Применение компьютерных средств обучения при подготовке студентов на кафедре «Электроэнергетика» Тульского государственного университета

УДК 378.1

ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ СРЕДСТВ ОБУЧЕНИЯ ПРИ ПОДГОТОВКЕ СТУДЕНТОВ НА КАФЕДРЕ «ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА» ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

В.М. Степанов, С.В. Ершов, Т.Е. Сергеева

Рассмотрены вопросы применения инновационных средств обучения студентов на кафедре «Электроэнергетика» Тульского государственного университета». Описаны основные программные продукты и средства визуализации изображения. Даны общие сведения о методике преподавания дисциплин с использованием компьютерных средств обучения.

Ключевые слова: моделирование, электроэнергетика, переходные процессы, электрооборудование, электроснабжение.

Прогресс в образовании связан с развитием способностей студентов самостоятельно изучать новые сложные явления и использовать эти знания на производстве. Этому в значительной мере способствует совершенствование лабораторной базы и методик лабораторного эксперимента. Современные технические средства и компьютерные технологии позволяют решать эту задачу наиболее эффективным образом.

В своей преподавательской деятельности преподаватели кафедры «Электроэнергетика» Тульского государственного университета реализу-етт основное направление совершенствования современного учебного эксперимента - использование информационных технологий для визуализации и демонстрации основных законов электроэнергетики. При этом лабораторные работы выполняются как многофакторные исследования, осуществляются в динамике и дополняются элементами математического моделирования. Такая постановка экспериментов требует одновременного и непрерывного измерения нескольких параметров, таких как напряжение, статический и динамический момент, потребление активной и реактивной мощности, скорость срабатывания электрических аппаратов и т.п.

Для реализации такого подхода используется среда графического программирования и технические средства компании «Interactive Image Technologies Ltd» (США). Основной идеей построения автоматизированных систем сбора, обработки и визуализации экспериментальных данных является модификация компьютера до уровня многоканальной информационно- измерительной системы с высокими технологическими характеристиками. Первый уровень платформы технических и программных средств, используемых для автоматизации лабораторного оборудования (рис.1) - это объекты исследования, т.е. отдельные лабораторные установки, оснащенные измерительными датчиками - преобразователями физиче-

ских величин в электрические сигналы. Следующий уровень - платы автоматизированного сбора данных, преобразующие аналоговые сигналы датчиков в цифровой код; компьютер и измерительные сервисы. Последние представляют собой программные модули, обеспечивающие осуществление измерений доступным для пользователя способом. В их состав входят драйверы измерительных и вспомогательных приборов и инструменты для их калибровки. Третий уровень представляет программная среда, в которой создаются и работают модули, автоматизирующие процессы измерений и обработки данных.

- Пакет модулей обработки и представления данных , „ выполняемых лабораторных работ

Рис.1. Платформа технических и программных средств для компьютеризации лабораторных установок

Необработанные данные, как правило, содержат информацию, не пригодную к анализу. Поэтому они должны быть преобразованы к виду, удобному для анализа. Для этого необходимо убрать шумовые искажения, скорректировать аппаратные ошибки, компенсировать возмущающие воздействия. Затем должны быть разработаны специальные программы управления экспериментом и управления полученными информационными массивами, определен способ представления данных для каждой лабораторной работы. Это четвертый уровень платформы.

При поочередном подключении автоматизированные лабораторные установки обслуживаются одним компьютером. Измерительная система, используемая в настоящем практикуме, позволяет одновременно измерять восемь различных параметров и осуществлять управление экспериментом по двум каналам. Электрические сигналы с датчиков подаются на 12- разрядный аналого-цифровой преобразователь с USB-выходом. Плата сбора данных преобразует токи и измеряемые напряжения в цифровой код с точностью до 0,5 % от действующего значения.

Полученный цифровой сигнал обрабатывается в среде Electronics

224

Workbench . Результаты измерений выводятся на лицевую панель монитора компьютера или мультимедийный экран в виде показаний обычных стрелочных или цифровых приборов, осциллографов и самописцев. Непосредственно во время эксперимента строятся графики изменения параметров во времени, а по его окончании их зависимости друг от друга. Благодаря возможности визуального наблюдения процессов, в том числе и скрытых от непосредственного наблюдения, значительно повышается информативность выполняемых лабораторных работ. Это позволяет отказаться от использования традиционной измерительной техники, сопровождающегося рутинными операциями считывания результатов измерений, преобразования их в цифровые величины, ввода полученных массивов в стандартные программы статистической обработки и т.д. В них обычно теряется часть полезной информации, появляются дополнительные погрешности, непродуктивно используется время занятий, многие эксперименты вообще неосуществимы.

