Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

ПОСТРОЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ НЕПРЕРЫВНОГО ОБРАЗОВАНИЯ НА ОСНОВЕ ИНТЕРНЕТ-ТЕХНОЛОГИЙ

Дьяченко А. В., Манжула В. Г., Попов А. Э., Семенихин И. Н., Толстобров А. П.,

3. ВИРТУАЛЬНЫЕ ЛАБОРАТОРНЫЕ ПРАКТИКУМЫ

На начальном этапе дистанционные технологии обучения использова­лись, в основном, при обучении гуманитарным специальностям и дисципли­нам, чаще всего экономического направления. Развитие технической, техно­логической, телекоммуникационной базы учебных заведений, увеличение доступности компьютерной техники для широких слоев населения привели к тому, что дистанционные и информационные технологии обучения прони­кают во все более широкие области, в том числе - в область инженерного об­разования.

Одной из важнейших составляющих инженерного образования явля­ется экспериментальная работа студентов, позволяющая закрепить теорети­ческие положения лекционного материала путем наглядной демонстрации изучаемых явлений и процессов. Естественно, что многие ВУЗы и инициа­тивные разработчики приступили к разработке и внедрению в учебный про­цесс так называемых «виртуальных лабораторных практикумов» (ВЛП). Слово «виртуальный» подчеркивает тот факт, что обучаемый не работает не­посредственно с изучаемым объектом, явлением или процессом, а получает информацию при посредстве неких, чаще всего - компьютерных, посредни­ков-носителей. В настоящее время разработаны десятки и сотни вариантов ВЛП, основанных на различных принципах, идеологиях, технологиях и при­званных решать различные учебные задачи. Ниже будут рассмотрены наибо­лее распространенные подходы к построению ВЛП.

Таким образом, работы по созданию ВЛП ведутся во многих ВУЗах РФ, есть несомненные успехи и настал момент интегрировать усилия и со­гласовать, хотя бы в общих чертах, политику данного направления. Пред­ставляется целесообразным, руководствоваться уже действующими норма­тивными актами (стандартами), регламентирующими создание учебного обо­рудования и программного обеспечения. В частности, в 1998 году принят от­раслевой стандарт ОСТ.19-98 "Системы автоматизированного лабораторного практикума". Данный стандарт ориентирован в основном на работу удален­ного пользователя с реальной экспериментальной установкой, однако в нем присутствуют положения, относящиеся к ВЛП, использующим модели и имитаторы реальных объектов.

Одним из важнейших достоинств ОСТ.19-98 является определение терминологии, что снимает ряд разночтений и вариантов толкований:

• Система автоматизированного лабораторного практикума. Синоним- "автоматизированная система лабораторного практикума". Ком­плекс технических, программных и методических средств, обеспе­чивающих автоматизированное проведение лабораторных работ иэкспериментальных исследований непосредственно на физическихобъектах и (или) математических моделях.
• Удаленный компьютерный доступ. Режим функционирования сис­темы АЛП, при котором работа с физическим объектом осуществ­ляется с компьютера, удаленного на сколь угодно большое расстоя­ние от места размещения самого объекта.
• Объект системы АЛП. Физический объект (лабораторный стенд,промышленная установка и т.д.), используемый для обучения илиэкспериментального исследования по определенной тематике илигруппе дисциплин (отдельной дисциплине или ее части).
• Субъект системы АЛП. Пользователь системы АЛП (обучаемый,преподаватель, лаборант и т.д.), работающий в настоящий момент собъектом системы АЛП.
• Подсистема АЛП. Часть системы АЛП, отличающаяся функцио­нальным назначением (например, подсистема автоматизированногоуправления физическим объектом, подсистема измерения и сбораданных, подсистема телекоммуникации и т.п.).
• Объектовый уровень системы АЛП. Совокупность подсистем АЛП,территориально размещаемых в одном месте с объектом системыАЛП и непосредственно связанных с физическим объектом рядом сигнальных линий (например, подсистема автоматизированного управления, подсистема измерения и т.п.).
• Пользовательский уровень системы АЛП. Совокупность подсистемАЛП, обеспечивающая взаимодействие пользователя с объектовымуровнем системы АЛП (например, рабочие места пользователей,подсистема сбора и обработки данных).
• Вычислительная система АЛП. Синоним - "компьютерная системаАЛП". Система обработки данных, настроенная на решение задачконкретной области применения и работающая с данными, пред­ставленными в закодированной форме.
• Система передачи данных. Взаимодействующий комплекс техниче­ских и программных средств, линий связи и протоколов, обеспечи­вающих передачу данных между под- системами АЛП.
• Многопользовательский режим работы системы АЛП. Синоним -"режим коллективного пользования системой АЛП". Режим работысистемы АЛП, при котором несколько субъектов системы АЛП ра­ботают с одним изучаемым объектом в режиме реального временипо запросу со стороны пользователя системы.

