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.