Мавзу: Электрон схема

боб. Виртуал лабораториялар

Ўқитишнинг традицион усулларида фан бўйича олинган назарий билимларни мустахкамлаш ва амалий кўникмаларни ҳосил қилиш учун хизмат қилувчи лаборатория ва амалий машғулотларга катта аҳамият берилади. Лекин улар кўпчилик ҳолларда кутилган натижани бермайди. Бунинг сабаблари қуйидагилар:

• 
  лаборатория стендларининг етарли эмаслиги;
  
• 
  мавжуд лаборатория стендлари замонавий приборлар, қурилмалар ва аппаратлар билан таъминланмаганлиги;
  
• 
  кўпчилик лаборатория стендларининг замонавий талабларга жавоб бермаслиги ва маънавий эскирганлиги;
  
• 
  лаборатория ишлари ва стендларини мукаммаллаштириб туриш зарурлиги;
  
• 
  айрим лаборатория схемаларини йиғиш учун кўп вақт талаб қилиниши сабабли талабаларнинг ажратилган вақтдан унумли фойдалана олмаслиги.
  

Юқорида келтирилган камчиликларнинг кўпчилигини ўқув жараёнига виртуал лабораторияларни киритиш йўли билан бартараф қилиш мумкин.
Виртуал лаборатория (ВЛ) дастурий комплекс бўлиб, фойдаланувчига ҳар хил турдаги қурилмалар ва тизимлар билан ишлаш кўникмаларини ҳосил қилиш ва уларни ҳар томонлама тадқиқ қилиш имкониятини беради.
Фойдаланувчининг ВЛ билан ишлаши лаборатория ишлари (ЛИ) деб аталувчи айрим сеанслар кўринишида ташкил қилинади.
Виртуал лаборатория – тажрибалар ўтказиш ва фанларни қизиқарли тарзда ўрганиш учун идеал муҳит бўлиб ҳисобланади. Интерактив виртуал реаллик оддий экспериментлар билан бир қаторда қуйида санаб ўтилган мураккаб экспериментларни ҳам ўтказиш имкониятини беради:

• 
  қиммат ва мураккаб жихозларни талаб қилувчи экспериментлар;
  
• 
  реал шароитларда ўтказиш қийин ёки амалда мумкин бўлмаган экспериментлар;
  
• 
  реал шароитларда катта маблағларни талаб қилувчи экспериментлар;
  
• 
  қисқа вақт давомида ўтказилиши зарур бўлган экспериментлар ва ҳ.к.
  

