Информатизация инженерного образования (выпуск 1)

Гл а в а 12. Лабораторный практикум

•произвольный выбор средств изучения выбранного объекта (теоретическая часть, подсистема моделирования, подсистема экспериментального исследования, подсистема обработки данных и т.п.);

•фиксация уже изученного учебного материала с возможностью повторного изучения по желанию обучаемого;

•отображение текущего положения обучаемого в структуре УМК с возможностью быстрого перехода на любой другой уровень.

Перечисленные функции подсистемы навигации достаточно разноплановы и могут быть реализованы различным образом. Для примера на рис. 12.8 демонстрируется работа одного из вариантов подсистемы навигации при выборе конкретной учебной дисциплины («Электроника») из общего перечня учебных дисциплин, предоставляемых учебным заведением (все учебные дисциплины имеют условные названия). В левой части экрана находится панель с прокруткой, на которой расположен полный перечень учебных дисциплин. При выборе конкретной учебной

Рис. 12.8. Экранная форма подсистемы навигации первого уровня

453

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

дисциплины ее цвет на общей панели изменяется, а в правом окне появляется структура выбранной учебной дисциплины, которую можно полностью просмотреть, прежде чем приступать к ее изучению. Возможно появление в правом окне нескольких альтернативных дисциплин одного наименования, но разработанных различными авторами. Обучаемый также может просмотреть и сравнить их содержание и сделать свой выбор.

При выборе конкретной учебной дисциплины ее название переходит в строку заголовка экрана, которая последовательно наращивается по мере дальнейшего выбора: дисциплина: «Электроника», раздел: «Типовые интегральные микросхемы», тема: «Аналоговые интегральные микросхемы», объект: «Операционные усилители».

Так работает подсистема навигации на первом уровне — структурном, показывая обучаемому его текущее положение в основной структуре учебной дисциплины.

После того как был произведен выбор конкретного объекта изучения, подсистема навигации переходит на второй уровень — обучение (рис. 12.9). В левой части экрана появляется новая панель с прокруткой, на которой расположена рекомендованная последовательность этапов изучения выбранного объекта (определение объекта, назначение и области применения, основные показатели, особенности конструктивного исполнения, описание лабораторного оборудования, методика

Рис. 12.9. Экранная форма подсистемы навигации второго уровня

454

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

проведения исследования и т.д.). Последовательность изучения может быть выбрана и любой другой. Все зависит от предварительной подготовленности обучаемого. Рекомендуемый вариант ориентирован на первичное знакомство обучаемого с объектом изучения и минимален по затратам времени.

После предварительного теоретического изучения объекта учащийся переходит к этапу выполнения индивидуального задания. При этом подсистема навигации также переходит на третий уровень — объектный (рис. 12.10). Здесь навигация поддерживается достаточно понятным меню в нижней части экрана (получение индивидуального задания, использование подсистемы имитационного моделирования, выход на экспериментальный стенд, математическая обработка результатов).

При всей простоте и наглядности рассмотренной подсистемы навигации она имеет один существенный недостаток, заключающийся в фиксированном размещении полей, предназначенных для технологических задач навигации и для непосредственной работы с самим объектом изучения. Поэтому если хотим сделать навигацию понятной обучаемому, то вынуждены отдать ей слишком много активного пространства экрана, что пойдет во вред подсистеме обучения.

Данное противоречие может быть разрешено, если все технологические и объектные поля экрана сделать перемещаемыми и масштабируемыми (рис. 12.11). Тогда объектное поле можно развернуть на весь экран, а технологическое поле свернуть до приемлемого размера и наложить его на наименее активную в данный момент часть объектного поля. Такой подход, несомненно, более трудоемок в программировании, но именно его следует настоятельно рекомендовать при разработке УМК.

Рис. 12.10. Экранная форма подсистемы навигации третьего уровня

455

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

Рис. 12.11. Экранная форма универсальной подсистемы навигации

Типовое описание объекта изучения

После того как выбран конкретный объект изучения, учащийся должен попасть в четко организованную среду его изучения. Часто используемое полнотекстовое описание объекта, выполненное методом сканирования готового учебника, является наименее затратной, но одновременно и наименее эффективной формой изучения объекта.

