Отчет о научно-исследовательской работе
| скачать Министерство образования Российской Федерации Московский государственный технический университет (МГТУ) им. Н.Э. Баумана _________________________________________________________________ УДК 004.89:002.53 ГРНТИ 50.41.25 № госрегистрации Инв.№
^ Автоматизированный учебный комплекс для лабораторных практикумов по механике деформируемого твердого тела выполненной по научно-технической программе «Создание системы открытого образования» Подпрограмма: Научное, научно-методическое и информационное обеспечение создания системы открытого образования Раздел _Создание системы открытого профессионального образования__________ Код 02.01.006 (заключительный) Руководитель подразделения – исполнителя ______________ (Вафин Р.К.) (Позиция может отсутствовать) Руководитель проекта ______________ (Нарайкин О.С.) Москва, 2002 ^ Руководитель темы, д.т.н., профессор ____________ О.С. Нарайкин (введение, заключение) Отв. исполнитель, к.т.н., доцент ____________ В.А. Дадонов (раздел 1–3) Исполнители: к.т.н., доцент ____________ Ф.Д. Сорокин (раздел 2–3) ассистент ____________ С.А. Козубняк (раздел 2–3) PЕФЕРАТ Отчет 23 стр., 9 рисунков, 4 источника. Компьютерная, обучающая, программа, сопротивление материалов. Объектом исследования является методика процесса обучения с использованием современных обучающих компьютерных программ. Цель работы – разработка автоматизированного учебного комплекса для лабораторных практикумов по механике деформированного твердого тела, способных имитировать работу испытательной техники, измерительной аппаратуры при активном участии в моделировании обучающегося. В работе проводится анализ состояния и перспектив развития рынка прикладных обучающих программ, устанавливается необходимость и обосновывается целесообразность разработки методики и технологии создания современного мультимедийного методического обеспечения курсов дисциплин, разработана методика проведения компьютерных лабораторных работ по механике деформируемого твердого тела, составлен алгоритм, разработана и отлажена программа, реализующая представленную методику. Разработанные методика и программное обеспечение успешно внедрены в учебный процесс на кафедре «Прикладная механика». СОДЕРЖАНИЕ
Введение Изучение подавляющего большинства естественнонаучных и инженерных дисциплин должно сопровождаться, наряду с теоретическим курсом, практическими занятиями и лабораторными работами. Этим составляющим учебного процесса в ведущих российских вузах всегда уделяли большое внимание. Постоянно проводилась работа по созданию и совершенствованию учебной лабораторной базы, разработке нового, модернизации и обновлению существующего оборудования. Наличие соответствующей лабораторной и экспериментальной базы стимулировало разработку новых лабораторных работ, совершенствование уже существующих, выпуск необходимого методического обеспечения, обмен опытом между родственными кафедрами вузов. Наряду с этим для качественной организации учебного процесса вузы широко привлекали ресурсы научно-исследовательских институтов, конструкторских бюро и базовых предприятий. Переход России к рыночной экономике сопровождается кардинальными изменениями во всех сферах деятельности общества. Естественно, что необходимость проведения политического, экономического и правового реформирования России не могло не отразиться на состоянии образовательной индустрии. Среди основных факторов, оказавших негативное влияние на систему образования можно отметить следующие:
В то же время развивающийся быстрыми темпами внутренний российский рынок, стремление России интегрироваться в международное экономическое сообщество и занять там место одной из ведущих стран предъявляют все возрастающие требования к качеству подготовки молодых специалистов. В сложившейся ситуации как никогда остро стоит проблема внедрения и широкого использования в учебном процессе современных высокоэффективных информационных технологий, огромных возможностей персональных ЭВМ в области компьютерного обучения. В последние несколько лет отмечается рост числа разработок в области создания обучающих программ. Этому способствовало резкое увеличение числа студентов-пользователей персональных ЭВМ, постепенное оснащение вузов компьютерной техникой, возросшими возможностями подключения к международной компьютерной сети ИНТЕРНЕТ, постоянно растущими техническими возможностями компьютерной техники, появлением современных программных средств, позволяющих достаточно быстро и эффективно разрабатывать мультимедийные обучающие программы, комплексы и электронные учебники. Однако мало иметь в руках хороший инструмент, важно еще научиться его грамотно и эффективно использовать, создавая качественную, конкурентоспособную продукцию. Таким образом, сегодня весьма актуальной задачей в области образовательных услуг является разработка разнообразных мультимедийных компьютерных обучающих программ, технологий создания электронного методического обеспечения учебного процесса, его производства и распространения. Основной целью данной работы является разработка компьютерной лабораторной работы по курсу «Сопротивление материалов», способной имитировать работу испытательной техники, измерительной аппаратуры при активном участии в моделировании обучающегося. 1 Основные элементы компьютерного учебного пособия При создании автоматизированного учебного комплекса (компьютерного учебника) исходным является тот факт, что учебный процесс включает три базовых фазы:
На первой фазе обучаемому предъявляется информация, отражающая новые знания, и создаются условия для наиболее эффективного ее восприятия. В процессе восприятия у обучаемого формируются новые представления, соответствующие рассматриваемому фрагменту учебного материала, и между этими и существовавшими ранее представлениями устанавливаются смысловые отношения. Чем большей устойчивостью обладают новые представления, тем лучше зафиксированы ассоциируемые с ними знания. Чем адекватнее место сформированных представлений в общей системе представлений, тем правильнее и точнее был понят предъявленный фрагмент учебного материала. Цель второй фазы заключается в углублении полученных представлений с точки зрения повышения их устойчивости и развития отношений между ними и прочими представлениями. Для этого обучаемому предъявляется дополнительная информация, раскрывающая различные смысловые стороны приобретенных знаний: их роль и значение в теоретическом и прикладном планах, варианты интерпретаций, примеры применения и т.д. В целях закрепления знаний могут выполняться тренировочные задачи, в которых эти знания фигурируют. Диапазон используемых тренировочных задач очень широк: от простых вопросов на запоминание до развивающих заданий на анализ и обобщение. Третья фаза состоит в проверке приобретенных знаний и оценивании их усвоения с точки зрения соответствия установленным требованиям. Для этого применяются тренировочные задачи, выполняемые в режиме контроля. Работа с компьютерным учебником (компьютерной обучающей системой) включает взаимосвязанные процессы, относящиеся к охарактеризованным базовым фазам. С этими фазами ассоциируются дидактические приемы и реализующие их функции. Заметим, что многие приемы являются общими для нескольких фаз. Например, тренировочные задачи выполняются как при контроле, так и при закреплении знаний. В рамках фазы приобретения новых знаний ключевое значение имеют используемые способы и формы представления учебного материала, а также возможности, обеспечиваемые для его восприятия компьютерным учебником. Существуют два основных способа предъявления учебного материала:
Суть первого способа отражает его название: кадр или страница, выводимые на экран, содержат полностью сформированную соответствующую им визуальную часть учебного материала. Собственно функция вывода кадра или страницы в данном способе является чисто технической. Второй способ может применяться главным образом при реализации подхода, основанного на кадрах. При обращении к презентационному кадру на экране отображаются его статические компоненты (заголовок, текст и часть графики), запускается звуковое сопровождение, и начинаются постепенный вывод и модификация прочих визуальных компонентов (как правило, графических). Содержанием звукового сопровождения является голосовой вывод (чтение) текста, представленного в кадре. Поэтапное отображение и изменение визуальных компонентов синхронизируются с воспроизведением звука: объекты на экране появляются, выделяются, модифицируются и исчезают по мере их упоминания в озвученном тексте. Под презентацией в узком смысле понимается подобный процесс. Главная дидактическая функция презентации обусловлена тем, что реализуемая в ней последовательность представления визуальных компонентов определяет порядок восприятия учебного материала. Если при использовании первого способа обучаемому сразу предъявляется все содержание кадра или страницы, и он самостоятельно формирует «траекторию» его рассмотрения, то презентация обеспечивает методически выверенное распределение внимания. Привносимая презентационной формой дополнительная регламентация действий обучаемого дисциплинирует его, существенно уменьшает эффект «разбегания глаз», снижает возможные отвлечения от работы с компьютерным учебником. После завершения презентации, как правило, производится автоматический переход к следующему кадру. Таким образом, использование презентационных кадров можно сравнить с просмотром интерактивного фильма. Очевидно, чем больше в кадре динамических и графических компонентов и чем полнее в содержательном плане они соответствуют текстовой части, тем проще и естественнее построить презентацию. В принципе при наличии звукового сопровождения любой кадр, в том числе изначально вовсе не включающий графику, можно реализовать как презентационный, подобрав иллюстрации к тексту. Однако подобные искусственные презентации могут выглядеть надуманно. Кроме того, восприятие презентационных кадров требует большего напряжения, и при их значительном числе наступает быстрое утомление обучаемого. Приведенные аргументы свидетельствуют о целесообразности применения комбинации рассмотренных способов: часть кадров должны выводиться полностью сформированными, часть представляться как презентации. Другой аспект данной комбинации связан с реализацией двух режимов отображения презентационных кадров: автоматического запуска и принудительного запуска. В режиме принудительного запуска обращение к кадру