CC BY
11
УДК 371.671:004.087
А.А. НОВИКОВ, М.Г. БАКУРИН, А.Ю. МЕШКОВ
Херсонский национальный технический университет
ЭЛЕКТРОННЫЙ УЧЕБНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОННЫХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ЦЕПЕЙ
Разработан электронный комплекс, включающий в себя визуализацию проведения лабораторных работ по дисциплине «Теория электронных и электрических цепей», расчетные материалы и средства проверки результатов студентов. Комплекс позволяет проводить демонстрацию процесса проведения экспериментов в режиме реального времени на основе теоретических материалов, расчет электрических цепей разной сложности, а также контроль знаний студентов.
Ключевые слова: электронный учебный комплекс, теория электронных и электрических цепей, лабораторная работа, эксперимент, визуализация.
О.О. NOVIKOV, M.H. BAKURIN, O.Y. MIESHKOV
Kherson National Technical University
ELECTRONIC EDUCATIONAL COMPLEX FOR LABORATORY WORKS ON THE THEORY OF ELECTRONIC AND ELECTRIC CIRCUITS
Abstract
Electronic complex, which include visualization of making of laboratory works on the discipline "Theory of electronic and electric circuits'", estimated materials and means of verification of students results, is developed. Complex allows holding the demonstration of the process of carrying out the experiments in real time on the base of theoretical data, calculating of the electric circuits of different complexity and also monitoring of the students' knowledge.
Keywords: electronic educational complex, theory of electronic and electric circuits, laboratory work, experiment, visualization.
Постановка проблемы
На сегодняшний день в процессе изучения технических дисциплин остро стоит проблема экспериментального и лабораторного обеспечения учебного процесса. В то же время актуальным вопросом является внедрение компьютерных программ и методов обучения. Основной целью использования данных методов является их универсальность, простота распространения и корректировки, возможность массового использования и т. п.
Анализ последних исследований и публикаций
Известно, что на данном этапе широкое развитие получили электронные учебники и электронные учебные комплексы. Однако многие из них представляют аудитории лишь теоретические аспекты, упуская при этом практическую и экспериментальную составляющую учебного процесса, что является немаловажным фактором при изучении технических дисциплин. Поэтому возникла идея разработать электронный учебный комплекс для проведения лабораторных работ по одной из основных дисциплин направления «Электроника» - теории электронных и электрических цепей.
На данном этапе электронные учебники только набирают популярность, но уже достаточно активно используются в некоторых отраслях. В частности, электронные системы тестирования и оценки знаний студентов широко распространены в высших учебных заведениях, автошколах, а также при сдаче экзаменов в ГАИ, в обычных школах. Виртуальные лабораторные работы и специальные тренажеры используются студентами медицинских вузов и врачами для получения практических навыков без участия пациентов. Электронные тестовые и экспертные системы используются также в психологии для создания психологического портрета человека, оценки его умственных способностей и т.д.
Формулирование цели исследования
Целью данной работы является разработка специального электронного учебного комплекса по дисциплине «Теория электронных и электрических цепей».
Изложение основного материала исследования
Электронные учебные издания являются одним из самых перспективных альтернатив классическим учебникам. Благодаря использованию новейших технологий можно достичь значительно лучших и более прогрессивных результатов как в самом процессе обучения, так и в результатах этого процесса.
Электронное издание - это запись информации (произведения) на средствах длительного хранения информации (магнитных носителях, компакт-дисках и т.д.), предназначенных для воспроизведения на электронных устройствах.
Основные виды электронных учебных пособий (ЭУП) Все ЭУП можно разделить на несколько основных групп:
- ЭУП учебно-методического направления. Они чаще всего применяются в качестве традиционных бумажных учебников и предназначены для различных видов аудиторных или самостоятельных работ студента, предусмотренных рабочей программой учебной дисциплины.
- ЭУП лабораторно-практического направления. Они содержат инструктивные и методические материалы, необходимые для организации выполнения студентом лабораторных и практических работ.
