Создание автоматизированного комплекса для исследования электротехнических устройств и систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Станкевич, Иван Владимирович

• Станкевич, Иван Владимирович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Станкевич, Иван Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

1. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО И СИСТЕМА КАК ОБЪЕКТ РАЗРАБОТКИ И ИЗУЧЕНИЯ.

1.1. Современные тенденции стратегии создания образцов новой техники

1.2. Особенности изучения электротехнических устройств и систем.

1.3. Назначение создаваемого лабораторного оборудования.

1.4. Технико-экономическое обоснование постановки диссертационной работы.

1.5. Цель и задачи диссертационной работы.

Выводы.

2. ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ ЛАБОРАТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ ДЛЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБУЧЕНИЯ.

2.1. Анализ предшествующих поколений лабораторного оборудования.

2.2. Принципы создания лаборАТорнрдо оборудования нового поколения

2.3. Рекомендации по синтезу стр^у№1:МЦё^Й'ОРНОГО оборудования нового поколения.

Выводы.

3. БАЗОВЫЕ ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДЛЯ СОЗДАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЛАБОРАТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ.

3.1. Общие требования.

3.2. Средства телекоммуникационных технологий.

3.3. Средства измерительных и управляющих технологий.

3.4. Интерфейсные средства или устройства сопряжения с объектом.

3.5. Средства разработки программно-методического обеспечения.

Выводы.

4. ТИПОВОЙ КОМПЛЕКТ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОСНАЩЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ УЧЕБНЫХ ЛАБОРАТОРИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ПРОФИЛЯ.

4.1. Распределенная учебная лаборатория как новая форма автоматизированных лабораторий политехнического профиля.

4.2. Программно-технический и научно-методический комплекс "Основы электротехники".

4.3. Программно-технический и научно-методический комплекс "Основы электроники".

Выводы.

5. НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗРАБОТАННОГО ОБОРУДОВАНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ В НАУКЕ, ОБРАЗОВАНИИ, ПРОМЫШЛЕННОСТИ.

5.1. Функциональные возможности использования разработанного оборудования при научных исследованиях сложных электротехнических устройств и систем.

5.2. Эффективность использования разработанного лабораторного оборудования в системе современных образовательных технологий.

5.3. Распределенная мультипроцессорная автоматизированная система управления режимом бурения наклонных и горизонтальных скважин . 173 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Создание автоматизированного комплекса для исследования электротехнических устройств и систем»

Актуальность работы. В современных условиях реальное финансирование российской науки и образования продолжает сокращаться. Ускоренными темпами происходит старение материально-технической базы научных и образовательных учреждений. Сокращается потенциал и снижается уровень опытно-конструкторских разработок и производственных мощностей, способных удовлетворить хотя бы самые насущные потребности в средствах обучения и лабораторном оборудовании. В то же время, прогрессивные тенденции развития науки и техники объективно требуют качественно нового подхода к подготовке специалистов, способных создавать и эффективно применять конкурентоспособные образцы новой техники. Для разрешения указанного противоречия требуется принципиально другие технические решения, обеспечивающие более высокую эффективность проведения исследований при значительном сокращении затрат, что возможно только при использовании современных средств автоматизации, интеллектуализации и телекоммуникации.

Дистанционный контроль функционирования и дистанционное управление распределенным интеллектуальным оборудованием становится все более актуальным в современном автоматизированном промышленном производстве, оборонной технике, науке, а в последнее время - и в образовании.

Разработанный в рамках диссертационной работы автоматизированный программно-технический и научно-методический комплекс лабораторного оборудования нового поколения предназначен для проведения научных исследований и обучения в области электротехники, основан на самых современных информационных и телекоммуникационных технологиях и способен работать в глобальной компьютерной сети Internet.

Диссертационная работа соответствует приоритетным направлениям фундаментальных исследований "Проблемы управления и автоматизации", "Интегрированные информационно-телекоммуникационные сети и системы", а также 5 критическим технологиям "Системы искусственного интеллекта и виртуальной реальности", "Информационно-телекоммуникационные системы" и выполнялась в рамках следующих федеральных и межвузовских Программ:

1. МНТП "Учебная техника";

2. МНТП "Корпоративные сети";

3. МНТП "Анализ состояния и научно-техническая поддержка перспективных исследований высшей школы";

4. МННП "Научно-методическое обеспечение дистанционного обучения";

5. Федеральная Программа "ИНТЕГРАЦИЯ".

