DEVELOPMENT OF OBJECT EDUCATIONAL METHODS COMPLEXES FOR ELECTRICAL ENGINEERING

Марченко А.Л.

ORCID: 0000-0002-1825-0023, Кандидат технических наук, Профессор, Московский авиа­ционный институт (МАИ)

РАЗРАБОТКА УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ПО ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ

Аннотация

Концепция непрерывного образования предполагает наличие или разработку программных учебно-методи­че­ских комплексов  по техническим дисциплинам бакала­вриата и специалистуры. Рассмотрены структурные компоненты разработанного комплекса УМК-Э1 по электротехнике с учетом требований федеральных государственных образовате­льных стандартов к уровню качества образования и его постоянного воспроизводства и развития. В комплекс УМК-Э1, используемый в учебном про­цессе МАИ, включены: авторская унифицированная программа по базовой профессиональной дисциплине «Электротехника и электроника», электронный курс, лабораторный практикум, варианты курсовых работ, интерактивные модели и тренажеры, тестовые задания по темам дисциплины, глоссарий и другие электронные образовательные ресурсы, обеспечивающие сопровождение всех видов занятий по дисциплине. Комплекс УМК-Э1 по электротехнике размещен на сайте www.techbook.ru Научно-технического издательства «Горячая линия – Телеком».

Ключевые слова: учебно-методический комплекс, структурные компоненты, электротехника, электронный курс.

Marchenko A.L.

ORCID: 0000-0002-1825-0023, PhD in Engineering, Professor,  Moscow Аviation Institute (MAI)

DEVELOPMENT OF OBJECT EDUCATIONAL METHODS COMPLEXES FOR ELECTRICAL ENGINEERING

Abstract

The concept of continuous education assumes the presence or the development of program educational methods complexes on technical disciplines of bakavriat and spesialistury. Are examined the structural components of the developed complex UMK-E1 in electrical engineering taking into account the requirements of federal state educational standards for quality level of education and its constant reproduction and of development. In complex UMK-E1, utilized in the training process the MAI, is included author's standardized program on base professional discipline «Electrical engineering and electronics», electronic course, laboratory practice, the versions of course works, interactive models and trainers, test tasks with respect to the themes of discipline, glossary and other electronic educational resources, ensuring tracking all forms of the training exercises on discipline. Complex  UMK-E1 in electrical engineering is placed on the site www.techbook.ru of Scientific and technical publishing house «Горячая линия – Телеком».  

Keywords: educational methods complex, structural component, electrical engineering, electronic course.

Современные тенденции развития образовательных систем в вузах заключаются в широком использовании информационно-коммуникационных технологий, в резком увеличении доли самостоятельной работы студентов, в разработке и внедрении электронных образовательных ресурсов (ЭОР), размещаемых на сайтах вузов и в электронных библиотечных системах (ЭБС).

Концепция непрерывного образования, в том числе дистанционного и послевузовского, предполагает наличие или  разработку программных учебно-методических комплексов (УМК) по изучаемым дисциплинам, что дает каждому обучаемо­му и специалисту возможность саморазвития при минимальных затратах времени и средств.

Интенсификация изучения технических дисциплин (в условиях резкого возрастания объема новой информации и сокращения часов в учебных планах на их изучение) возможна как за счет актуализации содержания и методов обучения, так и повышения эффективности самостоятельной творческой работы студентов (их заинтересованности) на основе выбора форм и методов обучения, а также за счет создания психологически комфортной среды обучения.

С учетом современных подходов к обеспечению, преподаванию и  орга­низации учебного процесса в вузах, нами была создана открытая программная  среда  (инструментарий) [1]  с использованием  языка разметки HTML для вставки разрабатываемых модулей и ЭОР УМК по видам занятий, взяв в качестве примера базовую профессиональную дисциплину для вузов «Электро­техника и электроника» (рис. 1).

 Инструментарий для создания предметных УМК облегчает разработку древовидного меню навигации комплекса и ввод подготовленных в различных редакторах и средах ЭОР по дисциплине, особенно, если использовать при разработке УМК по другой дисциплине готовые ссылки и разметки УМК по электротехнике, заменяя текст, таблицы, формулы и рисунки кадров элементами нового курса.

