Специалисты Уральского государственного университета путей сообщения занялись исследованием проблемы организации аудиторных занятий и самостоятельной работы студентов по дисциплинам электротехнического профиля. Эффективность преподавания технических дисциплин в современном транспортном вузе необходимо повышать, формируя универсальную образовательную среду, считают специалисты кафедры «Электроника – Электрические машины» УрГУПСа доцент Геннадий Штрапенин и профессор Владимир Шнырев. Для этого необходимо внедрять в учебный процесс современное программно–аппаратное обеспечение.
В последнее время основным критерием оценки деятельности высшего учебного заведения профессионального образования является проверка знаний студентов при помощи различных тестов, охватывающих основные разделы изучаемых курсов. При этом количество учебных часов аудиторных занятий, отводимое на изучение базовых технических дисциплин, неуклонно сокращается, а основной упор делается на самостоятельную работу студентов. Проблема в том, что навыки самостоятельной работы у большинства выпускников средних школ и колледжей по различным причинам практически отсутствуют. Как же подготовить грамотного специалиста, обладающего глубокими знаниями и способного решать сложные задачи современного производства?
Преподаватели УрГУПСа предлагают вариант решения проблемы. Необходимо создавать учебно–методические комплексы (УМК) нового типа, которые будут включать все виды аудиторных занятий: лекции, лабораторные, практические и семинарские занятия, а также курсовое и дипломное проектирование. Основой подобных комплексов должна стать универсальная образовательная среда, в которой студент будет чувствовать себя, с одной стороны, свободно, но в то же время не сможет отлынивать от занятий. По образному выражению известного педагога–новатора Виктора Шаталова, это своего рода образовательный «рассол, в который можно поместить огурец, и этот огурец через какое–то время будет соленый независимо от его воли и желания». Содержание такой образовательной среды должно отвечать всем современным требованиям: основываться на компьютерных технологиях, поддерживать мультимедийные средства, обеспечивать возможность дистанционного образования и так далее.
В течение нескольких лет на кафедре «Электроника – Электрические машины» УрГУПСа предпринимались попытки создания УМК нового типа по дисциплинам «Физические основы электроники», «Аналоговая и цифровая электроника», «Основы схемотехники» и некоторым другим на основе программно–аппаратного обеспечения National Instruments. В отличие от традиционных УМК, представляющих собой объемную папку с документами (конспектами лекций, описанием лабораторных работ, набором задач и экзаменационных вопросов), в состав разработанного учебно–методического комплекса наряду с обычными материалами входят набор аппаратно–программных средств для проведения аудиторных занятий, практические задания для курсового проектирования и самостоятельной работы над дипломными проектами.
Базовой частью комплекса является программная среда LabVIEW, основное назначение которой – сбор и обработка данных измерений в различных областях науки и техники. В действительности возможности программы существенно шире. Они позволяют проводить математические расчеты, различные виды моделирования всевозможных процессов, создавать универсальные и специализированные измерительные системы и многое другое.
Аудиторию для проведения занятий и самостоятельной работы студентов достаточно оборудовать мультимедийными средствами: медиапроектором и интерактивной классной доской; рабочие места студентов и преподавателя – универсальными рабочими станциями и персональными компьютерами с соответствующим программным обеспечением. Никакого другого оборудования не потребуется. Сборка изучаемых электронных устройств производится на макетной плате рабочей станции, в нее встроены виртуальные радиоизмерительные приборы с индикацией на мониторе компьютера.
Используя интерактивное моделирование, при помощи средств графического программирования можно проиллюстрировать работу практически любого электронного устройства и тем самым охватить большинство тем лекционных курсов по электронике и смежным дисциплинам. Лектор, управляя работой программы, сможет задавать различные состояния на входах логического элемента и демонстрировать состояния на выходе, таким образом легко и в доступной форме объясняя логику работы изучаемого элемента.
Изучение дисциплин электротехнического профиля в техническом университете включает обязательный лабораторный практикум, эффективное проведение которого сопряжено с рядом проблем. Обычно в вузе имеется ограниченное количество аудиторий для проведения лабораторных занятий по основным разделам электроники, в которых установлено соответствующее оборудование: учебные стенды, радиоизмерительные приборы и др. Для выполнения конкретных лабораторных работ, как правило, необходимо собрать и настроить каждое рабочее место, на что требуется немало времени. Ситуация становится трудноразрешимой, когда в одной аудитории приходится регулярно проводить лабораторные работы для студентов различных специальностей с существенно различающимися учебными планами, тематикой работ и уровнями изучения дисциплин. Перенастройка оборудования в этом случае проводится в авральном режиме, что вызывает повышенный износ техники, а также сбои и неполадки в процессе занятий.
