–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
V Liberci dne: 3. 4. 2010
Technická univerzita v Liberci
FAKULTA PŘÍRODOVĚDNĚ-HUMANITNÍ A PEDAGOGICKÁ
Katedra: Pedagogiky a psychologie Studijní program: Pedagogika
Studijní obor (kombinace):
Pedagogicko - psychologická způsobilost
TECHNOLOGICKÉ TEORIE VZDĚLÁVÁNÍ A JEJICH APLIKACE VE VÝUCE STROJÍRENSKÉ
TECHNOLOGIE
TECHNOLOGICAL THEORY OF EDUCATION AND THEIR APPLICATION IN INSTRUCTION OF
ENGINEERING TECHNOLOGY
Počet
stran grafů obrázků tabulek pramenů příloh
43 0 10 1 12 1 CD
Bakalářská práce: 09-FP-KPP-14
Autor: Podpis:
Jiří MORÁVEK Adresa:
Irkutská 117 460 08, Liberec 19
Vedoucí práce: doc. PaedDr. Josef Horák, CSc.
Zadání
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
ANOTACE
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická Katedra pedagogiky a psychologie
Studijní program: Pedagogika
Studijní obor: Pedagogicko – psychologická způsobilost Student: Jiří Morávek
Téma práce: Technologické teorie vzdělávání a jejich aplikace ve výuce strojírenské technologie
Technological theory of education and their application in instruction of engineering technology
Číslo BP: 09-FP-KPP-14
Vedoucí BP: doc. PaedDr. Josef Horák, CSc.
Anotace: Tato bakalářská práce se zabývá aplikací technologických teorií vzdělávání při výuce strojírenské technologie. Práce je rozdělena na část teoretickou a praktickou.
V teoretické části jsou charakterizovány pojmy související s výchovně vzdělávacím procesem. Část praktická se zaměřuje na témata, především ze strojírenské technologie, při jejichž vyučování lze využít počítačovou simulaci.
Klíčová slova: Strojírenská technologie, počítačová simulace, vzdělávání
Anotation: This bachelor thesis deals with application of technological theory of education in instruction of engineering technology. Bachelor thesis is divided into two basic parts. Theoretical part characterizes concepts from education process. Practical part is focus on themes, especially from subject engineering technology, where can be taking advantage of computer simulation.
Key words: Engineering technology, computer simulation, education
Annotation: Le sujet, traité dans ce document, a pour objet la mise en application les théories éducatives d‘enseignement du cours de la matière de procédés mécaniques.
Pour y parvenir, ce cours est divisé en deux parties. La première partie, théorique, traite des différentes techniques et notion générale éducatives que l’on souhaite enseigner. Dans la seconde partie nous mettrons la théorie de procédés mécaniques en pratique en proposant notamment des travaux de simulation de processus assisté par ordinateur.
Mots-clés: La technologie mécaniques, simulation de processus assisté par ordinateur, éducation
Místopřísežné prohlášení:
Místopřísežně prohlašuji, že jsem bakalářskou práci vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury.
V Liberci 3. 4. 2010
………
Jiří Morávek Irkutská 117 460 08 Liberec 19
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Poděkování
Děkuji všem, kteří svou pomocí a podporou přispěli k vypracování této bakalářské práce, zejména pak panu doc. PaedDr. Josefu Horákovi, CSc. a paní prof. Ing. Ivě Nové, CSc. za pomoc, cenné rady a připomínky. Dále bych chtěl poděkovat svým rodičům za morální a hmotnou podporu při studiu.
V Liberci 3. 4. 2010
………
Jiří Morávek Irkutská 117 460 08 Liberec 19
Obsah
1. Úvod ... 7
2. Teoretická část práce ... 9
2.1 Vzdělání... 9
2.1.1 Cíle a obsah vzdělávání ... 11
2.1.2 Cíle a úkoly odborného vzdělávání ... 11
2.2 Technologické teorie vzdělávání ... 13
2.3 Učivo ... 16
2.3.1 Didaktická klasifikace učiva... 16
2.3.2 Struktura obsahu učiva ... 18
2.3.3 Struktura a obsah učiva odborného předmětu ... 18
2.4 Vyučovací metody... 19
2.5 Vyučovací prostředky... 25
2.6 Vyučovací hodina ... 26
2.7 Charakteristika studijního oboru ... 28
2.8 Charakteristika vyučovaného odborného předmětu ... 29
3. Praktická část práce ... 31
3.1 Plán vyučovací hodiny s využitím počítačové simulace ... 31
3.2 Tématické celky s předpokládanou využitelností počítačové simulace ... 36
Závěr... 40
Seznam použité literatury ... 41
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
1. Úvod
Se zaváděním nových kurikulárních programů na středních a základních školách je v dnešní době věnována zvýšená pozornost výchovně vzdělávacímu procesu, jak z hlediska obsahového, tak metodologického. Toto se děje nejen zaváděním nových vyučovaných předmětů, ale i aplikací nových vyučovacích metod v nových i stávajících vyučovaných předmětech. Současně se využívají výpočetní technika a internet, který skýtá nepřeberné množství informací. Z nich je ovšem třeba pečlivě vybírat ty informace, které jsou relevantní a mnohé z nich lze použít při výuce odborných předmětů.
Vyučování na středních školách je třeba orientovat nejen na odbornou přípravu s použitím didaktických zásad, a také výuku přizpůsobit vzhledem k vývojovému stupni žáka, neboť právě jemu předává pedagog informace, které mají žáka resp. absolventa připravit co nejlépe na jeho profesní dráhu.
Svou bakalářskou práci jsem rozdělil na dvě části a to na část teoretickou a na část praktickou. Část teoretická se zabývá tématy související se vzděláním, jak obecným, tak i odborným. Aby byla práce pedagoga efektivní, je třeba se zaměřit na správné cíle a obsah vzdělávání, dodržovat didaktické zásady a také vhodně volit vyučovací metody a prostředky. Učitel se musí pravidelně a neustále připravovat na vyučování a sám se dále vzdělávat a rozšiřovat svou odbornost. Tyto pojmy vysvětluje právě teoretická část této práce. Dále je tato část je věnována charakteristice odborného vyučovacího předmětu
„Strojírenská technologie“, na jehož vyučování, resp. na aplikaci technologických teorií vzdělávání v jeho výuce je zaměřena tato práce.
V praktické části práce jsou vybrány tematické celky z předmětu „Strojírenská technologie“, ve kterých lze s výhodou využít právě technologických teorií vzdělávání.
Dále je navržen průběh modelové vyučovací hodiny resp. tématu, kde lze použít vhodné technické výukové prostředky, které vyplývají právě z technologických teorií vzdělávání, a o kterých lze předpokládat, že by jimi měla být škola vybavena. Také jsou uvedeny vyučovací metody, konkrétní vyučovací cíle a prostředky vyučovací hodiny.
Cílem této bakalářské práce je zpracovat průběh vyučovací hodiny podporované technologiemi potřebnými pro aplikaci technologických teorií vzdělávání v předmětu
„Strojírenská technologie“. Tento předmět je vyučován na většině středních odborných škol technického směru. Začlenění technologických teorií vzdělávání do tohoto předmětu pomáhá žákům názornější formou získávat jejich odborné znalosti. Současně je snaha těmito technologiemi vzbudit v žácích zájem o tento tradiční a stále aktuální obor. Správné didaktické metody a postupy pomáhají rozvíjet technické myšlení žáků a přispívají k dobrému profilu absolventa střední odborné technické školy.