В основу разработки УМК по электротехнике положена составленная нами унифицированная программа дисциплины трудоемкостью 8 з.е. (288 ч), с учетом которой написан и издан первый том учебника [2] с разме­щением его текстов в ЭБС znanium.com НИЦ ИНФРА-М [3].

Ядром УМК по электротехнике (УМК-Э1) [4] является электронный курс (практически дублирующий тексты учебника), разработанный также с использованием языка разметки HTML, в ко­тором теоретические фрагменты материала  сопровождаются flash-упраж­не­­ни­ями  с  пошаговыми решениями (всего их 85) и flash-заданиями (их 65) с программной проверкой вводимых с

Рис. 1 - Стартовая страница инструментария для создания УМК

клавиатуры компьютера как промежуточных, так и конечных результатов расчетов и графических построений.

В УМК-Э1 (рис. 2), кроме программы дисциплины и электронного курса с flash-упражнениями и flash-заданиями, включены:

* перечень ГОСТов по электротехнике;

* методические указания к выполнению компьютерных лабораторных работ [5];

* варианты кур­совых работ [6];

* интерактив­ные модели и тренажеры [7-11];

* тестовая система;

* глоссарий;

* файлы озвучивания названий кадров и аннотаций тем курса;

* электро­техни­ческий кальку­лятор ElCalc [12];

* дру­гие ЭОР, обеспечивающие сопровождение всех видов занятий и проверку выполнения заданий и  курсовых работ.

Рабочее пространство экрана монитора «разбито» на несколько полей. При выборе темы курса (активные кнопки с номерами тем размещены внизу рабочей зоны, см. рис. 2) в левое навигационное поле выводится перечень параграфов темы, названия лабораторных работ и команда Тестирование (вызов тестовых заданий по теме для самооценки уровня усвоенных знаний).

При щелчке мышью на правой кнопке, расположенной вверху левого окна, в него выводятся также названия всех кадров темы, при щелчке мышью на значке параграфа (см. параграф 1.3 на рис. 2) – все кадры этого параграфа, а при щелчке на названии кадра – его содержание выводится в правое поле. Последовательность вывода кадров в правое поле осуществляется также при щелчках мышью на активных кнопках Вперед и Назад, расположенных внизу кадров (см. на рис. 2 - ниже текста Java-скрипта Постоянный электрический ток).

Рис. 2 – Страница компонента Электронный курс

Лабораторный практикум является важнейшим структурным   компоне­н­том комплекса по технической дисциплине. В качестве средства моделирования   и   испытания  электрических  цепей  и  устройств   выбрана програм­мная   среда  NI   Multisim  v10  (МS10),  в   которой  разработано  18 лабораторных работ (смоделировано 80 схемных файлов), а два программных комплекса для испытания электрических двигателей [13, 14] смоделированы в среде Borland C++ Builder.

Лабораторные работы выполняются в авторской программной среде LabWorks [15]. В описании каждой работы сформулирована ее цель, приведены краткие теоретические сведения по теме работы, индивидуальные задания на расчет и моделирование схемы в среде MS10, даны рекомендации по проведению экспериментов, обработке полученных данных и оформлению отчета с использованием шаблона электронной тетради [16].

После проверки заполненных закладок в полях таблиц электронной тетради экспериментальными и расчетными данными и ввода с экрана копий изображений схем цепей и графиков функций, шаблон электронной тетради из формата языка для разметки HТML конвертируется в формат редактора MS Word и выводится на экран дисплея для окончательного оформления. Данные экспериментов и рисунки сохраняются в базе данных.

Предварительную защиту лабораторной работы студент проходит, включив подсистему тестирования среды LabWorks, отвечая на 10-15 заданий, в основном, в закрытой форме и, частично, в открытой форме, случайным образом выбираемых из базы заданий к каждой работе.

На рис. 3 в качестве примера приведены фрагменты страниц лабораторной работы 19 «Испытание асинхронных двигателей».

