CC BY
18ПСИХОЛОГО-ПЕДАГОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОДГОТОВКИ СОТРУДНИКОВ МЧС РОССИИ К УСЛОВИЯМ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ
УДК 378.147.88
ПРОГРАММНО-АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСТАНЦИОННОГО ЛАБОРАТОРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
А.А. Кузьмин, кандидат педагогических наук, доцент; М.А. Симонова, кандидат технических наук, доцент; А.А. Пермяков, кандидат педагогических наук. Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России
Показана роль лабораторного практикума в формировании профессиональной компетентности будущих специалистов применительно к специфике удаленного режима обучения в пожарно-технических учебных заведениях. Сформулированы основные требования к структуре виртуальной лаборатории. Обнаружены существенные противоречия между ожидаемыми показателями профессиональной компетентности и возможностью их формирования на основе традиционной модели лабораторного практикума. Сформирована натурно-виртуальная модель лабораторного практикума, предполагающая выполнение обучающимся виртуального этапа лабораторного эксперимента вне лаборатории. Представлен способ обеспечения доступа обучающихся к средствам информационно-методической поддержки дистанционного лабораторного эксперимента на базе применения возможностей современных гаджетов. Сформирована функциональная схема виртуальной теплофизической лаборатории, работающей в удаленном режиме. Показан вариант ее программной реализации на базе применения табличного процессора MS Excel с использованием макросов Visual Basic.
Ключевые слова: профессиональная компетентность, лабораторный практикум, лабораторный эксперимент, натурный эксперимент, виртуальный эксперимент, удаленный режим обучения, табличный процессор
SOFTWARE AND HARDWARE FOR REMOTE LABORATORY EXPERIMENTS
A.A. Kuzmin; M.A. Simonova; A.A. Permyakov.
Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia
The role of laboratory practice in the formation of professional competence of future specialists in relation to the specifics of remote training in fire-technical educational institutions is shown. The main requirements for the virtual laboratory structure are formulated. The main contradictions between the requirements for professional competence of students and the potential of the traditional model of laboratory practice are revealed. A full-scale virtual model of a laboratory workshop is proposed, which involves students performing a virtual stage of a laboratory experiment outside the laboratory. The method for providing students with access to information and methodological support for remote laboratory experiments based on the use of modern gadgets is presented. A functional diagram of a virtual thermophysical laboratory operating in remote mode has been formed. A variant of its software implementation based on the use of the MS Excel table processor with the connection of Visual Basic macros is shown.
Keywords: professional competence, laboratory practice, laboratory experiment, full-scale experiment, virtual experiment, remote learning mode, table processor
Процесс подготовки квалифицированных специалистов, которые в будущем могут выполнять свои служебные обязанности сотрудников федеральной противопожарной службы, предполагает, в том числе и формирование профессиональной компетенции ПК-39. Наличие такой компетенции дает возможность специалисту по заданным методикам проводить экспериментальные работы, а также обрабатывать и анализировать полученные в ходе эксперимента данные [1]. Для достижения подобной цели рабочие программы общетехнических и естественно-научных дисциплин должны предусматривать проведение лабораторного практикума.
В процессе организации лабораторного практикума принципиальным является определение возможной схемы проведения эксперимента: натурный эксперимент или виртуальный [2]. В этом случае наблюдается ряд противоречий, требующих разрешения:
- между необходимостью в наработке практических навыков работы курсантов и студентов с измерительными приборами и незначительным объемом получаемых в ходе натурного эксперимента данных, что затрудняет приобретение необходимого опыта использования статистических методов в обработке результатов измерений физических величин [3];
- между максимальной ограниченностью длительности лабораторно-практического занятия в шесть академических часов, что обусловлено распорядком дня учебного заведения, и возможной существенной продолжительностью некоторых физико-химических процессов, изучаемых в ходе проведения натурного лабораторного эксперимента (например, процессы самовозгорания, прогрев строительных конструкций на пожаре и т.д.);
- между безусловной необходимостью соблюдения условий безопасности в проведении лабораторного практикума и актуальностью изучения свойств токсических веществ, взрывоопасных материалов, а также таких процессов, как критические режимы работы технологических аппаратов, машин и механизмов.
