CC BY
41
УДК 378.14
Н.Л. ДОН, С О. САВЧЕНКО
Херсонський полгтехшчний коледж Одеського надюнального полiтехнiчного ушверситету
О.Н. ВОЙЦЕХОВСЬКИЙ
Херсонський нацiональний техшчний унiверситет
ДО ПИТАННЯ ВПРОВАДЖЕННЯ 1НФОРМАЦ1ЙНИХ ТЕХНОЛОГ1Й В ЛАБОРАТОРНОМУ ПРАКТИКУМ1 З ЕЛЕКТРОН1КИ
Розглянуто можливостг вгртуального лабораторного практикуму на баз1 середовища Multisim при вивченнi курсу електротки. Проанал1зовано методичнi аспекти впровадження вгртуальних лабораторних робт в навчальному процесг.
Ключовг слова: тформацшт технолога, лабораторний практикум, Multisim, електротка.
Н.Л. ДОН, С.А. САВЧЕНКО
Херсонский политехнический колледж Одесского национального политехнического университета
А.Н. ВОЙЦЕХОВСКИЙ
Херсонский национальный технический университет
К ВОПРОСУ ВНЕДРЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ЭЛЕКТРОНИКЕ
Рассмотрены возможности виртуального лабораторного практикума на базе среды Multisim при изучении курса электроники. Проанализированы методические аспекты внедрения виртуальных лабораторных работ в учебный процесс.
Ключевые слова: информационные технологии, лабораторный практикум, Multisim, электроника.
N.L. DON, S.A. SAVCHENKO
Kherson Polytechnic College of Odessa National Polytechnic University
A.N. VOYTSEKHOVSKIY
Kherson National Technical University
TO QUESTION OF INTRODUCTION OF INFORMATION TECHNOLOGIES IN LABORATORY PRACTICAL WORK FROM ELECTRONICS
Possibilities of virtual laboratory practical work are considered on the base of environment of Multisim at the studying of course of electronics. The methodical aspects of introduction of virtual laboratory works are analyzed in an educational process.
Keywords: information technologies, laboratory practical work, Multisim, electronics.
Постановка проблеми
Сощальш та економ1чш умови сьогодення висувають достатньо жорстш вимоги до якост1 випускнишв техшчних виш1в, незалежно ввд р1вня акредитацп останшх. Роботодавцям потр1бна особистють, яка характеризуемся не репродуктивним, а творчим мисленням, шщативна та самостшна щодо прийняття професшних ршень. Переважаючим напрямком шформатизацп шженерно-техшчно! освгти е використання нових комп'ютерних технологш у формуванш важливих фахових компетенцш, що визначае необхвдшсть впровадження сучасних шформацшних технологш в навчанш 1нженер1в.
В умовах штенсивно! комп'ютеризаци вищо! освгти розроблеш та широко впроваджуються шформацшш технологи з метою тдвищення р1вня викладання природничих та техшчних дисциплш -електронш тдручники, ашмаци, мультимед1а, модел1 тощо. Стр1мкий розвиток штерактивних в1ртуальних лабораторш суттево розширив можливосп вивчення природничих та техшчних дисциплш. Саме тому актуальним е питання впровадження в1ртуального лабораторного практикуму в освгтнш процес.
Аналiз останшх дослiджень i публжацш
Сучасному перюду розвитку сусшльства притаманне безупинне зростання впливу шформатизацп освгтнього процесу. Проблемам шформатизацп вищо! освгти присвячеш численш дослвдження (А.1.Башмаков, Р.С.Гуревич, М.М. Козяр, А.Ю.Уваров, А.1.Уман, Л.С.Шевченко та шш1). Проблеми формування та застосування у професшнш шдготовщ фах1вщв шформацшно-освгтшх середовищ дослщжували А.А.Андреев, В.Ю.Биков, Ю.О.Жук та шш1. В сво!х наукових працях науковщ зазначають, що використання в освгтньому процеа 1КТ дозволяе представити для вивчення теоретичний
MaTepiai, оргашзувати апробацш, тренування i самостiйну творчу роботу, допомагае студентам i викладачевi оцшити рiвень знань з певно! теми, а також мютить необхiдну довщкову iнформацiю [1].
