Информатизация инженерного образования (выпуск 1)

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

Рис. 12.15. Экранная форма интерфейса для тиражирования индивидуальных заданий любых объектов изучения

Такой тип заданий подходит практически для любого объекта изучения. Все фактические данные о задачах, параметрах объектов излагаются в тексте пунктов заданий. Однако в данном случае в учебном процессе необходим преподаватель, оценивающий действия обучаемого и тестирующий его знания по данному разделу.

Для подсистемы изучения операционных усилителей была разработана более детализированная программа генерирования индивидуальных заданий, которая позволяет создавать и редактировать три типа заданий (рис. 12.16):

•«Собрать схему» — задание, при котором обучаемый должен собрать на виртуальной панели необходимую топологию схемы, задать требуемые параметры источников входных тестирующих сигналов. При этом системой автоматически контролируются как сама топология схемы (причем иногда несколько правильных вариантов), так и коэффициент усиления схемы, параметры тестирующих сигналов;

•«Провести исследование схемы» — задание, при котором обучаемый должен провести исследование схемы в определенном режиме и получить (рассчитать) какой-либо ее параметр, например постоянную составляющую сигнала или реальный коэффициент. Полученное значение обучаемый должен занести в специальное поле ввода. Это значение контролируется системой, для чего при составлении задания преподаватель задает «правильное» значение параметра;

•«Ответить на вопросы» — обучаемый получает ряд вопросов, на которые должен ответить, занося ответы в специальные поля ввода. «Правильные» ответы также вводятся преподавателем. Этот тип задания является фактически проверкой знаний обучаемого и может использоваться в качестве защиты работы.

463

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

Рис. 12.16. Экранная форма интерфейса для тиражирования индивидуальных заданий по теме «Операционные усилители»

Правильно задав последовательность и типы пунктов заданий, можно практически полностью автоматизировать лабораторный практикум по теме «Операционные усилители», имея как результат оценку знаний обучаемого по данному разделу.

Подсистема контроля действий учащегося и защиты лабораторного оборудования от несанкционированного доступа и возможных аварийных ситуаций

Поскольку лабораторное оборудование эксплуатируется многими неподготовленными учащимися, то возможно случайное или умышленное создание аварийных режимов. В этой связи должно быть предусмотрено несколько независимых контуров защиты оборудования:

•программный уровень защиты на стороне пользователя, когда подготовленное им задание на эксперимент еще до отправки на исполнение анализируется на превышение режимных пределов и не принимается системой к исполнению, о чем пользователю выдается сообщение с рекомендациями о коррекции задания на проведение эксперимента;

•программный уровень защиты на объектном уровне с использованием возможностей объектного микроконтроллера. Здесь контроль возможен на уровне сравнения входного кода поступившего задания с записанными в ПЗУ их

464

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

максимально допустимыми значениями. При несоответствии кодов пользователю формируется сообщение о невыполнимости его задания;

• аппаратный уровень защиты с использованием встроенных датчиков предельных режимов. Например, при превышении предельного тока нагрузки по любому из каналов должен сработать соответствующий контур токовой защиты. Число датчиков контроля и их функциональный набор должны соответствовать обеспечению максимальной надежности оборудования. Например, при отказе

водном из силовых модулей контура принудительной вентиляции оператору лабораторного комплекса должно незамедлительно поступить об этом сообщение. Хотя продолжение работы лабораторного комплекса возможно, но длительный режим

вэтом состоянии уже опасен.

Подсистема математической обработки результатов моделирования и эксперимента

Разработанная программа Results предназначена для компьютерной обработки данных, получаемых в результате натурного эксперимента или моделирования. Эта программа разрабатывалась для нужд автоматизированного учебно-лаборатор- ного комплекса, но может быть использована для обработки и других данных. Программа обеспечивает следующие функции:

Функция «визуализация графиков». В одном окне может быть отображено несколько графиков с общей осью абсцисс. Практически все параметры отображения графиков могут меняться пользователем:

•цвет графика и курсора,

•тип и толщина линий,

•отображение осевых линий и осей,

•установка масштаба и границ отображения графика и т.п. С графиками могут быть выполнены различные манипуляции:

•копирование,

•выделение участка графика,

•изменение масштаба,

•перевороты и многое другое.

Функция «следования» всех графиков одного файла за текущим позволяет проводить анализ изменения всех параметров исследуемого объекта от времени.

Функция «сохранения» позволяет сохранять данные графика в текстовом файле, вставить график из текстового файла или просто создать график, задавая его точки.

