CC BY
3УДК 378.147:004
Вахтина Е. А., Вострухин А. В.
Vakhtina E. A., Vostrukhin A. V.
ИНСТРУМЕНТ ПОДДЕРЖКИ САМООБУЧЕНИЯ ПО ИНФОРМАЦИОННОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ
SUPPORTING INSTRUMENT FOR INFORMATION ELECTRONICS SELF-LEARNING
В качестве инструмента поддержки самообучения студентов в новых областях технического знания предлагается образовательный ресурс как совокупность учебнометодических и аппаратно-программных средств обучения. С использованием психологического механизма влияния средств обучения, обобщения педагогического опыта и анализа результатов патентно-информационного поиска проектируются составляющие образовательного ресурса; приводятся результаты его апробации в научно-образовательном процессе электроэнергетического факультета СтГАУ.
Ключевые слова: информационная электроника, микроконтроллер, образовательный ресурс, средства обучения, учебное пособие, стенд микроконтроллерный.
In the capacity of the instrument of self-learning support for the students in the new areas of technical knowledge, the educational resource as set of academic and hardware-programmed means of training is offered. Using the psychological mechanism of training means influence, generalization of pedagogical experience and analysis of the patent information retrieval results the components of educational resource are projected. The results of its approbation in scientific and educational process of power engineering department of SSAU are presented.
Keywords: information electronics, microcontroller, educational resource, training means, manual, microcontroller’s stand.
Вахтина Елена Артуровна -
кандидат педагогических наук, доцент кафедры автоматики, электроники и метрологии Ставропольский государственный аграрный университет Тел.: 8(8652) 75-57-29, 8-918-746-71-16 E-mail: vea1961@yandex.ru
Вострухин Александр Витальевич -
кандидат технических наук, доцент кафедры автоматики, электроники и метрологии Ставропольский государственный аграрный университет Тел. 8(8652) 75-57-29 E-mail: avostrukhin@yandex.ru
Vakhtina Elena Arturovna -
Ph. D. in Pegagogical Sciences,
Docent
Stavropol State Agrarian University
Теl. 8(8652) 75-57-29, 8-918-746-71-16 E-mail: vea1961@yandex.ru
Vostrukhin Alexander Vitalievich -
Ph. D. in Technical Sciences,
Docent
Stavropol State Agrarian University Теl. 8(8652) 75-57-29 E-mail: avostrukhin@yandex.ru
Обеспечение эффективной педагогической поддержки самостоятельной работы студентов - необходимое условие перехода от педагогической возможности к педагогической реальности в процессе превращения знания в достояние личности студента. Интерес представляет «та часть знания, которая используется для ориентировки, активного действия и управления» [1]. В области инженерно-технической подготовки существуют объективные трудности в этом процессе. Во-первых, ускорение роста объема новых знаний (количество новой научнотехнической информации удваивается каждые 2 года), появление новых областей знаний (программирование, генная инженерия, наноэлектроника и др.), новых задач в традиционных областях технического знания, связанных в основном с внедрением информационно-коммуникационных технологий [2]. Во-вторых, существующий предел бюджета времени студента на усвоение информации. Перед преподавателем
стоит задача отбора и систематизации знаний по степени их востребованности в будущей профессиональной деятельности студента. В педагогике решение этой задачи называется актуализацией содержания обучения. Так как содержание обучения относится к определенной области знаний, то его актуализацию нужно рассматривать на конкретной дисциплине (учебном модуле). Возьмем в качестве примера электронику, которая является базовой дисциплиной для многих инженерных специальностей и направлений подготовки. Современные достижения электроники как науки и техники кардинально изменили практическое применение электромагнитных явлений в большинстве промышленных, аграрных и транспортных технологий и определяют сегодня вектор их развития. Однако изменения в содержании обучения электроники отстают от темпов развития инженерии в этой области. Рассмотрим конкретный пример.
Обобщение педагогического опыта преподавания электроники в различных вузах по-
в
№ 3(7), 2012
Проблемыаграрногообразования
5
казало, что основное внимание уделяется полупроводниковым приборам, аналоговым и цифровым непрограммируемым устройствам. Вместе с тем современное производство электронных устройств строится в основном на микропроцессорной технике, что находит отражение в научной и научно-популярной литературе. Складывается парадоксальная ситуация - выпускник вуза, изучавший электронику, не может разобраться в функционировании устройства, построенного, например, на базе микроконтроллера (МК). Кстати, МК признан самым выдающимся достижением электроники после изобретения транзистора. Добавим, что в конкурсах на лучшую научную работу по техническим наукам среди студентов и аспирантов выигрывают те работы (по результатам экспертных оценок), в которых технические решения построены на базе Мк. Аналоговые и непрограммируемые цифровые устройства постепенно сдают свои позиции перспективным программируемым системам - микроконтроллерам.
