В статье рассматриваются методы подготовки бакалавров по направлению 27.03.05 Инноватика с учетом требований Федерального государственного образовательного стандарта. Рассмотрено применение имитационной электронной модели при изучении дисциплины «Электротехника и электроника» в учебном процессе бакалавров указанного направления подготовки в Государственном университете управления. Показана её эффективность при освоении компетенций, установленных программой учебной дисциплины.
Ключевые слова: инноватика, имитационная модель, электронный конструктор, измерения электрических параметров.
В соответствии с приказом Минобрнауки РФ от 12.09.2013 № 1061 «Об утверждении перечней и направлений подготовки высшего образования» направление подготовки «Инноватика» 27.03.05 отнесено к группе специальностей подготовки 27.00.00 «Управление в технических системах», что подразумевает квалификацию менеджера со знанием основ дисциплин естественно-научного цикла [1].
«В учебных планах подготовки бакалавров в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом высшего образования по направлению подготовки 27.03.05 Инноватика немалая доля принадлежит дисциплинам естественно-научного и профессионального циклов, среди которых можно указать такие дисциплины, как: «Физика и естествознание», «Механика и технологии», «Химия и материаловедение», «Промышленные технологии и инновации», «Электротехника и электроника», «Метрология, стандартизация и сертификация», «Управление качеством» и ряд других» [2].
Рассмотрим совершенствование учебного процесса с использованием новых технических средств и элементов цифровых методов обучения на примере одной из дисциплин указанного цикла — «Электротехника и электроника».
В соответствии с утвержденной программой учебной дисциплины «Электротехника и электроника» цель изучения дисциплины состоит в формировании навыков обоснования рационального технического решения в процессе разработки технологической инновации на основе планирования технического эксперимента путем получения адекватной виртуальной модели электрических схем с использованием электронного конструктора.
В результате обучения по дисциплине бакалавры направления подготовки «Инноватика» должны овладеть компетенцией «Способность спланировать необходимый эксперимент, получить адекватную модель и исследовать её» (ПК-10). Студенты должны:
Знать:
− физические основы электротехники;
− основные принципы электрических измерений и построения электронных узлов;
− электронную базу и основные функциональные узлы современной электроники.
Уметь:
− спланировать технический эксперимент обоснования технического решения в процессе разработки технологической инновации;
− получить адекватную виртуальную модель электрических схем с использованием электронного конструктора;
− обосновать техническое решение при разработке технологической инновации.
Владеть:
− методами электротехнических измерений;
− методами имитирования процессов сборки электрических схем с применением электронного конструктора;
− навыками исследования особенностей работы электрических схем [3].
В учебном процессе при изучении дисциплины «Электротехника и электроника» с учетом указанных требований в течение нескольких лет используется виртуальная компьютерная программа «Начала электроники», представляющая собой имитационную модель реальных процессов, происходящих в простейших электрических схемах, рассматриваемых в рамках курса.
Напомним некоторые понятия, относящиеся к имитационному моделированию и применению имитационных моделей.
Имитационное моделирование — метод исследования, при котором изучаемая система заменяется моделью, с достаточной точностью описывающей реальную систему (построенная модель описывает процессы так, как они проходили бы в действительности), с которой проводятся эксперименты с целью получения информации об этой системе. Такую модель можно «проиграть» во времени, как для одного испытания, так и заданного их множества. При этом результаты будут определяться случайным характером процессов. По этим данным можно получить достаточно устойчивую статистику. Экспериментирование с моделью называют имитацией (имитация — это постижение сути явления, не прибегая к экспериментам на реальном объекте).
Цель имитационного моделирования состоит в воспроизведении поведения исследуемой системы на основе результатов анализа наиболее существенных взаимосвязей между её элементами или другими словами — разработке симулятора исследуемой предметной области для проведения различных экспериментов.
К имитационному моделированию прибегают тогда, когда:
дорого или невозможно экспериментировать на реальном объекте;
невозможно построить аналитическую модель: в системе есть время, причинные связи, последствие нелинейности, стохастические (случайные) переменные;
необходимо произвести имитацию поведения системы во времени.
Имитационное моделирование является удобным инструментом для анализа: он нагляден, прост для понимания и проверки. В разных областях бизнеса и науки имитационное моделирование помогает найти оптимальные решения и дает четкое представление о сложных системах.
