Принципы построения лабораторной базы на выпускающей кафедре (на примере специальности 072300 – лазерная техника и лазерные технологии)

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ БАЗЫ НА ВЫПУСКАЮЩЕЙ КАФЕДРЕ (НА ПРИМЕРЕ СПЕЦИАЛЬНОСТИ 072300 - ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНИКА И ЛАЗЕРНЫЕ

ТЕХНОЛОГИИ)

В.А. Тарлыков, В.Ю. Храмов, А.А. Шехонин

В настоящее время самым актуальным вопросом высшей школы России становится качество высшего образования. Понятие качества образования является многомерным, динамически развивающимся, включающим в себя все стороны образовательного процесса [1].

Концепция обеспечения качества высшего образования включает целый ряд составных частей, которые нужно рассматривать с точки зрения современного понимания содержания и технологий высшего профессионального образования. Важный элемент данной концепции - основательный подход к вопросу информатизации высшего образования в широком смысле, обязательными элементами которой являются наличие информационно-образовательной среды вуза (электронные учебники, обучающие и аттестующие тесты, виртуальные лаборатории и электронные библиотеки), владение компьютером как инструментом, многократно расширяющим интеллектуальные возможности пользователя, а также повседневное использование систем и технологий компьютерного и дистанционного обучения в аудиторной и самостоятельной учебной работе студентов.

Качественная подготовка специалистов с высшим профессиональным образованием в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования (ГОС ВПО) предполагает выполнение вузами необходимых условий для реализации основных образовательных программ [2].

Согласно ГОС ВПО второго поколения, к таким условиям обеспеченности учебного процесса отнесены: кадровое обеспечение; учебно-методическое и информационное обеспечение; материально-техническая оснащенность; требования к организации практик.

Компьютерные системы и технологии обучения являются составной частью учебно-методического и информационного обеспечения учебного процесса. Но они в основном разрабатываются и используются только в отдельных ведущих вузах, имеющих собственные информационно-образовательные ресурсы, которые в настоящее время слабо связаны друг с другом и по этой причине на практике оказываются недоступными для большинства вузов. Поэтому одно из направлений технологии информатизации образования связано с построением специализированных информационно-образовательных сред вуза. Структурной базовой единицей вуза является кафедра, и поэтому именно ей должна принадлежать ведущая роль в наполнении информационно-образовательной среды вуза.

Под информационно-образовательной средой вуза понимается совокупность нормативных, программных, технических компонентов, функционирующих на основе новых компьютерных и педагогических технологий. В качестве основной части среда включает содержательные образовательные ресурсы по дисциплинам, специализациям и специальностям. Качество содержательного наполнения информационно-образовательной среды во многом определяет эффективность компьютерных технологий в учебном процессе, основными составными частями которой являются электронный учебник, обучающие и аттестующие тесты, виртуальные лаборатории, электронные библиотеки.

Технологии формирования информационно-образовательных сред позволяют не только накапливать в базе данных и обновлять электронные учебные ресурсы, но и развивать новые педагогические технологии, обеспечивать новое дидактическое

качество учебного процесса, его реструктуризацию. Эффективное использование электронных сред позволяет существенно сократить число лекционных и практических занятий путем перевода их в самостоятельную работу студента.

Эти тенденции приводят к изменениям в сфере межличностных отношений и реструктуризации традиционного учебного процесса: происходит снижение роли коллективных (лекционных) занятий, усвоение знаний становится более индивидуальным и интенсивным процессом, контроль знаний дисциплин - более гибким и объективным.

Этому процессу также в значительной мере способствует широкое использование в учебном процессе сети Интернет. Эффективность использования сети Интернет особенно высока на старших курсах при изучении цикла специальных дисциплин, требующих при подготовке и формировании учебного материала обоснования принятых решений (курсовые работы и проекты, рефераты, написание обзорной части выпускной квалификационной работы).

Для получения информации о предмете изучения необходим носитель учебной информации, основное функциональное назначение которого - представление информации в наиболее доступной и легко усваиваемой форме. Это основная задача, которую должно решать методическое обеспечение дисциплины. Разработка методического обеспечения в электронном виде имеет большие преимущества перед обычным носителем информации - бумажным.

Электронный вариант носителя позволяет получать информацию с помощью мультимедиа-технологии, т.е. использовать текст, звук и графику - анимацию и видео. Сетевые технологии дополнительно позволяют в рамках локальных или глобальных сетей, например, среды WWW в сети Интернет, широко транспортировать образовательные ресурсы, предоставляя доступ к ним большого числа пользователей независимо от их местоположения и времени.

