2. ПРОЕКТНАЯ ЧАСТЬ
2.1. Разработка проекта автоматизации
2.1.1. Этапы жизненного цикла проекта автоматизации
Под понятием жизненный цикл информационной системы принято понимать совокупность стадий и этапов, которые проходит ИС от момента принятия решения о ее создании до полного прекращения ее использования [3].
На практике используется несколько стандартов, описывающих ЖЦ:
– ГОСТ 34.601–90 – стандарт распространяется на автоматизированные системы, используемые в различных видах деятельности (исследование, проектирование, управление и т.п.), включая их сочетания, создаваемые в организациях. Стандарт устанавливает стадии и этапы создания автоматизированной системы [5].
– ISO 12207 – стандарт применяется при приобретении систем, программных продуктов и оказании соответствующих услуг (внедрение, сопровождение); а также при поставке, разработке, эксплуатации и сопровождении программных продуктов и программных компонентов программно–аппаратных средств как в самой организации, так и вне ее.
– ISO 15288 – стандарт обеспечивает общие основы процессов, составляющих жизненной цикл систем, созданных человеком. Этот жизненный цикл охватывает концепции идей вплоть до снятия системы с эксплуатации. Он обеспечивает процессы для приобретения и поставки системы.
– RUP (Rational Unified Process – рациональный унифицированный процесс) – это методология разработки ПО, созданная и распространяемая корпорацией Rational Software (www.rational.com/ rup_info/). Она описывает упорядоченный подход к распределению задач и обязанностей в организации–разработчике.
Для описания этапов жизненного цикла нашей разработки будет использоваться методика Rational Unified Process (RUP) так как она, по нашему мнению, является наиболее подходящей для описания данного проекта.
В основе RUP лежат следующие основные принципы:
– Ранняя идентификация и непрерывное (до окончания проекта) устранение основных рисков.
– Концентрация на выполнении требований заказчиков к исполняемой программе (анализ и построение модели прецедентов).
– Ожидание изменений в требованиях, проектных решениях и реализации в процессе разработки.
– Компонентная архитектура, реализуемая и тестируемая на ранних стадиях проекта.
– Постоянное обеспечение качества на всех этапах разработки проекта (продукта).
– Работа над проектом в сплоченной команде, ключевая роль в которой принадлежит архитекторам.
Данный стандарт выделяет следующие этапы жизненного цикла информационных систем:
1. Начало (Inception)
На этом этапе:
– Формируются видение и границы проекта.
– Создается экономическое обоснование.
– Определяются основные требования, ограничения и ключевая функциональность продукта.
– Создается базовая версия модели прецедентов.
– Оцениваются риски.
При завершении начальной стадии оценивается достижение вехи целей жизненного цикла, которое предполагает соглашение заинтересованных сторон о продолжении проекта.
2. Проектирование (Elaboration)
На этапе проектирования производится анализ предметной области и построение исполняемой архитектуры. Это включает в себя:
– Документирование требований (включая детальное описание для большинства прецедентов).
– Спроектированную, реализованную и оттестированную исполняему архитектуру.
– Обновленное экономическое обоснование и более точные оценки сроков и стоимости.
– Сниженные основные риски.
Успешное выполнение фазы проектирования означает достижение вехи архитектуры жизненного цикла.
3. Построение (Construction)
Во время этой фазы происходит реализация большей части функциональности продукта. Фаза Построение завершается первым внешним релизом системы и вехой начальной функциональной готовности (Initial Operational Capability).
4. Внедрение (Transition)
Во время фазы Внедрение создается финальная версия продукта и передается от разработчика к заказчику. Это включает в себя программу бета– тестирования, обучение пользователей, а также определение качества продукта. В случае, если качество не соответствует ожиданиям пользователей или критериям, установленным в фазе Начало, фаза Внедрение повторяется снова. Выполнение всех целей означает достижение вехи готового продукта (Product Release) и завершение полного цикла разработки [13].