Для дальнейшего развития и закрепления сформулированных на лекциях теоретических понятийных образов наиболее эффективным на практических занятиях оказалось использование интерактивных моделей и тренажеров.

Рис. 3 - Фрагменты страниц компонентов инструментария LabWorks: 1 – перечень работ; 2 – цель работы; 3 – краткие теоретические сведения; 4 – задания и их выполнение;     5 – схемы  устройств; 6 – эксперимент в среде  NI  Multisim или с использованием моделей электрических двигателей; 7 – тестовые задания; 8 – электронная тетрадь отчета; 9 – шаблон бланка отчета;             10 – электротехнический калькулятор ElCalc

В качестве примера рассмотрим тренажер МФС [10] для  построения векторных диаграмм напряжений и токов при последовательном, параллельном и параллельно-последовательном соединениях элементов схемы цепи, фрагменты страниц которого представлены на  рис. 4.

Рис. 4 –  Фрагменты страниц тренажера ФМС для построения векторных         диаграмм напряжений и токов однофазной цепи синусоидального тока

Тренажер функционирует в двух режимах: тренировочном и контрольном. При работе в тренировочном режиме оценивается (в баллах) каждое действие студента при установке посредством мыши векторов в комплексной плоскости. Он может многократно повторять ошибочные операции без ограничения времени на усвоение. В контрольном режиме студент проходит тестирование в течение ограниченного времени с выводом интегральной оценки за выполнение всех операций теста в баллах и в процентах, вычисленных как отношение правильно выполненных операций к общему числу необходимых действий (см. рис. 4, внизу).

Самооценку уровня усвоенных знаний студент выполняет в авторской тестовой системе УТИС, предназначенной для конструирования заданий, составления тестов, проведения сессий тестирования по темам, объединениям тем и по всему модулю «Электротехника» с оцениванием их результатов.

В состав системы УТИС включены три функциональных компонента, различающихся назначением: UNISB-редактор, UTISE-экзаменатор и UNIS.DLL – динамическая  библиотека с функцией кодирования и декодирования данных, а также

* пакеты по математике и физике, в которых по 100 заданий (для формирования претестов);

* база из 450 заданий в закрытой форме по электротехнике;

* пакет из 100 заданий (задач) в открытой форме по электротехнике;

* пакет из 16 аккредитационных тестов по электротехнике.

На рис. 5 представлены типовые тестовые задания по электротехнике в закрытой форме (с выбором одного правильного ответа из предложенных вариантов).

При выполнении расчётов схем замещения однофазных и трёхфазных цепей  студентам рекомендо­вано воспользоваться калькулятором ElCalc [12].

В программе ElCalc реализовано (рис. 6):

* вычисление унарных операций (над одной переменной) и бинарных (над двумя переменными) с действительными и комплексными числами (функциями), а результат выполнения операции выводится в алгебраической и показательной формах и одновременно отображается в виде вектора в комплексной плоскости и синусоид с соответствующими начальными фазами во временной области;

* вычисление и отображение в комплексной плоскости фазных и линейных токов, фазных напряжений трёхфазного приёмника электрической энергии  (фазы  которого  соединёны  по  схемам: звезда  с  нулём, звезда без

Рис. 5 - Типовые тестовые задания по электротехнике

 

нуля или треугольник), включая аварийные режимы (короткое замыкание и обрыв фаз(ы)) (рис. 6);

* решение системы уравнений 2-й…6-й степени с действительными и комплексными коэффициентами с выводом значения определителя системы и всех искомых комплексных функций в алгебраической и показательной формах записи.

При разработке комплекса УМК-Э1, кроме  языка разметки HTML c добавлением Java-скриптов, использовались среды Borland C++ Builder,  Аdo­be Flash, NI Multisim v10, редакторы MS Word, Adobe Acrobat.

Для работы с УМК-Э1 компьютер должен соответствовать следующим минимальным  требованиям:  тип:  IBM PC,  ОS Windows  7 и  выше, браузер

Internet Explorer 9, Adobe Acrobat Rеader 9.0, Adobe Flash Player 9, 2 Гб свободного дискового пространства, 1 Гб оперативной памяти, CD-ROM, дисплей 17": 1280x1024 (1280х800 на ноутбуке).

