CC BY
58
БЕЗОПАСНОСТЬ И ИННОВАЦИИ
УДК 531.383
В.Э. Джашитов, д-р техн. наук, проф., зав. лабораторией, (8452) 22-16-93, iptmuran@san. т (Россия, Саратов, ИПТМУ РАН), В.М. Панкратов, д-р техн. наук, проф., зам. директора по науке, (8452) 22-23-76, [email protected] (Россия, Саратов, ИПТМУ РАН) , А.В. Голиков, канд. техн. наук, (8452) 22-16-93, [email protected] (Россия, Саратов, ИПТМУ РАН)
МУЛЬТИМЕДИЙНЫЙ ИНФОРМАЦИОННО-КОМПЬЮТЕРНЫЙ КОМПЛЕКС ОБУЧЕНИЯ ТОЧНЫМ НАУКАМ, СВЯЗАННЫМ С НАВИГАЦИОННЫМ ПРИБОРОСТРОЕНИЕМ
Настоящая работа продолжает и развивает создаваемый авторами научно-образовательный мультимедийный комплекс по теоретической механике и теории гироскопов. Разработан и внедрен инновационный подход, реализующий единую концепцию обучения "лекции + практика + контроль знаний и умений" с применением современных мультимедийных компьютерных технологий. Создан банк практических и учебно-исследовательских задач по теоретической механике и теории гироскопов. Разработаны программные средства для динамической визуализации уравнений движения широкого класса гироскопов, механизмов и динамических систем. Разработана методика применения этих средств в обучении. Созданы программные средства экспресс-контроля теоретических знаний и практических умений и навыков.
Ключевые слова: лекции, практические и учебно-исследовательские задачи, теоретическая механика, теория гироскопов, компьютерные технологии, динамическая визуализация, экспресс-контроль знаний.
Введение
В процессе подготовки в университетах будущих создателей и исследователей в области построения приборов и систем ориентации, нави-
гации и управления подвижными объектами им преподаются разнообразные курсы по точным наукам.
Это такие основные и специальные курсы, как: теоретическая механика, математика, теория гироскопов, математические модели температур-но-возмущенных датчиков инерциальной информации и датчиков других физических величин, микроэлектромеханические системы и методы обеспечения их термоинвариантности и многие другие.
Современные требования к таким научно-образовательным курсам чрезвычайно высоки. Теоретические положения, практические примеры и задачи в этих курсах весьма сложны по содержанию и по форме.
С другой стороны, возможности информационно-компьютерных технологий позволяют проводить обучение не только с помощью "мела и доски", но и с помощью специально разработанных и стандартных программных средств, компьютера и мультимедийного проектора.
Настоящая работа продолжает и развивает создаваемый авторами научно-образовательный мультимедийный комплекс по точным наукам, связанным с навигационным авиакосмическим и морским приборостроением [1,2,3]. Первые части мультимедийного комплекса (книга + CD) [1,2] содержат теоретический материал (лекции, программные средства динамической визуализации принципов действия и решений уравнений движения основных типов гироскопов, механизмов и устройств, феноменов механического движения, примеры и др.).
Цели настоящей работы: разработка и внедрение современных инновационных средств в процесс высшего профессионального образования в рамках единой концепции обучения "лекции + практика + контроль знаний и умений" по теоретической механике и теории гироскопов с применением мультимедийных компьютерных технологий.
Ключевые задачи: существенное повышение эффективности обучения; создание банка практических и учебно-исследовательских задач; создание программных средств динамической визуализации уравнений движения рассматриваемого широкого класса гироскопов и механизмов, разработка методики применения этих средств в обучении; создание и внедрение программных средств экспресс-контроля теоретических знаний и практических умений и навыков.
В дальнейшем, в силу ограниченности статьи, уделим большее внимание основным аспектам предлагаемого подхода на примере теории гироскопов как одной из основных, на которой базируется современное навигационное приборостроение. Основные положения разработанной методики являются достаточно универсальными и для других курсов точных наук, например для преподавания теоретической механики.
Основные положения и особенности предлагаемого подхода
В основе лекций и создаваемого банка практических и учебно-исследовательских задач по теории гироскопов - книги, учебники и задачники выдающихся отечественных и зарубежных ученых по теории гироскопов и оригинальные работы авторов этого доклада [4-10]. Количество задач по теории гироскопов - более 100. Количество компьютерных интерактивных моделей с широким диапазоном опций и настроек - более 20.
