Виртуальные учебные установки – новый подход в изучении электротехнических и электроэнергетических дисциплин
Виртуальная учебная установка
Электротехника и электроэнергетика — образовательные направления, которые невозможно представить без экспериментальной и практической составляющих в программе обучения. Учебные лаборатории — то пространство, где студент или учащийся может получить опыт взаимодействия с явлением или предметом напрямую, самостоятельно, а не опосредованно со слов преподавателя или текста учебника.
Какое оборудование используется сейчас в учебных лабораториях вузов и колледжей?
Наверняка многие читатели сами выполняли лабораторные работы, а кто-то даже и проводил их для студентов. И, в общем-то, в целом интуитивно понятно, что это за вид деятельности — лабораторная работа. Однако, для дальнейших рассуждений и классификации — определимся с терминологией.
Лабораторную работу будем рассматривать как учебную деятельность, в процессе которой выполняется ряд учебных экспериментов. Эксперимент, в свою очередь, «есть вид деятельности, предпринимаемой в целях научного познания, открытия объективных закономерностей и состоящей в воздействии на изучаемый объект (процесс)посредством специальных инструментов и приборов, благодаря чему удается: 1) изолировать исследуемый объект от влияния побочных, несущественных и затемняющих его сущность явлений и изучать его в «чистом» виде; 2) многократно воспроизводить ход процесса в строго фиксируемых, поддающихся контролю и учету условиях; 3) планомерно изменять, варьировать различные условия в целях получения искомого результата.» (В.А. Штофф).
Переходя от эксперимента вообще к учебному эксперименту, дадим определение последнего в следующем виде: учебным называется эксперимент, выполняющийся в учебных целях. Исходя из этого определения, к учебному эксперименту применимы все принципы организации, проведения и осмысления эксперимента в общем случае, более того, учебный эксперимент можно рассматривать как частный случай эксперимента, а именно, как эксперимент со специфическими (учебными) целями.
В этой связи необходимо заметить, что результаты учебного эксперимента, как правило, заранее известны (по крайней мере разработчику этого эксперимента), т.к. учебный эксперимент организуется согласно доказанным теориям, а не исходя из выдвинутых гипотез. Поэтому одним из критериев корректности учебного эксперимента является соответствие его результатов теоретическим положениям.
Эксперименты бывают натурными (или прямыми) и модельными. Натурный эксперимент проводится непосредственно над изучаемым объектом, а модельный — над моделью этого объекта.
В модельном эксперименте модель выполняет двоякую роль — с одной стороны, она выступает в качестве объекта исследования, а с другой — служит также средством проведения эксперимента, наряду, к примеру, с измерительными или фиксирующими приборами. Кроме того, в структуре модельного эксперимента значительно усилена роль теории как необходимого звена, связывающего постановку опыта и его результаты с объектом исследования. В то время как в натурном эксперименте теоретические моменты возникают лишь на начальном и конечном этапах исследования, то в модельном эксперименте, кроме того, необходимо теоретически обосновать отношения между моделью и натурным объектом. Этот этап работы может стать источником ошибок, что в общем случае снижает доказательную силу модельного эксперимента по сравнению с натурным.
Модели делятся на материальные (натурные) и идеальные. В случае использования материальной модели мы заменяем исследуемый объект его физическим аналогом. Например, большой мощный трансформатор можно заменить небольшим трансформатором, располагающимся на столе, большой мощный двигатель или генератор — соответственно маленькой, опять же, настольной аналогичной электрической машиной.
Идеальные модели — это модели не физические, а, например, математические или даже умозрительные. Мысленный эксперимент, например, — это эксперимент с идеальной моделью. Разные исследователи предлагают разные классификации идеальных моделей, но мы не станем сейчас нырять в эти глубины, единственное, что стоит отметить — компьютерная модель (о чем и пойдет речь далее) — это тоже разновидность идеальной модели.
Рассматривая различные учебные эксперименты, особо следует отметить, что в некоторых случаях за эксперименты выдается то, что экспериментами не является вовсе. Это, например, работа на тренажерах, работы (в том числе виртуальные), связанные с выполнением жесткого наперед заданного перечня технологических операций, например, обход ЛЭП, электрические переключения на электростанции/подстанции, электромонтаж, в том числе виртуальный, изучение разного рода интерактивных учебников, ответы на контрольные вопросы, автоматический контроль знаний и пр.
