3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА 3.1 Разработка алгоритма поведения учащегося при работе с виртуальной лабораторной установкой в процессе выполнения заданий
Виртуальные лабораторные работы выполнены в среде программирования Delphi с применением графического редактора 3D Studio MAX, который является радикально новым подходом к трехмерному моделированию и визуализации. Возможности синтеза этих двух пакетов позволяют создавать на экране монитора образы объектов экспериментов, измерительных приборов, идентичные реальным физическим устройствам.
Алгоритм работы виртуального лабораторного стенда моделирует поведение и процессы в реальных устройствах. В целом визуальное восприятие виртуальной лабораторной работы идентично восприятию реальной лабораторной работы на физическом оборудовании.
Программа позволяет получить экспериментальные данные, не прибегая к натуральному физическому опыту. Пользовательская среда программы имитирует реальную лабораторию, оборудование и газоиспользующие установки. Все необходимые расчеты, согласно целям и задачам той или иной лабораторной работы, студенты делают самостоятельно, пользуясь соответствующими методическими указаниями к выполнению лабораторных работ по газоснабжению.
Работа студентов происходит в том же порядке, что и при выполнении работ в учебной лаборатории кафедры на физических моделях:
изучение методических указаний к проведению лабораторных работ;
аудиторное закрепление теоретических аспектов, основных положений и последовательности проведения лабораторных работ;
изучение и закрепление принципов техники безопасности работы с газораспределительными установками;
получение индивидуального задания и работа с виртуальным лабораторным комплексом;
анализ результатов экспериментальных данных;
составление отчета по лабораторным работам.
3.2 Интерфейс программы
Программа имеет простой, интуитивно понятный внешний вид. При запуске программы открывается окно выбора лабораторной работы, представленное на рис. 3.1.
Рис.3.1. - Главное меню выбора лабораторных работ
Лицевая панель имитирует панель реального стенда и содержит несколько лабораторных работ.
Предусмотрено несколько режимов проведения работ:
ознакомление с лабораторным комплексом;
выполнение лабораторной работы.
Режим «ознакомление».
При наведении курсора на любое оборудование, происходит его увеличенное изображение и описание (см.рис.3.2). Справа располагается панель «Протокол испытаний». В нее во время опыта заносятся результаты. В нижней части окна даются подсказки по проведению опыта, а также диалоговые окна для ввода данных. В верхней части окна находятся три выпадающих меню: Работа, Справка, Выход.
Рис.3.2. – Режим ознакомления с лабораторной работой
В меню Работа находятся пункты: Выполнение – для перехода в режим «Выполнение лабораторной работы»; Сохранить результаты - для сохранения результатов опыта.
В меню Справка находятся пункты: Порядок выполнения – для представления порядка выполнения лабораторной работы; О программе – общая информация о программе.
В меню Выход находятся пункты: Главное меню – для перехода в меню выбора лабораторной работы; Выход – нажмите ее, чтобы выйти из программы.
Режим «выполнение лабораторной работы».
При выполнении работ в Протоколе испытаний фиксируются исходные данные, выбираемые компьютером из 500 различных вариантов, заложенных в базе данных, а также заносятся значения оперируемых параметров. Вероятность совпадения начальных параметров у студентов группы мала.
Рис.3.3. – Режим выполнения лабораторной работой
В нижнем правом углу рабочего окна активируется приборная панель, на которой отражаются циферблаты контрольно-измерительных приборов: весов, манометра, секундомера, расходомера газа, ртутного термометра.
Оперируя только мышью, студент может менять режимы работы оборудования и пределы измерения приборов, т.е. выполнять все те же операции, что и на физическом лабораторном оборудовании.
Методическая разработка вариантов исходных данных и параметров элементов виртуальной панели обеспечивают разнообразие режимов работы исследуемых устройств, вариантов индивидуальных заданий при выполнении учебного лабораторного практикума.
Органы управления и навигации виртуального практикума позволяют обращаться к методическим указаниям и рекомендациям, которые могут открываться в отдельном окне без потери основного окна.
Анимированные элементы виртуальной лабораторной панели позволяют управлять виртуальными устройствами с помощью манипулятора «мышь». При этом не требуется владения специальными прикладными программами. Достаточно лишь элементарных практических навыков пользователя ПК.
По окончании эксперимента будет предложено сохранить результаты в электронную таблицу MS EXCEL или текстовый файл (см. рис. 3.4).
Рис.3.4. – Фрагмент окна экспорта результатов работы
Таким образом, основные требования, предъявляемые к студентам при выполнении виртуальной лабораторной работы, не отличаются от тех, которые предъявляются при работе на физических лабораторных установках.
3.3 Результаты апробации виртуальных лабораторных работ
При организации лабораторных занятий с использованием виртуальных практикумов студенты выполняли работы индивидуально, либо группой по 2 человека. При этом исключалось дублирование параметров элементов виртуального стенда (каждый студент получал индивидуальный вариант параметров элементов и режимов работы виртуального стенда).
Такая организация работы позволила планировать и выполнять работу в индивидуальном темпе в соответствии с индивидуальными возможностями студента, степенью его подготовленности, достигая необходимого результата. При этом стимулируется персональная ответственность, самостоятельность, проявляется заинтересованность студентов, обеспечивается поддержка методов активного обучения, создаются условия для активизации работы студента.
