Как среда проектирования и моделирования при подготовке виртуальных лабораторий

Современные тенденции развития образовательной системы предполагают внедрение компьютерных технологий в учебный процесс, стимулируют появление виртуального обучения, виртуальных школ, которые способствуют формированию самостоятельной, творчески развитой личности, активно участвующей во всех сферах жизни общества. Особенно остро этот вопрос стоит в профессиональном образовании, где необходимо более широкое внедрение уроков с использованием электронных учебных материалов.

В процессе изучения дисциплин «Электроника и схемотехника» в Наманганский инженерно - строительный институте в качестве электронной лаборатории используется программа Electronics Workbench. Это программа лидер международного рынка по разработке наиболее широко используемого в мире программного обеспечения для проектированиях схем. Компания обладает более чем 15-ти летним опытом по автоматизация проектирования электронных приборов и устройств и была одним из пионеров компьютерной разработки электроники. В настоящее время оборудование Electronics Workbench используется более чем на 180 тысячах рабочих мест. Программа имеет современный, ясный и занимательный интерфейс, позволяет в значительной степени повысить наглядность изучаемого и закрепляемого материала (рис.1). Несмотря на то, что интерфейс является англоязычным, программа легка в усвоении даже для самых слабых студентов. Программа Electronics Workbench позволяет изучать работу электронных устройств. Получение быстрого и наглядного результата значительно активизирует деятельность студентов на занятиях, повышает их интерес к данным дисциплинам и компьютерным технологиям.

В настоящее время в рамках учебной программы по дисциплинам «Электроника и схемотехника разработаны девять лабораторных работ с помощью программы Electronics Workbench:

• 1)    «Знакомство с работой программы Electronics WorkBench»

• 2)    «Исследование полупроводниковых выпрямительных диодов»

• 3)    «Исследование стабилитронов на ЭВМ»

• 4)    «Исследование биполярного транзистора на ЭВМ»

• 5)    «Исследование полевого транзистора на ЭВМ»

• 6)    «Исследование электронных ключей на ЭВМ»

• 7)    «Исследование триггера Шмитта на ЭВМ»

• 8)    «Исследование автоколебательного мультивибратора на ЭВМ»

• 9)    «Исследование ждущего мультивибратора на интегральных микросхемахна ЭВМ»

Основной целью этих работ является закрепление изученного на теоретических занятиях материала по соответствующей теме. В процессе выполнения лабораторной работы каждый студент собирает ту или иную электронную схему, содержащую цифровые устройства, индикаторы, измерительные устройства. В интерактивном режиме моделирования учащиеся изучают работу схемы, заполняют таблицы результатов работы в различных режимах, рисуют диаграммы.

Изучение педагогической литературы по данной проблеме позволяет отметить, что виртуальная информационно-образовательная лаборатория:

• •    используется как эффективный инструмент обучения, не заменяя при этом преподавателя в учебном процессе, обеспечивая для обучаемого свободу выбора темпа и траектории получения знаний с элементами самообучения и самоконтроля;

• •    соединяет в себе достоинства хорошего учебника с возможностями    компьютера,    что    обеспечивается

возможностью хранения больших объемов информации, наглядностью, сочетанием текстовой, графической, ауди- и видеоинформации.

С целью развития самостоятельной познавательной деятельности учащихся, повышения качества их знаний и формирования практических навыков, особенно в преподавании естественнонаучных дисциплин, усиливается роль лабораторных работ, основанных на самостоятельном проведении экспериментов, опытов с использованием приборов, инструментов и т.д. Лабораторные работы проводятся преимущественно в процессе изложения нового материала. Систематическое выполнение лабораторных работ развивает у учащихся способность мыслить, наблюдать, самостоятельно искать ответ на поставленный вопрос экспериментальным путем.

К основным достоинствам выполнения лабораторных заданий в условиях виртуальной лаборатории Electronics Workbench можно отнести:

• •    наглядную иллюстрацию;

• •    возможность самостоятельной сборки схем, расчета их параметров и наблюдения за процессами, происходящими, например, в электрических цепях;

• •    экономию времени на обработку полученных результатов и закрепление материала;

• •    обеспечение полной безопасности проводимых экспериментов;

• •    возможность индивидуального выполнения опытов, что не может не сказаться на развитии самостоятельности учащихся, их конструкторских способностей и технической смекалки;

• •    выполнение виртуальных лабораторных работ во время урока устраняет временной барьер между теоретическими и практическими занятиями, что способствует повышению эффективности и качества обучения, активизации познавательной деятельности учащихся.

Таким образом, использование виртуальных лабораторий, способствующее развитию самостоятельности учащихся, является неотъемлемой частью успеха в стратегии внедрения электронного образовательного компьютерного продукта.

Лабораторная работа №1

Тема работы: Знакомство с программой WorkBench.

Цель работы: знакомство с работой программы Electronics

WorkBench. Задание 1. Ознакомиться с основными компонентами программы

Для операций с компонентами на общем поле Electronics

Workbench выделены две области: панель компонентов и поле компонентов (рис. 1. 1).

