CC BY
19УДК 378.147+614.841 DOI 10.25257/FE.2021.4.75-81
ШВЫРКОВ Сергей Александрович Доктор технических наук, профессор Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: pbtp@mail.ru
ШВЫРКОВ Александр Сергеевич
Кандидат технических наук
Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия
E-mail: ginspire1301@gmail.com
ПЕТРОВ Анатолий Павлович Доктор технических наук, профессор Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: setyn@list.ru
ПРИМЕНЕНИЕ Св/-АНИМАЦИИ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО КУРСУ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ПРИ ДИСТАНЦИОННОМ ОБУЧЕНИИ
С использованием технологий СС/-анимации разработаны видеоролики для проведения лабораторных работ по курсу пожарной безопасности технологических процессов. Показаны преимущества их использования для организации обучения в дистанционном формате, в частности, в условиях угрозы распространения коронавирусной инфекции. Обозначены перспективы совершенствования установок за счёт разработки на их основе виртуальных лабораторных работ.
Ключевые слова: дистанционное обучение, пожарная безопасность технологических процессов, лабораторная работа, видеоролик, ЭЭ-моделирование, анимация.
Одной из форм подготовки современных специалистов в рамках получения высшего, второго высшего образования, повышения квалификации и переподготовки является дистанционное обучение [1]. В связи с развитием информационных и телекоммуникационных технологий роль такой формы обучения постоянно возрастает. При этом достоинствами дистанционного обучения являются простота доступа к учебному материалу, возможность обучения в удобное время, независимость от места проживания обучающегося и др. [2].
В условиях угрозы распространения коронавирусной инфекции практически все высшие учебные заведения, по рекомендации Министерства науки и высшего образования РФ, приняли решение о переходе на дистанционное обучение, в том числе, и Академия ГПС МЧС России [Э].
Все очные занятия, включая лекционные, семинарские, практические, были перенесены в онлайн-среду, а профессорско-преподавательский состав был вынужден организовывать учебный процесс посредством цифровых технологий. Обучение основывалось на базе электронной информационно-образовательной среды. Однако если лекционные, семинарские и практические занятия по курсу пожарной безопасности технологических процессов, проводимые в дистанционном формате, больших сложностей не вызывали, то проведение предусмотренных учебными рабочими программами лабораторных работ предполагало определённые трудности. Это отсутствие возможности у обучающихся наблюдать за изучаемым процессом или явлением,
© Швырков С. А., Швырков А. С., Петров А. П., 2021
приобретать практический опыт и навыки, что является первостепенной целью таких занятий.
Для решения этого вопроса традиционное содержание лабораторных работ было переведено в формат видеороликов на основе использования технологий трёхмерной компьютерной графики (CGZ-графика (computer-generated imagery) - изображения, сгенерированные компьютером) [4-8]. Об особенностях разработки такого учебного контента далее и пойдет речь.
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО КУРСУ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Независимо от формы обучения при подготовке специалистов и бакалавров учебными рабочими программами предусмотрено выполнение от двух до четырёх лабораторных работ, исследующих [9]:
- пожарную опасность повышения давления в нагреваемом аппарате с жидкостью;
- воспламеняющую способность искр удара и трения;
- параметры пожаровзрывоопасности при испарении легковоспламеняющихся и горючих жидкостей в неподвижную среду;
- параметры пожаровзрывобезопасности при вентилировании аппаратов от горючих газов и паров.
Краткие теоретические сведения и методические указания к выполнению лабораторных работ,
75
4-21
Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация
включая требования техники безопасности и пожарной безопасности, приведены в лабораторном практикуме по курсу пожарной безопасности технологических процессов [9]. Более широко теоретические вопросы по каждой теме лабораторных работ раскрыты в соответствующих учебниках [10, 11].
При традиционной форме обучения методика проводимых экспериментов включает: цель и задачи исследования, выбор варьируемых факторов, описание проведения эксперимента, обоснование способов обработки и анализа результатов исследований. При выполнении лабораторных работ обучающиеся знакомятся с методологией проведения исследований, их планированием и организацией. Учатся отбирать и анализировать получаемую информацию, формулировать цель и задачи, разрабатывать теоретические предпосылки, планировать и проводить эксперимент, обрабатывать результаты наблюдений и оценивать погрешности измерений, сопоставлять результаты экспериментов с теоретическими предпосылками и формулировать выводы, составлять отчёт о выполненной работе. При этом на основании анализа полученных данных приоритетными являются выводы о пожарной опасности изучаемого процесса, рекомендации по обеспечению пожарной безопасности и предложения о внедрении в практику рекомендаций и выводов.
