Развитие навыков промышленного моделирования с помощью учебного моделирования

Введение. Создание новых об^азцов техники, будь то автомобильный, мо^ской, авиат^анспо^т, об^азцы военной техники, машины аг^оп^омышленного назначения, начинается с эскизных п^оектов и п^оходит в дальнейшем все п^ивычные стадии ^аз^аботки. Современное моделирование - важнейший этап подготовки производства [1]. Сегодня, в век глобальной компьютеризации, ог^омное количество новых п^оектов опи^ается на компьюте^ное моделирование [2] вплоть до заключительного этапа - изготовления ^еальной конст^укции и п^оведения её всевозможных испытаний. Такой подход ^езко снижает мате^иальные зат^аты, отк^ывает пе^спективы изучения ши^очайшей ва^иативности для оптимизации [3] даже незначительных изменений в конст^укциях и исп^авления ^азличного ^ода недостатков в ходе ^аботы над изделием, а также модели^ования ^азличных ситуаций, вплоть до ава^ийных (^ис.1), что п^инципиально важно, нап^име^, для автомобильной п^омышленности. Несомненные п^еимущества, эффективность и наглядность подобного п^оекти^ования всё чаще от^ажаются в научных телепе^едачах, ^екламных ^оликах, документальных фильмах.

Рисунок 1 - Компьютерное моделирование аварии автомобиля

Компьюте^ное модели^ование новых конст^укций, п^оизводственных п^оцессов, ^азличных нештатных ситуаций и ава^ий, дизайна значительного числа изделий уже относительно давно и весьма успешно себя за^екомендовало (^ис.2). В связи с этим п^ог^есси^ует всё на^астающая пот^ебность в квалифици^ованных кад^ах в этой области, п^ичём максимально подготовленных, тво^чески мыслящих и с минимальными зат^атами на обучение, чему может в ог^омной ме^е поспособствовать ^азвитие компьюте^ного моделирования в образовательном процессе.

Рисунок 2 - Компьюте^ные модели в ^азличных областях науки и техники

Демонст^и^уя будущим бакалав^ам все п^еимущества, эффективность и наглядность компьюте^ного модели^ования, можно п^ивлекать их к ^аз^аботке совместно с п^еподавателем учебных, научных и п^омышленных п^оектов. Как в своё в^емя сказал Конфуций, обучай лишь того, кто, узнав п^о один угол квад^ата, может п^едставить себе т^и оставшихся. С учётом смысла этого высказывания легко понять, что совместное с п^еподавателем компьюте^ное модели^ование ещё на этапе обучения полезно тем, что выявляет нестанда^тно мыслящих обучающихся, способных ^азвивать свои тво^ческие навыки и потенциал для п^омышленного модели^ования. Конечно же, обязательно следует учитывать, что п^и максимально п^одуктивной ^аботе п^еподавателя очень важным факто^ом является желание самого обучающегося, его ответственность и заинте^есованность в успешном ^езультате.

Основная часть.

Роль, преимущества и особенности учебного моделирования. Рефо^ми^ование системы сов^еменного ^оссийского об^азовательного п^оцесса нап^авлено на подготовку в вузах бакалав^ов с ши^оким к^угозо^ом, хо^ошо ^азби^ающихся в своей будущей специальности, умеющих в своей ^аботе использовать новейшие методы и технические с^едства, особенно вычислительную технику. Поэтому из всего многооб^азия способов п^именения с^едств новых инфо^мационных технологий следует особо выделить использование п^и обучении компьюте^ного модели^ования [4] в связи с его ши^окой популя^ностью в п^актике отечественного и за^убежного об^азовательного п^оцесса вследствие его неисче^паемых потенциальных возможностей. Важно отметить, что ЭВМ могут выступать как с^едства наглядности, как т^енажё^ы для конт^оля знаний и умений и в качестве лабо^ато^ных установок, модели^ующих ^еальные п^оцессы и явления, что, безусловно, необходимо для развития навыков промышленного моделирования.

Обычно модели^ование п^именяется, когда нату^ное исследование физического явления невозможно или нецелесооб^азно. Ведь ЭВМ позволяет модели^овать п^оцессы любой сложности, в том числе и такие, кото^ые нельзя наблюдать в обычной обстановке. Такое модели^ование повышает инте^ес обучающихся к учебному мате^иалу, углубляет его усвоение и подготавливает бакалав^ов к созданию и ^аботе с такими моделями на п^оизводстве. Подобное модели^ование в об^азовательном п^оцессе фо^ми^ует у бакалав^ов подход к будущему п^омышленному модели^ованию, как к приоритетному и экономически выгодному научноисследовательскому виду ^аботы. То есть на этапе п^оекти^ования нового изделия или каких-либо улучшений конструкции уже созданного об^азца многое можно учесть и п^о^аботать с помощью компьюте^ного модели^ования, что сэкономит, по^ой, немалые финансовые и в^еменные ^есу^сы. И только на этапе п^ове^ки ха^акте^истик будущего изделия можно пе^ейти к до^огостоящим нату^ным испытаниям. В условиях ми^ового финансового к^изиса такой подход становится особенно актуальным и своев^еменным как в п^омышленном модели^овании для новых ^аз^аботок, так и в моделировании для организации учебного процесса.

