CC BY
39
УДК 338.126
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ИНЖЕНЕРНЫХ ДИСЦИПЛИНАХ -ОСНОВА КАЧЕСТВА ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА
INFORMATION TECHNOLOGIES IN ENGINEERING COURSES -THE ESSENTIAL PART OF THE EDUCATIONAL PROCESS QUALITY
© 2017
Т.Н. Буштрук
Самарский государственный университет путей сообщения (Россия, Самара)
T.N. Bushtruk Samara State Transport University (Russia, Samara)
М.В. Царыгин
Cамарский государственный университет путей сообщения ПАО «Мобильные ТелеСистемы» (Россия, Самара)
M.V. Tsarygin Samara State Transport University PJSC «Mobile TeleSystems» (Russia, Samara)
Стремительное развитие информационных технологий требует внедрения электронных информационных ресурсов в образовательный процесс высшей школы, неотъемлемой частью которого являются научные исследования. Статья посвящена формированию компьютерного информационно-обучающего комплекса по дисциплинам инженерно-технического блока. Приведены результаты локальной информатизации и автоматизации отдельных этапов изучения инженерных дисциплин; представлено содержание отдельных информационных модулей; определена структура программно-информационного контента для блока инженерных дисциплин. Описанный комплекс позволяет формировать образовательную среду качественно нового уровня, обеспечивающую мобильность информации и интерактивное взаимодействие.
The rapid development of information technologies requires the introduction of modern computer achievements in the educational process of universities where research work is obbligatory. The subject of the article is elaborating IT learning kit for engineering courses. The results of local informatization and automation of separate stages of the educational process are described. The content of the information modules is presented. The structure of the program and information content for engineering courses is displayed. This kit is supposed to provide more efficient educational environment where mobility of information, accessibility and interactive communication are guaranteed.
Ключевые слова: информатизация; информационные технологии; программный модуль; программный обучающий комплекс; образовательный процесс; инженерная дисциплина; образовательная среда; электронный ресурс.
Keywords: informatization; information technologies; program module; program learning kit; educational process; engineering course; educational environment; e-resource.
Социальные, экономические, технологические изменения, происходящие в мире, и бурное развитие информационных технологий требуют внедрения современных компьютерных достижений в образовательный процесс на всех его этапах. Уникальные возможности ^-технологий должны использоваться в рамках как инновационных, так и традиционных методов обучения. При предоставлении обра-
зовательных услуг традиционные методы необходимо сочетать с формами дистанционного обучения, с использованием профессионально подобранного материала по изучаемой дисциплине в виде электронного ресурса - с обеспечением интерактивного взаимодействия с информационными объектами. Разработки по информатизации инженерного образования являются безусловно актуальными и зна-
чимыми. В этом направлении на протяжении ряда лет работают ведущие вузы страны [1-3].
Целесообразность использования в образовательном процессе информационно-коммуникационных технологий не вызывает сомнения. Его результаты - расширение информационного пространства, доступность образовательного процесса, интенсификация обучения, мобильность электронного информационного ресурса, повышение культуры преподавания, повышение производительности труда преподавателя.
В период реформирования высшего образования возрастает роль самостоятельной работы студентов, и информатизация инженерных дисциплин становится актуальной задачей. Благодаря IT-техно-логиям информационное пространство расширяется: обучающийся за определённое время может получить больший объём информации. Мобильность информационного ресурса, его доступность на различных электронных устройствах (devices) обуславливает внедрение информационно-коммуникационных модулей в учебный процесс. Все это формирует образовательную среду качественно нового уровня. Активным участником создания такой среды является сам студент.
Образовательная среда побуждает обучающихся принимать участие в разработке программно-информационных модулей по различным дисциплинам; тем самым студент получает навыки формализации поставленной задачи, алгоритмизации и опыт программирования.
Структура информационного компьютерного комплекса. Применение компьютерных обучающих комплексов, тренажеров является общемировой практикой [4]. Для инженерных дисциплин базового блока разрабатывается расчетно-обучающее программное обеспечение (ПО) для зачетной работы (курсового проекта, контрольной работы, РГР), включающее расчетную программу, обучающий модуль, базу-библиотеку устройств и узлов, электронный ресурс, тестовый модуль, мультимедийный блок.
Структура компьютерного комплекса представлена на рисунках 1 и 5.
Каждый блок дисциплин - общеобразовательных, профессиональных и специальных - должен содержать информа-тизационную оболочку, включающую цепочку программных модулей, которые должны выстраиваться таким образом, чтобы соблюдалось иерархическое взаимодействие между дисциплинами.