Электронным учебным ресурсам, в силу их специфики, наряду с общими основными показателями, неизбежно должны быть присущи специальные требования. Если традиционный учебник строится линейно, что предполагает последовательный способ изучения материала, то под электронным учебником следует понимать нечто большее - особое представление материала, особую методику работы с ним.

Эта специфика в методическом плане полностью относится и к компьютерным лабораторным работам. Современный персональный сетевой компьютер предоставляет преподавателю дополнительные возможности: гипертекстовое изложение материала, качественные графические иллюстрации, анимационные и мультимедийные иллюстрации. Используя их, можно вывести процесс обучения и, в частности, процесс выполнения компьютерной лабораторной работы на совершенно новый уровень. В отличие от традиционной схемы выполнения лабораторной работы, процесс проведения эксперимента с использованием качественной виртуальной лаборатории становится нелинейным, адаптивным и, как следствие, более эффективным. Набор компьютерных лабораторных работ, безусловно, не может заменить привычные формы проведения занятий, но специфика организации материала в электронном варианте лабораторной работы, ее структурированность и многослойность позволяют обучаемому самому выбирать "траекторию" обучения.

Многоуровневый принцип формирования лабораторной базы

Лаборатория [ср.-лат. laboratorium < от лат. laborare работать] - специально оборудованное помещение для проведения научных, производственно-контрольных или учебных экспериментов. Функциональное назначение учебной лаборатории состоит в следующем:

• продемонстрировать наглядно изучаемые явления и процессы;

• дать представление (ознакомить) с современными методами исследования;

• научить современным способам обработки измерительной информации;

• закрепить полученные теоретические знания.

Как известно, организационно проведение лабораторных работ может быть выполнено тремя основными способами: фронтальным, последовательным и комбинированным.

Методически фронтальный способ проведения лабораторных работ является наиболее предпочтительным. Он позволяет планомерно и одновременно для всех обучающихся, в соответствии с последовательным процессом представления знаний, закреплять полученные теоретические знания и является наиболее естественным. Но его реализация подразумевает наличие одинаковых лабораторных работ для всех подгрупп обучающихся, что делает такой способ проведения занятий наиболее дорогим. Его реализация наиболее экономически эффективна при модульном принципе построения лабораторных работ и при использовании компьютерных лабораторных работ.

В обоих этих случаях обычно используется многоуровневый принцип построения лабораторной базы в учебном процессе. Уровень сложности лабораторной базы зависит от уровня сложности дисциплин цикла.

Рассмотрим развитие лабораторной базы, исходя из следующих предпосылок: многоуровневый принцип построения лабораторной базы и использование модульного принципа построения лабораторной работы, использование фронтального метода проведения.

Предлагаемые уровни оборудования, необходимые для построения современной

лабораторной базы

Для построения современной лабораторной базы вуза технического профиля по образовательным программам в соответствии с требованиями федерального компонента ГОС ВПО необходимо наличие современного оборудования нескольких уровней.

Первый уровень. Оборудование этого уровня обеспечивает изучение основных физических законов и явлений, принципов построения экспериментальной установки и методов обработки экспериментальных результатов. Лабораторная база этого уровня предпочтительно строить по модульному принципу "физического конструктора", позволяющего студенту самостоятельно собрать необходимую для изучения экспериментальную схему и провести на ней исследование физических законов и явлений. При построении лабораторной базы данного уровня наиболее целесообразно использовать виртуальные возможности компьютерной лаборатории для базовых дисциплин циклов ЕН и ОПД и СД.

Так, например, данный принцип построения лабораторной базы использован при создании базовой серии компьютерных лабораторных работ по дисциплине "Лазерная техника" [3]:

• исследование импульсных режимов работы твердотельных лазеров;

• исследование осветителя квантрона твердотельного лазера;

• исследование устойчивого резонатора.

Аналогичный принцип построения реальной лабораторной работы использован при создании портативной оптической лаборатории для школ и колледжей "Оптик" [3], также разработанной специалистами кафедры КЭ и БМО.

Основными элементами лабораторной базы данного уровня являются:

• простейшие стандартные элементы экспериментальной установки, включая источники питания, усилители, интерфейсы для передачи сигнала в компьютер и т. п.;

• элементы и устройства, обеспечивающие изучение физических законов и явлений (светоделители, фильтры, дифракционные решетки, оптические волокна и т.д.), включающие специфические датчики электрических, механических, оптических и других видов сигнала.

• конструктивно-несущие блоки для пространственного расположения и позиционирования элементов экспериментальной установки, собираемой студентом.

Все элементы (модули) должны иметь стандартные присоединительные размеры для их закрепления в конструкции собираемой установки.

На базе стандартизованных узлов производителем в рамках данного вида оборудования создаются унифицированные учебные установки (стенды), совокупность которых определяет набор оборудования для специализированных лабораторных аудиторий, предназначенных для изучения определенных федеральных дисциплин (их разделов).

