Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние применения программно-методических комплексов и динамического моделирования в учебном процессе
1.1. Анализ педагогических аспектов применения программно-методических комплексов и динамического моделирования в процессе обучения .
1.2. Подход к формированию структуры содержания обучения сложным техническим системам на основе динамического моделирования.
1.3. Обоснование направлений применения программно-методических комплексов на базе средств динамического моделирования в процессе изучения сложных технических систем. Выводы по первой главе 58
ГЛАВА 2. Теоретические аспекты применения программно-методических комплексов в процессе изучения сложных технических систем
2.1. Разработка методов создания программно-методических комплексов на базе средств динамического моделирования .
2.2. Педагогические требования к построению программно-методических комплексов для изучения сложных технических систем.
2.3. Организационные формы применения программно-методических комплексов в процессе изучения сложных технических систем.
Выводы по второй главе 131
ГЛАВА 3. Методические подходы к применению средств динамического моделирования как компонентов программно-методических комплексов на примере обучения специалистов в области радиоэлектроники
3.1. Методические рекомендации к применению средств динамического моделирования для изучения сложных технических систем в области радиоэлектроники .
3.2. Методы применения программно-аппаратных средств динамического моделирования в системе лекционных и групповых занятий на примере изучения сложных технических систем в области радиоэлектроники.
3.3. Экспериментальная оценка эффективности методических подходов к применению средств динамического моделирования при обучении специалистов в области радиоэлектроники.
Выводы по третьей главе 178
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 180
- Анализ педагогических аспектов применения программно-методических комплексов и динамического моделирования в процессе обучения
- Разработка методов создания программно-методических комплексов на базе средств динамического моделирования
- Методические рекомендации к применению средств динамического моделирования для изучения сложных технических систем в области радиоэлектроники
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Процесс информатизации общества предъявляет новые требования к профессиональным качествам специалистов любого профиля в области использования средств информационных и коммуникационных технологий (ИКТ). В этой связи одним из актуальных направлений процесса информатизации является информатизация образования. Теоретические вопросы, раскрывающие идеи процесса информатизации образования, отражены в работах О.А. Козлова, А.А. Кузнецова, М.П. Лапчика, В.Л. Латы- шева, В.А. Полякова, И.В. Роберт и других авторов.
Отечественный опыт совершенствования методов и организационных форм обучения (А.Ю. Кравцова, А.А. Кузнецов, Л.П. Мартиросян, СВ. Паню- кова, И.В. Роберт, Н.В. Софронова и др.) показывает, что средства ИКТ целесообразно применять при изучении всех учебных дисциплин. Особую актуаль- # ность приобретают педагогические приемы и способы использования возмож ностей средств ИКТ в моделировании объектов и систем профессиональной деятельности, в частности при изучении дисциплин, обеспечивающих подготовку специалистов по эксплуатации сложных технических систем (СТС). Современные информационные технологии, в которых учебные и реальные слож т ные системы, объекты и процессы заменяются их моделями, видоизменяют содержание и систему средств обучения, что обеспечивает разнообразие видов учебной деятельности, направленной на овладение умением эксплуатации СТС. Но при этом не учитывается, что модели и моделирование в технологиях обучения могут использоваться в нескольких направлениях (Г.Н. Арсеньев, В.А. Веников, К.Н. Волков, А.Г. Михнушев, И.П. Подласый, Л.М. Фридман и ДР-):
• как элемент содержания обучения, так как основы науки, составляющие содержание учебного предмета, включают в себя систему научных моделей, щ аппарат для их исследования и методы исследования результатов изучения мо делей для решения практических задач;
• как учебное действие, так как включение в явном виде моделей и моделирования в содержание обучения и знакомства с этими понятиями еще недостаточно. Обучающимся необходимо овладеть моделированием как методом познания и решения задач, научиться строить различные модели изучаемых понятий, научиться использовать моделирование для изучения этих понятий;
• как учебное средство моделирование может быть использовано в обучении для многих целей - для фиксации и наглядного представления ориентировочной основы действия, изучаемых абстрактных понятий, общих способов действий по решению широкого класса задач, как средство наглядности, для обобщения изученного учебного материала.
