Szolnoki Tudományos Közlemények XVI. Szolnok, 2012 Békési László1
A REPÜLŐGÉP SZÁRNYMETSZET AERODINAMIKAI JELLEMZŐINEK SZEMLÉLTETÉSI LEHETŐSÉGE SZÁMÍTÓGÉP SEGÍTSÉGÉVEL2 A cikk azzal foglalkozik, hogy az aerodinamika tantárgyak tanítás-tanulás folyamatában miként lehet alkalmazni a számítógépes programokat. Egyenként önállóan is futtatható és egymáshoz kapcsolódó programokkal tanulmányozható a merevszárnyú repülőgép aerodinamikája. A cikk második részében a szerző által létrehozott és az általa oktatott tantárgyakhoz készített multimédiás oktatóanyagot példákon keresztül mutatja be, illetve útmutatást ad annak felhasználási lehetőségeire. THE DEMONSTRATION POSSIBILITY OF AERODYNAMIC CHARACTERISTICS OF THE AIRCRAFT WINGPROFILE BY COMPUTER The paper deals how the computer programmes can be used in the teaching training process of aerodynamics The elements of programme are interrelated to each other, but can be used independently studying the aerodynamics of the fixed wing aircraft. In the second part of the paper the author presents his own self developed multimedia teaching-training programme, created for his own subjects, through examples and gives guideline for the application possibilities of this programme.
1. A SZÁMÍTÓGÉP OKTATÁSBAN VALÓ SZEREPE Az eddig használt tanítási eszközök mindegyikének szerepét többé-kevésbé helyettesíteni tudja a számítógép, hiszen új tulajdonságot hordoz, hatalmas tudásanyag tárolására valamint színvonalas bemutatására, sőt a hallgatóval való kommunikációra is képes. Kizárólag a oktatószoftver készítőjétől függ, hogy mekkora tudásanyag, milyen módon kerül bemutatásra, és milyen kommunikációs lehetőségei vannak a hallgatónak a számítógéppel. A multimédiás oktatószoftver, mint legújabb taneszköz – egyre több magyar nyelvű oktatóprogram jelenik meg különböző képzési szinteken – egyre népszerűbb a hallgatók és tanárok körében egyaránt. Szoftverfejlesztői szempontból a probléma az, hogy még nincs jól kidolgozott egységes módszer a multimédiás oktatószoftver tervezésére és fejlesztésére, sőt az ilyen alkalmazások minősítésének kritériumai sem kiforrottak igazán [2][4].
1
PhD, főiskola tanár, Nemzeti Közszolgálati Egyetem Katonai Repülő Tanszék,
[email protected] Lektorálta: Prof. Dr. Óvári Gyula CSc, egyetemi tanár, Nemzeti Közszolgálati Egyetem Katonai Repülő Tanszék,
[email protected] 2
1
Szolnoki Tudományos Közlemények XVI.
