Роль компьютерного моделирования в дистанционной подготовке агроинженеров при пандемии коронавируса COVID-19

Введение. В период пандемии коронавируса COVID-19 основным направлением организации и осуществления образовательного процесса является создание образовательных платформ для дистанционного обучения через сеть «Интернет», ориентированных на развитие интеллектуального потенциала обучающихся, на формирование умений самостоятельно приобретать знания, осуществлять учебную и экспериментальноисследовательскую деятельность, разнообразные виды самостоятельной работы по обработке информации. Из всего многообразия способов применения средств новых информационных технологий для подобных платформ особо следует выделить использование компьютерного моделирования в связи с его широкой популярностью в практике отечественной и зарубежной образовательной и научно-исследовательской деятельности [1-4] вследствие его неисчерпаемых потенциальных возможностей.

Роль компьютерных моделей в создании образовательных платформ для дистанционного обучения. В период пандемии коронавируса COVID-19 при организации дистанционного обучения компьютеры могут выступать не только как средства автоматизации вычислений [5], но и как прекрасные средства наглядности для интенсификации процесса освоения материала, как эффективные тренажёры для контроля знаний и умений и в качестве лабораторных установок, моделирующих реальные процессы и явления.

Во время контактной аудиторной работы моделирование, как правило, применяется только в тех случаях, когда непосредственное натурное исследование физического явления невозможно или нецелесообразно. Компьютер позволяет моделировать процессы абсолютно любой сложности, в том числе и такие, которые нельзя наблюдать в обычной обстановке. Опыт использования компьютерной техники в этих целях уже показал, что такое моделирование значительно повышает интерес обучающихся к изучаемому материалу, существенно углубляет его усвоение, а также подготавливает будущих бакалавров к созданию и работе с такими универсальными моделями и на производстве после окончания вуза, что весьма актуально в современных условиях [6,7]. Тем более что в период пандемии коронавируса абсолютно всё обучение переводится только на дистанционную работу, организованную с помощью образовательных платформ.

Для дистанционного обучения на образовательных платформах следует сделать особый упор на создание на базе ЭВМ автоматизированных учебных комплексов, которые могут быть успешно применены для большинства видов учебной работы. Их основное достоинство заключается в том, что они позволяют обучающемуся работать совершенно самостоятельно с учётом своих индивидуальных особенностей, таких как темп освоения изучаемого материала и уровень понимания. Очевидно, что в период реализации дистанционного обучения при пандемии коронавируса COVID-19, это приобретает особую значимость.

Наиболее серьёзной проблемой сегодня видится разработка автоматизированных учебных комплексов, действующих в режиме диалога. Для их эффективного функционирования при дистанционном обучении понадобится высокоскоростное подключение к сети «Интернет». Такие комплексы также являются эффективным средством в руках преподавателя, дающим возможность активно влиять на работу каждого обучающегося в диалоговом режиме дистанционного обучения. Описанные преимущества автоматизированных учебных комплексов позволяют говорить о том, что их создание становится просто необходимым для образовательных платформ при реорганизации учебного процесса в период пандемии коронавируса COVID-19.

Значение авторских разработок для дистанционного обучения на образовательных платформах. Для дистанционного обучения на образовательных платформах в условиях пандемии коронавируса автором этой статьи разработан оригинальный автоматизированный комплекс для изучения различных дисциплин [8], таких как физика, техническая термодинамика, теплотехника [9], теплоэнергетика, электроника, автоматика, электротехника и других курсов. Он включает в себя 20 программированных учебных пособий различной направленности, которые, в основном, не имеют аналогов. В комплексе представлены 7 моделей лабораторных и 13 моделей демонстрационно-тестирующих установок. Разработанные автором программированные учебные пособия являются составной частью регионального депозитария электронных образовательных ресурсов.

С помощью созданного виртуального лабораторного оборудования можно дистанционно провести полноценное лабораторное занятие, что является архиважным и единственно возможным без потери качества образования при обучении на образовательных платформах в условиях пандемии коронавируса COVID-19. В качестве дополнительного преимущества компьютерных моделей, которое сохранится и при обычной контактной аудиторной работе с обучающимися, можно указать, что дискретность контролируемых параметров на виртуальном оборудовании значительно превосходит аналогичные показатели реальных приборов в любой лаборатории. Кроме того, в компьютерных моделях автором заложено изменение таких параметров, которые у реального лабораторного оборудования варьировать невозможно или крайне затруднительно.