Диссертационная работа является частью комплекса научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проводимых кафедрой «Электротехнические комплексы автономных объектов» и направленных на развитие методов и средств автоматизации исследования электромеханических устройств и систем различного назначения:

• № 1029990 "Разработка теоретических основ и создание научно-дидактического комплекса для изучения физических моделей электромеханических процессов";

• № 1164990 "Разработка структуры и информационно-методического обеспечения автоматизированного образовательного комплекса политехнического профиля для работы в корпоративных сетях"

• № 2075980 "Разработка экспериментального стенда для автоматизированного лабораторного практикума удаленного доступа в области электротехники, автоматики и вычислительной техники"

• № 2072980 "Разработка концепции создания распределенной лаборатории по специальностям электротехнического профиля"

• № 1028970 "Разработка лабораторного и научного оборудования нового поколения для исследования электромеханических систем и их компонентов с приме6 нением современных информационных технологий и средств телекоммуникаций".

Целью работы является повышение эффективности научных исследований и образовательного процесса подготовки и переподготовки специалистов в области разработки, исследования и эксплуатации электротехнических комплексов и компонентов за счет создания и организации применения автоматизированных программно-технических и научно-методических комплексов поддержки учебного процесса и научных исследований нового поколения.

Для достижения поставленной цели необходимо последовательно решить следующие задачи: разработать концепцию создания лабораторного оборудования нового поколения, определяющую совокупность принципов и методов синтеза такого оборудования; осуществить выбор или разработать необходимые компоненты лабораторного оборудования нового поколения; ■ создать базовые комплексы лабораторного оборудования нового поколения в области электротехники; ■показать эффективность применения оборудования нового поколения в науке, промышленности, образовании.

Согласно поставленным целям и задачам материал диссертационной работы представлен следующим образом.

В первой главе проведен анализ современных тенденций в области создания образцов новой техники. Рассмотрены особенности электротехнических устройств и систем, требующие проведения их экспериментальных исследований. Проведено технико-экономическое обоснование постановки диссертационной работы и сформулированы цель и задачи работы.

Во второй главе проведен анализ предшествующих поколений лабораторного оборудования и сформулированы основные принципы создания лаборатор7 ного оборудования нового поколения. Даны рекомендации по синтезу структуры лабораторного оборудования нового поколения.

В третьей главе сформулированы основные требования к базовым программно-техническим средствам для создания автоматизированного лабораторного оборудования нового поколения. Проведен анализ и даны рекомендации по выбору средств телекоммуникационных, измерительно-управляющих технологий. Даны рекомендации по разработке программно-методического обеспечения автоматизированных курсов и исследовательских комплексов, выбору средств разработки.

В четвертой главе раскрыта концепция распределенной учебной лаборатории, как новой формы автоматизированных лабораторий политехнического профиля. Описаны опытные образцы комплексов, предназначенных для изучения основ электротехники и электроники и созданных на основе принятых принципов и рекомендаций по синтезу исследовательского оборудования нового поколения.

В пятой главе отражены результаты использования разработанного оборудования нового поколения в науке, образовании, промышленности. Рассмотрены функциональные возможности и примеры применения разработанного оборудования для научных исследований сложных электротехнических устройств и систем. Описаны результаты применения разработанной концепции интеллектуального электротехнического оборудования нового поколения в процессе разработки, отладки и опытной эксплуатации в промышленных условиях Автоматизированной Системы Управления Режимом Бурения.

Методы исследования. В процессе выполнения диссертационной работы были использованы современные методы и средства информационных и телекоммуникационных технологий применительно к организации коллективного доступа удаленных пользователей к единичному комплекту автоматизированного лабораторного оборудования; методы управления сложными электротехническими системами, включая частотное, адаптивное управление, а также управле8 ние с прогнозированием; методы математической обработки результатов моделирования и эксперимента, включая линейную и сплайн интерполяцию, среднеквадратичную аппроксимацию, спектральный анализ полигармонических сигналов и т.д. При разработке программного обеспечения были использованы современные лицензионные инструментальные средства: Borland С++ Builder 4.0; National Instruments Component Works 1.0; National Instruments LabWindows/CVI 4.01; IAR Systems Micro Series 8051 C-Compiler V4.02E/OS2.