не инициирует выполнение презентации: звуковое сопровождение не воспроизводится, и кадр выводится полностью сформированным, причем представление графических компонентов, участвующих в презентации, характеризуется максимальной информативностью. Вид графических компонентов на экране в ходе презентации меняется. Кадр, отображаемый в режиме принудительного запуска, выступает в качестве собирательного смыслового представителя презентации, позволяющего без ее показа понять суть соответствующего учебного материала. Поэтому графические компоненты в таком кадре должны максимально полно отражать презентацию. Возможен вариант, когда ни одна из фаз презентации не удовлетворяет указанному требованию. В этом случае дополнительно разрабатывается интегрированная иллюстрация, не входящая в презентацию, но выводимая в режиме принудительного запуска. В этом режиме выполнение презентации, предусмотренной в текущем кадре, вызывается при нажатии специальной управляющей кнопки. Также в компьютерном учебнике реализуются средства для быстрого переключения из одного режима в другой. Описанные режимы отображения презентационных кадров ориентированы на разные задачи, решаемые с помощью компьютерного учебника, и уровни подготовленности по предмету обучаемых. Первый режим используется при проработке незнакомого учебного материала. Второй режим обеспечивает быстрый доступ к полностью сформированным кадрам без выполнения презентаций и применяется для восстановления знаний (повторения учебного материала, освежения его в памяти), а также поиска справочной информации. Кадры и страницы, выводимые полностью сформированными, могут включать не только статические, но и динамические компоненты: видеофрагменты, анимации, интерактивные трехмерные представления и др. Их воспроизведение может запускаться либо автоматически при обращении к кадру (странице), либо по команде пользователя (нажатии на соответствующую управляющую кнопку). Главное отличие таких кадров и страниц от презентаций состоит в том, что в явном виде они не задают порядок восприятия учебного материала. Обучаемый знакомится с ним, самостоятельно переключая внимание между статическими и динамическими компонентами, т.е. действуя так, как он считает нужным. Кроме того, если в кадре или странице с динамическими компонентами предусмотрены звуковые составляющие, их содержанием не является чтение текста. Вид презентации зависит от характера курса и может быть самым разнообразным. К типовым, наиболее распространенным презентациям относятся:
Характер изображений, участвующих в презентации, определяется содержанием предъявляемого в кадре учебного материала. Например, в качестве подобных изображений могут выступать:
Подводя итог, можно выделить некоторые общие закономерности. 1. Презентация должна быть наглядной и понятной обучаемому. Следует помнить, что цель реализации презентационных кадров – не приукрасить компьютерный учебник, а обеспечить более эффективные условия для восприятия учебного материала. Для этого презентация должна отражать схему восприятия информации в кадре. Создавая презентацию, необходимо представить, каким образом действовал бы обучаемый, знакомясь с содержанием полностью сформированного кадра (страницы), включающего данный материал, и решить, как с помощью презентации можно упростить и облегчить этот процесс. Исходя из особенностей восприятия, должны определяться такие атрибуты презентации, как масштабы и цвета участвующих в ней изображений, характер их видоизменений и движений, темп показа, длительности пауз и т.д. 2. Презентация должна быть согласована с текстовой (статической) частью кадра. Выделяются две стороны подобного согласования. Первая касается использования общей терминологии, единых обозначений, сокращений и т.п. Вторая связана с содержательной полнотой соответствия презентации тексту. Чем она выше, тем естественнее выглядит презентация и эффективнее ее применение, и тем более оправдано ее создание. 3. Если текстовая часть презентационного кадра невелика (состоит из нескольких небольших предложений), а презентация достаточно полно и точно отражает ее смысл, то звуковое сопровождение может отсутствовать. 4. В презентации, включающей звуковое сопровождение, его содержание должно быть обязательно представлено в текстовой части. Случается, что разработчики пренебрегают этим правилом, считая, что визуальное отображение текста, дублирующего звуковую составляющую, не приносит никакой пользы. В результате реализация режима принудительного запуска теряет смысл, а для ознакомления с кадром требуется полный просмотр и прослушивание презентации, что создает серьезные неудобства при восстановлении знаний, так как отнимает много времени. Кроме того, продукты, обеспечивающие только звуковой вывод текста, не могут эксплуатироваться на компьютерах, не оснащенных аудиооборудованием. Все это снижает их применимость и ценность. Визуальное и звуковое представления текста должны совпадать. Допустимо, если объем звукового варианта чуть меньше визуального (но не наоборот) за счет исключения из произносимого текста малосущественных деталей, комментариев в скобках и т.п. 5. Презентации, содержащие звуковое сопровождение, следует разделять на две группы:
Под смыслом выполнения имеется в виду дидактическая ценность презентации, обусловленная тем, насколько она понятна и полезна без звуковой составляющей. Рассмотренные примеры презентаций ассоциируются как с первой, так и со второй группами. Цель разделения презентаций на указанные группы состоит в обеспечении возможности работы с компьютерным учебником при отсутствующих или отключенных средствах аудиовоспроизведения. Презентации первой группы выполняются всегда. Кадры, содержащие презентации второй группы, при отсутствии звуковых возможностей представляются полностью сформированными аналогично режиму принудительного запуска. Очевидно, предпочтительнее создание и использование презентаций, относящихся к первой группе. Предусматриваются средства управления воспроизведением презентации, реализуемые в виде управляющих кнопок. Типовой набор таких кнопок позволяет:
Если презентация реализована как видеофрагмент, то средства управления его воспроизведением наряду с функциями «пауза», «стоп» и «пуск» могут обеспечивать:
В блок управляющих кнопок, как правило, включаются регулятор громкости и кнопка блокировки звука, а также кнопка выбора режима отображения презентационных кадров. Если в презентации отсутствуют смена и модификация изображений, а предусматриваются только выделение их компонентов либо построение или декомпозиция изображений, потребность в изучении статических представлений ее промежуточных фаз не возникает, и функция «пауза» не используется. Таким образом, для управления воспроизведением относительно небольших презентаций подобного типа можно обойтись всего двумя кнопками: «пуск» и «стоп» (не считая средств управления звуком и кнопки выбора режима отображения). При прерывании презентации осуществляется переход к фазе, обладающей максимальной информативностью. Обычно эта фаза содержит наиболее полное изображение без выделений. Для формируемых изображений она является последней, для декомпозируемых – одной из первых. Средства управления воспроизведением презентации обеспечивают минимальный уровень ее интерактивности. При более глубокой интерактивности пользователю предоставляется возможность влиять на ход презентации, выступая в качестве ее заинтересованного участника. Содержание и форма этого влияния, а также вызываемые им изменения в выполнении презентации описываются в ее сценарии, который в данном случае имеет не линейную, а разветвленную структуру. Ветвления в сценарии могут быть явными, неявными (скрытыми) и условно явными. При достижении точки явного ветвления выполнение презентации приостанавливается, и система ожидает ввода пользователем информации, от которой зависит направление дальнейшего движения по сценарию (в некоторых случаях на экране представляется запрос на ввод информации). При наличии неявных ветвлений в сценарии определяется путь, реализуемый по умолчанию, т.е. при отсутствии воздействий пользователя. Достижение точки неявного ветвления не вызывает приостановки выполнения презентации. Если до этого от пользователя поступили указания, специфицирующие направление дальнейшего движения, они учитываются системой. Если же таких указаний не было, презентация выполняется в соответствии с путем по умолчанию. Третий вид ветвления представляет собой комбинацию двух первых. В точке условно явного ветвления презентация приостанавливается, но время ожидания ввода информации ограничено. Если в течение этого периода пользователь не определил направление движения, то реализуется путь по умолчанию. Интерактивные возможности широко применяются в презентациях типа экскурсия. Такие презентации включают систему подробных графических изображений изучаемого объекта и средства навигации по ним. Например, если рассматривается производственное здание, первоначально представляется его общий внешний вид, и пользователю предлагается выбрать один из входов внутрь. В зависимости от сделанного выбора на экран выводится изображение того или иного вестибюля. Далее средства навигации позволяют инициировать вход в лифт и указать этаж, после подъема на который представляется вид соответствующего коридора. Перемещаясь по нему, можно выбирать двери и входить в помещения, осматривать размещенное в них оборудование в увеличенном масштабе, получать информацию о его назначении и т.д. Интерактивность презентации может быть реализована за счет:
Одним из важнейших этапов создания автоматизированного учебного комплекса является разработка пользовательского интерфейса. Содержание данного этапа состоит в выработке базовых решений, связанных с пользовательским интерфейсом компьютерного учебника, учитываемых авторами при подготовке учебного материала и тренировочных задач и реализуемых в шаблонах пользовательского интерфейса, которые затем применяются при формировании информационных компонентов продукта. Многоступенчатая организация построения пользовательского интерфейса обусловлена двумя причинами. Во-первых, она направлена на его унификацию. Унифицированный интерфейс создается на основе типовых элементов, приемов и правил, регламентируемых в соответствующих стандартах и соглашениях, которые являются едиными для всех прикладных программных систем, рассчитанных на определенную вычислительную платформу [1]. Такой интерфейс развивает у пользователей простую