CC BY
23УДК 631.371:621.1:658.264(075.8)
УЧЕБНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КАК ОСНОВА РАЗВИТИЯ
ПРОФЕССИОНАЛЬНЫХ НАВЫКОВ БУДУЩИХ ИНЖЕНЕРОВ Карпович Эдуард Владимирович, к.т.н., доцент (e-mail: karpowich.ed@yandex.ru) Орловский государственный аграрный университет им. Н.В. Парахина, г.Орел, Россия
Статья посвящена взаимосвязи учебного и производственного моделирования. Упоминается о том, что моделирование является важнейшим этапом современной подготовки производства. В настоящее время тотальной компьютеризации всех отраслей хозяйства и ветвей образования огромное количество новых проектов опирается на компьютерное моделирование. Реализация такого подхода приводит к значительному сокращению материальных затрат, открывает возможности для рассмотрения и анализа широчайшей вариативности даже небольших изменений в конструкциях, детального исправления даже мелких недостатков в процессе работы над изделиями. Принципиально важным моделирование становится при рассмотрении и анализе различных производственных процессов и ситуаций, в частности, аварийных. Переход к компьютерному моделированию во многих отраслях промышленности уже состоялся и успешно себя зарекомендовал. В связи с этим возникает серьезная потребность в квалифицированных кадрах с творческим мышлением и отличной фундаментальной подготовкой. Это требует реорганизации образовательного процесса, например, путем серьезного развития учебного компьютерного моделирования. Автор статьи много лет практиковал в своей профессиональной деятельности подобный подход. В данной работе описаны компьютерные модели, созданные автором совместно с обучающимися для современного образовательного процесса. Рассмотрено компьютерное моделирование механических, теплоэнергетических систем и систем электроники и автоматики. Проанализированы и выделены положительные стороны такого моделирования и обозначены перспективы перехода от него и направления развития с его помощью промышленного моделирования различных систем в машиностроительном производстве.
Ключевые слова: учебное компьютерное моделирование, современный образовательный процесс, механические и теплоэнергетические системы, промышленное моделирование, машиностроительное производство, перспективность, экономичность, безопасность.
Введение. Создание новых образцов техники в машиностроении, будь то автомобильный, морской, авиатранспорт, образцы военной техники, роботизированные производственные линии, начинается с эскизных проектов и проходит в дальнейшем все привычные для нас стадии разработки. Моделирование - важнейший этап современной подготовки производства.
Сегодня, в век глобальной компьютеризации, большинство проектов опирается на компьютерное моделирование вплоть до завершающего этапа -воплощения конструкции в металле и проведения её натурных испытаний. Это значительно сокращает материальные затраты, открывает возможности рассмотрения широчайшей вариативности даже незначительных изменений в конструкции, а также моделирования различных процессов и ситуаций, например, аварийных (рис.1).
Рис.1. Моделирование аварии Рис.2. Компьютерные модели
Переход к компьютерному моделированию новых конструкций, производственных процессов, нештатных ситуаций, дизайна изделий уже состоялся и весьма успешно себя зарекомендовал (рис.2). Поэтому возникает всё большая потребность в квалифицированных кадрах в этой области, причём максимально подготовленных и творчески мыслящих [1]. Этому может в огромной мере поспособствовать развитие компьютерного моделирования в образовательном процессе [2]. Демонстрируя обучающимся все преимущества, эффективность и наглядность компьютерного моделирования, можно привлекать их к разработке совместно с преподавателем учебных, научных или промышленных проектов [3,4]. Как сказал Конфуций, обучай лишь того, кто, узнав про один угол квадрата, может представить себе три оставшихся. Учитывая смысл этого высказывания, легко понять, что совместное с преподавателем компьютерное моделирование ещё на этапе обучения полезно тем, что помогает выявлять нестандартно мыслящих обучающихся, способных развивать свои творческие навыки и потенциал для промышленного моделирования [5,6]. Конечно же, при максимально продуктивной работе преподавателя, очень важным фактором является желание самого обучающегося и его заинтересованность в успешном результате [7,8].
