Информатизация инженерного образования (выпуск 1)

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

туры специальных дисциплин и поэтому сосредоточивает внимание на разработке лабораторного оборудования преимущественно для общеобразовательных дисциплин (физика, химия, механика и ряд других).

Таким образом, существующий в настоящее время в большинстве учебных заведений лабораторный практикум по разным причинам слабо соответствует возлагаемым на него образовательным функциям и нуждается в принципиальной реорганизации.

12.1.5. Виды лабораторных практикумов

Проанализируем, как перечисленные выше образовательные функции реализуются в различных видах существующих лабораторных практикумов и какова в этой связи степень их эффективности. В качестве базы для сопоставления представим некоторый гипотетический «идеальный» лабораторный практикум на конкретном примере из дисциплины «Электротехника».

«Идеальный» лабораторный практикум должен был бы выглядеть следующим образом:

•оборудование, применяемое в учебной лаборатории:

-электрические машины постоянного и переменного тока различных типов,

-источники электропитания постоянного и переменного тока на различные выходную мощность, частоту, напряжение,

-измерительные приборы различных видов и типов (амперметры, вольтметры, ваттметры, фазометры и пр.),

-исполнительные механизмы, регуляторы и нагрузочные устройства различных видов и типов и другие необходимые атрибуты проведения экспериментальных исследований;

•в соответствии с полученным индивидуальным заданием и предварительно освоенными теоретическими знаниями об объекте учащийся выбирает из множества предоставленного в его распоряжение лабораторного оборудования только то, которое необходимо для выполнения его индивидуального задания;

•на лабораторном стенде учащийся самостоятельно собирает лабораторную установку и проводит эксперимент, в результате чего он получает возможность активных самостоятельных действий с реальным оборудованием и приборами.

Однако на практике такой идеальный подход никогда не применяется, поскольку требует много свободного оборудования и времени для своей реализации, высок риск порчи оборудования из-за неумелых действий плохо подготовленных студентов.

Традиционный лабораторный практикум — это, как правило, набор практически готовых, полностью смонтированных лабораторных стендов, предназначенных для экспериментального изучения базовой совокупности объектов по данной учебной дисциплине.

Учащийся в лучшем случае выполняет рутинные операции изменения напряжений, переключения отдельных приборов, цепей и т.п. При этом учащийся лишается главного — самостоятельной постановки эксперимента, выбора приборов и оборудования (за него уже все выбрано и поставлено).

Кроме того, в реальных условиях постановка лабораторного практикума сталкивается с организационными, техническими и экономическими трудностями. Так, с позиции эффективности усвоения материала было бы наиболее целесообразно

413

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

после изложения теоретической части по каждому разделу дисциплины сразу же закрепить именно этот материал лабораторным практикумом. Однако лекция, как правило, читается для 100—150 слушателей, а возможности учебной лаборатории в лучшем случае рассчитаны на 6—12 рабочих мест, что не обеспечивает потребности даже одной учебной группы.

Вынужденно приходится на одном лабораторном стенде реализовывать бригадное выполнение лабораторной работы (по 2—4 человека в бригаде). Эффективность такого метода чрезвычайно низка, поскольку в каждой такой бригаде работу выполняет один студент, который является лидером конкретного мини-коллектива. Остальным студентам достаются рутинные, вспомогательные операции (фиксация в протоколе результатов измерений, построение графиков и т.д.), не способствующие ни приобретению практических навыков работы с реальным оборудованием, ни усвоению существа изучаемых процессов. Тем самым нарушается одна из главных образовательных функций лабораторного практикума — самостоятельность практического освоения реальной техники.

Другие учебные группы общего потока обучаемых в лучшем случае с задержкой в 2—4 недели смогут приступить к выполнению лабораторных работ, т.е. происходит разрыв во времени между теоретическим, практическим и экспериментальным изучением материала, что также не способствует эффективности его усвоения.

Демонстрационный лабораторный практикум является одной из вынужденных форм проведения лабораторных занятий на уникальном лабораторном оборудовании, существующем в единичных экземплярах.