К сожалению, большинство разработок ВЛП лишь частично соответст­вуют данному ОСТу, так как начинались до его принятия. Кроме этого, по­добные разработки велись, зачастую, в инициативном порядке и имели це­лью определить саму возможность реализации идей, а не получить готовый продукт. Этот этап в большинстве ВУЗов уже пройден, и соответствие стан­дартам должно стать одним и необходимых условий разработки, реализации и внедрения ВЛП. Организационные вопросы применения стандартов, види­мо должны решаться администраторам образовательных порталов, разме­щающих ВЛП и санкционирующих их использование.

Прежде всего, попытаемся определить наиболее общие положения, на основе которых строятся и должны строиться ВЛП исходя из задач, решае­мых с их помощью. Следует отметить, что существует несколько различных видов задач, решаемых с помощью лабораторного практикума. Попробуем дать некоторую классификацию с точки зрения обучаемого:

• экспериментальное исследование положений лекционного курса, служащее для закрепления неочевидного материала, усвоения количествен­ных и качественных зависимостей теоретической части курса, феноменоло­гические эксперименты (физика, химия, электротехника и т.п.);
• экспериментальное исследование устройств, приборов, систем, описы­ваемых в теоретической части курса;
• изучение внутренних принципов действия изучаемых объектов (техни­ка, в т.ч. - электроника, радиотехника, транспорт, связь, энергетика ит.п.);
• изучение контрольно-измерительного, технологического и иного обо­рудования, необходимого в профессиональной деятельности будущегоспециалиста (техника - все отрасли);
• получение навыков использования типового контрольно-измерительного оборудования в изучаемой отрасли.Оговорка «с точки зрения обучаемого» не случайна.

Действительно, с одной стороны ВУЗ должен научить студента и в этом случае задачи совпа­дают. Однако помимо учебного процесса ВУЗ должен решать и множество других задач организационно-административного характера. Например - обеспечение постоянной работоспособности оборудования лабораторий, дос­тупа к уникальным лабораторным установкам, организацию служб поддерж­ки учебных лабораторий (лаборанты, инженеры и др. штатные сотрудники) и т.д. и т.п. В связи с этим ВЛП призваны решать и другие задачи, прямо не связанные с учебным процессом:

• организация совместного и одновременного доступа к уникальномуоборудованию,
• сокращение штатов учебно-вспомогательного персонала лаборато­рий,
• высвобождение площадей,
• снижение расходов по приобретению оборудования,
• сокращение эксплуатационных расходов,
• обеспечение безопасности экспериментов с потенциально опаснымиобъектами и т.д.

Таким образом, становится очевидным, что через несколько лет без ВЛП инженерное образование уже вряд ли сможет обходиться. В то же вре­мя, очевидно, что далеко не все эксперименты могут быть виртуальными. Попробуем определить области применимости ВЛП. Главным критерием применимости будем считать адекватность организации управления экспе­риментом и представления результатов.

Сразу необходимо отметить, что с помощью ВЛП практически невоз­можно получение навыков использования реального оборудования. Для этих целей служат тренажеры, описание которых выходит за рамки данной рабо­ты. Как бы хорошо не было построено изображение реальных приборов на экране монитора, это будет лишь изображением. При долгой работе с таким ВЛП у обучаемого появится навык управления оборудованием при помощи мыши или клавиатуры, но отнюдь не при помощи реальных органов управ­ления - кнопок, регуляторов, рукояток и т.п. Более того, такой опыт может быть вреден, так как придется ломать моторную память при переходе на ре­альную установку. Итак, задача 4 при помощи ВЛП решаться не может. А что же задача 3? Здесь ВЛП вполне применимы, но только вместе с изуче­нием реального оборудования. ВЛП, в этом случае весьма полезны для изу­чения принципов действия, типовых реакций оборудования на какие-либо воздействия и т.д. то есть, фактически, решается задача 2, в которой объек­том исследования выступает изучаемое измерительное оборудование.