Кроме безусловного выигрыша от того, что образовательный процесс не останавливается в период пандемии, а продолжается без существенной потери качества обучения, можно обозначить и ещё одно значительное преимущество от использования компьютерных моделей. Компьютерное моделирование сегодня является чуть ли не важнейшим подготовительным этапом практически любого современного производства [10]. Редактирование и доработка различных существующих технических решений или разработка концептуальных новшеств [11-13] для машиностроения, будь то морской, авиационный [14], автотранспорт, изделия ВПК [14], производственные роботизированные линии, стартует с эскизных проектов, проходя далее все привычные стадии разработки. В сегодняшний век глобальной информатизации подавляющее большинство вновь разрабатываемых проектов [15] опирается именно на компьютерное моделирование вплоть до завершающего этапа – воплощения проработанной графически модели конструкции в металле и проведения её натурных испытаний. Такое моделирование ощутимо снижает финансовые затраты, открывает возможности изучения значительной вариативности даже мелких изменений в конструкции [16] и исправления любого рода недочётов при работе над изделием.

Применяемые в дистанционном обучении на образовательных платформах в период пандемии  коронавируса  COVID-19

компьютерные модели, кроме своего прямого предназначения, как раз попутно формируют навыки и иллюстрируют принципы промышленного моделирования, необходимые будущим бакалаврам при работе в реалиях современного производства. Созданные автором программированные учебные пособия могут быть с успехом проанализированы и позже учтены при создании, например, промышленных компьютерных моделей современных систем сигнализации, линий связи [4,7,17] и автоматики, а может быть, и новых производственных образцов подобных систем [18], что в наш технически развитый век является принципиально важной задачей [19].

Продемонстрируем перечисленные выше преимущества и возможности применения разработанных автором обучающих компьютерных моделей на конкретных примерах.

Моделирование лабораторных установок для образовательных платформ. В лабораторной модели «Определение скорости пули при помощи баллистического маятника» заложен выбор из семи видов действующего стрелкового вооружения с абсолютным соответствием их характеристик реальности. Благодаря этому появляется даже несомненное преимущество при дистанционном обучении в период пандемии коронавируса COVID-19, потому что такой эксперимент вызывает гораздо больший учебный и просто познавательный интерес при его проведении, по отзывам работавших с моделью. Во время контактного аудиторного обучения лабораторные опыты осуществляются с помощью обычного пружинного пистолета, что крайне мало заинтересовывает обучающихся, особенно курсантов военных учебных заведений, где автор успешно преподавал в течение многих лет.

Очень важным является тот факт, что эта виртуальная учебная модель создана для работы в диалоговом режиме с обучающимся. Компьютерная программа по введённым экспериментатором данным сама прогнозирует и предсказывает результат опыта в специально предусмотренном для этого окне в нижней части экрана (рис.1). В этой лабораторной модели изменение величины массы маятника специально никак не ограничено. А в разделе меню «ход работы» оговорён довольно широкий и только рекомендуемый для используемых в работе видов оружия диапазон этой величины. Благодаря осмыслению предварительных данных эксперимента в программе у обучающихся с младших курсов развивается аналитическое мышление и формируется самостоятельность в принятии технического решения, что весьма важно для будущего инженера.

Рисунок 1 - Баллистический маятник Рисунок 2 - Поглощение света

В виртуальной лабораторной модели «Изучение поглощения света в различных средах» в задании с жидкостями (рис.2) используется для исследования 10 кювет. Это в реальном лабораторном эксперименте при контактном аудиторном обучении организовать довольно-таки затруднительно, если не невозможно. При работе же с моделью в период дистанционного обучения из-за пандемии коронавируса COVID-19 благодаря такой серьёзной дискретности появляется возможность детально фиксировать и подробно изучить влияние свойств жидкости на интенсивность пучка света. В задании по изучению поглощения световых волн в твёрдом теле применяются 15 лабораторных пластин. Это также относится к существенным преимуществам созданной автором лабораторной модели для дистанционного обучения на образовательных платформах.