Обычно такое случается, когда объект изучения слишком громоздок, дорог или энергоемок, чтобы его можно было многократно тиражировать для одновременного (фронтального) выполнения работ. В то же время создание уменьшенных физических моделей по каким-то причинам признано нецелесообразным. Например, считается, что масштабное «искажение» изучаемого объекта уводит учащихся из реального мира в его виртуальное отражение и наносит тем самым вред образовательному процессу. Это заблуждение! Если в процессе масштабирования были соблюдены критерии подобия, то можно быть уверенным, что изучаемые физические процессы не искажены. Именно это главное в образовательном процессе. А работу реального станка, домны, прокатного стана, электростанции можно изучить в процессе учебной практики или учебного видеофильма. Будущему специалисту важнее не их внешний облик (он со временем может стать совершенно другим), а понимание принципа действия и рабочих процессов, которые меняются значительно реже.

Демонстрационный лабораторный практикум обычно проводится опытным преподавателем. Учащимся в основном отводится роль пассивных наблюдателей. При этом не реализуются главные образовательные функции лабораторного практикума (выбор приборов и оборудования, активные действия с объектом изучения), кроме одной — знакомства с работой реального оборудования. Но ценность этого весьма сомнительна — смена лабораторного оборудования в учебных заведениях происходит так редко, что реально приходится знакомиться с работой уже устаревшего оборудования, которое, как правило, давно снято с производства и эксплуатации.

414

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

Таким образом, проведение демонстрационных лабораторных работ следует расценивать как вынужденную и временную меру, отражающую трудности создания современного эффективного учебного лабораторного оборудования.

Виртуальный лабораторный практикум представляет собой один из прогрессивно развивающихся видов проведения лабораторных занятий, суть которого заключается в замене реального лабораторного исследования на математическое моделирование изучаемых физических процессов, но с элементами виртуального взаимодействия учащегося с лабораторным оборудованием. В зависимости от используемой программной инструментальной среды можно создать хорошую иллюзию работы с реальными объектами.

Различают две принципиальные разновидности виртуальных лабораторных практикумов:

•полностью модельный лабораторный практикум, который от постановки до получения результатов реализуется средствами универсальных или специально разработанных компьютерных моделей;

•полунатурный лабораторный практикум, который в своей постановке опирается на модельные средства, а результаты берутся из базы данных реально проведенных экспериментов.

Возможности современных имитационных компьютерных моделей создают полную иллюзию работы с реальным оборудованием. В таком подходе есть положительный момент, позволяющий реализовать каждому обучаемому свои индивидуальные творческие способности. Находясь в виртуальной лаборатории, можно выбрать виртуальные приборы и оборудование, собрать на виртуальном стенде схему эксперимента по своему индивидуальному заданию, провести поисковое моделирование исследуемого физического процесса при различных заданных параметрах и ограничениях, обработать результаты исследования, не затрачивая усилий на рутинные расчеты и графические построения.

Получение из базы данных результатов реальных экспериментов не несет нового в образовательный процесс, так как обучаемому необходимо наблюдать реакцию лабораторного оборудования именно на свои, пусть даже ошибочные действия, которые впоследствии можно осмыслить, сделать поправку и провести повторный эксперимент. А когда на все его действия компьютерная система «подставляет» единственно правильный результат, полученный опытным преподавателем, учащийся начинает понимать, что его не учат, а «красиво обманывают», и теряет интерес к творческому поиску решений.

Таким образом, компьютерное моделирование изучаемых физических процессов является обязательной компонентой современного образовательного процесса, но оно не может полностью заменить реальный лабораторный практикум.

Удаленный лабораторный практикум — это один из перспективных видов организации лабораторных занятий, рекомендуемый для самостоятельного обучения в системе открытого технического образования [12.1, 12.2]. Его суть заключается в обеспечении коллективного доступа удаленных пользователей по компьютерным сетям к автоматизированным учебным стендам (комплексам), размещенным в базовых ресурсных центрах подготовки специалистов.