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
2. Teoretická č ást práce 2.1 Vzd ě lání
Pedagogika jako věda o výchově a vzdělávání má vymezeny některé základní pojmy, mezi něž patří právě i pojem vzdělání. Tento pojem je nedostatečně ujasněný a často se nesprávně zaměňují pojmy vzdělání a vzdělávání. Vzdělání lze definovat jako součást socializace jedince a to z hlediska osobního pojetí, v tomto případě se jedná o kognitivní složku vybavenosti osobnosti (osvojené vědomosti, dovednosti, postoje, hodnoty, normy), která se zformovala působením vzdělávacích procesů. V tom to smyslu je vzdělání objasňováno v kognitivní psychologii a kognitivní psycholingvistice v konceptech tzv. kognitivních struktur, mentálních reprezentací, kognitivních map, znalostí, vědění, aj. K této definici vzdělání je blízký pojem naučenost. Takto interpretované vzdělání je možno zjišťovat (měřit) pomocí didaktických testů a některými výzkumnými metodami.
Dále lze na vzdělání pohlížet z hlediska obsahového pojetí jako na zkonstruovaný systém informací a činností, které jsou plánovány v kurikulu různých škol včetně odborných vyučovacích předmětů a realizovány ve výuce. Souhrnně jsou tyto informace a činnosti chápány jakožto obsah vzdělání a/nebo jako vzdělávací cíle. I v tomto pojetí lze vzdělání přesně popsat pomocí kurikulárních analýz.
Z pohledu institucionálního pojetí lze vzdělání definovat jako společensky organizovanou činnost zabezpečovanou prostřednictvím instituce školství, formálního vzdělávání, celoživotního vzdělávání, aj. Vzdělání jakožto instituce je ve společnosti bohatě diferencováno prostřednictvím vzdělávacích cyklů, stupňů, druhů, atd. Běžně se takto rozlišuje základní vzdělání, středoškolské vzdělání a vysokoškolské vzdělání.
Další hledisko pojetí vzdělání je hledisko socioekonomické. Na jeho základě je vzdělání definováno jako a chápáno jako jedna z kategorií, které charakterizují populaci (skupiny obyvatelstva, společnost). Je to vlastnost populace determinovaná sociálními faktory, jako je sociální původ a ekonomickými faktory, což jsou náklady na vzdělání.
Přitom kvalita vzdělání ovlivňuje kvalifikační strukturu obyvatelstva a tím i ekonomický a kulturní potenciál společnosti.
Všechny tyto definice vzdělání by bylo možno shrnout do jediné definice jako jeho procesuální pojetí, která říká, že vzdělání je proces, kterým se realizují stavy jedince a společnosti ve smyslu všech předchozích definic [1].
Vzdělávání se uskutečňuje ve výchovně vzdělávacím procesu a v pedagogické teorii je to základní, avšak neustálený pojem. Vzdělávání lze chápat ve smyslu výuky ve školní třídě a zahrnuje procesy učení na straně žáků a vyučování na straně učitelů.
V obecné rovině je vzdělávání chápáno jako proces, který není vázaný jen na školní výuku a jedná se o takové vzdělávací procesy a činnosti, které probíhají v některém edukačním prostředí a zahrnují řízené učení nějakého subjektu, kterému je podávána didaktická informace. Vzděláváním se vytvářejí dovednosti, návyky a rozvíjejí schopnosti utvářející celkový postoj člověka ve společnosti [1].
Vzdělavatelnost můžeme definovat jako schopnost jedince vzdělávat se a dosáhnout takové úrovně vědomostí, dovedností a návyků, která je v dané společnosti pokládána za vzdělání. Tato potencialita jedince však nemusí být uplatněna, bývá totiž ovlivněna biologickými faktory, psychologicky např.: úrovní kognitivních schopností, pedagogicky tj. kvalitou pedagogického působení a v neposlední řadě sociálně [1].
Vzdělanost je pojem, kterým lze rozumět charakteristiku populace vyjadřující úroveň vzdělání, a nebo jako vzdělanostní strukturu obyvatel země, sociálních či etnických skupin [1].
Odborné vzdělávání je proces, který se dosáhne prostřednictvím institucí odborného školství. Odborné vzdělání lze rozdělit na střední, které zahrnuje všeobecné vzdělání a odbornou přípravu a je ukončeno státní závěrečnou zkouškou a na úplné střední vzdělání, které zahrnuje širší všeobecné vzdělání a odbornou přípravu diferencovanou podle druhu střední školy a ukončuje se maturitou.
Dalším druhem odborného vzdělání je odborné vzdělání vyšší, které zahrnuje všeobecné vzdělání, speciální odbornou, uměleckou a pedagogickou přípravu a ukončuje se absolutoriem [1].
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
2.1.1 Cíle a obsah vzd ě lávání
Obsah a cíl vzdělávání jsou dva pojmy, které mezi sebou mají určitou vzájemnou souvislost. Cíl vzdělávání udává směr, jakým by se mělo ubírat výchovné působení, řízení a organizace výchovného procesu. Cíl má tedy usměrňovací funkci. Konkrétně lze říci, že cílem rozumíme to, co se má žák naučit, umět a osvojit si během vzdělávacího procesu.
Cíle mají určitou podobu, kterou lze formulovat jako otázky např.: Co si má žák osvojit?
Jaké má mít vlastnosti? Jaké mají být jeho dovednosti a vědomosti? Jaký má mít vztah k pracovním profesním činnostem? Toto jsou tzv. profilující cíle, díky nimž cílevědomě formujeme a vytváříme žádoucí vlastnosti a znaky osobnosti, z nichž se odvozuje profil osobnosti. Z toho je zřejmé, že výchovné a vzdělávací cíle jsou ve velmi úzkém vztahu.
Obsah vzdělávání naplňuje cíl vzdělávání. Obsah tedy vystupuje jako konkretizace cílových struktur a aktivizuje je a jeho prostřednictvím nabývá vzdělávání požadovaného směru. Učitel, prostřednictvím obsahu vzdělávání, navozuje ty aktivity, které žáky vedou při osvojování vědomostí, dovedností a návyků v cílovém zaměření. Ke konkretizaci vzdělávacího obsahu slouží prostředky vyučování. Prostředky vyučování udávají, jakým způsobem a čím lze dosáhnout cílů při daném obsahu. Vyučovací prostředky jsou podrobněji vysvětleny v kap. 2.5 [2].
2.1.2 Cíle a úkoly odborného vzd ě lávání
Výchovně vzdělávací cíle mají zásadní význam pro účinnost a kvalitu práce školy.
Ujasnění výchovně vzdělávacích cílů, má význam v oblasti výběru učiva, jeho strukturování a také z hlediska řízení procesu výuky. Těžiště procesu výuky je třeba vidět i v tvůrčí práci učitele a žáka. Přesné formulování těchto cílů ve výuce odborných předmětů bývá slabým místem. Ve školské praxi, v přípravách učitelů se nejčastěji setkáváme, buď s cíli obecně, nebo naopak příliš úzce formulovanými.
Výchovně vzdělávací cíl chápeme jako požadovaný, relativně stálý stav určitých vlastností osobnosti žáka, který reprezentuje změnu, již má být dosaženo výukou.
Výchovně vzdělávací cíle mají rozdílnou kvalitu, ale i charakter. Proto je můžeme podle různých kritérií třídit. Z hlediska šíře jejich rozsahu jde o hierarchii cílů, z hlediska stavby jejich obsahu jde o strukturu cílů. V hierarchii cílů rozeznáváme obecné výchovně vzdělávací cíle (mají nejširší platnost), které se týkají vlastností a schopností člověka.
