CC BY
29
ПЕДАГОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДк 378 147 А. В. БоБряКоВ
А. В. ЗУЕВ А. А. КАБАноВ Б. КАтАлинич
с. м. стажков в. ф. филаретов в. г. хомченко
Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт»,
г. Москва
Дальневосточный федеральный университет,
г. Владивосток
Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН,
г. Владивосток
Севастопольский государственный университет,
г. Севастополь
Венский технический университет, г. Вена, Австрия
DAAAM International, г. Вена, Австрия Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова,
г. Санкт-Петербург
Омский государственный технический университет,
г. Омск
опыт создания электронных образовательных ресурсов для подготовки инженерных кадров по автоматизации производства, мехатронике
и робототехнике в рамках
межуниверситетской научно-образовательной сети «синергия»
В статье описаны особенности, основные принципы построения и опыт успешного использования в рамках межуниверситетской научно-образовательной сети «Синергия» электронного образовательного ресурса по теории автоматического управления, предназначенного для подготовки инженерных кадров различных уровней в области автоматизации производства, робототехники и других мехатронных систем. В отличие от существующих электронных и традиционных учебников созданный новый образовательный ресурс помимо удобно сформированного теоретического материала учебной дисциплины содержит большое количество демонстрационных примеров в виде анимационных и видеороликов, обеспечивающих пояснение конкретного применения получаемых теоретических знаний в области их практического использования. Ключевые слова: дистанционное инженерное образование, электронный образовательный ресурс, новый метод обучения, теория автоматического управления.
1. Описание предпосылок и основного под- ве информационных компьютерных технологий. хода к созданию и использованию электронного В настоящее время в мире происходит переход образовательного ресурса, построенного на осно- к быстро развивающемуся постиндустриальному
обществу, ориентированному на непрерывно обновляемое высокопроизводительное инновационное производство с широким применением интеллектуальных информационных, роботизированных и мехатронных систем [1, 2]. Эффективное использование этих сложных систем и устройств требует новых подходов к подготовке современных инженеров и создания новых способов обучения (усвоения материала) с использованием современных возможностей и информационно-коммуникационных технологий [3]. При этом важной задачей является не только традиционное чтение лекций и проведение лабораторных работ по соответствующим дисциплинам, но и формирование у студентов реальных навыков, умений, а в итоге — компетенций для активного решения производственных задач, связанных с освоением новых интеллектуальных технологий и с созданием производственных комплексов, в которых пока еще сложно взаимоувязываются и стыкуются программные и аппаратные мехатронные средства различных производителей. При этом объем и разносторонность знаний, требуемых специалисту мехатронику, в силу специфики его работы постоянно возрастают.
Опыт показывает, что успешное формирование у студентов качественных навыков, умений и компетенций по специальности обеспечивается не только и не столько прочным освоением ими теоретического материала. Очень важно при изучении теории сразу же обеспечить привязку получаемых знаний к их практическому использованию. Но особенно полезно в процессе получения теоретических знаний показать их использование на практике, а еще лучше при решении реальных практических проблем, возникших в процессе выполнения и успешной реализации конкретных научно-внедренческих производственных проектов. При указанном методическом построении и изложении изучаемого курса у студентов, наблюдающих за результатами практического использования и понимающих важность даже не всегда «увлекательного» материала появляется заинтересованность, которая существенно усиливает и ускоряет процесс усвоения и закрепления новой теоретической информации, четко привязанной к практической реализации.
Однако успешно реализовать указанное гармоничное соединение теории и практики на основе только традиционных форм, методов и средств обучения, весьма затруднительно. В связи с этим требуется создавать новые подходы к построению и организации образовательного процесса, в которых бы успешно использовались непрерывно расширяющиеся возможности современных электронных технологий.
Но существующие в настоящее время методы создания электронных образовательных ресурсов в основном ориентированы только на простое представление обычных лекционных и контрольных материалов в электронном виде. Очевидно, что такие электронные учебные ресурсы, а также традиционные учебники не способны реализовать указанный выше подход на практике. Поэтому возникает необходимость создания новых способов формирования у студентов требуемых теоретических знаний, навыков, умений и компетенций по выбранным ими специальностям, в том числе и с использованием постоянно расширяющихся возможностей, которые уже сейчас предоставляют современные компьютерные информационные технологии и Интернет.
