CC BY
20
УДК 621.375(03)
ДИДАКТИЧЕСКАЯ ТРИАДА: ТЕОРИЯ, МОДЕЛЬ, ЭКСПЕРИМЕНТ
Ситников Ю.К. канд. физ.-мат. наук, доцент Ситников С.Ю. , канд. техн. наук, доцент
'Казанский (Приволжский) федеральный университет 2Казанский государственный энергетический университет
Контакты: Jury.Sitnikov@mail.ru; SSitnikov@mail.ru
Рассмотрено применение компьютерных технологий при изучении технических дисциплин, заключающееся в сопровождении лабораторного эксперимента компьютерным моделированием. Предлагается для повышения эффективности лабораторных занятий в дополнение к натурным установкам использовать готовые пакеты прикладных программ, предназначенные для моделирования.
Ключевые слова: компьютерные технологии, компьютерное обучение, Micro-CAP.
Подготовка студентов высших учебных заведений по инженерным и естественнонаучным дисциплинам предусматривает привитие навыков лабораторного эксперимента. В процессе выполнения лабораторных работ дополняются знания, получаемые при изучении теории, осваиваются приборы и методика обработки результатов измерений.
Поскольку «человек учится сам», для получения высоких результатов нужно создать условия для самостоятельной проработки материала. В обычной учебной практике для выполнения лабораторного эксперимента предусматривается инструкция, содержащая теоретическую часть, описание лабораторной установки и задание (перечень измерений). Инструкция может и не содержать теоретическую часть. Для изучения теории может быть предложен конспект лекций или рекомендован учебник.
127
Лабораторная установка может допускать внесение в процессе выполнения учебного эксперимента некоторых изменений в её структуру или может иметь неизменяемую структуру. Последний случай менее информативен. Случай фиксированной структуры не соответствует реальной инженерной или исследовательской практике.
Усложнение лабораторной установки для приближения её режимов работы к реальным особенностям технического прототипа, физических условий или вариантов протекания исследуемого процесса по ряду причин не всегда возможно. Это приводит к удорожанию оборудования лаборатории, а так же к усложнению ее реализации, обслуживания и обеспечения необходимого уровня безопасности.
Поэтому на кафедре радиофизики Казанского федерального университета выполнение работ в некоторых учебных лабораториях сопровождается компьютерным моделированием и анализом электронных схем [1]. При этом работа студента, после того, как ему предложено выполнить эксперимент на конкретной установке, протекает следующим образом: изучение теории - обсуждение с преподавателем - моделирование на компьютере - обсуждение результатов и уточнение задания для работы на экспериментальном макете - выполнение измерений - обсуждение результатов эксперимента с преподавателем [2].
Для анализа и синтеза схем в технических областях (в том числе в радиофизике и электронике) в последние три-четыре десятилетия создано значительное количество компьютерных программ для моделирования различных процессов, а также устройств, как аналоговых или цифровых, так и устройств смешанного типа [3; 4]. Такие программы создаются коллективами квалифицированных программистов, работающих во взаимосвязи с учёными и инженерами, разрабатывающими элементную базу и системы разного уровня сложности. Эти системы хорошо отте-
128
стированы и широко проверены в практике. Качество таких программ позволяет использовать их в лабораториях различного назначения и не разрабатывать свои программные продукты [4^6].
Ниже рассматривается, какие возможности имеются в конкретных случаях практики учебных лабораторий [7].
Пусть необходимо исследовать простейший делитель напряжения, состоящий всего из двух резисторов. Поскольку коэффициент деления определяется значениями сопротивлений, то лабораторный эксперимент даёт совпадение с расчётом, если реальные величины сопротивлений совпадают с их номиналом. Однако практическая возможность применения расчётных значений сопротивлений в силу их разброса исключается. Так, в случае применения в установке резисторов с сопротивлениями 1 кОм из группы, с погрешностью 10%, можно получить коэффициент деления в пределах от 0,45 до 0,55. Это значения для ненагруженно-го делителя. Если учесть нагрузку, погрешности ещё возрастают.
