CC BY
87
схем. Результаты измерений изображаются в виде графика на двухкоординатном плоттере XY Graf, регистрируются в численном виде в таблице значений в файле c:\MeasureFile и рисуются программой Paint в файле c:\testpic.bmp.
Для освоения работы с виртуальными приборами в практикуме даны упражнения.
Заключение
Разработанный на кафедре Теоретических основ электротехники МИРЭА универсальный лабораторный стенд «Миниатюрная электротехническая лаборатория МЭЛ-2» с методически обоснованной структурой наборного поля и оригинальными встроенными приборами послужил аппаратной основой для создания комплексного лабора-
торного практикума по дисциплине «Электротехника и электроника».
Лабораторный практикум включает в себя 23 лабораторные работы, которые выполняются на стенде МЭЛ-2 и на компьютерах в среде Electronics Workbench 5.12. Для расчетов электрических цепей и электронных схем разработан комплект учебных компьютерных программ в Mathcad. На основе программы LabVIEW разработаны три виртуальных прибора для обучения студентов современным технологиям измерений.
Комплексный лабораторный практикум внедрен в МИРЭА, в других образовательных учреждениях высшего и среднего профессионального образования и может быть использован в дистанционном обучении.
Литература
1. Алехин В.А., Парамонов В.Д. Лабораторный стенд по электротехнике. Патент РФ на полезную модель №53056. - Приоритет 20.10.2005.- МПК в09Б 25/00 (2006.01).- Опубликовано 27.04.2006.- Б.И. №12.- 2 с.
2. Алехин В.А. Комплект программ для лабораторного практикума по электротехнике «Электрические цепи» // Компьютерные учебные программы по электротехническим дисциплинам: Каталог программ, рекомендованных Научн.-метод. советом по электротехнике и электронике Министерства образования и науки РФ / Под ред А.Е. Краснопольского, Ю.Е. Бабичева, Л.Х. Зайнутдиновой, М.А. Польского; ФГОУ ВПО «АГТУ». - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2006. - 40 с.
3. Алехин В. А. Электротехника. Лабораторный практикум с использованием Миниатюрной электротехнической лаборатории МЭЛ, компьютерного моделирования, МаШса± - М.: МИРЭА, 2008. - 224 с.
4. Алехин В.А. Расчет электрических цепей в МаШса± Методич. указ. по выполнению контр. и курс. работ на компьютерах. - М.: МИРЭА, 2006, № 0568. - 36 с.
5. Алехин В.А. Миниатюрная электротехническая лаборатория МЭЛ. Часть 4. Основы аналоговой электроники: Методич. указ. по выполнению лабор. работ. - М.: МИРЭА, 2007, № 0645. - 32 с.
6. Алехин В.А. Миниатюрная электротехническая лаборатория МЭЛ. - Ч. 5. Цифровые микросхемы. Методич. указ. по выполнению лабор. работ. - М.: МИРЭА, 2007, № 0719. - 28 с.
7. Алехин В. А. Миниатюрная электротехническая лаборатория МЭЛ с виртуальными приборами ЬаЪУТБ'^ - Ч. 6. Методич. указ. по выполнению лабор. работ. - М.: МИРЭА, 2007, № 0791. - 16 с.
УДК 004.94 ББК В 22 74.263.2
ИННОВАЦИОННЫЙ ВИРТУАЛЬНЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ЕСТЕСТВЕННЫМ НАУКАМ\
В.В. Андреев, к.ф.-м.н., доц. Тел.: (495) 955-08-27; E-mail: [email protected] Валенсиа Манрике Оскар, асп. Тел.: (495) 955-09-27; E-mail: [email protected] А.В. Калашников, асп. Тел.: (495) 955-09-23; E-mail: [email protected] М.А. Корнеева, студ. Тел.: (495) 955-09-24; E-mail: [email protected] А.М. Умнов, к.ф.-м.н., доц. Тел.: (495) 955-08-29; E-mail: [email protected] Д.В. Чупров, ст. препод. Кафедра Экспериментальной физики Тел.: (095) 955-07-59; E-mail: [email protected] Российский университет дружбы народов http://ww.aitc.sci.pfu.edu.ru
Innovative natural science LAN installed virtual laboratory to provide delivery of distance learning is presented. A principle of open architecture is applied. The virtual laboratory has an adaptable many-purpose shell and can be added by virtual and natural experiments as well as with a distant control of experiment.