Рис. 6 – Интерфейс калькулятора ElCalc (модуль Трехфазные цепи)

 

Подключив свой компьютер (ноутбук) к сети Интернет, можно скачать (щёл­­кнув мышью на  соответствующем выделенном слове Установить (см. рис. 1, внизу) с сайтов фирм-произ­во­ди­телей неустановленные на компьютере браузер MS IE9 и условно бесплатные или с ограниченным сроком   использования указанные программные среды.

Комплекс УМК-Э1 по электротехнике размещен на сайте www.techbook.ru издательства «Горячая линия – Телеком».

Литература

1. Беневоленский С.Б., Марченко А.Л., Титов Д.В. Инструментарий для создания учебно-программных курсов. Свид. о регистрации в ОФАП №5616 от 31.01.2006 г. Номер гос. регистрации в ВНТИЦ ФАПО 50200600104 от 02.02.2006 г.
2. Марченко А.Л., Опадчий Ю.Ф. Электротехника и электроника. Учебник: в 2 т. Т. 1: Электротехника. - М.: ИНФРА-М, 2015.- 574 с.
3. www.znanium.com/ Марченко А.Л., Опадчий Ю.Ф. Электротехника.
4. Беневоленский С.Б., Марченко А.Л. Программный учебно- мето­диче­ский комплекс по электротехнике ВМPUMKE. Свид. о регистрации в ОФАП №5341 от 28.10.2005 г. Номер гос. регистрации в ВНТИЦ ФАПО 502000555 от 31.10.2005 г.
5. Марченко А.Л., Освальд С.В. Лабораторный практикум по электротехнике и электронике в среде Multisim. Учебное пособие для вузов (+ СD). - М.: ДМК Пресс, 2010.- 448 с.
6. www.znanium.com/ Марченко А.Л., Опадчий Ю.Ф. Электротехника и электроника: курсовые работы с методическими указаниями и примерами.
7. Жадан И.В., Марченко А.Л. Расчет параметров пассивных четырехполюсников RLCquadro. Свид. о регистрации в ОФАП №5342 от 28.10.2005 г. Номер гос. регистрации в ВНТИЦ ФАПО 50200501553 от 31.10.2005 г.
8. Марков А.В., Марченко А.Л. Расчет магнитной цепи Magn_C. Свид. о регистрации в ОФАП №5344 от 28.10.2005 г. Номер гос. регистрации в ВНТИЦ ФАПО 50200501555 от 31.10.2005 г.
9. Марченко А.Л., Сусленкова С.Е., Федотова И.В. Тренажер МФС для построения векторных диаграмм напряжений и токов. Свид. об отраслевой регистрации электронного ресурса в Институте информатизации образования РАО №00031 от 02.06.2009 г.
10. Марченко А.Л., Иванов А.Г., Воробьев С.С. Тренажер МИВ для анализа трехфазных цепей. Свид. о регистрации электронного ресурса в Институте научной информации и мониторинга РАО №17229 от 28.06.2011.
11. Новиков К.В. Марченко А.Л. Расчет переходных процессов RPP_KM. Свид. о регистрации в ОФАП №5536 от 29.12.2005 г. Номер гос. регистрации в ВНТИЦ ФАПО 50200600023 от 24.01.2006 г.
12. Марченко А.Л., Куракин А.С. Электротехнический калькулятор. Свид. о регистрации в ОФАП №3975 от 27.10.2004 г. Номер гос. регистрации в ВНТИЦ ФАПО 50200401285 от 15.11.2004 г.
13. Дергачев В.В., Коваль М.М., Марченко А.Л. Испытание двигателей постоянного тока. Свид. о регистрации в ОФАП №5534 от 29.12.2005 г. Номер гос. регистрации в ВНТИЦ ФАПО 50200600021 от 24.01.2006 г.
14. Марченко А.Л., Коваль М.М., Рыжков В.М. Испытание асинхронных двигателей. Свид. о регистрации в ОФАП №5343 от 28.10.2005 г. Номер гос. регистрации в ВНТИЦ ФАПО 50200501554 от 31.10.2005 г.
15. Беневоленский С. Б., Марченко А. Л., Освальд С. В. Программный комплекс LabWorks. Свид. о регистрации в ОФАП №5876 от 20.03.2006 г. Номер гос. регистрации в ВНТИЦ ФАПО 50200600397 от 22.03.2006 г.
16. Марченко А.Л., Освальд С.В., Воробьев С.С. Электронная тетрадь от­чета по лабораторной работе по электротехнике и электронике. Свид. об отраслевой регистрации электронного ресурса в Институте информатизации образования РАО №00030 от 2.06.2009 г.
17. www.techbook.ru/ УМК-Э1 по электротехнике.

