ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННОМАТЕМАТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВИРТУАЛЬНЫХ ТРЕНАЖЕРОВ И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ПРИВИТИЯ НАВЫКОВ РАБОТЫ В РЕАЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ

Одним из важнейших условий разработки конкурентоспособных образцов и эффективного функционирования технологического оборудования на любом предприятии, в том числе пищевой и перерабатывающей отраслях, является наличие квалифицированного персонала.

Качество разработки такого оборудования в значительной степени зависит от умения разработчиков пользоваться современными компьютерными технологиями, в частности теми, о которых говорилось выше.

Не менее, а быть может даже более важным является правильная эксплуатация современного технологического оборудования. Решение этой задачи требует периодической переподготовки персонала и его тренинга, в том числе и в условиях нестандартных ситуаций, что часто связано с существенными затратами на дополнительное экспериментальное оборудование и непроизводительное расходование разнообразных ресурсов.

Тренинг значительно упрощается, если, используя современные компьютерные технологии, смоделировать необходимый технологический процесс или технологическое оборудование и работать с «виртуальным образом» такого объекта.

Возможности реализации виртуального тренинга могут быть обеспечены при использовании пакета прикладных программ Adobe Flash Profeschional CS 5-6.

С внедрением компьютерных технологий в образовательный процесс возникли различные направления по разработке систем моделирования и виртуального воспроизведения изучаемых физических процессов, в частности с целью замены, дублирования или синтеза новых экспериментальных стендов. Особое место среди таких объектов заняли те, создание и обслуживание которых требует значительных финансовых и трудовых затрат. На сегодняшний день существует множество подобных программных комплексов, представляющих собой виртуальные лаборатории, в основном специализирующиеся на определенных направлениях отдельных дисциплин.

Современный пакет Adobe Flash Profeschional CS 5-6 корпорации Adobe — это мощное средство для создания и программного управления векторными изображениями любых графических объектов, анимационного воспроизведения физических и иных процессов, а также реализующих их аппаратов, в том числе оснащенных соответствующими измерительными приборами и средствами управления ими.

Анимационных возможностей программы вполне хватает для визуализации любого динамического процесса, а встроенная среда объектно-ориентированного программирования ActionScript 3.0 позволяет при этом обеспечить достаточную точность воспроизведения физических параметров объектов и реализовать самую взыскательную интерактивность общения пользователя с виртуальной лабораторной установкой. Имеющаяся возможность просматривать фрагменты flash-ролика в увеличенном масштабе без ухудшения качества изображения позволяет повышать точность регистрации показаний измерительных приборов, что является дополнительным достоинством воспроизведения лабораторных процессов в описываемой среде.

К числу безусловных достоинств пакета относится то, что Flash-ролики виртуальных лабораторных работ с расширением swf имеют малый вес (20-30 Кбайт). Это обстоятельство позволяет с успехом использовать их как в рамках кейс-вариантов для тренинга персонала непосредственно на производстве, так и в условиях значительного удаления обучаемых, т.е. рамках сетевых технологий дистанционного обучения.

Безопасность общения, с точки зрения получения недостоверных результатов измерений из-за нарушения алгоритма выполнения работы, может быть обеспечена тщательно продуманной очередностью выполнения определенных операций и инструментом приведения лабораторной установки в исходное состояние, воспользоваться которым можно в любой момент.

Важным является и тот факт, что файлы swf, в отличие, например, от исполняемых файлов ехе, достаточно трудно разрушить или взломать.

При реализации тренингового практикума на базе Adobe Flash Profeschional CS 5-6 есть несколько путей преодоления ситуации возможного негативного влияния пользователя на процесс воспроизведения. Во-первых, с помощью определенных тегов HTML можно запрещать вывод контекстного меню плеера, что нужно делать, однако не всегда. Во-вторых, программа Adobe Flash Profeschional CS 5—6 концептуально позволяет спроектировать и изготовить ролик с виртуальным тренингом так, что он будет состоять из одного единственного кадра, и тогда команды плеера не смогут нарушить ни порядок воспроизведения, ни целостность самого ролика. В таком случае соответствующие команды контекстного меню плеера оказываются вообще недоступными. Поэтому разработанный виртуальный тренинг, тестирующие программы к нему и теоретическое сопровождение целесообразно собирать в одном (первом) кадре главной временной шкалы соответствующего ролика. Необходимая анимация и интерактивность ролика обеспечиваются при этом за счет использования внедренных объектов (клипов, кнопок, блоков динамического текста и др.) и управлением их характеристиками и поведением при помощи методов объектно-ориентированного программирования Action Script 3.

