14. К вопросу о методах обучения и оценки успеваемости

 

Идеи активизации обучения высказывались учёными на протяжении всего периода становления и развития педагогики. К родоначальникам таких идей относят Я. А. Коменского, Ж.-Ж. Руссо, И. Г. Песталоцци, Г. Гегеля, Ф. Фрёбеля, А. Дистервега, Дж. Дьюи, К. Д. Ушинского и других.

История педагогики может быть представлена как результат горячих споров о роли ученика и педагога в процессе обучения. Одни настаивали на исходной пассивности ученика, рассматривали его как объект педагогического воздействия, а активность, по их мнению, должен проявлять только преподаватель. Сторонники противоположной концепции считали ученика равноправным участником процесса обучения и отдавали его активности главенствующую роль в обучении. Так Пифагор (VI в. до н. э.) считал, что правильно осуществляемое обучение должно происходить по обоюдному желанию учителя и ученика. Демокрит (460—370 до н. э.) придавал огромное значение воспитанию интеллекта, предлагал формировать в учеников стремление постигнуть неизвестное, чувство долга и ответственности при обучении. Сократ (470/469 − 399 до н. э.) видел наиболее верный путь проявления способностей человека в самопознании (так называемый сократовский метод). Платон (427−347 до н. э.) подчёркивал особую важность эстетического развития ребенка средствами музыки, поэзии, танцев, игр, дающих простор творчеству. Среди древнеримских мыслителей выделяются взгляды Сенеки (4 год до н. э. — 65 н. э.), который считал, что образование должно формировать в первую очередь самостоятельную личность. На средневековом востоке мудрецы обращали особое внимание на саморазвитие личности. Ибн-Сина (Авицена) (980—1037) мечтал о всестороннем развитии и обучении и такой путь ему виделся в организации совместной учебы воспитанников, внесении духа соперничества.

 

Одним из заметных сторонников активной позиции ученика в процессе обучения был Мишель Монтень (1533—1592). Рене Декарт (1596—1650) советовал прилагать максимум усилий для развития в учащихся способности к формированию собственных суждений. Ян Амос Коменский (1592—1670) настаивал, что правильное обучение заключается в развитии способностей ученика понимать вещи, а не в механическом запоминании фраз, изречений и т. п. Активным критиком школ такого направления был Ж.-Ж. Руссо (1712—1778), который считал, что у детей своя собственная манера видеть, думать и чувствовать и нет ничего безрассуднее желания заменить её манерами учителя. Если голова преподавателя управляет руками ученика, то собственная его голова становится инструментом только для приема пищи. Из числа отечественных учёных к проблеме активности в разное время обращались Б. Г. Ананьев, Н. А. Бердяев, Л. С. Выготский, Н. А. Добролюбов, А. Н. Леонтьев, Л. М. Лопатин, А. С. Макаренко, С. Л. Рубинштейн, В. А. Сухомлинский, К. Д. Ушинский, Н. Г. Чернышевский и другие. В частности, Н. Г. Чернышевский (1828—1889) и Н. А. Добролюбов (1836—1870) защищали осмысленность и сознательность обучения, активность и самодеятельность учащихся, выступали за развитие у них творческого мышления. В. А. Сухомлинский (1918—1970) призывал специальными мерами и приёмами поддерживать желание учеников быть первооткрывателями.

Подытоживая сказанное, методы обучения можно классифицировать следующим образом [1—3]:

 

1. Пассивный метод (рис. 14.1, а) — форма взаимодействия учащихся и учителя как основного действующего лица, при этом учащиеся выступают в роли пассивных слушателей и связь учителя с учащимися осуществляется посредством контрольных работ, тестов и т. п. С точки зрения современных педагогических технологий и эффективности усвоения учащимися учебного материала пассивный метод считается самым неэффективным, но, несмотря на это, он имеет и некоторые плюсы, в частности, возможность преподнести большее количество учебного материала за ограниченное время. Самым распространенным видом пассивного урока является лекция. Такой вид урока типичен для вузов, где учатся взрослые, вполне сформировавшиеся люди, имеющие четкую мотивацию для освоения выбранной специальности. При этом важным моментом является необходимость увязать связь излагаемого материала с будущей профессией обучаемого. Показателем эффективности проведенной лекции могут служить вопросы учащихся по изложенному материалу (элемент обратной связи, неучтенный на рис. 14.1, а).

 

а)

а)

а)

Рис. 14.1. Методы обучения

 

2. Активный метод (рис. 14.1, б) — это форма взаимодействия учащихся и учителя, при которой они взаимодействуют друг с другом в ходе урока, т. е.  учащиеся в этом не пассивные слушатели, а активные участники урока. Если в пассивном уроке основным действующим лицом является учитель, то здесь он и учащиеся находятся на равных правах. Если пассивные методы предполагали авторитарный стиль взаимодействия, то активные больше предполагают демократический.

 

3. Интерактивный метод (от inter — взаимный и act — действовать) (рис. 14.1, в) — означает взаимодействовать, находиться в режиме беседы, диалога с кем-либо, т. е., в отличие от активных методов, интерактивные ориентированы на более широкое взаимодействие учеников не только с учителем, но и друг с другом и на доминирование активности учащихся в процессе обучения. Место учителя в интерактивных уроках сводится к направлению деятельности учащихся на достижение целей урока в соответствии с разработанным планом. Интерактивные методы можно рассматривать как наиболее современную форму активных методов.

 

 

К интерактивным методам можно отнести, на наш взгляд, и такую распространенную форму обучения как репетиторство. Насколько оно эффективно в зависимости от количества «репетируемых» учащихся, то этот вопрос, как нам известно, никем не исследовался. Если речь идет об индивидуальном обучении одного учащегося, то здесь кажется очевидным один недостаток: отсутствие духа соперничества. Об этом поговорим попозже, когда будем обсуждать бригадный способ обучения с участием 3-4-х обучаемых.

