В настоящее время в Российской Федерации функционируют более 1.100 государственных и негосударственных высших учебных заведений и их филиалов. Среди них более 500 вузов осуществляют подготовку специалистов по 79 направлениям и почти 300 специальностям в области техники и технологий. Каждый субъект федерации имеет, по крайней мере, один технический университет. В ряде случаев происходит объединение классических и технических университетов под единым названием. Такое многообразие направлений подготовки и специальностей, а также высших технических учебных заведений, осуществляющих соответствующую образовательную деятельность, требует активизации поиска новых форм организации учебного процесса при подготовке дипломированных специалистов в области техники и технологий, более полно отвечающих потребностям как отдельных граждан, так и государства в целом.
В соответствии с действующими государственными образовательными стандартами высшего профессионального образования (ГОС ВПО) выпускники технических вузов по различным направлениям подготовки могут быть подготовлены к выполнению следующих видов профессиональной деятельности, среди которых:
проектно-конструкторская и технологическая;
исследовательская;
эксплуатационное и сервисное обслуживание;
монтажно-наладочная;
организационно-управленческая.
При этом конкретные виды профессиональной деятельности выпускников определяются содержанием образовательно-профессиональных программ их обучения, разрабатываемых вузами.
Весьма обширны и многообразны квалификационные требования, предъявляемые к выпускникам технических вузов. Так, для решения профессиональных задач инженеру необходимо:
выполнять работы по проектированию, информационному обслуживанию, организации производства, труда и управления, метрологическому обеспечению, технологическому оснащению, техническому контролю;
проводить технико-экономический анализ, комплексно обосновывать принимаемые и реализуемые решения, изыскивать возможности сокращения цикла выполнения работ, содействовать подготовке процесса их выполнения, обеспечению необходимыми техническими данными, материалами, оборудованием потоками информации, способствовать полезному использованию природных ресурсов, энергии и материалов;
разрабатывать методические, нормативные материалы, техническую и технологическую документацию, а также предложения и мероприятия по осуществлению разработанных проектов и программ;
участвовать в исследовательских работах, в разработке проектов и программ, в проведении испытаний оборудования и во введении его в эксплуатацию, а также в выполнении работ по стандартизации технических средств, систем, технологических процессов, оборудования и материалов, в рассмотрении различной технической документации и в подготовке необходимых обзоров, отзывов, заключений;
изучать и анализировать необходимую информацию, технические данные, показатели и результаты работы, обобщать и систематизировать их, проводить необходимые расчеты, используя современные технические средства и информационные технологии;
составлять графики работ, заказы, инструкции, пояснительные записки, технологические и контрольные карты, схемы и другую техническую и технологическую документацию, а также установленную отчетность;
осуществлять экспертизу технической и технологической документации, надзор и контроль состояния и выполнения правил эксплуатации оборудования, выявлять резервы, устанавливать причины существующих недостатков и неисправностей в работе оборудования, принимать меры по их устранению и повышению эффективности использования;
следить за соблюдением установленных требований, действующих норм, правил и стандартов;
организовать работу по повышению научно-технических знаний;
разрабатывать и обеспечивать проведение энергосберегающих и экологических мероприятий.
Из приведенного перечня квалификационных требований становится ясным, что деятельность специалистов весьма разнопланова и требует разнообразных и глубоких знаний законов природы и закономерностей развития ряда смежных отраслей прикладной науки и техники, умений и навыков для того, чтобы выполнять и сопровождать конкурентоспособные разработки технических устройств, систем, комплексов, технологий. Инженеры призваны планировать и осуществлять все этапы жизненного цикла образцов новой техники, начиная с выявления общественных потребностей, продолжая проектированием, производством, эксплуатацией и заканчивая снятием с производства и утилизацией. В результате им приходится постоянно решать многофакторные и многокритериальные задачи принятия и реализации проектных и управленческих решений при неполной и не всегда достоверной входной информации.
Одной из особенностей технического образования является его отраслевая направленность, которая находит проявление в большом многообразии направлений и программ подготовки специалистов. Ощутимые различия между направлениями в содержании обучения начинают проявляться на уровне общей профессиональной подготовки. Уже на этом уровне возникают труднопреодолимые барьеры на пути учащихся, которые хотели бы скорректировать направление собственного образования. Межотраслевые барьеры приводят также к неоправданно большому многообразию учебных дисциплин, которые в действующих ГОС ВПО относятся к разряду дисциплин федерального компонента подготовки.
Так, в Московском энергетическом институте (техническом университете) осуществляется обучение студентов по 12 направлениям подготовки. Анализ действующих в МЭИ (ТУ) учебных планов показал, что студенты изучают 60 общих профессиональных дисциплин. При этом 44 учебные дисциплины (более 73%) изучаются студентами только одного направления. Шесть дисциплин преподаются студентам двух направлений, одна дисциплина – для трех направлений и т.д. Наиболее общими являются следующие дисциплины: «Безопасность жизнедеятельности» – включена в учебные планы 11 направлений из 12, «Начертательная геометрия. Инженерная графика» – в 7 учебных планах, «Механика» – в 6 учебных планах. Целый ряд учебных дисциплин, изучаемых студентами разных направлений подготовки, незначительно отличается даже по названиям.
Преподавание каждой учебной дисциплины сопряжено с существенными затратами: требуются квалифицированные преподаватели, сотрудники учебно-вспомогательного штата, аудитории для чтения лекций и учебные лаборатории с дорогостоящим лабораторным оборудованием. Эта особенность в значительной мере характеризует традиционную систему образования в целом и является проявлением затратного механизма его организации. Затратный характер организации обучения не соответствует интересам большинства учащихся и общества в целом. В современных условиях для его осуществления нет ни финансовых, ни материальных, ни интеллектуальных ресурсов. Острота этой проблемы усиливается при переходе на новые принципы в организации обучения, т.к. дополнительно возникает потребность в подготовке средств учебно-методического и материально-технического обеспечения на новой технологической основе.
Для создания системы открытого образования требуется провести более глубокую унификацию содержания учебной деятельности, чем это сделано в действующих ГОС ВПО. Необходимость этого определяется желанием сократить затраты на создание средств обеспечения учебного процесса, что позволит соответствующим образом ускорить начало полномасштабного применения новой образовательной системы и снизить стоимость обучения.
Еще одна особенность действующей системы подготовки специалистов в области техники и технологий состоит в необходимости уделять значительное внимание к таким ее компонентам, как расчетные задания, курсовые работы и проекты, технологические и производственные практики. Как правило, эти виды учебных занятий проводятся по индивидуальным заданиям. Студенты выполняют полученные задания во время, отведенное для самостоятельной работы, при консультационной поддержке преподавателей. Выполняя задания, студенты вынуждены значительную часть времени затрачивать на расчетные и графические работы, которые способствуют развитию таких в целом полезных качеств, как внимательность, аккуратность, терпение, но в малой степени помогают активному практическому освоению учебного материала, т.е. достижению основных целей этих видов учебного процесса. Требуется более активно применять средства компьютерной техники при выполнении расчетных заданий, курсовых работ и проектов с соответствующим изменением характера решаемых задач.
Основная особенность технического образования – необходимость организации и проведения лабораторных практикумов с применением реального исследовательского оборудования.
Важность этого вида учебных занятий находит подтверждение в действующих государственных образовательных стандартах, регламентирующих перечни учебных дисциплин, изучение которых должно сопровождаться выполнением лабораторных практикумов. Практическая реализация этого компонента учебного процесса сопряжена со значительными затратами ресурсов.
Затраты на организацию и проведение лабораторных практикумов могут составлять до 80% всех затрат на подготовку специалистов в области техники и технологий. Понятно, что в условиях резкого уменьшения финансирования учебных заведений первой жертвой становятся учебные лаборатории: оборудование быстро стареет морально, а физически приходит в неработоспособное состояние.
Но, главное, что традиционные учебные лаборатории не выполняют своей основной функции, состоящей в том, чтобы научить студентов постановке, проведению и обработке результатов инженерных экспериментов. Вместо этого студентам предлагается выполнить заданную последовательность действий по включению и отключению источников питания, записи показаний измерительных приборов, построению графиков.
Создание системы открытого образования в области техники и технологий связывается с реализацией новых подходов к организации лабораторных практикумов на основе средств информационных и коммуникационных технологий.
Лабораторный практикум – это потенциально наиболее значимый и результативный компонент естественно-научной, общей профессиональной и специальной подготовки в области техники и технологий, предназначенный для приобретения навыков работы на реальном оборудовании, с аналогами которого будущему специалисту, возможно, придется иметь дело в своей практической деятельности.
Лабораторный практикум проводится в специализированных учебных лабораториях. Эффективность данного вида занятий во многом определяется возможностями учебного заведения:
в оснащении учебных лабораторий современным оборудованием;
в выборе номенклатуры объектов экспериментального изучения и содержания лабораторных работ;
в реализации эффективных технологий выполнения работ и т.д.
В последнее время, в связи с широким внедрением компьютерных моделирующих систем активно дискутируется вопрос о необходимости сохранения традиционной формы выполнения лабораторных работ на физических лабораторных стендах. Особенно часто это обсуждается для простых объектов типа механический маятник, транзистор, электрическая цепь и т.д., для которых имеющиеся математические модели адекватно описывают изучаемые процессы. В этой связи предлагается практически полностью отказаться от создания и поддержания дорогостоящих, громоздких, подчас, энергоемких и сложных в обслуживании физических лабораторных стендов.
Однако, не сложность объекта изучения и не наличие или отсутствие его математической модели диктует необходимость постановки учебного экспериментального исследования, а лишь стратегия подготовки техника, инженера, научного работника. Точно так же, как умению читать техническую литературу, разбираться в электрических и монтажных схемах, конструкторской документации, умению проводить поверочные и проектные расчеты, использовать аппарат моделирования, будущий технический специалист в обязательном порядке! должен быть обучен технике постановки и проведения инженерного эксперимента. Без этого специалист в области техники и технологий просто не состоится. Ведь ему предстоит создавать исследовательское оборудование для изучения новых физических процессов, лабораторные стенды для оценки качества вновь созданных технических изделий, технологические стенды для заводских приемо-сдаточных испытаний серийной продукции и т.д.
Именно на простых и разнообразных учебных объектах учащийся должен овладеть умением постановки инженерного эксперимента и грамотно применять это умение в своей практической деятельности при создании новых и более сложных объектов, для которых модельное описание, если и существует, то весьма неточное. В этом случае главным в постановке эксперимента является определение или уточнение структуры и параметров математической модели по экспериментальным данным, т.е. решается задача идентификации структуры или параметров математической модели.
На лабораторный практикум возлагаются следующие важные задачи:
1. Практическое закрепление полученных теоретических знаний
Одно дело понять физический процесс через его математическое описание и совсем другое – увидеть его проявление в реальном техническом устройстве. Только такое единство должно способствовать наиболее полному и целостному представлению об объекте изучения. Опыт всегда был критерием истины.
2. Приобретение навыков самостоятельной работы с реальным оборудованием
Когда это делается систематически при изучении различных учебных дисциплин будущей профессии, то постепенно вырабатывается ощущение профессионального проникновения в выбранную предметную область, исчезает боязнь «прикоснуться к железу».
3. Планирование и постановка инженерного эксперимента
С чего начинать? Какого результата следует ожидать? Какие параметры варьировать и в каких пределах? Какие выходные показатели контролировать и с какой точностью и быстродействием? – вот те основные вопросы, которые придется самостоятельно решать в практической деятельности и подсказать будет некому, если не научился этому в процессе обучения.
4. Выбор оборудования для проведения эксперимента
Далеко не всегда доступно то оборудование, которое необходимо. Чем заменить его и будет ли замена корректной? Когда выбор обширен, начинаются вопросы экономической целесообразности выбора и т.д. Выбирать нужно уметь и этому тоже следует учиться.
5. Обработка и объяснение результатов эксперимента
Провести эксперимент – это только половина дела, хотя и дорогостоящая. Но затраты окажутся не оправданными, если в результатах не суметь увидеть истины. А истина «прячется» за шумами и помехами, за нее можно принять случайную точку выброса. Чтобы этого не случилось, нужно научиться современным математическим методам статистической обработки результатов эксперимента.
6. Сопоставление результатов теоретического анализа с экспериментальными данными
Это, пожалуй, самое главное и сложное в инженерном эксперименте, для чего он, собственно, и предназначен. У экспериментатора всегда должно быть исходное представление об исследуемом физическом процессе – исходная математическая модель. Насколько она была верна? Если не очень, то можно ли по результатам эксперимента ее уточнить? Тогда цель и затраты на эксперимент будут оправданы.
В идеальной постановке образовательного процесса для повышения эффективности усвоения учебного материала, каждый объект изучения в рамках учебной дисциплины в обязательном порядке должен снабжаться всеми необходимыми компонентами теоретического, практического, модельного и экспериментального изучения.
Современный ГОС ВПО никак не регламентирует содержательную часть лабораторного практикума, оговаривая, в лучшем случае, его объем в часах по сравнению с теоретической частью дисциплины. Отсутствует и сколько-нибудь серьезный государственный контроль и аттестация используемого в различных учебных заведениях лабораторного оборудования. Поэтому выбор объектов лабораторного практикума и определение его содержания часто происходят без учета реальных потребностей учебного процесса.
Не имея достаточной финансовой поддержки, часто вместо необходимого расширения номенклатуры изучаемых объектов (особенно сложных объектов, которые, прежде всего и требуют экспериментального изучения), идут по пути заполнения отведенного лабораторного времени рутинными операциями. При этом основной акцент делается не на углубленное исследование, а на такие рутинные моменты, как технология получения экспериментальных данных, способы обработки полученных результатов и построения зависимостей, что отнимает много времени, но ничего не прибавляет в познании объекта изучения.
Иногда в качестве учебных стендов используют лабораторное оборудование, оставшееся после защиты кандидатских и докторских диссертаций. Само по себе это не вызывает возражений, однако такое оборудование мало пригодно для решения учебных задач. Как правило, оно ориентировано не на изучение широкого спектра общеобразовательных задач, а на углубленное изучение узко-профильной задачи, составляющей научное содержание диссертационной работы.
Часть региональных технических учебных заведений получает в качестве лабораторного списанное оборудование профильных предприятий и самостоятельно дорабатывает его для использования в учебном процессе.
Ряд учебных заведений при спонсорской поддержке приобретает фрагменты и даже функционально завершенные учебные лаборатории зарубежных фирм.
Существующее научно-производственное объединение «Росучприбор» с его филиалами и опытными заводами, конечно, не может обеспечить всей номенклатуры специальных дисциплин и поэтому сосредотачивает внимание на разработке лабораторного оборудования преимущественно для общеобразовательных дисциплин (физика, химия, механика и ряд др.).
Таким образом, существующий в настоящее время в большинстве учебных заведений лабораторный практикум по разным причинам слабо соответствует возлагаемым на него образовательным функциям и нуждается в принципиальной реорганизации.
Проанализируем, как перечисленные выше образовательные функции реализуются в различных видах существующих лабораторных практикумов, и какова в этой связи степень их эффективности. В качестве базы для сопоставления представим некоторый гипотетический «идеальный» лабораторный практикум на конкретном примере из дисциплины «Электротехника».
«Идеальный» лабораторный практикум должен был бы выглядеть следующим образом:
оборудование, применяемое в учебной лаборатории :
электрические машины постоянного и переменного тока различных типов;
источники электропитания постоянного и переменного тока на различную выходную мощность, частоту, напряжение;
измерительные приборы различных видов и типов (амперметры, вольтметры, ваттметры, фазометры и пр.);
исполнительные механизмы, регуляторы и нагрузочные устройства различных видов и типов и другие необходимые атрибуты проведения экспериментальных исследований.
в соответствии с полученным индивидуальным заданием и предварительно освоенными теоретическими знаниями об объекте учащийся выбирает из множества предоставленного в его распоряжение лабораторного оборудования только то, которое необходимо для выполнения его индивидуального задания;
на лабораторном стенде учащийся самостоятельно собирает лабораторную установку и проводит эксперимент, в результате чего он получает возможность активных самостоятельных действий с реальным оборудованием и приборами.
Однако на практике такой идеальный подход никогда не применяется, поскольку требует много свободного оборудования и времени для своей реализации, высок риск порчи оборудования из-за неумелых действий плохо подготовленных студентов.
Традиционный лабораторный практикум – это, как правило, набор практически готовых, полностью смонтированных лабораторных стендов, предназначенных для экспериментального изучения базовой совокупности объектов по данной учебной дисциплине.
Учащийся, в лучшем случае, выполняет рутинные операции изменения напряжений, переключения отдельных приборов, цепей и т.д. При этом учащийся лишается главного – самостоятельной постановки эксперимента, выбора приборов и оборудования (за него уже все выбрано и поставлено).
Кроме того, в реальных условиях постановка лабораторного практикума сталкивается с организационными, техническими и экономическими трудностями. Так, с позиции эффективности усвоения материала было бы наиболее целесообразно после изложения теоретической части по каждому разделу дисциплины сразу же закрепить именно этот материал лабораторным практикумом. Однако лекция, как правило, читается для 100-150 слушателей, а возможности учебной лаборатории в лучшем случае рассчитаны на 6-12 рабочих мест, что не обеспечивает потребности даже одной учебной группы.
Вынужденно приходится на одном лабораторном стенде реализовывать бригадное выполнение лабораторной работы (по 2-4 человека в бригаде). Эффективность такого метода чрезвычайно низка, поскольку в каждой такой бригаде работу выполняет один студент, который является лидером конкретного мини-коллектива. Остальным студентам достаются рутинные, вспомогательные операции (фиксация в протоколе результатов измерений, построение графиков и т.д.), которые не способствуют ни приобретению практических навыков работы с реальным оборудованием, ни усвоению существа изучаемых процессов. Тем самым нарушается одна из главных образовательных функций лабораторного практикума – самостоятельность практического освоения реальной техники.
Другие учебные группы общего потока обучаемых, в лучшем случае, с задержкой в 2-4 недели смогут приступить к выполнению лабораторных работ, т.е. происходит разрыв во времени между теоретическим, практическим и экспериментальным изучением материала, что также не способствует эффективности его усвоения.
Демонстрационный лабораторный практикум является одной из вынужденных форм проведения лабораторных занятий на уникальном лабораторном оборудовании, существующем в единичных экземплярах.
Обычно такое случается, когда объект изучения слишком громоздок, дорог или энергоемок, чтобы его можно было многократно тиражировать для одновременного (фронтального) выполнения работ. В то же время, создание уменьшенных физических моделей по каким-то причинам признано нецелесообразным. Например, считается, что масштабное «искажение» изучаемого объекта уводит учащихся из реального мира в его виртуальное отражение и наносит тем самым вред образовательному процессу. Это заблуждение! Если в процессе масштабирования были соблюдены критерии подобия, то можно быть уверенным, что изучаемые физические процессы не искажены. Именно это главное в образовательном процессе. А работу реального станка, домны, прокатного стана, электростанции можно изучить в процессе учебной практики или учебного видеофильма. Будущему специалисту важнее не их внешний облик (он со временем может стать совершенно другим), а понимание принципа действия и рабочих процессов, которые меняются значительно реже.
Демонстрационный лабораторный практикум обычно проводится опытным преподавателем. Учащимся в основном отводится роль пассивных наблюдателей. При этом не реализуются главные образовательные функции лабораторного практикума (выбор приборов и оборудования, активные действия с объектом изучения), кроме одной – знакомство с работой реального оборудования. Но ценность этого весьма сомнительна – смена лабораторного оборудования в учебных заведениях происходит так редко, что реально приходится знакомиться с работой уже устаревшего оборудования, которое, как правило, давно снято с производства и эксплуатации.
Таким образом, проведение демонстрационных лабораторных работ следует расценивать, как вынужденную и временную меру, отражающую трудности создания современного эффективного учебного лабораторного оборудования.
Виртуальный лабораторный практикум –представляет собой один из прогрессивно развивающихся видов проведения лабораторных занятий, суть которого заключается в замене реального лабораторного исследования на математическое моделирование изучаемых физических процессов, но с элементами виртуального взаимодействия учащегося с лабораторным оборудованием. В зависимости от используемой программной инструментальной среды можно создать хорошую иллюзию работы с реальными объектами.
Различают две принципиальные разновидности виртуальных лабораторных практикумов:
полностью модельный лабораторный практикум, который от постановки до получения результатов реализуется средствами универсальных или специально разработанных компьютерных моделей;
полунатурный лабораторный практикум, который в своей постановке опирается на модельные средства, а результаты берутся из базы данных реально проведенных экспериментов.
Возможности современных имитационных компьютерных моделей создают полную иллюзию работы с реальным оборудованием. В таком подходе есть положительный момент, позволяющий реализовать каждому обучаемому свои индивидуальные творческие способности. Находясь в виртуальной лаборатории, можно выбрать виртуальные приборы и оборудование, собрать на виртуальном стенде схему эксперимента по своему индивидуальному заданию, провести поисковое моделирование исследуемого физического процесса при различных заданных параметрах и ограничениях, обработать результаты исследования, не затрачивая усилий на рутинные расчеты и графические построения.
Получение из базы данных результатов реальных экспериментов не несет нового в образовательный процесс, так как обучаемому необходимо наблюдать реакцию лабораторного оборудования именно на свои, пусть даже ошибочные, действия, которые впоследствии можно осмыслить, сделать поправку и провести повторный эксперимент. А когда на все его действия компьютерная система «подставляет» единственно правильный результат, полученный опытным преподавателем, учащийся начинает понимать, что его не учат, а «красиво обманывают» и теряет интерес к творческому поиску решений.
Таким образом, компьютерное моделирование изучаемых физических процессов является обязательной компонентой современного образовательного процесса, но оно не может полностью заменить реальный лабораторный практикум.
Удаленный лабораторный практикум – это один из перспективных видов организации лабораторных занятий, рекомендуемый для самостоятельного обучения в системе открытого технического образования [12.1, 12.2]. Его суть заключается в обеспечении коллективного доступа удаленных пользователей по компьютерным сетям к автоматизированным учебным стендам (комплексам), размещенным в базовых ресурсных центрах подготовки специалистов.
Лабораторное оборудование и программно-методические средства этого типа позволяют по индивидуальному заданию обучаемого выбирать объект изучения из предлагаемого множества альтернатив, настраивать его параметры, конфигурировать заданную схему и режимы проведения эксперимента, обрабатывать результаты эксперимента и проводить их строгую математическую оценку. Здесь в полном объеме реализуется комплекс образовательных функций, возложенных на лабораторный практикум.
Оппоненты удаленного лабораторного практикума усматривают в нем тот недостаток, что реальный объект изучения и все лабораторное оборудование недоступно учащемуся в прямом физическом контакте. Следовательно, нарушается одна из основных образовательных функций лабораторного практикума – приобретение навыков самостоятельной практической работы с реальным оборудованием. Есть несколько возражений по этому вопросу:
прямой физический контакт с объектом изучения важен преимущественно в тренажерах, где он объективно необходим для выработки координации движений при сложном ручном управлении (например, автомобиля). В большинстве других случаев прямой контакт практически ничего не дает в познании объекта. Изучаемые физические процессы (электрические, магнитные, тепловые гидродинамические и пр.), как правило, скрыты за внешней оболочкой объекта и недоступны для прямого восприятия через органы чувств человека, поэтому прямой контакт бесполезен;
с момента появления первых средств автоматизации оператор управления был постепенно выведен (удален) из контура прямого управления объектом и со временем заменен управляющей вычислительной машиной, поскольку органы чувств и реакция оператора перестали удовлетворять требованиям чувствительности, точности, быстродействия и многоканальности управления. Поэтому процесс удаления оператора (экспериментатора) от объекта управления (изучения) с переходом на дистанционные формы управления является объективной тенденцией времени;
современное промышленное производство строится на основе автоматизированных систем управления. Инженер-технолог контролирует технологические процессы не непосредственно в цеху, а из диспетчерской. Дистанционный мониторинг реального производства является его основой и подготовка специалистов, владеющих технологиями дистанционного доступа к техническому оборудованию, становится актуальной задачей.
Проведенный анализ существующих лабораторных практикумов показывает, что практически в каждом учебном заведении используется не объективно необходимая, а случайным образом сформированная лабораторная база, которая не позволяет осуществлять единую государственную систему подготовки технических специалистов. Объективно напрашивается пересмотр сложившейся практики проведения лабораторных исследований и создания нормативных документов, регламентирующих введение концепции и лабораторного оборудования нового поколения.
В зависимости от назначения, возлагаемых функций и способов реализации различают следующие формы учебного лабораторного оборудования: учебные тренажеры, учебные лабораторные стенды, учебно-методические комплексы.
Учебные тренажеры – являются одной из форм учебного лабораторного оборудования, предназначенной для выработки у обучаемого (оператора):
координации и активизации собственных физических возможностей в ответ на совокупность внешних возмущений и контролируемых факторов (манипуляционные тренажеры);
навыков выявления дефектов в типовом оборудовании (диагностические тренажеры);
реакции на изменение совокупности наблюдаемых технологических процессов (мониторинговые тренажеры).
В свою очередь, по способам реализации различают тренажеры:
Натурные, выполняемые на основе реальных объектов, которые оператору предстоит обслуживать. Классический пример натурного тренажера манипуляционного типа – учебный автомобиль, используемый для подготовки водителей. Такой тренажер невозможно заменить никакими компьютерными моделями, поскольку обучаемый обязан научиться чувствовать реальные органы управления (руль, рычаги переключения передач и световых приборов, педали сцепления, торможения, газа и т.д.) в реальных условиях сложного уличного движения (пешеходы, обгоны, светофоры и пр.).
Полунатурные, представляющие собою комбинацию реального оборудования в той части, которая непосредственно контактирует с оператором, и компьютерных моделей, предназначенных для формирования возмущающих и тестовых воздействий. Классическим примером полунатурного тренажера манипуляционного типа является тренажер для подготовки пилотов. Реальная кабина самолета с реальными приборами и органами управления дополняется мощными компьютерными моделями, имитирующими изменение положения «самолета» в трехмерном пространстве в зависимости от действий обучаемого пилота с отображением карты местности на компьютерном мониторе. Подобные тренажеры особенно необходимы для обучения режимам взлета и захода на посадку в аэропортах повышенной загрузки и горных аэродромах, т.е. в условиях повышенной аварийности. Другим примером полунатурных тренажеров диагностического типа является серия учебных тренажеров фирмы ElettronicaVeneta (один из ведущих европейских производителей учебной техники). Тренажеры этого типа содержат препарированное бытовое оборудование (телевизор, видеомагнитофон, телефон, холодильник, стиральную машину и пр.), имеющие ручной или компьютерный ввод типовых дефектов. Задача обучаемого заключается в диагностике заданного преподавателем дефекта, основываясь на показаниях измерительных приборов. Таким образом можно эффективно готовить мастеров по ремонту бытового оборудования в школьных УПК, ПТУ, специальных центрах подготовки.
Модельные, как правило, полностью реализуются средствами компьютерных моделей. Одним из примеров модельного тренажера мониторингового типа являются компьютерные тренажеры для обучения диспетчерского персонала.
Учебные лабораторные стенды – это принципиально иная (по сравнению с тренажерами) форма реализации учебного лабораторного оборудования, предназначенная для экспериментального исследования физических процессов и технических показателей изучаемых объектов (рис. 12.1).
Если рассматривать любой объект изучения как «черный ящик», то классическими приемами его исследования являются: подача на входы объекта совокупности тестирующих сигналов и точная количественная оценка реакции объекта по совокупности выходных показателей. В зависимости от способов реализации различают следующие типы лабораторных стендов.
Рис. 12.1. Поколения лабораторного оборудования
Специализированные лабораторные стенды (стенды первого поколения – рис. 12.2) представляют собою совокупность приборов, источников питания, источников тестирующих сигналов, исполнительных механизмов, технологических приспособлений для крепления, нагрузки и пр., отобранных специально для исследования конкретного и единственного объекта изучения.
Как правило, на стендах первого поколения использовались стрелочные измерительные приборы и простейшие ручные средства управления объектом (реостаты, латры, контакторы). Такой примитивный по сегодняшним меркам арсенал не позволял ставить серьезных исследовательских задач. Обучение сводилось к снятию статических характеристик, причем основное внимание уделялось технологии получения экспериментальных данных и последующей их «ручной» обработке.
Рис. 12.2. Пример реализации лабораторного стенда
первого поколения
Достоинством такого подхода считается целевой отбор всего лабораторного оборудования для решения узкого перечня задач единственного объекта изучения, что исключает избыточность и, следовательно, обеспечивает минимальную стоимость лабораторного оборудования в пересчете на один стенд.
Недостатков у такого лабораторного оборудования значительно больше:
очень трудно реализовать фронтальное проведение работ, так как требуется большое количество стендов;
по этой же причине ограничивается перечень объектов экспериментального исследования;
практически невозможно изучать переходные процессы и режимы многоканального управления из-за ограниченности возможностей средств измерения и управления;
значительно увеличиваются требуемые площади лабораторных помещений.
Универсальные лабораторные стенды (стенды второго поколения – рис. 12.3), в отличие от специализированных стендов, предназначены для исследования группы сменных объектов изучения.
Рис. 12.3. Пример реализации лабораторного стенда
второго поколения
Лабораторный стенд второго поколения содержит инвариантную (общую для всех объектов) часть (измерительные приборы, источники сигналов, блоки питания и т.д.) и специальное оборудование, предназначаемое для каждого сменного объекта (сам сменный объект, специальные приспособления, исполнительные механизмы и пр.).
На лабораторных стендах второго поколения, как правило, используются универсальные цифровые измерительные приборы, осциллографы, а также более совершенные средства управления в виде полупроводниковых регуляторов, полуавтоматических исполнительных механизмов и т.д. Более совершенный арсенал лабораторных средств позволил освободить обучаемых от ряда рутинных операций и направить их усилия на изучение содержательной части исследуемых физических процессов.
Достоинство такого подхода – значительное (практически на порядок) сокращение количества требуемых стендов и стендового оборудования (а, следовательно, и занимаемых площадей), упрощение его обслуживания, упрощение реализации фронтального метода выполнения лабораторных работ (на все имеющиеся стенды можно одновременно поставить один и тот же объект изучения).
Недостатки есть следствие универсальности и сменности оборудования: любое универсальное оборудование, как правило, более сложное, дорогое и избыточное, а при частой его смене уменьшаются сроки безотказной работы, т.е. увеличиваются эксплуатационные расходы.
Автоматизированные лабораторные стенды (стенды третьего поколения – рис. 12.4) являются принципиальным шагом вперед, поскольку на этом этапе в составе лабораторного оборудования впервые появились интеллектуальные средства обработки данных и многоканального управления объектом в реальном времени проведения эксперимента.
Рис. 12.4. Пример реализации лабораторного стенда
третьего поколения
Учебный лабораторный стенд третьего поколения превратился в автоматизированное рабочее место (АРМ), содержащее управляющую вычислительную машину (УВМ) и устройства ее сопряжения с объектом (УСО). В большинстве случаев измерительные приборы как таковые отсутствуют. Их функции выполняют датчики соответствующего типа, подключенные к входным каналам УСО, выполненным в виде набора стандартных модулей сопряжения (коммутаторы входных каналов, счетчики импульсов, входные регистры, аналого-цифровые преобразователи – АЦП и т.д.). Управление объектом передается УВМ и реализуется исполнительными механизмами через выходные модули УСО (цифро-аналоговые преобразователи – ЦАП, программируемые таймеры, выходные регистры и т.д.).
В корне изменились функции экспериментатора. Он удаляется из контура непосредственного управления объектом и превращается в оператора УВМ. Его задача сводится к формированию программы проведения эксперимента и оценке результатов. Экспериментатор полностью освобождается от всех рутинных операций (ручное поддержание режима проведения эксперимента, съем и запись показаний приборов, обработка результатов, построение зависимостей – все это делает УВМ) и может сосредоточиться на творческих вопросах поиска оптимальных или экстремальных решений.
Достоинством лабораторного оборудования третьего поколения является, как уже говорилось, полное исключение рутинных операций, и использование всего отведенного времени на реализацию индивидуальных творческих решений. Появляется также возможность предварительного моделирования исследуемых физических процессов, что делает процедуру экспериментального поиска более осмысленной и продуктивной. Можно исследовать как статические, так и динамические показатели объектов в режимах многоканального управления по весьма сложным алгоритмам.
Главный недостаток, пожалуй, состоит в неэффективном использовании средств вычислительной техники. Действительно, подключение к каждому лабораторному стенду персонального компьютера со средствами сопряжения (УСО) слишком дорого, если к тому же учесть, что коэффициент загрузки такого оборудования в течение учебного года чрезвычайно низок.
Лабораторные стенды удаленного коллективного доступа (стенды четвертого поколения – рис. 12.5) являются попыткой преодолеть главный недостаток лабораторного оборудования предыдущего поколения, сохранив все его преимущества.
Рис. 12.5. Пример реализации лабораторного стенда
четвертого поколения
Технически суть сводится к возложению на УВМ автоматизированного лабораторного стенда третьего поколения дополнительных функций сервера удаленного доступа. В этом случае открывается возможность коллективного доступа к одному лабораторному стенду многих пользователей по компьютерным сетям практически без ограничения расстояний.
Достоинства такого подхода очевидны:
значительно (на порядки) сокращается количество требуемого лабораторного оборудования, лабораторных площадей, обслуживающего персонала;
полностью исключаются рутинные операции и открываются возможности для творческого индивидуального подхода;
практически снимаются временные ограничения проведения лабораторных исследований, поскольку лабораторные стенды этого типа можно держать в круглосуточном рабочем режиме.
Особенности эксплуатации такого лабораторного оборудования (их нельзя назвать недостатками) связаны с разработкой, созданием и поддержанием всей инфраструктуры сетевого обмена информационными и техническими ресурсами.
Кроме того, если удаленные пользователи из других учебных заведений, городов и даже стран захотят воспользоваться возможностями такого лабораторного оборудования, то они должны быть уверены, что по набору объектов изучения и методике подачи материала оно полностью соответствует структуре и методологии изучаемой ими на местах учебной дисциплины. Лабораторный практикум представляет собою лишь одну из ее составляющих частей. Удаленные пользователи должны получить все согласованные составные части учебной дисциплины, причем желательно без разрыва во времени и не перемещаясь в пространстве. Отсюда напрашивается объективный вывод о том, что лабораторное оборудование четвертого поколения наиболее целесообразно использовать в составе полного комплекса образовательных услуг (учебно-методических комплексах – УМК), предоставляемых по выбранной учебной дисциплине.
Учебно-методические комплексы (УМК) – представляют собою объединение программно-технических и учебно-методических средств, обеспечивающих полную совокупность образовательных услуг (организационных, методических, теоретических, практических, экспериментальных, консультационных и пр.), необходимых и достаточных для самостоятельного изучения конкретной учебной дисциплины в системе открытого технического образования.
