Симулятор для токаря. Компьютерные тренажеры в профессиональном обучении

Чтобы ознакомить ученика с основами какой-либо теории, можно прочесть ему лекцию, дать список учебной литературы или показать научно-популярный фильм. Причем сделать это вполне реально и дистанционно, с использованием ИКТ. Но чтобы дать человеку навык какой-либо практической деятельности, например, научить его обслуживать станок, держать в руках инструмент, настраивать оборудование, тут уж, казалось бы, однозначно нужно идти в мастерскую и долго упорно тренироваться. Вроде бы компьютер и Интернет здесь не помощники – любой мастер скажет, что пока ты не набьешь мозоли, не перепортишь кучу деталей и не потратишь груду расходных материалов, вряд ли станешь специалистом. Однако, как оказывается, и здесь вполне можно обойтись малой кровью, совместив использование высоких технологий с трудоемким процессом выработки трудовых умений. Как это происходит, рассказывает заведующий лабораторией развития профессионального образования Информационно-аналитического центра при Департаменте образования Москвы кандидат технических наук Александр БЕЛОГЛАЗОВ.

Варим-режем без опаски

Мы находимся в просторном светлом помещении, которое разнообразием нового промышленного оборудования напоминает павильон ВВЦ (ВДНХ). Здесь представлен комплекс оборудования для колледжа XXI века – новейшие достижения науки вместе с методическим сопровождением. Все это сделано специально для того, чтобы помочь вывести начальное и среднее профессиональное образование на международный уровень и повысить качество подготовки специалистов, параллельно уменьшив затраты труда, времени и энергии.

– Перед нами «Лаборатория сварочного производства», – рассказывает Александр Анатольевич. – Этот комплекс позволяет обучать будущих сварщиков без вреда для их здоровья. Вы наверняка видели компьютерные «тренажеры-стрелялки». Так вот, этот агрегат устроен аналогичным образом и представляет собой своеобразный гибрид сварочного аппарата и компьютера. Мы настраиваем датчики положения, выбираем тип задания, выставляем стрелку на ноль и ведем электрод по месту предполагаемого шва, параллельно наблюдая за ходом выполнения задания на мониторе. А суть его в том, чтобы научиться проводить как можно более ровный шов, так сказать, «поставить руку». На экране выстраивается график, отражающий все огрехи и недочеты, поэтому можно тут же постараться исправить их, приблизить к заданной линии. Соответственно, чем меньше отличий между этой линией (прямой или кривой) и линией шва, тем выше конечная отметка. Выполняя лабораторную работу, можно выставлять те или иные параметры – силу тока, тип пластины, электрода, шва, время выполнения задания и так далее.

Меняя насадку, легко превратить электросварочный аппарат в газосварочный. При этом компьютер будет выдавать нам температуру нагрева, состав газовой смеси и прочие параметры. А изменив форму соединяемых пластин и вид металла, можно тренироваться в выполнении самых разных швов.

Преимущества комплекса в том, что мы фактически в игровой форме и при минимальных затратах электроэнергии помогаем ребятам учиться по многу раз выполнять те или иные манипуляции, операции, которые в иных условиях они должны были бы отрабатывать только в присутствии мастера строго ограниченное время.

– Но ведь вряд ли можно стать профессионалом, работая только на тренажере?

– Конечно, человек рано или поздно все равно должен начать работать в реальных условиях. А здесь главная цель – сокращение периода производственного обучения, которое занимает две трети времени обучения в начальном

профобразовании и до 50 процентов – в среднем. Нам важно выработать и закрепить навыки. Поэтому с помощью тренажера мы можем значительно сократить этот период, не тратить дорогостоящие материалы и детали. Здесь можно тренироваться сколько угодно, оттачивая движения, помогая человеку довести какие-то действия до автоматизма, чтобы не дрожала рука и он не боялся обращаться с оборудованием. А в работе с реальным аппаратом происходит уже доводка тех знаний, которые ученик получил на тренажере. Ведь задача профессионального образования – дать базовые навыки. Уже потом, на последних курсах, во время специализации ребята проходят практику на заводе, «в боевых условиях». И тут очень заметна разница, приходят ли люди из училища, в котором им из-за нехватки средств не могли приобрести даже электроды, или после тренажера, на котором они «накатали» много часов.

