Приведение содержания подготовки современных специалистов в соответствии с требованиями времени и достигнутым уровнем развития техники особенно остро стоит перед техническими учебными заведениями из-за морального и технического старения существующей технической базы, отсутствия у них необходимого современного лабораторного оборудования и недостатка собственных финансовых средств. Одним из выбранных министерством образования РФ путей решения этой проблемы является разработка и внедрение специализированных электронных автоматизированных учебных комплексов, доступных всем заинтересованным учебным заведениям и пользователям через Internet.

Поэтому, не рассматривая подробно проблемы разработки электронных учебников и учебных пособий и модулей проверки знаний и умений обучаемого, остановимся подробнее на основных вариантах разработки автоматизированного электронного лабораторного практикума, рассмотренных и использованных при выполнении проекта 2.1.4(17.1).055.130: “Автоматизированные тренажерно- диагностические и учебные комплексы по ремонту сложной бытовой радиоэлектронной и компьютеризированной техники” по программе “Научное, научно- методическое, материально- техническое и информационное обеспечение системы образования” в 2001- 2002 годах.

Для правильного применения средств имитационного моделирования необходимо понимать, что содержание образовательного процесса в учебных заведениях различного уровня определяется образовательными стандартами, а форма обучения - степенью развития мышления обучаемых. При этом в процессе обучения по типовому учебному элементу (понятие, тема) образовательные заведения различного уровня делают упор на разные градации результата: представление, знание, умение, навык. В частности учебные заведения начального профессионального образования акцентируют свои усилия на формировании практических умений и навыков (на это отводится в среднем 65¸ 70 % всего учебного времени), а высшие технические учебные заведения - на формировании знаний и теоретических умений (только 10¸ 20 % их учебного времени можно отнести к формированию конкретных профессиональных умений и навыков). С этой точки зрения имитационное моделирование обладают возможностью ввести определенные элементы игры и наглядности в процесс создания и отладки радиоэлектронного устройства, индивидуализировать работу обучаемого. Это означает, что средства имитационного моделирования целесообразно, при преобладании у обучаемых наглядно- образного мышления, использовать для ознакомления и теоретического обучения, особо выделяя причинно- следственные связи изучаемых объектов и процессов. Возможность изменения параметров используемых элементов и постепенного усложнения математической модели изучаемого устройства или явления позволяют учесть существующие на практике сопутствующие ограничения и паразитные процессы, присущие реальным устройствам, оценить их влияние на работоспособность устройства. Такой тренинг мышления, оперирующего понятийным аппаратом радиоэлектроники в итоге и формирует специалиста по радиоэлектронике. Кроме этого такие средства позволяют моделировать редкие, дорогостоящие или опасные, с точки зрения требований техники безопасности, процессы и явления. Наряду с этими достоинствами у имитационного моделирования есть и недостатки, главный из которых обусловлен сущностью моделирования - более или менее верным отображением реальных процессов или явлений. На практике это означает, что успешно промоделированное радиоэлектронное устройство может не работать, или работать не так из-за неучтенного фактора или параметра, неидеальности модели или влияния реальных измерительных приборов.

Очевидно, что имитационное моделирование может успешно использоваться не только в учебных или исследовательских целях, но также и для проведения профессиональных тренингов и технической диагностики. К сожалению, формирование практических профессиональных навыков работы только с помощью средств имитационного моделирования малоэффективно, поэтому рассматривая различные аспекты их применения в обучении мы пришли к выводу, что им в помощь необходимы дополнительные средства формирования практических профессиональных навыков. В качестве таких средств можно использовать реальные измерительные приборы и существующее оборудование. Такое взаимодополняющее использование разных средств позволит сформировать необходимые практические профессиональные навыки будущих специалистов. Исходя из этого в рамках проекта 2.1.4(17.1).055.130 “Автоматизированные тренажерно-диагностические и учебные комплексы по ремонту сложной бытовой радиоэлектронной и компьютеризированной техники” был разработан реальный макет тренажера по ремонту видеомагнитофонов VHS. Внешний вид (со снятыми крышками) такого макета изображен на фотографии ниже. На макет получено свидетельство на полезную модель № 22386 (Бюллетень “Изобретения, полезные модели” №12 от 27.04.2002).

