Разработка учебно-методического комплекса по электронике: структура и функциональные возможности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка учебно-методического комплекса по электронике: структура и функциональные возможности

Марченко А.Л.

Аннотация

Концепция непрерывного образования предполагает наличие или разработку электронных учебно-методических комплексов по учебным дисциплинам бакалавриата и специалитета в области техники и технологий. В статье рассмотрена структура и функциональные возможности компонентов разработанного комплекса УМК-Э2 по электронике, используемого в учебном процессе МАИ. В комплекс включены: унифицированная программа по дисциплине «Электротехника и электроника», электронный курс, лабораторный практикум, варианты курсовых работ, программные тренажеры, тестовые задания и другие электронные образовательные ресурсы, обеспечивающие сопровождение всех видов аудиторных занятий и самостоятельную работу дома обучающихся по неэлектротехнических направлений подготовки бакалавриата и дипломированных специалистов.

Ключевые слова: электронный учебно-методический комплекс, структурные компоненты, электроника, электронный курс, виртуальный лабораторный практикум. 

DEVELOPMENT OF TEACHING MATERIALS ON ELECTRONICS: STRUCTURE AND FUNCTIONAL OPPORTUNITIES

Research article

Marchenko A.L. *

ORCID: 0000-0002-1825-0023,

Moscow Aviation Institute (MAI), Moscow, Russian

* Corresponding author (marchenkoal[at]mail.ru)

Abstract

The concept of lifelong education assumes the presence or development of electronic educational and methodical materials in the academic disciplines of bachelor and master degrees in the field of engineering and technology. The paper discusses the structure and functionality of the components of the developed complex UMK-E2 in electronics, used in the educational process of MAI. The complex includes a unified program in the “Electrical Engineering and Electronics” discipline, an electronic course, a laboratory workshop, course work options, software simulators, test items and other electronic educational resources providing support for all types of class hours and independent work of students in non-electrical specialties of a bachelor and master degrees.

Keywords: electronic training materials, structural components, electronics, electronic course, virtual laboratory workshop.

Введение

Высшее техническое образование по праву признается одной из наиболее авторитетных областей образовательной системы, а подготовка научно-технических и инженерных кадров - ключевым фактором социально-экономического развития страны.

Особенностью современной образовательной политики во многих технических вузах страны является сокращение объема часов на изучение технических дисциплин (вплоть до 1/3 от общего объема в образовательных программах по направлениям подготовки в области техники и технологий) при одновременном увеличении в нем доли самостоятельной работы.

Такой подход не ведет к достижению требуемого уровня знаний обучающихся по неэлектротехническим направлениям подготовки бакалавров и дипломированных специалистов по таким классическим дисциплинам, как Теоретическая механика, Сопротивление материалов, Электротехника и электроника и др.

В этих условиях качественное освоение обучающимися технических дисциплин возможно как за счет актуализации их содержания и технологий обучения, так и повышения эффективности их самостоятельной работы посредством широкого использования электронных учебно-методических комплексов (ЭУМК) по изучаемым дисциплинам (предметных ЭУМК), размещаемых на сайтах вузов, в электронных библиотечных системах (ЭБС), в Яндекс Дисках и в других электронных хранилищах.

Концептуальные основы разработки предметных ЭУМК

Концепция непрерывного образования (lite-long learning) предполагает наличие предметных ЭУМК по изучаемым дисциплинам. При этом каждый предметный ЭУМК должен базироваться на соответствующей примерной программе базового курса, написанном на ее основе учебнике и методической системе обучения.

Трудности создания предметных ЭУМК связаны с необходимостью интеграции в единые комплексы электронных образовательных ресурсов (ЭОР), созданных в различных программных средах для работы с конкретным браузером, с учетом разных объемов зачетных единиц на их изучение не менее чем в 15-20-ти направлениях и профилях подготовки в вузе, а также актуализировать их в соответствии с принятой в вузе технологией обучения.

Размещают предметные ЭУМК в многофункциональных системах управления образованием вуза LMS (Moodle, Atutor, e-Leurning XHTML Editor, WebCT и др.).

В соответствии с требованиями ГОСТ Р 55751-2013 [1] нами разработан электронный комплекс УМК-Э2 по электронике, в основу разработки которого положена унифицированная программа дисциплины трудоемкостью 8 зачетных единиц (288 ч), с учетом которой написан и издан учебник «Электротехника и электроника» в двух томах: том 1 «Электротехника» [2] и том 2 «Электроника» [3] с размещением их текстов в формате .pdf в ЭБС znanium.com НИЦ ИНФРА-М, а также в электронных комплексах УМК-Э1 по электротехнике (840 МБ) [4], [5] и УМК-Э2 по электронике (800 МБ) [6].

