использование электронных конструкторов

в научно-исследовательской работе

школьников и студентов

Шахнов Вадим Анатольевич

заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук,

профессор, зав. кафедрой

«Проектирование и технология производства электронных средств»

Власов Андрей Игоревич

кандидат технических наук,

доцент кафедры «Проектирование и технология производства электронных средств»

В настоящее время кафедра «Проектирование и технология производства электронных средств» МГТУ им. Н.Э.Баумана осуществляет подготовку специалистов по двум специальностям 2205 «Проектирование и технология производства ЭС» и 2208 «Проектирование и технология производства РЭС».

Более 60% контингента студентов первого курса составляют выпускники профильных лицеев и школ с углубленной физико-математической (в том числе и начальной радиотехнической) подготовкой.

Тесная связь между профильными школами и кафедрами Университета позволяет проводить глубокую профориентационную подготовку абитуриентов, вести дополнительные занятия по согласованным учебным планам и максимально адаптировать уровень подготовки абитуриентов к требованиям Университета.

Привлечение учащихся профильных школ к научным исследованиям и разработкам на кафедрах обеспечивает их органическое вовлечение в научную жизнь Университета, дает возможность реализовать свой творческий потенциал, начиная со школьной скамьи с возможностью последующего развития своих исследований уже в стенах университета.

Основной проблемой, с которой приходится сталкиваться, при ведении специализированной подготовки абитуриентов по университетским направлениям является их непонимание связи природных и физических явлений с техническими решениями. Зачастую, в учебных программах школ, физика и математика существует отдельно, а прикладные факультативы отдельно.

В результате учащиеся умеют решать задачи аналитически (с привлечением математического аппарата), но совершенно не готовы решать физические задачи качественно, не могут абстрагироваться от формул, не владеют навыками постановки экспериментов, не умеют достигать «истины» методом «проб и ошибок».

Как в учебном процессе университета, так и при подготовке учащихся школ крайне важным является формирование у них системного подхода к решению задачи, умению идти от общего к частному, грамотная постановка задачи от физического явления к техническому решению.

Сформировать такой креативный подход к исследованию предметной области и синтез технических решений по решению конкретных прикладных задач в части разделов курсов: «Колебания и волны», «Электричество», «Электротехника», «Электроника» и ряда других, являющихся базовыми при подготовке будущих радиоинженеров, позволяет используемый уже несколько лет электронный конструктор «ЗНАТОК».

Электронный конструктор, имея несколько уровней сложности, используется, как при проведении учебных занятий в профильных школах по курсу физики, при проведении занятий в радиотехнических центрах и кружках профильных школ, так и в учебной процессе на кафедрах Университета. Данный набор позволяет изучать основы электроники от физической природы явлений, наглядно демонстрирует неразрывную связь между природой и техникой и позволяет на простых и наглядных примерах проиллюстрировать основные физические законы.

Для тех абитуриентов, что специализируются по радиотехническому направлению, данный конструктор незаменим н начальных стадиях освоения основ будущей специальности. Он позволяет, используя модульный принцип, быстро построить и промоделировать принципы работы базовых радиотехнических схем, а также схем цифровой электроники.

Логическим продолжением профильного обучения, после освоения данного конструктора, является переход к работе с радиотехническими конструкторами типа «МАСТЕРКИТ» и в дальнейшем к разработке собственных электронных устройств.

Причем, самое важное заключается в том, что с начальных этапов своего обучения учащийся идет от физики процесса, от правильной и четкой постановки задачи, для решения которой применяет то или иное решение. Умения анализировать исходные условия, понимать внутреннюю суть явлений и на основе этого предлагать техническое решение закладывается на ранних стадиях обучения и на каждом новом уровне сложности повторяются и закрепляются. Наличие широкого спектра «оконечных» устройств позволяет максимально мотивировать учащихся и заинтересовать их в получении конкретных результатов.

Также, элементы конструктора высшего уровня сложности нашли свое применение и при проведении лабораторных и практических занятий в Университете по курсам «Основы электроники», «Основы микросхемотхеники».

Мобильность и гибкость конструктора, простота и высокая надежность модулей, возможность доступа к отдельным элементам схемы с помощью измерительных приборов позволила организовать учебный процесс с максимально возможной эффективностью.

