CC BY
54
Интеграция современных мобильных средств вычислительной техники учащихся общеобразовательных учреждений на основе свободного программного обеспечения
В. В. Кондауров,
начальник отдела, Федеральное государственное учреждение «Государственный научноисследовательский институт информационных технологий и телекоммуникаций» e-mail [email protected]
В. В. Кузнецов,
руководитель проектов, ООО «Альт Линукс»
e-mail: [email protected]
С. Ю. Плосков,
к. т. н., доцент, кафедра информационных систем, Российский государственный университет инновационных технологий и предпринимательства e-mail: [email protected]
учащихся и рабочего места преподавателя общеобразовательных учреждений на основе свободного программного обеспечения. Данная разработка, выполняемая впервые для отечественной сферы образования позволит обеспечить преемственность и совместимость по протоколам и форматам с комплектом ПСПО, созданным в 2007-2008 гг., обеспечить потребности учебных заведений в инфраструктурном, системном, прикладном и учебном ПО с нулевой стоимостью лицензий, работающем как на новейшем оборудовании, так и поставленном ранее.
Ключевые слова: свободное программное обеспечение, мобильное средство вычислительной техники, образовательное учреждение, данные, обмен, синхронизация, базовый пакет.
Реализация работ по переходу на использование свободного программного обеспечения определяет необходимость разработки новых и постоянного обновления существующих методических материалов, технических требований, методологий, стандартов по использованию свободного программного обеспечения (СПО) в науке и образовании. В статье рассматриваются основные положения проекта по разработке специализированного программного комплекса для интеграции современных мобильных средств вычислительной техники (нетбуков, планшетов, электронных книг и т. п.)
Собственно факт, того что свободное программное обеспечение (СПО) не требует лицензионных отчислений за каждый установленный экземпляр программного обеспечения, фактически определил в настоящее время позицию государства в формировании политики относительно решения проблемы обеспечения программным обеспечением органов государственной власти, включая государственные образовательные учреждения (ОУ) для всех уровней образования [1]. Для сферы образования процесс использования СПО в образовательных учреждениях имеет свою историю. В распоряжении Правительства Российской Федерации № 1447-р от 18 октября 2007 г. определен стандартный (базовый) пакет программного обеспечения (СБППО), представляющий собой
перечень функциональных категорий программных продуктов, используемых в образовательных учреждениях Российской Федерации. Так же в распоряжении Правительства определен перечень типов федеральных государственных образовательных учреждений, государственных образовательных учреждений субъектов Российской Федерации и муниципальных образовательных учреждений, реализующих общеобразовательные программы начального общего, основного общего и среднего (полного) общего образования. В исполнении этого распоряжения Правительства Российской Федерации, Минобрнауки России и Минкомсвязи России в течение 2007-2010 гг. в развитии этой истории, был реализован целый ряд таких мероприятий, как:
ИННОВАЦИИ № 12 (158), 2011
ИННОВАЦИИ № 12 (158), 2011
1. Формирование перечня общеобразовательных учреждений Российской Федерации, соответствующих типам образовательных учреждений, указанных в распоряжении Правительства.
2. Поставка для ОУ комплекта программ, входящих в стандартный (базовый) пакет программного обеспечения, с правами на их использование образовательными учреждениями до 31 декабря 2010 г.
3. Доставка в 2008 г. данного комплекта программ на физических носителях в составе комплектов «Первая Помощь 1.0» во все ОУ (более 56000).
4. Обеспечение предоставления услуг методической, справочной и информационной поддержки при использовании стандартного (базового) комплекта программного обеспечения для образовательных учреждений и школьных учителей, использующих данный комплект программ на домашних компьютерах.
5. Доставка в 2009 г., после новых версий, обновлений и исправлений программных продуктов на физических носителях в составе комплектов «Первая Помощь 2.0» во все действующие ОУ.
6. Обеспечение в 2009 г. общеобразовательных учреждений Российской Федерации пакетом свободного программного обеспечения (Далее — ПСПО).
7. Создание репозитория ПСПО, обеспечивающего хранение актуальных версий ПО базового пакета и дающего возможность пользователям удаленно, посредством Интернета, получать обновленные версии этого ПО.
8. Создание Интернет-портала информационнотехнической поддержки.
9. Подготовка учебно-методических курсов и материалов по ПСПО. Очное и заочное обучение представителей ОУ.
