Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Методологе- теоретические предпосылки профессионального обучения специалистов по обслуживанию и эксплуатации металлорежущих станков с программным управлением 14
1.1. Системный анализ процесса профессионального обучения 14
1.2. Моделирование процесса профессионального обучения специалистов по обслуживанию и эксплуатации металл режущих станков с программным управлением 21
1.3. Моделирование процесса профессионального обучения наладчиков станков и манипуляторов о программным управлением .29
1.4. Педагогическая технология подготовки наладчиков станков и манипуляторов с программным управлением при использовании компьютерных тренажеров 61
1.5. Проектирование урока с использованием компьютерных тренажеров на базе имитационных моделей станков с числовым программным управлением .83
Выводы по главе I
ГЛАВА II. Исследование комплекса компьютерных тренажеров на базе имитационных моделей станков с числовым программным управлением и технологии его применения в учебном процессе профессионального лицея -102
1.1 Современное состояние проблемы обучения программированию систем ЧПУ специалистов в области металлообработки 102
2.2. Концепция компьютерного тренажера для первоначального обучения программированию систем ЧПУ 103
2.3. Исходные условия для внедрения в учебный процесс системы компьютерных тренажеров на базе имитационных моделей станков с программным управлением 122
2.4. Экспериментальное исследование эффективности применения компьютерных тренажеров для первоначального обучения программированию систем ЧПУ. 133
ВЫЕОДЫ по главе II 150
Заключение 153
Литература 158
Приложение 1.
- Системный анализ процесса профессионального обучения
- Моделирование процесса профессионального обучения специалистов по обслуживанию и эксплуатации металл режущих станков с программным управлением
- Современное состояние проблемы обучения программированию систем ЧПУ специалистов в области металлообработки
Введение к работе
Основной объем продукции машиностроительных предприятий 3 настоящее время выпускается при помощи станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Это объясняется высокой производительностью такого оборудования, а также тем. что многие современные конструкторские решения требуют высокой точности обработки и характеризуются сложностью поверхностей деталей, которые не могут быть получены на универсальных станках. Но в последнее
* время произошли серьезные изменения как в методах использования автоматизированного оборудования, так и в структуре соответствующих подразделений промышленных предприятий.
В результате изменения социально-экономических условий развития производства сложилось противоречие между содержанием профессиональной деятельности наладчика станков и манипуляторов с программным управлением и содержанием его профессиональной под-
. готовки в учебных заведениях. Крупные промышленные предприятия с большой численностью персонала, для которых была характерна узкая специализация работников, сменились небольшими производственными подразделениями, нуждающимися в специалистах широкого профиля. Современному производству требуется наладчик, способный не только к операторской работе по управлению автоматизированным оборудованием, а специалист, который может обеспечить весь цикл * изготовления детали - от чертежа до готового изделия (т.е. требуется фактическое совмещение нескольких профессий и специальностей: оператор, наладчик, заточник режущего инструмента, программист, расчетчик, технолог).
Б результате бурного развития вычислительной техники и автоматизации производства возникло противоречие между требованиями, которые предъявляет к наладчику его профессиональная среда, и теми методами обучения, которые приняты в большинстве учебных заведений. Появление на российском рынке отечественных и зарубежных систем ЧПУ 5-го и 6-го поколений с их мощными и достаточно сложными языковыми средствами превратило программирование систем ЧПУ е самостоятельную дисциплину, но конструктивно-техническая специфика станка затрудняет изучение этой дисциплины непосредственно на рабочем месте, требуя создания специальных дидактических средств в виде компьютерных тренажеров - имитационных моделей профессиональной среды наладчика, которые в настоящее время ещё недостаточно разработаны. Б российской педагогической науке накоплен определенный теоретический и практический опыт применения информационных технологий в обучении. Это теоретические и прикладные исследования С.О.Артемьевой, Н.Е.Астафьевой. А.М.Довгялло, А.П.Ершова, Н.К.Ершова, И.В.Марусевой, Е.И.Машбица, А.Г.Молибога, И.А.Румянцева, А.Я.Савельева, Н.Ф.Талызиной, Г.А.Шешериной и др. Отмечая ценность работ указанных авторов, следует вместе с тем отметить, что в основном они посвящены проблемам развития информационных технологий обучения на основе обучающих, контролирующих и инструментальных программно-педагогических средств, в то время как проблемы использования е учебном процессе имитационно-моделирующих компьютерных программ еще не получили достаточной проработки. Поэтому существует необходимость создании новых тренажеров-имитаторов и разработки дидактически обоснованных методов их использования в учебном процессе.
