Использование виртуальных лабораторных практикумов в образовательном процессе технического вуза

Э.И. Закирова, канд. техн. наук, доцент, кафедра автоматизации, информационных и инженерных технологий, Чайковский филиал Пермского национального исследовательского политехнического университета, г. Чайковский, Россия, elya-elvira@mail.ru

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВИРТУАЛЬНЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ ПРАКТИКУМОВ В ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ ПРОЦЕССЕ ТЕХНИЧЕСКОГО ВУЗА

При изучении технических дисциплин одним из вариантов закрепления теоретических положений лекционного материала является экспериментальная работа студентов, состоящая в демонстрации изучаемых явлений и процессов. Сегодня многие технические вузы используют инновационные технологии, в том числе виртуальные лабораторные практикумы по различным дисциплинам, так как в условиях учебных лабораторий очень сложно или невозможно воспроизвести многие явления, провести опыты. В связи с этим во многих технических вузах при организации и проведении практических занятий используются виртуальные лабораторные практикумы. При этом под понятием «виртуальный» понимается, что студент не работает непосредственно с изучаемым объектом, процессом или явлением, а получает информацию о нем посредством различных компьютерных моделей. Вследствие этого возникает проблема: могут ли компьютерные аналоги заменить реальное физическое оборудование и не снизится ли при этом качество подготовки будущих специалистов?Данная статья посвящена анализу возможности и эффективности применения виртуальных лабораторных практикумов в образовательном процессе вуза. Главной задачей применения подобных интерактивных методов обучения является развитие навыков по постановке лабораторных экспериментов, умения анализировать поставленные задачи и полученные в ходе опытов результаты, а также принимать на их основе самостоятельные решения. В статье показана возможность применения подобных интерактивных технологий при изучении цикла профессиональных дисциплин студентами технических вузов. Приведено теоретическое обоснование и описана методика обучения студентов с применением виртуальных лабораторных практикумов на примере изучения электротехнических дисциплин. Полученные результаты дают основание говорить об успешности применения подобной методики при проведении занятий в технических вузах. Ключевые слова: технический вуз, активные методы обучения, лабораторные работы, виртуальный лабораторный практикум, профессиональное обучение, образовательный стандарт, эксперимент, электротехнические дисциплины.

В течение нескольких десятилетий формировались и применяются технологии обучения, основанные на непосредственном взаимодействии учащихся с преподавателями1. Однако в окружающем мире значительно меняются условия, в которых живут и работают миллионы людей, вследствие чего традиционная образовательная система перестала удовлетворять потребностям общества в получении знаний и со-

вершенствовании способов и методов ведения образовательной деятельности. Все эти изменения связаны с переходом мирового сообщества к постиндустриальному, а затем и к информационному типу организации общества2.

Современные технологии преподавания в вузах таковы, что в процессе обучения необходимо одновременно формировать у студентов требуемые знания, умения и навыки,

№ 7 (59)АВГУСТ 2015

ДИСКУССИЯ !

журнал научных публикаций

отвечающие основным целям образования в профессиональной деятельности, потребность в новых знаниях и заинтересованность в изучении дисциплин3. При этом решение подобных задач связано с использованием методов активного обучения, которые предполагают, что эффективное изучение чего-либо — это не простое запоминание, а активная интеллектуальная деятельность4.

Федеральные государственные образовательные стандарты высшего образования различных технических направлений подготовки регламентируют необходимость организации в вузах учебных лабораторий и (или) возможность их замены на виртуальные аналоги: «7.3.1. Перечень материально-технического обеспечения, необходимого для реализации программы бакалавриата, включает в себя лаборатории, оснащенные лабораторным оборудованием, в зависимости от степени сложности. Конкретные требования к материально-техническому и учебно-методическому обеспечению определяются в примерных основных образовательных программах. В случае применения электронного обучения, дистанционных образовательных технологий допускается замена специально оборудованных помещений их виртуальными аналогами, позволяющими обучающимся осваивать умения и навыки, предусмотренные профессиональной деятельностью»5.

При проведении в вузе учебных занятий используются различные их формы, в том числе лекции, лабораторные и практические работы, а также разнообразные виды самостоятельной работы (в том числе выполнение курсовых работ и проектов, рефератов, индивидуальных заданий и др.).

При изучении технических дисциплин не обойтись без теории, но наиболее значимым и результативным компонентом

В окружающем мире значительно меняются условия, в которых живут и работают миллионы людей, вследствие чего традиционная образовательная система перестала удовлетворять потребностям общества в получении знаний и совершенствовании способов и методов ведения образовательной деятельности.