Часть вышеперечисленных противоречий может быть разрешена в ходе практической реализации натурно-виртуальной модели лабораторного практикума, которая представлена на рис. 1.
Основное преимущество использования натурно-виртуальной модели лабораторного практикума состоит в возможности дополнения экспериментальных данных натурной фазы данными виртуального моделирования, которые могут быть получены за рамками ограничений, налагаемых на возможности специализированной лаборатории, и ограниченной продолжительностью аудиторного занятия. Это дает возможность курсантам и студентам нарабатывать практические навыки обращения с измерительной техникой, а также осваивать статистические методы обработки экспериментальных данных.
Однако существующие в настоящий момент реалии вызывают необходимость перехода к дистанционным формам проведения занятий в пожарно-технических вузах, включая реализацию лабораторного практикума в специализированной интернет-среде.
Применение существующего программного продукта курсантами и студентами пожарно-технических вузов в ходе дистанционного учебного процесса сталкивается с определенными ограничениями:
- значительная часть актуальных виртуальных лабораторий реализована в виде относительно сложных программно-аппаратных комплексов, которые предполагают в ходе своей имплементации наличие профессиональных навыков, которые у курсантов или студентов могут отсутствовать;
- виртуальные лаборатории как программный продукт являются лицензионным товаром, приобретаемым учебным заведением для пользования на определенных условиях, при этом пользовательские соглашения обычно содержат определенные ограничения на число инсталляций этого продукта, что делает незаконным установку программного продукта
на персональные компьютеры (ПК) иных физических лиц, к которым относятся обучающиеся в пожарно-технических учебных заведениях курсанты и студенты, если это, конечно, не предусмотрено контрактом;
- как правило, требования к конфигурации моделирующих ПК выходят за обычную конфигурацию ноутбуков или планшетов, использующихся курсантами и студентами в процессе дистанционного обучения.
Натурная фаза лабораторного эксперимента
Проведение натурного эксперимента
1 г
Данные натурных измерений
1 г
Проведение виртуального эксперимента
1 г
Обработка и анализ данных виртуального эксперимента
Задание на проведение натурного эксперимента
Задание на виртуальную фазу лабораторного эксперимента
Лабораторный практикум в виртуальной форме
Виртуальная фаза лабораторного эксперимента
Заключительный отчет по результатам лабораторного эксперимента
Рис. 1. Натурно-виртуальная модель реализации лабораторного практикума
Большинство из используемых в дистанционном учебном процессе сред, в том числе и eTutorium, не позволяет управлять натурным экспериментом в удаленном режиме, но существует возможность паллиативного решения в виде использования ранее полученных данных для формирования индивидуального задания на виртуальный эксперимент.
Успешная реализация в дистанционном учебном процессе натурно-виртуальной модели в виде программного продукта возможна лишь при его соответствии минимальным аппаратным возможностям ПК обучающихся, работающих в удаленном режиме.
Кроме того, виртуальный этап лабораторного эксперимента в ходе стандартного вебинара ограничен его предельной продолжительностью в рамках требований к структуре традиционного расписания, поэтому процедуру обработки полученных результатов желательно вынести на период внеаудиторной самостоятельной работы, для чего необходимо предусмотреть определенную степень индивидуальности в содержании соответствующего задания.
Решение подобной проблемы лежит в плоскости самостоятельного создания силами учебного заведения оригинального программного продукта, что решало бы проблему юридических ограничений в его использовании вне стен учебного заведения, например, курсантами и студентами, работающими в удаленном режиме. Такое программное обеспечение, адекватное возможной конфигурации ПК перспективного пользователя, делает возможным решение проблемы организации виртуального лабораторного практикума в дистанционном учебном процессе.
