CC BY
38
УДК 378: 004.5
С. Б. Беневоленский, А. Л. Марченко РАЗРАБОТКА
МУЛЬТИМЕДИЙНЫХ ОБУЧАЮЩИХ МОДЕЛЕЙ И ТЕСТОВ
Совершенствование электротехнической подготовки выпускников вузов в условиях уменьшенного объема часов на изучение дисциплины «Электротехника и электроника» является одной из наиболее актуальных и сложных проблем ее реализации.
Методическим советом по электротехнике Минобразования РФ рекомендовано кафедрам устанавливать для изучения разделы (темы) Примерной программы по общей электротехнике и электронике [1] с учетом требований к знаниям выпускников вуза, а также широко использовать системы моделирования и расчета цепей и устройств типа EWB, МЛТЬЛБ, LABVIEW и др. Однако без предварительной теоретической и практической подготовки по теории цепей студенты не смогут провести анализ получаемых результатов и синтезировать цепи и устройства по заданным выходным параметрам.
По нашему мнению, на первом этапе обучения нужны простые и наглядные мультимедийные модели цепей и устройств с тестовыми заданиями, позволяющие студентам активно участвовать в анализе и оценке происходящих в них процессов. При выполнении курсовых работ наряду с указанными системами (EWB, МА^АВ, LABVIEW и др.) необходимы специальные учебно-программные продукты, разрабатываемые кафедрами в соответствии с поставленными учебными целями, с вариантами заданий, указаниями к их выполнению, примерами расчета и синтеза устройств (четырехполюсников, фильтров, усилителей и др.). Мы рассматриваем такой комплект программ как введение к работе с промышленными системами схемотехнического моделирования электронных устройств.
Модели цепей, устройств и явлений, используемые нами при чтении лекций, выполнении лабораторно-практических и курсовых работ, контроле знаний, позволяют:
- повысить наглядность представляемого материала;
- поддерживать интерес студентов к изучению дисциплины;
- использовать их в любом месте и в любое время;
- закрепить умения и навыки, получаемые в процессе изучения дисциплины;
- обеспечить больший объем остаточных знаний по дисциплине.
Интуитивно представляется однозначная связь между рубежными и
остаточными знаниями студентов. Однако выразить ее количественно в зависимости от технологий и методов изучения дисциплины в настоящее время не представляется возможным. Отметим, что цель изучения дисциплины не в достижении заданного уровня знаний на этапе его завершения (что немаловажно), а в сохранении требуемого уровня, проверяемого при аттестации и аккредитации вуза.
Известно, что количество воспринимаемой информации увеличивается при активизации разных органов чувств. Например, если предъявлять одновременно визуальную и вербальную информацию, то процесс восприятия поднимется на совершенно новый, более высокий уровень, а знания станут более интегрированными. Кроме того, чем увлекательнее будет проходить процесс обучения, тем больший объем знаний буден усвоен студентами.
В докладе [2] на международной научно-методической конференции «НИТЭ-2000» изложена специфика дистанционного образования и описан разработанный на кафедре Web-сервер, на котором размещены учебные материалы по курсу «Основы теории цепей и сигналов». Рассматриваемый комплект обучающих моделей и тестов также размещен на этом сервере и записан на CD-диске.
Структурирование учебного материала дисциплины и размещение его на CD-диске или Web-сервере проводится, как правило, по видам занятий. Реже разрабатывается учебный курс в виде единого программного продукта: студенту на экран дисплея последовательно выводятся для изучения небольшие порции теоретического материала, совмещенные с упражнениями и задачами, задания и указания к выполнению виртуальной лабораторной работы, тестовые задания, текущие и итоговая оценки уровня усвоения этого фрагмента курса. В таком виде записаны разработанные на кафедре (в среде Macromedia Flash МХ) две темы: «Элементы и параметры цепей» и «Методы анализа цепей постоянного тока». При запуске программы генерируются все материалы, необходимые для изучения тем и выполнения заданий в интерактивном режиме. Фрагменты страниц представлены на рис. 1. Оценка (с комментарием) выполнения задания выводится на экран.
| 1. Элементы и параметры цепей
1.2. Пассивные элементы цепи и их характері»-
УПРАЖНЕНИЕ 1.3
ЗАДАНИЕ 1.6
Пассивные элементы цепи
Резистор
^0=0
Индуктивная
катушка
Пассивными называют элементы, которые неспособны генерировать электрическую энергию. К пассивным элементам относят:
- резисторы
- индуктивные катушки
Конденсатор - это идеализированный элемент цепи, предназначенный для использования его ёмкости С.
1.2.3. Кондені
емкости С.
о идеализирован»
Основной
параметр
конденсатора
ЁМКОСТЬ С
С = Q/uc Например: С= 0,1 Ф;
С = 30 мкФ; С = 5 нФ;
С =10пФ
КОНДЕНСАТОР
.,±{,c«w
(1-17)
Задание 1.5
Пользуясь графиком кулон-вол ьтн о и характеристики, найти ёмкость С, а также заряд 0 и наконленную энергию Же в конденсаторе, если напряжение ис на зажимах конденсатора «с = 400 В.