2. A SZÁMÍTÓGÉPES SZEMLÉLTETŐ ANYAGOK SZEREPE AZ OKTATÁSBAN 2. 1. A multimédia az oktatásban A multimédia oktatási célokra való felhasználásának alapja az a nézet mely az oktatást a tanítás és a tanulás oldaláról vizsgálja. Nyilván ebben a viszonyban a tanulás kap nagyobb hangsúlyt. E szerint az oktatási módszernek: kis egységekre kell bontani a feldolgozandó tananyagot; minden egységben gondoskodni kell a hallgató aktív közreműködéséről; minden egységben lehetőséget kell biztosítani a hallgatónak tevékenysége ellenőrzésére. A multimédia segítségével történő tanulás: olyan technológia felhasználásával történő tanulás, amely összetett médiarendszerrel teszi lehetővé a számítógéppel irányított interakciót. Olyan képi megjelenítési formákat integrál, mint az adatok, hang, grafika, animáció, állókép, mozgókép és a valósidejű szimuláció. A többféle megjelenítési forma párbeszédes (interaktív) összeköttetését a számítógép központi helyzete biztosítja [1]. A megfelelően megtervezett multimédiás oktatószoftverek alkalmazása esetén a számítógép alapú tananyagok a szemléltetés támogatására a leghatékonyabb eszközök lehetnek, mivel rugalmasan igazodnak a hallgató egyéni tanulási tempójához, végigvezetik a hallgatót az elsajátítandó tananyag láncolatán, a hallgató tudásszintjének megfelelő példákat és feladatokat mutatnak, és lépésről lépésre tesztelik a hallgatót, hogy megértette-e az anyagot. Emellett alkalmas olyan szituációk vagy rendszerek modellezésére, mellyel a hallgató közvetlen kapcsolatba nem, vagy csak kivételes esetekben kerülhet (például a repülőgép szárnymetszet körüláramlásának problémái) [8]. 2. 2. A hallgatók és a multimédia kapcsolata A hallgatók körében azért indokolt és kedvelt a számítógép használata, mert egy gyors technikai fejlődéssel jellemezhető világban élnek, és teljes rutinnal keresik meg a számukra szükséges adatokat a hatalmas információrengetegben. Míg a könyvekből való tanulás sokuk számára unalmas elfoglaltságot jelent, addig lenyűgözi őket a számítógépes grafika, mozgás és hang [5]. Képesek hosszú időt eltölteni számítógép előtt, mert minden információ megfelelő tálalás esetén más és más érdekes formában jelenik meg előttük, így észre sem veszik, hogy tanulnak. 2. 3. A multimédiás oktatás előnyei A multimédiát felhasználó oktatásnak számos előnye van, íme közülük néhány: támogatja az egyéni tanulást; megszünteti a tantárgyak közti éles határokat; növeli a kreativitást; egyénileg és csoportosan is biztosítja az aktív tanulási folyamatot [3]; a multimédia rendszerek integrálni képesek szinte valamennyi taneszközt, így az információk nem csak egy érzékszervünkön keresztül jutnak el hozzánk, ami lehetővé teszi az ismeretszerzés sokkal hatékonyabb módját; a multimédia oktatóprogramok használata a felhasználótól nem igényel számítástech-
2
Szolnoki Tudományos Közlemények XVI.
nikai ismereteket, így széleskörű elterjedésüknek nincs akadálya; kísérletek igazolják, hogy a multimédiát felhasználó oktatás, tanulás során az ismeretek elsajátítási aránya lényegesen javulhat, miközben a tanulásra fordított idő jelentősen csökkenhet.
A hagyományos tanulás során a tanár kénytelen tempóját az átlagos tanulóhoz igazítani, így a jobb hallgatók unatkoznak, a gyengébbek pedig, lemaradnak. A számítógépes oktatással elérhető az, hogy a hallgató az elsajátítandó anyagban saját képességeihez mérten haladjon. 2. 4. A multimédiás oktatás hátrányai
A multimédia fejlesztő szoftverek, valamint hardver eszközrendszerének az ára magas; gyakori és didaktikailag nem átgondolt használata károsan hathat a hallgatók személyiségére; nem megfelelő oktatói koordinálás esetén a tanítási-tanulási folyamat módszereinek egyoldalúságához vezethet, ami csökkenti a hallgató alkalmazkodási képességét más módszerekkel szemben; egy ilyen oktatási program előállítása a hagyományos pedagógiai eszközöknél lényegesen több időt és költséget igényel; a „verbális” típusúak között némileg több a szövegre orientált, a képi információt nehezebben kezelő hallgató, akik számára kiegészítő magyarázatok nélkül az oktatóprogramok nehezen használhatók; az önálló fejlesztési lehetőségek nehezek, mivel a rendszer szoftver és hardver eszközeinek teljes kidolgozása több szakterület magasan kvalifikált szakembereinek összehangolt munkáját feltételezi; alkalmazása – jól – felkészült oktató szakembert feltételez.