Первой стадией этапа внедрения будет реорганизация информационной инфраструктуры для обеспечения технической возможности развертывания разработанной нами информационной системы. Далее будет проведена подготовка ответственных специалистов на уровне ЦО банка и его филиалов. Подготовка специалистов будет заключаться в разъяснении им общей концепции функционирования внедряемой системы и карт использования ресурсов.
Так же должна быть проведена подготовка специалистов, которые будут заниматься непосредственно внедрением ИС и поддержкой данного процесса. Внедрением системы будут заниматься инженеры ИТ–отделов на вверенных им объектах, а информационной поддержкой – специалисты по ИС банка. Конечным этапом тестирования будет проверка функционирования внедренной ИС операторами банка при поддержке ИТ–отдела. На данном этапе будет проведена проверка взаимодействия всех логических модулей информационной системы и подготовлен пакет документов по внедрению и тестированию ИС.
2.1.2. Ожидаемые риски на этапах жизненного цикла и их описание
К сожалению, как и в любом другом деле, в процессе жизненного цикла создаваемой нами информационной системы нельзя обойтись без разного рода рисков. Но лучше предотвратить их возникновение, чем устранять последствия.
Выделим основные риски, характерные для каждого этапа жизненного цикла нашей информационной системы и обозначим меры их предотвращения. Начнем с самой первой, предпроектной стадии. Для данной стадии характерны такие риски, как:
– Риск персонала со стороны заказчика и исполнителя;
– Риск нарушения методологии ведения проекта.
Рассмотрим каждый из них более подробно.
Итак, среди основных факторов первого риска можно выделить следующий:
– привлечение к проекту неопытных бизнес–аналитиков и ИТ– консультантов;
– включение в команду работы над проектом со стороны заказчика случайных сотрудников, а не ключевых участников бизнес–процессов, подлежащих автоматизации;
– ошибочные выводы, сделанные на основе анализа данных, неверная интерпретация данных, прошедших обработку;
– отсутствие у руководства предприятия единой целостной стратегии в области информационных технологий;
– непонимание руководством основных целей задач проекта;
– стремление скрыть реальные результаты работы того или иного сотрудника со стороны заказчика;
– некомпетентность сотрудников в рамках выполняемой работы;
– неправильный подбор персонала в рабочую группу над проектом;
– отсутствие мотивации и заинтересованности у функциональных менеджеров проекта;
– не налаженная система коммуникаций между участниками рабочей группы;
– негативное отношение персонала к проекту;
– необдуманный план ведения работ [7].
Все это может привести к плачевным результатом, во избежание чего, можно противопоставить следующее:
– активное вовлечение высшего руководства в проект, активное взаимодействие с ним в ходе проекта и своевременное принятие решений;
– активное участие в проекте ведущих специалистов заказчика, ответственных за исполнение основных процессов;
– четко сформулированные цели и критерии успеха внедренческого проекта;
– участие профессиональных консультантов со стороны заказчика, а также сотрудников предметных подразделений со стороны исполнителя;
– проработка общей стратегии автоматизации предприятия;
– четкое разъяснение целей, материальное стимулирование, пропаганда позитивного примера среди участников на время реализации проекта;
– организация рабочих мест и процедур взаимодействия таким образом, чтобы члены проектной команды могли постоянно и беспрепятственно общаться друг с другом;
– стабильный состав рабочий группы в течение всего проекта;
– отбор людей в проектную команду по принципу их личной заинтересованности в успехе внедрения.
Следующих из выделанных нами на данном этапе жизненного цикла рисков является риск нарушения методологии ведения проекта.
Основным фактором возникновения данного риска является необдуманное описания и утверждения документов, содержащих информацию об интересах сторон и состоянии проекта.
Меры предотвращения этому может послужить:
– четкое определение прав и обязанностей каждого участника;
– компетентность участников проектной группы со стороны заказчика;
– участие профессиональных консультантов;
– заблаговременное обучение рабочей группы и ключевых пользователей;
– своевременные разъяснительные работы для персонала заказчика;
– документирование технических условий и их согласование со всеми заинтересованными участниками проекта;
– обязательное утверждение любых изменений;
– утверждение технического задания, не содержащего избыточных характеристик.
