Электротехника и электроэнергетика – образовательные направления, которые невозможно представить без экспериментальной и практической составляющих в программе обучения. Учебные лаборатории – то пространство, где студент или учащийся может получить опыт взаимодействия с явлением или предметом напрямую, самостоятельно, а не опосредованно со слов преподавателя или текста учебника.

Какое оборудование используется сейчас в учебных лабораториях вузов и колледжей?

Наверняка многие читатели сами выполняли лабораторные работы, а кто-то даже и проводил их для студентов. И, в общем-то, в целом интуитивно понятно, что это за вид деятельности – лабораторная работа. Однако, для дальнейших рассуждений и классификации – определимся с терминологией.

Лабораторную работу будем рассматривать как учебную деятельность, в процессе которой выполняется ряд учебных экспериментов. Эксперимент, в свою очередь, «есть вид деятельности, предпринимаемой в целях научного познания, открытия объективных закономерностей и состоящей в воздействии на изучаемый объект (процесс)посредством специальных инструментов и приборов, благодаря чему удается: 1) изолировать исследуемый объект от влияния побочных, несущественных и затемняющих его сущность явлений и изучать его в «чистом» виде; 2) многократно воспроизводить ход процесса в строго фиксируемых, поддающихся контролю и учету условиях; 3) планомерно изменять, варьировать различные условия в целях получения искомого результата.» (В. А. Штофф).

Переходя от эксперимента вообще к учебному эксперименту, дадим определение последнего в следующем виде: учебным называется эксперимент, выполняющийся в учебных целях. Исходя из этого определения, к учебному эксперименту применимы все принципы организации, проведения и осмысления эксперимента в общем случае, более того, учебный эксперимент можно рассматривать как частный случай эксперимента, а именно, как эксперимент со специфическими (учебными) целями.

В этой связи необходимо заметить, что результаты учебного эксперимента, как правило, заранее известны (по крайней мере разработчику этого эксперимента), т.к. учебный эксперимент организуется согласно доказанным теориям, а не исходя из выдвинутых гипотез. Поэтому одним из критериев корректности учебного эксперимента является соответствие его результатов теоретическим положениям.

Эксперименты бывают натурными (или прямыми) и модельными. Натурный эксперимент проводится непосредственно над изучаемым объектом, а модельный – над моделью этого объекта.

В модельном эксперименте модель выполняет двоякую роль – с одной стороны, она выступает в качестве объекта исследования, а с другой – служит также средством проведения эксперимента, наряду, к примеру, с измерительными или фиксирующими приборами. Кроме того, в структуре модельного эксперимента значительно усилена роль теории как необходимого звена, связывающего постановку опыта и его результаты с объектом исследования. В то время как в натурном эксперименте теоретические моменты возникают лишь на начальном и конечном этапах исследования, то в модельном эксперименте, кроме того, необходимо теоретически обосновать отношения между моделью и натурным объектом. Этот этап работы может стать источником ошибок, что в общем случае снижает доказательную силу модельного эксперимента по сравнению с натурным.

Модели делятся на материальные (натурные) и идеальные. В случае использования материальной модели мы заменяем исследуемый объект его физическим аналогом. Например, большой мощный трансформатор можно заменить небольшим трансформатором, располагающимся на столе, большой мощный двигатель или генератор – соответственно маленькой, опять же, настольной аналогичной электрической машиной.

Идеальные модели – это модели не физические, а, например, математические или даже умозрительные. Мысленный эксперимент, например, – это эксперимент с идеальной моделью. Разные исследователи предлагают разные классификации идеальных моделей, но мы не станем сейчас нырять в эти глубины, единственное, что стоит отметить – компьютерная модель (о чем и пойдет речь далее) – это тоже разновидность идеальной модели.

Рассматривая различные учебные эксперименты, особо следует отметить, что в некоторых случаях за эксперименты выдается то, что экспериментами не является вовсе. Это, например, работа на тренажерах, работы (в том числе виртуальные), связанные с выполнением жесткого наперед заданного перечня технологических операций, например, обход ЛЭП, электрические переключения на электростанции/подстанции, электромонтаж, в том числе виртуальный, изучение разного рода интерактивных учебников, ответы на контрольные вопросы, автоматический контроль знаний и пр.

