Вихристюк Олексій Вікторович

 

«ВИКОРИСТАННЯ КОМП’ЮТЕРНОГО СЕРЕДОВИЩА СХЕМОТЕХНІЧНОГО МОДЕЛЮВАННЯ NI MULTISIM ПРИ ПІДГОТОВЦІ ТА ПРОВЕДЕННІ ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧНИХ РОБІТ З ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ ТА ФІЗИКИ В ЗАКЛАДІ ПРОФЕСІЙНОЇ ОСВІТИ»

Вихристюк Олексій Вікторович

викладач математики та фізики

Регіональний центр професійної освіти імені О.С. Єгорова

м. Кропивницький, Кіровоградська область

Анотація. У даній статті розкрито деякі теоретичні та практичні аспекти з використання  комп’ютерного середовища схемотехнічного моделювання NI Multisim під час практичних та лабораторних занять у системі професійно-технічної освіти.

Автором опрацьовано літературні джерела за темою роботи.

Матеріал статті може бути цікавим для викладачів фізики та електротехніки закладів професійної (професійно-технічної) освіти.

Ключові слова: схемотехнічне моделювання; електронний засіб навчання; електронний освітній ресурс; інформаційні технології; віртуальна лабораторія; освіта.

У сучасному освітньому просторі, під впливом глобалізації та становлення інформаційного суспільства особливого значення набуває впровадження в навчальний процес електронних освітніх ресурсів, завдяки чому освіта стає ще доступнішою.

Зокрема, такі технології, як «хмарні обчислення» у поєднанні з традиційними формами навчання, є новим, економічно вигідним та ефективним етапом розвитку освіти.

Використання хмарних технологій на уроках фізики, безумовно, покращує навчальний процес, оскільки вони зацікавлюють учнів, змушують нестандартно мислити, самостійно шукати відповіді на питання та шляхи розв'язання проблем.

Характерною особливістю сучасного освітнього процесу у є стрімке зростання ступеня його комп’ютеризації та використання інформаційно-комунікаційних технологій як засобів навчальної діяльності. Мережа Інтернет та нове програмне забезпечення дозволяють перетворити ЕОМ на гнучкий та потужний засіб отримання та накопичення знань й одночасно на ефективну систему контролю успішності навчальних досягнень.

В.В. Коломенська та М.В Галкіна зазначають, що використання сучасних інформаційних технологій в навчанні значно розширює можливості щодо підвищення інформативності навчального матеріалу, його наочності і доступності. На їх думку це певною мірою позначилося на організації лабораторного експерименту, можливості якого значно збільшилися завдяки використанню комп’ютера за такими основними напрямками:

1) використання комп’ютера та спеціального програмного забезпечення для модельного експерименту;

2) використання комп’ютера у системі з відповідним обладнання для проведення натурного експерименту;

3) використання комп’ютера і програмних засобів загального призначення (MathCad, Mathematica, Matlab, Statgraph тощо) для математичного опрацювання результатів вимірювань [7, 19].

Більшість методистів схильні вважати, що застосування комп’ютера має сенс в тих випадках, коли експеримент неможливо провести в лабораторних умовах. Це можуть бути великі розміри установки, необхідність використання коштовних матеріалів та приладів, а також матеріалів, що є шкідливими для здоров’я людини та ін..

Останнім часом в освітньому просторі набув поширення феномен «віртуальна лабораторія» [1]. Виникла необхідність створення лабораторних робіт, де в якості “експериментальної установки” використовується персональна ЕОМ. В такому випадку пропонується використовувати комп’ютерну моделюючу програму, що являтиме собою мінілабораторію для індивідуальної роботи учня з комп’ютерною моделлю фізичного явища.

Програмно-апаратні можливості комп’ютерної техніки дозволяють ефективно застосовувати ЕОМ у навчальному експерименті, зокрема при вивченні дисциплін: «Електротехніка», «Фізика», «Основи електроніки», «Основи енергоефективності» тощо.

Крім безпосередньо ЕОМ, в своїй роботі, викладач фізики та електротехніки може використовувати спеціально створене програмне забезпечення, яке організовує зміну параметрів моделі чи схеми та унаочнює у вигляді графічного відображення відповідні процеси на екрані комп’ютерного монітора. На сьогодні є значна кількість таких програмних продуктів: Micro-Cap, NI Multisim, OrCAD, Protel, P-CAD тощо. Ряд із них включає в себе фіксовану кількість конкретних моделей, але є й такі, що дозволяють користувачеві створювати свої власні моделі, задавати їхнім елементам довільні параметри та характеристики, керувати їхньою роботою.

До таких засобів відноситься, зокрема, комп’ютерне середовище схемотехнічного моделювання NI Multisim [1]. Це програмне забезпечення можна використовувати як для вивчення електро- та радіо- технічних дисциплін, так і для розгляду питань електромагнітних явищ із загальної фізики. Тобто, це досить складний та універсальний програмний продукт. Можливості використання даної програми ми описували в статті [3] на сайті formula.kr.ua, де ми дали більш детальну інструкцію з створення конкретних електричних схем, використання вимірювальних приладів тощо.