Содержание теории, практических и учебно-исследовательских задач по теории гироскопов включает следующие основные темы: 1. Физическая природа гироскопических явлений, гироскопический момент в "классических" гироскопах с быстровращающимся ротором, гироскоп Эйлера, гироскоп Лагранжа. 2. Гироскоп в кардановом подвесе, гироскоп направления, гиромаятник-гировертикаль. 3. Гироскопы Фуко I и II рода. 4. Применение гироскопов для стабилизации движения и успокоения колебаний подвижных объектов. 5. Применение гироскопов для создания тренажеров. 6. Поплавковые гироскопы. 7. Роторные вибрационные динамически настраиваемые гироскопы. 8. Электростатические сферические гироскопы с бесконтактным подвесом. 9. Волновые твердотельные гироскопы. 10. Микромеханические гироскопы RL, RR и LL типов. 11. Лазерные и волоконно-оптические гироскопы. 12. Тепловые, термоупругие, аэрогидромеханические и оптические процессы в гироскопах.
Основные особенности единой методики создания и преподавания разработанных курсов следующие.
1. Все лекции, практические и учебно-исследовательские задачи представлены в виде пакетов презентационных слайдов в стандартной программной среде PowerPoint и банков специально разработанных программ динамической визуализации движения механизмов, датчиков и динамических систем, принципов действия гироскопов и т.д.
Содержание и объем мультимедийных курсов лекций определяется государственными образовательными стандартами и программами обучения по той или иной специальности. Например, для студентов специальности "Приборостроение" Саратовского государственного технического университета объем лекций по теории гироскопов -34 ч.
2. В лекциях и при решении практических и учебно-исследовательских задач предусмотрено компьютерное моделирование и динамическая двух- и трехмерная визуализация кинематики и динамики механизмов и феноменов механического движения, принципов действия основных типов гироскопов. Для динамической визуализации разработано специализированное программное обеспечение. При этом использован программный комплекс Borland C++ Builder и графический интерфейс Open GL. Вызов специализированных программ из презентаций PowerPoint осуществляется с помощью гиперссылок.
Важнейшей особенностью и отличием от существующих подходов является то, что динамическая визуализация осуществляется на основе полученных уравнений движения, разработанных алгоритмов и других математических моделей приборов, гироскопов, механизмов и физических процессов, в них протекающих. Это не 3-D, не Flash и не какая-либо другая анимация, а визуализация решений построенных математических моделей функционирования технических систем.
Разработанные оригинальные программы динамической визуализации и составляют "Know How" предлагаемого подхода.
Созданные программы динамической визуализации полностью автономны, используют стандартные возможности Windows и не требуют установки на компьютер никаких универсальных программных систем аналитических и других вычислений или специализированных программных систем с возможностями визуализации и анимации. В конечном итоге Пользователь работает только с исполняемыми файлами (*.ехе) и файлами исходных данных, где задаются необходимые параметры для моделирования и визуализации. В необходимых случаях использованы возможности и встроенная анимация программной среды PowerPoint.
В мультимедийном комплексе предусмотрено решение общих задач с анимацией и визуализацией решения и варианты заданий для индивидуального решения.
Математическое моделирование и динамическая визуализация позволяют не только изучить принципы действия устройств, физические процессы и разнообразные феномены механического движения, но и оценить влияние параметров на работу механизмов и динамических систем, наглядно представить функционирование различных типов гироскопов и т.д.
На рис. 1, в качестве примера из теоретической механики показан реальный прибор П.Л. Капицы и его компьютерная модель, демонстрирующие, в соответствии с уравнениями движения, феномен устойчивости верхнего положения математического маятника с вертикально колеблющейся точкой подвеса.
Уравнения движения (математическая модель) маятника:
0 + a2sin0-a3A:sinG = O, 5c + &2x-63(Osin0 2 cos ) Нcos /, где х,9 - обобщенные координаты маятника; Я, со - амплитуда и частота вертикальных колебаний точки подвеса.
В качестве примера из теории гироскопов, на рис. 2, показана реальная конструкция [5] роторного микромеханического гироскопа (.RR-ММГ) и его компьютерная модель, демонстрирующая первичные колебания по углу а (вокруг оси z) и возникающие при наличии измеряемой угловой скорости Q основания вторичные колебания по углу (3 (вокруг оси у) ротора гироскопа.
О
Рис. 1. Прибор П.Л. Капицы и диалоговое окно программы визуализации устойчивых колебаний маятника около верхнего положения при вертикальных вибрациях основания: 1 - электромотор; 2 - подшипник; 3- тяга; 4- рычаг; 5 - маятник
Уравнения движения (математическая модель) ДО-ММГ: 2 •• -2
где 2л! = цр 9 2п2=\1а/С1у со £ = [са + (4 - ^ )02 ]/Сх,
= + (4 Iс1р2 2Тт8г хТт£х]/В1 > ¿0 = "гт£х)/В 1 >
¿1 = (4 - ^ -СДО/^, а! ^ Сх) /С2, М0 = ¿оМ ;
^^Ср возмущенные моменты инерции ротора массы т\ са,ср - возмущенные жесткости упругого подвеса; ца?|1р- возмущенные коэффициенты демпфирования; - амплитуда и частота момента вибрационного привода; хт^Т ~ технологические или температурные смещения центра масс ротора; - составляющие ускорения силы тяжести.
