Структура истории успеха: внедрение САПР «ГАММА» в учебный процесс СевГУ

Исторический контекст и происхождение решения

САПР “ГАММА” зародилась в стенах Севастопольского государственного университета (СевГУ) в 2014 году в роли исследовательского инженерного продукта. В 2022 году начала коммерциализироваться в рамках учебного заведения как аналог популярных зарубежных инженерных продуктов, ушедших с рынка в связи со сложившейся геополитической ситуацией. А уже в 2024 году произошла передача всех активов, связанных с программой, молодой компании ООО “ГАММА Тех” для дальнейшего развития продукта, интеграции разработанных решений и технического сопровождения. 
    

В этой статье рассмотрим историю успешного внедрения САПР “ГАММА” в учебные процессы СевГУ на основе реальных практических примеров, оценим результаты интеграции и расскажем о дальнейших перспективах для развития.
 

Об образовательной организации

СевГУ — один из крупнейших научно-образовательных центров юга России и крупнейшее высшее учебное заведение Севастополя. Университет выпускает кадры по широкому перечню технических, гуманитарных и естественно-научных направлений и является ключевым инженерным центром, занимающимся передовыми исследованиями. 
 

САПР “ГАММА” интегрирована в направления, связанные с радиотехникой, антенными системами и СВЧ-технологиями: 

Бакалавриат:

• 11.03.01 радиотехника;
• 11.03.02 инфокоммуникационные технологии и системы связи.

Магистратура:

• 11.04.01 радиотехника;
• 11.04.02 инфокоммуникационные технологии и системы связи.

Специалитет:

• 11.05.01 радиоэлектронные системы и комплексы.

Также в учебном заведении организован дополнительная профессиональная программа повышения квалификации: “Основы проектирования антенн и устройств СВЧ в пакете ГАММА”.

Для университета крайне важно наличие российских инженерных инструментов для обеспечения технологической независимости и непрерывности учебного процесса, а также повышения востребованности будущих специалистов, благодаря знакомству с  отечественными промышленными стандартами.

Задачи и мотивы внедрения

Необходимость внедрения САПР “ГАММА” в учебный процесс Севастопольского государственного университета сформировалась из комплекса педагогических, технологических и стратегических задач:

• Использовать современную доступную систему численного электродинамического моделирования. Курс на технологическую независимость без потери качества расчетов. 
• Обеспечить сквозную подготовку студентов: от 2 курса бакалавриата до магистратуры. Единая цифровая среда для наращивания навыков в процессе обучения, где начальная точка — запуск простых расчетов, финальная — создание дипломного проекта. 
• Повысить наглядность работы с волноводами, резонаторами, антеннами и СВЧ-устройствами. Интерактивное моделирование вместо работы с абстрактными схемами и формулами. 
• Стандартизировать лабораторные работы на единой платформе. Создание общего систематизированного банка заданий и моделей. 
• Организовать простой доступ студентов к ПО для самостоятельной работы. Развитие компетенций в дополнительное время, углубленное изучение теоретических материалов лекций, предоставление инструмента для выполнения курсовых и дипломных работ.

Выполнение этих задач позволило университету достичь единства используемых методик и технологий в образовательном процессе, расширить практические навыки студентов и приблизиться к цифровой независимости.

Выбор и обоснование решения

Выбор в пользу САПР “ГАММА” как инструмента для выполнения перечисленных выше задач был сделан по ряду причин: происхождение, функциональность и технологическая независимость. Разберем каждый из них подробнее.
    

Происхождение. Идея САПР “ГАММА” зародилась в стенах университета, поэтому изначально это было знакомое и понятное решение, которому можно доверять.
    

Функциональность. Одного происхождения мало, поэтому достаточно весомой причиной выбрать САПР “ГАММА” стали ее обширные возможности для проектирования и моделирования СВЧ-электроники, полностью соответствующие требованиям учебных дисциплин. Программа представляет собой реальный инженерный инструмент, применимый в отрасли, что является весомым преимуществом для наращивания опыта будущих инженеров.
    

Технологическая независимость. Продукт является российской разработкой, которой не страшны внешние санкции, что приближает университет к достижению цифрового суверенитета.
    

Таким образом, выбор в пользу отечественной системы автоматического проектирования “ГАММА” закрыл потребности университета в многофункциональном инженерном программном обеспечении, которое должно быть для студентов не просто учебным тренажером, а одним из первых рабочих инструментов на их профессиональном пути. 
 

Комплексное внедрение в учебный процесс

Для целостности процесса внедрения был выбран подход «снизу вверх», который подразумевает последовательное погружение студентов в работу с программой по мере возрастания их компетенций. Сначала проектирование простейших устройств и моделирование базовых электродинамических процессов на начальных курсах бакалавриата и специалитета, затем переход к изучению реальных моделей, акцент на оптимизации и технических требованиях на крайних этапах обучения. 