Если применить программу, позволяющую моделировать электрические цепи, то перед измерениями можно на компьютере проанализировать многообразие возможных вариантов.
Казалось бы, в этом случае, можно не проводить измерения на реальной установке. Однако, самостоятельное включение установки, настройка измерительных приборов, проведение эксперимента и оценка его результатов, как уже сказано выше, не менее важны, чем теория.
Разные пакеты прикладных программ предоставляют пользователю различные возможности. Для пользователей, специализирующихся в области электроники и радиотехники, необходимо наличие в таких программах достаточно полных библиотек компонентов, удобных средств формирования исследуемой модели, наличие необходимых средств анализа и наглядное представление результатов. Примерами таких программных пакетов являются, например, MAX+Plus II и Quartus II [4], LabView [8] и Micro CAP
129
[9]. Программы MAX+Plus II и Quartus II фирмы Altera предназначены для синтеза цифровых устройств и анализа их работы. Пакет программ LabView, позиционируемый, как система графического программирования, используется для сборки на экране дисплея измерительных приборов, исследуемого электронного узла и выполнения моделирования. Система программ Micro CAP позволяет проводить моделирование, как аналоговых, так и цифровых электронных устройств. Эта система имеет достаточно удобный графический интерфейс и обширную библиотеку моделей компонентов. С помощью этой программы можно проводить анализ схем электронных устройств по постоянному и переменному току, анализ частотных характеристик и переходных процессов, а также измерять напряжения и токи в различных частях схемы [9].
Рассмотрим, используя ППП Micro-Cap [10], пример построения частотной и фазовой характеристик линейной системы, представляющей собой усилитель электрических сигналов, выполненный на двух транзисторах. Проследим по шагам действия обучаемого [10; 11].
Шаг первый. Черчение схемы с использованием библиотеки компонентов. Запоминается схема устройства. Шаг второй. Моделирование. Получаются предварительные результаты, которые сравниваются с теоретическими данными. Шаг третий. Делаются вариации параметров модели, которые нельзя осуществить на лабораторном макете. Шаг четвёртый. Проводятся измерения на реальной аппаратуре.
Схема усилителя, «собранная» в программе MicroCAP, представлена на рис. 1. Обучаемый имеет возможность проверить величины напряжения во всех пронумерованных точках, узнать силу тока в каждом элементе, менять номинальные значения параметров компонентов, заменять сами компоненты и схему их соединения. В реальных ученых лабораторных макетах измерение силы
130
тока в любой ветви цепи, применение компонентов с любыми отклонениями от заданных значений номиналов и другие варианты измерений и внесения изменений не реализуются.
Рис. 1. Схема усилителя, выполненного на двух транзисторах, в программе Ы(стоСЛР
Рассматриваемый пакет прикладных программ позволяет наблюдать в графическом виде после моделирования результаты анализа переходных процессов, амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики, результаты анализа по постоянному току и другие результаты. На рис. 2 представлена амплитудно -частотная характеристика усилителя, изображённого на рис. 1.
Проведение такого предварительного моделирования позволяет обучаемым лучше понять теоретический материал и более уверенно выполнять натурный эксперимент.
Практика проведения лабораторных работ в соответствии с рассмотренным алгоритмом показала, что при этом работы выполняются более осмысленно и что прорабатывается материал, недоступный из-за ограничений технической реализации конкретной лабораторной установки. В некоторых случаях полезно вклю-
131
чать в методические описания к лабораторным работам пошаговые инструкции, облегчающие процесс моделирования [8; 11; 12].
:
у
зок
юок
1М
Тмказкай.СК
ЮМ
том
Рис. 2. Амплитудно-частотная характеристика двухкаскадного усилителя, полученная
при анализе по переменному току
В заключение следует подчеркнуть, что компьютерное моделирование позволяет повысить уровень понимания обучаемыми процессов (или особенностей работы устройств), изучаемых при работе в учебной лаборатории. При этом, в случае применения готовых пакетов прикладных программ, не происходит существенного удорожания эксперимента.