В зависимости от способов реализации могут оказаться целесообразными следующие типы учебно-методических комплексов:
централизованного типа, когда вся совокупность образовательных услуг предоставляется одним образовательным учреждением. Это, как правило, разработчик данного УМК, который гарантирует доступ к его ресурсам на оговоренных условиях, обеспечивает его надежную работоспособность и постоянное совершенствование в соответствии с тенденциями развития в данном направлении техники. Разработчик УМК может на оговоренных условиях передать права подготовки специалистов и, соответственно, все компоненты УМК специализированным центрам, оставив за собой авторские права, а также права и обязанности на техническое обслуживание и доработку УМК. Это не меняет самого принципа централизации.
децентрализованного (распределенного) типа, когда отдельные компоненты образовательных услуг в объеме конкретной учебной дисциплины предоставляются различными образовательными учреждениями, чей профессиональный уровень в наибольшей степени соответствует отдельным разделам дисциплины. Такой подход наиболее целесообразен при изучении комбинированных учебных дисциплин с разнохарактерным содержанием различных разделов. Например, в курсе «Физика» такой раздел, как «Механика» было бы целесообразно поручить разработать и поддерживать МГТУ им. Н.Э. Баумана, раздел «Электричество» – МЭИ, раздел «Оптика» – С-Пб ГИТМО, раздел «Молекулярная физика» – МИФИ и т.д.
Использование в современном лабораторном оборудовании средств автоматизации освобождает учащихся от рутинных операций на всех стадиях (управление объектом, съем показаний и обработка результатов). Именно эти операции занимали значительную часть времени, отводимого на выполнение лабораторной работы. Естественно возникает вопрос, чем же тогда полезно занять учащегося? Приверженцы затратного подхода в образовании предлагают высвободившееся время использовать на увеличение объема ручных расчетов по усложненным зависимостям. Такой подход минимизирует затраты преподавателя, но ничего не дает самому учащемуся, сводя на нет все усилия от внедрения новых образовательных технологий.
Более перспективный, но и более сложный путь состоит в развитии у учащегося индивидуальных творческих способностей. В этой связи перед ним необходимо начинать ставить качественно иные образовательные задачи поискового и творческого характера. Ничто так не развивает способностей человека, как удовлетворение его врожденного любопытства: что будет, если попробовать сделать так..? Но для этого учащемуся необходимо предоставить средства обучения, которые ничем бы не ограничивали его активность.
Однако, средства для реализации такого подхода могут оказаться на порядок сложнее ранее применяемых для решения простых задач. Действительно, поисковые задачи предполагают использование сложных алгоритмов управления, многоканальных широкодиапазонных источников питания и тестового воздействия на объект изучения, исполнительных механизмов, датчиков и преобразователей повышенной точности и быстродействия и пр.
Приведем наиболее характерные задачи и вытекающие из них требования к лабораторному оборудованию исследовательского типа на примере учебной дисциплины «Основы электротехники», хотя многие выводы будут справедливы практически для любой другой технической дисциплины.
Эти примеры не следует рассматривать как руководство к немедленной реализации, а лишь как иллюстрацию направления развития обучения от решения простых задач к перспективным техническим решениям, уже используемым в науке и промышленности и обучать которым все равно придется в ближайшее время.
Многоканальный синхронный мониторинг динамических процессов, позволяющий проводить:
одновременный по времени контроль и запоминание мгновенных значений многих параметров;
строгий математический анализ взаимного влияния контролируемых параметров (корреляционный анализ);
полный энергетический анализ в многофазных системах;
расчет косвенных параметров, которые либо сложно, либо нецелесообразно из экономических соображений измерять непосредственно.
Для реализации таких возможностей в составе лабораторного оборудования необходимо предусмотреть множество датчиков, контролирующих динамические процессы различной физической природы: электрические, магнитные, тепловые, механические и пр.
Желательно, чтобы все датчики имели встроенные вычислительные ресурсы в виде микроконтроллеров с возможностью автоматической настройки параметров (диапазонов измерения, чувствительности, частоты сбора данных, внешней взаимной синхронизации и т.д.).
Поиск оптимальных алгоритмов управления объектом
При управлении сложными техническими системами в настоящее время используются достаточно сложные алгоритмы – скользящие, подчиненные, модальные, векторные, адаптивные. В последнее время наиболее перспективными считаются алгоритмы типа нейронных сетей и фаззи-логики, в которых заложена способность к самообучению на основе модели ассоциативного (образного) мышления человека.
Большая часть перечисленных алгоритмов относится к числу интеллектуальных и требует для своей реализации значительных вычислительных ресурсов, но при этом имеет уникальные возможности:
реализовывать любой нелинейный алгоритм управления;
работать в условиях неточного описания объекта управления (а для нейронной сети – и при отсутствии описания);
создавать «мягкую» адаптацию при нестабильности параметров объекта управления.
Понятно, что подобные алгоритмы достаточно сложны в реализации и предъявляют повышенные требования к лабораторному оборудованию для их отработки и поиску оптимальных параметров. Например, для реализации алгоритма векторного управления асинхронным электроприводом требуются средства независимого управления величиной и фазой мгновенных значений напряжения, тока и потокосцепления при одновременном учете нестабильности ряда параметров АД, в частности, активного сопротивления короткозамкнутого ротора, которое не поддается прямому контролю, а определяются из математической модели АД косвенным способом. Это накладывает повышенные требования как к самой модели, так и к точности и быстродействию средств первичной информации и средств обработки. Так, для контроля частоты вращения ротора рекомендуется использовать дискретный датчик с погрешностью не более 0,05%, а для контроля мгновенных значений тока и напряжения – гальвано-развязанные датчики с активной компенсацией, с целью снижения погрешности в высокочастотном диапазоне.
Определенную проблему при векторном управлении АД представляет такой неоднозначный параметр, как активное сопротивление ротора. Учитывать его текущее изменение можно косвенным способом, а именно текущей идентификацией параметров модели АД по результатам экспериментального определения мгновенных значений токов и напряжений обмотки статора, угловых частот вращения ротора и тока статора с последующей адаптивной перестройкой модели управления.
Другую проблему представляет измерение текущего магнитного потока. Его также можно определять косвенным способом по результатам измерения мгновенных значений фазных напряжений и токов с последующим расчетом на математической модели АД.
Анализ современных проблем векторного управления электродвигателями различного типа (синхронный с магнитоэлектрическим ротором, синхронный реактивный, индукторный, шаговый, асинхронный) показывает, что информационная подсистема, как минимум, должна иметь два канала синхронного измерения мгновенных значений фазных токов (с разрешением 10–12 двоичных разрядов и временем преобразования не хуже 10 мкс), а также 2-канальный импульсный или 3-канальный аналоговый (на элементах Холла) датчики положения ротора с погрешностью не хуже 0,1%. Все последующие операции формирования управляющих воздействий рекомендуется проводить на основе модели электродвигателя с использованием сверхбыстрых специализированных DSP–микроконтроллеров с производительностью не менее 20 млн оп/с и развитой периферией специализированных устройств (генератор векторного ШИМ, АЦП, ЦАП и пр.).
Из изложенного становится понятным, что современная автоматизированная система сложного (например, векторного) управления электроприводом помимо средств текущего измерения совокупности непосредственно контролируемых параметров (мгновенных значений фазных токов и напряжений, частоты вращения ротора), средств многоканального независимого управления (напряжением, частотой, формой и фазой инвертора напряжения), должна включать достаточно адекватную математическую модель динамических процессов, способную в реальном миллисекундном цикле управления проводить текущую идентификацию недостающих параметров и перестраивать (адаптировать) алгоритм управления. Существующие для этих целей математические модели АД достаточно сложны, поэтому одной из актуальных задач изучения становится задача поиска оптимальной структуры модели и идентификация ее параметров для решения различных задач.
Таким образом, из анализа особенностей решения задач управления получаем следующие требования к лабораторному оборудованию для их реализации:
подсистема измерения должна включать высокоточные и быстродействующие датчики контроля мгновенных значений фазных токов и напряжений (с гальванической развязкой и активной компенсацией для снижения погрешностей на высоких частотах и с измерительными преобразователями 10–12 двоичных разрядов, с временем преобразования не более 10 мкс), динамического момента, положения ротора, частоты вращения в диапазонах, значительно превышающих номинальные значения;
подсистема управления должна обеспечивать электропитание объекта с возможностью произвольного закона изменения амплитуды, частоты, фазы и формы, а также управление нагрузкой по любому заданному закону, при этом целесообразно использовать сверхбыстрые специализированные DSP–микроконтроллеры с производительностью не менее 20 млн оп/с и развитой периферией специализированных устройств;
подсистема моделирования должна включать сравнительно простые модели с жестко заданной структурной и с возможностью текущей идентификации ограниченного числа наиболее влияющих на качество управления параметров.
Идентификация структуры и параметров математических моделей объекта изучения
Процедура поиска структуры и параметров математических моделей по результатам экспериментального исследования реальных объектов имеет существенное значение в трех случаях:
При исследовании совершенно нового объекта или физического процесса, о котором практически нет никакой информации, кроме той, которая может быть получена экспериментально, на основании чего и строится исходная структура математической модели (структурная идентификация).
Общая стратегия решения задачи структурной идентификации многомерных объектов реализуется воздействием на объект последовательностью тестовых сигналов и последующей детерминированной и стохастической обработкой входных и выходных данных (корреляционный анализ). При этом необходимо знать производные от переменных, что при дискретной форме цифрового контроля информации сделать затруднительно (слишком велики скачки). Рекомендуется применение сглаживающих сплайнов (сплайн–интерполяция).
Если исследуемый объект достаточно хорошо изучен, имеется его исходная математическая модель, но для решения различных задач его исследования требуются структуры моделей различной сложности (структурно-параметрическая идентификация).
При этом объект описывается системой дифференциальных уравнений различного порядка (в зависимости от решаемой задачи), на его вход подается система тестирующих сигналов или возмущений, а из анализа откликов определяются интересующие параметры.
Например, для определения параметров схем замещения асинхронных и синхронных двигателей рекомендуется контролировать мгновенные значения входных (фазные напряжения и токи) и выходных (динамический момент на валу и частота вращения) показателей в трех режимах: асинхронного пуска, подачи на статор промышленной частоты при заторможенном роторе и выбега.
Либо те же входные и выходные показатели рекомендуется контролировать при мгновенном ступенчатом изменении нагрузки, т.е. определять параметры схемы замещения по реакции объекта на ступенчатое возмущение в результате решения системы нелинейных дифференциальных уравнений 44-го порядка.
Когда известна структура модели и она постоянна, но в процессе работы объекта ряд ее параметров непредсказуемо меняется, что требует их постоянного уточнения, например, для повышения качества управления объектом (текущая параметрическая идентификация).
Данный случай в электротехнике наиболее характерен для реализации сложных алгоритмов управления. Его особенность заключается в том, что текущую параметрическую идентификацию приходится проводить в реальном миллисекундном цикле управления работающим объектом сравнительно скромными вычислительными ресурсами промышленных микроконтроллеров. Поэтому понятно, что исходная модель должна быть наиболее простой, а число идентифицируемых параметров не должно превышать одного-двух. Например, из двух наиболее трудно определяемых параметров АД (активное сопротивление обмотки ротора и индуктивное сопротивление рассеяния) наибольшее влияние на качество векторного управления оказывает температурное изменение активного сопротивления обмотки ротора. Поэтому все внимание уделяется идентификации именно этого единственного параметра, при этом предлагаются различные приемы.
Таким образом, из анализа особенностей решения задач идентификации получаем следующие требования к лабораторному оборудованию:
подсистема измерения должна позволять контролировать мгновенные значения фазных токов, напряжений, динамического момента, частоты вращения в диапазонах, значительно превышающих номинальные значения;
подсистема управления должна обеспечивать электропитание объекта с возможностью произвольного закона изменения амплитуды, частоты, фазы и формы, а также управление нагрузкой по любому заданному закону;
подсистема моделирования должна иметь открыто–развиваемую библиотеку моделей различной структурной сложности для решения различных задач, при этом целесообразно использование единого универсального решателя и удобного пользовательского интерфейса для ввода и настройки моделей;
подсистема математической обработки должна включать средства детерминированного и стохастического анализа больших массивов данных, в частности – корреляционный, регрессионный, спектральный анализ, линейную и сплайн интерполяцию.
Диагностика и прогнозирование технического состояния объекта
Задача текущей диагностики, в целях прогнозирования технического состояния объекта, становится все более актуальной в связи с появлением в составе современных сложных технических систем вычислительных средств, способных решить эту задачу, как одну из дополнительных (в фоновом режиме решения основной задачи, например, задачи управления). Заманчиво дополнить уже имеющиеся вычислительные ресурсы алгоритмами прогнозирования и повысить надежность работы системы в целом.
Применительно к электротехническим объектам задача прогнозирования строится на многолетней статистике отказов, согласно которой, например, в электрических машинах наиболее часто отказывают: изоляция обмоток (ок. 20%), щеточно-коллекторный узел (ок. 25%), подшипники (ок. 32%). Каждый из перечисленных объектов отказа не имеет прямого текущего информационного параметра и его техническое состояние приходится определять косвенным образом, т.е. по изменению других контролируемых параметров, с последующей обработкой информации с помощью прогнозных моделей.
Например, постепенное старение или механический износ изоляции контролируется периодической (со сравнительно большим периодом) подачей на обмотку короткого калиброванного импульса повышенного напряжения с одновременным измерением токов утечки. Явные повреждения электрической изоляции можно контролировать по изменению температуры обмотки.
Износ щеточно-коллекторного узла рекомендуют контролировать либо оптическим способом (по интенсивности искрения), либо по вторичному признаку – по интенсивности образования озона в области искрения.
Износ подшипников, а также качество сборки чаще всего оценивают по изменению спектра вибраций. При этом разделение электромагнитных (эксцентриситет ротора по отношению к статору – на двойной частоте питания), механических (дисбаланс ротора – на частоте вращения) и подшипниковых вибраций производят на основе статистического спектрально-корреляционного анализа.
Таким образом, из анализа особенностей решения задач диагностики и прогнозирования рекомендуются следующие дополнительные требования к лабораторному оборудованию:
подсистема измерения должна дополнительно включать каналы измерения температуры и вибрации;
подсистема моделирования должна включать последовательно развиваемые прогнозные модели, в частности, на базе теории распознавания образов;
подсистема обработки информации должна содержать средства спектрально-корреляционного анализа.
Решение каждой из названных выше задач практически невозможно выполнить средствами лабораторного оборудования предыдущих поколений. Только уникальные возможности автоматизированных лабораторных стендов позволяют сделать это.
Качественно новые задачи, возлагаемые на лабораторное оборудование нового поколения, требуют принципиально иных подходов к его созданию. Возможен выбор различных путей и средств, но следует рекомендовать несколько основополагающих принципов, каждый из которых направлен на повышение эффективности подготовки специалистов.
Принцип единства и комплексности объекта изучения. Процесс изучения объекта должен быть единым во времени и пространстве и комплексным по содержанию, т.е. все этапы изучения должны быть реализованы на одном рабочем месте, в составе единого программно-технического и учебно-методического комплекса по соответствующей учебной дисциплине, обеспечивающего полную совокупность образовательных услуг (организационных, методических, теоретических, практических, экспериментальных, консультационных и пр.), необходимых и достаточных для самостоятельного изучения учебной дисциплины при минимальной консультационной поддержке преподавателя.
Единый по своей сути объект изучения не должен искусственно делиться на составные части (теоретическую, практическую, модельную, экспериментальную, расчетную), которые реализуются в различных местах (лекционных залах, групповых аудиториях, учебных лабораториях, дома, в библиотеке и т.д.) и часто не согласованно во времени. Например, в силу ограниченности пропускной способности учебных лабораторий иногда вынужденно практикуется проведение лабораторных занятий до прослушивания курса лекций и проведения практических занятий. На практике возможна и такая ситуация, когда, например, курс лекций и практические занятия проводятся в одном семестре, а лабораторные работы – в другом, когда материал уже изрядно забыт. Все это не способствует эффективности усвоения изучаемого материала, но отражает сложившуюся практику и примитивный уровень используемых средств обучения.
Принцип коллективного доступа удаленных пользователей к единичным комплектам лабораторного оборудования, который обеспечивается за счет оснащения лабораторного оборудования программно-техническими средствами сетевого обмена данными, в результате чего каждый объект изучения становится полностью автономным и принципиально доступным напрямую в компьютерной сети (в том числе, Интернет).
Такой подход позволяет значительно экономить капитальные и эксплуатационные затраты на разработку, массовое тиражирование и обслуживание лабораторного оборудования, сосредоточив его единичные комплекты в региональных ресурсных центрах и обеспечив к нему доступ многих пользователей по компьютерной сети Интернет. Открывается возможность использования лучших из существующих в различных учебных заведениях образовательных ресурсов, не повторяя их многократно, в каждом учебном заведении, а лишь обеспечив к ним устойчивый и надежный коллективный доступ всех участников образовательного процесса. При этом обеспечивается единый и высокий уровень подготовки специалистов, который практически не зависит от удаленности учебного заведения от ведущих образовательных центров и наличия в нем преподавателей высшей квалификации.
Принцип масштабного преобразования объектов изучения. В качестве объектов изучения рекомендуется рассматривать специально разработанные физические модели-аналоги, а не промышленные образцы, поскольку промышленный образец всегда проектируется на эффективное выполнение узкой прикладной задачи, не содержит дополнительных информационных каналов и каналов управления и поэтому очень плохо соответствует задачам изучения. Лишь физическая модель-аналог, выполненная с соблюдением критериев подобия, снабженная многочисленными, физически разнородными информационными каналами и каналами управления, способна дать критериальные соотношения фундаментальных закономерностей изучаемых процессов, что в наибольшей степени соответствует концепции фундаментализации образовательного процесса. Масштабные преобразования физической модели должны быть такими, чтобы изучаемый объект был удобен для размещения в учебной лаборатории, обслуживании и эксплуатации и при этом не должен искажать изучаемые физические процессы.
Существует мнение (особенно в среде преподавателей традиционного типа), что изучение объектов на уменьшенных физических моделях искажает суть изучаемых объектов. Это очень старый спор. Еще в XV веке в одном из своих трактатов Леонардо да Винчи писал: «Говорят, что маленькие модели ни в одном своем действии не соответствуют эффекту больших. Здесь я намерен показать, что это заключение ложно…». С тех давних пор за столетия развития теории подобия и моделирования были выработаны четкие, научно-обоснованные условия (критерии) масштабных преобразований физических моделей.
Для основных прикладных направлений (электротехника, теплотехника, гидродинамика и пр.) уже существуют многократно проверенные критерии подобия, а для других направлений существуют общие рекомендации по их выявлению.
При изучении любого объекта или процесса на физической модели обязательным является соблюдение необходимых условий подобия:
подобные процессы должны быть качественно одинаковыми, т.е. они должны иметь одинаковую физическую природу и описываться одинаковыми по форме дифференциальными уравнениями;
условия однозначности (геометрические, физические, граничные) должны быть одинаковыми во всем, кроме численных значений постоянных, содержащихся в этих условиях;
одноименные определяющие критерии должны иметь одинаковую численную величину.
Соблюдение этих условий позволяет реализовать следующие возможности:
уменьшить (или увеличить) объект изучения. Масштабные преобразования делают объекты удобными для изучения. Например, для изучения многих объектов тяжелого машиностроения потребовались бы учебные лаборатории немыслимых размеров;
ускорить (или замедлить) исследуемый процесс. Меняя масштаб времени можно в ограниченные для проведения лабораторной работы сроки изучать процессы, которые на самом деле занимают дни, месяцы, годы;
упростить (или расширить) функциональные возможности изучения. Упрощение объектов изучения позволяет сосредоточить внимание на его наиболее существенных сторонах, а расширение функциональных возможностей позволяет углубить процесс изучения.
Принцип интеллектуализации объекта и средств обучения заключается во внедрении (интегрировании) вычислительных средств непосредственно в структуры объектов изучения (интеллектуальные датчики, исполнительные механизмы, программно-управляемые источники электропитания и т.д.).
Такой подход позволяет достичь предельной гибкости конфигурирования и управления сложными техническими системами в режиме удаленного коллективного доступа, ставить перед учащимися более сложные индивидуальные задания творческого, поискового характера, что, в конечном итоге, и обеспечивает декларируемое повышение качества образования за счет использования более эффективных методов обучения.
Принцип децентрализации и иерархического распределения вычислительных ресурсов состоит в предпочтительном использовании множества распределенных, но связанных между собой по сети вычислительных средств простейшей конфигурации (например, цифровых сигнальных процессоров и микроконтроллеров) вместо единого вычислительного средства с большими вычислительными ресурсами.
Использование данного принципа позволит значительно увеличить пропускную способность лабораторного оборудования при коллективном доступе к его ресурсам. В самом деле, если в состав лабораторного стенда будет входить несколько десятков объектов изучения, то произвольный доступ к ним различных пользователей значительно проще организовать, когда каждый из объектов обслуживается собственным специализированным микроконтроллером. При этом микроконтроллер объектного уровня реализует настройку объекта изучения и его управление, а также съём и предварительную обработку контролируемых параметров. Вычислительные средства более высокого уровня иерархии обеспечивают все процедуры внутреннего и внешнего обмена информацией и при этом могут быть сравнительно скромными.
Блочно-модульный принцип построения программных и технических подсистем заключается в том, что единый лабораторный комплекс создается в виде развиваемого набора функционально завершенных блоков и модулей.
Такой подход позволяет легко конфигурировать и настраивать образовательные ресурсы под любые уровни подготовки специалистов. При этом легко наращиваются новые разделы, темы и объекты изучения, модернизируются старые в соответствии с требованиями заказчика или требованиями технического уровня.
Принцип использования открытых стандартов, который предполагает преимущественное использование отечественных и международных общедоступных стандартов как на конструктивные решения, так и на программные продукты.
Такой подход исключает зависимость от конкретных разработчиков и изготовителей продукции, значительно удешевляет и ускоряет процесс производства, упрощает процесс интеграции в международные образовательные программы.
В традиционной системе очного образования все вопросы организации учебного процесса в объёме каждой учебной дисциплины возлагаются на преподавателя. Обучаемые освобождаются от проблем выбора последовательности, форм и средств изучения материала. Этот выбор предопределен опытом преподавателя, существующими в учебном учреждении образовательными ресурсами, а также текущими обстоятельствами (возможные переносы занятий, болезнь преподавателей, наличие или отсутствие лабораторной базы и т.д.).
Совсем другое дело самостоятельная подготовка в системе открытого образования. Обучаемый должен научиться принимать решение о порядке и глубине освоения учебного материала самостоятельно. Это не так просто и помочь ему может значительно более четкое структурирование учебного материала, хорошо организованная навигация обучаемого по изучаемой учебной дисциплине, а также формы ее представления.
Структурирование учебного материала предполагает его четкое деление на логически связанные части, изложенные в определенной последовательности, с целью наиболее эффективного и наименее затратного по времени освоения материала (например, «от простого к сложному», «от общего к частному» и т.д.).
Из множества возможных форм структурирования учебного материала следует отдать предпочтение варианту дисциплина–раздел–тема–объект. Базовым элементом такой структуры является четко выделенный объект изучения. Несколько родственно связанных между собою объектов изучения образуют тему, несколько тем – раздел и, наконец, несколько разделов образуют изучаемую дисциплину.
В обоснование объектного принципа структурирования следует отнести четкость деления учебного материала на составляющие части, однозначность выбора соответствующих форм и средств представления каждой такой части, простоту отбора учебного материала для различных категорий учащихся засчет исключения или дополнительного введения набора объектов изучения.
Понятие объекта изучения достаточно разнообразно и может включать следующие виды:
Закон (Критерий) как объект изучения предполагает освоение фундаментальных понятий в конкретной области знания. Изучение законов может оказаться достаточно скучной процедурой механического запоминания прописных истин, если методически этот процесс подавать в виде незыблемых аксиом, кем-то и когда-то открытых. В этом случае эффективность усвоения учебного материла резко падает. Не секрет, что на зачетах и экзаменах большинство учащихся уверенно «сдают» законы, но, столкнувшись с их проявлением в обыденной жизни, не могут объяснить их действия. Однако можно предложить обучаемому методические подходы и средства для самостоятельного «открытия» изучаемых законов. Закон, который обучаемый «открыл» сам, запоминается навсегда и применяется не формально, а осознанно. Не следует забывать также, что основные законы природы в свое время были открыты эмпирическим путем. Поэтому следует обратить особое внимание на хорошую постановку лабораторных практикумов этих разделов.
Физический процесс (и его Модель) как объект изучения (наравне с Законом) составляет объективную основу познания материального мира. Изучение различных физических процессов необходимо для понимания степени влияния на изучаемый процесс уже выявленных факторов либо для выявления новых влияющих факторов. Следовательно, должна быть обеспечена возможность варьирования всех влияющих факторов в широких пределах, а также возможность контроля с требуемой точностью и быстродействием результатов варьирования. Итогом изучения должно стать уточнение теоретического представления об изучаемом физическом процессе, т.е. уточнение его модели, что называется идентификацией параметров математической модели по результатам физических исследований. Здесь также требуется тщательная и осмысленная подготовка лабораторных практикумов.
Метод (Способ, Алгоритм) как объект изучения представляет интерес для понимания путей решения разнообразных задач в объёме конкретной предметной области. Здесь важно выделить и классифицировать принципиальные направления решения. Методика изучения данной объектной области должна быть нацелена на поиск альтернативных путей решения предложенной в индивидуальном задании технической задачи. Данные объекты предпочтительно изучать с использованием развитых имитационных моделей, позволяющих изменять не только параметры, но и структуру изучаемого объекта, что наилучшим образом соответствует идее поиска альтернативных решений.
Устройство (Элемент, Система, Комплекс) как объект изучения должны давать полное представление о применяемых в данной области знаний технических решениях. Простой перебор множества известных технических решений, несомненно, важен для понимания изучаемой предметной области. Однако форма их подачи должна быть такой, что бы у обучаемого формировалось ясная картина классификации типовых решений, их достоинств и недостатков, тенденция развития техники и возникало устойчивое желание создать свое, более совершенное устройство. При этом методика выполнения индивидуальных заданий в этой части должна быть нацелена на поиск именно таких решений.
Одним из наиболее сложных методических вопросов является обоснование необходимой и достаточной совокупности объектов изучения в составе лабораторного практикума соответствующей учебной дисциплины, а также обоснование необходимого баланса средств теоретического, практического и экспериментального обеспечения при изучении каждого объекта. Недостаточное число выделенных объектов обедняет изучаемую дисциплину, делает ее поверхностной и формальной. Чрезмерное увеличение объектов изучения делает учебную дисциплину слишком громоздкой и трудно реализуемой в отведенное ограниченное время.
В традиционной системе образования отбор объектов изучения производит ведущий преподаватель. При этом не исключен субъективизм выбора. В силу специфики подготовки преподавателей для технический учебных заведений, по существу, каждый такой преподаватель является узким специалистом и невольно делает излишние акценты на наиболее знакомых объектах. В результате нарушается сбалансированность изложения учебного материала, что приводит к неполноценной подготовке технического специалиста.
Можно предложить лишь самые общие рекомендации по структурированию лабораторного практикума:
лабораторный практикум по конкретной учебной дисциплине следует признать хорошо сбалансированным, если в его составе будут представлены все перечисленные выше компоненты объектов изучения (законы, критерии, физические процессы, способы, устройства и т.д.);
оптимальное число выделенных объектов изучения должно быть таким, что бы оно в полном объеме обеспечивало освоение фундаментальных основ изучаемой дисциплины;
должна быть предусмотрена возможность маскированного выбора объектов изучения в зависимости от категории зарегистрированного пользователя (школьник, учащийся вуза, слушатель курсов повышения квалификации и т.д.);
в идеальном случае каждый выделенный объект изучения должен иметь все средства теоретического (текстовый материал), практического (имитационные модели), экспериментального (лабораторный практикум) и математического (средства математической обработки данных) обеспечения.
Аппаратное обеспечение автоматизированного лабораторного практикума удаленного доступа (АЛП УД) образует три подсистемы:
измерения (датчики, измерительные преобразователи), предназначенную для контроля заданной совокупности аналоговых, частотных и дискретных параметров объекта изучения, их предварительного преобразования к нормализованному виду, а также преобразования нормализованных сигналов в цифровой код, необходимый для обеспечения ввода в ЭВМ;
управления (регуляторы, исполнительные механизмы), используемую для реализации заданных законов управления;
сопряжения объекта изучения с ЭВМ (устройства ввода аналоговой информации в ЭВМ, устройства преобразования уодированной выходной информации ЭВМ в электрические сигналы аналоговой, импульсной, частотной или дискретной формы).
Датчики и измерительные преобразователи
Датчики – это устройства, реагирующие своими чувствительными элементами на изменения того или иного параметра исследуемого объекта и преобразующие эти изменения в форму удобную для последующей передачи информации (обычно в электрический сигнал). Существует множество видов и типов датчиков, способных контролировать процессы различной физической природы: электрические, тепловые, механические, магнитные, оптические и т.д. Выбирая типа датчика любого назначения, следует руководствоваться несколькими общими принципами.
При наличии выбора необходимо, прежде всего, ориентироваться на датчики прямого однократного преобразования, что позволяет минимизировать потери и искажения информации. При ограниченности выбора вполне допустимо использование датчиков многократного преобразования и даже косвенных методов измерения, когда интересующий параметр не измеряется непосредственно, а вычисляется по результатам замера косвенных параметров, однако при этом следует более тщательно относиться к их тарировке.
Например, датчик температуры на основе термопары осуществляет прямое однократное преобразование измеряемой температуры в напряжение, которое непосредственно измеряется без дополнительных преобразований.
В датчике напряжения на основе эффекта Холла измеряемое напряжение вначале преобразуется в электрический ток (первое преобразование), который, проходя по измерительной обмотке, создает в сердечнике магнитного концентратора магнитное поле (второе преобразование), а затем в элементе Холла магнитная индукция преобразуется в электрическое напряжение низкого уровня (третье преобразование). Как правило, датчики Холла выполняются в интегральном исполнении со встроенными средствами усиления и стабилизации параметров (четвертое преобразование).
Такой параметр, как момент вращения электродвигателя непосредственно замерить достаточно трудно, поэтому часто замеряют косвенные параметры (частоту вращения, электрические параметры нагрузочного устройства) и по ним вычисляют искомый момент.
Датчики со встроенными измерительными преобразователями и цифровым выходом целесообразно выбирать на достаточно большом удалении физического объекта от вычислительных средств обработки информации (более 10 м), что значительно снижает уровень возможных помех на длинной линии связи, особенно при наличии источников помех, например, от промышленных объектов. Как правило, подобные структуры датчиков реализуются с использованием микропроцессорных средств и называются «интеллектуальными».
При таком подходе возможна не только предварительное преобразование измеряемого сигнала, но также предварительная обработка (сжатие) информации. Например, несколько сотен мгновенных значений измеряемого сигнала усредняются на заданном интервале времени, и в центральную систему передается только одно среднее значение, что значительно упрощает работу центрального вычислительного устройства.
Изучая динамические процессы, например, с целью идентификации динамических параметров математических моделей, необходимо производить синхронный контроль изменения одновременно нескольких параметров объекта на одно и то же возмущение. Для решения таких задач современных высокоэффективных исследований целесообразно применение многоканальных синхронизированных датчиков.
Например, при изучении энергетических параметров в многофазных энергосистемах важен синхронный контроль трех-фазных токов и трех-фазных напряжений. Был создан специальный 6-канальный интеллектуальный датчик, способный по каждому каналу измерять и запоминать в буферном накопителе до несколько сотен мгновенных значений с последующей их обработкой и передачей информации в центральное вычислительное устройство.
Используемые в составе измерительных каналов измерительные преобразователи (кондиционеры сигналов) – это устройства, осуществляющие преобразование электрических сигналов и приведение их к удобному (нормализованному) для дальнейшего использования уровню или виду. К ним относятся усилители, нормализаторы, фильтры, гальванические развязки, искрогасящие барьеры, преобразователи типа ток/напряжение, частота/напряжение и другие подобные устройства. Чаще всего конструктивно они выполняются в виде отдельных блоков. В международной практике используют нормализованные ряды первичных преобразователей.
Регуляторы и исполнительные механизмы
Регуляторы – это чаще всего логические устройства, воспроизводящие заданную логику управления (алгоритмы управления), а исполнительные механизмы – это силовые устройства, реализующие воздействие на элементы экспериментальной установки или непосредственно на объект изучения в соответствии с заданным алгоритмом. Иногда эти понятия объединяют и говорят, например, «регулятор напряжения», понимая под этим и логику управления, и силовой элемент, например, в виде силового транзистора или реле (релейный регулятор напряжения).
Существует несколько общепринятых типов регуляторов, которые предназначены для решения различных задач управления:
релейный (Р) – простейший тип дискретного регулятора, у которого амплитуда выходного сигнала дискретно изменяется только на двух уровнях: Uвых(t) = 0 или Uвых(t) = Uвых.max;
основанный на широтно-импульсной модуляции (ШИМ) сигналов – это более сложный тип дискретного регулятора, у которого амплитуда выходного сигнала управления также дискретно изменяется только на двух уровнях: Uвых(t) = 0 или Uвых(t) = Uвых.max, но имеется возможность управления длительностью дискретного состояния, что обеспечивает более высокое качество управления;
частотный (Ч) – это тип регулятора, у которого выходной сигнал представляет собою изменение частоты в функции входного сигнала, что удобно и необходимо для целого ряда задач управления, например, в области электроники и электротехники;
пропорциональный (П) – простейший тип аналогового регулятора (выходной сигнал пропорционален с заданным коэффициентом пропорциональности входному сигналу Uвых(t) = k1Uвх(t));
интегральный (И) – вариант аналогового регулятора (выходной сигнал пропорционален интегралу входного сигнала Uвых(t) = k2 Uвх(t)dt);
дифференциальный (Д) – разновидность аналогового регулятора (выходной сигнал пропорционален производной входного сигнала Uвых(t) = k3dUвх(t)/dt);
пропорционально-интегральный (ПИ) – вариант аналогового регулятора (выходной сигнал с заданными коэффициентами пропорционален входному сигналу и его интегралу Uвых(t) = k1Uвх(t) + k2 Uвх(t) dt;
пропорционально-дифференциальный (ПД) – тип аналогового регулятора (выходной сигнал с заданными коэффициентами пропорционален входному сигналу и его производной Uвых(t) = k1Uвх(t) + k3dUвх(t)/dt);
пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) – тип аналогового регулятора (выходной сигнал с заданными коэффициентами пропорционален входному сигналу, его интегралу и производной Uвых(t) = k1Uвх(t) + k2 Uвх(t) dt + k3dUвх(t)/dt);
адаптивный (А) – это наиболее сложный тип регулятора, у которого структура и параметры могут изменяться в зависимости от значений контролируемых параметров или каких-либо внешних условий.