Результаты исследований последних лет, выполненных в русле психолого-педагогической теории учебной деятельности, свидетельствуют о том, что поиск и моделирование способов решения учебной задачи наиболее полноценно осуществляются в специальных учебных средах, включающих в качестве необходимого звена средства ИКТ (Б.Л. Агранович, Г.В. Кедрова, Ю.М. Насонова, И.В. Роберт, Д.В. Смолина и др.). В качестве таких сред могут выступать программно-методические комплексы (ПМК), объединяющие возможности физического, цифрового, аналогового и информационного моделирования с творчеством преподавателя и активностью обучающегося. В исследовании программно-методические комплексы определены как совокупность аппаратных устройств, программных средств и методических материалов, создаваемая с целью совместного эффективного решения ряда (комплекса) взаимосвязанных учебных задач в необходимой последовательности и пропорциональности. К таким задачам в общем случае можно отнести: разностороннее раскрытие особенностей изучаемых объектов и процессов, показ их роли и места в будущей деятельности обучающихся; углубленный анализ сущности сложных физических процессов, показ их в статике и динамике; раскрытие состава конструкций и особенностей эксплуатации сложных технических систем; интенсификацию необходимых информационных связей в обучении (прямых и обратных);
управление процессом закрепления знаний, формированием практических навыков; контроль знаний обучающихся на различных уровнях усвоения.
Неотъемлемой частью ПМК на основных видах учебных занятий в процессе подготовки специалистов по эксплуатации СТС являются динамические модели и средства динамического моделирования (СДМ). В диссертационном исследовании СДМ определены как устройства (системы, комплексы программ), обеспечивающие воспроизведение в удобной для изучения форме важнейших динамических свойств, структуры и связи реальных объектов и систем различной физической природы и сложности. Необходимость широкого применения СДМ в учебном процессе обусловлена сложностью изучаемых объектов и процессов, следствием чего является возрастание роли методов и средств моделирования в процессе познания.
Особую значимость приобретает использование в учебном процессе ПМК при подготовке специалистов по эксплуатации наукоемких, высокотехнологичных, сложных технических радиоэлектронных систем. Прежде всего, это относится к космической, ракетной, морской и авиационной технике, в которой многие образцы существуют в ограниченном количестве. При этом подготовка большого числа специалистов для ее обслуживания осуществляется в аудиториях теоретическими методами, а формирование умений вынужденно выносится на период практик и стажировок, в результате чего нарушается последовательность познания - от наглядного представления к абстрактному и от него к практической деятельности. Именно поэтому комплексное применение динамических моделей сложных технических систем, отличающихся от реальных объектов простотой и компактностью конструкции, высокой наглядностью, удобством и экономичностью использования, являются важным средством аудиторного изучения свойств и особенностей реальных систем, способствующих активизации познавательной деятельности обучающихся.
В связи с этим современный период информатизации образования требует совершенствования теоретических аспектов построения структуры содержания обучения и применения ПМК в процессе изучения сложных технических систем на основе методов и средств динамического моделирования.
Таким образом, проблема исследования обусловлена несоответствием модельной структуры содержания научных областей научной структуре учебных дисциплин, практике построения и применения ПМК на основе динамических моделей и средств динамического моделирования в процессе изучения сложных технических систем.
Актуальность исследования определяется необходимостью переструктурирования содержания обучения, разработки и применения программно-методических комплексов в процессе изучения сложных технических систем на основе динамического моделирования.
Объектом исследования является процесс изучения специалистами в области радиоэлектроники сложных технических систем и процессов в условиях применения динамического моделирования.
Предметом исследования выступают педагогические аспекты применения динамического моделирования как метода и средства обучения в программно-методических комплексах.
Целью исследования является разработка модельной структуры содержания обучения сложным техническим системам, структуры и организационных форм применения программно-методических комплексов на основе динамического моделирования в процессе обучения специалистов в области радиоэлектроники.
Гипотеза исследования. Применение программно-методических комплексов на основе динамического моделирования в процессе изучения сложных технических систем повысит эффективность восприятия обучающимися объективно сложной информации и усвоения содержания дисциплин, прочность овладения знаниями, умениями и навыками, если:
методы и средства динамического моделирования разработаны с учетом педагогических аспектов процесса обучения;
содержание учебных дисциплин сформировано на основе методически согласованной структуры содержания всего обучения с применением динамического моделирования в процессе изучения сложных технических систем в области радиоэлектроники и направленно на овладение методами получения знаний;
выявлены и реализованы педагогические требования к использованию средств и методов динамического моделирования сложных радиоэлектронных систем в программно-методических комплексах;
методические приемы и организационные формы основаны на применении средств динамического моделирования в программно-методических комплексах.