Источники
1. Плеухова Л.Ф., Ситников Ю.К. Компьютерное моделирование задач лабораторного практикума. Сб. Приём и обработка информации в сложных информационных системах. Казань, Изд-во Казанского университета, 2003. С. 124-131.
2. Плеухова Л.Ф., Ситников Ю.К. Компьютерное моделирование задач лабораторного практикума по цифровой электронике // Тез. докл. VI Международной научно-практической конференции "Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах", 11 ноября. 2005. Новочеркасск, 2005. С. 25-26.
3. Плотникова Л. В., Звегинцев А. А., Кашипова Л. А., Ишмуратов Р. А., Нуриев Н. К. Программная реализация системного анализа сложноструктурированной химико -технологической схемы нефтехимического производства. - Казань, Вестник Казанского технологического университета, 2015. Т.18, №8. С.198 -202.
132
4. Комолов Д.А., Мяльк Р.А., Зобенко А.А., Филиппов А.С. Системы автоматизированного проектирования фирмы Altera MAX+Plus II и Quartus II. Краткое описание и самоучитель. М.: ИП Радиософт, 2002. 352 с.
5. Ситников Ю.К. Применение промышленных пакетов прикладных программ при моделировании электронных устройств. Инновационные технологии в системе современного естественнонаучного образования. Материалы первой международной интернет-конференции (20 марта 2010 г., Екатеринбург)/ Урал. гос. пед. ун-т. Екатеринбург, 2010 С. 123-127.
6. Плеухова Л.Ф., Ситников Ю.К. Информационные технологии: моделирование импульсных электронных устройств. Сб. Приём и обработка информации в сложных информационных системах. Выпуск 23. Казань: Отечество, 2010. С. 73-80.
7. Ситников С.Ю., Ситников Ю.К. Информационные технологии: использование компьютерных моделей в обучении. Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах: материалы ХIII Междунар. науч.- практ. Конф., г. Новочеркасск, 12 дек.2012 г. /Юж. -Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск: ЮРГТУ, 2013. С. 39-42.
8. Климентьев К.Е. Основы графического программирования в среде LabVIEW: учеб. пос. Самар. гос. аэрокосм. ун-т. Самара, 2003. 69 с .
9. Амелина М.А., Амелин С.А. Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap. Версии 9, 10. Смоленск, Смоленский филиал НИУ МЭИ, 2013. 618 с.
10. Ситников Ю.К. Информационные технологии в электронике: сопровождение лабораторных занятий моделированием в программной среде Micro CAP. Моделирование. Теория, методы и средства: материалы XIII Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 27 февраля 2013 г./ Юж. - Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2013. С. 73-76.
11. Ситников С.Ю., Ситников Ю.К. Теория, компьютерная модель, лабораторная установка. Учёные записки Института социальных и гуманитарных знаний. Выпуск №1(13), 2015. Материалы VII Международной научно -практической конференции «Электронная Казань 2015» (ИКТ в образовании: технологические, методические и организационные аспекты их использования), Казань, Юниверсум, 2015. С. 494-499.
12. Ситников С.Ю., Ситников Ю.К. Компьютерные технологии: применение пакетов прикладных программ при работе студентов естественнонаучных специальностей в учебных лабораториях. Учёные записки института социальных и гуманитарных знаний, вып. 1(11), 2013. Материалы V Международной научно-практической конференции «Электронная Казань - 2013». Часть II. Казань, ЮНИВЕРСУМ, 2013. С. 171-174.
DIDACTIC TRIAD: THE THEORY, MODEL, EXPERIMENT Sitnikov J.K., Sitnikov S.J.
Discussed the application of computer technology in the study of technical disciplines, which consist in support the laboratory experiment by a computer simulation. Keywords: Computer technology, computer-based training, Micro-CAP.
Дата поступления 17.09.2016.
133