Рис.2. Роторный микромеханический гироскоп [5] и диалоговое окно программы визуализации, демонстрирующей колебания ЯЯ-ММГ
На рис.3 представлены диалоговые окна программ динамической визуализации движений и принципов действия классических и современных гироскопов и механизмов, изучаемых в курсах теории гироскопов и теоретической механики.
Рис. 3. Диалоговые окна программ динамической визуализации: а - гироскоп с неподвижной точкой, гироскоп в кардановом подвесе
и гироскопы Фуко I и IIрода; б - гироскопы для стабилизации движения, успокоения колебаний подвижных объектов и гироскопические тренажеры; в - поплавковые, динамически настраиваемые и электростатические сферические гироскопы; г - волновые твердотельные, волоконно-оптические
и микромеханические гироскопы; д - динамика плоского и колебательного движения и математические маятники 22
3. Сложные рисунки, формулы, фотографии, графики, таблицы, программа лекций и т.п. распечатываются и выдаются обучаемым слушателям в качестве раздаточного материала.
4. Для экспресс-контроля степени усвоения материала лекций и проверки практических навыков разработан универсальный программный комплекс и содержательные тесты по читаемым курсам.
Программный комплекс для тестирования представляет собой систему управления базами данных и состоит из двух программ - редактора банка для создания, наполнения и редактирования заданий для тестирования и тестера для проведения тестирования. Редактор банка предназначен для использования только администратором (преподавателем). Программный комплекс является автономной системой, не требует инсталляции, распространяется посредством обычного копирования и работает в любой операционной системе семейства Windows.
На рис.4 показаны диалоговые окна программы тестирования по теории гироскопов.
5. При чтении лекций из аппаратуры используется ноутбук и мультимедийный проектор.
Рис. 4. Диалоговые окна программ экспресс-контроля знаний
по теории гироскопов
Практическая реализация
Мультимедийные курсы лекций и практикумов разработаны каждый в электронном и печатном вариантах, неразрывно связанных друг с
другом. Электронный вариант записывается на CD и является необъемле-мой частью всего курса. Печатный вариант издается в виде книги, к которой прилагается CD с электронным вариантом.
В электронном варианте представлены основной теоретический материал или задачи в виде презентационных слайдов с анимацией и программы динамической визуализации принципов действия, уравнений движения, физических процессов рассматриваемых типов измерительных приборов, кинематики и динамики механизмов и феноменов механического движения. В печатном варианте представлен основной текстовый и графический материал, изложены правила работы с программами.
В целом разработанные мультимедийные курсы предназначены для преподавателей, ведущих эти курсы, и могут быть использованы для дистанционного обучения и самообучения студентов и аспирантов.
Возможности предлагаемого подхода, проблемы, перспективы
Существенное повышение производительности и качества обучения. Один и тот же объем сложного учебного материала преподается с высоким качеством и за значительно меньшее время (по предварительным оценкам, в 2 и более раз), чем при традиционной методике.
Гибкая и эффективная система модернизации учебного материала, позволяющая добавлять, изменять и исключать те или иные фрагменты.
Возможность демонстрации (в виде фотографий, видеофильмов, дополнительных презентаций и т.д.) реальных конструкций приборов и механизмов, их работы, исторических, документальных и др. материалов.
Основная проблема - большая трудоемкость (интеллектуального и временного характера) при разработке сценариев курсов, при проектировании и создании слайдов и программного обеспечения для динамической визуализации.
Главная перспектива - это разработка новых теоретических, методических и программных средств для чтения лекций, реализации и контроля практических и учебно-исследовательских работ по основным и специальным курсам точных наук.
Заключение
Разработанные компьютерные курсы по теоретической механике, теории гироскопов и др. прошли первичную апробацию в Саратовском государственном техническом университете для студентов и магистров приборостроительных и других специальностей.
При этом авторами накоплен определенный опыт использования предлагаемых информационных технологий и методики проведения занятий, позволяющий поделиться с читателями некоторыми практическими рекомендациями. А именно:
1. Желательно ограничить количество студентов в группе (ме-
нее 15-20) для лучшего усвоения ими курса, организации в течение занятия помощи слушателям и контроля со стороны лектора, а также для минимизации объема раздаточного материала (в основном это сложные рисунки).
