Изложена концепция и реализация виртуальной лаборатории по электротехнике в среде Multisim с формированием электронных отчетов.

Нераспространенность дистанционного инженерного образования в мире объясняется трудностями в организации полноценных лабораторных практикумов как по общепрофессиональным, так и по специальным дисциплинам, а также необходимостью прохождения технологических и преддипломной практик на профильных предприятиях. Традиционно считается, что лабораторные работы по физике, электротехнике, электронике и другим техническим дисциплинам должны быть выполнены только на натурных стендах, а проведение лабораторных работ на моделях электротехнических устройств в программных средах моделирования привнесет только пренебрежение выпускников к подготовке и проведению натурных экспериментов. К тому же замечено, что у многих студентов виртуальные работы вызывают психологическое ощущение нереальности проводимого эксперимента.

В разрабатываемых ГОС ВПО 3-го поколения также подчеркивается необходимость приобретения студентами профессиональных умений и навыков и знание средств (современных измерительных комплексов, аппаратуры исследований и промышленного оборудования), с помощью которых они достигаются. Несмотря на это, электротехнические кафедры вузов, учитывая состояние лабораторного оборудования и исходя из специфики направлений подготовки специалистов, все шире внедряют компьютерные лабораторные работы в различных средах схемотехнического моделирования, в том числе при дистанционном обучении.

Многолетней практикой доказано, что процесс познания электротехники неразрывно связан как с теоретическим осмыслением явлений и процессов, имеющих место в электронных устройствах, так и с экспериментальными исследованиями схем цепей и устройств и их компьютерных моделей в лабораториях. Отметим, что выполнение лабораторных работ на компьютере дает ощутимый эффект, если работы носят исследовательский характер или их выполнение на натурных стендах затруднено или невозможно.

Существует большое число программ моделирования и анализа схем электрических цепей и устройств: Matlab, LabVIEW и др. Однако среды моделирования являются лицензионными разработками и их тиражирование и распространение запрещено. К тому же большинство сред моделирования не являются учебными, выполнены на английском языке и требуют серьезной предварительной подготовки пользователя. В связи с этим кафедры разрабатывают собственные учебные компьютерные программы и оболочки, в которых вставлены дидактические материалы, необходимые для изучения разделов дисциплины. Наметившаяся тенденция сочетания физического и вычислительного экспериментов - разработка недорогих плат с функциональными узлами электротехники и электроники, подключаемыми к персональному компьютеру, и использование звуковой карты, содержащей АЦП и ЦАП, для измерения и преобразования сигналов, на наш взгляд, имеет перспективу на широкое распространение. Разработка же лабораторий с удаленным доступом к экспериментальным установкам и полномасштабное (а не мгновенное снятие и пересылка данных) проведение работ в онлайновом режиме с доступной оплатой - дело будущего.

Чтобы создать виртуальную лабораторию, необходимо выработать ее концепцию и разработать функциональную модель. 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.

Рис. 1. Декомпозиция контекстной модели

При ее разработке мы руководствовались следующими концептуальными положениями:

исследования, проводимые в виртуальной лаборатории, должны разносторонне дополнять эксперименты, выполняемые на натурных стендах;

- время на подготовку, выполнение лабораторной работы в виртуальной лаборатории и на оформление отчета должно быть сокращено за счет автоматизации процессов, непосредственно не относящихся к работе;

- планировать выполнение в семестре на 2-3 работы больше их количества, предусмотренного для их выполнения на натурных стендах, что должно привести к более глубокому изучению электромагнитных процессов, протекающих в различных электротехнических цепях и устройствах;

- предусмотреть работы, реализация которых на натурных стендах затруднена или невозможна;

- индивидуализация выполнения работ студентами за счет изменения топологии схем цепей или параметров ее элементов;

- выполнять работы студент может в удобное для него время и в любом месте, где есть PC-совместимый компьютер с использованием выданного ему кафедрой компакт-диска;

- студент должен имеет возможность связываться с преподавателем, например, по электронной почте для получения консультаций и отправки в вуз электронных отчетов.

На основе процессного подхода и анализа диаграмм «как-было» и «как-будет» нами разработана функциональная модель проведения лабораторного практикума по электротехнике (рис. 1) и архитектура виртуальной лаборатории LabWorks [1, 2], включающая подсистемы администрирования, теоретической подготовки студента, контроля за ходом выполнения работ и др (рис. 2 и рис. 3). Функциональная модель позволяет четко определить этапы выполнения лабораторной работы, а так же роль в этих этапах студента и преподавателя. Функциональная модель разработана с помощью пакета BPwin в нотации SADT (IDEF0).