References

1. Benevolenskij S.B., Маrchenko А.L., Тitov D.V. Instumentariy dlja sozdanija uchebno-programmnyh kursov [Set of instruments for creating the training-program courses]. Svid. о registracii v ОFAP [Certificate on the registration in the Branch fund for algorithms and programs] №5616 оt 31.01.2006 g. Nоmer gos. registracii v VNТIC FAPO [Number of state registration in the All-Russian the scientific and technical information center of Federal agency on the education] 50200600104 оt 02.02.2006 g. [in Russian]
2. Маrchenko А.L., Оpadchij U.F. Jelektrotehnika i jelektronika. Uchebnik: v 2 t. Т. 1: Jelektrotehnika [Electrical engineering  and  electronics. Textbook: in 2 t. T. 1: Electrical engineering]. - М.: INFRA-М [Moscow:  Scientifically-publishing center INFRA-M], 2015. - 574 p. [in Russian]
3. www.znanium.com/ Маrchenko А.L., Оpadchij U.F. Jelektrotehnika [Electrical engineering]. [in Russian]
4. Benevolenskij S.B., Маrchenko А.L. Programmnyj uchebno- mеtо­dichе­skij kompleks pо jelektrotehnike ВМPUMKE [Program educational methods complex in electrical engineering BMPUMKE]. Svid. о registracii v ОFAP [Certificate on the registration in the Branch fund for algorithms and programs] №5341 оt 28.10.2005 g. Nomer gos. registracii v VNТIC FAPO [Number of state registration in the All-Russian the scientific and technical information center of Federal agency on the education] 502000555 оt 31.10.2005 g. [in Russian]
5. Маrchenko А.L., Оsvald S.V. Laboratornyj praktikum pо jelektrotehnike i jelektronike v srede Multisim. Uchebnoe pоsоbie dlja vuzov [Laboratory practice on to electrical engineering and to electronics in the medium Multisim. Teaching aid for VUZ (Institute of Higher Education)] (+ СD). - М.: DМК Press [Moscow: Publishing house DMK Press], 2010. - 448 p. [in Russian]
6. www.znanium.com/ Маrchenko А.L., Оpadchij U.F. Jelektrotehnika i jelektronika: kursovye raboty s metodicheskimi ukazanijami i primerami. [Electrical engineering and electronics: course works with the operating instructions and examples]. [in Russian]
7. Zhadan I.V., Маrchenko А.L. Raschjot parametrov passivnyh chetyrjohpoljusnikov RLCquadro [Calculation of the parameters of the passive quadrupoles RLCquadro]. Svid. о registracii v ОFAP [Certificate on the registration in the Branch fund for algorithms and programs] №5342 оt 28.10.2005 g. Nоmer gos. registracii v VNТIC FAPO [Number of state registration in the All-Russian the scientific and technical information center of Federal agency on the education] 50200501553 оt 31.10.2005 g. [in Russian]
8. Маrkоv А.V., Маrchenko А.L. Raschjot magnitnoj cepi Magn_C [Calculation of the magnetic circuit Magn_C]. Svid. о registracii v ОFAP [Certificate on the registration in the Branch fund for algorithms and programs] №5344 оt 28.10.2005 g. Nоmer gos. registracii v VNТIC FAPO [Number of state registration in the All-Russian the scientific and technical information center of Federal agency on the education] 50200501555 оt 31.10.2005 g. [in Russian]
9. Маrchenko А.L., Suslenkova S.Е., Fedotova I.V. Тrеnаzhjor МFS dlja pоstroeniya vektornyh diagramm naprjazhenij i tоkоv [Trainer MFS for constructing the vector diagrams of voltages and currents]. Svid. ob otraslevoj registracii jelektronnogo resursa v Institute informatizacii obrazovanija RАО [Certificate on the registration of electronic resource in the Institute of information оf the education of the Russian Academy Education] №00031 оt 02.06.2009 g. [in Russian]