Контент-анализ учебной, научной литературы и Интернет-источников позволил сформировать структуру содержания современной электроники (рис. 1). Трудоемкость изучения разделов (модулей) зависит от направлений подготовки и специальностей.
Рисунок 1 - Структура содержания электроники
Мы не отрицаем важность изучения основ электроники, но, как правило, эти основы хорошо проработаны и их самостоятельное освоение под руководством преподавателя не составит особых трудностей для студента. Однако задачи дидактического характера, связанные с изучением МК, остаются и требуют решения, вариант которого мы предлагаем в форме образовательного ресурса (ОР).
ОР рассматривается нами как комплекс средств обучения, предназначенный для педагогической поддержки студента в освоении актуального содержания предметной области знаний.
Современные подходы к трактовке понятия «средства обучения», а также их классификации освещены в работах отечественных педагогов и
психологов С.Л. Ленькова, П. И. Пидкасистого, Н. Е. Рубцовой, С. А. Смирнова, С. Г Шаповаленко,
B. Э. Штейнберга и др. Так, например, С. Г Шаповаленко относил к средствам обучения различные материальные объекты, в том числе искусственно созданные специально для учебных целей и вовлекаемые в образовательный процесс в качестве носителей учебной информации и инструмента деятельности педагога и учащегося. П. И. Пидкасистый к средствам обучения добавляет идеальные объекты. С. А. Смирнов определяет средства обучения ключевым звеном технологии обучения. В. Э. Штейнберг обосновывает требования к средствам обучения, которые позволяют им являться инструментальным базисом технологии обучения: универсальность, многомерность и генетичность. Н. Е. Рубцова и С. Л. Леньков средства обучения делят на три группы: 1) внешние (предметные); 2) внешние функциональные (психологические); 3) внутренние (психологические).
Между внешними и внутренними средствами существуют тесные взаимосвязи. Любое внешнее средство может быть фиксировано в виде образов, моделей, описаний, а может быть ин-териоризировано посредством активного отражения его в сознании. Интериоризированное внешнее средство не является некоей копией, помещенной в сознание субъекта, а включает множество дополнительных элементов и связей между ними, обусловленных знаниями, опытом, тезаурусом, особенностями психики и актуализированными психическими процессами личности. Следовательно, интериори-зированное внешнее средство представляет собой достаточно самостоятельное явление, хотя и порожденное внешним средством. Кроме того, в состав внутренних средств могут входить средства, не связанные непосредственно с внешними предметными действиями и орудиями труда, т. е. создаются дополнительные психологические структуры, способствующие восприятию и запоминанию материала. Отсюда Е. Н. Рубцова и С. Л. Леньков делают вывод о том, что система внутренних средств субъекта обучения значительно богаче, разнообразнее и сложнее по строению, чем система внешних средств [3]. Значит, управляя развитием последней, мы можем существенно влиять на расширение системы внутренних средств субъекта обучения. В этом и будет заключаться педагогическая поддержка студента в освоении актуального содержания.
В основе классификации средств обучения в своей работе мы использовали предложенную
C. А. Смирновым систематику, опирающуюся на положение В. В. Краевского о том, что системообразующим элементом в образовании выступает его содержание [4]. Тогда выделяются две большие группы средств обучения: 1) средство - источник информации и 2) средство - инструмент ее освоения и переработки.
Тогда применительно к изучению МК мы разработали ОР, который представляет собой
учебно-методический и аппаратно-программный комплекс, показанный на рисунке 2.
Учебно-методический блок этого комплекса представлен учебным пособием [5]. К решению вопроса актуализации его содержания мы подошли следующим образом. Основная цель пособия - предоставить студентам массовых инженерных специальностей и направлений подготовки: электриков, механиков и др., не имеющих специальной подготовки по программированию, отобранный из различных источников и систематизированный материал для освоения возможностей современной электроники, элементной базой которой являются программируемые системы, размещенные на одном полупроводниковом кристалле, - микроконтроллеры.
В образовательном процессе в соответствии с модульным принципом промышленную электронику делят на две составляющие - информационную и энергетическую (см. рис. 1). Информационная электроника составляет основу электронно-вычислительной и информационноизмерительной техники, а также устройств автоматики. К ней относятся устройства получения, обработки, передачи, хранения и использования информации. МК ориентированы на выполнение именно этих информационных функций. Энергетическая электроника связана с устройствами и системами преобразования электрической энергии - это выпрямители, инверторы, мощные преобразователи частоты и другие устройства. Они также работают под управлением МК.
