Активная электронная среда по теоретической электротехнике

   АКТИВНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ СРЕДА выполнена в рамках универсальной инструментальной среды Stratum 2000, на практике реализующей новую информационную технологию, при которой взаимодействие человека и компьютера осуществляется на уровне образов без знания языков программирования.
    Среда предназначена для компьютерной поддержки традиционного курса теоретической электротехники для студентов любой формы обучения, в том числе дистанционной, как электротехнических, так и общетехнических специальностей:

• для проведения практических и лабораторных занятий;
• для выполнения и проверки расчетно-графических работ;
• для учебно-исследовательской и самостоятельной работы.

    Среда позволяет обучаемому получить краткие теоретические сведения по обсуждаемым проблемам, выполнить модельно-имитационные лабораторные работы по предлагаемым разделам, решить типовые задачи и в целях самоконтроля самостоятельно провести моделирование (решение) набора задач.

Возможности среды.
<Активная электронная среда по ТЭ> на практике реализует новую информационную технологию (НИТ), внедрение которой в курс ТЭ способствует значительной интенсификации процесса обучения, что особенно важно в условиях быстро увеличивающегося объема научно-технической информации, а также помогает освоить основы методов вычислительного эксперимента, что связано с развитием вопросов теории и разработкой алгоритмов электротехнических расчетов на основе применения вычислительной техники.

Среда позволяет выполнить анализ установившихся и переходных режимов работы электрических цепей с неограниченным количеством накопителей энергии и при наличии источников самых разнообразных возмущений, причем спектр этих возмущений может быть при желании легко расширен. Наличие библиотеки-конструктора элементов электрических цепей (топологических, физических, математических и т.д.) позволяет не только вслед за автором пройти методический путь изучения курса, но и легко видоизменить его в соответствии с потребностями и (или) индивидуальными интересами обучаемого или преподавателя. Библиотека доступна для коррекции и расширения пользователями при реализации своих проектов, охватывающих практически любой раздел теории электрических цепей.
Преимущества перед аналогами.
    Отечественные и зарубежные аналоги не позволяют выйти за рамки предложенных программ, оставляя обучаемому возможность только варьировать численными значениями параметров, что сковывает и ограничивает творческие потребности пользователей. Даже известный американский электронный учебник Mathcad Engine (Electric circuits), 1995, MathSoft,выдержавший несколько изданий, не свободен отуказанных недостатков. Возможность реализации собственных проектов, быстрой коррекции математических моделей и немедленное получение выходной информации, иерархического вложения проектов и схем, многооконный интерфейс,- все эти достоинства и преимущества обеспечиваются универсальной инструментальной оболочкой , в рамках которой выполнена активная электронная среда.

Состав среды.
    Среда охватывает восемь основных разделов курса теории электрических цепей, а также включает блок для выполнения расчетно-графических работ по наиболее важным темам курса.
Глава 1. Анализ электрических цепей с источниками постоянных воздействий.
Глава 2. Анализ электрических цепей с источниками гармонических воздействий.
Глава 3. Анализ электрических цепей с индуктивными связями.
Глава 4. Трехфазные электрические цепи.
Глава 5. Резонансные явления в электрических цепях.
Глава 6. Анализ электрических цепей с источниками негармонических воздействий.
Глава 7. Теория четырехполюсников. Электрические фильтры.
Глава 8. Переходные процессы в линейных электрических цепях.
Глава 9. Блок расчетно-графических работ: цепи с источниками постоянных воздействий;

• цепи с источниками гармонических воздействий;
• разложение в ряд Фурье негармонических периодических функций;
• анализ переходных процессов методом переменных состояния;
• анализ переходных процессов методом наложения (интеграл Дюамеля).

