Роль виртуальных лабораторных работ в повышении качества подготовки бакалавров по направлению «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»

Объем информации, необходимый для плодотворной работы по специальности, стремительно увеличивается, а изучаемый материал быстро устаревает и нуждается в обновлении. Экспериментально установлено, что при равных условиях в памяти человека запечатлевается лишь 10 % того, что он слышит, до 50 % того, что видит, и 90 % того, что он делает [1; 2].

Несмотря на повсеместное активное внедрение компьютерной техники, в высшем профессиональном образовании еще преобладают традиционные формы проведения лабораторного практикума с использованием стендовых лабораторных работ (СЛР), поскольку они, как правило, относительно просты в использовании, наглядны и понятны. Однако подобная форма обучения морально устаревает, так как СЛР являются наиболее дорогостоящим видом учебных занятий (затраты могут составлять до 80 % всех затрат на подготовку специалистов). Кроме того, смена технологий и поколений компонентов, особенно в науках, связанных с электроникой, происходит очень быстро, а обновление лабораторной базы часто отстает.

Как показывает практика, опытные преподаватели, к сожалению, подвержены возрастной и профессиональной деформации, которая может трансформироваться в убеждение, что и теперь лучше всего учить других так же, как когда-то обучали их самих. Преподаватели забывают, что со времени их учебы изменились не только знания, но и формы и методы их преподавания. Зрелому преподавателю, как и каждому человеку, кажется, что воспринятое в молодости – это самое правильное, нужное и полезное. Поэтому он склонен держаться за старые методы и настороженно, а нередко и враждебно, воспринимать новые способы обучения, тем более что овладение ими требует от него дополнительных усилий. Одно из самых распространенных предубеждений человека – предубеждение против нововведений и перемен, которое объясняется тем, что каждое новшество требует дополнительных затрат времени на переучивание, приспособление и т. д., при этом сама перестройка связана с определенными усилиями. Активные

ОБРАЗОВАНИЯ. 2014, № 1 ^Й^ЙЙ^ методы усвоения новых сведений и приемов с применением новых технологий, например, при использовании виртуальных лабораторных работ, в значительной мере уменьшают давление традиций и стереотипов, сформировавшихся в профессиональной сфере, поскольку новые приемы не конкурируют со старыми, а включаются в иных условиях и при решении других задач. Общеизвестно, что основной недостаток традиционной системы обучения заключается именно в слабом управлении деятельностью каждого студента в условиях большой аудитории [2].

В настоящее время среди приоритетных задач высшего технического образования выделяются проектирование и использование современных инновационных образовательных технологий. Их актуальность заключается в том, что в соответствии с федеральными государственными образовательными стандартами нового поколения резко возрастает доля интерактивного представления материала с использованием компьютерных технологий.

Коренные изменения в сфере российского высшего технического образования связаны с интеграцией России в европейское и международное образовательное сообщество с учетом национальных особенностей и потребностей развития страны. Приоритетные направления политики в области образования отражены в документах, относящихся к Болонскому процессу, в «Национальной доктрине развития образования», «Концепции модернизации российского образования до 2020 года». При этом информационно-телекоммуникационные системы включены в приоритетные направления развития науки, технологий и техники Российской Федерации [12; 13] .

Подход к проблеме создания виртуальных лабораторных работ и их внедрения в учебный процесс должен быть дифференцированным и учитывать специфику той или иной дисциплины. Однако не стоит забывать, что далеко не все процессы, связанные с различного рода измерениями, можно исследовать на СЛР. Таким образом, использование виртуальных лабораторных работ в учебном процессе может значительно улучшить его качество, но полностью заменять ими лабораторные работы с приборами не рекомендуется.

Лабораторные тренажеры позволяют подобрать оптимальные для проведения эксперимента параметры, приобрести первоначальный опыт и навыки на подготовительном этапе, облегчить и ускорить работу с реальными экспериментальными установками и объектами. Моделирование способствует лучшему пониманию процессов, происходящих в реальных электронных устройствах. Эксперименты на моделях позволяют исследовать режимы, недопустимые при натурных испытаниях устройств, замедлить или ускорить развитие исследуемых процессов, что позволяет, в конечном итоге, более глубоко усвоить их сущность.

Среди предпосылок к внедрению и преимуществ виртуальных лабораторных работ выделим следующие [1; 2; 4; 6]:

• -    стендовые лабораторные работы требуют постоянного обслуживания и, по возможности, усовершенствования, снабжения расходными материалами, что приводит к дополнительным финансовым затратам;

• -    виртуальные лабораторные работы безопаснее СЛР;

• -    виртуальные работы обеспечивают универсальность и многофункциональность, а также гибкость и простоту адаптации к различным объектам;

• -    появляется возможность осуществить эксперимент, который в обычных условиях невозможен или его проведение сопряжено с большими временными и материальными затратами;

• -    использование персонального компьютера упрощает контроль не только за выполнением, но и за подготовкой студента к проведению конкретной лабораторной работы;

• -    использование компьютера дает возможность хорошо успевающим студентам быстрее осваивать материал и не ждать отстающих;

• -    графические возможности виртуальных лабораторных работ позволяют увидеть многомерные процессы, которые невозможно представить (отобразить) реальными приборами или в двумерном виде;

• -    уменьшение затрат на создание лабораторных работ позволяет в короткие сроки значительно расширить их базу и обеспечить тем самым большую гибкость в обучении.

