Статья «Использование программ моделирования электронных схем для организации лабораторных работ в режиме дистанционного обучения»

Использование программ моделирования электронных схем для организации лабораторных работ в режиме дистанционного обучения.

Автор: Павлов Александр Викторович, преподаватель методической цикловой комиссии естественно-математических дисциплин. ГПОУ ЯО Угличский индустриально-педагогический колледж

Аннотация. В работе рассматриваются вопросы внедрения программ моделирования электронных схем в учебный процесс для организации лабораторных работ по физике и спецдисциплинам в дистанционном режиме.

В марте 2020 г. в России было принято решение о переводе образовательных учреждений на дистанционный формат работы в связи с необходимыми мерами по предотвращению распространения коронавирусной инфекции. С трудностями организации работы в удаленном режиме столкнулись все участники образовательного процесса. Для преподавателей, школьников и студентов экстренный перевод учебного процесса в дистанционную форму стал полной неожиданностью. Всем педагогическим работникам пришлось максимально быстро адаптироваться к новой форме обучения, осваивать новые технологии, корректировать программы и учебные планы. Учебным заведениям в срочном порядке пришлось внедрять учебные платформы для организации дистанционного обучения с помощью средств информационно-коммуникационных технологий.

В Угличском индустриально - педагогическом колледже применяется платформа Moodle. Платформа широко известна и для организации дистанционного обучения является, пожалуй, одной из лучших. Её успешно используют многие учебные заведения. Существует большое количество сайтов, где описываются возможности и принципы работы с ней, а также имеется дистанционная поддержка. Все преподаватели колледжа в срочном порядке прошли краткосрочные курсы по работе с Moodle. Из числа сотрудников колледжа наиболее хорошо освоивших работу с платформой были назначены консультанты и составлен график их работы, таким образом, чтобы в любое время можно было бы получить ответы на вопросы в случае каких либо трудностей.

Но, вместе с тем, есть целый ряд дисциплин, для которых перевод в дистанционный формат оказался наиболее болезненным.

Автор этой статьи работает в Угличском индустриально - педагогическом колледже преподавателем физики и спецдисциплин таких, как основы электротехники, прикладная электроника, цифровая схемотехника, изучаемых на специальности «Компьютерные системы и комплексы». Проблема в том, что учебными планами по данным дисциплинам предусматривается выполнение большого количества лабораторных работ.

Данные работы обычно проводились в специальной лаборатории, оснащенной специализированным оборудованием и стендами. В режиме дистанционного обучения все это стало недоступным. Выходом из данной ситуации явилось внедрение в учебный процесс виртуальных лабораторных работ с использованием программ компьютерного моделирования электронных схем.

В настоящее время имеется большое количество таких программ как платных, так и бесплатных. Наиболее известные это Proteus, Micro-Cap, Multisim, Qucs , TINA-TI, Electronic Workbench, LabVIEW, EasyEDA. (ссылка на  скачивание программ дана в конце статьи)

Проведя анализ имеющихся программ, были выбраны наиболее оптимальные по возможностям, простоте освоения, доступности.

Для работ по физике наиболее подходящей является программа - конструктор электронных схем «Начала электроники», которая представляет собой несложный симулятор для монтажа электрических схем и работы с измерительными приборами. Удобство его не только в наглядности, но и в том, что интерфейс на русском языке. Она позволяет смоделировать на макетной плате простые принципиальные схемы и выполнить необходимые измерения. Интерфейс выглядит следующим образом.

Рис 1. Интерфейс программы «Начала электроники»

Наверху кнопки управления: загрузить схему из файла, сохранить схему, очистить макетную плату, выбрать мультиметр, осциллограф, источник питания, показать параметры деталей, состояние деталей, справочник, (кратко изложены понятия об электричестве), инструкция по пользованию симулятором. Справа находиться панель с компонентами, доступными для монтажа. Сборка схемы производится на макетной плате путем переноса с помощью мыши нужных деталей на плату. Программа бесплатна, проста в освоении, имеет простой и понятный интерфейс. С помощью данной программы студенты 1 курса успешно выполнили следующие лабораторные работы из курса физики:

 Исследование сопротивлений проводников при параллельном и последовательном соединении.

Исследование сложных цепей постоянного электрического тока

ЭДС и внутреннее сопротивление источников постоянного тока. Закон Ома для полной цепи.

Мощность в цепи постоянного тока.

Элементы цепей переменного тока. Емкостное и индуктивное сопротивления, их зависимость от частоты переменного тока и параметров элементов.

Явление резонанса в цепи переменного тока 

Большим плюсом данной программы является наличие приложения с методическими указаниями по выполнению данных работ, содержащих теоретическую часть, инструкцию по сборке схемы и проведению измерений, контрольные вопросы.

