ЭкологияОбразоватДеятельности / МатериалыПрактЗанятий / ЭкОбрДеят_Пр 16 / notv2009_book_1
.pdf
Новые образовательные технологии в вузе – 2009
силой Р 29,4 Н. Балка в режиме анимации деформируется, а в правом нижнем окне панели управления воспроизводится числовое значение прогиба балки в точке С.
А С В
Рис. 5. Схема нагружения балки грузом массой 3 кг
Новый компьютерный эксперимент можно начать, введя новые данные. В частности, могут быть заданы новые значения долины балки ширины b и высоты h прямоугольного поперечного сечения, модуль упругости 1-го рода материала балки Е. Все это обеспечивает более широкие возможности моделирования.
Манжосов В.К., Новикова О.Д., Новиков Д. А.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ПЛОСКОГО РЫЧАЖНОГО МЕХАНИЗМА С ПРЕДСТАВЛЕНИЕМ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА МОНИТОРЕ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА
tpm@ulstu.ru
ГОУ ВПО Ульяновский государственный технический университет г. Ульяновск
Представлены результаты математического моделирования плоского рычажного механизма с представлением адаптивной расчетной схемы, анимационной процедуры движения механизма, воспроизведением траектории движения характерных точек, диаграмм движения звеньев
Results of mathematical simulation of a plane lever mechanism with presentation of the adaptive design diagram, animated procedure of mechanism motion, displaying the trajectory of motion of characteristic points, diagrams of links motion are presented
При изучении раздела «Кинематика» важно наглядное представление не только схемы рассматриваемого механизма, но и воспроизведение движения этого механизма, расчет параметров движения звеньев механизма, определения их положения в заданный момент времени, траектории
Секция 2
движения заданных точек, определение скорости и ускорения характерных точек механизма. В этой связи важное значение приобретает подход, основанный на компьютерном моделировании движения механизма с анимацией процесса движения на мониторе персонального компьютера.
Данный подход покажем при моделировании движения плоского рычажного механизма, схема которого представлена на рис. 1.
При запуске файла на экране монитора воспроизводится панель управления. Справа на панели изображена расчетная схема механизма с окнами для ввода исходных данных (размеров звеньев – кривошипа l1 ,
шатуна l2 , коромысла l3 , расстояние между опорами AD = l4 ) и начальных
условий (начального положения и начальной скорости кривошипа). Активируя курсором клавиши «Применить» и «Запустить»,
пользователь определяет возможность использования введенных исходных данных для программного расчета параметров процесса движения механизма и анимационного воспроизведения процесса движения с изображением траекторий характерных точек, а также скоростей этих точек.
Рис. 1
В левом нижнем углу экрана монитора (рис. 1) в режиме реального времени для текущего положения механизма (рис. 2) воспроизводятся числовые значения параметров движения (рис. 3): углы поворота кривошипа, шатуна и коромысла; линейные скорости точек В и С, угловые скорости кривошипа, шатуна и коромысла.
191
Новые образовательные технологии в вузе – 2009
Рис. 2 |
Рис. 3 |
На панели управления слева (рис. 1) может быть активировано окно, где моделируется работа компьютерного осциллографа, который воспроизводит осциллограммы параметров движения механизма (рис. 4).
Рис. 4
Если возникает необходимость фиксации параметров движения при интересующем пользователя положении механизма, курсором на панели управления активируется клавиша «Остановить». Движение механизма прекращается, фиксируется траектория движения цифровые значения параметров движения.
На рис. 5 представлены характерные положения звеньев механизма за один оборот кривошипа.
Секция 2
Отметим, что в режиме анимации движения вектор скорости непрерывно меняет свое направление. Вектор скорости всегда направлен по касательной к траектории движения.
Проанализировав результаты, пользователь может продолжить процедуру моделирования, активировав курсором клавишу «Запустить».
Для моделирования процесса движения при других исходных данных пользователь на управляющей панели отмечает с помощью курсора клавишу «Остановить», вводит в соответствующие окна управляющей панели необходимые данные и вновь моделирует процесс.