Сьогоднi особливо активно змшюеться роль комп'ютера в освт - вiн перетворився в зааб шдвищения ефективностi проведения не лише лекцшних занять, а й практичних чи семiнарських. На думку б№шосп експертiв, всюди в групах, що навчаються з використанням комп'ютерних технологш, спостерiгаеться пiдвищення успiшностi та якосл знань [2].
Важливу роль в засвоенш технiчних наук вщграе лабораторний практикум, мета якого -експериментальна перевiрка теоретичних положень, формування практичних вмiнь та навичок роботи з реальними об'ектами та обладнанням, вироблення навичок експериментальних дослiджень та обробки отримаиих результатiв.
Незважаючи на велику к1льк1сть рiзноплаиових i масштабних дослвджень, що стосуються шформатизацп освгги та використания iнформацiйно-комунiкацiйних технологiй навчання, зокрема шформацшних освiтнiх середовищ, у них не знайшли грунтовного вивчення питання розробки i застосуваиня вiртуального лабораторного практикуму при вивченнi конкретних дисциплш професшно! подготовки фахiвцiв у вищш школi.
Формулювання мети дослщження
Мета роботи полягае в дослвдженш аспектiв ефективного використания сучасних комп'ютерних середовищ, зокрема вiртуальних лабораторiй, при вивченш електронiки студентами технiчних ВНЗ.
Викладення основного матер1алу дослiдження
Лабораторний практикум з електрошки передбачае ознайомлення студентiв з реальними елементами електронних к1л, iз сучасними вимiрювальними приладами, отримання навичок складания схем та проведення вимiрюваиь з урахуваниям електробезпеки - з практично! точки зору це оптимальний варiант засвоення дано! дисциплши. Але досввд показуе, що збирання електричних схем та подключения вимiрювальних приладiв може займати до третини часу всього лабораторного заняття.
На практицi викладач змушений зважати на передбачуванi труднощi, як от:
- постановка лабораторних робгт вимагае застосувания вартiсного обладнаиия (бажаио сучасного) та велико! шлькосп сучасних вимiрювальних приладiв;
- результати дослiджения завжди залежать ввд якостi ненадiйних контактних з'еднань, надiйностi роботи вимiрювальних приладiв, вiрогiдностi обриву з'еднань тощо;
- мае мюце небезпека перевантажения та виходу з ладу як джерел живления, так i вимiрювальних приладiв;
- неможливiсть реалiзацi! на стендах аваршних режимiв.
Використания вiртуальних лабораторних робгт дозволяе уникиути подiбних ситуацш.
Вiртуальна лабораторiя фактично е комплексом програм чи програмно-апаратних засобiв у поеднаиш з набором документацi! з !х використания, що дозволяе проводити експеримент частково чи повнiстю на математичнш моделi.
1з найбiльш поширених вiртуальних лабораторiй можиа виокремити наступш типи програмного забезпечення:
- iнтерактивнi демонстраци - переважио демонстрацiйнi програми не мютять достатню к1льк1сть iнтерактивностi, але задовшьно демонструють проведення експерименту i тому досить часто застосовуються при створенш електронних посiбникiв в якосп засобу покращення сприйняття навчального контенту;
- унiверсальнi комп'ютернi лабораторп - призначенi для використания в освггаьому процесi i за сво!ми властивостями наближенi до програм, що використовуються в реальних наукових дослвджениях.
