СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ ОБУЧЕНИЯ 6
1.1. Использование программ-симуляторов 7
1.1.1. Electronics Workbench 7
1.1.2. Proteus 9
1.1.3. MPLAB 11
1.1.4. Вывод 12
1.2. Использование систем моделирования 13
1.2.1. Altium Designer 13
1.2.2. Micro-Cap 14
1.2.3. MATLAB 16
1.2.4. Вывод 18
1.3. Виртуальные лаборатории 19
ГЛАВА 2. ВИРТУАЛЬНЫЕ ЛАБОРАТОРИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ 23
2.1. Определение понятия виртуальная лаборатория с использованием реального устройства 23
2.2. Классификация виртуальных лабораторий с удаленным доступом 23
2.2.1. Удаленная лаборатория GymKT 25
2.2.2. RELLE (Remote Labs Learning Environment) 28
2.2.3. Комплекс лабораторных работ по курсу «Физические основы электроники» в лаборатории электронных средств обучения СибГУТИ (ЛЭСО) 31
2.3. Вывод 34
ГЛАВА 3. ПРОЕКТИРОВНИЕ ВИРТУАЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРИИ ПО ЦМПТ 37
3.1. Аппаратная часть лаборатории 37
3.1.1. Экспериментальная установка 37
3.1.2. Управляющее устройство 40
3.2. Программная часть лаборатории 46
3.2.1. Разработка пользовательского веб-интерфейса 46
3.2.2. Разработка программного обеспечения для управляющего компьютера 48
3.2.3. Разработка программы для микроконтроллера 50
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 53
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
В рамках традиционного подхода к образовательному процессу считается, что лабораторные практикумы в естественнонаучной области (физика, химия, биология и т.п.), а также в технике (электроника, электротехника, информационные технологии и т.п.) должны быть выполнены преимущественно на реальном оборудовании, а обучение на моделях электронных и электротехнических устройств в программных продуктах моделирования повлечет только к недооценке выпускниками важности настоящих экспериментов.
Несмотря на это, в федеральных образовательных стандартах высшего образования, начиная с ФГОС ВО 3-го поколения и выше, подчеркивается необходимость организации учебного процесса с применением электронных систем обучения, которые достаточно сложно реализовать для выполнения лабораторных практикумов по таким предметам как Электроника, Схемотехника, Цифровая и микропроцессорная техника, Микро-процессорные системы и т.д. [1]
Для решения этой проблемы сегодня применяется одно из новых направлений в дистанционном обучении — создание автоматизированных виртуальных лабораторий с удалённым доступом. Лаборатории активно внедряются в образование, но всегда ориентированы на конкретное образовательное учреждение или на соответствующий конкретному учебному плану или ОПОП учебный курс. Поэтому существует необходимость в разработке и реализации таких лабораторий и лабораторных комплексов, которые должны будут соответствовать учебному плану подготовки студентов по направлению «Информатика и вычислительная техника» кафедры вычислительной техники и электроники физико-технического факультета ФГБОУ ВО «Алтайский Государственный Университет».
Необходимость создания таких виртуальных лабораторий обусловлена и тем, что техническое, в частности инженерное, образование предполагает подготовку специалистов-практиков, имеющих навыки работы с реальными приборами, также понимающих роль эксперимента в научном познании и методологии получения научных знаний. Лаборатории с удалённым доступом призваны, не только и не столько, дублировать или заменить лабораторный практикум очного обучения, но и позволить работать с уникальным дорогостоящим оборудованием, доступным далеко не всем, ставить реальные эксперименты из любой точки Земного шара, обеспечивать неразрывность процесса познания и научных исследований. Особенно актуально использование виртуальных лабораторий при изучении вычислительной техники, построенной на основе интегральных схем, микро-процессоров и программируемых логических интегральных схем.
Существующий плюрализм в реализации образовательных программ в рамках государства, да и в целом в общемировой практике, создает трудности для применения решений в области виртуализации лабораторий в конкретном ВУЗе. Порой затраты на встраивание в существующий образовательный процесс известных решений превышают стоимость разработки собственных.
На текущий момент на рынке отсутствуют готовые виртуальные лаборатории, которые можно использовать для получения навыков работы с различными электронными схемами в соответствии с учебным планом 09_03_01_ИиВТ-1234-2017 по дисциплине цифровая и микропроцессорная техника (ЦМПТ). [2]
В данной работе предлагается решение этой проблемы, путем разработки проекта виртуальных лабораторных работ по ЦМПТ, с использованием современных достижений в области информационных технологий и вычислительной техники.
Кроме того, благодаря виртуальным лабораториям в соответствии с национальной программой «Доступная среда» решается проблема доступа к образованию людей с ограниченными способностями, что определяет еще и социально-значимый характер данной работы. [3]
Таким образом, целью выпускной квалификационной работы магистра является разработка проекта виртуальной лаборатории для дистанционного образования обучающихся по направлению подготовки бакалавров «Информатика и вычислительная техника» по дисциплине «Цифровая и микропроцессорная техника».
В процессе выполнения квалификационной работы магистра был разработан проект виртуальной лаборатории, которую можно использовать для получения навыков работы с различными электронными схемами в соответствии с учебным планом 09_03_01_ИиВТ- 1234-2017 по дисциплине цифровая и микропроцессорная техника (ЦМПТ).
В данной работе была разработана структурная схема виртуальной лаборатории, которая состоит из трех модулей:
• экспериментальная установка;
• управляющее устройство;
• интерфейс пользователя.
В качестве экспериментальной установки было предложено использовать открытые макетные платы для выполнения лабораторных работ по ЦМПТ, которые более подробно описаны в статье «Разработка комплекса лабораторных работ на базе открытых макетных плат». Данные платы были преобразованы для цифрового управления. В работе представлена электрическая принципиальная схема преобразованных макетных плат. [40]
Также была предложена электрическая принципиальная схема универсальной управляющей платы, которую можно использовать для подключения любой учебной платы. Она состоит из модуля связи с ПК, устройства, фиксирующего состояние переключателей и блока, обеспечивающего питание учебной платы.
Кроме того в данной работе представлены алгоритмы программ для управляющего ПК и микроконтроллера. Также предложен пример интерфейса пользователя.
Результаты работы были представлены на IV Региональной молодежной конференции «Мой выбор - НАУКА!» в секции “Physics and Information Science Section” (на английском языке).
Таким образом, виртуальные лаборатории позволяют студентам получить практический навык работы с реальными устройствами, находясь за пределами учебного заведения. Это не только улучшает качество образования, благодаря тому, что появляется больше времени уделять на изучение теории в образовательном учреждении, но и позволяет приобщить людей с ограниченными способностями к удаленному процессу обучения. Кроме того, пользователи получают возможность работать с реальными устройствами, не подвергая их каким-либо повреждениям и наблюдать за сигналами и процессами, протекающими в ходе работы в режиме реального времени.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
