Методика и практика информационного обеспечения учебных дисциплин цикла «Гидро- и прикладная механика»

Библиографическое описание статьи для цитирования:
Егоров П. Н., Хазова В. И., Хазова В. И. Методика и практика информационного обеспечения учебных дисциплин цикла «Гидро- и прикладная механика» // Научно-методический электронный журнал «Концепт». – 2014. – № 4 (апрель). – С. 16–20. – URL: http://e-koncept.ru/2014/14082.htm.
Аннотация. Статья посвящена различным аспектам компьютерного информационного обеспечения учащихся при изучении ими учебных дисциплин цикла «Гидро- и прикладная механика». Рассматриваются вопросы тестирования с помощью «Адаптивной системы тестирования», интернет-тестирования, а также расчетно-учебно-информационные программы, составленные в среде математической лаборатории “MathCad” для сокращения трудоемкости курсового проектирования и оформления отчетов по лабораторным работам.
Раздел: Отдельные вопросы сферы образования
Комментарии
Нет комментариев
Оставить комментарий
Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы комментировать.
Текст статьи
Егоров Петр Николаевич,кандидат технических наук, доцент кафедры «Аэрои гидромеханика, динамика и прочность машин, сопротивления материалов» ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет», г.Нижний Новгородegorov50@inbox.ru

Хазова Вероника Ивановна,кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры теоретической и прикладной механики ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет», г.Нижний Новгородdiplomla@mail.ru

Хазова Виктория Ивановна,кандидат технических наук, доцент кафедры теоретической и прикладной механики ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственныйтехнический университет», г.Нижний Новгородdiplomla@mail.ru

Методика и практика информационного обеспечения учебных дисциплин цикла «Гидрои прикладная механика»

Аннотация. Статья посвящена различным аспектам компьютерного информационного обеспечения учащихсяпри изучении ими учебных дисциплин цикла «Гидрои прикладная механика». Рассматриваются вопросы тестирования с помощью «Адаптивной системы тестирования», интернеттестирования, а также расчетноучебноинформационные программы, составленные в среде математической лаборатории “MathCad”для сокращения трудоемкости курсового проектирования и оформления отчетов по лабораторным работам.Ключевые слова:гидромеханика, прикладная механика, компьютерное тестирование, программирование в среде “MathCad”.Раздел: (1)педагогика; история педагогики и образования; теория и методика обучения и воспитания (по предметным областям).

В настоящее время в связи с переходом на новые государственные образовательные стандарты третьего поколении ГОС3 резко сокращается объем аудиторных занятий и наблюдается перенос сроков курсового проектирования на более ранние годыобучения.Так, по многим специальностям, где раньше учебные дисциплины «Теоретическая механика», «Сопротивление материалов», «Теория механизмов и машин» и «Детали машин и основы конструирования» преподавались отдельно и вплоть до 4го года обучения, теперь преподается лишь одна учебная дисциплина «Прикладная механика» на 3м, а в некоторых случаях даже на 2м году обучения. В этих условиях в учебном процессе резко возрастает роль самостоятельной работы студентов, а также всевозможных форм ее организации и оптимизации, в том числе и с использованием компьютерных технологий. Широко распространенные в современных условиях различные виды интернетресурсов, как правило, позволяют обеспечить учащихся всевозможной учебной литературой: учебниками, методическими пособиями, справочниками и т.п.Однако трудоемкость выполнения и особенно оформления учебной документации по курсовым проектам, расчетнографическим и лабораторным работам остается весьма высокой. В настоящей статье предлагаются некоторые методы сокращения этой трудоемкости за счет замены прежних ручных расчетов их компьютерными аналогами при одновременном увеличении роли программированного контроля знаний студентов с помощью различных видов тестирования. Одной из важнейших составляющих учебной дисциплины «Прикладная механика» является курсовое проектирование, которое, какправило, имеет две основные составляющие:1)кинематический и динамический анализ и синтез рычажных механизмов;2)проектирование редукторов различных типов. Последнее в современных условиях сокращения учебной нагрузки зачастую приходится ограничивать лишь разработкой эскизной части проекта.Расчеты по проведению кинематического и динамического анализа рычажных механизмов в случае выполнения их по схеме естественного способа задания движения кинематических пар с построениями многочисленных планов скоростей, ускорений и усилий, как правило, очень трудоемки. В последнее время они компьютеризированы,и студенты, после выполнения вручную этапов геометрического прочерчивания и снятия координат кинематических пар в различных положениях механизма, получают весьма объемные массивы числовых данных, содержащих информацию по проекциям скоростей, ускорений и усилий в кинематических парах, а также результаты численного интегрирования дифференциального уравнения динамики привода механизма. Однако окончательный этап данной частипроекта –представление числовой информации в графическом виде и многократный подбор параметров привода механизма с целью удовлетворения условий стационарности и равномерности его работы –выполняется попрежнемувручную.В связи с этим иззаудобства графического представления информации были составлены соответствующие программы в среде математической лаборатории “MathCad”, позволяющие проиллюстрировать и облегчить процесс подбора потребной мощности и параметров маховика привода механизма. На рис. 1 представлены результаты работы одной из таких маткадпрограмм в виде графиков мгновенной безразмерной угловой скорости в зависимости от времени работы. Сначала на рис.1,а показан вариант такого графика с неудовлетворительным подбором параметров привода: потребные мощность и момент инерции массы маховика недостаточны. Ниже на рис. 1,б показан вариант такого же графика с удовлетворительным подбором –видно, что показанные в верхней левой областиграфика значения средней угловой скорости привода и коэффициента неравномерности вращения находятся в допустимых пределах. В настоящих условиях в связи с резким ростом числа студентов, приходящихся на одного преподавателя, особую проблему представляет индивидуализация заданий на курсовое проектирование. Один из возможных способов решения этого вопроса показан на рис.1,а–б. На нем с помощью особой программируемой символики (вертикальные прямоугольники в центре диаграмм) видно, что выполненные расчеты и графики относятся именно к заданному конкретному студенту виду рычажного механизма: ТММ10, вариант данных 42, а не к какомулибо другому варианту задания. Такой подход позволяет не допускатьсписываниеи бездумноекопированиестудентами информации из одноговарианта курсового проекта в другой.Для сокращения объема необходимой самостоятельной работы студентов в части курсового проектирования различных типов редукторовбыли составлены 2типа расчетноучебноинформационных маткадпрограмм.Рис. 1,а.Экран маткадпрограммы, иллюстрирующий неудовлетворительный результат подбора мощности электропривода рычажного механизма (мощность недостаточна)

