Использование прикладных программных комплексов для создания виртуальных учебных лабораторий

В условиях возрастающего информационного потока все сложнее обеспечить высокий уровень образования, применяя для этой цели только традиционные технологии и методы обучения. Все это заставляет преподавателей постоянно искать и внедрять в учебный процесс новые методы и формы обучения, направленные на активизацию учебно-познавательной деятельности, одним из которых является виртуальный лабораторный практикум.

Лабораторные занятия (практикум) для ряда специальностей (в нашем конкретном случае для электротехнических) являются одной из ведущих форм обучения.

Любые методически грамотно организованные практикумы и эксперименты способствуют и формированию практических умений, и активизации тех теоретических знаний, которые были получены ранее. В этот процесс обучения чаще всего вовлекаются различные каналы восприятия человека. Именно это позволяет правильно организовать всю полученную информацию как систему ярких образов и заложить ее в долговременную память.

Главной целью практикума является экспериментальное подтверждение теоретических положений изучаемой науки, обеспечение понимания обучаемыми ее основных закономерностей, формирование у будущих специалистов профессионального подхода к разнообразным исследованиям и, наконец, привитие навыков практической деятельности.

Лабораторный практикум способствует познанию студентами органического единства теории и практики.

Однако развитие лабораторной базы учебных заведений зачастую не поспевает за развитием современных технических средств, применяемых на реальном производстве. Помимо этого, имеется целый ряд факторов, затрудняющих развитие учебных лабораторий, как например дороговизна современного оборудования, громоздкость и, как следствие, необходимость в специальных площадях для размещения этого оборудования, определенная опасность, которую создает данное оборудование и т.д.

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Поэтому весьма полезным представляется получение обучающимися практических умений и навыков без использования реальных объектов.

В настоящее время стремительное развитие информационных технологий дает возможность внедрить в современный образовательный процесс инновационные методы обучения, среди которых особое значение занимает применение в учебном процессе виртуальных лабораторных работ.

Преимущества таких лабораторных работ находятся в сфере расширенного изучения процессов, происходящих в электрических цепях, их идентификации согласно осциллографическим образам и результатам, полученным на целой серии виртуальных измерительных инструментов, которые по внешнему виду и характеристикам приближаются к промышленным образцам. Такого набора средств исследования не имеют большинство лабораторных стендов, либо они очень дороги. Кроме того, компьютерные средства позволяют представить решение задачи в наглядной динамичной форме в случае высокой быстротечности процесса, наблюдать его зависимость от изменения различных параметров.

Немаловажным преимуществом являются пониженные требования по электробезопасности по сравнению со стендовыми лабораторными работами.

К недостаткам можно отнести отсутствие реальных электротехнических объектов и невозможность реально осуществить сборку электрической схемы. То есть здесь дидактические принципы не выполняются или выполняются не полностью.

Современные программные средства позволяют в той или иной степени визуализировать элементы электрических схем, наборные панели и моделировать процесс сборки схем (интерактивность) на экране компьютера. Разработка и применение таких лабораторных работ зависят от возможностей программного обеспечения и способности их в полной мере заменить реальные (стендовые) лабораторные работы.

Для этих целей возможно применение готовых программных продуктов схемотехнического моделирования, таких как DcAcLab, 123DCircuits, Proteus, MATLAB, Electronics Workbench и закачивая моделированием реальных приборов и устройств в программном пакете LabVIEW. Работа с универсальными пакетами не требует знания программирования на языках высокого уровня. Другим очень важным достоинством универсальных пакетов прикладных программ является то, что такие программы предоставляют пользователю богатый набор специальных функций и имеют большую библиотеку компонентов.

Мой опыт использования компьютерных лабораторных работ свидетельствует о том, что обучающиеся с большим интересом не только выполняют запланированные виртуальные эксперименты, но и стремятся сконструировать свои модели различных электрических процессов, что, несомненно, усиливает мотивацию к обучению и познавательный интерес, который выливается в пусть небольшие, но уже исследовательские навыки.

Виртуальная лаборатория предоставляет студентам возможность повторить эксперименты дома, создать и изучить режимы, которые в отдельных случаях трудно достичь на реальных установках.

Учитывая развитие компьютерных программных средств, можно уже сейчас моделировать не только схемотехнические решения, но также внешний вид различных приборов и устройств. При этом их внешний вид соответствует реальным промышленным образцам. Такое решение позволяет реализовать дидактический принцип наглядности объектов, а возможность изменять их параметры прямо на экране компьютера – реализовать принцип интерактивности.

В данной статье в качестве примера использования виртуального лабораторного практикума предлагаются работы, разработанные в ГПОУ «Макеевский промышленно-

экономический колледж» по электротехнике, электронике, микропроцессорным системам управления, электроприводу.

Лабораторная работа «Исследование механических характеристик двигателей постоянного тока» по курсу «Основы электропривода» проводится в виртуальной лаборатории LabVIEW, имеющей весьма удобный пользовательский интерфейс и мощные средства графического программирования. LabVIEW позволяет взаимодействие с измерительной и управляющей аппаратурой, сбор, обработку и отображение информации и результатов расчетов, а также моделирование, как отдельных объектов, так и автоматизированных систем в целом [2].