NI Multisim дозволяє створювати та редагувати моделі принципових електричних схем пристроїв, розраховувати режими роботи моделей, проводити їхній аналіз та представляти дані у зручній для подальшої роботи формі. Програма містить велику кількість електричних компонентів. Також передбачена можливість поповнення бібліотеки власними елементами. Особливістю цієї системи схемотехнічного моделювання є наявність контрольно-вимірювальних приладів, що за зовнішнім виглядом та характеристиками наближені до їх апаратних аналогів.

У середовищі NI Multisim віртуальні прилади включаються у віртуальну схему. Процес проходження струму в колі, робота вимірювальних приладів симулюється. А тому програмні засоби такого типу часто називаються симуляторами.

Інтерфейс симулятора NI Multisim складається з головного меню, панелі інструментів, на якій також розміщені бібліотека компонентів, лінійка контрольно-вимірювальних приладів та робочої області. Компоненти можна розташовувати на «робочому столі», перетягуючи за допомогою миші. Натиснувши лівою кнопкою миші на «контакті» одного елемента, підвівши курсор до «контакту» іншого та відпустивши кнопку, можна сполучити ці «деталі» віртуальним провідником. У такий спосіб користувач може легко скласти електронну схему, до якої аналогічно можна підключити необхідні вимірювальні прилади. Увести або відредагувати параметри того чи іншого елементу схеми можна подвійним натисканням лівої кнопки миші після наведення її на відповідний компонент. У меню, що з’явилося, закладка Label служить для написання позначення елементу, Value - для введення значень компонентів. Тобто, даний програмний продукт має зручний, інтуїтивно-зрозумілий інтерфейс для користувача. NI Multisim має можливість збереження зображення зібраної схеми для подальшої роботи, наприклад, складання звіту проведеної лабораторної роботи, або збереження окремих частин схеми (підсхем) з можливістю їхнього подальшого неодноразового використання при моделюванні ряду інших складних задач.

Приклад схеми для перевірки законів Кірхгофа, складеної у середовищі NI Multisim, показано на рис. 1.

Рис. 1. Схема електричного кола з послідовним з’єднанням споживачів струму

Отже, використання моделей, створених за допомогою спеціального комп’ютерного середовища, є не складним завданням. Подібні симулятори роблять «доступними» такі складні та дорогі прилади, як генератор сигналів, осцилографи, аналізатори спектрів та ін. Причому, окрім безпосередньо комп’ютера та програмного забезпечення жодне додаткове обладнання більше не потрібне. Проте, крім такого переліку позитивів, слід мати на увазі, що модель, створена у найдосконалішій віртуальній лабораторії, - це лише комп’ютерна імітація реальних явищ та об’єктів. Об’єктами ж вивчення мають бути реальні явища, а підміна їх абстрактними поняттями й символами за недостатньої бази спостережень і досвіду нерідко веде до згубного формалізму, коли за удаваними знаннями відсутня їх сутність.

У процесі вивчення навіть складних схемотехнічних дисциплін роботі принаймні з рядом простих реальних електричних кіл має передувати робота з моделями. Перетворення навчального експерименту з областей електро- та радіотехніки в набір модельних імітацій може призвести до формування неправильного уявлення учнів про методи формування електричних сигналів, їх перетворення, обробку, про методи та інструменти досліджень.

Більшість методистів стверджують, що використання комп’ютерного моделювання виправдане лише в тому випадку, якщо експеримент, що моделюється, з об’єктивних причин (складність, небезпечність, висока ціна матеріалів) не може бути проведений у навчальному закладі.

З іншого боку, які б не були досконалі програми-симулятори, - вони працюють з ідеалізованими моделями реальних елементів, що може призвести до відображення на вимірювальних приладах хибних результатів.

Окрім моделювання складних електричних кіл під час проведення лабораторних та розрахунково графічних робіт програмне середовище N1 Multisim зручно використовувати для експрес-перевірки параметрів електричних кіл, які учні розраховують теоретично на практичних заняттях.

Виконання практичних чи лабораторних робіт вимагає від учня творчої ініціативи, самостійності у прийнятті рішень, глибокого знання і розуміння навчального матеріалу та відіграють важливу роль в експериментальній підготовці.

У ПТНЗ лабораторні  та практичні заняття займають проміжне положення між теоретичним і виробничим навчанням. При цьому з одного боку, досягається закріплення й удосконалювання знань учнів, а з іншого боку - у них формуються визначені професійні вміння, що потім застосовуються в процесі виробничого навчання та професійній діяльності.

Лабораторна робота, як форма організації освітнього процесу, найбільш повно реалізує розвиваючі задачі навчання. Вона сприяє формуванню вмінь і навичок учнів, учить їх планувати свою діяльність і здійснювати самоконтроль, ефективно формує пізнавальні інтереси, озброює різноманітними способами діяльності.

