Образовательный кейс «Электрические цепи»

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение
дополнительного образования «Детский технопарк «Кванториум»
г. Комсомольска-на-Амуре

Образовательный кейс «Электрические цепи»

по дополнительной общеобразовательной общеразвивающей

программе «Проектные IT-технологии»

1 год обучения

Блок №2. Основы программирования

Тема № 3.1.1. Общие сведения об электрических цепях.

4 учебных часа

Автор: Черепанов А.А.,

педагог дополнительного образования МБОУ ДО Кванториум

г. Комсомольск-на-Амуре

 2022 г.

Оглавление

1.   Проблемная ситуация. 3

2.   Привязка к предметным областям знаний. 3

3.   Цель кейса, задачи кейса. 4

4.   Планируемые результаты кейса. 5

5.   Этапы реализации. 5

6.   Оборудование и материалы. 7

7.   Список использованных источников. 7

8.   Рефлексия. 7

9.   Приложения. 8

1.                 Проблемная ситуация

Если постоянно и монотонно трансформировать электроэнергию в другую форму, область применения электричества будет сильно ограничена. Огромный мир разнообразных полезных устройств открывается, если научиться контролировать и взаимодействовать с электричеством. Поведение электрической цепи можно сравнить с гидравлической системой. Под действием давления насоса, по трубам и клапанам разного сечения, из области высокого давления в область низкого давления переносится объём жидкости, формируя поток определённой силы, который совершает полезную работу, передавая энергию турбине с некой скоростью. Под действием напряжения источника питания, по проводникам и компонентам разного сопротивления, от высокого потенциала, к низкому потенциалу переносится заряд, формируя электрический ток определённой силы, который совершает полезную работу, превращаясь в другую энергию с некой скоростью.  Чтобы изобразить на бумаге как должна выглядеть та или иная электрическая цепь используют принципиальные схемы. Часто для удобства одну цепь на схемах разбивают на отдельные части. В сложных проектах так добиваются наглядности и делят зоны ответственности между несколькими инженерами-разработчиками. В нашей с вами работе, мы будем использовать Закон Ома — главный закон электричества. В нем полностью раскрываются фундаментальные понятия о напряжении, токе и мощности электрической цепи.

Кейс-задание: используя знакомые электронные компоненты и элементы, необходимо собрать и проанализировать, простое устройство, использующее параллельное и последовательное включение элементов.

2.     Привязка к предметным областям знаний

Предметная область технология:

¾   формулировка проблемы и задачи;

¾   сборка, макетирование и монтаж;

¾   тестирование и оценка;

¾   техническое описание;

Предметная область математика:

¾   расчет тока, напряжения и мощности;

¾   определение размеров цепи;

Предметная область физика:

¾   понятие ток и напряжение;

¾   определение параметров различных типов сопротивлений;

¾   мощность

Предметная область информатика:

¾     составление блок-схемы

¾     презентационные материалы

3.     Цель кейса, задачи кейса

Цель кейса: Изготовление простой конструкции, использующей параллельное и последовательное соединение цепи.

Задачи кейса:

Предметные:

· выработать навыки применения средств IT-технологий в повседневной жизни;

· исследовать особенности проектируемого предмета, рассмотрев аналоги;

· составить общую схему и провести сборку устройства;

· протестировать и, в случае необходимости, доработать модель;

Метапредметные:

· развить стремление к получению качественного законченного результата;

· обучить навыкам конструирования сложных систем;

· расширить технический кругозор;

Личностные:

· провести профессиональное ориентирование учащихся;

· воспитать мотивацию к изобретательству, созданию собственных программных реализаций электронных устройств;

· развить коммуникативные навыки, умение работать в команде;

Продуктовые:

· провести макетирование и сборку устройства;

· выполнить электрические измерения;

· исследовать различные виды соединений;

Рекламные:

· закрепить умения создания презентаций на основе индивидуальных шаблонов;

· развить навыки ораторского искусства;

· развить последовательность логической аргументации оппонентам.

4.     Планируемые результаты кейса

Soft Skills:

·        умение находить, анализировать и использовать информацию;

·        умение формулировать проблему и выдвигать гипотезы по ее решению;

·        умение работать в команде;

·        умение выражать собственное мнение, защищать его на основе привидения аргументов.

Hard Skills:

·        умение работать с измерительными приборами;

·        макетирование и сборка электрических цепей;

·        навесной монтаж;

·        работа с различными типами электронных компонентов;

·        измерение электрических величин.