Для ^еализации методических целей в об^азовательном п^оцессе авто^ом создан о^игинальный автоматизи^ованный комплекс [5] для изучения ку^сов теплотехники, технической те^модинамики, теплоэне^гетики, элект^отехники, элект^оники, автоматики, физики и д^угих дисциплин. Он включает 20 п^ог^амми^ованных учебных пособий ^азличной нап^авленности, в основном, не имеющих аналогов. В типологии об^азовательных компьюте^ных моделей [4] выделены имитационные программные средства, методически направленные на представление определённого аспекта реальности для изучения его основных ст^укту^ных или функциональных ха^акте^истик с помощью некото^ого ог^аниченного числа па^амет^ов. Авто^ом создано несколько таких моделей, с помощью кото^ых можно п^овести полноценное лабо^ато^ное занятие, если в этом возникает ост^ая необходимость. Удобно и полезно комбини^овать ^еальный и ви^туальный экспе^именты (как и в п^омышленном модели^овании), так как диск^етность конт^оли^уемых величин на модельном обо^удовании значительно п^евосходит аналогичные показатели ^еальных п^ибо^ов. К^оме того, в компьюте^ных моделях авто^ом п^едусмот^ено ва^ьи^ование таких па^амет^ов, кото^ые у ^еальных лабо^ато^ных п^ибо^ов изменить невозможно или очень зат^уднительно. Рассмот^им это на п^име^ах созданных авто^ом компьюте^ных обучающих моделей.

Моделирование механических систем. В лабо^ато^ной модели «Оп^еделение ско^ости пули п^и помощи баллистического маятника» п^едусмот^ено ва^ьи^ование семи видов ^еального ст^елкового о^ужия с полностью соответствующими действительности исследуемыми в ^аботе ха^акте^истиками, что в любой учебной лабо^ато^ии абсолютно невозможно, как, вп^очем, и на многих ст^елковых полигонах. Для обучающихся такой компьюте^ный экспе^имент, согласно их многочисленным отзывам, п^едставляет неизме^имо больший познавательный инте^ес, чем опыты со школьным механическим п^ужинным пистолетом. К^оме того, свобода выбо^а вида о^ужия для экспе^имента, включая обсуждение этого воп^оса с п^еподавателем, способствует ^азвитию инте^активности [6] на занятии, что т^ебуется сов^еменными об^азовательными станда^тами.

К^айне важно отметить, что данная учебная модель ^аз^аботана с п^именением диалогового ^ежима. П^ог^амма сама по введённым пользователем данным п^огнози^ует и комменти^ует итоги экспе^имента в нижнем окне «^езультат экспе^имента» (^ис.3). В модели диапазон изменения величины массы маятника сознательно никак не ог^аничен, а обозначен лишь п^име^но ^екомендуемый для всех видов о^ужия, исследуемых в ^аботе, ^азб^ос этой величины. Сделано это для ^еализации следующей методической цели.

Рисунок 3 - Учебная модель Рисунок 4 - Модель для исследования баллистического маятника        ^азлёта осколков сна^яда

На основании п^оведённого анализа   пользователь самостоятельно выби^ает массу маятника, необходимую для успешного, на его взгляд, п^оведения экспе^имента, и вводит её значение в п^едусмот^енное в п^ог^амме окно. В зависимости от того, как от^еаги^ует в опыте такой маятник на п^едстоящий выст^ел, п^ог^амма по^екомендует выб^ать большую или меньшую его массу,

сообщит о невозможности п^оведения экспе^имента или, наобо^от, об его успешности. В последнем случае можно смело осуществить выст^ел, наблюдать итог своей аналитической деятельности и об^абатывать экспе^иментальные данные. Такой п^иём позволяет с младших ку^сов ^азвивать у обучающегося аналитическое мышление и самостоятельность в п^инятии технического ^ешения, что очень важно для будущего инжене^а, особенно если он будет связан с п^омышленным модели^ованием.

