Педагогічні науки, стратегічні напрямки реформування системи освіти

Латинін Ю. М., канд. фіз.-мат. наук, доцент, Петров С. В., канд. техн. наук, доцент; Українська інженерно-педагогічна академія

віртуальний лабораторний практикум І навчальнИЙ процес

Комп’ютерні технології все більше впроваджуються у навчальний процес. Цей процес є логічним, природним, але в деякому сенсі неоднозначним і багато в чому – ще й суперечливим. Деякі вважають, що він несе тільки недоліки навчальному процесу, інші – тільки користь. Це не дивно. Дійсно, методологічні й методичні засади такого використання ще тільки створюються. Але вони не встигають за розвитком комп’ютерів, їх програмним забезпеченням. Більш того, методичні засади лише тоді можна скорегувати, якщо існує методологічний аналіз отриманого досвіду кроків, що зроблені в цьому напрямку, виділені найбільш суттєві надбання й недоліки, що несе таке використання. На прикладі електротехніки – дисципліни, яку вивчають практично студенти будь-якого фаху вищих навчальних закладів, розглянемо можливості використання комп’ютерних технологій при виконанні лабораторного практикуму – віртуальних лабораторних робіт. Не приймаючи жодної точки зору, дамо лише факти. Природно, що вони матимуть як позитивний, так і негативний характер. Деякі з недоліків мають відносний характер: з розвитком комп’ютерів та програмного забезпечення – зникнуть. Але деякі – мають абсолютний характер, оскільки вони притаманні внутрішньому сенсу цієї технології. Отож, вони залишатимуться та їх треба враховувати вже зараз. Дійсно, при виконанні лабораторної роботи студент стикатиметься з віртуальними, але не реальними речами, процесами, дослідженнями. Але ж саме з останніми він буде стикатися все майбутнє життя. Отож, студент при цьому не вироблятиме практичних навичок створення реального досліджуваного об’єкту, пристрою, приладу, не вчиться працювати з реальними вимірювальними приладами, зокрема самостійно створювати необхідний пристрій, складати електричне чи електронне коло, вибирати прилад, встановлювати межі його вимірювань тощо.

Але віртуальний лабораторний практикум має й суттєві переваги у порівнянні зі звичайним натурним. По-перше, він є універсальним: на комп’ютері можна виконувати практикум практично з будь-якої дисципліни. Натурний практикум є вузькоспеціалізованим: фізика, електротехніка, опір матеріалів тощо, для яких потрібні приміщення, обслуговуючий персонал. Тобто економічні переваги проявляються у зменшенні витрат на придбання фактично унікальних пристроїв, раціональному завантаженні навчальних площин та обслуговуючого персоналу. До інших переваг можна віднести:

- можливість виконання студентом лабораторного практикуму при проведенні його не тільки в аудиторії (у відповідності до робочої програми, тобто за планом), але й поза аудиторних занять. Наприклад, під час самостійної роботи, як дома, у гуртожитку, так і в навчальних аудиторіях, використовуючи як власний комп’ютер, так і електронно-обчислювальні засоби навчального закладу.

Такий варіант найбільш доцільний в таких випадках: а) для студентів заочної формі навчання або денної на філіях навчального закладу, де відповідна матеріально-технічна чи лабораторна база відсутня; б) при необхідності перевести студента по тим чи іншим причинам (наприклад, якщо він захворів, виникненні карантину, бажанні більш глибокого вивчення дисципліни і т.д.) на самостійну роботу, яка зараз стає практично основною формою навчання. При виконанні віртуального лабораторного практикуму:

− не потрібні вимірювальні прилади та досліджувані пристрої, що можуть коштувати занадто дорого. Похибку визначення параметрів, властивостей та погрішностей, що виникають при дослідженні характеристик пристроїв, завдяки моделюванню на комп’ютері можна зробити достатньо малими;

− термін часу, що потрібен студентові на виконання роботи на комп’ютері є меншим, ніж час, що потрібен йому для того, щоб скласти досліджуваний реальний пристрій. Витрачений при моделюванні на комп’ютері час є меншим, ніж потрібний на виконання експериментальних дослідів;