Структура комплекса УМК-Э2 по электронике

Стартовая страница комплекса УМК-Э2 представлена на рис. 1. В первой строке вверху экрана дисплея выведены браузером Internet Explorer данные комплекса УМК-32. Во второй строке экрана, кроме названия электронного курса ЭЛЕКТРОНИКА, размещены кнопки команд: Содержание (названия глав курса), ГОСТы (список ГОСТов, относящихся к электронике), Вспомогательные программы.

Для удобства навигации в следующей строке выведены кнопки названий компонентов УМК-Э2: Программа дисциплины, Электронный курс, Упражнения, Лабораторные работы, Курсовые работы, Тренажеры, Тесты, Калькулятор, Озвучивание, Авторские ЭОР, Темы рефератов.

Рис. 1 - Стартовая страница комплекса УМК-Э2 по электронике

После щелчка мышью на одном из компонентов записанная в нем информация выводится ниже строк команд в два поля экрана: в левое - меню данного раздела, а в правое (рабочее) поле - учебный или справочный материал.

Переход на любой параграф главы компонента Электронный курс осуществляется с помощью меню, расположенного в левом поле (рис. 2), на любой кадр (подпункт) параграфа - с помощью древовидной структуры, разворачивающейся в левом поле (см. параграф 6.3 в левом поле рис. 2) после щелчка мышью на правой кнопке, находящейся в этом же поле выше названия глав курса (после щелчка мышью на левой кнопке в левом поле остаются только ссылки на параграфы); вывод в рабочее поле необходимой последовательности кадров параграфа - с помощью кнопок ВПЕРЕД и НАЗАД, расположенных внизу кадров, а переход на новую главу - с помощью кнопок меню, расположенных ниже рабочего поля.

Рис. 2 - Интерфейс страницы компонента Электронный курс (Глава 6)

учебный методический интерфейс

Функциональные возможности компонентов УМК-32

Электронный курс. Ядром комплекса УМК-Э2 по электронике является компонент Электронный курс (практически дублирующий в виде нескольких сот кадров тексты тома 2 «Электроника»), разработанный с использованием языка разметки HTML (см. рис. 2).

Ввод в оболочку подготовленных фрагментов текста, рисунков, сложных формул, тестовых заданий, файлов озвучивания элементов модуля и др. выполнен непосредственно с клавиатуры с помощью редактора Блокнот.

Для этого предварительно тексты глав модуля разбивались на фрагменты (будущие кадры), равными 80-90 % площади рабочего поля экрана вычислительного устройства ВУ (ноутбука, нетбука, персонального компьютера и др.) или более на 10-15 % в случае необходимости логического завершения рассматриваемого вопроса или задания.

Фрагменты текста в формате с расширением .doc записывались в файлы в виде web-страниц в редакторе MS Word. Графический материал и сложные формулы преобразовывались в редакторе Paint в файлы с расширением .pdf. Аннотации и названия глав, параграфов, упражнений, таблиц озвучены дикторами программ ВУ чередующимися женским и мужским голосами.

Особенностью кадров электронного курса, а также кадров других компонентов комплекса УМК-Э2 по электронике, является цветовое выделение: названий кадров - цветом darkblue; дефиниций, технических терминов, названий элементов, устройств и т.д. - цветом red; их определений, назначений элементов, устройств и т.п. - цветом blue; основного текста, формул и рисунков - цветом black (см. рис. 2). Реже выделены цветом blue или другим цветом начальные или заключительные абзацы кадров.

По мнению обучающихся такое представление учебного материала на экране ВУ, вместо одноцветного (обычно черного цвета), меньше утомляет зрение, акцептирует внимание к определению терминов или назначению элементов, их свойств и характеристик, что особенно важно при подготовке к тестированию и к экзамену.

Упражнения

Упражнения размещены после соответствующих кадров теоретического материала компонента Электронный курс. Они также сгруппированы по главам (рис. 3), названия которых выводятся в левое поле экрана монитора после щелчка мышью на кнопке Упражнения командной строки. После выбора названия главы и номера упражнения, его задание с решением выводится в правое поле монитора. Изучив алгоритм его решения, таким же образом на экран монитора вызываются упражнения с подобными заданиями для расчета или синтеза электронных схем.

Рис. 3 - Интерфейс компонента Упражнения (Упражнение 6.12)

Лабораторные работы

Лабораторный практикум является важнейшим компонентом ЭУМК по технической дисциплине.

