CC BY
29
ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ РЕАЛЬНЫМ ОБЪЕКТОМ ИЗУЧЕНИЯ И ЕГО КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛЬЮ В ОБУЧЕНИИ ИНЖЕНЕРОВ В ТЕХНИЧЕСКИХ ВУЗАХ
В. А. Белавин, профессор кафедры информатики и информационно-управляющих систем Казанского государственного энергетического
ун ив ер сит ста,
И. В. Тихонов, магистр физики Института педагогики и психологии профессионального образования Российской академии образования,
Н. А. Читалин, зав. лабораторией высшего образования Института педагогики и психологии профессионального образования Российской академии образования, доцент
В статье рассматривается одна из главных проблем использования моделирующих компьютерных программ в учебном процессе — потеря связи между реальным объектом изучения и его компьютерной моделью. Предлагается подход к решению этой проблемы, состоящий в разработке и реализации нового учебного курса «Компьютерные модели электронных схем». В лабораторных работах курса реализовано сопоставление реальных электронных приборов и схем с их компьютерными моделями. Курс формирует устойчивые навыки компьютерного моделирования электронных схем и приборов, которые используются студентами как в дальнейшей учебной деятельности, так и после окончания вуза.
дрению нового учебного курса «Компьютерные модели электронных схем», предполагающего сопоставление реальных приборов и компьютерных моделей.
Чтобы решить проблему отождествления компьютерной модели и реальной электронной схемы или прибора, в лабораторный практикум курса «Компьютерные модели электронных схем» нами были введены работы, выполняемые как на реальных лабораторных стендах и установках, так и на компьютерных моделях. Анализу подверглись все дисциплины учебного процесса, в которых использовались электронные схемы и приборы. В ходе анализа было выявлено, что электронные схемы и приборы подробно рассматриваются в рамках курса «Теоретические основы электротехники». На лабораторном практикуме этого курса студенты приобретают навыки работы с реальными приборами, такими как амперметр, вольтметр, осциллограф, генератор. Однако некоторые из этих работ могут быть выполнены на компьютерных моделях. В рамках курса «Компьютерные модели электронных схем» эти лабораторные работы используются для сопоставления реальных объектов и их компьютерных моделей. Студенту сначала предлагается выполнение рабо-© В. А. Белавин, И. В. Тихонов, Н. А. Читалин, 2006
Моделирующие компьютерные программы используются в образовании уже давно, и их расширяющиеся возможности не подвергаются сомнению. Между тем при применении таких программ в учебном процессе приходится сталкиваться с рядом проблем. Одной из них является проблема потери связи между реальным объектом изучения и его компьютерной моделью. Решение этой проблемы приобретает особую актуальность в обучении инженеров по направлению «Приборостроение», специфика профессиональной деятельности которых состоит в том, что компьютерное моделирование выступает одновременно и как средство учебной профессиональной деятельности и профессионального самообразования, и как объект творчества, и как результат труда. К сожалению, многие существующие учебные курсы спроектированы без учета данной проблемы, а это приводит к тому, что мы получаем недостаточно компетентного специалиста.
На наш взгляд, качество подготовки в области компьютерного моделирования, необходимой для повышения профессиональной компетентности специалистов в современных условиях, может существенно улучшиться благодаря вне-
ты на реальных лабораторных стендах и установках курса «Теоретические основы электротехники», а затем — на компьютерных моделях. После того как студенты выполнили 2—3 лабораторные работы таким образом, им предлагает-
ся продолжить изучение электронных схем только на лабораторных работах с использованием компьютерных моделей электронных схем. Структурная схема курса «Компьютерные модели электронных схем» представлена на рисунке.
Входной контроль связей
Модуль 1. Основы компьютерного моделирования электронных схем
и приборов
Раздел 1.1 Модели контрольноизмерительных приборов Раздел 1.2 Элементная база в моделирующей компьютерной программе Раздел 1.3 Создание моделей электронных схем
Лабораторные работы с встроенным текущим контролем связей между реальным объектом и его моделью
Модуль 2. Программное обеспечение процесса компьютерного моделирования электронных схем и приборов
Раздел 2.1 Особенности и возможности пакетов программных продуктов для компьютерного моделирования электронных схем
Раздел 2.2
Моделирование
схем:и устройств в
компьютерных
программах
Раздел 2.3 Структура окна и система меню типовой моделирующей компьютерной программы
Лабораторные работы
Модуль 3. Проведение экспериментов на компьютерных моделях Электронных схем с применением основных пакетов программных продуктов моделирования
Раздел 3.1 Моделирование транзисторных усилительных схем
Раздел 3.2
Исследование
моделей устройств
на
полупроводниковых
приборах
Раздел 3.3 Исследование моделей устройств на операционных усилителях
Лабораторные работы с встроенным текущим контролем связей между реальным объектом и его моделью
Структурная схема учебного курса «Компьютерные модели электронных схем»
Работа строится следующим образом. Студенту предлагается прочитать фрагмент теоретического материала и затем выполнить одно или несколько предлагаемых заданий для упражнений с расчетами или с экспериментами в компьютерной лаборатории. После этого студент может по своему желанию проверить полученные результаты и получить комментарий относительно качества ответа или ознакомиться с описанием алгоритма решения.
Логические разделы изучаемого материала завершаются многовариантными контрольными заданиями. Их результаты протоколируются и используются впоследствии для оценки знаний и анализа познавательной деятельности студента.
