Введение

Современное образование требует перехода от трансляции знаний к организации самостоятельной проектной деятельности обучающихся. Однако на практике школьные проекты часто носят репродуктивный характер: ученик собирает информацию из интернета, но не проходит полный цикл «замысел → расчет → изготовление → испытание → рефлексия» [1, с. 12–15]. Это приводит к тому, что у обучающихся не формируется целостное инженерное мышление, а работа со сложными трехмерными объектами остается на уровне поверхностного знакомства [2, с. 52–53]. Одним из перспективных инструментов реализации STEM-подхода является проектная деятельность с использованием современных цифровых технологий: систем автоматизированного проектирования (CAD) и аддитивных технологий (FDM-печать). Такой подход объединяет естественные науки, технологии, инженерию и математику в единую систему и строится на проектном обучении и решении прикладных задач, развивая навыки критического мышления, работы в команде и адаптации к технологическому прогрессу. В частности, как показывает практика инженерных классов, работа с CAD-системами и 3D-принтерами способствует формированию у школьников навыков конструирования, пространственного мышления и понимания технологических ограничений. В последние годы активно развиваются образовательные экосистемы, объединяющие школу, университет и производство для непрерывного обучения аддитивным технологиям, что подтверждает актуальность внедрения подобных практик в школе.

Педагогическая проблема заключается в отсутствии у учителей инструментов для поэтапного формирования инженерного мышления у школьников 8–11-х классов при работе со сложными трехмерными объектами. Как показано в работах [3; 4], традиционное оценивание не дает ученику обратной связи о природе возникающих погрешностей, а модульный подход [4, с. 45–48] позволяет структурировать сложный материал, но требует методического сопровождения. В качестве решения предлагается применение комплекса педагогических технологий, включающего проблемное обучение, модульное обучение, цифровое моделирование (CAD), формирующее оценивание, исследовательский метод и рефлексивную технологию. Практической базой для апробации выступает разработка портативной мини-гидроэлектростанции на винте Архимеда, что позволяет обучающимся пройти полный инженерный цикл – от анализа рыночной ситуации и расчета геометрии витка до 3D-печати прототипа и энергетической оценки системы [5; 6].

Цель исследования – разработать, рассчитать и изготовить методом 3D-печати рабочий орган (винт Архимеда) портативной мини-гидроэлектростанции, способной обеспечивать зарядку устройств в автономном походе и на основе этого апробировать комплекс педагогических технологий, обеспечивающий поэтапное формирование инженерного мышления обучающихся 8–9-х классов при работе со сложными трехмерными объектами. Доказать его эффективность на основе количественных и качественных критериев: точности изготовления детали, осознанности объяснения источников погрешностей и понимания границ применимости инженерных расчетов. Особый интерес представляет не только проектирование, но и анализ энергетических характеристик устройства, что позволяет соединить абстрактные физические законы с инженерной практикой.

Материалы и методы исследования

Исследование проводилось на базе Ломоносовской школы-пансиона в 2025– 2026 учебном году. В проектной деятельности приняли участие обучающихся 8–9-х классов (14–16 лет), в количестве 36 чел., разделенных на 9 проектных групп по 4 чел. Экспериментальная группа составила 24 чел., контрольная группа – 12 чел. Все участники имели базовые навыки работы в Tinkercad и начальный опыт 3D-печати. Материальной основой проекта служили: FDM-принтер (сопло 235 °C, высота слоя 0,2 мм), пластик PETG, штангенциркуль для измерения готовых деталей, бесплатное CAD-программное обеспечение Fusion 360, а также справочные материалы по машиностроительному черчению и расчету винтовых поверхностей [7; 8].

Диагностический инструментарий включал:

1. Авторскую анкету для выявления мотивации и уровня инженерной самоэффективности (адаптированный опросник на основе шкалы самоэффективности Р. Шварцера), содержащую 15 утверждений с 5-балльной шкалой Лайкерта [9].

2. Карту наблюдения за проектной деятельностью, фиксирующую проявления системности, креативности, критичности мышления и навыков командной работы (разработана на основе критериев, предложенных в [10]).

3. Рубрики оценивания CAD-моделей, включающие критерии геометрической точности, соблюдения конструктивных ограничений, эффективности использования инструментов моделирования и соответствия проектной спецификации (разработана на основе подходов к автоматизированной оценке CAD-моделей [11; 12]).