Вiртуальнi лабораторнi роботи на базi унiверсальних пакетiв програм можуть застосовуватися в рiзних предметних областях:
- система LabVIEW фiрми National Instruments мютить досить рiзноманiтнi бiблiотеки елемеипв, призначених для розробки вiртуальних штерфейа фiзичних приладiв та лабораторних установок;
- на базi спецiалiзованих предметно-орiентованих пакетiв програм з обмеженими областями застосуваиня (наприклад, система Multisim фiрми National Instruments створена для моделюваиня електронних схем; система ChemOffice фiрми CambridgeSoft призначена для моделюваиня хiмiчних процесiв тощо).
Наразi поширеними е комп'ютерне моделюваиня та аиалiз схем електронних пристро!в з використаииям програм Electronics Workbench, DesignLab, Aplac, P-Spice, Micro-Logic, LabVIEW, NI Multisim, Proteus тощо.
Серед зазначених комп'ютерних лабораторш на етапi початкового засвоения студентами моделюваиня електронних пристро!в найбiльш придатною для проведення лабораторного практикуму з електрошки е програмний пакет Multisim найб№ш популярний у свiтi пакет в своему клаа програмних
продукпв, призначений для схематичного представления i моделювання аналогових, цифрових i аналого-цифрових к1л. Вш мае ряд переваг, у порiвнянi з аиалогiчними програмними продуктами i широкий вибiр можливостей. [3].
Як показав досвщ використання програм Electronics Workbench i Multisim, !х можна використовувати i без додатково! програмно! оболонки. Зазначенi програми можна використовувати в лабораторному практикумi в якосп потужних унiверсальних iнструментiв для проведення дослiджень та експериментiв. При цьому система е бiльш гнучкою, не вимагаеться залучення додаткових спецiалiстiв до розробки та використання комплексу в освггньому процесi.
Компоненти - це основа будь-яко! схеми, це все елементи, з яких вона складаеться. Multisim оперуе з двома категорiями компонента: реальними i вiртуальними. Необхвдно ясно розумiти рiзницю мiж ними, щоб повною мiрою скористатися !х перевагами. У реальних компонентiв, на вщм^ ввд вiртуальних е певне, незмшне значення i вiдповiдне позначення на друкованiй платi. Вiртуальнi компоненти потрiбнi тiльки для емуляцп, користувач може призначити !м довiльнi параметри. У Multisim е й шша класифiкацiя компонентiв: аналоговi, цифровi, змшаш, анiмованi, iнтерактивнi, цифровi з мультивибором, електромеханiчнi i радiочастотнi. Пiдтримуеться стандартний набiр компонентiв: резистори, конденсатори, iндуктивностi, керованi лiнiйнi i нелiнiйнi джерела, лiнii затримки без втрат i з втратами, дiоди, тиристори, транзистори, операцiйнi пiдсилювачi, цифровi iнтегральнi схеми та ш., а також свилодюди, цифровi iндикатори, резистивнi матрицi, плавш запобiжиики, лампи розжарювання i ключг Пiдтримуеться мехаиiзм створення макромоделей.
Бiблiотеки Multisim мiстять понад 16000 електронних компонент, якi супроводжуються аиалiтичним моделями, придатними для швидкого моделювання. Програма дозволяе редагувати та створювати новi компоненти, при цьому у вщкритому доступi в мережi 1нтернет юнують бiблiотеки вже створених компонент для моделювання [3].
Схема зображуеться в графiчному виглядi звичайним чином. З меню вибирають бiблiотеку компонентiв, склад яко! зображуеться на робочому екраш. Рухом мишi символи компонентiв переносять на схеми i виконують електричш з'еднання. На вiдмiну вiд DesignLab i Micro-Cap досить вказати початковий i кiнцевий вивiд з'еднання, як воно буде прокладено автоматично.
В програш Multisim передбачено комплект контрольно-вимiрювальних приладiв, зовнi та за характеристиками наближеними до !хтх промислових аналопв. Зокрема: мультиметри (для вимiрювания постшно! i змiнноi напруги i струму, опору, результати вимiрювань виводяться у ввдносних одиницях i децибелах); багатоканальш осцилографи (регулюеться пiдсилення каналiв, частота розгортки, зсув зображення по координатах X, Y, е ввдкритий i закритий входи, передбачено введення сигнатв синхронiзацii); вимiрювачi частотних характеристик (Bode Plotter); генератор цифрових сигналiв (Word Generator); цифровий лопчний аналiзатор i логiчний перетворювач.
