Разработка мультимедийных учебно-научных лабораторий и их использование в инженерном образовании являются перспективным направлением в обучении современным высоким технологиям, подготовке высококвалифицированных научных кадров и отраслевых специалистов, а также повышении квалификации инженерно-технических работников и сотрудников предприятий промышленного сектора.

Электронные образовательные ресурсы на основе современной компьютерной трехмерной симуляции физических процессов и явлений реализуются в форме мультимедийных учебно-научных лабораторий или виртуальных тренажеров. Новизна технологии виртуальных тренажеров аргументируется использованием современных средств компьютерного моделирования и активным внедрением информационных технологий в сферу образования как нового трансдисциплинарного направления [3]. Сформулируем основные причины использования технологии виртуальных тренажеров:

‒     существующие лабораторные стенды и мастерские недостаточно оснащены современными приборами, устройствами и аппаратами;

‒   лабораторных стендов и учебных мастерских введены в действие после списания с производства, не отвечают современным требованиям и морально устарели, что может искажать результаты опытов и служить потенциальным источником опасности для обучающихся;

‒  лабораторные работы и стенды требуют ежегодного усовершенствования, которое приводит к дополнительным финансовым затратам;

‒  в таких областях как, например, строительное материаловедение или физическая химия, кроме оборудования требуются также расходные материалы – сырье, реактивы и др., стоимость которых достаточно высока. Разумеется, компьютерное оборудование и программное обеспечение также стоят недешево, однако универсальность компьютерной техники и ее широкая распространенность компенсируют этот недостаток;

‒  современные компьютерные технологии позволяют пронаблюдать процессы, трудноразличимые в реальных условиях без применения дополнительной техники, например, из-за малых размеров наблюдаемых частиц;

‒ виртуальные тренажеры дают возможность моделирования процессов, протекание которых принципиально невозможно в лабораторных условиях;

‒  виртуальные тренажеры дают возможность проникновения в тонкости процессов и наблюдения происходящего в другом масштабе времени, что актуально для процессов, протекающих за доли секунды или, напротив, длящихся в течение нескольких лет;

‒       безопасность – является немаловажным плюсом использования виртуальных лабораторий в случаях, где идет работа, например, с высокими напряжениями или химическими веществами;

‒     из-за инерционности работы или процессов на некоторых лабораторных установках за отведенное для них время, трудно проводить повторные анализ или проверку;

‒  приобретение слушателями достаточных навыков и опыта работы в определенной области требует необходимости повторения занятий, что не всегда выполняется во избежание частых поломок установок и дополнительных затрат на расходные материалы;

‒   виртуальные тренажеры являются высокоэффективным методом обучения, что обусловлено низким уровнем абстракции содержащегося в них учебного материала, иными словами, виртуальная среда обучения в мультимедийных учебно-научных лабораториях максимально имитирует реальные условия.

Наглядное сравнение различных техник обучения, в том числе имитации реальной деятельности, дает «Конус обучения» профессора государственного университета штата Огайо – Эдгара Дейла, представленный на рис. 1.

 

Рис. 1. «Конус обучения» Эдгара Дейла (1900-1985)

Учитывая вышеизложенные факты, возникает необходимость введения такого нового, эффективного и доступного педагогического метода (методики), который способствовал бы решению следующих задач:

‒     инициировать достаточно большой интерес у слушателей наряду с доступностью для них, тем самым повысить активность и самостоятельность их учебной работы;

‒  привлечь внимание слушателей, учитывая их психологические особенности улучшить восприятие учебного материала за счет его мультимедийности;

‒      обеспечить полный контроль усвоения материала каждым слушателем;

‒      облегчить процесс повторения и тренинга при подготовке к экзаменам и другим формам контроля знаний;

‒      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.

Именно с этой точки зрения внедрение информационных технологий способствует оптимальному решению вышеназванных задач и устранению ряда недостатков традиционного способа обучения. Эти вопросы во всей полноте можно решать с помощью мультимедийных учебно-научных лабораторий, создаваемых на компьютерах [4, 5].

Виртуальный тренажер представляет собой программный комплекс, позволяющий проводить физические опыты на компьютере без непосредственного контакта с реальной лабораторной установкой или стендом. В виртуальных тренажерах динамика процессов реализуется посредством компьютерной анимации – комплекса методов отображения каких-либо объектов во времени. Процессы формирования понятий при помощи анализа, сравнения, выделения существенных признаков и других логических операций воспроизводятся специалистом, разрабатывающим анимацию, в образной форме, и интерактивно выводятся на дисплей компьютера в строго определенных последовательностях. Мультимедийная учебно-научная лаборатория, как правило, сочетает в себе имитационную динамическую модель оборудования и программную оболочку, включающую методическое сопровождение лабораторной работы [6]. Динамическая модель формируется из совокупности элементов управления, позволяющих регулировать конкретные входные параметры и считывать выходные параметры опыта, тем самым имитируя протекание физических процессов.