Кроме того, у современных студентов проявляется больший интерес к работе, связанной с моделированием на компьютере, поскольку они, как правило, быстрее разбираются с «виртуальными» приборами, чем с реальными. Это связано, в первую очередь, с внедрением в последнее время информационных технологий не только в учебный процесс, но и в повседневную жизнь. Данные обстоятельства в целом благоприятно сказываются на качестве образования в учебном заведении.

В настоящее время можно выделить два подхода к созданию виртуальной лаборатории. В одном случае в качестве основного программного средства для разработки выбирается графическая среда, не имеющая непосредственного отношения к изучаемой области, но предоставляющая широкие возможности по созданию учебных материалов, обладающих интерактивными свойствами, например, графический пакет Macromedia Flash. К достоинствам Flash-технологии следует отнести высокую наглядность благодаря возможности интегрирования в одном документе графических, текстовых и звуковых данных. Однако такая виртуальная лаборатория не позволяет гибко менять исследуемые схемы, а использует лишь те элементы и ситуации, которые заранее предусмотрены программистами.

Другим подходом является применение компьютерного моделирования и анализа схем электронных устройств с использованием таких специализированных программ, как MATLAB, OrCAD, LabVIEW, PSIM, NI Multisim, DesignLab, Aplac, P-Spice, Micro-Logic, Proteus, Electronics Workbench и др. Многие из них, обладая колоссальными возможностями анализа прикладной среды, требуют значительного времени для освоения, например MATLAB. В противоположность этому программа Electronics Workbench, имея достаточно простой в освоении интерфейс, обладает относительно неболь- шими возможностями моделирования, достаточными для исследования базовых схем по курсу «Схемотехника телекоммуникационных устройств» [11].

На кафедре инфокоммуникацион-ных технологий и систем связи МГУ им. Н. П. Огарева при изучении курсов «Общая теория связи», «Цифровая обработка сигналов» и «Основы схемотехники» широко используется программа PSIM, которая позволяет значительно расширить возможности стендовых лабораторных работ, а во многих случаях полностью исключить необходимость их применения. К несомненным достоинствам этого программного продукта следует отнести быстрое освоение студентами интерфейса, что позволяет им, уже начиная со второго – третьего занятия, в полной мере решать поставленные задачи.

Несмотря на то, что основное предназначение программы PSIM – моделирование процессов, происходящих в силовых полупроводниковых преобразователях, имеющийся набор библиотек позволяет использовать программу для построения отдельных устройств и систем в целом и для телекоммуникационных приложений [5; 7].

Практически используются библиотеки, содержащие:

• -    логические элементы, сумматоры, электронные ключи, мультиплексоры, элементы задержки и ограничения, счетчик длительности импульсов, фиксатор нулевого уровня, одновибраторы, RS -, JK -и D -триггеры, элементы для построения цифровых фильтров, источники различных сигналов;

• -    блоки дискретизации и квантования, аналоговые и цифровые интеграторы и дифференциаторы, блоки умножения и деления, готовые блоки аналоговых и цифровых фильтров Бесселя, Баттерворта, Чебышева (ФНЧ, ФВЧ, ПФ, РФ); блоки АЦП и ЦАП;

• -    блок извлечения квадратного корня, блоки для вычисления среднеквадратического значения сигналов (RMS) и для проведения спектрального анализа с помощью быстрых преобразований Фурье (FFT), блок для измерения суммарного коэффициента гармоник (СКГ).

PSIM позволяет значительно сократить временные затраты на подготоку и проведение экспериментов; исследовать статические и динамические процессы в линейных и нелинейных схемах; применять имитаторы приборов, которые в реальной лаборатории отсутствуют; исследовать идеализированные процессы, которые на физический стендах реализовать невозможно.

В алгоритме решения дифференциальных уравнений заложен принцип трапеций, который при достаточно высокой точности вычислений, обеспечивает высокое быстродействие. При этом шаг интегрирования практически не требуется подбирать, поскольку программа сама, в случае необходимости, предлагает его изменить.

На базе имеющихся виртуальных элементов нами уже реализованы и включены в учебный процесс такие лабораторные работы, как:

• -    анализ и синтез сигналов треугольной, прямоугольной и трапецеидальной формы;

• -    исследование различных видов модуляции и манипуляции;

• -    исследование ЦАП с «взвешенными» резисторами и с матрицей R -2 R ;

• -    АЦП с промежуточным преобразованием аналоговой величины в интервал времени и частоту;

• -    последовательные АЦП с единичным преобразованием;

• -    сигма-дельта преобразователи;

• -    изучение LC- генераторов (незатухающие колебания в LC- контуре с потерями);

• -    функциональные управляемые генераторы периодических колебаний;

• -    аналоговая система связи;

• -    цифровая система передачи данных.

