Использование виртуальной лаборатории при изучении дисциплин электротехнического цикла

Современный человек уже не может представить жизнь без информационных технологий. Особенно это актуально для образовательного процесса. Компьютер стал одним из самых доступных способов получения новых знаний и их обработки. Безграничные возможности программного моделирования способны удовлетворить самые разнообразные потребности в обучении.

Использование информационных технологий стало весьма актуальным в области изучения технических дисциплин. На данный момент существует множество специализированных программных комплексов, способных имитировать такие физические условия, создание которых с помощью лабораторного оборудования было бы практически невозможно.

Интерактивная лабораторная работа – это конкретная реализация концепции обучения с использованием виртуального моделирования.

Использование виртуальных лабораторий в учебном процессе позволяет, с одной стороны, предоставить возможность студенту проводить эксперименты с оборудованием и материалом, которые он не в состоянии использовать из-за отсутствия реальных лабораторий, получить практические навыки проведения экспериментов, видеть детали с помощью компьютерной модели и операций уникального оборудования, исследовать угрожающие в реальной ситуации процессы и явления, не опасаясь последствий.

С другой стороны, подключение существующего лабораторного оборудования и приборов к компьютеру в рамках виртуальной лаборатории позволяет перевести традиционную практику на новый технологический уровень, который соответствует сегодняшнему уровню развития науки и техники. Таким образом, виртуальные лаборатории могут быть использованы для:

• -    подготовки студентов к реальным процессам через выполнение практических работ;

• -    занятий, если отсутствуют необходимые материалы и оборудование;

• -    дистанционного обучения;

• -    самостоятельного получения знаний;

• -    проведения экспериментальных исследований.

При выполнении лабораторных работ по дисциплинам электротехнического цикла студенты приобретают навыки сборки электрических цепей, проведения экспериментов, понимания устройств.

Работа в реальной лаборатории требует много времени для подготовки эксперимента. Электронная лаборатория может использоваться практически неограниченно, что делает изучение электрических цепей более доступным. Благодаря этой лаборатории, пользователь имеет такой широкий спектр устройств, которые вряд ли будут доступны в реальной жизни.

Безопасность является еще одной важной причиной и преимуществом использования виртуальных лабораторий, особенно при работе с опасными материалами и высоковольтными устройствами.

Изучение электротехнических дисциплин предполагает лабораторную и практическую работу. Таким образом, при выполнении лабораторной работы «Исследование режимов работы однофазного трансформатора» (дисциплина «Электрические машины и аппараты») необходимо имитировать режим короткого замыкания. Это связано с определенной опасностью при прохождении больших токов в случае даже незначительной погрешности в питающем напряжении, величина которого выше расчетной.

Также при осмотре электрических машин следует соблюдать осторожность из-за наличия вращающихся деталей.

Обучение невозможно без ошибок, а ошибки в реальной лаборатории порой обходятся экспериментатору очень дорого. Работая с виртуальной лабораторией, экспериментатор застрахован от случайного поражения электрическим током, а приборы не выйдут из строя из-за схемы, собранной неправильно.

Визуализация – один из самых эффективных методов обучения, который помогает легче и глубже понять суть различных явлений. Визуализация и моделирование особенно полезны при изучении динамических, изменяющихся объектов и явлений, которые трудно понять только с помощью статической картины. Но не все учебные эксперименты можно или нужно проводить в «реальном» режиме. Поэтому в таких ситуациях наиболее подходящими для визуализации и получения результатов являются виртуальные лаборатории.

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Что такое «виртуальная лаборатория»? По словам В.В. Трухина, виртуальная лаборатория «представляет собой программно-аппаратный комплекс, позволяющий проводить эксперименты без непосредственного контакта с реальной установкой или при ее отсутствии. В первом случае мы имеем дело с так называемой лабораторной установкой с удаленным доступом, которая включает в себя реальную лабораторию, программное и аппаратное обеспечение для управления установкой и оцифровки полученных данных, а также средства связи. Во втором случае все процессы моделируются с помощью компьютера».

Таким образом, виртуальные лаборатории определяются двумя различными типами программно-аппаратных комплексов:

• -    лабораторная дистанционная установка с удаленным доступом – дистанционные лаборатории;

• -    программное обеспечение, позволяющее имитировать практическую работу – виртуальные лаборатории.

Как уже упоминалось, существуют виртуальные лаборатории с удаленным доступом (существующие реально) и имитированные виртуальные лаборатории (существуют только в рамках программы). Наиболее распространенным видом исследований в виртуальных лабораторных комплексах считается второй тип. Поскольку важность создания виртуальной лаборатории в образовании возникла в большинстве случаев из-за трудностей использования реальных лабораторий. Если сравнивать виртуальные и реальные лаборатории, то можно выделить преимущества виртуальных лабораторий: нет необходимости приобретать дорогостоящее оборудование для проведения различного рода практических работ.

В результате недостаточного финансирования в большинстве лабораторий установлено старое оборудование, которое может не давать точных результатов экспериментов или искажать их и служить потенциальным источником опасности для студентов. Кроме того, есть участки, где, помимо оборудования, необходимо приобретать расходные материалы, цены на которые достаточно высоки. Несмотря на то, что программное обеспечение и компьютерная техника также дороги, их широкое распространение и универсальность компенсирует этот недостаток, а также возможность моделирования большого набора процессов, протекание которых затруднено в реальных лабораторных условиях.

Это означает, что человек, проводящий эксперимент или лабораторную работу, может наблюдать в замедленном темпе процесс, происходящий за очень короткое (в доли секунды) время или, наоборот, ускорять процесс, происходящий в течение длительного времени (длящегося несколько лет), а это, в свою очередь, дает возможность глубже проникнуть в тонкости процессов. Благодаря тому, что моделирование виртуального процесса управляется с помощью компьютера, можно проводить множество экспериментов с различными значениями входных параметров, необходимых для определения желаемого результата. Существуют работы, требующие дальнейшей обработки больших массивов цифровых данных, полученных на компьютере после серии экспериментов. И здесь проблема заключается в том, что уязвимым местом в текущей последовательности действий при использовании реальной лаборатории является введение результатов в компьютер. Эта процедура, естественно, исключается при проведении эксперимента в виртуальной лаборатории, так как полученные данные записываются непосредственно в ходе экспериментов или автоматически. Также виртуальные лаборатории могут дать студентам осмысленные виртуальные ощущения, с помощью которых есть возможность повторить любой неудачный эксперимент или расширить знания в практической части.

Помимо преимуществ в получении результатов, интерактивный характер таких методов обучения обеспечивает интуитивно понятную и приятную учебную среду и взаимодействие с виртуальной лабораторией. Использование виртуальных аппаратно-программных комплексов будет способствовать повышению эффективности проведения учебно-практических занятий, усвоения учебно-методических материалов, а также эффективности обучения в целом.

Можно сделать вывод, что информационные технологии виртуального моделирования электротехнических процессов обладают огромным потенциалом, широчайшими возможностями, позволяют решать множество прикладных и экспериментальных задач, а также способствуют более наглядному представлению учебного материала и повышают его доступность.