 

Важным стимулом (мотивацией) к приобретению знаний по той или иной профессии является ее востребованность обществом и государством. К сожалению, в современной России востребована только личная преданность президенту, премьеру, губернатору, мэру и т. д., но не профессионализм. Ярким примером тому является перевод мощнейшей в мире РАО ЕЭС на рыночные рельсы. Были затрачены огромные средства на решение этой задачи, а результат — нулевой, даже отрицательный из-за нетронутого монополизма и возросшего воровства. Спросите любого гражданина России может ли он выбрать по своему усмотрению поставщика электроэнергии. Конечно, нет, а китаец или американец может. Москвич может довольствоваться только единственной Мосэнерго, в других городах и селях — тоже только одним каким-нибудь …энерго.

 

Нетрудно догадаться, каких результатов можно ожидать от использования в нашем хозяйстве нанотехнологий, почему не выходят на требуемую орбиту спутники, почему перевелись у нас королевы, келдыши, почему гибнут шахтеры, подводники и много-много почему. Понятно, что в таких условиях большинство студентов приходят в ВУЗ за «бумажкой», т. е. за дипломом, а не знаниями. Лучшие из них после окончания ВУЗа уезжают за границу, некоторые пользуются связями своих родителей и таким образом устраиваются на «тепленькие» места в госаппарате и госкоммерческих структурах. Если раньше ВУЗ мог отбирать для себя лучших из лучших, то сейчас приходится довольствоваться жалкими остатками, которых никто никуда не берет и которым не светит в таких условиях даже возможность обзавестись семьей.

 

Пока МинВУЗ (и государство) паразитирует на преподавателях пенсионного возраста, но скоро такие возможности будут исчерпаны и Россия под руководством временщиков-мародеров превратится в страну сплошной безграмотности. Явно недостаточно объявить себя национальным лидером, надо ему соответствовать по всем параметрам и служить образцом для подражания, а не образцом морального разложения и безудержной алчности и казнокрадства. Дурной пример заразителен, и в системе образования мы уже можем видеть хапуг с зарплатами под миллионы рублей. Так, в одном из московских государственных ВУЗов ректор назначил себе зарплату 1 млн. руб., а в другом еще более известном — около 5 млн. руб. И это на фоне 15-30 тысячной зарплаты преподавателей, являющихся истинными кормильцами этих ВУЗов. Неудивительно, что бессеребреник Сталин, несмотря на все его зверства, пользуется до сих пор непререкаемой популярностью.

 

Возросшая доступность персонального компьютера (ПК) позволяет коренным образом изменить сложившуюся систему образования. Это, конечно, не означает, что ранее ЭВМ не применялись в целях обучения. Такие попытки были, но они не могли оказать существенного влияния на сложившуюся систему обучения, поскольку, во-первых, методология компьютеризованного обучения была недостаточно развита и не обеспечивала индивидуализированного подхода к учащимся и, во-вторых, сама вычислительная техника была менее доступной и не обладала необходимыми параметрами. Сейчас ситуация радикально изменилась. Низкая цена ПК позволяет использовать их не только в учебных заведениях, но и в качестве домашних обучающих устройств наравне с другой бытовой аппаратурой.

 

Опыт показывает [4], что применение средств программированного обучения позволяет повысить успеваемость учащихся и ускорить прохождение материала в среднем на 25—30% при существенном облегчении труда педагога.

 

В истории программированного обучения можно отметить два всплеска общественного интереса к этому направлению: это 1926 год, когда С. Пресси  создал первую партию контролирующих автоматов, и 1961 год, когда Б. Скиннером, Н. Краудером и др. были разработаны принципы построения обучающих программ и созданы образцы автоматов для их реализации. К началу 1960-х годов относится возросший интерес к программированному обучению и в СССР.

 

Идеи программированного обучения явились естественным следствием объективного развития производительных сил общества, характерной чертой которого является автоматизация процессов труда. При этом главное значение приобретают не сами процессы, а методы управления ими, ведущие к возможно более полному устранению непосредственного обмена информацией между человеком и машиной в процессе производства. Нечто подобное наблюдается и в учебном процессе.

 

Благодаря уменьшению по­тока информации от «индивидуального» учителя к учащимся и существенному увеличению этого потока от «обобщенного» учителя (программы) улучшается управление процессом обучения. В результате повышается уровень обучения и сокращается разброс в успеваемости учащихся. Сочетание кибернетических и педагогических идей при соз­дании систем программированного обучения оказывает вли­яние на весь учебно-воспитательный процесс, так как не только изменяет место и умножает возможности преподавателя в руководстве коллективом учащихся, но и повышает роль са­мих учащихся в процессе обучения, поскольку при программированном обучении делается упор на активизацию самостоятельной познавательной деятельности учащихся и предлага­ются эффективные методы и средства для гибкого управления этой деятельностью.

 

Наибольшей эффективностью обладают обучающие программы моделирующего типа. Применительно к профессиональной подготовке специалистов в области радиоэлектроники и автоматики это преимущество сочетается с тем обстоятельством, что разработка любого радиоэлектронного устройства сопровождается физическим или математическим моделированием. Физическое моделирование связано с большими материальными затратами, поскольку требуется изготовление макетов и их трудоемкое исследование. Часто физическое моделирование просто невозможно из-за чрезвычайной сложности устройства, например, при разработке больших и сверхбольших интегральных микросхем. В этом случае прибегают к математическому моделированию с использованием средств и методов вычислительной техники. Например, известный пакет P-CAD содержит блок логического моделирования цифровых устройств, однако для начинающих, в том числе и для студентов, он представляет значительные трудности в освоении. Поэтому на этапе начального освоения методов автоматизированного проектирования и на этапах проведения поисково-исследовательских работ целесообразно использовать более простые программы: Micro-Cap V, DesignLab, System View, CircuitMaker, Electronics Workbench и др.