Задача 2 является наиболее адекватной ВЛП - здесь измерительное оборудование, в подавляющем большинстве случаев, выполняет лишь инди­каторные функции - отображает некоторые параметры изучаемого объекта. В то же время сам объект скрыт от наблюдения - студент видит его модель в виде нарисованной на панели структурной, функциональной или принципиальной схемы. Очевидно, что нет разницы между схемой нарисованной на панели лабораторного стенда и схемой, показываемой на экране монитора. В этом случаем объект изучения может быть вообще заменен его математиче­ской моделью или имитатором. Более того, компьютерное моделирование позволяет значительно усилить дидактические свойства эксперимента. К примеру, при изучении электродинамики компьютерное моделирование по­зволяет визуализировать процессы распространения радиоволн, происходя­щие внутри приборов. Конечно, в реальном эксперименте наблюдать радио­волны невозможно.

При решении задачи 1 необходимо принимать решение в каждом кон­кретном случае, скажем в химии задача 1 очень часто совмещена с задачей 4 и тогда нужна реальная работа, а в физике (для инженеров) наоборот, боль­шая часть экспериментов может быть легко заменена моделированием без потери дидактических свойств, а чаще - даже с их усилением.

Классификации с точки зрения студента и с точки зрения ВУЗа оче­видны, но не единственны. Далее рассмотрим другие подходы к классифика­ции ВЛП:

• ВЛП с удаленным доступом к объекту изучения,
• ВЛП с компьютерным (математическим) моделированием объекта изучения.

Первый тип предполагает наличие оборудования, в достаточной степе­ни уникального, что бы организовать к нему совместный доступ многим пользователям. Примером могут служить известные обсерватории в Беркли и Специальная астрономическая обсерватория РАН в пос. Нижний Архыз. Первая предоставляет доступ всем желающим к управлению телескопом-рефлектором с диаметром главного зеркала 1м. Пользователь вправе опреде­лить координаты небесной сферы и время, когда необходимо сделать снимок. Как только этот момент наступит телескоп сфотографирует выбранный уча­сток неба и, преобразовав его в графический файл, отправит снимок пользо­вателю. Все снимки помещаются в специальную базу данных (БД). Для снижения нагрузки система автоматически определяет наличие интересующего пользователя снимка в базе и при положительном решении не передает управление телескопу, а отправляет снимок из БД.

Специальная астрономическая обсерватория (САО) разрабатывает свою уникальную систему дистанционного образования, позволяющую как использовать материалы наблюдений САО, так и непосредственно управлять наблюдательными инструментами, в том числе рефлектором БТА и радиоте­лескопом РАТАН-600.

Другим примером может служить установка исследования плазмы, ко­торая может управляться через web-интерфейс, разработанная в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана. Отличитель­ной особенностью системы является наличие специальных средств обеспече­ния учебного процесса. В частности, специальная тестирующая система про­веряет степень готовности пользователя к работе с установкой перед выпол­нением эксперимента. В работе использована технология "клиент-сервер", обмен осуществляется с помощью протокола HTTP с использование CGI-приложений.

Интересное решение предложено специалистами Петрозаводского го­сударственного университета. В докладе на Международной Интернет-конференции МКИТО-2000 коллектив авторов представил доклад «Вирту­альный контроллер КАМАК».

Известны системы, которые предоставляют доступ к менее уникально­му оборудованию, однако обеспечивают этот доступ неограниченному числу пользователей, что позволяет значительно снизить расходы ВУЗа в расчете на одного обучаемого. Примером может служить виртуальная лаборатория электроники, разработанная совместно Государственным НИИ системной интеграции и Московским институтом электронной техники.

