ОПЫТ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

ПРОГРАММНЫХ ИМИТАТОРОВ В ТЮМГНГУ

К.М.Черезов, М.Д.Гаммер

 

            В современном понимании процесс обучения рассматривается как процесс взаимодействия между учителем и учениками с целью приобщения учащихся к определенным знаниям, навыкам, умениям и ценностям. Структурными компонентами процесса обучения являются средства и методы обучения.   Методы обучения включают цель обучения, способ усвоения и характер взаимодействия субъектов обучения, а средства обучения - это материальные объекты и предметы используемые в учебном процессе в качестве носителей учебной информации и инструмента деятельности педагога и учащихся для достижения поставленных образовательных целей (т.е. реализация методов). В этом смысле средства и методы обучения являются взаимозависимыми, что дает возможность первичной классификации понятия программных имитаторов, как определенных средств обучения, применяемых в определенных методах обучения:

1.     получение теоретических знаний на основе проведения обучающего физического эксперимента (процесса получения и обработки экспериментальных данных)  (Лабораторные работы).

2.     обучение применению полученных знаний при решении комплексных задач, связанных со сферой деятельности будущих специалистов (Курсовое проектирование)

3.     оценка навыков и профессиональных умений специалистов с целью их последующей сертификации или аттестации (Сертификация или аттестация)

4.     практическое изучение устройства, принципа работы, наладки, регулировки оборудования, характерного для осваиваемой профессии (Практикум)

5.     формирование и совершенствование у обучаемых профессиональных навыков и умений, необходимых им для управления материальным объектом (Тренинг, повышение квалификации)

            Проведение обучения на реальных объектах и оборудовании, в свою очередь, часто сопряжено с существенными трудностями технического плана и значительными материальными затратами:

1.     высокой стоимостью учебного оборудования и его эксплуатации;

2.     морально-устаревшим оборудованием, малым спектром имеющегося оборудования по сравнению с условиями производства;

3.     большой удаленностью обучаемого от места расположения учебного оборудования;

4.     высокой опасностью выполняемых работ;

5.     высокой сложностью изменения конфигурации оборудования и параметров среды;

6.     большой длительностью проведения работ;

7.     невозможностью визуального наблюдения внутренней структуры изучаемого оборудования, микро- и макрообъектов и процессов, быстрых или медленных технологических и природных процессов или явлений;

8.     невозможностью визуального наблюдения абстрактных понятий или концепций (например, визуализация накопления усталостных повреждений) и т. д.

9.     сложностью показа и оценки возможных последствий альтернативных условий и направлений деятельности.

10.                       необходимостью «быстрого» обучения, сокращением времени на обучение

            Указанные трудности  проведения обучения на реальных объектах   предопределили появление новых средств обучения —  тренажеров, а наблюдаемый рост вычислительной мощности персональных компьютеров и их доступность позволили использовать компьютер в качестве средства имитации - таким образом появились первые компьютерные тренажеры (1960 гг).

            Поиск и внедрение новых методов и средств обучения привел к тому, что, начиная с 1980 года появились и другие, во многом отличные от компьютерных тренажеров, новые  обучающие инструменты, также использующие вычислительные мощности компьютеров, т. е. компьютерные средства обучения, которые решили  значительную часть заявленных проблем «физического обучения» и, кроме того,  предоставили ряд дополнительных возможностей.

            По мере роста вычислительных мощностей интерес к таким средствам обучения только увеличивается. Материалы международных конференций в области современных средств обучениякаких как International Training and Education Conference (ITEC), The Society for Modeling and Simulation International (SCS), Special Interest Group on Graphics’ and Interactive Techniques  (SigGraph), International Conference on Artificial Reality and Tele-existence свидетельствуют о том, компьютерные средства обучения находят все большее применение в авиации, судовождении, энергетике, вооруженных силах, медицине, космонавтике и тех областях, где проведение физического обучения сопряжено с указанными трудностями, особенно при обучении персонала, занятого на опасных и ответственных участках производства, и у других областях.