В качестве средства моделирования и испытания электронных устройств выбрана программная среда NI Multisim v. 10 (МS10), в которой смоделировано сорок схем устройств для проведения 17-ти виртуальных лабораторных работ, охватывающих практически все изучаемые темы модуля «Электроника».

В качестве примера на рис. 4 приведены фрагменты страниц лабораторной работы №36 «Испытание аналого-цифрового преобразователя».

Лабораторные работы выполняются в программной среде LabWorks [7], [8]. В описании каждой работы сформулирована ее цель, приведены краткие теоретические сведения по теме работы, индивидуальные задания на расчет и моделирование схемы в среде MS10, даны рекомендации по проведению экспериментов, обработке полученных данных и оформлению отчета с использованием шаблона электронной тетради [9].

Рис. 4 - Фрагменты страниц программной среды LabWorks:

1 - перечень работ; 2 - цель работы; 3 - краткие теоретические сведения; 4 - задания; 5 - схема испытания устройства; 6 - эксперимент в среде NI Multisim; 7 - тестовые задания; 8 - электронная тетрадь отчета; 9 - шаблон бланка отчета; 10 - калькулятор ElCalc

После проверки заполненных закладок в полях таблиц электронной тетради экспериментальными и расчетными данными и ввода с экрана дисплея копий изображений схем цепей и графиков функций, шаблон электронной тетради из формата языка для разметки HТML конвертируется в формат редактора MS Word и выводится на экран дисплея для окончательного оформления. Данные экспериментов и рисунки сохраняются в базе данных.

Предварительную защиту лабораторной работы обучающийся проходит, вызвав подсистему тестирования среды LabWorks (щелкнув мышью на кнопке 7, см. рис. 4, вверху), отвечая на 10-15 заданий, случайным образом выбираемых из базы заданий к каждой работе.

Курсовые работы

В УМК вставлены варианты заданий следующих курсовых работ с примерами и методическими указаниями к выполнению заданий в программных средах и оформлению отчетов:

Анализ и синтез типовых электронных устройств: преобразователя сигнала на операционном усилителе с обратными связами; комбинационного и последовательностного логических устройств по заданным входным кодам или выходным сигналам [10];

Расчет и построение логарифмических частотных характеристик RLC- и ARC-фильтров [11];

Расчет, моделирование на ВУ и испытание нерекурсивных и рекурсивных цифровых фильтров [11].

Программные тренажеры

Для закрепления теоретического материала лекций наиболее эффективным на практических занятиях оказалось использование интерактивных моделей и электронных тренажеров.

В качестве примера рассмотрим тренажер Э5 для анализа цифровой схемы [12], содержащей логические элементы ИЛИ, И, НЕ и интегральные микросхемы: мультиплексор, дешифратор, счетчики и сумматор (рис. 5). Для разработки тренажера выбрана кроссплатформенная интегрированная среда Qt-Creator [14].

Тренажера Э5 предназначен для приобретения пользователем опыта сборки схем с интегральными микросхемами и изучения принципов их работы. При выполнении задания он должен ввести исходные данные в таблицу 2 (см. рис. 5), затем правильно собрать схему цифрового устройства и, наконец, заполнить таблицу 3 выходными данными сумматора при подаче последовательности кодов сba на вход схемы устройства.

Чтобы получить информацию об элементе схемы, нужно щелнуть на нём правой клавишей мыши и получить ее во всплывающей заставке; заставка закрывается после щелчка на ней левой клавишей мыши.

Рис. 5 - Страница тренажера Э5 для анализа цифровых схем (Контрольный режим)

Тренажер Э5 функционирует в двух режимах: тренировочном (с выводом ошибок и с подсказками по их исправлению) и контрольном. При работе в тренировочном режиме оценивается каждое действие обучающегося при выполнении этапов задания, и он не допускается к выполнению следующего этапа задания, если в предыдущем выполненном им этапе при программной проверке выявлены ошибки, отмеченные красным цветом. Он может многократно выполнять этап задания без ограничения времени, до устранения ошибок.

В контрольном режиме обучающийся выполняет задание в течение ограниченного времени без подсказок с выводом интегральной оценки за выполнение всех операций задания в баллах, вычисленных как отношение правильно выполненных операций к общему числу необходимых действий (см. рис. 5, справа).

В программе тренажера предусмотрена возможность добавления администратором или преподавателем (с правами администратора) в базу данных неограниченного числа вариантов задания.