Чтение текста с экрана более утомительно, чем с твердой копии. К тому же при этом совершенно не используются вычислительные ресурсы компьютера. Текст должен быть предельно лаконичным, содержащим основные понятия, которые затем подробнее раскрываются через гиперссылки. Подготовленный читатель быстро схватывает суть основного текста и поэтому может ускоренно продвигаться в изучении материала. Менее подготовленный будет вынужден обращаться за разъяснениями к гиперссылкам. Он тоже все освоит, но медленнее.

Иногда следует использовать еще более эффективный прием дикторского чтения текста. Экран компьютера полностью освобождается от текста и занимается каким-либо сложным рисунком (электрической или функциональной схемой, конструкцией и пр.). Пояснения дает диктор, и синхронно с ними на экране возникают анимированные действия. Для лучшего усвоения материала должна быть обеспечена возможность многократного повтора эпизода.

Отдельного внимания заслуживает работа на экране компьютера с математическими выражениями, введенными в текст описания объекта изучения. При математическом описании какого-либо физического процесса не следует давать полный вывод итогового соотношения — лучше дать ссылку на дополнительную литературу, где этот вывод приведен. Вместо этого следует наглядно показать, как это

456

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

соотношение «работает». Учащемуся должна быть предоставлена возможность самому изменять отдельные параметры сложного выражения и наблюдать (лучше в графической форме) степень их влияния на выходные показатели.

Типовая рекомендуемая структура описания объекта изучения приводится ниже:

•определение, назначение, область применения объекта изучения;

•описание принципа действия и особенностей физических процессов;

•конструктивные и схемотехнические особенности;

•основные характеристики и показатели.

Методические особенности использования моделирования при самостоятельном изучении дисциплины

Наиболее эффективное усвоение учебного материала происходит не в процессе пассивного чтения текстовой информации либо столь же пассивного прослушивания лекции в любом ее виде (натуральном, мультимедийном, видеозаписи и пр.), а в процессе активного взаимодействия с объектом изучения. Последнее возможно либо на этапе лабораторного экспериментирования, либо на этапе имитационного моделирования, т.е. там, где учащийся сам может воздействовать на объект изучения или его модель и получить реакцию на это воздействие.

Следовательно, моделирование изучаемых объектов наряду с их экспериментальным исследованием (но не взамен экспериментального исследования) является обязательной компонентой самостоятельной подготовки в системе электронного обучения.

Важной предпосылкой активного использования имитационного моделирования в системе электронного обучения является обязательное применение современной компьютерной техники как элемента среды обучения. Если в распоряжении учащегося появляется компьютер, то было бы неправильным не использовать все его вычислительные ресурсы (цвет, звук, анимация, трехмерная графика) и возможность оснащения эффективными универсальными или специализированными пакетами моделирования.

В методическом плане можно рекомендовать две формы использования моделирования в процессе освоения учебной дисциплины: при изучении теоретической части дисциплины, при выполнении индивидуальных практических заданий.

Особенности использования моделирования при изучении теоретической части учебной дисциплины

Для примера можно рассмотреть подход к организации изучения двух фрагментов учебного курса «Основы электротехники»: вращающееся магнитное поле и исследование эквивалентной схемы замещения.

Принцип создания вращающегося электромагнитного поля в электрических машинах переменного тока можно наглядно исследовать с помощью интерактивной модели.

Если на катушку индуктивности с числом витков w подать переменное синусоидальное напряжение u = Umsinωt, то в ней возникает электрический ток, создаю-

щий в катушке переменный магнитный поток Ф, направленный по ее оси. Вектор магнитной индукции В = Ф/S (где S — сечение катушки) будет изменяться во времени по синусоидальному закону и принимать крайние значения в диапазоне от –Bm до Bm, т.е. каждая катушка в отдельности создает только пульсирующее маг-

нитное поле. Для того чтобы магнитное поле стало вращаться, необходимо:

•взять несколько катушек (минимум две);

•расположить их по окружности друг относительно друга с некоторым пространственным (геометрическим) смещением;

457

ЧА С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

•подать на каждую катушку электропитание от многофазного источника переменного напряжения с одной и той же частотой, но с некоторым временным сдвигом фаз для каждой катушки;

•создать среду, объединяющую магнитные потоки отдельных катушек (общий магнитопровод).

Интерактивная модель должна предусматривать изменение всех перечисленных параметров с наглядным графическим отображением результатов действий учащегося.