4. Критерии рефлексивного собеседования, оценивающие глубину понимания физических принципов работы устройства, способность аргументировать конструктивные решения и прогнозировать возможные неисправности (адаптировано из протоколов инженерных защит [13]).

Контрольная группа работала над аналогичной проектной задачей (расчет и описание концепции портативной станции), но без использования CAD-моделирования и FDM-печати, что позволило оценить вклад цифрового прототипирования в формирование инженерного мышления.

Проблемный кейс: проектирование портативной мини-гидроэлектростанции.

Перед обучающимися была поставлена техническая задача: разработать конструкцию портативной мини-гидроэлектростанции для туристического использования, обеспечивающую зарядку портативных устройств (мощностью 5–10 Вт) в условиях малого водотока (ручей, горная река). Ключевыми ограничениями являлись компактность, малый вес и возможность изготовления основных деталей на FDM-принтере.

Для достижения поставленной цели использовались следующие методы:

1. Теоретические методы – анализ педагогической, методической и технической литературы по проблеме проектной деятельности, формирующего оценивания и инженерного образования.

2. Эмпирические методы:

- Педагогическое наблюдение за этапами расчета, моделирования и печати с фиксацией затруднений обучающихся [13, с. 50–51].

- Сравнительный анализ расчетных и реальных параметров изготовленной детали (таблица отклонений) [14, с. 56–58].

- Рефлексивное собеседование по итогам проекта (трехуровневая рефлексия: техническая, методологическая, личностная) [15].

- Критериальное оценивание готового прототипа по параметрам точности (отклонение не более 0,5 мм) и работоспособности [16, с. 127].

3. Методы математической статистики – расчет средних значений отклонений, процентного соотношения КПД на разных этапах преобразования энергии, построение графиков зависимости эффективности системы от скорости потока.

Организация исследования. Исследование включало три этапа:

Констатирующий этап (сентябрь – октябрь 2025 г.) – диагностика исходного уровня инженерных компетенций обучающихся, анализ типичных затруднений при работе с трехмерными объектами.

Формирующий этап (ноябрь 2025 г. – март 2026 г.) – реализация проектной деятельности с применением комплекса педагогических технологий: проблемное обучение (постановка технической задачи), модульное обучение (расчет геометрии витка), цифровое моделирование (создание параметрической 3D-модели), формирующее оценивание (сравнение расчетных и реальных параметров), исследовательский метод (энергетический расчет), рефлексивная технология (защита проекта).

Контрольный этап (апрель – май 2026 г.) – итоговое измерение точности изготовленных деталей, оценка осознанности объяснения погрешностей и границ применимости расчетов, обобщение результатов.

Результаты исследования и их обсуждение

В ходе формирующего этапа исследования обучающиеся последовательно освоили все этапы инженерного цикла. Ниже представлены ключевые результаты по каждому применяемому педагогическому инструменту.

1. Результаты применения проблемного обучения

Введение проблемного кейса («Отсутствие портативных мини-гидроэлектростанций мощностью 5–10 Вт») позволило 92 % обучающихся (22 из 24) самостоятельно сформулировать цель проекта и перейти от внешней мотивации к внутренней. В ходе рефлексивных собеседований 87 % участников отметили, что именно проблемная ситуация стала для них отправной точкой, вызвавшей личный интерес к расчетам и моделированию.

2. Результаты модульного обучения при расчете геометрии витка

Сложная тема «Развертка винтовой поверхности» была освоена в три автономных модуля. Все обучающиеся успешно выполнили расчет ключевых параметров для прямого цилиндрического шнека (наружный диаметр D = 102 мм, внутренний диаметр d = 34 мм, шаг S = 70 мм). Средние значения, полученные в группах, составили: длина развертки внешней линии L = 327,8 ± 1,2 мм (расчетное 327,84 мм), внутренней l = 127,5 ± 0,9 мм (расчетное 127,66 мм), меньший радиус развертки r₁ = 21,6 ± 0,4 мм (расчетное 21,68 мм), больший радиус R₁ = 55,6 ± 0,5 мм (расчетное 55,68 мм), угол выреза α = 22,4° ± 0,3° (расчетное 22,5°). Ошибки не превышали 1,5 %, что свидетельствует о корректном усвоении расчетных алгоритмов.