Не преуменьшая важности перечисленных видов учебной деятельности можно, однако, с уверенностью утверждать, что именно учебный эксперимент в классическом его понимании дает максимальную дидактическую эффективность в плане приобретения студентами знаний и понимания ими внутренней сути происходящих процессов. Тренажеры, учебники и прочее тоже нужны, но для другого — оттачивания навыков, приобретения умений, изучения теоретического материала.
С теорией и терминологией до некоторой степени определились, переходим к практике. Какое оборудование предлагается вузами и колледжами для проведения экспериментов по электротехнике и электроэнергетике в настоящее время?
Эксперименты на всевозможных электротехнических конструкторах можно смело отнести к натурному эксперименту. Здесь мы проводим опыты непосредственно с изучаемыми объектами — резисторами, конденсаторами, катушками индуктивности и пр. Измеряем, например, токи, напряжения, сопротивления, убеждаемся в справедливости законов Ома и Кирхгофа и так далее.
Установка для проведения натурных экспериментов по электротехнике
В качестве измерительных приборов могут использоваться «настоящие» физические амперметры, вольтметры (или мультиметры), а могут — виртуальные компьютерные приборы, обладающие большими возможностями — не только, например, построить осциллограмму сигнала, но еще и векторную диаграмму, или, к примеру, разложить сигнал на гармоники. Такие комплекты оборудования иногда называются «виртуальными лабораториями».
Однако, не во всех изучаемых дисциплинах применимы натурные эксперименты. В случае, например, теоретических основ электротехники (ТОЭ) ими вполне можно обойтись (да и то не всегда), а что делать с курсом, к примеру, электрических машин? Здесь уже придется проводить модельные эксперименты. Например, на физических моделях реальных объектов.
Как уже отмечалось выше, в таких экспериментах небольшой трансформатор в десятки ватт и напряжением в десятки-сотни вольт может моделировать большой трансформатор мощностью во много раз (или десятков раз) превышающую мощность настольной модели. То же относится, например, к двигателям или генераторам.
Демонстрация модельного эксперимента по электроэнергетике
Модельные эксперименты на физических моделях могут проводиться и с помощью компьютера. Компьютер может играть разные роли — индикатор, регистратор, система управления (с обратными связями или без них), сочетание всех функций.
Таким образом можно смоделировать довольно сложные объекты — например, электрическую станцию или подстанцию, или линию электропередачи, или электрическую сеть. Рассмотреть, например, работу релейной защиты и автоматики и многое, многое другое.
Конечно, у модельных экспериментов с натурными моделями есть недостатки, присущие этому классу экспериментов. Например, с помощью натурных моделей не получится смоделировать реальное устройство с точностью до масштабного коэффициента. Конечно, мы сможем увидеть основные закономерности, построить зависимости, но, например, получить то же соотношение активного сопротивления к индуктивному у модели и реальной электрической машины не сможем никак.
И, к сожалению, это не единственный недостаток физических лабораторных установок. Они дороги. Они занимают место в лаборатории. К ним не подпустишь неподготовленного студента. Да и преподавателю нужно готовиться — ответственность высока. Если не попасть под напряжение, то что-нибудь сжечь. А если не сжечь — то просто не получить искомый результат, не разобравшись в тонкостях.
И здесь на помощь приходят компьютерные модели.
Пример компьютерной модели
Первая категория такого программного обеспечения — это всевозможные виртуальные конструкторы, в которых из элементов можно собрать схему, а потом запустить ее моделирование. Одним из первых продуктов такого типа был Electronics Workbench (был актуален и относительно доступен в конце 90-х — начале 2000-х годов), а в настоящее время такого рода ПО очень много, как платного, так и бесплатного. Наберите в Гугле, например «Circuit Simulation Software» и убедитесь сами.