Із досвіду роботи з використанням віртуальних лабораторних робіт можна зробити такі висновки: ефективність засвоєння інформації здобувачами освіти значно підвищується; впровадження інформаційних технологій робить навчальний експеримент більш цікавим і сучасним; є можливість збільшити кількість завдань, тим самим поглиблюється вивчення фізичних явищ за рахунок економії часу; збільшується роль міжпредметних зв’язків (електротехніка – фізика – інформатика – математика) [5, 34].

Основні переваги використання віртуальних лабораторних робіт:

1.  Економія часу. Робота в реальній фізичній лабораторії потребує значних затрат часу на підготовку до експерименту, тоді як комп’ютерна лабораторна робота відразу ж після запуску готова до роботи.

2.  Достовірність результатів. В природі не існує абсолютно однакових елементів, тобто всі реальні елементи мають значний розподіл значень, що призводить до виникнення похибок під час експерименту. В комп’ютерній лабораторній роботі всі елементи описуються чітко встановленими параметрами, тому кожного разу під час проведення експерименту буде встановлено результат, який визначається тільки параметрами елементу та алгоритмом розрахунку.

3.  Зручність виконання вимірювань. Проводячи звичайний лабораторний експеримент, можна допустити певні помилки, як в процесі збирання установки так і під час вимірювань. Завдяки комп’ютерному лабораторному експерименту можна не боятись поломки обладнання, ураження струмом, також перед користувачем відкриваються можливості працювати з обладнанням, що за звичайних умов може бути не доступним.

4.  Графічні можливості. Часто в процесі експерименту необхідно збирати складні електронні схеми, що можуть займати досить багато місця, їх зображення намагаються зробити як можна компактними, це може призвести до помилок під час підключення провідників до елементів кола. В комп’ютерній лабораторній роботі можна створити умови, щоб добре було видно всі з’єднання провідників і одночасно всю схему. Є можливість побудови графіків, що дозволяє виконавши дослід відразу ж проаналізувати результати та зробити відповідні висновки [6, 79-80].

Отже, в умовах недостатньої кількості сучасного лабораторного обладнання та необхідності значних капіталовкладень для створення та утримання нових лабораторій у навчальних закладах, функціонування віртуальної лабораторії видається можливим способом проведення наочних демонстрацій або лабораторних робіт, пов’язаних із вивченням розрахунку електричних кіл та процесів перетворення у них сигналів. Проте, для того, щоб об’єктом вивчення під час навчання не стали виключно комп’ютер та встановлене на ньому програмне забезпечення, ЕОМ доцільно доповнювати реальною апаратною частиною, що дозволяє використовувати його не лише для роботи програм-симуляторів.

Використання програм-емуляторів вимірювальних приладів, які дозволяють візуалізувати певним чином перебіг реальних процесів формування та перетворення електричних сигналів на екрані монітора, проводити вимірювання параметрів електричних кіл та здійснювати їх аналіз є дещо складнішим з точки зору реалізації, але ефективнішим напрямком розвитку віртуальної лабораторії.

Список використаної літератури

1. Офіційний сайт компанії NI. [Електронний ресурс]. – Режим доступу:  http://www.ni.com/multisim/ (дата звернення 09.01.2022)

2. Хоменко О.В. Хмарні технології на уроках фізики/ О.В. Хоменко [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://informatika.udpu.edu.ua/?page_id=2032  (дата звернення 09.01.2022).

3. Вихристюк О.В. Використання віртуальної лабораторії Multisim/ О.В. Вихристюк [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://formula.kr.ua/skarbnichka/vykorystannia-virtualnoi-laboratorii-multisim.html (дата звернення 08.01.2022).

4.       Денисенко О.І. Застосування компютерної техніки при викладанні фізики//Теорія та методика навчання математики, фізики, інформатики: Збірник наукових праць: В 3-х томах. – Кривий Ріг: Видавничий відділ НацМетАУ, 2001. – Т. 2: Теорія та методика навчання фізики. – с.108-110.

5.  Лучицький Р.М., Рувінський Б.М., Нижникевич В.В. Віртуальний лабораторний практикум для спецкурсу “Фізика твердого тіла”// Комп’ютерне моделювання в освіті / Матеріали Всеукраїнського науково-методичного семінару: Кривий Ріг, 26 квітня 2006 р. – Кривий Ріг: КДПУ, 2006. – С. 33-34.

6.       Барановський В.М., Васильківський С.Ю, Грищенко С.М. Оптимізація лабораторного практикуму з фізики в умовах кредитно-модульної системи за допомогою інформаційних технологій//Теорія та методика навчання математики, фізики, інформатики: Збірник наукових праць. Випуск VI: В 3-х томах. – Кривий Ріг: Видавничий відділ НМетАУ, 2006. – Т. 2: Теорія та методика навчання фізики. – с.79-83.

7.       Коломенська В.В., Галкіна М.В. Використання комп’ютерного експерименту для вивчення властивостей газу Ван-дер-Ваальса// Комп’ютерне моделювання в освіті / Матеріали Всеукраїнського науково-методичного семінару: Кривий Ріг, 26 квітня 2006 р. – Кривий Ріг: КДПУ, 2006. – С. 19-20.