Научная новизна диссертационной работы заключается: в определении основополагающих принципов создания лабораторного обору

Г/ дования нового поколения (принцип единства и комплексности объектов изучения, принцип интеллектуализации объекта и средств обучения, принцип распределения информационных и технических ресурсов); в создании наукоемкого, интеллектуального электротехнического комплекса, предназначенного для исследования динамических процессов в сложных электротехнических системах в режиме многопользовательского телекоммуникационного доступа по локальным, корпоративным или глобальным компьютерным сетям (в том числе, Internet); в разработке математической модели управления электрооборудованием в распределенной технологической системе бурения скважин, когда прогнозируется следующий шаг управления с учетом транспортной задержки.

Практическая значимость. Результаты диссертационной работы успешно используются в научных исследованиях, образовательном процессе и в промышленности:

• Созданный научно-образовательный комплекс позволяет решать задачи многоканального синхронного мониторинга динамических процессов, диагностики и прогнозирования технического состояния сложных технических систем, поиска алгоритмов эффективного управления техническими системами, идентификации параметров математических моделей. 9

• Использование созданного научно-образовательного комплекса в учебном процессе позволило многократно сократить капитальные и текущие затраты на создание и поддержание лабораторного оборудования, занимаемые площади, обслуживающий персонал при одновременном повышении качества обучения за счет применения комплекса средств обучения, открывающих возможности индивидуализации и активизации учебного процесса.

• Применение разработанной распределенной мультипроцессорной автоматизированной системы управления режимом бурения наклонных и горизонтальных скважин показало возможности значительного повышения информативности, надежности и качества выполнения технологических процессов в нефтегазовой отрасли на основе совокупности принципов информатизации и интеллектуализации технических систем, предложенных в работе.

Реализация результатов работы. Разработанный базовый программно-технический и научно-методический комплекс используется на кафедре «Электротехнические комплексы автономных объектов» Московского энергетического института (технического университета) при выполнении научных исследований и проведении учебных занятий. Макетный вариант комплекса внедрен в демонстрационном центре РНПО "Росучприбор" и применяется для демонстрации возможностей новых образовательных технологий. Опытный вариант разработанной мультипроцессорной автоматизированной системы управления режимом бурения неоднократно и успешно испытывался на буровых установках треста Оренбург-БурГаз.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и демонстрировались на 11-ти российских и международных выставках-семинарах, посвященных новым образовательным технологиям (г. Москва - 1996, 98, 99, 2000 гг, г.Нижний Новгород - 1996 г., г.Санкт-Петербург - 1997 г., г.Остин - США - 1997г., г.Базель - Швейцария - 1998 г., г.Ростов на Дону - 1999 г., г.Орел - 1999 г.). Был произведен ряд успешных сеансов экспериментальных исследований электротех

10 нических устройств в рамках разработанных комплексов оборудования в режиме удаленного доступа. Доступ к оборудованию осуществлялся как по высокоскоростным линиям связи (оптоволокно, спутниковые каналы), так и по медленным коммутируемым линиям. В целом, опыт показал достаточно высокую динамику проведения экспериментальных исследований: даже с использованием плохих линий связи, со скоростью передачи информации до 9600 бит/с. Суммарное время проведения одного эксперимента с одного рабочего места не превышало 1-2 минут, из которых непосредственно использование объекта занимает единицы секунд, в зависимости от объекта исследования, а остальное время обусловлено транспортной задержкой передачи результатов эксперимента пользователю.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и 9-ти приложений, имеет 184 страницы основного текста, 46 рисунков, список литературы из 76 наименований и три Акта об использовании результатов работы.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Станкевич, Иван Владимирович

Выводы

• Базовые программно-технические средства для создания автоматизированного лабораторного оборудования нового поколения должны быть открытыми, комплектными, стандартными, гибкими, информационно, электрически и конструктивно-совместимыми.

