CC BY
26
Принципы организации информационной среды (на примере курса Теории механизмов и машин)
Кузлякина В. В., Морской государственный университет имени адмирала Г. И. Невельского, научный руководитель лаборатории Машиноведения и САПР,: kuzlyakina@msun.ru
Ключевые слова: информационная среда, креативная система обучения, тестирование, автоматизация проектирования
1 Введение
Создание информационного общества - новая задача, поставленная руководством страны. Парадигма современного образования заключается в реализации инновационного подхода к процессу изучения каждой дисциплины учебных планов на всех этапах образовательного процесса. Он позволяет перейти от репродуктивной познавательной деятельности к поисковой и предполагает использование современных технологий и методик обучения, основанных на новых принципах и приемах, тесно связанных с использованием компьютерных технологий.
Современное инженерное образование предполагает усиление естественно-научной базовой подготовки, введение в учебный процесс преимущественно аналитических методов исследования и проектирования объектов, использование современных систем автоматизированного проектирования, а также наличие современной лабораторной базы и компьютерной техники.
Отличительные особенности инженерных дисциплин:
• работа со сложными техническими объектами;
• использование большого объёма графической информации;
• выполнение сложных расчетов;
• манипулирование обширными базами данных. Компьютерные технологии обучения позволяют существенно изменить формы и методы обучения, включив в него современные способы представления информации, приёмы развития творческих способностей личности. В настоящее время особенно актуальна задача создания информационных сред на основе систем автоматизации обучения по дисциплинам, из которых затем формируется информационная среда получаемой специальности.
Информационная среда, созданная современными средствами информационных технологий, рассматривается как составная часть среды обучения и формируется как интегрированная система, компоненты
которой соответствуют учебной, внеучебной, научно-исследовательской деятельности, контролю и оценке результатов обучения.
2 Структура информационной среды
Инженерное образование по сравнению с гуманитарным, естественнонаучным и экономическим имеет ряд специфических особенностей, которые определяют структуру и содержание информационных сред для обучения по инженерным направлениям.
Структура информационной среды представляет собой взаимосвязанный набор программных модулей, который обеспечивает возможность подготовки и проведения учебного процесса и реализации функциональных обязанностей любой категории пользователей, главными из которых при подготовке и реализации учебного процесса являются преподаватель и студент. Состав и содержание информационных ресурсов определяется преподавателем, а набор сервисных служб - программным обеспечением автоматизированной системы организации обучения (АСОО).
Информационная среда дисциплины (ИС_Д) инженерных дисциплин содержит следующие основные элементы:
• автоматизированную систему организации обучения;
• компьютерный учебник;
• конспект лекций с компьютерной поддержкой;
• лабораторный практикум с компьютерной поддержкой;
• тестовый контроль с различными видами тестовых заданий;
• расчётные пакеты для курсового (учебного) проектирования и индивидуальной работы;
• справочные базы данных;
• организационно-методические материалы;
• учебно-методическую литературу в традиционном виде. Основой для организации информационных сред является автоматизированная система организации обучения. В МГУ им. адм. Г. И. Невельского более 15 лет применяется АСОО КОБРА [1]. Основные структурные блоки информационной среды, относящиеся к учебному процессу, включают в себя Теорию, Лабораторный практикум, Расчеты, Тестирование. Кроме того, для организации информационной среды имеются дополнительные сервисные блоки: регистрация пользователей (обучаемых), проверка обучаемым результатов тестирования, подключение калькулятора и другие. Каждый блок системы имеет свою структуру, позволяющую наилучшим образом включать разнообразные информационные ресурсы (рис. 1).
Рис. 1 Структура представления информации (блок Теория)
Разработка и внедрение информационных сред требуют внимательного подхода и четкого понимания важности использования каждого ее элемента. Наполнение информационной среды, позволяет представить информацию в разных форматах, и структурировано по разным специальностям. Мобильность информационной среды позволяет в короткие сроки вносить корректировки, подключать дополнительные расчетные пакеты и другие материалы, перемещать и создавать новые варианты и экспортировать в различные системы и разным пользователям.
