CC BY
13
Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Серия: Социальные науки, 2016, № 3 (43), с. 163-168 163
УДК 378.147
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОЕКТНОГО МЕТОДА ОБУЧЕНИЯ В ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЯХ КУРСА «ОСНОВЫ ТЕОРИИ УПРАВЛЕНИЯ»
© 2016 г. И.В. Кузьмина, Л.Б. Лозовская, О.А. Морозов, В.А. Новиков
Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского
oa_morozov@nifti.unn.ru
Статьц поступила в редакцию 24.04.2016 Статьц принцта к публикации 03.08.2016
Рассматривается опыт организации практических занятий по дисциплине «Основы теории управления» на основе метода проектного обучения. Проект по созданию микропроцессорной системы автоматического регулирования представляет собой комплекс технических, программных, информационных и учебно-методических средств, который обеспечивает практическое закрепление изучаемого материала и способствует эффективному формированию и реализации межпредметных связей ряда основных дисциплин направления подготовки «Информационные системы и технологии».
Ключивыи слова: проектный метод, информационные технологии, формирование межпредметных связей.
Введение
Согласно Федеральному государственному образовательному стандарту по направлению подготовки 09.03.02 «Информационные системы и технологии» выпускник бакалавриата должен обладать соответствующими общекультурными, общепрофессиональными и профессиональными компетенциями, быть готов решать различные профессиональные задачи, среди которых выделим проектно-конструкторскую деятельность, системный анализ предметной области, разработку средств реализации информационных технологий, научно-исследовательскую деятельность. Современные стандарты высшего образования с целью повышения эффективности обучения предполагают внедрение активных методов в вузовский учебный процесс для повышения качества обучения, повышения мотивации студентов и их ответственности за результаты обучения, что ведет к формированию компетентности как владению выпускниками определенными компетенциями, включая личностное отношение к предмету деятельности.
Формирование и развитие компетентности учащихся школ и студентов вузов в области использования информационных технологий, навыков работы с различными компьютерными программами и техническими средствами в области будущей (проектируемой) профессиональной деятельности наиболее эффективно решается в рамках дифференцированного обучения и применения проектных методов обучения [1—3]. Рассматривая понятие компетентности как ведущее содержательное основание об-
разования, Рж. Равен указывает на необходимость применения методов обучения, которые должны содействовать выявлению и формированию компетентностей учеников в зависимости от их личных склонностей и интересов [4]. Метод проектов предлагается в [4] в качестве основного дидактического средства, при этом обращается внимание на достоинства метода междисциплинарных проектов.
Под проектом обычно понимается завершенный цикл продуктивной деятельности отдельного человека или коллектива. В высшей школе в настоящее время довольно часто используют элементы проектной технологии обучения. Наиболее эффективным с позиций результативности является использование проектного метода в ходе выполнения курсовой и выпускной квалификационной работы, а также при прохождении учебно-исследовательской и производственной практик. Применение проектного метода в процессе обучения в высшей школе означает подготовку вхождения студентов в проектно-технологический тип культуры, организующийся в социуме в настоящее время [2; 5].
В данной статье рассматривается опыт организации практических занятий по дисциплине «Основы теории управления» на основе метода проектного обучения. Проект по созданию микропроцессорной системы автоматического регулирования состоит из нескольких основных этапов, связанных с решением различных профессиональных задач, требует от студентов активного использования имеющихся знаний и навыков, развивает основные компетенции проектно-конструкторской, проектно-технологической и
Рис. 1. Примерная структура связей проекта, реализуемого в курсе «Основы теории управления», с другими дисциплинами
научно-исследовательской деятельности, а также способствует эффективному формированию и реализации межпредметных связей ряда основных дисциплин направления подготовки «Информационные системы и технологии».
Реализация проектов создания микропроцессорной системы автоматического регулирования
Согласно рабочему учебному плану по направлению подготовки 09.03.02 «Информационные системы и технологии» физического факультета ННГУ, дисциплина «Основы теории управления» преподается в 6 семестре (3 курс), предполагает предварительное знакомство студентов с основами математического анализа, теории функций комплексной переменной, основными понятиями разделов «Электричество» и «Колебания» общего курса физики, базовыми и прикладными информационными технологиями; знание студентами основных принципов, базовых концепций информатики и программирования, владение основами радиотехники и электроники. Дисциплина «Основы теории управления» имеет целью формирование у студентов систематизированных знаний в области теории автоматического регулирования, способов описания и расчета систем управления, а также приобретение опыта по расчету основных
характеристик и реализации простых систем автоматического управления (регулирования).