Основные концептуальные положения организации дистанционного учебного процесса на основе использования передовых информационно-коммуникационных технологий достаточно полно были сформулированы в работе [4], однако современные авторы при анализе возможности моделирующего инструментария ограничиваются офисными ПК, хотя форм-факторы применяемых обучающимися девайсов этим не ограничиваются. При этом было необходимо продолжить формирование у обучающихся курсантов и студентов практических навыков работы с интерфейсом составляющих программного комплекса MS Office, прежде всего, с электронной таблицей (табличным процессором) MS Excel. Эти соображения и легли в основу выбора составляющих программного комплекса MS Office в качестве программной основы виртуальной теплофизической лаборатории (ВТЛ). Кроме того, важным обстоятельством является возможность инкорпорирования специально разработанных на Visual Basic макросов, которые расширяют вычислительный потенциал табличного процессора. Функциональные особенности электронной таблицы MS Excel существенно уменьшают трудоемкость формирования массивов индивидуальных заданий на виртуальный эксперимент, экспериментальных данных, физических свойств моделируемого объекта, которые и составляют реляционную базу данных ВТЛ.
Функциональная схема ВТЛ представлена на рис. 2.
Запуск ВТЛ осуществляется файлом формата *.xls, который позволяет осуществлять:
- выбор данных натурного эксперимента из соответствующего массива данных в соответствии с ранее введенным номером индивидуального задания на виртуальный эксперимент;
- вывод информации, полученной в результате реализации виртуального этапа лабораторного эксперимента;
- возможность обращения обучающегося к массиву индивидуальных заданий на проведение моделирования;
- получение итоговых данных виртуального моделирования с их последующим объединением с данными, полученными в ходе реализации натурной фазы лабораторного эксперимента;
- возможность обращения к массиву физических характеристик и свойств изучаемых объектов в ходе моделирования на всех этапах виртуальной фазы лабораторного эксперимента,
в том числе и обработке полученных данных;
- программную поддержку процесса самоконтроля результатов обработки данных натурной и виртуальной фаз лабораторного эксперимента.
Интерфейс ВТЛ «Исследование конвективного теплообмена при вынужденном движении жидкости» в процессе при вводе начальных данных виртуального эксперимента представлен на рис. 3.
Рис. 2. Функциональная схема ВТЛ
В ходе работы с ВТЛ весьма востребованным является обращение к символу «2», который размещен в верхнем левом углу начального экрана. В этом случае происходит оперативное обращение к тексту виртуального лабораторного практикума, представляющего собой текстовый файл формата *.ёос.
Интерфейс ВТЛ в режим обращения к тексту виртуального лабораторного практикума представлен на рис. 4.
Рис. 3. Интерфейс ВТЛ «Исследование конвективного теплообмена при вынужденном движении жидкости»
Исследование конвективного теплообмена при вынужденном движении жидкости.
Цель работы: экспериментальным путем найти критериальное уравнение конвективного теплообмена при вынужденном движении воздуха около тепло передающей трубы, а также сравнить полученные результаты с литературными данными,
1. Описание лабораторной установки
Лабораторная установка (рисунок 1.) предназначена для исследования процесса теплообмена при вынужденной конвекции, в частности — определения коэффициента теплопередачи при вынужденной конвекции, его зависимости от температурного напора и получения критериального уравнения. Принцип работы установки основан на
Дизайн интерфейса ВТЛ предполагает наличие постоянной возможности отката к стартовому файлу формата *.xls на основе обращения к ключевому символу «2», располагающемуся в левом верхнем углу рабочего экрана.
Поскольку основная сфера использования ВТЛ - режим удаленного доступа учебного процесса пожарно-технического учебного заведения, непременным условием его эффективного использования является свободный доступ обучающихся курсантов и студентам к опциям самоконтроля даже в период off line, что позволяет им оценить корректность результатов лабораторных измерений, полученных в ходе их обработки, в соответствии с предлагаемой лабораторным практикумом методикой.
Существенным достоинством применения ВТЛ с поддержкой виртуального этапа вне планового вебинара является существование двух версий, функциональные возможности которых в значительной степени аутентичны:
- расширенная версия ВТЛ, предполагающая работу c офисным ПК или ноутбуком в операционной системе версии Windows 7 и выше;
- смарт-приложение ВТЛ на основе операционной системы Android, предполагающее использование смартфона.