            В настоящее время программные имитаторы находят все большее применение в учебных заведениях, т. к. использование имитаторов, исходя из опыта их использования в ТюмГНГУ) значительно увеличивает эффективность сразу по пяти ключевым направлениям:

·         значительное повышения качества обучения;

·         значительное снижение затрат на обучение;

·         снижение времени обучения;

·         возможность  подготовки большего количества обучаемых;

·         снижение опасности при обучении, повышение эффективности охраны труда, промышленной и экологической  безопасности.

 

            Повышение качества обучения при использовании имитаторов складывается из наличия следующего комплекса  факторов:

·         Проведение большего количества работ за тоже время.

·         Обеспечение индивидуальной работы обучаемых.

·         Возможность визуального наблюдения внутренней структуры изучаемого оборудования, микро- и макрообъектов и процессов, быстрых или медленных технологических и природных процессов или явлений.

·         Возможность  визуального наблюдения абстрактных понятий или концепций (например, визуализация накопления усталостных повреждений) и т. д.

·         Возможность изменения конфигурации оборудования и параметров среды.

·         Оценка возможных последствий альтернативных условий и направлений деятельности.

·         Интерес к имитаторам, отсутствие ответственности и опасности, наличие возможности «экспериментировать».

·         Возможность использования имитаторов при самостоятельной работе обучаемых

·         Возможность объективного контроля качества обучения и т.д.

 

            Проведение большего количества работ.             Возможность имитаторов «ускорять время» позволяет выполнять обучение быстрее, т.е. использование имитаторов позволяет выполнение большего количества лабораторных, практических работ, тренинга и т.д. В результате удается более эффективно использовать время при достигнуть большего качества обучения.

            Увеличение доли индивидуальной работы обучаемых. Индивидуальная работа в значительной степени отличается восприятием и запоминанием информации. По мнению Haskett consulting inc. (HCI): "Люди запоминают 20 % того, что они видят, 40 % того, что они видят и слышат и 70 % того, что они видят, слышат и делают". Другими словами повышение качества обучения при использовании имитаторов возникает за счет увеличения эффективности восприятия информации (увеличение % запоминания информации). При использовании реального оборудования для проведения обучения достаточно сложно обеспечить индивидуальную работу с оборудованием каждого обучаемого. Как правило, один человек выполняет работу (управляет оборудованием), остальные записывают, например, показания приборов, не всегда понимая суть процесса. Причины такой ситуации понятны — невозможность предоставления оборудования каждому обучаемому, нехватка времени, для выполнения работы каждым обучаемым индивидуально. В свою очередь, использование имитаторов позволяет, в большинстве случаев, индивидуальное выполнение работы каждым обучаемым при наличии соответствующего количества компьютеров.

            Возможность визуального наблюдения внутренней структуры изучаемого оборудования, микро- и макрообъектов и процессов, быстрых или медленных технологических и природных процессов или явлений. При использовании имитаторов имеется возможность проведения работ с  демонстрацией явлений и процессов, не наблюдаемых на реальном оборудовании в силу высокой опасности или значительной технической трудности.

            Возможность  визуального наблюдения абстрактных понятий или концепций (например, визуализация накопления усталостных повреждений) и т.д. Эта возможность имитаторов предоставляет принципиально новые возможности при обучении и может значительно содействует в понимании информации, что также существенно влияет на качество обучения. 

            Возможность изменения конфигурации оборудования и параметров среды. Например, проведение лабораторного практикума по исследованию влияния различных факторов на КПД редуктора, рассмотренного в данной статье. Использованием имитатора позволяет изучать влияние на КПД  вязкость масла, типа подшипников, степени точности изготовления, передаточного числа и т. д. Как правило реализация таких возможностей при помощи реального оборудования, несмотря на большой познавательный интерес, затруднена значительными трудностями технического плана. Изменение параметров среды, таких как барометрическое давление, температура, относительная влажность атмосферного воздуха и т.д. также является сложной задачей, которая может быть решена с помощью имитатора. Повышение качества обучения с учетом данного фактора достигается за счет лучшей систематизации знаний и понимания большего количества зависимостей.