Внешний вид макет тренажера по ремонту видеомагнитофонов VHS

На сегодня среди существующих радиотехнических и радиоэлектронных имитационных, моделирующих и схемотехнических программных средств выделяется программный пакет Electronics Workbench фирмы Interactive Image Technologics, предназначенный для схемотехнического моделирования аналоговых и цифровых радиоэлектронных устройств различного назначения и представляющий собой виртуальную радиоэлектронную лабораторию (The electronics lab in computers). Такая лаборатория включает библиотеки большого числа стандартных радиоэлектронных элементов: переключателей и реле, резисторов и конденсаторов, катушек индуктивности и трансформаторов, диодов и транзисторов, тиристоров, светодиодов и индикаторов, ОУ и компараторов, АЦП и ЦАП, различных логических элементов, интегральных микросхем и т.п. типовых элементов, объединенных в группы, см. рис. 1. Необходимо отметить, что имеется возможность выбрать модель такого компонента (идеального или реального из библиотеки) или создать ее самому. Отдельно выделены популярные серии аналоговых и цифровых микросхем, а также различные функциональные узлы обработки сигналов (блоки дифференцирования, интегрирования, перемножения, частотной фильтрации и т.п.).

К таким группам относятся: Sources (источники тока и напряжения), Basic (основные пассивные элементы), Diodes (диоды), Transistors (транзисторы), Analog Ics (аналоговые микросхемы), Mixed Ics (микросхемы смешанного типа), Digital Ics (цифровые микросхемы), Logic Gates (логические элементы), Digital (цифровые элементы), Indicator (индикаторные устройства), Control (аналоговые функциональные устройства), Miscellaneous (компоненты смешанного типа), Instruments (контрольно–измерительные приборы) и специальная группа Favoirites (библиотека самостоятельно создаваемых элементов). и набор виртуального измерительного оборудования, см. на рис. 2 примерный вид рабочего окна программы, что позволяет разрабатывать и отлаживать различные радиоэлектронные устройства.

Набор оборудования включает стандартные приборы с виртуальными панелями управления и индикации: функциональный генератор, двухлучевой осциллограф, измеритель АЧХ (Bode Plotter), мультиметр, см. рис. 3, логический анализатор, преобразователь логических сигналов (Logic Converter), см. рис. 4, цифровой генератор слов (Word Generator),

В рамках выполнения проекта 2.1.4(17.1).055.130 “Автоматизированные тренажерно-диагностические и учебные комплексы по ремонту сложной бытовой радиоэлектронной и компьютеризированной техники” были разработаны два учебных комплекса на основе Electronics Workbench: “Радиоэлектроника” и “Видеомагнитофоны формата VHS”.

Учебный комплекс “Радиоэлектроника” содержит руководство по работе и использованию пакета Electronics Workbench, основные сведения из теории радиотехнических цепей и электронных элементов, электронный лабораторный практикум на Electronics Workbench и блок проверки и контроля знаний обучаемого. Его особенностью является возможность моделирования характерных неисправностей электронных элементов, изучаемых в лабораторном практикуме.

Учебный комплекс “Видеомагнитофоны формата VHS” содержит руководство по работе и использованию пакета Electronics Workbench, основные сведения по работе, устройству и сигналам видеомагнитофона, электронный лабораторный практикум на Electronics Workbench и блок проверки и контроля знаний обучаемого. Особенностью учебного комплекса “Видеомагнитофоны формата VHS” является моделирование характерных сигналов основных узлов и блоков рабочего видеомагнитофона формата VHS: блока питания, сигналов двигателей и сервоблока, устройств управления, индикации и клавиатуры, а также характерных сигналов наиболее часто встречающихся неисправностей в этих блоках: обрывов, замыканий, различных повреждений.

Пример работы по имитационному моделированию блока питания включает сборку и отладку на рабочем поле схемы блока питания, включающего: сетевой фильтр, выпрямитель, сглаживающий фильтр, упрощенную преобразовательную часть (отсутствует развязка цепи обратной связи, схемы демпфирования, запуска, защиты и собственного питания) с использованием стандартных приборов Electronics Workbench, см. рис. 6.

