ПРОБЛЕМЫ И РЕШЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ»
В.А.Губенко (ТУИТ, доцент кафедры СТРВ)
А.Ш.Шахобиддинов (ТУИТ, ст. преподаватель кафедры СТРВ)
В.С. Кан (ТУИТ, ст. преподаватель кафедры СТРВ)
Подготовка высококвалифицированных специалистов в области информационных и телекоммуникационных технологий является важнейшей задачей отечественных Высших технических учебных заведений. Одним из них является Ташкентский университет информационных технологий (ТУИТ). Ежегодно из его стен, а также его пяти филиалов, выпускается несколько сотен молодых специалистов, способных трудиться на профильных предприятиях, в полной мере показывая на практике полученные в университете знания, проявляя свои навыки и способности.
Несмотря на это, потребность в них по-прежнему очень высокая – постоянно требуются специалисты в области цифрового телевидения, мобильной связи и других систем телекоммуникаций. Таким образом, необходимо еще больше приложить усилий к учебному процессу, оптимизировать его так, чтобы выпускники сразу же могли приступить к выполнению своих обязанностей на предприятиях телекоммуникаций, решая различные технические задачи, поставленные перед ними.
Работа всех телекоммуникационных систем связана с передачей сигналов, которые по своей сути являются энергией в виде высокочастотных токов и электромагнитных полей. Знание свойств электромагнитных полей позволяет понять процессы, происходящие в устройствах и узлах телекоммуникационных систем, создать оптимальные условия для передачи, распространения и приема сигналов, тем самым, обеспечивая качественную работу этих систем. Это, в конечном итоге, проявляется на качестве предоставляемых услуг населению, будь то телевещание, мобильная связь, доступ к сети Интернет и т.п.
Специалист по телекоммуникациям должен иметь глубокие знания в области теории электромагнитного поля, знать особенности построения и функционирования элементов и узлов, в которых существуют и распространяются электромагнитные поля, уметь проводить исследования их свойств и характеристик, изменять их режимы работы и конструктивные параметры для улучшения работы всей системы в целом.
Получение таких знаний и умений невозможно без специальной подготовки в условиях учебных и научных лабораторий во время прохождения обучения в университете. В ТУИТ для студентов направления образования «Телекоммуникационных технологии» читается дисциплина «Электромагнетизм», входящая в блок обязательных дисциплин. В рамках этой дисциплины студенты получают глубокие знания в области теории электромагнитных полей, особенностей передачи высокочастотных сигналов в пространстве и по различным направляющим системам, конструктивных особенностей и режимов работы элементов и узлов волноводных трактов телекоммуникационных систем.
Теоретические знания, получаемые на лекционных занятиях, закрепляются практическими и лабораторными занятиями. На содержании и проведении лабораторных занятий хотелось бы остановиться более подробно, поскольку они, на наш взгляд, в значительной степени определяют успешность освоения студентами преподаваемого материала.
Теория электромагнитных полей крайне сложна, содержит огромное количество математических выражений, включающих в себя операции с векторными величинами и различными функциями, интегральное и дифференциальное исчисления, матричный аппарат. Все это, несомненно, крайне осложняет восприятие студентами той информации, которая дается преподавателями на лекционных занятиях. Поэтому лабораторные занятия позволяют студентам освоить теоретические знания на основе результатов исследований, проводимых на физических лабораторных установках. Но чтобы такое освоение происходило наиболее успешно, требуется рациональная постановка лабораторных работ, чтобы они имели глубокий смысл, их проведение вызывало интерес у студентов, а результаты позволяли понять процессы, происходящие в элементах и узлах телекоммуникационного оборудования.
Рассмотрим особенности лабораторного практикума дисциплины «Электромагнетизм» на кафедре «Системы телерадиовещания» ТУИТ. Общее количество лабораторных установок составляет семь единиц. Из них за семестр студентам предлагается выполнить пять лабораторных работ. Весь цикл лабораторных занятий включает в себя следующие разделы электромагнетизма:
— направляющие системы и их режимы работы;
— волноводные элементы;
— волноводные тройники и мосты;
— волноводные диафрагмы;
— волновые процессы на границе двух сред.
