На главную страницу

ВИРТУАЛЬНЫЕ УЧЕБНЫЕ ЛАБОРАТОРИИ В ИНЖЕНЕРНОМ ОБРАЗОВАНИИ

Соловов Александр Васильевич, к.т.н., доцент

телефон (846-2) 34-72-78/факс,

Самара, Самарский государственный аэрокосмический университет

(Статья опубликована в сборнике статей "Индустрия образования". Выпуск 2. - М.: МГИУ, 2002. С-386-392 )

Основными направлениями инженерной деятельности являются проектирование, изготовление и эксплуатация приборов, машин, строительных сооружений и других технических объектов. Широкое использование компьютеров во всех этих сферах деятельности современного инженера предъявляет к его профессиональной квалификации ряд дополнительных требований, заключающихся в овладении новыми информационными технологиями инженерного труда.
Однако сущность инженерной квалификации остается прежней и заключается не только и даже не столько во владении формализованными методами решения инженерных задач, сколько в развитой интуиции, так называемом инженерном чутье, опирающемся на знание фундаментальных физических свойств технических объектов и процессов и умение глубоко анализировать эти свойства. Такие профессиональные качества всегда ценились в инженере, а к настоящему времени их роль, в связи с широким внедрением компьютеров в промышленности, в строительстве, на транспорте, еще более возросла. Чтобы строить адекватные математические модели, необходимо глубоко понимать физическую природу объектов моделирования. Чтобы принимать технически грамотные решения при работе с CALS-системами или другими человеко-компьютерными комплексами, необходимо уметь правильно воспринимать и осмысливать результаты вычислений, учитывать трудно формализуемые факторы, всегда имеющиеся в инженерной деятельности.
Таким образом, в ходе информатизации обучения, наряду с освоением будущими инженерами информационных и коммуникационных технологий (ИКТ), необходимо не только сохранить, но и с помощью средств ИКТ усилить инженерную подготовку в конкретной предметной области, опирающуюся на знание и понимание фундаментальных физических принципов построения и функционирования технических объектов и процессов.
В последние годы в сфере применения ИКТ в образовании появился новый термин "Виртуальная учебная лаборатория" (ВУЛ), см., например, [1-3]. Применительно к техническому образованию концепция ВУЛ (а суть ее очевидна из названия) в потенциале ориентирована на реализацию указанных выше требований к компьютеризации инженерной подготовки, соответствует идеям открытого и дистанционного обучения и позволяет, хотя бы частично, сгладить остроту существующих ныне проблем материально-технического обеспечения учебного процесса.
Немногочисленные пока научно-методические работы по тематике ВУЛ ограничены, в основном, описанием виртуальных приборов и лабораторных занятий с их использованием. Однако, по-нашему мнению, в методологическом плане понятие ВУЛ для инженерного образования гораздо шире и может интегрировать в себя не только виртуальные приборы, но и виртуальные учебные кабинеты конструкций технических объектов, системы математического и имитационного моделирования, учебные и промышленные пакеты прикладных программ, компоненты CALS-систем и т.п. [4]. А сами ВУЛ могут использоваться не только в лабораторном практикуме, но и в курсовом и дипломном проектировании, в учебно-исследовательских работах студентов.
В методологическом плане виртуальные лаборатории можно классифицировать, исходя из принятой в системах искусственного интеллекта типологии моделей представления знаний, на системы процедурного, декларативного и гибридного (процедурно-декларативного) типов [5].
Основу ВУЛ процедурного типа составляют учебные пакеты прикладных программ (ППП) или их промышленные аналоги, предназначенные для автоматизации инженерного труда. При их создании основное внимание обычно обращается на реализацию процедур математического моделирования, расчета и оптимизации изучаемых объектов или процессов. Порой математическое моделирование является единственным способом учебного исследования сложных объектов или процессов в технике. Кроме того, сами по себе методы и средства профессиональной деятельности могут быть в таких ППП предметом изучения, например, методы геометрического моделирования, алгоритмы оптимизации и т.п.
Но при всей несомненной полезности автоматизация инженерного труда в учебных задачах не всегда приводит к повышению качества собственно инженерной подготовки. Дело в том, что значительный учебный потенциал ППП, заключающийся в возможности изучать свойства различных объектов и процессов с помощью математического моделирования и вычислительных экспериментов, во многих случаях оказывается нереализованным, поскольку осмысленная учебная работа с ППП требует определенной инженерной квалификации, которой студенты в большинстве своем еще не обладают [6].
Помочь здесь может специальный дидактический интерфейс, сценарные схемы которого базируются на следующих принципах [7]:

  • выбор интересной типовой и поучительной задачи или класса задач;
  • организация циклического, замкнутого управления познавательной деятельностью учащихся;
  • обязательное эвристическое решение задач с последующим сопоставлением результатов с машинным вариантом решения;
  • создание соревновательных ситуаций для активизации познавательной деятельности.

Опыт реализации этих принципов показал их высокую дидактическую эффективность [8].
Большое значение в подготовке специалистов с техническим образованием имеют лабораторные работы по изучению конструкций технических объектов. Для этой цели создаются специальные учебные кабинеты. Роль таких кабинетов в техническом образовании трудно переоценить. Однако их создание требует длительного времени, а оснащение и содержание - значительных материальных ресурсов. Например, кабинет конструкции самолетов Самарского государственного аэрокосмического университета (СГАУ) имеет богатую коллекцию агрегатов различных самолетов, которая собиралась более 50-и лет. Она размещена на площади более тысячи кв. метров, в ее комплектацию и методическую подготовку вложен большой труд не одного поколения преподавателей. Агрегаты препарировались и размещались таким образом, чтобы обеспечить не только первоначальное знакомство с авиационной техникой, но и изучение фундаментальных принципов работы авиационных конструкций и типовых конструкторских решений. Создание подобных кабинетов по силам лишь крупным учебным заведениям, поэтому сегодня вполне очевидной становится идея разработки их виртуальных аналогов.
Такие виртуальные кабинеты относятся к системам декларативного типа, поскольку знания в них хранятся в готовом, препарированном преподавателем виде. Эти ВУЛ сходны по подготовке и работе с ними с электронными учебниками. Но их содержательными прототипами являются не первоисточники на бумаге, а натурные экспонаты.
В состав виртуальных учебных кабинетов входят структурированные описания технических объектов, внутри которых размещаются графические иллюстрации (фотографии, схемы, рисунки) и гиперссылки, под которыми "спрятаны" дополнительные графические иллюстрации аналогичного типа, либо видео- или аудиофрагменты, анимации (рис. 1) Для повышения эффективности восприятия учебного материала целесообразно использование специальных технологических приемов, например flash-анимаций с лупой, позволяющих видеть агрегат в целом и иметь возможность рассматривать его мелкие детали (рис. 2). В конце описания каждого агрегата целесообразно давать вопросы для самоконтроля и тренинга по пройденному материалу с краткими комментариями, "спрятанными" под гиперссылками, что позволяет активизировать процесс усвоения учебного материала, делая его интерактивным, и помогает при подготовке к экзаменам и зачетам.


Рис. 1. Фрагмент виртуального учебного кабинета конструкции самолетов [9]

Использование виртуальных кабинетов в учебном процессе не исключает полностью работу в реальных учебных кабинетах, знакомства с "железом" в виде кратких установочных лекций и экскурсий, время на которые может быть сокращено. Однако, электронная поддержка таких занятий позволяет:

  • повысить активность и самостоятельность учебной работы студентов;
  • улучшить восприятие учебного материала за счет его мультимедийности;
  • обеспечить полный контроль усвоения материала каждым студентом;
  • облегчить процесс повторения и тренинга при подготовке к экзаменам и зачетам;
  • разгрузить преподавателей от рутины контроля и консультирования;
  • использовать внеаудиторное время для изучения конструкций в виде домашних заданий;
  • внедрить дистанционные формы учебной работы, в том числе в учебных заведениях, имеющих слабую лабораторную базу.

К тому же виртуальный кабинет гораздо проще пополнять новыми агрегатами, чем его реальный прототип, например, из лабораторий других учебных заведений, стапелей заводов и опытно-конструкторских бюро.