Исходя из цели исследования и выдвинутой гипотезы, были поставлены следующие задачи исследования:
1) провести анализ психолого-педагогической, научно-технической и методической литературы в области применения средств и методов моделирования в обучении.
2) обосновать подходы к построению содержания обучения и организации информационной поддержки учебной деятельности в процессе подготовки специалистов по эксплуатации сложных технических систем в области радиоэлектроники с применением технологий динамического моделирования.
3) определить педагогические требования к созданию и применению средств динамического моделирования в программно-педагогических комплексах для обучения специалистов по эксплуатации сложных технических систем.
4) выявить организационные формы применения методов и средств динамического моделирования и условия повышения качества обучения специалистов по эксплуатации сложных технических систем профессиональным умениям и навыкам.
5) провести экспериментальную проверку влияния программно- методических комплексов на основе динамического моделирования на эффективность восприятия специалистами в области радиоэлектроники объективно ф сложной информации, усвоения содержания дисциплин, прочность овладения знаниями, умениями и навыками.
Методологической основой исследования являются фундаментальные работы в области философии образования, психологии и педагогики, методологии педагогических исследований (Б.Г. Ананьев, СИ. Архангельский, Ю.К. Ба-банский, В.П. Беспалько, Л.С. Выготский, В.И. Загвязинский, А.Н. Леонтьев, М.Н. Скаткин, Н.Ф. Талызина и др.); применения математических и кибернетических методов в педагогике (СИ. Архангельский, В.П. Беспалько, Л.Б. Ительсон, Н.М. Розенберг и др.); педагогических подходов к решению во просов оптимизации образовательных систем (Ю.К. Бабанский, М.Н. Скаткин, Н.Ф. Талызина и др.); теории, методологии и практики информатизации образования (СА. Бешенков, Я.А Ваграменко, СА. Жданов, О.А. Козлов, А.А. Кузнецов, М.П. Лапчик, СВ. Панюкова, И.В. Роберт, В.В. Рубцова, Н.В. Софро-нова, Н.М. Якушев и др.); в области разработки и использования автоматизиро ф ванных обучающих систем (СГ. Данилюк, А.А. Павлов, В.П. Поляков, Ю.А. Романенко и др.); построения содержания образования (В.П. Беспалько, Г.В. Букалова, М. Кларк, B.C. Леднев, И.Я. Лернер, и др.), методов обучения (Ю.К. Бабанский, В.И. Загвязинский, И.Я. Лернер, М.Н. Скаткин и др.).
Методы исследования: теоретические (анализ психолого-педагогической, w методической и дидактической литературы по проблеме); общенаучные (педа гогический эксперимент, беседы, опросы, наблюдения, анкетирование); общелогические (анализ существующих методик обучения и управления обучением, сравнение и обобщение учебного материала); экспериментальные (констатирующий и формирующий эксперименты по проблеме исследования); статистические (обработка результатов педагогического эксперимента и его методический анализ).
Научная новизна и теоретическая значимость исследования состоят в выявлении педагогических условий переструктурирования содержания обуче д ния с применением методов и средств динамического моделирования, их клас сификации как новой группы системы средств обучения, способствующей ини циированию процессов усвоения знаний, приобретению умений и навыков практической деятельности обучающихся, формированию и развитию определенных видов мышления; в определении педагогических и технологических требований к построению и применению средств динамического моделирования в программно-методических комплексах; в обосновании информационных, управляющих и корректирующих связей программно-методического комплекса, обеспечивающих получение, передачу, обработку, визуализацию учебной информации, измерение уровня подготовленности и формирование методических указаний обучающимся.
Практическая значимость исследования заключается в определении блочно-модульных структур содержания курсов, реализующих межпредметные связи, которые позволяют в условиях применения программно-методических комплексов сформировать у специалистов в области радиоэлектроники умения применять технологии моделирования в качестве средств визуализации изучаемых закономерностей предметной области и инструмента их исследования (на примере учебных дисциплин: «Высшая математика», «Информатика», «Основы компьютерного проектирования и моделирования», «Основы теории цепей», «Радиотехнические цепи и сигналы» и др.); в разработке и апробации программно-аппаратных средств динамического моделирования и методики их применения, позволяющих формировать у обучающихся навыки самостоятельной исследовательской и научно-поисковой деятельности. Разработанные программно-методические комплексы могут быть использованы на практике в системе высшего образования при изучении сложных технических систем в области радиоэлектроники.
