Efektywne nauczanie elektrotechniki jest dużym wyzwaniem dydaktycznym, wymagającym od nauczyciela wielu kompetencji. W tym kontekście warto zwrócić uwagę na synergię metod dydaktycznych. W artykule przedstawiono możliwości programu symulacyjnego, pozwalającego na budowę wirtualnego laboratorium elektrotechniki. Jest to przykład skutecznego uzupełnienia procesu dydaktycznego o nowe narzędzia informatyczne.
Dla każdego nauczyciela przedmiotów zawodowych ważne są kompetencje, które obejmują wiedzę o strukturze urządzeń, rodzajach eksperymentów edukacyjnych, metodach i technikach ich planowania oraz przeprowadzania. Obejmują też umiejętności dotyczące posługiwania się przyrządami pomiarowymi, przetwarzania danych oraz samodzielnego doboru urządzeń i obiektów.
Powyższe wymagania dotyczą również nauczycieli realizujących zadania związane z nauczaniem elektrotechniki. Stymulowanie procesu uczenia się poprzez eksperyment wymaga odpowiednich pomocy naukowych. Ze względu na fakt, że współczesna edukacja funkcjonuje w środowisku, w którym coraz częściej wykorzystywany jest hybrydowy model edukacyjny lub nauczanie na odległość, pojawiają się problemy z efektywnym rozwojem kompetencji eksperymentalnych.
Sposobem na rozwiązanie tego problemu są nowoczesne technologie informacyjno-komunikacyjne – komputerowe modele eksperymentów fizycznych, które mogą być budowane z wykorzystaniem wirtualnych laboratoriów. Umożliwia to lepsze wyjaśnienie teorii elektrotechniki, zwłaszcza gdy niektóre rodzaje zjawisk mogą być analizowane w spowolnionym tempie.
Jednym z takich narzędzi jest symulator Multisim Live. To oprogramowanie przeznaczone do projektowania obwodów elektrycznych i modelowania ich działania, opracowane przez amerykańską firmę National Instruments, producenta sprzętu pomiarowego oraz oprogramowania wspomagającego proces akwizycji danych i dalszego ich przetwarzania.
Multisim Live działa w chmurze, co oznacza, że użytkownik nie jest zobowiązany do jego instalacji. Oprogramowanie działa w oparciu o symulator obwodów Pspice, opracowany na uniwersytecie w Berkeley jako program do analizy układów scalonych. Jest obecnie standardem w weryfikacji działania obwodów elektronicznych, umożliwiającym zarówno nieliniowe analizy stałoprądowe, analizy stanów nieustalonych oraz liniowe analizy zmiennoprądowe.
Multisim Live wykorzystuje graficzny edytor do budowania schematów obwodów elektrycznych oraz elektronicznych, edycji parametrów komponentów oraz parametrów samej symulacji. W środowisku tym można modelować układy analogowe, cyfrowe i analogowo-cyfrowe.
Aby skorzystać z usługi, należy zarejestrować się na stronie internetowej producenta oprogramowania. Wersja darmowa ma ograniczoną funkcjonalność. Do wykorzystania jest 125 modeli podstawowych komponentów; schemat symulowanego układu może być zbudowany z maksymalnie 25 elementów. Ponadto użytkownik jest w stanie przeprowadzić jedną z czterech wybranych symulacji:
- – analizę interaktywną,
- – analizę stałoprądową,
- – analizę czasową,
- – analizę częstotliwościową.
W darmowej wersji oprogramowania nie ma również możliwości prywatnego zapisywania projektów, co oznacza, że schematy utworzone w ramach takiej subskrypcji będą dostępne dla wszystkich zarejestrowanych użytkowników.
Środowisko robocze Multisim Live może być wyświetlane w jednym z trzech trybów:
- – okno tworzenia schematu,
- – okno prezentacji wyników symulacji,
- – tryb mieszany – jednoczesny podgląd dwóch powyższych okien.
Wyniki symulacji przedstawiane są w sposób graficzny, przy czym mogą być prezentowane zarówno w dziedzinie czasowej, jak i częstotliwościowej. W przypadku wyboru za pomocą kursora dowolnego punktu na prezentowanej krzywej, uzyskanej w wyniku przeprowadzonej symulacji, wyświetlana jest wartość współrzędnych tego punktu. Ponadto istnieje możliwość eksportu schematów, wykresów oraz danych symulacyjnych w formacie tekstowym przeznaczonym do prezentacji w postaci danych tabelarycznych lub jako dane wejściowe dla innych narzędzi.