Авторы, занимаясь научными исследованиями и прикладными разработками в области информационной электроники, проводили анализ результатов патентно-информационного поиска и убедились в том, что по частоте и эффективности применения МК одно из первых мест занимает контрольно-измерительная техника. С появлением микропроцессоров кардинально изменились принципы построения измерительных средств. Встроенный в измерительное средство микропроцессор придает ему новые
качества: многофункциональность, самокалиб-ровку, автоматизацию статистической обработки измерений, повышение экономичности и надежности, а также позволяет решать задачи, которые ранее даже не ставились [6, 7]. Поэтому целесообразно организовать учебный процесс по изучению МК на примерах построения измерительных средств.
При составлении структуры учебного пособия мы преследовали следующую цель. Излагаемый материал должен быть полезен при выполнении курсовых, дипломных, диссертационных и научно-исследовательских работ, в которых затрагиваются вопросы, связанные с измерениями физических величин. При этом рассматриваемые измерительные средства должны быть востребованы в практической деятельности, доступны в понимании, а их функционирование реализовано с помощью несложных программ. Такими устройствами могут быть так называемые интеллектуальные датчики -микроконтроллерные измерительные преобразователи, конструктивно выполненные в одном корпусе с первичным измерительным преобразователем - датчиком (сенсором).
Для разработки микроконтроллерного устройства студенту необходимо выбрать наиболее подходящий МК, подключить к нему датчики, клавиатуру, индикатор, ключи, организовать при необходимости связь (интерфейс) с другими микропроцессорными устройствами и т. д., а также разработать наиболее сложную и трудоемкую часть устройства - программу. На начальном этапе освоения МК целесообразно использовать язык программирования Ассемблер. Этот язык по сравнению с языками программирования высокого уровня, например Си, дает возможность студенту при изучении МК мыслить в терминах цифровой электроники, что обеспечивает реализацию принципа преемственности в обучении. Кроме того, Ассемблер - это один из лучших после математики инструментов, развивающий логическое мышление и создающий предпосылки для творческой деятельности студента.
Какой МК изучать? Согласно данным интернет-опросов наибольшим спросом у отечественных разработчиков новой техники пользуются микроконтроллеры ДУЯ корпорации Д^е!. По соотношению цена - производительность - энергопотребление они занимают одно из первых мест в мире и признаны индустриальным стандартом [8].
В настоящее время по МК ДУЯ выпущено достаточно много изданий, в которых приводятся примеры построения различных устройств. Однако в большинстве случаев рассматриваемые устройства не реализуют типовые функции измерительных информационных систем. Для восполнения указанного пробела в учебном пособии рассмотрены примеры программирования типовых функций этих систем: преобразование физических величин в цифровой код, ввод информации от датчиков и клавиатуры,
Рисунок 2 - Образовательный ресурс по изучению МК
в
№ 3(7), 2012
Проблемыаграрногообразования
7
вывод информации на индикатор, формирование управляющих сигналов исполнительными устройствами.
Аппаратно-программный блок ОР состоит из разработанных программ и аппаратного средства их реализации - стенда микроконтроллер-ного (см. рис. 2). Стенд выполнен двумя модулями с цифровым и аналоговым входами [9]. На рисунке 3 представлена структура модуля с цифровым входом. Каждый модуль имеет разъем для программирования МК с помощью программатора ДуЯ1ЭР тк11, подключаемого к иЭВ-порту компьютера. Основное назначение аппаратно-программного блока ОР в учебном процессе - реализация практической составляющей в обучении программированию МК.
Рисунок 3 - Структура модуля стенда микроконтроллерного
Для закрепления знаний, отработки умений и навыков по программированию студенту предлагаются тестовые задания для самостоятельного выполнения, а в качестве образцов выполнения заданий приводятся примеры программирования типовых функций измерительных информационных систем с полным текстом программ.
В процессе апробации и внедрения в научнообразовательный процесс электроэнергетического факультета СтГАУ [10] на основе ОР
были разработаны лабораторные работы и выполнены дипломные работы исследовательского характера: разработка двухпозиционного терморегулятора, устройства контроля влагосодержания трансформаторного масла, устройства диагностики изоляции обмотки асинхронного двигателя (акт внедрения НИР в учебный процесс от 03. 02. 2010). Все работы студентов содержали программы, написанные на языке Ассемблер в среде AVR Studio, новая версия которой доступна на сайте фирмы Atmel www/atmel. com или русскоязычном сайте www/ atmel. ru. Среда AVR Studio находится в открытом доступе, что является немаловажным фактором, способствующим её использованию в учебных целях. Работы студентов участвовали в конкурсах научных работ и завоевали дипломы «Лауреат Всероссийского открытого заочного конкурса достижений талантливой молодежи», (2010 г.) и «Лауреат Всероссийского открытого конкурса научно-исследовательских работ студентов» (2011 г.).
