Виртуальные лабораторные работы в инженерном образовании

Троицкий Дмитрий Игоревич,
к.т.н., доцент (troitsky@uic.tua.ru)
ГОУ ВПО Тульский государственный университет

Вопросы практики разработки и применения виртуальных лабораторных работ (ВЛР) в инженерном образовании активно дискутируются в последнее время. При этом высказываются самые разнообразные точки зрения. В данной статье изложен опыт автора по созданию и внедрению в учебный процесс кафедры «Автоматизированные станочные системы» Тульского государственного университета ряда ВЛР. Представляется, что ВЛР должна в первую очередь обеспечивать моделирование изучаемых объектов в целом и являться математической моделью объекта, адекватно реагирующей на внешние воздействия – команды, подаваемые обучаемым. Можно предложить следующее определение ВЛР: виртуальная лабораторная работа – информационная система, интерактивно моделирующая реальный технический объект и его существенные для изучения свойства с применением средств компьютерной визуализации.

Слово «интерактивно» является ключевым в данном определении, указывая на динамический характер ВЛР. Компьютерная визуализация объекта – второе важнейшее условие, которое должно соблюдаться при разработке ВЛР. Как известно, 95% информации человек получает от органов зрения и в деле обучения полностью справедлива поговорка «лучше один раз увидеть…» Изучение трехмерного динамического изображения некоторого объекта представляет собой наилучшее возможное приближение к изучению реального объекта. В ряде случаев лучше применять динамические схемы, показывающие различные режимы работы.

Второй важный вопрос, требующий осмысления – зачем нужны ВЛР? Широко распространено мнение, что внедрение ВЛР позволит устранить из аудиторий реальные образцы оборудования без снижения качества обучения. Это явное заблуждение. ВЛР могут рассматриваться только как вспомогательный инструмент учебного процесса. Невозможно качественно подготовить инженера, который видел станок только на экране компьютера. Другое дело – ознакомление с принципами работы технических объектов, которые трудно постичь на реальном оборудовании хотя бы в силу того, что не видна кинематика движений, происходящих внутри корпусов и кожухов, а также объектов повышенной опасности, доступ к которым студентов исключен. Опять же здесь на первое место встают задачи визуализации.

Подготовка ВЛР – трудоемкая задача, которая должна решаться совместными усилиями преподавателя и одаренных студентов. В частности, на кафедре «Автоматизированные станочные системы» ТулГУ разработана оригинальная схема организации информационного обеспечения учебного процесса. Кафедра ведет обучение по четырем специальностям: 220300, 210200, 340100 и 120200. Традиционно наиболее сильный контингент учащихся поступает на специальность 220300 «Системы автоматизированного проектирования». Направленность подготовки в области систем автоматизированного проектирования включает в себя и задачи графического имитационного моделирования объектов. Поэтому в ходе выполнения курсовых проектов студенты получают задания на разработку ВЛР, которые в дальнейшем используются в учебном процессе всех специальностей кафедры. В качестве основного инструментального средства применяется библиотека 3D графики OpenGL и система программирования Delphi.

Методическая поддержка ВЛР заключается в создании методических указаний, разработке вариантов заданий, определению часов, отводимых на выполнение ВЛР и др. Как показал опыт использования ВЛР, «методичка» должна быть издана в бумажном виде, это обязательное условие. Электронной «методичкой» при выполнении ВЛР пользоваться невозможно, постоянное переключение между текстом и ВЛР приводит к тому, что материал перестает усваиваться. Вообще, по всем «компьютерным» курсам методические пособия следует издавать в бумажном виде, поскольку инструмент для работы с электронными пособиями – компьютер – при изучении таких курсов занят изучаемой системой.

Процесс разработки ВРЛ удалось значительно упростить и стандартизировать за счет разработки специальных средств трехмерной визуализации и анимации. Структура системы для разработки ВРЛ представлена на рис. 1.

Исходная трехмерная модель создается стандартными средствами в системах Компас 3D, а затем экспортируется в формат VRML. Выбор системы КОМПАС обусловлен рядом факторов: давним и успешным сотрудничеством кафедры с компанией АСКОН, широким использованием КОМПАС 3D в учебном процессе кафедры, корректным экспортом геометрии в формат VRML 2.0. Разработанный конвертер преобразует описание поверхностей в формате VRML в описание объектов, пригодных для работы библиотеки трехмерной графики OpenGL, входящей в состав операционной системы Windows. Модуль визуализации выводит модель на экран средствами OpenGL и обеспечивает базовые операции поворота, масштабирования и пр., и также управление освещением.

Рис. 1 – Структура системы для разработки ВРЛ

(a)	(б)

Рис.2 – Реальный промышленный робот МП-9С (а) и виртуальная лабораторная работа по его изучению (б)

Пользовательский интерфейс и алгоритмы перемещения объектов программируются вручную для каждой ВРЛ, поскольку они полностью зависят от вида моделируемого объекта. В результате создается приложение (среда разработки Delphi), включающее в себя модуль визуализации, математическое описание самой модели, интерфейс и алгоритмы реакции объекта на воздействия пользователя. Пример такого приложения, имитирующего работу промышленного робота МП-9С, показан на рис. 2.

В рамках предлагаемой концепции студентами кафедры разработаны такие ВРЛ, как «Привод главного движения станка 16К20», «Автоматизированный склад», «3-х координатный фрезерный станок с ЧПУ», «Промышленный робот МП-9С». Их применение в учебном процессе заметно повысило привлекательность соответствующих курсов и качество усвоения материала.