Инновационный педагогический подход к преподаванию дисциплины «Электромонтер по техническому обслуживанию и ремонту оборудования подстанции и сетей»
статья

Абгарян А.У.,

Преподаватель,

НАПТ «Новокубанский аграрно

политехнический техникум»,

Краснодарский край, р-н Новокубанский,

ст-ца Прочноокопская,

Российская Федерация

От формул к полям: метод визуализированной электротехники как основа формирования интуитивного понимания

Аннотация: В статье рассматривается проблема низкой мотивации студентов при изучении фундаментальной дисциплины «Электромонтер по техническому обслуживанию и ремонту оборудования подстанции и сетей», вызванная разрывом между абстрактным математическим аппаратом и реальными техническими системами. В статье предлагается методика преподавания, основанн на концепции «визуализированной электротехники». Ключевая идея заключается в замене первоначального акцента на формальном решении систем дифференциальных уравнений на формирование у студентов устойчивых физических образов основных явлений: электрического и магнитного полей, процессов накопления и преобразования энергии. Методика предполагает системное использование современных средств компьютерного моделирования (LTspice, Matlab Simulink) для анимации переходных процессов, виртуальных лабораторных стендов, а также физических аналогий и демонстрационных экспериментов. Показывается, что такой подход позволяет заложить глубокое интуитивное понимание сути законов Кирхгофа, явлений самоиндукции и взаимоиндукции, резонанса и теории цепей в целом, что впоследствии обеспечивает уверенное применение математического аппарата для решения конкретных инженерных задач, а не формального манипулирования формулами.

Ключевые слова: электротехника, визуализация, физический образ, компьютерное моделирование, переходные процессы.

Введение

Дисциплина «Электромонтер по техническому обслуживанию и ремонту оборудования подстанции и сетей» является одним из наиболее сложных и «отсеивающих» предметов в техническом образовании. Студенты, только начинающие свой инженерный путь, сталкиваются с кажущимся абстрактным миром контурных токов, комплексных амплитуд и операторных уравнений. Классический подход, начинающийся с формального введения законов Ома и Кирхгофа с последующим быстрым переходом к методам расчета сложных цепей, часто приводит к механическому заучиванию алгоритмов без глубокого понимания физической сути. В результате студент может рассчитать ток в ветви, но не способен объяснить, почему при замыкании ключа на катушке возникает ЭДС самоиндукции или как энергия перераспределяется между конденсатором и индуктивностью в колебательном контуре. Преодоление этого разрыва между математической моделью и физической реальностью – ключевая педагогическая задача. Предлагаемая методика ставит во главу угла не расчет, а понимание, достигаемое через системную визуализацию.

1. Физический образ как фундамент: от полей к цепям

Первый и главный шаг – смещение акцента с расчета параметров цепи на анализ полей, ее формирующих. Электрическая цепь – это лишь упрощенная модель (сосредоточенная система) для описания взаимодействия электрического и магнитного полей.

• Педагогический прием на старте курса: Перед введением понятия «ток» и «напряжение» необходимо дать качественное, наглядное представление об электрическом поле (аналогия с полем высот, силовые линии) и магнитном поле (силовые линии, замкнутость). Демонстрационные эксперименты с электростатическими султанами, железными опилками вокруг магнита и катушки с током создают незаменимую чувственную основу.
• Формирование ключевых образов:

• Конденсатор – это не просто два электрода, а устройство для концентрации электрического поля и накопления энергии в нем. Визуализация поля в программных средах (например, FEMM) или на простых моделях помогает понять, от чего зависит емкость.
• Катушка индуктивности – это устройство для концентрации магнитного поля и накопления энергии в нем. Опилки вокруг соленоида показывают поле, а демонстрация искрения при размыкании цепи с катушкой – драматичную иллюстрацию ЭДС самоиндукции.
• Резистор – локализованное препятствие для направленного движения зарядов, преобразующее энергию поля в тепло. Важно показать разницу между потерей энергии в резисторе (диссипация) и ее сохранением в реактивных элементах.

2. Инструментарий визуализации: анимация процессов во времени

Понимание установившихся режимов невозможно без интуиции о переходных процессах. Здесь незаменимы компьютерные симуляторы.