Насколько пригодно такое ПО для проведения лабораторных работ? Если нет альтернатив (как было в тех самых поздних 90-х) — то очень-очень. Иметь возможность смоделировать схему, не собирая ее физически, воспринималось в те времена почти как чудо. Однако, для современного учебного процесса, уже знакомого с альтернативами, привлекательность таких программ несколько уменьшилась. Да, такое ПО можно использовать при изучении электротехники и электроники (но не электроэнергетики, например). Однако к каждому такому пакету нужно привыкать, учиться работать с ним, собирать схемы, соответствующие учебным планам. Но зачастую получить в результате картинку «как в учебнике» — не получается. Требуется дополнительная работа по интерпретации результатов, их осмыслению, анализу. И если это схемы простейшие, то наверняка всё пойдет, как задумывалось. А вот с более сложными схемами — может произойти всякое.
Следующая категория компьютерных моделей — виртуальный конструктор, но в виртуальной реальности, более или менее похожей на наш мир. Здесь имеется виртуальный стол, на который можно выкладывать виртуальные объекты, соединять их виртуальными проводами и подключать виртуальные же приборы. Казалось бы, очень зрелищная, наглядная работа, всё такое настоящее, как живое.
Виртуальный конструктор может быть таким…
…а может, например, таким.
Удивительно, однако, что в таких виртуальных конструкторах первичным оказывается не электрическая схема, а ее материальное представление. Причем представление зачастую неочевидное — например, человек, никогда не видевший лабораторного реостата «вживую», вряд ли идентифицирует его на этом виртуальном столе. Т.е. у студента должен быть какой-то бэкграунд на эту тему, он должен уже когда-то ранее был видеть это оборудование где-то «живьем», иначе просто не произойдет узнавания, идентификации объекта. Кроме того, инженер применительно к электротехнике мыслит схемами, а не предметами. Наверняка вам приходилось «срисовывать» схему с печатной платы, чтобы понять, как это работает и стоит ли пытаться чинить (или уж сразу выбросить). На схеме видны паттерны, элементарные «кирпичики», из которых состоит схема. А когда мы смотрим на реализацию этой схемы, будь то ряд объектов на столе или печатная плата — мы не видим сути, мы видим лишь много дорожек или много пучков проводов.
Следует отметить особо, что в этой категории компьютерных моделей на виртуальном столе находятся «реальные» предметы, т.е. мы видим некие объекты, которые, при наличии достаточного воображения можно соотнести с реальными объектами реального мира.
Но что делать, если смоделировать нужно что-то, что в реальном мире не помещается на столе? Например, в силу своего размера (синхронный генератор электростанции), протяженности (ЛЭП) или вообще нематериальности — например, нас интересуют потери энергии и мощности в распределительной сети, а не сама физическая реализация этой сети?
И здесь появляется третья категория компьютерных моделей — виртуальная модель натурной модели.
Виртуальная модель натурной модели асинхронного электропривода
Это уже вложенное моделирование — компьютер моделирует лабораторию, в которой находится стенд, на котором с помощью «физических» моделей уже в свою очередь моделируются объекты реального мира.
Оправдано ли такое вложенное моделирование? Позволю выразить здесь свое личное мнение — мне кажется, нет, не оправдано. Модель и объект находятся между собой в особых отношениях: они должны обладать сходством, модель должна быть заместителем объекта, модель должна позволять получать информацию (сведения) об объекте, модель должна являться интерпретацией объекта, должна быть возможность изучать объект с помощью изучения модели и т.д. Модель и объект в каком-то смысле должны находиться как можно ближе друг к другу, т.к. модель, конечно, не в полной мере представляет объект и в какой-то степени искажает информацию об объекте. Вложенность моделей друг в друга отдаляет модель от оригинала и увеличивает степень искажения информации.
И не только в этом дело. Для учебной модели важна не только ее достоверность (в конце концов, вся теоретическая часть известна и так), но и дидактическая эффективность. И в этом случае (когда на экране — виртуальный лабораторный стенд) дидактическая эффективность определенно ниже, чем работа с реальным лабораторным стендом. Просто по факту существования еще одного уровня модельной вложенности.
Кроме того, такая вложенная модель обладает недостатками, присущими физической модели — невозможно смоделировать реальный объект (асинхронный электропривод определенных параметров в данном случае), так как в нашей лаборатории имеется только такая установка. Но позвольте, что же нам мешает, лаборатория-то виртуальная. А, ну да. То есть нет.