При использовании конструктора студенты тратят минимальное время на освоение принципов работы с ним, так как многим он знаком еще со школьной скамьи. Максимальное время уходит на выполнение конкретного задания, проведение измерений и их обработку, причем для схемы, которую они собрали самостоятельно и быстро, а не для черного ящика (как во многих учебных комплектах).

Наглядность и прямая связь с конкретными прикладными задачами, например задания типа «цифровой диктофон» и т.п., обеспечивает максимальную заинтересованность студентов в получении конкретного результата, повышает мотивированность процесса обучения, так как видна явная связь с решаемыми на практических занятиях заданиями и конкретными задачами, возникающими в повседневной жизни и приборами, представленными на рынке.

Используя возможности конструкторов, учащиеся получают возможность не просто описательно знакомиться с отдельными устройствами, а реализовать их собственными руками, исследовать их реальные режимы работы.

С первых дней своего существования в МГТУ им.Н.Э.Баумана на первое место ставятся вопросы широкой общетеоретической и прикладной, практической подготовки инженеров.

Во всем мире получила признание принятая в ИМТУ еще в 30-х года 19 века система обучения ремеслу будущих инженеров, «русский» метод обучения ремеслам стал широко известен, особенно после его демонстрации на Всемирной выставке в Вене (1873), где он был удостоен Большой золотой медали.

«Русский метод» 70-х годов XIX века с развитием техники постоянно совершенствовался, в настоящее время он сочетает передовые формы фундаментального университетского и инженерно-технического образования, основой которого является использование многофункциональных, универсальных конструктивно-технологических моделирующих комплексов, которые позволяют проводить процесс обучения не в режиме «делай, как я сказал», а в режиме «делай, как я».

Именно такой подход залог подготовки высококвалифицированных специалистов будущего.

Проведенные опросы студентов и школьников по результатам их работ с конструкторами «Знаток» и «Мастеркит» показали, что они стали более точно представлять, в чем будет заключаться их будущая специальность, ее место и востребованность на рынке, связь конкретных приборов и схем с физическими явлениями, сам процесс обучения стал более интересным и непосредственным, простым и понятным.

Существует и ряд замеченных учащимися недостатков:

1.     Исполнение конструктора в бумажной коробке обеспечивает его жизнь не более 6 месяцев, после этого коробка выглядит непрезентабельно, образуются прорехи, детали теряются.

2.     Кроме самого конструктора необходима возможность приобретения запасных частей: комплектов ЗИП, любых составных деталей, т.к. в процессе работы естественно неизбежны поломки и потери.

3.     Необходимо наличие не только жестких, но и мягких соединительных проводов.

4.     Большой сложностью является низкая жесткость многих конструктивов, из-за этого ломается немалое количество деталей.

Таким образом, лучшим конструктивным вариантом, по нашему мнению, будет реализация данного конструктора в более жестком корпусе, например, как кейсы для инструментов, причем кейсы трехсекционные:

·       верхняя крышка – откидная и на ней смонтировано рабочее поле;

·       под верхней крышкой в средней части собраны измерительные приборы, как стрелочные, так и индикационные, и в том числе виртуальные - с выходом на компьютер типа мультиметр, а также генератор сигналов с осциллографом (все это возможно подключить к компьютеру, делает их фирма Velleman (k8016 - соответственно конструктор), (k8031 - конструктор осциллографа), это может сделать и «мастеркит» как дополнение к комплекту «знаток).

·       в нижнем – выдвижном отсеке размещаются кассеты с элементами, причем, как показывает практика, обычно используется дополнительно еще некоторое количество своих деталей, которые тоже надо куда-то класть.

В итоге получается удобное и мобильное рабочее место.

Кроме того, хорошо бы разработать соединения типа заклепки–пуговицы, к которой подключается провод произвольного сечения, а на втором конце находится либо «крокодил», либо плоская вилка, либо такая же «пуговица», тогда будет возможность подключать внешние измерительные приборы.

Еще желательно наличие пустых пластмассовых коробочек в конструкторе с выводами для монтажа в них своих схем, хотя бы пары - на разное число выходов. Здесь прослеживается явная связь с «мастеркит». Тогда можно будет учащемуся предложить практическое задание: возьми «мастеркит», спаяй, размести в коробочку и т.п., т.е. основная цель такой работы - не ограничивать инициативу продвинутых пользователей, а ее стимулировать.