Лабораторное оборудование и программно-методические средства этого типа позволяют по индивидуальному заданию обучаемого выбирать объект изучения

415

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

из предлагаемого множества альтернатив, настраивать его параметры, конфигурировать заданную схему и режимы проведения эксперимента, обрабатывать результаты эксперимента и проводить их строгую математическую оценку. Здесь в полном объеме реализуется комплекс образовательных функций, возложенных на лабораторный практикум.

Оппоненты удаленного лабораторного практикума усматривают в нем тот недостаток, что реальный объект изучения и все лабораторное оборудование недоступны учащемуся в прямом физическом контакте.

Следовательно, нарушается одна из основных образовательных функций лабораторного практикума — приобретение навыков самостоятельной практической работы с реальным оборудованием. Есть несколько возражений по этому вопросу:

•прямой физический контакт с объектом изучения важен преимущественно

втренажерах, где он объективно необходим для выработки координации движений при сложном ручном управлении (например, автомобиля). В большинстве других случаев прямой контакт практически ничего не дает в познании объекта. Изучаемые физические процессы (электрические, магнитные, тепловые, гидродинамические и пр.), как правило, скрыты за внешней оболочкой объекта и недоступны для прямого восприятия через органы чувств человека, поэтому прямой контакт бесполезен;

•с момента появления первых средств автоматизации оператор управления был постепенно выведен (удален) из контура прямого управления объектом и со временем заменен управляющей вычислительной машиной, поскольку органы чувств и реакция оператора перестали удовлетворять требованиям чувствительности, точности, быстродействия и многоканальности управления. Поэтому процесс удаления оператора (экспериментатора) от объекта управления (изучения) с переходом на дистанционные формы управления является объективной тенденцией времени;

•современное промышленное производство строится на основе автоматизированных систем управления. Инженер-технолог контролирует технологические процессы не в цеху, а из диспетчерской. Дистанционный мониторинг реального производства является его основой, и подготовка специалистов, владеющих технологиями дистанционного доступа к техническому оборудованию, становится актуальной задачей.

Проведенный анализ существующих лабораторных практикумов показывает, что практически в каждом учебном заведении используется не объективно необходимая, а случайным образом сформированная лабораторная база, которая не позволяет осуществлять единую государственную систему подготовки технических специалистов. Объективно напрашивается пересмотр сложившейся практики проведения лабораторных исследований и создание нормативных документов, регламентирующих внедрение концепции и лабораторного оборудования нового поколения.

12.1.6.Формы реализации учебного лабораторного оборудования

Взависимости от назначения, возлагаемых функций и способов реализации различают следующие формы учебного лабораторного оборудования: учебные тренажеры, учебные лабораторные стенды, учебно-методические комплексы.

416

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

Учебные тренажеры являются одной из форм учебного лабораторного оборудования, предназначенной для выработки у обучаемого (оператора):

•координации и активизации собственных физических возможностей в ответ на совокупность внешних возмущений и контролируемых факторов (манипуляционные тренажеры);

•навыков выявления дефектов в типовом оборудовании (диагностические тренажеры);

•реакции на изменение совокупности наблюдаемых технологических процессов (мониторинговые тренажеры).

В свою очередь, по способам реализации различают тренажеры:

•натурные, выполняемые на основе реальных объектов, которые оператору предстоит обслуживать. Классический пример натурного тренажера манипуляционного типа — учебный автомобиль, используемый для подготовки водителей. Такой тренажер невозможно заменить никакими компьютерными моделями, поскольку обучаемый обязан научиться чувствовать реальные органы управления

(руль, рычаги переключения передач и световых приборов, педали сцепления, торможения, газа и т.п.) в реальных условиях сложного уличного движения (пешеходы, обгоны, светофоры и пр.);

•полунатурные, представляющие собой комбинацию реального оборудования в той части, которая непосредственно контактирует с оператором, и компьютерных моделей, предназначенных для формирования возмущающих и тестовых воздействий. Классическим примером полунатурного тренажера манипуляционного типа является тренажер для подготовки пилотов. Реальная кабина самолета

среальными приборами и органами управления дополняется мощными компьютерными моделями, имитирующими изменение положения «самолета» в трехмерном пространстве в зависимости от действий обучаемого пилота с отображением карты местности на компьютерном мониторе. Подобные тренажеры особенно необходимы для обучения режимам взлета и захода на посадку в аэропортах повышенной загрузки и горных аэродромах, т.е. в условиях повышенной аварийности.