Изложенное выше позволяет разработать комплекс виртуальных тренингов для изучения процессов транспортировки жидкости и газов в условиях производств пищевого профиля с моделированием некоторых нештатных ситуаций (например, сброса излишков давления из ресивера).

В качестве примера приведем базовый кадр из виртуального тренинга для изучения процесса течения газа по трубе переменного сечения, например, в каналах системы кондиционирования воздуха (сопло Лаваля) — рис. 4.1. Последующие кадры реализации работы позволяют студенту устанавливать в ресивере некоторое постоянное давление и «по щелчку» мыши раскрыть увеличенное изображение самого сопла с точками подсоединения магистралей от соответствующих манометров.

Базовый кадр ролика виртуального тренинга

Рис. 4.1. Базовый кадр ролика виртуального тренинга

Далее строятся графики распределения давления по длине конфузорной и диффузорной частей сопла. Координаты точек присоединения магистралей к различным точкам сечения сопла замеряются обучаемым размещенным в кадре мерительным инструментом.

Имеющийся опыт использования предлагаемого варианта реализации виртуального тренинга поднимает проблему «интеллектуально-образовательной экономики»: как обеспечить визуализацию гидроаэромеханических процессов, не теряя качества получаемых знаний. Выполнив виртуальный тренинг, можно получить определенные представления о процессах, происходящих в сопле Лаваля или, например, о задаче обтекания профиля произвольной формы, не имея в своем распоряжении «маленькой» аэродинамической трубы. Судить о достоверности воспроизводимого процесса, однако, трудно, не сравнив их при моделировании с результатами, полученными в натурных испытаниях.

Резюмируя изложенное, следует сделать вывод о том, что любые подходы к использованию моделирования для визуализации изучаемого процесса должны быть строго согласованы с научной корректностью его представления.

Методы и инструментарий так же, как и платформы, на которых информационные технологии реализованы в образовательном процессе, в настоящее время достаточно разнообразны. Их выбор тесно связан с решаемыми проблемами. Информационные технологии, реализованные в виде виртуальных лабораторных работ, являются незаменимым инструментом для моделирования ситуаций в отсутствии возможности их реального воссоздания. Использование их в образовательном процессе развивает творческое мышление, повышает мотивацию к изучению предмета, формирует исследовательскую культуру студентов. Они идеально подходят для обеспечения научно-исследовательской работы в вузах. Использование виртуальных работ решает не только финансовые проблемы учебного учреждения по приобретению приборной базы и реактивов, но и обеспечивает безопасность экспериментов с потенциально опасными объектами. Все разработки при этом ориентированы на индивидуальную работу студентов и содержат методические материалы, дающие возможность их использовать в реальном учебном процессе. Виртуальные лабораторные работы используются в большинстве образовательных учреждений в России, а их варианты на других языках являются лидирующими электронными ресурсами за рубежом.

Необходимость применения информационных технологий не только при создании нового оборудования, но и в образовательном процессе для подготовки специалистов самых разных направлений сегодня не вызывает сомнений практически ни у кого. Вместе с тем, очевидно, что подготовка специалистов гуманитарных специальностей и технических специалистов требует своей специфики. Исследования затронутых проблем проводятся во многих учебных заведениях, как в нашей стране, так и за рубежом. Определенные трудности такие исследования вызывают у направления подготовки специалистов, у которых в учебном плане недостаточно времени отведено традиционной информатике.

Авторы более 10 лет посвятили разработке и внедрению в образовательный процесс виртуальных лабораторий. С января 2008 г., когда был создан Координационный центр по созданию, внедрению и распространению виртуальных лабораторных работ и виртуальных стендов в соответствии с решением Руководящего совета межвузовских комплексных работ «Инновационные технологии образования» при Минобрнауки России, каждый год проводятся весенняя и осенняя школы по обмену опытом и проведению мастер-классов в этой области.

