В данной статье хочется поделиться личным опытом решения ряда проблем в подготовке специалистов технических специальностей, начиная с 1999 года когда сам был студентом, 2007 годом когда был преподавателем и сейчас, когда оснащаю учебные центры крупных компаний.
В далеком 2007 году, после защиты кандидатской диссертации два года преподавал дисциплину "Гидравлические машины и компрессоры" для студентов направления подготовки 21.03.01 "Нефтегазовое дело" (в т.ч. вел и лабораторные работы). Также работал в те годы в НИИ Электронных образовательных ресурсов (НИИ ЭОР ТюмГНГУ) Тюменского нефтегазового университета.
«Гидромашины и компрессоры» в качестве конкретного примера я выбрал именно по причине наличия личного опыта как обучения этой дисциплине так и ее преподавания.
Если совсем коротко и сразу про всё техническое образование (подготовка специалистов технических специальностей) - общие проблемы как были так и остались - быстрые технологические изменения, разрыв между теорией и практикой, кадровые, финансовые и временные ограничения:
Отставание учебных программ от современных требований производства.
Недостаток практических навыков у выпускников. Теоретическое обучение часто оторвано от реальных производственных задач, что увеличивает время адаптации молодых специалистов на работе. Работодатели отмечают неготовность выпускников к решению прикладных задач и работе в условиях современ��ого оборудования.
Слабая интеграция образования и производства. Контакты между вузами и предприятиями часто фрагментарны, что ограничивает возможности для прохождения качественной практики и получения реального опыта. Это также снижает возможность преподавателей обновлять свои знания о новейших технологиях.
Недостаток материально-технической базы. Особенно это касается передовых и наукоёмких отраслей. Устаревшее оборудование в лабораториях не позволяет студентам работать с современными технологиями.
С лекциями проблем нет, информация по наиболее современным технологиям и оборудованию на реальном производстве достаточно доступна и проведение лекций с демонстрацией и видеоматериалов и красивых графиков проблем не вызывает, т.е. с теорией все в порядке. Были и есть проблемы с практикой: Практикум, Лабораторные работы, Курсовое проектирование.
Практикум - Выполнение заданий с использованием специализированного оборудования. - Практическое изучение устройства, принципа работы, наладки, регулировки оборудования, характерного для осваиваемой профессии.
Лабораторные работы - Получение знаний на основе процесса получения и обработки экспериментальных данных - количественных характеристик реальных физических величин, определяющих поведение исследуемого объекта, процесса или явления, подтверждающих или опровергающих сформулированные целевые функции проведения эксперимента. - Обучающий физический эксперимент, ставящий целью отработку основных приемов и технологий планирования и проведения эксперимента, включая его основные этапы: формулировка цели и задач исследований, определение способов и методов достижения цели, используемое оборудование и технологии.
Курсовое проектирование. - Обучение применению полученных знаний при решении комплексных задач, связанных со сферой деятельности будущих специалистов.
Проведение обучения на реальных объектах и оборудовании, 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 (например, невозможность развивать высокие давления, т.к. это просто опасно для студентов).
5. Высокой сложностью изменения конфигурации оборудования и параметров среды.
6. Большой длительностью проведения работ (оборудование одно, один делает, остальные смотрят и записывают, или ничего не делают).
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 п��вреждений, кавитации) и т. д.
Вот тут я писал про это более подробно. Имитаторы для обучения персонала. Плюсы и минусы - https://habr.com/ru/articles/508478/. Цифровые двойники и современная архитектура обучения - https://habr.com/ru/articles/852404/.
Для решения указанных проблем в 2003-2007 году я даже сделал ряд имитаторов еще в 2D но с достаточно хорошей математикой. Используемая математическая модель позволяет проводить следующие работы: снятие внешних энергетических характеристик; кавитационные испытания (В состав виртуальной лаборатории входят: Насос Д200-36б (с тахометром); Насос ЦНС-180-950 (с тахометром); Насос АТН-150 (с коробкой скоростей и предохранительным клапаном); Насос УНБ-600 (с датчиком числа двойных ходов и предохранительным клапаном); Винтовой забойный двигатель ДГ-105 и ленточный тормоз с нагрузочным устройством)
Также был запущен в учебный процесс и имитатор компрессора 4ВУ1-5/9 . Имитатор позволял в полном объеме проводить контрольные испытания компрессоров, а позволял изучить процедуру управления компрессором, режимы регулирования, проверку системы предохранительных клапанов и т.д. ��собенностью системы является возможность проводить испытания при различных состояниях атмосферного воздуха (влажность, температура, давление), что позволяет оценивать влияние состояния атмосферного воздуха на производительность, потребляемую мощность и т.д.
Результаты были очень хорошие, студенты наконец-то смогли "включить" компрессор, поскольку тот который стоял в реальной аудитории включать было нельзя, нет отдельного фундамента и вибрация, в общем его можно было только посмотреть. Также студенты могли получать высокие давления свыше 20 МПа, который в реальных условиях никто-бы не разрешил. Списать результаты экспериментов тоже не получалось, все студенты выполняли работу индивидуально, со своими значениями температур воды, плотностью, параметрами электродвигателей и насосов, влажностью воздуха и т.д.
В итоге мне удалось получить на тот момент:
1. снижение стоимости образовательных услуг (компьютерный класс уже был, ничего докупать особенно не пришлось);
2. снижение потенциальных потерь (ни один студент не пострадал) );
3. ускорение обучения (половина группы 12-15 человек за раз успевали индивидуально выполнить всю лабораторную работу, в т.ч. за счет "ускорения времени" в имитаторе) ;
4. повышение качества обучения (студенты реально начинали понимать как это работает и как с этим работать, появилась практика. Когда они выполняли уже работу на настоящем оборудовании они точно понимали что делают и зачем).