Ниже на примере построения курса «Теория автоматического управления» (ТАУ), лежащего в основе подготовки специалистов в области любой автоматизации, робототехники и мехатроники, показаны возможности и особенности создания (на русском и английском языках) электронного образовательного ресурса (ЭОР), снабженного большим количеством демонстрационных примеров и материалов, включающих видеоролики, иллюстрирующих практическую направленность и практическое использование изучаемого теоретического материала. То есть созданный ЭОР включает в себя теоретическую и практическую составляющие, а также элементы реального практического проектирования автоматических мехатронных систем и устройств. Этот ресурс является составной частью международной межуниверситетской научно-образовательной сети «Синергия», доступной для широкого использования ее возможностей в образовательном процессе при подготовке исследователей и инженерных кадров различных уровней в области автоматизации производства, интеллектуальной робототехники и мехатроники.
Ниже описаны основные принципы, а также особенности эффективного построения и использования курса ТАУ, размещенного в сети «Синергия». На его основе в этой сети создаются аналогичные ресурсы по другим дисциплинам указанного выше направления.
2. Структура и управляющие элементы электронного образовательного ресурса. Созданный ЭОР реализован в виде отдельного интернет сайта на языке программирования PHP. Основной особенностью построения его архитектуры является модульный принцип, позволяющий обеспечивать свободную и легкую расширяемость, модернизацию и обновляемость формируемого материала, высокую интерактивность и возможность удобного распространения через компьютерные сети. Модули ЭОР могут варьироваться в зависимости от требуемого объема его различных частей и последовательности представления излагаемого теоретического и иллюстративного материала, включая демонстрационные фильмы и ролики. Это позволяет преподавателю выбирать оптимальную структуру и объем курса с учетом специфики учебных планов и программ конкретных специальностей университетов, входящих в сеть.
Технические особенности ЭОР позволяют обеспечить:
1. Широкое использование мультимедиа средств: графических изображений, фотографий, аудиозаписей, учебных видеосюжетов и др. для всестороннего и наглядного пояснения каждой изучаемой темы.
2. Двуязычное представление (изложение) учебного и демонстрационного материала на русском и английском языках, что очень важно не только для изучения самой дисциплины, но и предметной иностранной терминологии с четкой привязкой к конкретным понятиям, учитывающим специфику курса. Очень важным является и то, что все тексты озвучивают профессиональные дикторы — носителя языка. При этом в процессе обучения преподаватель имеет возможность озвучивать излагаемый материал самостоятельно, постоянно оценивая степень усвоения материала конкретной аудиторией слушателей.
3. Использование виртуальных лабораторных практикумов, моделирующих работу реальных
^двфу 2 ->| 1 1 ? ы я га а
примеры презентация задания
автоматического упраме н
► • к/ 0:00 45" • "
еыоеритеяэык ** еыоерите диктора - хТ + тТ уменьшить шрифт уеегичить шрифт
Рис. 1. Стартовая страница ЭОР по курсу ТАУ
регуляторов для различных мехатронных и робото-технических систем.
4. Применение двух/трехмерных статических и динамических демонстрационных моделей конкретных (различных) робототехнических и меха-тронных объектов.
5. Звуковое сопровождение излагаемого материала, которое создает эффект присутствия обучающихся в местах проведения экспериментов и натурных испытаний или создает благоприятный фон для соответствующей настройки слушателей.
6. Усиление и ускорение процесса усвоения теоретического материала за счет различной анимации, а также адаптивных настроек и подстроек размеров шрифтов, цветопередачи и т.п.
На рис. 1 приведен общий вид стартовой страницы ЭОР по курсу ТАУ.
На этом рисунке показаны основные элементы управления электронным ресурсом (обведены красными прямоугольниками). На элементе управления 1 пользователь имеет возможность выбрать язык представления материала (русский или английский), тембр голоса лектора, а также увеличить или уменьшить шрифт выводимого на экран текста. На верхнем элементе управления 2 представлены справочная информация об ЭОР, поиск, глоссарий, а также предусмотрен доступ в раздел технической помощи. Здесь же слабовидящие пользователи ЭОР могут включить контрастный режим отображения материала.
