Современное инженерное образование – сплав содержания и технологий обучения. Среди новых эффективных технологических средств обучения и автоматического контроля учебных достижений студентов, формирующих у них профессиональные умения и владения, нашли себе место учебно-программные тренажеры.В статье рассматриваются вопросы разработки и использования учебно-программных тренажеров при изучении курса «Электротехника» в вузе, благодаря которым появилась возможность с уменьшением времени приобрести владение построением топографических и временных диаграмм напряжений и токов в цепях однофазного переменного тока.
1. Введение
Учебно-программный тренажер представляет собой программный комплекс для изучения явлений, физических процессов, построения диаграмм и характеристик электрических цепей и устройств, а также для проведения физических опытов на вычислительном устройстве ВУ (ноутбук, планшет и др.) без непосредственного контакта с реальной лабораторной установкой или стендом. В тренажерах динамика процессов реализуется посредством компьютерной анимации, а сам процесс показывается при помощи компьютерной графики [1], [2].
Использование тренажеров в профессиональном обучении не дань моде, а настоятельная необходимость, так как создаются условия, приближенные к производственным и подготовки обучаемого для работы на современном промышленном оборудовании [3], [4].
Работа на тренажерах связана также с основами теоретических знаний специальных дисциплин, способствуя их закреплению, развивая логическое мышление и активируя сенсорную деятельность. Такой подход в профессиональном обучении гораздо более реалистичен, чем набор отдельных вопросов на изучаемую тему, так как он ориентирован на то, что знания и умения даются в качестве средств решения задач, необходимых для использования в освоении предстоящих специальных дисциплин и в будущей профессиональной деятельности [5], [6], [7], [9].
Кроме этого, учебно-программные тренажеры дают возможность объективного контроля качества обучения - объективного определения и точности оценки объема знаний, умений и владений, как в комплексе, так и отдельно.
2. Основные результаты
Чтобы создать учебно-программный тренажер, необходимо выработать его концепцию и разработать функциональную модель. При разработке тренажеров нами были положены следующие концептуальные критерии:
· универсальность, т.е. возможность использования тренажера при изучении понятийных образов различных объектов, электромагнитных явлений и процессов, описываемых идентичными по структуре математическими выражениями;
· многовариантность, т.е. вывод на экран случайным образом значений параметров элементов и схем соединения ветвей электрических цепей;
· возможность работы в двух режимах: в тренировочном с подсказками при неверном выполнении студентом текущей операции, и в контрольном;
· контроль каждой операции (практического действия), выполненной студентом в мультимедийных полях;
· оценка результирующий достижений студента;
· возможность использования тренажеров при проведении сетевых студенческих олимпиад по электротехнике.
Рассмотрим несколько тренажеров, разработанных автором с участием студентов в рамках их проектной деятельности при выполнении учебных заданий по электротехнике, с использованием программных сред: Borland C++ Builder и Adobe Flash (функционирование тренажеров восстановлено с помощью приложения ruffle). Для работы тренажеров необходимо ВУ с ОС Windows 10 или 11, c браузером MS Edge и объемом свободной памяти 20 МБ.
В первой лекции по анализу линейных электрических цепей синусоидального тока отмечается, что в зависимости от типа решаемой задачи синусоидальные функции представляют в виде аналитической функции, например, напряжения
Учитывая, что при выполнении заданий и курсовой работы рекомендуется использовать комплексный (символический) метод расчета цепей с построением векторных диаграмм напряжений и токов в комплексной плоскости, очень важно, чтобы студент не забывал, что каждый вектор, отображает синусоидальную функцию, например, напряжение со своей амплитудой
Представленная на рис. 1 модель тренажера используется для построения временных диаграмм напряжения и тока при последовательном соединении элементов
При функционировании тренажера в тренировочном режиме студент вычисляет значения параметров
Итоговая страница тренажера с построенными диаграммами синусоидальных напряжения и тока в однофазной RL-цепи
Чтобы установить синусоиды напряжения
-
Учебно-программный тренажер для построения топографических диаграмм электрических величин в цепях однофазного синусоидального тока. Модель тренажера (рис. 2) построена с учетом подобия треугольников (для схемы
Подобные треугольники комплексных величин для цепи с параллельным соединением ветвей (см. схему
на рис 3,
на рис. 3,
на рис. 3,
Так как активные и реактивные составляющие перечисленных электрических величин для наглядности в курсе электротехники представляют в виде отрезков определенной длины под углом в 90° (для токов и напряжений в виде векторов в комплексной плоскости Re-Im), то для определения полных значений указанных величин и угла сдвига фаз [LATEX_FORMULA]\varphi[/LATEX_FORMULA] между напряжением и током на входе электрической цепи строят топографические диаграммы.
