CC BY
28
ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В РЕШЕНИИ ЗАДАЧ ДИСТАНЦИОННОГО ОБУЧЕНИЯ
А.И.Потапов, д.т.н., проф. Тел: (812) 312-86-96, E-mail: potapov@nwpi.ru
В.Е.Махов, к.т.н., доц. Тел: (812) 312-86-96, E-mail: mahov@nwpi.ru В.Е.Васильев, зам. директора Учебно-информационный центр Тел: (812) 312-86-96, E-mail: villy@nwpi.ru
И.Ф.Кацан, к.т.н., доц. Тел: (812) 312-86-96, E-mail: katsan@nwpi.ru Северо-Западный государственный заочный технический университет
http://www.nwpi.ru
Введение
Исторически (основан в 1931 г.) Северо-Западный государственный заочный технический университет (СЗТУ) призван был обеспечивать качественную подготовку и переподготовку инженерных кадров для различных отраслей промышленности Северо-Западного региона России без отрыва от производственной деятельности. В настоящее время в СЗТУ учится более 20 000 студентов по 30 специальностям. Университет имеет более 30 учебных точек (УКП) по всей территории России и даже в странах СНГ.
Учебный процесс много лет обеспечивался путем выездов профессорско-преподавательского состава на учебные точки (УКП), вызова студентов для прохождения практики и сдачи экзаменов на ЦУКП, а также средствами учебного телевидения. На протяжении всего периода деятельности университета остро стояли вопросы сни-ния трудоемкости учебного процессжфия продуктивных затрат времени и средств на командировки преподавателей, приезд студентов) и повышения эффективности и качества подготовки специалистов. Учитывая трудовую занятость контингента обучающихся студентов, наиболее узким местом в учебном процессе всегда являлся лабораторный практикум, сессии и дипломное проектирование.
Начавшийся в 2002 г. период широкого
внедрения компьютерных технологий в СЗТУ затронул, прежде всего, отношение к учебному процессу в целом. Возникла острая необходимость в использовании технологий дистанционного обучения. Наряду с традиционными подходами, такими как создание мультимедийных курсов, использования Интернет-
технологий, библиотеки электронных учебных материалов, стали развиваться направления проведения дистанционных занятий, дистанционного тестирования. Год 75- летнего юбилея СЗТУ (2006 г.) ознаменовался решительным переходом к внедрению дистанционных образовательных технологий для всех форм обучения.
Для заочной формы обучения, с небольшим объемом лекционных и лабораторных часов по всем дисциплинам, с одной стороны, неизбежно встает проблема развития высокоэффективных методов работы с учебным материалом, а с другой стороны -такая организация практических занятий, которая способствовала бы более интенсивному усвоению теоретического курса. Возможные решения этой проблемы лежат, прежде всего, в поиске и внедрении новых компьютерных технологий, которые, в силу своей наглядности, позволяют повысить качество предоставляемых университетом образовательных услуг и, как следствие этого, стимулируют к самостоятельной работе над теоретической частью дисциплины. Важным
моментом заочного обучения является развитие навыков коллективной работы студентов.
Кафедра Приборов контроля и экологической безопасности (ПКиСЭБ) одна из первых в университете начала интенсивно внедрять компьютерные технологии фирмы National Instruments (NI) в учебный процесс. Так, в 2003 г. кафедра ПКиСЭБ приобрела лабораторный учебный комплекс NI ELVIS, а впоследствии и другое оборудование фирмы NI (комплект технического зрения, малогабаритные модули USB) и программное обеспечение NI (LabVIEW, Vision Assistant), что позволило значительно расширить области применения технологий фирмы NI в учебном процессе.
В настоящее время предполагается более широкое внедрение технологий фирмы NI в дистанционное обучение. За сравнительно короткий период времени опыт использования технологий фирмы NI показал достаточно высокую эффективность как в учебном процессе, так и в дипломном проектировании. Прежде всего, отмечается общее повышение качества дипломных работ, выполненных по технологиям NI, заинтересованность всего преподавательского состава в приобретении опыта фирмы NI. Следует отметить, что технологии NI логически ложатся в развитие направления дистанционного обучения университета [1].