При такой методике к концу обучения и переходу в магистратуру САПР “ГАММА” становится основным инструментом для научно-исследовательской и проектной деятельности. Освоение происходит комплексно и охватывает ряд фундаментальных инженерных дисциплин, необходимых для становления высококвалифицированных специалистов.

Бакалавриат
 

• Электродинамика
• Распространение радиоволн
• Антенные системы
• Устройства микроволнового диапазона
      

Магистратура
 

• Моделирование устройств сверхвысоких частот и антенн в программном пакете ГАММА
• Разработка и применение интеллектуальных антенных систем в телекоммуникациях
   

Специалитет
 

• Теория электромагнитного поля
• Распространение радиоволн
• Антенные системы радиоэлектронного комплекса
• Устройства микроволнового диапазона
   

Дополнительная профессиональная программа повышения квалификации
 

• Основы проектирования антенн и устройств СВЧ в пакете ГАММА

Программа стала инструментом для выполнения практических и лабораторных работ, а также исследовательских проектов. Теперь у студентов есть единая среда, постепенно осваиваемая в ходе обучения и решающая ключевые задачи образования: от освоения теории до создания собственных разработок. 

Цифровой доступ для обучающихся

Один из ключевых факторов успеха интеграции САПР “ГАММА” в учебный процесс — организация гибкой и удобной системы лицензирования, выходящей за рамки специализированных лабораторий. А именно — выдача бесплатных лицензий для студентов.
    

Такой шаг позволил студентам устанавливать лицензированное ПО на персональный компьютер с достаточным для обучения функционалом, приближенном к реальному. Образовательный процесс вышел за рамки расписания лабораторных и практических работ. У студентов появился круглосуточный доступ к платформе для закрепления и совершенствования полученных знаний и накоплении собственной библиотеки моделей для выполнения курсовых работ.
    

Предоставление постоянного цифрового доступа для обучающихся не просто улучшило эффективность учебного процесса, но и сформировало привычку у обучающихся к самостоятельной, инициативной проектной работе, максимально приближенной к реальной.

Масштаб использования (цифры)

Успешность внедрения САПР “ГАММА”, ставшего неотъемлемой частью подготовки инженеров всех ступеней образования в СевГУ, можно оценить по масштабам использования.
    

В общей сложности, в учебном процессе с применением САПР “ГАММА” задействованы 337 студентов, среди которых:
    

• Бакалавриат: 236 студентов (162 —  очно и 74 —  заочно).
     
• Специалитет: 57 студентов очно.
   
• Магистратура: 84 магистранта (66 —  очно, 18 —  заочно).   

Программный комплекс интегрирован в 10 учебных дисциплин ключевых технических направлений обучения и охватывает все уровни подготовки: от вторых курсов бакалавриата и специалитета до выпускных курсов магистратуры.

Приведенные цифры — количественный показатель успеха массового внедрения продукта в учебные процессы СевГУ и развития универсальной и расширенной внутривузовской системы.
 

Практические примеры реализации

Применение САПР “ГАММА” на практике эффективно влияет на образовательный процесс. Раньше студентам приходилось долго изучать теорию, чтобы ничего не напутать на практике, потом записывать измерения, вручную обрабатывать их дома, и только затем получать необходимые зависимости в виде графиков.

Теперь этот процесс значительно сократился, потому что студенты могут самостоятельно спроектировать модель и запустить ее моделирование, сразу увидев конечный результат, соответствующий теории. Рассмотрим на конкретных примерах.

Моделирование волноводов: стоячие и бегущие волны.
 

Пример сосредоточен на дисциплине «Электродинамика» 2 курса бакалавриата и специалитета для лабораторных работ:

• «Исследование распределения поля волны типа H10 в прямоугольном волноводе» 
• «Исследование режимов работы нагруженной линии»

Цели работ: Исследовать физику распространения электромагнитных волн в прямоугольном волноводе. Для второй работы добавляется исследование режимов работы линии при подключении различных нагрузок.

Реализация: Студенты самостоятельно создают 3D-модель стандартного прямоугольного волновода, задают материал стенок, рабочую частоту и определяют тип нагрузки на конце (короткозамыкатель или согласованная нагрузка). Затем запускают моделирование характеристик.

Результаты: 

1. Распределение поля волны типа H10 , совпадающего с теоретическим результатом, приведенным выше 
2. Распределение поля при подключении короткозамыкателя (режим стоячей волны) в прямоугольном волноводе в поперечном сечении и во всем объеме. 
3. Распределение поля в прямоугольном волноводе при подключении согласованной нагрузки (режим бегущей волны).

Студент наглядно изучает распределение электромагнитного поля и практически мгновенно видит изменения режимов при подключении различных нагрузок. Получение такого же результата вручную — трудоемкий и энергозатратный процесс. Максимум, который получил бы студент в отведенное время — стандартные 2D графики, которые зачастую очень сложны для понимания и визуализации исследованных процессов.