2. В отличие от традиционной методики, когда преподаватель может практически одновременно со студентами (параллельно) рисовать на доске иллюстрации и излагать учебный материал, при предлагаемом подходе целесообразно действовать несколько по-другому (последовательно).
Такая методика, безусловно, не единственно возможная. Преподаватель сам может опытным путем, в зависимости от степени подготовленности и других особенностей слушателей, выбрать оптимальный вариант проведения занятия.
Один из первых вопросов, которые задают студенты, а нельзя ли "скинуть" им на "флэшку" или CD учебный материал и программы динамической визуализации? На наш взгляд, это делать нецелесообразно по многим причинам. Назовем только одну из них.
Присутствие преподавателя, ставящего задачи, разъясняющего и помогающего понять и запомнить суть представленного сложного материала, является необходимым условием успешного обучения для очной его формы.
С другой стороны, авторы считают необходимым издание разработанных мультимедийных комплексов (это может быть книга и прилагаемый к ней CD c компьютерным курсом и программами динамической визуализации). Такое издание должно помочь преподавателям оптимизировать и повысить эффективность обучения. Это издание может быть полезно и в системе дистанционного обучения.
При использовании мультимедийного комплекса должны обязательно быть выполнены основные требования к аппаратному оборудованию.
Наличие портативного и обладающего необходимыми ресурсами компьютера (ноутбука). Размеры экрана должны обеспечивать видимость изображения с любого места в аудитории. Необходимы достаточные яркость (от 2500 люмен) и контрастность изображения на экране от мультимедийного проектора даже при ярком дневном свете.
Невыполнение этих простых технических требований существенно снижает эффект применения самых передовых информационных технологий в образовании, чего, по мнению авторов, никак нельзя допускать.
Список литературы
1. Джашитов В.Э., Панкратов В.М., Голиков А.В. Общая и прикладная теория гироскопов с применением компьютерных технологий / под общей редакцией академика РАН В.Г. Пешехонова. СПб.: ГНЦ РФ ОАО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор", 2010. 154 с.
2. Джашитов В.Э., Панкратов В.М., Голиков А.В. Мультимедийный курс теоретической механики: Теория и компьютерный эксперимент. 29 лекций с раздаточным материалом. 24 компьютерные модели физических систем с широким диапазоном настроек. М.: Книжный дом "ЛИБРОКОМ", 2011. 296 с.
3. Джашитов В.Э., Панкратов В.М., Голиков А.В. Мультимедийные информационно-компьютерные технологии в научно-образовательных курсах лекций и экспресс-контроле знаний по точным наукам // Информационные технологии. 2011. №1 (173). С. 44-48.
4. Распопов В.Я. Микромеханические приборы: учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. Тула: Гриф и КО, 2004. 476с., ил.
5. Инерциальные модули на микромеханических датчиках. Разработка и результаты испытаний / В.Г. Пешехонов [и др.] // Юбилейная XV С.-Петербургская Международная конференция по интегрированным навигационным системам. С.-Петербург, ЦНИИ "Электроприбор" 2008. С.9-15.
6. Лунц Я.Л. Введение в теорию гироскопов. М.: Главная редакция физико-математической литературы изд-ва "Наука",1972. 296 с.
7. Магнус К. Гироскоп. Теория и применения. М.: Мир. 1974. 516 с.
8. Одинцов А.А. Теория и расчет гироскопических приборов. К.: Вища школа. Головное изд-во,1985. 392с.
9. Павловский М.А. Теория гироскопов. К.: Вища школа. Головное изд-во,1986. 303с.
10. Джашитов В.Э., Панкратов В.М. Датчики, приборы и системы авиакосмического и морского приборостроения в условиях тепловых воздействий / под общей редакцией академика РАН В.Г. Пешехонова. С.-Петербург: ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор", 2005. 404 с.
V.E. Dzhashitov, V.M. Pankratov, A. V. Golikov
MULTIMEDIA INFORMATION-COMPUTER COMPLEX OF EDUCATION TO THE EXACT SCIENCES CONNECTED WITH NAVIGATION INSTRUMENT MAKING
The present work continues and develops scientific and educational multimedia complex created by authors for the theoretical mechanics and the theory of gyroscopes. A unified concept of education - theory + practice + test of knowledge and skills for the theory of gyroscopes with application of modern multimedia computer technologies is realized. A bank of practical, educational and research tasks on the theoretical mechanics and the theory of gyroscopes is created. Software for dynamic visualization of motion equations for a wide class of gyroscopes and methods for application of these aids to training are developed. Software for express test of theoretical knowledge and practical skills are developed.
Key words: lectures, practical educational and research tasks, theoretical mechanics, theory of gyroscopes, computer-based technology, dynamic visualization, express test of knowledge.
Получено 08.09.2012