Этапы исследования.
Исследование проводилось в три этапа:
На первом этапе (1997 - 1998 гг.) проводился анализ психолого-педагогической, научно-технической и методической литературы в области разработки и применения средств моделирования и программных средств кон троля усвоения знаний в учебном процессе вузов, была выработана рабочая гипотеза и определено направление работы.
На втором этапе (1998 - 2000 гг.) исследованы технологические вопросы автоматизации учебной деятельности в программно-методических комплексах; проведено психолого-педагогическое обоснование применения технологий моделирования, разработана система дидактических, технических требований к средствам динамического моделирования. В соответствии с этими требованиями был разработан и внедрен в учебный процесс ряд образцов программно-аппаратных средств динамического моделирования.
На третьем этапе (2000 - 2005 гг.) проведено экспериментальное исследование педагогических основ построения программно-методических комплексов на основе средств динамического моделирования и условий их эффективного применения; проведены констатирующий и формирующий эксперименты; дана статистическая оценка прочности усвоения обучающимися изучаемого материала; осуществлена доработка и оформление диссертации, формулировка выводов и обобщений.
Апробация результатов исследования. Результаты исследования обсуждались и были одобрены на XXI НМК «Методы проведения различных видов занятий и управления образовательным процессом с использованием новых информационных технологий» (г. Тверь, 18.04.03); на VII и VIII НТК «Современные научно-технические проблемы и направления совершенствования вооружения и средств информационного обеспечения войск РКО» (МВИРЭ KB, 24 октября 2002 г., 30 октября 2003 г.); на научно-практической конференции на тему «Научно-практические аспекты совершенствования управления КА и информационного обеспечения запусков КА» (г. Краснознаменск, 2003 г.); на второй военно-научной конференции Космических войск (г. Санкт-Петербург, ВКА им. А.Ф. Можайского, 28.03.05 - 31.03.05), а также результаты диссертационного исследования приведены в научно методических сборниках МВИРЭ KB и отчете о НИР (МВИРЭ KB, 2003). Экспериментальной базой служил Московский военный институт радиоэлектроники Космических войск.
Внедрение результатов исследования состоит в разработке программно методических комплексов моделирования сложных технических систем и процессов «SIGNAL», «САУ», «МПС» и применении их в учебном процессе вузов: в Военном радиотехническом институте ВВС, Санкт-Петербург (г. Горе- лово), Военном институте радиоэлектроники Космических войск, Санкт Петербург (г. Пушкино), Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского (г. Санкт-Петербург), Военной академии воздушно-космических сил (г. Тверь), Московском военном институте радиоэлектроники Космических войск, Московском институте радиотехники, электроники, автоматики (г. Москва), а также ці в разработке тестового и контролирующего программно-методического ком плекса «Тест» и применении его в ряде дисциплин Московского военного института радиоэлектроники Космических войск.
Достоверность и обоснованность результатов исследования обеспечивается опорой на проверенные психолого-педагогические теории и определяется непротиворечивостью полученных выводов известным положениям педагоги ки, дидактики и теории управления, на которых базируется исследование; логическим анализом результатов; привлечением большого контингента преподавателей и курсантов к участию в педагогическом эксперименте. На защиту выносятся следующие положения:
1. Реализация методических подходов к переструктурированию содержания обучения сложным техническим системам, педагогических требований к построению и организационным формам применения программно-методических комплексов обеспечит создание и использование методов и средств динамического моделирования как компонентов программно-методических комплексов, удовлетворяющих педагогическим условиям их функционирования.
Обучение специалистов в области радиоэлектроники использованию методов и средств динамического моделирования, основанное на реализации мо .# делирования, как содержания, средства обучения и учебного действия, будет • способствовать получению и формированию новых знаний в профессиональной деятельности.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и библиографии.
