Статья (3,9 МБ)

Виртуальные лабораторные работы – залог формирования
профессиональных компетенций у студентов
ФГОС СПО 3-го поколения подчеркивает необходимость приобретения
студентами
профессиональных
компетенций
и
знаний
в
области
современных измерительных комплексов, аппаратуры исследований и
промышленного оборудования.
Одним из средств обучения, используемых при подготовке студентов
по различным специальностям, являются имитационно-моделирующие
программные средства, в частности виртуальные лаборатории.
Виртуальная лаборатория – это комплекс программ или программноаппаратных средств, а также набор документации по их использованию,
позволяющие
проводить
эксперимент
частично
или
полностью
математической модели.
Рисунок 1- Виртуальные лабораторные работы
на базе платформы NI ELVIS
на
Платформа NI ELVIS II (Educational Laboratory Virtual Instrumentation
Suite, учебная лабораторная станция виртуальных приборов) компании
National Instruments представляет собой настольную лабораторную станцию
для подключения к ПК.
Платформа NI ELVIS II является базовым решением для разработки и
создания лабораторных практикумов и учебных лабораторий в ВУЗах и
колледжах и предназначена для проведения лабораторных практикумов, для
выполнения курсовых работ, дипломных проектов, научных работ.
Платформа NI ELVIS имеет:
- интерфейс USB;
- 12 встроенных измерительных приборов, включая осциллограф,
анализатор спектра, измеритель частотных характеристик;
- систему сбора данных (16 AI/1 МГц, 2 АО/2 МГц, 24 DIO, 2 CTR);
- интегрирована с программным обеспечением LabVIEW, Multisim.
Таблица 1 - Лабораторные практикумы на базе платформы NI ELVIS II
Дисциплина
Электротехника
Электроника
Схемотехника
Теория цепей и сигналов
Программируемые интегральные
микросхемы
Микропроцессорная техника
Телекоммуникации
Волоконно-оптические системы и
устройства
Лабораторный практикум
Электронные компоненты, цепи, сигналы
Аналоговая и цифровая электроника
Цифровые элементы вычислительной
техники
Программирование микроконтроллеров
Freescale
Программирование ПЛИС Xilinx Spartan
Телекоммуникации: сигналы, устройства,
системы связи
Волоконно-оптические линии связи
Рисунок 2 - Платформа NI ELVIS II с универсальной макетной платой
На
универсальной
макетной
плате
из
радиоэлементов
с
помощью
специальных перемычек можно собирать различные схемы.
Рисунок 3 - Схема, собранная на универсальной макетной плате
Рисунок 4 - Схема, собранная на универсальной макетной плате
(увеличенное изображение)
Лабораторные работы можно проводить и на специализированной
макетной плате. В частности, макетная плата по теоретическим основам
электротехники позволяет собирать на её основе различные схемы и
проводить до 22 лабораторных работ.
Рисунок 5 - Специализированная макетная плата по теоретическим
основам электротехники
Рисунок 6 - Схема, собранная на специализированной макетной плате
по теоретическим основам электротехники
Для проведения всевозможных измерений и анализа работы собранных
схем используются встроенные виртуальные приборы. Рассмотрим наиболее
часто используемые.
1) Цифровой мультиметр.
Наиболее часто используемый измерительный прибор – цифровой
мультиметр (Digital Multimeter – DMM) позволяет измерять следующие
величины:
- напряжение постоянного тока (DC Voltage)
- напряжение переменного тока (AC Voltage)
- силу постоянного и переменного тока (Current DC and AC))
- активное сопротивление (Resistance)
- ѐмкость (Capacitance)
- индуктивность (Inductance)
- работоспособность диода (Diode test)
- проверять целостность электрических проводников – выполнять
"прозвонку" (Audible continuity).
Рисунок 7 – Окно виртуального цифрового мультиметра в режиме
измерения сопротивления
Рисунок 8 – Окно виртуального цифрового мультиметра в режиме
измерения ёмкости
Рисунок 9 – Окно виртуального цифрового мультиметра в режиме
измерения индуктивности
Рисунок 10 – Окно виртуального цифрового мультиметра в режиме
определения работоспособности диодов и их полярности
Рисунок 11 – Окно виртуального цифрового мультиметра в режиме
проверки целостности электрических проводников
(в режиме прозвонки)
2) Функциональный генератор.