Все лабораторные работы проводятся в учебной лаборатории кафедры, оснащённой современным учебно-лабораторным оборудованием, установками, приборами, инструментами, техническими средствами обучения. Каждая лабораторная установка включает в себя персональный компьютер со специализированным программным обеспечением для отображения регистрируемых параметров изучаемого процесса и вывода полученных результатов на печать.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ CGI-ГРАФИКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ИМИТАЦИОННЫХ ВИДЕОРОЛИКОВ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
В дистанционном формате обучающиеся лишены возможности работать с лабораторным оборудованием, наблюдать за изучаемым процессом и следить за показаниями приборов. Приобрести практический опыт и навыки, приблизиться к этим процессам помогут технологии CGI-графики - неподвижные и движущиеся изображения, сгенерированные при помощи трёхмерной компьютерной графики. Они широко применяются в изобразительном искусстве, печати, кинематографии, на телевидении и симуляторах. В компьютерных играх обычно используется компьютерная графика в реальном времени, но периодически добавляются и внутриигровые видео, основанные на CGI [4-6].
При создании имитационных лабораторных работ учтена специфика дисциплины и логика пред-
ставления материала, которая существенно отличается от реальной работы, прежде всего, более детальным описанием лабораторной установки, процесса исследования, а также наличием анимации. Поскольку имитационная лабораторная работа требует большей чёткости в описании последовательности действий, то методически обоснованным стало представление такого рода работы в виде определённого числа разделов, каждый из которых нёс определенную смысловую нагрузку: титульный раздел; краткий теоретический материал; описание лабораторной установки; экспериментальное исследование; расчётное определение параметров; отчётный материал.
Для успешного выполнения лабораторной работы обучающийся должен заранее проработать теоретический материал по теме исследования, содержащийся, в частности, в работах [9-11].
Рассмотрим более подробно основные разделы на примере создания видеоролика лабораторной работы по исследованию пожарной опасности повышения давления в нагреваемом аппарате с жидкостью.
Начинается видеоролик с информации о его авторах и создателях. Здесь также указывается, что для выполнения лабораторной работы необходимо использовать в электронном или печатном виде лабораторный практикум [9], обложка и первая страница которого размещаются на слайде.
В разделе с кратким теоретическим материалом даётся закадровая информация о пожарной опасности повышения давления в нагреваемом аппарате с жидкостью на примере баллона с горючей жидкостью или сжиженным горючим газом. Текст сопровождается соответствующими анимированными слайдами (рис. 1).
Далее даётся подробная информация о соответствующих формулах и входящих в них параметрах для определения давления в полностью и частично заполненном жидкостью сосуде. Обучающиеся в дальнейшем должны применять эти формулы в расчётной части лабораторной работы.
В разделе о лабораторной установке закадровый текст звучит на фоне общего вида лабораторного стенда (рис. 2, а) и входящих в него основных элементов в реальном отображении (рис. 2, б—г), то есть демонстрируется установка, находящаяся в специализированной лаборатории кафедры пожарной безопасности технологических процессов. Такая вставка в видеоролик призвана обратить внимание обучающихся на тот факт, что представленные в дальнейшем результаты исследований получены не виртуально, а на реально существующей и действующей установке. Также указывается, что перед началом работы на установке необходимо ознакомиться с инструкциями по технике безопасности и пожарной безопасности, кратко перечисляются основные требования инструкций.
ТЕПЛОВОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
а (a)
б (b)
ТЕПЛОВОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
- коэффициент объемного теплового расширения жидкости
- коэффициент линейного теплового расширения стенок сосуда
в (с)
г (d)
Рисунок 1. Слайды раздела о теоретическом материале лабораторной работы Figure 1. Slides of the section on the theoretical material of the laboratory work
УСТАНОВКА 1
о
в (c) г (d)
Рисунок 2. Общий вид слайдов раздела описания лабораторной установки: а - лабораторный стенд; б - аналого-цифровые преобразователи; в - полностью и частично заполненные водой баллоны; г - ультратермостат с ванной Figure 2. General view of the slides on the section describing the laboratory installation: a - laboratory stand; b - analog-digital converters; c - cylinders completely and partially filled with water; d - ultra thermostat with a bath
в (c)
г (d)
Рисунок 3. Общий вид слайдов c элементами лабораторной установки в 3D^opMaTe: а - основные элементы лабораторного стенда; б - аналого-цифровые преобразователи для снятия показаний температуры в баллонах; в - внутренние элементы ультратермостата; г - внешние элементы ультратермостата
Figure 3. General view of the slides with the laboratory installation elements in 3D format: a - main elements of the laboratory stand; b - analog-digital converters for taking temperature readings in cylinders; c - internal elements of the ultra-thermostat; d - external elements of the ultra-thermostat
На фоне видеоролика лабораторной установки в ЭЭ-формате подробно описываются её основные элементы и их назначение, а также особенности нагрева баллонов в ванне ультратермостата (рис. 3).
