Место программ поддержки инженерных расчётов в инструментарии преподавателя электротехники Текст научной статьи по специальности «Науки об образовании»

УДК 37.02:621.3

МЕСТО ПРОГРАММ ПОДДЕРЖКИ ИНЖЕНЕРНЫХ РАСЧЁТОВ В ИНСТРУМЕНТАРИИ ПРЕПОДАВАТЕЛЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

Семёновых Л.В., 2019 Вятский государственный университет, старший преподаватель кафедры электротехники и электроники, Киров

Аннотация: в статье описана трансформация роли преподавателя вуза, обусловленная современными запросами заказчика обучения (в лице государства и общества), с одной стороны, и особенностями поколения Z, с другой стороны. Показана важность качественной подготовки по электротехнике как базовой дисциплине. Выявлены признаки и причины неэффективности традиционных методов обучения. Обоснована целесообразность применения программ-симуляторов электрических цепей при проведении различных форм занятий, приведены примеры из личной педагогической практики по использованию Qucs в курсах «Электротехника» и «Метрология».

Ключевые слова: поколение Z, программа-симулятор электрических цепей, Qucs.

THE PLACE COMPUTER-AIDED ENGINEERING PROGRAMS IN THE TOOLS TEACHER OF ELECTROTECHNICAL DISCIPLINES

Semyonovykh L.V., 2019 Vyatka State University, senior lecturer of the Department of electrical engineering and electronics, Kirov

Annotation: the article describes the transformation of the role of the University teacher, due to the modern demands of the customer training (in the face of the state and society), on the one hand, and the features of generation Z, on the other hand. The importance of high-quality training in electrical engineering as a basic discipline is shown. The signs and causes of inefficiency of traditional teaching methods are revealed. The rationality of application of programs-simulators of electric circuits at carrying out various forms of lessons is proved. The examples from personal teaching practice on the use of Qucs in the courses «Electrical Engineering» and «Metrology» are given.

Keywords: generation Z, programs-simulators of electric circuits, Qucs.

Введение. Учредителем всех государственных вузов является РФ в лице министерства образования и науки, а отсюда следует, что их задача (в объеме контрольных цифр приема) в подготовке высококвалифицированных кадров в соответствии с потребностями общества и государства. Преподаватель работает по ФГОС, и эти стандарты предъявляют требования не столько к знаниям, сколько к компетенциям. Однако, сейчас, в силу целого ряда причин (демографический кризис, гуманизация, демократизация образования), говорят также, что заказчиком образовательной услуги выступает студент. В контексте этого трагикомична ситуация, когда «заказчик образовательной услуги» сопротивляется привитию вышеуказанных «компетенций». Студенты, пришедшие учиться сейчас, родились в 2000 г. Согласно теории поколений [1], это истинно «цифровые люди» (поколение Z), выросшие в мире, где информационные технологии - данность, неотъемлемое свойство реальности. Становление их личности проходило под воздействием социальных сетей, в условиях постоянного контакта с Интернетом. Современный студент проводит большую часть своего времени в сети, играет в игры, обменивается сообщениями, смотрит видео и т.д. Известная популяризатор науки Ася Казанцева объясняет это тем, что пребывание в сети и игра дают «выброс дофамина маленький, зато надёжный, доступный, прямо здесь».

Информации в Интернете много, с каждой минутой становится все больше, привычка получать ответ по клику мышкой и лёгкость хождения по гиперссылкам провоцируют нетерпеливость и формируют абсолютное преклонение перед авторитетом Всемирной паутины. Когда человек читает толстый учебник, то он вслед за автором идёт от простого к сложному, получает знание системно, что совершенно не похоже на современный способ взаимодействия с информацией: задал вопрос -получил ответ. Мышление современных студентов, к сожалению, фрагментарное и поверхностное.

Привычка с малых лет потреблять информацию маленькими порциями, а также скорость получения ответа сказываются на концентрации внимания - по некоторым оценкам, его лимит составляет 3 минуты [2]. Преподавателю не следует пытаться переделывать студентов, необходимо принимать их такими, какие они есть, отойти от категорий «хороший»/«плохой», т.к. это глобальный тренд, в соответствии с которым меняются запросы общества по отношению к образованию.