Реализация различных типов регуляторов возможна как простейшими аппаратными средствами, например, с использованием операционных усилителей, цифро-аналоговых преобразователей, программируемых таймеров, так и с использованием микропроцессорных средств. Последнее решение предпочтительнее, поскольку позволяет дополнительно реализовать адаптивные алгоритмы программного изменения как структуры регулятора, так и его параметров. Выбирая средства управления обращайте внимание на возможность реализации нескольких разнородных каналов управления. Здесь также предпочтительно использовать микроконтроллеры. Например, микроконтроллер типа PCB80C552 фирмы Philips имеет два независимых канала широтно-импульсной модуляции (ШИМ), два независимых цифро-аналоговых преобразователя и три канала частотного управления.
Исполнительные механизмы достаточно разнообразны и обычно ориентированы на прикладные области применения:
в теплотехнике – устройства нагрева, охлаждения и т.д.;
в электротехнике – реле, контакторы, электродвигатели, электронные преобразователи частоты и напряжения и пр.;
в гидравлике – насосные и компрессорные агрегаты, задвижки и вентили и т.д.
Общим требованием ко всем исполнительным механизмам является возможность их автоматического управления, что не всегда просто реализуется и требует иногда разработки уникальных силовых устройств. Например, для реализации различных алгоритмов управления электроприводами потребовалось разработать универсальный многофазный преобразователь частоты и напряжения мощностью 1000 Вт, у которого регулируются:
уровень выходного напряжения в диапазоне 0…220 В с дискретностью не хуже 1 В;
частота выходного напряжения в диапазоне 0…1000 Гц с дискретностью не хуже 1 Гц;
тип выходного напряжения (постоянное, переменное);
форма выходного напряжения (меандр, ступенчатая, квазисинусоидальная).
Устройства сопряжения с объектом (УСО) предназначены для передачи и преобразования самой разнообразной информации от объекта изучения к обрабатывающим вычислительным средствам (микропроцессорам, компьютерам), а также для преобразования и передачи управляющих воздействий от вычислительных средств к объекту.
Существует множество разнообразных УСО, которые можно разделить на следующие основные типы (рис. 12.6):
Рис. 12.6. Типовые структуры АЛП УД
приборный интерфейс GPIB (HPIB, МЭК 625.1, КОП);
магистрально-модульные системы (MMС);
встраиваемые в компьютер измерительно-управляющие платы (Plugin-Card);
программируемые логические контроллеры (PLC);
комбинированные многоуровневые иерархические системы.
Приборный интерфейс GPIB (HPIB, МЭК 625.1, КОП) был предложен американской фирмой Hewlett Packard в 1972 г. – HPIB (Hewlett Packard Interface Bus), признан международным стандартом в 1975 г. – МЭК 625.1 (Международная Электротехническая Комиссия, протокол 625.1) и принят в России в 1980 г. – КОП (Канал Общего Пользования – Российский стандарт).
Приборный интерфейс представляет собй дополнение цифрового измерительного прибора с встроенной в него интерфейсной платой GPIB (General Purpose Interface Bus). Интерфейсная плата реализует дистанционное программное управление всеми параметрами прибора от удаленного управляющего компьютера, снабженного интерфейсной платой адаптера, которая обеспечивает согласование магистрали используемого компьютера с 16-разрядной магистралью приборного интерфейса. С помощью специального 24-жильного кабеля возможно объединение нескольких цифровых измерительных приборов в измерительную систему сложной конфигурации. Максимально допускается объединение до 15 приборов с общей длиной магистрали 20 м.
Использование в составе лабораторного оборудования приборного интерфейса оправдано в двух случаях:
когда уже существующее лабораторное оборудование было построено именно на этом принципе, накоплен опыт работы с ним и нет веских оснований для перехода на другие системы;
в тех уникальных случаях, когда нет других средств для контроля необходимых параметров.
Во всех других случаях желательно по возможности избегать применения приборного интерфейса из-за его громоздкости, относительно высокой стоимости, низкого быстродействия (максимальное быстродействие магистрали приборного интерфейса до 8 Мбайт/с, типовое значение – 1 Мбайт/с), сложности реализации даже простых управляющих функций.
Магистрально-модульные системы (MMС) представляют собой набор типовых измерительно-управляющих модулей ввода/вывода цифровой, аналоговой и дискретной информации, установленных в один из стандартных каркасов (крейтов) с общим блоком энергоснабжения, объединенных общей информационной магистралью и управляемых от удаленного компьютера посредством встроенного в крейт контроллера. Приведенные системы при общности их основной структуры отличаются конструктивным исполнением, энергетическими показателями, функциональными возможностями.
Одна из первых MMС, принятых в качестве международного стандарта – CAMAC (Computer Application to Measurement And Control) в 1972 г., успешно используется до настоящего времени. В стандарте CAMAC фирмами различных стран разработано и эксплуатируется более 1500 функциональных модулей измерения и управления. CAMAC не имеет собственных вычислительных средств, но может управляться практически от любого компьютера, для чего в крейт устанавливается соответствующий выбранному компьютеру контроллер, а в сам компьютер должна быть установлена соответствующая плата адаптера, согласующая магистраль выбранного компьютера со стандартной магистралью CAMAC. В этом стандарте принята достаточно быстрая магистраль с 24-разрядными шинами адреса, данных и шиной управления, со временем цикла по магистрали – 1 мкс (что эквивалентно скорости передачи данных по магистрали 16 Мбит/с). Однако наличие между функциональными модулями и управляющим компьютером промежуточных устройств (контроллер – кабель связи – адаптер) делает результирующее быстродействие системы не более одного Мбит/с.
Дальнейшим развитием идеологии MMS, но на новой элементной базе более высокой степени интеграции являются системы VME (Versabus Module Europe-bus) и VXI (VMEbus eXtensions for Instrumentation). Кроме современной элементной базы, обеспечивающей более высокую функциональную насыщенность и быстродействие каждого модуля, здесь следует выделить несколько принципиальных особенностей:
контроллер крейта стал интеллектуальным, что позволяет перенести программы управления модулями с удаленного компьютера непосредственно в состав крейта, а это повышает общее быстродействие системы практически на порядок. Кроме того, в ряде случаев (например, в некоторых контроллерах VXI) стали использоваться RISC-процессоры реального времени, что еще больше увеличивает быстродействие системы.
в основе VXI лежит магистраль новой архитектуры, которая разрешает прямое обращение одного модуля к памяти другого и наоборот, что расширяет функциональные возможности системы, снижает количество ошибок и существенно повышает надежность и скорость работы. Итоговая скорость магистрали VXI достигает 360 Мбит/с.
большинство функциональных модулей сами стали интеллектуальными за счет введения в их состав специализированных микроконтроллеров, что значительно улучшило функциональные возможности таких модулей. Появился режим самодиагностики, автоматической коррекции нулевых сигналов, предварительное накопление и обработка данных, программное изменение параметров модуля, улучшилась процедура обмена данными с общей магистралью и пр. Так, модули VXI имеют оперативную память до 64 Мбайт. Эта память может быть использована как для хранения экспериментальных данных, так и данных, характеризующих сложные сигналы управления. Кроме того, содержимое памяти каждого модуля может быть получено другим модулем для обработки или иного использования с высокой скоростью магистрали.
Сравнительно недавно появились компактные и высокоэффективные MMС разработки американской фирмы National Instruments для обслуживания объектов средней сложности:
PXI (PCI eXtensions for Instrumentation) представляет собой магистрально-модульную систему на основе компьютерной магистрали PCI (Peripherial Computer Interconnect), скорость передачи информации по которой составляет 132 Мбайт/с, дополненной линиями синхронизации модулей (10 МГц) и линиями передачи аналоговых сигналов. Контроллер крейта выполнен по архитектуре управляющего компьютера с процессором Intel Pentium в том же конструктиве, что и модули, и устанавливается в крейт как один из модулей. Стандартная система PXI имеет восемь слотов расширения PCI, а с помощью средств расширения количество подключаемых модулей может быть практически неограниченным. Ассортимент модулей повторяет типовой набор устройств ввода/вывода с добавлением высокоскоростных измерителей, модуля оцифровки изображения и других модулей, что позволяет реализовать на основе PXI достаточно эффективные автоматизированные системы средней сложности.
SCXI (Signal Conditioning eXtensions for Instrumentation) является еще более простой и компактной системой, которая, как и CAMAC, не имеет собственных вычислительных ресурсов, а подключается к внешнему управляющему компьютеру через параллельный порт. SCXI представляет собой многоканальную систему согласования и ввода/вывода сигналов для работы с Plugin-Card, PXI, VXI. SCXI может использоваться как дополнение к измерительно-управляющим платам и модулям для согласования сигналов или как самостоятельная законченная система ввода/вывода. SCXI- система состоит из одного или нескольких крейтов для размещения в каждом четырех или двенадцати модулей разного функционального назначения.
Таким образом, общим для всех MMС является объединение функциональных модулей в едином каркасе общей магистралью, что обеспечивает их эффективное управление от главного модуля (контроллера), также устанавливаемого в общий крейт.
Достоинство MMС – возможность простого конфигурирования и практически неограниченного наращивания автоматизированной системы любой сложности за счет смены модулей и наращивания количества крейтов.
Относительный недостаток MMС – их избыточность при использовании для автоматизации простых объектов. Системы VME,VXI, PXI, SCXI достаточно дорогостоящие и функционально насыщенные. Каждая из этих систем помимо набора функциональных модулей измерения и управления в обязательном порядке содержит дополнительные устройства, удорожающие эти системы:
каркас (крейт) с общим для всех модулей блоком питания и системой вентиляции;
общую для всех модулей магистраль;
контроллер (чаще всего интеллектуальный), обеспечивающий управление функциональными модулями по общей магистрали и связь с управляющим компьютером.
Поэтому применение указанных систем автоматизации оправдано в сложных, многоканальных экспериментах, когда требуется высокая точность контроля параметров при повышенном быстродействии всей системы.
Измерительно-управляющие платы (Plugin-Card). Идея ввода в состав персонального компьютера дополнительной платы управления внешними по отношению к нему устройствами вполне логична, поскольку подобными платами исходно оснащен любой компьютер (платы управления монитором, внешними накопителями, плата связи с сетью и т.д.). Более того, каждый компьютер имеет несколько свободных мест (слотов) для установки подобных плат по желанию пользователя.
Структурно и конструктивно каждая Plugin-Card содержит:
функциональную часть в виде универсального набора устройств ввода/вывода цифровой, аналоговой и дискретной информации (входной аналоговый коммутатор, АЦП, ЦАП, программируемый счетчик/таймер, порты цифрового ввода/вывода и т.д.);
интерфейсную часть, обеспечивающую информационное и энергетическое согласование устройств функциональной части с магистралью компьютера;
печатный разъем, соответствующий типу слота компьютера.
Данное направление развития базовых средств автоматизации постоянно совершенствуется. Появились Plugin-Card для различных классов компьютеров (IBM PC, PS2, Macintosh), платы с собственными микропроцессорными средствами обработки, быстрыми буферными накопителями типа FIFO (First Input – First Output) и т. д., благодаря чему значительно расширились их функциональные возможности. Спектр возможностей современных Plugin-Card значительно возрос и практически приблизился к возможностям функциональных модулей таких систем, как VME,VXI, PXI, SCXI:
входной аналоговый коммутатор – 8…64 канала;
АЦП – 8…16 разрядов при быстродействии до 5 Ms/с (для 12-разрядов);
ЦАП – 8…16 разрядов при быстродействии до 1 Ms/с (для 12-разрядов);
программируемый счетчик/таймер – 1…8 каналов, с разрядностью 16…24;
порты цифрового ввода/вывода – 8...128 разрядов.
Основное преимущество измерительно-управляющих подсистем на основе Plugin-Card состоит в том, что между обрабатывающим компьютером и функциональными устройствами ввода/вывода информации отсутствуют промежуточные устройства, поскольку Plugin-Card вставляют в свободные слоты компьютера. При этом основные измерительно-управляющие устройства Plugin-Card оказываются расположенными непосредственно на шинах обрабатывающего процессора, им присваиваются соответствующие адреса одного из внешних устройств процессора, могут быть назначены необходимые приоритеты, что минимизирует все временные задержки при измерении и управлении. Максимальная скорость обмена информацией доходит до 132 Мбайт/с. Кроме того, отпадает необходимость в специальном корпусе, блоке питания, системе охлаждения, поскольку все это уже есть в базовом компьютере, что значительно упрощает и удешевляет измерительно-управляющую подсистему в целом.
Однако имеется недостаток, который следует учитывать при использовании Plugin-Card для аналогового управления быстродействующими объектами. Цифро-аналоговые преобразователи (в отличие от АЦП) на универсальных платах, как правило, не имеют выходного буфера, за исключением специализированных карт аналогового вывода и генераторов сигналов сложной формы, которые отличаются высокой стоимостью. Поэтому для реализации сложного алгоритма управления объектом каждое новое значение выходного аналогового сигнала по каждому каналу необходимо рассчитывать в реальном времени, в связи с чем, скорость управления объектами ограничивается или становится в прямую зависимость от производительности применяемого компьютера, вынужденного помимо задач управления выполнять параллельно и другие служебные функции. Так, проведенное тестирование показало, что для базового компьютера на основе процессора Intel Pentium 150 МГц максимальная частота генерирования выходного аналогового сигнала не превышает 40 кГц, а для процессора Intel 486 Dx66 – не более 13 кГц.
Эта связь становится еще более явной, если необходимо корректировать алгоритм управления в зависимости от реакции объекта на управляющие воздействия. Для быстродействующих объектов при сложных алгоритмах управления такую систему практически невозможно реализовать именно потому, что современные компьютеры не успевают произвести требуемые вычисления. Например, для реализации векторного управления асинхронным двигателем на частоте питания 50 Гц с просчетом положения вектора поля через 10 электрических градусов требуется компьютер с производительностью более 50 миллионов операций в секунду, что превышает производительность самых мощных на сегодняшний день общедоступных компьютеров.
Выходом из подобной ситуации может служить использование параллельно с универсальными измерительными платами специализированных плат аналогового вывода. Такие платы имеют выходной буфер и предназначены для генерации сигналов с частотой обновления до 300 кГц.
Таким образом, можно определить основной перечень условий, при которых исследовательское оборудование целесообразно строить на основе измерительно-управляющих плат типа Plugin-Card:
небольшое удаление объекта исследования от измерительного компьютера (один – два метра). При большем удалении объекта исследования использование измерительных карт возможно, однако требует применения дополнительных устройств – нормализаторов сигналов, фильтров и т. п. для устранения случайных помех и компенсации потерь в измерительных каналах. Однако при работе на больших частотах полностью избавиться от помех практически невозможно.
реализуемость задач управления, которая определяется быстродействием системы, в которую входит компьютер и измерительно-управляющая плата. Оценка реализуемости должна проводиться в каждом конкретном случае. Если система не способна обеспечить требуемого быстродействия, необходимо или переходить на более быстродействующие средства, или распределять вычислительные и измерительные задачи между несколькими устройствами, т. е. использовать комбинированные системы.
персональный компьютер имеет ограниченное количество слотов для подключения интерфейсных плат. Если требуемое количество интерфейсных плат превышает количество слотов персонального компьютера, необходимо использовать блоки расширения слотов или переходить на магистрально-модульные системы.
Программируемые логические контроллеры (ПЛК) представляют собой компактные измерительно-управляющие системы с заранее программируемой логикой, выполненные на основе специальных интегральных микросхем повышенной степени интеграции (микроконтроллеров).
ПЛК содержат в одном кристалле как средства обработки информации (микропроцессор с необходимым набором периферийных устройств – ОЗУ, ПЗУ, порты ввода/вывода и пр.), так и средства измерения и управления (АЦП, ЦАП, ШИМ, программируемые счетчики/таймеры, порты ввода/вывода и пр.)
Структура измерительно-управляющей подсистемы на базе ПЛК отличается простотой конфигурации и компактностью. Обычно используют полностью законченные промышленные конфигурации, содержащие базовый вычислительный модуль и набор типовых модулей ввода/вывода или, так называемые, отладочные платы (kit). Эти платы содержат базовый комплект микроконтроллера с необходимыми внешними устройствами (ОЗУ, ПЗУ, порты ввода/вывода и т.д.), а также свободную часть монтажной платы для реализации нестандартного дополнения по проекту разработчика.
В настоящее время существует множество типов базовых микроконтроллеров различных фирм (Intel, Motorola, Texas Instruments, Maxim, Philips и т.д.), отличающихся как внутренней архитектурой, так и функциональным назначением.
Наиболее распространены микроконтроллеры на основе микропроцессора i80С51 фирмы Intel. В этом семействе особый интерес для создания ПЛК (для сравнительно простых объектов при хорошем соотношении: цена/функциональные возможности) представляют микроконтроллеры PCB80C552 фирмы Philips. Они имеют следующие базовые показатели:
внешняя память программ и данных до 64 кБ каждая;
встроенный 8-канальный 10-разрядный АЦП со временем собственного преобразования до 10 мкс;
два канала широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с тактовой частотой 15 кГц для реализации частотного управления;
8-разрядный цифровой порт ввода/вывода;
три встроенных 16-разрядных таймера/счетчика;
сторожевой таймер, предназначенный для автоматического перезапуска системы в случае ее зависания, например из-за кратковременного сбоя напряжения питания;
последовательный порт, подключаемый по стандарту RS-232/RS-485 для реализации внешних связей с другими микроконтроллерами или с базовым компьютером;
последовательный порт шины I2C, позволяющий подключать к микроконтроллеру дополнительные устройства (модули флэш-памяти, часы реального времени и т. п.) и соединять несколько микроконтроллеров в единую сеть для совместной работы.
Кроме того, функциональные возможности микроконтроллера легко развиваются дополнительными устройствами, подключаемыми к нему по цифровой шине адрес/данные. В качестве таких устройств могут быть использованы высокоточные АЦП, ЦАП, счетчики, дополнительные преобразователи сигналов и т. п.
При большом количестве разнообразных задач, возлагаемых на измерительно-управляющую подсистему целесообразно распределять эти задачи между несколькими микроконтроллерами в зависимости от их производительности. В этом случае микроконтроллеры для совместной работы объединяются в сеть на основе стандарта RS-485 (при удалении на десятки и сотни метров) или на основе высокоскоростной шины I2C (при удалении микроконтроллеров не далее 1 м). При такой архитектуре обмен данными по сети осуществляется по принципу ведущий/ведомый, т. е. один из микроконтроллеров или главный компьютер берет на себя функции ведущего и осуществляет общее управление потоками данных по сети.
В зависимости от сложности решаемых задач следует выбирать микроконтроллеры разной архитектуры, начиная от простейших 8-разрядных до мощных 16- и 32-разрядных. Иногда микроконтроллер должен не только производить измерения параметров, но и управлять объектом в зависимости, например, от частотного состава замеренного параметра. В этом случае требуется производить достаточно сложный математический анализ экспериментальных данных в реальном масштабе времени с минимальными временными задержками. Для этого необходимо применять цифровые сигнальные процессоры (DSP), предназначенные для решения подобных задач.
Использование ПЛК в качестве устройства сопряжения с объектом в сложных измерительно-управляющих подсистемах позволяет значительно разгрузить главный компьютер от таких рутинных операций как сбор и накопление данных, их предварительная обработка, управление объектом исследования и вспомогательными устройствами. Микроконтроллерные системы, как правило, используются в тех случаях, когда не требуется высокая скорость сбора небольшого объема данных и несложных алгоритмах предварительной обработки данных.
Комбинированные многоуровневые иерархические измерительно-управляющие системы
Практика работы с автоматизированными измерительно-управляющими системами показывает, что добиться оптимального соотношения стоимости и функциональных возможностей при использовании только одной конкретной системы практически невозможно.
При работе с реальными физическими объектами средней и высокой сложности (например, объединение нескольких разнородных устройств в действующую систему) спектр задач измерения и управления слишком разнообразен. Наряду с задачами высокоточного и быстрого контроля ряда параметров возникают задачи простого включения/отключения какого-либо элемента или технологического оборудования с программно-изменяемой частотой. Тратить на это вычислительные ресурсы главного управляющего компьютера было бы нерационально. Отсюда возникает стратегия использования комбинированных средств и разумного разделения между ними имеющихся вычислительных ресурсов.
Например, при создании лабораторного оборудования, не требующего в процессе работы громоздких промежуточных вычислений, но предполагающего наличие независимых каналов управления и точных измерений, вместо систем на базе VXI или PXI может быть использована комбинированная система, построенная на сочетании одного или нескольких ПЛК и одной или несколькими Plugin-Card.
В такой комбинированной системе Plugin-Card могут выполнять функции измерения параметров, критичных к времени и синхронизации, например, когда требуется получить осциллограмму сигнала сложной формы с высоким разрешением. При этом ПЛК, используя свои вычислительные ресурсы, выполняет задачи управления различными устройствами, а также может измерять медленноменяющиеся параметры, например температуру, перемещения и т.д. Подобные комбинированные системы сочетают в себе требуемую функциональность при значительно более низкой стоимости по сравнению с системами на основе VXI или PXI.
В целом же, как показывает опыт разработки автоматизированных стендов для объектов повышенной сложности, наиболее эффективны комбинированные системы с трехуровневым иерархическим распределением вычислительных ресурсов.
На объектном уровне, как правило, целесообразно использовать мультипроцессорные подсистемы, вычислительные ресурсы которых (разрядность, быстродействие, объем памяти) необходимо выбирать в зависимости от сложности решаемых задач. Здесь следует рекомендовать не экономить в малом, не перегружать микроконтроллер несколькими задачами (даже, если его ресурсы не исчерпаны), а каждую задачу поручать отдельному микроконтроллеру, разработав для него оптимальную программу управления. При таком подходе каждый значимый узел объекта (датчик или группа датчиков, регулятор, преобразователь, нагрузка и т. д.), снабженный отдельным микроконтроллером, становится «информационно прозрачным» и «абсолютно управляемым», что очень важно в системах удаленного доступа. Обмен информацией между такими интеллектуальными устройствами, а также каждого из них с управляющим компьютером осуществляется по сетевым каналам.
На промежуточном уровне должны размещаться сервисные вычислительные средства, обеспечивающие обслуживание, с одной стороны, вычислительных средств объекта (передача данных, пересылка команд на изменение режимов работы оборудования), а с другой – запросов удаленных пользователей. Эти достаточно сложные функции возлагаются на сервер комплекса, вычислительные ресурсы которого выбираются в зависимости от решаемых задач. Для реализации связи сервера комплекса с удаленными пользователями в его составе должна быть одна из типовых плат сетевого обмена, а для связи с вычислительными средствами объекта, например, адаптер последовательного интерфейса (обычно это преобразователь RS-485/RS-232).
На пользовательском уровне по возможности должны находиться современные компьютеры класса не ниже Pentium-1000 с объемом ОЗУ не менее 256 Мб, с графическим разрешением мониторов не менее 800х600, 256 цветов. Такие относительно высокие требования объясняются тем, что при разработке программно-методического обеспечения автоматизированных ресурсов используются современные достижения компьютерных технологий: цвет, звук, трехмерная графика, анимация, без чего эффективность процесса обучения была бы не столь высока.
Активное внедрение в образовательный процесс информационных и телекоммуникационных технологий (ИКТ) породило ряд сопутствующих проблем, связанных с особенностями создания электронных образовательных ресурсов и эффективностью их использования при самостоятельном изучении. В частности, – необходимость разработки специализированного программного обеспечения (ПО) поддержки технологий коллективного доступа удаленных пользователей к реальному лабораторному оборудованию.
Для гуманитарных направлений подготовки эта проблема, в большинстве случаев, решается стандартными средствами сетевых технологий. Здесь, как правило, идет обмен текстовой информацией в формате HTML, который поддерживается сетевым протоколом обмена http, и никаких специальных программных средств обмена информацией не требуется, поскольку нет необходимости управления текстовым образовательным ресурсом. Поэтому основные усилия разработчиков направлены на создание эффективных программных комплексов администрирования образовательного процесса (например, http://www.prometeus.ru/).
Совершенно по-другому обстоит дело для направлений подготовки в области техники и технологий, где обязательной компонентой обучения является лабораторный практикум. Основным требованием проведения лабораторного практикума является управление объектом изучения по индивидуальному заданию учащегося в реальном масштабе времени по компьютерной сети. Обеспечение удаленного коллективного доступа к реальному лабораторному оборудованию не поддерживается стандартными средствами сетевых технологий и требует разработки специализированного ПО, без которого данный раздел обучения просто не реализуем.
В настоящее время существует множество отечественных и зарубежных инструментальных средств разработки электронных образовательных ресурсов. Однако, немногие из них позволяют обеспечить доступ к реальному лабораторному оборудованию в реальном времени по компьютерной сети. Принципиально такими возможностями обладает, например, инструментальная среда LabVIEW 6.1 (разработки фирмы National Instruments, USA), которая предоставляет пользователю различные способы удаленного доступа к оборудованию:
TCP/IP, UDP, DDE (Windows) – обеспечивает доступ к удаленному объекту по протоколам низкого уровня. LabVIEW поддерживает все указанные механизмы доступа к удаленным объектам. С их помощью принципиально можно реализовать любые алгоритмы работы с удаленными объектами, как и с помощью любой другой системы программирования (например, С++), однако трудозатраты будут неоправданно высокими.
Режим DataSocket – осуществлять доступ удаленного пользователя к виртуальным инструментам объекта управления с помощью интерфейсной программы, работающей на клиентском компьютере. Интерфейсная программа может быть создана как в среде LabVIEW, так и в любой другой среде программирования (с использованием специальных компонентов от фирмы National Instruments). Технология DataSocket позволяет клиентской программе осуществлять чтение данных из виртуального инструмента (мониторинг объекта) или запись данных в виртуальный инструмент (управление объектом) в монопольном режиме, т.е. управление объектом, работающим под управлением LabVIEW, возможно только одним клиентом с возможным наблюдением за протекающими процессами нескольких пользователей.
Режим HTML-документа – способствует формированию на Web-сервере лабораторного стенда Интернет-страницы в формате http с изображениями элементов интерфейса и реальными данными, причем обновление данных происходит через заданные промежутки времени. Удаленный пользователь, загружая с этого сервера страницу, изображающую виртуальный инструмент, на свой компьютер, видит реальные физические данные, но не в реальном масштабе времени, а периодически обновляющиеся. Таким способом следить за процессами, происходящими в объекте, может множество пользователей одновременно (режим удаленного наблюдения). При этом пользователю не нужно устанавливать какое-либо программное обеспечение на свой компьютер, кроме обозревателя Интернета.
Режим удаленной панели – обеспечивает удаленный просмотр и управление виртуальными панелями как непосредственно средствами среды LabVIEW, работающей на клиентском компьютере, так и с использованием обозревателей Интернета (Microsoft Internet Explorer или Netscape Navigator). Это осуществляется с помощью специального дополнения к ним (plug-in), обеспечивающего работу решателя LabVIEW под управлением обозревателя. Такое дополнение специально устанавливается на клиентском компьютере.
Данные от виртуального инструмента поступают обозревателю Интернета в виде HTML-документа с web-сервера лабораторного стенда и передаются модулю-дополнению, который скачивает по сети Интернет компонент виртуального инструмента, отображает его панель и обеспечивает связь клиента с сервером. Клиент может управлять удаленным виртуальным инструментом, а через него и объектом. При этом возможен только монопольный доступ одного пользователя к виртуальному инструменту в режиме управления, с возможностью параллельного наблюдения за процессами нескольких пользователей.
Кроме того, данный режим доступа не обеспечивает передачу удаленному пользователю всей его функциональности, что обусловлено транспортной задержкой передачи данных по сети. Это касается, в первую очередь, таких элементов интерфейса, как графы, отображающие физические значения в реальном масштабе времени.
Таким образом, инструментальная среда LabVIEW 6.1 наиболее перспективна для решения инженерных задач исследования или мониторинга различных объектов с монопольным управлением одним исследователем и трудно реализуема для создания образовательных ресурсов коллективного пользования по следующим причинам:
нет возможности организовать эффективную работу множества пользователей на удаленном объекте с организацией как последовательной, так и параллельной работы;
достаточно сложно реализовать работу с нестандартным лабораторным оборудованием собственной разработки, что чаще всего будет иметь место при разработке образовательных ресурсов;
нет готовых средств моделирования различных физических процессов, и есть сложности использования в этой среде существующих пакетов моделирования.
Из изложенного следует, что для создания современных образовательных ресурсов в области техники и технологий не удастся воспользоваться какой-то одной программной инструментальной средой, какой бы совершенной она ни была. Слишком разнообразны задачи, которые приходится решать на этапах теоретического изучения объекта, контроля знаний, моделирования, эксперимента, математической обработки результатов, протоколирования действий учащегося и т.д. В каждом конкретном случае решение о выборе инструментальных средств придется принимать индивидуально в зависимости от наличия самих инструментальных средств, постановки задачи и опыта программистов.
В данной работе был использован арсенал разнообразных инструментальных средств программирования. Так, для разработки ПО, имеющего развитый пользовательский интерфейс (клиентское ПО), использовалась среда разработки Borland C++Builder.
Для моделирования динамических процессов используется пакет моделирования PSpice. Пакет PSpice был выбран в качестве универсального решателя, способного выполнять задачи моделирования различных по своей природе и сложности объектов с применением метода аналогий. Используемая версия, хотя и не является самой новой, но имеет университетскую лицензию и весьма компактна (около 1,5 Мб). С ее помощью можно легко моделировать электрические и электронные цепи различной степени сложности, поскольку имеется готовая библиотека моделей типовых объектов электротехники и электроники.
Для разработки ПО серверного уровня использовалась среда разработки Microsoft Visual Studio 6.0, а также набор компонентов ComponentWorks фирмы National Instruments – в составе клиентского ПО для отображения результатов моделирования и экспериментов в виде графиков.
Для создания ПО объектного уровня использовались специальные средства разработки для микроконтроллеров – Proview32 Franklin Software Inc, обладающие расширенными возможностями для отладки программного обеспечения для микроконтроллеров (эмуляция работы микроконтроллера с возможностью эмуляции внешних устройств).
Многолетние исследования авторов показали, что наиболее эффективной является 3-уровневая, иерархическая система ПО, образующая единый программный комплекс, где на каждом уровне решаются специфические задачи реализации доступа к распределенным техническим ресурсам (рис. 12.7).
Программное обеспечение объектного уровня состоит из программного обеспечения микроконтроллеров, входящих в состав объектных модулей.
Программное обеспечение микроконтроллеров выполняет задачи управления конкретным объектом изучения в процессе проведения эксперимента по заданию удаленных пользователей, т.е. обеспечивает выполнение необходимых коммутаций при изменении структуры объекта, задание тестовых сигналов на объект и измерение параметров объекта, а также задачи связи с ПО серверного уровня.
К программному обеспечению объектного уровня предъявляются требования максимального быстродействия, минимизации времени служебных преобразований данных для увеличения эффективности использования объектных модулей. В связи с этим, на объектном уровне не производится каких-либо преобразований данных. Перевод измеренных кодов АЦП в физические величины происходит в программных модулях проведения эксперимента, входящего в состав ПО сервера лабораторного стенда.
Программное обеспечение серверного уровня состоит из ПО серверов лабораторных стендов и ПО вспомогательных серверов.
Рис. 12.7. Структура программного обеспечения АЛП УД
Программное обеспечение вспомогательных серверов выполняет задачи администрирования учебного процесса – ведения баз данных пользователей, идентификации пользователей, финансового сопровождения учебного процесса, распределения запросов пользователей на проведение экспериментальных исследований между однотипными лабораторными стендами для уменьшения времени ожидания доступа к стенду при большой его загруженности. При слабой загруженности ПО вспомогательных серверов может быть объединено с ПО серверов лабораторных стендов (размещаться на едином с ним компьютере), а также интегрировано в него.
Программное обеспечение серверов представляет собой сложную многопоточную программу, состоящую из главной программы сервера лабораторного стенда (ядра) и служебных программных модулей (ПМ), выполняющих те или иные функции. Построение ПО сервера стенда по модульному принципу обусловлено необходимостью постоянного расширения числа объектных модулей, входящих в стенд, функционального развития ПО сервера стенда, что представляет некоторые сложности в разработке и эксплуатации ПО сервера лабораторного стенда в случае его построения как единой программы.
Программное обеспечение сервера создавалось, в первую очередь, для исследования объектов с «быстрыми» процессами, когда время всего эксперимента составляет от долей до единиц секунд (электроника, электротехника, автоматика). В связи с этим ПО сервера лабораторного стенда позволяет проводить эксперименты на объектных модулях по принципу последовательного выполнения заданий пользователей, с возможностью проведения как параллельных экспериментов, так и организации наблюдения нескольких пользователей за процессами, протекающими в объекте, если эти процессы длятся большое время и организация последовательных экспериментов с данным объектным модулем не представляется возможным.
Ядро ПО сервера выполняет задачи организации связи с пользователями, организации очереди заданий пользователей, загрузки ПМ по командам пользователей (клиентского ПО) или по командам других модулей. Ядро ПО сервера стенда не зависит от типа объектов, находящихся в стенде и может применяться на стендах совершенно разной физической природы. Учет особенностей конкретных объектных модулей осуществляется на уровне ПМ проведения эксперимента. Обмен данными между ПО сервера лабораторного стенда с ПМ объектных модулей осуществляется с помощью универсальных ПМ связи по линиям RS-232, RS-485, Ethernet.
Для непосредственного проведения экспериментов на объектных модулях разработаны согласованные пары ПМ проведения эксперимента, один из которых устанавливается у пользователя (клиентская часть), а соответствующий ему ПМ устанавливается в составе ПО сервера лабораторного стенда (серверная часть). Серверная часть осуществляет преобразование данных и управление ресурсами сервера лабораторного стенда (например, измерительно-управляющие карты и т.п.), необходимыми для проведения эксперимента на объектном модуле, с которым связана и для которого разработана данная пара ПМ.
Таким образом, для включения в состав лабораторного стенда нового объектного модуля не требуется какой-либо корректировки ядра ПО сервера стенда. Разрабатывается только пара ПМ проведения эксперимента, учитывающих специфику данного объектного модуля. После этого ПМ проведения эксперимента вносится в конфигурацию ПО сервера стенда, и новый объектный модуль готов к работе в составе стенда.
Кроме того, поскольку ПМ проведения эксперимента и объектный модуль работают попарно и практически независимо от универсального ядра ПО сервера стенда, то становится возможна организация параллельной работы различных пользователей на разных объектных модулях, что существенно повышает производительность комплекса и уменьшает время ожидания пользователя своей очереди на проведение эксперимента.
Программное обеспечение клиентского уровня содержит три программных подсистемы: подсистема связи с сервером лабораторного стенда, подсистема настройки эксперимента (клиентская часть группы ПМ проведения эксперимента) и интерфейсная подсистема.