 

Наиболее простой и легко осваиваемой является программа Electronics Workbench (EWB) — разработка канадской компании Interactive Image Technologies, ставшей подразделением компании National Instruments (США). Интересно отметить, что, начиная с версии 6.00, программа EWB стала называться Multisim, что (предположительно) было вызвано переименованием компании-разработчика в Electronics Workbench вследствие широкой популярности аббревиатуры EWB.

 

Особенностью программы EWB является наличие в ней контрольно-измерительных приборов, по внешнему виду, органам управления и характеристикам максимально приближенных к их промышленным аналогам, что способствует одновременно и приобретению практических навыков работы с наиболее распространенными приборами: мультиметром, осциллографом, измерительным генератором и др. Опыт использования программы в качестве лабораторного практикума по ряду предметов показывает, что для проведения лабораторных работ достаточно 2-х часов предварительного ознакомления с программой. Отмеченные достоинства программы подтверждаются и тем обстоятельством, что посвященная ей книга уже выдержала шесть изданий (1999—2006 годы) [5—7]. Кроме того, в Канаде и США издано более десятка учебных пособий на базе этой программы, а в России — ряд книг [12—15].

 

Наряду с высоким обучающим эффектом применение моделирующих программ позволяет решить одновременно и такие проблемы как экономия материальных и финансовых средств, затрачиваемых на лабораторное оборудование и его обслуживание; значительное сокращение времени на подготовку и проведение лабораторных работ; выполнение экспериментов, не доступных на обычном лабораторном оборудовании; приобретение навыков и приемов автоматизированного проектирования; возможность включения отдельных фрагментов лабораторного практикума в перечень домашних заданий (с учетом возрастающей с каждым днем доступности ПК) и т. п.

 

Кроме EWB, в учебном процессе находит применение программа MATLAB+Simulink, заметно уступающая EWB по простоте пользовательского интерфейса и системным требованиям, однако  позволяющая решить некоторые задачи лабораторного практикума,  реализация которых средствами EWB затруднительна или невозможна.

 

Из апробированных в учебном процессе следует отметить также программу Proteus компании Electronics Labcenter (www.labcenter.co.uk) [8]. Опыт применения модулей моделирования программ Electronics Workbench (Multisim) и Proteus (модуль ISIS) позволяет сделать следующие выводы:

 

1. При заметно меньшем объеме занимаемого дискового пространства (около 170 Мбайт против 300 Мбайт у EWB) Proteus/ISIS превосходит последнии версии EWB по быстродействию в 1,5—2 раза.

 

2. Библиотека компонентов Proteus значительно богаче, чем у EWB. Наличие анимационных моделей электродвигателей, различного рода оптических и звуковых индикаторов, логических пробников и активаторов, конденсаторов, переключателей и т. п. делает Proteus мощным средством повышения эффективности восприятия результатов моделирования в учебном процессе. Однако не все модели позволяют реализовать ожидаемые результаты. Так, например, выявлены недостатки у следующих моделей:

— индуктивность REALIND из библиотеки Inductors/Generic и конденсатор REALCAP из Capasitors/Generic отличаются по реактивному сопротивлению на 2—3%;

— 3-фазный генератор: отличается асимметрией фазных напряжений;

 — линия с потерями, считающаяся в Proteus наилучшей из трех имеющихся, оказалась неспособной моделировать колебательные явления в таких линиях, тогда как в аналогичной модели EWB это легко реализуется (см. разд. Х на этом сайте), что позволило использовать ее для моделирования процессов согласования антенны и фидера, а также для имитации вибратора (см. разд. Х на этом сайте);

— ключ DSWITCH из библиотеки Modeling Primitives/Mixed Mode для коммутации цифровых и аналоговых сигналов: отличается сильной зависимостью параметров от частоты коммутации;

— перемножитель MULTIPLY из библиотеки Laplace Primitives/Operators: неудовлетворительно работает в режиме амплитудного модулятора, что выражается в невозможности реализовать зависимость АМ-колебаний от коэффициента модуляции.

 

3. По метрологическим характеристикам контрольно-измерительные приборы EWB общего применения заметно превосходят имеющиеся в библиотеке INSTRUMENTS модуля Proteus/ISIS как по диапазону измеряемых величин, так и по возможностям получения цифрового отсчета в удобной форме (по существу только осциллограф Proteus обладает такими характеристиками, хотя и уступает по диапазону разверток и чувствительности). Кроме того, по отдельным приборам выявлены следующие недостатки:

— амперметры и вольтметры постоянного и переменного тока: не имеют режима автомасштабирования, что требует предварительного прогнозирования значения измеряемой величины и внесения соответствующего масштаба в диалоговом окне;

— нестандартное и неудобное масштабирование амплитуды выходного сигнала и частоты функционального генератора (ФГ), а также невозможность точной установки этих параметров; этот же недостаток присущ и кодовому генератору, но только по частоте и времени задержки;

— крайне низкая нагрузочная способность ФГ при подключении заземленной нагрузки; так, соответствие между установленной (и индицируемой на лицевой панели ФГ) амплитудой и измеряемой осциллографом достигается  при сопротивлении нагрузки 10000 Мом, при 100 Мом измеряемая амплитуда уменьшается в два раза, при 10 Мом — в 10 раз, при 1 Мом — в 100 раз.

 

Общим недостатком приборов общего применения из группы INSTRUMENTS, в отличие от EWB, является их «удаленность» от промышленных аналогов как по внешнему виду, так и по органам управления, что снижает учебный эффект по приобретению навыков и умений для работы с «живыми» приборами.

 

Другие приборы из библиотеки INSTRUMENTS (VIRTUAL TERMINAL, SPI DEBUGGER, I2C DEBUGGER, COUNTER TIMER) являются специализированными и, судя по примерам из папки Samples и отсутствию нареканий со стороны участников форума по программе Proteus на kazus.ru, работают вполне удовлетворительно.

