Применение имитационных образовательных технологий при подготовке квалифицированных рабочих и специалистов

Молодые преподаватели не обладают достаточными навыками для объективной оценки компетенций.

Преподаватели смежных дисциплин испытывают затруднения с получением итоговой оценки.

Требуется время на освоение новых подходов к оценке результата обучения.

Место экспертных систем в оценке компетенций

В соответствии с рабочей программой профессионального модуля освоение компетенции оценивается на основании нескольких показателей оценки результата.

Известно, что определить показатель оценки результата легче, чем полностью компетенцию. Эту работу может выполнить эксперт с меньшей квалификацией.

Получить ответ, освоена или не освоена компетенция можно на основании показателей оценки результата с применением экспертных систем, учитывающих опыт экспертов - опытных преподавателей.

13. Реализация экспертных систем

В Промыщленно-технологическом колледже экспертные системы применяются при проведении экзамена (квалификационного) по профессиональному модулю ПМ 03 «Технология работ по наладке станков и манипуляторов с программным управлением» профессии «Наладчик станков и оборудования в механообработке».

В соответствии программой профессионального модуля, освоение данной компетенции проверяется следующими оценками результата:

ПК 3.1 .Выполнять наладку станков и манипуляторов с программным управлением.

Показатели результата:

- правильность настройки инструмента на размер;

- точность установки нуля детали;

- проверка корректности работы УП;

- обоснованность выбора инструмента и оснастки.

Для оценки данной компетенции был разработан быстрый прототип экспертной системы. Она имеет четыре входа и один выход. Значения входных и выходных переменных определены на этапе идентификации, правила сформулированы значений лингвистических переменных.

На основании этих данных была разработана анкета, которая представлена в виде таблицы При этом правила выбирались с применением метода планирования эксперимента.

Таблица 1. Анкета эксперта

ПК 3.1 Выполнять наладку станков и манипуляторов с ПУ
№ п/п	Правильность настройки инструмента на размер (x1 )	Точность установки нуля детали (x2 )	Проверка корректности работы УП (x3 )	Обоснованность выбора инструмента и оснастки (x4 )	Степень усваиваемости
1	не знает, как это делается	не знает как это делается	допускаются незначительные ошибки	все выполняет правильно	1
2	не знает, как это делается	не учитывает особенности конкретного УЧПУ	не может откорректировать УП по результатам проверки	неправильный выбор приспособления или инструмента	2
3	не знает, как это делается	допускает погрешности при установке нуля детали	все выполняет правильно	допускаются незначительные ошибки	3
4	не учитывает специфику конкретного инструмента	не знает как это делается	все выполняет правильно	неправильный выбор приспособления или инструмента	3
5	не учитывает специфику конкретного инструмента	не учитывает особенности конкретного УЧПУ	не может запустить УП в нужном режиме	все выполняет правильно	2
6	не учитывает специфику конкретного инструмента	допускает погрешности при установке нуля детали	допускаются незначительные ошибки	нарушения в способе закрепления или использования инструмента	3
7	не учитывает специфику конкретного инструмента	все выполняет правильно	не может откорректировать УП по результатам проверки	допускаются незначительные ошибки	4
8	допускаются незначительные ошибки	не знает как это делается	не может откорректировать УП по результатам проверки	нарушения в способе закрепления или использования инструмента	2
9	допускаются незначительные ошибки	не учитывает особенности конкретного УЧПУ	допускаются незначительные ошибки	допускаются незначительные ошибки	4
10	допускаются незначительные ошибки	допускает погрешности при установке нуля детали	не может запустить УП в нужном режиме	неправильный выбор приспособления или инструмента	1
11	допускаются незначительные ошибки	все выполняет правильно	все выполняет правильно	все выполняет правильно	5
12	все выполняет правильно	не знает как это делается	не может запустить УП в нужном режиме	допускаются незначительные ошибки	2
13	все выполняет правильно	не учитывает особенности конкретного УЧПУ	все выполняет правильно	нарушения в способе закрепления или использования инструмента	4
14	все выполняет правильно	допускает погрешности при установке нуля детали	не может запустить УП в нужном режиме	все выполняет правильно	3
15	все выполняет правильно	все выполняет правильно	допускаются незначительные ошибки	неправильный выбор приспособления или инструмента	3
16	не знает, как это делается	все выполняет правильно	не может откорректировать УП по результатам проверки	нарушения в способе закрепления или использования инструмента	3