            Оценка возможных последствий альтернативных действий и альтернативных методов при решении поставленных задач. При использовании имитаторов обучаемые могут, в случае необходимости, экспериментировать, что вызывает дополнительный интерес и стимул к обучению. Это косвенно увеличивает эффективность обучения. Также этому способствует изначальный интерес специалистов к имитаторам, отсутствие ответственности и опасности. Это объясняется элементарным «любопытством», желанием экспериментировать и стремлением к исследованиям. Даже для опытного персонала ответ на вопрос «что будет, если» часто представляет большой интерес.  В целом, указанные факторы увеличивают мотивацию к обучению, что, как известно, существенно влияет на качество обучения.

            Использование имитаторов при самостоятельной работе обучаемых также предоставляет дополнительные преимущества и возможности улучшения качества обучения. Использование имитаторов как элементов курсов в LMS — системах (системах дистанционного обучения) позволяет производить запуск имитаторов из дома, работы, общежития, и их любого места, где есть выход в сеть интернет. Такая возможность  использования имитаторов в «самостоятельном» обучении  представляет значительный в решении вопроса повышения качества обучения.

            Возможность объективного контроля качества обучения. Использование имитаторов дает возможность объективного определения и точной оценки объема знаний, умений и навыков, как в  комплексе, так и по отдельности (только знаний или только навыков). Кроме объективного контроля обучения, использование имитаторов позволяет выявлять изменения в ходе обучения, вопросы, требующие дополнительного изучения и т.д.

            Множество дополнительных возможностей использования имитаторов заключаются в новой области применения компьютерных средств- технологии формирования виртуальной реальности (VR). В настоящее время нет единого определения термина виртуальная реальность, так как в различных источниках VR определяется по-разному. В целом, виртуальная реальность – модельная трехмерная (3D) окружающая среда, создаваемая компьютерными средствами и реалистично реагирующая на взаимодействие с пользователями (http://dlc.miem.edu.ru/newsite.nsf/docs/CSD309), а система формирования  виртуальной реальности – это система, обеспечивающая генерацию модели реальности в соответствии с математической моделью этой реальности при помощи программных средств [1].  Суть заключается в том, что при подаче на основные органы восприятия пользователя (зрительных, слуховых, тактильных, обонятельных) программно управляемых  воздействий, а также обеспечении реалистичной реакции моделируемой среды на производимые действия  появляется эффект личного участия пользователя в наблюдаемой виртуальной среде. Главное отличие систем виртуальной реальности от прочих технологий (видеоряд, 2D, 3D графика и проч.) состоит именно в том, что VR обеспечивает эффект личного присутствия и личного участия пользователя (т.е. пользователь не ощущает разницы между действиями в реальности и действиями выполняемые в системе VR). Системы VR способны реализовать принципиально новый и очень эффективный способ передачи информации с глубокой, на уровне подсознания, степенью воздействия на пользователя.  Глубина закрепления информации в несколько раз превосходит традиционные способы [2]. Эти и другие качества систем VR имеют большую значимость при использовании имитаторов, что дополнительно подтверждается опытом ТюмГНГУ [2,3] (рисунок 1,2).

 

 

 

Рисунок 1. Использование устройств формирования виртуальной реальности

 

Рисунок 2. Пример того, что видит обучаемый, демонстрация управления при помощи двух виртуальных перчаток.

            В качестве примера можно привести имитатор, разработаный в НИИ Электронных образовательных ресурсов ТюмГНГУ (http://cde.tsogu.ru) и внедренный в учебный процесс для проведения лабораторных работ, выполняемых в рамках учебной дисциплины “Детали машин”. Цель лабораторной работы – определение коэффициента полезного действия (кпд) редуктора двумя способами, «Экспериментальным» и «Расчетным». Для  экспериментального способа имитируется стенд для испытания передач, возможности которого позволяют выполнять необходимое исследование кпд цилиндрического редуктора, а именно получать данные для  построения графиков зависимости кпд:

·   от скорости вращения n; , при ;

·   от нагрузки T; , при ;

·   от дополнительного параметра передачи, указываемого в задании на выполнение работы (сорта смазки, степени точности передачи, чисел зубьев колес, типа подшипников и т.п.).(Таблица 1,2).

