CC BY
129
= 38
Энергобезопасность и энергосбережение
УДК 378.147.88:621.31+004.418
Применение и адаптация в учебном процессе виртуальных лабораторных работ по электротехнике
Н. В. Белов,
доцент, кандидат технических наук, заведующий кафедрой электротехники и электроники МИЭЭ
Д. В. Жматов,
преподаватель кафедры вычислительной техники и программирования МГОУ, аспирант
Разработанные лабораторные работы по дисциплине «Электротехника и электроника» созданы с помощью пакетов прикладных программ Electronics Workbench и LabVIEW. Они могут выполняться учащимися в сочетании со стендовыми исследованиями на доступном лабораторном оборудовании или самостоятельно при отсутствии лабораторной базы, например, при дистанционном обучении.
Ключевые слова: подготовка персонала, виртуальная лабораторная работа, LabVIEW, компьютерная модель, дистанционное обучение, высшее образование.
С точки зрения дидактики основными принципами при проведении лабораторных работ являются наглядность и интерактивность.
Рассмотрим с этих позиций применение виртуальных лабораторных работ в учебном процессе, которое носит ряд особенностей - как преимуществ, так и недостатков.
Конечно, полностью заменить стендовые лабораторные работы с их высокой наглядностью и интерактивностью невозможно, однако, учитывая трудности в приобретении современных лабораторных стендов, возможно проводить некоторые работы на компьютерных моделях.
Преимущества таких лабораторных работ находятся в сфере расширенного изучения процессов, происходящих в электрических цепях, их идентификации согласно осциллографическим образам и результатам, полученным на целой серии виртуальных измерительных инструментов, которые по внешнему виду и характеристикам приближаются к промышленным образцам.
Такого набора средств исследования не имеют большинство лабораторных стендов, либо они очень дороги.
Немаловажным преимуществом являются пониженные требования по электробезопасности по сравнению со стендовыми лабораторными работами.
К недостаткам можно отнести отсутствие реальных электротехнических объектов на экране компьютера и невозможность реально осуществить сборку электрической схемы. То есть здесь дидактические принципы не выполняются или выполняются не полностью.
Однако современные программные средства позволяют в той или иной степени визуализировать (наглядность) элементы электрических схем, наборные панели и моделировать процесс сборки схем (интерактивность) на экране компьютера.
Разработка и применение таких лабораторных работ зависят от возможностей программного обеспечения и от реальных (стендовых) лабораторных работ, которые необходимо моделировать.
Возможна реализация виртуальных лабораторных работ с использованием программ flash-анимации, однако это требует знания данной среды программирования, то есть наличия специалистов, способных создать данный программный продукт [1].
Наиболее практичны готовые программные продукты, начиная со схемотехнического моделирования в среде Multisim (Electronics Workbench) и закачивая моделированием реальных приборов и устройств в программном пакете LabVIEW. Работа с универсальными пакетами не требует знания программирования на языках высокого уровня. Другим очень важным достоинством универсальных пакетов прикладных программ является то, что такие программы предоставляют пользователю богатый набор специальных функций и имеют большую библиотеку компонентов [2].
В качестве первого примера разработки виртуальной лабораторной работы взята стендовая работа «Неразветвленная цепь однофазного тока, содержащая катушку переменной индуктивности и конденсатор заданной емкости», схема которой приведена на рис. 1.
Чтобы говорить о преимуществах и недостатках на конкретной работе, представим две схемы: на стенде и на мониторе компьютера.
Рис. 1. Стендовая схема неразветвленной однофазной цепи
1МШШШ
Научно-методические проблемы и новые технологии образования
39 =
Программный продукт Electronics Workbench наиболее прост в освоении, имеет европейский стандарт в обозначениях электрических элементов (DIN), который почти полностью совпадает с российским, и набор необходимых измерительных инструментов, за исключением ваттметра. Поэтому ваттметр был сконструирован отдельно с использованием схемных элементов программы. В качестве индикатора мощности использован вольтметр. На рис. 2 представлена компьютерная схема неразветвленной однофазной цепи, сделанная с использованием программы Electronics Workbench.
О
U 1 1 А 1
Рис. 2. Компьютерная схема неразветвленной однофазной цепи
Как видно из схематического обозначения, имеются незначительные отличия, однако нельзя говорить о преимуществах и недостатках этих обозначений. Значит различия состоят лишь в визуальном оформлении лабораторной работы.
На стенде, как известно, студенты видят электрические элементы и приборы и могут самостоятельно собирать схему работы, одновременно знакомясь с измерительными приборами, их типами, системами, классом точности и ценой деления. Однако следует заметить, что с появлением цифровых автоматических приборов некоторые из этих характеристик исчезают. Наряду с этим студенты манипулируют различными выключателями и кнопками, приобретая навыки работы с реальной аппаратурой.
Конечно, ничего подобного невозможно представить в виртуальном варианте лабораторной работы.
Однако что же предоставляют компьютерные модели приборов и устройств?
Во-первых, все приборы цифровые, во-вторых, имеется возможность изменять внутреннее сопротивление, что практически невозможно на реальных измерительных приборах. И наконец, все они применимы как на постоянном токе <^С», так и на переменном «АС» [3].
Элементы электрических схем, такие как источники питания, резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы, в стендовом исполнении имеют весьма ограниченные возможности по изменению своих параметров.
В компьютерном исполнении источники питания имеют возможность изменять величину напряжения от мкВ до кВ, а частоту питания от Гц до МГц. Сопротивления резисторов можно менять в пределах от Ом до МОм, индуктивность катушки от мкГн до Гн и, наконец, емкость конденсаторов от пкФ до Ф.
Здесь преимущество компьютерных моделей неоспоримо.
Учитывая развитие компьютерных программных средств, можно уже сейчас моделировать не только схемотехнические решения, но также внешний вид различных приборов и устройств. При этом их внешний вид соответствует реальным промышленным образцам.
Такое решение позволяет реализовать дидактический принцип наглядности объектов, а возможность изменять их параметры прямо на экране компьютера -реализовать принцип интерактивности.
Программный пакет LabVIEW позволяет моделировать как измерительные приборы, так и элементы электрических схем. На рис. 3 представлена та же лабораторная работа, реализованная в этой программной среде.
Анализируя оба варианта лабораторной работы по электронике, можно уверенно сказать, что здесь компьютерное моделирование обладает рядом неоспоримых преимуществ.
Рис. 3. Лабораторная работа в программном исполнении LabVIEW
Пониженный уровень наглядности уравнивает виртуальные и стендовые лабораторные работы, а интерактивность сохраняется в любом варианте проведения лабораторной работы.
V
V
Литература
1. Белов Н. В. Методические указания к компьютерному лабораторному практикуму. - М.: Изд-во МГОУ, 2006. - 63 с.
2. Пейч Д. И., Точилин Д. А., Поллак Б. П. LabView для новичков и специалистов. - М.: Горячая линия Телеком, 2004. - 384 с.
3. Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. - М.: Солон-Р, 2000. - 506 с.
ияииивтаи