– Если не секрет, сколько стоит это оборудование?

– Стоимость тренажера равна примерно стоимости двух компьютеров. Это существенно дешевле всей техники, которую нужно установить для оборудования одного сварочного места

в училище. К тому же очень важен воспитательный эффект, который можно получить в результате использования нашего тренажера. Ведь тут ученик может сам себя контролировать, не требуя, чтобы все время рядом с ним стоял мастер-наставник. И работа проходит в игровой интерактивной форме.

– Здесь представлен опытный образец?

– Нет, промышленный. Подобная техника уже успешно действует в колледже №21 Москвы. Там такими агрегатами оборудовано три учебных поста. Надо отметить, что благодаря внедрению в учебный процесс новых технологий в этом учебном заведении конкурс по специальности «Сварщик» в 2006-2007 учебном году был заметно выше, чем в прошлом.

Виртуальная деталь

Вроде бы станок с типичными для этого вида оборудования манипуляторами, которые обычно управляют перемещением резцов в пространстве. Но самих резцов и шпинделей, куда можно было бы закрепить заготовку, нигде не видно. Вместо этого – монитор, на котором 3D-изображение обрабатываемой детали.

– Похоже, тут выставлены обучающие тренажеры токарного и фрезерного станков?

– Да, это так называемые программно-аппаратные проэмуляторы, разработанные у нас, в России. Сейчас уже поставлено 64 подобных устройства, которые работают в 8 колледжах Москвы. Дело в том, что после ввода самих станков в эксплуатацию возникла необходимость изменить последовательность обучения: cначала обкатать технологию на тренажере, а уже потом подпускать ребят к рабочим образцам.

Созданное российскими специалистами программное обеспечение позволяет смоделировать на компьютере целый ряд процессов, которые впоследствии потребуется воспроизвести в реальности. Здесь в графическом редакторе можно нарисовать деталь, которую нам нужно изготовить, и получить ее трехмерное изображение. А дальше действуем, как на конкретном станке: закрепляем виртуальную деталь и, вращая манипуляторами, начинаем обрабатывать ее, снимая стружку слой за слоем.

Поскольку в программу заложена форма детали, аппарат отслеживает, чтобы ученик не заступил за красную линию, которая обозначает границы обработки, иначе деталь будет испорчена. Впрочем, даже если это и происходит, можно просто запустить программу заново и тренироваться до тех пор, пока не достигнешь необходимой сноровки. Согласитесь, если бы нам довелось учиться на настоящем станке, пришлось бы произвести очень много брака, испортить немало резцов.

А тут компьютер контролирует каждый этап, поэтому можно наглядно пройти всю технологию обработки от начала до конца. Ученик точно видит, что сначала нужно проводить черновую обработку и только потом, сменив резец, чистовую, что необходимо следить за температурой резца и так далее. Но если у него сгорает или выкрашивается резец, вылетает плохо закрепленная деталь, это можно увидеть на экране, а не воочию, что, согласитесь, гораздо безопаснее.

– Какие еще преимущества дает использование проэмуляторов?

– Программа позволяет разбить операцию на этапы, установить время выполнения каждого из них, настроить требуемые параметры – например, снимать за один проход не более

0,05 мм стружки. И если что-то не состыкуется, следует предупреждение: вы вышли из технологического режима. Реальный станок сказать об этом пока не может. Правда, тут главный труд ложится не только на разработчиков, которые составляют эту программу, закладывают в нее все допуски и требования, но и на методистов, которые должны максимально эффективно применять ее на определенном этапе процесса обучения.

Оборудование помогает использовать различные подходы для разных аудиторий. При этом можно изменять параметры под конкретного человека. К тому же тут можно работать самостоятельно, отрабатывая конкретные операции, оттачивая отдельные навыки и умения. Наконец, проэмуляторы очень помогают при проведении контрольных мероприятий, когда необходимо убедиться, какого уровня достиг тот или иной ученик.