Рис. 1,б.Экран маткадпрограммы, иллюстрирующий удовлетворительный подбор мощности

электропривода рычажного механизма

1)Программы, обеспечивающие расширенную версию проектировочного расчета 2ступенчатых коническоцилиндрических редукторов, включающие детальную проработку конструкции и размеров его корпуса, подшипников, болтового соединения с рамой,а также выбор параметров некоторых типов передач (в частности, ременных и цепных). Детальные подробности и особенности работы таких программ изложены в работе [1].Программы, обеспечивающие сокращенную (эскизную) версию проектировочного расчета 3основныхтипов редукторов: 2ступенчатых цилиндрических, коническоцилиндрических и червячных в объеме учебного пособия [2]. Здесь выбираются лишь их основные и наиболее значимые параметры и размеры:передаточные числа ступеней редуктора;диаметры окружностей зубчатых колес, модули и числа зубьев; диаметры валов и подшипников.Проектировочная часть, связанная с выбором размеров, сопровождается заключительными поверочными расчетами прочности.На рис. 2 показанакопия экрана, иллюстрирующего работу одной из таких маткадпрограмм. Видно, что программы составлены в диалоговом режиме. Сначала пользователь получает предварительную, расчетную версию того или иного размера. Затем онтак, как это принято в деталях машин, округляет нужный размер до стандартного из предлагаемого ряда. На необходимость выполнения такой операции впрограмме указывает сообщение «<Корректировка».

Рис. 2.Экран маткадпрограммы, иллюстрирующий расчет и последующий подбор размера модуля зубчатого зацепления редуктора из стандартного ряда

Такие программы обладают также и информационнообучающим ресурсом. Здесь использованы возможности широких мониторов современных компьютеров и ноутбуков. Это позволяет в левой части экрана записывать расчетные формулы, а в правой части экрана (наподобие того, какэто делается в фильмах с субтитрами) располагать информационные материалы: поясняющие рисунки и схемы, выкопировки из ГОСТов и т.п.Пакет “MathCad”производит печать своих файлов вертикальными последовательными рядами. Поэтому при печати лишь первого самого левого вертикального ряда файла такой расчетноучебноинформационной маткадпрограммы получается соответствующий раздел пояснительной записки, а остальные ряды программы с учебной информацией можно не распечатывать.Математическая лаборатория “MathCad”оказывается также весьма полезной при проведении некоторых лабораторных занятий по дисциплине «Прикладная механика». На рис. 3 показан экран части маткадпрограммы, обеспечивающей автоматизацию весьма трудоемких расчетов при выполнении лабораторной работы«Профилирование эвольвентных зубьев методом обкатки и расчет зубчатых передач». Например, запрограммированы такие вычислительные операции:нахождение функции инволюты угла зацепления, используемой для геометрических построений зубчатых зацеплений. В обычной практике ее нахождение требует применения громоздких таблиц и справочников;определение величин диаметров характерных для эвольвентного зубчатого зацепления окружностей: делительной, начальной, основной, а также диаметров окружностей вершин и впадин и т.п.