г»
(J
Таким образом, актуальность исследования подтверждается наличием и необходимостью разрешения ряда противоречий в рассматриваемой проблемной области, а именно:
между обязательным набором умений и навыков, необходимых наладчикам станков и манипуляторов с программным управлением на современном производстве и традиционным содержанием профессиональной подготовки в учебных заведениях начального профессионального образования;
между высокой информационной насыщенностью, сложными языковыми средствами современных станков с ЧПУ и методами обучения будущих наладчиков в области программирования;
между техническими и педагогическими характеристиками разрабатываемых тренажеров и реальными потребностями учебного процесса по подготовке наладчиков;
между высоким уровнем развития технических средств обучения и несовершенными методами преподавания программирования систем ЧПУ.
Исходя из вышесказанного нами поставлена проблема научного обоснования концепции компьютерных тренажеров на базе имитационных моделей станков с ЧПУ и дидактических условий их эффективного использования в учебном процессе.
Цель исследования - научное обоснование дидактических требований к тренажерному комплексу и методов его эффективного использования в подготовке высококвалифицированного специалиста, конкурентоспособного на рынке труда.
Объект исследования - процесс формирования профессиональны)', умений и навыкоЕ у учащихся электромашиностроительного лицея.
*~1
Предмет исследования - тренажерный комплекс как средство формирования профессиональных умений и навыков и дидактические условия его использования в теоретическом обучении наладчиков станков и манипуляторов с программным управлением.
Гипотеза исследования - процесс формирования профессиональных умений и навыков с использованием тренажерного комплекса Судет эффективным, если:
определены современные требования к подготовке рабочих для автоматизированного производства, оснащенного станками с ЧПУ;
проведено моделирование учебного процесса и разработана. соответствующая педагогическая технология использования комплекса компьютерных тренажеров для выработки у учащихся конкретных профессиональных умений и навыков;
определены и использованы в практике дидактические условия внедрения в учебный процесс тренажерного комплекса, базирующегося на имитационных моделях станков с ЧПУ;
обоснованы критерии эффективности применения в учебном процессе компьютерных тренажеров.
Цель, предмет и гипотеза исследования предопределили необходимость постановки и решения следующих задач:
изучить проблему внедрения методов компьютерного обучения в педагогическую науку и практику;
определить современные требования к подготовке высококвалифицированных и конкурентоспособных специалистов в области металлообработки на автоматизированном производстве;
провести моделирование процесса формирования профессиональных умений и навыков с помощью компьютерных тренажеров и построить соответствующую педагогическую технологию;
обосновать систему дидактических условий применения комплекса компьютерных тренажеров в обучении наладчиков станков и манипуляторов с программным управлением;
создать комплекс компьютерных тренажеров, базирующихся на имитационных моделях станков с ЧПУ;
5) разработать методику оценивания качества компьютерных тренажеров на базе имитационных моделей станков с ЧПУ как программно-педагогических Средств;
7) обосновать критерии эффективности применения комплекса компьютерных тренажеров при формировании у учащихся профессиональных умений навыков.
Методологический базис исследования составили комплексный, системный, кибернетический и модульный подходы к изучению проблем профессионального образования.