Сама по себе виртуальная реальность в обучении — тема модная, но недостаточно изученная ещё и в плане влияния такой среды на здоровье обучающихся. А, например, использование VR-шлемов может и вовсе не подойти некоторой категории студентов по причине негативного влияния на самочувствие и здоровье в целом.
Вместе с тем, такие установки имеют и определенные достоинства — они не занимают место
в лаборатории, не требуют особого электропитания, их нельзя сломать или сжечь,
студент не получит механическую или электротравму. Их проще администрировать, в
конце концов.
Каким же должно быть «идеальное» программное обеспечение для учебного экспериментирования в области электротехники и электроэнергетики? Во-первых, должна быть возможность проводить именно эксперименты, а не их разного рода эрзацы. Во-вторых, должны изучаться принципы, а не конкретные аппаратные реализации. Схемы должны превалировать над предметами. В-третьих, набор экспериментов должен соответствовать программе обучения, ФГОСам, и результат экспериментирования должен получаться «такой, как в учебнике». В-четвертых, интерфейс должен быть такой, чтобы ПО можно было использовать как интерактивный плакат, проводить демонстрационные эксперименты, объяснять принципы. Да, «шершавым языком плаката». Использовать ПО не только на лабораторных работах, но и на лекциях, и на практических занятиях. В-пятых, должна быть возможность смоделировать широкий спектр оборудования с реальными, а не модельными параметрами. И, в-шестых — у каждого студента должен быть свой вариант работы, ПО должно это обеспечивать.
Мы предлагаем свое решение, которое мы назвали «Виртуальные учебные установки» (ВУУ).
Пример виртуальной учебной установки по электроэнергетике
Виртуальная учебная установка из комплекта «ТОЭ — Линейные электрические цепи»
Эксперименты с однородной длинной линией выглядят так.
Виртуальные учебные установки — это программный продукт, который позволяет выполнять учебные эксперименты в ходе лабораторных работ, при объяснении теоретического материала на лекциях, на практических занятиях и при самостоятельной работе студентов.
Каждая виртуальная учебная установка состоит из трех частей: математической модели реальных объектов и явлений, разработанной согласно соответствующей теории; визуализации в виде мнемосхемы, задатчиков, индикаторов, осциллограмм, векторных диаграмм и прочих объектов; и методического обеспечения — указаний по проведению экспериментов.
Следует особо отметить, что все комплекты разработаны в соответствии с действующими федеральными государственными образовательными стандартами (ФГОСами), т.е. в состав входят именно те эксперименты, которые нужны для обучения студентов соответствующих профилей.
В плане техническом — программы написаны на Flutter«е, могут быть скомпилированы как под десктопные, так и под мобильные платформы, что теоретически позволяет студентам выполнять лабораторные работы прямо на своих мобильных устройствах — планшетах и даже телефонах.
На данный момент нашей очень небольшой группой энтузиастов разработаны следующие комплекты виртуальных учебных установок:
Электротехника (для СПО).
Общая электротехника (для ВПО).
Теоретические основы электротехники — Линейные электрические цепи (для ВПО).
Теоретические основы электротехники — Нелинейные электрические и магнитные цепи (для ВПО).
Электромагнитные переходные процессы в электроэнергетических системах (для ВПО).
Активно-адаптивные электрические сети (для ВПО)
В планах — расширить список комплектов следующими наименованиями:
Трансформаторы и электрические машины (для ВПО).
Электроснабжение (для СПО и ВПО).
Электроэнергетические системы и сети (для ВПО).
Дальние электропередачи сверхвысокого напряжения (для ВПО).
Электромеханические переходные процессы в электроэнергетических системах (для ВПО).
Переходные процессы в узлах нагрузки (для ВПО).
Защита электрических подстанций от перенапряжений (для ВПО).
Ветроэнергетические установки (для ВПО).
Основы электробезопасности (для СПО и ВПО).
Основы электроники (для СПО).
Мы очень надеемся, что описанный здесь программный продукт займет достойное место среди средств обучения по электротехническим и энергетическим направлениям вузов и колледжей. Будет способствовать понимаю будущими специалистами принципов, сути изучаемых предметов. Внесет свой вклад, как это ни пафосно звучит, в инженерное образование страны.
Получится у нас или нет — покажет время.