Рис. 3.Экран маткадпрограммы, иллюстрирующий определение и расчет параметров зубчатого зацепления непосредственно в ходе проведения лабораторного занятия

Это позволяет облегчить самостоятельную работу студентов, и, после вычисления программой всех необходимых геометрических размеров, ускорить проведение лабораторного занятия и сразу же приступить к заключительным геометрическим построениям по нахождению величины коэффициента торцевого перекрытия.В современных условиях, когда значительная часть образования учащегося перенесена на самостоятельную работу, особо важную роль приобретает контроль знаний студентов. Кроме того, вследствие непрерывного роста учебной нагрузки число студентов, приходящихся на одного преподавателя, непрерывно увеличивается. Это выводит на первый план образовательного процесса такую форму обучения, как непрерывный программированный контроль знаний студентов с помощью всевозможных форм тестирования. Постоянное расширение возможностей вычислительной техники и повсеместная доступность Интернета позволяют организовать компьютерное тестирование по учебной дисциплине «Прикладная механика» в двух основных направлениях:разработка и внедрение в учебный процесс преподавателями кафедры своих собственных тестов, основанных на их собственном видении учебного материала, индивидуальной и субъективной оценкеими значимости отдельных разделов учебного курса в соответствии с разработанными и утвержденными рабочими программами;2)использование возможностей самотестирования учащихся с помощью интернетресурсов федерального уровня, которое стало неотъемлемой частью современного образования и должно проводиться непрерывно в порядке подготовки к возможному «внезапному» проверочному тестированию знаний учащихся при периодическом подтверждении Министерством образования аккредитации и лицензировании данного образовательного учреждения. В соответствии с новыми государственными образовательными стандартами третьего поколении ГОС3 учебная дисциплина «Прикладная механика» относится к базовой (общепрофессиональной) части профессионального цикла большинства машиностроительных специальностей. Поэтому по ней федеральное тестирование остаточных (т.е. после завершения учебного курса) знаний учащихся проводится в первую очередь.Различные аспекты «внутреннего» тестирования с использованием как компьютерных, так и обычных «карточных» методов составления тестов изложены в работе [3]. Остановимся подробнее на «внешнем»,федеральном интернеттестировании, которое имеет следующие особенности:цель этого вида тестирования –проверка «остаточных» знаний студентов. Поэтому такое тестирование проводится в течение семестра после завершения данного учебного курса;по итогам тестирования студенту выставляется не только общая итоговая оценка по всему предмету, но и дополнительные самостоятельные оценки по каждому разделу предмета. Таким образом, студент должен не только получить общую итоговую положительную оценку, но и проявить удовлетворительные знания по каждому разделу проверяемой дисциплины. Этообстоятельство оказывается особенно неудобным, поскольку в последнее время в связи с сокращением объемов аудиторных занятий приходится значительные куски курсов, формально входящие в учебные программы, выносить на самостоятельное изучение. В связи с этим требования к технике обучения дополнительно возрастают, поскольку преподаватель должен:следить за постоянно обновляемыми материалами интернетресурсов федерального тестирования и включать их в тематику своих лекций, лабораторных и практических занятий и т.п.Это особенно важно, поскольку федеральные тесты могут содержать целые крупные разделы учебного курса, которые по той или иной причине (как правило, вследствие нехватки часов) оказались не включенными в тематику аудиторных занятий;в случае возникновения «опасной» перспективы и неотвратимости министерского тестирования (а о нем, как правило, учебная часть оповещает заранее в обязательном, императивном порядке) преподавателю приходится дополнительно связываться со студентами, тестирование которых запланировано. Обычно их надооповестить и предупредить о тех разделах курса, на которые надо обратить внимание при самостоятельной подготовке. Но в особо ответственных случаях дело доходит до того, что приходится назначать дополнительные «репетиционные» занятия.Во время прохождения государственной аккредитации НГТУв 2011 г. учебная дисциплина «Теория механизмов и механика машин» (ТММ) как часть учебного курса «Прикладная механика» вошла в состав предметов, по которым проводилось федеральное тестирование на предмет проверки «остаточных» знаний студентов. В связи с этим для предварительной оценки типа, характера и формы возможных контрольных вопросов тестовых заданий использовались такие интернетресурсы федерального уровня, какhttp://att.nica.ru; http://www.iexam.ruи http://www.fepo.ru. Они позволили и преподавателям,и студентам освоиться в новой информационной среде с такими ее особенностями, какнепривычный интерфейс федеральной системы тестирования и жесткий тайминг ее работы;наличие в некоторых случаях не совсем (с точки зрения наших преподавателей) корректной формулировки контрольных вопросов;существованиеразличий в системах обозначений одних и тех же величин в федеральных тестовых заданиях и в «домашних» учебных курсах;возможностьпоявления вопросов из таких разделов курса, которые на лекциях практически не излагались и т.п.Последние два обстоятельства иногда носили принципиальный характер. Так, например, в федеральных тестах по теории механизмов и машин одноподвижная кинематическая пара обозначалась p1, в то время как в НГТУ ее принято считать кинематической парой 5го класса и обозначать p5. Точно также появление в федеральных тестах по ТММ вопросов из раздела «Виброактивность и виброзащита машин» было полной неожиданностью, поскольку в «домашних» учебных курсах по ТММ этот раздел изза нехватки часов аудиторных занятий, как правило, выносится на самостоятельное изучение. Однако благодаря организации дополнительных консультаций и внеплановых репетиционных занятий эти трудности были преодолены и аттестационное тестирование успешно пройдено.При прохождении тестирования по базовой (общепрофессиональной) части профессионального цикла дисциплины«Механика жидкости и газа» возникли еще большие трудности. Ввиду краткости выделенных на эту дисциплину часов аудиторных занятийи, с другой стороны, соображений практической целесообразностиэтот чисто теоретический курс в техническом вузе сводится к небольшой чисто инженерной дисциплине «Гидравлика». Однако пришедшие из Министерства федеральные тесты потребовали от студентов глубоких, прямо скажем, академических знаний именно в области теоретической аэрои гидромеханики. Поэтому в лекционный курс были внесены радикальные изменения. Вместо тогочтобы сконцентрироваться на практически важных вопросах снижения гидравлических потерь или оптимального проектирования и гидравлического расчета трубопроводов, пришлось втолковывать студентам разницу между различными формами записи уравнения Навье–Стокса, сопровождая это необходимыми экскурсами в векторную алгебру и аналитическую геометрию. Для достижения желаемого уровня знаний студентов пришлось даже составить специальные контрольные карточки программированного контроля знаний, вопросы из которых показаны на рис.4.При общем объеме 18 лекционных часов, выделяемых на эту дисциплину согласно учебному плану, растолковать студентам премудрости одних только значков,входящих в эти формулы, весьма сложно.