В разработанной интерактивной модели обмотка статора электрической маши-

ны выполнена в виде трех катушек (фазных обмоток A, B, C), соединенных в «звезду» и размещенных на магнитопроводе статора (неподвижной части электрической машины) с пространственным (геометрическим) смещением друг относительно друга на фиксированный угол ψ = 120° (геометрических градусов).

Катушки подключены к трехфазному источнику электропитания с независимым регулированием амплитуд U, фаз ϕ и общей частоты ω = 2πf:

uA = UA sin(ωt + ϕA), uB = UB sin(ωt + ϕB), uС = UC sin(ωt + ϕC).

Удобный интерфейс интерактивной модели позволяет задавать частоту, фазы

ивеличины напряжений всех трех фаз, а на графических экранах видеть результаты действий учащегося. Окно интерфейса пользователя разделено на четыре области (рис. 12.12):

•вверху слева — виртуальная панель приборов, на которой «мышью» можно задавать необходимые параметры;

•вверху справа — эскиз трехфазной электрической машины, на фоне которой возникает анимационная картина вращающегося вектора магнитного поля;

•внизу слева — текстовое пояснение, объясняющее физику возникновения вращающегося поля;

•внизу справа — виртуальный осциллограф, на котором отображаются графики изменения фазных напряжений и результирующего значения магнитной индукции.

Для получения кругового вращающегося магнитного поля (результирующий вектор В не изменяется по величине в процессе вращения) необходимо на все катушки

подать одинаковые амплитудные значения напряжений и задать одинаковые временные фазовые сдвиги конкретной величины ϕ = 120° (электрических градусов).

Частота вращения результирующего вектора В определяется частотой напряжения питания ω = 2πf.

Если подавать на катушки напряжения, имеющие различные амплитудные значения и/или углы относительного смещения, отличные от 120°, то вместо кругового будет сформировано эллиптическое вращающееся магнитное поле, у которого амплитуда результирующего вектора В будет изменяться в зависимости от углового положения (рис. 12.13). Такой режим для электрической машины является нежелательным, поскольку создает повышенные электромагнитные вибрации

инестабильность вращающего момента.

Если углы относительного смещения фазных напряжений во времени ϕ задать нулевыми, то будет получено пульсирующее магнитное поле.

Изменить направление вращения магнитного поля можно, изменяя знаки фазовых углов ϕ, что эквивалентно переключению фаз электрической машины.

458

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

Рис. 12.12. Интерфейс интерактивной модели «Вращающееся электрическое поле»

Рис. 12.13. Экранная форма интерактивной модели с эллиптическим магнитным полем

459

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

Интерактивная модель «Эквивалентная схема замещения электрической машины»

Предметом изучения являются характеристики асинхронной электрической машины, которые исследуются с использованием ее эквивалентной схемы замещения (ЭСЗ). Внешними воздействиями в данном случае выступают уровень и частота напряжения, подводимого к обмотке статора.

Окно пользовательского интерфейса разделено на четыре части (рис. 12.14). Вверху слева располагается секция отображения зависимостей исследуемых величин в графическом виде. По оси абсцисс откладывается механическая частота вращения (рад/с), а по оси ординат (в целях размещения разнородных физических величин) — относительные значения этих величин: за единицу принято номинальное значение при Uвх = 127 В и f = 50 Гц. На графике располагается курсор, меняя положение которого, можно получить информацию о значении того или иного показателя в выбранной точке. Абсолютное значение в этой точке отображается справа внизу. Вверху справа находится информационное окно, в котором размещен теоретический материал об изучаемой эквивалентной схеме. Внизу слева размещено схематичное представление ЭСЗ. Там же представлена панель, на которую вынесены регуляторы и поля ввода, с помощью которых можно изменять значения входного напряжения и частоты питания. Диапазон изменения составляет 20 В для напряжения и 10 Гц для частоты питания. О каждом из элементов схемы может быть получена справка. Благодаря высокой скорости расчетов любое изменение значений входных параметров мгновенно отображается на графике вверху и в поле справа внизу.

Рис. 12.14. Экранная форма пользовательского интерфейса модели «Эквивалентная схема замещения электрической машины»

460

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

Применяемая в данном случае математическая модель базируется на следующих математических соотношениях:

потребляемая мощность вычисляется из уравнения

Р1 = тUIkm,

где I — действующее значение тока; km — коэффициент мощности;

механическая мощность задается выражением Р2 = МэΩ,

где МЭ — электромагнитный момент; Ω — угловая скорость;

коэффициент полезного действия рассчитывается по формуле

η = Р2/Р1.

