Использование виртуальных лабораторных работ - как элемент повышения качества подготовки специалистов

INFORMATION SOCIETY TECHNOLOGIES

His

HERE A It i: II

Использование виртуальных лабораторных работ - как элемент повышения качества подготовки специалистов

Основные цели лабораторного практикума: экспериментальная проверка теоретических положений; формирование практических умений и навыков работы с реальными физическими объектами и оборудованием; привитие навыков экспериментальных исследований и обработки полученных результатов. Пока в высшем профессиональном образовании преобладают традиционные формы проведения лабораторного практикума с использованием стендовых лабораторных работ, поскольку они, как правило, просты в использовании и понятны. В статье рассматривается использование виртуальных лабораторных работ -как элемент повышения качества подготовки специалистов.

Ключевые слова: лабораторная работа, специалист, теоретические положения, качество, исследовательское оборудование.

Дубровин В.С.,

Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва

Основная особенность технического образования - организация и проведение лабораторных практикумов с применением реального исследовательского оборудования. Подготовка инженеров невозможна без организации и проведения лабораторных практикумов по базовым учебным дисциплинам общей профессиональной и специальной подготовки. Важность этого вида учебных занятий подтверждается действующими государственными образовательными стандартами [1]. Основные цели лабораторного практикума: экспериментальная проверка теоретических положений; формирование практических умений и навыков работы с реальными физическими объектами и оборудованием; привитие навыков экспериментальных исследований и обработки полученных результатов.

Пока в высшем профессиональном образовании преобладают традиционные формы проведения лабораторного практикума с использованием стендовых лабораторных работ (СЛР), поскольку они, как правило, просты в использовании и понятны.

Традиционное образование, будучи наиболее массовым, является вместе с тем и одним из самых консервативных, поэтому можно сказать, что форма обучения с использованием только СЛР морально устаревает. СЛР являются наиболее дорогостоящим видом учебных занятий (затраты могут составлять до 80% всех затрат на подготовку специалистов). Кроме того, смена технологий и поколений электронных компонентов происходит очень быстро, а обновление лабораторной базы, как правило, отстает.

Исследования телекоммуникационных устройств и систем на реальных физических макетах требуют наличия дорогостоящего лабораторного оборудования и измерительных приборов. Как показывает практика, сборка электрических цепей и подключение измерительных приборов занимает около 30% времени на лабораторной работе. При этом возникают определенные трудности: (для фронтальной постановки лабораторных работ требуется дорогостоящее оборудование и большой набор современных измерительных приборов; результаты исследований подвержены влиянию ненадежных контактных соединений, обрыву соединительных проводов, ненадежности работы измерительных приборов и т.д.; имеется опасность перегрузки и выхода из строя, как источников питания, так и измерительных приборов; невозможность реализации на стендах аварийных режимов).

В настоящее время приоритетной задачей высшего технического образования является формирование современных инновационных образовательных технологий. Актуальность этой задачи заключается в том, что в соответствии с федеральными государственными образовательными стандартами нового поколения резко возрастает доля интерактивного представления материала с использованием компьютерных технологий.

Коренные изменения в сфере российского высшего технического образования связаны с интеграцией России в европейское и международное образовательное сообщество с учетом национальных особенностей и потребностей развития страны. Приоритетные направления

Use of the virtual laboratory operations - as improvement element of specialists quality training

Dubrovin V.S.,

The Mordovian state university of N. P. Ogaryov

Abstract

Main objectives of a laboratory practical work: the experimental verification of theoretical provisions; formation of practical skills of operation with real physical entities and the equipment; instilling of skills of the pilot studies and processing of the received results. While in higher education traditional forms of carrying out a laboratory practical work with use of bench laboratory operations as they are, as a rule, simple in use prevail and are clear. In article use of the virtual laboratory operations - as an element of improvement of quality of training of specialists is considered.

Keywords: laboratory operation, expert, theoretical provisions, quality, research equipment.

High technologies in Earth space research № 2-2012

His

В E S E A R >: II

ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА

политики в области образования отражены в документах, относящихся к Болонскому процессу, в "Национальной доктрине развития образования", в "Концепции модернизации Российского образования до 2020 года".

В настоящее время российское общество в соответствии с Болонским соглашением осуществляет переход к инновационной модели развития науки, техники и технологий. При этом наивысший приоритет получило направление информационно — телекоммуникационных технологий и электроники. Информатизация должна охватывать все формы учебного процесса, в том числе такую важную компоненту, как лабораторный практикум.