ВЛП второго типа, в свою очередь, подразделяются на несколько видов:

• Моделирование производится при помощи уникального программ­ного обеспечения (ПО), передаваемого пользователю на компью­терных носителях, в том числе - через Интернет.
• Моделирование производится при помощи типового ПО (Матлаб,Маткад и т.д.) на основе фиксированных (заранее подготовленных)задач. Пользователю передаются инструкции и файлы задач. Пред­полагается, что типовое ПО у пользователя имеется.
• Моделирование производится специализированным WEB-серверомВУЗа, получающим задание через web-интерфейс при помощи, на­пример, CGI-механизма;
• Моделирование производится при помощи специально выделенногокомпьютера, задание предается по локальной сети от сервера ВУЗа.Пользователь работает через web-интерфейс или через электроннуюпочту;
• Моделирование производится на компьютере пользователя при по­мощи встроенных механизмов операционных систем - напримерпри помощи скриптов на языках JavaScript, DHTML, или Java-апплетов.

Последние три разновидности используют сеть Интернет в качестве транспортной среды, а так же в качестве системы, стандартизующей некото­рые параметры информационного обмена. Эти подходы являются наиболее легко реализуемыми во многих случаях.

Рассмотрим каждую разновидности АЛП на примерах.

Примером первого подхода может служить программа изучения сме­шения сигналов цветности в цветном телевизоре (ÓВУЗ, 2000 г.). Программа представляет собой исполняемый файл, который после запуска выводит на экран следующее изображение, представленное на рис. 52.

Рис. 52. Интерфейс программы "Изучение смешения сигналов цветности в цветном телевизоре"

Студент имеет возможность «зацепить» мышкой любой из показанных справа сигналов и изменить уровень любой его составляющей. Результат не­медленно пересчитывается в уровень сигнала подаваемого на кинескоп и приводит к изменению цветов соответствующих цветных полос на условном экране телевизора в левой части экрана программы. Выполнение лаборатор­ной работы может быть двояким - или по заданным уровням результата оп­ределить уровни входных сигналов, или по заданной цветовой картинке по­добрать уровни составляющих входных сигналов. Кроме этого, инструкция описывает, как, манипулируя регулировками, можно сымитировать некото­рые неисправности цветных телевизоров и пронаблюдать, как они проявля­ются на экране.

Второй подход легко иллюстрируется при помощи распространенной программы анализа электронных схем Pspice. Использована учебная версия программы, имеющая некоторые ограничения, однако функционально доста­точная для многих лабораторных работ. Вместе с инструкцией пользователю передается файл описания лабораторной работы на входном языке Pspice. В соответствии с инструкцией, студент должен внести некоторые числовые значения параметров эксперимента, которые он определяет исходя из своего варианта задания, и запускает моделирование. По результатам моделирова­ния студент производит некоторые расчеты, которые вместе с выходным файлом программы отправляются преподавателю по электронной почте. Рас­смотрим для примера лабораторную работу «Исследование характеристик активного фильтра»

Студент должен рассчитать параметры элементов схемы, представлен­ной на рис. 53, подставить полученные значения в описание схемы, а затем, запустив программу, снять необходимые характеристики. Ниже приведено описание схемы на входном языке Pspice и графики, полученные в результа­те моделирования.

Рис. 54. Описание схемы на входном языке Pspice.

Рис. 55. График переходного процесса и входного сигнала.

Рис. 56. Зависимость К_у=U(5)/U(1) от частоты.

По полученным графикам необходимо:

- определить коэффициент передачи с входа на выход,

- определить верхнюю частоту пропускания фильтра,

- определить скорость спада АЧХ,

- определить коэффициент подавления сигнала на частоте 2f_в.

Рис. 57. Фрагмент выходного файла (Статические напряжения в узлах схемы)

Преподавателю отсылаются рассчитанные данные, графики и выход­ной файл, который содержит описание схемы, параметры моделей ее компо­нентов и результаты моделирования схемы.

Пятый подход иллюстрируется следующими примерами ВЛП «Элек­троника» (ÓА.Э. Попов, ВУЗ, 2002 г.) и ВЛП «Электродинамика и распро­странение радиоволн» (ÓИ.Н. Семенихин, ВУЗ, 2001 г.).

Лаборатории Электроники и Электротехники используют типовые мо­дели объектов исследования, реализованные в виде библиотеки стандартных функций Java-Script, что обеспечивает возможность расширения номенкла­туры лабораторных работ.

