Использование энергосберегающих виртуальных тренажеров в процессе подготовки специалистов инженерных специальностей
Введение и актуальность виртуальных тренажеров
Информационные технологии стали неотъемлемой частью жизни современного общества. В связи с этим перед современной системой образования ставится сложная задача опережающей подготовки нового поколения к условиям существования и профессиональной деятельности в глобальном информационном обществе. Наблюдаемый активный рост технологически совершенствующихся отраслей деятельности предполагает, что не менее 50% населения должны иметь высшее образование. Согласно Элвину Тоффлеру, американскому социологу и футурологу, одному из авторов концепции постиндустриального общества, безграмотными в 21-ом веке будут не те, кто не умеет читать и писать, а те, кто не умеет учиться и переучиваться.
Ученые Калифорнийского государственного университета провели исследования с целью выяснить, как различные способы подачи информации влияют на качество ее усвоения. Результаты показали, что обучаемые запоминают около 10% от того, что слышат, около 20% того, что прочитывают, и приблизительно 90% того, что они видят, слышат и делают [1].
Однако на сегодняшний день многие учебные заведения сталкиваются с проблемами, снижающими эффективность приобретения студентами практических навыков:
• у вузов зачастую ограничены возможности обеспечения студентов оборудованием, материалами и другими средствами, с помощью которых учащийся приобрел бы практические навыки, усвоив при этом ранее полученные теоретические знания;
• объем практических занятий, отводимых на освоение дисциплин, с переходом на двухуровневое образование становится весьма ограничен, вследствие чего скоротечность проведения лабораторных работ не позволяет студентам успеть осмыслить проведенные исследования;
• проведение лабораторных работ на натурных установках сопровождается соответствующими эксплуатационными затратами, основной статьей которых обычно являются расходы на электроэнергию (при нынешних тарифах это немалые деньги)
Преимущества использования виртуальных тренажеров
Таким образом, именно задача освоения практических навыков является одной из наиболее сложных задач в процессе обучения и подготовки специалистов. Благодаря бурному развитию компьютерной техники и информационных технологий появилась возможность решить эту задачу за счет применения мультимедийных тренажерных средств.
При работе на грамотно спроектированном тренажере студент, применяя имеющиеся знания, получает опыт, весьма близкий к работе в реальных условиях, и одновременно идет процесс уточнения и закрепления его теоретических познаний. Немаловажно, что при этом студентам обязательно приходится рассуждать, творчески подходить к решению поставленной задачи. В результате не просто развиваются навыки работы с оборудованием или формируется навык действий по требуемому алгоритму, но и развивается логическое и образное мышление, способность решать нетривиальные задачи на основе усвоенного объема теоретической информации. Таким образом, в работе на тренажерах максимально сближаются процессы получения и закрепления знаний. Тренажерные технологии активизируют познавательные процессы обучаемого, не ограничивая его свободу действий в процессе поиска верного решения.
В качестве преимуществ использования тренажеров (даже по сравнению с работой на реальных лабораторных стендах) можно отметить следующее:
• интенсификация обучения без потери качества усвоения материала;
• возможность проведения лабораторных работ фронтальным методом (все студенты одновременно выполняют одну работу), что существенно повышает эффективность этого вида обучения;
• возможность широкого изменения условий эксперимента;
• возможность моделирования и безопасного исследования экстремальных и аварийных режимов работы оборудования;
• возможность относительно легкой и быстрой модификации элементов изучаемого оборудования к новейшим промышленным образцам;
• обеспечивается существенное энергосбережение по сравнению с использованием реальных лабораторных стендов, экономия учебных площадей, снижение капитальных, эксплуатационных и других затрат.
В виду очевидных преимуществ от использования тренажеров, сфера их применения постоянно расширяется. Сегодня они распространены там, где проведение обучения на реальной системе или объекте сопровождается серьезными трудностями в техническом плане или серьезными материальными затратами.
Особенности виртуальных тренажеров
Для реализации процесса обучения существует множество методик и соответствующих им обучающих средств, которые значительно отличаются друг от друга как по своим дидактическим возможностям, так и по способу построения. Наибольшей популярностью пользуются так называемые «виртуальные тренажеры», созданные на базе персональных компьютеров, обеспечивающие некое подобие рабочего места, и хотя бы приблизительно воспроизводящие динамику изучаемого объекта. Они получили широкое распространение в основном благодаря небольшой стоимости их разработки. Кроме того, с учётом невысокой стоимости организации компьютерных учебных аудиторий в настоящее время, целесообразной становится замена традиционных лабораторных установок именно программными тренажерами [2].