3 Информационные ресурсы среды по курсу ТММ
Основным принципом построения информационной среды дисциплины (ИС_Д) является модульность. Модуль - это логически завершённая часть курса, которая содержит: входной и выходной контроль (тестирование), лекции, лабораторные работы, практические занятия, курсовое проектирование.
Дисциплина ТММ является фундаментальной в структуре подготовки инженеров-механиков. Большой объём информации, высокий уровень сложности содержания и разнообразные формы учебных занятий вынуждают строить учебный процесс по модульному принципу. В состав ИС_ТММ входят:
• Фрагменты компьютерных учебников (2 наименования).
• Конспект лекций (7 модулей, в каждом несколько лекций, всего 25 лекций в формате pps).
• Лабораторный практикум с компьютерной поддержкой (19 наименований в форматах pps, html, pdf, exe).
• Тестовый контроль (7 модулей, в каждом - входной и выходной контроль из разных типов тестовых заданий, всего 5 типов заданий).
• Расчётные пакеты для курсового (учебного) проектирования и индивидуальной работы (5 пакетов).
• Демонстрационные материалы (более 40 наименований в разных форматах, в том числе фрагменты учебных фильмов).
• Учебные пособия с различными грифами (6 наименований в форматах html, pdf).
Модульный принцип построения процесса обучения диктуется не только сложностью и объёмностью материала, но и современной тенденцией к более широкому применению компьютерных технологий. Рассмотрим основные блоки информационной среды.
3.1 Теория
В разделе Теория представляются компьютерные учебники, конспекты лекций, демонстрационные материалы и другие ресурсы.
Курс лекций наиболее рационально представлять в формате pps, т.к. редактор PowerPoint имеет множество функций для наглядного представления текста (шрифты, цвет, анимация и др.), а также возможность использовать гиперссылки.
В составе каждого модуля имеется файл с незавершёнными рисунками и схемами по теме модуля, которые используются при ведении занятий в аудитории и в часы самостоятельных занятий.
3.2 Лабораторный практикум с компьютерной поддержкой
Важнейшим элементом любой формы практических занятий являются лабораторные работы. Основа лабораторной работы - практический пример, который разбирается с позиций теории, развитой в лекции. Они интегрируют теоретико-методологические знания и практические навыки студентов в едином процессе деятельности учебно-исследовательского характера.
Лабораторный практикум с компьютерной поддержкой выполняется на лабораторных стендах и на персональных компьютерах (ПК) в программных средах VSE, DINAMIC, GCG&FQ, APM Win Machine [2]. Процедура выполнения лабораторных работ содержит шесть этапов:
• теоретическая подготовка - методические указания ко всем лабораторным работам в текстовом формате имеются в библиотеке, в методическом кабинете, а также встроены в гипертекстовом формате в АСОО КОБРА и выставлены в компьютерной сети университета;
• выполнение необходимых предварительных расчётов и проверка их результатов на персональном компьютере;
• выполнение эксперимента на лабораторных стендах;
• моделирование на ПК;
• оформление отчёта;
• тестирование по теме лабораторной работы в системе «КОБРА».
Рис. 2 Экран фрагмента информационной среды. Практика
Лабораторный практикум содержит методические указания по выполнению работ на специальных лабораторных установках и моделированию расчётных процедур на компьютере (рис. 2).
3.3 Расчёты (курсовое проектирование)
Особенностью общепрофессиональных инженерных дисциплин является то, что впервые выполняются инженерные расчёты в рамках курсового проектирования.
Фундаментализация инженерного образования предполагает усиление естественнонаучной базовой подготовки, введение преимущественно аналитических методов исследования и проектирования объектов и использование современных систем автоматизированного проектирования. В задание по курсовому проекту обычно закладывается вид деятельности студента: работа по образцу, или поиск рационального решения из предложенных. Для первого случая в составе информационной среды представлены примеры: построение планов механизмов, планов аналогов скоростей и аналогов ускорений, силовой расчёт и построение планов сил. Примеры построения выполнены в виде презентаций и пошагово в строгой очередности демонстрируют процедуру выполнения графической части курсового проектирования. Во втором случае применяются специальные пакеты: VSE, GCG&FQ, DINAMIC, APM WinMachine и др., для графических построений - пакеты: AutoCAD, КОМПАС [3].