2.1.3. Организационно-правовые и программно-аппаратные средства обеспечения информационной безопасности и защиты информации
По требованиям безопасности подсистема должна гарантировать возможность безопасной установки, наладки, эксплуатации, обслуживания и ремонта ее технических средств.
Нормативы, гарантирующие безопасное взаимодействие человека с техническими средствами, установлены для электромагнитных полей, электрического напряжения и тока, излучений оптического диапазона, ионизирующих излучений, опасных и вредных факторов.
Уровни освещенности рабочих мест пользователей должны соответствовать характеру и условиям труда. Мониторы должны соответствовать стандартам на электромагнитное излучение, частоты развертки, разрешения экрана. Также должна быть предусмотрена защита от слепящего действия света и устранения бликов.
При выполнении работ с использование ЭВМ в производственных помещениях уровень вибрации не должен превышать допустимых значений вибрации для рабочих мест в соответствии с действующими санитарно-эпидемиологическими нормами.
В производственных помещениях при выполнении основных или вспомогательных работ с использованием ЭВМ уровни шума на рабочих местах не должны превышать предельно допустимых значений, установленных для данных видов работ в соответствии с действующими санитарно-эпидемиологическими нормами.
Рабочие столы следует размещать таким образом, чтобы видеодисплейные терминалы были ориентированы боковой стороной к световым проемам, чтобы естественный свет падал преимущественно слева. Искусственное освещение в помещениях для эксплуатации ЭВМ должно осуществляться системой общего равномерного освещения.
Локальная вычислительная сеть должна гарантировать высокую степень защиты, безопасности и производительности своей работы, гибкую систему управления пользователями.
Для обеспечения безопасности предполагается оснастить разрабатываемую информационную подсистему контролем доступа к данным, на основе введения уникальных идентификационных паролей и системой соответствующих логинов.
Для защиты от внутренних угроз определим группы пользователей разрабатываемой системы и назначим им соответствующие права доступа к папкам и модулям системы, определим требования к паролям и частоте их смены, а также другие параметры использования ИС.
Данные представим в форме таблицы 1
Таблица 1
Разграничение прав пользователей
| Группы пользователей | Общая папка | Смена пароля | Доступ в Internet |
| Преподаватель | Чтение | Чтение | Полный |
| Студент | Чтение/создание/ удаление | Чтение | Полный |
Защита от внешних угроз (безопасность каналов, протоколы, аутентификация, шифрование, безопасная пересылку ключей и т.д.) обеспечивается отделом ИТ.
2.2 Информационное обеспечение задачи
2.2.1 Информационная модель и её описании
Система использует шаблон генерации линейно-оптимизационной модели, изменяя параметры которой формирует множество различных индивидуальных вариантов. Тем самым система освобождает преподавателя от составления большого количества новых индивидуальных заданий для студента, а студенту дает возможность потренироваться в методах решения перед предстоящей контрольной работой, либо экзаменом. Система также позволяет проводить дистанционно контрольную работу, позволяет изменять количественно и качественно экзаменационные задания и максимально автоматизирует процесс проверки преподавателем решений полученных от студентов.
Графически систему можно представить в виде следующих функциональных блоков (рис. 14):
Рисунок 12 — Структура системы
Система представляет собой три Windows-приложения:
1) приложение для студентов – тренажер по алгоритму Симлекс-метода и генератор заданий на контрольную работу;
2) приложение для преподавателя – в нем реализован еще и блок «проверка решения».
3) приложение «Экзамен» — автоматизированная система для генерации заданий при проведении экзамена, проверки введенных решений и сохранения результатов.