Функция «печати» позволяет выводить на печать графики, отображенные на экране.

Функция «экспорт данных» в формат CSV позволяет наполнять графиками отчеты в текстовых редакторах.

Функция «произвольные вычисления» предоставляет богатый набор средств математической обработки, включая действия по формуле пользователя. Для этого в программе есть встроенный синтаксический анализатор.

Программа обработки результатов разработана для использования в операционной системе Microsoft Windows 95 или более поздней. Интерфейс программы базируется на нескольких типах окон: главного окна программы, окна графиков и ряда диалоговых окон (рис. 12.17).

465

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

Рис. 12.17. Экранная форма интерфейса программы математической обработки результатов

Рис. 12.18. Меню программы «Обработка результатов»

Меню программы содержит основные команды для работы с файлами и графиками (рис. 12.18). Если какой-то пункт меню в данный момент недоступен, он отображается бледным цветом и пользователь не может выбрать такой пункт. Меню организовано таким образом, что все действия разбиты на группы. Названия групп меню соответствуют общепринятым правилам формирования интерфейса программ под Windows: «Файл», «Правка», «Справка».

466

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

Команды меню образуют функциональные группы. Группа «Файл»:

•Открыть — вызывает стандартный диалог Windows открытия файла. После выбора файла программа отобразит окна графиков, размещенных в данном файле.

•Закрыть — позволяет закрыть текущий файл (закрываются также и окна графиков, расположенных в данном файле).

•Настройки печати — вызывает стандартный диалог настроек печати, что позволяет произвести выбор принтера, выбрать настройки принтера, после чего программа изменяет размеры области графиков в соответствии с размерами области печати, выбранной для заданного типа бумаги. Это позволит произвести размещение графиков на листе для печати нескольких графиков на одном листе

внужной последовательности и позиции.

•Печать — начинает собственно процесс печати. Желательно перед этим выполнить подготовительные действия, а именно, выполнить настройки печати и размещение графиков на поле, символизирующем лист.

•Группа последних использованных файлов — позволяет быстро открыть файлы, с которыми недавно работал пользователь.

•Выход — осуществляется выход из программы. Несохраненные данные будут утеряны.

Группа «Правка»:

•Копировать — позволяет запомнить график для последующей вставки.

•Вставить — осуществляет вставку выбранного заранее графика в окно текущего графика. Вставка возможна только в том случае, если у графиков совпадает категория оси абсцисс (наименование). В противном случае будет выдано соответствующее сообщение и вставка произведена не будет. При этом если координатные сетки по оси абсцисс у двух графиков не совпадают, производится линейная интерполяция для совмещения графиков в единой координатной сетке по оси абсцисс.

•Настройки — вызывает диалог настройки текущего окна с графиками. Позволяет изменять такие параметры, как цвет линии, курсора, координатной сетки, задать толщину и стиль линии, курсора, выбрать специальные параметры оформления, такие, как заполнение поля графика до координатной оси.

Группа «Обработка»:

• Перестроить — позволяет построить зависимость одного графика от другого. Например, по зависимостям M(t) и ω(t) построить механическую характеристику M(ω). Для выполнения этой операции оба графика должны находиться

водном окне.

•Таблица значений — выводит таблицу значений для текущего графика. Позволяет проконтролировать значения точек графика в численном виде.

•Действующее значение — позволяет вычислять действующее значение графика, отображенного в окне. Вычисленное значение помещается в текстовом виде

вбуфер обмена (Clipboard) Windows и может быть вставлено в любой программе, поддерживающей работу с буфером обмена.

•Специальная обработка — вызывает диалог обработки, позволяющий произвести вычисление коэффициентов ряда Фурье (используется метод быстрого преобразования Фурье), интегрирование, дифференцирование, осреднение, построение сплайна и полиномиальной аппроксимации методом наименьших квадратов.

467

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

Для большинства видов обработки пользователь может задать специальные параметры (радиус округления или значения производной функции в начальной и конечной точках для интерполяции). Справа от поля «Вид обработки» присутствует окно предварительного просмотра результата. В поле «Название нового графика» пользователь может ввести произвольное название для получаемого графика. Результирующий график помещается в отдельном окне.

• Вычисление — вызывает диалог, в котором можно произвести различные математические действия над графиками, расположенными в текущем окне. Допустимы арифметические операции с константами и графиками. В формулу для обозначения графиков, участвующих в вычислении, следует вводить псевдоним в соответствии с представленной в этом же окне таблицей псевдонимов графиков. Поле «Название графика» служит для ввода названия получаемого графика.