Связь между клиентским ПО и ПО сервера стенда осуществляется с помощью универсального ПМ связи по сети Internet/Intranet, с использованием протокола TCP/IP. Модуль выполняет все процедуры связи с сервером, идентификации пользователя и передачи данных на эксперимент серверу и результатов эксперимента обратно клиентскому ПО.
Программный модуль проведения эксперимента предназначен для обеспечения экспериментальных исследований конкретного объекта, для которого был создан, с помощью парного ПМ проведения эксперимента на удаленном стенде. Модуль осуществляет преобразование данных, получаемых от интерфейсной программы, в вид, удобный для отправки по сети, с учетом особенностей «своего» объектного модуля, получение результатов экспериментальных исследований и возвращение результатов интерфейсной программе.
Процедура проведения эксперимента на удаленном лабораторном оборудовании выглядит следующим образом:
пользователь (или учащийся) с помощью интерфейсной программы подготавливает задание на проведение эксперимента, а именно создает необходимую топологию объекта (например, электрической цепи, или сложной электромеханической системы), задает параметры объекта исследования, параметры тестовых сигналов и параметры измерений. После задания всех параметров эксперимента, пользователь отправляет задание на исполнение;
интерфейсная программа загружает ПМ проведения эксперимента (клиентскую часть) и передает ему задание на выполнение эксперимента. ПМ проведения эксперимента преобразует данные в вид, удобный для передачи по сети и с помощью модуля связи по сетевому протоколу TCP/IP отправляет задание на эксперимент серверу лабораторного стенда через компьютерную сеть;
сервер лабораторного стенда осуществляет идентификацию удаленного пользователя и ставит пришедшее задание на эксперимент в очередь заданий. Когда подходит очередь выполнения данного задания, сервер лабораторного стенда подгружает необходимый ПМ проведения эксперимента (серверную часть) и передает ему данные задания. ПМ проведения эксперимента преобразует пришедшие данные в необходимый для работы формат, осуществляет передачу данных объектному модулю с помощью модуля связи, подгружаемого по его команде ядром ПО сервера стенда, осуществляет задание тестирующих сигналов и измерение требуемых величин с помощью измерительно-управляющих средств объектного модуля или самого стенда, если модуль не имеет в своем составе таких средств.
после получения результатов эксперимента, ПМ проведения эксперимента (серверная часть) преобразует их в вид, удобный для отправки по сети и с помощью ядра ПО сервера стенда и модуля связи TCP/IP со стороны ПО пользователя отправляет их ПМ проведения эксперимента (клиентской части). Тот, в свою очередь, распаковывает пришедшие данные и передает их интерфейсной программе, которая предоставляет их пользователю в виде графиков и т.п.
На этом сеанс связи между ПО пользователя и сервером лабораторного стенда завершается, ПМ проведения эксперимента выгружаются из памяти и управление на сервере передается следующему заданию.
Общая структура методического обеспечения
В идеальной постановке при выполнении лабораторной работы в режиме удаленного доступа учащийся должен иметь оперативный доступ ко всему комплексу средств, необходимых и достаточных для успешной реализации индивидуального задания при минимальной консультационной поддержке со стороны преподавателя.
В этой связи в структуру методического обеспечения лабораторного практикума целесообразно включить все необходимые компоненты, образующие вместе учебно-методический комплекс (УМК) по лабораторному практикуму соответствующей учебной дисциплины:
удобную подсистему навигации учащегося в разветвленной структуре УМК;
краткое теоретическое описание объекта изучения, раскрывающее его суть и область практического применения;
методические рекомендации для преподавателя по подготовке и тиражированию индивидуальных заданий;
подсистему моделирования изучаемых физических процессов, желательно с простым интерфейсом, не требующим дополнительных усилий для ее изучения;
подсистему контроля действий учащегося и защиты лабораторного оборудования от несанкционированного доступа и возможных аварийных ситуаций;
подсистему математической обработки результатов моделирования и эксперимента;
подсистему формирования итогового протокола.
Навигация учащегося в структуре лабораторного практикума
В традиционной системе очного образования все компоненты изучаемой дисциплины (лекции, практические занятия, лабораторные работы и пр.), как правило, ориентированы на независимое применение под руководством опытного преподавателя. Поэтому последовательность изучения материала заранее предопределена расписанием занятий и не требует каких-либо дополнительных усилий со стороны учащегося. Даже при самостоятельной теоретической подготовке обучаемый «ощущает» весь объем учебного материала (учебника, конспекта лекций) и свое текущее положение в нем.
По своей структуре УМК содержит все компоненты изучаемой дисциплины, причем для эффективности усвоения материала предполагается их одновременное комплексное использование, что на первых порах может внести еще большие трудности усвоения учебного материала.
По этим причинам при разработке УМК объективно напрашивается необходимость использования дополнительных средств ведения (навигации) обучаемого по структуре УМК. На подсистему навигации возлагается несколько функций:
просмотр общей структуры изучаемой дисциплины, ее разделов, тем и выбор конкретного объекта изучения из общего перечня предоставляемых образовательных услуг;
рекомендация по оптимальной последовательности действий в процессе самостоятельного обучения, которая не исключает произвольной последовательности изучения по усмотрению обучаемого;
произвольный выбор средств изучения выбранного объекта (теоретическая часть, подсистема моделирования, подсистема экспериментального исследования, подсистема обработки данных и т.д.);
фиксация уже изученного учебного материала с возможностью повторного изучения по желанию обучаемого;
отображение текущего положения обучаемого в структуре УМК с возможностью быстрого перехода на любой другой уровень.
Перечисленные функции подсистемы навигации достаточно разноплановы и могут быть реализованы различным образом. Для примера на рис. 12.8 демонстрируется работа одного из вариантов подсистемы навигации при выборе конкретной учебной дисциплины («Электроника») из общего перечня учебных дисциплин, предоставляемых учебным заведением (все учебные дисциплины имеют условные названия). В левой части экрана находится панель с прокруткой, на которой расположен полный перечень учебных дисциплин. При выборе конкретной учебной дисциплины ее цвет на общей панели изменяется, а в правом окне появляется структура выбранной учебной дисциплины, которую можно полностью просмотреть, прежде чем приступать к ее изучению. Возможно появление в правом окне нескольких альтернативных дисциплин одного наименования, но разработанных различными авторами. Обучаемый также может просмотреть и сравнить их содержание и сделать свой выбор.
При выборе конкретной учебной дисциплины ее название переходит в строку заголовка экрана, которая последовательно наращивается по мере дальнейшего выбора: дисциплина: «Электроника», раздел: «Типовые интегральные микросхемы», тема: «Аналоговые интегральные микросхемы», объект: «Операционные усилители».
Рис. 12.8. Экранная форма подсистемы навигации первого уровня
Так работает подсистема навигации на первом уровне – структурном, показывая обучаемому его текущее положение в основной структуре учебной дисциплины.
После того, как был произведен выбор конкретного объекта изучения, подсистема навигации переходит на второй уровень – обучение (рис. 12.9). В левой части экрана появляется новая панель с прокруткой, на которой расположена рекомендованная последовательность этапов изучения выбранного объекта (определение объекта, назначение и области применения, основные показатели, особенности конструктивного исполнения, описание лабораторного оборудования, методика проведения исследования и т.д.). Последовательность изучения может быть выбрана и любой другой. Все зависит от предварительной подготовленности обучаемого. Рекомендуемый вариант ориентирован на первичное знакомство обучаемого с объектом изучения и минимален по затратам времени.
Рис. 12.9. Экранная форма подсистемы навигации второго уровня
После предварительного теоретического изучения объекта учащийся переходит к этапу выполнения индивидуального задания. При этом подсистема навигации также переходит на третий уровень – объектный (рис. 12.10). Здесь навигация поддерживается достаточно понятным меню в нижней части экрана (получение индивидуального задания, использование подсистемы имитационного моделирования, выход на экспериментальный стенд, математическая обработка результатов).
Рис. 12.10. Экранная форма подсистемы навигации третьего уровня
При всей простоте и наглядности описанной выше подсистемы навигации она имеет один существенный недостаток, заключающийся в фиксированном размещении полей, предназначенных для технологических задач навигации и для непосредственной работы с самим объектом изучения. Поэтому, если мы хотим сделать навигацию понятной обучаемому, то вынуждены отдать ей слишком много активного пространства экрана, что пойдет во вред подсистеме обучения.
Данное противоречие может быть разрешено, если все технологические и объектные поля экрана сделать перемещаемыми и масштабируемыми (рис. 12.11). Тогда объектное поле можно развернуть на весь экран, а технологическое поле свернуть до приемлемого размера и наложить его на наименее активную в данный момент часть объектного поля. Такой подход, несомненно, более трудоемок в программировании, но именно его следует настоятельно рекомендовать при разработке УМК.
Рис. 12.11. Экранная форма универсальной подсистемы навигации
Типовое описание объекта изучения
После того, как выбран конкретный объект изучения, учащийся должен попасть в четко организованную среду его изучения. Часто используемое полнотекстовое описание объекта, выполненное методом сканирования готового учебника, является наименее затратной, но одновременно и наименее эффективной формой изучения объекта.
Чтение текста с экрана более утомительно, чем с твердой копии. К тому же при этом совершенно не используются вычислительные ресурсы компьютера. Текст должен быть предельно лаконичным, содержащим основные понятия, которые затем подробнее раскрываются через гиперссылки. Подготовленный читатель быстро схватывает суть основного текста и поэтому может ускоренно продвигаться в изучении материала. Менее подготовленный будет вынужден обращаться за разъяснениями к гиперссылкам. Он тоже все освоит, но медленнее.
Иногда следует использовать еще более эффективный прием дикторского чтения текста. Экран компьютера полностью освобождается от текста и занимается каким-либо сложным рисунком (электрической или функциональной схемой, конструкцией и пр.). Пояснения дает диктор, и синхронно с ними на экране возникают анимированные действия. Для лучшего усвоения материала должна быть обеспечена возможность многократного повтора эпизода.
Отдельное внимание заслуживает работа на экране компьютера с математическими выражениями, введенными в текст описания объекта изучения. При математическом описании какого-либо физического процесса не следует давать полный вывод итогового соотношения, лучше дать ссылку на дополнительную литературу, где этот вывод приведен. Вместо этого следует наглядно показать, как это соотношение «работает». Учащемуся должна быть предоставлена возможность самому изменять отдельные параметры сложного выражения и наблюдать (лучше в графической форме) степень их влияния на выходные показатели.
Ниже приводится типовая рекомендуемая структура описания объекта изучения:
определение, назначение, область применения объекта изучения;
описание принципа действия и особенностей физических процессов;
конструктивные и схемотехнические особенности;
основные характеристики и показатели.
Методические особенности использования моделирования при самостоятельном изучении дисциплины
Наиболее эффективное усвоение учебного материала происходит не в процессе пассивного чтения текстовой информации, либо столь же пассивного прослушивания лекции в любом ее виде (натуральном, мультимедийном, видеозаписи и пр.), а в процессе активного взаимодействия с объектом изучения. Последнее возможно либо на этапе лабораторного экспериментирования, либо на этапе имитационного моделирования, т.е. там, где учащийся сам может воздействовать на объект изучения или его модель и получить реакцию на это воздействие.
Следовательно, моделирование изучаемых объектов наряду с их экспериментальным исследованием (но не взамен экспериментального исследования) является обязательной компонентой самостоятельной подготовки в системе электронного обучения.
Важной предпосылкой активного использования имитационного моделирования в системе электронного обучения является обязательное применение современной компьютерной техники как элемента среды обучения. Если в распоряжении учащегося появляется компьютер, то было бы неправильным не использовать все его вычислительные ресурсы (цвет, звук, анимация, трехмерная графика) и возможность оснащения эффективными универсальными или специализированными пакетами моделирования
В методическом плане можно рекомендовать две формы использования моделирования в процессе освоения учебной дисциплины: при изучении теоретической части дисциплины, при выполнении индивидуальных практических заданий.
Особенности использования моделирования при изучении теоретической части учебной дисциплины
Для примера можно рассмотреть подход к организации изучения двух фрагментов учебного курса «Основы электротехники»: вращающееся магнитное поле и исследование эквивалентной схемы замещения.
Принцип создания вращающегося электромагнитного поля в электрических машинах переменного тока можно наглядно исследовать с помощью интерактивной модели.
Если на катушку индуктивности с числом витков w подать переменное синусоидальное напряжение u = Um sint, то в ней возникает электрический ток, создающий в катушке переменный магнитный поток Ф, направленный по ее оси. Вектор магнитной индукции В = Ф/S (где S – сечение катушки) будет изменяться во времени по синусоидальному закону и принимать крайние значения в диапазоне от –Bm до Bm, т.е. каждая катушка в отдельности создает только пульсирующее магнитное поле. Для того, чтобы магнитное поле стало вращаться, необходимо:
взять несколько катушек (минимум две);
расположить их по окружности друг относительно друга с некоторым пространственным (геометрическим) смещением;
подать на каждую катушку электропитание от многофазного источника переменного напряжения с одной и той же частотой, но с некоторым временным сдвигом фаз для каждой катушки;
создать среду, объединяющую магнитные потоки отдельных катушек (общий магнитопровод).
Интерактивная модель должна предусматривать изменение всех перечисленных параметров с наглядным графическим отображением результатов действий учащегося.
В разработанной интерактивной модели обмотка статора электрической машины выполнена в виде трех катушек (фазных обмоток A, B, C), соединенных в «звезду» и размещенных на магнитопроводе статора (неподвижной части электрической машины) с пространственным (геометрическим) смещением друг относительно друга на фиксированный угол ψ = 120° (геометрических градусов).
Катушки подключены к трехфазному источнику электропитания с независимым регулированием амплитуд U, фаз и общей частоты = 2f:
uA = UA sin(t + A),
uB = UB sin(t + B),
uС = UC sin(t + C).
Удобный интерфейс интерактивной модели позволяет задавать частоту, фазы и величины напряжений всех трех фаз, а на графических экранах видеть результаты действий учащегося. Окно интерфейса пользователя разделено на четыре области (рис. 12.12):
вверху слева – виртуальная панель приборов, на которой «мышью» можно задавать необходимые параметры;
вверху справа – эскиз трехфазной электрической машины, на фоне которой возникает анимированная картина вращающегося вектора магнитного поля;
внизу слева – текстовое пояснение, объясняющее физику возникновения вращающегося поля;
внизу справа – виртуальный осциллограф, на котором отображаются графики изменения фазных напряжений и результирующего значения магнитной индукции.
Рис. 12.12. Интерфейс интерактивной модели
«Вращающееся электрическое поле»
Для получения кругового вращающегося магнитного поля (результирующий вектор В не изменяется по величине в процессе вращения) необходимо на все катушки подать одинаковые амплитудные значения напряжений и задать одинаковые временные фазовые сдвиги конкретной величины = 1200 (электрических градусов).
Частота вращения результирующего вектора В определяется частотой напряжения питания = 2f.
Если подавать на катушки напряжения, имеющие различные амплитудные значения и/или углы относительного смещения, отличные от 1200, то вместо кругового будет сформировано эллиптическое вращающееся магнитное поле, у которого амплитуда результирующего вектора В будет изменяться в зависимости от углового положения (рис. 12.13). Такой режим для электрической машины является нежелательным, поскольку создает повышенные электромагнитные вибрации и нестабильность вращающего момента.
Если углы относительного смещения фазных напряжений во времени задать нулевыми, то будет получено пульсирующее магнитное поле.
Изменить направление вращения магнитного поля можно, изменяя знаки фазовых углов , что эквивалентно переключению фаз электрической машины.
Рис. 12.13. Экранная форма интерактивной модели с эллиптическим магнитным полем
Интерактивная модель «Эквивалентная схема замещения
электрической машины»
Предметом изучения являются характеристики асинхронной электрической машины, которые исследуются с использованием ее эквивалентной схемы замещения (ЭСЗ). Внешними воздействиями в данном случае выступают уровень и частота напряжения, подводимого к обмотке статора.
Рис. 12.14. Экранная форма пользовательского интерфейса модели «Эквивалентная схема замещения электрической машины»
Окно пользовательского интерфейса разделено на четыре части (рис. 12.14). Вверху слева располагается секция отображения зависимостей исследуемых величин в графическом виде. По оси абсцисс откладывается механическая частота вращения (рад/с), а по оси ординат (с целью размещения разнородных физических величин) – относительные значения этих величин: за единицу принято номинальное значение при Uвх = 127 В и f = 50 Гц. На графике располагается курсор, меняя положение которого, можно получить информацию о значении того или иного показателя в выбранной точке. Абсолютное значение в этой точке отображается справа внизу. Вверху справа находится информационное окно, в котором размещен теоретический материал об изучаемой эквивалентной схеме. Внизу слева размещено схематичное представление ЭСЗ. Там же представлена панель, на которую вынесены регуляторы и поля ввода, с помощью которых можно изменять значения входного напряжения и частоты питания. Диапазон изменения составляет 20 В для напряжения и 10 Гц для частоты питания. О каждом из элементов схемы может быть получена справка. Благодаря высокой скорости расчетов любое изменение значений входных параметров мгновенно отображается на графике вверху и в поле справа внизу.
Применяемая в данном случае математическая модель базируется на следующих математических соотношениях:
Электромагнитный момент определяется зависимостью
,
где:
р – число пар полюсов; т – число фаз;
;
Потребляемая мощность вычисляется из уравнения
Р1 = тUIkm,
где: I – действующее значение тока; km – коэффициент мощности;
Механическая мощность задается выражением
Р2 = МЭ ,
где: МЭ – электромагнитный момент; – угловая скорость;
Коэффициент полезного действия рассчитывается по формуле
.
Приведенные математические выражения трудны для восприятия и анализа. В то же время, задавая на виртуальной панели пользовательского интерфейса параметры питания, можно наглядно отслеживать изменения всех перечисленных показателей электрической машины, т.е. за счет использования компьютерной модели процесс обучения стал наглядным и, следовательно, более эффективным.
Особенности использования моделирования при выполнении индивидуальных практических заданий
При наличии в распоряжении учащегося мощных вычислительных средств, которые освобождают его от всех рутинных вопросов обучения, перед ним целесообразно ставить творческие задачи поискового характера. Решение подобных задач эффективнее всего достигается средствами имитационного моделирования. При этом алгоритм изучения любого объекта в составе УМК включает следующую логически завершенную последовательность действий:
выбор объекта изучения;
изучение теоретического материала;
получение индивидуального задания;
поиск оптимального решения полученного задания методом моделирования;
экспериментальная проверка найденного оптимального решения;
сравнение результатов моделирования и эксперимента и коррекция параметров модели по результатам экспериментального исследования.
Такой подход предполагает, что каждый объект изучения в составе УМК должен быть обеспечен компьютерной моделью с удобным пользовательским интерфейсом и широкими возможностями варьирования параметров. Поэтому в отдельных случаях желательно предоставлять возможность варьирования структуры модели, что позволит сравнивать влияние на результаты модельного анализа степени структурной сложности модели объекта.
Рекомендации по выбору стандартных средств имитационного моделирования
В настоящее время существует богатый выбор стандартных и специализированных средств имитационного моделирования в составе пакетов математической обработки данных (например, PSpice, MathLab, MathCAD и т.д.). В своей основе они содержат универсальный решатель системы алгебраических и дифференциальных уравнений и наращиваемые библиотеки стандартных средств обработки данных. Отличие в основном состоит в мощности решателя (порядке решаемых уравнений), в степени наполнения библиотеки стандартными блоками обработки данных, в предметной ориентации на конкретную прикладную область, в удобстве пользовательского интерфейса, в стоимости, доступности и пр.
По совокупности перечисленных показателей предпочтение следует отдать универсальной программе моделирования электрических и электронных схем PSpice 6.2. Данная версия, имеет целый ряд преимуществ:
наличие университетской лицензии, что значительно упрощает ее массовое использование в учебных целях;
компактность базовой версии (ок. 1,5 Мб), что позволяет загружать ее непосредственно на пользовательский компьютер и использовать в монопольном режиме (это значительно сокращает время моделирования);
наличие готовой библиотеки моделей типовых объектов в области электротехники и электроники, что позволяет проводить моделирование электрических и электронных цепей различной степени сложности.
В ряде практических применений возможности этого пакета могут оказаться недостаточными. Применение более мощных и дорогих пакетов целесообразно проводить не в монопольном, а в сетевом режиме их коллективного использования. Такой пакет устанавливается и поддерживается на специальном сервере, а доступ к нему (в случае необходимости) обеспечивается сетевыми средствами единой образовательной среды, как к одному из распределенных образовательных ресурсов.
Программа создания и тиражирования индивидуальных заданий существует в двух версиях:
упрощенная версия, позволяющая составлять задания к работам по большинству объектов изучения;
специализированная версия, ориентированная для подсистемы изучения операционных усилителей, что связано со спецификой этой подсистемы.
Удобный пользовательский интерфейс программы (рис. 12.15) позволяет даже не очень подготовленному преподавателю формировать индивидуальное задание путем простого заполнения готовых окон:
название пункта задания – для отображения в файле итогового протокола;
текст для протокола –детальное описание содержания пункта задания для занесения в файл протокола. Обычно повторяет текст изложенный в HTML-странице, которая выводится обучаемому в окне задания;
HTML-страница – название файла в формате HTML, в котором находится описание сути пункта задания, предназначенного для вывода обучаемому в окне задания;
сообщение после выполнения пункта задания – сообщение обучаемому в отдельном диалоговом окне после завершения выполнения им требований пункта задания, т.е. после нажатия им кнопки «Перейти к следующему пункту задания» на главном окне подсистемы изучения какого-либо объекта.
Рис. 12.15. Экранная форма интерфейса для тиражирования индивидуальных заданий любых объектов изучения
Такой тип заданий подходит практически для любого объекта изучения. Все фактические данные о задачах, параметрах объектов излагаются в тексте пунктов заданий. Однако в данном случае в учебном процессе необходим преподаватель, оценивающий действия обучаемого и тестирующий его знания по данному разделу.
Для подсистемы изучения операционных усилителей была разработана более детализированная программа генерирования индивидуальных заданий, которая позволяет создавать и редактировать три типа заданий (рис. 12.16):
Рис. 12.16. Экранная форма интерфейса для тиражирования индивидуальных заданий по теме «Операционные усилители»
«Собрать схему» – задание, при котором обучаемый должен собрать на виртуальной панели необходимую топологию схемы, задать требуемые параметры источников входных тестирующих сигналов. При этом системой автоматически контролируются как сама топология схемы (причем иногда несколько правильных вариантов), так и коэффициент усиления схемы, параметры тестирующих сигналов;
«Провести исследование схемы» – задание, при котором обучаемый должен провести исследование схемы в определенном режиме и получить (рассчитать) какой-либо ее параметр, например, постоянную составляющую сигнала или реальный коэффициент. Полученное значение обучаемый должен занести в специальное поле ввода. Величина этого значения контролируется системой, для чего при составлении задания, преподаватель задает «правильное» значение параметра;
«Ответить на вопросы» – обучаемый получает ряд вопросов, на которые должен ответить, занося ответы в специальные поля ввода. «Правильные» значения ответов также вводятся преподавателем. Этот тип задания фактически является проверкой знаний обучаемого и может использоваться в качестве защиты работы.
Правильно задав последовательность и типы пунктов заданий можно практически полностью автоматизировать лабораторный практикум по теме «Операционные усилители», имея как результат оценку знаний обучаемого по данному разделу.
Подсистема контроля действий учащегося и защиты лабораторного оборудования от несанкционированного доступа и возможных аварийных ситуаций
Поскольку лабораторное оборудование эксплуатируется многими неподготовленными учащимися, то возможны случаи случайного или умышленного создания аварийных режимов. В этой связи должно быть предусмотрено несколько независимых контуров защиты оборудования:
программный уровень защиты на стороне пользователя, когда подготовленное им задание на эксперимент еще до отправки на исполнение анализируется на превышение режимных пределов и не принимается системой к исполнению, о чем пользователю выдается сообщение с рекомендациями о коррекции задания на проведение эксперимента;
программный уровень защиты на объектном уровне с использованием возможностей объектного микроконтроллера. Здесь контроль возможен на уровне сравнения входного кода поступившего задания с записанными в ПЗУ их максимально допустимыми значениями. При несоответствии кодов пользователю формируется сообщение о невыполнимости его задания;
аппаратный уровень защиты с использованием встроенных датчиков предельных режимов. Например, при превышении предельного тока нагрузки по любому из каналов должен сработать соответствующий контур токовой защиты. Число датчиков контроля и их функциональный набор должен соответствовать обеспечению максимальной надежности оборудования. Например, при отказе в одном из силовых модулей контура принудительной вентиляции оператору лабораторного комплекса должно незамедлительно поступить об этом сообщение. Хотя продолжение работы лабораторного комплекса возможно, но длительный режим в этом состоянии уже опасен.
Подсистема математической обработки результатов моделирования и эксперимента
Разработанная программа Results предназначена для компьютерной обработки данных, получаемых в результате натурного эксперимента или моделирования. Эта программа разрабатывалась для нужд автоматизированного учебно-лабораторного комплекса, но может быть использована для обработки и других данных. Программа обеспечивает следующие функции:
Функция «визуализация графиков». В одном окне может быть отображено несколько графиков с общей осью абсцисс. Практически все параметры отображения графиков могут меняться пользователем:
цвет графика и курсора,
тип и толщина линий,
отображение осевых линий и осей,
установка масштаба и границ отображения графика и т.д.
С графиками могут быть выполнены различные манипуляции:
копирование,
выделение участка графика,
изменение масштаба,
перевороты и многое другое.
Функция «следования» всех графиков одного файла за текущим позволяет проводить анализ изменения всех параметров исследуемого объекта от времени.
Функция «сохранения» позволяет сохранять данные графика в текстовом файле, вставить график из текстового файла или просто создать график, задавая его точки.
Функция «печати» позволяет выводить на печать графики, отображенные на экране.
Функция «экспорт данных» в формат CSV позволяет наполнять графиками отчеты в текстовых редакторах.
Функция «произвольные вычисления» предоставляет богатый набор средств математической обработки, включая действия по формуле пользователя. Для этого в программе есть встроенный синтаксический анализатор.
Программа обработки результатов разработана для использования в операционной системе Microsoft Windows 95 или более поздней. Интерфейс программы базируется на нескольких типах окон: главного окна программы, окна графиков и ряда диалоговых окон (рис. 12.17).
Рис. 12.17. Экранная форма интерфейса программы математической обработки результатов
Меню программы содержит основные команды для работы с файлами и графиками (рис. 12.18). Если какой-то пункт меню в данный момент недоступен, он отображается бледным цветом и пользователь не может выбрать такой пункт. Меню организовано таким образом, что все действия разбиты на группы. Названия групп меню соответствуют общепринятым правилам формирования интерфейса программ под Windows: «Файл», «Правка», «Справка».
Рис. 12.18. Меню программы «Обработка результатов»
Команды меню образуют функциональные группы.
Группа «Файл»:
Открыть – вызывает стандартный диалог Windows открытия файла. После выбора файла программа отобразит окна графиков, размещенных в данном файле.
Закрыть – позволяет закрыть текущий файл (закрываются также и окна графиков, расположенных в данном файле).
Настройки печати – вызывает стандартный диалог настроек печати, что позволяет произвести выбор принтера, выбрать настройки принтера, после чего программа изменяет размеры области графиков в соответствии с размерами области печати, выбранной для заданного типа бумаги. Это позволит произвести размещение графиков на листе для печати нескольких графиков на одном листе в нужной последовательности и позиции.
Печать – начинает собственно процесс печати. Желательно перед этим выполнить подготовительные действия, а именно, выполнить настройки печати и размещение графиков на поле, символизирующем лист.
Группа последних использованных файлов – позволяет быстро открыть файлы, с которыми недавно работал пользователь.
Выход – осуществляется выход из программы. Не сохраненные данные будут утеряны.
Группа «Правка»:
Копировать – позволяет запомнить график для последующей вставки.
Вставить – осуществляет вставку выбранного заранее графика в окно текущего графика. Вставка возможна только в том случае, если у графиков совпадает категория оси абсцисс (наименование). В противном случае будет выдано соответствующее сообщение и вставка произведена не будет. При этом если координатные сетки по оси абсцисс у двух графиков не совпадают, производится линейная интерполяция для совмещения графиков в единой координатной сетке по оси абсцисс.
Настройки – вызывает диалог настройки текущего окна с графиками. Позволяет изменять такие параметры, как цвет линии, курсора, координатной сетки, задать толщину и стиль линии, курсора, выбрать специальные параметры оформления, такие, как заполнение поля графика до координатной оси.
Группа «Обработка»:
Перестроить– позволяет построить зависимость одного графика от другого. Например, по зависимостям M(t) и ω(t) построить механическую характеристику M(ω). Для выполнения этой операции оба графика должны находиться в одном окне.
Таблица значений– выводит таблицу значений для текущего графика. Позволяет проконтролировать значения точек графика в численном виде.
Действующее значение – позволяет вычислять действующее значение графика, отображенного в окне. Вычисленное значение помещается в текстовом виде в буфер обмена (Clipboard) Windows и может быть вставлено в любой программе, поддерживающей работу с буфером обмена.
Специальная обработка – вызывает диалог обработки, позволяющий произвести вычисление коэффициентов ряда Фурье (используется метод «быстрого преобразования Фурье»), интегрирование, дифференцирование, осреднение, построение сплайна и полиномиальной аппроксимации методом наименьших квадратов. Для большинства видов обработки пользователь может задать специальные параметры (радиус округления или значения производной функции в начальной и конечной точках для интерполяции). Справа от поля «Вид обработки» присутствует окно предварительного просмотра результата. В поле «Название нового графика» пользователь может ввести произвольное название для получаемого графика. Результирующий график помещается в отдельном окне.
Вычисление – вызывает диалог, в котором можно произвести различные математические действия над графиками, расположенными в текущем окне. Допустимы арифметические операции с константами и графиками. В формуле для обозначения графиков, участвующих в вычислении, следует вводить псевдоним, в соответствии с представленной в этом же окне таблицей псевдонимов графиков. Поле «Название графика» служит для ввода названия получаемого графика.
Группа «Вид»:
Приблизить – переключает курсор текущего окна с графиком в режим выбора области, которая будет увеличена до размеров окна. Фактически происходит увеличение масштаба.
Оригинальный масштаб – восстанавливает масштаб, при котором в окне отображается весь график.
Режим координат – переключает курсор текущего окна с графиком в режим просмотра координат. Этот режим включен по умолчанию. В этом режиме внизу окна графика отображаются значения координат и название графика.
Двигать – позволяет перемещать график внутри окна. Целесообразно использовать для перемещения по графику в том случае, когда он не помещается целиком в окне, например после команды «Приблизить» для перехода к другому участку графика без изменения масштаба.
Группа «Справка»:
О программе – вызывает окно с краткой информацией о программе.
Панель инструментов содержит кнопки для вызова наиболее часто используемых команд. Фактически, эти кнопки дублируют соответствующие пункты меню.
Подсистема формирования и просмотра итогового протокола предназначена для просмотра преподавателем результатов выполнения работы (рис. 12.19). Во время выполнения учащимся работы некоторая информация заносится в протокол автоматически, а некоторая – по команде самого учащегося.
Автоматически в протокол заносится имя учащегося, под которым он вошел в систему, идентификатор темы задания, номер задания, набранные баллы (если программный модуль ведет автоматический их учет, как, например, модуль для исследования схем на основе операционных усилителей), время начала и окончания работы.
Кроме того, при переходе от одного пункта задания к другому в протокол заносятся текст пункта задания, ответы на контрольные вопросы и допущенные учащимся ошибки (при возможности автоматического их контроля, как, например, при исследовании операционных усилителей).
Рис. 12.19. Экранная форма подсистемы формирования и просмотра итогового протокола
В соответствии с общей концепцией создания образовательных ресурсов нового поколения, каждый образовательный ресурс (в том числе и лабораторный практикум) предпочтительно должен включать полную совокупность образовательных услуг, в том числе: мультимедийную подсистему обучения, подсистему моделирования, интерактивную подсистему контроля знаний и т.д. Для их создания необходим соответствующий набор инструментальных средств разработки.
Предлагаются следующие типовые конфигурации рабочих мест разработки образовательных ресурсов, успешно опробованные на практике.
Автоматизированное рабочее место для создания мультимедийных средств обучения (АРМ-мультимедиа, рис. 12.20)
Рис. 12.20. Автоматизированное рабочее место для разработки мультимедийной подсистемы обучения
Технология мультимедиа предполагает использование широкого арсенала средств создания образовательных ресурсов с высокой эффективностью усвоения учебного материала:
трехмерная графика со средствами моделирования пространственного положения сложных технических изделий дает возможность «рассматривать» объект изучения с разных точек, масштабируя его и поворачивая вокруг трех осей, осуществлять его «сборку/разборку», что просто необходимо в учебных дисциплинах машиностроительных направлений подготовки;
анимация позволяет наглядно и в удобном временном ритме подробно рассматривать переходные режимы изучаемых сложных физических процессов;
звуковое сопровождение текста способствует сосредоточению внимания на сложной электрической схеме или конструкции, не переключая внимания с текста на графику и наоборот;
видеоклипы, включаемые в состав учебной дисциплины, позволяют, например, увидеть реальный технологический процесс сборки сложного изделия, разрушение объекта в процессе испытаний и т.д.
Перечисленный арсенал средств разработки мультимедийных учебных дисциплин предъявляет повышенные требования к организации рабочего места АРМ-мультимедиа, которое должно включать:
компьютер типа Pentium III с тактовой частотой не менее
1000 МГц (или аналогичный ему);
ОЗУ не менее 512 Мб, жесткий диск объемом не менее 30 Гб;
видеокарта с аппаратной поддержкой 3-мерной графики;
звуковая карта с колонками и микрофонным входом;
видеокамера с разрешением не менее 24 кадра в секунду и 388х240 dpi;
сканер с разрешением не менее 1200х600 dpi;
цветной струйный принтер с разрешением не менее 1400х720 dpi;
операционная система MS Windows 2000 Pro/ MS Windows XP;
среда разработки приложений MS Visual C++ или Borland C++ Builder;
средства работы с графикой: 3-мерной (3d Max), 2-мерной (Corel Draw);
средства разработки гипертекстовых приложений – MS Front Page, Macromedia Flash.
Автоматизированное рабочее место для разработки и отладки микроконтроллерных систем управления (АРМ-МПК, рис. 12.21).
Рис. 12.21. Автоматизированное рабочее место для разработки и отладки микроконтроллерных систем управления (АРМ – МПК)
Типовой процесс разработки цифровых систем управления, выполненных с применением микропроцессорных контроллеров, цифровых сигнальных процессоров, программируемых логических интегральных схем, состоит из нескольких основных этапов:
разработка структуры системы управления;
выбор соответствующей элементной базы;
разработка принципиальной схемы;
разводка печатной платы;
изготовление и монтаж печатной платы;
разработка программного обеспечения;
отладка программно-аппаратных средств;
оформление технической документации.
