КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ТЕСТИРОВАНИЕ

ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ ПРИ ИЗУЧЕНИИ КУРСА

 ФИЗИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Максимов А. В.

Череповецкий государственный университет,

162600 Череповец, пр. Луначарского, 5, E - mail: a_v_maximov@mail.ru" style="color:blue;text-decoration:underline">a_v_maximov@mail.ru

       При изучении курса электрорадиотехнических дисциплин в Вузах обычно используются традиционные методы проведения лабораторных практикумов с применением различных аппаратно-технических средств: лабораторных стендов и готовых макетов, электроизмерительных приборов и пр. В настоящее время в учебных заведениях как высшей, так и образовательной школы вследствие недостаточного финансирования далеко не всегда имеется возможность приобретения современного дорогостоящего лабораторного оборудования для проведения лабораторных занятий и спецпрактикумов по различным разделам физической электроники (электро- и радиотехнике, автоматике и основам вычислительной техники). При всеобщей компьютеризации учебного процесса проблема его приобретения довольно часто решается в пользу компьютерной техники. Поэтому, чтобы решить большую часть этих проблем, необходимы специальные методики и программы, направленные на обучение студентов указанным дисциплинам с использованием современных компьютерных технологий. С основными принципами  компьютерного моделирования радиоэлектронных устройств будущие специалисты-физики должны ознакомиться уже в процессе обучения в вузе.

          Без математического моделирования и компьютерных методов проектирования и тестирования электронных схем ввиду сложности и трудоемкости выполняемых работ практически невозможно обойтись при разработке и изучении современного радиоэлектронного оборудования,  требующего высокой точности монтажа и глубокого анализа. Анализ возможностей использования специальных компьютерных программ для выполнения этих задач приводит к выводу о возможности использования программных средств при разработке и анализе радиоэлектронных устройств, получивших в последнее время широкое распространение [1]. Такие средства обладают стандартным, интуитивно-понятным интерфейсом, даже если он является англоязычным, и поэтому требуют минимум времени для их освоения. Кроме того, в отличие от специально разработанных учебно-обучающих  программ, такие программные комплексы позволяют сделать сопоставление с результатами обычного (натурного) эксперимента. Они обладают более широкими возможностями, приучая студентов к самостоятельной работе в процессе обучения, и позволяют им не только получать представления о современных средствах разработки электронных устройств, но и развивать собственный творческий потенциал.

Математическое моделирование электронной схемы начинается с ввода в компьютер информации (баз данных и др.) об электронных приборах (или элементах и компонентах интегральных схем) и способе их соединения. При использовании современных систем схемотехни­ческого моделирования, оснащенных специальными про­граммами (так называемыми графическими редакторами), ввод указанной информации приводит к построению на дисплее ПК принципиальной электрической схемы моделируемого устройства с возможностью выбора типов и параметров электронных приборов. По указанному типу прибора программа система моделирования обращается к соответствующей математической модели прибора, которая и виртуально заменяет  прибор, изображенный на схеме. Математическая модель прибора – это совокупность математических выражений, описывающих элементы его эквивалентной схемы. После заме­ны каждого прибора его эквивалентной схемой образуется математическая модель всего электронного устройства, т. е. совокупность математи­ческих уравнений, описывающих элементы этой эквивален­тной схемы и процессы, происходящие в ней. Современные программные системы (Micro-CapV, Design Center 6.2 и др [1-3]) позволяют автоматически мо­делировать как статический, так и динамический режимы работы практически любого электронного устройства.

В данной работе была поставлена задача показать, как можно добиться интенсификации и повышения качества обучения за счет сокращения времени на дополнительные подготовительные и измерительные операции, занимающие большую часть учебного процесса (инструктаж по технике безопасности, сборка и проверка схем и др.). Основными критериями при выборе системы моделирования были минимальное время освоения, максимальная простота и наглядность. Этим критериям в наибольшей степени отвечают программные средства с использованием так называемых “виртуальных” приборов, имеющих  внешний вид и органы управления, полностью имитирующие свой прототип. Одним из таких средств является программа Electronics WorkBench (EWB) [3, 4], которую можно использовать для проектирования, моделирования и тестирования практически всей совокупности изучаемых в курсе электроники как аналоговых, так и цифровых схем на доступном для пользователя уровне.