Можно будет даже конкурс проводить – предложи свой модуль для конструктора «знаток» и свое практическое использование. Можно проводить студенческую олимпиаду по радиоконструированию (как сейчас Cisco и Microsoft проводят по информационным сетям) – есть данный конструктив – сделай свой модуль.

Дальнейшее развитие - микроконтроллерные расширения конструктора «знаток». Т.е. наличие такого свободного поля заставляет пользователя конструктора не остановиться на тех 1000 схемах, что он прошел, а идти дальше. Еще необходим выпуск модулей цифровых последовательных и комбинационных схем, их наличие крайне важно, чтобы иметь возможность собрать простейшие цифровые схемы и проследить их временные диаграммы. Начало этому положено в заданиях 20 и 21, но для нас этого крайне мало, хотелось бы четвертый уровень сложности для вузов.

Надеемся, что разработчики учебных комплектов «Знаток» не остановятся на достигнутом, появятся новые схемы и модули, расширится спектр доступных измерительных средств, появятся возможности включения в контур управления и измерений ПЭВМ. Считаем целесообразным рекомендовать данный конструктор для использования (в зависимости от уровня сложности) в учебном процессе средних, средних специальных и высших образовательных учреждениях.

Шаг в будущее радиоинженером

Власов Андрей Игоревич

кандидат технических наук,

доцент кафедры «Проектирование и технология производства электронных средств»

На секции кафедры ИУ-4 «Наукоемкие технологии в проектировании и производстве электронно-вычислительных и телекоммуникационных систем» было представлено 10 работ.

Большинство работ, представленных на секции кафедры, были посвящены разработке электронных узлов и законченных приборов. Практически все представленные работы были выполнены на очень высоком научно-техническом уровне, содержали элементы научной новизны, а достоверность полученных результатов подтверждалась опытной эксплуатацией и экспериментальными исследованиями. Оргкомитет секции выражает благодарность фирме «МАСТЕРКИТ» за предоставленную возможность использовать в качестве прототипов устройств технические материалы и комплекты наборов «МАСТЕРКИТ».

По итогам работы секции кафедры ИУ4 были отмечены следующие работы.

Дипломом секции отмечена работа Трянина Павла (физико-математический лицей № 1508 при МГТУ им. Н.Э.Баумана, 11 класс), посвященная разработке многофункциональной охранной системы типа «дом – магазин». Научный руководитель: Власов Андрей Игоревич, к.т.н., доцент кафедры ИУ-4). В работе решались следующие задачи:

·                  разработка системы охранной сигнализации

·                  исследование способов преобразования и электронной обработки сигналов различной физической природы, используемых в системе охраны

·                  знакомство с основами конструирования электронных приборов

·                  анализ способов согласования отдельных электронных блоков, входящих в систему охраны

В результате работы повышена надежность и эффективность системы-прототипа за счет датчиков, основанных на различных физических принципах индикации.

Второе место присуждено работе Решетникова Ярослава (лицей № 14 г. Электросталь Московской области, 11 класс). Научный руководитель: Липаев Сергей Михайлович, к.ф.-м.н., учитель физики и математики лице я № 14) на тему «Разработка программирующего устройства микроконтроллеров Atmel». Данная работа посвящена разработке платы – программатора и программированию AVR микроконтроллеров фирмы Atmel. В работе подробно описаны процесс разработки печатной платы, схема программатора, процесс тестирования программатора. Раскрываются основные этапы создания законченного устройства:

·                  Анализ схемы электрической принципиальной.

·                  Разработка монтажной схемы.

·                  Травление печатной платы.

·                  Монтаж элементов на плату.

·                  Программирование микроконтроллера.

·                  Разработка тестовой печатной платы.

·                  Тестирование программы микроконтроллера.

В результате проведенной работы создан программатор микроконтроллеров фирмы Atmel серии AT90S с возможностью программирования по последовательному каналу. Устройство может применяться для внутрисхемного программирования и перепрограммирования, что позволяет говорить о его актуальности и перспективности. В процессе разработки использованы основы современных методов изготовления печатных плат (метод нанесения маски с последующим вытравлением пробельных участков). Функциональность программатора установлена с помощью специализированной тестовой платы. Использование программируемых микроконтроллеров значительно упрощает задачу разводки печатных плат, снижает геометрические размеры плат; поэтому использование микроконтроллеров, а значит и специализированных программаторов, имеют большую перспективу в будущем.