5.     Этапы реализации

Дорожная карта кейса:

Этап работы	Задачи	Что делает педагог	Что делают дети	Результат
Организационный	Навыки восприятия вербальной информации.	Педагог проговаривает тему занятия. Озвучивает цели и задачи.	Формирование общей картины физики электричества	Включение в предстоящую работу
Подготовительный	Умение формулировать проблему и выдвигать гипотезы по ее решению.  Коммуницирование.	Предлагает обучающимся выделить основную проблему и элементы конструкции.  Иллюстрация предстоящей работы. Демонстрация опытных образцов. Мозговой штурм.	Знакомятся с презентациями «Параллельные и последовательное соединение цепей», «Закон Ома». Выделяют проблему. Выбирают приемы и  методы исследования и сборки  цепи.	Осознанное представление этапов реализации задания. Выдвижение гипотезы и составление плана
Реализационный	Ориентирование в различных типах компонентов. Правила формирования электрических цепей	Корректировка выполнения этапов работы. Проверка текущих элементов задания.	Составление принципиальной схемы. Сборка параллельной и последовательной цепи. Проведение измерений (Приложение)	Практическое применение ранее полученных компетенций по пайке, измерениях и подготовке проволоки
Апробационный	Умение анализировать и выявлять ошибки.	Акцентирование на  дальнейшее более экономичное использование расходного материала.	Тестируют готовое изделие.  Проверка правильности монтажа,  работоспособности элементов и блоков.	Способность  к диагностике, прогнозированию и выявлению недостатков конструкции
Бонусный	Умение преобразовывать исходный продукт	Предлагает на основе ранее составленных цепей, исследовать режим «короткого замыкания»	Дорабатывают цепь, для режима замыкания. Проводят измерения	Развитие творческого мышления
Презентационный	Умение выражать собственное мнение, защищать его на основе привидения аргументов.	Регламентирует порядок выступлений и защиты.	Презентация продукта перед учащимися.	Умение последовательно выражать свои мысли, аргументировать  и слушать аудиторию.

6.     Оборудование и детали

·        Цифровой или индукционный мультиметр.

·        резисторы, нагрузки, кнопочный переключатель, соединительные провода, предохранитель, паяльник

7.     Список использованных источников

·        Гукин, Д. Программирование на C для чайников / Д. Гукин. - Москва: Диалектика, 2019. - 384 c. - ISBN: 978-5-907144-39-2

·        Бокселл, Дж. Изучаем Arduino. 65 проектов своими руками / Дж. Бокселл. -Санкт-Петербург: Питер, 2016. -400 с. - ISBN: 978-5-496-02421-1

·        Перышкин, А.В. Физика. 8кл: учебник / А.В. Перышкин. – Москва: Дрофа, 2019. – 238 с. - ISBN: 978-5-358-09884-8 

·        Amperka.ru

8.     Рефлексия

Вопросы для проверки себя

1.     Что мы называем «коротким замыканием»?

2.     Скорость трансформации электрической энергии в другую форму…?

3.     Почему нагревается современная техника?

4.     При параллельном соединении напряжение постоянно?

9.     Приложение

Гидравлическая система

Под действием давления насоса,	Паскаль
по трубам и клапанам разного сечения,	1/см²
из области высокого давления
в область низкого давления
переносится объём жидкости,	м³
формируя поток определённой силы,	м³/сек
который совершает полезную работу,	Джоуль
передавая энергию турбине с некой скоростью.	Ватт

Электрическая цепь

Под действием напряжения источника питания,	U	Вольт
по проводникам и компонентам разного сопротивления,	R	Ом
от высокого потенциала,	+	«плюс»
к низкому потенциалу	-	«минус»
переносится заряд,	Q	Кулон
формируя электрический ток определённой силы,	I	Ампер
который совершает полезную работу,	W	Джоуль
превращаясь в другую энергию с некой скоростью.	P	Ватт

Закон Ома

Закон Ома — главный закон электричества

Мощность

Мощность — мера скорости трансформации электрической энергии в другую форму

Зная закон Ома, можно заметить, что мощность можно рассчитать иначе:

Мир не идеален и часть электроэнергии непременно трансформируется в тепло. Из-за этого и греются компьютеры, телефоны, телевизоры и другая электроника.

Короткое замыкание

Соединение плюса с минусом напрямую, по закону Ома, приводит к очень большому току, следовательно, к очень большой мощности нагрева, что в итоге приводит к возгоранию.

Это называется коротким замыканием или в просторечии просто «козой». Никогда не допускайте его, ни при каких обстоятельствах!

Последовательное подключение

При последовательном подключении сила тока в каждом потребителе — одна и та же, различается напряжение: в каждом компоненте падает его часть.

Параллельное подключение

При параллельном подключении напряжение вокруг каждого потребителя — одно и то же, различается сила тока: каждый потребляет ток в соответствии с собственным сопротивлением.