• Измерительно-управляющие подсистемы комплекса лабораторного оборудования должны строиться по комбинированной идеологии с трехуровневым распределением вычислительных ресурсов: на объектном уровне - это мультипроцессорная система на основе специализированных микроконтроллерах, каждый значимый узел объекта (датчик или группа датчиков, регулятор, преобразователь, нагрузка и т. д.), снабженный отдельным микроконтроллером, становится "информационно прозрачным" и "абсолютно управляемым"; на промежуточном уровне — это сервер стенда; на пользовательском уровне — современные персональные компьютеры, способные воспроизводить все современные достижения компьютерных технологий: цвет, звук, трехмерную графику, анимацию, без чего эффективность процесса обучения была бы не столь высока.

• Программное обеспечение исследовательского комплекса должно включать в свой состав ряд компонентов, выполняющих различные функции:

ПО объектного уровня - драйверы компонентов стенда;

ПО компьютера-сервера - дистанционный обмен информацией между аппаратными средствами автоматизированных лабораторных стендов и рабочими местами пользователей

ПО рабочих мест пользователей - предоставление пользователю справочной информации об объекте, средства моделирования, подготовки и проведения эксперимента на удаленном оборудовании, средства обработки и анализа экспериментальных данных, средства получения обучаемым индивидуального задания.

• В качестве средств разработки программного обеспечения комплекса следует использовать средства низкоуровневого программирования, основанные на языках программирования С и ассемблер, - для ПО объектного уровня и средства визуального программирования типа Borland С++ Builder 4.0 - для ПО сервера и рабочих мест пользователей.

82

4. ТИПОВОЙ КОМПЛЕКТ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОСНАЩЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ УЧЕБНЫХ ЛАБОРАТОРИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ПРОФИЛЯ

4.1. Распределенная учебная лаборатория как новая форма автоматизированных лабораторий политехнического профиля 9

В общем случае под РУЛ понимается территориально разнесенная, но организационно объединенная структура, позволяющая за счет использования средств телекоммуникаций коллективно использовать лучшие методические, дидактические и научно-технические разработки ведущих образовательных и академических учреждений и образующая в целом творческую лабораторию по созданию и реализации принципиально новых учебных курсов фундаментальной подготовки специалистов на базе новых образовательных технологий в каждом конкретном учебном направлении (Рис. 4.1).

Принцип "распределения" объективно диктуется необходимостью собрать в единую структуру именно лучшие и часто уникальные разработки (которые реально существуют либо могут быть созданы в различных регионах страны), с целью создания функционально полной обучающей системы. Существует несколько объективных предпосылок создания в системе образования сети распределенных учебных лабораторий, обеспечивающих наиболее экономически эффективную подготовку специалистов высокого уровня: В ряде направлений учебной подготовки в Вузах (например, машиностроение, энергетика, транспорт, металлургия, добыча нефти, газа, руды и пр.) в качестве объектов изучения выступают сравнительно громоздкие, энергоемкие и дорогостоящие системы (компрессорные установки, насосные агрегаты, прокатные станы, турбо- и гидрогенераторы, электро- и тепловозы и т.д.). Возникает экономическая проблема организации учебного процесса с возможностью фронтального выполнения практических работ при большой к тому же

84 вариантности базовых объектов изучения. Частичное решение этой проблемы обычно находят путем оснащения учебных лабораторий периферийных Вузов конкретной продукцией местных предприятий. Ограниченность такого подхода связана с тем, что номенклатура продукции местных предприятий достаточно ограничена, а типовой перечень объектов изучения, как правило, шире. Однако в другом регионе аналогичная структура Завод-ВУЗ построена уже на другой конкретной продукции. В целом же по стране исторически возникла распределенная сеть крупных предприятий (и, как правило, Вузов при них), каждое из которых ориентировано на конкретный вид промышленной продукции, а вместе они образуют взаимодополняющую систему типового набора объектов изучения. Целесообразно организационно объединить эту распределенную систему, сделав широко доступными уже имеющиеся базовые технические средства, например, на отраслевом уровне.

В структуре академической науки страны исторически сложились уникальные, хорошо оснащенные научные Центры (Академгородки), в которых создано уникальное оборудование и технологии. По известным причинам в настоящее время накопленный научный потенциал используется крайне неэффективно и уникальные научные Центры деструктуризируются. Использование этого потенциала в образовательном процессе на новой организационно-технической основе было бы экономически оправдано.