После заполнения этой таблицы необходимо определить значения последнего столбца таблицы и приступить к созданию быстрого прототипа экспертной системы.

Обозначим значения лингвистических переменных следующим образом:

Правильность настройки инструмента на размер:

1- не знает, как это делается, значения;

2- не учитывает специфику конкретного инструмента;

3- допускаются незначительные ошибки;

4- все выполняет правильно, значения более 3,5.

Точность установки нуля детали:

1- не знает, как это делается значения;

2- не учитывает особенности конкретного УЧПУ;

3 - допускает погрешности при установке нуля детали;

4- все выполняет правильно.

Проверка корректности работы УП:

1- не может запустить УП в нужном режиме;

2- не может откорректировать УП по результатам проверки;

3- допускаются незначительные ошибки;

4- всё делает правильно, значения более 3,5.

Обоснованность выбора инструмента и оснастки:

1- неправильный выбор приспособления или инструмента;

2- нарушения в способе закрепления или использования инструмента;

3- допускаются незначительные ошибки;

4- всё делает правильно.

Если задать вид 4-х мерного полинома:

ПК 3.1 = a0 + a1 x1+ a2 x2 + a3 x3 + a4 x4 + a5 x1 x2 + a6 x1 x3 + a7 x1 x4 + a8 x2 x3 + a9 x2 x4 + a10 x3 x4 + a11 x12 + a12 x22+ a13 x32+ a14 x42 и использовать данные

таблицы 1 можно получить систему из 16 уравнений с неизвестными a0 … a14 . Методом наименьших квадратов определяем эти коэффициенты, однако, полученный результат не даёт эффективной аппроксимации. Поэтому построение многомерного полинома начинаем с самых простых моделей (состоящих из двух коэффициентов из a0 … a14 ). Из полученных моделей выбираем ту, эффективность которой определяется статистическими критериями.

Выбираем из полученных моделей наиболее эффективную, затем рассматриваем более сложные модели из трёх коэффициентов. Процесс усложнения идёт до снижения значимости аппрксимирующего полинома. Наилучший полином по критерию значимости принимается за модель, которую можно использовать для оценки степени освоения.

ПК 3.1. = -0,151162*x1x2 + 0,248995*x1x3 + 0,303088*x2x4 + 0,473461*x3 -

0,246848*x3x4 + 0,258491*x4

Статистические параметры этого уравнения:

Стандартная ошибка уравнения регрессии = 0,580235,

F-отношение = 72,92.

Эти данные говорят о высокой значимости уравнения регрессии.

ПК 3.2. Проводить инструктаж оператора станков с программным управлением.

Показатели результата:

- составление простейших управляющих программ;

- соблюдение правил сдачи налаженного станка оператору;

- соблюдение правил безопасной работы.

Аналогично составляем анкету эксперта для ПК 3.2.