       Процедура работы с этой программой сводится к следующим действиям:                                                                                                                                                       

 с помощью встроенного редактора интерфейса программы формируется анализируемая электрическая схема; нужные для нее компоненты просто “перетаскиваются” с соответствующей панели компонентов на рабочее поле и соединяются друг с другом с помощью проводников согласно заданной конфигурации схемы, далее устанавливаются значения параметров компонентов;

 к схеме подключаются необходимые тестовые приборы и инструменты: генератор, осциллограф, мультиметр и др.;          

 работа схемы активизируется с помощью виртуального “выключателя”; при этом  существует возможность выключения питания схемы, чтобы зарисовать ту или иную другую характеристику;

 при разработке сложных электронных устройств (например, радиоприемника) можно создавать и тестировать отдельные ее модули (“микросхемы“), а далее соединять их в общую схему;

 схему и результаты ее анализа, например, осциллограммы процессов или амплитудно-частотные характеристики можно сохранить в ПК или вывевести на печать для последующего оформления отчетов по лабораторной работе.

Для работы с данной программой при наличии русскоязычной справочной системы [5] достаточно лишь провести вводное занятие, на котором после ознакомления с ее интерфейсом и способами работы с элементами программы на типичных примерах (готовых эталонных схемах) можно изучить особенности и принципы разработки и анализа схем электроники. Требуемые дополнительные навыки и знания (посредственное владение операционной системой Windows, английским техническим языком и пр.) многократно компенси­руются возможностями быстро и с высокой точностью вы­полнять раз­нообразные расчеты, трудоемкие при использовании прежних подходов.

       Программный комплекс ЕWB может применяться не только на специализированных предприятиях, занимающихся разработкой электронных устройств, но и в высших учебных заведениях для студентов, изучающих принципы построения и проектирования различных электронных схем, как аналоговых, так и цифровых, изучаемых в различных разделах физической электроники. Этот комплекс может использоваться на любых IBM-совместимых ПК, не требуя при этом дорогостоящих стендов и другого радиоэлектронного оборудования, что в данное время является весьма привлекательным.  Использование программного комплекса ЕWB при разумном сочетании с обычным (натурным) лабораторным практикумом на протяжении последних лет в учебном процессе на кафедре физики ЧГУ показало широкие возможности и перспективы при изучении различных разделов физической электроники.

Литература

1.Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2000.

2.Разевиг В.Д. Система схематического моделирования MICRO-CAP V. – М.:

   Солон-Пресс, 1997.

3.  Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. T.1. Лабораторный 

   практикум на базе Electronics WorkBench и Matlab. Солон-Пресс, 2004.

4. http://www.intsyseurope.fr/Electronics Workbench/ facts.html

5. Максимов А. В. Использование программного комплекса Electronics Work-bench для синтеза и анализа электронных схем и устройств. //В сб.: «Материалы XVII-ой межвузовской военно-научной конференции в ЧВИИРЭ» - г.Череповец: ЧВИИР.  2006 г. (в печати).

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МОЛЕКУЛ В ФИЗИКЕ КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

Максимов А. В.

Череповецкий государственный университет,

162600 Череповец, пр. Луначарского, 5, E - mail: a_v_maximov@mail.ru" style="color:blue;text-decoration:underline">a_v_maximov@mail.ru

         В настоящее время в учебных заведениях как высшей, так и образовательной школы вследствие их недостаточного финансирования далеко не всегда имеется возможность приобретения современных дорогостоящих лабораторных установок, дефицитных материалов, препаратов и образцов для проведения лабораторных занятий и практикумов для студентов-физиков, химиков, биологов как по общим дисциплинам (“химия”), так и по таким спецдисциплинам как “основы кристаллографии”, “физика макромолекул”, “физика жидких кристаллов” “физика диэлектриков” и др. При всеобщей компьютеризации учебного процесса проблема приобретения лабораторного оборудования решается довольно часто в пользу компьютерной техники. Поэтому, чтобы решить большую часть этих проблем, необходимы специальные методики, направленные на обучение студентов указанным дисциплинам с использованием современных компьютерных технологий,  с основными принципами использования которых будущие специалисты естественно-научного профиля должны ознакомиться уже в процессе обучения в вузе.