В рамках такого сотрудничества выполнены терминалы с удаленным доступом для Балтийского военно-морского института (http://www.labrabru.narod.ru/kfbvmi/), Поволжского филиала МИИТ (http://www.labrab.ru/pfmiit/), Белгородской сельскохозяйственной академии (http://www.labrab.ru/ bgsha/), Камчатского государственного технического университета (http://www.labrab.ru/KamchatGTU/) и других образовательных учреждений [4, с. 2; 5, с.14; 6, с.8].

Разработки нашего коллектива базируются на пакете прикладных программ Adobe Flach CS3~5.

Накопленный опыт разработки и эксплуатации виртуальных практикумов позволяет сделать некоторые выводы о том, когда, с точки зрения повышения качества образования, их можно использовать, а когда не нужно [7, с. 3; 4, с. 86; 9,с. 8].

На первых курсах происходит так называемое «выравнивание» знаний, систематизация полученных сведений в школе с усилением некоторых акцентов, характерных для выбранной конкретным вузом предметной области. Как правило, на этом этапе курсами для использования виртуальных практикумов становятся прикладная механика и физика [10, с. 3;11, с. 8; 12, с. 4].

Ниже на рис. 4.2 и 4.3 приведены возможные варианты таких работ.

Растяжение стального образца

Рис. 4.2. Растяжение стального образца

Измерение разности уровней в сообщающихся сосудах

Рис. 4.3. Измерение разности уровней в сообщающихся сосудах

Обработка многократно проделанных опытов с определением математического ожидания и дисперсии закрепляет у студента основные понятия о физических характеристиках твердых и жидких сред и законов их изменения.

В рамках изучения общепрофессиональных дисциплин также уместно использование виртуальных практикумов на стадии передачи им сведений об объектах, с которыми им в дальнейшем придется иметь дело, но в более специфических условиях. Например, нагрузкам по значениям близким к эксплуатационным.

Исследование режима псевдоожижения при сушке кофе

Рис. 4.4. Исследование режима псевдоожижения при сушке кофе

На рис. 4.4 приведен кадр виртуального практикума другого типа. Не смотря на то, что он предназначен для изучения процессов тепломассобмена в достаточно распространенных условиях контакта твердого тела с газовой средой, при изучении, так называемого псевдоожиженного, кипящего или фонтанирующего слоя его вряд ли можно рекомендовать для изучения каких то фундаментальных положений без наличия в распоряжении преподавателя реальной установки реализующей этот эффект. Допущения или пренебрежение некоторыми из краевых условий, соответствующих аналитических постановок отдельных специфических задач, может повлечь за собой значительные расхождения в теоретических и экспериментальных результатетах, а у студента сформировать ложную слишком упрощенную схемы реально происходящих процессов. Компромисс может быть найден при прохождении производственной практики студентом с использованием одной из таких установок [13, с. 12; 14, с. 8].

Кроме того, можно выделить две характерные тенденции, которым следуют процессы информатизации образовательного процесса.

Первую из этих тенденций можно условно назвать «глобальная информатизация». Суть ее состоит в том, что некая инициативная группа преподавателей используя одну из платформ, реализует в ней, например, определенный контрольно-измерительный материал, как средство тренировки студентов перед экзаменом или зачетом. Первоначально это делается для одной из конкретных дисциплин. Убедившись в педагогической эффективности выполненных разработок, эта же группа (по собственной инициативе, по просьбе коллег или на договорных условиях) продолжает свою деятельность для той же дисциплины, но для другой образовательной программы и, может быть, другого вуза. С течением времени в сферу интересов этой группы могут попасть информационные разработки и другого назначения: компьютерные учебники, виртуальные лабораторные практикумы и др. Достоинством такого подхода является сравнительное постоянство членов группы и их глубокое владение предметом, обеспечивающее высокое качество электронного контента [15, с. 6; 16, с. 21].

Вместе с тем с точки зрения, например, дистанционного обучения которое, как и все остальные формы обучения, структурируется в виде целого набора образовательных дисциплин, такой подход вряд ли приемлем, поскольку не позволяет ни одну из образовательных программ реализовать полностью дистанционно. Кроме того, при реализации различных дисциплин на разных платформах (при наличии разных групп разработчиков) студенту дополнительно приходится осваивать различные интерфейсы, что может и не входить в его профессиональную ориентированность в рамках выбранной образовательной программы. Целесообразно опробовать и вторую из тенденций информатизации образовательного процесса, которую можно условно назвать «локальная информатизация». Инициативная группа одной из выпускающих кафедр, в состав которой обязательно должен входить профессиональный программист, выбирает в качестве платформы для компьютерного моделирования некоторый пакет и делает попытку разработать серию виртуальных практикумов по всем курсам направления. В этом случае становится возможным говорить о полном переходе на дистанционную форму обучения, оставляя пока открытой тему поблочной, семестровой или годовой защиты полученных знаний [17, с. 3; 18, с. 2].