концептуальную модель взаимодействия с компьютером: ожидание одинаковых реакций системы на одинаковые действия. В результате унифицированный пользовательский интерфейс легко осваивается любыми категориями пользователей, включая тех, кто обладает начальными навыками работы на компьютере. Кроме того, при переходе от одного известного приложения к другому отсутствуют потери времени на адаптацию к интерфейсу, так как все они построены по общим принципам. Отмеченные факторы особенно важны для компьютерных средств обучения, когда необходимо сосредоточить усилия на изучаемом предмете, и минимизировать затраты на овладение применяемыми при этом средствами. Подчеркнем, что унификация является неотъемлемым требованием к пользовательскому интерфейсу. Грамотно спроектированный унифицированный интерфейс существенно повышает качество и ценность продукта. Во-вторых, многоступенчатая организация увеличивает технологичность процесса разработки. Поскольку все принципиальные решения принимаются заранее и воплощаются в шаблонах, при формировании информационных компонентов компьютерного учебника не требуется каждый раз заново строить схемы интерфейса, многократно выполняя по сути одни и те же задачи. Достаточно выбрать подходящий шаблон, при необходимости настроить его и заполнить нужной информацией. Под дружественностью понимается совокупность характеристик интерфейса, обеспечивающих его простое освоение и эффективное применение вне зависимости от степени подготовленности пользователей [2]. Назовем некоторые из этих характеристик:
Унификация предусматривает согласование интерфейсных решений на трех уровнях:
Общими требованиями к пользовательскому интерфейсу являются:
Концептуальное проектирование пользовательского интерфейса компьютерного учебника включает решение следующих основных задач [3]:
Окна подразделяются на первичные и вторичные. Первичным называется главное окно приложения, отображаемое непосредственно после его запуска. Прочие порождаемые им окна относятся ко вторичным, которые, в свою очередь, могут быть дочерними и всплывающими. Дочерние окна привязаны к началу координат первичного окна (левому верхнему углу его рабочей области). Их отображение и перемещение ограничено этой областью. Перемещение первичного окна вызывает синхронное перемещение его дочерних окон. При активации первичного окна одно из его дочерних окон также становится активным. Всплывающие окна могут располагаться в произвольном месте экрана и перемещаться независимо от первичного окна. Перемещение последнего по умолчанию не влияет на положения порожденных им всплывающих окон, если только такая связь специально не реализована в приложении. Всплывающие окна делятся на модальные и внережимные. Модальное окно обеспечивает уровень диалога, подчиненный по отношению к диалогу в окне, из которого оно вызвано. Окно этого типа блокирует взаимодействие со всеми другими окнами приложения до своего закрытия. Модальные окна применяются для представления дополнительной (уточняющей, подчиненной) информации, а также для ввода данных, от которых зависит дальнейшая работа с приложением. Обычно модальное окно частично накладывается на вызвавшее его окно и может перемещаться по экрану. Такое расположение отражает связь информации, содержащейся в этих окнах. Команда закрытия модального окна реализуется с помощью соответствующих управляющих элементов интерфейса или, если окно служит исключительно для отображения сведений и не имеет подобных элементов, в качестве нее может выступать нажатие любой клавиши, вывод мыши за его пределы либо ее щелчок на другом окне (или в произвольной позиции). Внережимные и дочерние окна служат для организации параллельных ветвей диалога. Пользователь может выбирать активное окно, переключаясь между дочерними и внережимными или первичным и внережимными окнами (если дочерние окна отсутствуют). При переходе из внережимного или дочернего окна к другому окну диалог в нем прерывается, но не завершается окончательно. Введенная информация передается приложению. Завершение диалога происходит при закрытии окна. В компьютерных учебниках и обучающих системах внережимные окна применяются для представления блока содержания, глоссария, справки, а также реализации ряда дидактических приемов. Дочерние окна в данных видах компьютерных средств обучения используются реже. К основным атрибутам окон относятся [4, 5]:
В рассматриваемую задачу входит определение назначения используемых типов окон в компьютерном учебнике и отношений между ними. Иными словами, нужно специфицировать то, какие типы окон следует применять для представления информации различного характера в тех или иных ситуациях, и какие связи между ними должны быть реализованы. Для разработки схем представления информации необходимо сформировать перечень типовых структурных единиц учебного материала. Они выделяются по иерархическим уровням, на которых располагаются, и ролям, выполняемым ими в рамках уровня [6–11]. Ниже приведен примерный перечень таких единиц:
Для каждого возможного сочетания типовой структурной единицы учебного материала и типа окна разрабатывается схема представления информации. Она описывает состав и расположение в окне основных панелей, а также размещение информации в них и правила ее оформления. При построении подобных схем исходят из следующих факторов:
В заголовке окна, как правило, отображается название продукта. Меню служит для вызова его функций. Основные из них также доступны через содержащиеся в панели управления элементы интерфейса (контактные кнопки, кнопки-селекторы, комбинированные списки и др.). Данная панель может располагаться как выше рабочей области, так и ниже ее (над панелью статуса). Одна из панелей (меню или панель управления) может отсутствовать. Преимущество имеет панель управления, обеспечивающая большую наглядность и лаконичность. Основная часть учебного материала, относящегося к данному кадру (странице), выводится в рабочей области окна. Слева, сверху или снизу от нее размещается панель ссылок, содержащая:
Упомянутые последними данные также могут быть представлены в панели статуса или названии текущей структурной единицы, выводимом над панелью ссылок и рабочей областью. Такой вариант предусматривает использование составного названия, в котором через дробь указаны названия главы, раздела, подраздела и т.д Панель ссылок может соответствовать:
В третьем случае она фактически играет роль блока содержания, представляемого в виде дерева просмотра. Альтернативный способ доступа к блоку содержания реализуется через кнопку или комбинированный список, расположенные в панели управления. Граница между панелью ссылок и рабочей областью может быть как фиксированной, так и подвижной, настраиваемой пользователем. Панель статуса служит для отображения:
Обычно средства настройки интерфейса позволяют отключать вывод панелей статуса и ссылок для расширения рабочей области. Под диалогом понимается взаимодействие путем обмена информацией пользователя и приложения. В компьютерном учебнике важной частью диалога является навигация по учебному материалу [6]. Ее схема определяется отношениями, специфицирующими переходы между структурными единицами учебного материала. Окно, в котором протекает диалог, называется диалоговой панелью или диалоговым окном. Оно содержит области, служащие для отображения информации, и управляющие элементы интерфейса, обеспечивающие ее ввод пользователем и передачу для обработки приложению. Схема диалога описывает:
Выделяются три базовых принципа организации диалога: 1) совмещенное действие, при котором команда пользователя одновременно определяет и информационный объект, и действие над ним; 2) объект-действие (сначала вводится информация либо выбирается один или несколько информационных объектов, затем указывается действие, которое необходимо выполнить); 3) действие-объект (сначала выбирается тип действия, в результате чего приложение переходит в соответствующий режим; затем указывается информационный объект, на который это действие направлено). С точки зрения структуры самым простым является диалог, основанный на первом принципе. В его рамках действия пользователя не декомпозируются. Каждое из них выступает в качестве команды, требующей ответной реакции приложения. Примерами актов такого диалога служат активация окна щелчком мыши на его заголовке, переходы по учебному материалу с помощью кнопок навигации и гиперссылок, ввод ответа на запрос путем нажатия кнопки, соответствующей одному из альтернативных вариантов, выбор элемента списка двойным щелчком мыши и др. Второй принцип иллюстрирует диалоговая панель, в которой размещены поля выбора и ввода информации, отражающей решение тренировочной задачи, и кнопки для ее передачи на оценивание обучающей системой и отказа от выполнения. Примером диалога, базирующегося на третьем принципе, является манипулирование интерактивным трехмерным представлением, когда на первом этапе выбирается тип действия (повернуть, переместить, увеличить, уменьшить и т.п.), после чего указывается часть сцены, к которой оно привязывается. Унификация пользовательского интерфейса касается как представления информации, так и диалога. Сформулируем две идеи, лежащие в основе унификации диалога. Во-первых, одинаковые действия (т.е. действия, преследующие общую типовую цель) должны выполняться единообразно (одним и тем же способом). Во-вторых, элементы интерфейса, назначения которых совпадают, должны обладать одним и тем же представлением и предусматривать одинаковые способы оперирования ими. К унифицированным действиям диалога относятся: ввод (передача информации для обработки приложению), отказ от выполнения функции, прерывание выполнения функции (отмена), вызов меню, запрос справки, стандартные операции манипулирования представлением окна, выход из приложения и др. В процессе разработки схем диалога определяется набор управляющих элементов интерфейса, применяемых в компьютерном учебнике. Эти элементы играют роль базовых строительных конструкций, из которых формируется интерфейс приложения. Их реализация является первой задачей на этапе создания шаблонов интерфейса. Требования к пользовательскому интерфейсу и правила его построения регламентируются соответствующими стандартами [1]. Некоторые разработчики полагают, что типовой интерфейс скучен для пользователей и его следует разнообразить. Стремясь к оригинальности, они отступают от принципа унификации и воплощают в интерфейсе решения, плохо согласующиеся с общепринятыми правилами и приемами. В основном эти решения касаются представления окон и управляющих элементов. Подчеркнем, что указанную точку зрения с оговорками можно считать правомерной только по отношению к средствам развлекательного и художественного назначения: компьютерным играм, программным продуктам шоу-бизнеса, информационно-рекламным приложениям для данных областей и т.