Кстати, поскольку все операции записываются в файл, можно потом по этим данным на реальном станке изготовить ту деталь, которую ученик сделал на компьютере, например, в качестве самостоятельной работы, дистанционно. В итоге, имея Интернет, станок с ЧПУ и компьютер, мы можем выполнять заказ, поступивший в виде программы, составленной кем-то другим, или, наоборот, высылать свои программы куда-то, где их выполняют на станке.

Аппарат абсолютно нетравмоопасен, а благодаря тому, что в нем используются манипуляторы от конкретного станка, ученики быстро привыкают работать с ними и потом безболезненно переключаются на настоящие машины. При этом занятие проходит по принципу компьютерной игры, что ребятам, как правило, знакомо и интересно. Чем больше времени человек провел на тренажере, чем с более разнообразными деталями имел дело, тем более профессионально он потом сможет работать на настоящем станке.

– Вы сказали, что программное обеспечение разработано российскими специалистами. А в чем отличие этого тренажера от западных аналогов?

– Наш комплекс более универсален. Зарубежные производители стараются привязать свои тренажеры к конкретным образцам техники, оборудованию какой-либо определенной фирмы. В условиях развитой экономики это вполне оправданный подход. Дело в том, что, поскольку эти фирмы являются ведущими мировыми производителями, а доля их рынка составляет значительную часть всего мирового производства, навыки, которые рабочие получают на этих станках, можно применить на самых разных производствах. Но нашим специалистам имеет смысл все-таки давать более разностороннее образование и учить их работать на самом разном оборудовании, а не на каком-либо одном. Важно, чтобы ученик освоил сам принцип работы, который един у большинства станков. А наш проэмулятор как раз и позволяет пройти базовую подготовку для работы на станках самых разных производителей.

Удаленный доступ

Мы проходим мимо целого ряда учебных комплексов, с помощью которых студенты колледжей в реально-виртуальном режиме отрабатывают самые разнообразные учебные умения и навыки. Взять, к примеру, имитатор объектов управления (в данном случае – лифтом). В нем используются промышленные контроллеры, установленные в самых настоящих лифтах. Конечно, никаких шахт, кабин и лебедок тут нет, все это заменяет компьютер. С его помощью можно не только проследить, как работает лифт, но и настроить систему, чтобы кабина, допустим, останавливалась только на четных этажах, а если в ней никого нет, свет автоматически отключался.

Рядом – имитатор линии по производству теста, фарша и других продуктов. Самих продуктов нет, процесс тоже моделируется на компьютере, но в системе также используются вполне настоящие датчики и контроллеры, которые требуется настраивать и налаживать. Учащиеся должны научиться регулировать процесс таким образом, чтобы в системе автоматически соблюдалось точное соотношение ингредиентов.

– Это предназначено для среднего профессионального образования, – говорит Александр Белоглазов. – Тут требуются не только знания устройства и принципы работы конкретных аппаратов, но и умение видеть всю систему целиком, а также программировать.

Обратите внимание на стенд «Электротехника и промышленная электроника». Здесь используется блок израильского производства с европейским, то есть отличным от ГОСТа, обозначением узлов. Причем измерительная техника стоит наша, российская. На этом стенде ученик приучается работать с любыми изделиями, изготовленными как у нас, так и за рубежом. С его помощью можно готовить операторов ЭВМ, регулировщиков аппаратуры, настройщиков измерительных приборов, сборщиков сложных устройств – словом, специалистов самого широкого профиля.

– А какую функцию здесь выполняет компьютер?

– Он является универсальным измерительным инструментом, который может заменить и многофункциональный мультиметр, и генератор, и осциллограф. В некоторых случаях, например, когда интерфейс порта не позволяет подключить к нему оборудование, мы используем и обычные приборы. Но постановочные, то есть моделирующие задачи (например, что будет, если подать на прибор не то напряжение или не ту частоту тока), мы выполняем именно с помощью компьютера. Это позволяет не задавать абстрактные вопросы и слушать стандартные ответы, а тут же на месте провести эксперимент и подтвердить собственные слова.