 

4. При анализе и синтезе комбинационных элементов цифровой техники ощущается отсутствие в Proteus логического конвертера, имеющегося в EWB.

 

5. Графопостроители из библиотеки GRAPHS, являющиеся в большинстве случаев аналогами команд меню Analysis EWB, отличаются простотой использования и целым букетом сервисных возможностей, недоступных в EWB.

 

6. Существенным достоинством программы  Proteus является возможность комплексного (со всеми периферийными устройствами, включая датчики, исполнительные и устройства отображения информации) исследования микроконтроллерных (МК) систем и их пошаговой отладки по заданной управляющей программе целевого устройства на Ассемблере, СИ или специальном языке программирования (например, Basic Stamp для МК компании Microchip). И все это при огромном количестве моделей МК и вспомогательных интегральных микросхем (ИМС) компаний Atmel, Intel, Motorola, Philips, Texas Instruments, Zilog и др.

 

Книги [5—11] использовались и используются в качестве учебных пособий в Российском университете дружбы народов (РУДН) по курсам «Технические средства систем управления», «Электромеханические системы», «Теоретические основы электротехники» и «Общая электротехника и электроника». В таком же качестве они используются в МГИ электронной техники, МГТУ гражданской авиации, МГУ леса,  МГТУ «Станкин», Белорусском национальном техническом университете, Московском университете путей сообщения (МИИТ), Грузинском техническом университете, Киевском политехническом и других ВУЗах России и СНГ.

 

При столь мощной компьютерной поддержке представляется разумным проводить по электротехническим и радиотехническим предметам лекционные занятия, совмещенные с лабораторными работами, что вполне реально для групп с количеством студентов 10—12 человек. Если по данному направлению (специальности) имеется несколько групп с количеством студентов в каждой группе до 20 человек, то в этом случае приходится их делить на две подгруппы для проведения лабораторных работ и, следовательно, совмещенный метод крайне расточителен.

 

В более общем случае занятия по электротехнике и электронике проводятся традиционным способом. Курс состоит из лекций и лабораторных работ, соответствующих темам лекций и сочетающих в себе расчетную часть, результаты которой проверяются на лабораторных стендах или в среде моделирующих программ Multisim, Proteus, AVR Studio и PonyProg. Большой объем лабораторных работ, практически равный количеству лекций, с использованием традиционных (без моделирующих программ) методов их выполнения представляется проблематичным.

 

Результаты расчетов и проведенных лабораторных работ оформляются в виде отчетов (см. Приложение), которые защищаются побригадно. Варианты работ выдаются на каждую бригаду в составе не более 4-х студентов. Лекции по микроконтроллерной технике проводятся с демонстрацией действующих лабораторных макетов электронной техники на микроконтроллерах (МК) ATtiny2313 и ATMega8 компании Atmel (США) (см .разд. 6 сайта), управляющие программы которых для каждого макета анализируются в среде программы AVR Studio и Proteus, а сам процесс программирования осуществляется с помощью простейшего программатора с последовательным ISP-интерфейсом и бесплатной программы  PonyProg.

 

Выбор МК компании Atmel диктовался не только их простотой программирования и доступностью в России (не менее широкое распространение получили в России и МК компании Microchip), но и достаточно поучительным примером для студентов и нашего Минвуза. Дело в том, что эти МК в отечественной и зарубежной технической литературе больше известны как AVR-МК, да и бесплатная отладочная программа носит название AVR Studio. Итак, о загадочной (и звучной, не то что наш ГИББД вместо бойкой  ГАИ) аббревиатуре AVR в заголовках многочисленных книг по МК фирмы Atmel и отсутствующей в их официальной маркировке (все изделия Atmel начинаются с символов АТ). По данным сайта myrobot.ru и другим источникам, перечисленным в [8], история аббревиатуры AVR такова.

 

Идея AVR-МК родилась в норвежском городе Тронхейм у двух студентов университета, будущих директоров Atmel Norway, — Альфа Богена (Alf-Egil Bogen) и Вегарда Воллена (Vegard Wollen), разработавших одну из самых удачных архитектуру МК. В 1995 г. они предложили  американской корпорации Atmel, известной своими «ноу-хау» в области  Flash-памяти, свой вариант  8-битного RISC-микроконтроллера с такой памятью. Идея настолько понравилась руководству Atmel, что было принято ре­шение незамедлительно  инвестировать  предлагаемый проект, в результате чего в 1996 г. был основан исследовательский центр Atmel в Тронхейме. Следует заметить, что 150-тысячный Трон­хейм усилиями своего университета каждый год порождает до 20-ти новых компаний, специализирующихся в области прикладной радиоэлектроники, автоматики и вычислительной техники.

 

В конце 1996 года был выпущен опытный кристалл AT90S1200, а во второй половине 1997-го корпорация Atmel при­ступила к серийному производству нового семейства МК, к их рекламной и технической поддержке. Новое ядро МК было запа­тентовано под названием AVR, которое по прошествии уже не­скольких лет стало трактоваться самыми различными способами. Кто-то утверждает, что это не иначе как Advanced Virtual RISC, другие полагают, что не обошлось здесь без Alf-Egil Bogen + Vegard Wollan + RISC.

 

Новые МК от Atmel были встречены с большим интересом. Их продажи неуклонно росли; команда AVR, состоящая в 1997 г. из 10 человек, сейчас превышает сотню сотрудников только в Норве­гии (без  учета  специалистов по AVR в двух специализированных центрах Франции и Финляндии).

 

Вернемся, однако, к нашему учебному процессу. При изложении лекционного материала приводятся примеры практического использования тех или иных теоретических положений в популярных приложениях или в виде запоминающихся аналогий. Приведем примеры такого изложения.

