CC BY
61
СЕРВИС И ТУРИЗМ
2. Bychkov, A.V., and Zvorykina, T.I. Razvitie dobrosovestnoi konkurentsii pri ptovedenii kapital’nogo remonta zhilykh domov na osnove technicheskogo regulirovaniia [The development of technically regulated fair business practices in the context of major repairs of tenement buildings]. Biulleten’ Natsional’nogo ob’’edineniia stroitelei [Bulletin of the National Association of Builders]. 2011. № 3 (10).
3. Zvorykina, T.I., Sotnikova, E.V., Bystrova, T.K., and others. STO NOSTROI 2.33.13-2011. Kapital’nyi remont mnogokvartirnyhkh domov bez otseleniia zhil’tsov [STO NOSTROI 2.33.13-2011. Major repairs of tenement buildings without resettlement of tenaments]. Moscow: BST Publ., 2012.
УДК 004.9
I ПРИМЕНЕНИЕ ВИРТУАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ I ЛАБОРАТОРИЙ В ВЫСШЕМ ОБРАЗОВАНИИ
Степанов Константин Григорьевич, кандидат физико-математических наук, доцент,
stepanovKG@gmail.com,
Шепелин Виктор Аркадьевич, кандидат технических наук, доцент,
shodin@mail.ru,
ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», филиал в г. Смоленске, Российская Федерация
Изложена роль компьютерных технологий в высшем образовании как система научных знаний, методов и средств, которые используются вузом для подготовки специалистов. Отмечаются характерные черты новых форм образования, интерактивность и личностная ориентированность способа обучения информационно-коммуникационным технологиям на всех уровнях образования. Разрабатываются концепции новых форм образования на основе построения виртуальных лабораторий, основанных на принципах объектно-ориентированного программирования в средах компьютерной математики, таких как Electronic workbench, Mathcad, Matlab. Указывается, что разработка концепции новых форм образования на основе компьютерных технологий позволяет: для студентов — перейти от репродуктивной формы обучения к креативной модели; для высшего образовательного учреждения — повысить рентабельность, экономическую эффективность образования.
Ключевые слова: виртуальная лаборатория, объектно-ориентированное программирование, мульти-медиа технологии
В последнее время в высшем профессиональном образовании все более возрастает роль компьютерных технологий. Понимание того, что традиционная схема образования зачастую морально устарела и нуждается в новых формах обучения, пригодных в течение всей профессиональной жизни.
Для этих форм образования недопустимы формы застоя, а характерны интерактивность и личная ориентированность способов обучения информационно-коммуникационным технологиям.
Для этого необходимо применять новые теории обучения, такие как конструктивизм, обра-
зование, ориентированное на личность студента, более интенсивно использовать новые современные образовательные технологии [1].
Под образовательными технологиями в учреждениях высшего образования будем понимать систему научных знаний, методов и средств, которые используются вузом для подготовки специалистов. Важно сформировать прямую зависимость эффективности выполнения учебных программ от степени интеграции в них соответствующих информационно-коммуникационных технологий. Такой инструментарий дает возможность построить современные учебные технологии, предусма-
50
научный журнал СЕРВИС PLUS Том 8. 2014 / № 3
Применение виртуальных компьютерных лабораторий в высшем образовании
тривающие формирование у учащихся неординарность мышления, творческий подход к решению практических задач современности. В итоге такого обучения деятельность студента основывается не на наборе стандартных приемов, а лежит в плоскости понимания причинно-следственных связей процессов в природе явлений, что значительно повышает мотивированность и результативность учебы.
Информационные, коммуникационные и аудиовизуальные технологии создают новую образовательную среду, где они органично включаются в учебный процесс для реализации новых образовательных моделей.