Программный пакет LabView является средством разработки прикладных программ, использующим графический язык программирования G (Graphics), что позволяет создавать измерительные приборы, системы сбора данных, систем автоматизированного управления и измерительные комплексы на основе специальных плат ввода-вывода и – программно–инструментальных средств LabVIEW, содержащих обширные библиотеки функций и стандартных инструментов разработки и отладки программ. Такие программы в LabVIEW называются виртуальными инструментами. Немаловажным достоинством такого инструмента является его гибкость, т.к. запуск новой программы приводит к мгновенной метаморфозе и появлению другого прибора и возможность удаленного доступа, что позволяет его использовать для создания автоматизированных электронных лабораторных практикумов.

Виртуальные инструменты обладают определенной двойственностью: с одной стороны это реальный прибор, т.к. у специальной платы есть все необходимые внешние соединения, а на экране компьютера - органы регулировки и стандартные формы представления результатов, а с другой стороны в LabVIEW есть возможность организовать и число имитационный эксперимент используя физическую или математическую модель реального объекта. Рассматривая применение виртуального инструмента как реального прибора с удаленным доступом отметим, что его применение является экономически выгодной альтернативой существующим приборам, т.к. стоимость компьютера, специальной платы и программного обеспечения в несколько раз ниже стоимости комплекта заменяемых им сложных приборов. Использование виртуального прибора для имитационного моделирования, напротив, ограничено и целесообразно в качестве инструмента исследования различных физических явлений, требует определенного уровня знаний о предмете, средстве и условиях измерения, развитого абстрактно- логического мышления. Очевидно, что в этом качестве применение виртуального инструмента целесообразно при курсовом или дипломном проектировании, проведении исследовательской работы студентов на старших курсах учебных заведений системы высшего технического профессионального образования, а также в системе послевузовского профессионального образования, что также подтверждается и опытом зарубежной научной стажировки одного из авторов во Франции. Рассматривая недостатки виртуального инструмента необходимо в первую очередь отметить, что его точность (и как следствие стоимость) определяется разрядностью и частотой дискретизации использованного аналого- цифрового преобразователя.

В процессе выполнения проекта 2.1.4(17.1).055.130 “Автоматизированные тренажерно-диагностические и учебные комплексы по ремонту сложной бытовой радиоэлектронной и компьютеризированной техники” за счет собственных средств для специально создаваемого подразделения КГТУ им.А.Н.Туполева приобретено лицензионное программное обеспечение LabView в 2002 году и разработан ряд лабораторных работ для автоматизированного лабораторного практикума по радиотехническим измерениям.

HTML (HyperText Markup Language) – это язык разметки гипертекста, используемый броузером для формирования на экране пользователя текстового описания заданного вида. Такой расширенный текст содержит дополнительные элементы: гипертекстовые ссылки и различные вставные объекты (рисунки, видеоролики, и т.д. элементы). Java – это объектно-ориентированный машинонезависимый язык программирования, разработанный Sun Microsystems для обеспечения независимости программного кода от типа операционной системы и используемого процессора. Такую независимость ему обеспечивает броузер удаленного пользователя, обеспечивая интерпретацию команд языка Java в машинный код компьютера удаленного пользователя. Апплеты Java представляют собой микропрограммы, написанные на языке Java, которые используются для обеспечения непрерывного обмена данными между удаленным пользователем и сервером. JavaScript – это язык для записи так называемых сценариев (групп операторов языка), предназначенный для расширения возможностей стандартного языка HTML и вставляемый в HTML документ между специальными тегами <SCRIPT LANGUAGE=“JavaScript”> и </SCRIPT>. В ходе работы такие операторы языка JavaScript выполняются броузером (например, MS Internet Explorer 5.0, Netscape Communicator 4.7). Обычно они используются для обеспечения интерактивного взаимодействия удаленного пользователя и программы. Существует еще технология ActiveX фирмы Microsoft, основанная на использовании машинозависимых элементов, разрабатываемых для каждой компьютерной платформы и операционной системы отдельно. В процессе выполнения таких элементов броузер не участвует, что повышает скорость работы. Поскольку поддержка технологии ActiveX обеспечивается только броузерами Internet Explorer она, с нашей точки зрения, недостаточно удобна для автоматизации учебных комплексов.