− при виконанні роботи можна створити умови, ситуацію, які при дослідженні реального кола, пристрою досягти й реалізувати неможливо або дуже складно. Наприклад, виникнення короткого замикання в будь-якій вітці досліджуваного кола, силовому трансформаторі. Отож, за час виконання лабораторної роботи можна вивчити й проаналізувати значно більшу кількість режимів роботи, в тому числі й аварійних, які неможливо реалізувати в реальних умовах, але які можуть виникнути. Викладач в певній мірі звільнюється від контролю проміжних математичних розрахунків й результатів, що виконують чи отримують студенти, маючи можливість сконцентрувати свою увагу на принципових моментах дослідження: аналізі допущених ним помилок, трактуванні та практичному використанні законів. Суттєвою перевагою є те, що помилки, які звичайно, як правило, допускає студент при виконанні роботи, не впливають і не знешкоджують реальні пристрої чи прилади. Наприклад, студент невірно встановив межу вимірювання приладу, чи помилково утворив коротке замикання, виконуючи комутацію у вітці кола. Комп’ютерні технології реалізують інтерактивний режим, що дозволяє забезпечити зворотний зв’язок зі студентом: зробити йому підказку, застереження при виникненні утруднень, показати, до чого приведе помилка, яку він допустив.

Комп’ютерний лабораторний практикум дозволяє продемонструвати сутність складних внутрішніх фізичних процесів, що мають місце в електричних машинах, приладах, пристроях, причому в динаміці. Наприклад, наочно показати принцип дії електричних машин, рух основних і неосновних носіїв заряду в напівпровідниках, зміни ширини забороненої зони в залежності від характеру внесеної у напівпровідник домішки, зменшення чи збільшення потенціального бар’єру при проходженні прямого чи зворотного струму крізь р-n перехід тощо. При наявності обох практикумів студенти мають можливість паралельно та практично одночасно виконати роботи на «віртуальному» й фізичному стендах частковий (за навчальною програмою) чи повний об’єм лабораторних робот з навчальної дисципліни, що приведе до більш міцній виробці необхідних навичок та вмінь.

Поряд з суттєвими перевагами віртуальний лабораторний практикум має й свої недоліки. Вони полягають в наступному. По перше, віртуальна модель як правило, вважає реальні елементи (котушки індуктивності, конденсатори, резистори), прилади (амперметри, вольтметри, ватметри тощо), які входять до складу складного пристрою чи кола, ідеальними. Вона не враховує їхні інші властивості (паразитні параметри): внутрішній опір джерела, власну індуктивність та ємність реального резистора, вплив скін-ефекту на опір провідників, втрати енергії в котушках індуктивності та конденсаторах. По-друге, іноді неможливо визначити допустимість використання тієї чи іншої моделі для отримання необхідної точності. Наприклад, при дослідженні характеристик, визначенні параметрів електричних машин (двигунів та генераторів). В дослідженнях, вимірюваннях, як правило, використовують ідеальні прилади, які не мають погрішностей. Відсутні такі поняття, як номінальні параметри джерел живлення та навантаження, трансформаторів, електричних машин тощо. По-третє, відсутні обмеження при виборі параметрів електричного кола, чого ніколи не буває на практиці.

Таким чином, лабораторний практикум на сучасному етапі не бажано повністю переводити на віртуальний характер. Бажано, хоча б одну-дві роботи виконувати на реальному обладнанні. Ще більш доцільним було б, коли лабораторний практикум складався з віртуальної та реальної частин (симбіоз). Така технологія виконання роботи знешкоджувала, зменшувала основний недолік, що притаманний віртуальній частині. Саме там, де найбільш доцільно (див. вище) студент виконує віртуальну частину роботи. Але, щоб виробити навички роботи з реальним обладнанням, він іншу частину виконує з реальними пристроями, приладами. Але тримати спеціалізовані лабораторії, щоб виконати 2-3 роботи, недоцільно. Отож, спеціалізовані лабораторії треба уніфіковувати. Це складна робота. Тому вони такими стануть тільки в майбутньому.