Віртуальний практикум з курсу "Електротехніка та електроніка" для майбутніх педагогів професійної освіти

The realization of virtual experiment for individual work of students who have the speciality “ Professional education” in a process of preparation end fulfilment of laboratory works on couse “Electrical Engineering and electronics” were scientifiely substartionted in this article.

The claims to virtual experiment, combination of real and virtual experimental and theoretical methods of cognitation were analysed in it.

Keywords: experiment, electrical, electronics, information technologis, virtual workshop.

Виклад основного матеріалу

Інформаційні технології є невід'ємною складовою життєдіяльності держави, суспільства, людства і значною мірою визначають подальший соціальний, економічний та політичний розвиток. Комп'ютерні технології все більше впроваджуються у навчальний процес. Цей процес є логічним, природним, але в деякому сенсі неоднозначним і багато в чому - ще й суперечливим. Сьогодні використовуються два види лабораторних практикумів: на реальному обладнанні і віртуальний практикум. В умовах стійкої тенденції до зменшення обсягу аудиторних занять, недостатньою забезпеченістю ВНЗ сучасним лабораторним устаткуванням доцільним є використання віртуального лабораторного практикуму.

Питання розробки та використання віртуальних практикумів у навчальному процесі ВНЗ широко обговорюються вітчизняними та зарубіжними науковцями і практиками. Лабораторні практикуми для дистанційного вивчення загальнотехнічних дисциплін описані у працях Л. Б. Гаспарової, Є. В. Панишевої, Д. І. Троїцького, особливості розробки віртуальних практичних інтерактивних засобів розглядаються у працях П. П. Мазур, С. С. Петровського, М. Л. Яновського, О. В. Калашник,

Л. В. Поліщук та ін. Існують різні думки щодо використання віртуальних практикумів у навчальному процесі. Одні вчені вважають, що реальний експеримент має суттєво поступитися його віртуальній моделі. Переважна більшість педагогів практиків вважає оптимальним поєднання віртуального і реального експерименту. Ряд педагогів застосовують у процесі виконання лабораторних робіт готові програми, які переважно розроблені зарубіжними авторами, інші розробляють моделі лабораторного експерименту самостійно. Погоджуючись з тим, що віртуальний лабораторний практикум не може бути альтернативою роботи на реальному лабораторному обладнанні, слід вважати, що реальний експеримент має доповнюватися віртуальними дослідженнями. Інша річ оптимальне співвідношення між реальним і віртуальним експериментом. Лабораторні роботи з електротехніки мають значний потенціал щодо встановлення такого оптимального співвідношення. Адже основною метою лабораторної роботи в даному випадку є не навички роботи з обладнанням, а визначення характеристик і залежностей. За допомогою адекватної віртуальної моделі експерименту студент зможе отримати точно такі ж дані, як і при виконанні реального експерименту. Відмінність полягає тільки в тому, що студент не отримує практичних навичок збирання електричних схем.

Сьогодні є великий вибір програмного забезпечення для створення віртуальних моделей для лабораторного експерименту, готових моделей окремих лабораторних робіт або цілих віртуальних лабораторій з електротехніки. На перший план виходить проблема використання віртуальних лабораторних практикумів у певній методичній системі, яка буде ґрунтуватися на оптимальному поєднанні реального і віртуального експерименту, що дозволить студентам засвоїти необхідні компетенції щодо дослідження динаміки процесів у електричних колах за умови зміни певних параметрів або порушень режимів роботи.

Метою статті є актуалізувати й описати методику проведення лабораторного практикуму, який передбачає запровадження віртуальних лабораторних робіт з електротехніки у процесі організації самостійної роботи студентів.