            Затем, выполняется исследование кпд «Расчетным» способом, т. е. Определяется ориентировочное значение кпд редуктора по упрощенным формулам с использованием табличных значений кпд зубчатой цилиндрической пары и пары подшипников, проведится анализ результатов, формируются  выводы, подготавливается и защищается отчет.

            Устройство и работа имитируемого стенда. Стенд смонтирован на плоском металлическом основании и состоит из узла электродвигателя с тахометром,  испытуемого редуктора  – он условно показывается в разрезе, нагрузочного устройства – ленточного тормоза.      Узел электродвигателя смонтирован на литом кронштейне, закрепленном на основании стенда. Статор электродвигателя может свободно поворачиваться в шариковых подшипниках, установленных в литом кронштейне, относительно оси, общей с якорем электродвигателя. Вал якоря электродвигателя одним концом соединен через муфту с входным валом редуктора. На лицевой стороне литого кронштейна смонтировано измерительное устройство, состоящее из рычага, штока и датчика с пружиной. При включении электродвигателя реактивный момент статора (равный по абсолютному значению моменту на валу якоря) поворачивает статор. Рычаг, закрепленный на статоре, упирается в подпружиненный шток датчика, который и удерживает статор от поворота. Сигнал от этого датчика для измерения крутящего момента, передаваемого с двигателя на редуктор, после обработки отображается на левом стрелочном приборе (“Момент двиг.”) и числовым индикатором Tдв.  Так на стенде измеряется крутящий момент, передаваемый с двигателя на редуктор.

Испытуемый редуктор состоит из двух цилиндрических передач. Его корпус условно сделан из полупрозрачного материала и показывается в разрезе.

Нагрузочное устройство представляет собой ленточный тормоз, и служит для создания рабочей нагрузки на редуктор – тормозного момента на его выходном валу. Величина тормозного момента задаётся тумблером–регулятором нагрузки. При этом сильнее или слабее растягивается пружина, что видно и на мониторе.

В левой части стенда установлена панель с органами управления: Выключатель питания стенда; Тумблер-регулятор частоты вращения двигателя; Тумблер-регулятор нагрузки (крутящего момента тормоза).

Измерительные приборы: стрелочные приборы (“Момент двигателя”, “Мощность двигателя”, и “Обороты тормоза”); приборы цифровой индикации (“nдв – обороты двигателя”, “Tдв – момент двигателя”, “Pдв – мощность двигателя”, “nторм – обороты тормоза”,“Tторм – момент тормоза ”)

Таблица 1. Техническая характеристика виртуального стенда (для цилиндрического редуктора):

Характеристика испытываемых редукторов

Тип редуктора

двухступенчатый цилиндрический соосный

Межосевое расстояние                        

 

aw = (90 ÷ 160) мм

Числа зубьев зубчатых колес

первой ступени  

второй ступени           

z1 = (30 ÷ 35),    z2= (60 ÷ 65);

z1 = (20 ÷ 35),    z2= (40 ÷ 50).

Ширина колеса                                      

первой ступени      

второй ступени      

b12 = (16 ÷ 60) мм;

b23 = (20 ÷ 80) мм.

Характеристика электропривода

Частота вращения вала электродвигателя (входного вала редуктора)

n1 = (500, 1000, 1500, 2000, 2500 и 3000) об/мин

Максимальный крутящий момент на валу двигателя    

T1 = 15 Н*м

Характеристика нагрузочного устройства

Тормозной момент на барабане ленточного тормоза

(Его можно изменять только дискретно с шагом 1 Н*м)

Т2 = (0 ÷ 40) Н*м.