Рис. 12.19. Экранная форма подсистемы формирования и просмотра итогового протокола

468

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

Группа «Вид»:

•Приблизить — переключает курсор текущего окна с графиком в режим выбора области, которая будет увеличена до размеров окна. Фактически происходит увеличение масштаба.

•Оригинальный масштаб — восстанавливает масштаб, при котором в окне отображается весь график.

• Режим координат — переключает курсор текущего окна с графиком в режим просмотра координат. Этот режим включен по умолчанию. В этом режиме внизу окна графика отображаются значения координат и название графика.

• Двигать — позволяет перемещать график внутри окна. Целесообразно использовать для перемещения по графику в том случае, когда он не помещается целиком в окне, например после команды «Приблизить» для перехода к другому участку графика без изменения масштаба.

Группа «Справка»:

• О программе — вызывает окно с краткой информацией о программе. Панель инструментов содержит кнопки для вызова наиболее часто используе-

мых команд. Фактически эти кнопки дублируют соответствующие пункты меню.

Подсистема формирования и просмотра итогового протокола предназначена для просмотра преподавателем результатов выполнения работы (рис. 12.19). Во время выполнения учащимся работы некоторая информация заносится в протокол автоматически, а некоторая — по команде самого учащегося.

Автоматически в протокол заносятся имя учащегося, под которым он вошел в систему, идентификатор темы задания, номер задания, набранные баллы (если программный модуль ведет автоматический их учет, как, например, модуль для исследования схем на основе операционных усилителей), время начала и окончания работы.

Кроме того, при переходе от одного пункта задания к другому в протокол заносятся текст пункта задания, ответы на контрольные вопросы и допущенные учащимся ошибки (при возможности автоматического их контроля, как, например, при исследовании операционных усилителей).

12.2.7. Рекомендуемые инструментальные средства разработки учебных лабораторий нового поколения

В соответствии с общей концепцией создания образовательных ресурсов нового поколения каждый образовательный ресурс (в том числе и лабораторный практикум) предпочтительно должен включать полную совокупность образовательных услуг, в том числе: мультимедийную подсистему обучения, подсистему моделирования, интерактивную подсистему контроля знаний и т.п. Для их создания необходим соответствующий набор инструментальных средств разработки.

Предлагаются следующие типовые конфигурации рабочих мест разработки образовательных ресурсов, успешно опробованные на практике.

Автоматизированное рабочее место для создания мультимедийных средств обучения

Технология мультимедиа предполагает использование широкого арсенала средств создания образовательных ресурсов с высокой эффективностью усвоения учебного материала:

469

ЧА С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

•трехмерная графика со средствами моделирования пространственного положения сложных технических изделий дает возможность «рассматривать» объект изучения с разных точек, масштабируя его и поворачивая вокруг трех осей, осуществлять его «сборку/разборку», что просто необходимо в учебных дисциплинах машиностроительных направлений подготовки;

•анимация позволяет наглядно и в удобном временном ритме подробно анализировать переходные режимы изучаемых сложных физических процессов;

•звуковое сопровождение текста способствует сосредоточению внимания на сложной электрической схеме или конструкции без переключения внимания с текста на графику и наоборот;

•видеоклипы, включаемые в состав учебной дисциплины, позволяют, например, увидеть реальный технологический процесс сборки сложного изделия, разрушение объекта в процессе испытаний и т.д.

Перечисленный арсенал средств разработки мультимедийных учебных дисциплин предъявляет повышенные требования к организации рабочего места АРМмультимедиа (рис. 12.20), которое должно включать:

•компьютер типа Pentium III с тактовой частотой не менее 1000 МГц (или аналогичный ему);

•ОЗУ не менее 512 Мб, жесткий диск объемом не менее 30 Гб;

•видеокарта с аппаратной поддержкой 3-мерной графики;

•звуковая карта с колонками и микрофонным входом;

•видеокамера с разрешением не менее 24 кадров в секунду и 388×240 dpi;

•сканер с разрешением не менее 1200×600 dpi;

Рис. 12.20. Автоматизированное рабочее место для разработки мультимедийной подсистемы обучения

470

Гл а в а 12. Лабораторный практикум

•цветной струйный принтер с разрешением не менее 1400×720 dpi;

•операционная система MS Windows 2000 Pro/ MS Windows XP;

•среда разработки приложений MS Visual C++ или Borland C++ Builder;

•средства работы с графикой: 3-мерной (3d Max), 2-мерной (Corel Draw);

•средства разработки гипертекстовых приложений — MS Front Page, Macromedia Flash.

