Применение электронных компьютерных лабораторий в дистанционном обучении при изучении электротехнических дисциплин

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Повышенный интерес к дистанционному обучению, который возрастает сегодня во всем мире особенно с использованием интернет - технологий, имеет объективную основу. Развитие сети Интернет открывает новые перспективы дистанционного образования, при которых учащемуся обеспечиваются возможности, свойственные очному обучению, а также целый ряд дополнительных возможностей, возникших в связи с развитием современных информационных технологий. Дистанционное образование становится единственной реальной возможностью учиться в индивидуальном режиме независимо от места и времени, так как люди, обучающиеся дистанционно, могут выбирать удобное для себя время занятий согласно собственному расписанию [1]. Для этих целей разрабатываются различные компьютерные учебные материалы в виде электронных учебников, средств тестирования и т.п., которые позволяют автоматизировать теоретическую подготовку студента, изучающего ту или иную дисциплину.

При подготовке инженера важную роль в освоении технических наук играет лабораторный практикум, целью которого является экспериментальная проверка теоретических положений, формирование практических умений и навыков работы с реальными физическими объектами и оборудованием, а также привитие навыков экспериментальных исследований и обработки полученных результатов.

Анализ последних исследований и публикаций показывает, что в настоящее время во всем мире ведется активная разработка и внедрение виртуальных лабораторий в учебный процесс [1-3].

Из всех используемых компьютерных средств можно выделить четыре вида компьютерных лабораторий и близких к ним программ, между которыми существуют качественные различия.

1. Интерактивные демонстрации. В большинстве случаев демонстрационные программы не являются компьютерными лабораториями, так как не содержат достаточно элементов интерактивности, но могут успешно выполнять функции по показу проведения экспериментов. Чаще всего такие программы являются частью электронных учебников как вспомогательное средство для восприятия учебного материала.

2. Простые модели. Наиболее часто встречающийся вид. Простая модель представляет собой, как правило, модель одной лабораторной работы, которая является полноценной виртуальной компьютерной лабораторией. Примерами виртуальных компьютерных лабораторий этого вида являются:

- виртуальная лаборатория по общей физике (ИДО ТГУ) [4];

- компьютерный лабораторный практикум по физике (МГТА) [5];

- компьютерные иллюстрации к законам движения [6].

3. Универсальные лаборатории для класса явлений. Универсальность таких систем обеспечивается системным подходом к моделированию и разработке моделей. Такие виртуальные компьютерные лаборатории могут быть близки по своим возможностям к программам, используемым для реальных научных или производственных расчетов. Примерами относительно простых лабораторий, предназначенных для использования исключительно в образовательных целях, являются:

- СhemLab for Windows от Model Science Software [7];

- Живая Физика [8].

4. Универсальные лаборатории. Действительно универсальными являются компьютерные лаборатории, в возможности которых заложено использование в одном эксперименте явлений различной природы. Примерами лабораторий этого вида являются:

- Crocodile Physics от Crocodile Clips Ltd [9];

- Electronics Workbench [10];

- Система моделирования МАРС (ТУСУР) [11].

Среди перечисленных выше компьютерных лабораторий наибольший интерес для проведения лабораторного практикума по электротехническим дисциплинам представляют универсальные лаборатории.

Цель работы - исследовать возможность использования компьютерных виртуальных лабораторий для проведения лабораторных работ по курсу «Теоретические основы электротехники» (ТОЭ).

Лабораторный практикум, который проводится сейчас на кафедре теоретической и общей электротехники (ТиОЭ), благодаря наличию Универсальных исследовательских лабораторных стендов (УИЛС), специального набора элементов, предназначенных для сборки электрических цепей, и измерительных приборов позволяет исследовать реальные физические процессы, происходящие в реальных электрических цепях. Используя данную базу можно проводить лабораторный практикум не только по всему курсу ТОЭ, но и по таким дисциплинам, как электрические измерения, промышленная электроника и др.

УИЛС состоит из нескольких функциональных частей: источников питания, рабочего поля и блоков переменного сопротивления, емкости и индуктивности.

Проведение лабораторных работ по курсу ТОЭ на стендах УИЛС знакомит студентов с реальными элементами электрических цепей, с современными измерительными приборами, дает навыки сборки простейших схем и проведения измерений. С точки зрения практического усвоения курса ТОЭ - это наиболее оптимальный вариант. Однако, как показывает практика, сборка электрических цепей и подключение измерительных приборов занимает около 30% времени на лабораторной работе. При этом возникают определенные трудности:

- для фронтальной постановки лабораторных работ требуется дорогостоящее оборудование и большой набор современных измерительных приборов;

- результаты исследований подвержены влиянию ненадежных контактных соединений, обрыву соединительных проводов, ненадежности работы измерительных приборов и т.д.;

- имеется опасность перегрузки и выхода из строя как источников питания, так и измерительных приборов;

- невозможность реализации на стендах аварийных режимов.

Развитие соответствующего программного обеспечения компьютеров позволяет моделировать любые электронные устройства, производить всевозможные измерения, а так же с помощью численных методов расчёта исследовать достаточно сложные модели, при этом точность полученных результатов приближается к точности экспериментальных исследований на реальных объектах. Таким образом, в распоряжении преподавателей есть как лаборатории с реальными объектами и измерительными устройствами, так и современные электронно-виртуальные лаборатории. Причем, с точки зрения сборки цепей и подключения измерительных приборов нет разницы между реальными и виртуальными элементами и устройствами (рис.1). В виртуальной среде можно устанавливать любые параметры элементов для получения полного сходства их с характеристиками реальных элементов. Это открывает широкие перспективы использования электронно-виртуальных лабораторий, в которых нет опасности ни для студентов, ни для оборудования и приборов, для проведения лабораторного практикума по электротехническим дисциплинам.