Практические занятия по курсу «Основы теории управления» предполагают выполнение студентами проектов по созданию микропроцессорной системы автоматического регулирования. Реализуемый в рамках практики проект можно рассматривать как комплекс технических, программных, информационных и учебно-методических средств, обеспечивающих практическое закрепление материала, изучаемого в рамках данного курса и дисциплин, на изучение которых этот курс опирается, а также освоение студентами основ современных информационных технологий в области разработки и использования цифровой электроники и микропроцессорных систем, технологий программирования, инструментальных средств информационных систем (рис. 1), изучаемых на следующих этапах обучения.
Так, задача получения информации о текущем состоянии объекта управления требует разработки устройства усиления аналогового сигнала с датчиков и сопряжения с аналого-цифровым преобразователем, входящим в состав микроконтроллера. Данные знания студенты получают в разделе «Аналоговая электроника» курса «Радиотехника и электроника». Необходимые знания по теории линейных систем, теории дискретизации и методам цифровой обработки сигналов даются в кур-
се «Информационные технологии». Эти дисциплины студенты изучают в предшествующем семестре. Кроме того, при выполнении проекта требуются навыки работы с микроконтроллером, изучение методов его программирования и сопряжения с внешними устройствами через имеющиеся в его составе интерфейсы, что является предметом изучения дисциплин, преподаваемых на старших курсах.
Таким образом, в ходе выполнения проекта реализуются те или иные межпредметные связи с уже изученными или будущими учебными курсами. Например, базовыми в технических приложениях являются такие разделы теории управления, как виды и принципы управления, структура систем управления, типовые звенья систем автоматического регулирования, основные законы регулирования и типовые регуляторы. Типовые звенья систем автоматического регулирования при реализации на современной электронной базе достаточно просто выполняются на основе операционных усилителей, для их расчета и применения требуются знания, полученные студентами в курсе «Радиотехника и электроника». В качестве основных законов регулирования обычно рассматривают пропорциональный (П), интегральный (И) и дифференциальный (Д), а также комбинированные методы регулирования. Наиболее распространенным типом регуляторов является ПИД-контроллер, реализующий воздействие на объект управления как на сумму пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих. Такие регуляторы в настоящее время выпускаются в виде специализированных микросхем, а с другой стороны, могут быть легко реализованы с помощью программируемых микропроцессоров (микроконтроллеров). В этом плане реализация закона регулирования на основе программируемого микроконтроллера способствует формированию межпредметных связей с другими дисциплинами, изучаемыми на старших курсах.
В структуру таких курсов обычно входит лабораторный практикум, где изучаются принципы построения, программирования и работы микропроцессоров и устройств цифровой электроники, их взаимодействие с персональным компьютером через различные программно-аппаратные интерфейсы, основы разработки цифровых электронных устройств на базе программируемых логических интегральных схем. Целью лабораторных практикумов является приобретение навыков проектирования электронных устройств, использования средств электрических измерений и приборов, включая автоматизированные и микропроцессорные
устройства. Предварительное знакомство студентов с основами микропроцессорной техники и некоторыми интерфейсами, способами сопряжения с внешними исполнительными устройствами, по нашему мнению, значительно повышает уровень мотивации студентов, обеспечивает практическое закрепление изучаемого материала, позволяет эффективно использовать выделенные рабочим учебным планом часы учебной нагрузки и в целом способствует повышению качества обучения.