Разрабатываемые модули компьютерного комплекса используется в курсовом проектировании, научных исследованиях, при проведении практических и лабораторных занятий, в ходе самостоятельной работе студентов. В них обеспечены максимальная визуализация информационных объектов и взаимодействие с ними. Информационные объекты представляются в различных форматах: фото, видео и 3D.
Основные программные модули компьютерного комплекса. Основные программные модули, входящие в комплекс, - «Ротор», «Трансформатор», «Электра», «Выявление дефектов литых деталей тележек грузовых вагонов», «Время ПТО», «Идентификация временных рядов».
К программному обеспечению по электротехническим устройствам (электрическим машинам и трансформаторам) относятся ПО «Ротор», «Трансформатор», электронный ресурс по электрическим машинам, поисковый и тестовый модули, медиа-файлы, 3D-модели узлов электрических машин, обучающие видеофайлы по принципу действия и устройству электрических машин и трансформаторов. Его логическим завершением является программный модуль «Электра».
Программа «Ротор» посвящена расчету магнитную цепь машины постоянного тока. На главном интерфейсе (рис. 1) -модуль (1) - размещены поля ввода данных, «ключи» обратной связи, вычислительный сектор и графопостроитель. Модуль (2) содержит видеофайлы и теоретический материал, с которым студент может ознакомиться в автономном режиме или непосредственно работая с программой. Модуль (3) содержит базу видеофайлов по всем типам электрических машин. На интерфейсе ПО «Электра» кнопки (4) и (5) вызывают ПО «Ротор» и ПО «Трансформатор». На интерфейсе (6) по-
казаны кнопки вызова видеофайлов, демонстрирующих устройство и принцип действия трансформатора; здесь же содержатся база различных типов устройств и теоретический материал. В ПО «Транс-
форматор» в модуле (7) реализован типовой алгоритм расчёта однофазного маломощного трансформатора. Данный информационный ресурс реализуется в учебных центрах и Web-пространстве.
Рис 1. Технологическая схема использования ПО «Электра»
Помимо разработки ПО для базовых осмотрщика-ремонтника вагонов», «Вы-
дисциплин, создаются ПО по специаль- явление дефектов литых деталей тележек
ным дисциплинам [5-9]: «Тренажер грузовых вагонов» (рис. 2), «Время ПТО».
Рис. 2. Интерфейс ПО «Выявление дефектов литых деталей тележек грузовых вагонов»
На железнодорожном транспорте при выявлении дефектов и неисправностей большую роль играет первичный визуальный осмотр. Для изучения узлов, деталей существуют специальные полигоны, но на них невозможно разместить большое количество оборудования. Осмотрщик вагонов снабжен специальными инструментами-шаблонами, с помощью которых он должен выявлять эксплуатационную пригодность оборудования. Про-
грамма демонстрирует процедуру пользования этими шаблонами в интерактивном режиме. Электронный ресурс по дефектам литых деталей, выявляемых в процессе осмотра, окажет несомненную помощь при обучении вагонников, операторов и ремонтников. На рисунке 3 приведена блок-схема программы, поясняющая алгоритм функционирования модуля и содержание программного обеспечения.
Рис. 3. Структура и алгоритм работы обучающей программы осмотрщика-ремонтника вагонов
Проблема выявления неисправностей вагона в процессе его эксплуатации, т.е. при осмотре на пунктах технического обслуживания (ПТО) вагонов, очень актуальна. Для безусловного обеспечения безопасности движения требуется поддержание постоянно высокого уровня профессиональных знаний сотрудников, отвечающих за техническое обслуживание вагонов в эксплуатации, создание новых, более эффективных методов, средств и инструментов производственного обучения. Программный продукт и предназначен для выработки умения выявлять дефекты литых деталей тележек грузового вагона (надрессорных балок и боковых рам). Интерактивное взаимодействие с исследуемыми объектами позволяет более подробно изучить устройство и работу отдельных узлов и агрегатов вагонов. Обучающийся получает возможность подробно изучить области наиболее вероятного места возникновения неисправности, а также выполнить определенный набор операций, связанных с браковкой вагона в текущий отцепочный ремонт.
Создание интерактивных тренажеров особенно важно при изучении крупногабаритных деталей вагона - из-за невозможности размещения натурных образцов в учебных классах и кабинетах. Обучающие программы могут использоваться как в процессе производственного обучения (при проведении технических занятий), так и при самоподготовке работников железнодорожного транспорта, студентов железнодорожных вузов и техникумов.