педагогический дистанционный практикум лабораторный

Рис. 1. Сопоставление элементной базы стенда УИЛС (а) и виртуальной лаборатории «Electronics Workbench» (б)

Существует несколько основных программ моделирования электронных схем: «Electronics Workbench» («Электронная лаборатория»); «Micro - Cap» («Программа анализа схем на микрокомпьютерах») и т.д.

Для изучения и анализа процессов в несложных электрических и электронных схемах, например, при моделировании различных статистических и динамических режимов работы электрических цепей, полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, микросхем) и на их основе различных функциональных узлов аналоговых и цифровых устройств, чрезвычайно привлекательным является пакет «Electronics Workbench», который, по существу, представляет собой виртуальную лабораторию с достаточно широкими возможностями (рис.2). В данной среде имеется большое количество виртуальных элементов и измерительных приборов. Как отмечалось выше, с помощью их можно моделировать любую электрическую и электронную схему, а также проводить исследования реальных физических процессов, протекающих в цепях [12, 13].

Результаты измерений, проведенных в электронно-виртуальной лаборатории, более точны, чем на практике, так как не подвержены влиянию плохих контактов в цепях, обрыва проводов и т.д. На рис.3а показана экспериментальная осциллограмма напряжения на емкости в лабораторной работе «Исследование переходных процессов в разветвленных цепях первого порядка», полученная на стенде УИЛС, а на рис.3б показана та же осциллограмма, полученная с помощью виртуальной лаборатории «Electronics Workbench». Результат сопоставления осциллограмм явно в пользу виртуальной лаборатории, которая относиться к классу универсальных унифицированных лабораторий.

Рис. 2. Виртуальная элементная база и измерительные приборы «Electronics Workbench»

Рис. 3. Сопоставление экспериментальных осциллограмм стенда УИЛС (а) и виртуальной лаборатории «Electronics Workbench» (б)

Исследование возможностей компьютерной лаборатории показало, что ее можно использовать в лабораторном практикуме с использованием методических указаний, разработанных для стендов УИЛС. Методика постановки лабораторных работ, заложенная в стендах УИЛС, полностью соответствует возможностям виртуальной лаборатории «Electronics Workbench». В стенде УИЛС имеются отдельные элементы (источники питания, катушки индуктивности, конденсаторы и т.д.), с помощью которых собираются исследуемые электрические цепи. Те же самые элементы и измерительные приборы заложены и в виртуальной лаборатории «Electronics Workbench». Но возможности виртуальной лаборатории «Electronics Workbench» с точки зрения элементной базы и измерительных приборов гораздо шире. При этом программа может служить тренажёром для усвоения принципов работы с реальными измерительными приборами и схемами и формировать необходимые для этого навыки.

Сочетание виртуальных лабораторных работ с математическими пакетами «Maple, Mathcad, Matlab» и др. позволяет не только быстро обрабатывать экспериментальные данные и строить графики, но и исследовать динамику изменения процессов в цепи при изменении каких-либо параметров или нарушении режимов работы.

Виртуальный лабораторный практикум, безусловно, отдаляет студентов от реальных физических объектов, однако имеет свои достоинства.

В настоящее время в рамках развития дистанционного обучения на кафедре ТиОЭ ведется разработка дистанционного курса ТОЭ на основе программы «WEB класс ХПИ», а в лабораторный практикум внедряеться программа «Electronics Workbench».

Выводы и перспективы дальнейших исследований:

1. Исследования электрических явлений на реальных физических макетах требует наличия дорогостоящего лабораторного оборудования и измерительных приборов, однако они являются наиболее оптимальным методом проведения лабораторных работ, так как дают возможность получить навыки работы с реальными электрическими цепями и измерительными приборами несмотря на определенные трудности проведения экспериментов.

2. Применение электронно-виртуальных лабораторий в процессе обучения позволяет расширить круг решаемых задач, помогает студентам создавать математические модели устройств, моделировать и создавать разные режимы роботы электрических схем, исследовать в широком диапазоне особенности работы электрических цепей, проводить детальный анализ полученных результатов с помощью математических пакетов. При этом главное достоинство виртуальных лабораторий - возможность дистанционного проведения лабораторных работ.

Литература

1. Средства дистанционного обучения. Методика, технология, инструментарий. Под ред. Джалиашвили. - СПб.: БХВ - Петербург, 2003. -336с.

2. Практикум дистанционного обучения. 2-е издание. Под ред. В.Н. Кухоренко. - К.: Милленниум, 2003. - 196с.

3. Глушков С.В., Ломотько Д.В., Мельников И.В. Работа в сети Internet. Учебный курс. - Харьков: Издательство АСТ, 2001. -346с.

4. http://ido.tsu.ru/russian/course.phtml?c=13&n=1

5. http://www.bitpro.ru/ITO/2001/ito/II/1/II-1-36.html

6. http://www.ifmo.ru/butikov/Projects/Laws_of_motionR.html

7. http://modelscience.com

8. http://www.int-edu.ru/soft/

9. http://www.crocodile-clips.com/phys.htm

10. http://www.interactiv.com

11. http://toe.tusur.ru/index.php?id=8

12. Карлащук В.І. Електронна лабораторія на IBM PC Electronics Workbench та її використання.// Солон-Р.- 2000. С. 156-189.

13. Панфилов Д.И., Иванов В.С., Чепурин И.Н. и др. Электротехника и Электроника в экспериментах и упражнениях. Практикум на Electronics Workbench. в томах (том 1: "Электортехника"; том 2:"Электроника") / под общей редакцией проф. Панфилова Д.И. Додека, 2000. 600 стр.

Размещено на Allbest.ru