Анализ педагогических аспектов применения программно-методических комплексов и динамического моделирования в процессе обучения
Научная организация учебно-воспитательного процесса, опираясь на объ ективные законы познания реальной действительности и психологические за коны процесса усвоения, предполагает обоснованное решение трех важнейших задач: первая - определение содержания обучения специалиста («чему учить»); вторая — выбор методов, приемов и организационных форм обучения («как учить») и третья - определение средств обучения («с помощью чего учить»). Эти задачи находятся во взаимной связи и оказывают определенное влияние друг на друга, однако все они в своем единстве подчинены основной цели учебно-воспитательного процесса - подготовке высококвалифицированных специалистов. Поэтому любая из указанных задач должна практически решать т ся с учетом ее взаимосвязи с другими задачами и, в конечном счете, должна быть направлена на эффективное достижение конечной цели обучения. Необ ходимо учесть также, что внедрение в учебный процесс новых методов и средств обучения и программно-методических комплексов (ПМК) с использо ванием информационных и коммуникационных технологий (ИКТ), вносит в не » го новые элементы и связи, изменяет характер взаимной деятельности преподавателя и обучающихся. Начиная с 1986 г. формировались Программно-методические комплексы (ПМК) - комплексы программных и методических средств поддержки процесса преподавания учебного курса. В настоящее время в учебном процессе широ-ко используются ПМК, упорядочение, стандартизация и «индустриализация» которых становится одной из важнейших задач в области создания и распро ijl странения ПМК. Одной из составных частей упорядочения является четкая спецификация направленности ПМК в его применениях в учебном процессе. Постановка конкретной цели применения ПМК в образовании вообще и в обучении сложным техническим системам в частности означает предъявление удовлетворительных по своей ясности ответов на вопросы: где? (указание конкретного «места» решаемых задач в учебном процессе); зачем? (указание целей усовершенствования учебного процесса или решения его конкретных проблем, т.е. рационализация цели применения); что и как? (тип ПМК и способ применения ПМК, т.е. его функциональное назначение в рамках учебного процесса). , Рассмотрим классификацию ПМК, которая приводится в соответствии с конкретными объектами изучения внутри образовательного процесса, по типам (способам их применения в учебном процессе).
1. ПМК поддержки лекционного курса (компьютерные иллюстрации).
Предназначены для демонстрации на компьютере (дисплее, экране) примеров,
Ф иллюстрирующих лекционный материал, в основном, непосредственно по ходу лекции; возможно управление иными демонстрационными комплексами. Например, для демонстрации образцов вычислительной техники, блоков и узлов; иллюстрации работы отдельных узлов по «живым» функциональным и прин-ципиальным схемам.
2. ПМК моделирования процесса и явления. Предназначены для освоения обучающимся некоторого (развивающегося) процесса. Могут широко применяться в учебном процессе, особенно при изучении естественнонаучных и общепрофессиональных дисциплин.
3. ПМК моделирования технического приема. Предназначены для освоения обучающимся и его тренировки в применении важного приема или способа решения, построения и т.п. в специфической области. Особенностью является наличие отдельных признаков электронного учебника.
4. ПМК моделирования технической системы. Предназначены для изуче у. ния системы функционирования конкретной технической системы и (или) обучения ее использованию или управлению. Особенностями таких ПМК являются большое разнообразие исполнения и зачастую высокая интеграция с «некомпьютерными» техническими системами и устройствами. Могут применяться в обучении устройству и управлению техникой или производственными процессами.
5. Сборники задач, генераторы примеров и задач. Предназначены для пре
доставления преподавателю и обучающемуся широкого («практически неогра
ниченного») выбора задач и упражнений на одну или несколько тем.
6. Тестовые и контролирующие ПМК. Предназначены для выявления уровня усвоения материала, проведение контрольных работ и тестирования.
7. Справочные системы. Представляют собой (усовершенствованные) замены обычных справочников.
8. Интегрированные системы. Предназначены для предоставления ком-плексированных средств обучения. В перспективе могут применяться практически во всех предметных областях образования.
9. Игровые учебные программы. Их назначение состоит в изучении систем в интерактивном режиме; в приобретении навыков взаимодействия или конкурентных действий в составе команды или команд.
10. Электронные учебники. Их назначение состоит в замене обычного, «печатного», учебника, на интегрированный ПМК того же назначения. Ориентированы на охват элементов обучения в целом.
11. Экспертные ПМК. Предназначены для полноценного обучения предметной области или ее элементу с обеспечением полной обратной связи с обучаемым; для полноценной замены преподавателя в индивидуальной работе с обучающимся и эффективной разгрузки преподавателя ото всех рутинных элементов обучения. Особенностями таких ПМК являются безусловное базирование на экспертных знаниях; возможности наличия достаточно различных адекватно работающих ПМК в одном сегменте предметной области.