 

1. Закон Ома для студентов-автолюбителей и студентов направления 190600 (эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов). Автомобильные кислотные аккумуляторы часто называют стартерными, поскольку при пуске двигателя используется достаточно мощный стартер (двигатель постоянного тока) и, следовательно, большой потребляемый ток от аккумулятора. Поэтому к стартеру от аккумулятора проложен отдельный провод большого сечения (толщиной с мизинец) с целью уменьшения на нем падения напряжения. Итак, пренебрегая сопротивлением соединительных проводников, требуется определить внутреннее сопротивление аккумулятора, если известно, что потребляемый стартером ток составляет 200 А и при пуске двигателя (когда притухает освещение на приборной доске) напряжение на зажимах аккумулятора уменьшается с 12 В до 10 В. Несмотря на многократное изучение закона Ома для участка цепи эта задача вызывает у многих студентов затруднение. Причем они прекрасно формулируют сам закон, а вот его разновидность — сопротивление участка равно падению напряжения на нем, деленному на протекающий по нему ток — почему-то не приходит на ум сразу, а требует долгих раздумий.

 

2. Несколько вульгарный пример (типа Дом2) из жизни полупроводников. Известно, что в таких материалах переносчиками заряда являются дырки (положительные девочки) и электроны (отвратительно отрицательные мальчики), которые в нормальных условиях (без внешнего электрического поля) рождаются в результате горячих семейных неурядиц в валентных слоях их атомов. Процесс этот известен как явление термогенерации. Рожденные таким образом дырки и электроны находятся в кристаллической решетке полупроводника на свободе до тех пор, пока каждый из них в случайном поиске на склоне лет, называемом временем жизни или длиной свободного пробега, не найдет подходящего партнера — дырку или электрон. Такая встреча, как и в жизни людей, чаще всего заканчивается свадьбой, которая на языке полупроводников называется рекомбинацией. В результате, как часто бывает и в жизни человеческой, электроны навсегда теряют своего приятеля-электрончика, а дырки — свою подружку-дырочку. Поскольку такое положение возмущает холостых приятелей и подружек, то всевышний внемлет их воплям и несколько «подогревает» кристалл, скажем, чистого кремния до такой степени, чтобы путем термогенерации сохранить среднестатистическое количество холостых пар электрон-дырка на прежнем уровне.

 

3. И еще вульгарно-политико-криминальный пример из жизни полупроводников. Откуда берется тепловой паразитный ток полупроводниковых приборов? Ответ: благодаря наиболее энергичным (разогретым) электронам и дыркам, которые, несмотря на всякие энергетические преграды, проскакивают к p-n—переходу и на его противоположной стороне, встречаясь с любимыми электроном или дыркой и рекомбинируя с ними, образуют этот самый паразитный тепловой ток. И если этот процесс в полупроводниках носит вполне естественный статистический характер (при равенстве возможностей электрона и дырки), то в жизни современный России он имеет явно криминальный характер. Чаще всего главную роль играет электрон (реже — дырка, например, питерского разлива), который, прикидываясь нищим, нагло (без зазрения совести) обкрадывая на каждом шагу рядовых электрончиков-барашков и козочек-дырочек, разоряя их общее достояние — госказну, служит мощным толкачем своей алчной бизнес-дырки. И все ее хвалят — ах какая способная бизнес-дырочка и какая она совестливая, она даже кормит бесплатно (чужими тепловыми токами) своего нищего электрончика. Но достаточно споткнуться ее зарвавшемуся электрончику, как она оказывается простой старой дыркой-воровкой.

 

4. И еще раз о законе Ома, но уже из жизни наладчиков или ремонтников радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Разработчики такой аппаратуры стараются составить так документацию на данное изделие РЭА, чтобы максимально облегчить жизнь таким специалистам. В частности, для этих целей стараются некоторые режимы отдельных элементов указывать непосредственно на схеме, чтобы не искать их в отдельной спецификации. В качестве примера рассмотрим транзисторный каскад с общим эмиттером (рис. 14.2) с контрольной точкой в виде крестика, в которой указан ток коллектора исправного каскада, например, с допуском ±5% или ±10%. Спрашивается, как проверить этот ток, не разрезая тонкий печатный проводник, если известны напряжение питания Ucc и сопротивление коллекторной нагрузки Rc? Сперва предлагается схема без вольтметра Urc. Первый ответ невпопад — нужно использовать амперметр. А как его включить, если разрушать печатный проводник не допускается? Следует еще более несуразный ответ — параллельно Rc. Но в этом случае можно вывести из строя транзистор (при малом Re), поскольку амперметр обладает практически нулевым сопротивлением (по умолчанию в EWB 4.1 внутреннее сопротивление амперметра равно 1 мОм и может быть установлено еще на несколько порядков меньше).

 

 

Рис. 14.2. Модель каскада с общим эмиттером

 

Если положительного ответа добиться не удается, то для обсуждения предлагается схема уже с вольтметром Urc и первый вопрос — зачем он нужен? И далее вопросы связаны уже непосредственно с законом Ома для участка цепи.

Если подобное обсуждение проходит при защите лабораторной работы, то заданный вопрос предлагается по очереди всем участникам бригады до получения правильного ответа, который отмечается единицей в отчете правильно ответившего. Отсутствие правильного ответа отмечается нулем, а неполный ответ — десятыми долями от 1.

 

5. При расчетах цепей переменного тока и, в частности, энергетического эффекта (количество выделенной теплоты, выполненная механическая работа и т. п.) наиболее удоб­ным оказалось использование понятия действующего значения тока (и нап­ряжения), определяемого как значение постоянного тока I, при котором за период Т переменного тока на участке цепи сопротивлением R выделяется столько же теплоты Q, сколько и при пере­менном токе. Если на постоянном токе

 

           Q = I²RT,                                 (14.1)

 

то теплота dQ, выделяемая переменным током в том же сопротив­лении R за бесконечно малый промежуток времени dt в любой момент цикла, может быть выражена через мгновенное значение тока i = Im×sin wt как dQ = i²Rdt = (Im)² (sin)²wt dt.  Используя преобразование (sin)²wt = 0,5(1 – cos 2wt), нетрудно вычислить выделенное на участке цепи тепло за  период Т

 

 

Нетрудно вычислить, что второй интеграл равен нулю, тогда остается

 

Q = 0,5(Im)²RT.                      (14.2)

 

Приравняв (14.1) и (14.2), получим действующее значение перемен­ного тока:

 

I = (0,5)²Im » 0,707Im.