В сеоєй работе мы опирались на учения, идеи и концепции, раскрывающие:
положения системного подхода в педагогических исследованиях и организации педагогических систем (И.С.Батракова, А.П.Беляева, И.В.Блауберг, В.В.Краевский, Н.В.Кузьмина, И.Я.Леркер);
концепции научного подхода к формированию содержания профессионального образования (Ю.К.Бабанский, С.Я.Батышев, К.И.Дум-ченко, В.Ю.Краевский. B.C.Леднев, В.В.Шапкин);
идеи технологизации и компьютеризации учебного процесса, принципы программированного обучения (В,В.Беспалько, А.М.Довгял-ло, А.П.Ершов, И.А.Румянцев, А.Я.Савельев, Е.А.Машбиц, А.Г.Моли-бог);,
теория поэтапного формирования умственных действий (П.Я.Гальперин, А.Н.Леонтьев, Н.Ф.Талызина);
идеи профессионально-педагогической технологии (С.Я.Баты-шев, А.П.Беляева, Р.Х.Джураев, Н.Е.Кузнецова);
принципы управления профессиональными учебными заведениями (И.А.Богачек, Н.Н.Булынский, М.И.Кондаков, А.Я.Каин, Т.Г.На-вазова, А.Г.Соколов).
Для реализации поставленных целей и задач использовались следующие методы исследования: анализ и синтез психолого-педагогической и технической литературы по теме исследования, моделирование процесса профессионального обучения, педагогический эксперимент, качественный и количественный анализ результатов эксперимента.
Достоверность и обоснованность результатов исследования обусловлены использованием современной методологической базы. привлечением для теоретического обоснования большого количества педагогических и психологических источников, использованием разнообразных методов теоретик»-экспериментального исследования проблемы, широкой апробацией и внедрением полученных выводов в практику деятельности профессионального лицея, рациональным сочетанием теоретических и экспериментальных методов.
Исследование проводилось в 1996-1999 гг. на базе Электромашиностроительного профессионального лицея Санкт-Петербурга (ЭМПЛ) и включило три этапа.
На первом этапе (1996-1997 гг.) осуществлялся анализ состояния проблемы внедрения компьютерных технологий в процесс обучения. Определялись требования к подготовке наладчиков станков с ЧПУ. Проводилось обоснование требований к компьютерным тренажерам как к модели профессиональной среды наладчика. Разрабатывался комплекс компьютерных тренажеров. Были начаты конста тирующий и формирующий этапы педагогического эксперимента: исследовательские беседы с инженерно-педагогическими работниками, педагогическое наблюдение, изучение контрольных срезов в учебных группах в Электромашиностроительном лицее.
На втором этапе (1997-1998 гг.) проводилось моделирование процесса формирования умений и навыков с использованием компьютерных тренажеров. Разрабатывалась педагогическая технология, основанная на использовании компьютерных тренажеров. Разрабатывалась учебно-программная документация по профилирующим предметам для специальности "Наладчик станков и манипуляторов с программным управлением". Была проведена апробация педагогической технологии в ходе формирующего этапа педагогического эксперимента в учебной группе.
На третьем этапе (1998-1999 гг.) были разработаны дидактические условия применения комплекса компьютерных тренажеров в учебном процессе. Был собран и проанализирован научно-педагогический материал по формирующему и результирующему этапам педагогического эксперимента в Электромашиностроительном лицее.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
на базе системного подхода, кибернетического и структурно-функционального анализа процесса профессиональной подготовки разработана и реализована модель компьютерного обучения специалистов по интегрированной группе профессий, связанных с обслуживанием и эксплуатацией автоматизированного оборудования механообработки, в частности, наладчиков станков и манипуляторов с программным управлением;
разработана методика конструирования педагогической технологии, ориентированной на использование компьютерных тренажеров - имитационных моделей станкоЕ с ЧПУ;
на основе кибернетического подхода составлена методика построения систем управления обучением в условиях использования компьютерных тренажероЕ е качестве модели профессиональной среды будущих рабочих;
разработаны на основе интегратиЕно-модульного и личност-но-деятельностного подходое к профессиональному обучению алгоритмы управления учебно-познавательной деятельностью учащихся в условиях использования компьютерных тренажеров;,
определены критерии эффективности применения тренажеров для формирования у учащихся электромашиностроительного лицея профессиональных умений и навыков;
Теоретическая значимость исследования заключается в развитии принципов интеграции, комплексной компьютеризации, техноло-гизации учебного процесса; взаимообусловленности учебно-познавательной деятельности учащихся и дидактических возможностей
<1 г,
компьютерного тренажера. Определены и обоснованы понятия "информационно-моделирующая" и "информационно-модульная" технологии обучения. Обоснованы дидактические требования к разработке компьютерных тренажеров на базе имитационных моделей станков с ЧПУ. Определена роль компьютерного тренажера как средства моделирования профессиональной среды и профессиональной деятельности специалиста и технико-технологической системы. Сформированы основные направления развития имитационных обучающих программ. Разработан функционально полный и дидактически связанный комплекс компьютерных тренажеров. Сформулированы дидактические условия эффективного использования тренажерного комплекса в учебном процессе.