Компьютерные технологии, наряду с традиционными методами образования, помогают более понятно и наглядно излагать учебный материал, формируют компетенции, необходимые для дальнейшего профессионального развития. Моделирование способствует лучшему пониманию процессов, происходящих в реальных электронных устройствах. Эксперименты на моделях позволяют исследовать режимы, недопустимые при натурных испытаниях устройств, замедлить или ускорить развитие исследуемых процессов, что позволяет, в конечном итоге, более глубоко усвоить их сущность. С точки зрения сборки цепей и подключения измерительных приборов нет разницы между реальными и виртуальными элементами, и устройствами. Это открывает широкие перспективы использования электронно-виртуальных лабораторий.

Широкое использование виртуальных компьютерных технологий в учебном процессе - современная мировая тенденция в высшем учебном заведении. Парадигма виртуального учебного заведения базируется на радикальной переоценке эффективности традиционных средств обучения. Создание виртуальных приборов распространяет эту тенденцию и на лабораторный практикум. При проведении лабораторных работ все чаще используют виртуальные лабораторные практикумы, суть которых заключается в замене реального натурного исследования на математическое моделирование изучаемых физических процессов. Компьютер значительно расширяет возможности информационного обеспечения учебного процесса.

В общем случае виртуальная лаборатория представляет собой некоторую информацион-

ную среду, которая позволяет проводить эксперименты без непосредственного взаимодействия над объектом исследования.

Виртуальная лабораторная работа — информационная система, интерактивно моделирующая реальный технический объект и его существенные для изучения свойства с применением средств компьютерной визуализации.

Лабораторные тренажеры позволяют подобрать оптимальные для проведения эксперимента параметры, приобрести первоначальный опыт и навыки на подготовительном этапе, облегчить и ускорить работу с реальными экспериментальными установками и объектами.

Предпосылки к внедрению и преимущества виртуальных лабораторных работ:

— стендовые лабораторные работы требуют постоянного обслуживания и, по возможности, усовершенствования, которое приводит к дополнительным финансовым затратам;

— виртуальные лабораторные работы безопаснее СЛР;

— виртуальные работы обеспечивают универсальность и многофункциональность, а также гибкость и простоту адаптации к различным объектам;

— в виртуальной среде можно устанавливать любые параметры элементов для получения полного сходства их с характеристиками реальных элементов.

— появляется возможность осуществить эксперимент, который в обычных условиях невозможен или его проведение сопряжено с большими временными и материальными затратами;

— использование персонального компьютера дает возможность получить более прочные и глубокие знания, поскольку упрощается контроль не только за выполнением, но и за подготовкой студента к проведению конкретной лабораторной работы;

—уменьшение затрат на создание лабораторных работ позволяет в короткие сроки значительно расширить их базу и обеспечить тем самым большую гибкость в обучении.

В настоящее время широкое распространение получили компьютерное моделирование и анализ схем электронных устройств с использованием таких программ, как Electronics Workbench, DesignLab, NI Multisim, VisSim, P-Spice, LabVIEW, Proteus, Qucs и др.

Привлекательным является пакет "PSIM",

разработанный фирмой "PowerSim", который, по существу, представляет собой виртуальную лабораторию с достаточно широкими возможностями. В данной среде имеется большое количество виртуальных элементов и измерительных приборов, с помощью которых можно моделировать различные электрические и электронные схемы [2,3].

На кафедре сетей связи и систем коммутации при изучении курса 'Теория электрической связи" (ТЭС) широко используется программа PSIM, которая позволяет значительно расширить возможности стендовых лабораторных работ, а во многих случаях — полностью исключить необходимость их применения.

При этом:

— не требуется привлечение дополнительных специалистов к разработке и использованию комплекса в учебном процессе;

— при изучении дисциплин обеспечивается повышение качества и эффективности формирования профессиональных компетенций у студентов, что позволяет в полной мере реализовать требования образовательных стандартов 3 поколения.

Основное предназначение программы PSIM - моделирование процессов, происходящих в силовых полупроводниковых преобразователях, но имеющийся набор библиотек позволяет их использовать в достаточной мере для построения отдельных устройств и систем в целом и для телекоммуникационных приложений.

При проектировании телекоммуникационных устройств используются библиотеки, содержащие:

— логические элементы, сумматоры, электронные ключи, мультиплексоры, элементы задержки и ограничения, счетчик длительности импульсов, фиксатор нулевого уровня, однови-браторы, RS- JK- и D-триггеры, элементы для построения цифровых фильтров, источники различных сигналов;

— блок дискретизации и квантования, аналоговые и цифровые интеграторы и дифференциаторы, блоки умножения и деления, готовые блоки аналоговых и цифровых фильтров Бесселя, Батерворта, Чебышева (ФНЧ, ФВЧ, ПФ, РФ); блоки АЦП и ЦАП;

— блок извлечения квадратного корня, блок для вычисления среднеквадратического значения сигналов (RMS) и блок для проведения спектрального анализа с помощью быст-

Наукоёмкие технологии в космических исследованиях Земли № 2-2012

INFORMATION SOCIETY TECHNOLOGIES

Hi S

В E S E A R >: Il

рых преобразований Фурье (FFT), блок для измерения коэффициента нелинейных искажений (коэффициента гармоник).