Модульный принцип широко использован и при построении компьютерных лабораторных работ. Типичным примером может служить компьютерная лабораторная работа "Дифракция лазерного излучения на апертурах простой формы". Обучаемый имеет возможность "собрать" на экране монитора апертуру любой формы, используя набор базовых фигур: прямоугольников, треугольников, окружностей, эллипсов и секторов. Кроме того, он имеет возможность задавать независимо фазу поля в пределах каждого объекта и осуществлять сложение амплитуд или интенсивностей дифрагированных полей

[3].

Второй уровень. Комплект оборудования второго уровня обеспечивает изучение функционирования и знакомство с устройством (конструкцией) типовых элементов и узлов современных приборов. В комплект оборудования этого уровня входят наборы типовых узлов, адаптированных к условиям учебного процесса, т.е. позволяющие наглядно изучать особенности их конструкторско-технологических решений.

Практическая лаборатория второго уровня, позволяющая наглядно изучать основные физические процессы лазерной техники и мощного когерентного излучения реализована на кафедре КЭ и БМО на базе модульной учебной лаборатории (МУЛ) [3]. В состав комплекса МУЛ входят: оптический стол, гелий-неоновый лазер, импульсный неодимовый лазер с усилителем, генератор второй гармоники, перестраиваемый лазер на красителе, комплект оптических элементов, комплект механических и юстировочных узлов, аппаратура контроля параметров лазерного излучения. МУЛ обеспечивает возможность постановки любой из следующих лабораторных работ: когерентность лазерных пучков, преобразование лазерных пучков в оптических системах, исследование поляризации лазерного излучения, юстировка лазеров, свободная генерация лазера, модуляция добротности лазера, синхронизация мод лазера, усиление лазерного излучения, нелинейная оптика, исследование перестраиваемого лазера на красителе.

Комплекс МУЛ обеспечивает практическую подготовку студентов по газовым, твердотельным и жидкостным лазерам, позволяет реализовать все основные режимы их работы, демонстрирует различные типы накачки (электроразрядная, некогерентная и лазерная). Входящий в состав комплекса МУЛ, перестраиваемый лазер на красителе дает возможность реализовать более сложные лабораторные работы по лазерной спектроскопии. В процессе сборки и юстировки оптической схемы МУЛ студенты приобретают навыки работы с оптическим и лазерным оборудованием. Экспериментальные исследования обеспечены современной контрольной и измерительной аппаратурой.

Третий уровень. Оборудование этого уровня обеспечивает изучение типовых промышленно выпускаемых современных образцов техники (рынка техники),

принципов их функционирования, устройства и конструкции, методики их настройки и эксплуатации.

Четвертый уровень. Оборудование четвертого уровня обеспечивает изучение специализированных установок исследовательского и промышленного назначения. К таким установкам можно отнести:

• специализированные технологические установки;

• высокоточные измерительные комплексы.

Работы третьего и четвертого уровня на кафедре КЭ и БМО реализуются в рамках НИРС на базе кафедры, Лазерного центра, Института лазерной физики и ОАО ЛОМО и компьютерных лабораторных работ, разработанных сотрудниками института Лазерной физики и СПб ГИТМО (ТУ) [3]:

• компрессия лазерных импульсов при вынужденном рассеянии;

• оценка эффективности ОВФ зеркала на тепловой нелинейности для непрерывного лазера;

• исследование процесса формирования пространственных мод в оптических резонаторах лазерных систем;

• дифракция лазерного излучения на статистических объектах;

• оптика спеклов;

• исследование взаимодействия лазерного излучения с твердыми тканями человека;

• исследование распространения излучения в биологической ткани;

• моделирование процесса УФ лазерной абляции роговицы глаза.

Компьютерные лабораторные работы

Компьютерные лабораторные работы начали активно продвигаться в учебный процесс в последнее десятилетие двадцатого века. Они отражают одну из основных тенденций развития современного высшего образования - увеличение роли самостоятельной работы и сокращение доли аудиторных часов.

Основными достоинствами выполнения компьютерных лабораторных работ являются:

• фронтальный способ проведения;

• высокая степень наглядности;

• большая вариабельность заданий;

• использование мультимедиа-технологии;

• отсутствие необходимости иметь специальное помещение;

• снижение опасности, связанной с проведением работ при наличии высокого напряжения, наличием химически агрессивных жидкостей, мощного оптического излучения и т. п.;

• низкая стоимость;

• возможность индивидуального выполнения лабораторной работы;

• самостоятельное планирование времени проведения лабораторной работы. Основными задачами, которые решает "виртуальная лаборатория", могут являться

предварительное знакомство с физикой процессов при исследовании данного явления или моделирование работы реального устройства.