         Изучение структуры и свойств молекул, требует высокой точности и глубокого анализа, поэтому здесь практически невозможно обойтись без математического моделирования и компьютерных методов ввиду сложности и трудоемкости выполняемых работ. Анализ возможностей использования компьютерных программ для выполнения этих задач приводит к выводу о возможности использования программных средств, получивших в последнее время широкое распространение [1]. Такие средства обладают стандартным, интуитивно-понятным интерфейсом, а также требуют минимум времени для их освоения. Кроме того, в отличие от специально разработанных учебно-обучающих  программ, такие программные комплексы обладают более широкими возможностями, приучая студентов к самостоятельной работе в процессе обучения в вузе

Математическое моделирование структуры молекул начинается с ввода в компьютер информации о физико-химических свойствах отдельных атомов, которые входят в ее состав (с помощью электронного варианта таблицы Менделеева) или целых их компонентах, например, аминокислотах и др. (с помощью готовых баз данных) и способе их соединения, определяемых валентностью атомов. При использовании современных систем молекулярного моделирования, оснащенных специальными про­граммами (так называемыми графическими редакторами), ввод указанной информации приводит к построению на дисплее ПК структуры молекулы с дальнейшим использованием различных методов  оптимизации ее конформаций [2, 3].

Современные программные компьютерных программы (“Visual Molecular Modeling”, “Gromacs”, “RasWin Molecular Grafics” позволяют автоматически мо­делировать как равновесные конформации сложных молекул из 10³ атомов, (например, методом Монте-Карло [1,4]), так и их неравновесные свойства (методами молекулярной и броуновской динамики [4,5]).

       В данной работе была поставлена задача показать, как можно добиться интенсификации и повышения качества обучения студентов за счет формирования у них не только пространственных представлений о конформациях таких сложных молекул, как белки и др. [2, 3], но и навыков моделирования, необходимых в современном учебном процессе.

        Основными критериями при выборе систем моделирования были минимальное время освоения, максимальная простота и наглядность. Одним из таких средств является программа “Hyper Chem Pro 6“ (HypChP) [6], c помощью возможно осуществить расчет конформаций, моделирование структуры и динамики молекул кристаллов, фуллеренов, полимеров, белков и др. соединений.  Для простоты и удобства работы была сделана дополнительная русификация интерфейса этих программ (рис.1).

Рис. 1. Панель инструментов и Главное меню программы HyperChem Pro 6.

       Программа HyperChem Pro 6 предоставляет возможности:

• “собрать” молекулу  с использованием встроенной таблицы Менделеева со всеми характеристиками элементов (порядковый номер, заряд, валентность, электронная конфигурация, атомный радиус, точка кипения и замерзания, электроотрицательность и др.);
• при заданной конфигурации и способе соединения атомов в молекулу оптимизировать ее структуру из условия минимума энергии в основном состоянии
• просмотреть “собранную” молекулу в трехмерном виде, используя преобразования вращения, уменьшения (увеличения), поворота и др.;
• рассчитать энергию связи, дипольный момент, колебательный и электронный спектры молекулы;
• получить визуализацию молекулярного движения молекулы (методами Монте-Карло,
• использовать встроенные базы готовых соединений: кристаллов, сахаридов, фуллеренов, аминовых и нуклеиновых кислот и др.;
• создать собственный электронный банк (базу) данных для более сложных соединений: полимеров, белков и др. Например, для построения макромолекулы полимера (рис.2,б) достаточно сделать разметку “хвоста” и “головы” мономерного звена, указать направление развития цепи и число звеньев (n)в ней.

Рис. 2. а) Метан (C₄H₈), б)  полиэтилен (n =5)

      Таким образом, данный программный продукт может быть внедрен в учебный процесс для отечественного пользователя не только для создания наглядных моделей различных молекулярных структур, но и для расчета энергии связей, энергетических спектров и др. характеристик простых и сложных молекул. Программные методы моделирования структуры и свойств молекул помогают углубить знания студентов в различных разделах естественнонаучных дисциплин. Данная программа успешно прошла  апробацию на спецпрактикумах по дисциплинам “физика макромолекул” и “физика жидких кристаллов” для студентов-физиков в ЧГУ.                                  

Литература

1.     Мигдал А. А. Эксперимент на дисплее: Первые шаги вычислительной физики, М.: Наука, 1989. 175 с.

2.     Рубин А. Б.  Биофизика: В 2-х книгах: учебники для биологических специальностей вузов. Т. 1. Теоретическая биофизика. М.: Высшая школа, 1987.

3.     Бэкингем Э. //Межмолекулярные взаимодействия: от двухатомных молекул до биополимеров. М.: Мир, 1981.

4.     Гулд Х., Тобочник Я. Компьютерное моделирование в физике. Ч. 2. М.: Мир, 1990.

