Виртуальный лабораторный практикум обеспечивает идентичность визуального восприятия информации на экране монитора по отношению к физической лабораторной установке. Средствами пакета LabVIEW обеспечивается широкий диапазон параметров элементов, разнообразие режимов работы исследуемых электрических цепей.

Обязательным элементом учебной дисциплины "Электротехника" является лабораторный практикум, предусмотренный государственным образовательным стандартом.

Выполнение лабораторных работ позволяет приобрести практические навыки электротехнического эксперимента, работы с электрооборудованием, определения электрических параметров и характеристик оборудования по результатам лабораторных испытаний. Теоретические занятия также сопровождаются демонстрационными экспериментами, что способствует глубокому пониманию учебного материала.

Однако проведение физических экспериментов и лабораторного практикума в электроустановке связано со сложностью и дороговизной современного лабораторного оборудования. В этой ситуации особое значение приобретает создание виртуальных лабораторных установок, которые удовлетворяют главному требованию: идентичности визуального восприятия по отношению к реальной физической лабораторной установке. Подобные виртуальные лабораторные практикумы эффективно реализуются средствами пакета графического программирования LabVIEW.

Виртуальный практикум может выполняться студентами как под руководством преподавателя, так и в рамках самостоятельной работы. Он также позволяет использовать его в качестве лекционных демонстраций, без громоздкости и материальных затрат.

Виртуальные эксперименты на компьютере существенно дешевле, чем эксперименты с реальными устройствами. Кроме того, они позволяют использовать более широкий диапазон элементов и их параметров, обеспечивают большее разнообразие режимов работы исследуемых устройств, вариантов индивидуальных заданий при выполнении учебного лабораторного практикума. Это создает условия для активизации работы студентов, повышения эффективности учебного процесса. Виртуальные лабораторные стенды позволяют выполнять работы на неограниченном количестве рабочих мест без дополнительных затрат на создание лабораторных установок.

Поэтому разработка и использование виртуальных лабораторных практикумов является актуальной задачей, решение которой способствует большей эффективности учебного процесса.

Кафедрой ЭЭТС УГТУ-УПИ разрабатывается и внедряется комплекс виртуального лабораторного практикума по курсу электротехники. Программы, (виртуальные лабораторные стенды) выполнены в среде графического программирования LabVIEW. Возможности этого пакета позволяют создавать на экране монитора образы электрооборудования, измерительных приборов, идентичные реальным физическим устройствам. Блок-схема и алгоритм работы виртуального лабораторного стенда моделирует поведение и процессы в реальных устройствах. В целом визуальное восприятие виртуальной лабораторной работы идентично восприятию реальной электроустановки с физическим оборудованием.

Например, виртуальная лабораторная панель «Электрические измерения в электрических цепях» показана на рис. 1.

Рис. 1

Рис. 2

Цель работы: ознакомление с электроизмерительными приборами и их характеристиками, приобретение навыков их подключения и проведения измерений, оценка возможных погрешностей измерений.

Лицевая панель имитирует панель реального стенда и содержит несколько вкладок, на каждой из которых предложен один из вариантов схемы электрической цепи с включенными в нее измерительными приборами. В том числе некоторые из вариантов содержат типичные ошибки, допускаемые студентами.

Выполняя работу, студент с помощью манипулятора «мышь» может включить источник электроэнергии, указав на выключатель, который при этом устанавливается во включенное состояние. С помощью мыши можно, поворачивая рукоятку регулятора на виртуальном стенде, установить желаемый режим работы электрической печи, которая является приемником электрической энергии. При этом обеспечивается визуальное восприятие работы устройства плавным изменением температуры печи. Оперируя только мышью, студент может выполнять все те же операции, что и на физическом лабораторном оборудовании.

Виртуальная лабораторная установка позволяет моделировать ситуации, недопустимые в реальном оборудовании, в частности аварийные режимы работы оборудования, без материального ущерба. Например на рис. 2 представлена лицевая панель с ошибочным включением амперметра к зажимам источника и недостаточным пределом измерения вольтметра. При этом на экране загорается мигающие транспоранты «Амперметр сгорел!» и «Переключите предел измерения прибора».

На рис. 3 показан виртуальный лабораторный стенд для исследования процессов в электрической цепи синусоидального тока. Лабораторная панель содержит все типы характерных элементов электрической цепи: регулируемый источник электрической энергии, индуктивную катушку с ферромагнитным сердечником, реостат, батарею конденсаторов. Параметры всех элементов могут быть разными в зависимости от номера варианта. Кроме того, эти параметры могут регулироваться в широких пределах. Это позволяет создавать и исследовать все возможные режимы работы электрической цепи.

Рис. 3

При этом не требуется владения пакетами специальных прикладных программ. Достаточно лишь элементарных практических навыков пользователя ПК.

Таким образом, основные требования, предъявляемые к студентам при выполнении виртуальной лабораторной работы, не отличаются от тех, которые предъявляются при работе в реальных электроустановках учебной лаборатории кафедры. При этом эффективность учебных занятий с использованием виртуального практикума может быть существенно выше.

Очевидно, виртуальная лаборатория не может полностью заменить реальную физическую установку. Тем не менее, при выполнении компьютерных лабораторных работ у учащихся формируются, определенные навыки, которые им необходимы и для постановки реальных физических экспериментов.

Комплексное использование в учебном процессе физического эксперимента и виртуального практикума в среде LabVIEW обеспечивает эффективное освоение студентами дисциплины "Электротехника".