Разработка концепции новых форм образования на основе компьютерных технологий позволяет:
1) для студентов — осуществить переход от репродуктивного обучения — передачи знаний от преподавателя к студентам — к креативной модели (когда в учебной аудитории с помощью нового технологического и технического обеспечения моделируется жизненная ситуация или процесс, а студенты под руководством преподавателя должны применить свои знания, проявить творческие способности для анализа моделируемой ситуации и получить решение поставленных задач);
2) для высшего образовательного учреждения — повысить рентабельность, экономическую эффективность, которая проявляется в уменьшении затрат на содержание площадей образовательных учреждений, экономии материальных ресурсов, во многом за счет приобретения нового оборудования лабораторий, специализированных классов и аудиторий, потому что многие практические работы можно проводить в обучающем виртуальном режиме, используя новые компьютерные мульти-медиа технологии.
Виртуальные лабораторные работы являются своеобразной аналогией и в большинстве случаев — возможной заменой лабораторного оборудования. В данной статье представлены примеры виртуальных лабораторных работ, проводимых на кафедре информационных технологий вуза. В лабораторных работах по таким предметам, как «Радиотехнические цепи и сигналы», «Метрология и стандартизация», «Материаловедение» и др. приобретаются навыки проведения экспериментов, понимания работы приборов и оборудования. Появляется возможность научиться самостоятельно делать
выводы из полученных опытных данных, тем самым глубже и полнее усваивать теоретический материал. Работы выполняются непосредственно в компьютерном классе с использованием современных программных средств, таких как Electronic workbench, Mathcad, Mat-lab, Labview и пр.
Виртуальные лабораторные работы используют необходимые комплекты учебно-методических материалов, тестирующие программы, обеспечивающие допуск к выполнению работ, а также виртуальное лабораторное оборудование. Кроме того, любая работа может персонализироваться, для чего вводится уникальный персональный номер, связывающий фамилию студента с лабораторной работой.
По окончании выполнения работы учащийся формирует «Отчет», и данные лабораторной установки и измерительных панелей с измеренными и расчетными данными, контрольным номером и его фамилией переносятся на сервер преподавателя. Далее отчет может быть представлен преподавателю для защиты в распечатанном виде, либо студент лично предъявляет файл формата *.doc на любом современном носителе, либо в дистанционном режиме пересылкой его в студенческий портал сайта университета [2].
В то же время очевидно, что далеко не все эксперименты могут быть виртуальными. Главным критерием применимости здесь будем считать получение навыков использования реального оборудования, адекватность изображения виртуальных приборов на экране монитора реальным установкам.
Виртуальные лаборатории (ВЛ) вполне применимы, но только вместе с изучением реального оборудования. ВЛ в этом случае весьма полезны для изучения принципов действия, типовых реакций оборудования на какие-либо воздействия, моделирования фактически решаемой задачи, в которой объектом исследования выступает изучаемое измерительное оборудование.
При изучении дисциплины «Радиотехнические цепи и сигналы» виртуальная лаборатория, оснащенная программными средствами Electronic workbench, Mathcad, является наиболее адекватной ВЛ. Здесь измерительное оборудование выполняет индикаторные функции — отображает некоторые параметры изучаемого объекта, такие как напряжение, ток. Сам объект скрыт, а студент видит его мо-
51
СЕРВИС И ТУРИЗМ
дель в виде нарисованной на панели структурной, функциональной или принципиальной схемы. Очевидно, что разница между видом панели лабораторного стенда и схемой, показываемой на экране монитора, незначительна. В этом случаем объект исследования может быть вообще заменен его математической виртуальной моделью (имитатором). Более того, компьютерное моделирование позволяет значительно усилить дидактические свойства эксперимента. К примеру, при изучении радиотехнических цепей компьютерное моделирование позволяет визуализировать процессы, происходящие внутри функциональной схемы в виде различных графиков, эпюр, векторных диаграмм. Конечно, в реальном эксперименте наблюдать такие явления невозможно.
Рассмотрим типичную для радиотехники задачу изучения резонанса напряжений.
Требуется определить индуктивность катушки, при которой в цепи, представленной на рис. 1, будет резонанс напряжений и показания приборов при резонансе. Цепь имеет следующие параметры: U = 30 В, f = 50 Тц, С = 20 мкФ, r = 15 Ом.