Курсы «Электротехника» и «Метрология» являются базовыми при подготовке бакалавров направлений 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» и 15.03.06 «Мехатроника и робототехника». Традиционно занятия проходят в форме лекций и практик (решение задач и лабораторные работы). В условиях сегодняшней доступности информации предназначение лекций состоит в концентрированной и аргументированной передаче основ предмета студентам, создании фундамента, на котором формируются знания, умения и навыки в ходе работы на практических занятиях и самостоятельной работы дома.

Персональный опыт автора позволяет констатировать, что несмотря на важность электротехники и метрологии для будущих инженеров, на доступность учебно-методических материалов и на то, что лаборатории оснащены современными стендами, - в настоящее время студенты осваивают вышеназванные курсы недостаточно эффективно. Часто студенты приходят на лабораторную работу неподготовленными, не имея представления о целях эксперимента и ожидаемых результатах, поэтому преподаватель вынужден разъяснять всё сам, иначе будет упущено дефицитное аудиторное время. При таком подходе студент получает абстрактный результат, который не в состоянии распространить на весь изучаемый раздел электротехники или метрологии и увидеть связи наблюдаемого явления с другими физическими явлениями. Автор ранее уже обращалась к теме неэффективности лабораторных работ [3], причины которой обобщённо представлены на рисунке 1 в виде диаграммы Исикавы («рыбьи кости»).

Рисунок 1. Анализ причин недостаточной продуктивности лабораторных работ по электротехнике.

Практики по электротехнике также проходят недостаточно продуктивно. На занятиях чаще всего решаются простые задачи по расчёту токов, напряжений, сопротивлений, мощностей отдельных участков цепи. В условиях временных ограничений нет возможности проводить анализ результатов, варьирование параметров цепи и наблюдение её реакции, и каждая задача сводится к расчёту ради расчёта, критерием успешности которого является получение некоего «числа». Также можно выделить общую проблему учебных задач - полное соответствие исходных данных единственно верному решению, но гораздо ценнее побуждать студентов искать информацию и необходимые исходные данные самостоятельно.

Для исправления ситуации видится целесообразным использование на всех видах занятий программ поддержки инженерных расчётов, а именно, программ-симуляторов электрических цепей, хотя такое предложение наталкивается на критику со стороны преподавателей «старой закалки». Основные претензии касаются использования студентами продуктов чужого труда (скопировал/вставил) без осмысления, а также непрозрачности автоматизированных инженерных расчётов, что может способствовать поверхностному изучению предмета без погружения в суть явления. Критики указывают на необходимость платной лицензии, на потребность в оснащённых компьютерами аудиториях для практики, на трудоёмкость освоения программы как студентами, так и самим преподавателем.

Можно сформулировать некоторые рекомендации для применения программ-симуляторов электрических цепей при проведении практик по электротехнике. Суть практики - научиться что-то делать самому, включить процесс мышления. Помимо конкретных результатов решения задачи важно и то, каким образом получен ответ, начиная с анализа условий, желаемого результата, пути решения, поиска информации. Конечно, для использования программы-симулятора на практике нужен компьютер. Однако, на сегодняшний день существуют облачные сервисы (TINACloud, MultisimLIVE), оптимизированные для устройств с сенсорным экраном, т.е. позволяющие работать с симулятором с планшета или смартфона. Проблема с лицензионным программным обеспечением также вполне решаема, так как есть полностью бесплатные симуляторы (Qucs) или симуляторы с урезанными функционалом для студентов (TINA-TI).

Для снижения «порога вхождения» необходимо выбирать симулятор с дружественным, интуитивно-понятным интерфейсом и здесь симпатии автора на стороне бесплатной программы Qucs - «quite universal circuit simulator», - т.е. «практически универсального симулятора электрических цепей». Проект Qucs стартовал в 2004 г., в 2017 г. состоялся релиз версии Qucs 0.0.19. Свежую версию Qucs всегда можно скачать с официального сайта [4]. Далее в статье приводятся примеры моделей, которые автор использует при проведении различных форм занятий по электротехнике и метрологии у студентов, обучающихся по направлению 15.03.06 «Мехатроника и робототехника» в ВятГУ.