3. Результаты цифрового моделирования (CAD)

В процессе параметрического моделирования 100 % обучающихся создали работоспособные 3D-модели витка шнека (рис. 1). Важным педагогическим достижением стало то, что 79 % участников (19 из 24) смогли самостоятельно объяснить взаимосвязь между изменением шага S, диаметров D, d и автоматическим перестроением модели, что свидетельствует о сформированности навыков параметрического мышления.

Рис. 1. 3D-модель витка шнека Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования

Сравнение заданных, расчетных и фактических параметров витка

Примечание: составлена авторами на основе источников [11; 12].

4. Результаты формирующего оценивания и сравнения расчета с реальностью

После 3D-печати прототипов (материал PETG, высота слоя 0,2 мм, заполнение 25 %) обучающиеся провели измерения готовых деталей. Усредненные данные по всем группам представлены в таблице.

Среднее абсолютное отклонение по всем параметрам составило 0,23 мм, что ниже установленного критерия успеха (0,5 мм) [8]. Таким образом, гипотеза о достаточной точности FDM-печати для школьного инженерного прототипирования подтверждена экспериментально. В ходе рефлексии погрешностей 100 % обучающихся самостоятельно пришли к выводу о трех основных источниках отклонений: усадка PETG (0,2–0,3 %), калибровка принтера и погрешность измерений штангенциркулем. При этом 71 % участников (17 из 24) предложили конкретные способы уменьшения отклонений (коррекция коэффициента усадки в слайсере, предварительная калибровка осей), что свидетельствует о глубоком понимании технологических процессов.

5. Результаты исследовательского метода (энергетический расчет)

Обучающиеся выполнили расчет гидравлической мощности и общего коэффициента полезного действия системы для портативного устройства в диапазоне параметров, соответствующих реальным условиям эксплуатации: расход 0,5–1 л/с, напор 2–3 м. При скорости потока 0,5 м/с и диаметре винта 0,302 м установка будет вырабатывать около 128 Вт электрической мощности при общем коэффициенте полезного действия ~52 %. Низкая скорость – главный ограничитель: скорость 0,5 м/с является очень небольшой для гидроэнергетики. Она напрямую ограничивает расход и, как следствие, итоговую мощность, делая установку пригодной лишь для самых малых нужд (освещение, зарядка гаджетов). Полученный коэффициент полезного действия ~52 % является реалистичным для мини- гидроэлектростанции такой мощности. Основные потери связаны с неполным заполнением винта водой и механическими потерями в редукторе. Что касается путей повышения коэффициента полезного действия и мощности, увеличить напор – это наиболее эффективный способ. Чтобы повысить коэффициент полезного действия турбины, необходимо использовать более эффективный прямой привод (без редуктора) и специализированный генератор.

Реальный эксперимент показал, что достижение коэффициента полезного действия выше 55 % для самодельной мини-гидроэлектростанции с винтом Архимеда – сложная инженерная задача, однако даже при коэффициенте полезного действия 40–50 % установка экономически целесообразна для автономного энергоснабжения при наличии стабильного водотока. Чтобы повысить коэффициент полезного действия и мощность мини-гидроэлектростанции, нужно увеличить скорость потока, так как он одновременно: увеличивает расход воды (линейно), повышает коэффициент полезного действия турбины (выходя на оптимальный режим) и коэффициент полезного действия генератора и редуктора (за счет роста нагрузки). Существует «порог рентабельности» по скорости. Для винта Архимеда скорость потока ниже ~0,7–1,0 м/с часто приводит к неприемлемо низкому коэффициенту полезного действия и малой мощности, делая проект экономически нецелесообразным. Скорость нельзя рассматривать изолированно. Ее эффект максимален в связке с достаточным напором. Идеальный проект оптимизирует оба параметра: напор создает давление, а скорость обеспечивает необходимый расход для выхода оборудования на номинальный режим. Следовательно, для достижения высокого коэффициента полезного действия (порядка 60 % и выше) гидротурбины с винтом Архимеда, необходимо обеспечить не только достаточный напор, но и скорость потока как минимум в диапазоне 1,0–2,0 м/с.