 

Аналогичное выражение имеет место и для действующего напряжения:

 

U = (0,5)²Um » 0,707Um.

 

 

6. Действующее значение U синусоидального сигнала амплитудой Um = 3 В (рис. 14.3) равно Um/2^1/2 » 0,707Um = 0,707×3 =2,21 В. Требуется представить это значение на рис. 14.3 в графическом виде (прямая U(t) = const на исходном рисунке отсутствует). Это задание (сперва на лекции, а затем и на защите лабораторной работы «Параметры синусоидального сигнала») для большинства студентов оказывается нетривиальным и требует длительных раздумий. Аналогичное впечатление производят такие вопросы по этой теме как 1. почему действующее значение называют также среднеквадратическим или эффективным? 2. в чем заключается разница между действующим и средним значением, а также средним за полпериода? 3. какое значение тока и напряжения измеряют амперметры и вольтметры переменного (синусоидального) тока во всем мире?

 

 

Рис. 14.3. Осциллограмма синусоидального сигнала

 

7. Число 2^1/2 и кратные ему имеют в природе несколько магическое значение. Так, например, ногти на руках человека растут в 2^1/2 раза быстрее чем на ногах, длина тонкой кишки кишечника человека составляет около 10×2^1/2 м. Взрыв смеха вызывает ответ «Ногти» некоторых студентов из Африки на вопрос, что такое действующее значение синусоидального тока.

 

Число 1/2^1/2 широко используется в акустике, автоматике, электро- и радиотехнике, в частности, при определении полосы пропускания колебательного контура, аудио систем, систем автоматического управления, ее отдельных звеньев и т. п. В любом случае полоса пропускания того или иного устройства связывается с наибольшей эффективностью проявления их основных свойств в этой полосе частот.

 

Определение полосы пропускания устройств на уровне 1/2^1/2 » 0,707 = –3 дБ их амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) выбрано не случайно (с потолка). Дело в том, что в большинстве случаев инерционность различных приборов имитируется интегрирующей RC-цепью на рис. 14.4, а, где показан также прибор для измерения ее АЧХ и фазо-частотной характеристики (ФЧХ), названный в EWB Bode Plotter в честь Боде — разработчика метода анализа электрических цепей с помощью АЧХ и ФЧХ (в зарубежной литературе АЧХ и ФЧХ называются Боде-диаграммами).

Коэффициент передачи RC-цепи на рис. 14.4, а

 

K(jw) = Uo/Ui = Ui(1/jwC)/(R + 1/jwC) = 1/(1 + jwRC).

 

Избавляемся от мнительного члена в знаменателе, умножая его и числитель на сопряженное комплексное число (1 – jwRC):

 

K(jw) = (1 – jwRC)/[1 – (jwRC)²] = (1 – jwRC)/[1 + (wRC)²].

 

Модуль (АЧХ) и аргумент (ФЧХ) коэффициента передачи

 

|K(jw)|= {[1 + (wRC)²]/[1 + (wRC)²]²}^1/2 = 1/[1 + (wRC)²]^1/2;

 

j(w) = arc tg(–1/wRC).

 

Из рис. 11.4, в видно что на частоте w = 1/RC = 1/10⁶×10^–6 = 1 рад/с, называемой частотой среза, наблюдается перегиб ФЧХ: если до этой точки она выпукла, то после нее она вогнута. Вторая особенность этой частоты заключается в том, что модуль коэффициента передачи при wRC = 1 (условие, из которого она определяется) равен

 

|K(jw)| = 1/(1+1)^1/2 » 0,707 или |K(jw)|_дБ = 20×lg(0,707) = –3дБ,

 

а напряжение на выходе опаздывает на

 

j = arctg(–1/wRC) = arctg(–1) = –45°,

 

что в системах с отрицательной обратной связью (ООС) часто трактуется как запас по фазе.

 

Как видно из осциллограмм АЧХ и ФЧХ на рис. 14.4, результаты проведенных расчетов с учетом неточности (из-за дискретности) установки визирной линейки 1 совпадают с результатами моделирования. При этом необходимо учитывать, что w = 2πf = 2π×0,16 » 1 рад/с. Таким образом, условие определения полосы пропускания на уровне 0,707 или –3 дБ нормированной АЧХ вполне обосновано.

 

Под нормированной АЧХ понимается АЧХ, значения коэффициентов передачи которой на всех частотах делится на его максимальное значение (в данном случае он равен 1 или 0 дБ). Для резонансной кривой максимальное значение коэффициента передачи принимается равным его значению на резонансной частоте, т. е. в его нормированной АЧХ максимальное значение коэффициента передачи равно 1 или 0 дБ.

 

      

 

                              а)                                             б)

 

 

в)

 

Рис. 14.4. RC-цепь и ее частотные характеристики

 

Для большей убедительности на рис. 14.5 показаны ФЧХ и АЧХ инвертирующего усилителя на операционном усилителе LM208, из которого видно, что его частотные характеристики по характеру идентичны RC-цепи, за исключением полосы пропускания, определяемой другим существенно меньшим значением его постоянной времени, равной Rу×Cу = 1/w_с = 1/2πf_с = 1/2π×482×10³ = 0,33 мкс (для RC-цепи на рис. 14.4 она равна 1 с).