Задания на курсовое проектирование должны соответствовать будущей профессиональной деятельности обучаемых, так для подготовки инженеров-механиков морского флота в качестве заданий для курсового проектирования предлагаются кривошипно-ползунные механизмы, которые лежат в основе многих агрегатов судового оборудования: главных судовых двигателей, дизель-генераторов, поршневых насосов и других. На рис. 3 представлена кинематическая схема кривошипно-ползунного крейцкопфного механизма одного цилиндра судового двигателя типа KSZ и процедура визуализации его в системе VSE.
т
, Л - ' }
ЧоР
„,._ —■
Рис. 3 Проектирование судового двигателя типа а) конструктивный чертёж; б) кинематическая схема; в) анимация схемы в редакторе VSE
Исследование этого механизма: структурирование схемы, исследование кинематики, определение параметров простейшей динамической модели для начального этапа проектирования, решение уравнения движения, определение неуравновешенных сил и моментов инерции, кинематических параметров точек и звеньев механизмов с учётом масс звеньев и действующих сил, силовой расчёт выполняется с помощью системы DINAMIC. Анализ результатов исследования позволяет определить для дальнейшего расчёта на прочность и конструирования деталей и узлов положение кривошипа, при котором действуют наибольшие силы и моменты. Этот расчёт выполняется с использованием системы АРМ WinMachine. Система позволяет выполнять все инженерные проектировочные и проверочные расчеты, конструирование большинства узлов и деталей механизмов. Процедура рационального проектирования реализуется путем перебора возможных вариантов. Система АРМ -профессиональный инженерный пакет, состоящий из отдельных программных модулей, предназначен для проектирования различных типов деталей.
На рис. 4, 5 показаны фрагменты результатов исследования механизма двигателя в системе АРМ.
Рис. 4 Расчётная схема и результаты проверочного расчёта фланцевого соединения в системе АПМ а) исходные данные для проверочного расчета; б) распределение давления в плоскости стыка и распределение нагрузок на болты
Рис. 5 Экран результатов расчёта и карта напряжений
и деформаций колена вала
Важным элементом информационной среды по дисциплине ТММ являются учебные пособия, выполненные в электронном виде. В них в полном объёме представлен теоретический материал и практические примеры, позволяющие самостоятельно выполнять курсовое проектирование по каждому разделу. Методическое обеспечение курсового проектирования представлено также и специальными системами для структурирования схем рычажных механизмов, исследования кинематики и динамики, геометрического расчёта зубчатых передач с элементами оптимизации, профилирования кулачковых механизмов. Содержание раздела Расчёты представлено на рис. 6.
Рис. 6 Информационные ресурсы для курсового проектирования
Применение профессиональных пакетов проектирования способствует более глубокому усвоению приемов проектирования и имеет своей целью помочь будущим специалистам оценить влияние конструкции механизма на их технические характеристики. Опыт, полученный при работе с пакетами VSE, DINAMIC, АРМ WinMachine и другими, может быть использован в курсовых проектах по специальным дисциплинам и в дипломном проектировании.
3.4 Тестирование.
Особый интерес представляет система тестирования, которая содержат 5 видов тестовых заданий:
3. Выбор (т) - выбор одного правильного ответа из 5-ти предложенных. Вопросы и ответы на них представляют собой текстовую информацию.
4. Задачи - форма тестового задания связана с решением задач, а также с чтением и пониманием чертежей. Вопросы представляются на экране в виде картинок. Ответы (числовые значения) необходимо набирать с клавиатуры в специально отведенных для них окошках. Возможна реализация заданий на соответствие .
5. Выбор - выбор одного правильного ответа. Вопрос и 5 вариантов ответа на него появляются на экране в виде картинки. Номер правильного ответа из 5-ти предложенных нужно указать в специально отведенном окошке (рис. 7)
6. Набор - форма тестового задания связана с формулированием определений путем набора их на клавиатуре. Этот тип задания особенно удобен при изучении лингвистических языков (рис. 8).