В настоящей работе излагаются основные результаты, полученные при использовании технологий фирмы National Instruments в учебном процессе на выпускающей кафедре ПКиСЭБ в течение трех лет, что соответствует периоду полного обучения студента специальным дисциплинам. Результаты работы Дисциплина «Компьютерные технологии в приборостроении» является обязательной для приборостроительных специальностей и специализаций. Образовательный стандарт (ГОС) этой дисциплины предусматривает обязательное рассмотрение среды разработки приложений LabVIEW [2]. Опыт показывает, что основы среды LabVIEW в интерактивном режиме студенты осваивают в течение 4 часов очных занятий.
Для иногородних студентов был создан мультимедийный курс (80 мин) по основам программирования в среде LabVIEW. Практически сразу после рассмотрения основных концепций среды LabVIEW студенты приступают к самостоятельному построению примеров простых виртуальных приборов (ВП). Однако, как показывает практика, несмотря на наличие мультимедийного курса, заинтересованность и понимание основ приложений LabVIEW начинается хотя бы после четырех часов очных занятий.
Наиболее эффективными в освоении LabVIEW являются правильно подобранные небольшие практические примеры, поэтапно расширяющие и одновременно закрепляющие основные элементы графического программирования в среде LabVIEW (структуры, шифтовые регистры, локальные переменные). Много удачных практических примеров содержится в русском издании пособия Джерри Тревиса [2], например «Кухонный таймер», демонстрирующий действие локальной переменной, понятие которой в дальнейшем используется для глобальной и общей переменной. Инженерная направленность и продуманность среды LabVIEW, быстрота освоения навыков создания ВП, позволяющая быстро реализовать собственные творческие замыслы, практически всегда вызывают живой интерес студентов к обучению (рис.1- см. цв. вставку), который может быть в дальнейшем продуктивно применен в других дисциплинах.
При изучении основ LabVIEW, как и на всех последующих этапах, основное внимание уделяется коммуникационным возможностям технологий NI, которые сразу же позволяют формировать «командное» мировоззрение будущих специалистов. Применение коммуникаций между виртуальными приборами в рамках даже одной лаборатории (или одного компьютера) существенно расширяет инженерный кругозор обучаемых.
Разрабатываемый в университете подход к обучению выглядит следующим образом: выделяется несколько распределенных групп, которые в рамках учебного задания
должны выполнить исследовательскую работу. Например, имея некоторый объект (черный ящик), путем замера основных характеристик определить его свойства и назначение. Один из студентов - руководитель проекта координирует работу всей группы. Участники обмениваются полученными данными, используя коммуникационные возможности, предоставляемые LabVIEW, обсуждают текущие проблемы и готовят совместное решение. При этом совершенно не важно находятся они в соседних аудиториях или разделены тысячами километров.
Необходимо отметить, что в университете внедряется комплексный подход в работе с технологиями дистанционного обучения. В электронной библиотеке СЗТУ имеется большое количество учебной, методической и справочной литературы доступной 24 часа в сутки 7 дней в неделю. Постоянно проводятся видеолекции для удаленных слушателей. Функционирует образовательная среда, насыщенная обучающими курсами по всем направлениям подготовки специалистов. Видеостудией СЗТУ выпускаются учебные фильмы. При этом, несомненно, технологические решения фирмы National Instruments органично вписываются в концепцию развития университета.
В настоящее время на кафедре ПКиСЭБ СЗТУ для ряда дисциплин создан дистанционный лабораторный практикум. Последняя версия среды LabVIEW 8 упростила методику создания виртуальной лаборатории, сделав ее схему типовой и легко масштабируемой на другие дисциплины. Большая часть лабораторных работ включает в себя получение зависимости физической величины от некоторого параметра. Так, например, на рис. 2 (см. цв. вставку) представлена схема лабораторной работы по изучению амплитудно-частотных характеристик первичных преобразователей (пьезокерамических датчиков давления), которая должна включать генератор сигналов, излучатель, пьезодат-чик, усилитель сигналов и измеритель уровня сигналов. В компьютерном исполнении аппаратная часть экспериментальной установки содержит только излучатель акустического сигнала и сам пьезодатчик. Генератор (который имеет перестройку частоты), усилитель и измеритель уровня сигналов реализовываются платой сбора данных. Удаленный студент может перестаивать частоту генератора и получать сигнал с датчика на своем компьютере.
Такая конфигурация построения лаборатории позволила обеспечить полноценность получаемых практических навыков, как в лаборатории университета, так и в дистанционном исполнении (исследования проводятся на реальном лабораторном оборудовании) и, опять же, способствовала развитию у студентов навыков работы в единой «команде».
В 2005 г. на кафедре ПКиСЭБ была поставлена серия лабораторных работ по дисциплинам «Компьютерные технологии в приборостроении» и «Прикладная оптика» для приборостроительных специальностей (1901), а также специализации «Приборы и системы таможенного, экспортного и импортного контроля». Недорогие и компактные USB модули сбора данных позволили сделать лабораторный практикум мобильным для удаленных ЦУКП (г.Пушкин, г.Выборг). Отличительной особенностью в практикума являлось использование парных лабораторных работ (одних и тех же объектов исследования). Так, например, в дисциплине «Прикладная оптика» - «Контроль формы оптических деталей» (по кольцам Ньютона) [3], а в дисциплине Компьютерные технологии в приборостроении» -«Контроль параметров оптического изображения» (на примере колец Ньютона) использовалось явление интерференции в тонких пленках.
В первом случае упор делался на технологию контроля формы оптических деталей, а во втором - на технологию получения результатов контроля, что подчеркивало единство физических методов с технологическими методами получения результатов. Характерно также то, что эти две лабораторные работы не используют специальных устройств (только веб-камеру). Такая тесная связь прикладных и компьютерных дисциплин позволила углублять полученные знания и повышать эффективность учебного процесса, подчеркивая важность современных компьютерных технологий в приборостроении. Использование общих подходов в компьютерных технологиях для студентов инженерных специальностей позволило установить единую тенденцию в современном приборостроении, подготовить студентов к дипломному проектированию.
Лабораторный практикум, прежде всего, тесно связан с проводимыми на кафедре научными исследованиями, а также темами дипломных работ. Поэтому иногородние дипломники, уже знакомые с лабораторным
оборудованием кафедры, могут полноценно проводить свои исследования дистанционно.
Дипломное проектирование является конечной стадией учебного процесса, на которой, как показывает опыт, требуется наиболее эффективное взаимодействие дипломника и руководителя. Успешно справиться с дипломной нагрузкой студенту помогает понимание сути работы и заинтересованность, а также возможность испытать собственный творческий потенциал. Задача усложняется тем, что студенты, выходящие на диплом, имеют различный уровень подготовки. Очевидно, что восполнить пробелы в подготовке времени нет. Как показал опыт, темы дипломных работ, выполненных по технологиям фирмы National Instruments, позволяют дипломнику сконцентрироваться на физической части работы, полноценно работать над экспериментальным разделом в домашних условиях (схематически эмитируя свои экспериментальные исследования). Студенты сравнительно быстро получают свои первые исследовательские результаты, приобретают уверенность в сроках завершения дипломной работы и поэтому уверенно продолжают углублять и расширять свои исследования.
В 2005 г. на кафедре Приборов контроля и систем экологической безопасности было написано 17 дипломных работ с использованием технологий NI. Были предложены темы дипломных работ по голографи-ческой и спекл-интерферометрии, микроскопии, спектроскопии, видеоконтролю таможенных грузов. При этом более половины студентов сами выразили желание писать дипломную работу с привлечением технологий NI. Опыт выполнения таких дипломных работ показал, что они имеют более высокое качество исполнения и отличаются целостностью. При этом дипломнику требовалось значительно меньше затрат времени на такую работу (не было случаев не выхода в срок на защиту диплома). Возможность дифференцировать исследования на домашнюю и классную работу особенно важна для иногородних студентов. Дипломники в более короткие сроки способны выполнить законченные самостоятельные исследования, упрощается аппаратная часть разработки и, как следствие этого, конструкторская часть работы становится более качественной и самостоятельной.
В ряде дипломных работ проводился опыт замены традиционного технологического раздела дипломной работы на техно-
логию создания и отладки виртуального прибора, которая более тесно связана с сутью работы, а стало быть, не становится столь формальной. Как показал опыт, работа над технологическим разделом с использованием ВП, в свою очередь, повышает качество проводимых исследований, вызывает гораздо больший интерес дипломников отражается на защитах дипломных работ. Экономический раздел, включающий расчет экономической эффективности от внедрения разработки на базе ВП, имел непосредственную связь с проводимым исследованием. Экономические расчеты становятся фактическими и позволяют формировать правильное представление об экономической эффективности компьютерных технологий по сравнению с лабораторными приборами. Раздел «Безопасность жизнедеятельности» некоторых дипломных работ включал расчет защитного заземления. Заземление, как известно, является важным моментом построения ВП с использованием плат сбора данных. Таким образом, все дипломные работы, включающие исследования с применением компьютерных технологий N1, представляются более целостными и законченными.
Особо следует отметить дипломные работы по специальности «Приборы и системы таможенного, экспортного и импортного контроля». Как известно, в настоящее время внутренние и внешние таможенные посты являются самими технически оснащенными структурами, имеющими большой арсенал компьютерной техники. Большое количество таможенных постов и разнообразие проводимых видов таможенного контроля остро ставят вопрос о повышении достоверности, производительности и экономической эффективности таможенного досмотра и контроля. Немаловажную роль в проведении таможенного досмотра и контроля играют коммуникационные возможности приборов контроля. Все эти вопросы легли в основу тем дипломных работ. Проведение дистанционных исследований в этом случае как нельзя лучше сочеталось с задачами, стоящими перед таможенными службами. Так, например, дипломник из г.Пушкина (тема работы: Контроль внутренних полостей автотранспорта) получал акустический сигнал для контроля из г. Санкт-Петербурга. В настоящее время проявляется интерес будущих специалистов к таким темам дипломных работ, как контроль лесо- и пиломатериалов, товарных штрихкодов, идентифика-
ция лиц, контроль спиртных напитков, парфюмерии, продуктов питания. Такой интерес, в первую очередь, связан с пониманием студентами современных тенденций приборостроения в таможенном деле и является результатом прохождения курса «Компьютерные технологии в приборостроении» с использованием дистанционных практикумов.
В целом можно отметить, что в результате выполнения таких дипломных работ формируется законченное мировоззрение будущего специалиста, которое снимает психологические барьеры в применении высоких компьютерных технологий, как в собственных приборных разработках, так и в понимании работы современной приборной базы.
Важным этапом учебного процесса является тестирование полученных знаний и навыков. Одним из известных способов проверки полученных знаний является электронное тестирование. В большинстве случаев электронное тестирование оказывается ниже по качеству, чем обычное общение. Невысокое качество такого тестирования связано с отсутствием обратной связи с тестируемым, возможностью запоминания правильных ответов по некоторым второстепенным признакам. Для частичного устранения указанных недостатков на кафедре ПКиСЭБ были разработаны специальный комплект из трех программ (рис.3 - см. цв. вставку): 1. Программы ввода и редактирования вопросов (InTestData); 2. Тренажер (Knowledge Test); 3. Программы проверки знаний (Lesson Test). Первоначально все программы были написаны на языке Java, в 2006 г. их алгоритм полностью перенесен на платформу LabVIEW, что упростило сопровождение продуктов и позволило сразу реализовать удаленную сетевую коммуникацию, сделать работу алгоритма более наглядной и модифицируемой для преподавательского состава.
Отличительными особенностями разработанных программ тестирования является, прежде всего, интеллектуальный алгоритм выбора вопросов из разделов изучаемого курса, перемешивание вариантов ответов при каждом пуске программ, программируемый временной таймер на обдумывание ответов, электронный отчет о проведенном тестировании и количестве правильно данных ответов на каждый из вопросов по разделам, характерные ошибки в ответах. Электронный отчет позволяет преподавателю в
дальнейшем проводить ретроспективный анализ усвояемости различных разделов курса и, при необходимости, оперативно вносить изменения. Реализация программ в среде разработки приложений LabVIEW (в качестве проекта) дает возможность проводить дистанционное, наблюдаемое преподавателем и другими студентами тестирование знаний, что максимально приближает качество проводимого тестирования к живому общению с преподавателем.
Таким образом, с начала применения компьютерных технологий фирмы National Instruments (с 2003 г.) на кафедре ПКиСЭБ в учебном процессе (4 курс) на всех этапах дистанционного обучения к настоящему моменту отмечено общее снижение трудоемкости работы преподавателей и обучающихся, а также повышение качества обучения, что отразилось, в первую очередь, на защитах дипломных работ.
В настоящее время наметились тенденции к повышению заинтересованности преподавателей в развитии методов дистанционного обучения по технологиям фирмы National Instruments. Следует отметить, что подобные разработки всегда получают всестороннюю поддержку со стороны администрации университета.