Практическая значимость исследования заключается в перестройке на основе разработанной модели структуры и содержания профессионального образования наладчиков станков и манипуляторов с программным управлением; во внедрении в учебный процесс электромашиностроительного лицея комплекса компьютерных тренажеров, предназначенных для обучения программированию систем ЧПУ; в создании педагогической технологии обучения специалистов по эксплуатации станков с ЧПУ и разработке на её основе соответствующих нормативных документов (стандартов, учебных планов и программ) по профессиям металлообработки.
На защиту выносятся:
концепция компьютерного тренажера для первоначального обучения программированию систем ЧПУ;
система профессионального обучения специалистов по эксплуатации станков с ЧПУ;
3) педагогическая технология обучения наладчиков станков и манипуляторов с программным управлением, основанная на использовании компьютерных тренажеров.
Апробация работы. Промежуточные и окончательные результаты исследования неоднократно докладывались на заседаниях лаборатории педагогического проектирования и дидактического обеспечения профессионального образования Института профтехобразования РАО (1996-1998), на педагогических советах Электромашиностроительного профессионального лицея, представлялись доклады ка международные научно-практические конференции "Система многоуровневого профессионального образования: методология, теория, опыт, проблемы" (С.-Петербург, 1996), "Многоуровневое профессиональное образование: методология, теория, опыт, проблемы" (Тамбов, 1997) и международный семинар для представителей министерств образования и труда стран СНГ и Северо-Запада (С.-Петербург, 1999). Результаты исследования внедрены в практику Элетромашиностроительного лицея и ряда профессиональных учебных заведений в различных регионах России.
Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения, библиографии и приложений.
0.
Системный анализ процесса профессионального обучения
Процесс профессионального обучения, как объект педагогических исследований, можно представить в виде некоторой системы, свойства которой обусловлены не только совокупностью характеристик её составных частей, но и во многом являются результатом протекающих внутри системы интегративных процессов. Под системой мы будем понимать выделенное на основе определенных признаков упорядоченное множество взаимосвязанных элементов, объединенных общей целью функционирования и выступающее во взаимодействии со средой как целостное единство. Системный подход к исследованию процесса профессионального обучения заключается прежде всего, в рассмотрении объекта изучения с позиции целостной системы составляющих его компонентов в их многообразных связях и отношениях .
Концептуальная схема системного подхода в общем виде представляет собой применение теоретико-познавательной процедуры к исследованию системных объектов. Она состоит из нескольких этапов Е1, 33,393:
1) выделение из окружающей действительности объекта исследования;
2) выявление и классификация внешних и внутренних связей выделенного объекта исследований;
3) проведение на содержательной основе конкретного научного анализа системных свойств и принципов поведения системы, возникающих в результате интегративных процессов.
К основным принципам системного подхода относятся [393:
1) принцип конечной цели (абсолютный приоритет глобальной цели);
2) принцип единства (совместное рассмотрение системы как целого и как совокупности частей - элементов);
3) принцип связанности (рассмотрение любой части совместно с ее связями Е окружающем мире);
4) принцип модульного строения (выделения модулей Е системе и рассмотрение системы как совокупности модулей);
5) принцип обратной связи (функционирование сложной системы невозможно без обратных связей);
5) принцип иерархии;
7) принцип развития;
8) принцип функциональности (совместное рассмотрение структуры и функции с приоритетом последней);
Э) принцип неопределенности (учет неопределенностей и случайностей) .