Z punktu widzenia dydaktycznego istotną cechą serwisu jest możliwość tworzenia grup użytkowników, które dzielą się na otwarte, zamknięte i prywatne.
Do grupy otwartej może dołączyć każdy użytkownik. Dołączenie do grupy zamkniętej jest możliwe po uzyskaniu zgody administratora grupy. Grupy prywatne wymagają zaproszenia przez administratora i nie pojawiają się one w publicznym katalogu grup.
Dla wygodnego wykorzystania Multisim Live w procesie edukacyjnym warto rozpatrzyć możliwość utworzenia grupy, do której przynależeć będą uczniowie. Pozwoli to na tworzenie, dodawanie i udostępnianie członkom grupy schematów eksperymentów laboratoryjnych. Dzięki temu osoby przypisane do grupy mogą pracować ze schematami wstępnie przygotowanymi przez nauczyciela. W ramach tej funkcjonalności poszczególni uczniowie mogą również przygotowywać własne układy symulacyjne i badać ich właściwości.
Administrator grupy ma możliwość bieżącego kontrolowania poprawności schematu budowanego przez każdego z członków grupy. Grupy posiadają również funkcję, która pozwala ich członkom prowadzić dyskusje. Do niewątpliwych zalet tego serwisu należy zaliczyć:
- – dostęp z dowolnej przeglądarki internetowej,
- – możliwość pracy z dowolnego urządzenia cyfrowego: stacjonarnego lub mobilnego, bez względu na wykorzystywany system operacyjny,
- – dostępność niezbędnego zestawu elementów do przeprowadzania eksperymentów z zakresu elektrotechniki,
- – intuicyjna zmiana parametrów elementów badanego obwodu,
- – interaktywne sterowanie parametrami elementów obwodu w trakcie symulacji,
- – graficzna prezentacja zależności badanych napięć i prądów,
- – cena – serwis jest bezpłatny.
Opisywane środowisko posiada również wady. Są to m.in.:
- – ograniczona liczba elementów,
- – elementy obwodów elektrycznych przedstawione w postaci symboli,
- – brak modeli urządzeń pomiarowych z tradycyjnym podłączeniem do obwodu, a wizualizacja wielkości odbywa się poprzez wskazanie punktu na schemacie za pomocą sondy,
- – brak polskiego interfejsu.
Powyższe ograniczenia nie stanowią jednak bariery w wykorzystaniu Multisim Live jako efektywnego narzędzia w nauce obwodów elektrycznych prądu stałego i przemiennego. Prosty interfejs użytkownika sprawia, że uczniowie mogą skupić się na samych eksperymentach symulacyjnych. Darmowa wersja serwisu, mimo swoich ograniczeń, jest w zupełności wystarczająca do celów edukacyjnych, a ewentualne rozszerzenie programu jest możliwe poprzez zakup wersji premium.
Jarosław ROLEK
doktor inżynier, nauczyciel przedmiotów zawodowych w Zespole Szkół Elektrycznych w Kielcach
Literatura:
T. Prauzner, Zastosowanie programów symulacyjnych w nauczaniu przedmiotów technicznych, „Edukacja Techniczna i Informatyczna”, T 1, 2006, s. 121–128.
P. Ptak, T. Prauzner, Zastosowanie programów komputerowych w dydaktyce przedmiotów technicznych, „Journal of Technology and Information Education” 2011, nr 1, s. 300–307.
S. Szabłowski, Efektywność dydaktyczna uczenia się – nauczania elektrotechniki w wirtualnym laboratorium, „Dydaktyka Informatyki”, Volume 7, 2012, s. 121–132.
http://bwrcs.eecs.berkeley.edu/Classes/IcBook/SPICE/.
https://www.multisim.com/features/.
TEN ARTYKUŁ POWSTAŁ W RAMACH PROCEDURY AWANSU ZAWODOWEGO. DZIEL SIĘ WIEDZĄ I DOŚWIADCZENIEM Z „KURIEREM”. POMOŻEMY CI W AWANSIE ZAWODOWYM I WSPÓLNIE ZAINSPIRUJEMY INNYCH! SZCZEGÓŁY – TEL. 739 290 210.