Модуль системы «Тренажер» предназначен для закрепления на практике полученных теоретических знаний студентом и подготовки к контрольной работе либо экзамену по дисциплине АИУС. В указанном модуле студенту будет доступно выполнение, как отдельных частей («Симплекс-метод», «Анализ чувствительности», «Двойственная задача»), так и всей контрольной работы в целом. При этом студент имеет возможность прорешать множество различных примеров, получая в процессе подсказки о верности полученных предварительных результатов на каждом этапе.
Удобный и приветливый интерфейс модуль помощи «Help» в формате справки chm позволяет студенту обратиться к методическим указаниям по выполнению контрольной работы по дисциплине «АИУС» [27]. Методические указания представлены в приложении А.
Одной из основных задач системы является формирование индивидуального задания на контрольную работу каждому студенту без участия преподавателя. Модуль «Контрольная работа» позволяет студенту начать выполнение новой контрольной работы, при этом новое полученное задание сохраняется в отдельный файл. В файл дополнительно сохраняются данные, запрашиваемые от студента перед выдачей задания (ФИО, группа, e-mail). К файлу привязывается файл результатов решения, в который в процессе выполнения студентом контрольной работы сохраняются введенные им результат. Студент имеет возможность прервать программу, и спустя какой-либо промежуток времени, решив самостоятельно контрольную работу, вернуться к вводу результатов, выбрав в программе файл, в который было сохранено задание.
Преподаватель, получив по почте результаты решения от студента, имеет возможность проверить решение с помощью модуля «Проверка». Этот модуль доступен только в версии преподавателя. Он позволяет открыть сохраненные студентом файлы решения задачи. Модуль предоставляет полную информацию о результатах введенных студентом и результаты полученные системой. Несовпадения, обнаруженные в результате проверки контрольной работы системой, выдаются для информации преподавателю, с целью возможности отсеять ошибки, связанные с нарушениями формата ввода или опечатками.
Модуль «Экзамен» в отличие от модуля «Контрольная работа» выдает более мелкие задания по объему. «Экзамен» должен применяться в учебной аудитории. Он позволяет студенту начать выполнение экзамена, при этом обязательно указание данных студента для идентификации. Данные аналогичны используемым в модуле «Контрольная работа». Преподаватель имеет возможность выбрать либо определенные части задания от всей контрольной работы, либо выбрать режим случайной выборки заданий. Результаты выполнения экзамена будут доступны студенту только после завершения выполнения экзамена. Все введенные в процессе выполнения экзамена студентом значения будут сохранены в файл результатов, что позволяет преподавателю провести дополнительный анализ и выставить оценку за экзамен.
Разработанные модули «Тренажер», «Контрольная работа», «Проверка» и «Экзамен» работают на основе блока генерация задания по шаблону. Для генерации заданий создан специальный типизированный файл MyFile.rec. В файле сохранены более 240 тысяч элементов, представляющих собой одну из строк для заполнения шаблона задания размерностью в шесть значений переменных в одной строке. При этом значения переменных в одной строке может повториться только один раз. Каждый раз при формировании задания случайным образом выбираются несколько различных элементов, количество соответственно зависит от объема условий в задании. Ясно, что сочетание, например, 3-4 элементов из 240000 позволяет представить для решения огромное число вариантов заданий, т.е. каждый студент получит различное задание. Кроме генерации самого задания, система проверяет и наличие решения у представленного задания, не выходящее за пределы 7 итераций для «Тренажера» и «Контрольной работы», а для модуля «Экзамен» ограничивается 4 итерациями.
2.2.2 Характеристика нормативно-справочной, входной и оперативной информаци
Пользователями системы являются студенты и преподаватели. На диаграмме прецедентов определим множество выполняемых системой функций (рис. 15, 16).
Студент может в полной мере использовать тренажер. Изучив раздел «Линейное программирование», студент самостоятельно может формировать себе задание на контрольную работу. В процессе выполнения контрольной работы студент может выйти из программы с сохранением промежуточных результатов и позже продолжить работу над ней. Система «Экзамен» не позволяет студенту продолжать завершенный экзамен. Результат экзамена студент может узнать сразу по завершению работы с системой.