Tyto cíle dále zahrnují systému znalostí a vědomostí, které člověku umožňují pracovat,
orientovat se ve světě a dále se vzdělávat. Další kategorií jsou speciální cíle, které se vztahují k určitému obsahovému okruhu výuky a jsou určitým stupněm cílů obecných. Pro plnění funkce obecných a speciálních výchovně vzdělávacích cílů musí být dodrženy tyto zásady:
a) Přiměřenost, je dána souladem požadavků s možnostmi, tj. optimálním vztahem mezi cíli a výukovými prostředky. Cíle mají být náročné, ale zároveň splnitelné.
b) Jasnost a jednoznačnost cíle, která se vztahuje k jeho formulaci, která nepřipouští jiný výklad jeho smyslu ať už ze strany učitelů tak i žáků.
c) Kontrolovatelnost, což je vlastnost cíle umožňující zjistit, zda cíle bylo dosaženo, či nikoliv.
Základní výchovně vzdělávací cíle se dělí na:
1) cíle poznávací - vědomostní, které vymezují vědomosti a intelektuální dovednosti, 2) cíle dovednostní - psychomotorické, které jsou nejčastěji předmětem výcviku,
3) cíle postojové, obsahují oblast postojů a sociálně komunikativních dovedností, jejichž dosahování je hlavním záměrem výchovy, proto se také nazývají cíly výchovnými.
Hierarchickou strukturu cílů výchovy a vzdělání můžeme popsat:
Obecný cíl výchovy
Obecné cíle studijního nebo učebního oboru SŠ Cíle odborného předmětu
Cíle tématických okruhů Cíle tématických celků Cíle jednotlivých témat
Významnost výukového cíle lze tedy chápat jako míru důležitosti cíle ve srovnání s ostatními cíli výuky na téže hierarchické úrovni, jelikož většina výchovných cílů není zahrnuta pouze v jednom předmětu. Cílová orientace práce učitele ve všech jejích
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
oblastech umožňuje naplňovat didaktické zásady a skutečný efekt se pak projeví ve znalostech a dovednostech žáků [3].
2.2 Technologické teorie vzd ě lávání
Moderní pedagogika využívá celou řadu teorií vzdělávání např. kognitivně psychologické, sociální, sociokognitivní a patří sem i teorie technologické, označované také jako technicko systémové, či systémové teorie vzdělávání. Tyto teorie kladou důraz na předávání informací prostřednictvím vhodných technologií. Technologie je široký pojem, který zahrnuje postupy systémových přístupů a koncepci výuky, ale také zahrnuje didaktické pomůcky pro komunikaci a zpracování informací. Mezi tyto pomůcky patří např. televize, video, počítač, internet, atd. Poslední tendence při uplatnění těchto výukových metod směřují k multimédiím a hypertextu. Mají za cíl vytvořit multimediální prostředí, využívající tzv. umělé inteligence a také využívat možnosti počítačové simulace reálních situací. Toto vše je založeno na rozvoji výpočetní techniky a schopnosti počítačů zpracovávat v krátkém časovém okamžiku obrovské množství dat a informací. Počítač může pracovat s rozmanitými zdroji informací, ať už jde o obraz, video, zvuk nebo text.
Právě v tomto případě mluvíme o multimédiích. I tato práce je psána za pomoci počítačové technologie, resp. pomocí textového editoru, který umožňuje různé operace s textem. Tuto technologii psaní textu pomocí klávesnice dnes již nelze nazvat moderní. Za moderní technologie psaní, lze považovat např. psaní pomocí elektronické tužky nebo pera, tzv.
„stylusu“ přímo na obrazovku nebo na virtuální papír.
Technologický rozvoj dvacátého století poznamenal, stejně jako ostatní sociální instituce, i školy. Tento rozvoj je patrný v zavádění konkrétních technologických prostředků do výuky. I tato technologie využití elektronické tužky se stává dnes poměrně běžně používanou ve školství, neboť i některé typy interaktivních tabulí používají
„stylusu“. Důležitá je zde i kvalita vzájemné interakce mezi počítačem a člověkem a důležité je zvládnutí těchto prostředků pedagogy, aby jejich využití mělo smysl a pomohlo k rozvoji edukačních schopností žáků. V 60. letech byl tento technologický rozvoj považován za spásu vzdělávání.
Slovo technologie má široký význam, který zahrnuje nástroje, přístroje, pomůcky, stroje, postupy, metody nebo programy, získané systematickou aplikací vědeckých poznatků s cílem řešení praktických problémů. Technologická teorie vzdělávání spočívá
v logickém uspořádání „konkrétních“ prostředků, které slouží k organizaci vyučování a málo záleží na povaze a obsahu vzdělávání. Tato teorie se zaměřuje na praktické podmínky vyučování a usiluje o řešení každodenních problémů školy, a proto lze o ní hovořit jako o teorii vzdělávání. Častěji se o ní hovoří jako o výcviku a vzdělávání, než o výuce. Současně se klade velký důraz na používání systematických postupů, plánování a organizování formativních procesů a na zpětnou vazbu v procesu předávání poznatků.
V této technologii je možné rozlišit dvě hlavní tendence. První z těchto tendencí představuje aplikaci teorie systémů na vzdělávání, která spočívá ve zkoumání vztahů mezi prvky v závislosti na sledovaných cílech. Druhá tendence uplatňuje hypermediální prostředky a metody ve vzdělávání, jež spočívají v budování mnohavrstevných systémů informací, které tvoří tzv. hypermediální prostředí. Sem lze zahrnout, v poslední době hojně využívanou, metodu počítačových simulací různých reálných situací skoro ve všech oborech lidské činnosti např. lékařství, stavební průmysl, ekonomie, strojírenství, atd. Ve strojírenství lze uvést jako příklad tohoto využití např.
metodu konečných prvků, či diferencí v pevnostní analýze součástí, tuhnutí odlitků ve formách, atd. Tyto metody ušetří materiálové a finanční náklady na výrobu např. forem tím, že si jejich efektivnost můžeme ověřit ještě před vyrobením dané formy. Výše uvedeným metodám simulací je dobré žáky učit na středních, dále pak studenty na vysokých školách, kde je mohou využívat pro své projekty, což je dobře připraví na budoucí zaměstnání a umožní jim některé sledovat některé jevy, které v reálném prostředí lze sledovat obtížně, nebo je sledovat nelze.
Obr. 1 Simulace tuhnutí odlitku ve formě Obr. 2 Simulace tlukotu lidského srdce Tvorbu vyučování u této edukační teorie lze rozdělit do etap, ve kterých se pedagog pokusí nejprve vymezit obecné cíle a klasifikuje je podle různých používaných taxonomií.
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Dále pedagog vytvoří seznam nezbytných prvků pro dosažení předem jasně stanovených cílů. To se uskuteční např. pomocí rozdělení žáků do skupin, přípravou potřebných textů, pomůcek, programů, atd. A nakonec si ověří dosažení těchto cílů. Což je stejné u všech ostatních technologií.
Hypermediální tendence, které prostřednictvím internetu umožňují žáku získávat nepřeberné množství informací o různých tématech a oborech, tvoří celosvětové multimediální prostředí, lze minimalizovat i na prostor učební skupiny a hodiny.
Minimalizace globálního multimediálního prostředí má schopnost žákovi představit rozmanité situace. Počítač se může dokonce „učit“ od žáka ve chvíli, kdy ho sám vyučuje.