- ЭУП контрольно-тестового направления. Они содержат тестовые материалы для определения уровня усвоения материала по дисциплине и программное обеспечение для их реализации и исполнения.
Основные принципы создания электронных учебников:
- принцип квантования: материал разбивается на разделы минимальные по объему, но замкнутые по содержанию;
- принцип полноты: каждый раздел должен иметь теоретическое ядро, презентационное сопровождение, тестовые задачи к разделам;
- принцип наглядности: каждый модуль должен содержать коллекцию кадров и минимум текста для упрощения усвоения материала;
- принцип ветвления: каждый модуль должен быть связан с другими с помощью гиперссылок;
- принцип регулирования: студент самостоятельно выбирает скорость подачи материала и сложность задач;
- принцип адаптивности: учебник допускает адаптацию под конкретного студента;
- принцип компьютерной поддержки: в любой момент студент может получить помощь компьютера при сложных, громоздких вычислениях и графических построениях.
Структура электронного учебно-методического комплекса для проведения виртуальных лабораторных работ на примере дисциплины «Теория электронных и электрических цепей» Комплекс выполнен в виде программы, которая имеет простую систему навигации между видео-лабораторными работами, электронной симуляцией и различными вариантами тестирования. Также комплекс включает в себя сведения о разработчиках и несколько основных блоков, связь между которыми организована за счет интерактивных гиперссылок через главное окно комплекса, в котором организована обратная связь с любой частью комплекса.
С целью улучшения представления лабораторных экспериментальных работ и повышения квалификации специалистов был разработан специальный электронный комплекс для проведения лабораторных работ по дисциплине «Теория электронных и электрических цепей». Комплекс является структурной частью общего комплекса, который также включает теоретическую базу в виде лекционного и презентационного материала и тестовый фонд для проверки знаний студентов после изучения теоретического материала.
Комплекс состоит из семи лабораторных работ, каждая из которых подразумевает изучение различных процессов, которые происходят в электронных и электрических цепях постоянного и переменного тока. В каждой работе проводится расчет, основанный на методике проведения лабораторной работы и теоретических знаниях.
В комплекс внедрены следующие лабораторные работы:
- Исследование законов Ома и Кирхгофа;
- Исследование последовательного, параллельного и смешанного соединений;
- Исследование основных методов теории цепей (метод наложений, метод контурных токов, метод эквивалентного генератора);
- Исследование электрической цепи синусоидального тока при последовательном соединении КЬС-элементов;
- Исследование электрической цепи синусоидального тока при параллельном соединении КЬС-элементов;
- Исследование резонанса в последовательном колебательном контуре;
- Исследование резонанса в параллельном колебательном контуре. Преимуществом данного комплекса является то, что каждая лабораторная работа имеет
визуальное сопровождение. Оно подразумевает видеозапись детального проведения лабораторной работы с небольшим теоретическим введением, демонстрацией всех процессов, которые происходят при проведении работы, экспериментальных установок и измерительных приборов, а также методики и результатов измерений с подробными объяснениями и комментариями. Это позволяет сформировать более четкую картину проведения лабораторной, продемонстрировать необходимые навыки учащихся и
проводить лабораторные работы в режиме реального времени на основе видеоматериалов, приводящихся в качестве примера. Демонстрация проведения лабораторных работ выполнена пошагово, что позволяет детально изучить и воспроизвести действия, необходимые для проведения эксперимента и получения результатов.
Рис. 1. Схема проведения лабораторной работы с использованием разработанного
комплекса
Лабораторные работы в предоставленных видеоматериалах выполняются студентами с использованием различных приемов привлечения внимания аудитории. Эксперименты проводятся с интересными и занимательными комментариями, в непринужденной, но, тем не менее, профессиональной форме, что позволяет сформировать интересный молодежный стиль изложения материала.