Таблица 2

№ п/п	Составление простейших управляющих программ (x1 )	Соблюдение правил сдачи налаженного станка оператору (x2 )	Соблюдение правил безопасной работы (x3 )	Степень освоения
1	не знание правил использования G-кодов	в инструкции отсутствуют условия безопасной работы	имеются случаи нарушений ПТБ	1
2	не знание правил использования G-кодов	в инструкции слабо описаны особенности действий при обработке конкретной детали	только устная информация о незначительных нарушениях ПТБ	2
3	не знание правил использования G-кодов	инструкция отвечает всем требованиям	информация о нарушениях ПТБ отсутствует	4
4	составляет УП только с использованием шаблонов	в инструкции отсутствуют условия безопасной работы	только устная информация о незначительных нарушениях ПТБ	3
5	составляет УП только с использованием шаблонов	в инструкции слабо описаны особенности действий при обработке конкретной детали	информация о нарушениях ПТБ отсутствует	4
6	составляет УП только с использованием шаблонов	инструкция отвечает всем требованиям	имеются случаи нарушений ПТБ	3
7	может составлять простые УП в G-кодах	в инструкции отсутствуют условия безопасной работы	информация о нарушениях ПТБ отсутствует	4
8	может составлять простые УП в G-кодах	в инструкции слабо описаны особенности действий при обработке конкретной детали	имеются случаи нарушений ПТБ	3
9	может составлять простые УП в G-кодах	инструкция отвечает всем требованиям	только устная информация о незначительных нарушениях ПТБ	5



После заполнения этой таблицы необходимо определить значения последнего столбца таблицы и приступить к созданию быстрого прототипа экспертной системы.

Обозначим значения лингвистических переменных следующим образом:

Составление простейших управляющих программ:

1- не знание правил использования G-кодов;

2- составляет УП только с использованием шаблонов;

3- может составлять простые УП в G-кодах.

Соблюдение правил сдачи налаженного станка оператору:

1- в инструкции отсутствуют условия безопасной работы;

2- в инструкции слабо описаны особенности действий при обработке конкретной детали;

3- инструкция отвечает всем требованиям значения.

Соблюдение правил безопасной работы

1 - имеются случаи нарушений ПТБ, зафиксированные в характеристике с места практики;

2 - имеется только устная информация о незначительных нарушениях ПТБ;

3 - информация о нарушениях ПТБ отсутствует.

Если задать вид 3-х мерного полинома:

ПК 3.2 = a0 + a1 x1+ a2 x2 + a3 x3 + a4 x1 x2 + a5 x1 x3 + + a6 x2 x3 + a7 x12 + a8 x22+ a9 x32 и использовать данные таблицы 2 можно получить систему из 9 уравнений с неизвестными a0 … a9 . Аналогично ПК 3.1 построим уравнение регрессии:

ПК 3.2 = -4,05806 + 1,02043*x2 + 5,00645*x1 - 3,54624*x1x2 + 2,05699*x1x3 + 0,734409*x2_2 + 2,40968*x2x3 - 2,65054*x3_2

Статистические параметры этого уравнения:

Стандартная ошибка уравнения регрессии = 0,1,

F-отношение = 212,29.

Эти данные говорят о высокой значимости уравнения регрессии.

ПК 3.3 Осуществлять техническое обслуживание станков и манипуляторов с программным управлением:

Показатели результата:

- соблюдение правил технической эксплуатации станка;

- соблюдение правил проверки станков на точность, манипуляторов на работоспособность и точность позиционирования;

- правильность заполнения документации по техническому обслуживанию станка.

Аналогично составляем анкету эксперта для ПК 3.3.

Таблица 3

№ п/п	Соблюдение правил технической эксплуатации станка (x1 )	Соблюдение правил проверки станков на точность, манипу-ляторов на работоспо-собность и точность по-зиционирования (x2 )	Правильность заполнения документации по техническому обслуживанию станка (x3 )	Степень освоения
1	имеются существенные нарушения правил ТЭС	не знает, как это делается	отсутствуют навыки заполнения документации	1
2	имеются существенные нарушения правил ТЭС	знает как получить информацию о порядке проверки	заполняет документацию с ошибками	2
3	имеются существенные нарушения правил ТЭС	умеет проводить проверку	умеет заполнять документацию	4
4	незначительные отклонения от правил ТЭС	не знает, как это делается	заполняет документацию с ошибками	2
5	незначительные отклонения от правил ТЭС	знает как получить информацию о порядке проверки	умеет заполнять документацию	4
6	незначительные отклонения от правил ТЭС	умеет проводить проверку	отсутствуют навыки заполнения документации	3
7	соблюдение правил ТЭС	не знает, как это делается	умеет заполнять документацию	4
8	соблюдение правил ТЭС	знает как получить информацию о порядке проверки	отсутствуют навыки заполнения документации	3
9	соблюдение правил ТЭС	умеет проводить проверку	заполняет документацию с ошибками	5