Тема несинусоидальных напряжений является одной из самых сложных в курсе электротехники, т.к. анализ отклика цепи опирается на трудоёмкие вычисления и многоэтапные графические построения, что утомительно для преподавателя и студентов при традиционной манере подачи материала (мелом по доске). На рисунке 2 представлена модель трёхфазной цепи с источником несинусоидального напряжения, созданная в Qucs. Напряжение симметричного трёхфазного источника задано совокупностью гармоник прямой, нулевой и обратной последовательностей в соответствии с принципом суперпозиции. Построение временных диаграмм напряжений источника выполняется виртуальным осциллографом, для чего на схеме предусмотрены соответствующие метки. Действующие значения фазного и линейного напряжений, напряжения смещения нейтрали и линейных токов измеряются с помощью виртуальных вольтметров и амперметров. Полученные в результате симуляции временные диаграммы и таблица результатов измерений наглядно демонстрируют особенности работы трёхфазных цепей при наличии высших гармоник, а именно: отсутствие гармоник нулевой последовательности в линейном токе, нарушение соответствия между линейным и фазным напряжением, появление напряжения смещения нейтрали даже в симметричной цепи.

Рисунок 2. Модель трёхфазной цепи с несинусоидальным источником питания.

Расчёт выпрямительных схем и подбор диодов - пример реальной инженерной задачи, которую полезно решать на практическом занятии. На рисунке 3 показана модель диодного моста, позволяющая изучать его работу при питании от источника синусоидального напряжения промышленной частоты в нормальном режиме и режиме обрыва одной ветви (однополупериодное выпрямление). Студенты имеют возможность устанавливать в модель различные диоды, имеющиеся в библиотеке Qucs, варьировать сопротивление нагрузки и ёмкость сглаживающего конденсатора и наблюдать при этом, как изменяются показания виртуальных приборов. В модели предусмотрены приборы для измерения действующего и среднего значения пульсирующего напряжения и тока нагрузки. При использовании в модели широко применяемого диода 1 N4148 результаты симуляции хорошо согласуются с аналитическим расчётом, выполняемом на практическом занятии.

Рисунок 3. Модель мостового выпрямителя. В лабораторном практикуме одной из самых трудоёмких и времязатратных является работа по исследованию переходных процессов в линейных электрических цепях. Фотография стенда с

собранной цепью приведена на рисунке 4. Помимо экспериментальной части исследования, где студентам необходимо применять уже сформированные ранее навыки сборки цепи и пользования разнообразными электроизмерительными приборами (в т.ч. электронно-лучевым осциллографом), работа содержит объёмную расчётную часть. На опытном материале студенты изучают законы коммутации, просчитывают колебательный и апериодический переходные процессы, определяют их продолжительность.

Рисунок 4. Фото стенда с цепью для лабораторной работы по теме «Переходные процессы»

Успешное выполнение и защита данной лабораторной работы во многом зависят от того, насколько правильно зафиксированы результаты измерений. Целесообразно использовать адекватную модель цепи в Qucs (рисунок 5) при подготовке к лабораторной работе, при оформлении отчёта по результатам эксперимента на реальном оборудовании, на защите.

Рисунок 5. Модель цепи для исследования переходного процесса. Переходный процесс возникает в цепи, содержащей энергоёмкие элементы при резком изменении её параметров (при коммутации). В рассматриваемой работе коммутация имитируется

включением источника прямоугольного напряжения. В первый полупериод этого напряжения, когда диод открыт, происходит заряд конденсатора, во второй полупериод, когда диод закрыт, конденсатор разряжается на активно-индуктивную нагрузку. Симуляция позволяет предсказать ожидаемые результаты, избежать грубых ошибок при измерениях, проанализировать влияние параметров элементов на такие характеристики как длительность переходного процесса и критическое сопротивление. Рассмотрение темы с опорой на модель делает изучение материала более качественным и глубоким.

Одновременно с курсом «Электротехники» студентам второго курса преподаётся курс «Метрологии», который в основном посвящён электрическим измерениям. Предполагается, что, приступая к изучению нового материала, студенты на высоком уровне владеют навыками расчёта электрических цепей, но, к сожалению, это далеко не так. Использование программы-симулятора позволяет облегчить изучение таких тем, как масштабные преобразователи, метод амперметра и вольтметра для измерения сопротивлений, измерительный мост постоянного тока, градуировка электромеханического омметра и др.

Рисунок 6. Модель цепи для изучения метода амперметра и вольтметра.

На рисунке 6 показана модель цепи для измерения косвенным методом малых сопротивлений (вариант Л-У-К). Произведена развёртка по параметру Ях (от 5 до 9985 Ом), рассчитана методическая погрешность ё. Модель наглядно показывает, как изменяется методическая погрешность при различных соотношениях измеряемого сопротивления и сопротивлений приборов.

