Практикум к виртуальным лабораторным работам в курсе «Материаловедение» Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

ФИЗИКА И ФИЗИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

ПРАКТИКУМ К ВИРТУАЛЬНЫМ ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ В КУРСЕ «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» О.А. Приходько, А.Н. Тупик

В статье описаны основные принципы создания виртуальных лабораторных работ по курсу «Материаловедение». Подробно рассмотрены этапы проведения виртуальной лабораторной работы по закалке стали. Обязательным элементом практикума является интерактивная среда взаимодействия с обучаемым, что обеспечивает постоянный мониторинг знаний по изучаемой теме и объекту исследования.

Существующий в настоящие время лабораторный практикум по курсу «Материаловедение» предполагает в основном традиционный подход к проведению лабораторных работ, который обладает рядом недостатков:

• трудность персонального проведения эксперимента из-за специфических особенностей работы оборудования (повышенная опасность термических установок, токсичность охлаждающих сред, значительное время проведения термических обработок, большая вероятность выхода из строя элементов эксплуатируемого оборудования);

• существенные энергетические затраты;

• отсутствие достаточного количества вариантов проведения экспериментов;

• большая трудоемкость проведения поэтапного контроля за выполнением работы.

Альтернативой проведению студентами реальных лабораторных работ является разработка и применение виртуального лабораторного практикума, который должен быть максимально приближен к условиям реального эксперимента.

К достоинствам данного подхода можно отнести:

• возможность самостоятельного и дистанционного прохождения лабораторной работы (в единой информационно-коммуникационной среде);

• сохранность экспериментального оборудования;

• отсутствие затрат на расходные материалы, а также на содержание и обслуживание лабораторного комплекса;

• постоянный мониторинг знаний по изучаемому объекту исследования и действий обучаемого в процессе выполнения виртуальной лабораторной работы;

• возможность ориентации обучаемых на прогнозирование, обработку и анализ получаемых результатов с использованием физико-математических моделей;

• составление отчета о проведении лабораторной работы в электронном виде непосредственно в ходе выполнения самой работы;

• не ограниченная реальными возможностями экспериментальной базы способность к варьированию объектов, методов и режимов экспериментального исследования.

Недостатками проведения лабораторных работ в виртуальном режиме являются:

• недостаточное развитие навыков управления реальными приборами;

• невозможность полностью избавиться от детерминированности процесса выполнения работы.

В основу построения лабораторного практикума курса «Материаловедение» заложены следующие принципы:

• успешное проведение работы возможно только при наличии у обучаемых предварительно сформированных теоретических представлений об изучаемых явлениях;

11

• обучаемые самостоятельно выбирают последовательность шагов для выполнения лабораторной работы в соответствии с целью ее проведения;

• обязательное использование анимационных, видео- и фотоизображений;

• включение элементов проблемно-эвристического подхода к обучению;

• выполнение очередного этапа работы и переход к следующему производится после прохождении одного из испытаний в виде:

о решения расчетных задач и корректного сопоставления их результатов с реальными экспериментальными данными; о выбора правильного утверждения из нескольких предложенных; о проведение с виртуальными объектами действий, соответствующих цели исследования;

0 успешного преодоления небольших «экспериментальных» трудностей, основанных на опыте проведения реальных экспериментов;

• при неоптимальном прохождении этапов допустимо продолжение лабораторной работы с потерей части результатов.

Введение элементов проблемно-эвристического подхода заключается в данном случае в использовании обучаемым инвариантных (заданных, постоянных) знаний в виде предварительно полученной информации и вариативных (получаемых, неизвестных) знаний, которые обучаемый приобретает в процессе выбора верных вариантов ответов, выполнения оценочных расчетов и т. п.

В качестве примера рассмотрим выполнение лабораторной работы по закалке стали, выполняемой в виртуальном режиме.

Лабораторная работа в виртуальном режиме включает следующие этапы:

1 этап. Подготовительный

1 шаг: определение обучаемым основного практического предназначения закалки стали;

2 шаг: случайный выбор обучаемым одной из четырех целей лабораторной работы;

3 шаг: определение методики проведения эксперимента для достижения поставленной цели;

4 шаг: выбор марок стали для проведения эксперимента;

5 шаг: идентификация исходного фазово-структурного состояния стали.

