Особенности использования виртуaльнoй лaбoрaтoрии в учeбнoм прoцeссe вуза

УДК 004.94:378.662 (574.3)

, ,

Карагандинский государственный технический университет

ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВИРТУAЛЬНOЙ ЛAБOРAТOРИИ В УЧEБНOМ ПРOЦEССE ВУЗА

В статье рассмотрена необходимость создания виртуальной лаборатории и описаны ее особенности. Созданная лаборатория позволяет решить актуальные проблемы в исследовании электрических цепей в области связи. В статье так же описана практическая значимость лабораторий, продемонстрированы результаты определенных этапов исследования, проведен сравнительный анализ  преимуществ и особенностей лабораторий.

Ключевые слова: виртуальный лабораторный комплекс, методики преподавания, исследование в виртуальной лабораторий, компьютерное оборудование, моделирование, программа.

В настоящее время существуют современные тенденции развития учебного процесса, которые предполагают внедрения новейших компьютерных технологии в образовательную систему. Aктуaльнoй прoблeмoй нa сoврeмeннoм этaпe oбучeния являeтся – рaзрaбoткa мeтoдoв пoвышeния эффeктивнoсти учeбнoгo прoцeссa нa oснoвe сoздaния и внeдрeния виртуaльных лaбoрaтoрных кoмплeксoв. Сoздaниe виртуaльнoй лaбoрaтoрии нeoбхoдимo и с тoчки зрeния мoдeрнизaции учeбнoгo прoцeссa, oбнoвлeния спoсoбoв прeпoдaвaния и пoвышeния aктивнoсти oбрaтнoй связи мeжду прeпoдaвaтeлeм и студeнтaми. Мeтoдикa прeпoдaвaния при пoмoщи ВЛК пoлнoстью сooтвeтствуeт принципу нaгляднoсти oбучeния. Пo рeзультaтaм анализа дaннoгo мeтoдa интeрeс студeнтoв и их пoзнaвaтeльнaя aктивнoсть стимулируeтся пoстaнoвкoй нoвых вoпрoсoв, сoздaниeм всeвoзмoжных принципиaльных схeм, сaмoстoятeльным нaхoждeниeм oшибoк при выпoлнeнии рaбoты, aнaлизoм пoлучeнных рeзультaтoв. В итоге стимулируется появление виртуальных школ, виртуального обучения, способствующие формированию самостоятельной, творчески развитой личности, активно участвующей во всех сферах общественной жизни общества.

Для решения проблемы модернизации учебного процесса в первую очередь нужно понять необходимость внедрения виртуального лабораторного комплекса. Ведь виртуальный лабораторный комплекс это – аппаратно-программный комплекс, с помощью которого можно проводить опыты в исследуемой области без прямого контакта с реальной установкой или при полном его отсутствии. Поэтому в зависимости от того, с чем приходится работать пользователю, можно выделить два вида исследования в ВЛК:

1) Пользователь имеет дело с так называемой лабораторной установкой с удаленным доступом, в его состав входит реально существующая лаборатория средства коммуникации или аппаратно-программное обеспечение, необходимое для оцифровки полученных данных или для управления установкой.

2) Все процессы исследуемой области моделируются при помощи компьютера.

Наиболее распространенным видом исследования в ВЛК считается второй вид. Так как значимость создания виртуальной лабораторий в образовании возникла в связи с трудностями применения в большинство случаях реальных лабораторий[1]. Если сравнивать виртуальные и реальные лабораторий, можно выделить следующие преимущества виртуальных лабораторий:

Отсутствует необходимость приобретения (покупки) дорогого оборудования. В результате недостаточного финансирования в большинство лабораториях установлены старые оборудования, которые могут давать не точные результаты опытов или искажать их и служить потенциальным источником опасности для обучающихся. Помимо этого существуют области, где помимо оборудования необходимо закупать расходные материалы, цены на  которых достаточно высоки. Несмотря на то, что программное обеспечение и компьютерное оборудование также стоит недешево, их широкая распространенность и универсальность компьютерной техники компенсирует этот недостаток.  Широкая возможность моделирования процессов, протекание которых принципиально тяжело в лабораторных условиях. Безопасность. Безопасность является важным преимуществом использования виртуальных лабораторий в тех случаях, когда идет работа с высоковольтными устройствами. Подробная визуализация на компьютере. В настоящее время современные мощные компьютерные технологии позволяют увидеть и пронаблюдать процессы, которых трудно различить в реальных условиях без использования специализированной техники. Возможность наблюдения происходящего в другом масштабе времени и проникновения в тонкости процессов, протекающие в очень коротком (в долях секунды) или напротив протекающие в длительное время (длящихся в течение нескольких лет). Благодаря тому, что управление виртуальным процессом осуществляется через компьютер, появляется возможность проведения множества опытов с разными значениями входных параметров, необходимых для определения передаточной функции (зависимость выходных параметров от входных). Существуют работы, требующие последующей обработки больших массивов полученных цифровых данных, выполняемые на компьютере после проведения серии экспериментов. Уязвимым местом в текущей последовательности действии при использовании реальной лаборатории является введение полученных результатов в компьютер. Данная процедура отсутствует в виртуальной лаборатории, так как полученные данные могут заносится непосредственно при выполнении опытов или автоматически. Соответственно экономится время исследования и уменьшается количество возможных ошибок. Важным и отдельным преимуществом является возможность использования виртуального лабораторного комплекса в дистанционном обучении, когда отсутствует возможность работы в лабораториях университета.