Выполнение работ имеет следующую систему действий: вывод формул; вычисления с заданной точностью; построение электрических, структурных и алгоритмических схем; изображение графиков, векторных диаграмм и конструкторских чертежей; составление таблиц; расчеты по графикам; выбор данных из таблиц.
Проверка электрических схем производится численным методом по методике проверки формулы. Полученные параметры сравниваются со значениями, полученными по эталонной схеме.
Рекомендуется такая последовательность действий: вывести в рабочее окно изучаемую лабораторную работу; прочитать предлагаемые текст, формулы и другие фрагменты; произвести расчет предлагаемых схем; выполнить лабораторное задание в компьютерной лаборатории.
По окончании учебного курса студентам вновь даются 1—2 лабораторные работы, выполняемые и на реальных лабораторных стендах и установках, и на компьютерных моделях.
Таким образом, в процессе обучения связь между реальными приборами и их компьютерными моделями не теряется, а закрепляется.
Немаловажной в рамках данной проблемы является и организация процесса
управления познавательной деятельностью обучаемого. Курс «Компьютерные модели электронных схем» позволяет осуществлять следующие режимы управления этой деятельностью:
1) непосредственное управление: компьютер предъявляет обучаемым учебную задачу, обучаемые могут задавать вопросы, только относящиеся к данной учебной задаче, характер помощи обучаемому определяет компьютер;
2) опосредованное управление: компьютер не предъявляет учебную задачу, а ставит перед обучаемыми проблему, которую те должны оформить в виде учебной задачи; в качестве учебных предъявляются задачи на моделирование различных производственных ситуаций, допускающие множество решений;
3) динамическое управление: предъявленная компьютером учебная задача решается обучаемым совместно с компьютером; характер и меру помощи определяют как обучаемый, так и компьютер.
Пример организации познавательной деятельности обучаемых на одном из занятий курса «Компьютерные модели электронных схем» приведен в таблице.
Для проверки уровня усвоения содержания курса «Компьютерные модели электронных схем» предусмотрена возможность осуществления всех видов контроля — входного, текущего, рубежного и итогового. Текущий контроль осуществляется как самоконтроль в виде контрольных заданий, реализованных в компьютерных лабораторных работах. Рубежный контроль проводится частично по специально разработанным заданиям после каждого учебного модуля. Кроме того, широко используется контроль «встроенный», лабораторные работы, где диагностируется не только уровень усвоения учебного материала, но и профессиональные умения, способности творческого применения приобретенных знаний.
Наиболее важным при контроле результатов обучения является специально разработанная система лабораторных заданий, выполняемых и на реальных
лабораторных стендах и установках, и на зданная с целью оптимальной оценки компьютерных моделях, расположенных структуры и измерения уровней обучен-в порядке возрастающей трудности, со- ности студентов.
Организация познавательной деятельности обучаемых в курсе «Компьютерные модели электронных схем»
Шаг Содержание Пример для первого занятия
модуля 2
Определить задачи формирования знаний и умений студентов на конкретном учебном занятии
Отобрать содержание учебного материала, основные научные идеи, понятия, законы, умения, которые должны быть усвоены обучаемыми Обосновать логику раскрытия темы в соответствии с основными дидактическими принципами (системность, последовательность, научность, доступность, связь с профессиональной сферой будущей деятельности обучаемых)
Определить временные затраты на,достижение и разрешение задач обучения в рамках учебного занятия и самоподготовки обучаемых
Выбрать оптимальное сочетание методов, форм и компьютерных средств обучения для реализации содержания темы и намеченных задач
Выбрать формы организации учебной работы (коллективные, групповые, индивидуальные) с учетом готовности обучаемых
Выбрать реальную схему управления познавательной деятельностью обучаемых
Определить оптимальный темп обучения с учетом возможностей студентов в восприятии информации
Определить задание-содержание, объем и методы самостоятельной работы обучаемых после занятия
Задачи: произвести обзор и сравнение современных систем моделирования; проанализировать их назначение
Системы APLAC, DesignLab, Micro Cap, MathLab, LabView, MultiSim, EWB. Назначение. Области применения. Особенности
Тема открывает собой модуль 2, определяет место и роль систем компьютерного схемотехнического моделирования в профессиональной деятельности инженера, дает навыки выбора программного обеспечения процесса компьютерного моделирования в зависимости от решения профессиональных задач
Выделяются 2 ч лекционных занятий, 2 ч самоподготовки
Форма обучения: проблемная лекция. Методы: информационно-рецептивный и проблемного изложения Форма работы: коллективная (предпочтительней) или групповая
Сквозной контроль полученных на лекции знаний проводится на следующем после лекции лабораторном занятий; рубежный — при завершении модуля — проводится на компьютерных моделях, а также на реальных лабораторных стендах и установках; итоговый — при сдаче зачета по курсу
Оптимальным будет тот темп, при котором окажется реализованной задача этой лекции
Студентам задаются условия, для которых предлагается осуществить выбор программных средств моделирования
Таким образом, для того чтобы применение моделирующих компьютерных программ в подготовке инженеров было наиболее эффективным, необходимо условный характер отображения результатов компьютерного моделирования компенсировать демонстрацией натур-
ных экспериментов, которые дают адекватное представление о реальном протекании физических явлений. Только в этом случае моделирующие компьютерные программы, применяемые в подготовке инженеров, полностью реализуют свой богатый дидактический потенциал.
Поступила 05.05.06.
