CC BY
32
7УДК 621
А. Я. Красинский
ПРЕПОДАВАНИЕ МЕХАТРОНИКИ В АГРАРНЫХ ВУЗАХ
МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) (МАИ) МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
A. Ya. Krasinsky
MECHATRONICS TEACHING IN AGRARIAN HIGHER EDUCATION INSTITUTIONS
MOSCOW AVIATION INSTITUTE (MAI) MOSCOW STATE UNIVERSITY OF FOOD PRODUCTION
Обсуждается мехатроника как новая область науки и техники, новая инженерная специальность и инженерная дисциплина. Показано, что суть мехатроники заключается в ее междисциплинарной природе, в результате чего получаются совершенно новые, ранее недостижимые решения теоретических и прикладных задач с качественно новыми свойствами.
Ключевые слова: машины, приборы, управление, компьютеры, мехатронный модуль.
The mechatronics as new area of science and engineering, new engineering specialty and engineering discipline is discussed. It is shown that the essence of mechatronics consists in its interdisciplinary nature therefore absolutely new, earlier unattainable solutions of theoretical and applied tasks with qualitatively new properties resulted.
Keywords: cars, devices, management, computers, mekhatronny module.
; l. ~ It/.
Александр Яковлевич Красинский
Alexander Yakovlevich Krasinsky доктор физико-математических наук, доцент, профессор Е-mail: krasinsk@mail.ru
В конце ХХ века в жизни современного человечества возникло ранее не существовавшее сложное многоплановое явление - мехатроника, которое является настолько новым и необычным, что пока что не имеет устоявшихся общепризнанных понятий и терминологии. Вследствие этого имеется много определений [1] и самой мехатроники, и ее содержания, как учебной дисциплины, и ее соотношения с другими, традиционно входящими в инженерное образование, дисциплинами. Поэтому вокруг мехатроники существуют как добросовестные заблуждения, недоразумения, так и многочисленные спекуляции.
Все это приводит к необходимости обратить внимание на некоторые особенности этого явления, чтобы помочь формированию у обучающихся собственного понимания мехатроники, ее места в системе инженерного образования, возможности сознательного выбора своего собственного места в будущей профессиональной деятельности.
1. Мехатроника - с одной стороны, считается названием одной из новых наиболее интересных и быстро развивающихся областей науки и техники, объединяющей механику, электротехнику, электро-
нику и информатику. Суть мехатроники заключается в ее междисциплинарной природе. Это направление объединяет методы и достижения специалистов различных направлений таким образом, что в результате получаются совершенно новые, ранее недостижимые решения теоретических и прикладных задач с качественно новыми свойствами.
Замечание 1. По нашему мнению, мехатрони-ка пока еще не стала наукой в традиционном смысле: она еще не обладает устоявшейся идеологией, развитыми принципами и методами, квалифицированное применение которых позволяло бы получать рациональные мехатронные решения возникающих задач. Как наука, мехатроника пока находится на этапе своего становления. К настоящему времени получены блестящие мехатронные решения ряда практически важных задач (например, задача стабилизации изображения на выходе орбитального телескопа с точностью до 2 угловых секунд). Но достигнуты эти решения не путем систематического применения некоторых теоретически обоснованных, отработанных приемов и методов, а благодаря использованию не только огромного опыта и интуиции авторов этих решений, но и практически всех достижений инженерной мысли соответствующих направлений.
2. С другой стороны, мехатроника представляет собой междисциплинарную специальность, в которой сочетаются методы механики, электроники, информационных компьютерных технологий для целей проектирования и конструирования современных машин, приборов, механизмов и их модулей.
Вестник Курганской ГСХА № 4, 2013
61
3. Далее, мехатроника - учебная дисциплина, которая объединяет в себе традиционные инженерные науки: машиностроение, электротехнику, инфо-мационные и производственные технологии, делая при этом мехатронику дисциплиной качественно новой, поскольку это объединение должно происходить на основе применения достаточно абстрактных результатов математической теории управления, математического и компьютерного моделирования уже на этапе проектирования.