На рис.1-3 наведено приклади створення та дослiджения електронних схем за допомогою Multisim в лабораторному практикумi з електрошки, зокрема зображення лицьово! панелi осцилографа.
Рис. 1. Схемна реалiзащя амплiтудного модулятора в Multisim
Передбачено можливють змши параметрiв компонентiв простим натисканням клавш. Так, у схемi де е потенцюметр, його опiр можна зменшити натисканням клавiшi R, або зб№шити натисканням Shift+R. £ киопковi перемикач^ керованi з клавiатури. При цьому параметри можна змiнювати, не перериваючи моделювання, як у реальному експерименп.
Подвшне натискування на тктограму вибраного приладу робить його активним i викликае повне зображення його лицьово! панелi. При розгортанш зображення лицьово! панелi приладу на весь екран за допомогою двох електронних курсорiв проводять точнi вимiри характеристик.
Рiзнi електричнi кола можна забарвлювати в рiзнi кольори для полшшення сприйняття схеми. При цьому часовi дiаграми на екранi двопроменевого осцилографа i багатоканального логiчного аналiзатора фарбуються в тi ж кольори.
Рис. 2. Приклад дослщження електронних схем за допомогою Multisim
Програма повнютю пiдтримуе текстовий формат програми моделювання SPICE, причому при завантаженш текстового файлу у форматi SPICE на екраш буде сформована принципова схема з шдключеними вимiрювальними приладами. Передбачено вивiд списку з'еднань у формат програми OrCAD PCB (у файлах з розширенням iменi .NET) для розробки друкованих плат. Слад також наголосити на беззаперечнiй перевазi програми Multisim - вона дозволяе представити 3D-модель зiбрано! схеми на макетнш платi. На периферiйнi пристро! можна вивести принципову схему, !! текстовий опис, перелiк компонентiв, параметри математичних моделей компонентiв, описи макромоделей, параметри завдання на моделювання, перелж вимiрювальних iнструментiв. Для вимiрювальних шструменпв вiдтворюеться лицьова панель iз зображенням характеристик i положенням органiв керування, а для осцилографа зображуються також епюри напруги необмежено! довжини.
xsc3
Рис. 3. Приклад використання вiртуальних компонент та ключiв у Multisim
Таким чином, програмний пакет Multisim дозволяе моделювати електричнi схеми пристро!в та вiзуально представляти результати у виглядi осцилограм, графiкiв характеристик, показiв вiртуальних
вимiрювальних приладiв, що сприяе кращому розумiнню принципiв функцюнування реальних схем контролю та керування технологiчними процесами виробництва.
Експерименти на моделях розширюють i доповнюють реальш фiзичнi експерименти, оск1льки дозволяють дослвджувати аварiйнi режими, яш просто неприпустимо виконувати шд час натурних випробувань пристро!в; дозволяють прискорити чи уповшьнити проходження електромагнiтних процесiв в електричних пристроях, що допомагае засвшти !х суть.
На базi програмного комплексу Multisim на кафедрi енергетики, електротехшки i фiзики Херсонського нацiонального техшчного унiверситету та на цикловiй комюи електроенергетики, електротехнiки та електромеханiки Херсонського полтгехшчного коледжу Одеського нацiонального полтгехшчного унiверситету розроблено та впроваджено в освггаш процес лабораторний практикум з електрошки. Практикум мiстить опис лабораторних робгт, зокрема мету роботи, теоретичш вiдомостi, завдання та вказiвки до !х виконання, креслення схем для досл1дження, шаблони звiтiв з роботи, запитання до самоперевiрки.