Моделирование движения механизма в анимационном режиме обладает большой наглядностью, в результате чего может быть достигнут существенный эффект в освоении данной темы.
а) |
б) |
в) |
г) |
д) |
е) |
193
Новые образовательные технологии в вузе – 2009
ж) |
з) |
Рис. 5
Возможность моделировать процесс движения при новых исходных данных позволяет проанализировать влияние параметров системы на это движение. Возможность фиксации анимационного режима движения позволяет более детально разобраться с особенностями движения механизма.
Матвиенко В.А., Матвиенко А.В.
ВИРТУАЛЬНЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ЭЛЕКТРОНИКЕ vitmat@e1.ru
ГОУ ВПО "УГТУ-УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина"
г. Екатеринбург
Представлены особенности виртуального лабораторного практикума по электронике для студентов, обучающихся по направлению «Информатика и вычислительная техника».
Specific features of virtual laboratory training for electronics are presented in these materials.
Лабораторный практикум является одним из базовых видов учебных занятий при подготовке специалистов в области техники и технологии. Важность этого вида учебных занятий подтверждается государственными образовательными стандартами, регламентирующими перечень дисциплин, для которых лабораторный практикум является обязательным, при этом вид лабораторного практикуму и его содержание стандарты никак не регламентируют, предоставляя свободу выбора учебным заведениям.
Возможны следующие основные подходы к организации лабораторного практикума:
традиционный лабораторный практикум, когда студенты выполняют лабораторные работы в специализированной лаборатории, работая с реальными объектами исследования на реальном оборудовании;
виртуальный лабораторный практикум, суть которого заключается в замене исследования реального объекта
Секция 2
исследованием его математической модели, при этом студенты работают с компьютером, на котором моделируется объект исследования и измерительные приборы;
удаленный лабораторный практикум, когда студент с домашнего компьютера управляет реальным объектом исследования и реальными измерительными приборами, находящимися в лаборатории учебного заведения.
Для дистанционной технологии обучения на современном этапе ее развития наиболее актуальным представляется проведение лабораторных работ в форме виртуального лабораторного практикума. Конечно, традиционная форма лабораторного практикума позволяет в наибольшей мере решить все задачи, возлагаемые на лабораторный практикум, но противоречит идее дистанционного обучения, а удаленный лабораторный практикум, ничего не меняя в идеологическом плане (студент работает с компьютером), требует существенно больших материальных, временных и других ресурсов.
Виртуальный лабораторный практикум может быть реализован двумя путями: на базе самостоятельных разработок или на базе каких-либо существующих программных средств. Применительно к электронике такими программными средствами могут быть достаточно многочисленные программы схемотехнического моделирования. Самостоятельные разработки обычно обходятся дешевле, но требуют времени и наличия высококвалифицированных программистов, при увольнении которых возникают проблемы с поддержанием лабораторного практикума. Существенным недостатком самостоятельных разработок является то, что в дальнейшем умение работать в этой среде оказывается ненужным. Ориентация на готовый программный продукт требует существенных материальных затрат на его приобретение, но экономит время и лишена других недостатков самостоятельных разработок. К тому же, умение работать в какой-либо среде схемотехнического моделирования предусмотрено квалификационными требованиями образовательных стандартов [1,2].
Среди программ схемотехнического моделирования выделяются программы Electronics Workbench [3] и Multisim [4], имеющие достаточно простой пользовательский интерфейс и контрольно-измерительные приборы, экранный вид которых очень близок к внешнему виду реальных измерительных приборов. Эти обстоятельства послужили предпосылкой широкого использования этих программ в учебном процессе в качестве виртуального лабораторного практикума. Программы Electronics Workbench и Multisim позволяют моделировать самые различные радиоэлектронные устройства, в том числе аналоговые, цифровые и аналого-цифровые устройства.