Поняття “віртуальна лабораторна робота”, як і сама доцільність її використання в навчальному процесі, є об'єктом постійних дискусій у освітянському середовищі. Віртуальна лабораторна робота в першу чергу повинна адекватно відображати реальний об'єкт дослідження, мати зрозумілий інтерфейс і спонукати студента до вияву творчості у самостійній діяльності. З визначенням Д. І. Троїцького, який описує віртуальну лабораторну роботу як інформаційну систему, що інтерактивно моделює реальний технічний об'єкт і його істотні для вивчення властивості із застосуванням засобів комп'ютерної візуалізації. При цьому віртуальний лабораторний практикум, з одного боку, є предметно-орієнтованою системою, а з другого, повинен забезпечувати реалізацію особистісно- діяльнісного підходу до організації навчання електротехніки і опосередкованого інтерактивного зв'язку “студент-викладач”. Але віртуальний лабораторний практикум має й суттєві переваги у порівнянні зі звичайним натурним. По-перше, він є універсальним: на комп'ютері можна виконувати практикум практично з будь-якої дисципліни. Натурний практикум є вузькоспеціалізованим: фізика, електротехніка, опір матеріалів тощо, для яких потрібні приміщення, обслуговуючий персонал. Тобто економічні переваги проявляються у зменшенні витрат на придбання фактично унікальних пристроїв, раціональному завантаженні навчальних площин та обслуговуючого персоналу. До інших переваг можна віднести:

- можливість виконання студентом лабораторного практикуму при проведенні його не тільки в аудиторії (у відповідності до робочої програми, тобто за планом), але й поза аудиторних занять. Наприклад, під час самостійної роботи, як дома, у гуртожитку, так і в навчальних аудиторіях, використовуючи як власний комп'ютер, так і електронно-обчислювальні засоби навчального закладу.

Такий варіант найбільш доцільний в таких випадках: а) для студентів заочної формі навчання або денної на філіях навчального закладу, де відповідна матеріально-технічна чи лабораторна база відсутня; б) при необхідності перевести студента по тим чи іншим причинам (наприклад, якщо він захворів, виникненні карантину, бажанні більш глибокого вивчення дисципліни і т.д.) на самостійну роботу, яка зараз стає практично основною формою навчання. При виконанні віртуального лабораторного практикуму:

- не потрібні вимірювальні прилади та досліджувані пристрої, що можуть коштувати занадто дорого. Похибку визначення параметрів, властивостей та погрішностей, що виникають при дослідженні характеристик пристроїв, завдяки моделюванню на комп'ютері можна зробити достатньо малими;

- термін часу, що потрібен студентові на виконання роботи на комп'ютері є меншим, ніж час, що потрібен йому для того, щоб скласти досліджуваний реальний пристрій. Витрачений при моделюванні на комп'ютері час є меншим, ніж потрібний на виконання експериментальних дослідів;

- при виконанні роботи можна створити умови, ситуацію, які при дослідженні реального кола, пристрою досягти й реалізувати неможливо або дуже складно. Наприклад, виникнення короткого замикання в будь-якій вітці досліджуваного кола, силовому трансформаторі. Отож, за час виконання лабораторної роботи можна вивчити й проаналізувати значно більшу кількість режимів роботи, в тому числі й аварійних, які неможливо реалізувати в реальних умовах, але які можуть виникнути. Викладач в певній мірі звільнюється від контролю проміжних математичних розрахунків й результатів, що виконують чи отримують студенти, маючи можливість сконцентрувати свою увагу на принципових моментах дослідження: аналізі допущених ним помилок, трактуванні та практичному використанні законів. Суттєвою перевагою є те, що помилки, які звичайно, як правило, допускає студент при виконанні роботи, не впливають і не знешкоджують реальні пристрої чи прилади. Наприклад, студент невірно встановив межу вимірювання приладу, чи помилково утворив коротке замикання, виконуючи комутацію у вітці кола. Комп'ютерні технології реалізують інтерактивний режим, що дозволяє забезпечити зворотний зв'язок зі студентом: зробити йому підказку, застереження при виникненні утруднень, показати, до чого приведе помилка, яку він допустив.