 

Таблица 2. Варианты заданий на проведение испытаний и исследования цилиндрического редуктора                                                                        

Параметры

редуктора

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

Межосевое расстояние      aw=

Числа зубьев колёс:

Шестерни 1-ой ступени     z1=

Колеса 1-ой ступени          z2=

Шестерни 2-ой ступени    z1*=

Колеса 2-ой ступени         z2*=

100

 

30

60

25

42

100

 

35

65

22

50

125

 

30

60

22

50

125

 

35

63

20

42

140

 

30

63

25

45

140

 

33

60

20

42

160

 

30

61

21

50

160

 

31

60

24

40

Ширина колеса:

1-ой ступени     b12=

2-ой ступени     b23=

Степень точности редуктора

Тип подшипников

 

20

30

6

Ш

 

30

50

7

Ц

 

20

30

8

К

 

30

60

9

Ш

 

20

30

6

Ц

 

50

70

7

К

 

25

40

8

Ш

 

50

80

9

К

Кинематическая вязкость

масла (м2/с)        ν=

10-5

20·10-6

30·10-6

50·10-6

10-5

 

 

Специальный вопрос:

 

 

Исследовать влияние на КПД

 

 

степени точности редуктора

типа подшипников

вязкости масла

ширины колес первой ступени

ширины колес второй ступени

межосевого расстояния

чисел зубьев колес первой ступени

чисел зубьев колес второй ступени

(Тип подшипников: ШШариковые, Ц – с Цилиндрическими роликами, К – с Коническими роликами)

 Рисунок . Виды рабочего экрана имитатора.

 

   

 Рисунок. Виды рабочего экрана имитатора — ввод параметров исследуемого редуктора.

            При выполнении работы на реальном оборудовании затраты времени на указанные исследования приведены в таблице 1. К указанному времени, необходимому для подготовки эксперимента, необходимо прибавить время проведения непосредственно самого эксперимента, т. е. по 10 минут на оценку влияния каждого из 8 факторов , что дает в результате (5 ч. 30 мин. + 10 мин. * 8 = 6 часов 50 минут). Затраты времени на проведения аналогичных действий при помощи имитатора складываются (как и для реального оборудования) из непосредственно времени эксперимента, т.е. 10 минут на оценку влияния каждого из 8 факторов, но временные затраты на подготовку практически отсутствуют (меньше 1 минуты),  что дает в результате (10 мин. * 8 = 1 час 20 минут). В результате, проведения данной лабораторной работы на имитаторе, сокращает потери времени  более чем в 5 раз (410 минут / 80 минут).

Таблица 1.  затраты времени при выполнении лабораторной работы на реальном оборудовании

влияние на КПД

выполняемые операции

необходимое время

1. степени точности редуктора

слив масла, разборка, выпрессовка подшипников, замена элементов (сборка), залив масла

1 час

2. типа подшипников

1 час

3. вязкости масла

слив масла, промывка, залив масла

20 минут

4. ширины колес первой ступени

слив масла, разборка, выпрессовка подшипников, сборка, залив масла (для 1 ступени)

 40 минут

5. ширины колес второй ступени

6. меж-осевого расстояния

слив масла, разборка, выпрессовка подшипников, сборка, залив масла

1 час

7. чисел зубьев колес первой ступени

слив масла, разборка, выпрессовка подшипников, сборка, залив масла

40 минут

8. чисел зубьев колес второй ступени

40 минут

 

 

5 часов 30 минут

 

В целом, опыт создания и использования имитаторов в ТюмГНГУ показал наличие разнообразных и значительных преимуществ при использовании имитаторов для повышения качества обучения.          

 

 

 

 

1.      Системы виртуальной реальности. Образовательный портал московского государственного института электроники и математики [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа:  http://dlc.miem.edu.ru/newsite.nsf/docs/CSD309

2.      Сызранцев В.Н., Гаммер М.Д. Компьютерные тренажеры для обучения студентов нефтегазового направления / М.Д. Гаммер, К.М. Черезов // Бурение и нефть, 2006. - №10. - С.34 – 36.

3.      Сызранцев В.Н., Гаммер М.Д. Разработка и внедрение компьютерных тренажеров на кафедре МОНиГП в ТюмГНГУ / В.Н. Сызранцев, М.Д. Гаммер // Сборник уч.-мет. мат./ сост. М.М. Афанасенкова, Н.А. Аксенова. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2005 - С.134-138.