Использование программ компьютерного моделирования в образовательном процессе радиотехнических дисциплин

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 004.94                                      

Современный этап развития высшего технического образования характеризуется активным внедрением информационных технологий в учебный процесс. Это обусловлено необходимостью подготовки специалистов, способных решать сложные научно-технические задачи на инновационном уровне. Использование инновационных цифровых технологий позволяет значительно улучшить качество и эффективность выполняемых процессов в различных как бытовых, так и профессиональных сферах жизнедеятельности человека. Компьютерное моделирование все шире используется в различных сферах деятельности человека, включая образование. В зависимости от направления подготовки применяются различные программные средства, позволяющие моделировать процессы и устройства различной сложности — от простых схем до комплексных систем. Особое значение компьютерное моделирование приобретает при изучении дисциплин радиотехнического профиля, где оно позволяет визуализировать процессы, протекающие в электронных устройствах, и проводить исследования без необходимости создания физических макетов [1, 2].

Базовые дисциплины радиотехнического направления, такие как общая теория связи, электроника, схемотехника телекоммуникационных устройств, цифровая обработка сигналов, радиопередающие и радиоприемные устройства, сети и системы радиодоступа формируют фундамент профессиональной подготовки студентов. Однако традиционные методы обучения, основанные исключительно на работе с реальными схемами, требуют значительных материальных затрат и не всегда позволяют эффективно исследовать сложные процессы. В этой связи возникает необходимость внедрения современных программных средств моделирования [2, 3].

В настоящее время существует большое количество программ для моделирования электронных схем, среди которых Multisim, OrCAD, Micro-Cap, PSpice. Особое место занимает программа Multisim, разработанная компанией National Instruments. Она представляет собой интерактивную среду моделирования электронных схем с использованием виртуальных измерительных приборов. Программа позволяет: моделировать аналоговые и цифровые схемы; анализировать параметры сигналов; использовать виртуальные осциллографы, мультиметры и генераторы; проводить эксперименты в интерактивном режиме. Интерактивность среды позволяет изменять параметры схемы в реальном времени и наблюдать изменения сигналов, что делает процесс обучения более наглядным. Кроме того, интеграция с LabVIEW расширяет возможности анализа и сравнения результатов моделирования с реальными измерениями [3-5].

Использование программ Multisim и LabVIEW позволяет решать следующие задачи:

• 1.    Наглядная демонстрация процессов. Студенты могут визуально наблюдать работу схем и изменение сигналов.

• 2.    Проведение виртуальных экспериментов. Возможность моделирования без риска повреждения оборудования.

• 3.    Исследование характеристик устройств. Анализ временных и частотных параметров сигналов.

• 4.    Развитие практических навыков. Работа с виртуальными аналогами реальных приборов.

Исследования показывают, что применение цифровых технологий повышает уровень усвоения материала и снижает количество ошибок при проектировании схем [5-7].

Демонстрационная модель генератора и осциллограмма выходного сигнала с использованием программ Multisim показана на Рисунке.

Преимущества: снижение затрат на лабораторное оборудование, безопасность проведения экспериментов, возможность многократного повторения опытов, высокая наглядность процессов, развитие навыков работы с современными инженерными инструментами.

Недостатки: возможные погрешности моделирования, необходимость компьютерной подготовки студентов, ограниченность по сравнению с реальными экспериментами. Важно отметить, что выявление ошибок моделирования может использоваться как педагогический инструмент, формируя у студентов критическое мышление и умение анализировать результаты [6, 7].

Рисунок. Демонстрационная модель генератора и осциллограмма выходного сигнала

Несмотря на наличие недостатков, компьютерное моделирование не заменяет, а дополняет традиционные лабораторные работы. Оптимальным является комбинированный подход, при котором используются как виртуальные, так и реальные устройства.

Применение Multisim позволяет студентам глубже понять принципы работы электронных устройств, подготовиться к работе с реальным оборудованием, выполнять самостоятельные исследования [7].

Заключение

Современные радиотехнические и инфокоммуникационные системы тесно связаны с компьютерными технологиями. В связи с этим внедрение программ компьютерного моделирования в образовательный процесс является необходимым условием подготовки квалифицированных специалистов. Использование Multisim и LabVIEW обеспечивает повышение эффективности обучения, развитие исследовательских навыков, формирование профессиональных компетенций. Таким образом, применение электронных симуляторов в сочетании с реальными лабораторными установками позволяет реализовать инновационный подход в инженерном образовании.