Комп'ютерний лабораторний практикум дозволяє продемонструвати сутність складних внутрішніх фізичних процесів, що мають місце в електричних машинах, приладах, пристроях, причому в динаміці. Наприклад, наочно показати принцип дії електричних машин, рух основних і неосновних носіїв заряду в напівпровідниках, зміни ширини забороненої зони в залежності від характеру внесеної у напівпровідник домішки, зменшення чи збільшення потенціального бар'єру при проходженні прямого чи зворотного струму крізь р-п перехід тощо. При наявності обох практикумів студенти мають можливість паралельно та практично одночасно виконати роботи на “віртуальному” й фізичному стендах частковий (за навчальною програмою) чи повний об'єм лабораторних робот з навчальної дисципліни, що приведе до більш міцній виробці необхідних навичок та вмінь.

Поряд з суттєвими перевагами віртуальний лабораторний практикум має й свої недоліки. Вони полягають в наступному. По перше, віртуальна модель як правило, вважає реальні елементи (котушки індуктивності, конденсатори, резистори), прилади (амперметри, вольтметри, ватметри тощо), які входять до складу складного пристрою чи кола, ідеальними. Вона не враховує їхні інші властивості (паразитні параметри): внутрішній опір джерела, власну індуктивність та ємність реального резистора, вплив скін- ефекту на опір провідників, втрати енергії в котушках індуктивності та конденсаторах. По-друге, іноді неможливо визначити допустимість використання тієї чи іншої моделі для отримання необхідної точності. Наприклад, при дослідженні характеристик, визначенні параметрів електричних машин (двигунів та генераторів). В дослідженнях, вимірюваннях, як правило, використовують ідеальні прилади, які не мають погрішностей. Відсутні такі поняття, як номінальні параметри джерел живлення та навантаження, трансформаторів, електричних машин тощо. По-третє, відсутні обмеження при виборі параметрів електричного кола, чого ніколи не буває на практиці.

Таким чином, лабораторний практикум на сучасному етапі не бажано повністю переводити на віртуальний характер. Бажано, хоча б одну-дві роботи виконувати на реальному обладнанні. Ще більш доцільним було б, коли лабораторний практикум складався з віртуальної та реальної частин (симбіоз). Така технологія виконання роботи знешкоджувала, зменшувала основний недолік, що притаманний віртуальній частині. Саме там, де найбільш доцільно студент виконує віртуальну частину роботи. Але, щоб виробити навички роботи з реальним обладнанням, він іншу частину виконує з реальними пристроями, приладами. Але тримати спеціалізовані лабораторії, щоб виконати 2-3 роботи, недоцільно. Отож, спеціалізовані лабораторії треба уніфіковувати.

Висновки

Створення універсальних комп'ютеризованих віртуальних лабораторних комплексів на основі єдиного підходу з відповідним методичним забезпеченням, системою тренінгу і контролю знань дозволяє організувати ефективний лабораторний практикум по циклах електротехнічних дисциплін і тим самим вирішити дану задачу в достатньо короткі терміни з якнайменшими фінансовими витратами. Доцільністі і ефективність створення комплексів обумовлена тенденцією зростання обсягу самостійної роботи студентів з одночасним зменшенням кількості аудиторних занять, недостатньою кількістю, а іноді, і відсутністю сучасної технічної літератури з дисциплін, необхідністю матеріальних витрат на організацію традиційного лабораторного практикуму. Крім того, запропоновані комплекси безумовно є корисними для заочної та дистанційної форм навчання.

Перспективи подальших досліджень. Практичний досвід використання віртуального лабораторного практикуму дає підстави для висновку, що віртуальний експеримент не дає можливості отримати навички роботи з реальними електричними колами і вимірювальними прикладами, і перевага в навчальному процесі має віддаватися реальному експерименту. Проте використання віртуальних лабораторних практикумів у процесі навчання студентів як заочної, так і денної форм, дозволяє розширити коло завдань, забезпечити можливість випробовувати різні режими роботи електричних схем, досліджувати особливості роботи електричних кіл, і, що найголовніше виконувати все це дистанційно.

Використана література