Реализация лабораторного практикума с использованием информационно-коммуникационных технологий при подготовке бакалавров в области электроэнергетики и электротехники

Новые формы обмена информацией, основанные на применении информационно-коммуникационных технологий (ИКТ), находят все более широкое применение в образовании. Растет число учебных заведений, предлагающих различные образовательные услуги, доступные по компьютерным сетям. Обязательным компонентом подготовки бакалавров в области электроэнергетики и электротехники при изучении базовой части профессионального цикла является приобретение обучающимися умений и навыков работы с реальным оборудованием [1]. В связи с наметившейся тенденцией перехода к различным формам открытого образования традиционные методы организации лабораторного практикума здесь не приемлемы. Создание системы открытого образования связано с реализацией новых подходов к организации лабораторных практикумов на основе средств информационных и коммуникационных технологий [2]. Рассмотрим один из видов лабораторного практикума.

Виртуальный лабораторный практикум — представляет собой один из прогрессивно развивающихся видов проведения лабораторных занятий, суть которого заключается в замене реального лабораторного исследования на математическое моделирование изучаемых физических процессов, но с элементами виртуального взаимодействия студентов с лабораторным оборудованием. Возможности современных виртуальных компьютерных моделей создают полную имитацию работы с реальным оборудованием. В таком подходе есть положительный момент, позволяющий реализовать каждому обучаемому свои индивидуальные творческие способности. По своему индивидуальному заданию можно провести моделирование исследуемого физического процесса при различных заданных параметрах и ограничениях, обработать результаты исследования, не затрачивая усилий на рутинные расчеты и графические построения [3].

Таким образом, компьютерное моделирование изучаемых физических процессов является одним из обязательных компонентов современного образовательного процесса.

В настоящее время существует богатый выбор стандартных и специализированных пакетов прикладных программ для решения задач технических вычислений. В этом классе программного обеспечения существует много аналогов различной направленности и принципа построения. Из них можно выделить следующие программные продукты: Matlab, Mathcad, Mathematica. Главным образом они относится к системам компьютерной алгебры, то есть к средствам автоматизации математических расчетов.

Отличие в основном состоит в порядке решаемых уравнений, в степени наполнения библиотеки стандартными блоками обработки данных, в предметной ориентации на конкретную прикладную область, в удобстве пользовательского интерфейса.

По совокупности перечисленных показателей предпочтение следует отдать программной среде моделирования Matlab 7, в состав которой входит приложение GUIDE [4]. Использование графического интерфейса позволяет сделать программу более универсальной. Работа в этой среде достаточно проста — элементы управления (кнопки, раскрывающиеся списки и т. д.) размещаются при помощи мыши, а затем программируются события, которые возникают при обращении пользователя к данным элементам управления. Приложение может состоять как из одного основного окна, так и нескольких окон и осуществлять вывод графической и текстовой информации, в основное окно приложения и в отдельные окна. Ряд функций MatLab предназначен для создания стандартных диалоговых окон открытия и сохранения файла, печати, выбора шрифта, окна для ввода данных и др., которыми можно пользоваться в собственных приложениях.

Метод математического моделирования реализован в программном средстве «Расчет векторных диаграмм и моделирование режимов работы электрических машин переменного тока», который используется при подготовке студентов специальности 140 604 дневной и заочной форм обучения, а также по направлению 140 400 «Электроэнергетика и электротехника» при изучении дисциплин «Электрические машины», «Электромеханика» на практических лабораторных занятиях [5].

Программное средство представляет собой три программы, осуществляющие расчет и построение векторных диаграмм асинхронного, синхронного двигателей и трансформатора.

Пакет создан в среде GUIDE для создания приложений с графическим интерфейсом пользователя. Пакет программ создан с использованием элементов управления (кнопок, списков, областей ввода), а также оси для построения графических зависимостей.

Процесс работы программы постепенный. После запуска заполняются исходные данные, далее осуществляется расчет, а уже после расчета строятся графические зависимости. Расчет и построение графических зависимостей осуществляется при нажатии кнопки.