Může se přizpůsobit zvláštnostem žáka, jako jsou jeho styl učení, rytmus, osobní záliby a potřeby. Výsledkem je technologická koncepce, která čerpá, jak z posledních novinek a poznatků, tak z teorií poznání. Na začátku 80. let se ve světě hodně hovořilo o vytváření
„inteligentních“ vyučovacích programů. Učitel používal různé softwarové produkty, jež vznikly aplikací umělé inteligence a byly koncipovány k tomu, aby pomohly vytvářet učební prostředí, a nebo přímo samy vyučovaly. Z tohoto pohledu lze vyučování považovat za soubor reakcí a podnětů. Žáka je však potřeba vést spíše cestou vlastních objevů, než ho vyučovat daným obsahům. Dnes většinou tyto programy nahradilo prezentování informací v různých podobách jako jsou informace obrazové, zvukové i tradiční text, čímž žák může kdykoliv požádat o vysvětlení, jež mu podle jeho přání budou podána jím zvoleným způsobem např. video, zvuk, obraz, atd.. Důležitou charakteristikou této interakce není jenom rozmanitost zdrojů, které moderní technologie jako např. internet poskytují, ale i rozmanitost forem interakcí. Rozlišovat tyto informace na správné a nesprávné, věrohodné nebo nevěrohodné by měl žákovi pomoci pedagog, rodina a v neposlední řadě vlastní zkušenosti a znalosti.
Ve vývoji principů vzdělávací technologie pedagogické výzkumy a experimenty přiznávají větší místo interaktivitě a technikám hypermediální prezentace poznatků než vyučovacím programům. Tento proud nyní čerpá z výzkumů podmínek otevřené interakce, z výzkumu hypertextů a hypermédií (internet), didaktických programů, procesů učení a myšlení žáka [4].
2.3 U č ivo
Učivo je pojítkem mezi činností žáka a učitele. Činnost učitele se označuje jako vyučování v širším slova smyslu, činnost žáka se označuje jako učení. Vyučováním navozuje učitel u žáků proces učení. Učivo je tedy pojítkem mezi těmito činnostmi a rozumíme jím vše, co je předmětem osvojování při vyučování ve škole. Učivo tvoří soustava poznatků a činností o přírodě, společnosti a člověku, které si má žák v jednotlivých vyučovacích předmětech osvojit a jde v podstatě transformovaný a zpracovaný obsah vědy, techniky, umění a hodnot do školního vzdělávání. Učivo nelze chápat jen jako sumu kategorií, pojmů a faktů, ale musí tvořit strukturu a systém, který tvoří základy pro další sebevzdělávání a sebevýchovu a nelze je chápat bez vzájemné souvislosti. V učivu jsou také rozpracovány a konkretizovány cíle a úkoly výuky z nichž pak vyplývají jednotlivé formy, prostředky a metody vlastní výuky, o kterých je podrobněji psáno v kapitolách 2.4 a 2.5. Učivo by mělo být žáku zprostředkováno a zpřístupněno na takové úrovni, která je přiměřená jeho věku, zkušenostem a možnostem na což má významný vliv erudovanost učitele v základní struktuře poznatků a jejich vztahů v daném didaktickém systému učiva vyučovaného předmětu [5].
2.3.1 Didaktická klasifikace u č iva
Učivo jako soustava poznatků a činností je didaktickou klasifikací děleno na čtyři složky:
1. Vědomosti, což jsou osvojované poznatky.
2. Dovednosti, což jsou osvojované činnosti.
3. Hodnotová orientace žáka, kterou lze popsat jako jeho zájmy, přesvědčení a postoje, což jsou jeho osvojované potřeby.
4. Vlastnosti člověka, což mohou být rozsah paměti, úroveň myšlení, vůle, rychlost a vytrvalost, atd.
Vědomosti jsou kognitivní, individuálně svébytná soustava představ a pojmů, teorií a komplexních poznatkových struktur, které si žák osvojil díky školnímu vzdělávání, vlastnímu učení a jiným vlivům. Jsou výsledkem žákova vnímání, poznávání, myšlení,
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
zapamatování, praktického experimentování i životních zkušeností. Lze se setkat i s pojmem znalost což je synonymum vědomosti.
Na osvojených a osvojovaných vědomostech lze u žáka diferenciálně hodnotit jejich správnost, šířku, hloubku a trvanlivost. Tyto vědomosti lze dělit na konkrétní a obecné. Konkrétními vědomostmi rozumíme všechny poznatky konkrétní povahy jako např. jedinečné představy, obecné představy o konkrétních jevech a věcech, informace a fakta. Obecnými vědomostmi jsou všechny ty poznatky a poznatkové soustavy, které jsou získávány převážně na základě abstraktního myšlení a odrážejí obecné znaky např.
pojmy, pravidla, zákony, teorie.
Dovedností rozumíme způsobilost člověka k provádění určité činnosti. Je podmíněna do jisté míry vrozenými předpoklady, ale dosahuje jí učením a výcvikem.
Dovednosti jsou typu intelektového jako např.: čtení, řešení úloh určitého typu, atd. Dále typu senzomotorického: plavání, jízda na kole, obsluha technického zařízení, atd.
Osvojování dovedností je zcela evidentně vázáno na osvojované vědomosti, na jejichž podkladě může k jejich utvoření vůbec docházet. Vědomosti a dovednosti tak tvoří ucelenou soustavu a dovednost ve svém důsledku uschopňuje žáka k určitým činnostem a úkolům, rozvíjí jeho pracovní profil v souladu s obsahem a cíli vzdělávání. Osvojované dovednosti zajišťují připravenost k teoretickým i praktickým úkonům, které mohou být nakonec spolehlivě vykonány. Na osvojovaných dovednostech žáka můžeme diferenciálně hodnotit jejich rychlost, stupeň spolehlivosti, přesnost, kvalitu a kvantitu, didaktickou a profesní způsobilost a jejich úspěšné aplikování. Dovednosti spolu s podmiňujícími vědomostmi se tak stávají podmínkou pro úspěšnou tvořivou činnost žáka.
Zautomatizováním některých vykonávaných složek činností vznikají návyky, které jsou předmětem osvojování vzhledem k obsahu a cíli vyučování. Příslušného zautomatizování se dosahuje mnohonásobným opakováním určitých charakteristických úkonů a pracovních postupů. Hlavním znakem návyků je vytvořený ustálený pohybový projev v daných podmínkách činnosti. Návyky svým charakterem přispívají k úspěšnému zvládání všech činností člověka, proto doplňují osvojování vědomostí a dovedností, které jsou předmětem školního vyučování. Diferenciálně na nich lze nacházet charakteristiky osvojovaných způsobů chování a činností.
Je patrno, že vědomosti, dovednosti a návyky se navzájem doplňují a podmiňují, a proto v souladu s cíli a obsahem vyučování nemůže být jejich osvojování chápáno
samostatně, ale ve vzájemných souvislostech tak, jak odpovídá jejich přirozené podstatě [1] [2].
2.3.2 Struktura obsahu u č iva
Rozsah a obsah učiva je dán školními vzdělávacími programy a vzdělávacími plány. Učivo je v nich vymezeno obecnými cíly vzdělávání, které jsou vyjádřeny z pozice učitelů jako to, k čemu má vzdělávání směřovat a o co mají vyučující svou výukou usilovat. Z pozice žáka výukové cíle uvádějí, jak žák umí na konci výuky získané vědomosti a dovednosti používat [6]. Učivo lze dělit na:
Učivo základní, je učivo určené všem žákům daného stupně/ typu, povinné pro všechny žáky. Zahrnuje všechny prvky podstatné, nezbytné, formující mysl, tělo a ducha člověka, prvky tvořící důležité články v řetězu vědní soustavy, vyhovující cíli a účelnosti se zřetelem k potřebám společenským, individuálním, odstupňované podle věku a schopností žáků. Toto učivo se probírá, upevňuje a procvičuje ve škole a měla by si jej osvojit většina žáků dané věkové hladině, na alespoň minimální úrovni.