Не преуменьшая важности перечисленных видов учебной деятельности можно, однако, с уверенностью утверждать, что именно учебный эксперимент в классическом его понимании дает максимальную дидактическую эффективность в плане приобретения студентами знаний и понимания ими внутренней сути происходящих процессов. Тренажеры, учебники и прочее тоже нужны, но для другого – оттачивания навыков, приобретения умений, изучения теоретического материала.

С теорией и терминологией до некоторой степени определились, переходим к практике. Какое оборудование предлагается вузами и колледжами для проведения экспериментов по электротехнике и электроэнергетике в настоящее время?

Эксперименты на всевозможных электротехнических конструкторах можно смело отнести к натурному эксперименту.  Здесь мы проводим опыты непосредственно с изучаемыми объектами – резисторами, конденсаторами, катушками индуктивности и пр. Измеряем, например, токи, напряжения, сопротивления, убеждаемся в справедливости законов Ома и Кирхгофа и так далее.

В качестве измерительных приборов могут использоваться «настоящие» физические амперметры, вольтметры (или мультиметры), а могут – виртуальные компьютерные приборы, обладающие большими возможностями – не только, например, построить осциллограмму сигнала, но еще и векторную диаграмму, или, к примеру, разложить сигнал на гармоники. Такие комплекты оборудования иногда называются «виртуальными лабораториями».

Однако, не во всех изучаемых дисциплинах применимы натурные эксперименты. В случае, например, теоретических основ электротехники (ТОЭ) ими вполне можно обойтись (да и то не всегда), а что делать с курсом, к примеру, электрических машин? Здесь уже придется проводить модельные эксперименты. Например, на физических моделях реальных объектов.

Как уже отмечалось выше, в таких экспериментах небольшой трансформатор в десятки ватт и напряжением в десятки-сотни вольт может моделировать большой трансформатор мощностью во много раз (или десятков раз) превышающую мощность настольной модели. То же относится, например, к двигателям или генераторам.

Модельные эксперименты на физических моделях могут проводиться и с помощью компьютера. Компьютер может играть разные роли – индикатор, регистратор, система управления (с обратными связями или без них), сочетание всех функций.

Таким образом можно смоделировать довольно сложные объекты – например, электрическую станцию или подстанцию, или линию электропередачи, или электрическую сеть. Рассмотреть, например, работу релейной защиты и автоматики и многое, многое другое.

Конечно, у модельных экспериментов с натурными моделями есть недостатки, присущие этому классу экспериментов. Например, с помощью натурных моделей не получится смоделировать реальное устройство с точностью до масштабного коэффициента. Конечно, мы сможем увидеть основные закономерности, построить зависимости, но, например, получить то же соотношение активного сопротивления к индуктивному у модели и реальной электрической машины не сможем никак.

И, к сожалению, это не единственный недостаток физических лабораторных установок. Они дороги. Они занимают место в лаборатории. К ним не подпустишь неподготовленного студента. Да и преподавателю нужно готовиться – ответственность высока. Если не попасть под напряжение, то что-нибудь сжечь. А если не сжечь – то просто не получить искомый результат, не разобравшись в тонкостях.

И здесь на помощь приходят компьютерные модели.

Первая категория такого программного обеспечения – это всевозможные виртуальные конструкторы, в которых из элементов можно собрать схему, а потом запустить ее моделирование. Одним из первых продуктов такого типа был Electronics Workbench (был актуален и относительно доступен в конце 90-х – начале 2000-х годов), а в настоящее время такого рода ПО очень много, как платного, так и бесплатного. Наберите в Гугле, например «Circuit Simulation Software» и убедитесь сами.