Оптимальным выходом из сложившейся ситуации может стать многоуровневый подход к проведению лабораторных работ в универсальной образовательной среде. Разработанная в УрГУПСе методика позволит имитировать моделирование принципов работы наиболее значимых электронных устройств, таких как: логические элементы, операционные усилители, аналого–цифровые и цифро–аналоговые преобразователи, различные комбинационные и цифровые устройства и т. п.
Несмотря на то, что имитационное моделирование (на уровне математических функций) не затрагивает принципов работы изучаемого объекта как электронного устройства, оно оказывается весьма полезным и эффективным при изучении электроники студентами неэлектротехнических специальностей, а также на начальном этапе освоения соответствующих тем.
Кроме того, для успешной подготовки современного инженера необходимо изучение реальных электронных компонентов и устройств с использованием типовых радиоизмерительных приборов (генераторов сигналов, осциллографов и др.). С этой целью специалисты УрГУПСа проводят сборку схем для исследования диодов и транзисторов, дискретных и интегральных усилителей, а также различных цифровых устройств на специальных макетных платах. Измерения производятся при помощи виртуальных приборов, входящих в комплект рабочей станции.
При наличии сменных макетных плат появляется возможность собирать и настраивать схемы для лабораторных работ заранее и тем самым обеспечивать быструю подготовку аудитории для проведения следующего занятия. Внешний вид и порядок работы с виртуальными приборами максимально приближен к реальным радиоизмерительным приборам. И, как показывает опыт УрГУПСа, работая с ними, студенты достаточно быстро приобретают практические навыки обращения с лабораторным и промышленным оборудованием различных производителей, в том числе и отечественного производства.
Традиционно выполнение курсового проекта, завершающее изучение основного курса электроники в техническом вузе, включает составление принципиальной электрической схемы устройства, расчет параметров его элементов и натурное макетирование. Последний этап в условиях современного вуза при отсутствии радиомонтажных мастерских, элементной базы и надлежащих радиоизмерительных приборов исключается вовсе или заменяется компьютерным моделированием работы механизма, чему, безусловно, способствует широкое распространение программ моделирования электронных устройств.
Очевидно, что такой сугубо теоретический подход к изучению электроники не позволяет в полной мере сформировать и закрепить у студента совокупность знаний и навыков, необходимых для современного технического специалиста.
Специалисты кафедры «Электроника – Электрические машины» УрГУПСа предлагают использовать натурное макетирование рассчитанных устройств на макетной плате рабочей станции. После компьютерного моделирования работы устройства студент может довольно быстро, без всякого дополнительного оборудования собрать его на макетной плате и при помощи виртуальных приборов рабочей станции проверить работу устройства, сравнить полученные результаты с модельными, внести необходимые поправки в схему и сделать выводы.
На кафедре разработано несколько основных вариантов заданий – схем несложных аналого–цифровых устройств, содержащих наиболее распространенные типовые узлы различной электронной аппаратуры: усилители, генераторы, формирователи, аналоговые решающие устройства и другие.
Особенно продуктивным использование описанной образовательной среды может стать при выполнении комплексных курсовых проектов, дипломного проектирования, а также для послевузовского образования по дисциплинам электротехнического профиля и прочим, в которых важное место занимают электронные устройства. Это автоматика, телемеханика, связь, системы обеспечения безопасности движения поездов, мехатроника, информационная и вычислительная техника, защита информации.
Таким образом, предлагаемый специалистами УрГУПСа подход в изучении электроники и смежных дисциплин в образовательной среде сочетает теоретическое изучение материала с использованием современных технологий и возможность контроля полученных знаний в виде результатов расчета, моделирования работы и натурного макетирования реального устройства. Это позволит уже в процессе обучения получить представление об основных методах разработки, отладки и проверки работы электронных устройств, которые используются в различных отраслях промышленности.
Создание учебно–методических комплексов нового типа и соответствующей образовательной среды целесообразно в случае их использования для изучения не одной–двух, а всей группы общеинженерных и специальных дисциплин электротехнического профиля. В то же время эффективное обучение в современных условиях может быть достигнуто только при существенных изменениях организации процесса обучения, отмечают специалисты вуза. Студенты должны иметь свободный доступ в лаборатории и учебные мастерские для решения текущих учебных задач и для самостоятельной работы в течение всего срока обучения, включая дипломное проектирование, как это уже давно практикуется в ведущих университетах мира.
Предлагаемый подход к преподаванию может быть сравнительно легко адаптирован для конкретных условий. В частности, при отсутствии в учебном плане курсовых работ можно ограничиться проведением простейшего расчета электронного устройства на практическом занятии или самостоятельно, с последующей проверкой его функционирования в программе моделирования и разработкой рисунков печатной платы в ходе выполнения лабораторной работы.

Геннадий ШТРАПЕНИН,
кандидат физико–математических наук,
Владимир ШНЫРЕВ,
кандидат технических наук,
УрГУПС

12.12.2013