Učivo rozšiřující slouží k prohloubení a rozšíření základního učiva o další prvky, které slouží žákům k rozvoji nadání a přehledu a k uspokojování jejich zájmů. Toto učivo umožňuje diferencovat žáky podle jejich nadání, výkonu, schopnosti a pracovitosti.
Speciální učivo prohlubuje rozšiřující učivo do ještě větší hloubky a to nejen v oblasti daného předmětu, který je důležitý pro daný obor. Obsah toho učiva je odlišný pro různá zaměření odborných škol.
Pojem učivo je v současnosti nahrazován komplexnějším pojmem kurikulum, což je výraz pro kmenové učivo.
2.3.3 Struktura a obsah u č iva odborného p ř edm ě tu
Analýza obsahu, rozsahu a struktury učiva slouží k systematizaci znalostí, které mají žáci získat v souladu s cíli učebního či studijního oboru a vymezení mezipředmětových vztahů a souvislostí. Pro učitele je tato analýza obsahu nástrojem pro vymezení základního učiva. Základní učivo lze v odborných předmětech, včetně učiva praktického výcviku, charakterizovat následovně:
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
1) základní učivo tvoří základy současné vědy, techniky a technologie, které odpovídají požadavkům oborů technického povolání, pro něž se žáci na středních školách připravují, 2) je to učivo, bez něhož nelze dále postupovat ve vzdělávání od tématu k tématu, od předmětu k předmětu, od ročníku k ročníku a od nižšího stupně k vyššímu,
3) učivo, které splňuje podmínku přiměřenosti obsahu a může být tedy osvojeno všemi žáky,
4) učivo, které má základní formativní význam pro rozvíjení osobnosti žáků a jejich postojů,
5) jeho zvládnutí je nezbytné k racionálnímu vykonávání odborné praxe.
Strukturu odborného učiva je možno rozlišit na dvě úrovně:
a) Makrostrukturní- rozumíme jí vzájemné uspořádání jednotlivých odborných předmětů, případně vnitřní uspořádání těchto předmětů. Problematikou makrostruktury se zabývá ministerstvo školství a resortní výzkumné ústavy.
b) Mikrostrukturní, kterou chápeme jako vnitřní strukturu tématických celků a témat v rámci jednotlivých odborných předmětů. Zodpovědnost za její vytváření a uplatňování ve výuce mají učitelé odborných předmětů [3].
2.4 Vyu č ovací metody
Vyučovací metody jsou prostředkem pro dosahování didaktických cílů. Učitel jich využívá jako záměrného uspořádání obsahu vyučování, činností učitele a žáků, které směřují k dosažení stanovených vzdělávacích cílů ve vyučování. Ke každé užité vyučovací metodě přísluší určitá organizační forma. Každá z metod má své požadavky na způsob jejího provedení tak, aby byla působivá a efektivní [2]. K tomu mimo dovedností a profesních kvalit učitele slouží technické a didaktické pomůcky, které také slouží ve výuce jejím účastníkům, tj. žákům i učitelům. Někdy tyto pomůcky označujeme jako didaktickou technologii. V posledních letech došlo k obrovskému nárůstu kvality a kvantity těchto pomůcek. Jejich vývoj dále pokračuje a lze předpokládat, že jejich vliv na kvalitu výuky bude stále stoupat ať se jedná o vzrůstající aplikaci počítačových systémů a internetu, nebo jiných audiovizuálních prostředků [5]. Podstatou vyučovací metody je takové řízení aktivní součinnosti žáků, které vede ke splnění výchovně vzdělávacích cílů.
Didaktické metody lze členit podle různých hledisek, která lze rozdělit do následujících kritérií:
1) Podle počtu studentů (kolektivní, hromadné, skupinové), 2) podle logického zřetele (analytické, syntetické, synkritické), 3) podle informačních zdrojů (slovní, knižní, pracovní, pozorování), 4) podle obsahu vzdělání (speciálně předmětové, oborové, předmětové), 5) podle míry samostatnosti žáka (heterodidaktické, autodidaktické),
6) podle didaktických etap a funkcí (motivační, expoziční, fixační, kontrolní a diagnostické),
7) podle perspektiv výuky a didaktických cílů, 8) podle výchovných cílů,
9) podle obsahu a metodických postupů.
Toto je jen jedno z možných hledisek přístupů k rozdělení didaktických metod, neboť každý z autorů i samotných pedagogů má na tuto klasifikaci svůj pohled. Pro příklad je zde uvedeno dělení didaktických metod podle Mojžíška:
I) Metody usměrňující zájem – metody motivační A) Úvodní, vstupní vyučovací metody
a) motivační rozhovor b) motivační vyprávění
c) motivační demonstrace B) Průběžné motivační metody
a) aktualizace obsahu
b) uvádění příkladů z praxe, ilustrace
c) podněcování žáků výzvou, pochvalou, atd.
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
II) Metody podání učiva – metody expoziční A) Metody přímého přenosu, přímého sdělování
a) přednáška b) vyprávění c) popis
d) vysvětlování
B) Metody zprostředkovaného přenosu názorem 1) Demonstrační metody
a) obrazová demonstrace
b) filmová, televizní, videodemonstrace c) demonstrace pomocí výpočetní techniky d) demonstrace pohybů
e) demonstrace trojrozměrných objektů f) exkurzní demonstrace
g) demonstrace akustická
h) demonstrace složitých pracovních a technických výkonů, životních situací i) demonstrace smyslové
2) Metody dlouhodobého pozorování jevů
a) pozorování ve speciálních zařízeních (laboratoře) b) pozorování v terénu
3) Metody manipulační, montážní, demontážní 4) Metody pracovní
a) laboratorní práce
b) práce jako vyučovací metoda 5) Hra jako vyučovací metoda
a) hra námětová
b) inscenace didaktické povahy c) dramatizace
6) Ilustrační metoda, kresba
C) Metody heuristického charakteru – metody problémové 1) Metody dialogické
a) Sokratovská, heuristická dialogová metoda b) beseda
2) Velké problémové metody a) vlastní problémy b) projekty
D) Metody samostatné práce a autodidaktické metody 1) Samostatná práce s knihou
2) Samostatná práce v laboratoři 3) Samostatné studium v terénu
4) Technické metody samostatného studia E) Metody bezděčného učení
III) Metody opakování a procvičování učiva – metody fixační 1) Metody opakování vědomostí
a) ústní opakování b) katechetická metoda
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
c) písemné opakování d) opakovací rozhovor e) opakovací četba
f) beseda k prohloubení učiva g) semináře a seminární cvičení
h) laboratorní práce jako metoda opakování i) exkurzní práce jako opakovací metoda j) film, video jako opakovací metoda k) ilustrace
l) dramatizace m) domácí úkoly 2) Metody nácviku dovedností
a) nácvik poznávacích procesů, intelektuální trénink b) tělovýchovný, pracovní a umělecký trénink nebo nácvik
IIII) Metody hodnocení, kontroly a klasifikace – metody diagnostické a klasifikační 1) Klasické diagnostické metody ( metody hodnocení vědomostí a dovedností)
a) písemné zkoušky b) ústní zkoušky c) didaktické testy d) výkonové zkoušky
2) Diagnostické metody vědeckovýzkumného charakteru a) systematické pozorování žákových projevů b) pozorování žáků v tzv. uzlových situacích
c) rozbor žákovských prací
d) explorační metody (rozhovor, dotazník) e) anamnéza
f) speciální diagnostické metody (např. diagnóza zájmů, procesu učení, čtení, atd.) 3) Metody třídění a interpretace diagnostických údajů
4) Metody klasifikační, didaktické charakteristiky, klasifikační symbolika a) aproximační klasifikační metody (odhadem)
b) exaktní metody (kvalitativní, kvantitativní) c) charakteristiky (didaktické) [2]
Další autoři pohlíží na typologii vyučovacích metod podobným způsobem, viz publikace Maňáka. Správná a vhodná volba vyučovací metody patří mezi důležité kroky přípravy pedagoga na hodinu, protože je úzce spojena s obsahem učiva a stanovením výchovných a vzdělávacích cílů a konečně se žáky, jako příjemci pedagogického působení.