Позже, имитаторы конечно улучшались, с 2D графики перешли на 3D, затем и на VR (Вот тут немного более подробно: VR и обучение персонала. За и против - https://habr.com/ru/articles/730986/. Имитаторы на базе программно-аппаратной платформы в техническом образовании - https://habr.com/ru/articles/508604/ .Почему оценка 4+ может оказаться плохой, а 3 хорошей? - https://habr.com/ru/articles/509610/. Имитационные тренажеры и импортозамещение Honeywell Unisim - https://habr.com/ru/articles/688770/. xAPI/CMI5. Полная мощность - https://habr.com/ru/articles/551374/)
Был получен хороший опыт запуска имитаторов студентами из дома/библиотеки самостоятельно и я помню как выдавал "домашние задания" для самостоятельной работы вне аудитории. Это был большой плюс, поскольку выделенного аудиторного времени не хватало.
Ну и покажу что используется сейчас (https://lcontent.ru/product/gidromashiny-i-kompressory/):
Комплекс виртуальных лабораторных работ «Гидромашины и компрессоры» представляет собой инновационное средство получения практических знаний посредством обработки экспериментальных данных и проведения обучающих физических экспериментов и нацелен на практическое освоение процессов, связанных с гидравлическими установками и компрессорными системами. В каждой лабораторной работе реализован обучающий физический эксперимент, позволяющий отработать основные приемы и технологии проведения эксперимента. Скачать и запустить можно отсюда - https://lcontent.ru/demo/
Решаемые задачи:
Изучить методику снятия внешних характеристик насоса;
Изучить процесс работы с центробежным насосом;
Изучить процесс построения комплексной характеристики центробежного насоса;
Научиться строить характеристику трубопровода насосной установки;
Научиться определять параметры работы центробежной насосной установки теоретически (графоаналитическим способом) и по данным замеров приборов;
Изучить процесс определения допустимой высоты всасывания центробежного насоса;
Научиться переводить насосы на последовательную и параллельную работу;
Научиться строить суммарные характеристики последовательно и параллельно соединенных насосов;
Изучить устройство и принцип работы аксиально-поршневого гидравлического мотора;
Изучить устройство и принцип работы гидромотора;
Изучить устройство и принцип работы подпорных насосов;
Ознакомиться с основными параметрами подпорных насосов: напором, подачей, мощностью и КПД;
Изучить устройство и принцип работы компрессора;
Ознакомиться с основными параметрами компрессора: производительностью, давлением, мощностью и КПД;
Демонстрация гидравлического удара;
Экспериментальное определение величины повышения давления при гидравлическом ударе в случае внезапного (мгновенного) закрытия крана;
Определение повышения давления при гидроударе по формуле Н. Е. Жуковского; сравнение теоретического и экспериментального значения повышения давления при гидравлическом ударе;
Изучить ламинарное движение жидкости;
Изучить турбулентное движение жидкости;
Изучить оборудование, представленное в лабораторной работе;
Экспериментально проверить гидравлические потери при ламинарном режиме течения жидкости;
Экспериментально проверить гидравлические потери при турбулентном режиме течения жидкости;
Выявить зависимость ��идравлических потерь от шероховатости стенок трубопровода;
Выявить зависимость гидравлических потерь от местных сопротивлений;
Изучить разновидности аппаратуры по типу уплотнений;
Изучить конструктивные варианты типов арматуры;
Изучить разновидности предохранительной арматуры;
Изучить разновидности разделительной арматуры;
Изучить разновидности обратной и отключающей арматуры;
Изучить разновидности арматуры по виду действия;
Изучить основные узлы, элементы и детали арматуры;
Изучить причины и виды неисправностей запорной арматуры;
Рассчитать локальные скорости потока в сечении трубопровода;
Изучить устройство и принцип работы поршневого насоса;
Изучить классификацию динамических насосов и их основные типы (центробежные, осевые и вихревые);
Ознакомиться с принципом работы динамических насосов и их ролью в гидравлических системах;
Изучить классификацию объемных насосов и их основные типы (поршневые, шестерёнчатые, винтовые, пластинчатые);
Ознакомиться с классификацией компрессоров и их конструктивными особенностями;
Изучить принцип работы центробежного насоса с двусторонним входом;
Изучить характеристики и маркировки центробежного насоса с двусторонним входом;
Изучить основные параметры насосов.
Виртуальный тренажер позволяет студентам и специалистам не только изучить конструктивные особенности оборудования, но и освоить навыки проведения испытаний и анализа полученных данных без риска для реального производственного процесса. Практическая направленность лабораторных работ способствует глубокому пониманию технологических процессов и формированию у обучаемых компетенций, необходимых для работы с гидравлическими и компрессорными системами.
Реализованные сценарии:
Снятие внешних энергетических характеристик центробежных насосов
Определение параметров рабочей точки системы «центробежный насос – трубопровод»
Определение допустимой и фактической высоты всасывания центробежного насоса
Последовательное и параллельное соединение насосов
Испытания аксиально-поршневого гидравлического мотора
Гидроцилиндры
Подпорные насосы
Испытания компрессоров
Гидравлический удар
Гидродинамические режимы течения жидкости
Гидравлическое сопротивление трубопровода
Устройство гидравлической аппаратуры
Профиль скоростей в сечении трубопровода
Снятие внешних энергетических характеристик поршневого насоса
Изучение конструкции динамических насосов
Изучение конструкции объемных насосов
Изучение конструкции компрессоров
Снятие внешних энергетических характеристик центробежных насосов с двусторонним входом
Ну и примеры видео как студенты проходят обучение:
Надеюсь мой опыт был интересен. Буду рад ответить на вопросы и обсудить данную тему.
