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:
- получение теоретических знаний на основе проведения обучающего физического эксперимента (процесса получения и обработки экспериментальных данных) (Лабораторные работы).
- обучение применению полученных знаний при решении комплексных задач, связанных со сферой деятельности будущих специалистов (Курсовое проектирование)
- оценка навыков и профессиональных умений специалистов с целью их последующей сертификации или аттестации (Сертификация или аттестация)
- практическое изучение устройства, принципа работы, наладки, регулировки оборудования, характерного для осваиваемой профессии (Практикум)
- 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:
- высокой стоимостью учебного оборудования и его эксплуатации;
- морально-устаревшим оборудованием, малым спектром имеющегося оборудования по сравнению с условиями производства;
- большой удаленностью обучаемого от места расположения учебного оборудования;
- высокой опасностью выполняемых работ;
- высокой сложностью изменения конфигурации оборудования и параметров среды;
- большой длительностью проведения работ;
- невозможностью визуального наблюдения внутренней структуры изучаемого оборудования, микро- и макрообъектов и процессов, быстрых или медленных технологических и природных процессов или явлений;
- невозможностью визуального наблюдения абстрактных понятий или концепций (например, визуализация накопления усталостных повреждений) и т. д.
- сложностью показа и оценки возможных последствий альтернативных условий и направлений деятельности.
- 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 обучения, каких 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 — 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 качестве примера можно привести имитатор для 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;
- от нагрузки T;
- 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.
Пример реального стенда
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):
Таблица 2. Варианты заданий на проведение испытаний и исследования цилиндрического редуктора
(Тип подшипников: Ш – Шариковые, Ц – с Цилиндрическими роликами, К – с Коническими роликами)
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).
В целом, опыт создания и использования имитаторов показал наличие разнообразных и значительных преимуществ при использовании имитаторов для повышения качества обучения.