Результаты этих мероприятий имеют различные оценки, и не всегда положительные. Во многом это определяется добросовестностью исполнителей работ по данным мероприятиям, оценивание результатов которых не является предметом данной статьи. Тем не менее, последовательность шагов в реализации политики нашего государства на использование СПО для обеспечения нужд государственного и муниципального управления говорит о следовании в основном русле общемировых тенденций. При этом, в силу того, что движение в этом направлении в большинстве стран находится только на начальном этапе, распространенность СПО по сравнению с проприетарным ПО остается еще незначительной. Однако происходящие в мире процессы свидетельствуют о том, что процентное соотношение применяемых программных решений в дальнейшем будет все более и более смещаться в сторону свободного программного обеспечения. Такое смещение требует в настоящее время реализации целого комплекса работ по системному переходу на использование свободного программного обеспечения, в части реализации конкретных разработок новых и постоянного обновления существующих методических материалов, технических требований, методологий, стандартов по использованию СПО в науке и образовании.
В настоящее время федеральное государственное учреждение «Государственный научноисследовательский институт информационных технологий и телекоммуникаций» и ООО «Альт Линукс» ведут совместные работы по разработке специализированного программного комплекса (СИПК) для интеграции современных мобильных средств вычислительной техники (нетбуков, планшетов, электронных книг и т. п.) учащихся и рабочего места преподавателя общеобразовательных учреждений.
Эти работы являются логическим продолжением работ по разработке и внедрению в школах РФ специализированного комплекта ПО, включающего в себя дистрибутивы операционной системы АЬТ Ыпих, содержащие все необходимые программы для подготовки уроков и обучения информатике, значительный набор программ по математике, физике, черчению, астрономии и другим предметам, обучающие и развивающие игры, стандартный набор офисных программ.
Вновь разрабатываемый программный комплекс предназначен для реализации активно-деятельностных форм обучения в рамках учебного процесса образовательных учреждений общего образования, а также обеспечения взаимодействия мобильных компьютеров учащихся и автоматизированной системой обучения внедряемых сейчас в школах.
Предварительный анализ подобных систем и опрос пользователей таких систем показал, что в состав разрабатываемого программного комплекса должны входить следующие составные части:
• модуль для мобильных средств вычислительной техники, разрабатываемые на основе одной из свободно распространяемых систем семейства Ыпих с включением дополнительного программного обеспечения для обеспечения образовательной деятельности и взаимодействия с рабочим местом преподавателя;
• программное обеспечение рабочего места преподавателя, разрабатываемое на основе одной из свободно распространяемых систем семейства Ыпих с включением дополнительного ПО для управления образовательным процессом и обеспечения взаимодействия с предыдущим модулем системы, включая возможность удаленного наблюдения и доступа к экранам мобильных средств вычислительной техники учащихся;
• модули синхронизации и обмена данными для обеспечения синхронизации образовательного контента (программ, учебно-методических материалов, электронных образовательных ресурсов и т. д.) между средствами вычислительной техники учащихся и рабочим местом преподавателя, при выполнении учебных заданий, в том числе и при выполнении одного задания несколькими учениками совместно.
Модули синхронизации состоят:
• из сервера синхронизации (сервер синхронизации может выполняться на выделенном сервере или, при его отсутствии, на рабочем месте преподавателя);
• клиента синхронизации, выполняющегося на всех составных элементах системы;
• административного интерфейса (выполняется там же, где и сервер синхронизации, управление осуществляется через веб-интерфейс).
В настоящее время, в соответствии с требованиями заказчика — Министерства образования и наука РФ проведены патентные исследования и осуществлен выбор пакетов свободного программного обеспечения для реализации разрабатываемой системы, включающий в себя следующие компоненты ПО:
• текстового редактора;
• редактора электронных таблиц;
• редактора векторной графики;
• редактора растровой графики;
• редактора мультимедийных презентаций;
• трехмерного моделирования и рендеринга, создания и редактирования трехмерных моделей и мультипликационных записей;
• веб-браузера;
• почтового клиента;
• просмотра графических образов, в том числе изображений и сканированных текстов;
• архивирования и сжатия файлов;
• для антивирусной защиты;
• электронного многоязычного словаря;
• оптического распознавания документов;
• редактирования блок-схем;
• управления базами данных;
• верстки и подготовки публикаций;
• обработки и монтажа звукозаписей;
• обработки и монтажа видеозаписей;
• создания и редактирования интернет-приложений;
• объектно-ориентированного программирования и создания приложений;
• контент-фильтрации.