Лабораторное занятие состоит из двух частей – теоретической и практической. В первой части преподавателем рассказывается о процессах, происходящих в лабораторной установке, дается краткая теория физических явлений. Во второй части рассказывается об устройстве лабораторной установки, особенностях ее составных частей, а затем проводятся лабораторные исследования.
Проведение лабораторных исследований по электромагнетизму имеет свои особенности, поскольку все измерения проводятся на сверхвысокочастотном оборудовании.
Сложность проведения лабораторных работ на сверхвысоких частотах (СВЧ) заключается в их особых свойствах, требующих тщательного выбора лабораторного оборудования, его монтажа и настройки. При несоблюдении этих условий говорить о корректности получаемых в ходе измерений результатов нельзя.
Однако главной проблемой при постановке лабораторных работ по электромагнетизму является высокая стоимость оборудования, прежде всего СВЧ генераторов. Цены на современные СВЧ генераторы начинаются от нескольких десятков миллионов сумов, а значит, оснащение учебной лаборатории несколькими лабораторными установками обходится в весьма большую сумму.
С другой стороны, в учебном процессе возможно применение виртуальных комплексов, когда физические процессы моделируются на компьютере. При этом затраты на компьютерное оборудование на несколько порядков меньше, чем на физические макеты.
Однако проведение лабораторных работ по электромагнетизму на виртуальных стендах не позволяет студентам в полной мере получить навыки в монтаже и настройке волноводных трактов и их элементов, которые используются в реальном телекоммуникационном оборудовании. Это является большим недостатком виртуального обучения, поэтому без проведения лабораторных занятий по электромагнетизму на физических стендах не обойтись.
Оптимальным выходом из сложной ситуации недостатка измерительного оборудования является создание универсальных измерительных комплексов. Такой комплекс состоит из одного СВЧ генератора и нескольких компонентов, с помощью которых проводятся лабораторные исследования. Ярким таким примером может служить разработка преподавателей кафедры «Системы телерадиовещания» ТУИТ, представляющая собой лабораторный комплекс (рис.1) для исследования режимов работы прямоугольных волноводов, характеристик поворотных устройств, свойств волноводных тройников и мостов, особенностей работы направленных ответвителей. Из перечисленного следует, что на одном лабораторном стенде возможно проведение четырех лабораторных работ.
Рис.1. Лабораторный комплекс по электромагнетизму
Использование видеооборудования позволяет проводить лабораторное занятие фронтально, даже для учебной группы с большим количеством студентов, ход проведения лабораторной работы отображается на экране с помощью проектора.
Во время занятия необходимо присутствие двух преподавателей: первый проводит монтаж и настройку лабораторного оборудования, затем выполняет лабораторную работу, второй преподаватель дает пояснения происходящего, комментирует получаемые результаты, проводит опрос студентов по теме лабораторной работе.
В ходе выполнения лабораторных работ применяются передовые педагогические технологии – мозговой штурм, блиц-опрос, технология лабиринта, технология «бумеранг» и т.д. Эффективность занятий в таком виде подтверждается результатами промежуточных контролей студентов, а затем итоговым контролем.
Создание универсальных лабораторных комплексов имеет еще одну важную положительную сторону – они мобильны. Мобильность очень важна, особенно при отсутствии дорогостоящих лабораторных установок. Мобильные лабораторные установки позволяют проводить выездные открытые занятия. В качестве примера можно привести проведение лабораторных занятий в филиалах ТУИТ, где преподается дисциплина «Электромагнетизм», включая выполнение лабораторных работ. Также возможно проведение показательных лабораторных занятий в колледжах и лицеях.
Очень важным моментом является то, что развертывание и настройка лабораторного оборудования проводится в очень короткий промежуток времени, при этом не требуется много места для его размещения.
Резюмируя все сказанное, можно сделать вывод о том, что создание универсальных, мобильных лабораторных комплексов, разработка для них методического содержания, является для учебного процесса крайне важной и актуальной задачей, особенно при преподавании дисциплины «Электромагнетизм».
27 марта 2016 г.
г. Карши
