Что же с ТОЭ?
или
О структурном кризисе в методике преподавания блока дисциплин связанных с расчетом цепей преобразования энергий

На первый взгляд признаки кризиса в методике преподавания блока дисциплин связанных с расчетом цепей преобразования энергий, который, как предполагает автор этих строк, проявится к 2015..2020 годам, практически не видны. Более того, каждая из тех 7..9 дисциплин, на которые кризис повлияет, имеет не просто хорошие учебники, а самые лучшие, поскольку их содержимое шлифовалось талантливыми педагогами страны без изменений сути излагаемых вопросов уже более 30..50 лет. Для примера сравните учебники по ТОЭ, электроприводу, гидропневмоавтоматике и т.д., с переводной литературой, которую педагоги вынуждены использовать в качестве учебной по современным технологиям программирования.

Какова же причина грядущего кризиса, если сегодня у названных дисциплин имеется блестящее методическое обеспечение, наработанное на основе совокупности фундаментальных законов, в ряду которых не прогнозируются подвижки? Ответ прост – это появление нового вычислительного инструментария – программ мультидоменного математического моделирования динамических систем. Попробуем обосновать данное утверждение.

Уровни сложности задач расчета цепей преобразования энергий

Тип источников движущих сил и вид требуемой в итоге расчета информации о режиме работы цепи преобразования энергии позволяют выделить пять подходов к решению, отличающихся необходимостью использования разных математических аппаратов с повышающимся уровнем сложности:

  1. Расчет цепей с постоянными движущими силами
  2. Расчет цепей с синусоидальными движущими силами
  3. Расчет цепей с периодическими движущими силами
  4. Расчет цепей с непериодическими движущими силами
  5. Расчет цепей с волновыми процессами

Задачи принадлежащие первому уровню просты, и для их решения используются четыре математические операции: +, -, *, /. При решении задач второго уровня требуется выполнять упомянутые операции с величинами меняющимся по синусоидальному закону, поэтому используются либо "расчеты по модулям" (теорема Пифагора + векторная диаграмма), либо аппарат комплексных чисел. Третий уровень весьма условен. Здесь предполагается представление периодических движущих сил рядом Фурье и получение итогового результата согласно принципу суперпозиции с возвращением ко второму уровню, при выполнении расчетов для каждой из гармоник. Четвертый уровень предполагает описание энергетической цепи дифференциальными уравнениями и обычно используется для уточнения переходных режимов работы. На пятом уровне требуется решать дифференциальные уравнения в частных производных, учитывая индивидуальную геометрию энергетической цепи.

О том, как программы мультидоменного математического моделирования динамических систем "выкинули на помойку" учебники по теоретическим основам цепей

Известно много хороших математических программ. В наших целях каждую программу можно отнести к одной из двух групп:

  1. Мощные калькуляторы для статических вычислений (Matcad, Mathematica, Maple).
  2. Специализированные решатели для моделирования динамических процессов (Jigrein, DyMoLa, Dynast, Multisim, VisSim, ПК «МВТУ», Simulink).

Применение в обучении первой группы программ для расчета цепей преобразования энергий возможно, не вызывает ни каких затруднений, гладко согласуется со всеми методиками изложенными в учебниках по "теоретическим основам", отвечает требованиям Министерства образования, но не имеет ни какого смысла. Вспомним о том, что лишь 20 страниц из учебников по "теоретическим основам цепей" дают студенту фундаментальные знания (о законах Ома и Кирхгофа). Остальная информация – это изложение жестко формализованных методов, не дающих студенту новых знаний (выберите направление токов, посчитайте количество узлов, и пр.). Сейчас уже мало кто помнит, но главной целью разработки всех альтернативных методов расчета цепей было сокращение объема вычислений. Сегодня любой "универсальный калькулятор" (Matcad, Mathematica, Maple) рассчитает любую цепь, любым методом за десятые доли секунды. Это прогресс, это замечательно, но надо сказать, что мгновенные вычисления на "калькуляторах" не добавляют знаний студентам. Возникает так же более серьезный вопрос. Как объяснить студенту, зачем ему требуется зубрить альтернативные методы, когда он может выполнить проектирование любой цепи, преобразующей энергию, разобравшись лишь с законом Ома и законами Кирхгофа? Уже сегодня вразумительного ответа на поставленный вопрос нет.

Однако кроме методов расчета цепей, учебники по "теоретическим основам" содержат описания подходов к решению задач, которые были упомянуты выше. Ценность этой информации низвели до нулевого уровня программы второй группы. Их разработчики справедливо предположили, что задачи первых трех уровней сложности (см. список выше), можно решать с помощью математического аппарата, применяемого для решения задач четвертого уровня. Таким образом из учебника по "теоретическим основам" упомянутые программы взяли на вооружение лишь законы Ома и Кирхгофа, используя их в дифференциальной форме.

Сценарий изменения методики преподавания "Теоретических основ цепей" и обзор затруднений

Показанные противоречия, бесспорно, требуют изменений в методике преподавания. Перед педагогами стоит серьезная задача. Согласно стратегическим взглядам Министерства образования требуется внедрить в процесс обучения компьютеры, и, за счет каких-то их мультимедийных, интерактивно-волшебных возможностей сократить количество лекционных занятий, увеличив при этом долю самостоятельной работы студентов.