К возможностям преподавателя добавлена функция проверки сохраненного студентом решения контрольной работы, настройка параметров генерации заданий для экзамена и возможность просмотра сохраненных результатов проведенных экзаменов.
Рисунок 14 – Диаграмма прецедентов (преподаватель)
2.2.3 Характеристика результатной информации
Шаблон − это эффективный инструмент символьных преобразований текста. Под шаблоном обычно понимают заготовку текста, в котором некоторые элементы можно изменять в соответствии с заданным алгоритмом. Шаблоны широко используются в программировании, например, шаблоны в C++, мощный и развитый механизм, на основе которого была развита и реализована идея генерирующего программирования [24].
Под шаблоном задачи будем понимать описание задачи, в котором исходные данные и/или часть задачи могут меняться. Рассмотрим эту идею на конкретном примере. Пусть имеется задача: Петя за семестр заработал 63 балла по дисциплине АИУС, а на экзамене набрал 25 баллов. Сколько всего баллов заработал Петя?
Для того чтобы сделать из этой задачи шаблон, необходимо вместо конкретных чисел поставить параметры и алгоритмы, генерирующие значения этих параметров. Тогда эта задача может быть записана как: Петя заработал за семестр gen(x) баллов, а за экзамен получил gen(y). Сколько всего баллов заработал Петя?
Здесь:
— gen(x) − программа, генерирующая значения для переменной x;
— gen(y) − программа, генерирующая значения для переменной y.
В тестовых системах наряду с формулировкой конкретной задачи необходимо иметь правильное решение задачи или правильный ответ. Поэтому к шаблону нужно приложить программу решения задачи по сгенерированным параметрам. Тогда шаблон задачи будет выглядеть следующим образом:
Правильный ответ (rez=solv(x,y)),
где solv(x,y) − программа вычисления правильного ответа.
При формулировке конкретного вопроса студенту программа случайно выбирает число для х, далее случайно выбирает число переменной y, вычисляет правильный ответ и далее подставляет полученные числа x и y в задачу и выводит эту конкретную задачу студенту.
Если параметр x может принять 20 различных значений, а параметр y − 30, то общее число вариантов задач такого класса будет 600. Это уже достаточно большая выборка.
Для шаблона задачи необходимо (рис. 3.1):
1) выбрать некоторую задачу и выделить множество параметров, которое будет генерироваться;
2) записать алгоритм решения;
3) для каждого параметра записать множество изменения, это может быть список значений, интервалы или список интервалов;
4) для каждого параметра записать алгоритм генерации значения;
5) записать варианты формулировок задач. В некоторых случаях формулировка задачи может измениться в зависимости от значений параметров;
6) записать алгоритм формулировки задачи.
Тогда можно записать обобщенный алгоритм генерации задачи (рис. 3.2). Циклический характер алгоритма заключается в том, что при случайной генерации значений параметров задачи может быть ситуация, когда задача не имеет решения. Тогда процесс поиска значений параметров необходимо возобновить.
Например, если в решении задачи встречается выражение , то необходимо, чтобы для параметров а и b не выполнялось условие a= — b.
Рассмотрим для примера шаблон задачи — решение квадратного уравнения.
1) Формулировка задачи: дано квадратное уравнение . Найти корни и в ответ ввести найденные значения.
2) Параметры – a, b, c.
3) Условия решения , a не равно нулю.
4) Значения параметров лежат в пределах a=[a1,a2], b=[b1,b2], c=[c1,c2].
5) Алгоритм решения:
Рисунок 15 – Структура шаблона задачи
Рисунок 16 – Обобщенный алгоритм работы генератора задачи на основе шаблона
2.4 Программное обеспечение задачи
2.4.1 Общие положения (дерево функций и сценарий диалога)
Инструкция к тесту:
Выберите один из вариантов в каждом из 10 вопросов;
Нажмите на кнопку «Показать результат»;
Скрипт не покажет результат, пока Вы не ответите на все вопросы;
Загляните в окно рядом с номером задания. Если ответ правильный, то там (+). Если Вы ошиблись, там (-).