5.     Тихонов Е. Ф. «Компьютерные методы в теоретической физике», Вологда «Русь», 1999 г.

6.     Полетаев А. Е., Максимов А.В. Программные методы моделирования структуры и свойств молекул в физике конденсированного состояния //Тезисы докладов 12-ой Всероссийской научной конференции студентов-физиков (ВНКСФ-12). Новосибирск: НГУ, с. 314 - 316.

РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО УЧЕБНОГО ПОСОБИЯ

«ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЦЕПЕЙ. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ»

В ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ ПРОЦЕССЕ

А.А.Слободчикова

Радиотехнический институт Якутского государственного университета

Якутск, e-mail: www.ysu.ru

Под информатизацией образования будет пониматься процесс обеспечения сферы образования теорией и практикой разработки и использования современных информационных технологий и средств, ориентированных на достижение психолого-педагогических целей обучения и воспитания [5].

С ростом компьютерной оснащенности учебных заведений возможность их использования для обучения студентов значительно возросла. Внедрение обучающих систем в виде электронных учебных пособий (ЭУП) естественно вносит определенные коррективы в учебный процесс. Однако применение обучающих систем требует от студента определенной подготовки. Студенты не только должны иметь элементарные навыки работы на компьютере, но и должны уметь поставить задачу, разработать алгоритм ее решения и организовать свою работу в специализированной программной среде.

Поэтому особое внимание при использовании компьютерных обучающих систем должно быть уделено рациональному распределению изучаемого материала между преподавателем и компьютером. ЭУП является дополнительным источником знаний, что подтверждается источниками [2,3].

Отдельную нерешенную проблему представляет собой качество и разобщенность существующих средств информатизации, применяемых в образовательных целях. Несмотря на то, что с каждым годом выпуск подобных средств неуклонно растет, большинство из них являются не до конца проработанными, находящимися в стадии развития. Множество актуальных нерешенных задач порождает качество создаваемых и распространяемых средств информатизации образования, наличие в их содержании смысловых циклов и внутренних противоречий, отсутствие полноты и явно выделенной четкой структуры учебного материала, предоставляемого обучаемым для занятий.

Отсутствие единообразных подходов к созданию новых средств информатизации существенно сдерживает разработку, внедрение и эффективное совместное использование информационных технологий в образовании. Это связано, в первую очередь, с существующим неоправданным стремлением к созданию новых специализированных технологий разработки и подходов к формированию содержательного наполнения практически для каждого нового электронного учебника, пособия или методического руководства. Наличие единообразных технологий, а также методов их разработки и применения позволило бы авторам не только повысить количество и качество создаваемых средств информатизации, но и уделить больше внимания содержательным и методическим аспектам своей деятельности.

При создании ЭУП автором было придержаны следующие требования:

1.     Шаблонность ЭУП; Разбиение его на части: теоретическая, практическая и самостоятельная.

2.     Возможность модернизации ЭУП; Дополнение теоретической части и изменение практической.

3.     Модульность; Подача учебного материала в объеме относительного единичного занятия.  Умение учиться всегда было наиболее важным качеством обучаемого. ЭУП дает возможность каждому работать в своем темпе.

4.     Блок самоконтроля и контроля.

Структурная схема электронного учебного пособия

Аналогичная структурная схема была использована для разработки ЭУП, кроме пользовательской, представленной на рисунке, по программированию на языке С++ на BC4.5 и по проведению лабораторных работ на Electronics Workbench for Windows (WEWB). Создание нового на основе изучения современных достижений объектно-ориентированной технологии (ООТ), отличающегося от привычного, обыденного - творческий процесс. Продукт творческой деятельности - ЭУП, новый способ (технология) преподавания учебного предмета. А современные достижения ООТ дают огромные возможности. Проектирование ЭУП для конкретных учебных дисциплин  продиктовано необходимостью. Это видно следующих проблем:

1.    Дороговизна сертифицированных программных пакетов;

2.    Использование их для конкретной отрасли только наполовину;

3.    Недоступность в данный затребованный момент времени;

И здесь может появиться другая крайность при оформлении. Создавая ЭУП необходимо думать не только об его информационном наполнении, но и о том, как эту информацию представить, чтобы она легче читалась. Гонка за красочным оформлением может отвлечь обучаемого от его главной задачи – учится по данной дисциплине. Необходимо все время придерживаться двух параллелей: учесть чувственное восприятие учебного материала и его осмысленного понимания содержания дисциплины обучаемым, добиться его наглядности и воспринимаемости,  что мы имеем виртуальную (имитационную) картину реального процесса.. Особенно это важно при использовании ЭУП в лабораторных занятиях. И при этом учесть объем и длительность подаваемого материала.