Наличие встроенных библиотек позволяет детально изучить такие вопросы курса ТЭС, как:

Сигналы и их обработка (детерминированные и случайные сигналы; белый гауссовский шум; импульсная и переходная характеристики; автокорреляционная и взаимокорреляционная функции; фильтрующее свойство дельта-функции; дискретизация и квантование сигнала; оценка шума квантования; формирование тестовых сигналов с помощью согласованных фильтров; фильтрация сигналов на фоне БГШ).

Преобразование сигналов (прохождение сигналов через линейные и нелинейные цепи; принципы построения фазовращателей и управляемых корректоров; исследование амплитудного модулятора и демодулятора; частотный детектор; мультиплексоры и демультиплексоры; принципы построения ЦАП и АЦП; преобразование параллельного цифрового кода в последовательный).

Частотный анализ (снятие амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик различных устройств; исследование частотно-избирательных четырехполюсников; применение параметрического и свип-анализа).

Исследование автогенераторов (принципы построения автогенераторов; системы стабилизации выходных колебаний автогенераторов; принципы построения функциональных генераторов).

Возможности PSIM далеко не ограничиваются перечисленным перечнем.

Прежде чем приступить к моделированию в среде PSIM, студент должен самостоятельно проработать лекционный материал по теме работы, изучить основные теоретические положения и расчетные соотношения, приведенные в описании работы, выполнить расчет параметров для установки при моделировании схем ус-

тройств. Перейти к выполнению виртуальной лабораторной работы студент сможет только после прохождения тестового "контроля на допуск".

РБ1М позволяет: значительно сократить временные затраты на подготовку и проведение экспериментов; исследовать статические и динамические процессы в линейных и нелинейных схемах; применять имитаторы приборов, которые в реальной лаборатории отсутствуют; исследовать идеализированные процессы, которые на физических стендах реализовать невозможно.

В алгоритме решения дифференциальных уравнений заложен принцип трапеций, который при достаточно высокой точности вычислений, обеспечивает высокое быстродействие. При этом шаг интегрирования практически не требуется подбирать, поскольку программа сама, в случае необходимости, предлагает его изменить.

На базе имеющихся виртуальных элементов уже реализованы и включены в учебный процесс такие лабораторные работы, как:

Анализ и синтез сигналов треугольной, прямоугольной и трапецеидальной формы.

Исследование различных видов модуляции и манипуляции.

Исследование ЦАП с "взвешенными" резисторами и с матрицей 1^-211

АЦП с промежуточным преобразованием аналоговой величины в интервал времени и частоту.

Последовательные АЦП с единичным преобразованием.

Сигма-дельта преобразователи.

Автогенератор с мостом Вина.

Автогенератор с двойным Т-образным мостом.

Функциональные управляемые генераторы периодических колебаний.

Генератор квадратурных гармонических сигналов с релейным элементом.

Аналоговая система связи.

Цифровая система передачи данных

Выводы:

1. Важной составляющей подготовки современного специалиста технического профиля является широкое применение виртуальных компьютерных систем.

2. Показана возможность использования виртуальных лабораторных работ при проведении лабораторного практикума в курсе 'Теория электрической связи".

3. Приобретение навыков использования современного оборудования и освоение виртуального компьютерного пространства способствует формированию профессионализма будущего специалиста.

4. Применение технологии виртуальных инструментов позволяет перейти на качественно новый, современный уровень обучения, с акцентом на практическое использование знаний.

5. Применение электронно-виртуальных лабораторий позволяет расширить круг решаемых задач, помогает студентам создавать математические модели устройств, моделировать и создавать разные режимы работы электрических схем, исследовать в широком диапазоне особенности работы телекоммуникационных устройств.

Литература

1. Основы политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2020 года и дальнейшую перспективу (Проект документа) // Поиск. №31-32 (1157-1158), 12 августа 2011 г.

2. Колпаков А.И. PSIM - программа анализа преобразовательных устройств и систем / А.И. Колпаков - Электронные компоненты, 2003. - C.77-82.

3. PSIM User Manual. Документация к программе PSIM 9.0.3.

High technologies

in Earth space research - —

№ 2-2012 13