Роль моделирования в образовательном процессе. Реформирование системы современного российского образования направлено на подготовку в вузах бакалавров с широким кругозором, хорошо разбирающихся в своей будущей рабочей отрасли, умеющих использовать особенно вычислительную технику [9,10]. Одним из направлений модернизации образовательного процесса является создание методических систем обучения, ориентированных на развитие интеллектуального потенциала обучающихся, на фор-
мирование умений осуществлять учебную и экспериментально-исследовательскую деятельность, разнообразные виды самостоятельной работы по обработке информации [11]. Из всего многообразия способов применения средств новых информационных технологий особо следует выделить использование компьютерного моделирования в связи с его широкой популярностью в практике отечественного и зарубежного образовательного процесса [12].
Необходимость повышения эффективности деятельности высшей школы потребовали широкого оснащения её современной вычислительной техникой и всестороннего её использования [13]. Применение ЭВМ в образовательном процессе возможно на занятиях абсолютно любого вида. ЭВМ могут выступать здесь как средство наглядности для интенсификации освоения материала, как тренажёры для контроля знаний и в качестве лабораторных установок [14], моделирующих реальные процессы и явления, что, безусловно, важно, особенно для развития навыков промышленного моделирования [15].
Как правило, моделирование применяется в тех случаях, когда непосредственное натурное исследование физического явления невозможно или нецелесообразно. Опыт использования ЭВМ показывает, что такое моделирование повышает интерес обучающихся к учебному материалу, углубляет его усвоение [16] и подготавливает бакалавров к созданию и работе с такими универсальными моделями на производстве.
Преимущества и особенности учебного моделирования. Особо следует выделить создание на базе ЭВМ автоматизированных учебных комплексов. Их основное достоинство заключается в том, что они позволяют управлять процессом самостоятельной работы обучающегося с учётом его индивидуальных особенностей [17,18]. Автоматизированные учебные комплексы могут быть с успехом использованы, практически, во всех видах учебной работы и являются средством в руках преподавателя, позволяющим активно влиять на работу каждого обучающегося [19]. Описанные преимущества автоматизированных учебных комплексов дают возможность говорить о том, что их создание перспективно для реорганизации учебного процесса и позволяет значительно поднять качество подготовки бакалавров. Важно отметить, что такое моделирование в образовательном процессе формирует у бакалавров подход и к будущему промышленному моделированию, как к приоритетному и экономически выгодному научно-исследовательскому методу работы.
Для достижения описанных чуть выше методических целей в образовательном процессе автором статьи создан оригинальный автоматизированный комплекс для изучения различных дисциплин. Он состоит из 20 программированных учебных пособий различной направленности. Это 7 моделей лабораторных и 13 моделей демонстрационно-тестирующих установок. Разработанные автором программированные учебные пособия явля-
ются составной частью регионального депозитария электронных образовательных ресурсов.
Автором создано несколько моделей, с помощью которых можно провести полноценное лабораторное занятие. Но не стоит трактовать это, как совет отказаться от экспериментального оборудования. Это рекомендуется школам и вузам с бедной лабораторной базой [20]. Удобно и полезно комбинировать реальный и виртуальный эксперименты, так как дискретность снимаемых параметров на виртуальном оборудовании намного превосходит аналогичные показатели реальных приборов. Кроме того, в имитационных моделях автором предусмотрено варьирование таких параметров, которые у реальных лабораторных приборов изменить невозможно или затруднительно. Проиллюстрируем это на примерах созданных автором обучающих компьютерных моделей.
Моделирование механических систем. В лабораторной модели «Определение скорости пули при помощи баллистического маятника» предусмотрено варьирование семи видов реального стрелкового оружия с полностью соответствующими действительности исследуемыми в работе характеристиками, что в любой учебной лаборатории абсолютно невозможно. Для обучающихся же, согласно их многочисленным отзывам, такой эксперимент представляет неизмеримо больший интерес.