Представлена разработанная в РУДН виртуальная лаборатория практикума по естественным наукам, которая устанавливается в локальной сети компьютерного класса и полностью обеспечивает учебный процесс. Практикум построен по принципу открытой архитектуры и имеет гибкую универсальную оболочку, поэтому может быть легко дополнен как виртуальными, так и натурными опытами, в том числе и с возможностью удаленного управления экспериментом.
Ключевые слова: виртуальная лаборатория, практикум по естественным наукам, универсальная оболочка с открытой архитектурой, виртуальный и натурный эксперимент, дистанционное управление экспериментом.
Keywords: virtual laboratory, natural science laboratory, open architecture, virtual and natural experiments, distant control of experiment.
1. Введение
Особенностью современного подхода в создании физического лабораторного практикума [1,2] является интегрирование в единый комплекс реального и виртуального практи-кумов с возможностями их использования в режиме удаленного доступа [3], в котором наиболее эффективно сочетаются доступность, удобство выполнения работы, наглядность и легкость восприятия материала.
Возможности компьютерных технологий в части создания виртуальных работ практически безграничны. Виртуальная лабораторная работа, созданная средствами Lab VIEW [46], по характеру выполнения близка к натурному лабораторному эксперименту. Она требует определения физически и технически обоснованных диапазонов изменения параметров лабораторной установки, регистрации выходных данных при помощи виртуальных приборов, накопления, систематизации и обработки получаемых результатов. Интерфейсы виртуальных лабораторных работ наглядно демонстрируют схемы классических опытов и содержат узнаваемые измерительные приборы: линейки, секундомеры, манометры,
термометры, источники тока и напряжения, стрелочные приборы, линзы, оптические гониометры и другое оборудование [7].
Теоретические сведения, описание лабораторной установки и интерфейса, тестовые задания составляют методическое сопровождение каждой лабораторной работы. Вся сопроводительная документация содержится в базе данных учащихся, включающей в себя журналы учебных групп с возможностью ведения индивидуальных рабочих планов и гибкой системой оценок, а также полный архив отчетов каждого из учащихся по всем выполненным работам.
2. Описание программного пакета
В настоящее время разработано универсальное ядро лабораторного практикума [8], позволяющее:
.•проводить регистрацию и создавать базу данных пользователей с разбиением по учебным подразделениям;
•интегрировать новые лабораторные работы; .•варьировать уровень сложности и объем работы в зависимости от требований, предъявляемых к студентам;
•интерактивно контролировать ход выполнения учебного задания как на стадии тестирования и допуска к лабораторной работе, так и в процессе непосредственного выполнения упражнений;
.•формировать электронные версии отчетов о работе, проделанной каждым из зарегистрированных пользователей, с привязкой архива отчетов к общей базе данных;
•вести журналы учебных групп с возможностью индивидуальной настройки заданий и составления рабочих планов;
.•настраивать правила оценивания работ в соответствии с требованиями учебного учреждения.
Предлагаемый комплекс может быть использован для решения следующих задач учебного процесса:
проведение лабораторных работ; демонстрация физических процессов и явлений;
закрепление пройденного материала; самостоятельное изучение нового материала. Виртуальная лаборатория разработана с использованием архитектуры «клиент-сервер», интегрирующей пользовательский графический интерфейс клиента с базой данных, расположенной на сервере. Клиентское приложение виртуальной лаборатории, сервер баз данных и интерфейс доступа к базам данных реализованы средствами LabVIEW 8.5.
В состав единой локальной сети лаборатории (рис. 1) входят рабочее место преподавателя, на котором размещен сервер, и клиентские рабочие места студентов.
На сервере установлены программный интерфейс для работы с клиентами, база данных зарегистрированных пользователей, база виртуальных моделей всех работ практикума и программа для редактирования методического сопровождения лабораторных работ. На рабочих студентов установлены программы, представляющие собой универсальную оболочку лабораторной работы, единую для всего практикума виртуальной лаборатории.
Для активации своего рабочего места студент отправляет преподавателю запрос идентификации, в котором выбирает из представленных списков номер своей учебной группы и свое имя (рис. 2).