Библиотека стандартных функций содержит:

- модель полупроводникового диода (на основе уравнения Эберса-Молла, температурные зависимости - эмпирические);

- модель биполярного транзистора (на основе модели Эберса-Молла);

- модель полевого транзистора;

- малосигнальная модель биполярного транзистора (гибридная)

- модель устройства отображения (цифровая шкала);

- модель операционного усилителя;

- набор элементов управления (обработчики событий).

Интерфейс пользователя выполнен с использованием стандартных средств разметки HTML 4.0, с минимальным использованием графических элементов, имитирующих внешний вид реального лабораторного стенда.

Имитация устройств отображения измерительных приборов проводит­ся без использования дополнительных графических элементов. В результате объем информации, передаваемой на клиентскую сторону, составляет не бо­лее 2...10 кБ, что обеспечивает нормальную работу пользователя, исполь­зующего модемное подключение по коммутируемым телефонным линиям. Время загрузки не превышает одной минуты даже при скорости соединения 9600 Бит/сек, а при скорости соединения 33600 Бит/сек время загрузки со­ставляет несколько секунд.

При реализации виртуальных лабораторных стендов используются стандартные библиотеки функций, причем каждая модель или модуль управ­ления и связи выполнен в виде отдельного файла. Такой подход обеспечивает как минимизацию объема пересылаемого кода, так и оптимальную загрузку компьютера пользователя, что значительно снижает требования к его конфи­гурации. Все лабораторные работы без проблем выполняются даже на старых машинах класса Pentium-166, с ОЗУ 32 Мб, под управлением ОС Windows-95, единственное минимальное требование - наличие браузера, поддерживающе­го Java-Script версии не ниже 1.2 (MSIE 4.xx или NN4.xx).

При разработке интерфейса были сознательно исключены некоторые возможности. Так, например, построение графических зависимостей возло­жено на пользователя, при этом контрольные расчеты делаются в точках из­мерения, пропускаемых при выполнении работы. Тем самым студент, для проведения контрольных расчетов, должен вручную построить необходимую зависимость. Такой подход позволяет студенту лучше усвоить изучаемый материал. Для удобства введен калькулятор, позволяющий провести необхо­димые расчеты.

Для самопроверки используется тестовая система, содержащая ряд контрольных вопросов с вариантами ответа.

Рассмотрим для примера лабораторную работу «Изучение полупро­водникового диода», показанную на рис 58.

Программа обеспечивает построение вольтамперной характеристики полупроводникового диода на основе известного уравнения Эберса-Молла: I_d=I_sexp(U_d/j_t - 1)

Пользователь имеет возможность изменять напряжение на диоде с ша­гом 50 мВ, скрипт рассчитывает величину тока. Имеется возможность изме­нить температуру, однако в этом случае, фактически происходит не модели­рование, а имитация температурной зависимости. Что это значит? Моделиро­вание предполагало бы расчет величины тока с учетом температурной зави­симости двух параметров уравнения. Выражения для этих зависимостей весьма громоздки, в то же время известно, что температурная зависимость напряжения на диоде может быть аппроксимирована линейной функцией, с достаточной для большинства случаев точностью. В этом случае точный рас­чет заменяется просто сдвигом результирующей характеристики на предпо­лагаемую величину.

Рис. 58. Структура модулей виртуальной лаборатории "Электроника"

Рис. 59. Лабораторная работа «Изучение полупроводникового диода»

Неоспоримым достоинством использования JavaScript является весьма малый объем передаваемой пользователю информации, что весьма важно для случая Интернет-обучения, когда у пользователя может быть доступ по ком­мутируемому соединению с весьма скромной скоростью передачи информа­ции. В приведенном примере передается чуть больше 4 КБ информации, в других, несколько более сложных работах объем варьируется в диапазоне 5-10 КБ. Такие объемы требуют для загрузки всего нескольких секунд, даже при самых медленных соединениях.

Несколько иной подход реализован при разработке ВЛП «Электродина­мика и распространение радиоволн». Здесь используется механизм апплетов - программ, загружаемых пользователю вместе с запрошенной страницей. В от­личие от скриптов на языке JavaScript, Java-апплеты предоставляют значи­тельно большие возможности при конструировании интерфейса пользователя.

Рассмотрим подробнее реализацию данного ВЛП.