Таким образом, проектирование и изготовление прототипа велись строго в рамках исходного технического задания. Для CAD-моделирования использовалась программа Fusion 360 (образовательная лицензия). Обучающиеся разрабатывали 3D-модели рабочего колеса (турбины), корпуса направляющего аппарата и крепежных элементов. Особое внимание уделялось гидродинамическим профилям лопастей. Как показывают современные исследования, процесс автоматизированной оценки CAD-моделей позволяет не только выявлять ошибки геометрии, но и оценивать «дизайн-интент» – способность студента закладывать в модель функциональный замысел. В нашем проекте это учитывалось через рубрику оценивания, где поощрялось использование параметрических зависимостей и обоснование выбора толщины стенок, углов наклона лопастей и материала.

После проверки моделей на технологичность (отсутствие нависающих элементов, требующих поддержек) выполнялась FDM-печать из PLA-пластика. На заключительном этапе проводились испытания макетов в реальных условиях (речка Македонка), сравнивались расчетные и реальные характеристики, а также проводилось рефлексивное собеседование. Построенный обучающимися график зависимости коэффициента полезного действия от скорости потока (рис. 2) продемонстрировал, что минимальная эффективная скорость составляет примерно 1,0–1,5 м/с. Самостоятельный вывод о границах применимости расчетов сделали 96 % обучающихся (23 из 24), что подтверждает эффективность исследовательского метода для формирования критического мышления.

Рис. 2. График зависимости общего коэффициента полезного действия системы от скорости потока Примечание: составлен авторами на основе источников [5; 6]

6. Результаты рефлексивной технологии

На этапе защиты проекта была организована трехуровневая рефлексия. Техническая рефлексия показала, что 100 % обучающихся могут четко разделить расчетные параметры и параметры, потребовавшие корректировки при печати. Методологическая рефлексия выявила, что наиболее полезными справочными источниками обучающиеся сочли справочник В. И. Анурьева [7] (отметили 83 % участников) и справочник по машиностроительному черчению А. А. Чекмарева и В. К. Осипова [8] (отметили 79 %). Личностная рефлексия показала, что 91 % обучающихся (22 из 24) планируют использовать приобретенные навыки 3D-моделирования и печати в будущих учебных или личных проектах.

Полученные данные подтверждают, что последовательное применение комплекса педагогических технологий обеспечивает не только точное изготовление сложной детали, но и формирование осознанного инженерного мышления. Особенно значимым представляется переход от формального выполнения инструкций к самостоятельному анализу погрешностей и прогнозированию работы системы в различных условиях. Сравнение с данными литературы [7; 8] показывает, что школьные результаты по точности изготовления (отклонения < 0,3 мм) сопоставимы с лабораторными образцами, что подтверждает педагогическую ценность аддитивных технологий в школе. В то же время выявлены ограничения: для успешной реализации подобного проекта необходима предварительная подготовка учителя в области модульного обучения и CAD-моделирования, а также наличие материально-технической базы (FDM-принтер). Эти условия могут быть препятствием для части образовательных организаций, однако при их выполнении предлагаемая модель легко тиражируется [11; 12].

В результате проектной деятельности были получены следующие данные.

В экспериментальной группе наблюдалась положительная динамика по всем компонентам инженерного мышления: системность (увеличение среднего балла с 2,8 до 4,1 по 5-балльной шкале), креативность (с 2,9 до 4,0), критичность (с 2,5 до 3,8). В контрольной группе динамика была незначительной: системность с 2,7 до 2,9, креативность с 2,8 до 3,0, критичность с 2,4 до 2,6.

Результаты анкетирования показали рост инженерной самоэффективности в экспериментальной группе на 32 % (средний балл с 3,1 до 4,1), в то время как в контрольной группе прирост составил лишь 7 % (с 3,0 до 3,2). Карты наблюдения зафиксировали в экспериментальной группе увеличение доли обучающихся, способных самостоятельно выявлять и формулировать техническую проблему, с 25 до 72 %. В контрольной группе аналогичный показатель вырос с 31 до 44 %.

Наиболее существенные различия проявились на этапе защиты проектов. Обучающиеся экспериментальной группы демонстрировали более глубокое понимание связи между геометрией лопасти, углом атаки и коэффициентом полезного действия, могли критически оценить ограничения FDM-печати (например, влияние ориентации детали на прочность) и предложить модификации конструкции. В контрольной группе анализ ограничений часто оставался на уровне предположений без привязки к конкретным характеристикам материалов или технологии изготовления.