Третье место присуждено работе Андрея Маркина (физико-математический лицей № 1580 при МГТУ им. Н.Э.Баумана, 10 класс) на тему «Исследование устройства регистрации инфракрасного излучения». Научный руководитель – Заец Максим Васильевич, руководитель радиотехнического центра ФМЛ № 1580, лауреат прошлогодней конференции «Шаг в будущее, Москва». В работе решаются следующие задачи: проведение исследования устройства регистрации инфракрасного излучения, изготовление устройства регистрации инфракрасного излучения, анализ структурной и принципиальная схемы, изготовления и тестирование собранного устройства. Сферы применения устройства достаточно широки: учебное пособие при знакомстве с основами электроники, при проверке ИК излучателей, в системах пожаробезопасности, в охранных системах. дальнейшая модернизация устройства предполагает использование более совершенного фотодиода со встроенным фильтром дневного освещения, транзисторов разной структуры, дополнительного каскада для усиления выходного сигнала, звуковой сигнализации приема инфракрасного излучения.

В работе Сергея Слепцова (школа № 1019, 11 класс), научный руководитель: Власов Андрей Игоревич, к.т.н., доцент кафедры ИУ-4, «Разработка металлоискателя работающего по принципу цифрового частотомера» рассматривались вопросы проектирования металлоискателей, физический принцип работы которых основан на том, что: колебательный контур генератора состоит из конденсаторов C1, C2 и катушки индуктивности датчика L1. При использовании типового датчика диаметром 180…190 мм, содержащего 100 витков провода и емкостях конденсаторов С1 = 47 nF и С2 = 10nF, частота генерации составляет около 20 кГц. При необходимости частоту генератора можно изменить, изменив емкости конденсаторов С1 и С2. При частоте генерации равной 20кГц длина волны равна 15км. В данном устройстве используется микроконтроллер марки AT90S2313-10PI производства фирмы ATMEL. Это – 8-разрядный экономичный RISC однокристальный микроконтроллер. Он имеет на частоте 10 МГц производительность 10 MIPS. Содержит: 2 килобайта флэш-памяти, 128 байт EAPROM, 15 линий ввода/вывода, 32 рабочих регистра, два таймера/счетчика, сторожевой таймер, аналоговый компаратор, универсальный последовательный порт. В результате проекта создан металлоискатель работающий по принципу цифрового частотомера с глубиной обнаружения до 1 м. обладающий селективностью по металлам, проведена модификация принципиальной схемы устройства, собран готовый образец, функциональность которого проверена на дачном участке.

Работа Михаила Шеменева (гимназия № 7 г. Одинцово Московской области, 11 класс), научный руководитель: Власов Андрей Игоревич, к.т.н., доцент кафедры ИУ-4, «Разработка звукоусиливающего аппарата» посвящена созданию аппарата для слабослышащих. В работе решались следующие задачи:

• Разработать надежный звукоусиливающий аппарат;
• Дать возможность глухим и слабослышащим воспринимать звуковую информацию;
• Сделать разрабатываемый прибор максимально дешевым и доступным.

Предназначение прибора - решение проблем, связанных с потерей возможности воспринимать звуковую информацию из-за частичной потери подвижности некоторых элементов уха. Возможности звукоусиливающего аппарата, общение и проведение индивидуальных занятий родителей с детьми по специальным методикам для глухих, прослушивание звуковых сопровождений различных программ членами семьи, один или двое из которых имеют пониженный уровень восприятия звука, воспринимать звуковые сигналы благодаря их преобразованию в вибрационное воздействие тактильного вибратора, существенно ускорить процесс обучения глухих и слабослышащих правильному произношению, «чтению» по губам, облегчить и повысить информативность общения глухих и слабослышащих между собой и слышащими собеседниками. Необходимо отметить высокую социальную направленность проекта: количество нуждающихся в странах СНГ: более 200 специализированных детских школ, более 150 детских групп, где обучается около 10 000 детей, около 300 школ для детей дошкольного возраста, где обучается около 30 000 детей.