При реализации лаборатории «Электродинамика» использованы ори­гинальные модели СВЧ устройств и процессов, в соответствии с рис. 60

Рис. 60. Функциональная схема модели лабораторной установки для исследования параметров электромагнитных волн в нагруженной регулярной линии передачи и измерения полных сопротивлений на СВЧ

В данной работе построены и реализованы следующие модели:

• регулярная линия передачи, работающая на нагрузку;
• прямоугольный волновод со стенками с конечной проводимостью;
• резонатор с потерями, возбуждаемый штырем;
• измерительная линия на основе регулярной линии передачи;
• микроамперметр и генератор СВЧ сигналов.На основе этих моделей создан виртуальный лабораторный практикум, состоящий из пяти лабораторных работ, посвященных исследованию основ­ных процессов в линиях передачи СВЧ и резонаторах.

Модель лабораторной установки. На рис. 61 представлена функцио­нальная схема модели лабораторной установки для исследования параметров электромагнитных волн в нагруженной регулярной линии передачи и изме­рения полных сопротивлений на СВЧ.

Рис. 61 Лабораторная электродинамика

Генератор СВЧ имеет два элемента управления типа «полоса про­крутки» (scrollbar), с помощью которых задается частота и амплитуда сигна­ла. Текущие значения частоты и уровня сигнала отображаются в соответст­вующих текстовых метках. Полное сопротивление нагрузки устанавливается с помощью элемента управление «выбор» (choice).

Из выпадающего списка типа ComboBox можно выбрать нагрузку, обеспечивающую малый, средний и большой коэффициент стоячей волны (КСВ) в линии. Конкретная величина комплексного сопротивления нагрузки устанавливается при помощи генератора случайных чисел в пределах, необ­ходимых для реализации значения КСВ из выбранного диапазона. Также можно установить в линии режим бегущей волны, выбрав согласованную на­грузку, и режим стоячей волны, выбрав короткое замыкание. Для исследова­ния распределенных реактивностей на основе отрезков регулярной линии пе­редачи имеется возможность в качестве нагрузки установить короткозамы-кающий поршень в виде полосы прокрутки с индикацией длины отрезка.

По заданной частоте и сопротивлению нагрузки рассчитывается и вы­водится на экран диаграмма распределения амплитуды колебаний в линии. В каждой точке амплитуда определяется как векторная сумма падающей и от­раженной волн. Измерительная головка с зондом перемещается на фоне диа­граммы манипулятором «мышь» (drag&drop). Кроме этого, имеется возмож­ность точной установки зонда с помощью двух кнопок, перемещающих го­ловку с шагом 0.1 мм. При изменении положения зонда определяется его ко­ордината и рассчитывается амплитуда напряжения на зонде, которая, в свою очередь, определяет ток детектора. Текущая координата зонда отображается текстовой меткой.

Для описания диода использована модель Эберса-Молла. Параметры модели взяты из библиотеки САПР PSpice. Индикация тока детектора произ­водится микроамперметром. Для приобретения студентами навыков работы с реальными измерительными приборами модель микроамперметра снабжена возможностью смены диапазонов измерений, которую необходимо производить при перегрузке прибора или при слишком малых показаниях. Таким об­разом, усваивается понятие относительной погрешности измерений и приоб­ретаются навыки измерений с минимальной погрешностью.

Добротность резонатора Q устанавливается выбором из выпадающего списка ComboBox низкого среднего или высокого значения. Конкретная ве­личина Q задается генератором случайных чисел в выбранном диапазоне. Частота вынужденных колебаний задается СВЧ генератором. Амплитуда по­ля определяется в фиксированной точке с помощью измерительной головки и микроамперметра. Таким образом, данная модель позволяет исследовать ре­зонансные характеристики и определять добротность резонатора при различ­ных уровнях потерь.

Программы, реализующие описанные выше модели, написаны на языке Java с использованием объектно-ориентированной технологии и визуальных средств графического интерфейса пользователя. Созданная библиотека клас­сов может быть использована для имитационного моделирования и исследо­вания других электродинамических структур. Машинная независимость бай­тового кода и наличие интерпретаторов во всех распространенных Web-броузерах обеспечивает возможность широкого использования разработан­ных Java-апплетов в глобальной сети Internet.