Разработка виртуальной лаборатории велась на основе архитектуры клиент-сервер, которую можно определить как децентрализованную архитектуру, позволяющую конечным пользователям получать гарантированный доступ к информации в разнородной аппаратной среде. Приложения архитектуры клиент-сервер сочетают пользовательский графический интерфейс клиента с базой данных, расположенной на сервере. В качестве операционной среды для функционирования серверной и клиентской частей была выбрана платформа Microsoft Windows. Реализация клиентского приложения виртуальной лаборатории осуществлялась в среде C++ Builder 6, в качестве сервера баз данных была выбрана система управления MySQL, а в качестве интерфейса доступа к базам данных - драйвер ODBC. Разработка шаблонов отчетов и макетов дидактических материалов в стандарте HTML проводилась в среде Macromedia Dreamweaver MX.

Перед студентами 2-го или 3-го курса втузов, на которых изучается дисциплина «Электротехника и электроника» в ограниченном объеме (120-250

часов), ставятся следующие задачи:

- научиться собирать схемы с подключением к ним измерительных приборов и источников энергии;

- задавать параметры элементов схемы (источников входных воздействий и пассивных элементов или функциональных блоков) в соответствии с выданным преподавателем вариантом задания;

- устанавливать режим работы на панелях измерительных приборов, чтобы получить результаты в привычной для него форме;

- с помощью компьютера или вручную построить графики и диаграммы и провести анализ полученных результатов.

Рис. 3. Оконная структура программы подготовки к проведению экспериментов

Для реализации этих задач нами выбрана система схемотехнического моделирования и анализа Multisim компании Electronics Workbench (Канада). Адаптация студента к основным операциям занимает не более 30 мин. В помощь студентам составлена краткая инструкция пользователя.

При этом разработанные нами 30 схем электрических цепей в среде моделирования Multisim 8, предоставленной нам корпорацией National Instruments, прошли тестирование в компании Electronics Workbench и записаны ею на мастер-диске вместе с демо-версией Multisim 8 Student Demo. Нам разрешено распространять материалы мастер-диска в пределах России вместе с написанными учебными пособиями.

Пример моделирования трехфазной цепи в среде Multisim 8 приведен на рис. 4

Отметим, что несмотря на возможности программы Multisim:

- использовать модели идеальных источников напряжения (ИН) и тока (ИТ), трансформаторов, вентилей и других элементов и приборов;

- устанавливать нестандартные параметры пассивных элементов (существенно меньше или существенно больше параметров других элементов);

- выбирать нестандартные функции источников энергии (быстро изменяющиеся (скачкообразно) в окрестности некоторых точек);

- собирать схемы электрических цепей с топологическими вырождениями (контуров с идеальными ИН и ветвями с нулевыми сопротивлениями, разрезы схем с идеальными ИТ и ветвями с нулевыми проводимостями), необходимо учитывать ограничения программы и возможности ЭВМ, и обращать внимание на корректность поставленной задачи исследования. Корректной будем называть задачу, решение которой, во-первых, существует, во-вторых, единственно, в-третьих, устойчиво, т. е. непрерывно зависит от исходных данных. Если в схеме замещения имеются нестандартные контуры и разрезы, для которых не выполняются законы Кирхгофа, то решение для ее уравнений не существует.

В созданной нами виртуальной лаборатории по электротехнике реа лизовано 20 лабораторных работ в среде Multisim, в соответствии с перечнем лабораторно-практических занятий примерной программы общепрофессиональной дисциплины вузов "Общая электротехника и электроника", рекомендованной Минобрнауки Российской Федерации для неэлектротехнических направлений подготовки бакалавров 550000 - технические науки) и для неэлектротехнических направлений подготовки дипломированных специалистов 650000 - техника и технология.

Как отмечалось, структура виртуального лабораторного комплекса по электротехнике LabWorks состоит из четырех подсистем (уровней) (рис. 1).

1. Подсистема теоретической подготовки.

Рис. 4. Пример моделирования трехфазной цепи в среде Multisim 8

Назначение подсистемы - предоставление студенту дидактических материалов к работам, структурированных по разделам (цель работы, основные теоретические сведения, порядок выполнения работы, пример выполнения работы), каждый из которых выводится в отдельном окне многооконного интерфейса программы. Управление окнами осуществляется из главного меню Labworks (Разделы "Лабораторная работа" и "Окна") или кнопками панели инструментов (см. Рис. 3, Вверху).