Рассматриваемый обучающий комплекс относятся к системам декларативно-процедурного типа, поскольку позволяет не только осваивать хранимые в системе знания, но и выполнять действия, направленные на выработку определенных умений.
В модуле «Идентификация временных рядов» содержится база мультимедийных файлов, показывающих дефекты и неисправности литых деталей тележек грузовых вагонов, которая регулярно обновляется из реальных отчетов. Эта библиотека позволяет студентам изучать детали и дефекты в режиме, максимально
близком к реальным условиям. Дефекты и неисправности классифицируются определенным образом, кодируются с помощью программы в среде Access [5]. Полученные временные ряды можно использовать для моделирования производственных процессов (проведения идентификации). Эти модели могут применяться при построении краткосрочных или долгосрочных прогнозов, имитации производственных ситуаций, проведении тренин-говых мероприятий.
Реализация программно-обучающих комплексов в среде программирования Delphi позволяет, в связи с минимальными системными требованиями, производить их установку на любые компьютеры.
Автоматизированы отдельные процессы обработки отчетно-технической документации ввода технологической информации, с чем обучающиеся будут сталкиваться на производстве [6]. В ПТО необходимо проводить осмотр состава, выявлять неисправности, производить демонтаж оборудования и выполнять требуемый ремонт. Все эти операции регламентируются по времени технологическими картами ОАО «РЖД». Расчеты трудозатрат осуществляются по фактически затраченному времени. Программа автоматизирует процесс расчета и ввода данных в АСУ Интерфейс программы «Время ПТО» показан на рисунке 4.
Статистические данные собираются для анализа выполненных на подвижном составе операций, определения сроков замены оборудования, оптимизации монтажных и ремонтных работ. Эта информация формируется в базы данных, которые используются в модуле идентификации временного ряда с целью получения модели процесса, в системе управления и в процедурах построения прогнозных значе ний ряда, что позволяет принимать адекватные управленческие решения по формированию материальных ресурсов. На основе полученных баз данных для выбора элементов подвижного состава, подлежащего ремонту, и кодировки изображения выбранного элемента в код Access и занесения в базу была выстроена таблица (рисунок 5).
УДАРНАЯ
"ВРЕМЯ ГТГО"
Кноим >Пр1Пг«Н»<
_-т*го*мм* вид >1яа
Нарта дефектов у\пл. ут»рр*д£»1мгл
Интерфейс ►«*справмос»п> Уддом рожна
Си1«'Л"а Ае*эо:трмр)*гсд 1-1.1 г*-д счм'атрмам^аго у VI.
Зиам Погыомгеп* <ы6р«ть ту нлл
И4 ТММЧ»/ А'« ¿в»W1IW.II»»
р/с)
ПАРК ПРРЬЫГИЯ
К*Л-ВС »«ГОИОв Ч ] посгмшь \
к«! ао иРв ! Я1Й> мл«са Ш
СМЕНИТЬ \ НШ1К 1«1И
•ЛПГЖЛ 9
рчм) • •ИИ. П ■ '
и-««"* 1 1УГТТ ШМк«» (КвЧ|)(«
ШМИ1 ' МЯУ «О* юочодз»
лд • 1 .¿»'.у И В«1М1 'Агии «ооСчп вддопа ■ МГМ ПЛф.*11II» • ' иМЧМСУ 1М1 СП по О ' _ /
птрггупигтлп»
УКРЕПИТЬ ШП1 СК*П>«Г& , I
- 1 грммип
НННи)
вгсни Минут
среднее В 3
11СЧСТ1ИС:
Шрги п-кида СН1ДУ п н кшф |иа«и 152 3 |»М1Я1 О
Л |Н*1>М1МИ JлlяJI 1Д6 ■ К^ИМиП^ШЯ!» & ■.инш, 1,14
портик м>чЦкГк
м» 1«
П;»в о
■иш
Рис. 4. Интерфейсы ПО «Выявление дефектов литых деталей тележек грузовых вагонов»
и «Расчет времени на ТО вагонов»
В процессе создания информационно-коммуникационных модулей была разработана структура информационного комплекса (рис. 5), предназначенная для типового формирования электронного ре-
сурса. Информационная среда по дисциплине включает ПО по зачетной работе (курсовому проекту, контрольной работе, РГР), различные базы данных, мультимедийный контент, тестовый модуль.
Рис. 5. Технологическая схема реализации информационного ресурса
В программный комплекс по специальным дисциплинам встроен блок иден-
тификации временных рядов [7] (рис. 6).