Применение системного подхода как инструмента научного познания закономерностей функционирования сложных объектов исследования тесно связано с использованием достижений кибернетики -науки об общих чертах процессов управления в технических устройствах, живых организмах и человеческих организациях [431. В отличие от устройств, преобразующих энергию или вещество, для кибернетических систем характерны процессы переработки информации, что особенно важно при изучении социальных (в том числе пе дагогических) явлений, когда главной задачей исследователя становится выявление и изучение информационных потоков как в самой рассматриваемой системе, так и в её связях с внешней средой.
Использование системного подхода как инструмента в педагогических исследованиях обосновывается тем, что любая педагогическая система, относится, как правило, к классу сложных самоорганизующихся систем, которые не могут быть описаны только при помощи известных законов и теорий. Процессы, протекающие в таких системах, не поддаются полному объяснению даже с помощью вероятностных закономерностей, т.к. подвержены воздействию множества развивающихся факторов. Поэтому педагогические системы могут быть отнесены к так называемым "диффузным" (плохо организованным) системам Е34, 132]. В соответствии с кибернетическим принципом макроподхода [353 весь комплекс субъектов и объектов педагогических взаимодействий и информационных потоков между ними можно представить в виде некоторой обучающейся системы, т.е. системы, способной на основе воспринятой ею информации улучшать свои характеристики в отношении целесообразного воздействия на окружающий мир и в отношении реагирования на внешние воздействия.
Моделирование процесса профессионального обучения специалистов по обслуживанию и эксплуатации металл режущих станков с программным управлением
Проблемы моделирования профессиональной подготовки на концептуальном и теоретическом уровне широко освещались в работах Н.Е.Астафьевой С4, 5, 5], А.П.Беляевой [21, 31, 32, 1323, А.А.КоЕырялга [901, Л.Б.Савельевой [140], А.Г.Соколова Е121], В.В.Шапкина (133). Следует упомянуть в этой связи исследования в области моделирования процесса обучения по операторским профессиям на основе новых информационных технологий, которые проводились в 1996/1997 годах учеными института Профтехобразования [115], а также ряд диссертационных работ, в той или иной степени затрагивающих эту проблему [5, 91, 103, 169].
Для всех перечисленных выше исследований характерно рассмотрение педагогических явлений в неразрывном единстве с социальными процессами, экономическими условиями и психологическими факторами, определяющими становление личности будущего рабочего, формирование его профессиональной компетентности.
При построении модели профессионального обучения специалистов по эксплуатации станков с ЧПУ мы так же следовали этому подходу, так как профессиональная подготовка это не механическая сумма отдельных компонентов, а сложная социально-профессионально- педагогическая система, цели и задачи которой определяются требованиями социального и научно-технического прогресса, обусловливающих формирование конкретно-исторического типа личности, обучения и воспитания подрастающего поколения, достижения всеобщей профессионализации общества [203.
Как отмечает А.П.Беляева: "Профессиональное образование соединяет в себе социально-экономические, психолого-педагогические и культурологические факторы и строит свой фундамент на комплексной модели социально-экономических, психолого-педагогических, культурологических, научно-технических, производственных вагонов, закономерностей, принципов и требований, рассматриваемых в разных науках" [293.
Исходя из этих позиций, мы построили общую модель профессионального обучения рабочих-специалистов по обслуживанию и эксплуатации металлорежущих станков с программным управлением (см.рис.2). Главными элементами модели являются: социальный заказ, двухуровневая профессиональная подготовка, учебный процесс, информационная технология обучения, совместная деятельность преподавателя и учащихся, вычислительная техника и программно-педагогические средства, критериально-оценочный аппарат, результат обучения, рынок рабочей силы, промышленное производство, рынок рабочих мест, общественные и государственные институты. Модель отражает процесс профессиональной подготовки как сложную замкнутую иерархическую систему, способную к устойчивому функционированию в условиях возмущающих воздействий со стороны внешней среды.
