Методические аспекты применения компьютерной графики в виртуальных лабораторных работах

Ю. И. Чони,
доцент,
канд. тех. наук.
 Ф.Х. Миннуллин,
 студент,
г. Казань

Внедрение компьютерных средств в учебный процесс повышает эффективность и качество в первую очередь тех видов учебных занятий, которые связаны с усвоением информации, контролем знаний, укреплением навыков решения задач. Специфика технических дисциплин и вообще прикладных наук во многом определяется необходимостью формирования ясных представлений о физических явлениях и умений практической деятельности с соответствующими устройствами и приборами. Поэтому лабораторный практикум, основанный на физических экспериментах – неотъемлемая часть традиционного учебного процесса в технических вузах.

Замена лабораторных работ (ЛР) математическим моделированием теоретических закономерностей с выводом графиков на экран, замена, отгораживающая студента от реальной природы, замена, не развивающая навыков взаимодействия с техникой, многими преподавателями и активными студентами оценивается как ущербный путь. К их числу принадлежат и авторы доклада. Однако, эффективное применение различного рода тренажеров для пилотов, операторов и представителей подобных профессий дает повод для сомнений: «быть может иногда можно ?». Тем более, что вуз готовит прежде всего специалистов по проектированию и производству техники, а не для ее эксплуатации, следовательно, реальное присутствие лицевых панелей приборов, рычагов, педалей и т.п. полезно, но не строго обязательно.

Приемлемый способ компьютеризации ЛР должен основываться на более или менее детальной имитации оборудования, входящего в состав лабораторной установки. Для этого, используя графические возможности современных компьютеров и программных средств, необходимо

-      воссоздать на экране в достаточной полноте внешний вид используемых в установке устройств, приборов, механизмов и конструкций;

-      воспроизвести соответствующую реакцию оборудования на те или иные воздействия: приборы должны включаться, выключаться, мигать, их индикаторы оживать и показывать измеряемые величины; механизмы должны запускаться, приходить в движение, действовать как настоящие; все это может сопровождаться реальными звуками;

-      предоставить студенту возможность с помощью курсора нажимать на кнопки приборов, вращать ручки настройки, осуществлять коммутацию или соединение входов и выходов, перемещать зонды, двигать платформы, запускать механизмы и т.д. и т.п.

Конечно любая компьютерная имитация – это всего лишь имитация, но зато каждый студент может самостоятельно "собрать" установку; работать индивидуально, а не в бригаде из 3 ¸ 5 человек; выполнять все манипуляции, необходимые для проведения эксперимента (включать, калибровать, настраивать приборы, запускать механизмы); задавать параметры, влияющие на ход эксперимента; наблюдать, регистрировать и оценивать результаты. Более того, в ЛР может быть введен игровой аспект: кто скорее, кто точнее, кто экономичнее.

Эти принципы реализованы средствами Delphi7 в виртуальной ЛР "Поляризация электромагнитного поля". Информационно-познавательная часть работы демонстрируется рисунком 1. Наблюдаются мгновенные значения вектора напряженности электрического поля E(t) эллиптической поляризации при варьировании компонент поля.

рис. 1  Абстрактный формирователь поля плоской волны

Любознательные студенты могут, щелкнув соответствующую клавишу, наблюдать фигуры Лиссажу, возникающие при сложении компонент не одинаковой частоты (рис. 2). Программно имитируется экран осциллографа с управляемой длительностью послесвечения δ. Изменяя соотношение частот и δ, можно получить орнамент по своему вкусу и обсудить с преподавателем динамические особенности "извивающейся змейки". Являясь познавательно-развлекательным моментом, это отступление от основного русла ЛР играет полезную в психологическом отношении роль.

рис. 2  Фигуры Лиссажу

Экспериментальная часть лабораторной работы стартует с ситуации представленной на рисунке 3: имеется формирователь поля и салон устройств, приборов и элементов. Студенту надо, во-первых, выбрать подходящее оборудование и приборы, во-вторых, собрать установку, соединив устройства и подключив приборы, наконец, выполнить эксперимент.

Рисунок 4 иллюстрирует вариант собранной установки в процессе измерения поляризации (сигнал от вращающегося зонда записывается на самописец). Выход/вход любого прибора или устройства выглядит квадратиком у его границ, а программно представлен классом Port[1], содержащим его экранные координаты, информацию о соединениях, сигналах и т.п. На выходе включенного прибора действует преобразованный сигнал со входа плюс шум, не включенного – ноль.

Студент по своему разумению мышкой прокладывает соединительные кабели между портами. В соответствии с этим порты будут обмениваться сигналами, а потому установка "работает" именно так, как она собрана (иногда неверно).

рис. 3  Старт лабораторной работы

рис. 4  Процесс измерений (осциллограф не подключен и работает в режиме калибровки)

Рисунками 5 – 7 иллюстрируется ЛР по измерению направленности антенн. В безэховой камере на поворотной сойке размещается коллиматор в виде длинного рупора с плосковыпуклой диэлектрической линзой (окрашена бежевым цветом) и с детекторной секцией у начала.

рис. 5  Установка для антенных измерений

рис. 6  Измерение ДН рупора

При вращении стойки измеряется уровень сигнала, принимаемого от распложенного сзади облучателя, и тем самым диаграмма направленности (ДН) испытуемой антенны. Студент решил для аккуратных измерений использовать цифровой вольтметр, а для наглядности результатов рисовать ДН с помощь самописца. На рис. 5 самописец еще не включен и бумага не протянута. Показания вольтметра флуктуируют из-за шумов, но на рисунках этот эффект не просматривается.

Размещая в раскрыве рупора маску из фольгированного диэлектрика, в фольге которого выполнено отверстие, изменяющее форму и размеры апертуры, или щели, образующие антенную решетку, можно исследовать характеристики разнообразных типов антенн. Эта идея была высказана проф. Седельниковым Ю. Е. и им же воплощена в антенной лаборатории Казанского технического университета. На рис 7 зафиксирован момент измерения ДН решетки из трех щелей, расположенных с интервалом 1.5 λ. Хорошо наблюдаются интерференционные лепестки.

рис. 7  Измерение ДН решетки из трех щелей

Сложности поддержания упомянутой учебной установки в хорошем техническом состоянии побудили авторов разработать ее компьютерный вариант, который предполагается дополнить обучающим модулем и модулем тестирования. Опыт разработки свидетельствует о желательности повышения быстродействия и привлечения более мощных графических средств.



[1] type signl = record vid: char {P,G,V,R,N - пост.,гармоника,импульсы видео, радио, шум };

           A,f,tau,Tp: double {параметры сигнала}; PA: ^double;  {указатель на переменную}  end;

type Port = class(TObject)  {все о портах и их сигналах}

       Name: string[5I; I, He: byte {номера свой "Я" и связанный со мной "Он"};

       Track:trck  { номера цепочки портов выходов подключенных блоков};

       x,y: integer   { экранные координаты центра порта };    Vihod: boolean  { выход/вход};

       TransA: Pfunc { указатель (имя) функции блока : Ekw, Kw, Lin, Ku и т.д.} ;

       S:signl{сигнал};    readA: function(p:Port):double {функция считывания сигнала };

     end;