Использование виртуальных лабораторий – фактор повышения качества и эффективности формирования профессиональных компетенций у студентов

В настоящее время особенно активно происходит изменение роли компьютера в обучении: из средства, используемого лишь на занятиях по информатике, компьютер превращается в деятельного помощника преподавателя на лекциях и семинарах.

По мнению российских экспертов, информационные технологии обучения позволяют повысить эффективность практических и лабораторных занятий не менее, чем на 30%, а объективность контроля знаний студентов – на 20-25%. Успеваемость в группах, обучающихся с использованием компьютерных технологий обычно выше в среднем на 0,5 балла.

Использование компьютеров в преподавании различных дисциплин позволяет:

• активизировать познавательную деятельность, выйти на более высокий уровень восприятия и усвоения материала. Восприятие необычной и яркой по качеству информации способствует формированию интереса к предмету, стремления к самообучению, создает основу для развития;

• реализовать идеи индивидуального и дифференциального подхода в процессе обучения;

• подготовить студентов к активной деятельности в современных условиях;

• оказать помощь преподавателю в организации систематического контроля, обеспечив объективную оценку деятельности студентов;

• создать условия для развития творческих способностей, логического мышления, памяти. Ведение диалога с компьютером требует от студентов умения анализировать, принимать самостоятельные решения, а также внимательности и аккуратности.

Формы применения информационных технологий в обучении зависят от специфики конкретной дисциплины, а также от уровня технической и программной поддержки курса.

Одним из видов программных средств. используемых при подготовке инженерных кадров  по различным специальностям являются имитационно-моделирующие программные средства.

Под виртуальной лабораторией мы понимаем комплекс программ или программно-аппаратное средство, а также набор документации по их использованию, позволяющие проводить эксперимент полностью или частично на математической модели. [3]

Сочетание виртуальной и реальной действительности заставляет студентов  широко применять справочную и научную литературу, приучает  самостоятельно мыслить и принимать решения, стимулирует к самообразованию и позволяет раскрыть их творческие возможности. [1]

Моделирование электронных устройств в компьютерном классе или дома и визуализация результатов в виде осциллограмм, графиков, характеристик, показаний виртуальных приборов способствует лучшему пониманию принципов функционирования реальных схем управления и контроля технологическими процессами производства . Эксперименты на моделях дополняют и расширяют реальные физические эксперименты, т. к. позволяют исследовать аварийные режимы, недопустимые при натурных испытаниях устройств, замедлить или ускорить развитие электромагнитных процессов в электрических устройствах, что позволяет более глубоко усвоить их сущность. [2]

Следует отметить экономическую эффективность применения имитационно-моделирующих программных средств.

Работа в виртуальной лаборатории позволяет без больших материальных затрат довести до конца любые решения, выбрать оптимальный путь, а уж потом претворять его в жизнь.

Кроме того, смена поколений электронных компонентов происходит очень быстро и совершенствование физической базы лабораторий отстает от реальной жизни.

«Виртуальная лаборатория» позволяет следовать в русле быстро меняющейся элементной базы благодаря доступности через Интернет моделей электронных устройств, дает возможность применять в исследованиях самые современные изделия. [1]

В разрабатываемых ГОС СПО 3-го поколения подчеркивается необходимость приобретения студентами профессиональных умений и навыков и знание средств (современных измерительных комплексов, аппаратуры исследований и промышленного оборудования), с помощью которых они достигаются.

В настоящее время широкое распространение получили компьютерное моделирование и анализ схем электронных устройств с использованием таких программ, как Electronics Workbench, DesignLab, Aplac, P-Spice, Micro-Logic, LabVIEW, NI Multisim, Proteus и др.

На этапе начального освоения студентами моделирования электронных устройств наиболее приемлемым средством, по нашеу мнению, является программа Multisim, разработанная корпорацией National Instruments. Библиотеки этой программы включают более 16000 электронных компонентов, сопровождаемых аналитическими моделями, пригодными для быстрого моделирования. Программа предоставляет возможности пользователю редактировать имеющиеся компоненты и создавать новые. Кроме того, в сети Интернет в свободном доступе существует множество библиотек компонентов, включая и отечественные. В программе Multisim имеется комплект контрольно-измерительных приборов, по внешнему виду и характеристикам, приближенным к их промышленным аналогам.

На базе программы Multisim на кафедре «Электроника и информатика» «МАТИ» - РГТУ имени К.Э. Циолковского разработан лабораторный комплекс LabWorks. В состав комплекса входит описание лабораторных работ, включая цель работы, теоретические сведения, задания и указания к их выполнению, чертежи схем для исследования, тестовые задания, позволяющие проверить степень подготовки студента к выполнению лабораторной работы, электронная тетрадь студента - шаблоны отчетов по работе, электротехнический калькулятор. LabWorks обеспечивает проведение лабораторного практикума по электротехнике и электронике, как в компьютерных классах учебного заведения, так и дома на персональном компьютере. Использование этой среды позволяет студентам автоматизировать рутинные операции по оформлению отчетов по работам, больше внимания уделить анализу полученных данных и лучше подготовиться к защите работ за отведенное в учебной программе время.

Прежде чем приступить к моделированию в среде Multisim, 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, инструкции работы со средами LabWorks и Multisim. Перейти к экспериментов студент сможет только после прохождения тестового «контроля на допуск» к моделированию.[2]

Однако, не смотря на несомненные достоинства, использование сред подобных LabWorks имеет и определенные недостатки. Разработка подобной среды достаточно трудоемкий и длительный процесс, для разработки такой среды требуется привлечение специалистов, т.к. большинство преподавателей предметников не обладают необходимыми знаниями и опытом. Внесение изменений в саму среду, адаптация ее под требования учебного заведения также требуют затрат времени и привлечения специалистов.