Основную массу специалистов по эксплуатации станков с ЧПУ составляют наладчики станков и манипуляторов с программным управлением, подготовка которых как в системе начального профессионального образования, так и непосредственно на производстве осуществляется из лиц, владеющих специальностью "Станочник широкого профиля" или профессией "Станочник". Действующие Б настоящее гремя нормативные документы Е55, 130, 137] предписывают следующие схемы обучения специалистов данного профиля в профессиональных училищах и лицеях на базе основного общего образования:
1) общее (полное) среднее образование с одновременным получением специальности "Станочник широкого профиля" в течение 2-х лет и дальнейшее овладение специальностью "Наладчик станков и манипуляторов с программным управлением" в течение последующих 2-х лет (рис.3, схема 1);
2) общее (полное) среднее образование с одновременным получением профессий "Станочник" в течение 3-х лет и овладение специальностью "Наладчик..." в течение ещё одного года (рис.3, схема 2).
Современное состояние проблемы обучения программированию систем ЧПУ специалистов в области металлообработки
Важным шагом, определяющим развитие отечественного машиностроения, является широкое внедрение на российских предприятиях отечественных и зарубежных систем ЧПУ классоЕ HNC (Handled Numerical Control, ручное цифровое управление) и CNC (Computer Numerical Control, компьютерное цифровое управление) пятого и шестого поколений. Наличие в составе этих систем современной микро ЭВМ сделало возможным создание сложного и в тоже время гибкого программно-математического обеспечения, которое позволяет решать широкий класс задач управления технологическими процессами механообработки. Одним из главных условий эффективной эксплуатации таких систем ЯЕЛЯЄТСЯ рациональное использование их мощных языковых средств при минимальных затратах труда и времени на составление программ. Программирование систем ЧПУ превращается при этом в самостоятельную техническую дисциплину, требующую принципиального другого подхода к обучению специалистов, обеспечивающих выпуск продукции на автоматизированном оборудовании (операторов и наладчиков станков с ЧПУ, техников-технологов, технологов-программистов). Незнание техники программирования на языке управляющих программ (УП) приводит к тому, что возможности современной системы ЧПУ слабо используются при практической работе. Это является причиной потерь времени при составлении и отладке программ; повышает вероятность ошибок, которые могут стать причиной брака деталей или поломки инструмента.
Другой важной проблемой является то, что в условиях рыночной экономики парк станков с ЧПУ на предприятиях может быть очень разнообразным. Поэтому специалист в области механообработки должен легко перестраиваться с одного оборудования на другое и быстро овладевать языковыми средствами систем ЧПУ разных типов и классов.
Из всего вышесказанного видно, что комплекс требований, предъявляемых современным производством к специалистам в области механообработки, должен иметь адекватное отражение в методах их профессиональной подготовки.
Как показало наше исследование, в настоящее время существует четыре способа обучения программированию систем ЧПУ, которые в различных комбинациях применяются в профессиональных учебных заведениях и учебных центрах на промышленных предприятиях:
1) традиционные методы проведения уроков без использования технических средств;
2) использование для учебных целей реального технологического оборудования;
3) использование полунатурных тренажеров;
4) использование компьютерных тренажеров на базе имитационных моделей станков с ЧПУ.
Опросы преподавателей спецпредметов показывают, что традиционные методы проведения уроков по обучению программированию (в том числе и на языках управляющих программ) без использования технических средств мало эффективны, т.к. не дают возможность отрабатывать в ходе урока важнейший компонент процесса подготовки программы - ее отладку.
Опыт использования з профессиональных училищах Санкт-Петербурга для обучения программированию на языке УП реального технологического оборудования показал, что и этот метод имеет свои недостатки, главными из которых являются:
1) высокая стоимость обучения (выполнение только одного практического занятия группой учащихся из 25-ти человек на реальном станке с ЧПУ потребует примерно S3 USD затрат на расходуемые материалы и 265 USD на оплату электроэнергии):
2) отсутствие наглядности обучения (о правильности программы можно судить только по готовой детали);
3) нарушение принципа последовательности обучения (станок с ЧПУ требует для нормальной работы функционально полную программу и не допускает последовательное изучение различных команд языка УП);
4) психологический барьер, подавляющий творческие способности учащихся (учащийся боится экспериментировать с программным обеспечением системы ЧПУ в виду опасности поломки инструмента и оборудования в результате ошибки).