4. И, наконец, о мехатронике можно, перефразируя Г. Фройденталя [2], говорить, как о новой педагогической задаче, сложность которой определяется, прежде всего, ее принципиальной междисциплинарной сущностью.
Замечание 2. В настоящее время хорошо известно, что именно нужно преподавать будущим специалистам по мехатронике, но вот как именно, на каком необходимом уровне глубины следует преподавать все эти ранее, казалось бы, совершенно не связанные между собой абстрактно-теоретические (математика, теоретическая, возможно, для некоторых специализаций и аналитическая, механика, теория управления при неполной информации с включением методов теории оптимального управления, методы математического моделирования и пр.) и сугубо инженерные (детали машин и основы конструирования, электротехника, промышленная электроника, технологические машины и процессы по отраслям специализации и др.) дисциплины - пока еще не очень понятно. Совершенно очевидно, что эти уровни должны четко соответствовать друг другу - нет никакого смысла заставлять студента подробно, на высоком абстрактном профессиональном уровне изучать какую-либо одну составляющую ме-хатронного образования, и, в то же время, преподавать другие (хотя бы даже одну) его составляющие на более низком, примитивном уровне. Кроме того, ясно, что для понимания и усвоения мехатронной идеологии совершенно необходимо понять и усвоить и идеологии ее составляющих. А это неосуществимо без приобретения знаний по их фундаментальным основам. Так что обучение, наряду с общеинженерными дисциплинами, на наш взгляд, должно включать и необходимый объем общетеоретических сведений.
Но и здесь тоже свои особенности: такое изложение обязательно должно содержать выходы на решения практически важных достаточно общих задач, поскольку речь идет о подготовке не узких специалистов-теоретиков. Причем эти
решения должны использовать самые современных, в т. ч. информационные, технологии. Например, нет никакого смысла при подготовке инженеров по мехатронике подробно изучать фундаментальные теоретические положения метода динамического программирования (такие как связь уравнения Беллмана с принципом максимума, классическим вариационным исчислением и уравнением Гамильтона-Якоби), не уделяя внимания усвоению навыков по квалифицированному практическому использованию программно реализованных процедур решения прикладных задач, основанных на этом методе.
Поскольку даже из уже отмеченных особенностей этой педагогической задачи очевидна ее необычность и сложность, совершенно понятно, что самостоятельная работа студента в подготовке специалистов по мехатронике чрезвычайно важна, и ее организация и контроль должны составлять очень большую часть учебной работы преподавателя. Поэтому серьезно возрастает роль мотивации студентов к развитию у будущих специалистов способностей к быстрому самостоятельному обучению и приобретению студентами навыков такого обучения. Большую роль здесь смогут сыграть новые образовательные технологии (фестивали науки, соревнования роботов и пр.).
Отсюда следует вывод: эта новая сложная педагогическая задача может быть успешно решена только при активном участии обучающихся.
Замечание 3. Именно обучающихся, а не просто обучаемых: студент из пассивного объекта процесса обучения, того, на обучение которого направлены усилия преподавателя, должен стать активным субъектом этого процесса.
Стоит напомнить этимологию слова студент. Латинское studens (studentis) - усердно работающий, занимающийся. Немецкое studieren - учиться прилежно, тщательно изучать что-либо. По-немецки предложение «Er studiert Medizin» означает - «Он студент медицинского факультета» (дословный перевод «Он изучает (тщательно!) медицину»). Так что мехатроника, как новая педагогическая задача ничего принципиально нового от студента и не требует: студенту, оказывается, просто нужно вернуться к действительному понятию процесса обучения в высшей школе. Студент - (тщательно, прилежно) изучающий (в большой степени самостоятельно!) что-либо. Причем изучающий для себя, для своей будущей профессиональной деятельности, не для получения высокой оценки.