Работа Александра Контарева (школа № 132, 11 класс), научный руководитель: Власов Андрей Игоревич, к.т.н., доцент кафедры ИУ-4, на тему «Разработка аппаратно-программного комплекса мониторинга тепловых режимов микропроцессорных систем» посвящена мониторингу тепловых режимов микропроцессорных систем и в частности экспериментальным исследованиям характеристик жесткого диска в зависимости от температурных режимов эксплуатации. В работе решались следующие задачи: Исследование различных температурных режимов в зависимости от выполняемых ЭВМ задач: 1. чтение/запись на диск, 2. работа с офисными программами, 3. при работе с графикой. По результатам исследований даны рекомендации по условиям эксплуатации компьютерных систем и их температурным режимам.

Хотелось бы отметить, что П.Трянин, А.Контарев принимали участие в прошлогодней научной конференции «Шаг в будущее, Москва». И в этом году в работе конференции принимали участие не только учащиеся выпускных классов, но и их младшие товарищи.

Главная задача конференции - дать возможность будущему студенту познакомиться поближе с его будущей профессией, сделать осознанный выбор.

В конференции в основном участвуют те, кто хочет поближе познакомиться с кафедрами МГТУ им. Н.Э.Баумана, направлениями обучения. Стал ты Лауреатом конференции или нет, это не так важно, важно то, чему ты научился, готовя свою работу, защищая ее (т.е. важен сам процесс). Многие работы школьников ничем не уступают курсовым проектам, так что опыт они получают неоценимый. По статистике практически все, кто участвовал в конференции «Шаг в будущее, Москва» по нашей кафедре, через год-два являются исполнителями в различных НИРах и проектах, они работают на кафедре, становятся лауреатами различных стипендий, грантов и т.п.

Сама конференция – это защита своего проекта, собственной разработки, когда ты должен доказать комиссии, что выбранная тобой тема актуальна, а предложенные методы решения задач эффективны и экономичны. Главный вывод, который можно сделать - что такая научно-исследовательская конференция очень важна и нужна, принимать участие в таких конкурсах весьма полезно.

Другой вопрос - а с чего все начинается, где тот школьник, который станет совсем скоро лауреатом конференции, начинает свой путь к будущей профессии. Если задуматься, то все начиналось с кружка по месту жительства, со школьных творческих научных лабораторий. К сожалению, ситуация с развитием детского радиотехнического творчества в Москве хорошо известна. По сравнению с 80-ми годами, когда число радиокружков при домах технического творчества, школах, предприятиях и институтах исчислялось десятками, их количество существенно сократилось и, на сегодня, не превышает десяти по всей Москве. Проблема тут даже не в недостаточном финансировании, сколько в отсутствии энтузиастов и условий для их плодотворной работы. В последние годы ситуация начинает немного меняться. Не только школы, и техникумы возобновляют деятельность студий технического творчества, но и ряд предприятий начинает активно проявлять интерес к формированию и подготовке инженерных кадров еще со школьной скамьи.

Радиотехнические и системотехнические кафедры МГТУ им. Н.Э.Баумана заинтересованы в становлении и развитии радиокружков, центров технического творчества и готовы оказывать всемерное содействие. Поэтому, приглашаем всех заинтересованных лиц к взаимовыгодному сотрудничеству по подготовке высокоэрудированных, талантливых инженерных кадров, готовы поддержать любые инициативы от руководителей радиокружков, энтузиастов и просто заинтересованных и увлекающихся радиоделом школьников.

В 2006 году в рамках раздела «Шаг в будущее, Москва» планируется провести конкурс радиокружков. Конкурс проводится с целью поддержания радио-технического творчества молодежи в г. Москве и Московской области. Для участия в конкурсе приглашаются учебные заведения, центры дополнительного образования, дома творчества и др. организации, занимающиеся научно-техническим творчеством молодежи. Желающие принять участие в конкурсе, должны прислать заявку, содержащую информацию об организации (название, адрес, фамилия, имя отчество, телефоны руководителя организации), а также рекламный листок, отражающий интересы, направления, информацию о работах и разработках данной организации. Заявки направлять по адресу: mumc@bmstu.ru

Подробную информацию о проводимых нами научно-технических программах можно получить на нашем сайте: http://iu4.bmstu.ru.