Для организации виртуальных лабораторных работ по электротехнике и прикладной электронике, использовалась более продвинутая программа Electronics Workbench (EWB) – разработка канадской компании Interactive Image Technologies. В этой программе студент может собрать сложную электронную схему из нескольких сотен типов радиодеталей, по своему усмотрению изменять исходные параметры опытов, наблюдать, как изменяется в результате само явление, анализировать увиденное, делать соответствующие выводы.

Особенностью программы является наличие в ней контрольно-измерительных приборов, по внешнему виду, органам управления и характеристикам максимально приближенных к их промышленным аналогам, что способствует одновременно и приобретению практических навыков работы с наиболее распространенными приборами: мультиметром, осциллографом, измерительным генератором и др.

Рис 2. Интерфейс программы Electronics Workbench

При создании схемы Electronics Workbench позволяет:

 выбирать элементы и приборы из библиотек,

перемещать элементы и схемы в любое место рабочего поля,

поворачивать элементы и их группы на углы, кратные 90 градусам,

копировать, вставлять или удалять элементы, фрагменты схем,

изменять цвета проводников,

выделять цветом контура схем,

одновременно подключать несколько измерительных приборов и наблюдать их показания на экране монитора,

присваивать элементам условные обозначения,

изменять параметры элементов. 

Построив модель, можно убедиться в работоспособности электронной схемы, измерить основные параметры, подобрать подходящие электронные компоненты. Компьютерная модель дополняет и углубляет модель разработчика, порой избавляя от многочисленных экспериментов и сложных расчетов, позволяет обнаружить как грубые ошибки, так и некоторые нюансы. Так, например, если схема разработана с ошибками, при её монтаже и включении возможна неправильная работа устройства и даже выход из строя отдельных узлов. На этапе моделирования всего этого можно избежать.

Рис 3. Модель электронной схемы.

Для организации проведения лабораторных работ были разработаны методические указания по следующим темам, которые были выложены на онлайн платформе колледжа.

 Исследование полупроводникового диода.

Исследование биполярного транзистора.

Исследование однополупериодного выпрямителя

Исследование мостового выпрямителя

Исследование умножителей напряжения

Исследование LC и RC электронных фильтров.

Исследование мультивибратора.

Исследование генераторов прямоугольных и треугольных импульсов.

Исследование генератора синусоидального сигнала.

Исследование усилителя низкой частоты.

Перед началом выполнения работ со всеми группами проводились видеоконференции, где студенты получили указания об особенностях установки и работы программ моделирования, порядке выполнения и защиты лабораторных работ.

Через онлайн платформу каждый студент получил индивидуальные задания ко всем лабораторным работам и назначен график защиты, которая также проходила в режиме видеоконференции. Выполнение работ осуществлялось в свободном временном режиме.

На защите в течение 5-8 минут студент должен был продемонстрировать собранную схему, заполненную таблицу с результатами измерений и расчетами, оценить погрешности измерений, ответить на контрольные вопросы и сделать выводы по работе. По итогам защиты ставилась оценка.

В целом, организация лабораторных работ в виртуальном режиме с использованием программ моделирования электронных схем в условиях карантинных ограничений оказалась успешной. Студенты получили навыки сборки схем различной сложности, работы с измерительными приборами, познакомились с правилами представления полученных результатов и оценки погрешностей. Конечно, виртуальные лабораторные работы не могут полностью заменить реальный эксперимент. Необходимо научить школьников и студентов работать с реальными контрольно - измерительными приборами, собирать и настраивать схемы, пользоваться паяльником и другими электромонтажными инструментами. Поэтому после отмены карантина, со студентами были проведены несколько занятий, где они применили навыки, полученные в виртуальном режиме, к работе с реальным оборудованием.

Можно сделать вывод, что кризис, выведший учебный процесс в дистанционный режим, стал мотивом для пересмотра отношения к средствам и инструментам информационных технологий, поискам новых форм организации занятий, в том числе лабораторных работ, способствовал внедрению новых способов взаимодействия участников образовательного процесса.

Информационные источники

 Руководство по использованию виртуальной лаборатории Electronics Workbench. Методическое пособие /Сост. Королева О.В. – Комсомольск-на-Амуре: КГА ПОУ ГАССК МЦК, 2017. – 46 с.

Работа с Electronics Workbench [Электронный ресурс]:– URL: http://www.mini-soft.ru/document/rabota-s-electronics-workbench

Ссылка на бесплатное скачивание программ моделирования электронных схем [Электронный ресурс]:–URL: https://volt-index.ru/podelki-dlya-avto/programmyi-dlya-radiolyubiteley-2.html

Подробное руководство по работе с программой Electronics Workbench [Электронный ресурс]:– URL: http://www.bourabai.kz/toe/chapter16.htm