Основными элементами графической среды программирования LabVIEW являются два окна: Front Panel (передняя панель) и Block Diagram (блок-диаграмма).

На передней панели (рис.1) разрабатывается внешний вид будущего виртуального инструмента. На ней создаются элементы управления и отображения, которые являются интерактивными средствами ввода и вывода данных этого виртуального объекта. Изменяя при помощи виртуального реостата сопротивление в цепи якоря двигателя и момент сопротивления на валу, снимаем значение тока нагрузки двигателя и скорости вращения. По этим данным строится механическая характеристика ДПТ.

Рис. 1. Передняя панель

Сама программа работы данной установки создается в панели Block Diagram (рис. 2), используя графические образы (иконки) функций.

Рис. 2. Блок-диаграмма

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Анализируя данный вариант лабораторной работы, можно уверенно сказать, что здесь компьютерное моделирование обладает рядом неоспоримых преимуществ над традиционным выполнением лабораторной работы на реальном лабораторном стенде. Система, созданная в LabVIEW, намного превосходит любой реально существующий лабораторный инструмент, позволяя самостоятельно определять нужные функции создаваемого аппарата. При необходимости, изменения можно внести всего за пару минут.

Еще одним примером использования виртуальных лабораторий является использование пакета MATLAB в ходе дипломного проектирования. Прикладная программа Simulink и библиотека блоков SimPowerSystem из ядра пакета MATLAB наиболее оптимально подходит для имитационного моделирования электротехнических устройств и систем.

Выбор данного программного продукта обусловлен наличием современных методов визуально-ориентированного программирования, развитого математического аппарата, библиотеки моделей пассивных и активных электротехнических элементов, источников энергии, электродвигателей, трансформаторов, линий электропередач и т.п.

Система пакета MATLAB позволяет пользователю осуществлять вывод информации в любой удобной для него форме: графики, диаграммы, таблицы и т.п. Кроме того, интерфейс MATLAB допускает возможность получать и передавать информацию при связи с редактором электронных таблиц Microsoft Excel.

Используя возможности Simulink можно не только моделировать, но и анализировать работу различных устройств. Библиотека блоков охватывает достаточно широкий спектр энергетического, измерительного и вспомогательного оборудования [5].

В ходе выполнения дипломного проекта была разработана математическая модель насоса, системы ПЧ-АД и выполнено математическое моделирование электромеханической системы насосной установки в программном пакете MATLAB 6.5 с помощью приложения Simulink.

Далее на созданной математической модели была исследована работа электропривода (изменение момента и скорости вращения) при различных значениях гидравлического сопротивления водопроводной системы задаваемых при помощи регулятора напора. Были получены осциллограммы процесса регулирования.

Таким образом, из приведенного примера видно, что с помощью пакета MATLAB 6.5 с приложением Simulink можно выполнить расчет и почти полное исследование практически любой электротехнической установки, не имея её в наличии.

Также в качестве примера использования виртуального практикума можно привести учебный проект по разработке микропроцессорной системы управления электроприводами вспомогательных механизмов автомобиля. В этом случае были использованы сразу два различных программных продукта: интегрированная среда разработки (IDE) Code Vision AVR и программа для моделирования электронных схем, которая называется Proteus. Программный пакет Proteus позволяет собрать схему любого электронного устройства и симулировать его работу.

В Code Vision AVR была написана управляющая программа на алгоритмическом языке Си для микроконтроллера ATMega 8, произведена её отладка, компиляция и создан файл программы с соответствующим расширением.

Далее в программе Proteus создана микропроцессорная схема управления и полученный файл прошивки с расширением. cof записан в память микроконтроллера.

В результате этого получена наглядная виртуальная модель, иллюстрирующая работу автомобильного стеклоочистителя и стеклоомывателя.

Рис. 3. Схема управления в рабочем окне Proteus

В программе Proteus возможно создание различных интерактивных моделей, с помощью которых можно наглядно исследовать электрическое оборудование. С этой целью были разработаны интерактивные модели регулирования скорости двигателя постоянного тока изменением величины сопротивления и подводимого напряжения.

Рис. 4. Схема регулирования скорости ДПТ НВ с помощью резисторов в рабочем окне Proteus

Рис. 5. Схема регулирования скорости ДПТ НВ изменением напряжения, подводимого к двигателю, в рабочем окне Proteus

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Задаваясь разными значениями величины сопротивления и напряжения, студенты наглядно отмечают зависимость изменения частоты вращения электродвигателя от этих параметров.

Проведенная работа показывает, что виртуальный практикум позволяют идти в ногу с новейшими технологиями и методиками эксперимента и требует дальнейшей разработки и внедрения в учебный процесс.

Виртуальные эксперименты на компьютере существенно дешевле, чем эксперименты с реальными устройствами. Кроме того, они позволяют использовать более широкий диапазон элементов и их параметров, обеспечивают большее разнообразие режимов работы исследуемых устройств, вариантов индивидуальных заданий при выполнении учебного лабораторного практикума. Это создает условия для активизации работы студентов, повышения эффективности учебного процесса. Виртуальные лабораторные стенды позволяют выполнять работы на неограниченном количестве рабочих мест без дополнительных затрат на создание лабораторных установок.

Поэтому разработка и использование виртуальных лабораторных практикумов является актуальной задачей, решение которой способствует большей эффективности учебного процесса.