Рисунок 1.1 Окно программы Electronics Workbench

Панель компонентов состоит из пиктограмм полей компонентов, поле компонентов -из условных изображений компонентов. Щелчком мышью на одной из одиннадцати пиктограмм полей компонентов, расположенных на панели, можно открыть соответствующее поле. На рис. 1. 1 открыто поле компонентов источников (Sources). Расположение элементов в полях ориентировано на частоту использования компонента. Для описания компонентов более логичным является разделение их по типам, чему мы будем следовать в дальнейшем, давая в каждом случае ссылку на поле, в котором расположен компонент. При работе может быть открыто только одно поле компонентов. Перейдем теперь к описанию имеющихся в программе компонентов. В библиотеки элементов программы Electronics Workbench входят аналоговые, цифровые и цифро-аналоговые компоненты. Все компоненты можно условно разбить на следующие группы: • базовые компоненты, • источники, • линейные компоненты, • ключи, • нелинейные компоненты, • индикаторы, • логические компоненты, • узлы комбинационного типа, • узлы последовательного типа, • гибридные компоненты.

Источники (Sources):

заземление

Компонент «заземление» имеет нулевое напряжение и таким образом обеспечивает исходную точку для отсчета потенциалов. Не все схемы нуждаются в заземлении для моделирования. Однако, любая схема, содержащая: • операционный усилитель, • трансформатор, • управляемый источник, • осциллограф, должна быть обязательно заземлена, иначе приборы не будут производить измерения или их показания окажутся неправильными.

генератор тактовых импульсов

Генератор вырабатывает последовательность прямоугольных импульсов. Можно регулировать амплитуду импульсов, коэффициент заполнения (скважность) и частоту следования импульсов. Отсчет амплитуды импульсов генератора производится от вывода, противоположного выводу "+".

Базовые компоненты (Basic):

соединяющий узел

Узел применяется для соединения проводников и создания контрольных точек. К каждому узлу может подсоединяться не более четырех проводников. После того, как схема собрана, можно вставить дополнительные узлы для подключения приборов.

t

источник сигнала «логическая единица»

При помощи этого источника устанавливают уровень логической единицы в узле схемы.

ключ, управляемый клавишей (клавиша задаѐтся в Key) Индикаторы (Indicators):

пробник логического уровня

Пробник определяет логический уровень (0 или 1) в конкретной точке схемы. Если исследуемая точка имеет уровень логической 1, индикатор загорается красным цветом. Уровень логического нуля свечением не отмечается. На вкладке Choose Prob в меню Component Properties можно изменить цвет свечения пробника.

Логические элементы (Logic Gates):

логическое НЕ

Элемент логическое НЕ или инвертор изменяет состояние входного сигнала на противоположное. Уровень логической 1 появляется на его выходе, когда на входе не 1, и наоборот. Таблица истинности:

Вход Выход

1       0

логическое И

Элемент И реализует функцию логического умножения. Уровень логической 1 на его выходе появляется в случае, когда на один и на другой вход подается уровень логической единицы. Таблица истинности:

логическое ИЛИ

Вход 0	Вход 0	Выхо 0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

Элемент ИЛИ реализует функцию логического сложения. Уровень логической 1 на его выходе появляется в случае, когда на один или на другой вход подается уровень логической единицы. Таблица истинности

исключающее ИЛИ

Вход	Вход
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

Двоичное число на выходе элемента исключающее ИЛИ является младшим разрядом суммы двоичных чисел на его входах. Таблица истинности:

Вход Вход Выхо 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 элемент И-НЕ

Элемент И-НЕ реализует функцию логического умножения с последующей инверсией результата. Он представляется моделью из последовательно включенных элементов И и НЕ. Таблица истинности элемента получается из таблицы истинности элемента И путем инверсии результата. Эквивалентная модель элемента: Таблица истинности:

элемент ИЛИ-НЕ

Вход Вход		Выхо
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Элемент ИЛИ-НЕ реализует функцию логического сложения с последующей инверсией результата. Он представляется моделью из последовательно включенных элементов ИЛИ и НЕ. Его таблица истинности получается из таблицы истинности элемента ИЛИ путем инверсии результата. Таблица истинности:

Вход	Вход	Выход
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	0

исключающее ИЛИ-НЕ

Данный элемент реализует функцию "исключающее ИЛИ" с последующей инверсией результата. Он представляется моделью из двух последовательно соединенных элементов: исключающее ИЛИ и НЕ. Таблица истинности:

Вход	Вход	Выход
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	1

Инструменты (Instruments):

логический преобразователь

Служит для исследования логических схем, можно производить анализ логических схем: строить таблицы истинности и получать логические выражения. С его помощью можно также производить синтез логических схем, т.е. по таблице истинности получить логическое выражения, а затем схему.

Задание: составить схему (рис. 1.2). В последующих схемах заменить элементы и проверить таблицы истинности.

Рис. 1.2. Схема подключения элемента