В структуре вузовской подготовки давно и успешно существует такое объединение, как факультет. При объединении кафедр внутри факультета применяется принцип взаимного дополнения, когда каждая тематическая кафедра, используя свой педагогический и методический потенциал, а также лабораторную базу, реализует для всего потока совокупность учебных курсов, образующих учебное направление. Это не что иное, как прообраз распределенной учебной лаборатории и удобный полигон для отработки всех ее организационных и технических аспектов. Существующий прототип факультетской распре

85 деленной учебной лаборатории имеет тот существенный недостаток, что каждая кафедра в настоящее время должна иметь ресурсы (кадры, оборудование, площади), рассчитанные на обслуживание всего потока обучаемых, что многократно увеличивает стоимость подготовки специалистов. Используя современ-*~ную концепцию автоматизированного лабораторного практикума удаленного доступа (АЛЛ УД) [39], можно значительно повысить качество подготовки специалистов при существенном сокращении затрат.

Назревшее реформирование и совершенствование российской системы образования в современных условиях невозможно проводить без учета стремительно развивающихся процессов информатизации практически всех сторон общественной и личной жизни. С появлением и широким распространением компьютерной техники становятся доступными мощные средства компактного хранения и обработки информации, представляемой в разнообразных формах. Возможности чрезвычайно быстрого доступа к территориально распределенным источникам информации открывают компьютерные сети, проникающие в самые отдаленные регионы благодаря системам телекоммуникаций, что особенно актуально для России с ее распределенными территориями и резкими различиями в социальном и экономическом развитии регионов.

Характерными особенностями применения распределенных учебных лабораторий являются: открывающееся многообразие выбора состава объектов изучения, заданий и форм обучения; принципиальная возможность применения в образовательном процессе наиболее современных и перспективных объектов, в том числе уникального оборудования, которое не поддается тиражированию, но оказывается доступным для изучения благодаря достигаемой информационной прозрачности и применяемым средствам телекоммуникации;

86 экономическая эффективность, обеспечиваемая исключением многократного дублирования лабораторного оборудования, минимизацией затрат на его размещение и обслуживание; активизация и повышение роли самостоятельной работы обучающихся за счет индивидуализации заданий на выполнение учебных исследований, а также органического объединения этих исследований с изучением основных теоретических положений, самоконтролем степени усвоения знаний, компьютерным моделированием, имитирующим условия проведения натурных экспериментов; обеспечение единых требований к содержанию, методической проработанности, уровню проведения лабораторных занятий и контролю качества получаемых при этом знаний и навыков; изменение роли преподавателей, основная работа которых сосредотачивается на создании учебно-методических материалов, включающих компьютерные модели изучаемых объектов, сценарии обучающих программ, вопросы для контроля знаний, индивидуальные задания для проведения лабораторных исследований, а также на консультировании и контроле знаний обучающихся в режиме удаленного доступа по компьютерным сетям.

Предлагается оснастить подобные автоматизированные распределенные учебные лаборатории типовыми программно-техническими и научно-методическими комплексами по базовым направлениям подготовки [67], примеры реализации которых приведены ниже.

4.2. Программно-технический и научно-методический комплекс "Основы электротехники"

4.2.1. Структура и содержание курса

Основы электротехники изучаются на различных этапах обучения: практически любого человека, начиная со школьного курса физики. Курс «Общая электро

87 техника» является обязательным для студентов вузов, обучающихся по неэлектротехническим направлениям и специальностям, а фундаментальный курс «Теоретические основы электротехники» изучается студентами, специализирующими в областях техники, связанных с разработками и применением электротехнических устройств, систем и комплексов.

Состав учебных материалов, включаемых в различные учебные издания по основам электротехники, весьма разнообразен. Столь же разнообразны трактовки отдельных разделов и тем, а также объемы учебного материала, отводимого для их изложения. Вместе с тем, авторы большинства существующих учебных изданий, посвященных изложению основ электротехники, уделяют неоправданно большое внимание рассмотрению различных математических методов анализа электрических и магнитных цепей, позволяющих определять режимы их работы, не прибегая к использованию каких-либо средств автоматизации расчетов кроме электронных калькуляторов. Ясно, что возможности аналитических методов анализа цепей, особенно нелинейных, весьма ограничены. Тем более это относится к задачам анализа переходных процессов.