Тесты

В комплексе УМК-Э2 реализован системный подход к контролю уровня освоения изучаемой дисциплины:

* проверяется подготовленность обучающихся к изучению электроники: они должны пройти входное тестирование по физике и математике с тем, чтобы по результатам их уровня подготовленности выбрать соответствующую технологию обучения;

* оценивается уровень освоения разделов модуля посредством проведения в семестре четырех рубежных сессий тестирования в тестовой системе UTIS, а перед экзаменом - итоговое тестирование по модулю «Электроника», по 30-ти заданиям в тесте, выбираемых из базы, содержащей 120 тестовых заданий, в основном, в закрытой форме (на опознание, различение, соответствие, на решение (в один или в два этапа) типовых задач модуля) и, частично, в открытой форме (рис. 6).

Тестовая система UTIS включает три функциональных компонента: UTISB-конструктор, UTISE-экзаменатор и UNIS.DLL - динамическая библиотека с функцией кодирования и декодирования данных; четыре теста по электронике (по 30 тестовых заданий в каждом тесте), а также пакеты по математике и физике, в которых по 80 заданий.

Воспользовавшись тестовыми заданиями и программой UTIS, обучающиеся в любой момент могут проверить уровень освоения теоретического материала, умения решать типовые задачи, подготовленность к выполнению лабораторных работ, к рубежным и к итоговому тестированиям по модулю «Электроника»

Рис.6 - Типовые тестовые задания по модулю «Электроника»

Калькулятор

Электротехнический калькулятор ElCalc [13] предназначен для использования при расчёте параметров и характеристик схем электронных устройств при выполнении курсовых и лабораторных работ, на практических занятиях и при проведении сессий тестирования.

В программе ElCalc реализовано (рис. 7):

* вычисление унарных операций (над одной переменной) и бинарных (над двумя переменными) с действительными и комплексными числами (функциями), а результат выполнения операции выводится в алгебраической и показательной формах и одновременно отображается в виде вектора в комплексной плоскости и синусоид с соответствующими начальными фазами во временной области;

Рис. 7 - Интерфейсы модулей калькулятора ElCalc:

а - калькулятор; б - системы уравнений; в - трехфазные цепи

* решение системы уравнений 2-й…6-й степени с действительными и комплексными коэффициентами с выводом значения определителя системы и всех искомых комплексных функций в алгебраической и показательной формах записи;

* вычисление и отображение в комплексной плоскости фазных и линейных токов, фазных напряжений трёхфазного приёмника электрической энергии (фазы которого соединены по схемам: звезда с нулём, звезда без нуля или треугольник), включая аварийные режимы (короткое замыкание и обрыв фаз(ы).

Программные инструментальные средства

При разработке структуры и конкретной программной реализации интерфейсов компонентов УМК-Э2 использовалась операционная система Windows и следующие программные среды:

* язык разметки гипертекста НТМL с использованием редактора Блокнот (авторский инструментарий для создания предметных УМК, программа дисциплины, электронный курс);

* среда Borland C++ Builder (программы LabWorks, ElCalc и др.);

* среда схемотехнического моделирования NI Multisim v. 10.1 (модели схем цепей электронных приборов и устройств);

* кроссплатформенная среда Qt-Creator (тренажер Э5 для анализа цифровых схем);

* язык Delphi (тестовая система UTIS);

* текстовые редакторы MS Word, Adobe Acrobat.

Минимальные требования к компьютеру

Для корректного отображения на экране дисплея текстовых файлов со встроенными графическими объектами, подготовленными с использованием языка разметки гипертекста HTML, C++ и др., компьютер должен соответствовать следующим минимальным требованиям: тип: IBM PC, ОS Windows 8, браузер Internet Explorer 9, Adobe Acrobat Rеader 9.0, 1024 MБ свободного дискового пространства, 1024 MБ оперативной памяти, CD-ROM, дисплей 17?: 1280Ч1024 (1280х800 на ноутбуке).

Отладка всех программ УМК-Э2 проводилась на компьютерах IBM PC c OS Windows 7 или 8 и с установленными средами (программами): Internet Explorer 9; Adobe Acrobat Reader 9.0; NI Multisim v. 10 или v. 11.

Отличительные особенности и ограничения использования комплекса УМК-Э2 по электронике

Отличительной особенностью комплекса УМК-Э2 по электронике является целостность продукта, созданного в авторской среде разработки предметных ЭУМК, обеспечивающей сопровождение всех видов аудиторных занятий по модулю «Электроника» и работу студента дома, в частности:

* понятный и простой интерфейс (никаких скрытых меню и сложных приложений);

* удобство навигации;

* отображение разным цветом текстов абзацев электронного курса и озвучивание названий компонентов комплекса (аннотаций, параграфов и кадров модуля), с синхронизаций голосов дикторов с выводом текстов аннотаций глав модуля на экран дисплея в виде бегущей строки.