195
Новые образовательные технологии в вузе – 2009
Разработанный виртуальный лабораторный практикум охватывает полупроводниковую электронику, аналоговую и цифровую схемотехнику
ивключает 12 работ:
Полупроводниковые диоды;
Характеристики и параметры биполярного транзистора;
Характеристики и параметры полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом;
Характеристики и параметры полевых МДП-транзисторов с индуцированным каналом;
Усилители на биполярных транзисторах. Каскад с общим эмиттером;
Дифференциальный каскад на биполярных транзисторах;
Характеристики и параметры операционного усилителя;
Линейные схемы на операционных усилителях;
Комбинационные цифровые устройства;
Триггеры;
Счётчики;
Регистры.
Впервых четырех работах исследуются характеристики и параметры основных полупроводниковых приборов [5]. Следующие четыре работы посвящены аналоговой схемотехнике [6]. Содержанием последних четырех
работ является исследование основных комбинационных и последовательностных цифровых устройств [7].
Методические указания к лабораторному практикуму [5–7] включают традиционные разделы:
цель работы;
домашнее задание;
основные теоретические положения;
порядок выполнения работы;
требования к отчету;
контрольные вопросы.
Раздел «Основные теоретические положения» знакомит студентов с терминологией и основными характеристиками и параметрами исследуемых электронных приборов и устройств, содержит необходимые расчетные формулы. Сведения, содержащиеся в этом разделе, достаточны для начального знакомства с предметом исследования и осмысленного выполнения лабораторных экспериментов. Характерной особенностью разработанных методических указаний является подробное описание методики исследования, что представляется оправданным для студентов младших курсов, имеющих небольшой практический опыт. Контрольные вопросы охватывают основные теоретические положения и позволяют в режиме самоконтроля проверить степень усвоения материала.
Секция 2
Опыт применения программ Electronics Workbench и Multisim показал, что их возможности не безграничны. Имеются ситуации, в которых эти программы работают некорректно. О некоторых таких ситуациях сообщается в работах [8,9].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования. Направление подготовки дипломированного специалиста 654600 – Информатика и вычислительная техника / Министерство образования Российской Федерации. – М., 2000.
Режим доступа : http://www.edu.ru
2.Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования. Направление 552800 – Информатика и вычислительная техника / Министерство образования Российской Федерации. – М., 2000. Режим доступа : http://www.edu.ru
3.http://www.interactiv.com
4.http://www.ni.com/multisim
5.Матвиенко В.А. Полупроводниковые приборы : методические указания
клабораторным работам по дисциплине «Электротехника и электроника» / В.А. Матвиенко. – Екатеринбург : ГОУ ВПО УГТУ– УПИ, 2006. – 45 с.
6.Матвиенко В.А. Усилительные устройства : методические указания
клабораторным работам по дисциплине «Электротехника и электроника» / В.А. Матвиенко. – Екатеринбург : ГОУ ВПО УГТУ– УПИ, 2005. – 47 с.
7.Матвиенко В.А. Цифровые устройства : методические указания
клабораторным работам по дисциплине «Схемотехника» /
В.А. Матвиенко. – Екатеринбург : ГОУ ВПО УГТУ–УПИ, 2007. – 37 с.
8.Матвиенко В.А. Моделирование электронных устройств в программе Multisim / В.А. Матвиенко, А.В. Матвиенко. – Информационные системы и технологии. ИСТ-2008. Материалы международной научнотехнической конференции. – Нижний Новгород : НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2008. – С. 37 – 38.
9.Матвиенко В.А. Моделирование цифровых устройств в программе Electronics Workbench / В.А. Матвиенко, А.В. Матвиенко. – Научные труды международной научно-практической конференции «СВЯЗЬПРОМ 2007» в рамках 4го Евро-Азиатского форума «СВЯЗЬПРОМЭКСПО 2007». – Екатеринбург : ЗАО «Компания Реал-Медиа», 2007. – С. 254 – 255.
197
Новые образовательные технологии в вузе – 2009
Матвиенко В.А., Матвиенко А.В.
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ПО ДИСЦИПЛИНЕ "ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА"
vitmat@e1.ru
ГОУ ВПО "УГТУ-УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина"
г. Екатеринбург
Представлены структура и особенности учебно-методического комплекса по дисциплине «Электротехника и электроника» для студентов, обучающихся по направлению «Информатика и вычислительная техника».