Насколько пригодно такое ПО для проведения лабораторных работ? Если нет альтернатив (как было в тех самых поздних 90-х) – то очень-очень. Иметь возможность смоделировать схему, не собирая ее физически, воспринималось в те времена почти как чудо. Однако, для современного учебного процесса, уже знакомого с альтернативами, привлекательность таких программ несколько уменьшилась. Да, такое ПО можно использовать при изучении электротехники и электроники (но не электроэнергетики, например). Однако к каждому такому пакету нужно привыкать, учиться работать с ним, собирать схемы, соответствующие учебным планам. Но зачастую получить в результате картинку «как в учебнике» - не получается. Требуется дополнительная работа по интерпретации результатов, их осмыслению, анализу. И если это схемы простейшие, то наверняка всё пойдет, как задумывалось. А вот с более сложными схемами – может произойти всякое.

Следующая категория компьютерных моделей – виртуальный конструктор, но в виртуальной реальности, более или менее похожей на наш мир. Здесь имеется виртуальный стол, на который можно выкладывать виртуальные объекты, соединять их виртуальными проводами и подключать виртуальные же приборы. Казалось бы, очень зрелищная, наглядная работа, всё такое настоящее, как живое.

Удивительно, однако, что в таких виртуальных конструкторах первичным оказывается не электрическая схема, а ее материальное представление. Причем представление зачастую неочевидное – например, человек, никогда не видевший лабораторного реостата «вживую», вряд ли идентифицирует его на этом виртуальном столе. Т.е. у студента должен быть какой-то бэкграунд на эту тему, он должен уже когда-то ранее был видеть это оборудование где-то «живьем», иначе просто не произойдет узнавания, идентификации объекта. Кроме того, инженер применительно к электротехнике мыслит схемами, а не предметами. Наверняка вам приходилось «срисовывать» схему с печатной платы, чтобы понять, как это работает и стоит ли пытаться чинить (или уж сразу выбросить). На схеме видны паттерны, элементарные «кирпичики», из которых состоит схема. А когда мы смотрим на реализацию этой схемы, будь то ряд объектов на столе или печатная плата – мы не видим сути, мы видим лишь много дорожек или много пучков проводов.

Следует отметить особо, что в этой категории компьютерных моделей на виртуальном столе находятся «реальные» предметы, т.е. мы видим некие объекты, которые, при наличии достаточного воображения можно соотнести с реальными объектами реального мира.

Но что делать, если смоделировать нужно что-то, что в реальном мире не помещается на столе? Например, в силу своего размера (синхронный генератор электростанции), протяженности (ЛЭП) или вообще нематериальности – например, нас интересуют потери энергии и мощности в распределительной сети, а не сама физическая реализация этой сети?

И здесь появляется третья категория компьютерных моделей – виртуальная модель натурной модели.

Это уже вложенное моделирование – компьютер моделирует лабораторию, в которой находится стенд, на котором с помощью «физических» моделей уже в свою очередь моделируются объекты реального мира.

Оправдано ли такое вложенное моделирование? Позволю выразить здесь свое личное мнение – мне кажется, нет, не оправдано. Модель и объект находятся между собой в особых отношениях: они должны обладать сходством, модель должна быть заместителем объекта, модель должна позволять получать информацию (сведения) об объекте, модель должна являться интерпретацией объекта, должна быть возможность изучать объект с помощью изучения модели и т.д. Модель и объект в каком-то смысле должны находиться как можно ближе друг к другу, т.к. модель, конечно, не в полной мере представляет объект и в какой-то степени искажает информацию об объекте. Вложенность моделей друг в друга отдаляет модель от оригинала и увеличивает степень искажения информации.

И не только в этом дело. Для учебной модели важна не только ее достоверность (в конце концов, вся теоретическая часть известна и так), но и дидактическая эффективность. И в этом случае (когда на экране – виртуальный лабораторный стенд) дидактическая эффективность определенно ниже, чем работа с реальным лабораторным стендом. Просто по факту существования еще одного уровня модельной вложенности.

Кроме того, такая вложенная модель обладает недостатками, присущими физической модели – невозможно смоделировать реальный объект (асинхронный электропривод определенных параметров в данном случае), так как в нашей лаборатории имеется только такая установка. Но позвольте, что же нам мешает, лаборатория-то виртуальная. А, ну да. То есть нет.