На рис. 2 представлена принципиальная схема процесса обучения с применением виртуального тренажера.

 

Рис. 2. Учебный процесс с применением виртуального тренажера

Как показано на схеме, компьютерный тренажер включает в себя совокупность программных и аппаратных средств, позволяющих осуществлять  процесс обучения без непосредственного взаимодействия человека и реальной лабораторной установки. Аппаратные возможности тренажера – это современный персональный компьютер, оснащенный качественными устройствами ввода/вывода информации. Программные средства – это математически обоснованная виртуальная модель, включающая в себя систему графической визуализации, звуковое сопровождение и текстовую информацию [7]. Ввод и вывод информации осуществляется согласно разработанному алгоритму – программному коду виртуальной модели.

В процессе обучения пользователь проходит основные этапы познавательной деятельности:

‒       восприятие, первоначальное знакомство;

‒       осмысление, закрепление, контроль знаний;

‒       формирование профессионально-ориентированных умений и навыков;

‒       развитие интуиции.

С развитием компьютерной графики стало возможным создавать высокореалистичные трехмерные модели лабораторных установок, станков, приборов и прочих объектов. Модели изготавливаются в строгом соответствии с чертежами типового оборудования и полностью отражают его конструктивно-функциональное назначение. Примеры трехмерных моделей типового лабораторного строительного оборудования приведены на рис. 3.

 а б в

Рис. 3. Точные трехмерные модели оборудования лаборатории строительного материаловедения: а – вибрационная площадка, б – бетоносмеситель, в – шаровая мельница

При создании виртуального тренажера разработчик применяет методы имитационно-численного моделирования и выполняет ряд рабочих этапов:

1. Изучение физики исследуемых процессов, установление входных и измеряемых параметров. На данном этапе работы необходимо определить, из каких основных элементов будет строиться имитация физического явления или процесса. Зная конкретные входные параметры опыта (постоянные или изменяемые), разработчик решает, каким способом будут реализованы элементы управления виртуальной модели – «устройства» регулирования. Знание выходных параметров опыта позволяет решить задачу, каким способом будут реализованы «устройства» измерения.

2. Создание геометрических моделей лабораторного оборудования. На данном этапе разработчик выполняет графическое решение виртуальной модели – современные виртуальные тренажеры выполняются в трехмерной графике с максимальной имитацией материалов и освещения, что существенно повышает качество работы. Главной задачей здесь является приближение модели к реальному объекту, за счет соблюдения правильных пропорций, размеров, цветовых решений и освещения [8, 9].

3. Разработка интерактивного модуля, объединяющего геометрические модели и физические зависимости. Написание программного кода виртуальной модели является наиболее трудоемкой частью работы. В задачи программиста входит разработка алгоритма, адекватно описывающего физику реального процесса или явления. Программа связывает воедино графические элементы, звуковое и текстовое сопровождение, интерактивную составляющую, и, согласно точным математическим зависимостям, имитирует динамику протекания процесса или явления.

4. Внедрение системы методических указаний и справочной информации. Когда виртуальная модель сформирована, ее необходимо снабдить сопровождающей информацией методического или справочного характера, что позволит пользователю более полно изучить суть исследования, а также освоить управление виртуальным тренажером. На данном этапе важнейшей задачей является структурирование всего учебного материала с целью сделать доступное, удобное в обращении «рабочее место» обучаемого пользователя. Одним из эффективных способов реализации системы методического сопровождения виртуального тренажера является разработка программной оболочки, позволяющей пользователю ознакомиться со структурой учебного курса, осуществлять прямой доступ к разделам курса, запускать интерактивные модули лабораторных работ, сохранять и читать статистические данные прохождения курса. К примеру, программная оболочка мультимедийной учебно-научной лаборатории может включать в себя следующие разделы:

-       редактор учетных записей пользователей;

-       модуль электронного тестирования с окном проверки результатов;

-       модуль методических указаний по выполнению лабораторных работ;

-       модуль выполнения интерактивных лабораторных работ;

-       электронный учебник;

-       сводная таблица результатов (журнал).

Пользователь взаимодействует с программной оболочкой посредствам диалоговых окон, образующих графический интерфейс пользователя (GUI). С помощью стандартных элементов управления (кнопки, флажки, переключатели, текстовые поля и т.д.) пользователь устанавливает параметры, открывает/загружает файлы, подтверждает действия программы, имеет возможность получения общей статистики изучения материала и вывода её на печать. Графический интерфейс пользователя наиболее удобно реализовывать в виде многодокументного интерфейса (MDI), включающего родительскую форму, в которой открывается ряд дочерних форм. Дочерние формы образуют систему диалоговых окон, например, диалоговое окно редактора учетных записей, диалоговое окно тестирования и окно вывода таблицы результатов, информационное окно «О программе» и другие. Пример программной оболочки мультимедийной учебно-научной лаборатории, реализованной в виде многодокументного интерфейса, представлен на рис. 4.