Для выполнения проекта учебная группа в зависимости от количества студентов делится на 2-3 подгруппы; каждой подгруппе формулируется проектное задание на разработку управляющей микропроцессорной системы для конкретного технического устройства. В настоящее время на рынке учебного оборудования предлагается достаточно широкий спектр лабораторных установок и соответствующих методических разработок - от универсальных учебно-научных комплексов до систем промышленной автоматизации, которые могут быть использованы в учебном процессе. В качестве примера можно привести программно-аппаратный комплекс «Робот "Бабочка"» [6], включающий в себя электродвигатель, контроллер привода, систему технического зрения и встроенные средства разработки систем управления в реальном времени, который позволяет решать целый набор задач по расчету и стабилизации периодических движений нелинейных мехатрон-ных систем. Однако стоимость таких устройств достаточно высока, в связи с чем было принято решение разработать для целей использования в учебных студенческих проектах набор относительно простых технических макетов, включающих в свой состав исполнительные механизмы, датчики и устройства создания внешних воздействий (помех). Набор доступных макетов технических устройств регулярно пополняется, что делает возможным исключить (минимизировать) дублирование выполняемых работ в соседние один-два учебных года. В частности, разработаны действующие макеты следующих устройств (рис. 2а): регулятор температуры с управляемым источником питания, регулятор температуры с управляемым вентилятором, светодиодный регулятор освещенности экрана, регулятор скорости вращения электродвигателя с переменной нагрузкой, система стабилизации вертикальной устойчивости.
Выполнение проектного задания включает следующие этапы (рис. 3): разработка структурной схемы устройства управления; проведение схемотехнического моделирования (используются соответствующие программные пакеты
б)
Рис. 2б. Этап отладки управляющего программного обеспечения микроконтроллера
схемотехнического моделирования, например МюгаСар); разработка и изготовление (включая монтаж электронных компонентов) печатной платы; отладка аналоговой и цифровой частей схемы; разработка и отладка программы для микроконтроллера; проведение испытаний.
Практические занятия по дисциплине «Основы теории управления» начинаются с решения студентами общей задачи - моделирование схемы автоматической подстройки частоты с использованием пакета схемотехнического моделирования. Полученный опыт моделирования схем аналоговой обработки сигналов с использованием компьютерных моделей работы схем на основе транзисторов и операционных усилителей, расчета параметров аналоговых филь-
тров, способов согласования аналоговых и цифровых схем в дальнейшем активно используется студентами при выполнении соответствующих этапов проекта. Немаловажным фактором является также то, что в режиме ограниченного времени на выполнение этапа разработки и монтажа печатной платы регулирующего устройства схемотехническое моделирование позволяет свести к минимуму ошибки, выявляемые на этапе отладки аналоговой и цифровой частей разрабатываемого устройства, и в большинстве случаев избежать необходимости повторного проектирования и изготовления печатной платы.
При формировании подгрупп преподаватель обычно придерживается следующей стратегии: сначала назначаются ответственные за выпол-
нение проекта («менеджеры проекта»), которые
Выдача задания
Разработка структурной схемы устройства управления
Схемотехническое ч
ч моделирование /
/ Разработка и изготовление \
\ печатной платы У
*
/ Отладка аналоговой и \
\ цифровой частей У
*
/ Программирование \
\ микроконтроллера У
*
с Проведение испытаний
ч /
Сдача отчета
Рис. 3. Этапы выполнения проекта
затем поочередно набирают свою команду из числа студентов группы. Подобная стратегия в определенной степени гарантирует относительное равенство подгрупп без привлечения психолого-педагогических методов тестирования из технологии дифференцированного обучения [7; 8]. В дальнейшем студенты самостоятельно распределяют между собой функции и степень участия в различных этапах проекта. Основная роль преподавателей заключается в проведении текущих консультаций, обсуждении выбранных студентами технических решений, проверке результатов моделирования и текущего контроля состояния выполнения этапов проекта. Одним из ключевых этапов проекта является этап разработки и отладки управляющей программы для микроконтроллера (рис. 2б). Поскольку навыки программирования микроконтроллеров и работы с технической документацией у большинства студентов отсутствуют, значительная нагрузка, особенно в части выполнения контролирующих функций, ложится на преподавателя.
После завершения этапа проведения испытаний студентам выставляется индивидуальная оценка, формирующаяся на основе общей оценки проекта и сведений о степени участия студентов подгруппы в реализации проекта, предоставляемых менеджерами проекта. Полученные сту-
дентами оценки за практику учитываются преподавателем в ходе проведения экзамена.
Заключение
Изучение современных информационных систем и технологий требует формирования у студентов соответствующих компетенций, знаний и навыков использования широкого спектра программных и технических средств, предполагает применение различных подходов и средств проектирования и анализа систем, методов моделирования информационных процессов, а также совокупности теоретических и инженерных знаний в области их разработки и грамотного использования средств инструментальной поддержки [1; 2].