Другим примером полунатурных тренажеров диагностического типа является серия учебных тренажеров фирмы ElettronicaVeneta (один из ведущих европейских производителей учебной техники). Тренажеры этого типа содержат препарированное бытовое оборудование (телевизор, видеомагнитофон, телефон, холодильник, стиральную машину и пр.), имеющие ручной или компьютерный ввод типовых дефектов. Задача обучаемого заключается в диагностике заданного преподавателем дефекта на основании показаний измерительных приборов. Таким образом можно эффективно готовить мастеров по ремонту бытового оборудования в школьных УПК, ПТУ, специальных центрах подготовки;

• модельные, которые как правило, полностью реализуются средствами компьютерных моделей. Одним из примеров модельного тренажера мониторингового типа являются компьютерные тренажеры для обучения диспетчерского персонала.

Учебные лабораторные стенды — это принципиально иная (по сравнению с тренажерами) форма реализации учебного лабораторного оборудования, предназначенная для экспериментального исследования физических процессов и технических показателей изучаемых объектов (рис. 12.1).

417

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

Рис. 12.1. Поколения лабораторного оборудования

Если рассматривать любой объект изучения как «черный ящик», то классическими приемами его исследования являются: подача на входы объекта совокупности тестирующих сигналов и точная количественная оценка реакции объекта по совокупности выходных показателей. В зависимости от способов реализации различают следующие типы лабораторных стендов.

Специализированные лабораторные стенды (стенды первого поколения — рис. 12.2) представляют собой совокупность приборов, источников питания, источников тестирующих сигналов, исполнительных механизмов, технологических приспособлений для крепления, нагрузки, отобранных специально для исследования

конкретного и единственного объекта изучения.

Как правило, на стендах первого поколения использовались стрелочные измерительные приборы и простейшие ручные средства управления объектом (реостаты, латры, контакторы и пр.). Такой примитивный по сегодняшним меркам арсенал не позволял ставить серьезных исследовательских задач. Обучение сводилось к снятию статических характеристик, причем основное внимание уделялось технологии получения экспериментальных данных и последующей их «ручной» обработке.

Достоинством такого подхода считается целевой отбор всего лабораторного оборудования для решения узкого перечня задач единственного объекта изучения, что исключает избыточность и, следовательно, обеспечивает минимальную стоимость лабораторного оборудования в пересчете на один стенд.

Недостатков у такого лабораторного оборудования значительно больше:

•очень трудно реализовать фронтальное проведение работ, так как требуется большое количество стендов;

•по этой же причине ограничивается перечень объектов экспериментального исследования;

418

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

Рис. 12.2. Пример реализации лабораторного стенда первого поколения

• практически невозможно изучать переходные процессы и режимы многоканального управления из-за ограниченности возможностей средств измерения

иуправления;

•значительно увеличиваются требуемые площади лабораторных помещений.

Универсальные лабораторные стенды (стенды второго поколения — рис. 12.3), в отличие от специализированных стендов, предназначены для исследования группы сменных объектов изучения.

Лабораторный стенд второго поколения содержит инвариантную (общую для всех объектов) часть (измерительные приборы, источники сигналов, блоки питания и т.п.) и специальное оборудование, предназначаемое для каждого сменного объекта (сам сменный объект, специальные приспособления, исполнительные механизмы и пр.).

На лабораторных стендах второго поколения, как правило, используются универсальные цифровые измерительные приборы, осциллографы, а также более совершенные средства управления в виде полупроводниковых регуляторов, полуавтоматических исполнительных механизмов и т.п. Более совершенный арсенал лабораторных средств позволил освободить обучаемых от ряда рутинных операций и направить их усилия на изучение содержательной части исследуемых физических процессов.