к
Рис. 1. Электрическая цепь для изучения резонансов контура
Построить на комплексной плоскости векторы тока и напряжений при резонансе. Определить активную реактивную и полную мощность цепи при резонансе, а также зависимость тока в цепи от варьируемого параметра, т. е. от индуктивности катушки, и построить график
I = ЯЬк).
В результате решения задачи в Mathcad мы получаем результаты.
Падение напряжения на активном сопротивлении катушки:
U := r -ГА, U = 30V.
Падение напряжения на индуктивном сопротивлении катушки:
XL := XC, UL := XLd, UL = 318.31V.
Показания вольтметра V2:
I з 5
Lb := ^Ur“ + UL", U2 = 319.72 V.
Активная реактивная и полная мощность цепи при резонансе:
P := 12 Гк, Q := I2 (Xl-Xc), S := U I,
P = 60W, Q = 0V-A, S = 60V-A.
Строим векторную диаграмму цепи (рис. 2).
Рис. 2. Векторная диаграмма контура при резонансе
Определим зависимость тока в цепи от индуктивности катушки и построим график I = ^к).
Рис. 3. Резонансная характеристика цепи
Сделав предварительные расчеты электрической цепи, можно провести моделирование этой цепи в виртуальной лаборатории. Для этого соберем электрическую цепь последовательного колебательного контура на экра-
52
научный журнал СЕРВИС PLUS Том 8. 2014 / № 3
Применение виртуальных компьютерных лабораторий в высшем образовании
не монитора в среде Electronic workbench (одна из модификаций Мультисим).
На виртуальной модели можно с легкостью определить показания любого из приборов электрической цепи: ваттметра, осциллографа и т. п. При этом панели лабораторного оборудования виртуальных приборов на экране монитора полностью соответствуют реальным измерительным приборам.
Рассмотрим другой случай построения реальной лаборатории дисциплины «Материаловедение»: в вузе предполагается наличие оборудования, в достаточной степени уникального, чтобы возможно было организовать к нему совместный доступ многих студентов. Примером могут служить известные дорогостоящие станки для испытаний материалов на прочность. Здесь построение ВЛ спорно, однако во многих случаях единственно возможно с материальной, технической и многих других организационных аспектов.
В данном случае построение ВЛ основывается на принципах объектно-ориентированного программирования в средах компьютерной математики, таких как Mathcad, Matlab [3].
Рассмотрим метод построения лабораторной работы на примере испытания материалов на разрыв.
В начале лабораторной работы в методическом пособии приводится подробное описа-
ние лабораторной установки (испытательной машины), ее назначение и принцип действия. Приводится ее функциональная схема (рис. 4). Для понимания предмета деятельности опустим детальное описание машины, отметим только ее состав.
В состав испытательной машины входят:
— маятниковый силоизмеритель, подвижная 3 траверса, неподвижная траверса 1 — рабочий цилиндр 5, поршень 4, плунжерный насос 14, электродвигатель 15, масляный резервуар 13, рабочий цилиндр 5 машины, рабочий вентиль 12, вентили перемещения траверс 6, 8.
В траверсах укреплены захваты, в которых закрепляется растягиваемый образец 2.
Давление масла из рабочего цилиндра 5 вызывает перемещение поршня 4, связанного с помощью поперечин и тяг с подвижной траверсой 3. Перемещаясь, траверса будет растягивать или сжимать образец в зависимости от того, где он закреплен (снизу или сверху траверсы).
В машине на барабане 11 производится автоматическое вычерчивание на бумаге диаграммы растяжения рейкой 10.
Приводятся основные теоретические положения изучаемого материала, в данном случае диаграмма растяжения образца материала.
4
Рис. 4. Функциональная схема испытательной машины
53
СЕРВИС И ТУРИЗМ
Машинная диаграмма растяжения. В процессе испытания на барабане 11 испытательной машины автоматически вычерчивается диаграмма растяжения, которая показывает зависимость между растягивающей силой P, действующей на образец, и вызываемой ею деформацией А. Типичный вид машинной диаграммы растяжения малоуглеродистой стали изображен на рис. 5. На диаграмме P—A можно указать пять характерных точек, положение которых определяется методом графического построения или методом тензометрирования.