2. 5. Az alkalmazáshoz szükséges eszközök A multimédia programok több alkalommal jeleníthetnek meg mozgófilmet, animációkat és játszhatnak le hangfájlokat, amelyek nagymértékben leterhelhetik a számítógépet [11]. Ilyen alkalmazások futtatásakor a számítógép temérdek adatot szállít a CD-ről vagy a merevlemezről a képernyőhöz és/vagy a hangfalakhoz, így szükséges a megfelelő teljesítményű számítógép. Az általam készített multimédia anyaghoz is olyan szoftvert igyekeztem választani, hogy a feltételezett felhasználók számítógépén is alkalmazható legyen. 2. 6. Elvárások a multimédiás oktatószoftverrel szemben Laaser, Barnard és Sandberg [7] az első multimédiás szoftverek tesztelése során a következő tapasztalatokat vonták le: a hallgatók professzionális programokat várnak el, mert az általuk ismert, nem oktatási célú kereskedelemben kapható termékekhez viszonyítanak; előnyben részesítik azokat a programokat, melyek vizsgára készítenek elő, vagy amelyek egy megfelelő fejezet nehéz részeit magyarázzák meg; a programokat akkor fogadják el, ha azok képesek azonnali válaszokat adni a tanulás közben felvetődő kérdésekre, és a hallgató hatékonyan maga irányíthatja tanulását.
3
Szolnoki Tudományos Közlemények XVI. A felhasználókat a szoftver alkalmazásakor az alábbi tényezők érdeklik elsősorban: a multimédia alkalmazás képernyőn való esztétikai megjelenése; az átadandó információ megjelenésének módja; a képernyőoldalak közötti navigálási rendszer bonyolultsága; a szoftver egyéb részeinek kezelési bonyolultsága. Az elkészült oktatószoftver első tesztelésekor a navigálási bonyolultság felmérése a legfontosabb. A jól megtervezett navigáció nem engedi, hogy a felhasználó eltévedjen a hatalmas információtömegben. A tanítási és tanulási folyamatot elősegítő tevékenység a gyakorlás, így célszerű úgy felépíteni multimédiás alkalmazásunkat, hogy a hallgató bármelyik pillanatban beépített példákon keresztül gyakorolhassa azt, amit azelőtt megtanult. A megvalósítás során arra is oda kell figyelni, hogy a készülő számítógépes oktatóprogram képes legyen interaktívan működni, alkalmazkodjon a tanulók egyéni igényeihez és engedjen önállóságot. Egy számítógépes prezentáció szerkezetét tekintve a menürendszer már önmagában is hasznos, hiszen jól rendszerezheti a bemutatásra kerülő anyagot, ezáltal könnyebb tanuláshoz vezet. 2. 7. A felhasznált médiumok aránya A multimédiás taneszközök az oktatási folyamatban változatos funkciókat láthatnak el: motiválás, ismeretnyújtás, szemléltetés, rendszerezés, gyakorlás, ismétlés, rögzítés, ellenőrzés, a tanulás irányítása. A multimédiás taneszköz-használat a tanár oktató-nevelő munkáját segítheti, kiegészítheti, fokozhatja, szimulálhatja, helyettesítheti, új dimenzióba helyezi. A multimédia felhasználásával megtekinthetők a bonyolult, nehezen elsajátítható, kevésbé hozzáférhető, nem látható, vagy éppen az emberre veszélyes tárgyak jelenségek. Ebben a folyamatban fontos, hogy megfelelő legyen a felhasznált médiumok aránya. 2. 