Крайне важно отметить, что данная учебная модель разработана с применением диалогового режима. Программа сама по введённым обучающимся данным прогнозирует и комментирует итоги эксперимента в нижнем окне «результат эксперимента» (рис.3). Это позволяет развивать у обучающегося аналитическое мышление и самостоятельность в принятии технического решения, что очень важно для будущего инженера. Если же будущий инженер будет связан с промышленным моделированием, то учебный опыт подобного рода ему очень пригодится и поможет при создании промышленных моделей для компьютерного исследования новых образцов техники или технологических процессов.
Лабораторная работа; <
- 3-й*он сохранения импульса [сопротивление воздана не учитывается]. Т1МЕзоН НЕЮ
31- расстояние, на которое улетит честь 1 32-расстоянне на которое улетит часть 2
VI-скорость части 1 Авторы: кл.н. Карпович Э,В., Понйеенко АН
снаряда (тзг=999 цд
Рис.3. Баллистический маятник
Рис.4. Разрыв снаряда
Учебная модель «Изучение закона сохранения импульса» демонстрирует разлёт осколков разорвавшегося снаряда (рис.4). В ней предусмотрено варьирование скоростей целого снаряда, второго осколка и начальной высоты полёта снаряда. По этим данным в модели рассчитываются значение скорости первого осколка, дальности разлёта осколков и их направления. Значения высоты полёта осколков и дальности их разлёта динамически, что принципиально важно, меняются в соответствующих окнах. Выбор вводимых данных позволяет преподавателю вести диалог с аудиторией на лекционном занятии, что предусматривается новыми российскими образовательными стандартами. Данная учебная модель перекидывает мостик к промышленному моделированию механических технологических процессов или нештатных ситуаций на производстве.
Моделирование теплоэнергетических систем. В лабораторной модели «Изучение фазовых переходов I рода» путём нагрева и расплавления металла в тигле программа позволяет в динамике регистрировать показания температуры напрямую без использования соответствующих графиков для пересчёта значений напряжения, фиксируемых вольтметром. В этой компьютерной модели возможно параллельное с работой оборудования синхронное построение диаграмм плавления (рис.5) и отвердевания, а возможна только работа с оборудованием без визуализации графиков. Режим синхронного построения графиков в программе предусмотрен для демонстрации этих процессов на лекциях и для большей наглядности при самостоятельном изучении обучающимися материала с помощью данной модели. Для более сильных обучающихся в лабораторной модели предусмотрено выполнение творческого задания с самостоятельной разработкой методики расчёта теплоемкости. Это соответствует новым российским образовательным стандартам и способствует вырабатыванию у бакалавров навыков самостоятельности в поиске решения и развитию аналитического мышления.
гантролирчемнЕ ЛАРАМ ЕТРН
С^щжч» <СКЗ а (Ц
014.5
'™Г 0.
НАП'ШАГСПЬ [шип и
у*
Рис.5. Фазовый переход I рода
Электромагнитная индукция
Магнитогидродинамический генератор (МГД-генератор)
Принципиальной с*е«в плазменного мгд-генераюра постоянного токе
Упри плен не ИГД-генераюрон
Гл.»¿и гяцытпр
-¡¡ТТГТ пег
Рис.6. Работа МГД-генератора
Очень наглядна, эффектна и полезна модель функционирования магни-тогидродинамического генератора для получения электрического тока
(рис.6) с помощью магнитного поля путём сжигания топлива и получения плазменного потока. Визуализация процессов горения и разделения электрических зарядов в натурном эксперименте не реализуема, что свидетельствует в пользу промышленного моделирования подобных скрытых процессов, что и пропагандируется обучающимся демонстрацией этой учебной модели.
Моделирование систем электроники, автоматики. Примером такой компьютерной модели является пособие-тренажер «Изучение электронного осциллографа» (рис.7). Оно предусматривает два режима функционирования. Первый режим - «изучение», когда при рассмотрении обучающимися принципов действия электронного осциллографа видны все изменения, происходящие внутри прибора. Второй режим - «тестирование», когда все внутренние процессы скрыты крышкой корпуса осциллографа, а отображается только след луча на экране. Этот режим предусмотрен в модели для тестирования обучающихся.