Автоматизированное рабочее место для разработки и отладки микроконтроллерных систем управления

Типовой процесс разработки цифровых систем управления, выполненных с применением микропроцессорных контроллеров (МПК), цифровых сигнальных процессоров (DSP), программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), состоит из нескольких основных этапов:

•разработка структуры системы управления;

•выбор соответствующей элементной базы;

•разработка принципиальной схемы;

•разводка печатной платы;

•изготовление и монтаж печатной платы;

•разработка программного обеспечения;

•отладка программно-аппаратных средств;

•оформление технической документации.

Для реализации этих этапов разработки необходимо следующее аппаратное оснащение рабочего места АРМ—МПК (рис. 12.21):

• персональный компьютер с процессором типа Intel Pentium III или аналогичный с тактовой частотой от 866 МГц (рекомендуется от 1000 Мгц);

Рис. 12.21. Автоматизированное рабочее место для разработки и отладки микроконтроллерных систем управления (АРМ — МПК)

471

ЧА С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

•оперативная память типа SDRAM PC133 от 256 Мб (рекомендуется DDR RAM типа PC2100, 2700 от 512 Мб);

•графический адаптер, поддерживающий графические режимы до 1600×1200, 85 Гц, (рекомендуется от 100 Гц), частота выходного DAC от 300 МГц (рекомендуется видеокарта с TWIN VIEW типа Matrox Millenium G400 DUAL VIEW);

•графический монитор с диагональю от 17 дюймов, полосой пропускания от 200 МГц, обеспечивающий режим 1024×768, 100 Гц (рекомендуется два монитора: 19 или 21 дюйм, обеспечивающий режимы от 1280×1024, 100 Гц, и 15 или 17 дюймов, обеспечивающий режимы 1024×768, 100 Гц);

•жесткий диск объемом до 40 Гб (для больших проектов рекомендуется RAID);

•лазерный или струйный принтер формата А3 с разрешением от 600×600;

•специальная станция для пайки планарных микросхем с малым шагом между выводами.

При разработке принципиальных и монтажных схем, разведения печатных плат

иподготовке соответствующей технической документации для изготовления печатных плат на производстве используются программные средства автоматизированного проектирования печатных плат типа OrCAD, PCAD 8.5, PCAD 2000 (Accel EDA 14, 15), PCAD 2001 и т.п.

Разрабатывая тестовые и управляющие программы микропроцессорных средств, следует применять специальные программируемые среды разработки проекта на всех стадиях от постановки задачи по написанию программы для конкретного типа микропроцессорного средства до завершающего программирования этого средства с помощью внешних программаторов либо внутрисхемного программирования. В частности, для реализации проектов к 8-, 16-разрядным МПК используются среды программирования, разработанные фирмами FRANKLIN SOFTWARE (среда ProVIEW), IAR SOFTWARE, TASKING SOFTWARE и т.п.

При работе с DSP (например, фирм Texas Instruments или Analog Devices) применяется CODE COMPOSER STUDIO (для TI типа TMS320Cxxx) или VisualDSP (для DSP фирмы Analog Devices). В частности, пакет CODE COMPOSER STUDIO позволяет писать программы для DSP фирмы Texas Instruments на Ассемблере или на языке С, отлаживать их с использованием программных симуляторов, не используя реального оборудования. В случае применения специальных внутрисхемных эмуляторов (JTAG — Joint Test Access Port — эмулятор) становятся возможными программирование и отладка проектов непосредственно в схеме электронного устройства, в котором используются данные типы DSP.

Для проектирования электронных устройств на основе ПЛИС чаще всего применяются пакеты синтеза фирмы ALTERA (MAXII-PLUS), ATMEL (ProCHIP DESIGNER) и т.п. Синтез матриц коммутации ПЛИС, а также контроль правильности проекта (симуляции работы ПЛИС) производится с применением языков описания логики работ цифровых матриц: VHDL (Very high-speed IC Hardware Description Language), VERILOG и др. В частности, для описания и симулирования матриц фирмы ALTERA на основе данных языков был создан свой язык описания AHDL (Altera Hardware Description Language), в котором изменен синтаксис языка с учетом особенностей данных ПЛИС. Для окончательного программирования матриц все пакеты могут работать с внешними программаторами ПЛИС типа ByteBlaster, BitBlaster, подключаемыми к параллельному и последовательному порту компьютера соответственно.

472