Виртуал лаборатория ишларини маъруза материалларига қўшимча равишда маъруза вақтида ҳам намойиш қилиш мумкин. Бунда маъруза ва лаборатория машғулотлари ўртасидаги вақт барьери олиб ташланади, натижада ўқитиш эффективлиги ва сифати ортади.
Виртуал лабораторияларни эффектив тарзда қўллаш ўқитиш сифатини орттириш билан бир қаторда катта маблағларни тежаш имкониятини ҳам беради.
Ҳозирги вақтда виртуал лабораторияларни яратиш, ўқув жараёнига киритиш ва мукаммаллаштириш эртанги кун технологияси эмас балки бугунги кунда бажарилиши зарур бўлган вазифага айланиб бормоқда. Виртуал лабораторияларни яратиш масофавий таълим тизимини ривожлартиришда ва янги ахборот технологиялари воситаларини ўқув жараёнига киритишда ҳам долзарб масалалардан биридир.
Виртуал лабораторияларни тайёрлашда лойиҳалаш ва моделлаш муҳити сифатида MATLAB, MathCAD, Maple, Electronics Workbench сингари дастурлардан фойдаланиш мумкин.
Моделлашни абстракт даражада ёки қурилмаларда кечадиган физик жараёнларга яқинлаштирилган ҳолда амалга ошириш мумкин. Кўпчилик дастурлар, масалан, MATLAB ёрдамида мураккаб динамик жараёнларни реал вақт масштабида моделлаш мумкин. Бундан ташқари, компьютер дастурлари асосидаги моделлаш муҳити виртуал лабораторияларни яратиш учун идеал тарзда мос бўлган иерархик таркиблар кўринишидаги элементлар библиотекаларини яратиш имкониятини беради.
Инженерлик фаолиятининг асосий йўналиши бўлиб приборлар, машиналар ва бошқа техник объектларни лойиҳалаш, тайёрлаш ва эксплуатация қилиш ҳисобланади. Компьютерлардан кенг фойдаланиш замонавий инженернинг касбий малакасига қўшимча талабларни қўядики, улардан бири янги ахборот технологияларини ўзлаштирган бўлиши керак.
Лекин инженерлик малакасининг моҳияти аввалгидек қолади ва техник объектлар физик хоссаларини билиши ва уларни чуқур таҳлил қилишга асосланган интуицияси, яъни, инженерлик сезгиси билан белгиланади. Адекват математик моделни қуриш учун моделланаётган объектнинг физик табиатини чуқур билиш керак. Инсон-компьютер комплексларида техник жиҳатдан тўғри ечимларни қабул қилиши учун моделлаш натижаларини чуқур
англаб етиши ва қийин формалланувчи факторларни ҳисобга олиши зарур.
Шундай қилиб, таълим беришни ахборотлаштириш жараёнида бўлажак мутахассисларнинг информацион ва коммуникацион технологияларни (ИКТ) ўзлаштириши билан бир қаторда ИКТ воситалари ёрдамида техник объектлар ва жараёнларнинг тузилиши ва ишлашининг фундаментал физик принципларини (қонун- қоидаларини) билиш ва чуқур англашга асосланган мутахассислик тайёргарлигини ҳам кучайтириш зарур.
Сўнгги йилларда ИКТ ни қўллаш соҳасида янги термин "Виртуал ўқув лаборатория" (ВЎЛ) пайдо бўлди. Техник таълим йўналишида ВЎЛ юқорида келтирилган мутахассисларни тайёрлашни компьютерлаштириш бўйича талабларни амалга оширишга йўналтирилган, очиқ ва масофавий таълим ғояларига мос келади, ўқув жараёнини моддий-техник таъминоти бўйича кескин муаммоларни қисман бўлсада ҳал қилишга ёрдам беради.
Ҳозирги вақтгача ВЎЛ мавзуси бўйича кам сонли илмий-услубий ишлар асосан виртуал приборлар ва улардан фойдаланиб бажариладиган лаборатория машғулотларининг тавсифи билан чекланган. Лекин методологик жиҳатдан ВЎЛ кенгроқ бўлиб, ўзида виртуал приборлардан ташқари виртуал ўқув кабинетлари, математик ва имитацион моделлаш тизимлари, амалий дастурларнинг ўқув ва саноат пакетлари ва бошқаларни мужассамлантиради. ВЎЛ фақат лаборатория машғулотларидагина эмас, балки студентларнинг курс ва диплом лойиҳаларида, ўқув- тадқиқот ишларида фойдаланилиши мумкин.
Методологик нуқтаи назардан виртуал лабораторияларни процедуравий, декларатив ва гибрид (процедурий-декларатив) турларга бўлиш мумкин.
Процедуравий турдаги ВЎЛ ларнинг асосини амалий дастурларнинг ўқув пакетлари ёки уларнинг саноат аналоглари ташкил қилади. Улар мухандислик ишини автоматлаштиришга мўлжалланган. Процедуравий турдаги ВЎЛ ларни яратишда асосий эътибор ўрганилаётган объект ва жараёнларни математик моделлаш, ҳисоблаш ва оптималлаш процедураларини амалга оширишга қаратилади. Айрим ҳолларда математик моделлаш мураккаб объект ва жараёнларни тадқиқ қилишнинг ягона усули бўлиши мумкин.
Мухандислик ишини енгиллаштиришнинг фойдалилигини инкор қилмаган ҳолда шуни айтиш мумкинки, процедуравий ВЎЛ лар ўқув
масалаларида ҳамма вақт ҳам муҳандислик тайёргарлигининг кўтарилишига олиб келмайди. Гап шундаки, математик моделлаш ва ҳисоблаш экспериментларининг натижаларини тушуниб етиш ва англаш учун кўпчилик ҳолларда муҳандислик малакаси талаб қилинади. Студентларнинг кўпчилиги бундай малакага эга эмас.
Бу ерда кетма-кетлик схемаси қуйидаги принципларга асосланган махсус дидактик интерфейс ёрдам бериши мумкин:

• 
  қизиқарли намуна бўла оладиган масала танланади;
  
• 
  ўқувчиларнинг билим олиш жараёни циклик, ёпиқ тарзда ташкил қилинади;
  
• 
  масала албатта эвристик (савол-жавоб) тарзда ечилади ва олинган натижалар компьютерда олинган натижалар варианти билан таққосланади;
  
• 
  студентларнинг билим олиш фаолиятини активлаштириш учун мусобақа вазияти вужудга келтирилади.
  

Ушбу принципларни амалга ошириш уларнинг юқори дидактик эффективликка эга эканлигини кўрсатди.
Декларатив турдаги ВЎЛ лар техник объектларнинг тузилишини ўргатиш учун хизмат қилади. Улар электрон дарсликларга ўхшаш.
Гибрид ёндошиш асосан виртуал приборларни тайёрлашда қўлланилади. Бунда ташқи атрибутлари, хусусан бошқариш панели реал аналоглариникига ўхшаш бўлади, ҳар хил режимлар эса математик ёки имитацион моделлар ёрдамида тадқиқ қилинади.
Виртуал лабораториялардан фойдаланиш ўқув жараёнидан реал лабораторияларни бутунлай сиқиб чиқармайди, балки улар бир- бирини тўлдиради.
Ўқув жараёнида виртуал лабораториялардан фойдаланиш қуйидаги афзалликларга эга:

• 
  машғулотларда студентларнинг активлиги ва мустақиллигини орттириш;
  
• 
  ўқув материалларининг ўзлаштирилиш даражасини кўтариш;
  
• 
  ҳар бир стедентнинг ўқув материалларини ўзлаштиришини тўлиқ назорат қилиш;
  
• 
  қайтариш ва тренинг йўли билан олинган билимларни мустахкамлаш жараёнини енгиллаштириш;
  
• 
  ўқув жараёнига мустақил таълимни киритиш эффективлигини орттириш.
  

Ўқитишнинг традицион усулларида фан бўйича олинган назарий билимларни мустаҳкамлаш ва амалий кўникмаларни ҳосил қилиш
учун хизмат қилувчи лаборатория ва амалий машғулотларга катта аҳамият берилади. Лекин улар кўпчилик ҳолларда кутилган натижани бермайди. Бунинг сабаблари қуйидагилар:

• 
  лаборатория стендларининг етарли эмаслиги;
  
• 
  мавжуд лаборатория стендлари замонавий приборлар, қурилмалар ва аппаратлар билан таъминланмаганлиги;
  
• 
  кўпчилик лаборатория стендларининг замонавий талабларга жавоб бермаслиги ва маънавий эскирганлиги;
  
• 
  лаборатория ишлари ва стендларини мукаммаллаштириб туриш зарурлиги;
  
• 
  айрим лаборатория схемаларини йиғиш учун кўп вақт талаб қилиниши сабабли талабаларнинг ажратилган вақтдан унумли фойдалана олмаслиги.
  