• LTspice, Micro-Cap, онлайн-симуляторы (Falstad CircuitJS): Позволяют в реальном времени наблюдать, как изменяются токи и напряжения на всех элементах цепи после коммутации. Студент не просто получает сухое уравнение i(t) = (E/R)*(1-e^(-t/τ)), а видит, как экспонента «ползет» по графику, и может мгновенно изменить параметры R, L, C и увидеть последствия.
• Математические пакеты (Matlab Simulink, Python + Matplotlib): Позволяют создавать более сложные, управляемые модели, визуализировать векторные диаграммы для цепей переменного тока в динамике. Анимация вращения векторов напряжения и тока, сдвига фаз между ними при изменении частоты или нагрузки делает понятие реактивной мощности наглядным.
• Виртуальные лаборатории (National Instruments, PhET): Предоставляют интерактивные среды, где студент может собирать цепи, визуализировать ток как поток зарядов, наблюдать свечение лампочек, работу осциллографа, что особенно ценно для организации самостоятельной работы и дистанционного обучения.

3. Методическая перестройка курса: сквозная линия визуализации

Предлагаемая методология не заменяет классический курс, а перестраивает его логику.

1. Модуль 1: Физические основы и цепи постоянного тока. Акцент на аналогиях (гидравлическая модель), демонстрациях, построении и чтении потенциальных диаграмм. Расчеты цепей вручную и в симуляторе идут параллельно.
2. Модуль 2: Электромагнетизм и однофазный переменный ток. Изучение катушки и конденсатора начинается с их полевой модели и переходных процессов в RL- и RC-цепях. Введение синусоидального тока через визуализацию вращающегося вектора. Исследование RLC-цепи в симуляторе для наглядного наблюдения резонанса токов и напряжений.
3. Модуль 3: Трехфазные цепи и магнитные цепи. Визуализация вращающегося магнитного поля трехфазной системы. Сопоставление законов магнитных цепей с законами электрических через аналогию.
4. Модуль 4: Переходные процессы (операторный метод). Математический аппарат вводится не как самоцель, а как мощный инструмент для предсказания того, что студент уже научился видеть в симуляторах. Решение операторным методом становится проверкой интуитивного понимания.

4. Оценка понимания, а не вычисления

Контроль знаний должен быть переориентирован:

• Качественные задачи: «Объясните, используя представления об электрическом и магнитном полях, почему...».
• Задачи на предсказание формы сигнала: «Нарисуйте ориентировочный вид напряжения на конденсаторе после размыкания ключа».
• Работа с симуляцией: «Создайте модель в LTspice, задайте параметры, получите переходную характеристику и объясните полученный график».
• Демонстрационный эксперимент: «Используя осциллограф и макет, продемонстрируйте явление резонанса напряжений и объясните его физическую природу».

Заключение

Метод «визуализированной электротехники» предлагает путь от формализма к пониманию. Формируя у студентов устойчивые физические образы полей и процессов, мы закладываем прочный фундамент, на котором математический аппарат перестает быть набором магических формул, а становится логичным и понятным языком описания реальности. Такой подход не только снижает психологический барьер и повышает мотивацию, но и воспитывает тип инженерного мышления, основанный на глубокой физической интуиции. Выпускник, обученный по этой методике, способен не только рассчитать цепь, но и предвидеть ее поведение, анализировать неисправности и творчески подходить к проектированию, что является высшей целью инженерного образования.

Список литературы

1. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: учебник. – М.: Высшая школа, 2022.
2. Демирчян К.С., Нейман Л.Р., Коровкин Н.В., Чечурин В.Л. Теоретические основы электротехники: в 3-х т. – СПб.: Питер, 2018.
3. Основы теории цепей: лабораторный практикум с использованием системы схемотехнического моделирования Micro-Cap / А.Д. Смирнов, В.И. Панфилов. – М.: Горячая линия–Телеком, 2020.
4. Виртуальные лаборатории в инженерном образовании / Под ред. С.А. Титова. – М.: Издательство МЭИ, 2019.
5. Физические основы электротехники: от полей к цепям / И.В. Савельев. – М.: Лань, 2021.
6. MathWorks. Simulink for Physical Modeling. – Official Documentation, 2023.
7. Horowitz, P., Hill, W. The Art of Electronics. – Cambridge University Press, 2015. – (Беспрецедентный пример интуитивного, визуального подхода к объяснению электроники, применимый и к основам электротехники).