Обобщая накопленный опыт, можно рекомендовать следующую последовательность выполнения виртуальных лабораторных работ по тем дисциплинам, по которым принято решение о их методической целесообразности.

Выполнение виртуальных лабораторных работ может производиться по общей схеме, изображенной на рис. 4.5.

Примерный порядок выполнения виртуальной лабораторной работы

Рис. 4.5. Примерный порядок выполнения виртуальной лабораторной работы

Вначале следует войти в теоретический и методический раздел страницы, изучить основы теории данного эксперимента, схематическое устройство опытной установки, порядок проведения данной лабораторной работы, способы получения и измерения опытных данных и их последующей обработки — проведения расчетов и построения необходимых графиков. Только подробно изучив все вопросы этого раздела, можно переходить к следующему этапу выполнения работы.

Его основной целью является виртуальное тестирование и по его положительным результатам — получение допуска к непосредственному выполнению виртуальной лабораторной работы. При этом в ходе тестирования должны быть затронуты не только содержательные вопросы по теме, но и вопросы, касающиеся правил работы на установке. Как только получены правильные ответы на все пять контрольных вопросов из случайной выборки по данной тематике и набраны необходимые 25 баллов — в правой нижней части тестирующего поля появится кнопка: «Переход к выполнению работы». Для примера на рис. 4.6 приведена тестирующая программа к лабораторной работе № 1 в состоянии, когда на все пять вопросов были даны правильные ответы.

Успешно выполненная тестирующая программа к лабораторной работе № 1

Рис. 4.6. Успешно выполненная тестирующая программа к лабораторной работе № 1

В противном случае придется проходить тестирование еще раз, нажав появившуюся кнопку «Повторить?».

Далее, после нажатия кнопки «Переход к выполнению работы» и окончания загрузки ее изображения на экран монитора приводится начальное изображение виртуальной лабораторной работы. В левом верхнем углу работы расположена эмблема университета, внизу — номер и тема данной виртуальной лабораторной работы. При наведении курсора на слово «Опыт 1» появится информационное поле с подробным указанием темы и содержания работы. После нажатия и удерживания левой кнопки мыши появится второе информационное поле с краткой инструкцией по пользованию виртуальным вариантом лабораторной работой. Кроме того, на поле каждой виртуальной лабораторной работы справа внизу расположена овальная кнопка «Сброс». Нажимая эту кнопку, можно в любой момент привести лабораторную работу в исходное состояние. При этом восстановить предыдущее ее состояние будет уже нельзя.

Установленный порядок перехода к выполнению лабораторной работы через тестирование, возможность вывода двух информационных полей при наведении указателя мыши на слово «Опыт» и возможность в любой момент воспользоваться кнопкой «Сброс» — общие для всех виртуальных лабораторных работ.

В настоящее время успешно апробированными для достижения поставленных задач образования формами с использованием виртуальных лабораторных практикумов могут считаться экстернат и дистанционная форма обучения [4, 5].

Использование таких форм сопряжено с поиском интерактивных методик обучения, позволяющих компенсировать отсутствие контакта преподаватель — обучаемый, что успешно осуществляется при использовании описанных выше разработок.

Актуальность поиска таких инструментов для высшего образования обусловлена еще и тем, что в программы подготовки бакалавров, наряду с лекционными и практическими занятиями, обязательно включен интерактивный практикум как инструмент формирования профессиональных компетенций [6].

Если рассматривать в качестве такого интерактивного вида занятий лабораторный практикум, то здесь появляется ряд трудностей. Выполнение лабораторных работ связано с необходимостью посещения бакалаврами вуза. Поскольку для бакалавров, обучающихся по дистанционной форме, как правило, назначается индивидуальный график учебного процесса, то выполнение лабораторного практикума приходится повторять несколько раз, по мере посещения бакалаврами вуза. Повышение креативности обучаемого и формирование у него необходимых компетенций, таким образом, связано с поиском средств, обеспечивающих выполнение лабораторных практикумов по месту жительства бакалавров, обучаемых по дистанционной форме [7].