Приведенные математические выражения трудны для восприятия и анализа. В то же время, задавая на виртуальной панели пользовательского интерфейса параметры питания, можно наглядно отслеживать изменения всех перечисленных показателей электрической машины, т.е. благодаря использованию компьютерной модели процесс обучения стал наглядным и, следовательно, более эффективным.

Особенности использования моделирования при выполнении индивидуальных практических заданий

При наличии в распоряжении учащегося мощных вычислительных средств, которые освобождают его от всех рутинных вопросов обучения, перед ним целесообразно ставить творческие задачи поискового характера. Решение подобных задач эффективнее всего достигается средствами имитационного моделирования. При этом алгоритм изучения любого объекта в составе УМК включает следующую логически завершенную последовательность действий:

•выбор объекта изучения;

•изучение теоретического материала;

•получение индивидуального задания;

•поиск оптимального решения полученного задания методом моделирования;

•экспериментальная проверка найденного оптимального решения;

•сравнение результатов моделирования и эксперимента и коррекция параметров модели по результатам экспериментального исследования.

Такой подход предполагает, что каждый объект изучения в составе УМК должен быть обеспечен компьютерной моделью с удобным пользовательским интерфейсом и широкими возможностями варьирования параметров. Поэтому в отдельных случаях желательно предоставлять возможность варьирования структуры модели, что позволит сравнивать влияние на результаты модельного анализа степени структурной сложности модели объекта.

461

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

Рекомендации по выбору стандартных средств имитационного моделирования

В настоящее время существует богатый выбор стандартных и специализированных средств имитационного моделирования в составе пакетов математической обработки данных (например, PSpice, MathLab, MathCAD и т.д.). В своей основе они содержат универсальный решатель системы алгебраических и дифференциальных уравнений и наращиваемые библиотеки стандартных средств обработки данных. Отличие в основном состоит в мощности решателя (порядке решаемых уравнений), в степени наполнения библиотеки стандартными блоками обработки данных, в предметной ориентации на конкретную прикладную область, в удобстве пользовательского интерфейса, в стоимости, доступности и пр.

По совокупности перечисленных показателей предпочтение следует отдать универсальной программе моделирования электрических и электронных схем PSpice 6.2. Данная версия имеет целый ряд преимуществ:

•наличие университетской лицензии, что значительно упрощает ее массовое использование в учебных целях;

•компактность базовой версии (около 1,5 Мб), что позволяет загружать ее непосредственно на пользовательский компьютер и использовать в монопольном режиме (это значительно сокращает время моделирования);

•наличие готовой библиотеки моделей типовых объектов в области электротехники и электроники, что позволяет проводить моделирование электрических и электронных цепей различной степени сложности.

В ряде практических применений возможности этого пакета могут оказаться недостаточными. Применение более мощных и дорогих пакетов целесообразно проводить не в монопольном, а в сетевом режиме их коллективного использования. Такой пакет устанавливается и поддерживается на специальном сервере, а доступ к нему (в случае необходимости) обеспечивается сетевыми средствами единой образовательной среды, как к одному из распределенных образовательных ресурсов.

Программа создания и тиражирования индивидуальных заданий существует в двух версиях:

•упрощенная версия, позволяющая составлять задания к работам по большинству объектов изучения;

•специализированная версия, ориентированная для подсистемы изучения операционных усилителей, что связано со спецификой этой подсистемы.

Удобный пользовательский интерфейс программы (рис. 12.15) позволяет даже не очень подготовленному преподавателю формировать индивидуальное задание

спомощью простого заполнения готовых окон:

•название пункта задания — для отображения в файле итогового протокола;

•текст для протокола —детальное описание содержания пункта задания для занесения в файл протокола. Обычно повторяет текст, изложенный в HTMLстранице, которая выводится обучаемому в окне задания;

•HTML-страница — название файла в формате HTML, в котором находится описание сути пункта задания, предназначенного для вывода обучаемому в окне задания;

•сообщение после выполнения пункта задания — сообщение, выводимое обучаемому в отдельном диалоговом окне после завершения выполнения им требований пункта задания, т.е. после нажатия им кнопки «Перейти к следующему пункту задания» на главном окне подсистемы изучения какого-либо объекта.

462