В заключение подчеркнем, что для педагогического сопровождения самостоятельной работы студентов преподаватель одновременно с отбором актуального содержания обучения решает вопрос обеспечения его освоения средствами инструментальной поддержки: выбирая перспективные из имеющихся, проектируя и создавая новые недостающие и тем самым развивая среду обучения. Только в совокупности содержания и инструментальных средств его освоения (изучения, тренинга, контроля и самоконтроля) может рассматриваться образовательный ресурс, поскольку только тогда он создает субъекту обучения необходимые и достаточные условия для овладения определенной областью знаний, востребованной в его профессиональной деятельности.
Литература
1. Осыченко М. В. Экологическая культура в контексте современных глобальных проблем : автореф. дис. ... канд. филос. наук. Ставрополь, 2007. С. 18.
2 Мелецинек А., Ауэр М. Ю1Р и тенденции в развитии инженерного образования // Высшее образование в России. 2011.№ 12. С. 38.
3. Рубцова Н. Е., Леньков С. Л. Психологические средства профессиональной деятельности преподавателя информационных технологий // Открытое образование. 2002. № 4. С. 27.
4. Смирнов С. А. Еще раз о технологиях обучения // Высшее образование в России. 2000. № 6. С. 116-118.
5. Вострухин А. В., Вахтина Е. А. Введение в программирование микроконтроллера ДУЯ на языке Ассемблера : учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. М. : Илекса, 2010. 184 с. : ил.
6. Трамперт В. Измерение, управление и регулирование с помощью ДУЯ микрокон-
References
1. Osychenko M. V. Ecological culture in a context of modern global problems : the author’s thesis of the Ph. D. in Philosophical Sciences. Stavropol, 2007. P. 18.
2. Meletsinek A., Auer M. IGIP and the Trends in Engineering Education Development // Higher Education in Europe. 2011. № 12. P 38.
3. Rubtsova N. E., Lenkov S. L. Psychological means of professional activity of the teacher of information technologies // Open education. 2002. № 4. P 27.
4. Smirnov S. A. Once again about technologies of training // Higher Education in Russia. 2000. № 6. P. 116-118.
5. Vostrukhin A. V., Vakhtina E. A. Introduction in Programming of Microcontroller AVR in Assembler Language : textbook. 2-nd edit., rev. and compl. M. : Ileksa, 2010. 184 p.
6. Trampert V. Measurement, control and regulation with the help AVR of microcontrollers / translated from German. Kiev : MK-Press, 2006. P 18.
троллеров / пер. с нем. Киев : МК-Пресс, 2006. С. 18.
7. Мортон Дж. Микроконтроллеры AVR. Вводный курс / пер. с англ. М. : Издательский дом «Додэка-XXI», 2006. С. 152— 171.
8. Гребнев В. В. Микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel. М. : РадиоСофт, 2002. С. 7-8.
9. Пат. 75507 Российская Федерация, МКПО9 14-02. Стенд микроконтроллер-ный / А. В. Вострухин, Е. А. Вахтина ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Ставропольский ГАУ». № 2009501267; заявл. 12.05.2009; опубл. 16.07.2010, Бюл. № 7. 3 с.
10. Трухачев В. И. Опыт применения технологии e-learning в системе аграрного образования // Высшее образование в России. 2009. №11. С. 75-80.
7. Morton J. Microcontrollers AVR: Introduc-tive Course. / Translated from English - M. : The publishing house «Dodeka-XXI», 2006. P. 152-171.
8. Grebnev V. V. Microcontrollers of AVR kind of Atmel firm. M. : RadioSoft, 2002. P. 7-8.
9. Patent № 75507 Russian Federation, ICID9 14-02. The microcontroller workbench / A. V. Vostrukhin, E. A. Vakhtina ; the applicant and patent-owner FSBEI HPE «Stavropol State Agrarian University». № 2009501267; decl. 12. 05. 2009; publ. 16. 07. 2010, The bulletin № 7. 3 p.
10. Trukhachev V. I. Experience of e-learning technology application in the system of agrarian education // Higher Education in Russia. 2009. № 11. P. 75-80.