Рис. 5. Теоретическая диаграмма растяжения методом тензометрирования
Прямолинейный участок диаграммы ОА указывает на пропорциональность между нагрузкой Р и удлинением A1. Эта пропорциональность впервые была замечена в 1670 г. Робертом Гуком и получила в дальнейшем название закона Гука.
Величина силы Рпц (точка А), до которой остается справедливым закон Гука, зависит от размеров образца и физических свойств материала.
В экспериментальной части приводится порядок выполнения работы, выбор марки стали, кратность образца и др. на виртуальной панели управления машины (рис. 6).
Рис. 6. Виртуальная панель управления машины
После установки необходимых параметров испытания программа выдает «экспериментальную» диаграмму испытаний образца материала на растяжения (рис. 7).
,3377*10*. 3.333*10* 1—
3.667*10* -
Ра(ДЬ) 2*10*
1.333*10*
0 6.667*103 /
3 1.667 3.333 5 6.667 *.333 10
А J1L .3.2.
Рис. 7. Экспериментальная диаграмма растяжения
Программа, реализующая описанную выше модель, написана в среде Mathcad с использованием объектно-ориентированной технологии и визуальных средств графического интерфейса пользователя.
Таким образом, применение новых образовательных технологий с использованием современных программных и расчетных информационных комплексов взамен традиционных лабораторных занятий имеет большую практическую значимость, а в некоторых случаях единственно возможно с материальной, технической и организационных сторон.
Литература
1. Новые образовательные технологии в вузе-2013. akvobr. ru/itogi_notv2013. html (дата обращения:12.06.2014).
2. Горбов Л.С., Новикова Н.Г., Погодин А.В., Щиканов А.Ю. Применение реляционных баз данных в управлении сайтом образовательного учреждения // Вестник Ассоциации вузов туризма и сервиса. 2013. № 4. С. 65—70.
3. Дьяконов В.П. Энциклопедия Mathcad 2001i и Mathcad 11В. М.: Солон-Пресс, 2004. 830 с.
54
научный журнал СЕРВИС PLUS Том 8. 2014 / № 3
Применение виртуальных компьютерных лабораторий в высшем образовании
VIRTUAL COMPUTER-BASED LABORATORIES IN HIGHER EDUCATION
Stepanov Konstantin Grigor’evich, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, stepanovKG@gmail.com,
Shepelin Viktor Arkad’evich, Candidate of Engineering, Associate Professor, shodin@mail.ru, Russian State University of Tourism and Service, Smolensk, Russian Federation
The authors of the article see the role of computer technologies in higher education as that of a system of scientific knowledge, methods and instruments employed by higher education institutions. In the article, the authors dwell on the characteristic features of the new educational morphology, such as interactivity and learner-centered approach to information and communication technology teaching at all levels of education; develop a concept of new educational morphology on the basis of virtual Electronic-workbench-, Mathcad-, Matlab-supported laboratories; emphasize that a development on new educational morphology on the basis of computer technologies allows for (1) a student transfer from a reproductive to a creative model of learning, (2) an improved cost- and economic-efficiency of higher education establishments.
Keywords: virtual laboratory, object-oriented programming, multimedia technologies
References
1. Novye obrazovatel’nye tekhnologii v vuze-2013 [New Educational technologies in an HE institution — 2013]. akvobr.
ru/itogi__notv2013. html (Accessed on June 12, 2014).
2. Gorbov, L.S., Novikova, N.G., Pogodin, A.V., andShchikanov, A.Iu. Primenenie reliatsionnykh baz dannykh v upravlenii saitom obrazovatel’nogo uchrezhdeniia [Applying a relational databse approach to the management of an HE institution’s website]. \festnik Assotsiatsii vuzov turizma i servisa [Bulletin of the Association of Tourism and Service Universities]. 2013. № 4. pp. 65-70.
3. D’iakonov, V.P. Entsiklopediia Mathcad 2001i i Mathcad 11B [Mathcad 2001i and Mathcad 11B Encyclopaediea]. Moscow: Salon-Press Publ, 2004. 830 p.
55