Также в электронном комплексе предусмотрены методы контроля знаний учащихся путем тестирований после проведения каждой лабораторной. Они реализованы в виде слайд-шоу, в котором приведены теоретические вопросы, вопросы по методике проведения лабораторных работ, а также расчетные задания по изученной теме. При этом реализованы несколько вариантов контроля знаний. На решение заданий отводится определенное время, после чего на экране появляется ответ, с которым учащиеся сверяют свои результаты. Таким образом, реализуется контроль знаний непосредственно в процессе обучения, в процессе проведения лабораторных работ. Также в комплексе разработаны тесты открытой и закрытой формы в виде специальной программы, результаты прохождения которых отображаются в виде оценки учащегося.
Программное обеспечение комплекса довольно простое и удобное в обращении, создан дружественный пользовательский интерфейс. Учебный комплекс может распространяться на дисковых носителях, в сетевом режиме или внедряться в системы дистанционного и электронного обучения высших учебных заведений, например МооШе.
Работа с комплексом начинается с открытия основного рабочего окна путем запуска исполняющего файла Circuit_Theory.еxe. На экране появится главное окно программы. Первоначально студенту необходимо ознакомиться с основными положениями техники безопасности при работе в лаборатории с электрическими устройствами и компонентами. Это осуществляется по нажатию на кнопку «Основы техники безопасности» на экране слева. Данные положения выполнены в текстовом формате, а также имеют голосовое сопровождение, что позволяет применять их для общественности одновременно (например, в аудитории во время прохождения общего инструктажа). После ознакомления необходимо снова вернуться к главному окну.
После этого студент переходит к ознакомлению с лабораторной работой. В блоке «Шаг 1» необходимо выбрать в выпадающем списке номер лабораторной работы, которая будет выполняться, и нажать на зеленую стрелку вправо. В случае, если до нажатия на стрелку не было выбрано ни одной лабораторной работы, появится сообщение: «Выберите лабораторную работу» и студент не сможет продолжить работу с комплексом.
Первоначально студенту необходимо ознакомиться с теоретическими и методологическими сведениями о лабораторной работе, которую ему необходимо выполнить. Это осуществляется путем
нажатия на кнопку «Методические рекомендации» в блоке «Шаг 2». После нажатия, согласно выбранного номера лабораторной работы, открываются методические указания к их выполнению в текстовом редакторе, который установлен у пользователя на компьютере по умолчанию. После ознакомления он по обратной ссылке может вернуться к главному экрану. Нажав на прямую ссылку блока «Шаг 2», студент переходит к блоку «Шаг 3», в котором представлены видео-демонстрации лабораторных работ.
Разработанный электронный комплекс демонстрирует несколько способов проведения лабораторных работ. Это реальные лабораторные работы, выполнены в специализированной лаборатории с использованием единичных компонентов и измерительных устройств, лабораторные работы, выполненные на специализированных установках, а также лабораторные работы, выполненные с помощью специальных программ компьютерной симуляции и моделирования процессов в электрических цепях. Все лабораторные работы выполнены студентами 4-го курса специальности «Микро- и наноэлектроника» и сопровождаются аудио-комментариями разработчиков.
При просмотре видео-демонстрации студент имеет возможность ознакомиться с основными теоретическими сведениями и основными действиями при проведении лабораторных работ. Результаты демонстрируемых лабораторных работ выносятся в соответствующие таблицы и могут применяться при расчетах индивидуальных вариантов. Также в видео-демонстрациях представлены основные методики определения погрешностей экспериментов, что также является одним из основных этапов любого экспериментального исследования.
Рис. 2. Пример видео-демонстрации лабораторной работы
После ознакомления с видео-демонстрацией студент по обратной гиперссылке возвращается к главному окну комплекса. По прямой гиперссылке блока «Шаг 3» студент переходит к последнему блоку - «Шаг 4». Нажимая на кнопку «Виртуальный блок», он переходит к виртуальному процессору разработанного комплекса.