The structure and special features of computer-based tutorial system for electrical engineering and electronics are presented in these materials.
Учебно-методический комплекс по общепрофессиональной дисциплине «Электротехника и электроника» разработан в рамках проекта «Формирование профессиональных компетенций выпускников и внедрение инноваций на базе НОЦ «Информационно-телекоммуникационные системы и технологии», являющегося составной частью инновационной образовательной программы «Формирование профессиональных компетенций выпускников на основе научно-образовательных центров (НОЦ) для базовых отраслей Уральского региона» [1]. Целью разработки является создание учебно-методических материалов нового поколения направленных на формирование у студентов профессиональных компетенций в области электротехники и электроники, предусмотренных Государственными образовательными стандартами высшего профессионального образования [2,3].
В состав разработанного учебно-методического комплекса входят следующие материалы:
рабочая программа дисциплины;
аннотированный список литературы, рекомендуемой студентам для изучения дисциплины;
конспект лекций;
презентации, предназначенные для демонстрации преподавателем во время чтения лекций;
сборник задач по электротехнике;
методические указания к контрольной работе по электротехнике;
методические указания к домашней работе по электротехнике;
методические указания к лабораторным работам;
контрольные задания (тесты);
материалы для итогового контроля.
Рабочая программа составлена в соответствии с государственным образовательным стандартом и учебными планами направления и включает цели и задачи дисциплины, перечень формируемых компетенций и
Секция 2
требования к усвоению материала, трудоемкость по видам учебной работы, содержание дисциплины, перечень лабораторных работ, список рекомендуемой литературы, сведения о программно-информационном и материально-техническом обеспечении дисциплины, методические рекомендации по организации изучения дисциплины, перечень тем практических занятий и домашних работ, контрольные вопросы для подготовки к зачету и экзамену.
Аннотированный список литературы, рекомендуемой студентам для изучения дисциплины, включает 52 источника. Этот список в отличие от аналогичного списка в рабочей программе включает источники, которые по формальным соображениям не могут быть включены в рабочую программу, но будут полезны при изучении дисциплины.
Конспект лекций по дисциплине состоит из двух частей. Часть 1 («Электротехника») предназначена для изучения в третьем семестре, а часть 2 («Электроника») – для изучения в четвертом семестре. Каждая часть конспекта структурирована по разделам дисциплины и снабжена подробным оглавлением, что удобно при сетевом размещении конспекта и облегчает поиск нужного материала. Последовательность изучения дисциплины жестко задается оглавлением. Текст конспекта не содержит гиперссылок. Это сделано сознательно, так как гиперссылки могут увести обучаемого от оптимальной последовательности изучения материала. Свобода выбора последовательности изучения материала в данной дисциплине совершенно неуместна.
Презентации предназначены для демонстрации преподавателем во время чтения лекций и включают 40 файлов в Microsoft Power Point, по числу лекций. Содержание презентаций соответствует содержанию конспекта лекций. Наличие конспекта лекций позволило свести к минимуму текстовую часть презентаций.
Сборник задач предназначен для использования преподавателем при проведении практических занятий по электротехнике. Задачи, выносимые на практические занятия, подобраны таким образом, чтобы не только закрепить теоретические знания по электротехнике, но и продемонстрировать некоторые идеи, имеющие практическое значение в электротехнике и электронике. Например, задача о средневыпрямленном и действующем значении гармонического колебания позволяет познакомить студентов с однополупериодным и двухполупериодным выпрямителем. Задача о напряжении на емкости, через которую протекает периодический ток прямоугольной формы, демонстрирует принцип формирования пилообразного напряжения, а задача о токе через индуктивность, к которой приложено периодическое напряжение прямоугольной формы, демонстрирует принцип формирования пилообразного тока. Задачи о резистивном, индуктивном и емкостном делителе напряжения показывают, как можно сделать частотно-независимый делитель напряжения, широко используемый в измерительной технике. К сожалению, практические занятия
199