Наверное, стоит упомянуть о важности компьютерных моделей-тренажёров в промышленности. Они применяются для отработки навыков пилотирования летательных аппаратов, вождения автомобилей, управления промышленными процессами и для многого другого, экономя при этом колоссальные финансовые ресурсы и, разумеется, спасая тысячи жизней. Принципы и навыки создания подобного рода тренажёров с успехом закладываются в образовательном процессе благодаря демонстрациям и совместной с преподавателем разработке таких учебных компьютерных программ.
Рис.7. Электронный осциллограф Рис.8. Поглощение света
В лабораторной модели «Изучение поглощения света в различных средах» для задания с жидкостью (рис.8) в имитационном программном средстве предусмотрено 10 кювет, что на реальном лабораторном столе реализовать очень сложно. В задании для изучения поглощения света в твёрдом теле используется набор из 15 пластин, что также является явным преимуществом созданной модели. Подобные учебные программы формируют принципы и навыки для создания промышленных компьютерных моделей
систем сигнализации и автоматики, а возможно, и новых промышленных образцов таких систем [21], что в наше технически развитое время является очень актуальной задачей [22].
Заключение. В этой статье приведены описания лишь некоторых из созданных автором компьютерных учебных моделей. Объём статьи не позволяет рассмотреть все программированные пособия для разделов электроники, волновой оптики, магнитного и электрического полей, сложения колебаний, магнитного гистерезиса, волн, атомной физики, магнитооптических эффектов, полупроводников, электромагнитной индукции. Модели, заложенные в компьютерные лабораторные работы, достоверно отражают физические законы, а диапазон регулируемых параметров позволяет получать большое количество экспериментальных точек. Эти модели прекрасно дополняют реальные физические эксперименты и помогают более глубоко усвоить суть физических процессов и явлений. Интерфейсы компьютерных программ выполнены интуитивно понятными, поэтому большую роль эти программированные пособия могут сыграть в получившей распространение в последнее время системе дистанционного обучения [23].
Важным моментом при создании компьютерных моделей является умение педагогов сотрудничать с обучающимися, стремление обеспечить им позицию «соавторов учебного процесса». Поэтому целесообразно привлекать их к созданию подобных комплексов. Это подготавливает будущих бакалавров к конструкторской деятельности, формирует профессиональные инженерные навыки, закладывает и развивает основы научной работы, учит самостоятельному поиску технических решений, прививает и укрепляет навыки компьютерной обработки информации, представления и изучения различных физических процессов с помощью компьютерных моделей, что ориентирует обучающихся на более серьёзное производственное моделирование для всестороннего тщательного рассмотрения вновь создаваемых конструкций.
Список литературы
1. Модернизация российского образования. Вызовы нового десятилетия. - М.: Издательский дом «Дело» РАНХиГС, 2015.- 104с.
2. Карпович Э.В. Методика применения автоматизированного комплекса программированных учебных пособий в курсе физики // Педагогическая информатика.- 2006.-№5.- С.65-73.
3. Кузьменко Н.Е. О модернизации образования в России // Педагогика.- 2005.- № 3.-С.107-116.
4. Карпович Э. В. Использование интерактивных методов обучения при подготовке бакалавров в аграрных вузах // Вестник Курганской ГСХА.- 2013.- №4(8).- С.36-39.
5. Лобанов А.П. Модульный подход в системе высшего образования. Основы струк-турализации и метапознания.- М.: РИВШ, 2016.- 733с.
6. Карпович Э.В. Использование информационных технологий в преподавании теплофизики, технической термодинамики и теплотехники // Ресурсосберегающие технологии при хранении и переработке сельскохозяйственной продукции.- Орел: ОрелГАУ, 2014.- С.82-87.
7. Рубин Ю.Б. Высшее образование в России. Качество и конкурентоспособность.-М.: Московская Финансово-Промышленная Академия, 2014.- 448c.
8. Карпович Э.В. Интерактивные методы обучения теплотехнике // Инновации в образовании. Сборник трудов.- Орел: ОрелГАУ, 2013.- С.153-155.
