосредственно в ходе занятия. Но данный метод заметно активизирует самостоятельную конструкторско-технологическую деятельность учащихся, пробуждая у них устойчивый интерес к техническому творчеству; вырабатывая способность целенаправленного поиска нового решения в узких пределах, определённых заданием.

В тоже время, творческая деятельность учащихся ограничена разработкой, чаще всего каких-то отдельных элементов детали или деталей. Значительно реже разрабатывается более сложная, входящая в конструктивную схему данного объекта, деталь. Такая узость задания частично сковывает инициативу школьников, особенно когда выполнение творческой части работы берёт на себя один человек в подгруппе, а остальные выполняют репродуктивную деятельность под его руководством.

Доконструирование по технической документации с сокращёнными (неполными) данными применимо, начиная уже с 5 класса. Лучшие результаты получаются 6-7 классах, когда учащиеся накопили некоторый опыт, имеют определённый объём знаний и сформировали конкретные умения и навыки. Для восьмиклассников доконструирование некоторых элементов деталей (установочные отверстия, различные выступы, пазы и т.п.) или отдельных деталей, входящих в данный объект, но отсутствующих в технической документации, не представляет трудности.

Работа по технической документации с сокращёнными (неполными) данными, особенно, при индивидуальной форме выдачи задания, готовит школьников к более сложной деятельности - реализации технических заданий на конструирование отдельных деталей или несложных объектов. Эти задания должны соответствовать возможностям учащихся по степени трудности, способам вовлечения и выполнения творческой работы и т.д.

По мнению П.Н.Андрианова, И.И.Баки, Э.Ф.Зеера, Т.В.Кудрявцева и других учёных, технические задания должны служить включению учащихся от начала до конца в творческий технологический процесс изготовления конкретного объекта труда. В данном случае проявляется наиболее полная связь: объект – деталь, т.е. между творческим решением конструкции всего объекта и решением составляющих его отдельных деталей.

Наиболее приемлемым творческим техническим заданием для учащихся 7-9 классов является технологическая карточка-задание следующего содержания: сведения об объекте (технические условия), основные этапы последовательности разработки конструкции и содержание операций технологического процесса по изготовлению объекта, общие требования к конструкции изделий. Объём карточки не должен превышать одной страницы машинописного текста, а содержание – иметь необходимые сведения для выполнения поставленной задачи с самостоятельной творческой деятельности учащихся.

В общем виде технологическая карточка-задание выглядит следующим образом:

Технологическая карточка-задание

на разработку конструкции и изготовление изделия

….……………………………………………………………………………………

Назначение объекта:………………….…

……………………………………………...

Схематический Габариты:…………………………………

Материал:………………………………...

рисунок ……………………………………………..

Способы соединения основных деталей:

объекта ……………………………………………..

Способы соединения неосновных