Возможности PSIM далеко не ограничиваются указанным перечнем. Программа позволила создать модели функциональных генераторов, построенных на базе квазиконсервативного звена второго порядка с быстродействующей (безынерционной) системой стабилизации [3; 6; 8], а также формирователей специальной формы с улучшенными метрологическими характеристиками [4; 9; 10].

Прежде чем приступить к моделированию в среде PSIM, студент должен самостоятельно проработать лекционный материал по теме работы, изучить основные теоретические положения и расчетные соотношения, приведенные в описании работы, выполнить расчет параметров для установки при моделировании схем устройств. Перейти к выполнению виртуальной лабораторной работы студент сможет только после прохождения тестового «контроля на допуск».

По результатам выполненных исследований можно сделать следующие выводы:

• 1.    Показана целесообразность использования виртуальных лабораторных работ при подготовке бакалавров в лабораторных практикумах базовой части основной образовательной программы.

• 2.    Оптимизация методов обучения, внедрение в учебный процесс новых образовательных технологий с применением виртуальных лабораторий - важное направление повышения качества подготовки бакалавров.

• 3.    Приобретение навыков использования современного оборудования и освоение виртуального компьютерного пространства способствует формированию профессионализма будущего специалиста.

• 4.    Применение технологии виртуальных инструментов позволяет перейти на качественно новый, современный уровень обучения с акцентом на практическое использование знаний.

• 5.    Одними из главных направлений развития высшего технического профессионального образования сегодня являются разработка и внедрение образовательных технологий, способствующих становлению самостоятельной и творческой личности.

СПИСОК

ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

• 1.    Бобрышев, С. В . Методы активизации процесса обучения : учебное пособие / С. В. Бобрышев, М. В. Сма-гина. – Ставрополь : Изд-во СГПИ, 2010. – 256 с.

• 2.    Грановская, Р. М . Элементы практической психологии / Р. М. Грановская. – 2-е изд. – Ленинград : Изд-во Ленингр. ун-та, 1988. – 560 с.

• 3.    Дубровин, В. С . Безынерционная система управления формирователя квадратурных гармонических сигналов / В. С. Дубровин, В. В. Никулин, А. В. Ни-

  кулин // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. – 2013. – № 2. – С. 98–101.

• 4.    Дубровин, В. С . Использование виртуальных лабораторных работ – как элемент повышения качества подготовки специалистов. Системы управления и связи : научно-технический сборник. – Ростов-на-Дону, 2012. – Вып. 1 (17). – С. 15–18.

• 5.    Дубровин В. С. Многоконтурная система стабилизации управляемого генератора / В. С. Дубровин, В. В. Никулин // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер. Управление, вычислительная техника и информатика. – Астрахань, 2013. – № 1. – С. 74–82.

• 6.    Дубровин, В. С. Роль виртуальных лабораторных работ при изучении курсов «Общая теория связи» и «Основы схемотехники» / В. С. Дубровин, В. В. Никулин // XII Междунар. науч.-метод. конф. вузов и факультетов телекоммуникаций : тр. конф. – Москва, 2012. – С. 95–99.

• 7.    Дубровин, В. С . Система стабилизации управляемого генератора на базе квазиконсервативного звена / В. С. Дубровин // Южно-сибир. науч. вестн. – Бийск, 2012. – Вып. 2. – С. 30–34.

• 8.    Дубровин, В. С . Управляемый квадратурный генератор с многоконтурной системой стабилизации / В. С. Дубровин, В. В. Никулин // Проблемы передачи информации в инфокоммуникационных системах : материалы Всерос. науч.-практ. конф. / Волгоград. гос. ун-т. – Волгоград, 2013. – С. 33–37.

• 9.    Дубровин, В. С . Управляемый формирователь квадратурных гармонических сигналов / В. С. Дубровин, В. В. Никулин // Вестн. Поволж. гос. технолог. ун-та. Сер. Радиотехнические и инфокоммуникацион-ные системы. – Йошкар-Ола, 2013. – № 1. – С. 5–12.

• 10.    Дубровин, В. С . Формирователь квадратурных сигналов / В. С. Дубровин // Южно-сибир. науч. вестн. – С. 35–38.

• 11.    Никулин, В. В . Моделирование и расчет типовых узлов аналоговой схемотехники : учебное пособие / В. В. Никулин, О. В. Шишов. – Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2006. – 120 с.

• 12.    Основы политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2020 года и дальнейшую перспективу : (Проект документа) // Поиск. – 2011. – 12 авг. (№ 31–32).

• 13.    Указ Президента РФ от 7 июля 2011 г. № 899 «Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и перечня критических технологий Российской Федерации» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://base.garant.ru/55171684/ .

• 14.    Федеральный государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования [Электронный ресурс] : приказ Министерства образования и науки № 785 от 22 дек. 2009 // Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».

Поступила 29.10.13.

Об авторах :