Применение ЭУП в программировании высокоэффективно. Интегрированная среда программного пакета позволяет использовать все возможности операционной системы. Высокая производительность компьютера позволяет решать много задач и рассмотреть различные варианты решения за одну практику.

С другой стороны, использование ЭУП в лабораторных работах имеет свои положительные и отрицательные стороны [1].  Как показывает опыт проведения лабораторных работ с помощью специализированного пакета WEWB, что хотя визуализация радиотехнических процессов в виде имитационных картин воспринимается студентами легко, осмысливание  самих физических процессов, протекающих в этих радиотехнических схемах,  воспринимается трудно. Хотя цель лабораторных работ: изучить принцип действия, виды и состав исследуемых схем, овладение методами синтеза их структур, приобретение навыков сборки, наладки и экспериментальное исследование причин неработоспособности схем - достигается. Остается психологический барьер восприятия реального и виртуального анализа полученных результатов. Основными положительными характеристиками применение ЭУП в лабораторных занятиях является:

1.    Быстрота моделирования и получение имитационной картины идеализированного процесса. Увеличивается производительность, рассматривается множество вариантов решения проблемы.

2.    Постоянная попытка совмещения идеального (в голове) и создаваемого (имитационного) моделей развивает образное мышление, что влечет за собой творческое отношение к изучаемому процессу.

К отрицательным характеристикам можно было перечислить:

1.    Выигрыш во времени не есть выигрыш в понимании.  Полученная информация от имитационных картин должна полностью “перевариваться” мозгом и “осесть” в нем в виде знания. И если студент нерадивый, не изучает теорию, не пытается разобраться в проблеме, то и “багаж знания” будет мал.

2.    Применение одного только ЭУП в лабораторных занятиях по радиотехническим цепям малоэффективно. Хотя развивается техническая интуиция, но отсутствует “навык рук”, что для будущего инженера немаловажно.

Ставя на чашу весов хотя бы такие характеристики использования ЭУП в образовательном процессе, можно увидеть проблемы информатизации в технических дисциплинах. Как мне кажется, решение этой проблемы в комплексности применения ЭУП с классическими формами проведения лабораторных работ.

Разработка средств информатизации образования должна производиться с учетом принятых соглашений о единой терминологии и критериях структуризации информации, общих элементах дизайна. Единообразной методике использования в образовательном процессе, едином подходе в пользовательском документировании технических и методических приемов работы с конкретным средством информационных или телекоммуникационных технологий.

        Следует отметить, что в рамках настоящего исследования под средствами информатизации образования понимаются программно-аппаратные средства, функционирующие на базе компьютеров и систем телекоммуникаций, обеспечивающие операции по работе с информацией в сфере образования и нацеленные на достижение психолого-педагогических целей обучения и воспитания.

Результаты анализа государственных образовательных стандартов по сути определяющих стратегию подготовки специалиста в рамках образовательного пространства, задаваемого тремя параметрами (знания, умения, навыки), показывают, что владение информационными технологиями вообще становится одним из существенных направлений подготовки современного специалиста [4].

Библиография:

1.    А.Д.Береснев Подготовка студентов технических вузов в области ИКТ, СПб гос.унив.ИТ,механики и оптики.//Материалы XI Всероссийской научно-метод.конференции “Телематика-2004” Санкт-Петербург (7-10.06.04).

2.    А.Н.Бондаренко Электронный учебник: теория и практика, Сиб.гос.унив.путей сообщения  .//Материалы XI Всероссийской научно-метод.конференции“Телематика-2004” Санкт-Петербург (7-10.06.04).

3.    Н.Ф.Костянко, И.Г.Калачева Проблемы применения в вузах современных технологий обучения.//Материалы XI Всероссийской научно-метод.конференции“Телематика-2004” Санкт-Петербург (7-10.06.04).

4.    Э.П.Ланина Роль электронных учебных пособий в организации учебного процесса в вузе, Иркутский гос.техн.унив.//Материалы XI Всероссийской научно-метод.конференции “Телематика-2004” Санкт-Петербург (7-10.06.04).

5.    Попов С.М. Модель информатизации школы теоретическая концепция и методика реализации. Автореферат дисс. СПб,1997.