Činitele, na kterých závisí volba vyučovací metody, lze shrnout takto:
1. Cíl výchovně vzdělávací práce školy.
2. Specifičnost daného vyučovaného předmětu.
3. Konkrétní obsah učiva v rámci daného tématu.
4. Výchovně vzdělávací cíl dané vyučovací jednotky.
5. Pedagogicko - psychologické podmínky výuky v konkrétní třídě.
6. Materiální vybavení.
7. Osobnost vyučujícího.
8. Časové možnosti, které má učitel k dispozici.
9. Situační podmínění výuky v daný okamžik [3]
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
2.5 Vyu č ovací prost ř edky
Vyučovací nebo-li didaktické prostředky je označení pro objekty, předměty zprostředkující nebo napodobující realitu, napomáhající větší názornosti nebo usnadňující výuku jako jsou např.: obrazy, schémata, symboly a modely, které zahrnují širokou škálu auditivních, vizuálních, obrazových a technických pomůcek, které jsou součástí vyučovací technologie [1]. Avšak i s těmito pomůckami zůstává učitelova osobnost ve výchovně vzdělávacím procesu, zvláště pak v sociálních funkcích, nezastupitelná. Technické prostředky přitom mohou efektivně objektivizovat živou práci učitele a tak zvyšovat produktivitu vzdělávací základny. Učitele tyto prostředky mohou nahradit pouze do určité míry, a to jen proto, aby ho uvolnily pro další zkvalitňování výuky. Vyučovací prostředky dělíme na:
1. Materiální, kam patří: učitel,
výukové prostory,
zařízení vyučovacích prostor, potřeby žáků,
potřeby učitele,
technické výukové prostředky- učební pomůcky a technika, další materiální prostředky.
2. Nemateriální, a to: obsah výuky, výukové metody, výukové formy, organizace výuky, scénář řízení činnosti,
další nemateriální prostředky.
Materiálních vyučovacích prostředků tedy existuje sedm kategorií, které jsou využívány k optimálnímu dosahování vzdělávacích cílů. Výukové prostory jsou prostory
využívané k didaktickým účelům – odborné učebny, laboratoře, dílny, atd. Do kategorie zařízení vyučovacích prostor nezahrnujeme pomůcky ani didaktickou techniku, ale patří sem např.: speciální školní nábytek, rozvody médií a energií. Metodické a další potřeby vyučujícího jsou určené pro výkon jeho výukových funkcí, jako jsou učební standardy, metodické příručky, odborná literatura, informace o studentech, atd. Podobně školní potřeby studentů zahrnují psací a rýsovací potřeby, sešity (bez poznámek jinak by se jednalo o učební pomůcku), pracovní nářadí.
Učební pomůcky obsahují jako jediný z materiálních učebních prostředků učební informace. Řadíme k nim učebnice, literaturu určenou k výukovým účelům, výukové obrazové a zvukové záznamy, reálie a modely využívané pro výuku. Některé z těchto pomůcek lze žákům prezentovat přímo (např.: modely, učebnice), jiné jako jsou např.:
videozáznamy, zvukové nahrávky, počítačové programy, atd. mají informace zakódované a vyžadují ke své prezentaci tzv. didaktickou techniku. Didaktická technika zahrnuje tedy přístroje a didaktické systémy využívané pro vzdělávací účely, které umožňují nebo umocňují prezentaci některých druhů učebních pomůcek. Jedná se o soubor projekčních, auditivních, audiovizuálních a multimediálních přístrojů a technických systémů, které zpřístupňují smyslům učících se, tedy žákům, informace z učebních pomůcek. Jedná se o tabule, projektory a výpočetní techniku, které by sice měli být zahrnuty mezi zařízení výukových prostor, ale pro jejich specifický význam ve výuce je jim přiřazena samostatná kategorie. Mezi další materiální prostředky se řadí propojovací kabely, podstavce, stojany, prostředky údržby aj., které jsou nezbytné pro průběh výchovně vzdělávacího procesu [7].
Nemateriálním výukovým prostředkům jsou věnovány předchozí kapitoly této práce.
2.6 Vyu č ovací hodina
Vyučovací hodina je základní organizační forma výuky. Jedná se o časový úsek, jednotku školního rozvrhu hodin v délce zpravidla 45 minut. Její délku lze upravovat (zkracovat, prodlužovat, spojovat hodiny) vzhledem k věku žáků a k účelům a povaze výukových činností [1]. Vyučovací hodina má úzkou spojitost s průběhem vyučovacího procesu v rámci téhož předmětu a nepřímo i s ostatními vyučovacími předměty. Volba struktury vyučovací hodiny je dána především cílem a obsahem učiva, zákonitostmi vzdělávacího procesu, volbou adekvátních vyučovacích metod, a konkrétními učebními
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
podmínkami ve třídě. Struktura vyučovací hodiny tedy vychází ze struktury základního kombinovaného typu vyučovací jednotky (tzv. smíšený typ), pro kterou je příznačný obsah všech didaktických částí:
1. Přípravná část- vytváří organizační předpoklady k práci a podmínky pro přechod od probrané látky k novému učivu, k čemuž je třeba:
a) pozdrav učitele s žáky,
b) kontrola prezence a zápis do třídní knihy,
c) počáteční kontrola úrovně přípravy žáků (včetně kontroly domácích cvičení a úkolů),
d) zhodnocení stavu přípravy a motivace nového učiva.
2. Expoziční část- spočívá v osvojování nového učiva, které začíná:
a) seznámením s cílem výkladu a plánem postupu,
b) těžiště je ve vlastním výkladu nové látky, který se opírá o slovně názorný postup, c) průběžné shrnutí dílčích výsledků, které vyústí v celkový přehled nové látky.
3. Fixační část- je věnována opakování a upevnění nové látky prostřednictvím:
a) prvotního procvičování bezprostředně po osvojení,
b) zadání domácího úkolu nebo domácího cvičení, které slouží k aplikaci osvojeného učiva.
4. Aplikační část- směřuje k vytváření dovedností
5. Kontrolní část- spojená se zhodnocením úspěšného splnění vytčeného úkolu:
a) celkové shrnutí nové látky zaměřené na zdůraznění podstatných znaků, kontrola celé třídy,
b) celkové zhodnocení průběhu hodiny z hlediska aktivního podílu jednotlivců, c) závěr vyučovací jednotky.
Aby žáci ještě lépe pochopili a zvládli teoretický základ a pojmy související s danou problematikou, je třeba od začátku spojit teoretickou přípravu s praktickým vyučováním, a to zejména na odborných školách, kde se výuka i uskutečňuje mimo třídu na speciálních pracovištích, kde žáci získávají další znalosti, dovednosti a návyky a upevňují ty stávající. S praktickou přípravou souvisí také exkurze, které probíhají v mimoškolním prostředí a také obohacují vyučovací proces o konkrétní názornou složku smyslového poznávání a umožňují žákům poznávat objekty a jevy přímo v typických podmínkách praxe [3].