Рис. 7 Тестовое задание типа Выбор
Рис. 8 Экран диалогового окна тестового задания Набор
7. Да/Нет - выбор нескольких правильных ответов из предложенных. Вопросы и ответы на них представляют собой текстовую информацию. Для каждого обучаемого по выбранной теме формируется индивидуальное задание из некоторого количества вопросов по принципу случайного распределения. На каждый вопрос имеется 5 ответов, которые представляются в окне экрана поочередно и каждый раз в другом порядке тоже по принципу случайного распределения, при этом на каждый вопрос имеется разное количество правильных ответов (вероятность угадывания практически отсутствует).
Пункт меню Контроль предназначен для тестирования обучаемых с целью контроля знаний. Сначала обучаемый выбирает дисциплину, затем номер модуля и этап тестирования, после этого вид тестового задания. Результаты тестирования хранятся в базе данных системы.
3. 5 Сервисные процедуры
В АСОО КОБРА имеется ряд сервисных процедур для формирования информационной среды:
13. Процедура выбора языка интерфейса (рис 9).
14. Подключение соответствующей базы (рис. 10).
15. Выбор параметров тестирования (рис. 11).
Рис. 9 - Экран выбора языка Интерфейса
Рис. 10 Экран выбора данных базы
Рис. 11 Экран настройки
параметров тестирования
16. Анализ качества тестов. Эффективность любого обучения, а компьютерного особенно, зависит от эффективного взаимодействия преподавателя и обучаемого; используемых инструментов и технологий; эффективности методических материалов и способов их представления; эффективности обратной связи. Для оценки результатов тестирования и качества тестовых заданий используется модуль АСОО КОБРа - Анализатор.
Заключение
В процессе изучения инженерных дисциплин выполняются экспериментальные (лабораторные) работы, большой объём расчётных и гра-
фических операций в процессе работы над курсовыми (учебными) проектами. Всё это формирует потребность в создании компьютерно - механических комплексов по инженерным дисциплинам (КМК_ИД), основанных на компьютерных технологиях обучения [4].
Применение автоматизированных систем обучения и проверки знаний позволяет организовать коллективную работу в учебной аудитории. Необходимо подчеркнуть, что принцип наполнения информационной среды, разработанной с использованием КТ, обеспечивает унификацию процесса создания информационных ресурсов и контроля учебной деятельности.
Образовательная информационная среда позволит эффективно координировать комплекс работ в сфере образования, направленных на существенное повышение качества школьного, начального, среднего специального и высшего профессионального образования на основе использования новых информационных технологий. Это будет способствовать расширению сотрудничества педагогических коллективов образовательных учреждений различного профиля, активизации научной деятельности всех участников образовательного процесса. Информационная среда может быть установлена в сетевом варианте в учебных классах, а также записана на диск для использования на локальном компьютере.
Использование профессиональных интегрированных САПР в учебном процессе должно являться неотъемлемой частью подготовки современных инженеров. Это позволяет готовить квалифицированных инженеров, владеющих современными средствами автоматизации проектирования, и одновременно способствует процессу продвижения CAD/CAM/CAE-систем в производство. Знания в этой области уже сегодня выступают одним из критериев конкурентоспособности выпускников технических вузов на рынке труда.
Литература
1. V. V. Kuzlyakina, Information Environment for "Mechanism and Machine Science" Course, In: Proceedings of the 11th World Congress in Mechanisms and Machine Science, China, vol. 2, pp. 685-688, 2004.
2. V.V. Kuzlyakina, N.N. Holina Particularities to extracurricular work organization when studying engineering disciplines Материалы симпозиума IGIP 37 «Компетенции инженера - традиции и инновации, Москва, 2008. - С. 67-75.
3. V. Kuzlyakina, L. Brazhnik Use of professional cad systems in educational process, Материалы 37-ого международного симпозиума IGIP «Компетенции инженера - традиции и инновации», Москва, 2008. - С. 103-111.
4. Кузлякина В.В. Компьютерно-механические комплексы по инженерным дисциплинам Материалы конференции «Основы проектирования и детали машин - XXI век», г. Орёл, 2007. - 27-35.