д. В общем же случае она является ошибочной, а следование ей приносит отрицательные результаты. Понимание этого факта особенно важно для разработчиков компьютерных средств обучения. Необходимо, чтобы затраты обучаемого на освоение интерфейса были минимальными, так как главная его задача – приобретение знаний по предмету, и интерфейс должен способствовать ее выполнению, а не отвлекать от нее. Поэтому даже если планируемые нововведения в интерфейсе кажутся ясными и легко воспринимаемыми, нужно очень осторожно относиться к ним, отдавая предпочтение типовым решениям. Для получения дополнительной аргументации в пользу такого подхода целесообразно рассмотреть ситуацию, когда обучаемому предлагается десяток компьютерных средств обучения с различными нетрадиционными интерфейсами, которые он должен проработать за семестр. Последняя задача данного этапа состоит в выделении настраиваемых параметров интерфейса. Возможность настройки позволяет пользователям самостоятельно модифицировать интерфейс, приводя его к состоянию, обеспечивающему наиболее удобные условия для взаимодействия с компьютерным учебником. Потребность в настройке вытекает из зависимости этих условий от индивидуальных особенностей и предпочтений пользователей. Иными словами, фиксированная конфигурация пользовательского интерфейса не может быть оптимальной для всех, кто работает с продуктом. Интерфейс, воплощающий развитые функции настройки, называется гибким [2]. В принципе данное свойство рассматривается как достоинство пользовательского интерфейса. В то же время необходимо, чтобы средства настройки не были слишком сложными и не мешали пользователям, не желающим их применять. Также должна быть обеспечена возможность автоматического возврата конфигурации интерфейса к состоянию, установленному по умолчанию. В качестве примера перечислим ряд параметров пользовательского интерфейса, которые могут быть отнесены к настраиваемым:
2 Важнейшие отличительные особенности компьютерной лабораторной работы В сопротивлении материалов тесно сочетаются теория и эксперимент. Все основные положения и гипотезы этой дисциплины основаны на опытных данных. Для построения теории расчетов на прочность, жесткость и устойчивость необходимо знать механические свойства материалов. Крайне необходимо также иметь возможность экспериментально проверять расчеты, основные положения, гипотезы, выводы и формулы сопротивления материалов. Научить студента решать перечисленные задачи можно, только познакомив его с методикой механических испытаний современных конструкционных материалов. Обычно это происходит на лабораторных работах, которые проводятся с использованием специальной испытательной техники. Испытательные машины требуют специализированного технического обслуживания. Кроме этого для проведения испытаний необходимо изготовить специальные образцы в соответствии с требованиями ГОСТ. Даже в том случае, когда имеется соответствующее оборудование и образцы студент не имеет возможности повторно провести эксперимент, вернуться на несколько шагов назад, лично провести испытание, «повторить» испытание в домашних условиях при самостоятельном изучении учебного материала. Решить эти и другие проблемы, возникающие в процессе обучения, может помочь компьютерная лабораторная работа, полностью имитирующая процесс испытания. В качестве такой работы была выбрана лабораторная работа «Определение основных механических характеристик материалов при растяжении». Основными целями этой работы являются:
Наблюдение за поведением материала и определение его прочностных и пластических характеристик при растяжении – один из основных и наиболее распространенных видов испытаний. Полученные в результате эксперимента характеристики позволяют судить о прочности материала при статических нагрузках, выбирать материал для проектируемой конструкции и считаются основными при расчетах деталей машин, элементов конструкций и сооружений на прочность. Основные параметры определяют из диаграммы растяжения  ), получаемой обычно с помощью записывающего устройства и перестроенной в координаты  (рисунок 1) [13–15]. В случае компьютерной лабораторной работы диаграмма, записанная на реальной испытательной машине, хранится в памяти и при необходимости воспроизводится. При этом возможно многократно имитировать не только нагружение образца до его разрушения, но и процессы разгрузки и повторного нагружения. Дальнейший сценарий компьютерной лабораторной работы близок к ходу работы в испытательной лаборатории. Отличительной особенностью компьютерной версии работы является то, что каждый обучаемый принимает в ее выполнении активное участие, а точнее просто от начала до конца ее выполняет. При этом студенту не нужна бумага, пишущие средства и калькулятор, поскольку все это содержит программа. Переход от одного этапа работы к другому осуществляется только после полного и правильного выполнения предыдущего. После успешного завершения лабораторной работы может быть распечатан отчет с основными полученными результатами. Рисунок 1 – Диаграмма растяжения мягкой стали. 