В случае если его имя отсутствует в списке, студенту предлагается зарегистрироваться в базе данных лаборатории. Студент заполняет поля регистрационной формы и отправляет данные для проверки и подтверждения преподавателю.
После активации рабочего места пользователя преподаватель может
назначить задание на выполнение работы. Задания каждому из учащихся формируются в соответствии с индивидуальным рабочим планом. Для удобства работы эти планы настраиваются единообразно для всех учащихся, зарегистрированных в выбранной учеб-
ной группе, в начале отчетного периода, а в последствии могут быть изменены по желанию преподавателя.
В состав задания входят: название лабораторной работы; теоретическое описание явлений и эффектов, положенных в основу работы; тестовые задания для контроля понимания теоретического материала; описание лабораторной установки; порядок действий при выполнении лабораторной работы. Лабораторная работа содержит до пяти упражнений, причем каждое упражнение может сопровождаться тремя контрольными вопросами. После назначения задания на компьютер студента копируются все необходимые файлы, с которыми будет взаимодействовать программа универсальной оболочки лабораторной работы.
На своем рабочем столе в основном окне приложения на вкладке «Список учащихся» (рис. 3) преподаватель в левом столбце видит перечень всех присутствующих в классе учащихся. В таблице отображается список выбранной группы, причем фамилии присутствующих в классе выделены жирным шрифтом. Напротив фамилии учащегося указывается название лабораторной работы, запланированной для выполнения на данном занятии, и графы, обеспечивающие непрерывный мониторинг выполнения заданий.
В случае необходимости внесения изменений в индивидуальный план любого учащегося можно двойным щелчком мыши на строке с его именем вызвать окно «Информация об учащемся» (рис. 4), в котором в хронологическом порядке перечислены все запланированные работы с указанием варианта, а также с короткой сводкой о результатах проведенной проверки. Из этого же окна преподаватель может получить доступ к архиву отчетов учащегося для их проверки или уточнения данных.
Для допуска к лабораторной работе студент обязан пройти тест на знание теоретического материала, состава и принципов функционирования лабораторной установки, а также порядка действий при выполнении упражнений. Эту информацию он может получить, ознакомившись с разделами «Теория» и «Инструкция», которые доступны ему в окне интерфейса программной оболочки клиентского приложения. Количество и содержание вопросов теста устанавливаются преподавателем заранее при подготовке заданий лабораторных работ. Программа выбирает вопросы из созданной преподава-
телем базы данных в произвольном порядке. Преподаватель может указать, какое количество правильных ответов является достаточным для успешного прохождения теста. В случае если студент не справился с тестом с первого раза, ему может быть предоставлена повторная попытка. Если студент не уложился в отведенное преподавателем количество повторных попыток, то вопросы теста будут автоматически заменены новыми. Преподаватель определяет также максимальное количество подходов студента к сдаче теста.
После успешного тестирования в интерфейсе программной оболочки лабораторной работы учащемуся становятся доступны упражнения. Виртуальная модель каждого упражнения представляет собой самостоятельное приложение, интерфейс которого полностью повторяет реальный лабораторный стенд. В качестве примера на рис. 5 приведен интерфейс приложения, используемого в одном из упражнений лабораторной работы «Изучение цепей переменного тока».
Здесь, как и в других упражнениях, внешний вид генератора, измерительных приборов, ключей и проводов соответствует реальным приборам. Экспериментальные данные, получаемые на такой виртуальной установке, заносятся студентом в таблицы, интегрированные в оболочку лабораторной работы (рис. 6). Студент должен самостоятельно дать обозначения граф таблицы и сгруппировать данные, что заставляет его
более углубленно проанализировать логику постановки эксперимента.
После каждого упражнения студенту предлагается должным образом оформить полученные результаты. Оболочка позволяет построить один, два или три графика, на каждом из которых может быть отображено семейство кривых (не более пяти). Преподава-
I
тель может строго регламентировать оформление результатов или предоставить студенту возможность творчески подойти к представлению экспериментальных данных. В окне (рис.7) студент видит заполненную им экспериментальную таблицу. Для построения графических зависимостей он должен выбрать столбцы данных, которые соответствуют абсциссе и ординате. Необходимо указать название графика, а также ответить на контрольные вопросы, заданные преподавателем.