Рис. 2. Пример flash-анимации с использованием лупы

Гибридный подход к построению ВУЛ применяют обычно при разработке виртуальных приборов. При этом внешняя атрибутика, в частности панель управления, отображается визуально адекватно ее реальному аналогу, а различные режимы работы исследуются с помощью математических или имитационных моделей, см., например, [10].
Еще одно перспективное направление создания гибридных ВУЛ - имитация типовых лабораторных работ на сложном и уникальном оборудовании, например на аэродинамической трубе. Обычная ситуация при традиционном проведении таких лабораторных работ - все манипуляции с оборудованием проводит штатный сотрудник лаборатории, преподаватель дает пояснения, а студенты наблюдают и, в лучшем случае, проводят обработку результатов экспериментов. Причем эксперимент проводится, как правило, лишь для одного набора исходных параметров, а для других вариантов студентам даются уже готовые результаты.
Следовательно, подготовив компьютерную базу экспериментальных данных для различных исходных параметров и набор видеофрагментов реальных экспериментов, совсем нетрудно разработать виртуальную интерактивную установку для проведения типовых лабораторных исследований с помощью компьютера. Причем, ВУЛ такого типа могут создаваться не только на базе обычных лабораторных стендов, но и как дополнение лабораторий удаленного доступа.
Наиболее же эффективным в дидактическом плане представляется комплексный подход к созданию ВУЛ, когда обеспечивается поддержка обучения на всех этапах познавательного процесса (рис. 3).


Рис. 3. Виртуальная лаборатория как учебный мультимедиа комплекс

На протяжении ряда лет такой подход используется в системе КАДИС (системе Комплексов Автоматизированных ДИдактических средств), разработанной и развиваемой в Центре новых информационных технологий (ЦНИТ) СГАУ. По технологии КАДИС разработаны виртуальные лабораторные практикумы по сопротивлению материалов, механике конструкций, методам оптимизации и геометрического моделирования, конструкции самолетов, материаловедению и термообработке и другим техническим дисциплинам. Ряд из них размещены для свободного доступа на сервере ЦНИТ СГАУ (http://cnit.ssau.ru).

Литература
1. Телематика'2001: Труды Международной научно-методической конференции. - Санкт-Петербург: СПбГИТМО, Москва: ГосНИИ ИТТ "Информика", 2001. - 278 с.
2. Индустрия образования. Выпуск 1. Сборник статей. - М: МГИУ, 2001. - 292 с.
3. Телематика'2002: Труды Всероссийской научно-методической конференции. - Санкт-Петербург: СПбГИТМО, Москва: ГосНИИ ИТТ "Информика", 2002. - 366 с.
4. Соловов А.В. Виртуальные учебные лаборатории: некоторые направления и принципы разработки / Телематика'2002: Труды Всероссийской научно-методической конференции. - Санкт-Петербург: СПбГИТМО, Москва: ГосНИИ ИТТ "Информика", 2002. - с. 304.
5. Кузин Л.П. Основы кибернетики: В 2-х т. Т. 2. Основы кибернетических моделей. Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергия, 1979. - 584 с.
6. Соловов А.В. Информационные технологии обучения в профессиональной подготовке / Высшее образование в России, 1995, № 1. - с. 31-36.
7. Соловов А.В. Проектирование компьютерных систем учебного назначения: Учебное пособие. - Самара: СГАУ, 1995. - 138 с.
8. Соловов А.В. Об эффективности информационных технологий / Высшее образование в России, 1997, № 4. - с. 100-107.
9. Виртуальный учебный класс конструкции самолетов. Перед загл. авторы Соловов А.В., Корольков О.Н., Комаров В.А. и др.: Тезисы докл. Межвузовской научно-методической конференции "Актуальные проблемы развития университетского технического образования в России". - Самара: СГАУ, 2002. - с.299-301.
10. Кревский И.Г. Виртуальные практикумы для открытого образования / Телематика'2002: Труды Всероссийской научно-методической конференции. - Санкт-Петербург: СПбГИТМО, Москва: ГосНИИ ИТТ "Информика", 2002. - с. 299-300.