Практические рекомендации.

Для успешной реализации подобных проектов в школе необходимо:

1. Проведение занятий для ознакомления с базовыми понятиями инженерной механики (нагрузки, деформации, прочность конструкций) на качественном уровне.

2. Поэтапное введение в CAD. Начинать с простых форм (Tinkercad), постепенно переходя к параметрическому моделированию в Fusion 360. Желательно использование систем с поддержкой автоматизированной обратной связи.

3. Интеграция расчетных задач. Физические формулы должны сопровождать моделирование, а не быть оторванными от него. Калькуляция мощности должна строго соответствовать масштабу проектируемого устройства. В случае учебного моделирования более мощных установок необходимо явно указывать, что это теоретический расчет для сравнения, а не характеристика прототипа.

4. Учет технологических ограничений. Обучать школьников принципам проектирования для FDM-печати (учет усадки, поддержек, прочности слоев).

5. Формирующее оценивание. Использовать не только итоговую оценку модели, но и промежуточные рефлексивные собеседования, карты наблюдения, что позволяет корректировать процесс проектирования.

6. Соблюдение техники безопасности. Работа с 3D-принтером допускается только под руководством педагога, прошедшего инструктаж. Утверждение о возможности реализации проекта «без специальной подготовки по инженерной механике» требует серьезной оговорки. Базовые понятия о нагрузках, деформациях и центре тяжести необходимы. В рамках школьного курса физики (раздел «Статика») перед началом проектирования рекомендуется провести 2–3 занятия по основам сопротивления материалов на качественном уровне (понятие напряжения, деформации, фактора безопасности). Для выполнения расчетов можно использовать упрощенные методики, адаптированные для школьников (например, расчет балки на изгиб для лопасти турбины).

Заключение

В результате проведенного исследования решены следующие задачи:

1. Разработана и апробирована методика расчета развертки витка цилиндрического шнека, создана точная 3D-модель и изготовлен физический прототип методом FDM-печати (отклонения < 0,3 мм). Экспериментально подтверждено, что портативная мини-гидроэлектростанция на винте Архимеда обеспечивает выходную мощность (в зависимости от расхода и напора) при усредненном коэффициенте полезного действия системы 52 %. Гипотеза подтверждена: цифровое моделирование и 3D-печать позволяют быстро и точно изготавливать детали сложной формы для портативной мини-гидроэлектростанции.

2. На основе созданного прототипа разработан и апробирован комплекс педагогических технологий (проблемное обучение, модульное обучение, цифровое моделирование, формирующее оценивание, исследовательский метод, рефлексивная технология), обеспечивающий поэтапное формирование инженерного мышления обучающихся 8–9-х классов при работе со сложными трехмерными объектами.

3. Экспериментально доказано, что применение данного комплекса позволяет обучающимся:

‒ точно изготовить деталь сложной винтовой геометрии (среднее отклонение 0,23 мм при допустимом критерии 0,5 мм);

‒ осознанно объяснить источники погрешностей (усадка PETG, калибровка принтера, погрешность измерений);

‒ оценить границы применимости инженерных расчетов (минимальная скорость потока ~1 м/с).

4. Подтверждена эффективность каждой из примененных технологий: проблемное обучение обеспечило переход к внутренней мотивации (92 % участников); модульное обучение позволило освоить расчет развертки с ошибкой не более 1,5 %; формирующее оценивание превратило контроль в инструмент понимания природы погрешностей; исследовательский метод сформировал навык самостоятельного анализа энергетической эффективности системы; рефлексивная технология обеспечила трехуровневый анализ (технический, методологический, личностный).

5. Разработанная модель проектной деятельности имеет практическую значимость и может быть тиражирована в школах, оснащенных FDM-принтером и имеющих доступ к бесплатному CAD-программному обеспечению, при условии владения учителем физики или информатики основами модульного обучения и параметрического моделирования.

6. Предложенный методический подход рекомендуется учителям физики, информатики и технологии для организации проектных работ с элементами аддитивного производства в области инженерной механики, что открывает перспективы для более широкого внедрения инженерно-ориентированных проектов в школьную практику.