Программная часть СИПК
Модули для мобильных средств вычислительной техники (мобильных компьютеров): нетбуков, планшетов (ММК), разрабатываемые на основе операционной систему ALT Linux, и электронных книг (МЭК), разрабатываемых на основе свободно распространяемой операционной системы Android, основанной на ядре Linux, с включением дополнительного программного обеспечения для обеспечения образовательной деятельности и взаимодействия с рабочим местом преподавателя.
Рабочее место преподавателя (РМП), разрабатываемое на основе операционной системы ALT Linux, с включением дополнительного ПО для управления образовательным процессом (возможность удаленного доступа к рабочим столам учащихся и тому подобного) и обеспечения взаимодействия с ММК.
Модули синхронизации и обмена данными (МСОД) — разрабатываются для обеспечения синхронизации образовательного контента (программ, учебно-методических материалов, электронных образовательных ресурсов и т. д.) между средствами вычислительной техники учащихся и рабочим местом преподавателя, а также для обмена данными между ММК и РМП при выполнении учебных заданий, в том
числе и при выполнении одного задания несколькими учениками совместно.
Модули синхронизации, разработанные для этого проекта, будут лицензированы под GNU GPL, что позволит бесплатно использовать их на неограниченном количестве рабочих мест.
Аппаратная часть СИПК
По результатам испытаний определены характеристики мобильных и стационарных средств вычислительной техники, необходимых для функционирования СИПК с учетом реально поставляющихся в настоящее время изделий.
Мобильный компьютер типа «нетбук»
Требования к аппаратной части ММК типа «нетбук»:
• LCD-экран с диагональю 10 дюймов и разрешением 1024x600 (рекомендуется 12 дюймов и разрешение 1366x768);
• 1 Гб ОЗУ;
• 16 Гб флэш памяти или жесткий диск.
• сетевая карта 10/100 Мбит Ethernet;
• беспроводная связь Wi-Fi;
• встроенная видеокарта (желательно Intel GMA,
кроме Intel GMA500);
• встроенный микрофон;
• встроенные стереодинамики;
• выходы и входы для стереозвука;
• встроенная клавиатура с дополнительными функциональными кнопками;
• тачпад с отдельными правой и левой кнопками;
• источники питания: аккумулятор Li-Ion (на 4 или более часа работы) и внешний блок питания.
Для компьютера преподавателя данные характеристики следует рассматривать как минимальные, так как, например, при выполнении одновременного просмотра экранов учащихся, желательны больший размер экрана и его разрешение.
Мобильный компьютер типа «электронный планшет»
В настоящее время широко доступны мобильные компьютеры типа «планшет» на двух аппаратных платформах: x86 и ARM.
Мобильные вычислительные средства типа «планшет» на аппаратной платформе ARM поставляются исключительно с операционной системой Android, основанной на ядре Linux. Эта операционная система является относительно узкоспециализированной и не позволяет выполнение на ней всего спектра прикладного программного обеспечения, требуемого техническим заданием проекта.
Мобильные средства вычислительной техники на платформе ARM обладают крайне низкой степенью унификации, как в области собственно аппаратных средства, так и в области встроенного программного обеспечения, управляющего загрузкой операционной системы. Вследствие этого, использование на них
ИННОВАЦИИ № 12 (158), 2011
ИННОВАЦИИ № 12 (158), 2011
системного программного обеспечения, отличного от предустановленного поставщиком аппаратных средств либо затруднено и требует доработки операционной системы, либо вообще невозможно.
Мобильные средства вычислительной техники типа «планшет» на аппаратной архитектуре x86 обладают высокой степенью совместимости с наиболее распространенными сейчас персональными компьютерами. Это позволяет использовать на них операционные системы общего назначения с минимальными доработками и запускать на них весь спектр прикладного программного обеспечения, требуемого техническим заданием.
По результатам испытаний было принято решение использовать в качестве мобильных средств вычислительной техники типа «планшет» устройства на аппаратной платформе x86 со специально адаптированной для них версией операционной системы АЛЬТ Линукс.
Требования к аппаратной части ММК типа «планшет»:
• сенсорный LCD-экран с диагональю 7 дюймов и разрешением 800x480 (рекомендуется 10 дюймов и разрешение 1024x600);
• 512 Мб ОЗУ (рекомендуется 1 Гб);
• 16 Гб флэш-памяти;
• беспроводная связь Wi-Fi;
• встроенная видеокарта (желательно Intel GMA, кроме Intel GMA500);
• встроенные стереодинамики;
• выходы и входы для стереозвука.