Итак, как видим, какую бы сторону понятия «мехатроника» мы не обсуждали, всюду подчеркивается междисциплинарный, интегрирующий его характер. Специалист в области мехатроники в идеале должен быть достаточно грамотным во всех входящих в это направление областях науки и техники. Причем грамотным не формально, а на таком уровне, чтобы, хорошо зная особенности каждой составляющей мехатронную систему ее части, суметь заставить всю систему в целом функционировать в таком режиме, когда эти отмеченные особенности становятся преимуществами, а на таких режимах, как правило, все входящие в систему составляющие функционируют на пределе своих возможностей. Только именно такой способ работы системы приводит к экономии энергии, ресурсов и информационных потоков и делает изделие конкурентно-способным на рынке. А поскольку эти предельные возможности на современном уровне развития технологий (напомним хотя бы об информационных технологиях, с использованием которых обязательно работает современная меха-тронная система) изменяются очень быстро, следует такой вывод: современный специалист по мехатронике - не застывшее состояние, а непрерывный процесс. Поэтому такое большое, по нашему мнению, решающее значение для конкурентоспособности специалиста по мехатронике приобретают навыки быстрого самостоятельного обучения. Актуальным, востребованным может быть только такой специалист, который непрерывно повышает свой профессиональный уровень, непрерывно учится.
Ввиду важности для России продовольственной независимости особое значение имеет введение этой новой инженерной дисциплины в учебные планы аграрных специальностей, поскольку в будущей профессиональной деятельности выпускников аграрных вузов уже и сейчас все большое распространение получают автоматические приводы с мехатронными модулями. В этой связи можно упомянуть систему автоматического регулирования высоты среза растений кукурузоуборочным комбайном с учетом упругих и демпфирующих свойств пневматических колес, которая уже изучается в практикуме по автоматике [3, с. 113-116] студентами вузов, обучающимися по агроинженер-ным специальностям.
В будущем, согласно логике развития новейших автоматических систем и мехатроники как нового направления техники, все большая часть основной функциональной нагрузки будет переноситься [1] на устройства, связанные с получением и обработкой в реальном времени текущей информации. Для сельского хозяйства наиболее значимыми с точки зрения будущей урожайности и требований энергосбережения являются проблемы автоматизации операций, связанных с обработкой почвы. В развитых странах уже широко применяются колесные тракторы-роботы, которые выполняют упомянутые операции точнее и экономнее (с учетом стоимости труда высококвалифицированного тракториста и затрат энергии), нежели тракторы, управляемые человеком.
Такие работы ведутся и в России. На сайте лаборатории № 16 Института проблем управления РАН отмечено: «В последнее время начаты работы по применению методов спутниковой GLONASS / GPS и инерциальной навигации к задачам управления механическими системами. Активно развиваются методы управления колесными роботами. Развиты методы планирования траекторий колёсных роботов, решены задачи синтеза законов управления, оценки областей притяжения и областей достижимости. Полученные результаты находят применение в сельском хозяйстве, строительстве, обеспечении безопасности работы в сложных условиях».
Поэтому, на наш взгляд, уже сейчас следует начинать в аграрных вузах подготовку таких специалистов, которые смогут грамотно эксплуатировать, а, возможно, и разрабатывать самую современную сельскохозяйственную технику. А для подготовки этих специалистов необходимо введение в учебные планы новых инженерных дисциплин мехатронно-го направления.
Список литературы
1 Подураев Ю. В. Мехатроника: основы, методы, применение. - М.: Машиностроение, 2006. -256 с.
2 Фройденталь Г. Математика как педагогическая задача. - М.: Просвещение, 1982. - 208 с.
3 Практикум по автоматике. Математическое моделирование систем автоматического регулирования / Под ред. Б. А. Карташова. - М.: КолосС, 2006. - 184 с.