Проведение лабораторных практикумов обосновывается необходимостью выполнения студентами практических работ с реальными устройствами и оборудованием (или их аналогами) для приобретения и формирования у будущих специалистов необходимых навыков.

подготовки является лабораторный практикум. Под ним понимается наиболее значимый и результативный компонент как общепрофессиональной, так и специальной подготовки в области техники и технологий. Проведение лабораторных практикумов обосновывается необходимостью выполнения студентами практических работ с реальными устройствами и оборудованием (или их аналогами) для приобретения и формирования у будущих специалистов необходимых навыков.

Лабораторный практикум проводится в специализированных учебных лабораториях, поэтому эффективность данного вида занятий во многом определяется возможностями учебного заведения: в оснащении учебных лабораторий современным оборудованием, в выборе номенклатуры объектов экспериментального изучения и содержания лабораторных работ, в реализации эффективных технологий выполнения работ и т. п.6 Однако в ряде случаев проведение лабораторных работ на реальном физическом оборудовании невозможно (к примеру, при организации дистанционного обучения, при громоздкости оборудования и невозможности его размещения в стенах учебных лабораторий вузов, при невозможности детального изучения характеристик процессов ввиду быстротечности реакций или малых = размеров графических отображений процессов на дисплеях приборов, при невозможности рассмотреть кинематику движений объектов, происходящих внутри корпусов и кожухов, а также при изучении объектов повышенной опасности, доступ к которым студентов запрещен). Поэтому в подобных ситуациях для повышения эффективности и результативности образовательного процесса целесообразно использовать системы автоматизиро-

ванных лабораторных практикумов (АЛП)7, каждая из которых представляет собой комплекс технических, программных и методических средств, обеспечивающих автоматизированное проведение лабораторных работ и экспериментальных исследований непосредственно на физических объектах и (или) их математических моделях. Разновидностями систем АЛП являются виртуальные лабораторные практикумы (ВЛП), электронные лабораторные практикумы, электронные учебно-методические комплексы, электронные тренажеры и другие.

Таким образом, существует потребность в совершенствовании методики преподавания профессиональных дисциплин в технических вузах путем большего использования активных методов обучения с помощью интерактивных технологий. В связи с этим автор представляет теоретическое обоснование и разработку методики проведения лабораторных работ с применением ВЛП в процессе изучения дисциплин электротехнического цикла студентами различных технических направлений подготовки в вузе.

Разработанный ВЛП внедрен в учебный процесс Чайковского филиала Пермского национального исследовательского политехнического университета и включает в себя лабораторные работы по трем электротехническим дисциплинам: «Теоретические основы электротехники», «Электроснабжение с основами электротехники» и «Электротехника». Данные дисциплины читаются студентам направлений подготовки 13.03.02 (140400.62) «Электроэнергетика и электротехника», 15.03.04 (220700.62) «Автоматизация техно -логических процессов и производств», 09.03.01 (230100.62) «Информатика и вычислительная техника» и 08.03.01 (270800.62) «Строительство».

ВЛП состоит из лабораторных работ по следующим темам: «Опытная проверка законов Кирхгофа для расчета цепей постоянного тока», «Опытная проверка метода наложения», «Опытная проверка теоремы об активном двухполюснике»,

«Определение параметров цепи переменного тока», «Исследование резонансных явлений в последовательной цепи RLC», «Резонанс токов», «Исследование линейного пассивного симметричного четырехполюсника», «Исследование нелинейных цепей постоянного тока», «Исследование трехфазной цепи при соединении фаз нагрузки звездой», «Исследование трехфазной цепи при соединении фаз нагрузки треугольником», «Исследование переходного процесса в цепи первого порядка», «Исследование переходного процесса в цепи второго порядка».

Разработанный ВЛП обеспечивает следующий функционал:

— возможность просмотра материалов по сборке электрической цепи согласно заданию лабораторной работы;

— автоматизированное моделирование и расчет характеристик исследуемых процессов;

— автоматизированное построение графиков и векторных диаграмм;

— интеграцию результатов выполнения каждой лабораторной работы в шаблоны отчетов, выполненных с использованием программы Microsoft Office Word.

Работа ВЛП основана на преобразовании исходных характеристик электрической цепи в конечные данные с помощью математических моделей процессов. Математические модели выполнены в виде различных алгоритмов, оперирующих входными и выходными данными.