Перед початком моделювання в середовищi Multisim студент повинен самостшно опрацювати лекцiйний матерiал з теми роботи, вивчити основш теоретичнi положення та методику розрахунку, виконати розрахунок параметрiв установки для моделювання схеми пристрою, шструкци до роботи в середовищ! Multisim.
Досвщ використання програми в лабораторному практикумi з низки електротехнiчних дисципл1н («Теоретичш основи електротехшки», «Основи промислово! електрошки, шкропроцесорно1 технiки та автоматики», «Промислова електронiка та мiкросхемотехнiка», «Електронiка i електроннi засоби управл1ння» тощо) показуе, що для проведення лабораторних робгт достатньо двох годин попереднього ознайомлення з програмою.
Як показав досввд, вiртуальна лабораторiя Multisim може бути усшшно використана i при використаннi методичних рекомендацiй до виконання лабораторних робгт, розроблених для стендiв У1ЛС. Методика проведення лабораторних робгт на базi У1ЛС повшстю вiдповiдае можливостям вiртуалъноi лаборатори Multisim, навпъ бiльше - можливосп Multisim з точки зору вимiрювальних прилащв та елементно! бази на порядок вищг При цьому програма може бути тренажером для засвоення принцишв роботи з реальними вимiрювалъними приладами i схемами.
Лабораторний практикум можна виконувати як в комп'ютерних класах навчального закладу, так i вдома на персональному комп'ютер^ що е особливо актуальним шд час дистанцшного навчання.
Вiртуалънi лабораторнi роботи з використанням Multisim допомагають не лише закршити теоретичний матерiал, але i наочно продемонструвати роботу тих чи шших законiв та процесiв у реальних проектах. Шсля закiнчення роботи з вiртуальним комплексом формуеться звгт, при захистi якого студент демонструе розумшня матерiалу та вмшня пояснити отримаш результати.
Висновки
Отже, застосування вiртуального лабораторного практикуму в освиньому процесi з одного боку дозволяе дослвднику проводити експерименти з обладнанням i матерiалом, якого немае в реальнш лабораторii вищого навчального закладу - при цьому виршуеться проблема замши ввдсутнього в навчальному закладi сучасного дорогого обладнання, так необхвдного для якюно1 щдготовки iнженера; отримати практичнi навички проведення експериментiв, ознайомитися з комп'ютерною моделлю об'екта дослвдження без будь-яких непередбачуваних наслiдкiв. З шшого боку, приеднання наявного лабораторного обладнання та приладiв до комп'ютера в рамках вiртуальноi лабораторii дозволить шдняти традицiйний лабораторний практикум на принципово новий рiвень.
Впровадження вiртуального лабораторного практикуму в осв!тн!й процес е обов'язковим елементом сучасно! лаборатори електронiки. Але iнтерактивнi форми занять з електрошки повинш поеднувати як реальш експерименти на сучасному обладнанш, так i вiртуальнi лабораторнi роботи в оптимальному сшвввдношенш, що дозволить розвивати методику вивчення електронiки в техшчному ВНЗ з урахуванням сучасних досягнень науки i технiки. Таш лабораторнi роботи дозволять значно щдвищити ефективнiсть осв!тнього процесу i дозволять сформувати та удосконалити фаховi компетенцп майбутнього iнженера.
Список використаноТ лггератури
1. Дон Н.Л. Проблеми i перспективи комп'ютеризацii при п!дготовц! квалiфiкованих спецiалiстiв з! спецiалъностi "Нетрадицiйнi та ввдновлюваш джерела енергii"/ Н.Л. Дон // 36!рник наукових праць. Випуск 67. - Херсон: ХДУ, 2015. - С. 465-467.
2. Дон Н.Л. Використання шформацшних технологш в оргашзацп навчального процесу з дисциплши «Електричнi машини» / Н.Л. Дон // Вестник Херсонского национального технического университета. - 2015. - №1(52). - С. 141-145.
3. Хернитер М.Е. Электронное моделирование в Multisim /М.Е. Хернитер. - М.: ДМК, 2010.- 488 с.