2.7 Charakteristika studijního oboru
Studijní obor je forma studia na střední odborné škole, nebo na středním odborném učilišti. Obory čtyř nebo pětileté se ukončují maturitou, obory kratší než čtyři roky se ukončují závěrečnou zkouškou [1]. Studijní obor 23-41-M/01 Strojírenství má za úkol dát žákům systém vědomostí, dovedností a návyků z oblasti strojírenství, jako jsou základní strojní součásti a důležité mechanismy v takovém obsahu a rozsahu, jaké jsou potřebné k samostatné tvůrčí práci nejen během samotného předmětu „Strojírenská technologie“, ale i v předmětech styčných, včetně odborného výcviku a v neposlední řadě pro úspěšný výkon povolání. Cílem je rozvíjet technické myšlení žáků, tzn. na základě poznání fyzikálně technické podstaty, principu, funkce a významu jednotlivých částí strojů, lépe pochopit funkci strojů a zařízení v technologickém procesu v daném oboru [8]. Uplatnění absolventa je především ve středních technickohospodářských funkcích ve strojírenství (popř. v příbuzných technických odvětvích), a to při zajišťování konstrukční (popř.
projektové) a technologické části výrobního procesu, při organizaci provozních činností, v obchodně-technických službách. Dále v oblasti péče o provozuschopnost strojů, zařízení a dopravních prostředků, atd. Absolventi mohou nalézt uplatnění, jak v podnicích strojírenských, tak i v nejrůznějších odvětvích např.: nestrojírenského průmyslu, energetiky, stavebnictví, dopravy, zemědělství aj. Mohou se také uplatnit ve sféře drobného a středního soukromého podnikání. Příklady pracovních pozic, na kterých se mohou absolventi jako strojírenští technici v praxi uplatnit: konstruktér, technolog, mistr ve výrobě, dispečer, dílenský plánovač, kontrolor jakosti, technik investic a engineeringu, technický manažer provozu a další [6].
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
2.8 Charakteristika vyu č ovaného odborného p ř edm ě tu
Předmět „Strojírenská technologie“ je vyučován jako základní odborný předmět na středních odborných školách technického směru. Nemůže být proto chápán jako popisný, ale musí vytvářet předpoklady pro chápání učiva speciálních odborných předmětů, odborného a provozního výcviku a tím vším rozvíjet komplexní a technické myšlení žáků.
V ostatních styčných odborných předmětech žáci musí podrobně zvládnout učivo o základních strojních součástech. Z oblasti strojních součástí se jedná zejména spojovací součásti, jejich třídění, fyzikální podstatu (silové poměry), o jejich vlastnostech, konstrukci, materiálu i o volbě jednotlivých spojovacích součástí se zřetelem ke druhu a způsobu namáhání a k optimálnímu použití. Podobný úkol se klade i při seznamování se součástmi k přenosu točivého momentu, jako jsou čepy, hřídele, ložiska a převody. Žák se musí naučit kreslit a číst jejich výrobní výkresy a sestavy. Dále je žákům třeba dát přiměřené poznatky o všech druzích základních mechanismů [8]. Předmět „Strojírenská technologie“ a cvičení z tohoto předmětu dává pro praktickou aplikaci získaných poznatků těmto styčným předmětům základ z hlediska:
a) materiálového, tj. dává žákům přehled technických materiálů, jejich tepelného zpracování, základní znalosti o jejich metalografii, o jejich vlastnostech a jejich zkoušení a v neposlední řadě učí správným zásadám volby konstrukčních materiálů,
b) polotovarů a jejich technologičnosti, kde žáci získají obecné povědomí o polotovarech, specifikách a technologiích jejich výroby a to v případě polotovarů hutních, polotovarů vyráběných odléváním, tvářením za tepla, tvářením za studena, polotovarech vyráběných svařováním, pájením, žárovým dělením materiálu a konečně i polotovarech vyráběných z plastů,
c) strojního obrábění, zde zejména o řezných podmínkách, geometrii nástrojů přípravě a dělení materiálu a o technologiích hoblování a obrážení, protahování a protlačování, soustružení, vrtání a vyvrtávání, frézování, broušení, dokončovacích operacích a výrobě závitů a ozubení,
d) výrobních pomůckách jako jsou přípravky, měřidla, lisovací nástroje a stroje, nástroje a stroje pro zápustkové kování, lisování plastů, tlakové lití a obráběcí stroje.
Tyto oblasti jsou předmětem učiva v jednotlivých ročnících podle vzdělávacího plánu:
Tab. 1 Vzdělávací plán předmětu „Strojírenská technologie“
Strojírenská technologie Září Přehled strojírenské technologie
Říjen Metalografie
Listopad Železo a jeho slitiny- oceli Prosinec Železo a jeho slitiny- litiny Leden Lehké neželezné kovy Únor Těžké neželezné kovy Březen Plasty
Duben Zkoušení materiálu Květen Tepelné zpracování 1. Ročník
Červen Chemicko tepelné zpracování; Opakování
Září Opakování; Polotovary normalizované a nenormalizované; Polotovary odlévané Říjen Přídavky; Polotovary válcované
Listopad Polotovary tvářené za tepla Prosinec Polotovary tvářené za studena Leden Polotovary vyráběné svařováním
2. Ročník Únor Polotovary pájené; Polotovary lepené; Polotovary vyráběné práškovou metalurgií Březen Polotovary a výrobky z plastů
Duben Základní pojmy v obrábění; Geometrie nástroje
Květen Nástrojové materiály; Teorie obrábění; Řezné podmínky Červen Výrobní postupy; Opakování
Září Opakování; Soustružení Říjen Vrtání; Vyvrtávání Listopad Frézování
Prosinec Frézování; Broušení Leden Broušení
Únor Protahování; Protlačování Březen Hoblování; Obrážení Duben Výroba závitů
Květen Výroba ozubení a ozubených kol 3. Ročník
Červen Výroba vaček; Opakování
Září Opakování; Základní pojmy konstrukce přípravků Říjen Upínací přípravky
Listopad Lisování Prosinec Lisování Leden Měřidla
Únor Závěrečné opakování- metalografie Březen Závěrečné opakování- polotovary Duben Závěrečné opakování- obrábění
Květen Závěrečné opakování- přípravky, lisování, měřidla 4. Ročník
Červen Maturita
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
3. Praktická č ást práce
Praktická část této bakalářské práce je věnována využití počítačové simulace, jako jednomu z mnoha možných vyučovacích prostředků, ve výuce odborných předmětů a zejména předmětu „Strojírenské technologie“. Tento předmět je vyučován ve všech čtyřech ročnících na středních odborných školách technického směru. Předmět
„Strojírenská technologie“ je tvořen 4 tématickými celky: materiály, polotovary, strojní obrábění a přípravky. V každém tomto celku lze nalézt téma, ve kterém lze vhodně uplatnit počítačovou simulaci. Tato témata jsou rozpracována v samostatné kapitole této práce.
3.1 Plán vyu č ovací hodiny s využitím po č íta č ové simulace
Počítačová simulace dovoluje zkrátit reálné trvání celého průběhu zkoumaného jevu a simulovat i takové důsledky, které by v reálné situaci vedly ke škodám na zdraví, materiálním škodám a ztrátám finančním. Počítačovou simulací v tomto případě rozumíme modelování reálné situace, při které se zjednodušují působící vlivy, omezují podmínky na nejtypičtější. Průběh počítačové simulace se člení na jednotlivé etapy:
1. Preprocessing: V této fázi se vytváří geometrická data simulovaného objektu např.:
odlitek, svarek, konstrukce, atd. Pro vstup geometrických dat existují dvě alternativy, buď mohou být preprocesorem zpracovány již existující výkresy (modely), nebo se vytvoří nové modely (výkresy) pomocí CAD systémů. Vlastním CAD systémem se tedy vytvoří kompletní geometrie modelu. Preprocesor je dodáván jako běžná součást simulačních programů a jeho pomocí se vytvoří na modelu simulační síť v tzv. mesh generátoru.