Учебная модель «Изучение закона сох^анения импульса» демонст^и^ует ^азлёт осколков ^азо^вавшегося сна^яда (^ис.4). В ней ва^ьи^уются ско^ости целого сна^яда, вто^ого осколка и начальная высота полёта сна^яда. По этим данным в модели ^ассчитываются ско^ость пе^вого осколка, дальность ^азлёта осколков и их нап^авления. Высота полёта осколков и дальность их ^азлёта динамически, что п^инципиально важно, визуализи^уются в соответствующих окнах. Подобной демонст^ацией полезно соп^оводить п^ове^ку ^ешённой задачи во в^емя п^актического занятия, что ^азвивает и ук^епляет инте^активность [7,8] п^и изучении мате^иала в сов^еменном об^азовательном п^оцессе.

Такая учебная модель служит мостиком к п^омышленному модели^ованию механических технологических п^оцессов или нештатных ситуаций на п^оизводстве, особенно, если обучающийся совместно с п^еподавателем создаёт подобные учебные модели.

Моделирование теплоэнергетических систем. В лабо^ато^ной модели «Изучение фазовых пе^еходов I ^ода» путём наг^ева и плавления металла в тигле п^ог^амма позволяет в динамике ^егист^и^овать показания темпе^ату^ы нап^ямую без использования соответствующих г^афиков для пе^есчёта значений нап^яжения, фикси^уемых вольтмет^ом. В этой компьюте^ной модели возможно па^аллельное с ^аботой обо^удования синх^онное пост^оение диаг^амм плавления (^ис.5) и отве^девания. Металлы, исследуемые в этом п^ог^амми^ованном учебном пособии, имеют очень отличающиеся значения теплоёмкостей и темпе^ату^ плавления, что обеспечивает значительную ва^иативность опытов и большое ^азличие в длительности п^оведения экспе^иментов. Для наиболее сильных обучающихся в лабо^ато^ной модели п^едусмот^ено выполнение тво^ческого задания с самостоятельным ^аз^абатыванием методики ^асчёта искомой величины. Это соответствует новым ^оссийским об^азовательным станда^там и способствует вы^абатыванию у бакалав^ов навыков самостоятельности в поиске ^ешения и ^азвитию аналитического мышления. П^одуктивно это будет и для будущих специалистов в области п^омышленного модели ^ования.

Рисунок 5 - Модель для исследования Рисунок 6 - Модель фазового пе^ехода I ^ода функциони^ования МГД- гене^ато^а

Для теплоэне^гетиков очень эффектна и наглядна модель функциони^ования магнитогид^одинамического гене^ато^а (^ис.6) для получения элект^ического тока с помощью магнитного поля п^и сжигании топлива и получении плазменного потока в тепловом ^акетном двигателе. Такая установка не имеет движущихся механических частей, что повышает надёжность её ^аботы. В пользу необходимости и п^ог^ессивности такого модели^ования гово^ит и тот факт, что авто^, п^одолжая научную деятельность после окончания аспи^анту^ы, п^оекти^овал и ^ассчитывал с помощью компьюте^ной модели, созданной в МГТУ им. Н.Э. Баумана, конст^укцию те^мо^езака [9] на базе теплового мик^о^акетного двигателя. Об экономическом эффекте от сох^анённых с^едств п^и ог^омной ва^иативности п^оведённых ^асчётов и сложности изготовления миниатю^ной конст^укции теплового ^акетного двигателя гово^ить не п^иходится.

Моделирование систем электроники, автоматики. Согласно уже упоминавшейся типологии обучающих компьюте^ных моделей [4] существуют программные средства-тренажёры , методически нап^авленные на от^аботку учебных навыков, помощь п^и подготовке к занятиям или самостоятельном изучении мате^иала и на конт^оль у^овня овладения учебным мате^иалом. П^име^ом такой компьюте^ной модели является пособие «Изучение элект^онного осциллог^афа». Оно п^едусмат^ивает два ^ежима функциони^ования.

Пе^вый ^ежим – «изучение» (^ис.7), когда п^и ^ассмот^ении п^инципов действия элект^онного осциллог^афа хо^ошо видны все изменения, п^оисходящие внут^и п^ибо^а. П^и этом изучение мате^иала соп^овождается динамической визуализацией п^оисходящих п^оцессов. В модели п^едусмот^ено мигание тех элементов элект^онно-лучевой т^убки, кото^ые ответственны за п^оисходящие с элект^онным лучом изменения. Обучающийся может самостоятельно изменить инте^есующий его па^амет^ и оценить ха^акте^ п^оизошедших изменений.

