Тренажер для обучения студентов

Тренажер для обучения студентов электротехническим дисциплинам
В.И. ВЫЖИМОВ, О.В. ГАРКУША, В.И. КОРОТЕЕВ, Н.Н. НЕЧАЕВ,
А.Е. НОВОЖИЛОВ, Э.Я. ШКОЛЬНИКОВ
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
ТРЕНАЖЕР ДЛЯ ОБУЧЕНИЯ СТУДЕНТОВ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИМ
ДИСЦИПЛИНАМ
Приводится описание универсального тренажера для выполнения лабораторных, курсовых и учебноисследовательских работ по электротехнической тематике. Подобные тренажеры образуют унифицированный автоматизированный комплекс для совершенствования самостоятельной подготовки и отработки профессиональных навыков
студентов. Рассматриваются вопросы оптимизации процесса обучения электротехническим дисциплинам с использованием современных информационных систем.
На кафедре «Электротехника» НИЯУ МИФИ были разработаны универсальные экспериментально-исследовательские стенды ЭЛУС, которые позволили создать современный автоматизированный лабораторный практикум по изучению электротехнических и электронных цепей на
основе информационных технологий, персональных компьютеров и современных измерительных
приборов.
Развитие этих работ позволило разработать новый универсальный экспериментальноисследовательский стенд (тренажер), реализующий современную среду для отработки профессиональных навыков студентов при изучении дисциплин электротехнического профиля: «Основы
теории электротехнических цепей», «Основы метрологии и электрорадиоизмерений», «Электротехника и электроника».
Она включает в себя учебно-методические материалы курсов электротехнических дисциплин: учебные модули «Электротехника», «Основы теории электрических цепей», «Электроника и
схемотехника». В качестве программного обеспечения тренажера была выбрана среда моделирования MULTISIM 10.1.
Эта среда, основанная на разработках фирмы «National Instruments», отличается многопользовательской распределенной сетевой поддержкой лабораторного практикума и сопровождением
учебного процесса по изучению электротехнических дисциплин и проведению физического эксперимента [1].
В основу технического решения тренажера были положены результаты ранее проведенных
работ по автоматизации процесса обучения на кафедре «Электротехника» в НИЯУ МИФИ [2,3,5].
Он представляет собой интегрированную систему для экспериментального и компьютерного
моделирования электрических цепей и электронных устройств (систему организации их расчета и
математического моделирования, сборки и расчета режимов работы виртуальных объектов), а
также экспериментального исследования реальных электрических цепей при постоянном контроле
со стороны преподавателя.
При разработке тренажера был учтен опыт, накопленный другими организациями по разработке экспериментальных исследовательских стендов и созданию сложных распределенных систем с интеллектуальными узлами, в частности МЭИ, МАТИ, МГТУ.
Разработка тренажера была ориентирована на решение следующих задач:
- углубленное изучение электротехнических дисциплин;
- приобретение практических навыков работы с электроизмерительными приборами и измерительными системами;
- совершенствование навыков самостоятельной подготовки студентов к выполнению лабораторных работ;
- овладение методами расчета и анализа различных электрических цепей;
- овладение методами расчета погрешностей измерений.
Аппаратно-программные средства тренажера позволяют воспроизводить электротехнические процессы на экране монитора или на большом экране с помощью проектора, управляемого
персональным компьютером.
Важную роль для усвоения дисциплины играет системность процесса изучения электротехнических курсов [2]. Оптимизированная структура электротехнического курса изображена на
рис. 1.
Тренажер для обучения студентов электротехническим дисциплинам
Раздел
курса
Лекции
Семинарcкие занятия
Лаборатор-ные
работы
Итоговая
лекция
Курсовая
работа
Итоговая
работа с
элементами УИР
Рис. 1. Оптимизированная структура электротехнического курса
Особенностью представленной структуры курса является итоговая лекция каждого раздела,
играющая роль элемента обратной связи в процессе обучения.
В этой структуре особую роль играет лабораторный практикум. Он позволяет привить студенту навыки самостоятельной инженерной работы и эффективно использовать различные информационные и технические системы для контроля и коррекции уровня знаний на каждом этапе
его обучения.
Синхронизация тематики всех видов занятий по данной тематике позволяет перенести текущий контроль усвоения материала в лабораторный практикум.
Самостоятельная подготовка студента к проведению реального физического эксперимента в
лабораторном практикуме проводится на персональном компьютере. Внедрение компьютерного
моделирования и применение виртуальных приборов позволяет значительно расширить возможности самостоятельной работы студента, развить его творческие способности в процессе проведения физического эксперимента в лабораторном практикуме.
Как известно, использование только компьютерного моделирования при обучении электротехническим дисциплинам значительно снижает образовательную эффективность учебного процесса. В тоже время этот элемент в сочетании с экспериментальными исследованиями способствует более глубокому усвоению учебного материала.
В тренажере происходит оптимальное сочетание как экспериментальное изучение электрических и электронных схем, так и их компьютерное моделирование. Это достигается, в частности,
наличием в составе тренажера современного (цифрового) измерительного комплекса.