"Теоретические основы цепей" всегда были самыми сложными дисциплинами. "Программы-калькуляторы" ни коем образом не позволят педагогу подготовить учебный материал в более наглядной и доступной форме, дабы его можно было вынести в часы самостоятельной работы студента. Поэтому опора на такие программы как Matcad, Mathematica, Maple; плюс стремление педагогов (впрочем, согласно требованиям стандартов Министерства образования) сохранить тематическое содержимое приводит к разрушению этих фундаментальных дисциплин.

Оценка всех возможных вариантов ужатий, сокращений, и интерактивно-волшебных возможностей компьютеров дает лишь один максимально безвредный сценарий изменения методики преподавания "теоретических основ цепей":

  1. Исключение из программ дисциплин всех тем, связанных с изучением особенностей подходов к решению задач первых трех уровней и обучение решению этих же задач с применением математического аппарата адекватного по уровню сложности задачам четвертого уровня.
  2. Использование специализированных решателей для моделирования динамических процессов (Jigrein, DyMoLa, Dynast, Multisim, Micro-Cap; VisSim, ПК «МВТУ», Simulink).

Подобный переход не просто труден, а труден существенно. Так повальная гуманитаризация высшего технического образования в России привела к тому, что вследствие сокращения часов неспециалисты в итоге обучения знакомы с задачами расчета цепей преобразования энергий лишь первых двух уровней сложности. Предлагается же сразу перейти к четвертому уровню. Кроме того, крайне желательно, дабы на момент перехода были одновременно модифицированы рабочие программы нескольких дисциплин: физики, ТОЭ, гидропневмоавтоматики, механики линейных и ротационных перемещений, теплотехники, основ моделирования систем (или математики), а так же целого веера дисциплин стоящих за теоретическими основами каждого энергетического домена.

Отдельная и существенная проблема заключается в несерьезном отношении российского общества, как к моделированию технических систем, так и к покупке соответствующего программного обеспечения. Вот факты: В России лишь два коллектива разрабатывают программы, которые со временем, если не разорятся, будут поддерживать технологию мультидоменного физического моделирования с применением ненаправленных графов (ПК «МВТУ» и MVS). Разработчики тех же программ утверждают, что Российские вузы не покупают их продукт. При этом факт воровства программы ПК «МВТУ» работниками вышей школы, с попыткой дальнейшего коммерческого использования был зафиксирован на территории Казахстана в начале 2003 года. Промышленность России, за исключением атомной, вообще не интересуется подобными программами.

Чуть меньшим препятствием является стремление разработчиков программ для мультидоменного моделирования, таких как Multisim (EWB), Dynast, 20-sim, ITI-SIM, Simplorer и DyMoLa, скрыть принципы их функционирования. Как любое непознанное, это вызывает недоверие у преподавателей к данным программам и порождает сомнения в возможности отказа от большинства формализованных методов расчета цепей. Автор высказывает надежду, что данное пособие развеет часть этих сомнений.

Выводы

Для максимально плавного преодоления кризиса в методике преподавания дисциплин связанных с расчетом цепей преобразования энергий требуется выполнение следующих условий.

  1. Преподаватели не должны скрывать, от студентов тот факт, что большинство изучаемых методик расчета цепей доживают последние дни, поскольку были рассчитаны на ручные вычисления.
  2. Надо признать, что использование в учебном процессе для расчета цепей преобразования энергий широко известных математических программ для статических вычислений (Matcad, Mathematica, Maple) не даст положительного методического результата.
  3. Вузы России должны покупать специализированные программы для моделирования динамических процессов. Покупки должны быть централизованы. Программу должен покупать вуз, а не кафедра. Только в этом случае вузы смогут заставить разработчиков раскрыть технологии функционирования программ. Кроме того, вуз – это не рядовой потребитель (юзер), поэтому покупку каждой новой версии вуз должен превращать в финансирование нужных ему доработок в программе.
  4. Вузам требуется существенно увеличить количество аудиторий оборудованных компьютерной проекционной аппаратурой. Мел доска и текст, как средства обучения, должны уйти в прошлое.

Каков же прогноз протекания кризиса, если мы как всегда, дружно и все вместе, вспомним о нашей любимой поговорке: "Работа – не волк – в лес не убежит"? На взгляд автора через пятнадцать лет студенты будут заваливать преподавателей задачами прорешанными, к тому времени в чуть более совершенных программах. И преподавание фундаментальных технических дисциплин превратиться в такую же профанацию, какую мы имеем сегодня в тех гуманитарных дисциплинах, технология освоения которых предполагает написание реферативных работ.

Чем же страшен этот кризис? Ведь он, как и многие другие, будет пережит нами. Главная опасность в том, что существует не один, а два сценария посткризисного развития. Согласно первому сценарию в России появится еще ряд профессий, для которых будет справедливо высказывание Бернарда Шоу: "Всякая профессия – есть заговор против непосвященного". И последующие 50 лет мы будем говорить о необходимости "прозрачности" не только в финансовой отчетности предприятий, но и в технических решениях. (Кто сегодня помнит о том, что еще не так давно нельзя было продать телевизор или магнитофон без схемы электрической принципиальной)? Согласно второму сценарию дисциплины связанные с теорией расчета цепей преобразования энергий действительно станут простыми и легкими в изучении. Выбирать – нам.

9.09.2003