Разработка методов создания программно-методических комплексов на базе средств динамического моделирования
Глобализация общественных процессов, стремительные перемены в информационно-коммуникационной инфраструктуре, международная конверген ция и многопрофильная кооперация привели к тому, что общество предъявляет новые требования к путям приобретения и передачи знаний, и той роли, кото рую играет человек в этих процессах. Одним из актуальных направлений ре формирования современной системы образования является системная интегра ция информационных и телекоммуникационных технологий в сам образова тельный процесс и в управление образованием. В ходе реформирования на пер вый план выходит задача принципиально нового конструирования содержания и организации учебного материала, педагогической деятельности преподавате ля и учебной работы обучающегося в учебной среде. В качестве такой среды +\ можно рассматривать программно-методические комплексы, реализованные на базе средств ИКТ. Применение таких ПМК в учебном процессе обеспечивает повышение качества управления процессом усвоения и формирования практических умений и навыков обучающихся.
Наибольшие возможности в совершенствовании учебного процесса откры щ ваются в обучающих системах, включающих в себя ПМК на базе средств ИКТ.
Построение таких систем способствует повышению степени управления процессом познания, а представление процесса обучения динамической системой позволит определить алгоритмы управления, обеспечивающие ей наибольшую эффективность.
7 Обучающие системы, построенные на принципах кибернетического управ ления, создаются по различным принципам [17]. Известны системы: детерми нированные (упорядоченные), статистические (с самоулучшением), условно вероятностные и универсальные, способные сами определять цель своего движения («вырабатывать концепцию»). Эти системы (обычные и экстремальные) также могут быть настроены либо по принципу разомкнутого управления, либо по принципу обратной связи, либо комбинированным образом [91, 174, 175].
При рассмотрении условно-вероятностных обучающихся систем Ивахнен ко А.Г. ввел понятия «вероятностной разомкнутой связи», «вероятностной обратной связи» и соответственно получены условия инвариантности в вероятно стной форме [91]. Условно-вероятностная обучающая система английского ученого Аттли представляет собой типичный пример разомкнутой вероятно стной системы управления, к которой вполне применима теория инвариантности [91]. Системы, разработанные Гордоном Паском, являются примером систем с вероятностной обратной связью [42]. Системы, построенные на принципе обратной связи, не требуют точной информации о возмущениях, но нуждаются Ф в измерении управляемой (выходной) величины.
Теория инвариантности, созданная для обыкновенных систем регулирования, может быть непосредственно (или с небольшими изменениями) распространена на обучающие системы, в первую очередь на те типы обучающихся систем, в которых решаются следующие задачи:
1) обучение, при котором качество усвоения характеризуется одной величиной, аналогичной показателю экстремума в экстремальных системах;
2) обучение, цель которого - распознавать на основании опыта входные задачи, представленные в различных вариантах (как в системе Аттли).
Первая задача сводится к задаче экстремального управления, вторая - к за даче вероятностной следящей системы; поэтому неудивительно, что теория инвариантности полностью применима к исследованию таких систем. Условия инвариантности для вероятностных систем выведены в трудах Ивахненко А.Г.
[91]. На основе теории инвариантности легко выявить многие типы новых бо ± лее совершенных обучающихся систем (дифференциальные, с различной сте пенью астатизма, с условной устойчивостью, с устройствами форсировки и Іт т.д.). Характерно совпадение мысли Г.В. Щипанова о том, что увеличение числа контуров обратных связей придает новые свойства системе, с идеями Дж. фон Неймана, утверждающего, что увеличение числа элементов приносит новые качества [210]. Разработка методов организации огромного числа элемен л) тов в обучающейся системе является одной из наиболее важных задач совре-менной кибернетики.
При инвариантности процесс обучения протекает мгновенно, а цепь обратной связи самообучения становится лишь корректором, вступающим в действие только при неточном действии разомкнутой цепи управления. Болыпин АЛ ство современных обучающихся систем используют разомкнутые каналы управления. Нужно отметить, что некоторые ученые, работающие над вопросами управления с помощью ПЭВМ, просто не представляют себе другой схемы автоматизации, кроме системы разомкнутого управления. Выработав индуктивный метод мышления, они не хотят признавать дедуктивный метод. Разли # чиє между приверженцами разомкнутого управления и сторонниками обратных связей связано с различием в способе мышления.