2. Электронная тетрадь студента.

Электронная тетрадь студента (см. рис. 4 и рис. 5) представляет собой окно, открывающееся поверх среды моделирования, в котором отображаются задания на работу с текстовыми полями для ввода данных эксперимента. Студент может также вставлять в тетрадь схемы цепей, осциллограммы, рисунки и графики как из файлов типа Windows Bitmap (bmp) или JPEG (jpg), так и непосредственно из буфера обмена. В электронной тетради предусмотрен ряд инструментов, повышающих производительность работы: установка режима «Поверх всех окон»; изменение прозрачности окна; быстрое переключение между окном электронной тетради и главным окном LabWorks.

После нажатия кнопки «Сохранить» данные эксперимента и рисунки сохраняются в базе данных. Вызвать электронную тетрадь можно из учетной записи "Студент".

3. Подсистема тестирования.

Рис 5. Фрагмент электронной тетради студента

Рис. 6. Пример тестового задания

После изучения справочных материалов студент дожен пройти тест на допуск к работе (рис. 6).

4. Подсистема управления работами (рис. 7).

Её назначение - управление отчетами лабораторных работ в режиме "Студент": календарь выполнения работ, отправка на проверку преподавателю отчета о работе; просмотр комментариев преподавателя и выставленной оценки; составление вопросов по работе для отправки преподавателю; просмотр шаблона отчета и его экспорт в MS Word; повторная отправка отчета по электронной почте преподавателю; сохранение отчета в базе данных; просмотр ограничений на порядок работ и т. п.

5. Подсистема контроля успеваемости (рис. 8).

Данная подсистема предназначена для контроля преподавателем хода выполнения работ каждым студентов группы, потоков (заполнение календаря выполнения работ, просмотр отчетов по выполненным работам, выставление оценок, просмотр вопросов студентов и составление ответов и комментариев к работам, а также установка ограничений на последовательность выполнения работ, формирование ведомостей учебных групп). Форма подсистемы контроля успеваемости тематически разделена на четыре страницы, навигация между которыми осуществляется кнопками "Вперед" и "Назад" (исключение составляет страница "Порядок выполнения работ").

Проверка знаний студентов, как выполнивших работы в бригаде на натурных стендах, так и выполнивших их индивидуально в виртуальной лаборатории в компьютерном классе, подтвердила общеизвестный факт, что уровень усвоения материала зависит от личной заинтересованности студента, его мотивации к изучению дисциплины. Замечено яркое проявление такого важного компонента обучения студентов - как обучение «наравне», вызванного индивидуализацией выполнения работ. Студенты подгруппы активно общаются между собой, уточняя аспекты настройки приборов, методы обработки полученных данных, процедуры оформления электронных отчетов и т. п.

Опробование лабораторного комплекса LabWorks для дистанционного обучения проводилось с участием студентов г. Москвы, пропустившим по разным причинам лабораторные занятия. Выявлены отдельные недоработки в подпрограмме связи со студентами. Однако сам процесс выполнения работ дома, оформление и отправка на сервер кафедры электронных отчетов не вызвали затруднений. Планируется дальнейшая отработка версии программного комплекса LabWorks с участием групп студентов МАТИ дистанционной формы обучения.

Выводы

1. Выработана концепция и разработано программное обеспечение виртуальной лаборатории по электротехнике как для работы в локальной сети (в компьютерном классе), так и для студентов, обучающихся на расстоянии.

2. Моделирование и расчет схем цепей и устройств выполняется в среде Multisim 8 с формированием электронных отчетов.

3. Лабораторный комплекс апробирован и внедрен в учебный процесс МАТИ.

Литература

1. Беневоленский С. Б., Марченко А. Л., Освальд С. В. Компьютерный лабораторный практикум по электротехнике. - М.: МАТИ, 2006 г., 170с в комплекте с компакт-диском для работы в классе (300 МБ), сетевой вариант (500 МБ).

2. Беневоленский С. Б., Марченко А. Л., Освальд С. В. Программный комплекс LabWorks. Свид. о регистрации в ОФАП №5876 от 20.03.2006 г. Номер гос. регистрации в ВНТИЦ ФАПО №50200600397 от 22.03.2006 г.