Достоинства такого подхода — значительное (практически на порядок) сокращение количества требуемых стендов и стендового оборудования (а следовательно, и занимаемых площадей), упрощение его обслуживания, упрощение реализации фронтального метода выполнения лабораторных работ (на все имеющиеся стенды можно одновременно поставить один и тот же объект изучения).

419

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

Рис. 12.3. Пример реализации лабораторного стенда второго поколения

Недостатки суть следствие универсальности и сменности оборудования: любое универсальное оборудование, как правило, более сложное, дорогое и избыточное, а при частой его смене уменьшаются сроки безотказной работы, т.е. увеличиваются эксплуатационные расходы.

Автоматизированные лабораторные стенды (стенды третьего поколения — рис. 12.4) являются принципиальным шагом вперед, поскольку на этом этапе в составе лабораторного оборудования впервые появились интеллектуальные средства обработки данных и многоканального управления объектом в реальном времени проведения эксперимента.

Учебный лабораторный стенд третьего поколения превратился в автоматизированное рабочее место (АРМ), содержащее управляющую вычислительную машину (УВМ) и устройства ее сопряжения с объектом (УСО). В большинстве случаев измерительные приборы как таковые отсутствуют. Их функции выполняют датчики соответствующего типа, подключенные к входным каналам УСО, выполненным в виде набора стандартных модулей сопряжения (коммутаторы входных каналов, счетчики импульсов, входные регистры, аналого-цифровые преобразователи — АЦП и др.). Управление объектом передается УВМ и реализуется исполнительными механизмами через выходные модули УСО (цифроаналоговые преобразователи — ЦАП, программируемые таймеры, выходные регистры и т.п.).

420

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

Рис. 12.4. Пример реализации лабораторного стенда третьего поколения

В корне изменились функции экспериментатора. Он удаляется из контура непосредственного управления объектом и превращается в оператора УВМ. Его задача сводится к формированию программы проведения эксперимента и оценке результатов. Экспериментатор полностью освобождается от всех рутинных операций (ручное поддержание режима проведения эксперимента, съем и запись показаний приборов, обработка результатов, построение зависимостей — все это делает УВМ) и может сосредоточиться на творческих вопросах поиска оптимальных или экстремальных решений.

Достоинствами лабораторного оборудования третьего поколения являются, как уже говорилось, полное исключение рутинных операций и использование всего отведенного времени на реализацию индивидуальных творческих решений. Появляется также возможность предварительного моделирования исследуемых физических процессов, что делает процедуру экспериментального поиска более осмысленной и продуктивной. Можно исследовать как статические, так и динамические показатели объектов в режимах многоканального управления по весьма сложным алгоритмам.

Главный недостаток, пожалуй, состоит в неэффективном использовании средств вычислительной техники. Действительно, подключение к каждому лабораторному стенду персонального компьютера со средствами сопряжения (УСО) слишком дорого, если к тому же учесть, что коэффициент загрузки такого оборудования в течение учебного года чрезвычайно низок.

421

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

Лабораторные стенды удаленного коллективного доступа (стенды четвертого поколения — рис. 12.5) являются попыткой преодолеть главный недостаток лабораторного оборудования предыдущего поколения, сохранив все его преимущества.

Технически суть сводится к возложению на УВМ автоматизированного лабораторного стенда третьего поколения дополнительных функций сервера удаленного доступа. В этом случае открывается возможность коллективного доступа к одному лабораторному стенду многих пользователей по компьютерным сетям практически без ограничения расстояний.

Достоинства такого подхода очевидны:

•значительно (на порядки) сокращается количество требуемого лабораторного оборудования, лабораторных площадей, обслуживающего персонала;

•полностью исключаются рутинные операции и открываются возможности для творческого индивидуального подхода;

•практически снимаются временные′ ограничения проведения лабораторных исследований, поскольку лабораторные стенды этого типа можно держать в круглосуточном рабочем режиме.

Рис. 12.5. Пример реализации лабораторного стенда четвертого поколения

422