Интерфейс тренажера для построения топографических диаграмм
После верного ввода в белые кружки буквенных обозначений мощностей на сторонах треугольника и линии выше (см. левую верхнюю часть модели макета на рис 2) и щелчка мышью на команде «Принять», этот треугольник исчезает и
появляется прямоугольный треугольник мощностей, в котором остается только полная реактивная мощность [LATEX_FORMULA]Q[/LATEX_FORMULA] (зеленый цвет отрезка) и красный мерцающий кружок на пересечении треугольника с пунктирной линией полуокружности с радиусом, равным отрезку полной мощности [LATEX_FORMULA]S'[/LATEX_FORMULA], приведенной к единице(см. левую нижнюю часть модели макета на рис. 2).
Треугольники электрических величин, построенные для RLC-цепей с последовательным (а, б и с) и параллельным (г, д и е) соединением
j
В рассматриваемом варианте активная мощность цепи
Тогда относительная величина активной мощности
При перемещении мышью мерцающего кружка по пунктирной полуокружности (в данном случае с переходом в нижнюю ее часть), автоматически выводятся в комплексную плоскость полуокружности значение угла
Учебно-программный тренажер для построения векторных диаграмм напряжений и токов однофазных цепей синусоидального тока [10]. Данный тренажер (рис. 4) используется для закрепления сформулированных на лекциях по электротехнике теоретических понятийных образов при изучении темы «Комплексный метод анализа электрических цепей синусоидального тока»
В электронную базу тренажера включены схемы цепей с последовательным, параллельным и последовательно-параллельном соединением элементы [LATEX_FORMULA]R[/LATEX_FORMULA], [LATEX_FORMULA]L[/LATEX_FORMULA] и [LATEX_FORMULA]C[/LATEX_FORMULA] в различном их сочетании. Как численные значения параметров пассивных элементов, так и начальная фаза нормированного напряжения источника энергии, выбираются случайным образом из последовательностей заданных целых чисел. При запуске тренажера также случайным образом на экран дисплея ВУ выводятся схемы цепей, выбираемых их восьми типов.
Фрагменты тренажера для анализа фазовых соотношений
Прежде чем начинать манипуляции с векторами в комплексной плоскости тренажера, нужно предварительно рассчитать фазные углы jkмежду напряжением и током во всех ветвях и на входе цепи, а также начальные фазы токов и напряжений ветвей по формулам:
При запуске подпрограммы тренажера для анализа фазовых соотношений между напряжением и током в ветвях (рис. 4) в левую часть рабочего окна выводится схема цепи с числовыми значениями параметров ее элементов, ниже схемы – задание (последовательность выполнения практических действий), а в правую часть выводится область круга, ограниченного градуированной шкалой, с неподвижным вектором тока
Для перехода к следующему заданию необходимо щелкнуть мышью на команде «далее», выполнив которое, посредством щелчка мышью на команде «далее» осуществляется переход к следующему заданию и т.д, и, наконец, после выполнения восьмого задания выводится итоговая оценка. При низкой оценке студент может повторить вновь выполнение всех заданий.
При выполнении задания по определению фазовых соотношений в цепи с параллельным соединением ветвей (рис. 5,
- на рис. 5,
- на рис. 5,
Фрагменты тренажера для анализа фазовых соотношений между напряжением и токами в однофазной цепи синусоидального тока при параллельном соединении ветвей
3. Заключение
Учебные занятия на учебно-программных тренажерах мотивируют студентов к изучению теоретического материала по курсу «Электротехника», создают возможность с уменьшением времени приобретения ими умений и владений посредством решения задач, необходимых для использования в освоении предстоящих специальных дисциплин и в будущей профессиональной деятельности.
Результаты учебных достижений студентов последних двадцати лет, изучающих курс «Электротехника» с использованием учебно-программных тренажеров, свидетельствуют, что у систематически занимающихся в семестре студентов по рассматриваемому в статье разделу курса сформировалось владение в построении временных, топографических и векторных диаграмм напряжений и токов в цепях однофазного переменного тока.
Уровень учебных достижений каждого студента автоматически оценивался посредством тренажеров в процентах от выполнения без ошибок всех заданных операций.
The additional file for this article can be found as follows:
Further description of analytic pipeline and patient demographic information. DOI:
None
None