Опыт использования ЭОР по курсу ТАУ в сети «Синергия» показал, что созданная структура интерфейса является удобной в эксплуатации и по запросу пользователей позволяет обеспечить быстрый доступ к различным разделам уже изученного материала. При этом изучение курса по желанию обучающихся может происходить на русском или английском языках, что позволяет студентам одновременно изучить соответствующую техническую терминологию, используемую в области автоматического управления.
3. Описание содержательной части ресурса. Содержательная часть ЭОР (см. элемент 3 на рис. 1) разделена на 4 базовых блока: «Лекции», «Примеры», «Презентация» и «Задания». В блоке «Лекции» приведены текстовые материалы лекций по ТАУ. В текущую версию ЭОР включены три основных раздела современной теории управления:
1. Теория линейных систем автоматического управления (САУ):
— основы построения САУ;
— их обобщенное математическое описание и классификация;
— передаточные функции и структурные схемы автоматических систем;
— частотные характеристики САУ;
— виды и свойства элементарных звеньев САУ;
— процессы в управляемых системах;
— методы исследования устойчивости САУ;
— оценка качества процессов управления;
— корректирующие устройства САУ;
— различные методы синтеза корректирующих устройств с использованием логарифмических амплитудных и фазовых частотных характеристик;
— корректирующие устройства по внешнему воздействию, инвариантность систем.
2. Теория нелинейных САУ:
— нелинейные характеристики САУ;
— методы исследования их устойчивости;
— метод фазового пространства для исследования свойств нелинейных систем;
— приближенный метод исследования нелинейных систем с использованием метода гармонической линеаризации;
— подход к проектированию нелинейных систем с использованием метода исследования устойчивости Ляпунова;
— самонастраивающиеся и робастные системы.
3. Теория синтеза оптимальных САУ:
— понятие об оптимальном управлении; сведения из вариационного исчисления;
— задачи на условный экстремум; синтез оптимальных систем с помощью вариационного исчисления;
— принцип максимума в теории оптимальных систем;
— метод динамического программирования.
На рис. 2 показан общий вид раздела «Лекции». Используя вкладку «Меню» (см. элемент 1 на рис. 2), пользователь может выбрать изучаемую часть лекций, а также соответствующий раздел этой части. С помощью элемента 2 осуществляется включение диктора.
Как уже отмечалось выше, основной особенностью и преимуществом созданного ЭОР по сравнению с существующими учебниками и электронными изданиями является использование большого количества демонстрационных примеров и материалов, иллюстрирующих реализацию изучаемого теоретического материала на практике. Эти материалы
двфу ¡шшшжъчкт ;
В х ? У ^ га
примеры презентация задания
Теория линейных систем автоматического управления
1. Основы построения систем автоматического управления
2. Обобщенное математическое описание и классификация систем автоматического управления
3. Передаточные функции и структурные схемы систем автоматического управления
4. Частотные характеристики систем автоматического управления
5. Элементарные звенья систем автоматического управления
6. Процессы в системах автоматического управления
7. Устойчивость систем автоматического управления
8. Оценка качества процессов управления
ССИФ11КАЩ1Я СИСТЕМ АВТОЛ!
ма управления Суде г реагировать на разные воздействия. Для этого нужна """ I, который используется для изучения другого объекта (оригинала). Чтобы й вероятностью) перенести на оригинал, модель и оригинал должны быть модели, выраженные в вше формул. Для этой цели системы часто Ъя уравнения, описывающие поведение этих элементов.
1
юм. Это математическое понятие, которое означает соответствие между ешторый элемент у(0 из ¥. Т. е. оператор отражает множество функций
»тому для их исследования используют динамические модели. Они эизводные различных сигналов
стояние которой характеризуется м переменными (фазовыми координатами) и 2 нальных уравнений) п-го порядка- Это уравнение, описывающее поведение
НУТГИМ ?