Заключение. Использование программы-симулятора при проведении лекций, практик и лабораторных работ делает изучение электротехники более качественным и глубоким, позитивно оценивается студентами, даёт преподавателю проявить педагогическое творчество. Однако, необходимо иметь в виду, что ОиеБ - это инструмент, «продвинутый» калькулятор, пользование которым не может заменить лабораторных работ на реальном оборудовании. Создание адекватных моделей для симуляции требует от студентов серьёзной теоретической подготовки, в частности, знания законов электротехники, свойств идеализированных пассивных и активных элементов, правил составления схем замещения. Использование программы-симулятора при самостоятельной работе (решении домашних заданий) позволяет снизить трудоёмкость вычислений, даёт возможность самопроверки, но по причине непрозрачности вычислений, производимых симулятором, такая работа будет иметь ценность только в случае вдумчивого анализа полученных результатов.

Список литературы:

1. Сапа А.В. Поколение Z - поколение эпохи ФГОС // Инновационные проекты и программы в образовании. 2014. №2. URL: https://cyberleninka.rU/article/n/pokolenie-z-pokolenie-epohi-fgos (дата обращения: 15.02.2019).

2. Балацкий Е.В. Новые тренды в развитии университетского сектора // Мир России. Социология. Этнология. 2015. №4. URL: https://cyberleninka.m/artide/n/novye-trendy-v-razvitii-universitetskogo-sektora (дата обращения: 15.02.2019).

3. Семёновых Л.В. Освоение сложных разделов электротехники с помощью Qucs в рамках лабораторного практикума // Общество. Наука. Инновации (НПК-2018): сб.ст. XVIII Всерос. науч.-практ. конф., 2-28 апр. 2018 г. Киров, 2018. С. 919-926. URL: http://vestnik43.ru/npk-2018 (дата обращения: 15.02.2019).

4. Официальный сайт проекта Qucs. URL: http://qucs.sourceforge.net/index.html.

УДК: 378.1; 378.4

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ СТАНДАРТОВ ФГОС ВО 3+ И ФГОС ВО 3++ ПО НАПРАВЛЕНИЮ ПОДГОТОВКИ «ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И

ТЕХНОЛОГИИ»

Борисова Е.В., Соболь Б.В., Ступина М.В., 2019 доцент, к.т.н., Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону, профессор, д.т.н., Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону, старший преподаватель, к.п.н., Донской государственный технический университет, Ростов-на-

Дону

Аннотация: рассматриваются особенности нового Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования по направлению подготовки «Информационные системы и технологии». Продемонстрирована преемственность федеральных государственных образовательных стандартов и выявлены факторы, определяющие необходимость их модернизации. Выполнен сравнительный анализ ФГОС ВО 3+ и ФГОС ВО 3++. Проанализированы изменения в структуре и содержании основной профессиональной образовательной программы бакалавриата, новые требования к результатам ее освоения.

Ключевые слова: федеральный государственный образовательный стандарт, бакалавриат, основная профессиональная образовательная программа, информационные системы и технологии.

COMPARATIVE ANALYSIS OF EDUCATIONAL STANDARDS OF HIGHER EDUCATION 3+ AND 3++ «INFORMATION SYSTEMS AND TECHNOLOGIES»

BorisovaE.V., SobolB.V., StupinaM.V., 2019 assistant professor, Ph.D., Don state technical university, Rostov-on-Don, professor, Doctor of technical sciences., Don state technical university, Rostov-on-Don, senior lecturer, Ph.D., Don state technical university, Rostov-on-Don

Abstract: the features of the new Federal State Educational Standard of Higher Education in the direction of preparation "Information systems and technologies" are considered. The continuity of federal state educational standards is demonstrated and the factors determining the need for their modernization are identified. Comparative analysis of GEF VO 3+ and GEF VO 3 ++ is performed. Analyzed changes in the structure and content of the main professional educational program of undergraduate, new requirements for the results of its development.

Keywords: federal state educational standard of higher education, bachelor degree, basic educational programme, information systems and technologies.

Основным нормативно-правовым документом, регламентирующим подготовку обучающихся, являются федеральные государственные образовательные стандарты, представляющие собой «совокупность требований, обязательных при реализации основных образовательных программ