В рамках описанных проблем в Университете ИТМО предпринимаются определенные шаги по разработке средств, обеспечивающих образовательный процесс в дистанционной форме.

Совершенствуется концепция и принципы проектирования, а также создается комплектный электронный образовательный ресурс системы дистанционного обучения (СДО), включающий как электронные учебники, так и виртуальные лабораторные работы. Это позволяет развить существующую сетевую инфраструктуру и WEB-технологии коллективной и индивидуальной работы студентов. Основной результат работы представлен системой дистанционного обучения (СДО) магистерских программ направления 15.03.02 — Технологические машины и оборудование [8, 9].

Реализованные принципы проектирования электронного ресурса через специализированный сервер обеспечивают широкие функциональные возможности и средства интегрирования СДО в систему других университетских образовательных порталов. В дальнейшем используемые сервером инструментальные средства, в частности пакет прикладных программ

CS-5, дадут возможность управлять образовательным процессом таким образом, что его показатели качества будут соответствовать сертификационным нормативам и стандартам, разработанным на основе прямого применения международных стандартов ISO, технических условий СТУ 115.005-2001, а также отраслевого стандарта ОСТ 9.2-98 «Учебная техника для образовательных учреждений. Системы автоматизированного лабораторного практикума». Специальные дидактические свойства электронного образовательного ресурса, которые предполагается реализовать, будут способствовать совершенствованию интерактивных методов и форм дистанционного обучения, формировать креативность обучаемых. В настоящее время в СДО большинства вузов, реализующих магистерские программы направления 15.04.02 — Технологические машины и оборудование, компоненты электронного образовательного ресурса и их виды для разного типа учебных занятий: теоретического курса, практических и лабораторных занятий, а также курсового и дипломного проектирования, разнородны и разделяемы. В процессе работы с частью этих ресурсов, например, с виртуальными лабораторными работами и (или) лекционным материалом, формируемые потоки данных, которыми обмениваются субъекты клиент — серверной архитектуры, динамичны. В ресурсе сами данные отделены от их представления и логики обработки. Поэтому как объект управления образовательный процесс достаточно сложен. Этот объект слабо изучен с позиции современной теории управления и до настоящего времени отсутствуют его модели, ориентированные на решение задач ситуационного управления. Описанная концепция определяет выбор принципов оптимальной организации управления ресурсом СДО в классе многопользовательских систем. При этом предполагается решение множества задач, таких как формирование общепрофессиональных и специальных компетенций. Особую ценность интерактивный электронный контент имеет при самостоятельной работе студента, включая различные дистанционные формы обучения. Процесс решения может быть сосредоточен в специализированном сервере, наделенном функциями управляющего устройства системы управления СДО, для которой предложена имитационная модель и компьютерная реализация с использованием оригинальных технологий, а также при установке контрольно-измерительных средств на любом удаленном ПК. Специализированный сервер построен как модульная структура, позволяющая легко наращивать его функции.

Кардинальным отличием разработки от известных аналогов является то, что она позволит создавать мобильный электронный контент блочной автономной структуры с независимыми блоками, решающими отдельные дидактические задачи объемом 30—40 Кбайт. Управление образовательным процессом опирается на результаты интерактивного воздействия студента на электронный ресурс как на объект управления, учитывать его особенности.

В настоящее время в нашей стране развитию систем дистанционного обучения уделяется большое внимание, с одной стороны, Министерством науки и образования, а с другой — рядом ведущих образовательных учреждений Российской Федерации.

В процессе развития системы подготовки специалистов по указанным выше направлениям проведены исследования особенностей развития образовательного пространства в вузах России; сформированы модель и концепция подготовки бакалавров по этим направлениям, а также требования к материально-технической базе системы подготовки и, в частности, к инфраструктуре коммуникационных и вычислительных сетей кафедры общепрофессиональных дисциплин — основного звена общеинженерной подготовки. Сформирована концепция развития сетевой инфраструктуры и интернет-технологий, в том числе системы дистанционного обучения, по разным направлениям подготовки. Разработан экспериментальный вариант электронного образовательного информационного ресурса, который успешно используется целым рядом отечественных вузов родственных профилей.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >