ПЗ (Виртуальная лаборатория для проведения занятий по дисциплине Электротехника)

Министерство транспорта Российской федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Дальневосточный государственный университет путей сообщения»

Естественно-научный институт

Кафедра «Вычислительная техника и компьютерная графика»

Виртуальная лаборатория для проведения занятий по дисциплине электротехника

Отчет

О.09.03.01.ПП.015-943

Исполнитель

студент _______________________________________________В.С. Цай

Проверил

доцент Е.В. Буняева

Хабаровск 2017

Содержание

Введение 3

1 Виртуальные лаборатории и классификация 5

1.1. Интерактивные демонстрации 7

1.1.1. Видео интерактивные демонстрации 8

1.1.2. Анимационные интерактивные демонстрации 8

1.1.3. Моделируемые интерактивные демонстрации 9

1.2. Простые модели 10

1.3. Универсальные лаборатории 12

2 Реализуемые устройства 14

2.1 Амперметр 14

2.2 Вольтметр 15

2.3 Мультиметр 16

2.4 Осциллограф 18

2.5 Источник напряжения 20

3 Структурная схема 22

4 Выбор программных средств 25

4.1 Языки программирования 25

4.1.1 C# 25

4.1.2 C++ 26

4.1.3 Java 28

4.1.4 Python 29

4.2 Среды разработки 31

4.2.1 LabView 31

4.2.2 Qt Creator 32

4.2.3 Visual studio 34

5 Реализация 36

6 Технико-экономическое обоснование 47

Заключение 48

Список использованных источников 49

Введение

Разработка и создание виртуальных лабораторий обусловлены, в первую очередь, развитием дистанционного образования. Тем не менее, существует ряд дисциплин, в которых лабораторные исследования подразумевают значительные расходы образовательных учреждений на станки, инструменты, заготовки, реактивы и др. К тому же, как показывает практика, далеко не всегда студенты могут с первого раза, после теоретической подготовки, правильно выполнить лабораторную работу. Часто для удачного исхода нужно провести эксперимент несколько раз, тогда затраты могут существенно возрасти. Виртуальные лаборатории также используются в случаях, когда эксперимент происходит в неудобном масштабе пространства и времени, невозможен, неповторим, ненагляден и т. д. В этих случаях подобные лаборатории становятся необходимостью, чтобы с гораздо меньшими затратами дать возможность проводить учебный процесс, или же позволят экономить средства, обучая студентов сначала на специальных виртуальных тренажерах, для последующего перехода их на реальные дорогостоящие лабораторные стенды.

Лабораторные стенды используемые на кафедре ЭТЭЭМ морально устаревают, ввиду недостаточного материального обеспечения последнее обновление проводилось в 1980-х годах. При большом количестве обучающихся групп, кафедра располагают только двумя лабораториями. Для проведения занятий с помощью виртуальных лабораторий достаточно наличия аудитории оборудованной компьютерами. Наличие виртуальных лабораторий также позволит студентам обучающимся дистанционно проводить полноценные лабораторные работы.

Цель выпускной квалификационной работы – разработать виртуальную лабораторию для выполнения лабораторных работ по исследованию цепей переменного и постоянного тока. Для этого необходимо решить следующие задачи:

– изучить предметную область: принципы работы устройств, приборов, расчетные формулы, схемы для выполнения лабораторных работ;

– разработка структуры программы;

– выбор программного обеспечения;

– реализация виртуальной лаборатории;

– технико-экономическое обоснование.

В результате ВКР

1 Виртуальные лаборатории и классификация

Виртуальная лаборатория представляет собой программно-аппаратный комплекс, позволяющий проводить опыты без непосредственного контакта с реальной установкой или при полном отсутствии таковой. В первом случае лабораторная установка с удаленным доступом, в состав которой входит реальная лаборатория, программно-аппаратное обеспечение для управления установкой и оцифровки полученных данных, а также средства коммуникации. Во втором случае все процессы моделируются при помощи компьютера.

Использование виртуальных лабораторий в учебном процессе позволяет предоставить возможность обучающемуся провести эксперименты с оборудованием и материалом, отсутствующим в реальной лабораторией, получить практические навыки проведения экспериментов, ознакомиться детально с компьютерной моделью уникального дорогостоящего объекта, исследовать пожаро- и взрывоопасные процессы и явления не опасаясь за возможные последствия.

Основными преимуществами виртуальной лабораторий являются:

– отсутствие необходимости приобретения дорогостоящего оборудования и реактивов. Из-за недостаточного финансирования во многих лабораториях установлено старое оборудование, которое может искажать результаты опытов и служить потенциальным источником опасности для обучающихся. Кроме того, в таких областях как, например, химия, кроме оборудования требуются также расходные материалы (реактивы), стоимость которых достаточно высока. Компьютерное оборудование и программное обеспечение также стоит недешево, однако универсальность компьютерной техники и ее широкая распространенность компенсируют этот недостаток;

– возможность моделирования процессов, протекание которых принципиально невозможно в лабораторных условиях.· Наглядная визуализация на экране компьютера. Современные компьютерные технологии позволят пронаблюдать процессы, трудноразличимые в реальных условиях без применения дополнительной техники, например, из-за малых размеров наблюдаемых частиц;

– возможность проникновения в тонкости процессов и наблюдения происходящего в другом масштабе времени, что актуально для процессов, протекающих за доли секунды или, напротив, длящихся в течение нескольких лет;

– безопасность является немаловажным плюсом использования виртуальных лабораторий в случаях, где идет работа, например, с высокими напряжениями или химическими веществами;

– в связи с тем, что управлением виртуального процесса занимается компьютер, появляется возможность быстрого проведения серии опытов с различными значениями входных параметров, что часто необходимо для определения зависимостей выходных параметров от входных;

– экономия времени и ресурсов для ввода результатов в электронный формат. Некоторые работы требуют последующей обработки достаточно больших массивов полученных цифровых данных, которые выполняются на компьютере после проведения серии экспериментов. Слабым местом в этой последовательности действий при использовании реальной лаборатории является ввод полученной информации в компьютер. В виртуальной лаборатории этот шаг отсутствует, так как данные могут заноситься в электронную таблицу результатов непосредственно при выполнении опытов экспериментатором или автоматически. Таким образом, экономится время и значительно уменьшается процент возможных ошибок;

– важное преимущество заключается в возможности использования виртуальной лаборатории в дистанционном обучении, когда в принципе отсутствует возможность работы в лабораториях университета.

Количество существующих на данный момент виртуальных лабораторий, применяющихся в учебном процессе, довольно мало. Это связано, в первую очередь, с дороговизной их разработки, что приводит к следующим последствиям.

1. Виртуальные лаборатории, разработанные профессиональными программистами, дизайнерами и специалистами в моделируемой области, стоят очень дорого, что мешает их широкому распространению. С другой стороны, малые возможности распространения создают малые стимулы для их производства.

2. Создание виртуальных лабораторий непрофессионалами может привести к удовлетворительным результатам лишь при моделировании узкого класса явлений. Их распространение связано с невысокой стоимостью и практическим отсутствием альтернатив.

Виртуальным лабораториям присущи некоторые недостатки. Главным из них является отсутствие непосредственного контакта с объектом исследования, приборами и аппаратурой. Опыт работы с реальными приборами необходим, поэтому разумным решением будет сочетание использования реальных и виртуальных лабораторий в образовательном процессе с учетом присущих им достоинств и недостатков. Например, в случае работы с объектами, несущими опасность, следует на первых этапах применять именно виртуальные лаборатории, и только после получения требуемых навыков перейти, при необходимости, к работе с реальными объектами. Таким образом, продуманное сочетание использования реальных и виртуальных лабораторий позволит обеспечить наибольшую эффективность образовательного процесса в сочетании с меньшими финансовыми затратами.

Основу виртуальной компьютерной лаборатории составляет компьютерная программа или комплекс программ, осуществляющий моделирование некоторых процессов.

Виртуальные лаборатории можно разделить на три типа в зависимости от предоставляемых программой возможностей.

1.1. Интерактивные демонстрации

В большинстве случаев демонстрационные программы не являются компьютерными лабораториями, так как не содержат достаточно элементов интерактивности, но могут успешно выполнять функции по показу проведения экспериментов. Могут базироваться на статических, анимационных или видео составляющих и позволяют показать на экране компьютера видеозаписи явлений и опытов или их имитацию.

Пользователь получает возможность управления просмотром протекания процесса в различном темпе времени или по шагам, но не может вмешиваться в ход процесса и повлиять на его результат.

Чаще всего такие программы являются частью электронных учебников как вспомогательное средство для восприятия учебного материала.

1.1.1. Видео интерактивные демонстрации

Являются самым простым видом интерактивных демонстраций и представляют собой видеосъемку реальных экспериментов.

Плюсом данного вида демонстрации является возможность наблюдения реальных объектов и происходящих процессов.

Минусом является большой размер файлов и отсутствующая интерактивность.

1.1.2. Анимационные интерактивные демонстрации

Анимационные демонстрации представлены в виде последовательности заранее сформированных кадров (рисунок 1).

Рисунок 1 – Анимационная интерактивная демонстрация "Открытая биология"

В отличии от видео демонстрации позволяет визуализировать процессы недоступные для съемки.

1.1.3. Моделируемые интерактивные демонстрации

В основе моделируемых интерактивных демонстраций лежит математическое описание поведения изображаемых объектов. Это позволяет отображать на экране не фиксированную последовательность кадров, а изображение, зависящее от действий пользователя.

Например, "Открытая астрономия" (рисунок 2) позволяет выбирать точку обзора, управлять количеством отображаемых объектом, включать и отключать отображение отдельной информации.

Рисунок 2 – Моделируемая интерактивная демонстрация "Открытая астрономия"

Большинство интерактивных демонстраций реализовано в виде компьютерных программ. Минусом такого подхода является привязка к платформе и операционной системе компьютера. Хорошим вариантом для создания интерактивных демонстраций, лишенных этих недостатков является использование технологии Macromedia Flash.

1.2. Простые модели

Наиболее часто встречающийся вид моделей. Простая модель представляет собой модель одной лабораторной работы. Объединенные по некоторому признаку, простые модели представляют собой набор лабораторных работ, которые являются полноценной виртуальной компьютерной лабораторией (Рисунок 3).

Рисунок 3 – Простая модель

Распространенность такого вида лабораторий обоснована относительной простотой их создания, так как рассматривается один несложный процесс, описываемый одной или двумя математическими формулами, а различные лабораторные работы могут создаваться независимо разными программистами.

В отличии от демонстраций, модели позволяют непосредственно влиять на ход виртуального эксперимента.

Такой подход рекомендован для создания небольших курсов лабораторных работ, когда не является целесообразной разработка универсальной системы.

Минусами такого подхода являются:

– сложность масштабирования: для добавления новой лабораторной работы необходимо привлекать программиста, так как новая модель будет создаваться практически с нуля.

– невозможность комбинирования моделей: две модели из различных лабораторных работ являются обособленными и не могут взаимодействовать друг с другом.

– программы этого вида не дают обучаемому полной свободы действий.