CC BY
86Информационные технологии в обучении
УДК 377.169.3
Д В. Ефанов, канд. техн. наук
А. А. Лыков, канд. техн. наук
Е. А. Алексеева, А. В. Трофимова, Е. Д. Тимина,
К. С. Кононов, А. С. Перский
Моделирование систем автоматики для учебного процесса*
Современная железнодорожная автоматика и телемеханика (ЖАТ) -быстроразвивающаяся отрасль транспортной инфраструктуры. Это развитие, несомненно, влияет на программы учебных заведений, подготавливающих специалистов для работы с новыми устройствами. Обновление и совершенствование методов обучения, модернизация учебного процесса с использованием инновационных интеллектуальных проектов, применение нестандартных приемов, вовлекающих в учебный процесс, наглядность и близость к реальности - все это создает благоприятную атмосферу для получения знаний, способствует становлению грамотных и творчески мыслящих специалистов. Материал становится более доступным и простым для восприятия студентами, они превращаются в участников процесса функционирования ЖАТ, а следовательно, повышается мотивация к обучению.
В учебном процессе кафедры «Автоматика и телемеханика на ж. д.» Петербургского государственного университета путей сообщения ведется работа по адаптации макета участка железной дороги (рис. 1) с совершенствованием элементной базы и методов преподавания [1], [2]. Отметим достоинства подхода. Во-первых, макетирование позволяет создать новые методики преподавания ключевых дисциплин для становления специалиста: от эксплуатационных основ автоматики и систем централизации стрелок и сигналов до технического диагностирования и поиска неисправностей в них. В процессе обучения можно проводить деловые игры и отрабатывать взаимодействие различных иерархических уровней системы обслуживания. Во-вторых, это отличный аппарат для моделирования различных реальных железнодорожных ситуаций (включая нештатные), изучение которых даст представление о практической стороне организации движения поездов. В-третьих, возможна имитация любых систем ЖАТ, что делает макет и модели универсальными [3]. Четвертый плюс - это «миниатю-
Работа выполнена в рамках гранта Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО ПГУПС) 2012 года.
105
Информационные технологии в обучении
ризация»: на площади в 5 м2 умещается мощнейшее средство обучения, заменяющее целый ряд лабораторий с установками существующих систем ЖАТ. В-пятых, студенты могут почувствовать себя как в роли технического персонала дистанций сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ), так и в роли управленческого персонала (дежурных по станциям) или машинистов поездов.
Рис. 1 Макет участка железной дороги
Прежде всего, макет ориентирован на преподавание таких дисциплин, как «Эксплуатационные основы автоматики и телемеханики», «Станционные системы автоматики и телемеханики», «Автоматика и телемеханика на перегонах». В специально разработанном программном обеспечении реализованы модели системы электрической централизации ЭЦ-12-03 и системы управления движением на перегонах АБТЦ-03. Особенностью реализации является наличие всех схемных решений по соответствующим типовым проектам - они представляют собой вкладки со схемами, изображенными в разработанной среде моделирования на базе стандартного пакета MS Visio [3]. Обучаемый может просматривать любую схему в произвольный момент времени, для простоты восприятия информации пути протекания токов выделены красным цветом. Компьютерная модель увязана с напольным технологическим оборудованием через систему декодеров стрелок, светофоров и рельсовых цепей так, что любое изменение состояния физических объектов влечет за собой соответствующие изменения в схемах.
Имея возможность вносить различного рода отказы в схемные решения (имитация обрывов и коротких замыканий в проводах, замена виртуальных элементов аналогичными, но с иными характеристиками, нежели требуемые и пр.), студент может наблюдать за проявлениями неисправностей - таким образом запоминать особенности схем ЖАТ.
106
Информационные технологии в обучении
Внедрение макета в процесс обучения вносит элементы автоматизации самого процесса. В [2] анонсирован обобщенный алгоритм проведения лабораторных занятий по специальным дисциплинам кафедры «Автоматика и телемеханика на ж. д.». Расширим его (рис. 2).
Блок <0> - начало алгоритма. На первом этапе (блок <1>) обучаемый (в дальнейшем будем называть его ученик) получает задание и вариант. Здесь могут быть реализованы различные подходы: от варианта задания на группу учеников до индивидуального задания. На этапе подготовки (блок <2>) к занятию ученик осваивает методические указания к выполнению работы и изучает рекомендуемые разделы литературы, после чего подготавливает все необходимые подручные средства (бланки отчетов, заготовки протоколов измерений, математические зависимости между величинами). В случае возникновения вопросов (блок <3>) ученик составляет их перечень (блок <4>) с целью дальнейшего разъяснения непосредственно в общении с коллегами и преподавателем. На этом заканчивается так называемая стадия подготовки к работе.
В само проведение занятия входит три операции: допуск к занятию, проверка подготовленности и освоения учебного материала учеником (блок <5>); доведение до ученика плана занятия (блок <6>) и непосредственное обучение на лабораторном объекте с изучением зависимостей работы элементов схем и проведением измерений (блок <7>).