Решение первой задачи можно трактовать как выполнение "предлаборатории", т.е. своего рода допуск (подготовка) к выполнению реальной лабораторной работы. При этом она должна содержать, как правило, элементы тестов, проверяющих уровень знаний и готовность обучаемого к выполнению лабораторной работы.

Решение второй задачи - выполнение "виртуальной лаборатории", моделирующей работу обучающегося с лабораторной установкой, позволяет:

• исключить дорогостоящее лабораторное оборудование;

• выполнять лабораторный практикум фронтальным методом.

Использование фронтального метода проведения при выполнении компьютерных лабораторных работ очень важно с точки зрения осуществления последовательности усвоения знаний, которые получают студенты. Выполнение компьютерных лабораторных работ не требует специализированного оборудования, а их реализация для цикла дисциплин, методически хорошо разработанных, не представляет значительной проблемы.

Математическое моделирование, лежащее в основе компьютерных лабораторных работ, служит эффективной основой для развития навыков практического использования пакетов прикладных программ, являющихся сегодня основным инструментом современного специалиста при решении задач анализа и оптимизации в различных областях науки и техники. В этой связи представляется крайне перспективным широкое использование компьютерных лабораторных работ при изучении большинства дисциплин различных циклов с точки зрения подготовки современных специалистов, владеющих методами компьютерного моделирования различных объектов и процессов.

На кафедре КЭ и БМО при проведении лабораторных занятий по большинству специальных дисциплин (преобразование оптических сигналов, когерентная и статистическая оптика, элементы лазерных систем, специальные разделы прикладной оптики, нелинейная оптика, теория лазеров, применение лазеров в измерительных системах и др.) студенты широко применяют математическое моделирование физических процессов, используя системы МаШСАО и Ма1ЬАВ. Эти системы позволяют выполнять как численные, так и аналитические (символьные) вычисления, имеют удобный математико-ориентированный интерфейс и средства графики.

Критериальная оценка уровня лабораторного практикума

Для эффективного проведения лабораторного практикума по циклу дисциплин он должен удовлетворять ряду критериев, в качестве которых мы предлагаем использовать следующие:

• обеспеченность учебных дисциплин лабораторной базой;

• степень фронтальности выполнения лабораторных работ;

• обеспеченность лабораторного практикума компьютеризированными рабочими местами;

• обеспеченность учебной дисциплины лабораторной базой.

В соответствии с этим сформулируем требования к содержанию лабораторных работ по циклам дисциплин.

1. Лабораторный практикум всех циклов дисциплин должен иметь компьютерные средства оперативного контроля качества подготовки студентов к выполнению лабораторной работы и качества выполнения самих работ.

2. Все лабораторные практикумы должны иметь в наличии определенный процент компьютерных лабораторных работ, что обеспечивает фронтальный метод проведения занятий.

3. Процент компьютерных лабораторных работ должен определяться, исходя из степени сложности цикла (задач, решаемых циклом).

4. Используемое оборудование при построении лабораторных работ каждого цикла должно выбираться, исходя из его разделения на четыре уровня сложности и срока выпуска.

Заключение

Все годы своего существования кафедра КЭ и БМО активно использует вычислительную технику в учебном процессе. Сразу же после появления первых персональных ЭВМ на кафедре были разработаны библиотеки прикладных программ,

обеспечивших высокий уровень использования вычислительной техники при выполнении курсовых проектов и работ, дипломных проектов и работ: резонаторы лазерных систем, усиление лазерного излучения, лазеры с селективной накачкой, режим свободной генерации лазера, режим активной и пассивной модуляции добротности лазера и т.п.

На кафедре были разработаны и внедрены компьютерные формы контроля знаний студентов, стали проводиться тестирования студентов при контроле текущей успеваемости.

С развитием и совершенствованием вычислительной техники непрерывно модернизировалось и программное обеспечение учебного процесса. В настоящее время все используемые в учебном процессе программы работают в среде Windows.

Литература

1. Шадриков В.Д. Качество высшего образования: понятия, концепции, практические подходы // Университетская книга. 2001. № 5. С. 8-15.

2. Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования. Направление подготовки дипломированного специалиста 654000 -Оптотехника. Квалификация выпускника - инженер. Москва, 2000.

3. Синтез науки и образования. Итоги реализации Федеральной целевой программы "Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 гг. (проект "Учебно-научный центр "Оптика и научное приборостроение"", руководитель В.Н. Васильев). Научно-учебное пособие / Под ред. В.Б. Карасева, Л.М. Студеникина, В.А. Тарлыкова, В.Ю. Храмова. СПб.: СПбГИТМО(ТУ), 2001. 163 с.