Как уже отмечалось ранее, виртуальные тренажеры имеют обширную область применения, начиная от простых демонстраций какого-либо процесса или механизма до сложных симуляторов технологических процессов и оборудования. Тверской государственный технический университет специализируется на разработке виртуальных тренажеров и учебных программных комплексов, начиная с конца 90-х годов прошлого столетия. За период работы в данном направлении технология разработки программных продуктов претерпела существенные изменения. Современные обучающие программы выполняются в режиме высококачественной трехмерной графики с максимальной реалистичностью имитации. Разработки охватывают целый ряд технических дисциплин и учебных направлений, в числе которых можно выделить: гидромеханику, теплотехнику, технологию обработки металлов, торфяные машины и оборудование, строительное материаловедение, техносферную безопасность и другие направления. Разрабатываемые программные продукты имеют свидетельства об официальной регистрации (РОСПАТЕНТ), и полностью соответствуют требованиям отраслевого стандарта Минобразования РФ ОСТ.2-98 «Системы автоматизированного лабораторного практикума». География применения программных продуктов охватывает более 80 вузов и колледжей по России и странам СНГ.
Приведем примеры некоторых виртуальных лабораторных работ по различным дисциплинам. На рисунке 1 изображена виртуальная лабораторная установка для исследования процесса напорной фильтрации. Под фильтрацией в данной работе понимается движение воды в порах водонасыщенного грунта, причем режим движения воды в грунте может быть ламинарным и турбулентным. В данной работе имитируется установившаяся напорная фильтрация при ламинарном режиме, описываемая законом Дарси.
Рисунок 1 – Виртуальная лабораторная установка для исследования процесса напорной фильтрации
Модель лабораторной установки представляет собой выполненную из прозрачного материала вертикальную колонну квадратного сечения с внутренними размерами 10×10 см, заполненную пятью слоями условного «песчаного» грунта различной крупности. Толщина каждого слоя однородного грунта – 10 см. На границах слоев имеются штуцеры, к которым через гибкие шланги подсоединены так называемые пьезометрические трубки (№ 1…6) для измерения напоров воды.
Подача воды в колонну осуществляется из питающего резервуара, расположенного над установкой. Для поддержания постоянного уровня воды над поверхностью грунта в установке (с целью обеспечения установившегося движения фильтрационного потока) имеется переливная трубка. Изменение в опытах градиента напора (следовательно, и фильтрационного расхода) достигается изменением высотного положения сливного устройства, расположенного в правой части модельной лабораторной установки. Сливное устройство соединено гибким шлангом с нижней частью колонны. Измерение фильтрационного расхода воды осуществляется с помощью мерного сосуда с нанесенной шкалой (в см³). Время заполнения профильтрованной водой нужного объема измеряется модельным секундомером (рисунок 2).
Рисунок 2 – Имитационная модель секундомера
Проводя имитационный эксперимент, обучаемый убеждается в справедливости закона Дарси путем построения в масштабе (по данным пяти опытов) графиков зависимости скорости фильтрации от градиента напора (графиков для пяти видов песчаного грунта, отличающихся крупностью частиц); определении по построенному графику для одного вида песчаного грунта (указанного преподавателем) средней величины коэффициента фильтрации с указанием ее на графике; построении в масштабе по данным одного опыта (указанного преподавателем) эпюры напоров (графика изменения напора по пути фильтрации).
Элементами регулирования в данной виртуальной лабораторной работе являются вентиль подачи воды и подвижная платформа сливного устройства с закрепленной на ней мерной емкостью, изменение положений которых осуществляется с помощью мыши и клавиатуры. Измерительными элементами служат миллиметровая шкала напорных трубок, линейка подвижной платформы, шкала мерной емкости для замера расхода воды и шкала секундомера.
Представленная виртуальная лабораторная работа входит в состав программного лабораторного практикума «Гидравлика», которому присвоен гриф: «Рекомендовано научно-методическим советом по гидравлике» в 2011 году.
Еще один пример виртуальной лабораторной работы – имитационный опыт «Определение истинной плотности материала», которая входит в программный лабораторный практикум строительного материаловедения. Целью имитационного опыта является определение величины истинной плотности порошкового материала с помощью специальной стеклянной колбы – объемомера Ле-Шателье. Входными параметрами имитационного опыта являются: тип строительного материала (цемент, песок, гипс) и масса опытной навески (г). Выходными данными служат: масса остатка пробы (г) и объем вытесненной жидкости (мл). На рисунке 3 изображены снимки экрана имитационной лабораторной работы «Определение истинной плотности материала».
Рисунок 3 – Снимки экрана имитационной лабораторной работы «Определение истинной плотности материала»
Имитационный опыт проводится в интерактивном режиме, при этом пользователь оперирует лабораторными предметами с помощью мыши и клавиатуры компьютера, фиксируя в лабораторном журнале: наименование исследуемого материала, первоначальную массу навески (г), массу остатка материала на весах (г), объем вытесненной жидкости (см³) из колбы Ле-Шателье (фиксируется отметка по мерной шкале колбы), значение истинной плотности материала (г/см³).
Опыт можно проводить многократно, причем с каждой итерацией пользователем могут задаваться различные входные значения массы навески материала, а также может быть выбран другой тип исследуемого материала. Выходные значения имитационного опыта соответствуют физическим параметрам реального эксперимента по определению истинной плотности материала. Имитационная лабораторная работа сопровождается электронным документом с методикой выполнения работы (рисунок 4).
Рисунок 4 – Электронный документ с методикой выполнения лабораторной работы
Одной из последних разработок является виртуальная лаборатория «Определение свойств самоуплотняющегося бетона», предназначенная для имитационного выполнения лабораторных испытаний современных самоуплотняющихся бетонов в соответствии с европейскими требованиями СТБ EN 206-9. Разработка является интерактивным демонстрационно-тренажерным программным средством и направлена на обучение и повышение квалификации студентов строительных специальностей, инженерно-технических работников и сотрудников предприятий промышленного сектора. На рисунке 5 изображен имитационный опыт по исследованию консистенции самоуплотняющейся бетонной смеси с помощью блокировочного кольца.
Рисунок 5 – Имитационный опыт по исследованию консистенции самоуплотняющейся бетонной смеси с помощью блокировочного кольца
В программе воспроизводятся физические принципы лабораторного эксперимента, имитируются реологические свойства бетонной смеси и физико-механические свойства затвердевшего бетона. Программа выполнена в режиме интерактивной трехмерной визуализации и оснащена звуковым сопровождением. Виртуальная лаборатория сопровождается методическими указаниями по выполнению лабораторных работ, а также рекомендуемыми бланками лабораторных отчетов (рисунок 6). Доступ к электронным версиям сопроводительных документов осуществляется из главного меню программы.
Рисунок 6 – Методическое сопровождение виртуальной лаборатории
Исходными данными имитационных лабораторных работ являются выбранные составы бетонной смеси (во всех опытах исследуются одни те же составы). Предлагаемые составы бетона получены на основе результатов реальных лабораторных исследований. Все лабораторные работы оснащены функциональными элементами управления – графическими кнопками, с помощью которых обучаемый открывает диалоговые окна и совершает имитационные действия в соответствии с методикой экспериментов. На рисунке 7 представлена таблица предлагаемых исходных составов бетона.
Рисунок 7 – Таблица исходных данных для проведения имитационных опытов
Подробный перечень виртуальных лабораторных работ, разработанных авторским коллективом SUNSPIRE, представлен в разделе «Программные продукты».