До недавнего времени цифровые технологии рассматривались педагогическими работниками как инструмент совершенствования традиционной организации работы образовательных учреждений. В связи с переходом от внедрения цифровых технологий в образовательный процесс к цифровой трансформации образования становятся необходимыми: актуализация «целей и содержания обучения, изменение организации и методов образовательной работы для перехода от обучения и воспитания всех к обучению и воспитанию каждого, пересмотр и оптимизация используемых учебно-методических и организационных решений, информационных материалов, инструментов и сервисов» [1, с. 3205], использование стремительно растущего потенциала цифровых технологий, в том числе методов искусственного интеллекта, для механизации и автоматизации всех видов работы с информацией.
Цель исследования
Рассмотрим возможности организации практической подготовки современного инженера (на примере направления 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника) при условии реализации образовательного процесса посредством использования удаленных виртуальных лабораторий.
Материал и методы исследования
Цифровая трансформация образования ведет к его качественной перестройке и заключается в достижении необходимого учебного результата каждым обучающимся путем персонализации учебного процесса на основе использования средств виртуальной реальности, которые «создают возможность применения цифровых тренажеров, не привязанных к одному рабочему месту, что расширяет круг изучаемых технологий» [2, с. 109].
Ключевым в развитии процессов цифровизации современного образования является его наиболее динамично развивающийся ресурс – дистанционное обучение, которое сегодня используется в ходе реализации образовательных программ практически всех ступеней образования и направлено на увеличение доступности и индивидуализации образовательного процесса за счет телекоммуникационных и виртуально-сетевых технологий. В связи с этим при отсутствии возможности работать в лабораториях учебного заведения в практической подготовке обучающихся используются удаленные виртуальные лаборатории, позволяющие без прямого взаимодействия с преподавателем моделировать поведение реальных объектов в компьютерной среде.
В процессе «терминологического» исследования возникает проблема использования часто встречающихся терминов: «виртуальное обучение», «виртуальная лаборатория», «виртуальная учебная лаборатория», «виртуальная информационно-образовательная лаборатория».
Проанализируем несколько различных интерпретаций ключевых определений, представленных в психолого-педагогических источниках. Т.В. Никулина и Е.Б. Стариченко полагают, что «виртуальная лаборатория – это смоделированный объект реального мира в электронную образовательную среду…, позволяющий организовывать лабораторные и практические занятия без отсутствия реального оборудования, непосредственного с ним контакта» [3, с. 64]. И.В. Лапшина считает, что «виртуальная информационно-образовательная лаборатория является программно-информационной системой, состоящей из компьютерных программ, реализующих сценарий учебной деятельности, и специальным образом подготовленных знаний, a именно структурированной информации и систем упражнений для ее осмысления, осваивания и закрепления» [4, с. 29]. Виртуальная лаборатория, по мнению авторов статьи «Создание электронных учебных пособий и виртуальной лаборатории для дистанционного образования», представляет собой «интегрированную информационную среду, включающую учебные, учебно-методические, практические, справочные, контрольно-обучающие и контрольно-тестирующие материалы по блоку подготовки специальным дисциплинам» [5, с. 85]. Е.М. Князева рассматривает в качестве синонимичных следующие понятия: «дистанционное обучение», «обучение с применением компьютеров», «сетевое обучение», «виртуальное обучение» и иные, отмечая, что виртуальные лабораторные работы должны учитывать специфику изучаемой дисциплины при подготовке специалистов технических направлений [6].
Сравнительно-сопоставительный анализ позволяет заключить, что исследователи, занимающиеся проблемой виртуального обучения, включают разное содержание в понятие дефиниции «виртуальная лаборатория», пределы понимания которой размываются, объединяются и даже пересекаются. С нашей точки зрения, «виртуальная лаборатория – это лаборатория, которая относится к компьютерному моделированию физических и технических объектов и явлений; отражает функционирование реальных объектов и сущность явлений; позволяет наглядно и всесторонне представить ход моделируемых процессов на экране компьютера; придает учебному процессу исследовательский характер [7, с. 108]; является незаменимым инструментом в дистанционном обучении, которое по ряду факторов сложнее очного обучения и требует от обучающихся больших усилий для достижения эффективности учебного процесса.
