К.т.н. Голобородько Е.И.
Ульяновский государственный технический университет, Российская Федерация
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
Одной из составных частей учебного процесса при изучении технических дисциплин является выполнение лабораторных работ. Не секрет, что оборудовать и содержать учебные лаборатории становится все сложнее. Повинны в этом и цены на современные приборы и стремление уменьшить штат обслуживающий эти лаборатории. Помимо цен на сами приборы влияет и рост стоимости починки этих приборов. В отличие от приборов, использовавшихся ранее и собранных на дискретных элементах, где можно было сравнительно легко заменить отдельную деталь, сейчас надо, как минимум, заменять целый блок, модуль. Да и специалиста по ремонту при лаборатории держать не всегда рационально, а отдавать на сторону для ремонта дорого. Эти же трудности возникают при постановке новых лабораторных работ. Не всегда удается найти учебного мастера, обладающего нужными знаниями и навыками, а тем более включить его в штат лаборатории.
Нынешнее состояние науки, методики, технических возможностей, выпускаемой ныне техники, позволяет даже кафедрам иметь по несколько компьютерных классов. Техническое облуживание этих классов обычно организуется в вузе, а то и на факультете центральными лабораториями. Не всегда эти классы загружены на полный рабочий (учебный) день, что при быстром моральном старении вычислительной техники особенно экономически ущербно. При сложившейся ситуации во многих случаях рациональнее проводить лабораторные работы по исследованию устройств и явлений на программных моделях в компьютерных классах. При современном массовом производстве программных продуктов и приложений несложно найти на рынке необходимые программы для учебных исследований, покрывающие потребности в проведении лабораторных циклов по исследованию поведения различных электрических цепей на постоянном и переменном токе по электротехнике, а также исследованию элементов и устройств по электронике. Использование их вполне оправдано в лабораторных циклах достаточно серьезных курсов, с соответствующими объемами часов, выделенными на их проведение, где можно затратить на овладение этим приложением одну – две пары, чтобы затем, вполне, со знанием дела студент мог собирать на экране схемы электрических цепей и исследовать поведение их в любых режимах.
Однако есть курсы, в которых на лабораторные работы по электротехнике вместе с электроникой выделено 8-10 часов. В таких жестких временных рамках нельзя себе позволить 2-4 часа потратить на изучение инструмента, с помощью которого потом проводить изучение материала самой учебной дисциплины (т.е. исследование объектов электротехники и электроники) оставшиеся 4-6 часов.
Студенту такой специальности требуется подать для исследования материал в методически продуманной преподавателем форме, так чтобы его не отвлекали раздумья о том, как использовать те или иные возможности программы, обслуживающей модель эксперимента.
Приведу в качестве примера модель лабораторной работы: «Исследование трехфазной цепи при соединении звезда-звезда», разработанной и использующейся в курсах некоторых специальностей в Ульяновском государственном техническом университете.
На рабочей панели компьютера имеется иконка с названием SinLab , с помощью которой студент вызывает меню лаборатории синусоидальных токов. Из этого меню клавишей с соответствующей надписью запускается лабораторная работа «Исследование трехфазной цепи. Звезда». На экране появляется схема цепи с включенными измерительными приборами: вольтметрами, амперметрами, ваттметрами. Справа от нее 4 окна для ввода исходных данных: фазное напряжение и три сопротивления нагрузки, в фазах A , B , C . Сопротивления нагрузки фаз могут быть комплексными и вводятся в алгебраической форме. После нажатия клавиши «эксперимент» появляется таблица «снятых экспериментальных данных». Таблица состоит из семи строк соответствующих экспериментам с равномерной нагрузкой, неравномерной нагрузкой, обрывом линейного провода и с коротким замыканием фазы А. Исследование первых трех режимов проводится с нейтральным проводом и без него. Последний, естественно, только без нейтрали.
Выделив мышью одну из строк таблицы, студент видит на экране изменение схемы, соответствующее данному режиму. Например, при обрыве провода размыкается предусмотренный для этого случая рубильник, а при коротком замыкании фазы А замыкается рубильник, включенный параллельно фазной нагрузке Za . На схеме в окнах измерительных приборов появляются числа, соответствующие токам, напряжениям и мощностям, измеренным этими приборами. В изображении измерительных приборов на схемах ради этого пришлось пойти на некоторые отступления от изображений приборов по ГОСТу. Таким образом, студент имеет возможность вникнуть в происходящее в цепи при соответствующем режиме и в том, чем отличается конфигурация цепи при данном режиме от остальных.
Как использовать затем эти данные в домашней работе студента над составлением отчета по лабораторной работе дело преподавателя, выдающего это задание. Задаст ли он построить векторные диаграммы для каждого режима, или проверку правильности измерения мощности двумя ваттметрами с нейтралью и без нее.
За одну пару студенты успевают набрать данные к семи упомянутым режимам соединения звезда-звезда, к четырем режимам соединения нагрузки треугольником (равномерная нагрузка, неравномерная нагрузка, обрыв фазы и обрыв линейного провода). Кроме того, успевают проверить работу простейшего определителя последовательности фаз, состоящего из двух одинаковых резисторов и конденсатора с таким же по модулю реактивным сопротивлением. Такой объем информации студент никогда не успеет набрать за одну пару при натурном эксперименте.
Конечно, речь не идет об использовании моделей вместо натурного эксперимента для студентов электротехнических специальностей, для которых важно получить навыки сборки своими руками электрических цепей по предложенным схемам, без чего выпускник вообще не может считаться специалистом.
Для разработки таких программ-моделей не обязательно привлекать программистов-специалистов высокого класса. Алгоритмы получения экспериментальных данных расчетным путем во многих случаях достаточно просты и вполне могут быть заданы в качестве семестровой расчетно-графической работы студентам младших курсов, например, специальности «Вычислительные машины, комплексы, системы», изучающим электротехнику и электронику на втором курсе. Если алгоритм более сложный, или надо приложить достаточное усилие для оформления дизайна и интерфейса, соответствующих замыслом преподавателя - методиста, имеет смысл привлечь студентов по линии учебно-исследовательской научной работы. Во всяком случае, автору этих строк никогда не представляло сложности найти такого заинтересованного студента-энтузиаста, желающего попробовать свои силы в создании программного продукта, представляющего практическую пользу для ВУЗа.