9. Джуринский А.Н. Развитие образования в современном мире.-М.: ВЛАДОС, 2003.- 240с.
10. Карпович Э. В. Использование интерактивных методов обучения теплотехнике бакалавров агроинженерного профиля // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы. Межвузовский сборник научных трудов.- Саранск, 2017.- С.721-725.
11. Жуков А.Д. Образование в России: Проблемы и решения.- Москва, ЭКМОС, 2000.- 154с.
12. Карпович Э. В. Учебное моделирование как основа развития моделирования в машиностроительном производстве // Главный механик.- 2018.- №4.- С.66-76.
13. Ковалева Г.С. Состояние российского образования // Педагогика.- 2001.- № 2.-С.80-88.
14. Карпович Э. В. Информационные технологии в образовании при подготовке аг-роинженерных кадров // Энергосберегающие технологии и техника в сфере АПК. Сборник материалов к Межрегиональной выставке-конференции.- Орел: ОрелГАУ, 2011.- С.261-264.
15. Карпович Э. В. Развитие навыков промышленного моделирования с помощью учебного моделирования // Агротехника и энергообеспечение.- 2018.- №2(19).- С.139-149.
16. Бордовская Н.В. Педагогика.- СПб: «Питер», 2004.- 284с.
17. Карпович Э. В. Интерактивные формы обучения теплотехнике в аграрном вузе // Ресурсосберегающие технологии при хранении и переработке сельскохозяйственной продукции. XI Международный научно-практический семинар.- Орел: ОрелГАУ, 2012.-С.71-76.
18. Образовательные системы современной России. Справочник.- М.: РГГУ, 2014.-496c.
19. Карпович Э. В. Интерактивные методы обучения теплотехнике и технической термодинамике // Электронный научно-методический журнал Омского ГАУ.- Омск, 2016.- № S2.- С.12.
20. Андреев А.Л. Общество и образование: социокультурный профиль России // Педагогика.- 2002.- №6.- С.20-29.
21. Карпович Э. В. Моделирование лазерной передачи аудиосигналов // Главный механик.- 2016.- №1.- С.42-48.
22. Карпович Э.В. Способы моделирования лазерной передачи аудиосигналов // Главный механик.- 2017.- №11.- С.36-42.
23. Моргунов Г.М. Социосинергетика и образование.- М.: МЭИ, 2014.- 152c.
Karpovich Eduard Vladimirovich, Cand.Tech.Sci., associate professor (e-mail: karpowich.ed@yandex.ru)
Orel state agrarian University named after N.V. Parakhina, Orel, Russia SIMULATION AS BASIS FOR DEVELOPMENT OF PROFESSIONAL SKILLS OF FUTURE ENGINEERS
Annotation. The article is devoted to the relationship of educational and industrial modeling. It is mentioned that modeling is the most important stage of modern production preparation. Currently, the total computerization of all sectors of the economy and branches of education a huge number of new projects based on computer modeling. The implementation of this approach leads to a significant reduction in material costs, opens up opportuni-
ties for consideration and analysis of the widest variability of even small changes in designs, detailed correction of even small shortcomings in the process of working on products. Modeling becomes fundamentally important when considering and analyzing various production processes and situations, in particular, emergency ones. The transition to computer modeling in many industries has already taken place and has proven successful. In this regard, there is a serious need for qualified personnel with creative thinking and excellent fundamental training. This requires the reorganization of the educational process, for example, through the serious development of educational computer modeling. The author of the article has been practicing this approach in his professional activity for many years. This paper describes the computer models created by the author together with students for the modern educational process. The computer simulation of mechanical, thermal power systems and systems of electronics and automation is considered. Analyzed and highlighted the positive aspects of such modeling and outlined the prospects for the transition from it and the direction of development with the help of industrial modeling of various systems in the engineering industry.
Keywords: educational computer modeling, modern educational process, mechanical and thermal power systems, industrial modeling, machine-building production, prospects, efficiency, safety.