Имитационное моделирование — эксперимент над достоверным цифровым представлением любой системы. В отличие от физического моделирования, такого как создание макета электрических схем, имитационное моделирование основано на компьютерных технологиях, использующих алгоритмы и уравнения. Имитационную модель можно анализировать в динамике, а также просматривать анимацию в 2D или 3D.
Данная программа в условиях отсутствия реальных средств материальной части в области электротехники и электроники для выполнения лабораторных работ в натурных условиях позволяет в достаточной степени заменить процессы сборки элементарных электрических схем в рамках изучаемого курса виртуальными моделями, которые позволяют обучающимся лучше понять сущность и интерпретацию происходящих физических процессов.
Эта обучающая программа представлена как мультимедийное приложение и позволяет имитировать на экране монитора сборку простейших электрических схем, исследовать особенности их работы, а также выполнить измерения электрических величин подобно тому, как это происходит в реальном физическом эксперименте [4].
При начальном запуске программы на экране монитора компьютера видна следующая картина (рис. 1):
Рис. 1. Вид монтажного стола при запуске программы «Начала электроники»
На экране расположены:
− монтажный стол с контактными площадками, на котором можно собирать и анализировать работу электрических схем (расположен в центре экрана);
− панель деталей, содержащую набор электрических элементов (находится в правой части экрана);
− «мусорная корзина», куда выбрасываются перегоревшие и ненужные детали (она расположена в левом нижнем углу экрана);
− панель управления программой с кнопками для вызова вспомогательных инструментов (расположена в верхней части экрана).
Центральным элементом приложения является монтажный стол, на котором учащийся может “паять” различные детали. “Пайка” деталей в нужные контакты монтажной платы ведётся путём перетаскивания их из панели на монтажную плату с помощью манипулятора «мышь».
Монтажный стол представляет собой набор из 49 контактных площадок, к которым условно припаиваются электрические детали, для сборки различных электрических схем, корзину для выброса перегоревших и ненужных деталей (кнопки «удалить» в конструкторе попросту нет), панели вспомогательных инструментов и комментариев, панель деталей. Библиотека компонентов не очень широкая, однако, содержит все ключевые элементы — резистор, конденсатор, катушку индуктивности, монтажный провод, реальный проводник, выключатель, предохранитель, элемент питания, генератор синусоидального напряжения, лампочку, электронагреватель, реостат и переменный конденсатор.
Ненужные и «вышедшие из строя» компоненты схем можно удалить со стола в «мусорную корзину» с помощью мыши путем перетаскивания.
Детали с монтажного стола удаляются и другим методом. При щелчке правой кнопкой мыши на детали появляется окно с надписью «Выбросить деталь». После подтверждения (щелчка на кнопке) деталь будет удалена в корзину.
При сборке схем следует помнить, что на монтажной схеме одновременно не могут находиться источники э. д.с. переменного и постоянного тока.
Для проведения измерений программный комплекс оснащен цифровым мультиметром и двухканальным осциллографом (рис. 2).
Рис. 2. Использование цифрового мультиметра и осциллографа для измерений
Рис. 3. Применение калькулятора для расчетов при выполнении работ
Возможна постановка задачи по определению параметров неизвестной детали, для чего имеется определенный элемент — «черный ящик», могущий быть резистором, конденсатором, индуктивностью или батарейкой. Среди прочих особенностей программы — вызов стандартного калькулятора Windows (рис. 3), просмотр состояния и изменение параметров каждой детали схемы, загрузка и сохранение результатов работ.
В соответствии с методическими указаниями к выполнению лабораторных работ имитационная модель позволяет проводить исследования по следующим темам [4]:
− изучение зависимости сопротивления реальных проводников от их геометрических параметров и удельных сопротивлений материалов;
− исследование сопротивлений проводников при параллельном и последовательном соединении;
− электродвижущая сила и внутреннее сопротивление источников постоянного тока, закон Ома для полной цепи;
− исследование сложных цепей постоянного электрического тока;
− изучение законов выделения тепловой энергии в электронагревательных и осветительных приборах, принципов согласования источников тока с нагрузкой;
− изучение принципов работы плавких предохранителей в электрических цепях;
− элементы цепей переменного тока, зависимость емкостного и индуктивного сопротивлений от частоты переменного тока;
− исследование явления резонанса в цепях переменного тока.