Следующий раздел посвящён непосредственно проведению экспериментального исследования изучаемого процесса. Перед проведением эксперимента обучающимся предлагается записать в отчётном материале исходные данные, представленные на слай-
де (рис. 4, а), а также подготовить таблицу с результатами экспериментального исследования (рис. 4, б).
Далее в формате ЭЭ-анимации демонстрируются этапы процесса проведения лабораторной работы по исследованию пожарной опасности нагрева полностью и частично заполненных жидкостью баллонов:
- наполнение ванны ультратермостата проточной водой (рис. 5, а);
Исходные данные
•Начальная температура воды в полностью заполненном
водой сосуде, /н1 = 23 °С •Конечная температура воды в полностью заполненном водой сосуде, /к5= 48 °С
• Количество измерений п = 5
• Шаг изменения температуры At 5 °С •Начальное давление в полностью заполненном
водой сосудернп1 = р6 = 760 мм рт.ст. = 101325 Па = 0,10 МПа
• Начальное давление в частично заполненном
водой сосудерич1 = р6+ ps = 101325 + 2808 = 104133 Па « 0,10 МПа
• Материал сосудов: сталь марки СТ40
Таблица экспериментальных данных
№ Нач. Номе р измерения с шагом в 5 "С
n/n Показатель изм. 1 2 3 4 S
1 Начальная температура воды в контрольном сосуде, °С
2 Конечная температура воды в контрольном сосуде, °С
3 температуры в контрольном сосуде, с
Температура воды в термостате, °С
5 заполненном водой сосуде, МПа
6 заполненном водой сосуде, МПа
a (a) б (b)
Рисунок 4. Общий вид слайдов раздела экспериментального исследования Figure 4. General view of the slides of the experimental research section
а (a)
б (b)
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ В НАГРЕВАЕМОМ АППАРАТЕ С ЖИДКОСТЬЮ
Таблица экспериментальных данных
tC
□■ID Р.МПа
m-nn и сии
t°c
15а ргмПа
в (с)
г (d)
Рисунок 5. Общий вид слайдов процесса выполнения лабораторной работы с регистрацией экспериментальных данных: а - наполнение ванны ультратермостата водой; б - задание максимальной температуры нагрева баллонов; в - регистрация значений давлений в баллонах; г - занесение экспериментальных данных в таблицу Figure 5. General view of the slides of the laboratory work with experimental data registration: а - filling the ultrathermostate bath with water; b - setting the maximum heating temperature of cylinders; c - recording of pressure values in cylinders; d - entering experimental data into the table
- включение приборов и оборудования на лабораторном стенде;
- включение ультратермостата с фиксацией начальной температуры в баллонах, например, 23 °С, и выставлением с помощью регулятора их максимальной температуры нагрева, например, 50 °С (рис. 5, б);
- введение значений начальных измерений в таблицу экспериментальных данных (рис. 5, г);
- фиксация на приборном оборудовании стенда значений давлений в полностью и частично заполненных жидкостью баллонах по мере их нагрева в ванне ультратермостата (рис. 5, в) и занесение экспериментальных данных в таблицу (рис. 5, г).
Показания снимаются до достижения максимальной температуры теплоносителя в ванне ультратермостата, после этого установка обесточивается. По результатам экспериментов обучающиеся делают соответствующие выводы об изменении давления в полностью и частично заполненных жидкостью баллонах.
Следующий раздел посвящён расчетному определению давления в сосудах при каждом этапе измерений, для чего обучающимся предлагается в отчётном материале создать соответствующую таблицу результатов расчёта. В видеоролике подробно пояс-
няется, как заполнять таблицу на основе результатов расчётов и поиска соответствующих коэффициентов.
После заполнения таблицы результатов расчёта обучающиеся строят график зависимости давления в сосуде, полностью заполненном жидкостью, от температуры для сравнительного анализа экспериментальных данных и расчётных значений (рис. 6, а). Подробный алгоритм построения графической зависимости приведён в соответствующем приложении [9], а также демонстрируется в видеоролике (рис. 6, б).