Наиболее эффективно их применение на начальных этапах подготовки, так как установлено, что тренировку 75% оперативных навыков можно проводить на тренажерах, обладающих хотя бы 30% степенью подобия.
Однако на более поздних этапах подготовки эффективность процесса обучения на тренажере в значительной степени определяется:
• видом модели предметной области тренажера, т.е. степенью эквивалентности визуальных интерпретаций, созданных с помощью моделей, используемых в виртуальном тренажере их реальным аналогам;
• полнотой сценария тренажера, т.е. степенью эквивалентности сценария схемам развития событий на имитируемых объектах физического мира.
Таким образом, чем большей степенью соответствия реальным объектам обладают их виртуальные модели, тем лучше тренажер способствует усвоению материала. В качестве примера использования такого подхода, можно привести виртуальный тренажер, разработанный в Северо-Кавказском горно-металлургическом институте.
Недостатки имеющихся программных тренажеров
Обобщая вышесказанное, можно отметить, что наметившаяся тенденция использования компьютерных тренажеров в процессе подготовки специалистов имеет под собой весомые и объективные основания, о чем свидетельствует и тот факт, что разнообразие представленных на рынке виртуальных программных тренажеров непрерывно возрастает. Однако на сегодняшний день для всех известных программ-представителей класса виртуальных тренажеров можно выделить следующие общие недостатки:
• закрытость (невозможность изменить заранее заданную разработчиком номенклатуру оборудования и сопутствующие методические материалы);
• избыточность интерфейса, существенно перегружающая сценарий лабораторной работы операциями по настройке функционала самого тренажера;
• в подавляющем большинстве случаев поведение изучаемых устройств и измерительного оборудования не моделируется, а вычисляется без учета динамики или, в лучшем случае, по формулам готовых решений соответствующих дифференциальных уравнений с неизменяемыми параметрами.
Последнее обуславливает заранее определенную безвариативную сборку виртуальных элементов в итоговую схему, тогда как «живые» стенды всегда позволяют некоторый произвол в компоновке (например, менять местами элементы последовательной цепи). Кроме того, преподаватель не имеет доступа к переработке сценария лабораторной работы, не может оперативно акцентировать деятельность обучаемого на требуемых ему аспектах, а вынужден пользоваться тем, что жестко заложено в приобретенном программном продукте.
Всё это не позволяет назвать большинство существующих компьютерных тренажеров универсальным и эффективным средством подготовки студентов инженерно-технических специальностей. Соответственно, актуальной становится задача разработки виртуального тренажера, лишенного указанных выше недостатков.
Методики создания виртуальных тренажеров
Для обеспечения широкого использования интерактивных средств обучения в учебном процессе необходимо предоставить преподавателю, не имеющему профессиональных навыков программирования, соответствующее инструментальное средство модификации такого рода тренажеров. Несмотря на очевидную дидактическую эффективность этого подхода, на сегодняшний день такие системы автоматизированного проектирования отсутствуют.
Компьютерные тренажеры сегодня создаются преимущественно с использованием программного обеспечения, представляющего собой набор специализированных библиотек, предназначенного для облегчения создания тренажеров профессиональными программистами. Создание виртуальных тренажеров на основе таких библиотек требует от разработчика глубоких навыков программирования и опыта работы с графическими средствами моделирования, что фактически отрезает специалиста предметной области от возможности самостоятельно создавать тренажеры.
Главная проблема состоит в том, что предприятия, занимающиеся повышением квалификации персонала с использованием тренажеров, а также учебные заведения, очень редко имеют в своем распоряжении такой дорогостоящий ресурс. Именно это обуславливает необходимость комплексной автоматизации проектирования компьютерных тренажеров на пользовательском уровне преподавателя-предметника. Создание таких САПР могло бы стать толчком к массовому распространению виртуальных тренажерных комплексов.
Заключение
Таким образом, несмотря на многообразие представленных на рынке решений и очевидных преимуществ их использования, глубина теоретической проработанности в сфере создания инструментальных средств проектирования виртуальных тренажеров недостаточна, универсальных рабочих программных продуктов в рамках изучаемой предметной области нет. Наилучшим вариантом решения данной проблемы представляется разработка системы автоматизированного проектирования виртуального тренажера, позволяющей специалистам конкретной предметной области наполнять его виртуальным оборудованием, дидактическими и мультимедиа материалами без предварительной необходимости получения глубоких навыков разработки программного обеспечения.
Литература:
1. Metcalf T. Listening to your clients, Life Association News, 1997, 92(7), р. 16 – 18.
2. Норенков И.П., Зимин А.М. Информационные технологии в образовании. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. – 352 с.