Заряд Q, Кл
Энергия
Wc, Дж
Рис. 1
Рис. 1
Чтобы сократить затраты учебного времени на изучение фазовых сдвигов между синусоидальными величинами в цепях однофазного и трехфазного тока, разработаны наглядные модели с заданиями для последовательного, параллельного и смешанного соединения элементов цепи (рис. 2).
Рис. 2
С учетом подобия треугольников сопротивлений, напряжений, мощностей цепи переменного тока при последовательном соединении, а также треугольников проводимостей, токов и мощностей при параллельном соединении элементов цепи, предложена универсальная модель (рис. 3), в которой вводятся значения резистивного, реактивного и полного сопротивлений (других параметров и величин) в соответствующие кружки, расположенные на сторонах треугольника, а также проверяется результат расчета фазового угла или коэффициента мощности (все векторы или отрезки треугольника смещаются по дуге за курсором мыши и фиксируются при щелчке мышью).
Важность изучения символического (с использованием комплексных чисел) метода расчета однофазных и трехфазных цепей переменного тока обусловила разработку и оформление в виде калькулятора трех моделей: «Комплексные числа и операции с ними», «Системы уравнений с вещественными и комплексными коэффициентами» (до 6-го порядка включительно) и «Трехфазные цепи».
При вводе комплексного числа и щелчке мышью на кнопке «Запомнить число» в правых окнах калькулятора одновременно выводятся вектор и осциллограмма (рис. 4). Аналогичные действия осуществляются при вводе второго числа. После выбора и выполнения операции сложения (вычитания и др.) двух и более чисел (векторов) координаты результирующего вектора на комплексной плоскости и сам вектор также выводятся на экран.
Рис. 3
^ Калькулятор - Калькулятор. в
Выберите режим работы калькулятора
Калькулятор ! Системы уравнений | Т рехфазные цепи |
^ Запомнить числа ~Х2: ' (ни г%щ;п щщятшшшшА )(4: и X 1 | п. і і [-Графики и диаграммы 1т / *4
. . . РІ [ е | 011 М 1 Алгебрарическая форма::"1-531538+]6,1 13091 Локазательная форма:*:*: 6,302023е(10^.065|) ^Варианты ввода: ,-г Углы измеряются в Вещественные числа:; | Градусах Г*. Радианах :-гДесятнчная дробь: -10.45678:г:г:г0быкновенная дробь: -10/458:-: І □ 1
на 10 Б степени -6: 5Е-б :: :;-:М
:>Алгебраричеокая Форма: а+|Ь ::>: >: Локазательная Форма: Мс(аі) щ/Ь
5 5 5 : :
Рис. 4
Интерфейс моделей трехфазных приемников, соединенных звездой (с нулевым проводом и без него) или треугольником, представлен на рис. 5.
Рис. 5
После ввода линейного напряжения и комплексов сопротивлений фаз нагрузки выполняется расчет и построение фазных напряжений, фазных и линейных токов. Предусмотрена возможность изменения масштаба векторов токов, а также моделирование режимов холостого хода и короткого замыкания фазы, где это допустимо.
Модель проверки результатов расчета и построения графиков переходных функций в линейных цепях первого порядка при их подключении к источнику постоянного напряжения представлена на рис. 6.
Форма переходного тока г I——ваш Форма переходного напряжения и
ШЗгкЫЛ
Рис. 6
После выбора формы переходного тока или напряжения и введения значений для экстремальных точек соответствующий график перемещает-
ся в правый верхний угол экрана. До щелчка мышью на кнопке «Далее» разрешена замена графиков.
Отметим, что обучающие модели, задания и методики работы с ними предлагают преподаватели, а реализуют их на компьютере (разрабатывают программное обеспечение и дизайн с использованием сред Маегоше-dia Flash MX, Builder C++, технологии DHTML и др.) студенты кафедры как в период изучения дисциплины (на втором и третьем курсах), так и при выполнении бакалаврских выпускных работ. Использование Flash-анимации при создании учебных моделей способствует лучшему восприятию представляемой информации и делает процесс обучения более привлекательным для студентов.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Примерная программа общеобразовательной дисциплины «Общая электротехника и электроника», рекомендованная Министерством образования РФ для направлений подготовки бакалавров 550000 «Технические науки» и направлений подготовки дипломированных специалистов 650000 «Техника и технологии». - М., 2000.
2. Марченко А. Л., Марченко Е. А., Змеев Д. Н. и др. Разработка дистанционного курса «Основы теории цепей и сигналов» // Новые информ. технологии в элек-тротехн. образовании: Сб. тр. междунар. науч.-метод. конф. - Астрахань: Изд-во ЦНТЭП, 2000. - С. 315-320.