Мобильный компьютер типа «электронная книга»
Мобильные средства вычислительной техники типа «электронная книга» выпускаются на аппаратной платформе ARM (изредка MIPS) и делятся на два основных класса:
• с несамосветящимся экраном типа «электронная бумага»;
• с самосветящимися экранами.
Системное программное обеспечение «электронных книг» первого типа, как правило является специфическим для производителя интерфейсом поверх ядра операционной системы Linux, зачастую выпущенной с нарушением авторских прав третьих лиц и не предусматривает замены или дополнения.
Системное программное обеспечение «электронных книг» второго типа, как правило, представляет собой операционную систему Android, позволяющую пользователю устанавливать и запускать дополнительные прикладные программы.
По результатам исследований было принято решение использовать в качестве мобильных средств вычислительной техники типа «электронная книга» устройства на аппаратной платформе ARM под управлением операционной системы Android.
Требования к аппаратной части ММК типа «электронная книга»:
• процессор архитектуры ARM (не хуже ARMv5);
• сенсорный LCD-экран с диагональю 7 дюймов и разрешением 800x480;
• 1 Гб флэш-памяти;
мсод
Аутентификация Синхронизация Система управлен обучением Сервер обновления ПО Фильтрация контента
«Нетбуки
Аутентификация на МСОД Набор прикладного ПО Клиент системы синхронизации
РМП
.утентификация на МСОД Набор прикладного ПО Клиент системы синхронизации Доступ к рабочим столам учащихся
«Планшеты»
Набор прикладного ПО Клиент системы синхронизации
«Электронные книги»
Клиент системы синхронизации
Структура специализированного программного комплекса
• 256 Мб оперативной памяти (рекомендуется 512 Мб)
• беспроводная связь Wi-Fi.
Сервер
Требования к аппаратной части сервера, выполняющего функцию МСОД:
• процессор не хуже 2.0 GHz Quad Core;
• 4 Гбайт оперативной памяти;
• от 500 Гб дискового пространства;
• два сетевых интерфейс с полосой пропускания 1000 Мбит/с.
Взаимодействие элементов комплекса
Центральным элементом структуры СИПК (рисунок) является сервер МСОД, обеспечивающий централизованную аутентификацию, синхронизацию данных, работу дополнительных образовательных сервисов (система управления обучением Moodle, локальная wiki), фильтрацию контента, централизованное обновление программного обеспечения на мобильных средствах вычислительной техники, повторную установку (при необходимости системного и прикладного программного обеспечения на МСОД типа «нетбук»1.
Централизованная аутентификация
Централизованная аутентификация в рамках СИПК будет реализована на основе протокола сетевой идентификации и аутентификации Kerberos версии 5, что позволяет обеспечить аутентификацию при взаимодействии с множеством различных сервисов (доступ
Установка операционной системы через локальную вычислительную сеть требует использования проводной локальной сети. Доступные на рынке мобильные вычислительные средства типа «планшет» не имеют и, судя по всему, — не будут иметь проводного сетевого интерфейса. При необходимости повторной установки программного обеспечения на «планшеты», для этого может быть использован специальным образом подготовленный флэш-накопитель.
к сетевой файловой системе, серверу синхронизации, веб-ресурсам МСОД и др) однократным вводом пароля (single sign-on).
Протокол централизованной аутентификации и идентификации Kerberos версии 5 является на сегодняшний день наиболее широко используемым (в частности он используется, с некоторыми дополнениями, в сетях, управляемых серверами Windows 2000 и более поздними) надежным безопасным решением.
В рамках СИПК планируется использование на МСОД референсной реализации MIT Kerberos, распространяемой под свободной лицензией, на мобильных средствах вычислительной техники будет использоваться та же реализация, но с дополнениями: pam_krb5, krb5-ticket-watcher. Также для использования на компьютерах типа «планшет» будет разработан интерфейс, позволяющий аутентифицироваться на Kerberos сервере отдельно от процесса аутентификации в операционной системе.
Система синхронизации
При построении специализированной системы файловой синхронизации для данного типа взаимодействия приходится решать целый класс различных задач. Первая из этих задач состоит в определении изменения, произошедшего с файловыми объектами. Она решается либо циклическим анализом содержимого с сохранением блочных или файловых контрольных сумм, либо специализированными инструментами операционной системы. В частности, для систем GNU/ Linux современным интерфейсом является интерфейс inotify. При построении централизованной системы встает вопрос выбора типа хранения. Применяются различные варианты: хранение непосредственно в файловой системе, хранение в реляционных или нереляционных базах данных. В то время как непосредственное хранение в файловой системе упрощает реализацию всей системы, хранения в базах данных дает свои преимущества. Хранение в реляционной СУБД позволяет производить различные запросы на языке SQL, хранение в нереляционных СУБД обычно применяется для обеспечения масштабирования систем синхронизации.