10. Маrchenko А.L., Ivanov А.G., Vоrоbjev S.S. Тrеnаzhjor МIV dlja analiza trjohfаznyh cеpеy [Trainer MIV for the analysis of the three-phase circuits]. Svid. o registracii jelektronnogo resursa v Institute nauchnoj informacii i monitoringa RAO [Certificate on the registration of electronic resource in Institute of scientific information and monitoring of the Russian Academy Education] №17229 оt 28.06.2011 g. [in Russian]
11. Novikov К.V. Маrchenko А.L. Raschjot perehodnyh processov RPP_KM [Calculation of the transient processes RPP_KM]. Svid. о registracii v ОFAP [Certificate on the registration in the Branch fund for algorithms and programs] №5536 оt 29.12.2005 g. Nоmer gos. registracii v VNТIC FAPO [Number of state registration in the All-Russian the scientific and technical information center of Federal agency on the education] 50200600023 оt 24.01.2006 g. [in Russian]
12. Маrchenko А.L., Кurakin А.S. Jelektrotehnicheskij kal’kuljator [Electrotechnical calculator]. Svid. о registracii v ОFAP [Certificate on the registration in the Branch fund for algorithms and programs] №3975 оt 27.10.2004 g. Nоmer gos. registracii v VNТIC FAPO [Number of state registration in the All-Russian the scientific and technical information center of Federal agency on the education] 50200401285 оt 15.11.2004 g. [in Russian]
13. Dergachjov V.V., Коvаl М.М., Маrchenko А.L. Ispytanie dvigatelej postojannogo toka [Testing direct-current motors]. Svid. о registracii v ОFAP [Certificate on the registration in the Branch fund for algorithms and programs] №5534 оt 29.12.2005 g. Nоmer gos. registracii v VNТIC FAPO [Number of state registration in the All-Russian the scientific and technical information center of Federal agency on the education] 50200600021 оt 24.01.2006 g. [in Russian]
14. Маrchenko А.L., Коvаl М.М., Ryzhkov V.М. Ispytanie asinhronnyh dvigatelej [Testing the induction motors]. Svid. о registracii v ОFAP [Certificate on the registration in the Branch fund for algorithms and programs] №5343 оt 28.10.2005 g. Nоmer gos. registracii v VNТIC FAPO [Number of state registration in the All-Russian the scientific and technical information center of Federal agency on the education] 50200501554 оt 31.10.2005 g. [in Russian]
15. Benevolenskiy S.B., Маrchenko А.L., Оsvald S.V. Programmnyj kompleks LabWorks [Program complex LabWorks]. Svid. о registracii v ОFAP [Certificate on the registration in the Branch fund for algorithms and programs] №5876 оt 20.03.2006 g. Nоmer gos. registracii v VNТIC FAPO [Number of state registration in the All-Russian the scientific and technical information center of Federal agency on the education] 50200600397 оt 22.03.2006 g. [in Russian]
16. Маrchenko А.L., Оsvald S.V., Vоrоbjov S.S. Jelektronnaja tetrad’ otchjota pо laboratornoj rabote pо jelektrotehnike i jelektronike [Electronic notebook of the report on the laboratory work on electrical engineering and electronics]. Svid. ob otraslevoj registracii jelektronnogo resursa v Institute informatizacii  obrazovanija RАО [Certificate on the registration of electronic resource in the Institute of information оf the education of the Russian Academy Education] №00030 оt 2.06.2009 g. [in Russian]
17. www.techbook.ru/ UМК-Je1 pо jelеktrоtеhnikе [Educational methods complex UMK-E1 in electrical engineering].