Виртуальный обучающий стенд (лабораторный макет) математического моделирования

Программа "Исследование стержневых диэлектрических антенн"  (Research  rod  dielectric  aerials - RRDA v.5.2)  предназначена для виртуального (математического и графического) моделирования направленных волновых свойств диэлектрической антенны при проведении лабораторных занятий или исследовательских работ в лабораториях АФУ высших и средних учебных заведениях, специализирующихся по направлению радио и электросвязи

Данный продукт является виртуальным компьютерным макетом действующей лабораторной установки с одноименным названием, построенным в строгом соответствии с задачами которые возлагаются на его прототип. Однако помимо математического моделирования реальных электродинамических процессов программа построена на решение задачи модернизации учебного процесса и внедрения новых методов обучения. Для этого в ее возможности входит интерактивный оконный интерфейс, позволяющий проводить исследования с информационной поддержкой о правильности того или иного действия.

Реальная лабораторная установка схематически выглядит следующим образом:

 

где 1 - генератор сантиметрового диапазона волн; 
2 - прямоугольный волновод; 
3 - рупорная антенна; 
4 - исследуемая диэлектрическая антенна; 
5 - аттенюатор волноводный калиброванный; 
6 - детекторная секция; 
7 - коаксиальный кабель; 
8 - измерительный прибор.

Система сочетает в себе такие возможности как:
1. Математическое и физическое моделирование процесса исследования и получения результатов измерений; 
2. Интерактивное обучение с пошаговым выполнением и предоставлением материала; 
3. Возможностью профессионального исследования в режиме ввода произвольных значений и моментальное наблюдение результата.

 

Помимо этого в функции программы были включены такие как: 
1. Установка/снятие пароля на выход и выбор варианта задания; 
2. Режим включения/выключения записи последовательного лога всех выполняемых действий и их результативности; 
3. Режим включения/выключения функции, определяющей уровень отображения окон программы на экране монитора по отношению к другим программам (не дает возможность перейти на другую программу пока запущена данная); 
4. Функция блокировки принудительного несанкционированного снятия программы в любой ОС;

Обобщенный алгоритм программы можно представить как:

 

При реализации проект также были созданы сопроводительные материалы; 
- Новое методическое пособие для учащихся по выполнению виртуальной лабораторной работы; 
- Инструкция по настройке и обслуживанию ПО работниками лаборатории; 
- Программа автоматической установки и удаления данного продукта с ПК.

При испытаниях программы в ТУИТ (Ташкентский Университет Информационных Технологий) было показано, что система способна обеспечить довольно высокое число вариантов заданий. Это позволяет использовать ее в достаточно большом компьютерном классе одновременно на всех ПК. Установка задания может быть произведена до начала занятий и с этого момента программа находится в режиме ожидания учащегося. Дополнительные функции программы не позволят студентам самовольно выйти из программы, сменить задание, отвлечься на другую программу или сфальсифицировать данные в своей лабораторной тетради. В каждом окне предварительного расчета предоставляется весь спектр необходимой информации (параметры определенные заданием, ранее уже рассчитанные параметры, иллюстрации, схемы и графики) с тем, чтобы учащийся смог успешно произвести заданный этап расчета. В помощь предоставляется калькулятор, результат расчета в котором автоматически подставляется требуемое поле. На каждом этапе расчета производится проверка значений, и программа не даст перейти в следующее окно пока значения не будут рассчитаны правильно. 

Рис. 1. Меню

Рис. 2. Установка задания

Рис. 3. Регистрация студента и знакомство с заданием

Рис. 4. Определение параметров волновода

Рис. 5. Определение коэффициента замедления волны

Рис. 6. Начало исследования поворотом антенны от генератора

Рис. 7. Исследование ДН в прямоугольных координатах

Рис. 8. Исследование ДН в полярных координатах

Решение об оценке выполненной работы принимает преподаватель на основе записей студента и показаний ЛОГ файла, где указаны все заданные заранее и полученные в ходе выполнения работы данные (Ф.И.О., номер группы, вариант задания, промежуточные величины, итоговый расчет ХН и ДН). При этом в ЛОГ файл записывается информация обо всех ошибках, сделанных во время проведения предварительного расчета, что также должно быть учтено при определении оценки. 

В режиме исследовательской работы система предоставляет возможность обойти этапы предварительного расчета для жестко заданных условий, и сразу перейти в окно расчета ХН и отображения ДН. Такой режим предназначен для исследователей характеристик диэлектрической антенны. Осуществляется это с помощью возможности производить изменение всех предварительных величин прямо в том же окне где, рассчитывается ХН и отображается ДН. После каждого изменения параметров моментально изменяются ХН и ДН. Таким образом, можно, произвольно подбирая характеристики, получить оптимальную ДН, а в случаи необходимости зафиксировать цифры ХН в ЛОГ файл. Далее, на основе полученных данных и для их подтверждения, возможно реализовывать реальную физическую установку с заданными размерами волноводов и входными параметрами.

Рис. 9. Исследование ДН с возможностью манипулирования результатами (исследовательский режим в прямоугольных координатах)

Рис. 9. Исследование ДН с возможностью манипулирования результатами (исследовательский режим в полярных координатах)

Таким образом, программу RRDA5.2 можно отнести к учебно-методическому пособию нового поколения, построенному с использованием современных компьютерных и образовательных технологий.