3.1. A tananyag elemzése. A gépszerkezettani tantárgyak tananyagának tartalma Néhány szerkezettani tantárgy főbb témakörei: – Műszaki ábrázolás -
Ábrázoló geoetriai alapismeretek ( síkmértani-, térmértani alapok; vetületi ábrázolás; axonometrikus ábrázolás; síkmetszés, áthatások, metszeti ábrázolás)
-
Géprajzi alapismeretek [felvételi vázlatkészítés; mérethálózat; méret- ,alak- és helyzettűrések; felületminőség; jelképes ábrázolások, munkadarab rajz készítése ( szabadkézi és CAD)]
– Mechanika -
Merev testek statikája (statikai alapfogalmak; síkbeli egyensúlyi szerkezetek; tartók statikája)
-
Szilárdságtan (igénybevételek; méretezés egyszerű igénybevételre; méretezés összetett igénybevételre)
– Gépelemek -
kötőelemek, kötések; rugók és lengéscsillapítók; csövek, csőszerelvények; tengelyek, csapágyazások; tengelykapcsolók és fékek; hajtások; hajtóművek
A termelési vagy szolgáltatási folyamatok elemzése eredményeképpen kiemelhetőek a gépszerkezettani tartalmak különböző típusú tananyagai: -
Technikai termékek
-
Speciális munkafunkciók munkamódszerei
-
Általános munkafunkciók munkamódszerei
A technikai termékek, mint a gépszerkezettani tantárgyak ill. témakörök alapvető összetevői, az alábbi fő csoportba osztható: -
Munkaeszközök, alkatrészek, készülékek kézi szerszámok, ( pl. villáskulcs, csapágyak, stb.)
-
Mechanizmusok: a gépszerkezetekben a mozgás átalakítására ill. a teljesítmény átadására szolgáló, gépelemekből álló szerkezetek( pl. forgattyús hajtómű, tengelykapcsolók, stb.)
-
Gépek: energia átalakítására, munkavégzésre szolgáló mechanizmusokból álló technikai eszközök (pl. hőerőgépek, szivattyúk, stb.)
-
Berendezések: a termék kémiai, fizikai tulajdonságainak megváltoztatására szolgálnak (pl. vegyipari berendezések, stb.)
-
Műtárgyak: közvetve vesznek részt a gyártási ill. szolgáltatási folyamatokban.( pl. hidak)
-
Műszerek: adatok ill. információk mennyiségi és minőségi viszonyokról jelzéseket adnak ( pl. mérőeszközök, mérőműszerek )
-
Segédberendezések: kisegítő szerepet töltenek be a termelési vagy szolgáltatási folyamatokban (pl. raktárak, szűrőberendezések, stb.).
-
Mechatronikai elemek: szenzorok, vezérlések, beavatkozók, stb.
A technikai termék (eszköz) tananyagának összetevői: -
Funkciója, felhasználási területe
-
Működési elve, folyamata
-
Kialakítása, részei, szerkezete
-
Technikai termékkel kapcsolatos tevékenységeket (munkamódszereket)
A technikai termékekkel /eszközökkel kapcsolatos tevékenységek (munkamódszerek) két fő csoportra oszthatók: 1. A termék működtetésének, üzemeltetésének tevékenységei: -
az üzemeltetés előkészítése (beállítás, ellenőrzés)
-
az állapot, helyes és mérési és ellenőrzési tevékenységei
-
a működtetés konkrét eljárásai
-
karbantartás, javítás módszerei
2. a termék tervezésével kapcsolatos tevékenységek_ -
a tájékozódás, a feladattal való megismerkedés tevékenységei
-
konkrét tervezési- számítási tevékenységek
-
a „formatervezés” tevékenységei ( számított adatok, célszerű technológia és az esztétikai szempontok összhangjának megteremtése)
-
Tananyag elemzése
a tervezés és a termék ellenőrzésének tevékenységei
A tematikus tervezés ill. óratervek készítése során szükség van az elsajátítandó szerkezettani tartalmak „tananyaggá”, azaz „eredményesen tanítható és tanulható művelődési anyaggá” alakítása során annak ismeret ( tudás) és tevékenység ( készségek) rendszerének feltárására. A tananyagelemek (fogalmak, képzetek, leírások, tevékenységi algoritmusok, stb.) számbavétele, az un. ”mennyiségi elemzés”, amelyet a tananyag szerkezetének feltárása az un. „strukturális elemzés” követ. A tananyagelemzés részeként meg szokták említeni az un. „minőségi elemzést” is, amely viszont már átvezet a követelmények (tartalmi elemek és melléjül rendelt értelmi vagy operatív műveletek szintjei) területére, azt fejezi ki, hogy mit várunk el a tanulótól az adott tartalommal kapcsolatban a tanulási szakasz végén. Az alábbi ábra a tananyag összetevőinek típusait és szerkezetét mutatja be. Az ábra egyúttal bármelyik témakör (szerkezettani) tananyagának logikai felépítését, a strukturális elemzés eredménye ábrázolási módjának szemléletes példája lehet!
