Материал: Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения. Колодяжный С.А
Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
УДК 691.322:004.421
В.В. Белов, И.В. Образцов
ВИРТУАЛЬНЫЕ ТРЕНАЖЕРЫ В СТРОИТЕЛЬНОМ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ И ОБРАЗОВАНИИ
Освещаются вопросы, связанные с функциональным устройством программ, принципами их разработки, а также эффективным применением виртуальных лабораторий и научноприкладных приложений в техническом образовании. Показан пример виртуального лабораторного практикума по исследованию свойств самоуплотняющегося бетона – комплексу программ, имитирующих лабораторные испытания бетона в соответствии с европейским стандартом EN 206-9.
Ключевые слова: виртуальная лаборатория, физический процесс, имитационно-численное моделирование, визуализация
V.V. Belov, I.V. Obraztsov
VIRTUAL EXERCISE MACHINES IN CONSTRUCTION MATERIALS SCIENCE AND
EDUCATION
This article covers the issues connected with functional design and principles of program development as well as effective use of virtual laboratories scientific and educational applications in higher technical education institutions. The article gives the example of virtual laboratory course on the properties of self-compacting concrete – a set of programs that simulate laboratory testing of concrete in accordance with European standard EN 206-9.
Keywords: virtual laboratory, physical process imitation and numerical modeling, visualization
В настоящее время в научных исследованиях и образовании, в производственной и других сферах деятельности человека определяющее значение имеют информационновычислительные системы [1]. Развитие информатики и применение компьютеров в научных исследованиях ставят вопрос о пересмотре основных концепций представления научных знаний даже в уже глубоко разработанных и весьма формализованных областях и выдвигают на первый план задачу структурирования этих знаний [2]. 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].
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.
________________________________________________________________________________
© Белов В.В., 2016
116
Серия «Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения» Выпуск № 2(13), 2016
Рис. 1. «Конус обучения» Эдгара Дейла (1900-1985)
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 какихлибо 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, 7]. 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. 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 [8]. Ввод и вывод информации осуществляется согласно разработанному алгоритму – программному коду виртуальной модели.
117
Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
Рис. 2. Учебный процесс с применением виртуального тренажера
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. 3.
На рис. 4 показана сфера применения мультимедийных учебно-научных лабораторий, включающая в себя несколько больших областей.
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.
118
Серия «Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения» Выпуск № 2(13), 2016
Рис. 3. Пример программной оболочки мультимедийной учебно-научной лаборатории
Рис. 4. Области применения мультимедийных учебно-научных лабораторий
В Тверском государственном техническом университете разработаны и введены в
образовательный процесс виртуальные лабораторные практикумы по курсам строительного материаловедения и бетоноведения, самоуплотняющихся бетонов, 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,
119
Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
Сибирском государственном индустриальном университете, Донск ом государственном техническом университете, Костромском технологическом универс итете, Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова, Тверской сельскохозяйственной академии и других.
Виртуальная лаборатория "Определение свойств самоуплот няющегося бетона", разработанная в 2014 году, предназначена для имитационного выполнения лабораторных испытаний самоуплотняющегося бетона в соответствии с требованиями СТБ EN 206-9. Разработка является инте рактивным демонстрационно-тренажер ным программным средством и направлена на об учение и повышение квалификации сту дентов строительных специальностей, инженернотехнических работников и сотрудн иков предприятий промышленного сектора. На рис. 5 изображен имитационный опыт по исследованию консистенции самоуплотняющейся бетонной смеси с помощью блокиро вочного кольца.
Рис. 5. Имитационный опыт по иссл едованию консистенции самоуплотняющейся бетонной смеси с помощью блокировочного кольца
Возможности технологии мультимедийных учебно-научных лабораторий позволяют наглядно воспроизводить ф изические эксперименты любой сложности в технологии строительных материалов, а т акже в других дисциплинах – от простых химических опытов до сложной автоматизиров анной токарной обработки металла на современном роботизированном технологическом оборудовании.
Список литературы
1.Белов, М.А. Принципы проектирования виртуальной компьютерной лаборатории на основе технологии облачных вычислений / М.А. Белов, О.Е. Антипов // Сборник трудов международной конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании – 2010». Одесса: УКРНИИМФ, 2010.
2.Колесниченко, Е.Г. С труктура естественнонаучного знания с то чки зрения создания автоматизированных научных систем / Е.Г. Колесниченко // Преприн т № 26-97, М., ИМ МГУ, 1997, 40 с.
120