Как показывает многолетний опыт использования программ Electronics Workbench и Multisim в преподавании учебных дисциплин «Электронная техника» и «Цифровая схемотехника» можно их эффективно использовать и без дополнительной программной оболочки. Методические указания для выполнения работ оформляются преподавателями учебных дисциплин с использованием текстового процессора (навыком работы с этим классом программ обладают практически все преподаватели), отчеты оформляются студентами на основе ими же подготовленных шаблонов. Программы Electronics Workbench и Multisim используются в роли мощных универсальных инструментов для проведения исследований и экспериментов.

При этом система получает большую гибкость, не требуется привлечение дополнительных специалистов к разработке и использованию комплекса в учебном процессе.

Еще одно достоинство программы Multisim в том, что она позволяет представить 3D модель собранной схемы на макетной плате.

В течение долгого времени компания National Instruments поддерживает и развивает партнерские отношения с ведущими мировыми инженерными школами и университетами, помогая внедрять и изучать высокие технологии, ставшие стандартом в промышленности и науке. Более 130 учебных заведений в России используют программное и аппаратное обеспечение NI в учебных и научно-исследовательских лабораториях.

Платформа NI ELVIS II (Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite, учебная лабораторная станция виртуальных приборов) является базовым решением для разработки и создания лабораторных практикумов и учебных лабораторий в ВУЗах и колледжах. Платформа NI ELVIS II представляет собой настольную лабораторную станцию для подключения к ПК.

Студенты проектируют аналоговые и цифровые схемы, моделируют прототипы систем и устройств в среде визуального моделирования электронных схем и компонентов MultiSim 10.1, затем собирают прототип на реальной платформе и тестируют при помощи приборов, входящих в состав ELVIS II. Тем самым они получают уникальную возможность пройти весь цикл создания изделия на единой платформе - учебной лаборатории Multisim (Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite) от таблицы истинности до принципиальной электрической схемы на интегральных схемах ведущих мировых производителей. [4], [5]

Рис. 1. Лабораторная станция NI ELVIS II с интерфейсом USB

Кроме программы Multisim при изучении учебной дисциплины «Микропроцессоры и микропроцессорные системы» целесообразно использовать для проведения лабораторных работ и курсового проектирования программу Proteus разработанную фирмой Labcenter Electronics.

Proteus — программа-симулятор микроконтроллерных устройств. Proteus совместим с огромным количеством цифровых и аналоговых моделей устройств. Профессиональный Proteus поддерживает такие типы микроконтроллеров: PIC ARM7/LPC2000, AVR, 8051, HC11 и многие другие популярные процессоры. Также Proteus работает с ассемблерами и компиляторами. Кроме этого программа Proteus способна качественно эмулировать собранную аналоговую или цифровую схему. Главное достоинство программы — удобные средства для написания и отладки программы управления микропроцессорной системой.

На рисунках 2 и 3 приведем копии экранов программ Multisim и Proteus со схемой однополупериодного диодного выпрямителя.

Рис. 2 Схема однополупериодного диодного выпрямителя в программе Multisim

Рис. 3 Схема однополупериодного диодного выпрямителя в программе Proteus

Обе программы позволяют выполнять сквозное проектирование электронных устройств: от разработки электрической принципиальной схемы до проектирования печатных плат. Программы позволяют увидеть спроектированное устройство в виде 3D модели. На рисунке 4 приведена 3D модель микропроцессорного блока, выполненная в программе Proteus. Программа Proteus позволяет «одним движением мышки» увидеть спроектированную плату как с установленными компонентами так и лишь посадочные места для этих компонентов (см. рис 5).

Рис. 4. 3D модель микропроцессорного блока выполненная в программе Proteus

Использование программы Proteus на 3 и 4 курсах становится идеальным инструментом при выполнении студентами курсовых проектов по учебным дисциплинам «Микропроцессоры и микропроцессорные системы» и «Конструирование, производство и эксплуатация средств вычислительной техники», позволяя студентам выполнить сквозную разработку микропроцессорной системы: на 3 курсе разработать электрическую схему, написать и отладить программу управления, а на 4 курсе разработать конструкцию печатного узла микропроцессорной системы.

Рис. 5 Печатная плата с установленными компонентами и печатная плата без компонентов

Таким образом, использование программ Multisim и Proteus при изучении общепрофессиональных и профессиональных дисциплин обеспечивает повышение качества и эффективности формирования профессиональных компетенций у студентов, позволяет в полной мере реализовать требования образовательных стандартов 3 поколения.

Литература:

1. Методические особенности разработки и применения в учебном процессе электронно-инновационных средств обучения. Автор: Шаройкина Л.П.

2. Марченко А.Л., Освальд С.В. Лабораторный практикум по электротехнике и электронике в среде Multisim. Учебное пособие для вузов.- М.: ДМК Пресс, 2010. -448 с.: ил.

3. Разработка виртуальной лаборатории по электротехнике в среде MULTISIM. Удаленный электронный ресурс: http://lab-centre.ru/mess233.htm

4. Платформа NI ELVIS II. Удаленный электронный ресурс: http://digital.ni.com/worldwide/russia.nsf/web/all/8D7356C1C18B541686257505003EE98F

5. XXXIII ГАГАРИНСКИЕ ЧТЕНИЯ. Научные труды Международной молодежной научной конференции в 8 томах. Москва, 7-10 апреля 2009 г. М.: МАТИ, 2009. Т.4, 270 с. Имитационное моделирование цифровых систем в среде Multisim Демчук Д.В.