Каждая программа состоит из двух файлов. Элементы управления созданы в графическом окне визуальной среды GUIDE, события и их взаимосвязь запрограммированы в m-файле. Запуск осуществляется указанием имени в командной строке Matlab.

Окна программ представлены на рисунках 1- 3.

Рисунок 1 — Окно программы для расчета векторных диаграмм асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Рисунок 2 — Окно программы для расчета векторной диаграммы перевозбужденного явнополюсного синхронного двигателя.

Рисунок 3 — Окно программы для расчета векторных диаграмм трансформатора.

Рассмотрим окно программы расчета векторных диаграмм асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (рисунок 1). Меняя в раскрывающемся списке данные асинхронного двигателя, можно сравнить наглядно векторные диаграммы, проанализировать такие параметры как падение напряжения на активном и реактивном сопротивлениях статора; полное падение напряжения на статоре; напряжение на роторе, соответствующее номинальной мощности двигателя; падение напряжения на активном и реактивном сопротивлениях ротора; напряжение на роторе; полное падение напряжения на роторе; токи статора, ротора, намагничивания; углы сдвига. Вывод результатов осуществляется путем нажатия кнопки «График», а очистка области построения графиков и данных соответственно путем нажатия кнопки «Очистить».

Использование виртуальных лабораторных практикумов дает следующий ряд преимуществ по сравнению с реальными лабораторными практикумами:

• · программные модели позволяют имитировать работу с объектами, процессами и оборудованием, применение которых в вузах проблематично;
• · позволяет повысить в разумных пределах интенсивность обучения, позволяя за счет изменения временных масштабов выполнить за время проведения лабораторной работы большее число экспериментов;
• · позволяет решить проблему загрузки лабораторного оборудования — программную модель можно выполнить в любое время, в любом месте, на любом числе рабочих мест; что позволяет проводить лабораторные занятия фронтально, когда каждый студент выполняет индивидуальное задание;
• · стоимость разработки и эксплуатации виртуальных лабораторных практикумов обычно существенно ниже по сравнению с реальными лабораторными практикумами.

Следует отметить интерфейс для последовательного порта пакета Matlab, который обеспечивает прямой доступ к периферийным устройствам, таким как модемы, принтеры и научное оборудование, подключающееся к компьютеру через последовательный порт (COM-порт). Интерфейс работает путём создания объекта специального класса для последовательного порта. Имеющиеся методы этого класса позволяют считывать и записывать данные в последовательный порт, использовать события и обработчики событий, а также записывать информацию на диск компьютера в режиме реального времени. Это бывает необходимо при проведении экспериментов, симуляции систем реального времени и для других приложений.

бакалавр виртуальный практикум образовательный.

• 1. Федеральный образовательный стандарт высшего профессионального образования подготовки бакалавров по направлению 140 400 Электроэнергетика и электротехника. — М.: ФГОС-04, 2009. — 30 с.
• 2. Малыгин, Е. Н. Новые информационные технологии в открытом инженерном образовании: Учебное пособие/ Е. Н. Малыгин, М. Н. Краснянский, С. В. Карпушкин, В. Г. Мокрозуб, А. Б. Борисенко. — М.: Изд-во Машиностроение-1, 2003. — 124 с. — ISBN 5−94 275−082−3.
• 3. Зарубин, В. С. Математическое моделирование в технике: учебник для вузов/под ред. В. С. Зарубина, А. П. Крищенко. — 2-е изд., стереотип. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. — 495 c. — ISBN 5−7038−1270−4.
• 4. Поршнев, С.В. MATLAB 7. Основы работы и программирования: учебник. — М.: Бином. Лаборатория знаний, 2006. — 320 с. — ISBN 5−9518−0137−0.
• 5. Свидетельство № П-026. Программное средство «Расчёт векторных диаграмм и моделирование режимов работы электрических машин переменного тока» / Р. Е. Мажирина, С. С. Кочковская, C.А. Аникин; Институтский фонд алгоритмов и программ; ОГТИ; зарегистр. 14.11.2011.