Рис. 4.Примеры довольно «странных»вопросов по дисциплине «Гидравлика», включенных в федеральное тестирование

Ссылки на источники1.Егоров П.Н. Использование вычислительного пакета “MathCAD”в учебном процессе вуза //Концепт. –2012. –№5 (май). –ART 1259.–URL: http://ekoncept.ru/2012/1259.htm.2.Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Детали машин. Курсовое проектирование. –М.:«Машиностроение», 2002.3.Егоров П.Н., Хазова В.И., Хазова В.И. Использование программного комплекса «Адаптивная система тестирования» в учебном процессе вуза// Концепт. –2012. –№8 (август). –ART 12097.–URL: http://ekoncept.ru/2012/12097.htm.

Petr Egorov,candidate of Technical Sciences, associate professor at the chair of aero and hydromechanics of the Nizhny Novgorod State Technical University (NGTU), Nizhny Novgorodegorov50@inbox.ruVeronica Hazova,candidate of Technical Sciences, chief teacher at the chair of thetheoretical and applying mechanics of the Nizhny Novgorod State Technical University (NGTU), Nizhny Novgoroddiplomla@mail.ruVictoria Hazova,candidate of Technical Sciences, associate professor at the chair of the theoretical and applying mechanics of the Nizhny Novgorod State Technical University (NGTU), Nizhny Novgoroddiplomla@mail.ruOn the Method and Practice of the IT maintenance of the Hydromechanics and Application Mechanics SubjectAbstract. Paper is devoted to the description of the IT maintenance of the Application Mechanics Subject in a technical university. The authors offer the different techniques of the Internet, MathCad and computer tests using. Positive and negative features of the computerizing approach are discussed.Keywords:mechanics and machine parts theory, computer testing.References1.Egorov, P.N. (2012) “Ispol'zovanie vychislitel'nogo paketa “MathCAD” v uchebnom processe vuza”, Koncept, № 5, рр. 68–74 (in Russian).2.Dunaev, P.F. and Lelikov, O.P. (2002) Detali mashin. Kursovoe proektirovanie, Mashinostroenie, Moscow(in Russian).3.Egorov, P.N., Hazova V.I. and Hazova, V.I. (2012) “Ispol'zovanie programmnogo kompleksa ‘Adaptivnaja sistema testirovanija’ v uchebnom processe vuza”, Koncept, № 08, рр. 2–7(in Russian).

Рекомендовано к публикации:Горевым П. М., кандидатом педагогических наук, главным редактором журнала «Концепт»