Методические рекомендации к применению средств динамического моделирования для изучения сложных технических систем в области радиоэлектроники
Применение ПЭВМ вызвало революцию в методах анализа и синтеза радиотехнических систем. Классические методы исследования и проектирования систем, основанные на преобразовании Лапласа и Z-преобразовании, не учитывали огромных возможностей вычислительной техники, а проектирование на их основе сложных систем с большим числом входов, выходов и ограничений было затруднительным. Поэтому параллельно с развитием вычислительной техники шло и развитие теоретических методов анализа и синтеза элементов и систем управления радиотехнических комплексов - требовалось разработать более действенные и эффективные способы расчета электрических цепей и сис vT тем. Появилась группа методов анализа и синтеза систем управления, основан ных на теоретико-множественном подходе к описанию поведения динамических систем и позволяющих широко использовать ПЭВМ как инструмент инженерной техники расчета и проектирования радиотехнических систем. Применение такого подхода в теории электрорадиоцепей, в теории управления ос-новано главным образом на возможности описания поведения системы некоторым количеством дифференциальных или разностных уравнений первого порядка.
Метод анализа и синтеза элементов и систем управления, использующий этот способ описания поведения системы, принято называть методом пространства состояний [19]. Исследование систем управления методом пространства состояний обычно начинают с составления схемы в переменных состояния, из которой находятся уравнения состояния. Решение уравнений состояния полу чается в виде функций времени, описывающих поведение каждой переменной (координаты) состояния. Метод допускает решение уравнений состояния в об N щем виде при произвольных начальных условиях в широком классе входных воздействий. Описание динамики системы управления с позиций пространства состояний обладает многими преимуществами по сравнению с классическими методами. Поскольку решение уравнений состояния представляется в виде функций . времени на полубесконечном интервале о ґ оо 5 То нет необходимости раз делять процесс на переходный и установившийся. Результат решения справедлив для обоих этих режимов.
Особенно сильно проявляются преимущества метода пространства состояний при исследовании многомерных систем. Отпадает необходимость в специ-альной теории таких систем, так как сущность применения метода не зависит от количества входных и выходных воздействий. Исследование систем при случайных воздействиях можно проводить, пользуясь результатом решения линейных уравнений состояния. Таким образом, создается единый под . ход к изучению и исследованию систем как при детерминированных, так и при случайных воздействиях.
Возможность контролировать поведение каждой координаты исследуемой системы позволяет определять место нелинейных элементов в структуре системы с последующим учетом их влияния на динамику системы. Метод исследо вания линейных систем достаточно легко распространяется на нелинейные сис темы, содержащие типовые нелинейности, статические характеристики которых имеют кусочно-линейный вид. С этой целью необходимо составить уравнения состояния для каждого линейного участка кусочно-линейной характеристики нелинейных элементов и в зависимости от значений переменных состоя 7" ния пользоваться результатом решения соответствующих уравнений. Для сис тем с нелинейными элементами произвольного вида процедура исследования несколько сложнее, однако, в ее основе по-прежнему лежит решение уравнений состояния линейного вида.
Исследование дискретных систем как линейных, так и нелинейных, при детерминированных и случайных воздействиях незначительно отличается от исследования непрерывных систем.
Наконец, самым важным преимуществом метода пространства состояний перед классическими методами является возможность формализации, как всего процесса исследования динамической системы, так и его отдельных этапов. Это преимущество метода имеет большое практическое значение в процессе изу чения динамических свойств элементов и систем РЭС, в построении теоретиче ских и практических курсов учебных дисциплин в вузах МО РФ [12].
Современные методы исследования и проектирования оцениваются в настоящее время не только и даже не столько изяществом математического решения, сколько возможностью формализации вычислений. Формализация позволь) ляет создание компьютерных программно-педагогических систем ограничить разработкой вычислительных алгоритмов решения и поручить ПЭВМ выполнение всей тяжелой и утомительной работы обучающихся, связанной с проведением расчетов, которые могут быть систематизированы и выполнены по определенной программе [18,19]. Применение таких вычислительных алгоритмов г и программ и соответствующих педагогических программных средств стано вится возможным одновременно в различных дисциплинах и на различных этапах обучения. Более того, единство подхода к исследованию типовых элементов, а также систем управления различных типов и классов (непрерывных, дискретных, линейных, нелинейных, стационарных, нестационарных и т.д.) в рам-ках метода пространства состоянии даст возможность создать систему прикладных программ, т.е. комплекс программных средств, рассчитанных на подготовку специалистов в области теории систем управления и способных математически обеспечить применение ПЭВМ для решения задач исследования ра диотехнических элементов и систем [ 19,184].