Входные данные — это начальные характеристики изучаемых процессов, представленные в виде значений сопротивлений, электродвижущей силы, напряжений, токов и другого. Входной информацией являются также схемы построения электрических цепей.

Выходная информация — это результат работы программы, то есть те значения, которые получены в результате моделирования. Выходные данные представлены численными значениями. На основании выходной информации заполняются таблицы,

Эффективность лабораторного практикума во многом определяется возможностями учебного заведения: в оснащении учебных лабораторий современным оборудованием, в выборе номенклатуры объектов экспериментального изучения и содержания лабораторных работ, в реализации эффективных технологий выполнения работ и т. п.

№ 7 (59)АВГУСТ 2015

ДИСКУССИЯ .

журнал научных публикаций

строятся векторные диаграммы, схемы и графики зависимостей физических величин, а также проводится анализ полученных данных. Результаты интегрируются в отчеты по лабораторным работам.

Рассмотрим принцип работы ВЛП.

При запуске программы необходимо выбрать требуемую лабораторную работу из списка предложенных и в появившемся окне ввести данные для заполнения титульного листа отчета.

Проведение каждой лабораторной осуществляется в четыре этапа.

На первом этапе (раздел «Подготовка к работе») студентам предлагается повторить пройденный материал (указаны учебные издания с номерами страниц), вписать ответы на контрольные вопросы и построить векторные диаграммы, которые затем интегрируются в отчет по лабораторной работе.

На втором этапе (разделы «Описание лабораторной установки» и «Изображение схемы») приводится описание лабораторной установки с изображением необходимых приборов и средств с возможностью экспериментирования непосредственно на электрической схеме.

На третьем этапе (раздел «Порядок выполнения экспериментальной части») описывается порядок проведения эксперимента. Данная часть ВЛП позволяет просмотреть материал по сборке схемы, представленный в виде презентации, выполненной с использованием программы Microsoft Office PowerPoint. Имеется также возможность моделирования изучаемого процесса по исходным характеристикам представленной схемы, значения которых могут быть изменены студентами. Результаты моделирования можно сохранить в отчете по лабораторной работе в том случае, если не планируется эксперимент с реальными приборами и устройствами.

Четвертый этап (раздел «Обработка результатов»), который является самостоятельной работой студентов, предполагает обработку результатов измерений, но он также автоматизирован: имеется возможность проведения расчета характеристик процессов, построения графиков и диаграмм, оформления и записи полученных результатов в отчет по лабораторной работе.

Таким образом, при изучении в техническом вузе дисциплин, рабочие программы

которых предусматривают при проведении практических занятий постановку различных экспериментов, представленная методика организации лабораторных работ с использованием ВЛП, способствует:

— повышению степени понимания студентами рассматриваемых процессов;

— снижению количества учебного времени, затрачиваемого на графические построения;

— возможности сравнения полученных на модели результатов расчета с данными, снятыми на экспериментальной установке;

— индивидуальному выполнению лабораторных работ;

— возможности удаленного выполнения лабораторных работ.

Применение подобных образовательных технологий возможно при всех формах организации учебного процесса, но в большей степени оно присуще заочной и очно-заочной формам обучения, так как в этом случае студент получает возможность доступа к лабораторным работам из любой географической точки земного шара через Интернет, что существенно расширяет образовательное пространство университета. ^

Литература

1. Энгель Е.А., Шевчук С.Ф., Царев Р.Ю. Системный анализ при исследовании распределенных образовательных сред // Современные наукоемкие технологии. 2007. № 12. С. 65-67.

2. Шевчук С.Ф. Анализ архитектуры распределенной информационно-образовательной среды // Современные наукоемкие технологии. 2007. № 10. С. 108-109.

3. Горленко О.А., Мирошников В.В. Согласование компетенций бакалавров и магистров с требованиями профессиональных стандартов // Инженерное образование. 2011. № 7. С. 68-73.

4. Закирова Э.И. Использование деловых игр в преподавании IT-дисциплин // Дискуссия. 2015. № 6(58). С. 142-147.

5. Федеральный государственный образовательный стандарт высшего образования по направлению подготовки 15.03.04. Автоматизация технологических процессов и производств (уровень бакалавриата) от 12.03.2015 г. № 200. [Электронный ресурс]. URL: http://fgosvo.ru/news/5/1072 (дата обращения 01.08.2015).