A TUDÁS (TANANYAG) SZERKEZETE LÉTEZÉS HELYE
I. JELZŐRENDSZER II. JELZŐRENDSZER KÉPZET
TÜKRÖZÖTT VALÓSÁGELEMEK
ISMERET
FOGALOM
DEFINÍCIÓ
KIJELENTÉS
TÖRVÉNY
LEÍRÁS
VERIFIKÁCIÓ
EXTERIORIZÁCIÓ
PSZICHIKUS
TUDÁS
TARTALOM
ELMÉLET
HIPOTETIKUS
SZABÁLY
RÁISMERÉS REPRODUKÁLÁS
JELLEMZŐK
TUDOMÁNYOS
ALKALMAZÁS KONITIV FUNKCIÓ
ELV
IGAZOLT
OPERATIV
TANULÁS ISMERET JELLEGE
PRODUKTUM
VÁLTOZÓ LÉTREHOZÓ
MŰVELET TEVÉKENYSÉG
SZERKEZET
FELADAT PROBLÉMA KÍVÜLRŐL KAPOTT ALGORITMUS
GYAKORLOTTSÁG
BELSŐVÉ VÁLT ALGORITMUS MAXIMÁLIS GYAKORLOTTSÁG
Az elsajátított ismeretek exteriorizációja, azaz a külsővé válás elvárt szintjét pedig a tanulási eredmények, kompetenciák, követelmények határozzák meg. Ismeretek:
Képzet Tükrözött valóságelemek szerint
Fogalom
Definíció
Kijelentés Leírás
Törvény Tartalom
Elv Elmélet Szabály
Mennyiségi elemzés A tananyagelemzés során fel kell tárniuk, hogy melyek a megtanulandó új fogalmak (pl.: hajtóművek, kéttámaszú tartó, stb.), melyek a kialakítandó képzetek (pl.:tengelykapcsolók, megoszló terhelés, stb.), amelyhez a bemutatásnak kell kapcsolódnia és mit tartalmaznak a leírások. A leírások tartalmuk szerint lehetnek definíciók (pl.:nyomaték fogalma) törvények, elméletek, elvek (pl.:impulzus megmaradás törvénye, termodinamika fő tételei, nyomatéki tétel, stb.) amelyek magyarázatot adnak a tanult technikai eszközök működési folyamataira (pl.: örvényszivattyúk), a velük kapcsolatos tevékenységekre (szilárdságtani számítások, karbantartási eljárások, stb.) A szabályok tulajdonképpen a tevékenységek leírásaként (algoritmusai) értelmezhetőek, amelyek átvezetnek a tananyag másik fő csoportjához. Amikor meghatározzuk a tananyag tanítási- tanulási folyamatában feldolgozandó tartalmát, mérlegelnünk kell a mennyiséget (melyek tartoznak a törzsanyaghoz, melyek és mennyire gazdagok a kiegészítő anyagok, stb.), hogy elkerüljük a „túlterhelés” veszélyét. Strukturális elemzés A tananyag strukturális elemzése során a kialakítandó fogalmak logikai kapcsolatainak, egymásra épülésének feltárása a legfontosabb feladat. Így alapozhatjuk meg a tanítás-tanulás folyamatának logikus felépítését, akár induktív akár deduktív tananyag feldolgozásról van szó. Ez pedig elősegíti a megértést és a felidézést a kialakuló asszociatív kapcsolatok révén, amely végeredményben a tanítási-tanulási folyamat eredményességéhez vezet. Tevékenységek (szerkezet szerint)
A tananyag tartalmát jelentő tevékenységeket (számítási-, szerkesztési eljárások, üzemeltetési, szerelési, karbantartási tevékenységek, stb.) szerkezetük szerint három csoportra oszthatjuk: -
Műveletek: olyan tevékenységek, amelyek (szabálya) lineáris algoritmussal írhatók le (pl. kötélerő ábra szerkesztése)
-
Feladat: olyan tevékenységek, amelyek (szabálya) elágazásos algoritmussal írhatók le (kéttámaszú tartó vizsgálata)
-
Probléma: olyan tevékenység, amelyek (szabálya) hiányos algoritmussal írhatók le
A gondolkodási képességek fejlesztése megkívánja a problémamegoldás lehetőségének és igényének beépítését a tananyag feldolgozás folyamatába. Példák a tananyagelemzésre 1. Kéttámaszú tartók statikai vizsgálata tematikus terv feldolgozása során használt (már tanult és kialakítandó új) fogalmakat láthatjuk az alábbiakban. Mechanikai alapfogalmak: A mechanika tanítási folyamatának tervezése és megvalósítása előtt elengedhetetlennek látszik a következő alapfogalmak, definíciók meghatározása: Merev test: az olyan test, amely, amelyben bármely két pont távolsága állandó és ez a távolság terhelés hatására sem változik meg. Szilárd test: az olyan test, amely alakváltozásra képes, továbbá a testen belüli pontok távolsága terhelés hatására megváltozik. Geometriai modell: olyan modell, amely a vizsgált test alakjára vonatkozóan ad feltételezéseket. Anyagi pont: anyagi tulajdonságokkal rendelkező pont. A számítások során szokásos anyagi pontnak tekinteni az olyan testet is, amely helyzete vagy mozgása annak egyetlen pontjával leírható. Erő: egymással kapcsolatban lévő testek mechanikai kölcsönhatásának mértéke. A mechanikában az erőt vektornak tekintjük, amely hatásvonalával, irányával és nagyságával jellemezhető.