В заключительном разделе, посвящённом итогам проведённой работы, перечислены материалы для подготовки обучающимися индивидуального отчёта:
- теоретические положения и основные расчётные формулы;
- принципиальная схема лабораторной установки и краткое описание её устройства;
- таблицы с экспериментальными данными и расчётными значениями;
- совмещённый график зависимости давления в герметичном полностью заполненном жидкостью сосуде от температуры;
- меры пожарной безопасности, направленные на предотвращение разгерметизации сосудов,
4-21 Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация
a (a)
б (b)
Рисунок 6. Общий вид слайдов раздела анализа экспериментальных данных и расчетных значений давления в сосуде, полностью заполненном жидкостью, в зависимости от температуры нагрева
Figure 6. General view of the slides of the section for analysis of experimental data and calculated values of pressure in a vessel completely filled with liquid, depending on the heating temperature
полностью заполненных огнеопасными жидкостями, при воздействии на них тепла окружающей среды;
- выводы по результатам экспериментального исследования и выполненных расчётов.
Защита лабораторной работы обучающимися проводится в виде тестирования, для подготовки к которому необходимо использовать контрольные вопросы, представленные в [9], а также соответствующие тематике главы из учебной литературы [10-12].
Разработанные с использованием CG¡-анимации лабораторные работы могут успешно
применяться как в дистанционном, так и в традиционном формате обучения: это разнообразит образовательный процесс и делает его более насыщенным.
В перспективе, опираясь на полученные результаты и опыт применения описанных технологий, возможно совершенствование установок и разработка на их основе виртуальных лабораторных работ при условии достаточной для этих целей оснащённости компьютерной техникой и программным обеспечением не только учебных лабораторий, но и обучающихся.
ЛИТЕРАТУРА
1. Об образовании в Российской Федерации: федеральный закон Российской Федерации № 273-Ф3 от 29.12.2012 [Электронный ресурс] // Консорциум кодекс: электронный фонд правовых и нормативно-технических документов. Режим доступа: https://docs.cntd.ru/document/902389617 (дата обращения).
2. Дронова Е. Н. Технологии дистанционного обучения в высшей школе: опыт и трудности использования // Преподаватель XXI век. 2018. № 3-1. С. 26-34.
3. Танцура Т. А. Аспекты дистанционного обучения в современных условиях // Мир науки, культуры, образования. 2020. № 2. С. 355-358. DOI: 10.24411/1991-5497-2020-00326
4. Керлоу А. В. Искусство 3D-анимации и спецэффектов / Пер. с англ. Е. В. Смолиной. М.: Вершина, 2004. 480 с.
5. Горелик А. Г. Самоучитель 3ds Max 2012. СПб: БХВ-Петербург, 2012. 544 с.
6. Меженин А. А. Технологии разработки 3D-моделей. СПб: Университет ИТМО, 2018. 100 с.
7. Зеньковский В. А. Cinema 4D. Практическое руководство. М.: Солон-Пресс, 2008. 376 с.
8. Adobe Premiere Pro CC. Официальный учебный курс / Пер. с англ. М. А. Райтмана. М.: Эксмо, 2014. 544 с.
9. Горячев С. А, Клубань В. С., Петров А. П. [и др.] Лабораторный практикум по курсу «Пожарная безопасность технологических процессов» / Под общ. ред. С. А. Горячева. М.: Академия ГПС МЧС России, 2017. 70 с.
10. Швырков С. А, Горячев С. А, Панасевич Л. Т. [и др.] Пожарная безопасность технологических процессов: учебник для специалистов / Под общ. ред. С. А. Швыркова. М.: Академия ГПС МЧС России, 2020. 426 с.
11. Горячев С. А, Швырков С. А, Петров А. П. [и др.] Пожарная безопасность технологических процессов: учебник для бакалавров / Под общ. ред. С. А. Горячева. М.: Академия ГПС МЧС России, 2021. 464 с.
12. Горячев С. А, Клубань В. С., Панасевич Л. Т. [и др.] Сборник задач по курсу «Пожарная безопасность технологических процессов» / Под общ. ред. Л. Т. Панасевич. М.: Академия ГПС МЧС России, 2015. 175 с.
Материал поступил в редакцию 9 июля 2021 года.