Последовательность выполнения упражнений лабораторной работы, как правило, задается заложенной в нее логикой. Упражнения могут быть выстроены по принципу «от простого к сложному». В ряде работ предварительно требуется провести калибровку измерительной системы. В любом случае всегда полезно иметь возможность вернуться к измерениям, сделанным ранее, и уточнить их. Программа позволяет сделать это, причем все данные в таблицах и на графиках обновляются автоматически. Нажатием кнопки «Добавить в отчет» студент подтверждает свою окончательную уверенность в правильности полученных результатов. После выполнения и проверки всех упражнений, ответа на все контрольные вопросы студент формулирует выводы о проделанной лабораторной работе и отправляет отчет о ней преподавателю. Такой подход развивает у студентов способности критического анализа полученных результатов и формирует научное мышление.
Отчет в формате html (рис. 8) передается в архив, связанный с базой данных виртуальной лаборатории. Он может в любой момент быть открыт и проверен преподавателем.
Результаты проверки автоматически поступают в базу данных виртуальной лаборатории и отображаются одновременно в персональных данных об учащемся и в журнале его учебной группы (рис. 9). Универсальность и гибкость предлагаемой оболочки заключаются в возможности быстрого и качественного интегрирования новых лабораторных работ, содержание которых ни чем не ограничивается. Для того чтобы встроить лабораторную работу в практикум предлагаемой виртуальной лаборатории, необходимо лишь создать приложение, которое будет моделировать действующую экспериментальную установку, разработать методическое сопровождение к упражнениям и объединить эти материалы в единый комплекс, следуя
инструкциям (рис. 10). При создании методического сопровождения требуется использование стандартных текстовых редакторов, лицензионные версии которых априорно имеются в любом учебном заведении. Новые
работы могут быть интегрированы в существующие разделы виртуальной лаборатории. Предусмотрено также создание новых разделов.
нен и в других высших и средних специальных учебных заведениях.
Дальнейшим развитием предложенного решения является интегрирование практикумов по различным дисциплинам в целях создания единого виртуального лабораторного комплекса по естественнонаучным и инженерным дисциплинам.
Работа выполнена в рамках мероприятий, посвященных 50-летию Российского университета дружбы народов.
Разработанный программный комплекс, включающий ядро лабораторного практикума и ряд лабораторных работ по различным дисциплинам, успешно внедрен и апробирован в РУДН. Его использование показало эффективность такого подхода к проведению занятий, выражающуюся в ускоренном усвоении материала, лучшем понимании изучаемых процессов и явлений, повышении заинтересованности студентов при выполнении учебных заданий. Опыт использования этого программного комплекса может быть приме-
Литература
1. Назаров А.И., Ханин С.Д. Модель и системы открытого обучения в физике // Открытое образование. - 2005. - № 6. - С. 33-45.
2. Пономарев С. М., Ховричева М.Л. Особенности лабораторного эксперимента в преподавании естественнонаучных дисциплин. Нижегородский Государственный Педагогический университет URL: http://center.fio.rU/vio/VIO_01/Present/ITO/2000/II/1/122.html .
3. Толстик А.М. Проблема лабораторного практикума в дистанционном образовании URL: http://www.cctpu.edu.ru/conf/sec7/tez29.html.
4. Поляков А.А. Новый подход к инженерному образованию. - М.: Центр-Пресс, 2000. - 238 c.
5. Андреев В.В., Калашников А.Г., Корольков В.И., Умнов А.М., Чупров Д.В. Современный физический лабораторный практикум для средних и средних специальных учебных заведений // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments: Сб.тр. V Междунар. научн.-практич. конф. - М.: РУДН, 2006. - С.25-29.
6. Потапов А.И., Махов В.Е., Васильев В.Е., Кацан И.Ф. Применение компьютерных технологий в решении задач дистанционного обучения // Открытое образование. - 2007. - № 1. - С. - 49-54.
7. Бутырин П.А., Васьковская Т.А., Каратаев В.В., Материкин С.В. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе LabVIEW 7 (30 лекций). -М.: ДМК Пресс, 2005. - 264 с.
8. Андреев В.В., Калашников А.Г., Корольков В.И., Умнов А.М., Чупров Д.В. Ядро виртуального лабораторного практикума по естественным наукам в среде LabVIEW 8.5 // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments: Сб. трУП Междунар. на-учн-практич. конф. - М.: РУДН, 2008. - С. 537- 542.