Для реализации этих этапов разработки необходимо следующее аппаратное оснащение рабочего места АРМ-МПК:
персональный компьютер с процессором типа Intel Pentium III или аналогичный с тактовой частотой от 866 МГц (рекомендуется от 1000 Мгц);
оперативная память типа SDRAM PC133 от 256 Мб (рекомендуется DDR RAM типа PC2100, 2700 от 512 Мб);
графический адаптер, поддерживающий графические режимы до 1600х1200, 85 Гц, 16 М цветов, (рекомендуется от 100 Гц), частота выходного DAC от 300 МГц (рекомендуется видеокарта с TWIN VIEW типа Matrox Millennium G400 DUAL VIEW);
графический монитор с диагональю от 17 дюймов, полосой пропускания от 200 МГц, обеспечивающий режим 1024х768, 100 Гц (рекомендуется два монитора: 19 или 21 дюйм, обеспечивающий режимы от 1280х1024, 100 Гц, и 15 или 17 дюймов, обеспечивающий режимы 1024х768, 100 Гц;
жесткий диск объемом до 40 Гб (для больших проектов рекомендуется RAID);
лазерный или струйный принтер формата А3 с разрешением от 600х600;
специальная станция для пайки планарных микросхем с малым шагом между выводами.
При разработке принципиальных и монтажных схем, разведения печатных плат и подготовке соответствующей технической документации для изготовления печатных плат на производстве используются программные средства автоматизированного проектирования печатных плат типа OrCAD, PCAD 8.5, PCAD 2000 (Accel EDA 14, 15), PCAD 2001, и т.п.
Разрабатывая тестовые и управляющие программ микропроцессорных средств следует применять специальные программируемые среды разработки проекта на всех стадиях от постановки задачи по написанию программы для конкретного типа микропроцессорного средства до завершающего программирования этого средства при помощи внешних программаторов, либо внутрисхемного программирования. В частности, для реализации проектов к 8, 16-разрядным МПК используются среды программирования, разработанные фирмами FRANKLIN SOFTWARE (среда ProVIEW), IAR SOFTWARE, TASKING SOFTWARE и т.п.
При работе с DSP (например, фирм Texas Instruments или Analog Devices) используется CODE COMPOSER STUDIO (для TI типа TMS320Cxxx), или VisualDSP (для DSP фирмы Analog Devices). В частности, пакет CODE COMPOSER STUDIO позволяет писать программы для DSP фирмы Texas Instruments на Ассемблере или на языке С, отлаживать их с использованием программных симуляторов, не используя реального оборудования. В случае использования специальных внутрисхемных эмуляторов (JTAG – Joint Test Access Port – эмулятор) становится возможным программирование и отладка проектов непосредственно в схеме электронного устройства, в котором используются данные типы DSP.
Для проектирования электронных устройств на основе ПЛИС чаще всего применяются пакеты синтеза фирмы ALTERA (MAXII-PLUS), ATMEL (ProCHIP DESIGNER) и т.п. Синтез матриц коммутации ПЛИС, а также контроль правильности проекта (симуляции работы ПЛИС) производится с использованием языков описания логики работ цифровых матриц: VHDL (Very high-speed IC Hardware Description Language), VERILOG и др. В частности, для описания и симулирования матриц фирмы ALTERA, на основе данных языков был создан свой язык описания AHDL (Altera Hardware Description Language), в котором изменен синтаксис языка с учетом особенностей данных ПЛИС. Для окончательного программирования матриц все пакеты могут работать с внешними программаторами ПЛИС типа ByteBlaster, BitBlaster, подключаемые к параллельному и последовательному порту компьютера соответственно.
Таким образом, в составе АРМ-МПК необходим пакет программных средств для разработки и отладки управляющих программ, а также дополнительные электронные модули (поставляются вместе с вышеприведенными пакетами), подключаемые к последовательному или параллельному портам компьютера.
Для подготовки технической документации можно пользоваться стандартными средствами редактирования документов, либо использовать специальные пакеты, позволяющие оформлять документацию в соответствие с требованиями ГОСТ.
Автоматизированное рабочее место для отладки интерфейсных устройств сопряжения лабораторного сервера с объектной подсистемой УМК (АРМ-Интерфейс, рис. 12.22)
Рис. 12.22. Автоматизированное рабочее место для отладки интерфейсных устройств сопряжения лабораторного сервера с объектной подсистемой
Существует множество конкретных интерфейсных систем сопряжения объекта исследования с персональным компьютером (сервером удаленного доступа), среди которых можно выделить следующие основные виды:
приборный интерфейс, представляющий собой совокупность цифровых измерительных приборов, объединенных общей международной магистралью GPIB;
магистрально-модульный интерфейс (например, PXI), представляющий собой набор измерительных и управляющих модулей, объединенных общей магистралью, связанной с компьютером (сервером);
измерительные карты (LabCard), представляющие собой измерительно-управляющие устройства, непосредственно устанавливаемые на шину компьютера (сервера);
микроконтроллерные системы, представляющие собой компактные устройства, непосредственно встраиваемые в объектные модули и связанные с компьютером (сервером) одним из возможных способов (RS-232, RS-485, USB, Ethernet).
Для отладки такого разнообразного набора интерфейсных устройств требуется специально оснащенное рабочее место, в основе которого лежит персональный компьютер с расширенными средствами внешнего сопряжения: RS-232, RS-485, USB, Ethernet, средства расширения шины сервера.
Исторически сложилось так, что в традиционной системе образования каждое учебное заведение преимущественно пользуется собственными образовательными ресурсами (учебниками, конспектами лекций, методическими рекомендациями, учебными лабораториями и пр.), сосредоточенными в этом учебном заведении. Здесь они разрабатываются, развиваются и поддерживаются, что требует значительных финансовых вложений и квалифицированного персонала. В определенной степени это оправдано на этапе специальной подготовки выпускников конкретного учебного заведения, например с отраслевой ориентацией. Здесь образовательные ресурсы могут быть уникальными как по исполнению, так и по ограниченной области применения для узкого круга учащихся. Их создание, поддержка и развитие не вызывает технических и финансовых трудностей.
Иной подход напрашивается на этапе обще профессиональной подготовки, для которого ГОС ВПО диктует единые требования для большинства направлений подготовки в области техники и технологий. В силу ограниченности финансирования образовательные ресурсы этого этапа не могут оперативно обновляться и пополняться новыми, наиболее эффективными средствами обучения, поскольку требуется их широкомасштабное тиражирование и распределение по сотням учебных заведений.
Поэтому при переходе к новым формам обучения, использующим сетевые технологии, возникает тенденция – ориентироваться на сеть распределенных образовательных ресурсов нового поколения с коллективным доступом многих учебных заведений к единым сертифицированным образовательным ресурсам по сети Интернет.
Этот путь предполагает ряд неоспоримых преимуществ:
создаются предпосылки для обеспечения единой базовой подготовки учащихся независимо от территориального расположения учебного заведения, наличия собственных высокопрофессиональных педагогических кадров, образовательных ресурсов за счет использования доступа к лучшим отечественным и мировым образовательным ресурсам по выбранной учебной дисциплине;
повышается наукоемкость, результативность и дидактическая эффективность образовательных ресурсов за счет активного использования современных средств вычислительной техники;
значительно сокращаются затраты на создание, поддержку и развитие образовательных ресурсов за счет исключения их массового тиражирования;
становятся принципиально доступными многим образовательным учреждениям или отдельным учащимся (практически в реальном времени) уникальные образовательные ресурсы, например, в виде современного дорогостоящего программного обеспечения, научного оборудования или даже промышленных установок.
Концепция политехнической Интернет-лаборатории
Развиваемую различными учебными заведениями сеть территориально распределенных образовательных ресурсов политехнической подготовки целесообразно (с точки зрения организационных процедур их использования) представить в виде единой политехнической Интернет-лаборатории (Polytechnic Internet Laboratory – Pilab). В отличие от уже существующих библиотек электронных ресурсов, объединяющих текстовые ресурсы гуманитарных и естественно научных направлений подготовки, здесь, прежде всего, должны быть сосредоточены и систематизированы технические ресурсы нового поколения с возможностью коллективного доступа по сети Интернет.
Телекоммуникационные возможности современных компьютерных технологий принципиально не создают каких-либо ограничений по отраслевым и территориальным признакам объединения образовательных ресурсов. В этом отношении можно говорить о региональной, отраслевой, Российской и даже Всемирной политехнической Интернет-лаборатории. Однако технические и организационные сложности создания образовательных ресурсов и их применения в образовательном процессе требуют разумных ограничений.
В основе разработки и объединения образовательных ресурсов предлагаются следующие концептуальные положения:
В целях стандартизации и унификации необходима разработка пакета нормативных документов, регламентирующих требования на создание, сертификацию и применение образовательных ресурсов в системе распределенного электронного обучения;
Для своевременного информирования учебной и научной общественности о существующих образовательных ресурсах целесообразно активно развивать Интернет-экспозицию «Образовательные ресурсы политехнической Интернет-лаборатории», желательно с демо-версиями работы реального лабораторного оборудования;
Целесообразно выделить перечень учебных дисциплин общепрофессиональной подготовки для первоочередного государственного заказа (на конкурсной основе) на создание электронных ресурсов: автоматика, безопасность жизнедеятельности, информатика, материаловедение, метрология, механика, теплотехника, физика, химия, электроника, электротехника;
В качестве базовой компоненты совокупности образовательных ресурсов политехнической подготовки рекомендуется использовать учебно-методический комплекс, представляющий собой объединение программно-технических и учебно-методических средств, обеспечивающих полную совокупность образовательных услуг (организационных, методических, теоретических, практических, экспериментальных, консультационных и пр.), необходимых и достаточных для самостоятельного изучения конкретной учебной дисциплины в системе технического образования.
Каждое конкретное учебное заведение в зависимости от целей, задач и уровней подготовки специалистов выбирает из общего перечня ресурсов PiLab и формирует на договорной основе собственную совокупность сертифицированных образовательных ресурсов.
Центральное место в предлагаемой концепции политехнической Интернет-лаборатории принадлежит идее интеграции средств обеспечения учебного процесса на базе применения технических и программно-методических средств, реально находящихся в составе различных образовательных учреждений. Эти средства могут объединяться в произвольном порядке по усмотрению конкретного образовательного учреждения или даже конкретного учащегося.
Структура средств обеспечения политехнической Интернет-лаборатории в данном случае должна включать следующие основные компоненты:
программно-методическое обеспечение персональных компьютеров, на которых размещаются рабочие места учащихся;
серверы-концентраторы, обрабатывающие задания территориально распределенных учащихся, определяющие права учащегося на использование средств обеспечения учебного процесса, направляющих части получаемых заданий на соответствующие источники образовательных ресурсов;
серверы-администраторы учебных заведений, которые содержат данные учащихся, включая результаты их обучения, и сообщают необходимую информацию серверам-концентраторам;
территориально распределенные источники образовательных ресурсов, которые объединяют в своем составе полный комплект средств информационного, программно-методического и технического обеспечения, необходимых для изучения конкретных объектов.
Особенности реализации предлагаемой концепции
Данная концепция, несомненно, может быть реализована при современном уровне развития глобальной компьютерной сети. Однако объем работ, который необходимо произвести, оказывается слишком большим для единовременного выполнения. Поэтому следует наметить пути наиболее рационального и поэтапного решения проблем создания и организации применения образовательных ресурсов нового поколения, доступных учащимся по компьютерным сетям. Важно также разработать программу действий, которая бы обеспечивала высокое качество создаваемых средств поддержки учебного процесса и предотвращала бы дублирование проводимых работ.
Прежде всего, необходимо определить сферу действия разрабатываемых образовательных ресурсов PiLab. Действующие в Российской Федерации государственные образовательные стандарты высшего профессионального образования (ГОС ВПО) охватывают 79 направлений подготовки дипломированных специалистов в области техники и технологий, включающих почти 300 образовательных специальностей (http://www.informika.ru).
Применение данных стандартов позволяет в значительной степени унифицировать содержание общей части подготовки бакалавров техники и технологии и дипломированных специалистов по соответствующим направлениям. Положительным моментом является четкое выделение в стандартах федеральных компонентов подготовки, что, несомненно, должно способствовать укреплению единого образовательного пространства Российской Федерации, а также отвечать современным тенденциям повышения социальной, территориальной и академической мобильности учащихся.
Важной особенностью действующего образовательного стандарта является установление перечней дисциплин, в процессе изучения которых высшие учебные заведения должны предоставить возможности для выполнения студентами лабораторных практикумов и проведения практических занятий. При этом конкретизируются качественные показатели применяемого лабораторного оборудования.
Содержание ГОС ВПО было проанализировано для того, чтобы определить целесообразные пути разработки образовательных ресурсов распределенного электронного обучения и, прежде всего, средств обеспечения лабораторных практикумов. При этом объектами анализа были ГОС ВПО по всем 79 направлениям подготовки в области техники и технологий и рассматривались перечни естественно-научных и общих профессиональных дисциплин, по которым стандарты регламентируют выполнение лабораторных практикумов.
В целом, в две названные группы входит более 240 учебных дисциплин. При этом государственный образовательный стандарт предусматривает изучение ряда учебных дисциплин с выполнением лабораторных практикумов по нескольким направлениям подготовки специалистов. Изучение физики, сопровождаемое лабораторным практикумом, предусматривается в 65-ти направлениях подготовки, электротехники и электроники – 63-х, материаловедения и технологии материалов – в 59-ти, механики и сопротивления материалов – в 56-ти, химии – в 54-х, безопасности жизнедеятельности – в 53-х, информатики – в 52-х, метрологии, стандартизации и сертификации – в 32-х, теплотехники и термодинамики – в 21-м, экологии – в 15-ти, теории механизмов и машин – в 15-ти, гидравлики – в 10-ти. Остальные учебные дисциплины изучаются менее чем в 10-ти направлениях подготовки. Изучение более двухсот дисциплин предусматривается в рамках только одного направления.
Очевидно, что основное внимание на первом этапе разработки образовательных ресурсов нового поколения необходимо сосредоточить на учебных дисциплинах, которые имеют наибольшую сферу применения в учебном процессе. Затраты на подготовку ресурсов приблизительно одинаковы при одинаковом объеме учебного материала, но воспользоваться ими может многократно большее число студентов, если учебная дисциплина изучается в нескольких десятках направлений подготовки специалистов.
При этом во многом отпадает необходимость многократного дублирования учебной информации, программных средств учебного назначения, учебного лабораторного оборудования. Эти образовательные ресурсы могут оставаться в распоряжении их разработчиков или владельцев, которые обеспечивают доступ образовательных учреждений или отдельных пользователей к имеющимся в их распоряжении средствам на оговоренных условиях.
Тот факт, что образовательные ресурсы в распределенном электронном обучении могут не отчуждаться от собственных разработчиков или тиражироваться только в ограниченных масштабах и в то же время применяться одновременно многими территориально распределенными пользователями, влечет за собой следующие положительные последствия:
существенно снижаются общие затраты на разработку, тиражирование, обслуживание и актуализацию образовательных ресурсов;
упрощаются процедуры сопровождения и развития средств обеспечения учебного процесса;
учащиеся и преподаватели в перспективе получают многообразные возможности выбора средств обучения, в наибольшей степени отвечающих их индивидуальным предпочтениям или корпоративным интересам учебных заведений;
появляются возможности гибкой индивидуальной компоновки учебно-методических комплексов различных уровней сложности и направленности из территориально распределенных компонентов.
В то же время реализация этих потенциальных возможностей сопряжена с необходимостью решения ряда научных и практических задач, среди которых:
выделение в составе каждого УМК типовых объектных модулей, которые должны быть снабжены полной совокупностью средств информационного, программно-методического и аппаратного обеспечения учебного процесса;
создание перечисленных средств обеспечения для изучения каждого объекта (средства, даже относящиеся к одному объекту изучения, принципиально могут находиться в составе различных учебных заведений);
организация доступа территориально распределенных учащихся к средствам изучения множества объектов, включенных в состав конкретного УМК, для чего необходимо применить серверы-концентраторы, которые получают и интерпретируют запросы учащихся, передают задания или их части на соответствующие объектные модули в порядке очередности, а результаты выполнения этих заданий – на рабочие места учащихся.
Реализация предлагаемой схемы взаимодействия учащихся с образовательными ресурсами с неизбежностью должна основываться на целесообразном применении различных способов доступа учащихся к этим ресурсам.
Фактическая информация, содержание которой не изменяется во время обучения, должна быть передана каждому учащемуся наиболее оперативным, дешевым и надежным способом, например созданием копии соответствующего файла на персональном компьютере учащегося с применением компьютерной сети. После однократного выполнения этой процедуры учащийся может работать с полученной учебной информацией в автономном режиме, избегая затрат на оплату своей работы в компьютерной сети.
Если речь идет о применении в процессе обучения прикладных программных средств, например систем моделирования, автоматизированного проектирования, то появляется возможность выбора из нескольких альтернатив.
Принципиально возможно снабдить каждого учащегося необходимыми ему в обучении программными средствами. Однако практическая реализация этой возможности может оказаться весьма затруднительной, так как программные средства могут оказаться очень большими по объему занимаемой памяти компьютера и/или потребовать очень большой его производительности. Стоимость лицензий на применение программного обеспечения также может оказаться непомерно большой для учащихся или для учебных заведений, которые их приобретают.
Другой подход к организации работы территориально распределенных учащихся с образовательными ресурсами может состоять в следующем:
Централизованным или инициативным образом создается распределенная сеть образовательных ресурсов, информация о которых размещается в специализированной базе данных минобазования (Интернет-экспозиция «Образовательные ресурсы политехнической Интернет-лаборатории»);
Соответствующее программное обеспечение инсталлируется на одном из компьютеров учебного заведения, подключенных к компьютерной сети Интернет;
Учащиеся формируют задания на своих персональных компьютерах, передают эти задания на серверы-концентраторы, которые, в свою очередь, переправляют их на выполнение по соответствующему адресу;
Результаты выполнения задания передаются на рабочее место учащегося, которое должно быть снабжено соответствующими программами обработки и отображения полученных данных.
Особое место в создании среды распределенного электронного обучения занимают вопросы организации лабораторных практикумов с применением реального оборудования. Очевидно, что такое оборудование в подавляющем большинстве случаев не может быть предоставлено каждому учащемуся, поскольку его тиражирование неизмеримо сложнее, чем получение необходимого количества копий файлов данных. Поэтому с неизбежностью возникает задача организации коллективного пользования ограниченным числом лабораторных установок, которая усугубляется тем обстоятельством, что учащиеся реально могут быть территориально распределены и при этом должны иметь возможности свободного доступа к образовательным ресурсам, которыми обладают учебные лаборатории.
Ядро Политехнической Интернет Лаборатории
Действующее в составе Центра системной интеграции ГосНИИСИ в МЭИ (ЦСИ) ядро PiLab показано рис. 12.23 (http://www.pilab.ru). В его основе находится несколько разработанных УМК по основам электротехники, электроники и автоматики. Каждый УМК выполнен в полном соответствии с изложенными концептуальными положениями, на основе современных международных стандартов, с возможностью свободного наращивания образовательных ресурсов. Разработка отмечена Дипломом ВВЦ на выставке «Современная образовательная среда»-2001.
Рис. 12.23. Ядро политехнической Интернет-лаборатории
Интернет-экспозиция «Образовательные ресурсы политехнической Интернет-лаборатории» как информационная среда регистрации и распространения образовательных ресурсов
Средства информационных и коммуникационных технологий (ИКТ) находят все более широкое применение в организации и проведении учебного процесса в образовательных учреждениях различных уровней. Расширяющиеся масштабы применения ИКТ в образовании приводят к лавинообразному нарастанию числа электронных образовательных ресурсов, размещаемых на электронных носителях информации, в том числе доступных в компьютерных сетях. Значительная часть таких ресурсов формируется на инициативной основе, не включена в определенные рамки системы подготовки специалистов и может рассматриваться только в качестве вспомогательного материала при изучении отдельно взятых учебных дисциплин. Примером таких ресурсов являются размещаемые на сайтах различных учебных заведений подборки рефератов по самым разнообразным тематикам, электронные копии учебной литературы, учебных курсов, различные описания, инструкции по эксплуатации и многие другие материалы.
В то же время остро необходима целенаправленная и результативная работа по созданию научного, научно-методического, материально-технического и информационного обеспечения системы образования, переход этой системы на новую технологическую базу. Проведение этой работы невозможно без оперативного информирования руководителей и участников разработок, а также потенциальных пользователей о создаваемых образовательных ресурсах. Другими словами, необходимо создание информационных баз данных разработанных электронных образовательных ресурсов, доступных широкому кругу пользователей.
Концентрированное представление верифицированной информации о доступных образовательных ресурсах позволяет облегчить перспективное планирование и координацию работ по развитию средств обеспечения учебного процесса на уровне всей системы образования, существенно снизить дублирование разработок, облегчить контроль их качества. Заинтересованные пользователи образовательных ресурсов, среди которых могут быть как учебные заведения, так и отдельные граждане, получают возможности выбора необходимых им средств обеспечения учебного процесса и оперативной связи с разработчиками или владельцами образовательных ресурсов.
Таким образом, может быть сформирован рынок образовательных ресурсов, который позволит существенно снизить затраты на их создание, а также преодолеть разобщенность учебных заведений в решении вопросов обеспечения учебного процесса необходимыми методическими, программными, техническими и организационными средствами.
Конечной целью создания Интернет-экспозиции является формирование развиваемой автоматизированной базы данных по полной совокупности образовательных ресурсов, которые могут применяться учащимися в режиме многопользовательского удаленного доступа по компьютерным сетям. Эта база данных должна быть доступна в оперативном режиме наиболее широкому кругу пользователей, специализирующихся в создании и применении образовательных ресурсов в области техники и технологий.
Конкретизируя поставленную цель, следует отметить, что пользователи Интернет-экспозиции должны получать не только некоторый объем аннотированной информации о доступных образовательных ресурсах, но и непосредственный доступ к демонстрационным версиям этих ресурсов для того, чтобы наиболее полно оценить их потребительские свойства. Реализация этой возможности позволяет сделать кардинальный шаг в развитии цели создания Интернет-экспозиции: она может рассматриваться как прообраз специализированного портала знаний, который фокусирует интересы и потребности разработчиков и потребителей образовательных ресурсов, а также организаторов учебного процесса в системе распределенного электронного обучения.
В основу создания структуры Интернет-экспозиции легли результаты анализа содержания Государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования (ГОС ВПО) по 79 направлениям подготовки в области техники и технологий. При этом рассматривались группы естественно-научных и общих профессиональных дисциплин. В эти группы входит более 240 учебных дисциплин. При этом изучение более 200 дисциплин предусматривается в составе только какого-то одного направления подготовки. Очевидно, что названия направлений подготовки и наименования учебных дисциплин не могут быть положены в основу структуры автоматизированной базы данных, представляющей обобщенную информацию о существующих образовательных ресурсах. Такая структура будет излишне подробной и трудной для поиска действительно нужной информации.
В результате анализа предлагается при создании структуры данных выделить следующие группы учебных дисциплин, дав им обобщенные названия: «Физика», «Химия», «Материаловедение», «Механика», «Теплоэнергетика», «Электротехника», «Электроника», «Метрология», «Автоматика», «Безопасность жизнедеятельности», «Информационные технологии».
Специализированный портал «Политехническая Интернет-лаборатория» (http://www.pilab.ru/portal) представляет собой информационную базу данных, предназначенную для централизованного размещения и представления структурированной информации об электронных ресурсах, применяемых при подготовке бакалавров, инженеров, магистров и аспирантов по всем направлениям подготовки в области техники и технологий.
В техническом образовании значительное место отводится лабораторным практикумам. Это особая область образовательных ресурсов, которую трудно свести к стандартным технологиям накопления и использования в образовательных целях фактографической информации, составляющей основу гуманитарной и естественно-научной подготовки. В то же время, технически и организационно невозможно создать какой-то единый центр, где физически будет собрано все необходимое лабораторное оборудование сетевого доступа. Экономически наиболее целесообразен путь не физического, а информационного объединения в единую политехническую Интернет-лабораторию лучших лабораторных ресурсов, принадлежащих различным, территориально распределенным учебным заведениям. Портал призван стать организационным ядром такой лаборатории.
Электронные образовательные ресурсы для современной системы электронного обучения принято сосредотачивать в электронных библиотеках по месту их разработки (на сайтах конкретных образовательных учреждений) или в централизованных информационных базах данных (специализированных порталах) Минобразования. В большинстве случаев эти информационные Интернет-ресурсы выполняют чисто справочные функции, сообщая пользователям только краткую информацию об имеющихся образовательных ресурсах, их разработчиках и условиях их возможного использования. Конкретному пользователю найти и обоснованно выбрать необходимый ему образовательный ресурс бывает чрезвычайно сложно, поскольку поиск приходится вести по многим учебным заведениям, где образовательные ресурсы не обязательно находятся на главной странице сайта, а, как правило, «скрыты» в различных подразделениях учебного заведения, а форматы данных настолько различны, что невозможно их сопоставить.
Основные задачи Портала
Главная отличительная особенность портала, состоит в последовательном развитии информационно-справочных функций портала традиционного типа до функций централизованной среды создания и поддержки образовательных ресурсов, а также координирующей среды сопровождения образовательного процесса. С этой целью в портале эффективно развиты аналитическая и административная подсистемы, подсистема управления информационными ресурсами, а также пользовательский интерфейс поиска, заказа и использования образовательных ресурсов, в результате чего портал может выполнять следующие важные задачи:
Портал как справочно-информационная среда:
интеграция сведений об образовательных ресурсах из различных источников в едином месте с возможностью динамического добавления и изменения содержимого портала, структурного представления и поиска информации, для чего разработаны единые формы (шаблоны) аннотаций образовательных ресурсов, содержащих необходимые сведения о назначении и содержании данного ресурса;
обеспечение возможности индивидуальной настройки интерфейса с целью эффективного поиска необходимой информации. Это требование обусловлено тем, что Портал предоставляет единую среду доступа к большому объему данных для разных категорий пользователей. Для того чтобы отсеять ненужную информацию, и в то же время не пропустить ничего важного, необходимо предусмотреть механизмы фильтрации образовательных ресурсов, например, выбор направления подготовки (по коду ГРНТИ) или уровня подготовки (бакалавр, инженер, магистр, аспирант);
обеспечение развитой, многоступенчатой системы поиска необходимого образовательного ресурса по названию, разработчику, учебной дисциплине, направлению подготовки, а также произвольному сочетанию ключевых слов.
Портал как централизованная среда разработки и поддержки образовательных ресурсов:
формирование требований к автоматизированному лабораторному практикуму с доступом по сети Интернет, в том числе требований к сертификации образовательного ресурса на право его широкого применения в системе образования;
накопление рекомендуемых инструментальных программно-аппаратных средств разработки образовательных ресурсов и предоставление их разработчикам на оговоренных условиях;
формирование единых форматов данных (модели данных) по созданию и представлению образовательных ресурсов в соответствии с рекомендациями международных стандартов (например, спецификации IMS, GEM и др.);
централизованный заказ на конкурсной основе образовательных ресурсов по наиболее актуальным направлениям подготовки и дисциплинам;
оценка лицензионной чистоты (использованных инструментальных программно-аппаратных средств) предлагаемых образовательных ресурсов и авторских прав разработчиков;
обязательное требование представления разработчиком демонстрационной версии разработанного образовательного ресурса с возможностью доступа в реальном времени к реальному лабораторному оборудованию;
самостоятельное развитие (изменение) каждым разработчиком установленного образовательного ресурса с обязательной фиксацией в электронном журнале внесения изменений за счет гибкой системы управления правами разработчиков и пользователей.
Портал как координирующая среда сопровождения образовательного процесса:
обеспечение и поддержание высокой технологичности учебного процесса, продвижение новейших информационных технологий в сферу образования за счет организации отбора и сертификации лучших образовательных ресурсов с целью их рекомендации для широкого применения в системе электронного обучения;
коллективное обсуждение проблем образовательного процесса в результате организации на портале электронных семинаров и форумов;
учебно-методическое сопровождение образовательного процесса;
профессиональные консультации по работе с ресурсами;
статистическая обработка данных о пользователях и их запросах, прогнозирование на этой основе перспектив развития системы электронного обучения в различных регионах страны.
Технологии создания портала
Из анализа технологий построения аналогичных порталов в основу организации Портала положены следующие принципы:
отделение самих данных от их представления и логики обработки;
использование открытых стандартов на основе расширяемого языка разметки XML (Extensible Markup Language) и реляционных баз данных для хранения информации об образовательных ресурсах;
модульность построения портала, позволяющая легко наращивать его функции.
Первый принцип основан на многолетнем опыте развития информационных технологий в мире. Механизм разделения содержания и представления позволяет разработчику работать только с данными, не тратя время на проработку графического отображения информации, тогда как дизайнер может сконцентрироваться на визуальной проработке, создании дизайна, подбору цветов и шрифтов для текста.
Второй принцип основан на том, что к настоящему времени расширяемые языки разметки стали стандартом де-факто для обмена данными и структурированной информацией в современных образовательных порталах, и других информационных системах.
Язык XML является открытым стандартом и предоставляет универсальные средства структурирования документа на логическом уровне. Простота структуры XML позволяет очень легко настроить язык на соответствующую предметную область. Это означает, что XML может использоваться людьми далекими от компьютерных технологий.
Существенной положительной чертой XML является резкое повышение эффективности работы с документами. Созданный XML-документ заранее не ограничен в вариантах его визуального представления. Поэтому, имея в качестве источника XML-документ, возможно автоматически конвертировать этот источник в разнообразные графические представления, например, в HTML-формат, формат редактора Microsoft Word, pdf-формат и др.
Кроме того, документ в формате XML может легко переносится в реляционные базы данных и наоборот. Большинство существующих систем управления базами данных уже имеют интегрированную поддержку стандарта XML, и в будущем эта поддержка будет только расширяться.
Таким образом, соблюдение принципов разделения данных и их представления, а также использование расширяемого языка разметки XML в информационной системе несет ряд преимуществ:
содержательная разметка структуры документа позволяет легко сгенерировать систему навигации по документу, причем это можно сделать автоматически;
содержательная разметка структуры документа позволяет автоматически создавать полиграфическое представление документа, причем в разных форматах. Таким образом, облегчается преобразование документов из одного электронного формата в другой и получение печатной копии;
получение реферативной информации о документе (содержание, предметный указатель, список рисунков, таблиц) может быть автоматизировано на основе содержательной разметки;
содержательная разметка структуры документов расширяет возможности для реализации мощных средств поиска, каталогизации, автоматической обработки текста.
Модульный принцип построения портала позволяет проводить параллельную разработку портала несколькими людьми, постепенное наращивание функциональных возможностей без остановки работы всего портала. Модульный принцип подразумевает разработку законченных функциональных блоков, которые могут работать независимо в составе портала. Например, для реализации модуля новостей необходимо создать таблицу в базе данных, в которой будут храниться сами новости. Затем процедуры выборки и вставки новостей, а также две HTML-формы (отображения и добавления новостей).
На основе изложенных принципов целесообразно строить Портал из трех уровней:
Уровень данных обеспечивает хранение, как самих данных, так и метаданных (данных о структуре). Вся информация, размещенная на портале, содержится в базе данных. Шаблоны документов хранятся в формате XML. Структуры (модели) данных и единых форматов представления информации согласованны с форматами данных создаваемой системы Интернет-порталов и единого каталога объектов управления сферы образования.
Уровень бизнес логики. Необходимые алгоритмы обработки информации, статистического сбора данных размещены в виде хранимых процедур на сервере базы данных или в модулях приложения. В целях упрощения ввода информации разработаны электронные шаблоны аннотаций образовательных ресурсов, доступные для заполнения самим пользователям. Разработана автоматизированная подсистема ввода информации в базу данных, аналитическая подсистема Портала для оценки качества и эффективности работы, анализа информации о гражданах и организациях, участвующих в работе Портала, статистического анализа динамики посещаемости отдельных разделов Портала за заданное время. Подсистема поиска информации обеспечивает поиск в базе данных по содержимому определенных полей и их совокупности.
Уровень визуального представления. Визуальное представление информации осуществляется с помощью HTML-форм, отображающихся в любом стандартном браузере (Internet Explorer, Netscape Navigator и др.).
Пользовательский интерфейс удобен и понятен широкому кругу пользователей с различной степенью владения информационными технологиями, для чего он содержит систему раскрывающихся меню и подсказок. Предусмотрена возможность просмотра демо-версий образовательных ресурсов, а также возможность их заказа.
Структура Портала
Глобальная структура портала (рис. 12.24) содержит:
Центральное ядро в виде трех взаимосвязанных подсистем со своими функциями:
Подсистема управления информационными ресурсами:
ввод, редактирование и поиск ресурсов,
управление правами доступа разработчиков и пользователей;
Аналитическая подсистема статистической обработки информации:
статистическая обработка ресурсов,
Рис. 12.24. Структура специализированного портала «Политехническая Интренет-лаборатория»
статистическая обработка запросов,
оперативная оценка динамики использования ресурсов (рейтинг ресурсов);
Административная подсистема поддержки портала:
поддержка и развитие портала,
аутентификация пользователей,
генерация стандартных форм представления информации;
Оболочку централизованных ресурсов, предназначенную для обслуживания разработчиков и пользователей:
Электронная библиотека образовательных ресурсов:
учебники,
задачники,
методики;
Инструментальные средства разработки образовательных ресурсов:
аппаратные средства,
лицензионные программные продукты,
программные средства открытого доступа;
Децентрализованную систему распределенных лабораторий удаленного доступа:
лаборатории на базе физических стендов,
виртуальные лаборатории на базе математических моделей,
учебные тренажеры технологических процессов.
Работа портала происходит в рамках его тематических разделов, отражающих особенности представления образовательных ресурсов:
главная страница, на которй размещена информация о работе портала, а также доступ к основным его подсистемам;
полезные ссылки предназначены для быстрого перехода к важным ресурсам и документам по различным аспектам образования;
лента новостей позволяет оперативно информировать общественность о последних событиях, новых разработках, предстоящих выставках и т.д.;
окно поиска позволяет быстро отыскать нужный ресурс в базе данных портала по ключевому слову или словосочетанию.
рейтинг популярных ресурсов и последние обсуждения на конференции портала;
карта портала позволяет просмотреть структуру Портала и перейти к любому из его разделов;
О портале, где размещена информация о целях и задачах портала, указаны контактные адреса администраторов и руководителей работы портала.
Подсистема регистрации предназначена для учета и классификации потенциальных пользователей коллективными образовательными ресурсами и организаций, принимающих участие в создании и распространении образовательных ресурсов с удаленным доступом:
регистрация пользователя,
регистрация организации,
изменение настроек пользователя.