Если это необходимо, то по обратным ссылкам в виде стрелок в блоках главного окна комплекса студент может возвращаться к предыдущим блокам.
Каждая из подпрограмм виртуального блока представляет собой окно с индивидуальным интерфейсом, который визуально воспроизводит электрическую цепь, которая исследуется в той или иной лабораторной работе. В данном окне студент имеет возможность выбрать два режима работы -виртуальное моделирование или тестирование.
В случае виртуального моделирования студент сам имеет возможность вводить в соответствующие поля собственные параметры схемы, то есть моделировать тот или иной режим ее работы. При нажатии на кнопку «Моделировать» на экранах виртуальных измерительных устройств появятся измеряемые параметры данной схемы, эквивалентные результатам лабораторного исследования.
В случае виртуального тестирования студенту предлагается выбрать индивидуальный вариант из выпадающего списка, который включает параметры данной схемы, которую ему необходимо будет рассчитать самому, согласно теоретических сведений. Данные схемы по варианту выводятся непосредственно на экран после нажатия кнопки «Задачи». Результаты, полученные в ходе самостоятельных расчетов, необходимо ввести в соответствующие поля проверки на экране. После нажатия кнопки «Проверить» на экране появятся сообщения о правильности или неточности расчетов студента. Если значения параметров схемы введены правильно, то соответствующий измерительный
прибор окрашивается в зеленый цвет, если студент допустил ошибку - в красный. Под схемой также появляется текстовое сообщение о правильности или ошибочности расчетов. Только в том случае, если все параметры схемы введены правильно, активируется кнопка «Далее», и студент сможет перейти к следующей схеме.
Рис. 3. Режим виртуального моделирования электрической цепи
Рис. 4. Режим виртуального тестирования
После прохождения тестирования студент по прямой гиперссылке переходит к главному экрану комплекса.
В разработанном комплексе также внедрен специальный глоссарий, содержащий основные термины, необходимые для изучения дисциплины «Теория электронных и электрических цепей». К нему можно перейти из главного окна комплекса, нажав на кнопку «Глоссарий».
Выводы
1. В ходе работы был разработан специальный электронный учебный комплекс для проведения лабораторных работ по дисциплине «Теория электронных и электрических цепей».
2. Комплекс оснащен необходимой теоретической и методической частью и охватывает весь материал, необходимый для изучения курса.
3. Преимуществом данного комплекса является визуализация экспериментальной части лабораторных работ с помощью видеоматериалов съемок проведения реальных экспериментов.
4. Также в комплексе разработаны несколько методов контроля знаний студента как непосредственно в процессе проведения лабораторных, так и после них.
5. Визуализация лабораторных работ в стиле, близком для восприятия учащихся, и удобный интерфейс комплекса делают его универсальным и простым в использовании.
6. Комплекс может использоваться в учебном процессе непосредственно при проведении лабораторных работ или же в системах дистанционного обучения.
Список использованной литературы
1. http://nauka.lp.edu.ua/fileadmin/nauka/files/Normatuvni ^кушеШи ^УЬР/р.383-394рго сксИттш пау4а1т_уМапп) a.pdf
2. Григорьев С.Г., Гриншкун В.В., Краснова Г.А., Роберт И.В., Щенников С.А. и др. Теоретические основы создания образовательных электронных изданий. - Томск: Изд-во Томского университета, 2002. - 86 с.
3. Григорьев С.Г., Гриншкун В.В., Краснова Г.А. Основные принципы и методики использования системы порталов в учебном процессе Интернет-порталы: содержание и технологии. Вып. 2. / ГНИИ ИТТ «Информика». - М.: Просвещение, 2004. - С.56-84.
4. Проектування експертно! навчально! системи: (Пошук оптимально! реалiзацii психолопчних механiзмiв навчання / За ред. Ю.1. Машбиця. - К.: 1нститут психологи iм. Г.С.Костюка, 2003. -80 с.
5. Иванов В.Л. Структура электронного учебника //Информатика и образование. - 2001 - №6.