Одной из особенностей виртуальной модели является максимально возможная имитация реального физического процесса. Для этой цели предусмотрено следующее:
− изображения деталей и измерительных приборов на рабочем столе приводятся не в виде принятых обозначений на схемах в соответствии с ЕСКД, а в таком виде, как они выглядят в реальности;
− при превышении номинальной мощности электрического тока, протекающего через нагрузочный элемент схемы (резистор, конденсатор, лампа, электронагревательный прибор, предохранитель) они виртуально «выходят из строя» и приобретают вид почерневшей детали.
Выход из строя элементов схем сопровождаются звуковыми эффектами, аналогичными звукам при реальном выходе из строя того или иного элемента. Это делается для того, чтобы учащийся наглядно видел последствия своих ошибок, учился разбираться в причинах того или иного неудачного эксперимента, вырабатывал бы необходимые навыки и не повторял этих ошибок при пользовании реальными электрическими приборами.
Модель дополняет классическую схему обучения, состоящую из освоения теоретического материала и выработки практических навыков экспериментирования в физической лаборатории.
В конструкторе можно использовать следующие детали, условные схематические обозначения которых показаны в правой части экрана (рис. 4):
Рис. 4. Магазин компонентов схем, используемых в программе
− резистор (характеризуется сопротивлением в Омах и мощностью в Ваттах, «сгорает» при ее превышении), нужные параметры резистора выбираются из имеющегося меню и закрепляются опцией «Применить»;
− конденсатор (характеризуется ёмкостью в Фарадах (пФ, мкФ, нФ, мФ) и рабочим напряжением, выходит из строя при его превышении), выбор необходимых параметров конденсатора производится аналогично резистору;
− катушка индуктивности (характеризуется индуктивностью в Генри (мГн, мкГн, нГн, пГн), имеет очень малое активное сопротивление), выбор необходимых параметров производится аналогично резистору;
− элемент питания (характеризуется полярностью, ЭДС в Вольтах и внутренним сопротивлением в Омах);
− лампочка (характеризуется рабочим напряжением в Вольтах, рабочим током в миллиамперах или мощностью в Ваттах, ’’перегорает” при их превышении);
− реальный проводник (характеризуется материалом, длиной и площадью сечения);
− реостат (характеризуется максимальным сопротивлением в Омах);
− генератор синусоидального напряжения (характеризуется амплитудой и частотой переменного напряжения);
− конденсатор переменной ёмкости (характеризуется максимальной ёмкостью в Фарадах);
− неизвестная деталь (может быть резистором, конденсатором, катушкой, батарейкой или генератором);
− монтажный провод (имеет очень малое сопротивление);
− электронагреватель (характеризуется рабочим напряжением и рабочей мощностью, «перегорает” при их превышении);
− предохранитель (характеризуется максимальным рабочим током, «сгорает» при его превышении);
− выключатель (имеет два состояния — «разомкнуто» и «замкнуто») [4].
Панель управления программой (расположена в верхней части монтажного стола). На панели комментариев выводятся сведения о деталях и подсказки о назначении кнопок панели управления. Эта информация появляется после установки указателя «мыши” на соответствующие элементы.
Правила работы с мультиметром
1. Мультиметр вызывается на экран (рабочий стол) нажатием кнопки ’’Получить мультиметр” на верхней панели окна программы. Следующее нажатие на эту кнопку вызывает второй прибор (при этом кнопка блокируется). Для удаления прибора нужно щелкнуть на кнопке «Х» в правом верхнем углу окна мультиметра. Прибор вместе со своими зажимами исчезает с экрана.
2. Подключение мультиметра к точкам исследуемой схемы производится установкой в нужные места общего (темно-синего) и измерительного (красного) зажимов, соединенных с соответствующими гнездами прибора.
Соединительные провода прибора на экране не показываются, чтобы не загромождать монтажный стол.
3. На цифровом табло прибора отображается числовое значение измеряемой величины (тока, напряжения, сопротивления) в единицах, указанных на выбранном пределе измерения. Если в левой части табло высвечивается -1 (минус 1 — переполнение), это говорит о том, что значение измеряемой величины превышает максимальное значение выбранного предела измерения. Необходимо переключить прибор на другой предел.
4. Для работы можно использовать один или два мультиметра, которые имеют номера 1 и 2. Зажимы приборов также имеют соответствующие номера. Приборы могут использоваться одновременно и независимо. Например, первым прибором можно измерять ток, а вторым — напряжение, в разных частях исследуемой схемы (рис. 5).