После заполнения этой таблицы необходимо определить значения последнего столбца таблицы и приступить к созданию быстрого прототипа экспертной системы.

Обозначим значения лингвистических переменных следующим образом:

Соблюдение правил технической эксплуатации станка:

1- имеются существенные нарушения правил ТЭС;

2- незначительные отклонения от правил ТЭС;

3- соблюдение правил ТЭС.

Соблюдение правил проверки станков на точность, манипуляторов на работоспособность и точность позиционирования:

1 - не знает, как это делается;

2 - знает, как получить информацию о порядке проверки;

3 - умеет проводить проверку.

Правильность заполнения документации по техническому обслуживанию станка:

1 - отсутствуют навыки заполнения документации;

2 - заполняет документацию с ошибками;

3 - умеет заполнять документацию.

Если задать вид 3-х мерного полинома:

ПК 3.3 = a0 + a1 x1+ a2 x2 + a3 x3 + a4 x1 x2 + a5 x1 x3 + + a6 x2 x3 + a7 x12 + a8 x22+ a9 x32 и использовать данные таблицы 2 можно получить систему из 9 уравнений с неизвестными a0 … a9 . Аналогично ПК 3.1 построим уравнение регрессии:

ПК 3.3. = 1,56628*x1 - 0,291364*x1_2 + 0,124607*x1x3 + 0,229576*x2x3

Стандартная ошибка уравнения регрессии = 0,45,

F-отношение = 149,92.

Эти данные говорят о высокой значимости уравнения регрессии.

Оценка значения отдельных показателей результата:

Помимо облегчения процесса оценки компетенций, обработка таблицы позволяет определить и общую степень освоения компетенций, например ПК 3.1 осваивается на 3,87 (3,41), ПК 3.2 на 4,08 (3,92) и ПК 3.3 на 3,86 (3,58) по пятибалльной шкале, в скобках указаны результаты экзамена группы 49.

Как мы видим, результаты в декабре ниже, чем в июне.

Статистически значимое снижение уровня освоения компетенций наблюдается только для ПК 3.1.

ПК 3.1 лучше всего обучающиеся выполняют настройку инструментов на размер и установку нуля детали (3,09 по 4-х бальной шкале), хуже всего обосновывают выбор инструмента (2,98), что позволяет обосновать внесение коррективов в учебный процесс.

ПК 3.2. Лучше обучающиеся осваивают правила безопасной работы (2,49 по трёхбальной шкале), хуже - инструкцию оператору (2,21)

ПК 3.3. Лучше освоены правила технической эксплуатации (2,28), хуже - ведение технической документации(2,01).

Помимо облегчения процесса оценки компетенций, обработка таблицы позволяет определить и общую степень освоения компетенций, например ПК 3.1 осваивается на 3,62, ПК 3.2 на 4,0 и ПК 3.3 на 3,71 по пятибалльной шкале.

Диссиминация опыта приема экзаменов с использованием ИМО

В связи с переходом на новые ФГОС существенно изменились как содержание обучения, так и требования к оснащению учебного процесса. Так, по профессии «Станочник (металлообработка)» необходимо изучать профессиональный модуль ПМ 01. «Программное управление металлорежущими станками», где требуется формирование компетенции «Осуществлять обработку деталей на станках с программным управлением с использованием пульта управления».