Виртуальный практикум вполне может выполняться студентом как под руководством преподавателя в аудитории, так и в рамках самостоятельной работы. Части студентов была предоставлена возможность самостоятельного выполнения виртуального практикума вне учебной аудитории (в домашних условиях, наиболее комфортных для них). При этом отчеты по выполненным работам предоставлялись по согласованным индивидуальным графикам, удобным для студентов.
Он также позволяет использовать его в качестве лекционных демонстраций, без громоздкости и существенных материальных затрат, присущим демонстрационным экспериментам на физических моделях.
Достоинства виртуального практикума способствуют большей эффективности учебного процесса, позволяют сформировать учебно-методический комплекс, отвечающий современным требованиям инновационного образования.
Необходимо отметить, что при выполнении практической части дисциплины не следует ограничиваться виртуальными практикумами. Выполнение работ на лабораторных стендах с физическими моделями должно быть неотъемлемой частью процесса обучения. Очевидно, что виртуальная лаборатория не может полностью заменить реальную физическую установку. Тем не менее, при выполнении компьютерных лабораторных работ у учащихся формируются определенные навыки, которые им необходимы для постановки реальных физических экспериментов.
Комплексное использование виртуальной лаборатории и физического эксперимента способствует эффективному процессу формирования практических умений и навыков при обучении специалистов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе выполнения научно-методической работы получены следующие результаты:
созданы учебно-методические материалы применительно к задачам разработки новых виртуальных лабораторных практикумов для систем высшего и открытого инженерного образования;
созданы современные программно-инструментальные средства, предназначенные для разработки и проведения виртуальных лабораторных практикумов в системе открытого инженерного образования;
разработаны примеры виртуальных лабораторных работ по курсам «Газоснабжение» и «Теплогенерирующие установки» в виде первой версии виртуальной лаборатории газоснабжения.
В процессе работы проанализированы методы математического моделирования теплоэнергетических систем, разработаны схемы испытаний, математический аппарат для проведения исследований, проведены теоретические и экспериментальные исследования работы газовой плиты, а также компьютерное моделирование экспериментальных работ, связанных с испытанием таких плит.
Применимость результатов работы – создание базового инструментария для дистанционного и открытого инженерного образования. В настоящее время в РФ и в странах СНГ не существует аналогов данной разработке. Может быть альтернативой программно-инструментальной среде LabView в части компьютерной имитации контрольно-измерительной и управляющей аппаратуры при создании виртуальных лабораторных стендов и аналитических тренажеров.
Результаты работы опубликованы в 4-х научных статьях [7 - 10], докладывались и обсуждались на VII всероссийской научно – технической конференции «Вузовская наука – региону», г. Вологда, IV и V международной научно-технической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования», г. Вологда, IV Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения», г. Казань.
ЛИТЕРАТУРА
Ионин, А. А. Газоснабжение / А. А. Ионин. – М.: Стройиздат, 1989.
СНиП 42-01-2002. Газораспределительные системы. – М.: Госстрой России. ГУП ЦПП, 2003.
СНиП 2.04.08-87*. Газоснабжение / Госстрой СССР. – М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1988.
ГОСТ 10798-85. Плиты газовые бытовые. Общие технические условия /
Стаскевич, Н. Л. Справочник по газоснабжению и использованию газа / Н. Л. Стаскевич, Г. Н. Северинец, Д. Я. Вигдорчик. – Л.: Недра, 1990.
Кязимов, К. Г. Основы газового хозяйства / К. Г. Кязимов, В. Е. Гусев. – М.: Высшая школа, 2000.
Кязимов, К. Г. Справочник газовика: справ. пособие. – М.: Высшая школа, 2000.
Кечиев, Л.Н., Путилов, Г.П., Тумковский, С. Р. Подготовка учебных материалов для включения в состав информационно-образовательной среды. - М., МГИЭМ, 1999. – 34 с.
Орлов, М.Е. Бытовые газовые приборы: Методические указания к лабораторным и практическим занятиям / М. Е. Орлов. – Ульяновск: УлГТУ, 2004. – 32 с.
Тимошенко, П.О. К разработке виртуального лабораторного стенда «Изучение процессов теплопередачи в условиях свободной конвекции» / А.А. Синицын, П.О. Тимошенко / Вузовская наука – региону: Материалы седьмой всероссийской научно – технической конференции. В 2–х т. – Вологда: ВоГТУ, 2009. – Т. 1. – С. 162 – 163.
Тимошенко, П.О. Разработка виртуальной модели процессов теплопереноса в цилиндрической трубе в условиях свободной конвекции / А.А. Синицын, П.О. Тимошенко // Материалы докладов IV Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» / Под. общ. ред. д-ра физ-мат. наук, проф. Ю.Я. Петрушенко. В 4 т.; Т.2. – Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2009. – С.217 – 218.
Тимошенко, П.О. Исследование возможности создания виртуальной лабораторной базы / А.А. Синицын, И.А. Суханов, П.О. Тимошенко // Автоматизация и энергосбережение машиностроительного производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования: материалы четвертой международной научно-технической конференции. Т.2. – Вологда: ВоГТУ, 2008. – С.131 – 134.
Сыцянко, Е.В. Газоснабжение: Методические указания к лабораторным работам. - Вологда.: ВоГТУ, 2003.-30 с.
Озельский, Э.Х. Лабораторный практикум по теплоснабжению и вентиляции/ Э.Х. Озельский, О.А. Мухин. – Минск: Вышэйшая школа, 1973. – 208с.
|