Моделирование спиральных антенн

Пример сосредоточен на дисциплине «Антенные системы» 3 курса бакалавриата и специалитета для лабораторной работы «Спиральные антенны»

Цель работы: Получить модель цилиндрической спиральной антенны и исследовать ее основные характеристики: диаграмму направленности и входное сопротивление.
 

Реализация: Студенты самостоятельно создают 3D-модель цилиндрической спиральной антенны, задают материал, рабочую частоту и задают условия возбуждения. Затем запускают расчет и получают данные для расчета ДН и входного сопротивления.
 

Результаты:

 

1. Диаграмма направленности и коэффициент усиления 
2. Входное сопротивление антенны (вещественная и мнимая части) 

В данном примере результаты также отличаются яркой визуализацией, особенно объемная диаграмма направленности — самая главная характеристика для понимания работы любой антенны. По такому же принципу в рамках дисциплины «Антенные системы» исследуются и  другие антенны, например, директорные, спиральные плоские или рупорные.

Исследование характеристик печатных излучателей

Исследование проводится в рамках дисциплины «Разработка и применение интеллектуальных антенных систем в телекоммуникациях» 2 курса магистратуры.  

Цель исследования: Получить характеристики печатных излучателей с линейной поляризацией излучения в диапазоне частот n79
 

Реализация: Студенты проектируют модели печатных излучателей и добавляют порты для возбуждения. После запуска расчета исследуются характеристики в зависимости от изменения формы патча.
 

Результаты:

1. Согласование излучателей (оценивается по уровню коэффициента стоячей волны). 
2. Диаграмма направленности для патча с прямоугольным излучателем с максимумом 7,94 дБм. 
3. Диаграмма направленности для патча с круглым излучателем с максимумом 7,88 дБм.

Полученные результаты

Внедрение САПР “ГАММА” в учебный процесс Севастопольского государственного университета привело к качественному изменению инженерной подготовки, результаты которой носят цельный и долгосрочный характер:

1. Повышение качества визуализации и глубины понимания электромагнитных процессов. Абстрактные понятия превратились в наглядные визуализации. Теперь студенты не просто запоминают, а наблюдают и анализируют. 
2. Укрепление практической компоненты инженерного образования. Формирование устойчивых навыков проектирования и моделирования. Развитие интереса к экспериментам и исследованиям. 
3. Возможность подготовки проектов, близких к реальным задачам отрасли. Работа с реальным инструментом для создания сложных устройств СВЧ-электроники. 
4. Рост интереса к исследовательской работе и ВКР с использованием ГАММА. Доступ к мощному инструменту, позволяющий браться за самые сложные и трудоемкие проекты. 
5. Формирование единой инженерной цифровой среды в университете. Развитие компетенций инженера с последовательным повышением сложности выполняемых задач с применением одного инструмента.

Внедрение САПР “ГАММА” положительно повлияло как на методическую составляющую, так и на развитие компетенций студентов, и повысило их интерес к исследовательской деятельности. Но главным преимуществом стало возрастание конкурентоспособности выпускников СевГУ, которые выпускаются из университета с накопленным практическим опытом, максимально приближенном к реальному.
 

Значение для университета

Значение внедрения САПР “ГАММА” для университета имеет особое стратегическое значение, далеко выходящее за рамки модернизации отдельной учебной дисциплины, по ряду важных причин.
    

СевГУ стал первопроходцем в использовании продукта, разработанного на базе университета, что помогло полностью адаптировать его под учебные процессы путем совместного плодотворного сотрудничества.
    

Внедрение САПР “ГАММА” — сознательный выбор в пользу независимости отечественного образования, основанного на использовании российских продуктов. Процесс подготовки кадров, изначально умеющих работать с внутренними решениями, напрямую отвечает требованиям курса на технологический суверенитет.
    

СевГУ демонстрирует успешный пример внедрения отечественной САПР в образовательный процесс. Университет на практике показывает другим техническим вузам страны работоспособную стратегию внедрения российской САПР, предоставляя методики, учебные программы и подтвержденные результаты. Это повышает статус СевГУ как ведущего инженерного центра с востребованным опытом.

Перспективы дальнейшего развития

Успешная интеграция САПР “ГАММА” подготовила прочный фундамент для долгосрочного развития и дальнейшего сотрудничества между университетом и компанией “ГАММА Тех”. В будущем внимание будет сконцентрировано на следующих задачах:    
разработка и внедрение дополнительных лабораторных практикумов;

• Интеграция в курсы по 5G/6G и миллиметровым системам; 
• Создание новых учебных моделей и методических материалов на базе ГАММА; 
• Увеличение доли самостоятельных и проектных работ;
• Использование системы в исследованиях аспирантов.
   

Исполнение этих задач позволит закрепить достигнутые результаты, а также выведет подготовку инженеров СевГУ на новый уровень.