выберите о зык выберите доктора уменьшить шрифт + тТ увеличь натерт ► • 0:00 1:07 ф) 9 < >
о
сл
Е
Т го
о
т О
Рис. 2. Общий вид блока ЭОР «Лекции»
Рис. 3. Пример реализации блока ЭОР «Примеры»
размещены в базовом блоке «Примеры» (рис. 3), в котором реализована виртуальная среда, позволяющая пользователю обрести практические навыки анализа и синтеза систем управления различными техническими объектами, предусмотренные учебной программой.
Кроме примеров реализации типовых САУ ЭОР содержит примеры создания и внедрения высококачественных адаптивных и робастных систем управления для многозвенных манипуляторов, подводных аппаратов и других робототехнических и мехатронных объектов. Методы синтеза этих
систем опубликованы в ведущих научных журналах в России и за рубежом [4 — 8], а также защищены многочисленными патентами на изобретения и свидетельствами на программное обеспечение.
Иллюстративный материал для каждой лекции расположен в блоке ЭОР «Презентации» (рис. 4). Этот материал используется преподавателями при чтении аудиторных лекций, а студентами — при изучении курса и при подготовке к экзаменам.
После изучения каждой лекции студенту предлагается пройти тест, а также решить ряд задач разной степени сложности для определения уровня
Рис. 4. Пример реализации блока ЭОР «Презентации»
Рис. 5. Пример реализации блока ЭОР «Задания»
усвоения изученного материала. Эта процедура производится с помощью блока «Задания» ЭОР (рис. 5), в котором представлены различные контрольные тесты.
Указанный блок позволяет быстро и эффективно оценить уровень усвоения изучаемого материала.
В целом описанный ЭОР содержит полную совокупность современных электронных средств и учебных материалов по курсу ТАУ. Отличительной особенностью этого курса является глубокая и структурированная компиляция лекционного материала, содержащего основные базовые понятия и подходы к анализу и проектированию различных систем автоматического управления с детализированной практической и лабораторной работой студентов на современном лабораторном и промышленном оборудовании сети «Синергия», а также с использованием высококачественных виртуальных лабораторных практикумов.
Опыт использования созданного ЭОР в рамках дистанционного преподавания ТАУ для студентов университетов сети «Синергия» показал эффективность предложенного нового подхода к представлению теоретического учебного материала в рамках электронных образовательных ресурсов. Результаты четырехлетнего использования ЭОР показали повышенный интерес и успешное освоение слушателями изучаемого ими сложного теоретического
материала. При этом у студентов наблюдался существенный рост компетенций и навыков использования этого материала на практике.
Заключение. В статье описан принцип построения, а также основные особенности успешной реализации универсального ЭОР по курсу ТАУ в рамках межуниверситетской научно-образовательной сети «Синергия».
Создание и использование таких ЭОР (особенно при обучении студентов инженерных специальностей), включающих постоянно обновляемую информацию, в сочетании с наглядным практическим применением полученных знаний на большом количестве реальных примеров, позволит готовить компетентных специалистов для активного решения производственных задач, связанных с созданием и освоением новых интеллектуальных технологий современного автоматизированного производства.
Библиографический список
1. Lasi H., Kemper H., Fettke P., Feld T., Hoffmann M. Industry 4.0 // Business & Information Systems Engineering. 2014. Vol. 6. Issue 4. P. 239-242. DOI: 10.1007/s12599-014-0334-4.
2. Drath R., Horch A. Industrie 4.0: Hit or Hype? // IEEE Industrial Electronics Magazine. 2014. Vol. 8. Issue 2. P. 56-58. DOI: 10.1109/MIE.2014.2312079.
3. Hartmann E., Bovenschulte M. Skills Needs Analysis for «Industry 4.0». Based on Roadmaps for Smart Systems // In:
SKOLKOVO, ILO (eds.) Moscow: Moscow School of Management, 2013. P. 24-36.
4. Зуев А. В., Филаретов В. Ф. Особенности создания комбинированных позиционно-силовых систем управления манипуляторами // Известия РАН. Теория и системы управления. 2009. № 1. С. 154-162.
