Е.17.О. Виртуальные модели в лабораторном практикуме

Е.17.О. ВИРТУАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ В ЛАБОРАТОРНОМ ПРАКТИКУМЕ

,

Московский инженерно-физический институт (государственный университет), Каширское ш. Дом -19, *****@***ru.

Лабораторные работы – один из самых эффективных методов закрепления теоретических знаний и обучения практическим навыкам. Качественное образование требует поддержания должного уровня технической оснащенности учебных лабораторий, в частности, предполагается полная или частичная автоматизация приборов и систем. В настоящей статье описывается опыт использования открывающихся при этом возможностей организации учебного процесса.

При проведении лабораторных работ основной проблемой, с которой сталкиваются и преподаватели и студенты – нехватка времени для их проведения. Это стало особенно заметно с внедрением новых стандартов образования, которые подчас не учитывают, что имеющаяся база не используется полностью в связи с недостаточным количеством часов лабораторного курса. Таким образом, становится актуальной задача интенсификации обучения с использованием современных информационных технологий.

В выполнении лабораторных работ можно выделить несколько этапов:

Теоретическая подготовка Практическая подготовка; Выполнение лабораторной работы; Обработка и оформление результатов;

При внимательном рассмотрении каждого из этапов можно заметить, что большая часть времени у студентов уходит на подготовку, а также на обработку и оформление результатов лабораторной работы. Для самого эксперимента остаётся мало времени, хотя именно овладение практическими навыками работы с физическими приборами и является целью лабораторного курса. При этом основной проблемой студентов при выполнении практических работ является нехватка времени на освоение аппаратуры. Предполагалось, что возможность удалённого взаимодействия позволит решить эту проблему за счёт дистанционного выполнения, не требующего присутствия студента в лаборатории. На сегодняшний день подобный подход к организации лабораторных работ является весьма популярным и широко используемым. Однако при данном подходе возникают задачи иного характера: организация постоянного свободного доступа студентов к ресурсам, позволяющим удалённо выполнять лабораторные работы; дополнительный персонал, который осуществлял бы контроль за работоспособностью установок во внеучебное время, а также проблемы механизации работ.

В результате мы видим, что применение метода удалённого эксперимента в рамках решаемых задач не является оптимальным.

Более эффективным представляется использование виртуальных моделей систем для самостоятельной подготовки студентов к лабораторным работам. Модель в данном случае представляет собой сложную модульную структуру, включающую в себя математическую модель самой системы, модели устройств (генератор, детекторы…), с помощью которых проводятся измерения на практике, обладающие всеми присущими им характеристиками.

Как и в случае с реальной установкой, в результате работы с моделью создаётся файл с данными для дальнейшего анализа студентом.

Поскольку при выполнении лабораторных работ огромная часть времени уходит на понимание того, как работать с установкой, то, загрузив модель, студент имеет возможность заранее подготовиться, освоив оборудование, изучив его работу в различных режимах. Он получает возможность на практике проверить свои знания. Результирующий файл данных также способствует подготовке, так как студент имеет возможность предварительно освоить работу по анализу полученных данных

На рисунке [1] представлена структурная схема лабораторной работы.

Рис. 1. Структурная схема лабораторной работы.

Используя технологию виртуальных инструментов, у нас есть возможность полностью воспроизвести интерфейс реального прибора в виде виртуальной модели, сохраняя все его функциональные возможности.

Студенту даётся программа, которую он запускает на своём компьютере, в результате чего может приобрести практические навыки работы с приборами. Это приводит к значительной экономии времени на практических занятиях. Более того, при разработке эмулятора используются модели устройств, работающие по тем же принципам, что и реальные (амплитудно-фазовые детекторы, фильтры...) Их параметры и принцип работы можно легко изменять, наблюдая, как это отражается на результатах измерений. Возможно даже самостоятельное проектирование подобных компонент студентами в качестве самостоятельных работ по соответствующим курсам.

В результате использования виртуальных моделей мы получаем следующие основные возможности:

·  Качественная подготовка студентов к выполнению лабораторных работ и работе с аппаратурой

·  Возможность углублённого изучения студентами явлений в измерительных системах при проектировании моделей систем и приборов.

·  Возможность подготовки студентов по соответствующим курсам, решая реальные, а не абстрактные задачи.

В качестве примера, представлена модель лабораторной работы по контролю однородности материала тонкостенной трубы. Данная модель позволяет ознакомиться с импедансным акустическим методом неразрушающего контроля и его применением для контроля однородности материала оболочек твэлов ядерных реакторов, а также получением данных о качестве изготовления оболочек твэлов.

Интерфейс программы модели полностью копирует интерфейс програмы автоматизированной лабораторной работы и проиллюстрирован на рисунке [2].

Рис. 2. Интерфейс пользователя.

Интерфейс пользователя состоит из двух частей:

·  Органы регулирования;

·  Средства отображения.

К средствам отображения относятся графики. На графиках отображается амплитудочастотная и фазочастотная характеристики исследуемого объекта.

Органы регулирования используются как для управления моделью, так и для управления реальной измерительной системой.

Модель имеет модульную структуру, включающую в себя математическую модель самой системы, модели устройств (генератор, детекторы…), с помощью которых проводятся измерения на практике, обладающие всеми присущими им характеристиками.

Структурная схема обработки сигнала представлена на рисунке [3].

Рис. 3. Структурная схема обработки сигнала.

Проведённая работа показала перспективность предложенной методики для повышения эффективности обучения студентов и дальнейшей работы в этом направлении