Рис. 6. Модуль
Известно, что временной ряд генерируется линейным формирующим фильтром (ФФ) при подаче на его вход сигнала типа белый шум. Следовательно, чтобы провести идентификацию временного ряда, необходимо определить структуру и параметры передаточной функции ФФ. В результате проведения процедуры идентификации ФФ получаем оценки параметров передаточной функции фильтра (метод А.Д. Буштрука) [10, 11]. Достоверные результаты прогнозирования обеспечивают принятие оптимальных управленческих решений по формированию энергетических, материальных и технических ресурсов.
Передаточная функция ФФ дает прогноз прогнозные значения временного ряда исследуемого технологического процесса. На их основе можно проводить тренинго-вые занятия по заказу оборудования, энергетических ресурсов, составлению смет, определению стоимости, которые приближают обучающегося к реальным производственным условиям и позволяют ему получить практические навыки.
Достоверность разработанной модели обеспечивается адаптацией измерительно-вычислительной системы. Полученные модели можно использовать в си-
стемах управления, построения прогнозов, тренингах персонала. Аппарат идентификации временных рядов может быть использован в большинстве инженерных дисциплин, при дипломном проектировании и в научно-исследовательской работе для обработки результатов измерений, построения моделей процессов, формирования прогнозов.
Информатизация образовательного процесса обусловливается стремительной динамикой развития информационных технологий, усложнением и возрастающим объемом новых знаний. Созданное программное обеспечение активно используется студентами в контактном учебном процессе и самостоятельной работе. Реализация информационно-электронного ресурса позволяет производить его установку на любые ПК, в том числе и на мобильные устройства. Подход, предложенный и реализованный для ряда технических дисциплин, может быть распространен и на дисциплины гуманитарного блока. Внедрение в образовательный процесс таких программных информационно-обучающих комплексов сможет повысить эффективность обучения, качество образовательной среды.
it it it
1. Арбузов Ю.В., Леньшин В.Н., Маслов С.И. и др. Новый подход к инженерному образованию: теория и практика открытого доступа к информационным и техническим ресурсам. М. : Центр-Пресс, 2000.
2. Информатизация образования: направления, средства, технологии : уч. пос. / под общ. ред. С. И. Маслова. М.: МЭИ, 2004.
3. Информационные технологии в инженерном образовании / под ред. С.В. Коршунова, С.Н. Гузненкова. М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007. 432 с.
4. Делооз Ф. Применение тренажеров на железнодорожном транспорте // Железные дороги мира. 1999. №9. С. 20-25.
5. Буштрук Т.Н., Царыгин М.В., Кленюшин Д.С. Программа для кодирования, анализа, редактирования, просмотра и внесения мультимедийных файлов в БД MS Access : свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 20146177734, 31 июля 2014 г.
6. Буштрук Т. Н., Кленюшин Д. С., Царыгин М. В. Программный комплекс расчета времени технического обслуживания подвижного состава «ВРЕМЯ ПТО v 1.0» // Вестник транспорта Поволжья. 2014. № 6. С. 61-66.
7. Кленюшин Д.С., Буштрук Т.Н., Буштрук А.Д., Царыгин М.В. Обучающая программа по обнаружению дефектов литых деталей тележек вагонов с модулем идентификации и прогнозирования // Наука и образование - транспорту : мат-лы V международ. науч.-практ. конф. 2012 г. Самара : СамГУПС, 2012. С. 138-140.
8. Буштрук Т. Н., Царыгин М. В., Буштрук А.А. Компьютерный обучающий комплекс для персонала предприятий вагонного хозяйства с мультимедийными базами данных // Известия Самарского научного центра РАН. Самара : СНЦ РАН, 2014. Т. XIV. №4. С. 465-470.
9. Буштрук Т.Н., Царыгин М.В., Кленюшин Д.С. Программный модуль для расчета времени обработки составов на пунктах технического обслуживания вагонов «Иремя ПТО» : свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2015663183. 14 декабря 2015 г.
10. Буштрук А.Д., Буштрук Т.Н., Фазлыев И.И. Корреляционно-спектральный метод идентификации квазистационарных временных процессов с разрешением противоречий между точностью и быстродействием // A и T. 2011. №7. С. 147-158.
11. Буштрук Т.Н, Царыгин М.В., Кленюшин Д.С. Компьютерный обучающий комплекс для персонала предприятий вагонного хозяйства с модулем идентификации и прогнозирования временных рядов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Информатика. Телекоммуникации. Управление. 2015. № 4(224). С. 105-113.