В СПб ГБ ПОУ «Колледж метрополитена» отработка этой компетенции проводится во время производственной практики. Для оценки степени её освоения воспользовавшись «ФГОС п. 8.2. Конкретные формы и процедуры текущего контроля знаний, промежуточной аттестации по каждой дисциплине и профессиональному модулю разрабатываются образовательным учреждением самостоятельно» было принято решение проводить экзамен (квалификационный) с применением имитационных образовательных технологий.

В ОРЦ СПб ГБ ПОУ «Промышленно- технологический колледж» с 2010 года реализовывались имитационные методы обучения (ИМО) в профессиях укрупнённой группы профессий 150000 Металлургия, машиностроение и материалообработка. В рамках этой работы было разработано учебное пособие «Обработка деталей на станках с ЧПУ» (авторы Волченко И.О., Стругов К.В.). Данное учебное пособие легло в основу проведения экзамена в Колледже метрополитена.

В результате проведённых консультаций с представителями ОРЦ и освоением ИМО преподавателем Донских И.М. был разработан комплект оценочных средств для промежуточной аттестации по ПМ 01.

Для проведения занятий с использованием имитационных методов обучения в учебных мастерских Колледжа метрополитена был развернут компьютерный класс, с установленными тренажерами станков с ЧПУ.

Экзамен (квалификационный) проводился в этом классе. На экзамене присутствовал представитель Промышленно-технологического колледжа у которого уже был опыт проведения аналогичных экзаменов.

Во время экзамена обучающие продемонстрировали следующие умения, которые формируют компетенцию «Осуществлять обработку деталей на станках с программным управлением с использованием пульта управления»:

- привязку детали;

- выбора режущего инструмента;

- ввода и корректировки управляющей программы;

- запуска управляющей программы на обработку детали;

- измерения полученной виртуальной детали.

На основании представленного портфолио и результатов экзамена комиссия смогла объективно оценить степень освоения компетентности.

14. Экономические аспекты внедрения ИМО

Для оценки экономической эффективности использования ИМО дадим сравнительную оценку стоимости подготовки одного обучающегося по профессии «Наладчик станков и оборудования в механообработке» с использованием тренажёра и без него.

Предположим, что объём практической части при изучении раздела профессионального модуля составляет 36 часов. Эти часы можно отрабатывать на станке, или часть часов отрабатывать на тренажёре, а часть на станке.

Оценим стоимость одного часа работы на станке. Она складывается из следующих составляющих:

С1 = Сст + Спр (стоимость одного часа работы станка и стоимость одного часа работы преподавателя).

Сст = Цст/20000 + Цэл (Цст = цена станка, 20000 - ресурс станка в часах. Цэл = Цквт х Nст - стоимость электроэнергии).

Для простоты примем, что стоимость 1 кВт час - 2 руб., мощность приводов станка - 5 кВт, тогда Цэл = 2 х 5 = 10 руб.

Приняв цену станка 2000 тыс.руб. получим Сст = 100 + 10 = 110 руб/час.

Спр = Цч/12 - цена одного часа преподавателя, 12 - число обучающихся в подгруппе. Приняв Цч = 480 руб. Получаем: С1 = 110 + 40 = 150 руб/час.

Определим стоимость одного часа работы при использовании ИМО:

Симо = Спр + Ст, где Ст - стоимость технических средств ИМО - компьютера.

Ст = Спрг + Ск + Цэл, где Ск = стоимость часа работы на компьютере, Спрг - удельная стоимость часа использования программы.

Ск = Цк/Т, где Цк - цена компьютера, Тк - время его работы до списания в часах. Приняв Цк = 20000руб, а Тк = 10000часов получим Ск = 2 руб/час.

Спр = Цпр/Тпр, где Цпр - цена программы, Тпр - пранируемое время использования программы. Приняв Цпр = 36000 руб, а Тпр = 5000 часов, получим Спр = 7.2 руб/час.

Цэл = Цквт х Nк, где Nк - мощность компьютера. Приняв Nк = 0.4 кВт, получаем: Цэл = 0.8 руб/час.