Например, анализ переходных электромагнитных и электромеханических процессов, характеризующих работу электрических машин, даже в простейших случаях не может проводиться аналитическими методами. Аналогичное утверждение справедливо и для решения задач анализа разветвленных цепей, содержащих диоды, транзисторы и другие электронные приборы.

В результате авторы учебников и учебных пособий, как правило, ограничиваются рассмотрением и качественным анализом простейших цепей и эквивалентных схем электротехнических устройств. Например, при изучении электрических цепей много времени и внимания уделяется освоению формальных методов преобразования и упрощения сложных схем и приведения их к эквивалентным схемам, которые могут быть рассчитаны без применения вычислительной техники. Однако при переходе к простой эквивалентной схеме теряется инфор

88 мация о внутренних процессах, которые и представляют существенный интерес в процессе изучения. При этом тратится значительная часть времени на нетворческую работу вычислительного характера, которая не способствует достижению основной цели курса - формированию системы понятий, характеризующих изучаемый раздел науки, и умения применять эти понятия в решении практических задач.

Отличительная особенность предлагаемого автоматизированного курса заключается в сбалансированности изучаемого материала и в пересмотре значимости ряда исторически сложившихся разделов, которые в настоящее время потеряли свою актуальность в связи с применением компьютерных средств моделирования. Предлагаемые в рамках автоматизированного курса стандартные и специальные средства компьютерного моделирования позволяют изучать процессы в объектах практически любой сложности без каких-либо формальных преобразований и упрощений, что, в свою очередь, позволяет исключить из курса целый ряд разделов отнюдь не в ущерб качеству подготовки.

В предлагаемом автоматизированном учебном курсе по основам электротехники предусматривается изучение цепей постоянного и переменного тока на единой методической основе. Установившиеся процессы рассматриваются как частный случай переходных процессов, когда исследуемая система достигает равновесного состояния. Представляется также нецелесообразным выделение в особый раздел вопросов исследования нелинейных цепей. Кроме того, в отличие от традиционного курса, в составе которого отводится время на выполнение только восьми 4-х часовых лабораторных работ, автоматизированный учебный курс включает экспериментальные исследования как обязательный и неотъемлемый компонент выполнения практически каждого индивидуального задания наряду с компьютерным моделированием. Последующий строгий математический анализ полученных результатов моделирования и экспериментальных исследований

89 также является обязательным в предлагаемой стратегии изучения любого объекта.

Общее содержание курса разделяется на ряд крупных тематических разделов, посвященных изучению теоретических основ и базовых элементов электротехники, их возможных взаимосвязей, типовых электротехнических устройств и, наконец, электротехнических систем и комплексов. Таким образом, предусматривается последовательное наращивание сложности учебного материала. В составе каждого раздела выделяются темы, которые, в свою очередь, включают совокупности объектов изучения. Предлагаемая структура автоматизированного курса "Основы электротехники" представлена в Приложении 4.

Приведенная структура учебного курса в ряде случаев может оказаться избыточной. При этом некоторые темы или объекты изучения могут быть исключены из полного списка, в результате чего формируется некоторый конкретный курс, предназначенный, например, для индивидуального изучения или соответствующий потребностям определенного учебного заведения.

Характерно также, что предлагаемый автоматизированный учебный курс позволяет освоить фундаментальные понятия, которые в дальнейшем применяются и конкретизируются в таких учебных курсах специальной подготовки, как «Электрические машины», «Основы электропривода», «Системы электроснабжения» и др.

4.2.2. Особенности методики изучения курса

Предлагаемый автоматизированный курс «Основы электротехники» может быть использован в процессе фундаментальной подготовки в учебных заведениях различного уровня: общеобразовательных школах, лицеях, профессионально-технических училищах, техникумах, военных училищах, технических университетах и др.

90

При этом имеется возможность всякий раз формировать некоторые частные подмножества курса для различных уровней обучения за счет выбора не только конкретных перечней разделов, тем и объектов изучения, но и варьирования глубины проработки учебного материала. Это удается сделать путем подбора индивидуальных заданий определенной сложности по каждой теме, включенной в состав данного подмножества базового учебного курса. Подобная "настройка" варианта курса проводится ведущим преподавателем с использованием разработанной подпрограммы "менеджер курса", которая позволяет маскировать отдельные фрагменты общего курса.