Erő hatásvonala: az az egyenes, amely mentén az erő kifejti hatását. Erő támadáspontja: a testnek az a pontja, amelyre az erő hat. Erőrendszer: egymással kapcsolatban lévő erők összessége. Mechanikai rendszer: azon testek összessége, amelyekre a kérdéses mechanikai vizsgálat vonatkozik. Terhelés: a rendszerhez nem tartozó testeknek a rendszeren belüli testekre kifejtett hatása; ismert nagyságú és irányú erőhatások összessége. Koncentrált terhelés: két pontszerű test érintkezésénél átadódó erőhatás. Megoszló erőrendszer / terhelés: olyan terhelés, amely esetén az erők támadáspontjai folytonos pontsokaságot alkotnak. Nyomaték egy pontra: egy erő nyomatékát egy vektor, amelyet úgy számíthatunk, hogy a pontból helyvektort indítunk az erő hatásvonalán lévő tetszőleges pontba, és ezt vektoriálisan összeszorozzuk az erővektorral. Nyomaték egy tengelyre: az erő nyomatékát egy tengelyre megkapjuk, ha a tengely egy tetszőleges pontjára számítjuk a nyomatékát, majd vesszük a nyomatékvektor tengelyirányú vetületét, vagyis a nyomatékvektort skalárisan szorozzuk az egységvektorral.
Kényszerek: a test és környezete, valamint a rendszert alkotó testek közti kapcsolatok, melyek a vizsgált test mozgását megakadályozzák. Kényszererők: olyan hatások, amelyek a kényszerekről adódnak át a rendszerre. A statikában leggyakrabban előforduló kényszerek: 1. Görgő: a test egy pontjának adott irányú elmozdulását akadályozza meg. 2. Csukló: a test adott pontjának minden irányú elmozdulását akadályozza meg. 3. Befogás: a test adott pontjának minden irányú elmozdulását és a test adott pontbeli síkmetszetének elfordulását akadályozza meg. 4. Rudas megtámasztás, felfüggesztés kötéllel: a test egy pontjának adott irányú elmozdulását akadályozza meg. Statika alaptörvénye: egy merev test egyensúlyi, ha a rá ható erőrendszer egyensúlyi.
Erőpár: az azonos nagyságú, ellentétes irányú, párhuzamos hatásvonalú két erőből álló erőrendszer. Tulajdonságai: – az erőpár nagysága a hatásvonalak merőleges távolságának és az erő nagyságának szorzata – az erőpár nyomatéka a tér bármelyik pontjára ugyanannyi – az erőpár az erők hatásvonalai által meghatározott síkra merőleges irányú – az erőpár irányát az erők jobb kéz szabály szerinti forgató hatása adja meg Szabadságfok: azon koordináták száma, amelyek egy adott test helyzetét egyértelműen meghatározzák.
Lássunk példát néhány tipikus szerkezettani tananyag fogalmi rendszerének logikai strukturájára: 1. Hajtások
dörzshajtások
surlódásos
laposszíjhajtások
ékszíjhajtások Hajtások lánchajtások lánckerék hengeres kényszer kapcsolatú
fogaskerék kupkerék csigahajtás
2. Kötések
csavarkötések reteszkötések oldható
Hpusai méretezése
ékkötés csapszeg és szegk. bordástengely k.
kötések
szegecs k. nem oldható
hegeszteJ forrasztoJ k. zsugor k.
3. Tengelykapcsolók
lágy kemény
tárcsás merev
tokos héjas bőr-‐és gumidugó
rugasmas
acéltűs acélszalagos
Tengelykapcsolók
oldham
kiegyenlítő
tárcsás súrlódó
lemezes kúpos biztonsági
önműködő
indító szabadonfutó
Ezek tanítási feladataihoz, tananyagaihoz hozzá tartoznak : -‐
az egyes fogalmak kialakítása
-‐
a képzeteinek kialakítása
-‐
legfontosabb működési jellemzők megismerése
-‐
nyomatékátvivő, erőátadó, rögzítő stb. szerkezeti elemek méretezése ( szilárdsági )
-‐
fő szerkezeti kialakításuk bemutatása, megfigyelése
-‐
a működésben közvetlenül résztvevő elemek ( fékdob, fékpofa, fékszalag, sík- ill. kúpos tárcsa, fékkarok, fogaskerekek, kötőelemek ) kialakítása ( vázolni )
-‐
egyéb működési, szerkezeti jellegzetességeik