Náročnost zpracování modelu závisí na komplikovanosti jeho geometrie. Nejprve se na počítači zkontroluje geometrie součásti, potom se obvykle strojnický výkres rozloží na tzv.
tablety a vytvoří se ve 2D průřezy součástí. Tyto vrstvy se pak jedna po druhé skládají do 3D sítě právě pomocí mesh generátoru. Geometrické funkce síťového generátoru pomáhají CAD systému zpracovávat konstrukci pro prostorovou simulaci.
Obr. 3 Model odlitku jednoduchého tvaru válce a týž model pokrytý sítí prvků
Obr. 4 Model slévárenské formy pro odlitek jednoduchého tvaru válce a týž model pokrytý sítí prvků
2. Mainprocessing (processing): Tato fáze je hlavní krok celého simulačního výpočtu.
Program provede výpočty např. změn teplot, analýzu napětí a deformací, atd. Tyto výpočty probíhají na základě numerického řešení n-rovnic o n-neznámých v uzlových bodech vytvořené simulační sítě. Potřebné veličiny použitých materiálů simulovaných objektů se zadávají z databáze programu, která je součástí jeho standardního vybavení. Uživatel též na začátku výpočtu zadává další podmínky jako jsou např.: teplota okolí, ovlivnění licí teplotou, působící napětí atd. Pro vyhodnocení kritických fází simulovaného procesu se volí časové intervaly.
3. Postprocessing: V závěrečné fázi simulačního výpočtu jsou v různých formách zobrazeny výsledky simulačního výpočtu. Výsledky se zobrazují barevně, dle potřeby např. ve 3D, pokud se jedná o prostorové rozložení sledovaných veličin. Lze zobrazit
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
např.: napětí, deformace, vnitřní pnutí resp. zbytkové pnutí v součásti, teplotní pole, izotermy, atd. [9].
Obr. 5 Příklad možného výsledku simulačního výpočtu (rozložení teplotního pole) Žáci by se aplikováním počítačové simulace do výuky měli naučit základní operace se simulačním programem a také poznat jeho možnosti a využití. Dále si na základě vlastních vytvořených počítačových modelů ověřovat reálnou funkčnost a správnost svých představ. Využitím simulací nesmí být potlačena praktická činnost žáků ve výuce, a proto by si žáci měli simulací získané výsledky ověřit v praxi a zjistit zda jsou výsledky počítačové simulace shodné s reálným chováním simulovaných jevů.
Vlastní plán vyučovacích hodin - hodina výkladová (2 × 45 min.), hodiny cvičení (3 × 90 min.), s využitím simulačního výpočtu by mohl vypadat takto:
Téma hodiny: Odlévané polotovary
Téma odlévané polotovary seznamuje žáky se základními pojmy slévárenství, slévárenskou formou, taveninou a její vzájemnou interakcí se slévárenskou formou.
Navazuje na poznatky žáků z fyziky, počítačové podpory konstruování a technického kreslení, které rozšiřuje a prohlubuje.
Cíle hodiny:
Žáci znají základní pojmy ze slévárenství, druhy, materiály a konstrukci slévárenských forem.
Žáci umí nasimulovat plnění slévárenské formy taveninou pro jednoduchý odlitek a vyhodnotit je, tj. určit vlivy působící na plnění slévárenské formy a na utváření odlitku ve formě.
Žáci umí nasimulovat tepelné procesy ve slévárenské formě (křivku tuhnutí v tepelné ose odlitku) a vyhodnotit je.
Navržené vyučovací a technické prostředky pro použití v hodině:
Simulační program s předmodelovaným odlitkem jednoduchého tvaru.
Potřebné počítačové vybavení učebny, dataprojektor.
Průběh hodiny:
Pozdrav učitele s žáky Zápis do třídní knihy
Opakování látky z minulé hodiny Seznámení žáků s tématem hodiny Výklad látky
Shrnutí nové látky
Ukončení hodiny a příprava na cvičení Praktické cvičení:
Navázání na teoretický základ
Instruktáž ovládání simulačního programu
Předvedení postupu simulačního výpočtu na příkladu odlitku jednoduchého tvaru válce
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Vlastní práce žáků na zadaném příkladě
Zakončení a zhodnocení celého tématu a ověření nově získaných znalostí
Obr. 6 Výsledek simulace plnění formy s odlitkem jednoduchého tvaru válce
Obr. 7 Výsledek simulace tuhnutí a chladnutí odlitku jednoduchého tvaru válce
3.2 Tématické celky s p ř edpokládanou využitelností po č íta č ové simulace
U tématických celků uvedených ve vzdělávacím plánu pro předmět „Strojírenská technologie“, viz tab. 1, ale i ze vzdělávacích plánů jiných předmětů lze vybrat ty, při jejichž výuce by bylo možno s výhodou využít počítačových simulačních výpočtů. Tyto simulační výpočty by měly přispět k názornějšímu výkladu učiva a také pro přípravu na budoucí praktická cvičení, nebo praxi ve školních dílnách a laboratořích. Ze vzdělávacího plánu pro předmět „Strojírenská technologie“ lze vybrat tématické celky, které jsou vhodné pro aplikaci simulačních výpočtů:
1) Polotovary odlévané (viz kap. 3.1)
2) Polotovary vyráběné tvářením za studena - polotovary tažené Téma hodiny: Polotovary vyráběné tažením
Téma tažené polotovary seznamuje žáky se základními pojmy tváření plechů za studena, tvářecími stroji a nástroji, výpočty polotovarů pro tažení. Navazuje na poznatky žáků z mechaniky, počítačové podpory konstruování a technického kreslení, které rozšiřuje a prohlubuje.
Cíle hodiny:
Žáci znají základní pojmy z tváření plechů za studena a používané tvářecí stroje.
Žáci umí nasimulovat tažení výlisku jednoduchého tvaru a vyhodnotit je, tj. určit vlivy působící na tvářitelnost.
Navržené vyučovací a technické prostředky pro použití v hodině:
Simulační program s předmodelovaným výliskem jednoduchého tvaru.
Potřebné počítačové vybavení učebny, dataprojektor.
Průběh hodiny:
Pozdrav učitele s žáky Zápis do třídní knihy
Opakování látky z minulé hodiny
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Seznámení žáků s tématem hodiny Výklad látky
Shrnutí nové látky
Ukončení hodiny a příprava na cvičení Praktické cvičení:
Navázání na teoretický základ
Instruktáž ovládání simulačního programu
Předvedení postupu simulačního výpočtu na příkladu výlisku jednoduchého tvaru Vlastní práce žáků na zadaném příkladě
Zakončení a zhodnocení celého tématu a ověření nově získaných znalostí
Obr. 8 Výsledek simulace tažení výlisku jednoduchého tvaru 3) Polotovary vyráběné svařováním
Téma hodiny: Svařované polotovary
Téma svařované polotovary seznamuje žáky se základními pojmy svařování, druhy a parametry svařování. Navazuje na poznatky žáků z fyziky, počítačové podpory konstruování a technického kreslení, které rozšiřuje a prohlubuje.
Cíle hodiny:
Žáci znají základní pojmy ze svařování a druhy svařování.