– Скажите, должно ли каждое образовательное учреждение, которое готовит тех или иных специалистов, иметь подобные стенды, или существует возможность их сетевого использования?

– Обратите внимание на нашу интернет-лабораторию «Основы электроники». С ее помощью готовят специалистов по вычислительным машинам, комплексам, системам и сетям, по автоматизации предприятий, специалистов, которые разбираются в конвейерных линиях, осуществляют техническую поддержку целого ряда систем, от ЖКХ до ЦУП.

Допустим, студенту необходимо исследовать свойства каких-либо блоков – операционные усилители, электрические цепи, диоды и транзисторы, выпрямительные устройства, стабилизаторы напряжения и так далее. Нужно ли все это дорогостоящее оборудование иметь в каждом колледже? Оказывается, вовсе не обязательно. Если на компьютере стоит соответствующее программное обеспечение, то оно позволяет студенту, находящемуся совсем в другом помещении, здании или даже населенном пункте, сделать лабораторную работу, получить экспериментальные данные, послать запрос через Интернет на соответствующий блок, установленный у нас, увидеть, как работает реальный усилитель в реальных условиях, и тут же получить ответ. А после этого сравнить полученные графики с теоретическими, изображенными в учебнике или на плакате, и ответить преподавателю, почему наблюдается расхождение.

Эту систему мы разработали по специальному заказу Московского энергетического института. Сейчас ее услугами пользуются не только колледжи, но и школы, получившие от нас программное обеспечение. Конечно, еще не все образовательные учреждения Москвы подключены к Интернету по оптоволокну или выделенной линии, еще возникают проблемы с сетью или сервером, при которых учебные заведения лишаются возможности проведения лабораторных работ на базе ресурсного центра. Наш центр мультисервисной корпоративной сети принимает самое активное участие в решении таких проблем, оказывая квалифицированную поддержку учреждениям системы образования столицы.

– Но ведь образовательные учреждения могут быть подключены к Интернету по-разному, каналы связи могут иметь различную пропускную способность?

– А вот эту проблему, кстати, позволяет исследовать учебный стенд «Современные обучающие телекоммуникационные системы». Тут можно рассмотреть все виды связи – от обычных медных линий до оптоволокна. На стенде есть два главных блока – с одного мы отправляем сигнал, на другом – получаем. Между этими блоками моделируется участок с заданными параметрами. И можно, взяв микрофон, наговорить, записать, а потом, отослав по одной из линий, услышать, как это будет звучать. Естественно, на выходе происходит декодирование информации, на входе – кодирование, причем теми способами, которые мы задаем. И мы можем выбрать тот вид связи и тот способ декодирования, который нас устроит. Конечно, речь идет о передаче на расстояния не только голоса, но и информации вообще, в том числе текстовых, музыкальных и графических файлов.

Учитывая то, что школы сейчас подключают к Интернету, используя самые различные виды связи – от выделенных линий до спутников, при этом условия подключения тоже везде свои, – можно смоделировать ситуацию и посмотреть, каким будет качество этой связи в том или ином случае, какую нагрузку может выдержать та или иная линия.

P.S.

…Побывав в подобной лаборатории, начинаешь понимать, насколько все-таки безграничны возможности ИКТ в получении всех уровней образования, в том числе начального и среднего профессионального. Компьютер и Интернет для современного ученика, студента и рабочего – такая же необходимая вещь, как и для мастера и инженера. А грамотное объединение новых технологий с современной техникой способно дать поразительные результаты уже на уровне обучения в колледже по той или иной специальности.

Теперь остается надеяться, что подобные тренажеры в самом скором времени появятся во всех учреждениях НПО и СПО страны. А мастера и преподаватели смогут использовать богатый опыт, наработанный в учебных заведениях Москвы и в Лаборатории развития профессионального образования.