Примеры рабочих окон лабораторных работ приведены на рисунках 2- а,2-б, 3.

#

а

Пюнкмтор подсчет;) импульсов

б

Рис.2. Лабораторный стенд: а - внешний вид одного из лабораторных стендов; б - рабочее окно программы «Определение параметров электроснабжения»

7 гг

Рис.3. Исследования переходных процессов

С применением технологий Electronics Workbench выполняются лабораторные работы: «Методы и средства измерения параметров электроснабжения», «Экспериментальное определение реактивной мощности», «Экспериментальное определение мощности трансформатора», «Исследование токов короткого замыкания», «Исследование фазовых переходов», «Исследование политропных процессов», «Экспериментальное определение времени переходных процессов», «Исследование сетей с распределенными параметрами», «Исследование высоковольтных электрических сетей», «Исследование защиты трансформатора».

В настоящее время, с развитием компьютерной техники и подорожанием составляющих экспериментальных установок, значительно возрастает роль численного моделирования физических процессов. Не вызывает сомнения необходимость наглядной демонстрации исследуемых в процессе обучения зависимостей для их лучшего понимания и запоминания. Подготовка и проведение лабораторных работ на реальном оборудовании являются довольно непростым делом, т.к. требуют знания соответствующих методических особенностей, и в значительной степени зависят от наличия тех или иных приборов и инструментов. Эти и другие проблемы можно решить, используя при обучении компьютерный эксперимент. Под данным термином понимается лабораторная работа, проводимая полностью на компьютере, без использования других технических средств обучения. Наиболее перспективными в плане внедрения методологии компьютерного моделирования и вычислительного эксперимента предметами являются дисциплины физического типа. В первую очередь это связано с характером изучаемого материала, допускающего построение компьютерных моделей и исследование явлений методом компьютерного имитационного моделирования. Модели кладутся в основу демонстрационных и обучающих программ, программ тренажеров и численного эксперимента. Компьютерные модели легко вписываются в традиционный урок, позволяя преподавателю продемонстрировать на экране компьютера многие физические эффекты, а также позволяют организовывать новые, нетрадиционные виды учебной деятельности учащихся. Основные виды заданий, которые предлагаются учащимся при работе с компьютерными моделями:

Ознакомительное задание. Это задание предназначено для того, чтобы помочь учащемуся осознать назначение модели и освоить её регулировки. Задание содержит инструкции по управлению моделью и контрольные вопросы.

Компьютерные эксперименты. В рамках этого задания учащемуся предлагается провести несколько простых экспериментов с использованием данной модели и ответить на контрольные вопросы.

Экспериментальные задачи. Это задачи, для решения которых учащемуся необходимо спланировать и провести ряд компьютерных экспериментов.

Тестовые задания. Это задания с выбором ответа, в ходе выполнения которых учащийся может воспользоваться компьютерной моделью.

Исследовательское задание. Учащемуся предлагается самому спланировать и провести ряд компьютерных экспериментов, которые подтверждают или опровергают некоторую закономерность. Наиболее способным учащимся предлагается самостоятельно сформулировать ряд закономерностей и подтвердить их экспериментом.

Творческое задание. В рамках данного задания учащиеся сами придумывают задачи, формулируют их, решают, а затем ставят компьютерные эксперименты для проверки полученных ответов.

Перечисленные задания помогают учащимся быстро овладеть управлением компьютерной моделью, способствуют осознанному усвоению учебного материала и пробуждению творческой фантазии. Особенно важно то, что учащиеся получают знания в процессе самостоятельной работы, так как эти знания необходимы им для получения конкретного наблюдаемого на экране компьютера результата.

В наших работах для проведения анализа в широком круге инженерных дисциплин используется многоцелевой конечно-элементный пакет Electronics Workbench. Для решения широкого спектра задач вычислительной газодинамики и гидродинамики применяется профессиональный аналитический программный комплекс Electronics Workbench 5.1..