Наиболее простым средством создания HTML документа сегодня, с нашей точки зрения, является редактор Word 2000, позволяющий любой документ в тестовом формате сохранить как Web-страницу, что удобно при создании прежде всего теоретического модуля. Также Word 2000 в текстовом формате (doc) сам поддерживает т.н. “схему документа”, что при наличии в нем разметки стилей позволяет создавать удобные многоуровневые контекстные ссылки и оглавления. Для создания модуля проверки знаний и умений обучаемого очевидно больше подходит использование языка JavaScript. Использование проработанного сценария, вставных графических, анимационных и мультимедийных объектов позволяет имитировать поведение реального моделируемого объекта.

В качестве примера автоматизации электронного учебного пособия по устройству, работе и ремонту видеомагнитофонов формата VHS с анимацией переходов приведем гиперссылку на это электронное учебное пособие, см. раздел 1.1 анимация переходов (преобразование спектра видеосигнала в формате VHS), el_posob/index.html .

К иным способам автоматизации учебных измерений можно отнести использование звуковой платы персонального компьютера в качестве устройства ввода–вывода, под управлением специального программного обеспечения, которое позволяет превратить персональный компьютер в многозадачном режиме в виртуальный осциллограф с реальными входами (одна задача), функциональный генератор с реальными выходами (вторая задача) и, при необходимости, контроллер управления реальным учебным лабораторным макетом с выходом на последовательный или параллельный порт (третья задача). Такое использование стандартного оборудования персонального компьютера позволяет достаточно просто организовать типовое рабочее место, см. рис. 11, при создании или модернизации учебных лабораторий. Примеры таких схем подключения известны, например Ю.В.Новиков, О.А.Калашников, С.Э.Гуляев Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC. Под общей ред. Ю.В. Новикова. Практ.пособие –М.: ЭКОМ, 2000 –224с. включает описания таких простых устройств для ISA шины, Centronics, RS–232C. Примеры лицевых панелей таких виртуальных приборов приведен на рис.12, 13.

К достоинствам такой системы следует отнести минимальные финансовые затраты на аппаратную часть, т.к. вместо стоимости реальных приборов (например, 2-х канального осциллографа и двух функциональных генераторов) достаточно приобрести персональный компьютер со звуковой платой, который, дополнительно, можно подключить к учебной сети или сети Internet с доступом и от других компьютеров.

Исходя из проведенного анализа различных вариантов автоматизации учебных комплексов мы считаем целесообразным использование комплексного подхода, учитывающего особенности представления учебного материала, формирования инженерного мышления, проверки профессиональных умений и навыков. В частности для автоматизированного теоретического модуля и модуля проверки знаний и умений обучаемого оптимально использование HTML и JAVA технологий (в т.ч. и с использованием Word 2000). Имитационное моделирование (Electronics Workbench и др.) лучше использовать при организации автоматизации лабораторного практикума с опасными, громоздкими или дорогостоящими объектами (блоки питания с высокими напряжениями, наличие вредных паров или излучений, уникальное оборудование и т.п.). Использование натурных физических объектов и процессов для создания лабораторного практикума с удаленным доступом (LabView и др.) более целесообразно для формирования практических навыков. Необходимо отметить, что с целью минимизации финансовых затрат возможны и другие способы автоматизации лабораторного практикума, использующие натурные физические объекты и процессы.

Проведенная апробация разработанных технических, учебных, методических и дидактических средств (макет тренажера, учебные комплексы, лабораторные практикумы, методические указания, видеофильм по радиоэлектронике и видеомагнитофонам VHS) на базе профессионального лицея ПЛ-41 г.Казани показала эффективность использования указанных средств обучения. Сравнение данных экспериментальной и контрольной учебной групп в соответствии с t-критерием:

– мера критической области t-критерия, равная

k – число степеней свободы, равный ,

– табличное значение границы критической области t-критерия,

a – уровень значимости (уровень надежности),

, – объем экспериментальной и контрольной групп,

, – средний балл экспериментальной и контрольной групп,

, – несмещенное стандартное отклонение эксперимент. и контрольной групп,

показало (<) улучшение качества обучения и более высокий уровень формируемых профессиональных навыков обучаемых.