Теоретический анализ предмета исследования и изучение практики работы образовательных учреждений показывают, что использование виртуальной лаборатории является мощным фактором повышения эффективности и качества процесса обучения на всех его этапах, в том числе в процессе практической подготовки бакалавров направления 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника, в частности по дисциплинам «Электротехника», «Моделирование электротехнических устройств», «Переходные процессы в электроэнергетических системах», при прохождении научно-исследовательской практики, выполнении расчетов по курсовому проектированию и специальной части выпускной квалификационной работы.
Использование будущими бакалаврами, обучающимися по профилю «Электроснабжение», «специальных пакетов программ визуального проектирования, в частности Electronics Workbench (Электронные инструментальные средства), позволяет составлять и испытывать в работе аналоговые и цифровые схемы различной степени сложности на экране компьютера без паяльника, осциллографа и вообще каких-либо деталей. Работа с такими программами направлена ??на усвоение истин науки, знание которых будет полезно инженеру на протяжении всей его деятельности, а также учит его мыслить самостоятельно, вырабатывать собственное мнение и делать соответствующие выводы по результатам практических экспериментов» [8, с. 354].
Для выполнения моделирования и анализа электрических схем, электротехнических и электронных устройств и установок незаменимой является система Multisim (в переводе multi – «много», simulation – «моделирование»), разработанная на основе виртуальной электронно-инструментальной лаборатории Electronics Workbench.
Данный программный продукт представляет собой виртуальную лабораторию, в библиотеках которой в виде условных графических символов размещены практически все элементы, необходимые для вычерчивания и сборки современных электрических схем: источники напряжения и тока, резисторы, катушки индуктивности, полупроводниковые приборы и т.д. Для изучения простейших цепей, а также выполнения лабораторных и контрольных заданий понадобится набор виртуальной измерительной техники: амперметр, вольтметр, мультиметр, осциллограф и т.д. При этом обучающийся, проводящий самомоделирование электрической цепи на уровне, близком к профессиональному, может по своему желанию редактировать параметры всех без исключения элементов и приборов в максимально широком диапазоне.
Основные свойства виртуальных компонентов Multisim сопоставимы с характеристиками подлинных физических элементов. Такая функциональная возможность программного продукта приводит к тому, что электрическая цепь, собранная в «рабочем окне» программы Multisim, после ее активации выключателем питания оживляется: по ее ветвям протекают токи, а на элементах цепи появляются падения напряжения. Присоединив к схеме виртуальные приборы, можно измерить значения тока, напряжения и т.д.
Показательно, что «правила сборки виртуальной электрической схемы, измерения и другие исследования выполняются практически по тем же правилам, что и для подлинной схемы. Количество и тип электрических и электронных схем для самых разных целей, которые могут быть собраны и исследованы на обычном современном компьютере, безграничны. После сбора на “рабочем поле” электрической схемы, согласно заданию лабораторного практикума, ее можно исследовать в установившихся и переходных режимах, а также провести полный анализ» [9, с. 187].
Следует подчеркнуть, что при качественном проведении виртуального эксперимента его результаты будут идентичны результатам исследования в настоящей схеме, а по точности даже превзойдут их, что является несомненным преимуществом моделирования электрических схем в рамках виртуальной лаборатории.
Еще одно важное преимущество программы Multisim заключается в том, что время, необходимое для сборки и проверки схем, неизмеримо меньше, чем для сборки и исследования реальных электрических цепей, и существует гораздо больше вариантов и возможностей для исследований, чем на физическом стенде в вузовской лаборатории.
Таким образом, пакет Multisim, по сути, представляет собой современную виртуальную электротехническую лабораторию, размещенную в персональном компьютере, и сегодня она становится незаменимым помощником в рамках дистанционного осуществления учебного процесса. Это означает, что после прохождения определенной теоретической подготовки и получения минимальных навыков работы с программным продуктом обучающийся имеет возможность провести виртуальное моделирование и изучить широкий спектр электрических схем, соответствующих конкретной реальной установке. При этом методологически важно, чтобы обучающийся был знаком с основами работы на персональном компьютере; знал, по крайней мере, основы электротехники и электроники в рамках осваиваемой образовательной программы; четко представлял себе задачу исследования, моделируемую схему и возможные результаты, которые будут получены. Для этого он должен предварительно составить принципиальную схему исследования и рассчитать основные параметры его элементов с учетом границ изменения основных физических величин (напряжения, тока, мощности и т.д.).