Разработанная в данном проекте оригинальная система синхронизации будет обеспечивать прозрачную для пользователей доставку файлов и метаданных, как в направлении преподаватель ^ ученик (задания, учебно-методические материалы), так и в направлении ученик ^ преподаватель (выполненные задания). Оригинальная система синхронизации специально разработана для данного проекта на базе нереляционной СУБД MongoDB. В настоящий момент реализована и испытана макетная реализация данной системы синхронизации.
Система управления обучением
Система управления учебным процессом Moodle
[2] обеспечивает возможность представлять информацию различных видов структурированным образом, а также предоставляет различные возможности про-
верки знаний учащихся. Система Moodle представляет собой веб-приложение.
Для интеграции Moodle в систему централизованной аутентификации СИПК требуется его доработка, которая будет выполнена в рамках данного проекта.
Система централизованного обновления программного обеспечения
Система централизованного обновления программного обеспечения будет обеспечивать обновление системного и прикладного программного обеспечения на мобильных средствах вычислительной техники типов «нетбук» и «планшет». Сервер МСОД будет загружать обновленные пакеты из репозитория ПО, управляемого службой поддержки СИПК, размещать их на сетевом файловом хранилище и анонсировать сетевой адрес пакетов с обновленным программным обеспечением для мобильных средства вычислительной техники по протоколу Zeroconf.
Установка обновлений сможет производиться как полностью автоматически, так и под непосредственным контролем преподавателя (или системного администратора).
Заключение
В настоящее время исследования находятся на стадии технического проекта — проведена апробация комплекта свободного, разработанного на основе репозитория «Шестой платформы Альт Линукс (p6)»
[3], включающего интегрированные решения для мобильных компьютеров, планшетов и серверов, и представляющей собой развитую технологическую платформу для разработки, тестирования, распространения, обновления и поддержки дистрибутивных решений, созданную и развиваемую в рамках проекта Sisyphus [4]. Разработана макетная реализация системы синхронизации учебных материалов поверх документно-ориентированной СУБД MongoDB.
Новая отечественная разработка позволит обеспечить преемственность и совместимость по протоколам и форматам с комплектом ПСПО, созданным в 2007-2008 гг., обеспечить потребности учебных заведений в инфраструктурном, системном, прикладном и учебном ПО с нулевой стоимостью лицензий, работающем как на современном оборудовании, так и поставленном ранее.
Список использованных источников
1. Распоряжение Правительства Российской Федерации № 2299-р от 17 декабря 2010 г. «О плане перехода федеральных органов исполнительной власти и федеральных бюджетных учреждений на использование свободного программного обеспечения (2011-2015 гг.)».
2. Система управления учебным процессом. http://moodle.org.
3. Шестая платформа ALT Linux (p6). http://www.altlinux.ru/ products/6th-platform.
4. Репозиторий пакетов свободных программ ALT Linux Team. http://sisyphus.ru.
ИННОВАЦИИ № 12 (158), 2011
Integration of modern mobile computer’s devices for pupils of educational institutions based on the open source software V. V. Kondaurov, head of department, State Institute of Information Technologies and Telecommunications.
V. V. Kuznetsov, Project manager, JSC ALT Linux.
S. U. Ploskov, Ph. D., The senior lecturer, Russian State University of Innovative Technologies and Entrepreneurship.
Realization of works on transition to use of the open source software defines necessity of working out new and constant updating of existing methodical materials, technical requirements, standards on use of the same in science and education. In article project substantive provisions on working out of a specialized program complex
for integration of modern mobile computer aids (netbooks, tablets, electronic books, etc.) are considered. This program complex needed for pupils and a workplace of the teacher of educational institutions basis on the open source software. The given working out which is carried out for the first time for a domestic education will allow to provide continuity and compatibility under reports and formats with complete set of open source software created in 2007-2008, to provide requirements of educational institutions in infrastructural, system, applied and educational software with zero cost of the licenses, working as on the modern equipment, and put earlier.
Keywords: open source software, mobile device, educational institution, data, exchange, synchronization, base software set.