Рис. 5. Пример одновременного использования двух мультиметров для измерения напряжения и тока
Мультиметр позволяет проводить измерения:
− напряжений постоянного и переменного тока;
− силы постоянного тока;
− сопротивлений участков цепи постоянного тока;
− проверять наличие контактов с использованием звуковой сигнализации.
Пример измерения падений напряжений переменного тока на индуктивности и резисторе показан на рис. 6.
Рис. 6. Пример работы программы при изучении зависимости индуктивного и емкостного сопротивлений от частоты переменного тока
Измерение напряжений
Для измерения напряжения на участке исследуемой цепи необходимо учитывать следующее [5]:
− Вольтметр всегда включается параллельно участку цепи, на котором измеряют напряжение (реальный вольтметр может выйти из строя при неправильном включении!).
− В зависимости от вида тока, протекающего в цепи — постоянный или переменный, переключатель режимов работы необходимо установить в соответствующее положение.
− Вольтметр показывает эффективное значение переменного напряжения.
− При измерении постоянных напряжений вольтметр показывает значение с учетом полярности — если потенциал на измерительном зажиме меньше, чем на общем, на табло высвечивается знак «минус».
− Пределы измерения постоянного напряжения соответствуют пределам измерений реальных мультиметров, например модели М-832 и других из этого ряда приборов: 1000 В, 200 В, 20 В, 2000 мВ, 200 мВ.
− Пределы измерения переменного напряжения: 750 В, 200 В.
− Входное сопротивление прибора в режиме вольтметра равно 1 МОм.
Измерение силы постоянного тока
Для измерения силы тока на участке исследуемой цепи необходимо учитывать следующее [5]:
− Амперметр всегда включается последовательно в участке цепи, где измеряется сила тока (реальный амперметр может выйти из строя при неправильном включении!).
− Амперметр, используемый в программе, может измерять только силу постоянного тока.
− При измерении силы тока в цепи, амперметр показывает его значение с учетом полярности: если ток через прибор течет от общей клеммы (земля или ноль) к измерительной, на табло высвечивается число со знаком «минус».
− Пределы измерения силы постоянного тока аналогично предыдущему совпадают с пределами физических мультиметров: 10 А, 200 мА, 20 мА, 2000 мкА.
− Входное сопротивление амперметра очень мало (около 10–6 Ом).
Измерение сопротивлений
Для измерения сопротивлений необходимо учитывать следующее:
− Омметр может измерять только активное сопротивление элементов схемы.
− Пределы измерения сопротивлений: 2000 кОм, 200 кОм, 20 кОм, 2000 Ом, 200 Ом и специальный предел для определения контактов со звуковой сигнализацией.
− На измеряемый участок схемы прибор подает напряжение 2 В.
− Прибором можно определять наличие контакта в схеме, при этом, если сопротивление измеряемого участка меньше 75 Ом, подается звуковой сигнал.
Двухканальный осциллограф
Осциллограф предназначен для визуального наблюдения формы переменного напряжения. Он позволяет также определять количественные характеристики сигнала: частоту и амплитуду переменного напряжения, длительность импульса, сдвиг фаз между двумя периодическими сигналами (для этого осциллограф должен быть двухканальным).
Входное сопротивление осциллографа достаточно велико (около 10 МОм).
Лицевая панель осциллографа содержит следующие части (рис. 7):
− Экран с масштабной сеткой для наблюдения формы сигнала и количественных измерений.
− Панель управления усилением каналов и сдвига лучей по вертикали.
− Панель управления разверткой, сдвига лучей по горизонтали, выбора режимов синхронизации и некоторых вспомогательных функций.
Правила работы с осциллографом
1. Осциллограф вызывается на экран (рабочий стол) нажатием кнопки «Получить осциллограф» на верхней панели окна программы. Для удаления осциллографа нужно щелкнуть на кнопке в правом верхнем углу его окна. Осциллограф вместе со своими зажимами исчезает с экрана.
2. Подключение осциллографа к точкам исследуемой схемы производится установкой в нужные места общего (темно-синего) и измерительного (красного) зажимов, соединенных с соответствующими гнездами осциллографа. Соединительные провода на экране не показываются, чтобы не загромождать монтажный стол. Зажимы имеют обозначения (буквы А и В), соответствующие каналам осциллографа.