8. Vizuálergonómiai szempontok Az oktatószoftver, a tartalmi informatív részén kívül a színei, elrendezése, anyag minősége, kreativitása, egyszóval a felhasználó centrikus vizuálergonómiája miatt válhat kedveltté. Nem beszélve arról, hogy a színeknek önmagukban is van jelentésük és érzelmi állapotok is társíthatók hozzájuk, vagyis többlet információt hordoznak, melyek pótlásáról verbális formában kellene gondoskodni. A színek szerepe tehát jelentős, viszont használatuk során jó néhány dologra oda kell figyelni. A színek együttes használata során jó, ha tudjuk, hogy a sárga és a fekete színek együttesével érhető el a legnagyobb kiemelés, míg egy vörös háttérre kékkel írt szöveg olvasása rendkívül zavaró, mivel a szem egyszerre nem képes e két színre fókuszálni. A piros - sárga - zöld hármas a legjobban észlelhető színkombinációk természetes megvilágítás mellett (lásd közlekedési lámpák). Kiemelésre, figyelemfelkeltésre leginkább a telített színek alkalmasak, míg egy magyarázó jellegű prezentáció jobb, ha kevéssé telített, egymással harmonizáló pasztellszínek használata javasolt. Emberek sokaságát megvizsgálva adódott a felfedezés, mely szerint az emberi látórendszer sokkal kevésbé érzékeny egy adott kép színinformációinak megváltozására, mint a fényerős-
4
Szolnoki Tudományos Közlemények XVI. ségviszonyok megváltozására [9]. Tehát, ha a szövegben az előtér és a háttér között nincs fénysűrűség kontraszt csak színkontraszt, akkor igen nehezen olvasható a szöveg. A szoftver képernyőinek tervezésénél ügyelni kell arra, hogy ne használjunk komplementer színeket közvetlenül egymás mellett. 2. 9. Pedagógiai- pszichológiai szempontok a multimédia tananyag készítéséhez Ahhoz, hogy a multimédiás szemléltető anyagok – az előzőekben vázolt – szerepüket betöltsék, a következő pedagógiai-pszichológiai szempontoknak kell érvényesülni [6]: tartalmazzon több médiumot (szöveg, hang, álló-, mozgókép animáció); a kép nagysága és minősége megfelelő legyen; a szöveg mennyisége a képernyőtervezésnél arányos legyen; a betűnagyság - szabványok szerint - könnyen olvasható legyen; a hangminőség élvezhető legyen; a mozgókép digitalizálás minősége jó legyen; az információ szerkesztése a képernyőn áttekinthető legyen; a háttér legyen jellegzetes; a képernyőn az információ színei és a háttér legyenek összhangban (a háttér kiemeli az információt); az alkalmazás sikeréhez járuljon hozzá a kezelő pedagógus; a multimédiás szemléltetés célokat kitűző legyen; feleljen meg a hallgatók céljainak és igényeinek; didaktikai célok részletes meghatározása; fontos a nevelési célok meghatározása a programon keresztül; az induló (a felhasználó) szint határozott legyen; biztosítson jártasságot és készségeket a tananyagban; különböző igényeket elégítsen ki, mert lehetséges, hogy különböző felkészültségű hallgatók használják; legyen motiváló hatása; biztosítsa a tanulás- és önálló tanulás lehetőségét a hallgatók számára; biztosítsa a lehetséges interaktivitást; a tanagyag legyen korszerű; tartalmazzon szemléltetést, keltse fel és tartsa fenn az érdeklődést. 2. 10. A szoftver kiválasztása A szoftver kiválasztásánál jelentős mértékben befolyásolt az a körülmény, hogy lehetőleg olyan legyen, amely széleskörűen elterjedt és szinte valamennyi számítógépen megtalálható. Magyarországon az IBM PC- k aránya mintegy 90%. Az OFFICE csomag szinte minden számítógépre telepítve van, amelynek részei az általam választott szoftverek: a PowerPoint, valamint a Microsoft Photo Editor. Ezen kívül az önállóan futtatható multimédiás alkalmazás elkészítéséhez a NeoBook 5.5.4 multimédia-szerkesztő szoftvert használtam [12]. A NeoBook multimédia-fejlesztő szoftvert korábbi cikkeimben bemutattam!
