Využití simulačních programů při výuce automatizace

Příklad dobré praxe téma; Odborné vzdělávání

Autor: Ing. Josef Kovář, Ing. Zuzana Prokopová

Škola: Střední průmyslová škola Zlín, Třída Tomáše Bati 4187, 762 74 Zlín

 

Klíčová slova

Automatizace, simulace, regulace, řízení, mezipředmětové vztahy, teoretická výuka s praktickými ukázkami

 

Stručná anotace

Příspěvek popisuje možnosti zpestření teoretické výuky předmětu automatizace pomocí názorných simulací vytvořených v jiných dostupných elektrotechnických programech, než je doporučovaný systém MatLab. Současná výuka v hodinách teorie je vedena nejčastěji formou výkladu a popisem různých schémat a obrázků. Pro oživení výuky a tím i větší interakci s žáky potřebujeme v hodinách zavést praktické ukázky formou nově zpracovaných, konkrétních, běžně užívaných elektronických obvodů v jiných odborných předmětech tak, aby si žáci lépe uvědomili souvislosti a rychleji pochopili danou problematiku.

 

Kontext

Střední průmyslová škola Zlín je škola víceoborová. Nabízí celkem pět vzdělávacích oborů. Automatizace se učí ve třech oborech:  ve strojírenství (výuka probíhá jeden rok pro dvě třídy v ročníku), slaboproudé elektrotechnice (výuka probíhá dva roky pro dvě třídy v ročníku) a v technickém lyceu (výuka probíhá dva roky pro dvě třídy v ročníku). Předmět automatizace navazuje na znalosti logických výrazů z matematiky, číslicové techniky a na znalosti z elektroniky, které dále rozvíjí při výuce logických členů, jejich algoritmizaci až po příklady ovládacích obvodů. Společně s předmětem mechanická technologie dává základní vědomosti o NC a CNC strojích a programování těchto strojů. Poskytuje základní znalosti z regulační techniky a řízení, seznamuje žáky s problematikou mikropočítačů a PLC v řízení. Vytváří předpoklady pro aplikaci získaných vědomostí a dovedností ve speciálních odborných předmětech i v praxi.

Předmět se vyučuje v multimediálních učebnách s počítačem a projektorem. S technikou, kterou mají učitelé k dispozici, mohou změnit styl vysvětlování tak, aby bylo nejen srozumitelnější, ale pro žáky i zábavnější. Snahou projektu je zkvalitnit výuku hlavně v hodinách teorie.


Cíle

Hlavním cílem je prohloubení znalostí IT technologií vyučujících, zpestření teoretické výuky s důsledkem většího soustředění žáků při výkladu učitele a tím i vstřebání většího množství informací přímo ve vyučovací hodině.

 

Realizace

Na semináři v didaktické sekci technické konference ARaP 2011 proběhly přednášky o trendech v automatizaci a o e-learningových prostředcích. Důležitou částí semináře bylo vystoupení autorů nových učebnic pro výuku automatizace ve středních školách. Všichni autoři se shodují v tom, že výuka má probíhat nejen formou strohého teoretického vysvětlování, ale také pomocí názorných praktických ukázek. Tak například v automatizaci při regulacích různých typů soustav je nutné soustavu nejprve důkladně prozkoumat a poznat její vlastnosti: Zda se jedná o soustavu statickou, astatickou, jedno nebo vícekapacitní. Případně vytvořit matematický vzorec, který ji charakterizuje. Teprve poté je možné navrhovat pro zadanou soustavu vhodný typ regulátoru. Většina soustav se dá znázornit jako elektronický obvod skládající se z RC článků. Autoři učebnic jsou většinou vysokoškolští učitelé. Při výuce používají programy MatLab a Simulink. V současné době se jedná snad o nejrozšířenější programové vybavení pro matematické simulace na středních a vysokých školách. Autoři prokládali své přednášky právě ukázkami vytvořenými v těchto programech. Bohužel v nynějším krizovém období, kdy se většina škol potýká s nedostatkem financí, je tento software pro školy, které jej ještě nemají, prakticky nedostupný.  Existují však i jiná programová vybavení, která školy již vlastní, a mohou je bez problémů při výuce používat. Před několika roky jsme v naší škole zakoupili právě pro účely návrhu elektronických obvodů a jejich simulace systém MultiSim. Nedokáže sice všechna matematická vyjádření a simulace jako je tomu u MatLabu, ale pro středoškolskou výuku je naprosto dostačující. Obdobných programů existuje více. Některé z nich jsou dokonce volně k dispozici ke stažení na internetu. Žáci si tedy mohou některá zadání procvičovat sami doma na svých počítačích.

Jak využívat simulační programy při výuce?

Pro učitele představuje výuka s praktickými ukázkami samozřejmě více práce při přípravě na vyučování. Je nutné nejdříve důkladně se seznámit se simulačním programem. To spočívá v nastudování editace – vkládání objektů na kreslící plochu, jejich vzájemné propojování a všechny možnosti simulace, které dané prostředí umožňuje. Důležité je, aby simulace probíhala tzv. „aktivně“, aby při promítání byl vidět pohyb. Toho je možné lehce dosáhnout vykreslováním průběhů na osciloskopu.

Výsledkem používání této techniky je v první řadě prohloubení dovedností učitele v počítačových technikách a následně zajímavější vyučovací hodina, která teoretický výklad doplňuje názornými ukázkami a celou hodinu oživí. Na vhodných příkladech si mohou žáci vědomosti z hodin teorie ověřit na počítačích ve cvičeních i doma na zadaných úkolech.

Realizace projektu v současné době probíhá. Hlavní problém spočívá v nedostatku manuálů k vývojovému prostředí MultiSim. Existuje sice kniha a na internetu jsou některé popisy činnosti, ale ty jsou většinou specifické pro řešenou úlohu. Naši učitelé si rozdělili jednotlivá témata a zpracovávají je. Vytvořené simulační úlohy se ukládají na serveru školní sítě, aby je mohl každý vyučující používat a dále zdokonalovat.  Do výuky by se měly zařadit od ledna 2012.


Výsledky

Výsledky z výuky ještě nejsou, protože ověřování projektu začne probíhat od ledna 2012. U vyučujících se začala projevovat větší aktivita v komunikaci a vymýšlení úloh vhodných pro výuku. Zájemce můžeme dále informovat.

 

Nutné pomůcky a prostředky

Simulační program pro elektronické obvody, počítač, projektor, vůle vyučujícího něco změnit

 

Použitá literatura a zdroje

MultiSim – elektronická laboratoř na PC; Antonín Juránek; BEN – technická literatura; Praha 2008