По каждому объекту изучения, представленному в программе курса, или по теме (в зависимости от трудоемкости и объема учебного материала) предлагается выполнить индивидуальное задание, которое может состоять из нескольких пунктов и оцениваться, например, по десятибалльной шкале.

Поскольку, как отмечалось ранее, автоматизированный учебный курс предназначается для самостоятельного изучения, то все необходимые учебные и методические материалы предоставляются учащемуся на компьютерных носителях информации, которые могут быть сохранены и функционировать в составе компьютера на рабочем месте учащегося.

Новое содержание в процесс обучения призваны внести специально разрабатываемые прикладные программные системы, поддерживающие множество процедур обучения, реализуемых в рамках выполнения индивидуальных учебных заданий. Они рассматриваются как своеобразные методические инструментальные средства активизации познавательной деятельности.

Стратегия выполнения каждого индивидуального задания в рамках предлагаемого автоматизированного курса предполагает выполнение ряда обязательных процедур: регистрация обучаемого в базе данных, обучение, получение индивидуального задания, компьютерное моделирование, экспериментальные исследования, математическая обработка результатов, получение итогового протокола.

91

Использование предлагаемой стратегии учит будущего специалиста технологии получения новых знаний об объекте изучения: любые свои мысленные гипотезы (или результаты модельного анализа) в обязательном порядке проверять на опыте, чтобы избежать грубых ошибок и просчетов. При этом он учится понимать, что даже самая, казалось бы, идеальная модель дает результат, отличающийся от экспериментального. Главная задача будущего специалиста - понять причины и грамотно оценить степень этого отличия не только качественно, но строго количественно, для чего он учится использовать современные методы математической обработки. Затем обучающийся должен принять решение о качестве используемой модели и необходимости ее усовершенствования. Умение уточнять параметры математической модели по результатам эксперимента (идентификация параметров математической модели) должно стать одним из главных критериев оценки качества подготовки специалиста. Вот почему моделирование изучаемых объектов и процессов наряду с их экспериментальным изучением является обязательными атрибутами обучения.

4.2.2.1. Регистрация

Данная процедура выполняется в несколько этапов. На начальном этапе каждый обучающийся получает персональный идентификационный номер на файл-сервере учебного заведения, который включает в закодированном виде следующую информацию: фамилия, имя, отчество; страна, город, учебное заведение; почтовый адрес, телефон, E-mail; статус обучаемого (школьник, ССУЗ, ВУЗ, ФПК); индивидуальный номер лицензии изучаемого курса.

Регистрация перед началом изучения конкретного учебного курса предполагает закрепление учащегося за определенным тьютором (преподавателем-консультантом). В дальнейшем по мере выполнения действий, предусмотренных технологией изучения курса, регистрируются их результаты. Регистрации также подлежат номера вариантов заданий по каждому объекту изучения или по каждой теме, оценка выполнения каждого задания и результирующая оценка студента по данному курсу. Результаты выполнения индивидуальных заданий передаются учащимся на проверку и сохраняются в базе данных учебного заведения до момента простановки оценки.

Для контроля интенсивности и качества работы тьюторов представляется целесообразным регистрировать обмен информацией между ними и учащимися в процессе совместной работы.

4.2.2.2. Процедуры обучения

Обучающие компоненты автоматизированного учебного курса подразделяются на разделы, темы и объекты изучения в строгом соответствии с представленной выше структурой учебного материала. В зависимости от характера изучаемого материала необходимо использовать различные выразительные средства для его представления.

Так, например, изучение общей структуры объекта, отдельных его подсистем и комплектующих устройств проводится путем последовательного многоуровневого раскрытия содержания функциональных и принципиальных схем, реализуемого самим пользователем, который самостоятельно определяет необходимые объекты изучения и глубину проработки материала. В данном случае применяются графические изображения, сопровождаемые поясняющими текстами, выполненные в технологии многооконного компьютерного интерфейса. Также используется технология гипертекстового построения учебного материала с дополнительным пояснением вводимых понятий.

Изучение физических процессов в исследуемой системе проводится с применением разработанных имитационных компьютерных моделей, обеспечивающих интерактивное взаимодействие с пользователями и позволяющих отображать результаты моделирования в наглядном и удобном для понимания виде. Технологию работы с имитационной компьютерной моделью

93 гию работы с имитационной компьютерной моделью иллюстрирует пример изучения принципов создания вращающихся магнитных полей в электрических ма

Таким образом, основными особенностями подсистемы обучения, входящей в состав автоматизированного учебного курса, являются: многообразие форм и наглядность представления учебного материала; возможности получения или закрепления знаний в режиме активного диалога с компьютерными моделями, адекватно реагирующими на действия учащегося в режиме реального времени.