Преимущество Electronics Workbench 5.1 особенно проявляется при решении больших моделей с многокомпонентными течениями и сложной структурой. Решатель Electronics Workbench малочувствителен к отношениям размеров элементов, временным шагам и релаксационным факторам. Точность решения достигается как за счет высокой точности на узел, так и схемой дискретизации второго порядка устанавливаемой по умолчанию. Эти же свойства сохраняются при параллельных расчетах, обеспечивая отличные параметры ускорения на многопроцессорных системах и кластерах рабочих станций.

Кроме того, Electronics Workbench представляет открытую архитектуру и специальные средства для изменения всех возможностей. Входные данные и результаты могут сохраняться в различных форматах, что обес-

печивает легкую интеграцию с существующими программными средствами.

Точность моделирования непосредственно связана с физическими моделями, используемыми в расчете. Electronics Workbench содержит большое количество физических моделей для обеспечения точных результатов в широком диапазоне промышленных задач. Все физические модели могут взаимодействовать друг с другом, на любой топологии сетки, с применением всех типов интерфейсов областей расчета, используя связанный многосеточный решатель, в том числе и при параллельном расчете. Область применения CFX: Многофазные потоки, вращающиеся машины, распределение энергии, теплообмен, коэффициент мощности, гармонические составляющие и др.

В лаборатории электроэнергетики выполняются работы: «Моделирование переходных процессов в Electronics Workbench», «Моделирование трехфазных токов короткого замыкания в системе Electronics Workbench», «Моделирование пуска трансформатора», «Моделирование действия релейной защиты».

Приобретенные знания и навыки проведения электроэнергетических экспериментов в электроэнергетической сфере применяются студентами, аспирантами в их дальнейшей научно-исследовательской деятельности.

Список литературы

1. Кудрин, Б. И. Электроснабжение промышленных предприятий: учеб. для студ. высш. учеб. заведений / Б. И. Кудрин. 2-е изд. М.: Интермет Инжиниринг, 2006. 672 с.

2. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: Изд-во стандартов, 1998.

3. Библия электрика: ПУЭ. Новосибирск: Сиб. ун-т, 2007. 606 с..

Степанов Владимир Михайлович, д-р техн. наук, проф., eists@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Ершов Сергей Викторович, канд. техн. наук, доц., erschov.serrga.mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Сергеева Татьяна Евгеньевна, инженер, kafelenearambler.ru. Россия, Тула, Тульский государственный университет

IMPACT OF THE PRACTICE A T THE LEVEL OF PREPARA TION OF STUDENTS ON A SPECIALITY 140211«POWER»OOTHETUUL SSTAE UUIVVRRITY

V.M. Stepanov, S. V. Ershov, T.E. Sergeeva

Describes how to use innovative means of training of students on faculty «electric power industry» Tula state Univverity». Descriceb the basic software products of image visualization. The General data on the methods of teaching subjects using computer training.

Key words: modeling, electric power, transients, electrical equipment, power supply.

Stepanov Vladimir Michailovich, doctor of technical science, professor, eists@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Ershov Sergey Victorovich, candidate of technical science, docent, er-schov. serrg@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Sergeeva Tatiana Evgenyevna, engineer, kafelene@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 378.1

ОЦЕНКА УРОВНЯ ПОДГОТОВКИ СТУДЕНТОВ ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ 140211«ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ» ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

В.М. Степанов, С.В. Ершов, Т.Е. Сергеева

Рассмотрены вопросы применения качества подготовки студентов кафедрой «Электроэнергетика» Тульского государственного университета». Даны общие показатели удовлетворенности работодателей качеством подготовки специалистов в области электроснабжения.

Ключевые слова: обучение, электроэнергетика, образование, электрооборудование, электроснабжение.

Анализ удовлетворенности потребителей является одним из процессов системы менеджмента качества Тульского государственного университета.

В качестве потребителя в университете следует полагать, прежде всего, студентов (внутренний потребитель), хотя они же одновременно играют роль отчасти ресурсов и конечного продукта деятельности вуза. Помимо этого, потребителем является и будущий работодатель (независимо от формы собственности предприятия), а также общество в целом, интеллектуальный и созидательный потенциал которого прямо зависит от уровня образованности его членов, то есть во многом от качества подготовки выпускников вузов.

К критерию отражающего результаты деятельности вуза относится