За каждый правильный ответ начисляется 1 балл;
Оценки: менее 5 баллов — НЕУДОВЛЕТВОРИТЕЛЬНО, от 5 но менее 7.5 — УДОВЛЕТВОРИТЕЛЬНО, 7.5 и менее 10 — ХОРОШО, 10 — ОТЛИЧНО;
Чтобы сбросить результат тестирования, нажать кнопку «Сбросить ответы»;
Конец формы
После того как тест пройден нажимаем «показать результат», но если студент дал не все ответы, то выходит сообщение, которая показана на рисунке 19.
Рисунке 17 — ¬ «Сообщение, если не все ответы предоставлены студентом»
При заполнении всех ответов, выходит результат студента, показанный на рисунке 20.
Рисунок 18 — Результат студента
Из рисунка 18 следует, что студент не достаточно изучил материал курса и ему можно рекомендовать повторное изучение курса
2.4.2 Характеристика базы данных
Для разрабатываемой информационной системы был выбран сервер управления базами данных MySQL. MySQL является решением для малых и средних приложений. Входит в LAMP. Обычно MySQL используется в качестве сервера, к которому обращаются локальные или удаленные клиенты, однако в дистрибутив входит библиотека внутреннего сервера, позволяющая включать MySQL в автономные программы.
Гибкость СУБД MySQL обеспечивается поддержкой большого количества типов таблиц: пользователи могут выбрать как таблицы типа MyISAM, поддерживающие полнотекстовый поиск, так и таблицы InnoDB, поддерживающие транзакции на уровне отдельных записей. Более того, СУБД MySQL поставляется со специальным типом таблиц EXAMPLE, демонстрирующим принципы создания новых типов таблиц. Благодаря открытой архитектуре и GPL–лицензированию, в СУБД MySQL постоянно появляются новые типы таблиц.
Схема базы данных проектируемой нами ИС представлена на рисунке 21.
Рисунок 19 — ¬ Схема базы данных
2.4.3 Структурная схема пакета (дерево вызова программных модулей)
Система состоит из пользовательской и административной частей. Структура пользовательской части представлена на рисунке 20:
Рисунок 20 — ¬ Структурная схема пользовательской части пакета
На рисунке 21 представлена структура административной части ИС:
Рисунок 21 – Структурная схема административной части пакета
2.4.4 Описание программных модулей
Для реализации системы были разработаны следующие алгоритмы:
— алгоритм «Генерация задания» (рис. 24);
Рисунок 22 – Алгоритм генерации задания
— алгоритм решения оптимизационной задачи – «Симплекс-метод» (рис. 25);
— алгоритм «Анализ моделей на чувствительность»;
— алгоритм «Двойственная оптимизационная задача линейного программирования»;
— алгоритм пошагового выполнения задания «Тренажер для изучения Симплекс-метода»;
— алгоритм «Проверка», предназначенный для проверки преподавателем контрольной работы, выполненной студентом;
— алгоритм «Экзамен», предназначенный для формирования различных заданий на экзамене и автоматизированной проверки результатов выполнения.
Рисунок 23 – Алгоритм Симплекс-метода в модуле «Тренажер»
2.5 Апробация результатов исследования
Рассмотрим особенности создания информационных образовательных обучающих систем с виртуальными тренажерными электронными устройствами на примере предлагаемой нами обучающей системы, выполненной по авторским патентам №2229 KG и №2303 KG.
Упрощенная структурная схема информационной обучающей системы приведена на рисунке 24.