5
Szolnoki Tudományos Közlemények XVI.
3. A RELÜLŐGÉP SZÁRNYMETSZET AERODINAMIKAI JELLEMZŐINEK SZEMLÉLTETÉSE A Nemzeti Közszolgálati Egyetem Hadtudományi és Honvédtisztképző Kar Katonai Üzemeltető Intézet Katonai Repülő Tanszéken az aerodinamika című tantárgy a szakalapozó tantárgyak közé tartozik. A hallgatók e tantárgy oktatása során sajátítják el azokat az alapvető aerodinamikai ismereteket, amelyek szükségesek a repülésmechanika tantárgy valamint a szaktantárgyak elsajátításához. Az aerodinamika tantárgy tematikája úgy van felépítve, hogy csak egy szigorúan meghatározott logikai sorrendben lehet haladni az oktatás során. A szemléltetésre kezdetben táblai rajzok, írásvetítő transzparensek szolgáltak, amelyek korlátait igyekszem feloldani az általam korábban készített számítógépes szemléltetésekkel, valamint az újabb alább bemutatott a multimédiás alkalmazással. Az általam elkészített multimédiás anyag a jobb megértést hivatott elősegíteni, miközben az egyszerű ábráknál jelen van előadás közben a táblai élőmunka is. Az anyag biztosítja az ismételhetőséget a hallgatók számára. Ezek után nézzük meg az elkészült önállóan futtatható multimédiás programcsomagot: A CD behelyezésével az un. AERODINAMIKAI JELLEMZŐK exe. önállóan indul, és a nyolc lehetséges gomb közül választhat a felhasználó (1. ábra).
1. ábra Az „Aerodinamikai jellemzők” exe. nyitó oldala
Amennyiben az „Felhajtóerő-tényező az állásszög függvényében” gombot választjuk, akkor ennek az önállóan is futtatható programnak a kezdő oldal jelenik meg (2.ábra).
6
Szolnoki Tudományos Közlemények XVI.
2. ábra A „Felhajtóerő-tényező az állásszög függvényében” szimmetrikus profil
A jobbra mutató „Repülőgép” (ez a tovább gomb) gombra kattintgatva a szimmetrikus és aszimmetrikus profilok körüláramlását látjuk különböző állásszögek esetén és a hozzá tartozó Cy = f() függvény alakulását. Ennek a sorozatnak az utolsó ábrája a kritikus állásszögnél nagyobb állásszög esetére mutatja az előbbi függvényt (3. ábra).
3. ábra A „Felhajtóerő-tényező az állásszög függvényében” aszimmetrikus profil
Az előbbi oldalon az előre, és vissza-navigáló gombokon kívül az áramlásleválás[10] animációja és a felhajtóerő-tényező számítása is külön behívható(4. ábra).
7
Szolnoki Tudományos Közlemények XVI.
4. ábra Áramlásleválás
Az ellenállási erőtényező változására az állásszög függvényében a kezdő oldalon lévő ugyanilyen nevű gombra való kattintás után jutunk (5, 6 ábrák).
5. ábra Az „Ellenállási erőtényező az állásszög függvényében” szimmetrikus profil
8
Szolnoki Tudományos Közlemények XVI.
6. ábra Az „Ellenállási erőtényező az állásszög függvényében” aszimmetrikus profil
A felhajtóerő-tényező és az ellenállási erőtényező ábráiból szerkeszthető a c y = f(cx) görbr, melyet a szárnymetszet polárisának nevezünk. A polárisszerkesztés a „Neobook” programban az adott szerkesztési pontok, mint objektumok meghatározott (kijelölt) útvonalon való mozgatásával, mint programművelettel lett megvalósítva (7. ábra).