В структуру курса «Основы теории управления» входят такие разделы, как «Основные понятия и определения теории автоматического управления», «Математические модели систем управления», «Устойчивость систем управления», каждый из которых опирается на фундаментальные знания курсов физико-математического цикла и, в свою очередь, являются основой для изучения последующих дисциплин технического и естественнонаучного цикла. Данный подход реализует межпредметные связи курсов, необходимые для успешных учебных и профессиональных занятий. В связи с этим эффективным является применение метода междисциплинарных проектов с точки зрения формирования у учащихся компетентностей, актуальных для дальнейшей профессиональной деятельности.
Использование проектного метода наряду с информационными технологиями разработки электронных устройств и систем автоматического регулирования активизирует мыслительную деятельность студентов при решении возникающих проблем. В рамках междисциплинарного проекта происходит не только усвоение новых дисциплинарных знаний, повторение и закрепление ранее изученного в других курсах, но и интегральное введение в систему знаний.
Организационно работа проводится в рамках самостоятельной работы и групповой аудиторной и внеаудиторной форм обучения, что позволяет студентам производить поиск и анализ информации, обмениваться дисциплинарными знаниями, совместными усилиями вырабатывать решение проблемы, осуществлять продуктивную деятельность, развивать навыки, актуальные для дальнейшей профессиональной деятельности. Преподаватель мотивирует обучающихся, направляет учебную деятельность студентов, организует необходимое педагогическое сопровождение, осуществляет своевремен-
ный текущий контроль, оценку и коррекцию обучения на каждом этапе проекта.
Внедрение проектного метода в обучение является одним из условий переориентации высшего профессионального образования с традиционного «знаниевого» подхода на личност-но-ориентированный и компетентностный. Выполнение сложного многостороннего проекта с применением информационных технологий определяет готовность выпускников к проект-но-конструкторской, проектно-
технологической, научно-исследовательской, организационно-управленческой деятельности.
Список литературы
1. Гвоздева Т.В., Баллод Б.А. Проектирование информационных систем: Учебное пособие. Ростов-на-Дону: Феникс, 2009. 509 с.
2. Морозов О.А., Лозовская Л.Б., Новиков В.А., Сдобняков В.В. Применение информационных технологий в курсах цифровой электроники физического факультета // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Серия Социальные науки. 2015.
№ 4 (40). С. 189-194.
3. Корнилаева Т.В., Лозовская Л.Б., Малых М.Ю. Проблемы профильного обучения и профессионального самоопределения // Нижегородское образование. 2009. № 2. С. 40-47.
4. Равен Дж. Педагогическое тестирование: Проблемы, заблуждения, перспективы. М: Когито-Центр, 1999. 144 с.
5. Швец И.М. Проектный метод: особенности и проблемы использования в высшей школе // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2014. № 3(4). С. 235-240.
6. Лабораторная установка - робот «Бабочка». -URL: http://www.robotics-spb.ru (дата обращения: 07.04.2016).
7. Гребенев И.В., Лозовская Л.Б., Морозов О.А. Определение параметров когнитивных стилей учащихся при ориентации на физический профиль образования // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2005. № 1. С. 154-158.
8. Grebenev I.V., Lozovskaya L.B., Morozova E.O. Methodology of determining student's cognitive styles and its application for teaching physics // SpringerPlus. 2014. Т. 3. № 1. P. 1-8.
EXPERIENCE OF PROJECT-BASED TRAINING IN THE PRACTICAL COURSE «FUNDAMENTALS OF CONTROL THEORY»
I.V. Kuzmina, L.B. Lozovskaya, O.A. Morozov, V.A. Novikov
Lobachevsky State University of Nizhni Novgorod
We present our experience of organizing a practical course on the subject «Fundamentals of Control Theory» with the use of the project-based training method. Developing a project of the microprocessor automatic control system requires technical, software, information and educational tools that ensure practical consolidation of the material studied, thus contributing to the effective creation and implementation of interdisciplinary links between several basic training courses in the area of studies «Information Systems and Technologies».
Keywords: project-based method, information technologies, creation of interdisciplinary links.