Ограничения использования комплекса УМК-Э2 по электронике связаны с другим программным обеспечением и аппаратной частью рабочих станций вычислительных устройств и с другим установленным браузером.

Заключение

Развитие информационно-коммуникационных технологий ведет к кардинальному изменению вузовской образовательной системы, что отразилось в федеральных государственных образовательных стандартах высшего образования (ФГОС ВО) последнего поколения.

В частности, для реализации требований ФГОС ВО к учебно- методическому и информационному обеспечению основных образовательных программ направлений подготовки необходимо пересматривать и ежегодно обновлять рабочие программы (соответственно содержание) дисциплин учебных планов с разными объемами как общих часов на их изучение, так и часов по видам занятий.

Выполнение указанных требований, относящихся к электротехническим дисциплинам учебных планов, выполняется посредством несложной переработки электронных УМК-Э1 по электротехнике [5] и УМК-Э2 по электронике [6].

Пользовательский интерфейс УМК-Э2 по электронике максимально прост и понятен, и может использоваться в качестве инструментария для разработки ЭУМК по другим техническим дисциплинам.

Список литературы

ГОСТ Р 55751-2013. Информационно-коммуникационные технологии в образовании. Электронные учебно-методические комплексы. Требования и характеристики. - Введ. 2013.11.08. - М.: Стандартинформ, 2014. - 12 с.

Марченко А.Л. Электротехника и электроника. Учебник: в 2 т. Т. 1: Электротехника. / Марченко А.Л., Опадчий Ю.Ф. // - М.: ИНФРА-М, 2015, 2020. - 574 с.

Марченко А.Л. Электротехника и электроника. Учебник: в 2 т. Т. 2: Электроника. / Марченко А.Л., Опадчий Ю.Ф. // - М.: ИНФРА-М, 2019. - 391 с.

Марченко А.Л. Разработка учебно-методического комплекса по электротехнике. / Марченко А.Л. // - Екатеринбург: Международный научно-исследовательский журнал INTERNANIONAL RESEARCH JORNAL. Технические науки. №10 (52), Октябрь 2016, часть 2. - С. 86-92.

Марченко А.Л. УМК-Э1 (учебно-методический комплекс по электротехнике). Свидетельство о регистрации электронного ресурса в ОФЕРНиО №24117 от 24.06.2019.

Марченко А.Л. УМК-Э2 (учебно-методический комплекс по электронике). Свидетельство о регистрации электронного ресурса в ОФЕРНиО №24181 от 09.09.2019.

Беневоленский С.Б., Марченко А.Л., Освальд С.В. Программный комплекс LabWorks. Свидетельство о регистрации в ОФАП №5876 от 20.03.2006. Номер гос. регистрации в ВНТИЦ ФАПО 50200600397 от 22.03.2006.

Марченко А.Л. Лабораторный практикум по электротехнике и электронике в среде Multisim. Учебное пособие для вузов (+ СD). / Марченко А.Л., Освальд С.В. // - М.: ДМК Пресс, 2010. - 448 с.

Марченко А.Л., Освальд С.В., Воробьев С.С. Электронная тетрадь отчета по лабораторной работе по электротехнике и электронике. Свидетельство о регистрации электронного ресурса в ОФЕРНиО №00030 от 02.06.2009.

Марченко А.Л. Электротехника и электроника: курсовые работы с методическими указаниями и примерами [Электронный ресурс] / Марченко А.Л., Опадчий Ю.Ф. URL: znanium.com - 105 с. (дата обращения: 31.03.2020).

Марченко А.Л. Частотные фильтры: пассивные, активные и цифровые. Учебное методическое пособие. / Марченко А.Л. // - М.: Горячая линия - Телеком, 2017. - 166 с.

Марченко А.Л. Тренажер Э5 для анализа цифровых схем. Свидетельство о регистрации электронного ресурса в ОФЕРНиО №22131 от 06.09.2016. / Марченко А.Л., Опадчий Ю.Ф., Шульгин Д.А

Марченко А.Л.Электротехнический калькулятор. Свидетельство о регистрации в ОФАП №3975 от 27.10.2004 г. / Марченко А.Л., Куракин А.С Номер гос. регистрации в ВНТИЦ ФАПО 50200401285 от 15.11.2004.

Qt Creator и его стиль оформления [Электронный ресурс] URL: http://qt-project.org/forums/viewthread/16938 (дата обращения: 31.03.2020).

Размещено на Allbest.ru