База данных инструментальных средств (инструментарий), которая включает аппаратные и программные средства, рекомендуемые к использованию для разработки различных образовательных ресурсов:
технические средства разработки образовательных ресурсов, в том числе средства создания лабораторий с удаленным доступом по сети Интернет,
лицензионные программные продукты, используемые при разработке образовательных ресурсов, например пакет моделирования электрических схем PSpice или комплексная среда сбора, анализа и представления информации LabView,
программные средства открытого доступа в виде библиотеки свободно распространяемых открытых программных кодов, которая содержит программные коды образовательных ресурсов и инструментальных средств их разработки, доступные пользователям в режиме открытого доступа, а также техническую документацию (техническое описание и инструкцию пользователя), позволяющие их использовать для собственных разработок, с целью сокращения сроков разработки, исключения параллелизма разработок и снижения затрат.
Библиотека электронных образовательных ресурсов коллективного пользования, разработанных различными учебными заведениями, классифицированных по их основным видам:
статьи,
учебники,
задачники,
справочники,
тесты,
нормативные документы,
лаборатория.
База данных образовательных ресурсов коллективного пользования для выполнения практических и лабораторных заданий:
реальные лаборатории,
виртуальные лаборатории,
учебные тренажеры технологических процессов,
конференция.
Раздел включает несколько актуальных тематик для организации коллективного обсуждения:
образовательные ресурсы,
публикации,
программное обеспечение,
технические средства,
работа портала.
Ввод в эксплуатацию и активное использование специализированного портала «Политехническая Интернет-лаборатория» будет способствовать: своевременному информированию разработчиков и пользователей о существующих образовательных ресурсах, сокращению параллелизма разработок однотипных образовательных ресурсов, более широкому внедрению в образовательный процесс наиболее эффективных образовательных ресурсов, интеграции в международные образовательные программы.
Портал отмечен Диплом ВВЦ № 686 (Постановление от 23.10.2003 г. № 55) за специализированный портал «Политехническая Интеренет-лаборатория» на Пятой выставке-ярмарке «Современная образовательная среда» (г. Москва, ВВЦ, 29 октября – 1 ноября 2003г.).
Авторские права защищены Свидетельством об официальной регистрации базы данных для ЭВМ «Специализированная база данных «Политехническая Интернет-лаборатория» [12.3].
Удаленный доступ к лабораторному оборудованию по сети
Интернет
Экспериментальные исследования в составе данной лаборатории осуществляются в режиме удаленного доступа многих пользователей к единичному комплекту лабораторного оборудования по компьютерной сети Интернет (или локальной сети Ethernet). Такой режим проведения лабораторных работ осуществляется следующим образом:
на персональном рабочем месте удаленного пользователя загружается клиентское программное обеспечение (ПО), которое, в частности, позволяет:
выбрать конкретный объект изучения из общего списка,
настроить параметры объекта изучения в соответствии с требованиями индивидуального задания,
задать алгоритмы и параметры управления,
задать алгоритмы и параметры каналов измерения;
сформированный таким образом программный блок задания передается по сети Интернет на сервер лабораторного стенда, где он проверяется на наличие прав доступа у конкретного пользователя к лабораторному оборудованию и ставится в очередь на исполнение;
при получении разрешения на право доступа программный блок задания передается с сервера лабораторного стенда на микропроцессорный контроллер объектного модуля для исполнения задания;
выполненное задание с микроконтроллера передается на сервер лабораторного стенда и далее по каналу Интернет конкретному пользователю, на компьютере которого происходит дальнейшая обработка результатов экспериментального исследования.
Портативная Интернет-лаборатория – это эффективное применение современных сетевых информационно-коммуникационных технологий для создания тиражируемого учебного лабораторного оборудования, содержащего все необходимые компоненты (объектная, информационно-измерительная, программно-методическая и энергетическая подсистемы), компактно размещаемые в стандартных конструктивах и способные автономно работать в сети Интернет при минимальных требованиях к внешним подключениям (типовые электрические и коммуникационные сети).
Портативное исполнение учебного лабораторного оборудования обеспечивает его мобильность, т.е. свободу перемещения на значительные расстояния без потери функциональных свойств, что открывает возможности коллективного использования лабораторного оборудования многими территориально распределенными пользователям, например, посредством договоров аренды с региональными ресурсными центрами.
Оснащение подобным стандартным и тиражируемым лабораторным оборудованием региональных ресурсных центров и учебных заведений разного уровня (школ, ПТУ, ССУЗов, ВУЗов) обеспечит единый уровень практической подготовки учащихся при одновременном сокращении капитальных и эксплуатационных затрат за счет значительного сокращения количества требуемого лабораторного оборудования, площадей, обслуживающего персонала.
состав портативной Интернет-лаборатории
«основы электроники»
В состав портативной Интернет-лаборатории «основы электроники» входят следующие блоки и модули (рис. 12.25):
Рис. 12.25. Общий вид портативной Интернет-лаборатории
«основы электроники»
Корпус в стандарте «ЕВРОМЕХАНИКА» с общим блоком электропитания (+/-5 В, +/-12 В, 200 Вт), магистралью развода электропитания, направляющими для установки и крепления не менее восьми сменных объектных модулей (рис. 12.26).
Рис. 12.26. Корпус в стандарте «Евромеханика»
Переключатель компьютерной сети на восемь каналов (Ethernet Switch-8), предназначенный для связи каждого объектного модуля с компьютерной сетью Ethernet (рис. 12.27).
Рис. 12.27. Переключатель компьютерной сети
Типовой набор объектных модулей, каждый из которых содержит высокопроизводительный цифровой сигнальный процессор типа TMS320F243 производства фирмы Texas Instruments, специальный Ethernet-чип для выхода в сеть, а также несколько объектов изучения, образующих раздел или тему учебной дисциплины (рис. 12.28).
Рис. 12.28. Типовой набор объектных модулей
Серверное программное обеспечение, созданное для определения прав и очередности доступа пользователей, обмена информацией между удаленными пользователями и лабораторным оборудованием.
Объектное программное обеспечение, предназначенное для автоматизированного выполнения средствами микроконтроллера TMS320F243 индивидуального задания каждого пользователя (выбор объекта изучения, настройка его параметров, задание тестовых сигналов, многоканальный контроль параметров и т.д.).
Клиентское программно-методическое обеспечение, используемое для теоретического изучения объекта, контроля знаний, моделирования заданных режимов работы, экспериментального исследования в режиме удаленного доступа, математической обработки результатов.
Функциональные возможности
Портативная Интернет-лаборатория «Основы электроники» содержит более 65 объектов экспериментального изучения, охватывающих базовые элементы, типовые интегральные микросхемы, основные устройства электроники, находящиеся в составе следующих сменных объектных модулей.
Модуль «Электрические цепи» (PIL001). Объектами изучения являются разветвленные электрические цепи постоянного и переменного (одно- и трехфазного) тока. Возможно изучение фундаментальных законов электротехники, переходных процессов в RLC-цепях различных конфигураций, явлений резонанса (всего не менее 20 лабораторных работ).
Модуль выполнен в виде двух стандартных плат 100*200 мм (рис. 12.29).
Рис. 12.29. Функциональная блок-схема модуля «Электрические цепи»
Плата микроконтроллера включает полный набор компонентов высокопроизводительного микроконтроллера типа TMS320F243 и предназначена для связи объектного модуля с внешним пользователем по каналу Ethernet, выполнения всех необходимых коммутаций и измерений параметров на объектной плате.
Объектная плата содержит целевой набор блоков, узлов и элементов, а также средств их коммутации, необходимых для изучения свойств электрических цепей постоянного и переменного тока различной конфигурации. Для этого на объектной плате размещены следующие технические средства:
блок элементов электрической цепи содержит три одинаковых набора RLC элементов (А, В, С), которые посредством электронных коммутаторов могут образовывать последовательное, параллельное, смешанное и многофазное соединения. При этом каждый элемент задается одним из четырех стандартных номиналов, указанных в меню настройки параметров (либо любой их комбинацией при параллельном включении), а также может быть выбран режим разрыва цепи на месте данного элемента или режим его короткого замыкания;
трехфазный генератор тестовых сигналов выполнен на базе трех отдельных программно-управляемых от микроконтроллера, 8-разрядных цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП1-ЦАП3) с последующим подключением к их выходам усилителей мощности (У1-У3) на базе операционных усилителей с выходным током до 100 мА по каждому каналу. Удобное пользовательское меню предусматривает индивидуальную настройку каждого канала с выбором стандартной синусоидальной формы, а также возможность табличной настройки тестового сигнала произвольной формы. Возможна настройка амплитуды (в диапазоне +/-3 В), частоты (в диапазоне 0…1000 Гц), и фазы (в диапазоне 0…360º).
блок электронных коммутаторов, который в соответствии с поступившим индивидуальным заданием пользователя по каналу Ethernet после соответствующей его обработки на плате микроконтроллера осуществляет все необходимые переключения, связанные с выбором объекта изучения, настройкой его параметров, подачей тестовых сигналов, измерением контролируемых величин и пр. Блок выполнен на базе микросхем типа ADG714, которые имеют низкое значение переходного сопротивления (около 2,5 Ом), что очень важно при изучении электрических цепей (особенно резонансных явлений). Однако данный тип электронных коммутаторов требует низкого значения подаваемого на него напряжения (не более +/-3 В), поэтому в индивидуальных задания подаваемые на схему напряжения не должны превышать +/-2,5 В. Управление блоком коммутаций осуществляется с платы микроконтроллера по последовательному интерфейсу SPI;
блок измерительных преобразователей включает датчики токов и операционные усилители, нормализующие сигналы токов и напряжений, приводя их в согласование со входом 16-канального 10-разрядного АЦП, входящего в состав микроконтроллера и имеющего время собственного преобразования 1 мкс;
контролируемые параметры: три тока в каждой ветви электрической цепи (IA, IB, IC), измеряемые датчиками токов (Дт1-Дт3) и девяти напряжений на каждом элементе электрической цепи (UR, UC, UL) в каждой из трех ветвей (А, В, С).
Модуль «Диоды и транзисторы» (PIL002). Объектами изучение являются широко используемые полупроводниковые диоды и транзисторы (всего не менее 16 объектов). Для каждого типа полупроводникового прибора изучаются их вольт-амперные характеристики и схемы включения.
Модуль выполнен в виде двух стандартных плат 100*200 мм (рис. 12.30).
Рис. 12.30. Функциональная блок-схема модуля «Диоды и транзисторы»
Плата микроконтроллера включает полный набор компонентов высокопроизводительного микроконтроллера типа TMS320F243 и предназначена для связи объектного модуля с внешним пользователем по каналу Ethernet, выполнения всех необходимых коммутаций и измерений параметров на объектной плате.
Объектная плата содержит целевой набор блоков, узлов и элементов, а также средств их коммутации, необходимых для изучения вольтамперных характеристик и схем включения полупроводниковых приборов.
Для этого на объектной плате размещены следующие технические средства:
блок изучаемых диодов и транзисторов, который в базовом варианте содержит восемь диодов и восемь транзисторов. По требованию Заказчика могут быть установлены другие типы диодов и транзисторов;
источник входных сигналов, предназначенный для подачи на входы изучаемых транзисторов тестовых сигналов и выполнен на базе программно-управляемого от микроконтроллера по последовательному интерфейсу SPI 8-разрядного цифро-аналогового преобразователя (ЦАП1) с последующим подключением к его выходу преобразователя уровня выходного напряжения с 0…3.3 В до +/-13 В;
источник базового напряжения, используемый для питания изучаемых диодов и транзисторов и выполненный на базе программно-управляемого от микроконтроллера по последовательному интерфейсу SPI 8-разрядного цифро-аналогового преобразователя (ЦАП2) с последующим подключением к его выходу преобразователя уровня выходного напряжения с 0…3,3 В до +/-13 В и переключателя полярности;
блок электронных коммутаторов, который в соответствии с поступившим индивидуальным заданием пользователя по каналу Ethernet после соответствующей его обработки на плате микроконтроллера осуществляет все необходимые переключения, связанные с выбором объекта изучения, настройкой его параметров, подачей тестовых сигналов, измерением контролируемых величин и пр.;
блок измерительных преобразователей включает датчики токов и операционные усилители, нормализующие сигналы токов и напряжений, приводя их в согласование со входом 16-канального 10-разрядного АЦП, входящего в состав микроконтроллера и имеющего время собственного преобразования 1 мкс.
контролируемые параметры, включающие в себя входные и выходные токи и напряжения каждого объекта изучения.
Модуль «Выпрямительные устройства» (PIL003). Объектами изучения являются наиболее распространенные схемы выпрямителей: 1-фазная 1-полупериодная, 1-фазная 2-полупериодная со средней точкой, 1-фазная мостовая, 1-фазная 2-полупериодная 2-полярная, 3-фазная со средней точкой, 3-фазная мостовая (всего не менее восьми объектов). Для каждого типа выпрямительного устройства изучаются его выходные показатели (среднее и действующее значение выпрямленного напряжения, коэффициент пульсации, КПД и пр.).
Модуль выполнен в виде двух стандартных плат 100*200 мм (рис. 12.31).
Рис. 12.31. Функциональная блок-схема модуля «Выпрямительные устройства»
Плата микроконтроллера включает полный набор компонентов высокопроизводительного микроконтроллера типа TMS320F243 и предназначена для связи объектного модуля с внешним пользователем по каналу Ethernet, выполнения всех необходимых коммутаций и измерений параметров на объектной плате.
Объектная плата содержит целевой набор блоков, узлов и элементов, а также средств их коммутации, необходимых для изучения свойств типовых выпрямителей. Для этого на объектной плате размещены следующие технические средства:
блок выпрямителей, который содержит шесть полупроводниковых выпрямительных элементов и при соответствующей коммутации образует любую из перечисленных схем выпрямительных устройств;
блок нагрузок, состоящий из двух одинаковых узлов БН1 и БН2 (для изучения схемы двуполярного выпрямительного устройства) и последовательно подключаемой к ним катушки индуктивности (L = 15 мГ), служащей для изучения эффективности сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Каждый из узлов нагрузки содержит параллельное соединение набора резисторов и конденсаторов, независимый выбор которых определяется соответствующими меню;
трехфазный генератор тестовых сигналов выполнен на базе трех отдельных программно-управляемых от микроконтроллера, 8-разрядных цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП1-ЦАП3) с последующим подключением к их выходам усилителей мощности (У1-У3) на базе операционных усилителей с выходным током до 100 мА по каждому каналу. Удобное пользовательское меню предусматривает индивидуальную настройку каждого канала с выбором стандартной синусоидальной формы, а также возможность табличной настройки тестового сигнала произвольной формы. Возможна настройка амплитуды (в диапазоне +/- 12 В), частоты (в диапазоне 0…1000 Гц), и фазы (в диапазоне 0…360º).
блок электронных коммутаторов, который в соответствии с поступившим индивидуальным заданием пользователя по каналу Ethernet после соответствующей его обработки на плате микроконтроллера осуществляет все необходимые переключения, связанные с выбором объекта изучения, настройкой его параметров, подачей тестовых сигналов, измерением контролируемых величин и пр.
блок измерительных преобразователей содержит датчики токов (ДТ1, ДТ2), напряжений (ДН1, ДН2) и операционные усилители, нормализующие сигналы токов и напряжений, приводя их в согласование со входом 16-канального 10-разрядного АЦП, входящего в состав микроконтроллера и имеющего время собственного преобразования 1 мкс;
контролируемые параметры, включающие в себя входные и выходные токи и напряжения каждого объекта изучения.
Модуль «Стабилизаторы постоянного напряжения» (PIL004). Объектами изучения являются наиболее распространенные типы стабилизаторов: параметрический, линейный с параллельным и последовательным включением регулирующего элемента, импульсный понижающий, повышающий и полярно-инвертирующий (всего не менее шести объектов). Для каждого типа стабилизатора изучаются свойства поддержания выходного напряжения при изменении нагрузки и входного напряжения.
Модуль выполнен в виде двух стандартных плат 100*200 мм (рис. 12.32).
Плата микроконтроллера включает полный набор компонентов высокопроизводительного микроконтроллера типа TMS320F243 и предназначена для связи объектного модуля с внешним пользователем по каналу Ethernet, выполнения всех необходимых коммутаций и измерений параметров на объектной плате.
Рис. 12.32. Функциональная блок-схема модуля «Стабилизаторы постоянного напряжения»
Объектная плата содержит целевой набор блоков, узлов и элементов, а также средств их коммутации, необходимых для изучения свойств различных типов стабилизаторов постоянного напряжения. Для этого на объектной плате размещены следующие технические средства:
блок изучаемых стабилизаторов, включающий в себя все перечисленные типы стабилизаторов постоянного напряжения;
блок нагрузок, состоящий из двух одинаковых узлов БН1 и БН2. Каждый из узлов нагрузки представляет собой параллельное соединение набора резисторов и конденсаторов, независимый выбор которых определяется соответствующими меню;
источник входного напряжения, который предназначен для подачи на входы изучаемых стабилизаторов программно-управляемого напряжения в диапазоне +/-12 В и который выполнен на базе программно-управляемого от микроконтроллера 8-разрядного цифро-аналогового преобразователя (ЦАП1) с последующим подключением к его выходу усилителя мощности с выходным током до 100 мА;
блок электронных коммутаторов, который в соответствии с поступившим индивидуальным заданием пользователя по каналу Ethernet после соответствующей его обработки на плате микроконтроллера осуществляет все необходимые переключения, связанные с выбором объекта изучения, настройкой его параметров, подачей тестовых сигналов, измерением контролируемых величин и пр;
блок измерительных преобразователей включает датчики токов и напряжений, операционные усилители, нормализующие сигналы токов и напряжений, приводя их в согласование со входом 16-канального 10-разрядного АЦП, входящего в состав микроконтроллера и имеющего время собственного преобразования 1 мкс;
контролируемые параметры, включающие в себя входные и выходные токи и напряжения каждого объекта изучения.
Модуль «Операционные усилители» (PIL005). Объектами изучения являются широко используемые электронные схемы на основе операционного усилителя: усилители инвертирующий и не инвертирующий, суммирующий, дифференциальный, логарифмический, интегратор инвертирующий и не инвертирующий, дифференциатор, компаратор, фильтр низкой и высокой частоты, триггер Шмитта, мультивибратор (всего не менее 15 объектов).
Модуль выполнен в виде двух стандартных плат 100*200 мм (рис. 12.33).
Рис. 12.33. Функциональная блок-схема модуля
«Операционные усилители»
Плата микроконтроллера включает полный набор компонентов высокопроизводительного микроконтроллера типа TMS320F243 и предназначена для связи объектного модуля с внешним пользователем по каналу Ethernet, выполнения всех необходимых коммутаций и измерений параметров на объектной плате.
Объектная плата содержит целевой набор блоков, узлов и элементов, а также средств их коммутации, необходимых для изучения статических и динамических характеристик операционных усилителей в различных схемах их включения. Для этого на объектной плате размещены следующие технические средства:
универсальный блок настройки параметров операционных усилителей, содержащий микросхему операционного усилителя, а также настраиваемые элементы его «обвязки», выбирая которые можно собрать одну из 15 схем операционных усилителей в соответствии с индивидуальным заданием;
двухканальный генератор тестовых сигналов, который предназначен для подачи тестовых сигналов на инвертирующий и неинвертирующий входы операционного усилителя и выполнен на базе двух отдельных программно-управляемых от микроконтроллера, 8-разрядных цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП1, ЦАП2) с последующим подключением к их выходам усилителей мощности (У1, У2) на базе операционных усилителей с выходным током до 100 мА по каждому каналу. Удобное пользовательское меню предусматривает индивидуальную настройку каждого канала с выбором стандартной синусоидальной формы, а также возможность табличной настройки тестового сигнала произвольной формы. Возможна настройка амплитуды (в диапазоне +/- 12 В), частоты (в диапазоне 0…1000 Гц), и фазы (в диапазоне 0…360º);
блок электронных коммутаторов, который в соответствии с поступившим индивидуальным заданием пользователя по каналу Ethernet после соответствующей его обработки на плате микроконтроллера осуществляет все необходимые переключения, связанные с выбором объекта изучения, настройкой его параметров, подачей тестовых сигналов, измерением контролируемых величин и пр.;
блок измерительных преобразователей включает операционные усилители, нормализующие контролируемые сигналы, приводя их в согласование со входом 16-канального 10-разрядного АЦП, входящего в состав микроконтроллера и имеющего время собственного преобразования 1 мкс;
контролируемые параметры, включающие в себя входные и выходные напряжения каждого объекта изучения.
Модуль «Микроконтроллеры» (PIL006). Объектом изучения является микропроцессорный контроллер (МПК), широко используемый в системах цифрового управления различными устройствами автоматики. Модуль позволяет проводить изучение структуры микроконтроллера и возможностей его периферийных устройств: портов ввода/вывода, прерываний, таймеров, ЦАП, АЦП, блоков ШИМ (всего не менее шести работ).
Модуль выполнен в виде одной стандартной платы 100*200 мм (рис. 12.34).
Рис. 12 34. Функциональная блок-схема модуля «Микроконтроллеры»
Объектная плата содержит изучаемый микроконтроллер Philips 80C552 и технологический микроконтроллер Atmel AT89S8252, предназначенный для связи объектного модуля с внешним пользователем по каналу Ethernet, выполнения всех необходимых коммутаций и измерений параметров, а также целевой набор блоков, узлов, элементов и средств их коммутации, необходимых для изучения свойств микроконтроллера.
Условно модуль для изучения микроконтроллера можно разделить на две части, имеющих разное функциональное назначение. Первая часть выполняет функции измерительно-управляющей подсистемы, и реализует следующие функции:
прием задания от сервера стенда;
загрузка управляющей программы в ОЗУ программ МК CPU2;
формирование тестовых сигналов, соответствующих заданию;
контроль выходных сигналов МК CPU2;
передача результатов выполнения задания на сервер стенда.
Вторая часть является объектом изучения, и содержит микроконтроллер и дополнительную периферию, необходимую для выполнения типовых задач.
Изучаемый микроконтроллер имеет следующие показатели:
8-разрядное ядро, совместимое по системе команд и архитектуре с микросхемой 8051 фирмы Intel;
внутреннее ОЗУ 256 байт, не считая управляющих SFR-регистров, с возможностью внешнего расширения памяти до 64 кб;
два 16-битных таймера Т0 и Т1 стандартной архитектуры от 8051;
дополнительный 16-битный таймер Т2, сопряженный с четырьмя встроенными схемами захвата и тремя регистрами сравнения;
10-битный АЦП с 8-канальным мультиплексором. Питание АЦП изолировано от цифровых цепей;
два независимых 8-битовых ШИМ генератора с программно регулируемым периодом следования;
пять стандартных цифровых портов ввода/вывода (P0 – P4), из которых два используются как микропроцессорная шина, а остальные имеют альтернативные функции, шестой порт ввода совмещен с аналоговым входом;
стандартный последовательный асинхронный канал UART, предоставляющий возможность сопряжения с компьютером;
аппаратный интерфейс приборной шины I2C поддерживает как Master, так и Slave режимы и позволяет подключать внешние устройства ввода/вывода, использующие последовательный канал. Скорость передачи регулируется;
сторожевой таймер T3, осуществляющий сброс микроконтроллера, если он входит в ошибочные состояния процессора.
Конкретными объектами изучения являются:
Цифровые порты ввода/вывода. Данная работа позволяет изучить основы функционирования портов ввода/вывода, изучить способы индивидуального программирования линий порта на ввод/вывод или на использование альтернативных функций. Знания, полученные в данной работе, являются базовыми и будут использоваться во всех дальнейших работах;
Блок прерываний (обработка внешних и внутренних прерываний). Данная работа предназначена для исследования организации и возможностей системы прерываний;
Стандартные 16-битные таймеры/счетчики. Данная работа предназначена для изучения принципа действия двух программируемых Т/С, которые могут быть использованы как в качестве таймеров, так и в качестве счетчиков внешних событий;
Расширенный 16-битный таймер/счетчик с функциями захвата и сравнения. В данной работе рассматриваются дополнительные возможности, которые предоставляет третий таймер/счетчик в режимах захвата/сравнения и генерации произвольной выдержки;
Внешний цифро-аналоговый преобразователь. Целью данной работы является исследования возможностей микроконтроллера по формированию аналоговых сигналов по заданной программе с помощью внешнего ЦАП, а также изучение его особенностей взаимодействия с внешними устройствами;
Встроенный блок ШИМ. Данная работа предназначена для изучения способов формирования ШИМ-сигналов с помощью данного блока и возможностей использования сигналов для управления аналоговыми устройствами;
Встроенный аналого-цифровой преобразователь. Данная работа предназначена для исследования функциональных возможностей встроенного АЦП с восьмью мультиплексированными аналоговыми входами.
Кроме того, в каждой работе предусмотрены типовые задачи обработки информации, взаимодействия с внешней памятью программ и данных и использования сторожевого таймера.
Портативная Интернет-лаборатория «Основы электроники» отмечена Золотой медалью ВВЦ № 1512 (Постановление от 23.10.2003 г. № 55), а также Дипломом Всероссийского форума «Образовательная среда–2004».
Авторские права защищены Свидетельствами об официальной регистрации программно-технических комплексов [12.4 – 12.8]
Виртуальный лабораторный практикум (ВЛП) предполагают замену всех реальных частей лабораторного практикума на программные модели, что уводит обучаемого от реальных объектов изучения. Однако использование ВЛП имеет и положительные стороны, так как позволяет работать с моделями процессов, оборудования и приборов, которые не могут быть использованы в учебном процессе.
Стоит ли использовать, приобретать и, тем более, разрабатывать виртуальные лабораторные практикумы зависит от дисциплины, поставленной педагогической задачи, сложившихся в данном педагогическом коллективе традиций и от многого другого.
Разнообразие видов виртуальных лабораторных практикумов, способов их применения, архитектур, платформ для разработки очень широко, поэтому здесь все этапы формулировки концепции, выбора архитектуры, технологий создания, применения ВЛП рассматриваются на примере виртуального лабораторного практикума по электротехническому материаловедению (ВЛП ЭТМ), опубликованного по адресу http://eltech.mpei.ac.ru/webapps/etm/. Для иллюстрации некоторых приложений используются также примеры из других виртуальных лабораторных практикумов.
Трудоемкость разработки виртуальных лабораторных практикумов существенно выше, чем трудоемкость создания электронных учебников: написать, издать, опубликовать и использовать электронный учебник при желании можно с помощью «подручных» средств, установленных практически на каждом современном компьютере. Создание электронного учебника — это издательский проект, а ВЛП — проект программный, требующий написания, отладки и сопровождения достаточно больших объемов программного кода. Именно поэтому в заключительной части раздела кратко рассматриваются вопросы, связанные с оценкой трудоемкости разработки ВЛП.
Кроме того, демонстрируется, что ВЛП могут быть разработаны в условиях кафедры вуза, не имеющей непосредственного отношения к программированию и информационным технологиям.
Рассмотрим основные недостатки и преимущества использования виртуальных лабораторных практикумов. Основной недостаток, как уже говорилось выше, состоит в том, что обучаемый теряет всякую связь с реальным объектом обучения, подменяемым программной моделью. Для многих дисциплин этот недостаток является непреодолимым, для других экономические и другие факторы делают использование ВЛП приемлемым и даже желательным. Примерами этого служат тренажеры сложных систем, например, летательных аппаратов, систем вооружения, энергетических систем.
Очень многое зависит от способов применения ВЛП, в ряде случаев в условиях очного обучения хорошие результаты даёт совместное использование реальных объектов изучения и их моделей.
В то же время использование виртуальных лабораторных практикумов дает и ряд преимуществ по сравнению с реальными лабораторными практикумами:
программные модели позволяют имитировать работу с объектами, процессами и оборудованием, применение которых в вузах проблематично, например, моделируя доступ студентов к уникальному оборудованию, или для исследования воздействия радиационных объектов на объект изучения;
программные модели позволяют произвольно менять временные масштабы изучаемых процессов, делая возможным проведение за разумное время лабораторных работ, моделирующих длительные процессы, например, роста кристаллов, когда процесс может длиться несколько дней или даже недель;
последнее позволяет повысить в разумных пределах интенсивность обучения, позволяя за счет изменения временных масштабов выполнить за время проведения лабораторной работы большее число экспериментов (в виртуальном лабораторном практикуме по электротехническому материаловедению (ВЛП ЭТМ) за счет сокращения времени нагрева увеличивается число исследуемых образцов различных материалов);
ВЛП позволяют решить проблему загрузки лабораторного оборудования — программную модель можно выполнить в любое время, в любом месте, на любом числе рабочих мест; что позволяет проводить лабораторные занятия фронтально, а не бригадным методом, когда каждый студент выполняет индивидуальное задание;
стоимость разработки (а следовательно, приобретения) и эксплуатации ВЛП обычно существенно ниже по сравнению с реальными лабораторными практикумами.
Перечислим задачи, которые требуется решить перед использованием ВЛП в учебном процессе.
Первый и основной вопрос состоит в том, можно ли использовать ВЛП при преподавании данной дисциплины. Ответ на этот вопрос для электротехнического материаловедения дается в 12.3.2 и 12.3.3. Если ответ на данный вопрос отрицательный, то можно сразу перейти к следующей главе.
Следующей по порядку необходимо решить задачу о том, каким образом применять виртуальный лабораторный практикум.
После этого встает вопрос о том, где и как приобрести ВЛП по дисциплине?
Если ВЛП по дисциплине отсутствуют на рынке или по каким-либо причинам не могут быть применены в учебном процессе, встает вопрос о разработке ВЛП, о том, можно ли, исходя из имеющихся сил и средств, за разумное время разработать виртуальный лабораторный практикум.
Если ответ на предыдущий вопрос положительный, требуется разработать внешний облик ВЛП, решив перечисленные ниже вопросы:
будет ли ВЛП воспроизводить внешний вид и функциональность имеющегося реального лабораторного практикума,
каким образом ВЛП будет применяться в учебном процессе,
как будет доставляться пользователю,
как организовать взаимодействие между обучаемыми и преподавателями, проводящими лабораторные занятия.
Решить экономические и организационные вопросы разработки ВЛП.
Распределить работы по созданию виртуального лабораторного практикума желательно с привлечением не только сотрудников и преподавателей, но и студентов, и аспирантов.
Разработать документацию по применению ВЛП, включая описания лабораторных работ, методические указания по проведению лабораторных работ, инструкции по развертыванию и эксплуатации ВЛП.
Развернуть виртуальный лабораторный практикум в дисплейных классах и/или корпоративной сети вуза.
Организовать применение ВЛП в учебном процессе.
Продолжим рассмотрение вопросов, связанных с разработкой виртуальных лабораторных практикумов на модельном примере – ВЛП по электротехническому материаловедению. Разработка виртуального лабораторного практикума начинается с анализа предметной области для создания моделей изучаемых явлений.
Электротехническое материаловедение представляет собой в основном описательную дисциплину. Связано это с тем, что электротехнические материалы – сложные, многокомпонентные объекты, количественные физико-математические модели, описывающие их электрофизические свойства в зависимости от внешних воздействий, как правило, отсутствуют. Исключением являются элементарные полупроводники, включая германий и кремний. Для этих материалов имеются физико-математические модели, позволяющие с высокой степенью точности описывать, например, зависимость удельного объемного сопротивления от температуры.
Для других видов электротехнических материалов модели позволяют, в лучшем случае, предсказать качественный вид зависимости электрофизических свойств.
Трудность представляет даже описание электротехнического материала в системе состав–структура–технология–свойства из невозможности точного определения точки, соответствующей состоянию материала в многомерном пространстве системы состав–структура–технология–свойства (часть внутренних параметров остается либо совсем неопределенной, либо определенной с точностью до интервала значений).
Реальный лабораторный практикум по электротехническому материаловедению сложился в конце пятидесятых годов прошлого века и с тех пор кардинально не менялся. Он основывается на изучении электрофизических процессов, протекающих в различных электротехнических материалах. Традиционно лабораторный практикум включает в себя исследование:
проводимости твердых диэлектриков,
диэлектрической проницаемости и потерь в твердых диэлектриках,
пробоя твердых диэлектриков,
проводимости полупроводниковых материалов и эффекта выпрямления на контакте металл-полупроводник или полупроводник-полупроводник,
проводимости проводниковых материалов,
электрофизических свойств магнитных материалов (намагничивания, температурных зависимостей магнитной проницаемости магнитомягких и магнитотвердых материалов).
Состав лабораторных работ лабораторного практикума и заданий на их выполнение варьируется в зависимости от специальности обучаемых. Так, для студентов-энергетиков проводятся лабораторные работы, связанные с исследованием проводимости и электрической прочности газов, а задания на исследование свойств электротехнических материалов на высоких частотах не предлагаются. Для студентов слаботочных специальностей могут быть предложены лабораторные работы, связанные с исследованием, например, активных диэлектриков (в частности сегнетоэлектриков), возможно проведение исследований проводимости проводящих и диэлектрических материалов при низких температурах [12.9].
Практически все лабораторные работы реального практикума сводятся к исследованию зависимостей электрофизических параметров исследуемых электротехнических материалов от внешних воздействий: прилагаемого напряжения, его частоты, температуры образца исследуемого материала, влажности и других факторов. Некоторые эксперименты могут быть достаточно длительными, например исследование температурных зависимостей электрофизических свойств материалов может занимать десятки минут.
Обычно методика проведения лабораторных работ реального практикума включает следующую последовательность действий:
изучение разделов учебника по теме лабораторной работы и описания лабораторной работы (подготовка к лабораторной работе);
краткий коллоквиум перед началом выполнения лабораторной работы;
сборка электрической схемы эксперимента (в состав лабораторного задания обычно входят несколько экспериментов, например по исследованию потерь в твердых диэлектриках от температуры, величины и частоты прилагаемого напряжения);
проведение экспериментов с фиксацией результатов в лабораторном журнале;
переход к следующему эксперименту;
предварительная расчетная обработка результатов экспериментов (результаты косвенных измерений пересчитываются в значения электрофизических параметров) с последующей проверкой преподавателем;
оформление отчета по лабораторной работе с полным проведением обработки результатов экспериментов, интерпретацией полученных экспериментальных зависимостей и сравнением их теорией;
защита лабораторной работы, на которой студенту предлагаются вопросы как по выполнению лабораторной работы, так и теоретические вопросы по явлениям и процессам, изучаемым при проведении лабораторной работы.
Ограниченное число лабораторных стендов реального лабораторного практикума не позволяет проводить лабораторные работы фронтальным методом: группа разбивается на бригады по 3-4 человека (в зависимости от численности группы), каждая бригада выполняет одну из лабораторных работ. В учебной лаборатории имеется не более одного-двух стендов для проведения каждой лабораторной работы. Это приводит к некоторым издержкам, так как студентам в начале семестра приходится выполнять лабораторные работы, по учебному материалу, который еще не рассматривался на лекциях. Это также увеличивает и нагрузку на преподавателей, проводящих занятия, — лабораторные стенды установлены в разных помещениях, к тому же проведение лабораторных работ связано с использованием высокого напряжения.