3 Краткое описание и инструкция по работе с компьютерной обучающей программой При запуске компьютерной лабораторной работы студент может познакомиться с различными типами современных испытательных машин, предназначенных для испытания на растяжение (рисунок 2), а также внешним видом стандартных образцов из различных материалов. Наиболее подробно показана конструкция и размеры пятикратных и десятикратных цилиндрических образцов (рисунок 3). Перед началом испытания на растяжение на экране компьютера представлены: планшет, на котором будет записываться диаграмма; блокнот для записи координат (  и  ) характерных точек; панель прибора управления нагружением; рабочая зона испытательной машины. Чтобы начать работу, необходимо «включить» прибор в сеть. При этом загорается лампочка «сеть» и появляется изображение образца, установленного в захватах испытательной машины (рисунок 4). Если нажать клавишу «нагрузить», то начнется процесс растяжения образца, о чем будут свидетельствовать изменяющиеся показания измерителей нагрузки и удлинения. Нагружение образца будет продолжаться до т.А, которая ограничивает сверху участок диаграммы, где наблюдается прямо пропорциональная зависимость между и . Этой точке соответствует  – нагрузка пропорциональности (рисунок 5), до которой еще выполняется закон Гука. В блокноте фиксируются значения  и . После этого нагружение образца может быть продолжено.Следующей характерной точкой будет точка В. При растягивающем усилии  в образце возникают первые остаточные удлинения. До этой нагрузки материал деформируется упруго, однако на участке AB закон Гука уже не выполняется (рисунок 6). На участке ВС рост нагрузки почти прекращается при одновременном росте удлинений. Это явление называется текучестью металла, а почти горизонтальная линия BC – площадкой текучести. До этого момента никаких видимых изменений с образцом, так же как и с положением захватов испытательной машины, не происходило. После достижения нагрузки РТ, которой соответствует на диаграмме зона общей текучести, полированная поверхность образца становится матовой. Этот эффект создает сетка линий, наклоненных к оси образца под углом примерно 45о. Их называют линиями Чернова – Людерса или линиями сдвига [13–15]. Это следы сдвигов частиц материала, возникающих в площадках с наибольшими касательными напряжениями (рисунок 7). При дальнейшем нагружении становится заметным перемещение захватов испытательной машины.  Рисунок 2 – Испытательные машины  Рисунок 3 – Цилиндрические образцы для испытаний на растяжение  Рисунок 4 – «Включение» прибора и «установка» образца  Рисунок 5 – Нагружение в пределах закона Гука  Рисунок 6 – Упругое деформирование образца  Рисунок 7 – Нагружение в зоне общей текучести Студенту предлагается остановить процесс нагружения в точке K и попробовать полностью разгрузить образец. Обсуждается закон разгрузки и повторного нагружения. На участке CD диаграммы, который соответствует зоне упрочнения, материал вновь приобретает свойство оказывать сопротивление нагрузке. Однако, в отличие от участка OA, удлинение растет значительно быстрее нагрузки (рисунок 8). В зоне упрочнения равномерное до этого уменьшение поперечных размеров рабочей части образца нарушается появлением местного сужения – шейки. Это происходит при максимальной нагрузке  .Начиная с точки D, деформация образца приобретает местный характер течения материала в области шейки. Сечение образца быстро уменьшается, поэтому для его деформирования требуется меньшая нагрузка. Точка N соответствует моменту разрушения образца (рисунок 9). Таким образом, моделируя процесс испытания образца на растяжение, получим диаграмму растяжения образца из малоуглеродистой стали. После этого студент перестраивает ее в так называемую условную диаграмму растяжения материала по стандартной методике. Эта диаграмма уже позволяет получить численные значения основных характеристик прочности и пластичности рассматриваемого материала: модуль упругости, предел пропорциональности, предел упругости, предел текучести предел прочности (временное сопротивление), относительное остаточное удлинение после разрыва, относительное поперечное сужение. В заключительной части работы студенту предоставляется возможность сравнить диаграммы растяжения наиболее часто встречающихся в инженерной практике материалов, обсуждаются их характерные особенности, дается сравнительная оценка прочностных и пластических свойств представленных материалов.  Рисунок 8 – Нагружение в зоне упрочнения  Рисунок 9 – Разрушение образца ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Информация, связанная с выполнением проекта, представлена на сайте http://rk5.bmstu.ru. Опыт применения компьютерной лабораторной работы в учебных занятиях показал, что студенты с большой заинтересованностью, очень активно, творчески осваивают предлагаемый программный продукт. Опросы учащихся свидетельствуют о желании иметь в своей домашней библиотеке подобные компьютерные обучающие программы по различным дисциплинам Список использованных источников
|
отлично
2 