Вто^ой ^ежим в этой п^ог^амме – «тести^ование», когда все внут^енние п^оцессы ск^ыты к^ышкой ко^пуса осциллог^афа, а отоб^ажается только след луча на эк^ане. Этот ^ежим п^едусмот^ен в модели для тести^ования по п^ойденному мате^иалу на семина^ах, для оп^оса на лабо^ато^ных занятиях и для возможности самоконт^оля обучающимися.

Рисунок 7 - Учебная модель Рисунок 8 - Модель для исследования элект^онного осциллог^афа поглощения света

Наве^ное, стоит упомянуть о важности компьюте^ных моделей-т^енажё^ов в п^омышленности. Они п^именяются для от^аботки навыков пилоти^ования летательных аппа^атов, вождения автомобилей, уп^авления п^омышленными п^оцессами и для многого д^угого, экономя п^и этом колоссальные финансовые ^есу^сы и, ^азумеется, спасая тысячи жизней. П^инципы и навыки создания подобного ^ода т^енажё^ов с успехом закладываются в об^азовательном п^оцессе благода^я демонст^ациям и совместной с п^еподавателем ^аз^аботке таких учебных компьюте^ных п^ог^амм.

В лабо^ато^ной модели «Изучение поглощения света в ^азличных с^едах» для задания с жидкостью (^ис.8) в имитационном п^ог^аммном с^едстве п^едусмот^ено 10 кювет, что на ^еальном лабо^ато^ном столе ^еализовать очень сложно. А модель благода^я такой диск^етности даёт возможность детально наблюдать и изучить влияние свойств с^еды на интенсивность светового пучка. В задании для изучения поглощения света в твё^дом теле используется набо^ из 15 тонких пластин, что также является очевидным п^еимуществом.

Подобные учебные п^ог^аммы фо^ми^уют п^инципы и навыки для создания п^омышленных компьюте^ных моделей систем связи, сигнализации и автоматики, а возможно, и новых п^омышленных об^азцов таких систем, что в наше технически ^азвитое в^емя является очень актуальной задачей. П^име^ом может служить модели^ование системы атмосфе^ной оптической линии связи (АОЛС), где как ^аз п^инци пиально важно всесто^оннее исследование влияния ^азличных 146

с^ед и неожиданных помех (нап^име^, дождя, снегопада, тумана, задымления, внед^ённых в с^еду с^едств пе^ехвата сигнала) для ^асп^ост^анения лазе^ного луча п^и пе^едаче аудиосигналов [10-12], особенно для соблюдения конфиденциальности пе^егово^ов.

Заключение. Здесь п^иведены описания лишь немногих из созданных авто^ом компьюте^ных учебных моделей. Объём статьи не позволяет ^ассмот^еть все п^ог^амми^ованные пособия для ^азделов элект^оники, волновой оптики, магнитного и элект^ического полей, сложения колебаний, магнитного гисте^езиса, волн, атомной физики, магнитооптических эффектов, полуп^оводников, элект^омагнитной индукции. Модели, заложенные в компьюте^ные лабо^ато^ные ^аботы, являются наглядным п^едставлением ^еальных экспе^иментов, достове^но от^ажают физические законы, а диапазон ^егули^уемых па^амет^ов позволяет получать достаточное количество экспе^иментальных точек. Эти модели п^ек^асно дополняют ^еальные физические экспе^именты и помогают более глубоко усвоить суть физических п^оцессов и явлений. Инте^фейсы компьюте^ных п^ог^амм выполнены интуитивно понятными и ^аз^аботаны так, чтобы обучающиеся, даже мало знакомые с ЭВМ, смогли самостоятельно без посто^онней помощи ими воспользоваться. Поэтому ог^омную ^оль эти п^ог^амми^ованные пособия могут сыг^ать, в частности, в получившей ^асп^ост^анение в последнее в^емя системе дистанционного обучения.

Важным моментом п^и создании компьюте^ных моделей является возможность педагогов сот^удничать с обучающимися, ст^емление обеспечить им позицию соавто^ов учебного п^оцесса. Целесооб^азно п^ивлекать их к созданию подобных учебных с^едств. Это подготавливает будущих бакалав^ов к конст^укто^ской деятельности, фо^ми^ует п^офессиональные инжене^ные навыки, закладывает и ^азвивает основы научной ^аботы, учит самостоятельному поиску технических ^ешений, п^ививает и ук^епляет навыки компьюте^ной об^аботки инфо^мации, п^едставления и изучения ^азличных физических п^оцессов с помощью компьюте^ных моделей, что о^иенти^ует обучающихся на более се^ьёзное п^оизводственное модели^ование для всесто^оннего тщательного ^ассмот^ения вновь создаваемых конст^укций.