С точки зрения практической значимости использование рассматриваемой системы схемотехнического моделирования состоит в том, что, рассчитав и спроектировав электротехническое устройство, обучающийся может собрать его виртуальную схему, тщательно исследовать ее, провести необходимые измерения и только после этого доработать схему, убедившись, что она соответствует всем заданным параметрам. Это первоначальное назначение и главное преимущество программы Multisim, которое предопределило ее постоянное совершенствование и все более широкое распространение в исследовательских и образовательных целях.
Наряду с простотой моделирования указанные преимущества должны быть «максимально усвоены инженерами, которые проектируют и тестируют новые устройства, поскольку эти этапы производственной деятельности могут быть выполнены на виртуальной модели, что избавляет от необходимости строить физическую модель устройства, и, как следствие, резко сокращает материальные и временные ресурсы» [9, с. 187].
Участие в учебном процессе, реализуемом с использованием дистанционных технологий и электронного обучения, более наглядно и понятно обучающимся, чем практическая подготовка на современных многоцелевых установках, представленных в виде функциональных блоков или мнемонических схем в раме лабораторного стола с элементами и приборами, помещенными внутрь стенда, что, как правило, затрудняет понимание внешнего вида схемы, ее структуры и поведения. В процессе же выполнения виртуального лабораторного эксперимента можно последовательно и осмысленно извлекать необходимые элементы из электронной библиотеки компонентов и измерительных приборов, самостоятельно собирать и изучать электрическую или электронную схему на мониторе компьютера. При этом исследовательские возможности любого современного стенда несоизмеримо меньше, чем у программного обеспечения удаленной лаборатории.
В целом, использование программных продуктов Electronics Workbench, Multisim и целого ряда других альтернативных симуляторов электрических и электронных схем с похожим функционалом позволяет будущим бакалаврам всех форм обучения рассматриваемого направления подготовки значительно расширить возможности и улучшить понимание в процессе выполнения лабораторного практикума и контрольных заданий, в ходе курсового и дипломного проектирования, а также стимулирует к более глубокому изучению данного виртуального инструмента с целью создания, расчета и тестирования электрических схем объектов на этапах проектирования, производства и эксплуатации производственного цикла.
Результаты исследования и их обсуждение
Как показывают исследования [10–13], a также многолетний педагогический опыт авторов, реализация перечисленных выше возможностей практического использования виртуальных лабораторий, в том числе в дистанционном образовательном процессе, позволяет обеспечить обучаемому:
– расширение и углубление области познавательной деятельности за счет возможности имитации изучаемых процессов и явлений;
– независимость от технического оснащения вузовских лабораторий, что важно в современных условиях, когда приобретение дорогостоящих лабораторных комплексов и стендов требует значительных капиталовложений и под силу далеко не всем образовательным организациям;
– сокращение сроков освоения изучаемых объектов, процессов или явлений, моделирование которых в настоящих лабораториях может занять длительное время;
– возможность самостоятельно наблюдать ход экспериментального исследования и фиксировать его результаты в масштабе реального времени;
– отсутствие ошибок и погрешностей измерений исследуемых параметров, a также возможность неограниченного повторения эксперимента;
– высокую безопасность лабораторных исследований;
– повышение мотивационной составляющей познавательной деятельности обучающихся за счет компьютерной визуализации исследуемых объектов и явлений;
– «свободу выбора темпа и траектории получения знаний с элементами самообучения и самоконтроля» [7, с.108];
– индивидуализацию выполнения лабораторного практикума, развитие «конструкторских способностей и технической смекалки» [7, с. 109], повышение качества учебного процесса;
– формирование информационной культуры как составляющей общей и профессиональной культуры члена информационного общества через работу с объектно-ориентированными программными инструментами и системами;
– вооружение стратегией решения технических задач посредством использования цифровых технологий.
В то же время применение исключительно виртуальных лабораторий в учебном процессе может привести к отсутствию выработки практических навыков работы с реальными приборами, в том числе в электроэнергетических системах; опасному воздействию технологий виртуальной реальности на психику человека; возможности социальной изоляции и предпочтению виртуального мира реальному.
Заключение
Таким образом, в инженерном образовании роль виртуального эксперимента, безусловно, важна, а возможность организации многопользовательского доступа к виртуальным лабораториям позволяет реализовать любую форму экспериментальной деятельности, что значительно повышает качество обучения, осуществляемого с помощью дистанционных технологий.