4.2.2.3. Контроль знаний и допуск к выполнению индивидуального задания

Подсистема контроля знаний построена таким образом, что ответ на задаваемые вопросы не выбирается из предложенного набора альтернатив, а предполагает активные действия обучаемого с виртуальными образами реального оборудования (переключателями режимов, задатчиками уровней сигналов и т.д.). Эти действия сопровождаются графическим, а в ряде случаев и анимационным отображением получаемых результатов, что дает дополнительный обучающий эффект.

Перечень контрольных вопросов составлен таким образом, чтобы достаточно полно представить основные понятия и приемы, которыми должен владеть учащийся, приступая к выполнению конкретного задания. Для этого по каждому объекту исследования или теме сформирован перечень из 50 - 60 контрольных вопросов, которые, в свою очередь, разделен на пять тематических разделов по числу вопросов, задаваемых каждому учащемуся. Такими тематическими разделами могут быть, например: принцип действия объекта изучения, его конструкция, режимы работы, энергетические соотношения, рабочие характеристики и др. шинах (Рис. 4.2).

Рис. 4.2 Имитационная модель образования вращающегося поля в зазоре электрической машины

95

В процессе контроля знаний каждый студент получает по одному вопросу, выбранному из каждого тематического раздела случайным образом. Допуск к выполнению задания производится по результатам контроля знаний. Неудовлетворительный результат приводит к необходимости повторения цикла обучения и контроля знаний, что также фиксируется в соответствующей записи базы данных учебного заведения

4.2.2.4. Получение индивидуального задания

Каждый учащийся получает индивидуальное задание по каждому объекту или теме. Поэтому число вариантов заданий должно быть не меньшим, чем число учащихся в составе учебной группы. Наиболее простым является варьирование численных значений параметров изучаемых объектов. Количество пунктов задания не регламентируется, но должно быть достаточным для всестороннего изучения конкретного объекта или темы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Станкевич, Иван Владимирович, 2000 год

1.э Источник тепловых потерь в стали статора

2. Источник тепловых потерь в пазовой части обмотки статора1оз2 Источник тепловых потерь в лобовой части обмотки статора1ог Источник тепловых потерь в обмотке ротора1. КОНДЕНСАТОРЫ1. Се Теплоемкость статора1. Сг Теплоемкость ротора

3. Ср Теплоемкость обмотки статора1. Ск Теплоемкость корпуса1. СОПРОТИВЛЕНИЯ

4. ЯБк Тепловое сопротивление между статором и корпусом АД

5. Тепловое сопротивление между пазовой частью обмотки статора и сталью статора

6. Яргк Тепловое сопротивление конвективного теплообмена между пазовой частью обмотки статора и ротором

7. Тепловое сопротивление теплообмена теплопроводностью между пазовой частью обмотки статора и ротором

8. Тепловое сопротивление между лобовой и пазовой частями обмотки статора

9. БММ Тепловое сопротивление теплообмена теплопроводностью между лобовой частью обмотки статора и корпусом

10. Я1кк Тепловое сопротивление конвективного теплообмена между лобовой частью обмотки статора и корпусом

11. Ягу Тепловое сопротивление теплообмена теплопроводностью между ротором и валом (корпусом)113

12. Ягк Тепловое сопротивление конвективного теплообмена между ротором и корпусом

13. Тепловое сопротивление теплообмена излучением между корпусом и окружающей средой

14. Якок Тепловое сопротивление конвективного теплообмена между корпусом и окружающей средой

15. Рис. 4.12 Осциллограммы превышения температур относительно окружающей среды корпуса, ротора и обмотки статора АД при повторно-кратковременном режиме работы двигателя

16. Следует отметить также, что модели устройств, включенные в библиотеку, четко структурированы, что облегчает возможные замены компонентов, значений их параметров, управляющих и возмущающих воздействий.

17. Двухмассовая» °Ч£ш?1111мГ||аТ|ес?я --- 1ИИОТР. 1С рафик)1. График)