 

Заметим, что рассматриваемый усилитель является системой с ООС и коэффициентом усиления К = R2/R1 = 1. Если на плоской части ФЧХ j = 180°, то на частоте среза он равен 133°, т. е. степень ООС ослабляется за счет задержки сигнала обратной связи и в этом случае целесообразно говорить о запасе по фазе в 47° при К = 1. С ростом К запас по фазе уменьшается: так при R2 = 100 кОм (К = 100 (40 дБ)) он уменьшается до 45° с одновременным уменьшением частоты среза (и полосы пропускания) до 9,9 кГц, что может нарушить устойчивую работу усилителя или системы управления, где он используется. Заметим, что при К = 40 дБ полоса пропускания (и частота среза) определяются по уровню 40 – 3 = 37 дБ.

 

    

                                  а)                                          б)

 

 

в)

Рис. 14.5. Инвертирующий усилитель и его частотные характеристики

 

8. От простого к сложному, но более эффективному, что иллюстрируется в разд. 12 сайта, где показано, что задачу суммирования или вычитания синусоидальных сигналов одинаковой частоты, но с различными начальными фазами, можно выполнить простым «школьным» способом с использованием тригонометрии или с использованием изображений синусоидальных функций на комплексной плоскости (символический метод), однако последний позволяет решить такую задачу с меньшим количеством вычислений и, следовательно, является более простым и более эффективным, особенно если стоит задача суммирования или вычитания нескольких синусоидальных сигналов. Такой сравнительный анализ позволяет убедить студентов в целесообразности использования несколько непонятного вначале символического метода.

 

9. В процессе изучения темы «Многофазные цепи» студенты знакомятся с такими понятиями как нейтраль (нулевой провод), защитное заземление с использованием специального контура заземления или нейтрали (защитное заземление занулением). Оказывается, что в каждую квартиру или садовый домик заводится как фазный, так и нулевой провод. Спрашивается, каким образом заземлить корпус стиральной машины, компьютера или другого бытового прибора в квартире на 20-ом этаже? И здесь выясняется  явные преимущества трехконтактной евророзетки перед привычной двухконтактной. Одновременно приходится объяснять, каким образом подключить евророзетку с использованием простейшего индикатора фазного и нулевого провода. Такие сведения воспринимаются студентами с большим интересом и, как правило, запоминаются надолго.

 

Поскольку речь заходит о розетках, то внимание студентов обращается на эти устройства как на возможный источник пожара при ухудшении контакта между вилкой, например, обогревателя (или утюга) и подпружиненными контактами розетки: если вилка утюга сильно разогревается, то это явный признак неисправности розетки, которую необходимо заменить, иначе это может привести к печальным последствиям, как это произошло несколько лет назад в одном из корпусов студенческого городка РУДН.

 

Порядок проведения защиты лабораторной работы вкратце был рассмотрен в примере №4. Как правило, первыми защищаются лучшие бригады (чаще всего это девичьи коллективы). Тот факт, что защитить лабораторную не простое дело, заставляет многих студентов из других бригад внимательно прислушиваться к вопросам и ответам защищающихся вплоть до их конспектирования. В таком случае преподавателю приходится туговато, поскольку количество обсуждаемых вопросов ограничено. Поэтому многие вопросы расчленяются на более мелкие, а вопрос, не нашедший ответа в данной бригаде, переносится на защиту очередной бригады. В случае «трудных» вопросов приходится предлагать выбрать правильный ответ из 3-5 возможных.

 

Заметим, что состав бригад формируется самими студентами, т. е. без какого-либо принуждения, а сам бригадный метод обучения представляется более эффективным по сравнению с обычным репетиторством. Правда, он требует больших затрат времени, особенно в случае плохой подготовки к зачету и недостаточной подготовки по русскому языку иностранных студентов. Если у хорошо подготовившейся бригады из трех человек зачет занимает около 20 минут при ответе на 4-5 вопроса для каждого, то для плохо подготовленной бригады он затягивается до 40-50 минут. Поэтому приходится использовать время перерывов и частично лекционное время. Некоторые «плоховатые» бригады хитрят и преднамеренно начинают защиту за 10-15 минут до окончания занятий. Если по тем или иным причинам невозможно использовать перерыв и члены бригады об этом знают, то защита переносится на следующее занятие и со временем желание бригады ставить преподавателя в жесткие временные рамки пропадает. 

 

Перейдем к условиям и критериям оценки успеваемости студентов. Поскольку речь в основном идет о курсе электротехники и электроники, сопровождаемом, кроме лекций, обширным лабораторным практикумом, то от студентов требуется посещение как лекций, так и в обязательном  порядке лабораторных работ, успешное выполнение которых является основным критерием оценки их успеваемости. При 100-бальной системе посещение лекций в нашем случае оценивается в 10 баллов, остальные 90 балов — за посещение и успешную защиту лабораторных работ, содержащих расчетную часть и результаты их сравнения с данными компьютерного эксперимента. Оценка результатов выполнения и защиты лабораторных работ проводится по 5-балльной системе с последующим переводом в 100-балльную в конце семестра. При этом используются следующие критерии и параметры оценок.

 

Аn = –1…0…1 — оценка качества и полноты оформления отчета и ответов на заданные вопросы по результатам выполнения лабораторной работы:

0 — небрежное выполнение отчета или отсутствие ответа на заданный вопрос;

1 — отличное оформление отчета и полный ответ на заданный вопрос;

<1 (с точностью до десятых долей) —  не вполне качественное оформление отчета и неполный ответ на заданный вопрос;

–1 — отвратительное оформление отчета (небрежно (от руки, вкривь вкось)) выполненная электрическая схема с нарушением стандартов единой системы конструкторской документации (ЕСКД), отсутствие предварительных расчетов ее параметров, несоответствие между данными расчета и результатами компьютерного эксперимента). Как правило, при Аn = 0 или –1 студент заново (и даже с готовностью) переоформляет отчет и в журнале преподавателя итоговый балл В, полученный непосредственно после защиты и отмеченный в журнале преподавателя карандашом, записывается уже чернилом с учетом нового Аn. Заметим, что Аn снижается на 10%, если лабораторная работа защищается позднее двухнедельного срока после ее выполнения, что позволяет снизить нагрузку на преподавателя и студентов в конце семестра во время зачетной сессии.