6. Информатизация образования: направления, средства, технологии: пособие для системы повы-

шения квалификации / под общ. ред. С.И. Маслова. М.: Издательство МЭИ, 2004. 868 с. 7. ОСТ 9.2-98 Система разработки и постановки продукции на производство. Учебная техника для образовательных учреждений. Системы

автоматизированного лабораторного практикума. Основные положения от 14.10.98 № 2610. [Электронный ресурс]. URL: http://koapp.narod. ru/pay/ty/ost/ost_9_2_98.htm (дата обращения 01.08.2015).

USING VIRTUAL LABORATORY WORKSHOPS IN THE EDUCATIONAL PROCESS OF A TECHNICAL UNIVERSITY

E.I. Zakirova, Candidate of technical sciences, Docent, The department of automation, information and engineering technologies, Tchaikovsky branch of Perm National Research Polytechnic University, Tchaikovsky, Russia, elya-elvira@mail.ru

Today, many technical universities use innovative technologies in the educational environment, including virtual laboratory workshops on various special subjects, as many events and experiences of an educational nature are very difficult or impossible to carry out in the conditions of educational laboratories. In the study of technical disciplines one of the options for maintaining theoretical positions lecture material is an experimental work of students consists in a demonstration of the studied phenomena and processes. In this connection, many technical colleges in organizing and conducting workshops use virtual laboratory practical training sessions. Thus, the term «virtual» means that a student does not work directly with the object under study, process or phenomenon, and receives information through a variety of computer models. As a result, a problem arises: can a computer analogy to replace actual physical equipment and decreases if the quality of training of future specialists? This article analyzes the possibilities and effectiveness of virtual laboratory workshops in the educational process of university. The main objective of the use of such interactive methods of teaching is to develop skills in the formulation of laboratory experiments, the ability to analyze the tasks and obtained during the experimental results, and based on them to make independent decisions. The paper shows the possibility of using these interactive technologies in the study of the cycle of professional disciplines of students of technical universities. The paper contains the theoretical basis and describes the methodology of teaching students using the virtual laboratory practical example to study electrical engineering disciplines. The results give grounds to speak about the success of the application of such techniques during training in technical universities. Key words: technical university, active learning methods, laboratory work, a virtual laboratory workshop, vocational training, educational standard, experiment, electrical disciplines.

References

1. Engel' E.A., Shevchuk S.F., Tsarev R.Iu. Sistemnyi ana-liz pri issledovanii raspredelennykh obrazovatel'nykh sred [System analysis in the study of distributed educational environments]. Sovremennye naukoemkie tekhnologii — Modern high technologies, 2007, no. 12, pp. 65—67.

2. Shevchuk S.F. Analiz arkhitektury raspredelennoi informatsionno-obrazovatel'noi sredy [The analysis of the architecture of the distributed information and educational environment]. Sovremennye naukoemkie tekhnologii — Modern high technologies, 2007, no. 10, pp. 108-109.

3. Gorlenko O.A., Miroshnikov V.V. Soglasovanie kompetentsii bakalavrov i magistrov s trebovaniiami professional'nykh standartov [Harmonization of the competences of bachelors and masters with the requirements of professional standards]. Inzhenernoe obrazo-vanie — Engineering education, 2011, no. 7, pp. 68-73.

4. Zakirova E.I. Ispol'zovanie delovykh igr v prepodava-nii IT-distsiplin [The use of business games in teaching

IT subjects]. Diskussiia — Discussion, 2015, no. 6(58), pp. 142-147.

5. Federal state educational standard of higher education in the field of training 15.03.04 automation of technological processes and production (bachelor level) from 12.03.2015, No. 200. (in Russian). Available at: http:// fgosvo.ru/news/5/1072 (accessed 01.08.2015).

6. Informatizatsiia obrazovaniia: napravleniia, sredstva, tekhnologii: Posobie dlia sistemy povysheniia kvalifikatsii / Pod obshch. red. S.I. Maslova [Informatization of education: trends, tools, technologies: a Handbook for the system of professional development. Ed. by S.I. Maslov]. Moscow, Izdatel'stvo MEI Publ., 2004. 868 p.

7. OST 9.2-98 System development and launch of new products. Training equipment for educational institutions. Automated laboratory practical work. The basic provisions dated 14.10.98 No. 2610. (in Russian). Available at: http://koapp.narod.ru/pay/ty/ost/ost_9_2_98. htm (accessed 01.08.2015).