Рисунок 24 ¬- Информационная обучающая система
Особенностью информационной обучающей системы является:
– виртуальные тренажерные устройства, входящие в состав обучающей системы, выполняют роль датчиков обученности и индицируют состояние объекта управления процессом обучения;
тренажерные устройства в соответствии с командами управления с учетом результатов психодиагностики личностных качеств обучающихся предлагают студенту к проектированию варианты электронных узлов разной сложности;
– визуальный материал выводится на мониторах в цветовой комбинации с учетом особенностей психологического восприятия обучающегося [5];
– информационная система содержит в своем составе модуль диагностики личностных качеств участников образовательного процесса и тем самым способствует реализации личностно-ориентированного подхода в обучении;
– информационная система применяет усовершенствованный системный анализ за счет применения новых элементов психофакторов [6, 7];
– информационная обучающая система функционирует в асинхронном режиме и позволяет реализовывать процесс обучение в любое свободное для студента время.
Ввиду нелинейности протекания учебного процесса и постоянным изменением его качественных характеристик при формализации компонентов образовательного процесса при проектировании информационной системы применялся синергетический подход. Самоорганизующая система обучения с применением информационных образовательных ресурсов в этом случае будет представлена в виде эргатической модели «студент – информационные средства обучения» [8].
Взаимосвязь информационной обучающей системы с тренажерными электронными устройствами обеспечивается не только по функции управления подачи учебного материала, но и по результатам психодиагностики личностных качеств участников образовательного процесса. Взаимосвязь психофакторов с компонентами тренажерных электронных устройств происходит следующим образом:
– на устройство управляющих воздействий тренажерных электронных устройств от измерителей состояния системы подаются входные данные, содержащие суммарную информацию обычных измерителей состояния и измерителей психофакторов. И тогда психофакторы выступают в роли измерителей состояния объекта управления, которым является обучающийся. В данном схемотехническом решении результаты психодиагностики психофакторов одновременно являются и базовой основой для формирования новых компонентов системного анализа – когнитивными элементами психофакторов.
Особенность виртуальных тренажерных электронных устройств является наличие в их составе набора одинаковых по функциональному назначению узлов и различных по уровню схемотехнической сложности.
Информационная обучающая система по результатам анализа личностных качеств и по результатам тестирования академической подготовки сонастраивает тренажерные электронные устройства с обучающимися и выдает к проектированию обучающемуся задание со сложностью, соответствующее его академической подготовки и его личностным качествам.
Информационная обучающая система в своем составе содержит 13 тренажерных электронных устройств подтвержденных патентами КР. Рассмотрим применение виртуальных тренажерных электронных устройств на примерах тренажерных моделей «прецизионного широкополосного усилителя» и «прецизионного стабилизатора напряжения».
Прецизионный широкополосный усилитель при выходной мощности 600 ват функционирует в диапазоне частот от 10 Гц до 500 к Гц при коэффициенте гармоник не хуже 0,003% (Рисунок 2).
В зависимости от уровня академической подготовки и личностных особенностей информационная система предлагает студенту к проектированию узлы разной сложности.
Рисунок 25 ¬ — Прецизионный широкополосный усилитель
Например, при заданной мощности 600 Вт выходной двухтактный каскад студенту необходимо будет выполнить в виде составного блока из четырех комплементарных пар транзисторов Toshiba 2SC5200-2SA1943. При этом студенту предлагается:
– рассчитать максимальное значение коллекторного напряжения выходных транзисторов:
К.А.ВЫХ.=√2×М×=√2×600×4=69,282V.
– рассчитать максимальную амплитуду коллекторного тока каждого транзистора:
К.А.ВЫХ.=КА=69,2824=17,32A.
– рассчитать оптимальное значение напряжения питания усилителя:
ЕПИТ = (1,05…1,1) ×(UKA+UКЭнас.) = 1,06×(69,282+0,5) = 73,96 V.
– рассчитать амплитуду тока базы каждого выходного транзистора:
Б.вых=К.А.ВЫХ.ℎ21Э=17,3260=0,288А.
– рассчитать величину обратного тока коллектора транзистора выходного каскада:
К0=К0(20°)×(0,08…0,13)(К−20)=5×10−6×0,08×(50−20)=250×10−6А.