Таким образом Сими = 0.8 + 2 + 7.2 + 40 = 50 руб/час.

Пусть Х - количество часов, отрабатываемых на тренажёре, Y - количество часов, отрабатываемых на станке. Тогда задача распределения часов принимает вид:

50 * X + 150 * Y -> max

X + Y = 36, X >=0, Y>=0.

Решение этой задачи тривиально: Х=36. Стоимость подготовки составит 1800 рублей.

Поэтому определим минимальный объём часов работы на станке. С учётом специфики работы учебных мастерских, его величина должна быть кратна 6 часам, поэтому целесообразно, в зависимости от изучаемой темы, отводить 6 или 12 часов.

В первом случае стоимость обучения составит 2400 рублей, во втором случае - 3000 рублей. Если использовать только подготовку на станке, то стоимость обучения составит 5400 рублей.

Таким образом, применение ИМО позволяет заметно снизить стоимость обучения.



Литература

1. Башмаков, М.И. Информационная среда обучения / М И. Башмаков, С.Н. Поздняков, НА. Резник. - СПб., 1997.

2. Волченко, И. О. Системный подход в управлении учебным процессом: / И. О. Волченко. - Мурманск : Изд-во МГТУ, 2008.

3. Имитационное обучение. URL: http://www.firstaid72.ru/section/168 (дата обращения 27.02.2011).

4. Кузьмина, Н.В. Профессионализм деятельности преподавателя и мастера производственного обучения / Н.В. Кузьмина. - М., 1989.

5. Нуждин, В.Н. Стратегическое управление качеством образования / В.Н. Нуждин, Г.Г. Кадамцева // Высшее образование сегодня. - 2003. - № 4.

6. Якунин, В.А. Педагогическая психология / В.А. Якунин. - СПб., 1998.

7. Dale E. Audiovisual methods in teaching. 3rd edition. New York: The Dryden Press; Holt, Rinehart and Winston. 1969.

8. Meister J. C. Corporate Universities: Lessons in Building a World-Class Work Force, Revised Edition. McGraw-Hill, 1998.

9. Троянская С. Л., Брызгалова Н. В. Электронное учебное пособие. Педагогика: тезисы лекций и практические занятия. Кафедра педагогики и педагогической психологии Удмуртского государственного университета.2013г.

10. Быстрова Инна Николаевна "Имитационное моделирование как технология подготовки специалистов технического профиля в вузе"Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата педагогических наук.Ростов-на-Дону 2008.

11. Диск «Открытая физика»

12. Тренажер «Начала электроники» Ках.ГУ.Кашкаров В.В. и др.;

13. РОГОЗИНА В.А..Автореферат диссертации по теме "Педагогические условия использования вариативных заданий в учебном процессе как средство развития творческих способностей школьников" АВТОРЕФЕРАТ.Специальность 13 00 01 -общая педагогика, история педагогики и образования. Диссертация на соискание ученой степени кандидата педагогических наук.Москва - 2007

14. Самое полное издание типовых вариантов заданий ЕГЭ: 2011: Физика/ авт.-сост. А.В.Берков, В.А.Грибов.-М.:АСТ: Астрель,2011.-125с.-(Федеральный институт педагогических измерений).

15. Шорников Г.Ф., Волченко И.О., Добрякова М.Г. Анализ образовательных технологий, в рамках которых возможна реализация имитационных методов обучения. Материалы IХ Городских педагогических чтений 26 мая 2011 года. С-Пб, 2012, с 254-270

16. Шорников Г.Ф., Добрякова М.Г., Волченко И.О. Социальное партнерство как инструмент эффективного развития образовательного учреждения. Материалы Первой городской научно-практической конференции 24 апреля 2012 года., С-Пб, 2012, с. 63 - 71.

17. Письмо №12-696 «О разъяснениях по формированию учебного плана ОПОП НПО и СПО».

Размещено на Allbest.ru

...