Возможность дистанционного применения реальных лабораторных стендов, используемых в настоящее время в учебном процессе практически отсутствует по следующими причинам:
во-первых, все лабораторные стенды лишены средств удаленного управления, так как стенды нуждаются в постоянном обслуживании при проведении лабораторных работ (в настоящее время это делает учебно-вспомогательный персонал и сами обучаемые, например при исследовании пробивных напряжений твердых диэлектриков после каждого эксперимента нужно заменить пробитый образец,);
во-вторых, лабораторные стенды не позволяют мультиплексировать работу с ними, т.е. каждому обучаемому должен быть сопоставлен лабораторный стенд, что невозможно по очевидным экономическим соображениям, а осуществить удаленную бригадную работу со стендами вряд ли возможно;
в-третьих, большинство лабораторных работ реального практикума предполагают длительные времена ожидания, например при исследовании температурных зависимостей электрофизических параметров электротехнических материалов, которые могут достигать десятков минут; что неприемлемо в условиях дистанционного обучения, непонятно, чем занять обучаемых в периоды ожидания.
Перечисленные факторы обусловили решение о создании виртуального лабораторного практикума по дисциплине.
При планировании создания виртуального лабораторного практикума желательно продумать его многоцелевое применение в условиях различных форм обучения. Для виртуального лабораторного практикума по электротехническому материаловедению (ВЛП ЭТМ) это, во-первых, совместное и параллельное его использование с реальным лабораторным практикумом с целью разгрузки последнего на больших потоках обучаемых. Вторым назначением ВЛП ЭТМ является его самостоятельное дистанционное использование в составе учебно-методического комплекса по электротехническому материаловедению (УМК ЭТМ).
УМК ЭТМ включает в себя кроме виртуального лабораторного практикума электронный учебник, подсистему проверки знаний и административное приложение для управления комплексом.
В свою очередь, параллельное использование реального и виртуального практикума накладывают требование их идентичности в рамках внешнего вида, используемого реального и виртуального оборудования, приемов работы. Связано это с тем, что применение новых информационных систем учебного назначения на кафедрах технологического профиля зачастую встречает настороженное отношение, и возможность использования наработанных на реальном практикуме методических приемов позволяет преподавателям плавно начать внедрение таких систем в информационный процесс.
Существенным требованием является возможность внесения дополнений, по крайней мере, в части сценариев и заданий на выполнение лабораторных работ без необходимости перепрограммирования виртуальных лабораторных стендов. В противном случае, система, как показывает опыт, остается без изменений неопределенное время, изменения могут вноситься только ее разработчиками с минимальным участием преподавателей, проводящих занятия.
Не последним по важности фактором является высокая готовность виртуального лабораторного практикума, а в идеале возможность проводить лабораторные работы в любое время суток и в праздничные дни. Это автоматически влечет за собой требование организации проведения лабораторных работ. Лабораторные занятия по возможности должны проводиться в асинхронном режиме, т.е. без непосредственного участия преподавателя при проведении лабораторных занятий. Преподаватель должен в определенное время, регламентируемое администрацией подразделения, отвечать на запросы студентов, например проводя коллоквиумы, проверяя предварительные и окончательные отчеты по выполнению лабораторных работ.
Кроме высокой готовности, важным требованием является простота эксплуатации лабораторного практикума. Если практикум эксплуатируется в условиях технологической кафедры, выделение квалифицированного системного администратора является проблематичным.
При эксплуатации виртуальных лабораторных практикумов в условиях дисплейных классов вуза или корпоративной сети системным администраторам приходится обслуживать большое число различных учебных программных средств. Поэтому желательно, чтобы обслуживание было максимально простым, например сводилось к восстановлению системы с резервной копии и, возможно, перезагрузке сервера. Последнее не является желательным в том случае, если на сервере развернуто большое число одновременно эксплуатируемых учебных систем.
Лабораторные работы, входящие в состав виртуальных лабораторных практикумов, должны быть обеспечены большим числом индивидуальных заданий, в противном случае, преподаватели уже через год эксплуатации ВЛП начнут получать отчеты по лабораторным работам, изготовленные методом копирования и вставки. Именно поэтому возможность разработки и развертывания новых заданий должно быть максимально упрощено, осуществляться на уровне ввода данных без перепрограммирования ВЛП и по возможности без привлечения разработчиков виртуальных лабораторных практикумов.
Желательно, чтобы работа с виртуальным лабораторным практикумом могла осуществляться не только внутри вуза, но и по месту жительства студентов, обеспечивая возможность дистанционного доступа к ВЛП. Это накладывает серьезные ограничения на размеры исполняемых модулей и данных ВЛП с тем, чтобы виртуальные лабораторные работы можно было бы выполнять, используя коммутируемое соединение.
Выполнение лабораторных работ представляет собой достаточно длительный процесс (от двух до четырех академических часов), при реализации ВЛП в виде сетевого приложения в настоящее время затруднительно требовать, чтобы в условиях современной российской инфраструктуры связи обучаемый все время выполнения лабораторной работы находился в оперативном режиме, т.е. подключенным к сети. Именно поэтому виртуальный лабораторный практикум должен обладать возможностью выполняться в отсоединенном режиме, т.е. подключение к сети осуществляется только для получения исполняемых модулей, задания на выполнение работы и для отправки результатов. Собственно выполнение виртуальной лабораторной работы должно быть возможным в автономном режиме без подключения к сети.
Наконец, виртуальный лабораторный практикум должен быть полностью создан имеющимися силами, т.е. сотрудниками, аспирантами и студентами кафедры. Последнее требование связано с очевидными экономическими факторами и будет более подробно рассмотрено в разделе, посвященном экономике создания ВЛП.
Мы достаточно подробно остановились на требованиях к виртуальному лабораторному практикуму по электротехническому материаловедению (ВЛП ЭТМ), так как аналогичные требования с некоторыми вариациями выдвигаются к большинству ВЛП по инженерным дисциплинам.
В разделе, посвященном архитектуре ВЛП, проанализируем влияние требований на построение ВЛП и используемые технологии.
Отсутствие удовлетворительных математических моделей физических процессов, протекающих в электротехнических материалах, привела к необходимости формулировки принципа расщепленного эксперимента для виртуального лабораторного практикума по электротехническому материаловедению.
Используемые в ВЛП ЭТМ модели основываются на двух источниках: экспериментальных данных, полученных при исследовании электрофизических свойств реальных электротехнических материалов в лабораториях кафедры, и литературных данных, извлекаемых из справочных и научных публикаций.
Публикуемые данные представляют собой значения электрофизических параметров, определенные в пространстве параметров системы состав-структура-технология-свойства. Из-за многомерности пространства параметров эти данные обычно не являются полностью определенными, что влечет за собой существенные различия в значениях электрофизических свойств для одних и тех же электротехнических материалов в различных источниках. Связано это не с погрешностями эксперимента или недобросовестностью экспериментаторов, а с неполным заданием точки, соответствующей эксперименту в пространстве параметров (часть значений параметров задается по умолчанию, а часть иногда намеренно скрывается, например в описаниях резистивных композиций часть параметров, касающихся состава и технологии приготовления является коммерческой тайной).
В описаниях электротехнических материалов часто встречаются зависимости одного электрофизического параметра от внешнего воздействия, например температуры, частоты, приложенного напряжения при фиксации других параметров. Обычно приводится одно- или двухпараметрическое семейство зависимостей.
Данная особенность предметной области потребовала анализа, отбора экспериментальных и литературных данных, а в ряде случаев их перепроверки, а также создания специальных процедур сглаживания и интерполяции при неопределенности задания некоторых параметров.
В виртуальном лабораторном практикуме по электротехническому материаловедению обучаемому предъявляется набор стендов, на котором он/она проводят виртуальные эксперименты, в которых используются данные, полученные на первом этапе расщепленного эксперимента. Виртуальные стенды представляют собой имитаторы реальных лабораторных стендов практикума по электротехническому материаловедению, т.е. виртуальный эксперимент практически полностью имитирует действия обучаемого при выполнении лабораторных работ реального практикума.
Потоки данных при выполнении виртуальных лабораторных работ по электротехническому материаловедению представлены на рис. 12.35. Сбор данных осуществляется постепенно в автономном режиме, собранные данные подвергаются статистической обработке, отбору, на их основе создаются описания вариантов выполнения лабораторных работ, представляющие собой текстовые XML-файлы. После тестирования вновь созданных файлов заданий на автономных виртуальных лабораторных стендах они загружаются в базу данных учебно-методического комплекса по электротехническому материаловедению и с этого момента становятся доступными виртуальному лабораторному практикуму. Это единственная операция, реализуемая системным администратором. Подготовка данных осуществляется преподавателями. Для каждой виртуальной лабораторной работы имеются файлы-шаблоны, облегчающие заполнение и проверку XML-описаний виртуальных лабораторных работ.
Рис. 12.35. Потоки данных в виртуальном лабораторном практикуме по электротехническому материаловедению
На данном этапе определены требования к виртуальному лабораторному практикуму и требуется ответить на вопросы, как он будет выглядеть, какие технологии и средства будут использованы для его создания, как ВЛП доставляться обучаемым, как организовано проведение занятий?
Идеальной является ситуацией, когда ВЛП имеется на рынке, его можно приобрести, развернуть и применять в учебном процессе. К сожалению, в отличие от электронных изданий рынок ВЛП еще только начинает складываться и рассмотренная ситуация является скорее исключением, чем правилом.
Далее рассмотрим использование различных инструментальных средств для построения ВЛП, зависящее от способа применения ВЛП.
В настоящее время для сопряжения с экспериментальным оборудованием, сбора данных и моделирования широко применяется инструментальная среда LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) фирмы National Instruments. LabVIEW — среда разработки лабораторных виртуальных приборов — предоставляет средства графического программирования для создания виртуальных приборов и устройств, обладает обширными библиотеками виртуальных устройств. Виртуальные приборы LabVIEW способны работать как с реальными объектами, так и с их программными моделями.
На сайте российского представительства National Instruments (http://labview.ru/) имеются специальные предложения для вузов по приобретению Labiew, на русском языке имеются, по крайней мере, две книги по работе с системой [12.10, 12.11].
Среда LabVIEW позволяет распространять приложения двух типов. В простейшем случае допустимо сохранять и распространять подготовленную модель в виде виртуального прибора LabVIEW, совместимого с проигрывателем LabVIEW Player. Для использования такого виртуального прибора пользователю достаточно установить на компьютере свободно распространяемый проигрыватель LabVIEW Player. Файлы виртуальных приборов имеют небольшой объем (десятки килобайт) и легко могут распространяться через Интернет. Однако объем проигрывателя составляет около 150 мегабайт и загрузка такого объема данных по коммутируемым соединениям представляет собой серьезную проблему.
Другим подходом является создание полноценных исполняемых модулей (exe-файлов), содержащих в себе все необходимое для выполнения лабораторной работы. К сожалению, такие файлы также получаются достаточно объемными (несколько мегабайт).
Рассмотрим использование LabVIEW для создания виртуального лабораторного практикума на примере виртуального лабораторного комплекса по дисциплине «Электрические машины». Практикум опубликован на сайте кафедры электрических машин МЭИ (ТУ) (http://elmech.mpei.ac.ru).
Web-страница практикума представлена на рис. 12.36.
Лабораторная работа включает в себя описание (рис. 12.37) и лабораторный стенд (рис. 12.38).
Рис. 12.36. Web-страница практикума по электрическим машинам
Рис. 12.37. Оглавление описания виртуальной лабораторной работы «Исследование трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором»
Рис. 12.38. Стенд виртуальной лабораторной работы «Исследование трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором»
Отметим здесь, как выбор инструментальных средств влияет на методику развертывания и проведения виртуальных лабораторных работ. Хотя виртуальный лабораторный практикум развернут на web-сервере кафедры Электрических машин МЭИ (ТУ), из-за большого объема исполняемых модулей виртуальных лабораторных работ приходится обеспечивать доставку ВЛП обучаемым не через сеть, а на CD-ROM. Лабораторные работы комплекса должны переписываться на жесткий диск и запускаться с него.
Общение между преподавателем, проводящим занятия, и студентами осуществляется либо лично, либо по электронной почте. При подготовке к лабораторным занятиям возможно использование электронного учебника по дисциплине и подсистемы проверки знаний учебно-методического комплекса по электрическим машинам.
Как видно из сказанного, виртуальные лабораторные работы по электрическим машинам исполняются локально на компьютерах обучаемых. Преимущество данного подхода состоит в том, что при выполнении виртуальных лабораторных работ практикума студент, находясь в автономном режиме, не зависит ни от состояния серверов учебного заведения, ни от инфраструктуры связи. Недостатком данного подхода является необходимость изготовления тиража ВЛП на CD-ROM и распространения его среди обучаемых.
Перейдем к рассмотрению следующей среды для построения виртуальных лабораторных практикумов — MathCAD Application Server фирмы MathSoft (http://www.mathsoft.com/). Мы очень кратко остановимся на этом инструментальном средстве, так как ему посвящена глава 15, отметим только, что MathCAD является прекрасным средством для построения ВЛП в том случае, если процессы, моделируемые с его помощью, описываются математическими формулами, обыкновенными дифференциальными уравнениями и в меньшей степени уравнениями в частных производных. MathCAD обладает разнообразными средствами для отображения графических зависимостей. До недавнего времени работа с MathCAD требовала установки на каждом компьютере обучаемого достаточно дорогого и объемного программного обеспечения. Появление MathCAD Application Server позволило публиковать наработанные модели на web-сервере учебного заведения, используя для доступа к ним обычный браузер. Достоинством системы является то, что имеющиеся приложения MathCAD могут легко быть доработаны для установки на MathCAD Application Server – переработки требует только средства ввода данных пользователем.
В данном случае вся функциональность сосредоточена на стороне сервера приложений, а клиентская часть ВЛП – браузер используется только для ввода данных и представления результатов. Достоинством такого чисто серверного подхода является высокая готовность, минимальные усилия по развертыванию виртуальных лабораторных практикумов на стороне обучаемых. Недостатков также несколько: во время проведения лабораторных работ обучаемый должен быть подключен к сети, между вводом пользователем данных и получением ответа от сервера может пройти некоторое время, требуемое для проведения расчетов сервером и передачи результатов расчетов пользователю через сеть.
Кроме того, средства браузера, используемые для построения графических пользовательских интерфейсов, существенно беднее графических пользовательских интерфейсов современных операционных систем.
Другим, во многом аналогичным средством для проведения инженерных расчетов, является система MATLAB фирмы MathWorks (http://www.mathworks.com). Функции сервера приложений в MATLAB выполняет MATLAB Web Server. MathCAD и MATLAB конкурирующие системы, MATLAB обладает лучшими по сравнению с MathLab языком описания задач, средствами для проведения матричных расчетов, уникальными возможностями моделирования систем управления, нейронных сетей, в то же время уступая MathCAD наглядностью и встроенными графическими возможностями. Локальные приложения MATLAB для использования совместно MATLAB Web Server требуют более серьезной переработки.
Для решения специальных классов задач при создании ВЛП могут быть использованы системы ANSYS (http://www.ansys.com/), Elcut (http://www.tor.ru/elcut/) для решения задач, описываемых дифференциальными уравнениями в частных производных, Femlab (http://www.comsol.com/) для решения уравнений в частных производных методом конечных элементов, SPICE (http://bwrc.eecs.berkeley.edu/ Classes/IcBook/SPICE/) для расчета электрических и электронных цепей. Естественно, этим не ограничивается перечень систем, которые можно использовать для построения виртуальных лабораторных практикумов, общим для всех рассмотренных выше систем является высокая сложность, обусловливающая необходимость предварительного (перед проведением лабораторного практикума) обучения пользователей работе с ними, необходимость установки на пользовательских компьютерах больших объемов программного обеспечения.
Рассмотренные инструментальные системы позволяют оперативно и с умеренными усилиями разработать виртуальные лабораторные практикумы для инженерных дисциплин, но высока вероятность, что готовые системы нельзя использовать для создания ВЛП. Причинами этому могут быть высокая сложность, невозможность их использования в некоторых режимах обучения (например при дистанционном обучении), высокая стоимость и т.д.
Таким образом, при создании виртуальных лабораторных практикумов весьма вероятным становится вопрос об использовании инструментальных систем программирования общего назначения, но перед тем, как перейти к их описанию, проведем классификацию виртуальных лабораторных практикумов по месту их развертывания и выполнения.
Ранее были рассмотрели примеры, когда все программное обеспечение, необходимое для работы ВЛП функционировало либо на локальном компьютере (клиенте), либо на сервере. В последнем случае клиент используется только для визуализации результатов расчетов. Кроме этих крайних случаев возможны и промежуточные случаи – клиент-серверная и сетевая архитектура построения виртуальных лабораторных практикумов. Проанализируем преимущества и недостатки таких подходов для создания ВЛП.
С одной стороны, развертывание виртуального лабораторного практикума на клиенте позволяет использовать для создания ВЛП практически любые технологии программирования, до недавнего времени такое построение приложений было единственно возможным. Преимуществом такого построение является его независимость от аппаратного и программного обеспечения, функционирующего вне компьютера, на котором выполняется ВЛП. Технологии создания локального программного обеспечения отработаны, ограничения на использование развитого графического пользовательского интерфейса, мультимедиа практически отсутствуют. Увеличение объемов жестких дисков персональных компьютеров, широкое распространение CD-ROM и DVD практически сняли ограничения на объем программных систем и используемых ими данных.
С другой стороны, при работе с локальными ВЛП пользователь предоставлен самому себе. Если в дисплейных классах учебного заведения установкой используемого в учебном процессе программного обеспечения занимаются квалифицированные специалисты, то дома всю работу по установке ВЛП и, если необходимо, настройке пользователь должен выполнять сам. Очень многое зависит от его/ее навыков, грамотно разработанных и отлаженных процедур и средств установки и настройки ВЛП.
При работе с локальными виртуальными лабораторными практикумами в условиях дисплейного класса имеются другие проблемы: в дисплейных классах с минимальными перерывами должны проводиться занятия по различным дисциплинам, так что либо на компьютерах дисплейного класса должно быть установлено и проверено на работоспособность всё программное обеспечение, используемое в учебном процессе, либо разработаны быстрые и надежные процедуры развертывания необходимого программного обеспечения перед проведением занятий на компьютерах дисплейного класса.
Чисто локальные приложения обладают ограниченными возможностями по их управлению со стороны преподавателей, проводящих занятия. Управление их выполнением (и индивидуализация обучения) осуществляется опосредованно через обучаемого. Трудность вызывает даже раздача индивидуальных заданий: либо выбор задания должен выполняться самим обучаемым, либо быть фиксированным (одно задание на всех обучаемых), либо с помощью датчиков случайных чисел.
В условиях дистанционного обучения доставка локальных виртуальных лабораторных практикумов реализуется либо по сети в случае небольших объемов программного обеспечения и данных, либо на CD-ROM. В последнем случае набор печатных учебных пособий, инструкций по использованию ВЛП и CD-ROM должен передаваться или пересылаться обучаемым по обычной почте перед началом проведения лабораторного практикума или для экономии средств и усилий по всем дисциплинам перед началом очередного семестра.
Клиент-серверная архитектура ВЛП предполагает распределение функций лабораторного практикума между сервером, установленным либо в вузе, либо у провайдера услуг Интернет, и клиентским программным обеспечением, установленным на компьютере обучаемого.
Возможны два крайних случая:
Вся функциональность сосредоточена на клиенте, здесь мы возвращаемся к случаю локального построения виртуального лабораторного практикума, отличающегося от классического только тем, что доставка программного обеспечения и данных реализуется через сеть, а установка — автоматически непосредственно после загрузки на компьютер пользователя.
Вся функциональность виртуального лабораторного практикума сосредоточена на сервере, а программное обеспечения на клиенте используется только для ввода данных и отображения полученных с сервера результатов. Обычно в качестве такого программного обеспечения используется браузер.
Достоинством такого построения виртуального лабораторного практикума являются минимальные требования к развертыванию: включил компьютер, подключился к Интернет, ввел в адресной строке браузера адрес сервера или щелкнул на нем в списке Избранное, после чего можно начинать работать с ВЛП. Другим достоинством является высокая степень стандартизации: на клиенте, сервере и в сети используются стандартное программное обеспечение и протоколы взаимодействия, имеется большое число технологий и инструментальных средств, позволяющих с умеренными усилиями разрабатывать такие системы.
Недостатки функционирования виртуальных лабораторных практикумов на сервере также очевидны. Использование браузера для ввода данных и отображения информации обусловливает достаточно бедный пользовательский интерфейс, передача данных с клиента на сервер и обратном направлении может занимать достаточно много времени. Эти задержки могут сказаться на комфортности работы обучаемого, что весьма важно для информационных систем учебного назначения. В течение всего времени выполнения лабораторной работы обучаемый должен находиться в оперативном режиме, подключенным к серверу.
При разработке виртуальных лабораторных практикумов, функционирование которых осуществляется в основном на сервере, необходимо учитывать необходимость масштабирования системы, во всяком случае, необходимо тестировать, будет ли ВЛП удовлетворительно работать в случае одновременного обращения к нему большого числа пользователей. В случае снижения производительности необходимо обеспечивать дублирование виртуальных лабораторных практикумов на других серверах или установку ВЛП на web-фермах. Последнее решение предпочтительно, так как для обучаемого ничего не изменится при работе с ВЛП, в то же время на стороне сервера будет осуществляться распределение нагрузки между несколькими компьютерами.
Функционирование виртуального лабораторного практикума на сервере накладывает серьезные ограничения на объем передаваемых данных между сервером и клиентом, хорошим правилом является, чтобы задержка при взаимодействии клиента и сервера на наименее производительном допустимом подключении обучаемого к сети не превышала 10…5 секунд. Пусть минимальная допустимая производительность используемого подключения составляет 30 Кбит/с, тогда допустимый объем данных, передаваемых между клиентом и сервером при каждом взаимодействии, не должен превышать 30…50 Кб.
Перейдем теперь к рассмотрению других способов взаимодействия между клиентом и сервером. Например для улучшения графического пользовательского интерфейса виртуального лабораторного практикума можно использовать специальные программные модули, выполняемые в контексте браузера, либо вообще заменить браузер специализированным клиентом. Первый способ используется достаточно широко, например для отображения фильмов Macromedia Flash, о чем поговорим далее при обсуждении программных технологий, используемых при разработке ВЛП. Создание специализированного клиента достаточно трудоемко и должны быть серьезные причины для реализации такого подхода.
В ряде случаев при разработке виртуальных лабораторных практикумов удается реализовать так называемый отсоединенный режим работы, когда функциональность лабораторного стенда сосредоточена на клиенте, подключение к сети используется только на начальной стадии работы с лабораторным стендом для его загрузки, настройки, получения данных и индивидуального задания, необходимых для выполнения лабораторной работы. Выполнение виртуальной лабораторной работы может осуществляться в автономном режиме без подключения к сети. На наш взгляд, в настоящее время такое построение оптимально для ВЛП многоцелевого назначения, т.е. эксплуатируемых в условиях очной и дистанционной форм обучения.
Несколько слов необходимо сказать о распределенном построении виртуальных лабораторных практикумов, когда часть функций выполняется на клиенте, а часть на сервере. Для этого используются так называемые удаленные вызовы процедур. До сих пор рассматривались случаи, когда клиент и сервер обменивались только данными. Однако можно сделать так, чтобы при работе клиент мог вызывать процедуры, которые будут выполняться не локально, а на сервере. Данный подход называется распределенным или сетевым и позволяет очень гибко распределить функциональность между клиентом и сервером. При программировании клиента вызов функций на сервере выглядит для программиста точно так, как и локальный вызов, он выполняется с помощью специальных заглушек, построение которых с помощью современных средств программирования, например Visual Studio.Net требует минимальных дополнительных усилий. Сетевая архитектура предполагает постоянное подключение клиента к сети и взаимодействие с сервером во время выполнения лабораторной работы.
Рассмотрев распределение функций между клиентом и сервером, перейдем теперь к обсуждению применения различных технологий создания ВЛП.
Для создания виртуальных лабораторных практикумов, особенно локальных, могут быть использованы практически любые современные системы программирования. Выбор здесь существенно определяется пристрастиями и возможностями разработчиков. Основной платформой, для которой следует разрабатывать виртуальные лабораторные практикумы, является семейство операционных систем Windows. В то же время необходимо рассматривать возможность применения виртуальных лабораторных практикумов и на других платформах, например Linux, а также карманных компьютерах.
Основными инструментальными системами для создания локальных ВЛП на платформе Windows являются Borland Delphi, языком программирования в котором является диалект языка программирования Pascal. Широко используются также языки Visual Basic и C++ и инструментальная среда разработки Microsoft Visual Studio. Последняя платформа разработки не позволяет реализовать перенос ВЛП на другие платформы, в то же время программы, созданные с помощью Borland Delphi могут быть, хотя и не непосредственно, перенесены на Linux.
Практически напрямую вопрос миграции на различные платформы решается при разработке ВЛП на Java. Java позволяет создавать не только локальное, но и клиент-серверное и сетевое программное обеспечение. Программы на Java компилируются в так называемый байт-код, который не зависит от платформы. При запуске программы на выполнение байт-код интерпретируется виртуальной машиной Java. Виртуальные машины Java имеются практически для всех широко используемых в настоящее время платформ. За легкость переноса и компактность байт-кода приходится платить высокими требованиями к аппаратным средствам компьютеров, на которых выполняются Java-программы, особенно при использовании графических пользовательских интерфейсов. Для Java имеется большое число инструментальных сред быстрой разработки программного обеспечения, например Borland JBuider.
Очень коротко остановимся на новой платформе программирования для Windows – .Net. Во многом эта платформа похожа на Java, в ее основе лежит промежуточный язык CLI, который также зависит от платформы, при запуске программы не интерпретируется, а докомпилируются в машинный код целевого компьютера. Использование промежуточного кода позволяет легко сочетать программный код, написанный на различных языках программирования. Microsoft в настоящее время поддерживает языки программирования C++.Net, VB.Net, J# и C#. Имеется достаточно большое число реализаций других языков программирования, включая Perl, Python, Fortran. Платформа .Net обладает очень обширным и разумно организованным набором библиотек классов и позволяет создавать приложения различных видов, включая web-приложения и приложения для карманных компьютеров.
Основной инструментальной средой разработки программного обеспечения для .Net является Visual Studio .Net. У Microsoft имеется академическая программа, позволяющая вузам, отдельным преподавателям и студентам приобретать Visual Studio.Net по приемлемым ценам (см. http://www.softline.ru).
Borland поддерживает инструментальные интегрированные системы разработки для Delphi и нового языка программирования C# (C#Builder) на платформе .Net.
Похоже, что выход в 2006 году следующей версии Windows .Net станет основной платформой программирования для этой операционной системы и о Win32 постепенно придется забыть. В настоящее время для исполнения приложений .Net на компьютере должна быть установлена среды выполнения, объем которой составляет 20 Мб. В дальнейшем среда выполнения .Net будет устанавливаться вместе с операционной системой (это уже имеет место для Windows 2003 Server).
Существенно, что .Net сообществом разработчиков программного обеспечения перенесен на Linux и различные версии UNIX (см. http://www.mono-project.com/about/index.html, а также http://go-mono.com и http://www.dotgnu.org), это позволяет надеяться, что .Net станет распространенной платформой для разработки программного обеспечения широкого назначения.
Остановимся кратко на платформах разработки серверных и клиентских частей ВЛП.
Серверная часть ВЛП должна обеспечивать следующие функции:
отображение описаний лабораторных работ,
доставку клиентских приложений на компьютер обучаемого,
формирование и передачу индивидуальных заданий,
взаимодействие между клиентской и серверной частью ВЛП во время проведения лабораторной работы, если последнее необходимо.
Основной протокол, используемый для взаимодействия между клиентом и сервером, является HTTP – стандартный протокол Всемирной паутины, более 70% трафика Интернет передается по этому протоколу. Других возможностей не рассматриваем по простой причине — использование других менее стандартных решений может привести к отказам работы ВЛП. Это связано с тем, что системные администраторы, обеспокоенные безопасностью своих сетей, стараются закрыть лазейки для проникновения злоумышленников и вирусов, отключая всякую экзотику. В частности, поэтому последние годы несколько упала популярность сетевых приложений, использующих удаленные вызовы процедур, так как с ними связано несколько способов проникновения и заражения систем. Поэтому не удивляйтесь, если, используя при работе виртуального лабораторного практикума удаленные вызовы процедур, в один прекрасный момент окажется, что ВЛП перестал работать либо у всех, либо у отдельных пользователей.
Таким образом, естественным выбором протокола общения между серверной и клиентской частями виртуального лабораторного практикума является HTTP, тем более, что и удаленный вызов процедур можно осуществлять поверх HTTP.
Выбор программного обеспечения для создания и обеспечения работы серверной части в основном обусловливается организационными причинами, так как на web-сервере кроме ВЛП обычно функционирует большое число сайтов и других web-приложений.
В настоящее время наиболее популярными web-серверами является бесплатно распространяемый Apache, версии которого имеются для практически всех широко используемых серверных платформ, и Microsoft Internet Information Server (IIS) для платформы Windows.
Для разработки web-приложений, работающих под управлением Apache, в основном используются PHP (http://www.php.net/), реже язык программирования Perl (http://www.activestate.com/), а также сервлеты Java и Java Server Pages (http://java.sun.com/products/jsp/). Основным достоинством перечисленных технологий является многоплатформенность — возможность работы с различными операционными системами и web-серверами.
На платформе Windows и под управлением IIS возможно использование перечисленных выше технологий, но дополнительно можно разрабатывать серверную часть виртуального лабораторного практикума с помощью фирменных технологий Microsoft – ASP и ASP.Net. Здесь мы только отметим, что ASP.Net является очень мощной и развитой технологией для создания серверных web-приложений различного назначения, а использование Visual Studio.Net позволяет делать это с высокой производительностью [12.12 – 12.15].
В целом выбор средств для написания серверной части ВЛП определяются в конечном итоге вкусами и предпочтениями администратора системы, на которой предполагается ее эксплуатировать. Это не очень сложная задача, если основная функциональность лабораторных стендов сосредоточена в клиентской части, так что системный администратор является первым кандидатом на роль разработчика серверной части ВЛП, тем более ему же придется эту часть эксплуатировать.
В заключение напомним, что при проектировании серверной части ВЛП необходимо предусматривать возможность сохранения состояния виртуального лабораторного практикума и возобновления работы в случае разрыва соединения.
На разработке клиентского программного обеспечения, использующего специализированные клиенты, не будем.
Браузер представляет собой естественную и удобную среду для виртуальных лабораторных стендов – действительно, описания лабораторных работ отображаются с помощью встроенных средств, а сами лабораторные стенды могут быть загружены и выполняться в контексте браузера.
Одной из весьма привлекательных возможностей создания виртуальных лабораторных стендов, функционирующих в контексте браузера Internet Explorer, являются ActiveX DLL. Это приложения Windows, которые могут быть автоматически загружены через сеть и выполняться в контексте браузера.
Создание таких программ не более сложно, чем создание обычных локальных программ, может осуществляться с помощью, например Borland Delphi или Microsoft Visual Studio, просто необходимо учитывать отличия в возбуждении событий в ActiveX DLL, функционирующих в контексте Internet Explorer, и в обычных локальных приложениях Windows.
Достоинство такого подхода — широкие графические и медийные возможности, а также привычная среда программирования приложений. Недостатков данного подхода несколько, основным из которых является необходимость разрешения установки на клиентском компьютере компонентов ActiveX.
После установки эти компоненты могут делать на компьютере пользователя все, что разрешено самому пользователю, например стереть содержимое жестких дисков. ActiveX широко применяются злоумышленниками в качестве среды распространения вирусов, а также незаконного проникновения. В случае принятия решения об использовании ActiveX для создания виртуальных лабораторных стендов необходимо предусмотреть организационные меры, которые бы обеспечили безопасность компьютеров обучаемых. К таким мерам можно отнести: цифровую подпись устанавливаемых компонентов, четкие инструкции по настройке браузера и установке лабораторных стендов на стороне пользователей.
Другим недостатком являются большие объемы компонентов в случае применения графики и средств мультимедиа.
Исторически первой платформой для создания клиентских web-приложений являются Java-апплеты. Созданная в 1995 году платформа Java первоначально предназначалась именно для этого. В настоящее время Java в основном позиционируется для разработки серверных и частично локальных приложений.
Технология апплетов Java позволяет создавать приложения, выполняющиеся в контексте практически любого браузера. Однако базовые возможности создания пользовательского интерфейса – библиотека AWT – достаточно бедна, а более современная библиотека Swing, предъявляет высокие требования к аппаратным ресурсам. В апплеты Java встроены разумные средства безопасности, позволяющие обезопасить компьютеры клиентов от вредоносных программ. Java имеет встроенные средства создания повторно используемых компонентов – JavaBeans, библиотеки классов для работы с сетью, мультимедиа, трехмерной графикой. К недостаткам Java можно относятся высокие требования к уровню программистской подготовки разработчиков приложений.
Апплеты Java используются в качестве платформы для создания виртуальных лабораторных работ по физике, химии и биологии отечественной компанией «Физикон» (http://www.physicon.ru/).
Следующей обсуждаемой здесь платформой для создания виртуальных лабораторных стендов является динамический HTML [12.16]. В некотором смысле динамический HTML является естественной платформой для создания клиентских web-приложений, функционирующих в контексте браузера. Связано это с тем, что все элементы технологии, включая собственно HTML, используемый для описания web-документов, CSS — средства стилевого оформления документов, объектная модель документа (DOM), язык программирования JavaScript поддерживаются современными браузерами. Однако неприятность состоит в том, что поддержка рассмотренных технологий в браузерах существенно различается. Различия имеются не только в основных, но даже точечных версиях браузеров.
Библиотеки объектов динамического HTML, а также набор виртуальных устройств, включая цифровые измерительные приборы [12.16], позволяет использовать данную платформу для создания ВЛП. Привлекательной чертой динамического HTML является его простота, –лабораторные работы можно создавать при участии студентов (http://ftemk.mpei.ac.ru/auth/). К недостаткам динамического HTML следует отнести существенную зависимость от версий браузеров, а также необходимость использования растровой графики, что утяжеляет стенды виртуальных лабораторных работ. Особой беды в этом нет, так как можно организовать предварительную многопоточную загрузку используемых данных, незаметно для пользователя.
Однако разработчики должны тщательно контролировать и оптимизировать объем графических данных, необходимых для выполнения виртуальных лабораторных работ. Средний объем лабораторных стендов составляет 300…400 Кб, что является приемлемым для нормально функционирующего коммутируемого соединения. На рис. 12.39 приведен виртуальный лабораторный стенд, созданный с использованием технологии динамического HTML.