    Перечисленные разделы реализованы в версии 1.0 <Активной электронной среды по ТОЭ>, выполненной в рамках универсальной инструментальной оболочки под MS DOS. В связи с разработкой в течение первой половины года проводилось тщательное тестирование новой версии оболочки на самых различных задачах, в том числе и на электротехнических задачах. В результате этой работы разделы 2, 5, 8 и 9 (п.п. 1,2) адаптированы в рамках новой версии (некоторые примеры приведены в приложениях 1-5). В 1998 г. планируется завершить создание новой версии <Активной электронной среды по ТОЭ> в полном объеме.
Характеристика объема, технические особенности.
    Ориентировочный объем: 5 Мбт - электронная среда, 5 Мбт - методическая документация. Для нормального функционирования компьютер должен иметь полную совместимость с IBM PC, EGA или VGA адаптер с 256 Кб и графический монитор, любую версию операционной системы WINDOWS, не менее 4 Мбт оперативной памяти. Особенности технологии обучения и работы в активной среде. <Активная электронная среда по ТЭ> может быть использована как при традиционном методе обучения в целях интенсификации процесса, так и для самостоятельного обучения, в том числе и дистанционного, если учесть возможность передачи среды по телекоммуникационным линиям связи. Самостоятельное обучение подразумевает не только изучение теоретических вопросов, но также обязательное выполнение не менее 2-3-х в семестр расчетных (или лабораторно-расчетных) заданий разумной сложности, ориентированных на решение оптимально приближенных к реальным инженерных задач. Эффективность самостоятельного изучения оценивается по правильности решения набора контрольных задач, завершающих изучение того или иного раздела курса. <Активная электронная среда по ТЭ> (версия 1.0) содержит в библиотеке (приложения 6-7) свыше 120 объектов и более 70 схем для лабораторно-имитационного практикума. Среди объектов библиотеки можно выделить элементы электрических цепей с математическими моделями, используемыми в частотной и временной областях (индуктивность, емкость, сопротивление, источники напряжения и тока, коммутаторы и т.д.), топологические элементы, разнообразные, в том числе и <экзотические> измерительные приборы, например, фиксирующие мнимые или действительные части токов и напряжений и т.д., особого упоминания заслуживает объект-модель осциллографа, часто используемого для наблюдения динамики изменения какой-либо переменной величины, набор самых разнообразных временных функций, которые могут быть использованы в качестве возмущений и (или) законов изменения параметров при анализе цепей, различные сервисные элементы для организации диалога, визуализации выходной информации и т.д. <Активная электронная среда по ТЭ> при самостоятельном или дистанционном обучении имитирует лабораторный математический стенд, на котором можно <собрать> желаемую схему в считанные минуты и, снабдив ее необходимыми измерительными средствами, промоделировать ее работу. При этом среда позволяет оформить бумажную копию результатов исследования. Планируемая новая версия среды будет выполнена в русскоязычном и англоязычном вариантах, а также содержать базу данных по хронологии и вкладу отечественных и зарубежных ученых в развитие ТЭ. Среда содержит методическую документацию, включающую в себя учебное пособие и пособие по практической работе. На основе этих материалов обучаемый получает строго дозированные порции теоретического материала и выполняет имитационно-модельные лабораторные работы по различным разделам в соответствии с указанным заданием. В заключение раздела предлагаются задачи для самостоятельного решения. Одним из несомненных достоинств среды является возможность творчески соучаствовать в процессе обучения путем создания собственных моделей и реализации их в самостоятельных проектах. Это наиболее высокая ступень процесса обучения и познания. Для реализации этой возможности среда позволяет на основе простейших функциональных элементов (классов) проектировать и моделировать практически любую электрическую цепь без знания языков программирования. Математический аппарат, используемый средой, позволяет моделировать как стационарные, так и динамические режимы работы цепей, быстро и эффективно исследовать влияние параметров на их протекание непосредственно в процессе моделирования. Наличие легко идентифицируемых визуально и доступных для манипуляций объектов среды (индуктивность, емкость, сопротивление и т. д.) позволяет пользователю "собрать" практически любую электрическую цепь на "математическом" стенде (рабочем поле компьютера), с помощью определенного механизма установив информационные связи, в соответствии с которыми взаимодействуют отдельные объекты рассматриваемой схемы. По сути дела установление связей формулирует конкретную задачу, поскольку для машины этот процесс означает формирование из разрозненных уравнений отдельных объектов единой системы уравнений, описывающей электрическую цепь в целом. Применение этого механизма в теории электрических цепей, которая строится в терминах "ток", "потенциал", "напряжение", имеет следующую специфику. Поскольку потенциал есть функция, определяемая с точностью до произвольной постоянной, а ток зависит от разности потенциалов, постольку правомерным представляется задание нулю потенциала любой произвольной точки цепи. Отсюда вытекает простое правило установления связей при редактировании электрических цепей: - все связи выполняются в соответствии с токовыми путями, т.е. от источника питания через топологические элементы схемы до точки (базисной или опорной), потенциал которой принят за ноль; - замыкание цепи осуществляется с помощью объекта заземлителя, для чего от него тянутся связи ко всем точкам с нулевым потенциалом. Возможен второй способ: после установления связей вплоть до замыкания цепи, от заземлителя проводится связь с опорной точкой в доступном месте.
Автор
    Рябуха Арсен Арсеньевич

 >галерея