Своими успехами и положительными результатами в работе над новыми методами дистанционного образования в СЗТУ (лабораторный практикум) мы во многом обязаны вниманию и поддержке, которые оказывает фирма National Instruments в отношении своих образовательных программ.
Оборудование
Учебный процесс, лабораторный практикум и дипломные работы проводились на персональных компьютерах (Intel PIII -PIV), которые имели звуковые карты, микрофоны и акустические системы. Применялись различные виды адаптеров Bluetooth и Wi-Fi, микрофоны и наушники Bluetooth, электронный стетоскоп.
В работе были использованы веб-камеры (freenet i Phone: видеоформат 24-bit RGB, 300 000 пикс. при максимальном разрешении 640х480, USB-интерфейс, до 15 кадр/с при разрешении 640х480, ручной фокус), а также видеокамеры для охранных систем.
Было задействовано следующее оборудование фирмы National Insruments: универсальная плата сбора данных NI PCI 6014, плата видеозахвата NI PCI 1409, USB плата сбора данных NI USB-6008, NI USB-6009.
В работе использовались также платы сбора данных фирмы Advantech: PCL-818L (PC LabCard Series) и PCI-1716 (250 kS/s, 16bit, 16 ch.) с драйверами под LabVIEW.
Лабораторные работы проводились в компьютерном классе на базе учебного лабораторного комплекса NI ELVIS (5 рабочих мест).
Было использовано программное обеспечение фирмы National Instruments: Lab-VEW 7.1, LabVEW 8.0, LabVEW 8.2, Vision Assistant.
Заключение
Технологии фирмы NI позволили в значительной степени повысить качество и эффективность учебного процесса на всех его этапах, особенно при заочной форме обучения.
Возможность использования наглядной лабораторной подготовки обучающихся не только на ЦУКП но и УКП, а также дома повышает интерес и стимулирует творческую активность студентов.
Существенным преимуществом технологий фирмы NI является более полноценная реализация многих задач получения и обработки сигналов без дополнительного компьютерного оборудования (звуковые карты, веб-камеры, порты). Возможности
сетевых коммуникаций позволяют объединять ресурсы и производить обмен данными и приборами, компенсируя дефицит специального оборудования, реализовывать общение преподавателя и студента на приборном уровне.
Немаловажным преимуществом ЬаЬ-VIEW является справочный раздел и банк примеров.
Обучение по технологиям фирмы N1 интересно и увлекательно, с ним можно на инженерном уровне освоить самые сложные понятия современных компьютерных технологий при реально доступных затратах на поддержание лабораторной базы университета.
Одним из недостатков технологий фирмы N1 в настоящее время является отсутствие русской локализации версии ЬаЬ-VIEW, документации и поддержки (90% обучающихся испытывают значительные языковые трудности). Некоторым препятствием на пути быстрого внедрения дистанционных форм обучения является трудности использования лицензионных продуктов N1 на огромном парке компьютеров университета (модернизация, переустановка программного обеспечения).
Литература
1. Потапов А.И., Махов В.Е., Васильев В.Е., Кацан И.Ф. Использование компьютерных технологий в решении задач дистанционного образования//Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments: V Междунар. научн-практ. конф. - М.: Изд-во РУДН, 2006. - С.70-77.
2. Тревис Дж. LabVIEW для всех/ Джефри Тревис: Пер. с англ. Клушин Н.А. - М.: ДМК Пресс; ПриборКомплект, 2005. - 544 с.
3. Махов В.Е., Потапов А.И., Кацан И.Ф. Использование решений фирмы NI в автоматизированной системе контроля оптических деталей. Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments: Сб. тр.// Междунар. научн.-практ. конф. - М.: Изд-во РУДН, 2005. - С.302-309.
ОПЫТ РЕАЛИЗАЦИИ МОДЕЛИ ФОРМИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННОЙ КУЛЬТУРЫ УЧИТЕЛЯ В УСЛОВИЯХ ПЕДАГОГИЧЕСКОГО КОЛЛЕДЖА
Г.П. Забелина, к. п. н., директор Тел.: (252)6-20-19, E-mail: GOUSPOBPK2006@yandex.ru Беловский педагогический колледж http://entrant.kemsu.ru/belovo/bekolledg/bpedkolled.htm
The model of a teacher's information culture formation is regarded. The experience of teachers training in information culture principles on the base of secondary special pedagogical education is shown. The complex of educational-methodical provision of teacher's training of information culture principles in pedagogical college is characterized.