5. Филаретов В. Ф., Юхимец Д. А. Способ формирования программного управления скоростным режимом движения подводных аппаратов по произвольным пространственным траекториям с заданной динамической точностью // Известия РАН. Теория и системы управления. 2011. № 4. С. 167-176.
6. Филаретов В. Ф., Губанков А. С. Синтез адаптивных систем управления, настраиваемых по амплитудным частотным характеристикам объектов с переменными параметрами // Мехатроника, автоматизация, управление. 2010. № 1. С. 15-21.
7. Филаретов В. Ф., Юхимец Д. А., Мурсалимов Э. Ш. Информационно-управляющая система для мобильных роботов // Автометрия. 2015. Т. 51, № 5. С. 92-100.
8. Филаретов В. Ф., Юхимец Д. А. Особенности синтеза высокоточных систем управления скоростным движением и стабилизацией подводных аппаратов в пространстве. Владивосток: Дальнаука, 2016. 399 с. ISBN 978-5-8044-1577-9.
БОБРЯКОВ Александр Владимирович, доктор технических наук, доцент (Россия), заведующий кафедрой управления и информатики Национального исследовательского университета «МЭИ». Адрес для переписки: [email protected] ЗУЕВ Александр Валерьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры автоматизации и управления Дальневосточного федерального университета; младший научный сотрудник Института автоматики и процессов управления ДВО РАН. Адрес для переписки: [email protected]
КАБАНОВ Алексей Александрович, кандидат технических наук, доцент (Россия), заведующий кафедрой информатики и управления в технических системах Севастопольского государственного университета.
Адрес для переписки: [email protected] БРАНКО Каталинич, профессор, профессор Венского технического университета; президент DAAAM International.
Адрес для переписки: [email protected] СТАЖКОВ Сергей Михайлович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой системы приводов, мехатроники и робототехники Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова. Адрес для переписки: [email protected] ФИЛАРЕТОВ Владимир Федорович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой автоматизации и управления Дальневосточного федерального университета; заведующий лабораторией робототехнических систем Института автоматики и процессов управления ДВО РАН. Адрес для переписки: [email protected] ХОМЧЕНКО Василий Герасимович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры автоматизации и робототехники Омского государственного технического университета. Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 22.06.2017 г. © А. В. Бобряков, А. В. Зуев, А. А. Кабанов, Б. Каталинич, С. М. Стажков, В. Ф. Филаретов, В. Г. Хомченко
Книжная полка
Глухов, В. П. Специальная педагогика и специальная психология : учеб. / В. П. Глухов.- М. : Юрайт, 2017. - 264 с. - ISBN 978-5-534-01037-4.
В учебнике представлен подробный обзор основных научных концепций современной отечественной дефектологии. Изложена история возникновения и развития дефектологии, представлены важнейшие теоретические положения данной науки; отдельный раздел книги посвящен клинико-биологиче-ским и нейропсихологическим основам теории и практики специальной педагогики и психологии. Полно и всесторонне рассмотрены ключевые вопросы организации психолого-педагогической помощи лицам с ограниченными возможностями здоровья, организации и предметного содержания коррекционного обучения и воспитания детей с проблемами в развитии, в частности, интегрированного обучения детей с ОВЗ в учреждениях инклюзивного образования. Книга поможет будущим педагогам-психологам в проведении психолого-педагогической работы с детьми и подростками с ограниченными возможностями. В обучающий комплекс также входит учебное пособие «Специальная педагогика и специальная психология. Практикум».
Загвязинский, В. И. Социальная педагогика : учеб. / В. И. Загвязинский, О. А. Селиванова. - М. : Юрайт, 2017. - 450 с. - ISBN 978-5-534-01310-8.
В учебнике рассматриваются основные категории и функции социально-педагогической деятельности, принципы, методы и основные этапы социально-педагогического исследования. Охарактеризованы различные концепции и подходы к осуществлению профессиональной деятельности в разных сферах и отраслях, дано описание характеристики социально-педагогических технологий и специфики профессионального взаимодействия социального педагога с различными категориями клиентов. Соответствует актуальным требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования.
Для студентов вузов, осваивающих педагогические, социально-педагогические профессии, для преподавателей, а также для всех интересующихся проблемами социальной педагогики.