На рис. 2 приведен внешний вид тренажера, размещенного в учебной лаборатории «Электрические цепи» МИФИ. В состав тренажера входят: исследовательская панель; компьютер; многофункциональный генератор различных типов сигналов; двухканальный цифровой запоминающий осциллограф; мультиметр; источник постоянного напряжения и тока.
Конструкция тренажера позволяет размещать в измерительной стойке различного рода измерительные приборы. Все рабочие места оснащены персональными компьютерами, которые объединены в локальную сеть, что расширяет возможности эксперимента и расчета, а также контроля
со стороны преподавателя за ходом выполнения исследований на любом этапе работы.
В состав тренажера входят три типа исследовательских панелей:
- для исследования электротехнических цепей при воздействии синусоидальных и импульсных сигналов;
- для изучения физических процессов в длинных линиях и в электронных схемах;
- для изучения нелинейных цепей.
В процессе эксперимента студент взаимодействует с «виртуальной» образовательной средой, поскольку тренажер представляет собой единство системы имитации и системы организации
учебного процесса с оценкой результатов обучения [4].
Тренажер для обучения студентов электротехническим дисциплинам
Рис. 2. Внешний вид тренажера
Проведен анализ большого количества программных сред моделирования электрических систем, схем и электронных устройств.
В настоящее время широкое применение нашли следующие программные средства и среды:
Electronics Workbench, Designlab, Aplac, p-Spice, ZetLab, Micro-logic, LabView, Ni Multisim10 и
другие. Анализ показал, что наиболее приемлемой для данного тренажера является среда
Multisim10.1. В данной среде виртуальные измерительные приборы по характеристикам и внешнему виду близки к реальным измерительным приборам, которыми укомплектован тренажер.
В библиотеке среды Multisim10.1 имеется большое количество различных электротехнических и электронных компонентов, а также виртуальных моделей, сформированных аналитически
на базе компьютерной среды LabView для исследования электрических цепей. LabView является
простой (в использовании) и высокоэффективной оболочкой для расширения функциональных
возможностей виртуального проектирования различных технических устройств.
Среда компьютерного моделирования LabView позволяет реализовать аналоговые электронные и цифровые измерительные приборы, осуществлять исследование электрических цепей в
различных режимах.
Тренажер для изучения электротехнических дисциплин позволяет совершенствовать самостоятельную подготовку студентов с использованием ими персональных компьютеров и современных информационных технологий.
При самостоятельной подготовке к проведению физического эксперимента в лабораторном
практикуме «Электрические цепи» студент приобретает навыки работы с программами моделирования электрических цепей, расчета их параметров, а также отработки методики измерения их величин на основе виртуальных цифровых приборов.
Среда LabView позволяет организовать систему сбора и обработки данных в процессе измерения параметров электрических цепей, а также и в процессе контроля усвоения знаний студента
Тренажер для обучения студентов электротехническим дисциплинам
на каждом этапе изучения электротехнических дисциплин, включая лабораторный практикум и
самостоятельный процесс подготовки студента к занятиям.
Тренажер позволяет проводить экспериментально-исследовательские работы и совмещение
лабораторных и семинарских занятий. Процесс их проведения охватывает следующие этапы:
- расчет электрических цепей и их режимов согласно заданным параметрам;
- проверка выполненных расчетов преподавателем с использованием компьютерной системы контроля;
- cборка исследуемых электрических цепей;
- измерение параметров электрических цепей с помощью измерительных цифровых приборов;
- оформление и защита выполненной экспериментально-исследовательской работы.
Дальнейшее развитие тренажерного комплекса позволит использовать его в системе дистанционного обучения через Internet.
В заключение отметим, что разработанный тренажер позволяет:
- проводить физический эксперимент с использованием современных измерительных приборов для изучения электротехнических дисциплин в дистанционном режиме;
- изучать электротехнические дисциплины, используя существующую информационную
среду для расчета и анализа работы электрических и электронных схем;
- развивать единое образовательное пространство по электротехническим дисциплинам в
системе ВПО НИЯУ МИФИ.
Таким образом, данная разработка направлена на развитие системы электротехнического
образования как элемента инженерной и специальной подготовки в НИЯУ МИФИ, создание элементов дистанционного образования – электронно-образовательных ресурсов в виде виртуальных
лабораторных практикумов по электротехнике и метрологии, индивидуальных заданий, лекций с
элементами мультимедиа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Борисенко А.А., Выжимов В.И., Гаркуша О.В., Коротеев В.И. // Научная сессия НИЯУ МИФИ-2009.
Сборник научных трудов. Т. V. М., 2009. C. 54.
2.
Коротеев В.И. Вопросы методики разработки и применения автоматизированных систем для обучения электротехническим дисциплинам. // Научная организация учебного процесса. Вып. 6(104). Новосибирск: НЭТИ, 1984. C. 3.
3.
Пашенцев В.Н., Струков Ю.Н. Информационно-измерительный комплекс на основе персональных
компьютеров. М.: МИФИ, 2009.
4.
Леонова Н.Н. Параметрически адаптивное управление образовательной деятельностью: монография
под ред. А.Д. Модяева. М.: МИФИ, 2006.
5.
Гаркуша О.В., Коротеев В.И. // Научная сессия МИФИ-2008. Сборник научных трудов. Т. 5. М.,
2008. С. 140.