– рассчитать общее значение обратного тока коллектора для составного блока выходных транзисторов:
IКОМАХ=250×10−64=1×10−3 А.
– рассчитать компенсирующие резисторы, включенные в базовые и эмиттерные цепи в целях уменьшения эффекта асимметрии транзисторов выходного каскада:
RЭ= (0,04−0,05) RН= (0,04−0,05×4= 0,33 Ом; RБ=(5…10)RЭ=(5…10)×0,33 =2,2 Ом.
– рассчитать мощность рассеивания на сборке из четырех транзисторов:
К.+=РК.−=0,1×2К.А.ВЫХ.+ПИТ.×ПОК.ВЫХ.=0,1×69,28224+74×0,12=128,88 Вт.
В случае расчета усилителя с выходной мощностью 100–150 Вт студенту будет предложен расчет выходного каскада, выполненного на одной комплементарной паре транзисторов Toshiba 2SC5200-2SA1943.
В зависимости от количества рассчитываемых каскадов студенту необходимо будет решить вопрос применения корректирующих цепочек, улучшающих устойчивость к возбуждению, а также решить вопрос применения корректирующих цепочек для уменьшения частотных и фазовых искажений. По результатам расчета усилителя студенту необходимо будет промоделировать работу разработанного усилителя в программной среде Multisim. На Рисунках 26–28 представлены примеры результатов моделирования функционирования прецизионного усилителя мощностью 600 Вт.
Рисунок 26 — Коэффициент нелинейных искажений при мощности 600 Вт
Рисунок 27 — АЧХ от 0,7 Гц до 7,3 МГц
Рисунок 28 — ФЧХ при фазовых искажениях менее 2,5
По результатам психодиагностики личностных качеств студентов и в зависимости от сложности функциональных узлов предлагаемых решений для студента информационная обучающая система выявляет когнитивные возможности обучаемого. Поэтому тренажерное электронное устройство одновременно выполняет роль датчика состояния образовательного процесса и датчика уровня обученности.
Рассмотрим применение виртуальной модели тренажерного электронного устройства «прецизионного стабилизатора напряжения постоянного тока (Рисунок 6).
Рисунок 29 — Прецизионный стабилизатор напряжения
Прецизионный стабилизатор содержит шесть основных узлов. По результатам тестирования информационная обучающая система предлагает студенту к проектированию по каждому из шести узлов варианты разной сложности.
К примеру, при проектировании узла опорного напряжения в случае требований к точности стабилизации лучше 0,1% студенту предлагается рассчитать узел опорного напряжения на двух встречно включенных токовых стабилизаторах VT1–VT2–D2 [9, 10].
В этом случае студенту предлагается проанализировать элементную базу компонентов и применить оптимальные схемотехнические решения для создание прецизионного опорного напряжения. Такую высокую стабильность выходного напряжения системы электропитания лучше 0,1% прецизионный стабилитрон обеспечить не сможет, поэтому студенту предлагается применить схемотехнические решения, при которых сам прецизионный стабилитрон должен быть запитан от стабилизатора тока и в свою очередь стабилизатор тока также должен питаться стабилизированным током. Также стоит учесть, что при требованиях к стабильности напряжения лучше 0,1% и при больших токах нагрузки (50 А) метода питания прецизионного стабилитрона стабильным током не достаточно, поэтому студенту предлагается рассчитать параметры положительной обратно связи, которая может создавать незначительные приращения величины опорного напряжения при увеличении тока нагрузки при падении напряжения на резисторе R4 (см. R4 на Рисунке 7 а).
Рисунок 30 — Прецизионный источник опорного напряжения (а) и традиционный источник опорного напряжения (б)
В случае, если студенту предлагается расчет стабилизатора на 10 А, то выходной каскад может быть выполнен на одном транзисторе Toshiba 2SC5200 (Рисунок 8 б).
В случае, если студенту предлагается расчет стабилизатора на 0,2 А, то в этом случае предоконечный каскад не нужен и выходной каскад может быть выполнен на одном транзисторе 2SC5171