Моделирование демонстрационно-тестирующих установок для образовательных платформ. В период дистанционного обучения из-за коронавируса COVID-19 для отработки учебных навыков, оказания помощи в подготовке к занятиям или при самостоятельном изучении учебного материала, а также для контроля уровня овладения обучающимися теоретическими и практическими основами дисциплин созданы программные средства-тренажёры. Ярким представителем такого типа компьютерных моделей можно назвать пособие «Изучение электронного осциллографа» (рис.3). В нем запрограммировано два режима работы.

Первым режимом является непосредственно изучение. В этом случае возможно подробное рассмотрение принципов действия электронного осциллографа. При работе в таком режиме хорошо видны все, даже малейшие, изменения, которые происходят внутри прибора. Перечисляя факторы, способствующие лучшему пониманию принципов функционирования осциллографа и физических процессов, которые происходят внутри электронного прибора, можно назвать следующие преимущества созданной компьютерной модели:

• •    Изучение материала сопровождается визуализацией происходящих процессов в динамике.

• •    В модели предусмотрено мигание элементов электронно-лучевой трубки, ответственных за происходящие с электронным лучом изменения.

• •    Фиксация изменений абсолютно не ограничена временем, в силу того, что это не демонстрационный ролик, а обучающая компьютерная модель.

• •    Обучающийся по собственному желанию может изменить любой параметр, интересующий его, и оценить после этого характер возникших изменений.

Второй режим в этой модели служит для тестирования по пройденному материалу или самоконтроля обучающихся. В этом случае все процессы, происходящие внутри прибора, скрыты крышкой корпуса осциллографа, а отображается лишь след луча на экране.

Подобный режим особенно полезен при дистанционном обучении на образовательных платформах в период пандемии коронавируса COVID-19. В период контактной аудиторной работы он служит для реализации тех же целей, а также для организации защиты на лабораторных занятиях в интерактивной форме [20].

Рисунок 3 - Осциллограф Рисунок 4 - Работа МГД-генератора

Крайне полезна будущим теплоэнергетикам компьютерная модель, демонстрирующая принцип действия магнитогидродинамического генератора (рис.4). Она выполнена очень наглядно и эффектно иллюстрирует работу МГД-генератора, служащего для получения электрического тока с помощью магнитного поля путём сжигания топлива и получения плазменного потока. Такая энергетическая установка не содержит движущихся механических частей, что значительно повышает надёжность её работы. Полностью визуализировать процессы горения и разделения электрических зарядов в натурных экспериментах не представляется возможным даже на специально спроектированных экспериментальных стендах. Поэтому данная компьютерная модель может не только активно использоваться для дистанционного обучения на образовательных платформах в период пандемии коронавируса COVID-19, но и очень востребована при контактной аудиторной учебной деятельности [20].

Заключение. В данной работе приведено описание лишь крайне малого числа разработанных автором компьютерных учебных моделей для дистанционного обучения на образовательных платформах в период пандемии коронавируса COVID-19. Стоит упомянуть, что для различных дисциплин автором статьи созданы компьютерные модели для следующих разделов: магнитное и электрическое поля, магнитный гистерезис, электромагнитная индукция, сложение колебаний, волны, волновая оптика, магнитооптические эффекты, электроника, полупроводники, атомная физика [8].

Интерфейсы виртуальных моделей интуитивно понятны, многие объекты дополнены «всплывающими» комментариями и выполнены так, чтобы обучающиеся, даже мало знакомые с компьютерной техникой, могли без посторонней помощи самостоятельно с ними работать. Поэтому особую значимость эти программированные пособия приобретают в период пандемии коронавируса COVID-19 для дистанционного обучения на образовательных платформах.

Модели в компьютерных лабораторных работах наглядно демонстрируют реальные эксперименты, точно отражают физические закономерности. Диапазоны измеряемых параметров дают возможность фиксировать достаточное количество экспериментальных значений.

Все перечисленные преимущества этих моделей позволяют активно использовать их для дистанционного обучения на образовательных платформах в период пандемии коронавируса COVID-19, не снижая при этом качества получаемого обучающимися образования по сравнению с контактным обучением.

DOI: 10.1088/1757-899X/779/1/012029