Sergei SHVYRKOV
Grand Doctor in Engineering, Professor
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
E-mail: pbtp@mail.ru
Aleksander SHVYRKOV
PhD in Engineering
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: ginspire1301@gmail.com
Anatoly PETROV
Grand Doctor in Engineering, Professor
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
E-mail: setyn@list.ru
APPLICATION OF CG/-ANIMATIONS FOR LABORATORY WORKS ON FIRE SAFETY IN TECHNOLOGICAL PROCESSES COURSE IN DISTANCE LEARNING
ABSTRACT
Purpose. The article demonstrates the capabilities of CG/-animation technologies in creating video clips for laboratory works on the course of Fire Safety in Technological Processes and the options for their use in both traditional and distance learning, which is especially timely taking into consideration threat of spreading coronavirus infection.
Methods. To create video clips for laboratory works, methods and techniques of 3D graphics have been used, including the creation of volumetric models of the objects best matching the real ones, scene formation, animation, visualization and working with video.
Findings. CG/-animation technologies have been used for creating video clips for laboratory works on the following topics of Fire Safety in Technological Processes course:
- studying fire hazard of pressure increase in a heated apparatus with a liquid;
- studying flammability of sparks impact and friction;
- studying the parameters of fire and explosion hazard during flammable and combustible liquids evaporation into still environment;
- studying the parameters of fire and explosion safety when ventilating devices from combustible gases and vapors.
Research application field. The video clips for laboratory works created on the CG/-animation technologies basis are successfully used both in traditional and distance types of training on the course of Fire Safety in Technological Processes at State Fire Academy of EMERCOM of Russia.
Conclusions. Laboratory works using CG/animation can be successfully applied both in distance and traditional learning formats, which diversifies the educational process and makes it more intense. CG/-animation technologies can be successfully used for developing educational content for various subjects not only for distance learning, but also for the other forms of education. In the future laboratory works can be improved through creating virtual laboratory works on their basis.
Key words: distance learning, fire safety in technological processes, laboratory work, video, 3D modeling, animation.
REFERENCES
1. Ob obrazovanii v Rossiiskoi Federatsii: federalnyi zakon Rossiiskoi Federatsii № 273-FZ ot 29.12.2012 [On Education in the Russian Federation. Federal law No. 273-FZ on December 29, 2012] (in Russ.).
2. Dronova E.N. Technologies of remote training in higher school: experience and difficulties of use. Prepodavatel XX/ vek (Teacher XXI century). 2018, no. 3-1, pp. 26-34 (in Russ.).
3. Tantsura T.A. Aspects of distance learning in modern conditions. Mir nauki, kultury, obrazovaniia (The world of science, culture, education). 2020, no. 2, pp. 355-358 (in Russ.). DOI:10.24411/1991-5497-2020-00326
4. Curlow A.V. The art of 3D animation and special effects. Translated from English by E. V. Smolina. Moscow, Vershina Publ., 2004. 480 p.
5. Gorelik A.G. Samouchitel 3ds Max 2012 [Tutorial 3ds Max 2012]. St. Petersburg, BHV-Petersburg Publ., 2012. 544 p.
6. Mezhenin A.A. Tekhnologii razrabotki 3D-modelei [3D model development technologies]. St. Petersburg: ITMO University Publ., 2018. 100 p.
7. Zenkovsky V.A. Cinema 4D. Prakticheskoe rukovodstvo [Cinema 4D. Practical guide]. Moscow, Solon-Press Publ., 2008. 376 p.
8. Adobe Premiere Pro CC. Ofitsialnyi uchebnyi kurs [Adobe Premiere Pro CC. Official training course. Translated from English by M.A. Reitman]. Moscow: Eksmo, 2014. 544 p.
9. Goryachev S.A., Kluban V.S., Petrov A.P. [et al.] Laboratornyi praktikum po kursu «Pozharnaia bezopasnost' tekhnologicheskikh protsessov» [Laboratory workshop on the course "Fire safety of technological processes"]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2017. 70 p.
10. Shvyrkov S.A., Goryachev S.A., Panasevich L.T. [et al.] Pozharnaia bezopasnost tekhnologicheskikh protsessov. Uchebnik dlia spetsialistov [Fire safety of technological processes. Textbook for specialists]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2020. 426 p.
11. Goryachev S.A., Shvyrkov S.A., Petrov A.P. [et al.] Pozharnaia bezopasnost tekhnologicheskikh protsessov: uchebnik dlia bakalavrov [Fire safety of technological processes: textbook for bachelors]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2021. 464 p.
12. Goryachev S.A., Kluban V.S., Panasevich L.T. [et al.] Sbornik zadach po kursu «Pozharnaia bezopasnost' tekhnologicheskikh protsessov» [Collection of tasks for the course "Fire safety of technological processes"]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2015. 175 p.
© Shvyrkov S., Shvyrkov A., Petrov A., 2021
81