7. ábra A „ Szárny-poláris szerkesztése” programoldal
A jósági szám szerkesztése a „menü”-ből indítható és manuálisan is végrehajtható az oldalak közötti navigálással, illetve animációval is megtekinthető (8.ábra).
9
Szolnoki Tudományos Közlemények XVI.
8. ábra Az aerodinamikai jósági szám szerkesztése
Az olyan repülési sebességeknél, ahol a levegő összenyomhatósága már nem hanyagolható el, a szárnymetszet aerodinamikai jellemzőit, azaz a felhatóerő-tényezőt és az ellenállási erőtényezőt nem az állásszög, hanem a Mach-szám függvényében ábrázoljuk (9, 10 ábrák).
9. ábra A felhajtóerő-tényező a Mach-szám függvényében
10
Szolnoki Tudományos Közlemények XVI.
10. ábra Az ellenállási erőtényező a Mach-szám függvényében
A 10. ábrán jól látszik, hogy az M = 1 értéknél az ellenállási erőtényező a hullámellenállás értékével jelentősen megnövekszik. A hullámellenállás csökkentésének egyik módja a szárny nyilazása (11 ábra). A 11. és a 12 ábrákon az „animáció” gombbal az egyenes és a nyilazott szárnyak körüláramlása látványosan bemutatható.
11. ábra Az egyenes szárny
11
Szolnoki Tudományos Közlemények XVI.
12. ábra A nyilazott szárny
A bemutatott és általam megvalósított, oktatóanyag szervesen illeszkedik a „merevszárnyú repülőgépek aerodinamikája és repülésmechanikája”, valamint „a helikopter aerodinamikája és repülésmechanikája” tantárgyakhoz készített multimédiás oktatóanyaghoz, azaz egy komplex számítógépes rendszerbe és az eddigi tapasztalatok alapján eredményesen használható. FELHASZNÁLT IRODALOM [1] BÁTORI Zoltán – Falus Iván szerk.: Pedagógiai Lexikon. Karaban Könyvkiadó, Budapest, 1997. [2] BÉKÉSI László:A multimédia alkalmazási lehetőségei a helikopter aerodinamika tantárgy elsajátítási hatékonyságának növelésében. Repüléstudományi közlemények 1999/1 Repüléstudományi konferencia 1999. április 17. [3] BÉKÉSI László:Új lehetőségek alkalmazhatósága a repülő sárkány-hajtómű szakon tanuló hallgatók képzésében. http://www.mtesz.hu/szolnok/tudnap2000/eahtm/29_Bekesi/29_BEKESI.htm [4] Ch. SPANIK – H. RÜGHEIMER: A multimédia alapjai, Kossuth Könyvkiadó 1995. [5] ELSAYED H.: Pedagógiai- pszichológiai szempontok a multimédia tananyag készítéséhez. Multimédia az oktatásban konferencia, Budapest, BME., 1998. Jun. 28. [6] FALUS Iván szerk.: Didaktika. Elméleti alapok a tanítás tanulásához. Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 1998. [7] IZSÓ Lajos: Multimédia oktatási anyagok kidolgozásának és alkalmazásának pedagógiai, pszichológiai és ergonómiai alapjai, Budapesti Műszaki Egyetem Távoktatási Központ, 1998. [8] Médiakommunikáció: Útban a multimédia-didaktika felé, 1994. 1-2. szám. [9] NAGY Sándor: Az oktatáselmélet alapkérdései, Tankönyvkiadó, Budapest, 1996. [10] POKORÁDI László: Aerodinamika. I., II., III. Főiskolai jegyzet, MH. Szolnoki Repülőtiszti Főiskola, 1993. [11] Ralf STEINMETZ: Multimédia, Bevezetés és alapok, Springer Hungarica Kiadó (1995). [12] RENNER Péter, Neosoft Corp.: Készítsük elektronikus kiadványt, multimédiás CD-t egyszerűen a NEOBOOK Professional for Windows programmal.
12