В итоговый контроль, прежде всего, входит анализ и обработка полученных данных и при необходимости выполнение учебно-исследовательской работы ученика (УИРС) - блок <8>. Выполнив обработку, ученик проводит обязательную проверку (блок <9>): если все результаты верны (блок <10>), то ученик вправе сдать работу преподавателю (блок <11>), иначе осуществляется доработка и повторный анализ данных. На данном этапе следует ограничить количество попыток в сдаче задания учеником, поскольку чрезмерное их число не только затрудняет работу преподавателя по оценке знаний, но и снижает эффективность процесса обучения. Блок <11> соответствует началу сдачи работы учеником, здесь значению числа попыток сдачи присваивается i = 0. Оценка знаний (блок <12>) заканчивается выбором преподавателем формы зачета, положительной или отрицательной отметки (блок <13>). Положительная оценка заносится в отчетный документ (журнал, архив, бланк и пр.). Данному действию соответствует блок <16>. При получении отрицательной отметки число попыток следует увеличить на единицу (блок <14>), а затем проверить ограничение на число попыток (блок <15>), если оно не достигло предельного значения, ученик вновь допускается к сдаче работы. Блок окончания завершает алгоритм (блок <17>).
107
Информационные технологии в обучении
Изучение методички, подготовка бланка отчета, заготовка протокола измерений
>
>
>
>
Рис. 2 Обобщенный алгоритм обучения
108
Итоговый контроль Самостоятельная работа Проведение занятия Стадия подготовки
Информационные технологии в обучении
Данный алгоритм универсален и может быть разделен на четыре стадии (см. рис. 2): подготовка к занятию, проведение занятия, подготовка к защите работы и итоговый контроль. Первая стадия содержит блоки <0> -<4>, вторая - <5> - <7>, третьей стадии соответствуют блоки <8> - <10> и четвертой - блоки <11> - <17>.
Учебный процесс может проходить в трех формах: только с участием человека (преподавателя), в автоматизированном режиме (с частичным участием человека в процессе обучения) и в режиме автоматическом (с использованием компьютерных технологий и без участия человека). Использование разработанного средства обучения (макета участка железной дороги в комплексе с компьютерной средой моделирования СЖАТ) позволяет достигать различной степени автоматизации ведения учебного процесса: от частичной (по каждой стадии) до полной (весь процесс обучения).
В качестве примера автоматического проведения занятия приведем перспективные в будущем интеллектуальные игры, где коллектив обучаемых делится на группы и решает ряд параллельных, но взаимосвязанных задач [4]. Например, студенты могут быть разделены на три группы - персонал управления перевозочным процессом, дестабилизирующая группа, бригада электромехаников СЦБ. Процесс игры может иметь такую постановку. Перед каждой группой ставятся свои задачи: например, группа управления перевозочным процессом может решать задачу реализации заранее разработанного графика движения поездов в установленные временные рамки, группа электромехаников - поддержания перевозочного процесса, дестабилизирующая группа - преследовать противоположные предыдущим двум группам цели. На первом этапе «нарушители» вносят неисправности в схемные решения компьютерной модели. Бригада управления перевозочным процессом начинает реализацию заранее составленного графика движения поездов, при этом при различных поездных ситуациях начинают проявляться те или иные дефекты (например, невозможность перевода стрелок при обрывах линейных проводов, переносы показаний светофоров при обрыве питания ламп и пр.) - все это увеличивает время перевозочного процесса. По окончании первого этапа игры фиксируется время, за которое были осуществлены все необходимые перевозки. На втором этапе участники игры меняются ролями. Выигрышем в игре может считаться минимум времени, затраченного на реализацию графика движения поездов.
В настоящее время макет и модели участка железной дороги - только проект, достигший стадии аппаратно-программной реализации. Но грамотная работа над методикой проведения занятий, создание алгоритмов обучения и завершение тестирования и адаптации моделей позволят в ближайшем будущем получить мощное средство для обучения дисциплинам кафедры.
109
Информационные технологии в обучении____________________________________
Библиографический список
1. Модели систем ЖАТ и технологии макетирования в процессе обучения /
А. А. Лыков, В. А. Кузнецов, Д. В. Ефанов, В. В. Дмитриев // Автоматика, связь,
информатика - 2011. - № 9. - С. 32-35. - ISSN 0005-2329.
2. Макет участка железной дороги для учебного процесса / А. А. Лыков, Д. В. Ефанов, А. А. Юдин, Р. А. Ковалев, И. П. Пантина // Известия Петербургского университета путей сообщения. - 2011. - № 2. - С. 234-243. - ISSN 1815-588 X.
3. Моделирование релейно-контактных схем / В. В. Сапожников, А. А. Лыков, А. В. Петров, Г. В. Осадчий // Транспорт Урала. - 2007. - № 3. - С. 46-50. -ISSN 1815-9400.
4. Ефанов Д. В. Современные технологии в высшем профессиональном образовании: макетирование и моделирование / Д. В. Ефанов, А. А. Юдин // Интеллектуальные системы на транспорте: Сборник материалов II МНПК «ИнтеллектТранс-2012». - СПб., 2012. - С. 236-243. - ISBN 978-5-7641-0358-7.
110