Этот прибор (Function Generator – FGEN) позволяет выбирать форму
сигнала (синусоидальную, прямоугольную или треугольную), задавать его
амплитуду и частоту. Кроме того, прибор дает возможность регулировать
постоянную составляющую сигнала, осуществлять развертку сигнала по
частоте, формировать сигналы с амплитудной (АМ) и частотной (ЧМ)
модуляцией.
Рисунок 12 – Окно виртуального функционального генератора
3) Осциллограф.
Осциллограф (Oscilloscope – Scope) обладает всеми функциональными
возможностями стандартного настольного прибора, который можно найти в
любой учебной лаборатории. Осциллограф NI ELVISmx имеет два канала и
снабжен регуляторами выбора масштаба, сдвига лучей, переключателями
временной развертки, выбора источника и режима запуска.
Рисунок 13 – Окно виртуального осциллографа
3) Анализатор импеданса.
Простой анализатор импеданса (Impedance Analyzer) предназначен для
измерения активной и реактивной составляющих сопротивления пассивных
двухполюсников на заданной частоте.
Рисунок 14 – Окно виртуального анализатора импеданса
4)
Анализатор амплитудно - и фазочастотных характеристик
(АЧХ/ФЧХ).
Полнофункциональный анализатор АЧХ/ФЧХ (Bode Analyzer) в NI
ELVISmx реализован путем развертки по частоте тестового сигнала,
формируемого
функциональным
генератором,
и
измерения
сигналов
устройством.
Вы можете устанавливать частотный диапазон прибора, а также
выбирать шкалу отображения – линейную или логарифмическую.
Рисунок 15 – Окно виртуального анализатора амплитудно –
и фазочастотных характеристик (АЧХ/ФЧХ)
5)
Анализаторы
вольтамперных
характеристик
двух-
и
четырехполюсников.
Эти приборы (Two-wire - и Three-wire Current-Voltage Analyzers)
позволяют проводить тестирование параметров диодов и транзисторов,
наблюдать их вольтамперные характеристики.
Анализатор
двухполюсников
предоставляет
полную
свободу
в
установке пределов изменения напряжения и тока, а также может сохранять
данные в файл. Анализатор четырехполюсников позволяет задавать ток базы
при измерениях параметров транзисторов n-p-n и p-n-p типов. В обоих
приборах предусмотрены курсоры для точных измерений параметров по
кривой на экране.
Рисунок 16 – Включение полупроводникового прибора для измерений
Рисунок 17 – Окно виртуального анализатора вольтамперных
характеристик
Рисунок 18 – Окно виртуального анализатора вольтамперных
характеристик
Преимущества виртуальных лабораторных работ.
По данным российских экспертов при использовании информационных
технологий обучения:
- повышается эффективность практических и лабораторных занятий не
менее, чем на 30%;
- повышается объективность контроля знаний студентов на 20-25%;
- успеваемость в группах обычно выше в среднем на 0,5 балла.
Ведение диалога с компьютером требует от студентов умения
анализировать,
принимать
внимательности и аккуратности.
самостоятельные
решения,
а
также
Сочетание виртуальной и реальной действительности заставляет
студентов широко применять справочную и научную литературу, приучает
самостоятельно
мыслить
и
принимать
решения,
стимулирует
к
самообразованию и позволяет раскрыть их творческие возможности.
Моделирование электронных устройств в компьютерном классе или
дома и визуализация результатов в виде осциллограмм, графиков,
характеристик, показаний виртуальных приборов способствует лучшему
пониманию принципов функционирования реальных схем управления и
контроля технологическими процессами производства.
Эксперименты на моделях дополняют и расширяют реальные
физические эксперименты, т. к. позволяют исследовать аварийные режимы,
недопустимые при натурных испытаниях устройств, замедлить или ускорить
развитие электромагнитных процессов в электрических устройствах, что
позволяет более глубоко усвоить их сущность.
Следует
отметить
экономическую
эффективность
применения
имитационно-моделирующих программных средств.
Работа
материальных
в
виртуальной
затрат
довести
лаборатории
до
конца
позволяет
любые
оптимальный путь, а уж потом претворять его в жизнь.
без
решения,
больших
выбрать