 

Рис. 4. Пример программной оболочки мультимедийной учебно-научной лаборатории

5. Тестирование разработанной системы. Тестирование – это заключительный этап разработки. По завершению работы необходимо выявить возможные уязвимости алгоритма, и предусмотреть реагирование программы на «неправильные» действия пользователя.

На рис. 5 показана сфера применения мультимедийных учебно-научных лабораторий, включающая в себя несколько больших областей.

 

Рис. 5. Области применения мультимедийных учебно-научных лабораторий

Виртуальные лабораторные тренажеры позволяют устранить ещё один недостаток традиционного способа обучения – это отдельное проведение лекционных и лабораторных работ, как по времени, так и по теме. В большинстве случаев, лабораторные работы (особенно по естественным дисциплинам) назначаются не с позиции сохранения последовательности изложения тем по лекционным занятиям, а с точки зрения доступности (работоспособности или незанятости) лабораторного стенда. Виртуальные лабораторные работы также можно демонстрировать во время лекции, т.е. в дополнение лекционного материала. При этом достигается не только последовательность изучаемых тем по дисциплине, но устраняется временной барьер между лекционными и лабораторными занятиями, что способствует повышению эффективности и качества обучения.

Эффективное применение виртуальных тренажеров в образовательном процессе способствует не только повышению качества образования, но и экономии значительных финансовых (валютных) ресурсов, создают безопасную, экологически чистую среду. Внедрение виртуальных лабораторий требует комплексный подход, как со стороны образовательных структур, так и производственных и других государственных структур.

В Тверском государственном техническом университете разработаны и введены в образовательный процесс виртуальные лабораторные практикумы по курсам строительного материаловедения и бетоноведения, гидравлики, водоснабжения, а также технологии обработки металлов. Разработанные программные продукты имеют свидетельства об официальной регистрации (РОСПАТЕНТ), полностью соответствуют требованиям отраслевого стандарта Минобразования РФ ОСТ.2-98 «Системы автоматизированного лабораторного практикума» и успешно применяются в учебном процессе, как на базе собственного вуза, так и в других российский учебных заведениях – Новгородском государственном университете, Пензенском государственном университете, Сибирском государственном индустриальном университете, Донском государственном техническом университете, Костромском строительном техникуме, Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова, Тверской сельскохозяйственной академии и других.

Возможности технологии мультимедийных учебно-научных лабораторий позволяют наглядно воспроизводить физические эксперименты любой сложности. В настоящее время осуществляется подготовка к разработке виртуальной лаборатории испытаний свойств сухих строительных смесей, а также виртуальной лаборатории определения свойств бетонов по европейским стандартам, например, самоуплотняющихся бетонов по EN 206-9 (определение текучести с блокирующим кольцом, тест с L-образным контейнером, c U-образной трубкой, опыт на вымывание и другие), что чрезвычайно актуально для специалистов строительной отрасли.

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Белов М.А., Антипов О.Е. Принципы проектирования виртуальной компьютерной лаборатории на основе технологии облачных вычислений // Сборник трудов международной конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании – 2010». Одесса: УКРНИИМФ, 2010.

2. Колесниченко Е.Г.  Структура естественнонаучного знания с точки зрения создания автоматизированных научных систем // Препринт № 26-97, М., ИМ МГУ, 1997, 40 с.

3. Лесовик В.С. Геоника (геомиметика) как трансдисциплинарное направление исследований // Высшее образование в России. 2014. № 3. С.77-83.

4. Соловов А.В. Виртуальные учебные лаборатории в инженерном образовании // Сборник статей «Индустрия образования». Выпуск 2. - М.: МГИУ, 2002. С.386-392.

5. Норенков И.П., Зимин А.М. Информационные технологии в образовании // М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. 352 с.

6. Белов В.В., Образцов И.В. Виртуализация физических процессов в теории и практике строительного образования // Теория и практика повышения эффективности строит. материалов: Мат-лы V Всерос. конф. студ., аспирантов и молодых ученых. Пенза: ПГУАС, 2010. С. 186-189.

7. Афанасьев В.О., Бровкин А.Г. Исследования и разработка системы интерактивного наблюдения индуцированной виртуальной среды (системы виртуального присутствия) // Космонавтика и ракетостроение. 2001. № 20.

8. Колганов Д.А. Нереальная физика. Тестирование NVIDIA PhysX на конфигурации SLI Multi-Card // Игромания. Февраль. 2010. С. 162-164.

9. Zhang G., Torquato S. Precise algorithm to generate random sequential addition of hard hyperspheres at saturation // Physical review, E 88. 2013. pp.053312-1-9.