Юқорида келтирилган камчиликларнинг кўпчилигини ўқув жараёнига виртуал лабораторияларни киритиш йўли билан бартараф қилиш мумкин.
Компьютер технологияларидан реал жараёнларни, шу жумладан электр занжирларида содир бўладиган жараёнларни моделлашда фойдаланиш лаборатория амалиётини кенгайтириш ва бойитиш имкониятини беради.
Лаборатория амалиёти катта ўқув-услубий аҳамиятга эга. Лекин ҳозирги пайтда кўплаб лаборатория асбоб ускуналари ва мосламалари, ўнлаб йиллар аввал ишлаб чиқарилганлиги сабабли, замон талабларига жавоб бермайди. Лаборатория ишлари асосан физик макетларда бажарилади. Улар жараёнларни ҳар тамонлама текшириш учун етарли даражада универсал эмас. Лаборатория мосламаларининг сони чекланганлиги сабабли битта мосламада бир вақтнинг ўзида бир неча студент ишлашига тўғри келади.
Ҳозирги вақтда лаборатория таъминотини такомиллаштиришнинг йўналишларидан бири уларни компьютер асосига ўтказишдир.
Electronics WorkBench дастури электр ва электрон схемаларни моделлаш учун ишлатилади. Нисбатан кичик ҳажмга эга бўлишига қарамасдан унда катта миқдордаги реал элементларнинг моделлари мавжуд. У схемотехник таҳрирлагич ва SPICE симуляторни ўз ичига олган интеграллашган пакет бўлиб ҳисобланади.
Electronic WorkBench дастури сигналлар генераторлари, осциллографлар, тестерлар, жахондаги кўплаб таниқли фирмаларнинг (Motorola, Nationl, Philips, Toshiba ва бошқалар) ярим
ўтказгичли приборлари ва микросхемаларини ўз ичига олувчи катта библиотекага эга. Унинг ёрдамида электр занжирлар, аналог ҳамда рақамли электрон схемаларни таҳлил қилиш мумкин.
Electronic WorkBench дастури тайёр элементлардан текшириладиган схема йиғилгандан кейин унинг ҳар бир компонентининг математик моделларини ўзаро боғлайди ва чизиқли бўлмаган дифференциал тенгламалар системаси кўринишига ўтказади. Уларга асосан чизиқли бўлмаган алгебраик тенгламалар системасини ҳосил қилиб такомиллаштирилган Newton-Raphson усулидан фойдаланиб сонли кўринишда ечади ва натижаларни схемага уланган ўлчаш приборларига (амперметрлар, вольтметрлар) ёки икки нурли осциллографга узатади. Бундан ташқари дастурда график анализатор ҳам мавжуд. Осциллограф ва график анализатор электр занжирларида содир бўладиган жараёнларни хотирасига ёзиб олади ва кейинчалик уларни ҳар тамонлама таҳлил қилиш имкониятини беради.
MATLAB тизими ёрдамида лаборатория ишларини бажариш учун
«Приборлар базаси» бўлиб Simulink ва Power System кенгайтмалар пакетлари хизмат қилади. Ушбу пакетларнинг библиотекаларида кўплаб виртуал элементлар ва ўлчов приборлари мавжуд бўлиб ҳар қандай мураккаб электр занжирларини ҳар тамонлама тадқиқ қилиш имкониятини беради.
Замонавий компьютер математикаси математик ҳисобларни автоматлаштириш учун Eureka, Gauss, TK Solver!, Derive, Mathcad, Mathematica, Maple V ва бошқа дастурий тизимлар ва дастурларнинг тўпламларини таклиф қилади. Улар орасида MATLAB имкониятлари ва махсулдорлиги юқорилиги билан ажралиб туради.
MATLAB — бу вақт синовидан ўтган математик ҳисобларни автоматлаштириш тизимларидан биридир. У матрицавий амалларни қўллашга асосланган. Бу нарса тизимнинг номи — MATrix LABoratory — матрицавий лабораторияда ўз аксини топган.
Матрицалар мураккаб математик ҳисобларда жумладан чизиқли алгебра масалаларини ечишда ва динамик тизимлар ҳамда объектларни моделлашда кенг қўлланилади. Улар динамик тизимлар ва объектларнинг ҳолат тенгламаларини автоматик равишда тузиш ва ечишнинг асоси бўлиб ҳисобланади. Бунга MATLABнинг кенгайтмаси Simulink мисол бўлиши мумкин.
Лекин ҳозирги вақтда MATLAB ихтисослаштирилган матрицавий тизим чегараларидан чиқиб универсал интеграллашган
компьютерда моделлаш тизимига айланди. «Интеграллашган» сўзи бу тизимда қулай ифодалар ва изоҳлар таҳрирчиси, ҳисоблагич, график дастурий процессор ва бошқалар ўзаро бирлаштирилганлигини билдиради. Умуман олганда MATLAB математиканинг ривожланиши давомида тўпланган математик ҳисоблашлар бўйича тажрибани ўзида мужассамлаштирган ва уни график визуаллаш ва анимация воситалари билан уйғунлаштирилган. MATLAB тизими илова қилинадиган катта ҳажмдаги хужжатлар билан биргаликда ЭҲМни математик таъминлаш бўйича кўп томли маълумотнома билдиргич (справочник) вазифасини бажариши мумкин. Лекин ушбу хужжатлар ҳозирги вақтда фақат инглиз тилида ва қисман япон тилида мавжуд.
MATLAB тизимини Молер (С. В. Moler) ишлаб чиққан ва 70- йилларда ундан катта ЭҲМларда кенг фойдаланилган. MathWorks Inc фирмасининг мутахассиси Джон Литл (John Little) 80- йилларнинг бошларида IBM PC, VAX ва Macintosh классидаги компьютерлар учун PC MATLAB тизимини тайёрлаган. Кейинчалик MATLAB тизимини кенгайтириш учун математика, дастурлаш ва табиий фанлар бўйича жаҳондаги энг йирик илмий марказлар жалб қилинган. Ҳозирги вақтда тизимнинг энг янги версиясиялари MATLAB-6 ва MATLAB-7 мавжуд.
MATLAB тизимининг дастурлаш тили анъанавий дастурлаш тилларига нисбатан афзалликларга эга. MATLAB нинг имкониятлари жуда кенг. Ундан ҳисоблашларни бажариш ва моделлаш учун фан ва техниканинг ҳар қандай соҳасида фойдаланиш мумкин.