2 этап. Начальный

1 шаг: выбор обучаемым первоначального действия при проведении эксперимента;

2 шаг: расчетная оценка твердости стали в исходном состоянии, исходя из твердости основных компонентов;

3 шаг:

• измерение твердости с помощью виртуального твердомера (на анимационной модели твердомера, имитирующей реальный прибор, устанавливается виртуальный образец, и обучаемым производятся действия в соответствии с инструкцией к реальному прибору; возможна имитация некоторых типичных ошибок: измерение на краю образца, приложение слишком большого усилия к образцу, превышающего максимальную нагрузку измерения и т.п.);

• перевод результатов измерения из твердости Роквелла в твердость по Бринеллю;

• анализ различия между расчетной и экспериментальной твердостью.

3 этап. Основной

1 шаг: выбор температуры нагрева стали под закалку в соответствии с целью работы с помощью анимированной диаграммы состояния;

2 шаг: выбор среды охлаждения для осуществления закалки;

3 шаг: выявление структуры стали после охлаждения с использованием виртуального оптического микроскопа, включающее подготовку поверхности, химическое травление

образца для выявления структуры, манипулирование органами управления микроскопом,

4 шаг: идентификация полученной структуры стали;

5 шаг: измерение твердости на виртуальном твердомере.

Продолжение основного этапа заключается в повторении эксперимента термической обработки при других параметрах процесса в соответствии с целью работы. 4 этап. Заключительный

1 шаг: построение кривой зависимости твердости от температуры нагрева под закалку с учетом диаграммы состояния;

2 шаг: анализ полученных результатов, заключающийся в их объяснении с использованием теоретических представлений о термической обработке стали;

3 шаг: составление электронного отчета, включающего цель работы, изображения структур, полученных на всех этапах, итоговую таблицу значений твердости, график зависимости твердости от режимов закалки, анализ полученных результатов.

Основной этап Термическая обрабс (нагрев образца)

Рис.1. Примерный алгоритм начального этапа лабораторной работы закалки стали, иллюстрирующий варианты продолжения работы в зависимости от самостоятельного выбора обучаемого (неоптимальные варианты 2, 3 и 4 разрешают переход к следующему этапу лабораторной работы, но при отсутствии данных измерения твердости

стали в исходном состоянии)

Для приближения виртуальной работы к реальной имитируются термические устройства, приборы и органы их управления: измерение и регулировка температуры, цвет нагретого образца и т. п.

Практикум предполагает, что обучаемый и при выборе неоптимального варианта проведения лабораторной работы может быть допущен к ее дальнейшему продолжению (рис. 1). При этом он не получает результатов или получает результаты, соответст-

вующие выбранному варианту, но которые не соответствуют либо цели работы, либо поставленной задаче, что будет учтено при окончательной оценке.

В процессе создания лабораторного практикума использовались: программный пакет Flash MX (анимация создана с помощью языка ActionScript) и программа ImageReady. Для виртуальной лабораторной установки использовались цифровые фотографии реальных измерительных приборов, обработанные в графическом редакторе Photoshop.

Таким образом, предлагаемый виртуальный лабораторный практикум предполагает:

• постоянный мониторинг знаний и действий обучаемого при выполнении лабораторных работ путем пошагового тестирования;

• проведение лабораторных работ на виртуальных лабораторных установках с учетом реальных экспериментальных данных;

• большое разнообразие траекторий выполнения работ;

• анализ результатов, оценку полученных экспериментальных данных и составление отчета в электронном виде.

Разрабатываемый практикум виртуальных лабораторных работ в курсе «Материаловедение» позволяет оценить знания и умения обучаемого, что может использоваться как критерий допуска студентов к прохождению реальной лабораторной работы. Планируется использовать практикум в системе дистанционного обучения СПбГУ ИТМО по предмету «Материаловедение». Таким образом, традиционные формы проведения лабораторных работ можно успешно дополнить виртуальным лабораторным практикумом.

Литература

1. Зависимость свойств материалов от состава и структуры: Учебное пособие / Голубок А.О., Карташов А.М., Керпелева С.Ю., Круглов А.А., Приходько О.А. СПб: СПбГУ ИТМО, 2005. 97с.

2. Материаловедение: Учебник для вузов / Под ред. Арзамасова Б.Н. М.: Изд-во МГГУ им. Баумана, 2003. 648 с.: ил.

3. Приходько О.А., Симоненко О.Г., Подгорбунских Е.В. Система дифференциального контроля знаний с помощью ЭВМ МИР-1 / Сб. научно-методических статей по технологии металлов, др. конструкционных материалов и материаловедению. Вып. 6. М.: Высшая школа, 1981. 6 с.