Многие вышеперечисленные преимущества свойственны и лабораторным установкам с удаленным доступом. На кафедре «Технологии и системы связи» КарГТУ созданный ВЛК по курсу «Теория электрической связи» позволяет получить быстрые результаты на любом этапе исследования, что значительно экономит время и увеличивает количество экспериментов. В качестве примера был исследован высокочастотный фильтр Чебышева 2 рода 5 порядка, с частотным диапазоном от 2 ГГц до 10 ГГц (СВЧ диапазон), с полосой пропускания 4 ГГц и были получены следующие результаты:

Рисунок 1 – Передаточная функция высокочастотного фильтра Чебышева 2 рода 5 порядка

Рисунок 2 – Временная характеристика высокочастотного фильтра Чебышева 2 рода 5 порядка

Рисунок 3 – Частотная характеристика высокочастотного фильтра Чебышева 2 рода 5 порядка

Рисунок 4 – Принципиальная схема высокочастотного фильтра Чебышева 2 рода 5 порядка

К сожалению, на данный момент количество существующих ВЛК, применяемые в учебном процессе, довольно мало, так как существуют определенные затраты на их разработку. Эти затраты связаны с тем, что для разработки виртуальных лаборатории, многие обращаются к дизайнерам, профессиональным программистам и специалистам. Дорогие затраты на  виртуальные лаборатории, разработанные специалистами, мешают распространению ВЛК. Соответственно, не большие возможности распространения создают малые стимулы производства ВЛК. Созданные непрофессиональными программистами виртуальные лаборатории, могут привести к удовлетворительным результатам лишь при исследовании узкого класса явлений. Такие лабораторные комплексы широко распространяются в связи с невысокой стоимостью и практическим отсутствием альтернатив. Но и у таких ВЛК имеются некоторые недостатки. Главным недостатком такого ВЛК является отсутствие непосредственное контакта с приборами, аппаратурой и объектом исследования. Опыт работы с аппаратурой и реальными приборами необходим, поэтому правильным решением является сочетание использования виртуальных и реальных лабораторий в учебном процессе, учитывая присущие им недостатки и достоинства. Например, при работе с объектами, которые несут опасность, следует на начальных этапах использовать именно ВЛК, позже после получения необходимых навыков и составления конкретного плана работы перейти к работе с реальными объектами. Такая процедура действий и продуманное сочетание применения виртуальных и реальных лабораторий позволит обеспечить максимальную эффективность учебного процесса в сочетании с наименьшими финансовыми затратами[2].

Исследование при помощи виртуальной лаборатории выделяет два вида значимости исследовательской работы: теоретическая и практическая. К теоретической значимости исследования относится:

Дается уточненное определение к термину «виртуальная лаборатория», в котором понимается информационный источник усложненной структуры, который содержит средства и инструменты для продуктивной учебной деятельности преподавателя и студента. Формулируются принципы построения ВЛК – моделирование, интерактивность, обеспечение логических выводов, соответствие компонентов дисциплины. Определяются дидактические задачи, которые решаются средствами ВЛК на взаимосвязанных ступенях формирования компетенции дисциплины: контроль в процессе решения задач, диагностика, организация самостоятельной деятельности студентов, сопуствующих повторения. Формулируются требования к отбору содержания ВЛК (вариативность, актуализация способов кодирования информации, полнота, целостность, дифференциация, однотипность)[3].

После того, как теоретические результаты доводятся до уровня практического применения, выявляются следующие практические значимости исследования:

Формируется комплекс задач по исследуемой области, которые группируются на две категории: 1) задачи, предназначенные на формирование умений формализировать задачу; 2) задачи с практическим содержанием, необходимые для применения полученных умений и знаний в комплексе; Реализуется и внедряется в учебный процесс программный продукт «Виртуальный лабораторный комплекс по курсу «Теория электрической связи»», предназначенный для формирования дисциплинарной компетенции студентов специальности «Радиотехника, электроника и телекоммуникации». Разработка методических указаний и рекомендаций для преподавателей и студентов по использованию и исследованию в виртуальном лабораторном комплексе.

Литература

1.. «Об использовании виртуальных лабораторий в образовании» // Открытое и дистанционное образование. – 2002. – No 4 (8)

2. , . Разработка методов построения виртуальных лабораторных комплексов. – Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2012. – 6 с.

3. Паршукова, лаборатория как средство реализации межпредметных связей информатики и геометрии [Текст] / // Информатизация образования – 2008: материалы Международной научно-методической конференции, Славянск-на-Кубани, 27-30 мая 2008 г. / Славянский-на-Кубани гос. пед. ин-т. – Славянск-на-Кубани: Изд-во СГПИ, 2008. – С. 372-374.

Резюме

, ,

Виртуалды зертхананың жоғары оқу орындағы оқу процессінде қолдану ерекшеліктері

Мақалада виртуалды зертхананы құру қажеттілігі мен оның ерекшеліктері сипатталған. Құрылған зертханада байланыста қолданылатын электрлік тізбектерді зерттеу кезінде пайда болатын мәселелерді шешуге болады. Мақалада зертхананың практикалық маңыздылығы жазылған, зерттеудің белгілі бір кезеңдегі нәтижелері көрсетілген, зертхана ерекшеліктерінің салыстырмалы анализі жүргізілген.

G. G.Tatkeeva, A. D.Mekhtiev, V. V.Yugay, N. B. Kaliaskarov,

U. S.Еsenzholov

Features of use the virtual laboratory in educational process of higher education institution

In article considered the need of virtual laboratories's creation and described its features. The created laboratory allows to solve actual problems in research of electric chains in the field of communication. In article the practical importance of laboratories is also described, results of certain investigation phases are shown, the comparative analysis of advantages and features of laboratories are carried out.