Функциональная схема ВТЛ (рис. 2) была реализована в ходе информационно-методической поддержки удаленного учебного процесса при выполнении курсантами специальности «Пожарная безопасность» лабораторного практикума дисциплины «Теплотехника», в ходе которого были апробированы виртуальные лабораторные эксперименты по следующим темам:
- исследование теплофизических свойств строительных материалов;
- исследование процесса теплообмена при естественной конвекции;
- исследование конвективного теплообмена при вынужденном движении жидкости.
Темы лабораторных экспериментов дают возможность курсантам, обучающимся
Рис. 4. Виртуальный лабораторный практикум
в удаленном режиме, продолжить освоение статистических методов обработки результатов натурных измерений. Обоснованность этого предположения была подтверждена педагогическими наблюдениями в процессе защиты отчетов по лабораторным экспериментам.
Актуальность смарт-приложения ВТЛ для операционной системы Android была подтверждена просьбами со стороны обучающихся курсантов о его представлении для загрузки на смартфоны даже при наличии доступа к расширенной версии ВТЛ.
Таким образом, в результате изучения проблемы программно-аппаратного проведения лабораторного практикума при переходе пожарно-технического учебного заведения к работе в удаленном режиме:
- сформулированы основные требования к структуре ВТЛ;
- выявлены существенные противоречия между ожидаемыми показателями профессиональной компетентности обучающихся и возможностью их формирования на основе традиционной модели лабораторного практикума;
- сформирована и реализована натурно-виртуальная модель ВТЛ, предполагающая выполнение обучающимися виртуального этапа лабораторного эксперимента вне лаборатории.
Литература
1. Федеральный государственный образовательный стандарт высшего образования по специальности 20.05.01 «Пожарная безопасность» (уровень специалитета) (утв. приказом Министерства образования и науки Рос. Федерации от 17 авг. 2015 г. № 851). Доступ из справ. -правового портала «Гарант».
2. Кузьмин А.А., Романов H.H. О возможных схемах проведения натурно-виртуального и виртуально-натурного лабораторных экспериментов в учебном процессе // Природные и техногенные риски (физико-математические и прикладные аспекты). 2016. №1 (17). С. 74-78.
3. Кузьмин А.А., Романов H.H. Имплементация метода наименьших квадратов в модальность обработки результатов виртуального лабораторного эксперимента // Природные
и техногенные риски (физико-математические и прикладные аспекты). 2016. № 2 (18). С. 82-87.
4. Асеев И.М., Медведева Л.В. Автоматизированный учебно-тренажерный комплекс как опорное дидактическое средство методики дополнительного профессионального образования
в вузе МЧС России // Проблемы управления рисками в техносфере. 2016. № 1 (37). С. 142-150.
References
1. Federal'nyj gosudarstvennyj obrazovatel'nyj standart vysshego obrazovaniya po special'nosti 20.05.01 «Pozharnaya bezopasnost'» (uroven' specialiteta) (utv. prikazom Ministerstva obrazovaniya i nauki Ros. Federacii ot 17 avg. 2015 g. № 851). Dostup iz sprav.-pravovogo portala «Garant».
2. Kuz'min A.A., Romanov N.N. O vozmozhnyh skhemah provedeniya naturno-virtual'nogo i virtual'no-naturnogo laboratornyh eksperimentov v uchebnom processe // Prirodnye i tekhnogennye riski (fiziko-matematicheskie aspekty). 2016. №1 (17). S. 74-78.
3. Kuz'min A.A., Romanov N.N. Implementaciya metoda naimen'shih kvadratov v modal'nost' obrabotki rezul'tatov virtual'nogo laboratornogo eksperimenta // Prirodnye i tekhnogennye riski (fiziko-matematicheskie aspekty). 2016. № 2 (18). S. 82-87.
4. Aseev I.M., Medvedeva L.V. Avtomatizirovannyj uchebno-trenazhernyj kompleks kak opornoe didakticheskoe sredstvo metodiki dopolnitel'nogo professional'nogo obrazovaniya v vuze MCHS Rossii // Problemy upravleniya riskami v tekhnosfere. 2016. № 1 (37). S. 142-150.