Сама по себе виртуальная реальность в обучении – тема модная, но недостаточно изученная ещё и в плане влияния такой среды на здоровье обучающихся. А, например, использование VR-шлемов может и вовсе не подойти некоторой категории студентов по причине негативного влияния на самочувствие и здоровье в целом.

Вместе с тем, такие установки имеют и определенные достоинства – они не занимают место
в лаборатории, не требуют особого электропитания, их нельзя сломать или сжечь,
студент не получит механическую или электротравму. Их проще администрировать, в
конце концов.

Каким же должно быть «идеальное» программное обеспечение для учебного экспериментирования в области электротехники и электроэнергетики? Во-первых, должна быть возможность проводить именно эксперименты, а не их разного рода эрзацы. Во-вторых, должны изучаться принципы, а не конкретные аппаратные реализации. Схемы должны превалировать над предметами. В-третьих, набор экспериментов должен соответствовать программе обучения, ФГОСам, и результат экспериментирования должен получаться «такой, как в учебнике». В-четвертых, интерфейс должен быть такой, чтобы ПО можно было использовать как интерактивный плакат, проводить демонстрационные эксперименты, объяснять принципы. Да, «шершавым языком плаката». Использовать ПО не только на лабораторных работах, но и на лекциях, и на практических занятиях. В-пятых, должна быть возможность смоделировать широкий спектр оборудования с реальными, а не модельными параметрами. И, в-шестых – у каждого студента должен быть свой вариант работы, ПО должно это обеспечивать.

Мы предлагаем свое решение, которое мы назвали «Виртуальные учебные установки» (ВУУ).

Виртуальные учебные установки – это программный продукт, который позволяет выполнять учебные эксперименты в ходе лабораторных работ, при объяснении теоретического материала на лекциях, на практических занятиях и при самостоятельной работе студентов.

Каждая виртуальная учебная установка состоит из трех частей: математической модели реальных объектов и явлений, разработанной согласно соответствующей теории; визуализации в виде мнемосхемы, задатчиков, индикаторов, осциллограмм, векторных диаграмм и прочих объектов; и методического обеспечения – указаний по проведению экспериментов.

Следует особо отметить, что все комплекты разработаны в соответствии с действующими федеральными государственными образовательными стандартами (ФГОСами), т.е. в состав входят именно те эксперименты, которые нужны для обучения студентов соответствующих профилей.

В плане техническом – программы написаны на Flutter’е, могут быть скомпилированы как под десктопные, так и под мобильные платформы, что теоретически позволяет студентам выполнять лабораторные работы прямо на своих мобильных устройствах – планшетах и даже телефонах.

На данный момент нашей очень небольшой группой энтузиастов разработаны следующие комплекты виртуальных учебных установок:

1. Электротехника (для СПО).

2. Общая электротехника (для ВПО).

3. Теоретические основы электротехники – Линейные электрические цепи (для ВПО).

4. Теоретические основы электротехники – Нелинейные электрические и магнитные цепи (для ВПО).

5. Электромагнитные переходные процессы в электроэнергетических системах (для ВПО).

6. Активно-адаптивные электрические сети (для ВПО)

В планах – расширить список комплектов следующими наименованиями:

1. Трансформаторы и электрические машины (для ВПО).

2. Электроснабжение (для СПО и ВПО).

3. Электроэнергетические системы и сети (для ВПО).

4. Дальние электропередачи сверхвысокого напряжения (для ВПО).

5. Электромеханические переходные процессы в электроэнергетических системах (для ВПО).

6. Переходные процессы в узлах нагрузки (для ВПО).

7. Защита электрических подстанций от перенапряжений (для ВПО).

8. Ветроэнергетические установки (для ВПО).

9. Основы электробезопасности (для СПО и ВПО).

10. Основы электроники (для СПО).

Мы очень надеемся, что описанный здесь программный продукт займет достойное место среди средств обучения по электротехническим и энергетическим направлениям вузов и колледжей. Будет способствовать понимаю будущими специалистами принципов, сути изучаемых предметов. Внесет свой вклад, как это ни пафосно звучит, в инженерное образование страны.

Получится у нас или нет – покажет время.