 

Полученные баллы Аn фиксируются непосредственно в отчете по лабораторной работе. Итоговый балл В отмечается в отчете по каждой лабораторной работе и в журнале преподавателя указанным образом и подсчитывается самим студентом по формуле:

 

Вm = (А1 + А2 + … + Аn) × 5/n,

 

где n — количество заданных вопросов/ответов, включая бал за качество оформления отчета.

Как правило, расчеты проводятся студентами правильно. Случаи обмана крайне редки; уличенные в таком проступке студенты воспринимают этот факт крайне болезненно, особенно, если это делается публично (в присутствии их коллег).

 

После защиты всех лабораторных работ расчет итоговой оценки по 100-балльной системе проводится  по формуле:

 

С = (B1 + B2 + … + Bm) × 90/m,

 

где m — общее количество лабораторных работ.

 

Если студент посещал все лекции, то его суммарный балл составит С + 10 или просто С в случае пропуска 10% лекций, после чего можно переходить к принятой в РУДН шкале оценок:

 

А (5+) – 100 баллов – отлично;

В (5) – 91-99 – очень хорошо;

С (4) – 73-90 – хорошо;

D (3+) – 64-72 – более чем удовлетворительно;

E (3) – 55-63 – удовлетворительно;

FX (2+) – 37-45 – неудовлетворительно (при повторном тестировании студент может добрать баллы только до удовлетворительного уровня);

F (2) – менее 37 – неудовлетворительно (повтор курса в установленном порядке или основание для отчисления).

 

Многолетний опыт (свыше 10 лет) использования бригадной системы обучения по основам электротехники, электроники и техническим средствам автоматических систем управления с применением компьютерных технологий показывает, что такой метод достаточно эффективен и способствует повышению активности студентов на лекциях и  лабораторных работах. Трехлетний же опыт апробации рассмотренной методики оценки их успеваемости показывает, что при ее использовании не возникало каких-либо нареканий со стороны студентов по поводу несправедливой оценки их знаний.

 

Приложение. Содержание отчета по лабораторной работе.

 

Отчет выполняется на отдельных листах, в отдельной тетради школьного образца или в зарезервированном месте после конспекта лекции. Отчет должен содержать:

— наименование работы и ее номер;

— фамилию и инициалы студента,  номер  группы и дату выполнения работы;

— перечень используемых виртуальных измерительных приборов и их краткие технические характеристики;

— описание принципа работы исследуемого устройства и его электрическую схему;

— расчеты и результаты компьютерного эксперимента в виде таблиц, графиков и осциллограмм;

— заключение: сравнительный анализ результатов расчета и моделирования;

— место для заметок преподавателя.

 

Лабораторная работа считается выполненной после предъявления студентом на дисплее компьютера правильно функционирующей схемы с необходимыми настройками виртуальных приборов и зафиксированными в рабочей тетради результатами измерений. Расчеты и оформление отчета проводятся студентом дома с тем, чтобы оставить время для защиты предыдущей лабораторной работы. Отчеты сохраняются до окончания зачетной или экзаменационной сессии.

 

Литература

 

1. Давыдов В. В. Теория развивающего обучения. — М.: ИНТОР, 1996. — 544 с.

2. Загвязинский В. И. Теория обучения: Современная интерпретация: Учебное пособие для вузов. 3-е изд., испр. — М.: Академия, 2000, 192 с.

3. Краевский В. В., Хуторской А. В. Основы обучения: Дидактика и методика. Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. — М.: Издательский центр «Академия», 2007, 352 с.

4. Карлащук В. И. Обучающие программы. — М.: Солон-Р, 2001, 528 с.

5. Карлащук В. И. Программа Electronics Workbench и ее применение. — М.: Солон-Р, 1999, 512 с.

6. Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC / Том I. Моделирование элементов аналоговых систем на Electronics Workbench и MATLAB. Изд. 6-е пер. и доп. — М.: Солон-Пресс, 2006, 672 с.

7. Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC / Том II. Моделирование элементов телекоммуникационных и цифровых систем на VisSim и Electronics Workbench. Изд. 6-е пер. и доп. — М.: Солон-Пресс, 2006, 640 с.

8. Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC/Том 3. Моделирование в среде Proteus. Учебное пособие. — М.: РУДН, 2009, 264 с.

9. Беляев В. В., Карлащук В. И. Технические средства систем управления. Часть 1. Операционные усилители и измерительные преобразователи. Учебное пособие. — М.: РУДН, 2009, 100 с.

10. Беляев В. В., Карлащук В. И. Технические средства систем управления. Часть 2. Логические элементы. АЦП и ЦАП. Учебное пособие. — М.: РУДН, 2009, 138 с.

11. Беляев В. В., Карлащук В. И. Технические средства систем управления. Часть 2. Логические элементы. АЦП и ЦАП. Методические указания к лабораторным работам. — М.: РУДН, 2009, 92 с.

12. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях: Практикум на Electronics Workbench: в 2-х томах. /Под общей ред. Д. И. Панфилова. — М.: ДОДЭКА, 2000.

13. Кардашев Г. А. Виртуальная электроника. Компьютерное моделирование аналоговых устройств.— М.: Горячая линия – Телеком, 2002, 260 с.

14. Кардашев Г. А. Цифровая электроника на персональном компьютере.— М.: Горячая линия – Телеком, 2003, 311 с.

15. Кучумов А. И. Электроника и схемотехника. — М.: Гелиос АрВ, 2004, 336 с.

 

Схемные файлы моделей в архиве

Первая редакция — 12.02.2012

На главную