Измерения с помощью осциллографа
Осциллограф позволяет проводить измерения:
− амплитуды напряжения переменного тока;
− частоты переменного напряжения;
− сдвиг фазы между двумя сигналами.
Рис. 7. Измерения параметров напряжения переменного тока с помощью осциллографа
Программное обеспечение имитационной модели.
Данная программа была разработана в учебной лаборатории компьютерного моделирования механико-математического факультета НИИ механики и математики Казахского государственного национального университета им. Аль-Фараби (г. Алма-Ата) под руководством доцента кафедры теплофизики и технической физики Кашкарова В. В.
Программа представлена на двух языках — русском и английском.
Реализована поддержка различных языков с применением таблиц строк, записанных в XML. Программа при запуске определяет язык для программ, не поддерживающих Юникод, установленный в системе, и делает попытку считать таблицу строк из файла-перевода, соответствующего языку. Для русского языка это файл e.1049.xml, для английского — e.1033.xml. Если такой файл не найден, то программа выберет английский.
Лабораторный комплекс «Начала электроники» не требователен к ресурсам компьютера и работает под управлением операционной системы Microsoft Windows (95, 98, ME, NT, 2000, XP, Vista, 7, 8, 10). Для поддержки аудио эффектов необходима звуковая карта. Приложение устанавливается автоматически и не требует внесения её в программный реестр.
Подводя итоги, укажем, что виртуальный электронный конструктор имеет огромный спектр возможностей, однако существуют и некоторые недоработки. Так, например, для облегчения работы с программой разработчикам следовало бы:
− расширить размеры монтажного стола;
− улучшить качество графики;
− дополнить программу голосовым сопровождением в качестве помощника, а также анимацией во время взаимодействия с различными элементами.
Пользователи отмечают удобство программы для схемотехнических исследований, простоту и понятность алгоритма действий, интерфейс выполнен достаточно доступно. В то же время отмечено отсутствие в программе в качестве элементов диодов, транзисторов, тиристоров, микросхем и т. д., что естественно, повлекло бы за собой усложнение структуры программы и пользовательского интерфейса.
Выводы
- Данная имитационная модель представляет собой виртуальный помощник в проведении лабораторных работ, что позволяет сэкономить на оборудовании для проведения лабораторных работ в университете, а также обезопасить самих студентов. Данная программа является наглядным пособием, так как позволяет в процессе выполнения работ изменять параметры элементов, что даёт большее представление о работе электрических и электронных устройств, нежели теория.
- Использование виртуального электронного конструктора, позволяющего имитировать на экране монитора сборку простейших электрических схем, исследовать особенности их работы в учебном процессе, повышает уровень освоения компетенций будущими специалистами и интерес студентов к изучаемой дисциплине.
- Данный метод обучения позволяет получить обучающимися основные представления о единицах измерений электрических и магнитных величин, их соотношениях между собой и размерностях этих величин в международной системе единиц СИ, выявить наглядную зависимость величин и сравнить полученные экспериментальные значения со справочными данными.
Литература:
1. Федеральный государственный образовательный стандарт высшего образования по направлению подготовки 27.03.05 Инноватика (уровень бакалавриата) // Утв. приказом Министерства образования и науки РФ от 11.08.2016 № 1006. http://fgosvo.ru/fgosvo/92/91/4/27 (дата обращения 19.03.2019).
2. Фаюстов А. А. Повышение компетентности менеджеров по инновациям путем совершенствования процесса их подготовки. // Вестник Университета. — 2016. — № 9. — С. 186–195.
3. Рабочая программа дисциплины (модуля) Б1.В.09 — Электротехника и электроника для бакалавров направления подготовки 27.03.05 — Инноватика. // М.: ГУУ, 2017. — 29 с.
4. Методические указания к выполнению лабораторных работ по учебной дисциплине «Электротехника и электроника»: для подготовки бакалавров по направлению 27.03.05 Инноватика [Текст] // Государственный университет управления, Институт отраслевого менеджмента, Кафедра управления инновациями [сост.: О. В. Аристов, С. Д. Нифагин]. — М.: Издательский дом ГУУ, 2017.– 37 с.
5. Новожилов О. П. Электротехника и электроника: учебник для бакалавров // О. П. Новожилов. –2-е изд. исправ. и доп.– М.: Издательство Юрайт, 2014. — 653 с.