Очень интересной средой разработки клиентских web-приложений служит Curl (см. http://www.curl.com). Данная система представляет собой законченную платформу программирования, включая язык разметки документов, по мощности сопоставимый с HTML, мощный язык программирования, к сожалению, имеющий не особенно привычный для современных программистов синтаксис LISP, интегрированную среду разработки. Имеются мощные объектные библиотеки, включая впечатляющие средства для работы с трехмерной графикой, а также средства для встраивания элементов мультимедиа.
Рис. 12.39. Виртуальные лабораторный стенд созданный с применением технологии динамического HTML
Выполнение программ осуществляется в специальном встраиваемом модуле. Встраиваемые модули, объемом около 20 Мб предназначены для браузеров Internet Explorer и Netscape Navigator. Краткая характеристика Curl – это прекрасная программистская платформа, разработанная сотрудниками MTI при участии Тима Бернерса-Ли, включающая в себя все, что нужно для разработки клиентских web-приложений. К сожалению, разработчики Curl опоздали. Если бы они выпустили Curl не позднее 2000 года, то сейчас это была бы основная платформа для разработки клиентских web-приложений. К недостаткам Curl относится также туманная политика лицензирования платформы. Нам так и не удалось выяснить условия использования Curl для разработки и эксплуатации виртуальных лабораторных комплексов в условиях российских вузов.
Перейдем теперь к перспективной платформе разработки сетевых виртуальных лабораторных практикумов, которая в основном и использовалась для разработки виртуальных лабораторных стендов ВЛП ЭТМ – это Macromedia Flash MX 2004 (версия 7.01 и 7.2). Применение Flash для разработки виртуальных лабораторных практикумов рассмотрено в приложениях 12.1 и 12.2.
Macromedia Flash рассматривается как дизайнерская платформа, используемая для создания динамической векторной графики для сайтов, игр и даже мультфильмов (достаточно вспомнить сериал про Масяню). Главным достоинством Flash является ее изначальная ориентация на web-приложения – используемые векторные графические средства позволяют создавать приложения очень малого объема (единицы-десятки килобайт, на рис. 12.40 приведен лабораторный стенд по исследованию поведения простейших клеточных автоматов, полный объем которого составляет всего 30 килобайт) и запускать их либо в отдельном приложении-проигрывателе, либо в браузере с помощью встраиваемого модуля. В настоящее время считается, что более 90 процентов пользовательских браузеров могут работать с Flash. В том случае, если встраиваемый модуль в браузере не установлен, он автоматически загружается и устанавливается при первом обращении к web-странице, содержащей фильм Flash.
Этим снимается проблема совместимости приложений, проигрываемых в различных браузерах, характерная для динамического HTML. Правда, проблема совместимости остается для различных версий Flash, например фильмы Flash, разработанные в интегрированной среде седьмой версии не всегда корректно функционируют в проигрывателе шестой версии, что требует контроля версии проигрывателя перед началом выполнения фильма.
Рис. 12.40. Виртуальный лабораторный стенд для исследования клеточных автоматов, реализующий различные варианты игры «Жизнь»
Наряду с мощными дизайнерскими средствами в Flash, начиная с версии 6.0, встроены достаточно мощные средства программирования: язык ActionScript (аналог JavaScript, достаточно близкий к стандарту ECMA-262 [12.17], с расширениями, специфическими для работы с объектами Flash, звуком и мультимедиа, сетью, XML и т.д.). В седьмой версии появились новые средства для объектно-ориентированного программирования, напоминающие возможности Java и C#. В данной версии они встроены в качестве надстройки на уровне компилятора, транслирующего новые конструкции языка в JavaScript.
Программы на ActionScript являются интерпретируемыми: это, с одной стороны, позволяет получать программный код минимального объема, но, с другой стороны, производительность программ, написанных на ActionScript, низкая. Этим, видимо, объясняется отсутствие встроенной библиотеки для работы с трехмерной графикой. Нам так и не удалось написать на Flash удовлетворительно работающей программы для визуализации фрактальных множеств, в то время как аналогичные программы, созданные с использованием Win32, работают достаточно быстро.
Macromedia Flash MX 2004 снабжен большим числом компонентов для создания пользовательского интерфейса, включая кнопки, раскрывающиеся списки, окна и т.д. Чувствуется замах Macromedia на позиционирование Flash в качестве полноценной платформы для создания клиентских web-приложений.
Представляется, что для создания полноценной платформы программирования Macromedia предстоит перейти от интерпретации к компиляции кода (как это сделано в случае Microsoft JScript.Net), кроме того, доработать средства программирования, например в Flash имеется, по крайней мере, четыре способа обработки событий. Нужно также унифицировать средства объектного программирования.
При разработке сравнительно больших приложений (несколько тысяч строк исходного текста) возникают трудности с их отладкой — перестают выводиться трассировочные сообщения.
Большинство компонентов пользовательского интерфейса Flash написаны на ActionScript, их исходные тексты входят в комплект поставки Flash. Данное обстоятельство очень помогает при разработке виртуальных лабораторных практикумов – поставляемая с Flash документация не слишком многословна.
Сказжем несколько слов о компонентах Flash, так как эти конструкции широко использованы при создании виртуальных лабораторных практикумов. Под компонентом во Flash понимается сочетание визуальных средств (клипов Flash) и классов ActionScript, наследуемых от класса UIObject или UIComponent.
Встраивание компонентов в фильмы Flash осуществляется двояко. Во-первых, компонент может быть перетащен мышью из библиотеки компонентов в ролик в интегрированной среде разработки, а затем в ней же настроен с помощью редактора свойств. На рис. 12.41 показана настройка компонента в интегрированной среде разработки.
Рис. 12.41. Настройка компонента в интегрированной среде разработки Flash
Данный подход позволяет перейти к так называемому сборочному программированию: сборке приложения из компонентов в интегрированной среде разработки с минимальным написанием кода.
Кроме того, компонент может быть включен в приложение программно с помощью вызова соответствующего метода и программного задания свойств компонентов.
Наряду с использованием имеющихся в комплекте поставки компонентов, можно создавать свои собственные компоненты, особенно в том случае, когда одинаковые компоненты, например цифровые измерительные приборы используются в нескольких лабораторных стендах.
Имеется большое число хорошо написанных книг, посвященных Flash, в частности [12.17 – 12.19], из книг по программированию на Flash отметим [12.17] и очень полное, но нудное руководство [12.19].
Ценным источником информации является сайт и форум разработчиков http://www.ultrashock.com, пожалуй, единственный источник по программированию компонентов Flash MX 2004.
Flash становится популярной платформой для создания ВЛП, в частности на рис. 12.42 изображен многофункциональный лабораторный стенд по дисциплине «Электрический привод».
Рис. 12.42. Многофункциональный виртуальный лабораторный стенд по дисциплине «Электрический привод»
Виртуальный лабораторный практикум по дисциплине воспроизводит возможности реального лабораторного практикума. Высокая насыщенность стенда виртуальными приборами привела к необходимости использования средств масштабирования стенда (рис. 12.43), повышающей комфортность проведения лабораторных занятий.
Рис. 12.43. Масштабирование виртуального лабораторного стенда
Теперь рассмотрим реализацию ВЛП на примере виртуального лабораторного практикума по электротехническому материаловедению. Постоянно в работе, продолжавшейся девять месяцев (почти два месяца ушло на подготовку и освоение технологий), участвовало два человека, в пик работы над проектом в нем принимало участие шесть человек.
На первой стадии были разработаны спецификации самого ВЛП, повторно используемых компонентов, включая виртуальные измерительные приборы (вольтметры, цифровые мосты, гальванометры), виртуальное оборудование (измерительные ячейки, термостаты и т.д.), вспомогательные средства (универсальный загрузчик виртуальных лабораторных стендов, компонент отображения индивидуальных заданий на проведение лабораторной работы), средства виртуальной сборки электрических схем стендов.
Удалось достичь высокой степени унификации: загрузка, описание и представление заданий на проведение лабораторной работы, порядок выполнения работ един для всех разработанных в настоящее время шести лабораторных работ ВЛП.
Для реализации серверной части ВЛП ЭТМ использовалась технология ASP.Net, клиентская часть создана с помощью Macromedia Flash 2004.
На второй стадии были разработаны компоненты виртуальных измерительных устройств и оборудования.
Часть каталога виртуальных устройств (каталог использовался на третьей стадии создания стендов – их сборки) приведена на рис. 12.44.
Рис. 12.44. Часть каталога виртуальных устройств
На третьей стадии с помощью приемов сборочного программирования с привлечением студентов осуществлялась сборка лабораторных стендов. Это позволило сборщикам сосредоточиться на алгоритмах функционирования лабораторных работ, не отвлекаясь на создание пользовательского интерфейса.
Управление выполнением лабораторных работ осуществляется данными. Это позволяет легко расширять функциональность лабораторных работ, создавая новые задания на их выполнение. Индивидуальные задания для выполнения лабораторных работ подготавливаются в виде XML-файлов, унифицированный модуль загрузки позволяет, с одной стороны, использовать эти данные, а, с другой – отображать их обучаемому. Пример задания на загрузку лабораторных стендов и данных приведен ниже:
<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<loadSetting>
<title>
Лабораторная работа №1.
Электропроводность твердых диэлектриков
</title>
<items>
<!--Описание варианта-->
<item object="variant.xml" target="xml" type="xml"/>
<!--Зависимость удельного объемного сопротивления
от температуры-->
<item object="tTask.xml" target="xml" type="xml"/>
<!--Зависимость удельного поверхностного сопротивления от
напряжения-->
<item object="usTask.xml" target="xml" type="xml"/>
<!--Зависимость удельного объемного сопротивления от
напряжения-->
<item object="uvTask.xml" target="xml" type="xml"/>
<!-- Ролик с лабораторными стендами -->
<item object="01.swf" target="1" type="level"/>
</items>
</loadSetting>
Представленное описание включает в себя наименование лабораторной работы, отображаемое загрузчиком, описание заданий (формируется на сервере) и описание файла с исполняемым модулем Flash, реализующим виртуальный лабораторный стенд.
Далее приводится описание задания одного эксперимента виртуальной лабораторной работы:
<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<object name="tTask">
<!-- Описание задания -->
<task name="Эксперимент 1 (всего экспериментов 3)"
value="Снять зависимость удельного объемного сопротивления
от температуры ?v(T)"/>
<task name="Образец" value="Полиэтилентерефталат (ПТЭФ)"/>
<task name="Начальная температура (градусы Цельсия)" value="20"/>
<task name="Конечная температура (градусы Цельсия)" value="240"/>
<task name="Шаг по температуре (градусы Цельсия)" value="10"/>
<task name="Толщина образца (h, мм)" value="0.25"/>
<task name="Диаметр внутреннего электрода (Dвнутр, мм)"
value="50"/>
<task name="Диаметр внешнего электрода (Dвнешн, мм)" value="54"/>
<task name="Напряжение на образце (U, B)" value="600"/>
<task name="Постоянная гальванометра (К, А/деление)"
value="3.5e-8"/>
<!-- Данные для функционирования лабораторной работы -->
<!-- Наименование образца -->
<string name="sampleName" value="ПЭТФ"
dsc="Полиэтилентерефталат (ПЭТФ)"/>
<!-- Минимальная температура -->
<number name="minT" value="20"
dsc="Минимальная температура" units=" C"/>
<!-- Максимальная температура -->
<number name="maxT" value="240"/>
<!-- Время нагрева в минутах от минимальной
до максимальной температуры -->
<number name="duration" value="0.3"/>
<!-- Толщина образца в миллиметрах -->
<number name="h" value="0.25"/>
<!-- Внутренний диаметр электрода в миллиметрах -->
<number name="D1" value="50"/>
<!-- Внешний диаметр электрода в миллиметрах -->
<number name="D2" value="54"/>
<!-- Напряжение на образце, в вольтах -->
<number name="U" value="600 В"/>
<!-- константа гальванометра -->
<number name="gConst" value="5e-4"/>
<!-- Массив полных сопротивлений, Ом -->
<object name="R">
<number name="0" value="18502718"/>
<number name="1" value="11675792"/>
<number name="2" value="4649304"/>
<number name="3" value="116894"/>
<number name="4" value="11696"/>
<number name="5" value="1170"/>
<number name="6" value="294"/>
</object>
<!-- Массив температур, С -->
<object name="T">
<number name="0" value="20"/>
<number name="1" value="60"/>
<number name="2" value="100"/>
<number name="3" value="140"/>
<number name="4" value="180"/>
<number name="5" value="220"/>
<number name="6" value="240"/>
</object>
</object>
Описание задания используется, с одной стороны, для визуализации его обучаемому, а, с другой — для описания функционирования лабораторного стенда. На рис. 12.45 приводится задание на выполнение лабораторной работы, автоматически генерируемое из XML-описаний.
Рис. 12.45. Задание на выполнение виртуальной лабораторной работы
Такое построение обладает существенным достоинством – функционирование лабораторного стенда в основном определяется заданием, получить которое можно только с сервера учебно-методического комплекса по электротехническому материаловедению и только авторизованным пользователям. Неавторизованные пользователи могут работать только с демонстрационным вариантом лабораторной работы.
Все лабораторные стенды комплекса имеют унифицированное построение. Первоначально перед обучаемым появляется окно универсального загрузчика с наименованием лабораторной работы (рис. 12.46).
Рис. 12.46. Универсальный загрузчик лабораторных стендов
Щелкнув мышью на наименовании работы, обучаемый следит за процессом загрузки исполняемых модулей и данных. После завершения загрузки перед обучаемым появляется задание на выполнение лабораторной работы, которое было представлено ранее на рис. 12.45.
Выполнение лабораторных работ включает в себя проведение нескольких экспериментов, лабораторный стенд для проведения эксперимента расположен на отдельной вкладке. Так, на рис. 12.47 представлен лабораторный стенд для исследования зависимости удельного объемного сопротивления от температуры.
Рис. 12.47. Виртуальный стенд для исследования зависимости удельного объемного сопротивления твердых диэлектриков от температуры
Выполнение каждого эксперимента виртуальной лабораторной работы начинается со сборки электрической схемы, коммутация осуществляется перетаскиванием мышью клемм соединяемых элементов. Если коммутация выполняется правильно, то соединение становится видимым, в противном случае клемма медленно возвращается на место. Включить лабораторный стенд и приборы можно только после сборки схемы.
Стенд, готовый для проведения измерений удельного объемного сопротивления твердых диэлектриков, показан на рис. 12.48.
Измерения проводятся следующим образом: после включения термостата для каждой температуры, указанной в задании, обучаемый изменяет значение шунта гальванометра (баллистического измерителя тока) так, чтобы его отклонение было максимальным, но не выходило за пределы шкалы. Измеренное значение отклонения записывается в лабораторный журнал, после чего производится расчет сначала сопротивления образца, а затем и удельного объемного сопротивления материала.
Рис. 12.48. Измерение удельного объемного сопротивления твердых диэлектриков от температуры
По аналогии с реальным лабораторным стендом, если обучаемый не будет аккуратно выставлять значение шунта при уменьшении сопротивления образца, виртуальный лабораторный стенд «выйдет из строя» и эксперимент придется начать сначала. Если очередная точка измерения пропущена, то термостат придется выключить, дождаться установления пропущенной температуры, выполнить измерения и включить термостат.
Исследование зависимости удельного объемного сопротивления от приложенного напряжения отличается тем, что фиксируется температура образца и осуществляется изменение приложенного напряжения с помощью кнопок, расположенных на источнике питания (рис. 12.49).
Рис. 12.49. Исследование зависимости удельного объемного сопротивления от приложенного напряжения
Стенд для измерения удельного поверхностного сопротивления отличается от рассмотренных стендов электрической схемой (рис. 12.50).
Заметим, что использованный в виртуальном лабораторном практикуме по электротехническому маериаловедению способ описания экспериментов позволяет легко менять индивидуальные задания на выполнение лабораторных работ. Например если требуется исследовать зависимость удельного объемного сопротивления от температуры не для одного, а для трех материалов, достаточно сделать ссылки на файлы с описаниями этих экспериментов в файле ini.xml (пример такого файла приведен на стр. 878) и добавить два файла описаний экспериментов (пример описания представлен на стр.879). Теперь после запуска лабораторного стенда, он будет содержать не четыре, а шесть вкладок со стендами для экспериментов. Соответственно будет дополнено отображаемое пользователю описание задания, название материала образца отображается в верхней части термостата, как показано на рис. 12.50.
Рис. 12.50. Стенд для измерения удельного поверхностного сопротивления
Высокая унификация используемых виртуальных компонентов и технологий позволило существенно сократить трудоемкость разработки виртуального лабораторного практикума.
Новый стенд создается на основе компонента-основы, реализующего панель с набором вкладок. Напомним, что число вкладок и надписи на них определяются не программным кодом, а данными – содержимым XML-файлов.
На каждую используемую вкладку (сцену в терминологию Macromedia Flash) сначала перетаскивается дизайнерская заготовка, используемая для контроля размещения виртуальных устройств.
Нарисованные дизайнером картинки постепенно заменяются предварительно созданными компонентами, которые перетаскиваются мышью из библиотеки специальных компонентов, после чего осуществляется их настройка в интегрированной среде разработки Macromedia Flash. Настройка сводится к выбору цветов из палитры, вводу надписей, выбору значений свойств из палитры в инспекторе свойств интегрированной среды разработки.
Сборочное программирование предполагает написание интегрирующего кода, который представляет собой в основном обработчики событий компонентов.
В качестве примера рассмотрим, как обеспечивается сборка электрической схемы стенда. Каждое видимое соединение является именованным клипом Flash, на который визуально накладывается компонент соединения Connection так, чтобы клипы видимого соединения и компонента совпадали. После этого достаточно ввести имя клипа видимого соединения в качестве значения свойства компонента. Теперь соединение можно тестировать – оно становится видимым только после корректного перетаскивания мышью клемм соединения.
При использовании нескольких соединений необходимо написать простую функцию, проверяющую, все ли требуемые соединения выполнены. Если это так, функция должна разблокировать включение стенда. Функцию нужно поместить во все обработчики события соединения экземпляров компонента Connection.
Примерно так же осуществляется программирование других функций лабораторного стенда.
Приведем изображения других лабораторных стендов, входящих в состав ВЛП.
Лабораторный стенд, позволяющий исследовать зависимости диэлектрической проницаемости и потерь в твердых диэлектриках от температуры и приложенного напряжения, изображен на рис. 12.51.
Рис. 12.51. Виртуальный лабораторный стенд для исследования диэлектрической проницаемости и потерь твердых диэлектриков
Наиболее сложной и многофункциональной в виртуальном лабораторном практикуме по электротехническому материаловедению является лабораторная работа, посвященная исследованию магнитных свойств электротехнических материалов (рис. 12.52).
Рис. 12.52. Виртуальный стенд для исследования магнитных свойств электротехнических материалов
Лабораторный стенд для исследования пробоя твердых диэлектриков приведен на рис. 12.55.
Рис. 12.53. Лабораторный стенд для исследования пробоя твердых диэлектриков
Отметим, что в данной виртуальной лабораторной работе все манипуляции с образцами, включая установку новых образцов взамен пробитых, осуществляется с помощью перетаскивания мышью.
Стенды для исследования электрофизических свойств проводниковых и полупроводниковых материалов приведены на рис. 12.54 и 12.55.
В процессе работы над виртуальным лабораторным практикумом наработано большое число различных программных компонентов Flash, например на рис. 12.56 изображен стенд для демонстрации фигур Лиссажу, содержащий многофункциональный многолучевой осциллограф. Этот стенд использовался для отработки технологии сборки стендов.
Рис. 12.54. Лабораторный стенд для исследования проводниковых материалов
Рис. 12.55. Лабораторный стенд для исследования полупроводниковых материалов
Рис. 12.56. Фигуры Лиссажу на виртуальном осциллографе
Компонент осциллографа создан на основе класса для вывода графиков функций, некоторые возможности которого приведены на рис. 12.57.
Компоненты Flash, разработанные для ВЛП, распространяются свободно и могут быть использованы и для создания виртуальных лабораторных практикумов по другим инженерным дисциплинам.
Рис. 12.57. Средства для вывода графиков функций
Организация проведения виртуальных лабораторных занятий определяется архитектурой виртуального лабораторного практикума. Здесь обсуждаются только технические вопросы, так как методика проведения виртуальных лабораторных занятий зависит от дисциплины и поставленных задач.
Дистрибутив виртуального лабораторного практикума может распространяться на CD-ROM или загружаться через Интернет. В любом случае должна быть подробная, пошаговая и доступная всем обучаемым инструкция по получению, установке и применению ВЛП. Более того, необходимо иметь два комплекта инструкций: первый для развертывания ВЛП в дисплейных кафедрах вуза, где это осуществляется либо системными администраторами дисплейных классов, либо преподавателями, проводящими занятия, а второй – самими обучаемыми.
Во втором случае нужна организация службы технической поддержки, которая могла бы по электронной почте и/или телефону давать консультации по установке и применению виртуальных лабораторных практикумов. По мере накопления опыта работы с ВЛП необходимо систематизировать часто задаваемые вопросы, ответы на них и публиковать на сайтах учебного заведения.
Если описания виртуальных лабораторных работ, образцы оформления отчетов, средства опроса и теоретические сведения не встроены в ВЛП, необходимо четко указать их местонахождение и правила использования. Ссылки на эту информацию должны многократно повторяться, так как стандартной ситуацией является попытка установки и применения программного обеспечения без чтения каких-либо инструкций.
Желательно, чтобы обучаемый знал, что он должен делать во время проведения лабораторных занятий. Если при очной форме обучения преподаватель осуществляет инструктаж и проверяет готовность обучаемых перед началом проведения лабораторной работы, то при дистанционном доступе к виртуальному лабораторному практикуму обучаемый остается один на один с системой. Именно поэтому необходимо организовать взаимодействие преподавателя с обучаемыми. Следует отметить, что большинство вопросов сводится к тому, что нужно делать при выполнении работы, как получить задание на выполнение лабораторной работы, как оформить отчет, как осуществляется защита лабораторной работы. Примерно 90% вопросов снимается, если ответы на них имеются в описании лабораторной работы, а при получении таких вопросов преподаватель может отослать обучаемого к описанию.
Проследим организацию выполнения виртуальных лабораторных работ на примере ВЛП ЭТМ.
Основным способом применения ВЛП ЭТМ является использование его в составе учебно-методического комплекса по электротехническому материаловедению (УМК ЭТМ) (рис. 12.58).
Рис. 12.58. Виртуальный лабораторный практикум в составе учебно-методического комплекса по электротехническому материаловедению
Существенным фактором, определяющим трудоемкость использования комплекса, является создание учетных записей пользователей, поэтому в административную подсистему комплекса встроен апплет генерации этой информации для студентов МЭИ. Данные для создания учетных записей извлекаются из Общеуниверситетской системы электронной почты (ОСЭП). Информация об учетных записях (пользовательское имя, пароль, группа, список приложений комплекса, к которым разрешен доступ) рассылаются по электронной почте. Таким образом, осуществляется обеспечение дистанционного режима проведения лабораторных занятий.
При проведении лабораторных занятий в дисплейных классах рекомендуется распечатывать список группы с данной информацией, как показывает опыт, более 30% студентов приходят на занятия, не имя информации по своей учетной записи.
Комплекс работает в двух основных режимах: демонстрационном и рабочем. Пользователь по умолчанию входит в комплекс в демонстрационном режиме, в этом случае он/она может выполнить любую лабораторную работу виртуального лабораторного комплекса, но с фиксированным заданием. При этом выполнение работы никак не учитывается системой.
При входе в рабочий режим пользователь должен пройти аутентификацию (рис. 12.59). Переходя к аутентификации, необходимо щелкнуть на одноименной строке в оглавлении комплекса (рис. 12.58). Для аутентификации обучаемый должен ввести имя пользователя, группу и пароль.
После этого при первом обращении осуществляется случайная генерация номера варианта задания на выполнение лабораторной работы, вариант фиксируется в индивидуальном профиле обучаемого, так что при повторных обращениях к лабораторной работе обучаемый выполняет одно и то же задание.
Все лабораторные работы имеют подробные описания. Теоретические сведения, необходимые для выполнения и защиты лабораторных работ, содержатся в электронном учебнике, входящем в состав комплекса.
При разработке ВЛП ЭТМ считалось, что лабораторные стенды должны отображаться в отдельных всплывающих окнах. Это позволяет, выполняя лабораторную работу легко обращаться к ее описанию, отображаемому в основном окне.
Рис. 12.59. Аутентификация обучаемого в УМК ЭТМ
Однако последние тенденции по обеспечению безопасности (например установка Windows Service Pack 2 подавляет открытие всплывающих окон) привели к необходимости самому пользователю определять, каким образом ему работать с лабораторными стендами: в начале и конце описания каждой виртуальной лабораторной работы имеются гиперссылки, позволяющие открыть стенд как в основном, так и всплывающем окне:
Напомним, что виртуальный стенд включает в себя вкладку задания на проведение лабораторной работы и, по крайней мере, одного эксперимента.
После загрузки стенда пользователь может отключиться от сети и выполнять работу в отсоединенном режиме. Выполнив виртуальную лабораторную работу, обучаемому необходимо оформить отчет (шаблон оформления отчета включен в описание лабораторной работы) и переслать его преподавателю по электронной почте, для чего понадобится подключение обучаемого к сети. Отчет должен содержать схемы проведения экспериментов, таблицы экспериментальных данных, их статистическую обработку, графики полученных зависимостей, сравнение с теорией и выводы.
Преподаватель проверяет отчет, делает свои замечания, задает вопросы, на которые обучаемому необходимо ответить письменно, и отсылает их обучаемому по электронной почте. Такое взаимодействие может осуществляться несколько раз.
Для проверки экспериментальных данных, содержащихся в отчете, преподаватель может обратиться к виртуальной лабораторной работе, предварительно аутентифицировавшись в УМК ЭТМ. В отличие от обучаемых преподаватель может выбрать вариант задания на выполнение виртуальной лабораторной работы из списка.
Взаимодействие преподавателя и студента завершается выставлением преподавателем оценки за выполнение лабораторной работы, после чего обучаемый может просмотреть свои оценки, перейдя к странице комплекса «Оценки за выполнение обязательных заданий».
В качестве крайней меры предусмотрено выполнение лабораторного практикума в виде локального приложения. Трудность использования этого режима в основном организационная и состоит в том, что требуется изготовить индивидуальный дистрибутив виртуального лабораторного практикума и осуществить передачу индивидуальных дистрибутивов ВЛП обучаемым. Технически такая генерация осуществляется с помощью сценария Windows Scripting Host. Основное время занимает копирование дистрибутивов на электронные носители обучаемых.
Обычно себестоимость разработки программных и информационных систем представляет собой коммерческую тайну. Проведем, однако, ориентировочные оценки стоимости разработки виртуального лабораторного практикума, проводящейся в условиях вуза.
Условно разделим виртуальные лабораторные практикумы на две категории: тиражируемые и специальные. Тиражируемые ВЛП предназначены в основном для использования в учебном процессе по общеинженерным и общеобразовательным дисциплинам. В этом случае стоимость разработки можно разложить на тираж виртуального лабораторного практикума. Обычно тиражируемые ВЛП производят специализированные фирмы, примером может служить деятельность фирмы «Физикон» (http://www.physicon.ru/). Разработку осуществляет большой профессиональный коллектив, включающий в себя не только преподавателей-авторов ВЛП, но и квалифицированных разработчиков программного обеспечения и дизайнеров.
Близким к организации создания виртуального лабораторного практикума является производство компьютерных игр, обычно начинающееся с создания «движка» (программного ядра), которое затем обеспечивает сравнительно легкое развитие разработки (создание новых персонажей, сценариев и т.д.). Создание компьютерной игры может занимать несколько лет (DOOM 3 разрабатывался около четырех лет) и стоить десятки миллионов долларов.
Очевидно, что в условиях российской высшей школы такой подход не всегда применим, особенно, когда дело касается малотиражных виртуальных лабораторных комплексов по специальным дисциплинам. В этом случае единственной возможностью является использование внутренних резервов – высококвалифицированных сотрудников вуза, аспирантов и студентов, а также упрощенных подходов.
Скорее всего, виртуальный лабораторный практикум, созданный усилиями не профессионального коллектива разработчиков, а преподавателей-предметников, аспирантов и студентов, будет выглядеть хуже, обладать меньшим набором функций, но его можно использовать в учебном процессе, причем стоимость такой «внутренней» разработки отличается на порядок величины от «профессиональной» разработки и может быть профинансирована самим вузом.
Тиражирование и продажа «коробочных» версий виртуальных лабораторных практикумов не окупает затраты на разработку, а в случае удачной разработки распространением займутся пираты при стоимости носителя с системой от 80 до 200 рублей. Опыт распространителей игр показывает, что лицензионные копии продаются только в том случае, когда их стоимость не слишком отличается от пиратских копий. Такой подход к распространению ВЛП едва ли возможен – слишком низки тиражи.
Реально на рынке имеют ценность только образовательные услуги, завершающиеся получением диплома. В случае виртуального лабораторного практикума – это услуги по преподаванию дисциплины, консультированию, т.е. то, чем должен заниматься преподаватель-предметник. Виртуальный лабораторный практикум повышает качество и доступность образовательных услуг, а также расширять их рынок, позволяя выполнять все или часть лабораторных заданий дистанционно, в удобное для обучаемых время, например по вечерам или в выходные дни. Такой маркетинговый подход не нов. Его успешно используют фирмы, занимающиеся распространением программного обеспечения с открытым исходным кодом, например дистрибутивов Linux.
Для иллюстрации приведем ориентировочную оценку себестоимости создания ВЛП ЭТМ, введя условную единицу Х – месячную оплату труда программиста. Эти данные сведены в табл. 12.1.
Таблица 12.1. Оценка себестоимости создания ВЛП ЭТМ
|
№ |
Вид работы |
Стоимость человекомесяца в условных единицах |
Число человекомесяцев, необходимых для выполнения работ |
Стоимость работ в условных единицах |
|
1 |
Проектирование архитектуры ВЛП и выбор средств реализации |
1,5 |
1 |
1,5 |
|
2. |
Разработка компонентов Flash, необходимых для создания ВЛП |
1,5 |
3 |
4,5 |
|
3. |
Разработка дизайна виртуальных лабораторных работ |
0,5 |
2 |
1 |
|
4. |
Сборка 6 виртуальных лабораторных работ с использованием компонентов Flash |
1 |
6*0,5 |
3 |
|
5. |
Разработка серверной части ВЛП ЭТМ |
1,5 |
0,25 |
0,375 |
|
6. |
Подготовка и публикация описаний виртуальных лабораторных работ |
1 |
0,25*6 |
1,5 |
|
7. |
Комплексное тестирование ВЛП |
1 |
1 |
1 |
|
8. |
Всего |
|
|
|
Результаты оценки себестоимости приведены только для демонстрации, что виртуальные лабораторные комплексы могут быть оперативно созданы в условиях вуза за приемлемое время. Так разработка ВЛП ЭТМ началась в ноябре 2003 года, а была закончена в сентябре 2004 года, при этом больше двух месяцев заняло освоение программирования на Flash (ни один из разработчиков не имел опыта разработки Flash-приложений), все участники проекта сочетали свое участие в нем со своей основной деятельностью – преподаванием и обучением в вузе.
Список литературы
12.1. Арбузов Ю.В., Леньшин В.Н., Маслов С.И., Поляков А.А., Свиридов В.Г. О проекте отраслевого стандарта «Системы автоматизированного лабораторного практикума удаленного доступа». - «Проблемы информатизации высшей школы». Выпуск 3-4, 1997. – С. 65-72
12.2. Новый подход к инженерному образованию: теория и практика открытого доступа к распределенным информационным и техническим ресурсам / Ю.В. Арбузов, В.Н. Леньшин, С.И. Маслов, А.А. Поляков, В.Г. Свиридов; Под ред. А.А. Полякова. – М.: Центр-Пресс, 2000. – 238 с., ил.
12.3. Обрадович В.А., Маслов С.И., Арбузов Ю.В. Свидетельство об официальной регистрации базы данных для ЭВМ «Специализированная база данных «Политехническая Интернет Лаборатория», № 2004620220 от 10 сентября 2004 г.
12.4. Станкевич И.В. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ «Программный комплекс обеспечения коллективного доступа к удаленному лабораторному оборудованию по компьютерным сетям», № 2003611477 от 20 июня 2003 г.
12.5. Липай Б.Р., Маслов С.И., Стукалин В.Н. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ «Программно-технический комплекс по основам электротехники ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ», № 2003611852 от 7 августа 2003 г.
12.6. Арбузов Ю.В., Станкевич И.В., Стукалин В.Н. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ «Программно-технический комплекс по основам электроники операционные усилители», № 2003611894 от 14 августа 2003 г.
12.7. Арбузов Ю.В., Берилов А.В., Грузков Д.С., Станкевич И.В., Стукалин В.Н. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ «Программно-технический комплекс по основам электроники: “Выпрямительные устройства”», № 2004611887 от 16 августа 2004 г
12.8. Воронков Э.Н., Савинов И.С., Файрушин А.Р. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ «Программно-технический комплекс по основам электроники «Полупроводниковые диоды и транзисторы», № 2004612100 от 13 сентября 2004 г.
12.9. Бородулин В.Н., В.Н. Воробьев В.Н., Серебрянников С.В., Чепарин В.П. Электротехническое материаловедение. Лабораторные работы. – М.: изд-во МЭИ, 2001 г., – 80с.
12.10. Тревис Дж. LabVIEW для всех. – М.: изд-во ДМК Пресс, 2004 г., – 544 с.
12.11. Пейч Л.И., Точилин Д.А., Поллак Б.П. LabVIEW для новичков и специалистов. – М.: изд-во Горячая линия – Телеком, 2004 г., – 384 с.
12.12. Оньон Ф. Основы ASP.Net c примерами на C#. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. – 304 с.
12.13. Вильдермьюс Ш. Практическое использование ADO.Net. Доступ к данным в Internet. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. – 288 с.
12.14. Фролов А.В., Фролов Г.В. Визуальное проектирование приложений C#. – М.: изд-во «КУДИЦ-ОБРАЗ», 2003. – 512с.
12.15. Либерти Дж. Программирование на C#. – СПб: Символ-Плюс, 2003.–688 с.
12.16. Тихонов А.И. Динамический HTML. Изд-во Бином, Москва, 2001 –492 с.
12.17. Танксли Н., Байес Л., Элстад Дж. Учебное пособие сертифицированного разработчика в среде Macromedia Flash MX. М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2003. – 288 с.
12.18. Дронов В.А. Macromedia Flash 2004. – СПб.: БХВ-Петербург, 2004. – 736 с.
12.19. Рейнхард Р., Лотт Дж. Macromedia Flash MX Action Script. Библия пользователя. М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. 1280 с.