CC BY
41
ПРИКЛАДНАЯ ИНФОРМАТИКА -----------
*— Неб 2006
В.В. Артюхин
Об организации лабораторных практикумов по информационно-технологическим дисциплинам в сети Интернет
В данной статье автор представил обзор и классификацию современных методов организации лабораторных практикумов с помощью сети Интернет для студентов, изучающих информационно-технологические дисциплины.
Как стало очевидно в последние годы, Интернет-учебник не является единственным типом учебного материала, характерным для использования в Интернет-образовании, также как его изучение не является единственным видом активности обучаемого, существуют форумы, групповые проекты, web-чаты и т.д. В простейшем случае Интернет-учебник дополняется программами тестирования знаний обучаемого, в более же общем случае на используемое множество средств оказывает серьезное влияние специфика изучаемой дисциплины или дисциплин.
Например, для дисциплин гуманитарного блока Интернет-учебников и программ тестирования может быть вполне достаточно. Однако при изучении естественно-научных и технических дисциплин (например, физики, математики или программирования) необходимо контролировать не только теоретические, но и практические навыки обучаемого, его готовность к решению реальных задач. Это, в свою очередь, является достаточно сложной задачей для автоматизации, так как, с одной стороны, от обучаемого требуется отклик (что не характерно для работы с Интернет-учебником), а с другой — варианты решений задач обучаемым, т.е. его ответы, могут не исчерпываться конечным множеством вариантов (что ограничивает применимость тестирования для данных целей).
В организации удаленной практической работы обучаемого по дисциплинам, так
или иначе связанным с информационными технологиями, или носящим естественнонаучный характер существуют две основные проблемы.
Первая — не всякую работу обучаемый в состоянии выполнить, находясь на удалении от ресурсов базовой обучающей организации, например, вуза. В частности, он не способен собрать любую лабораторную установку на дому, в силу отсутствия требуемого оборудования. Точно так же у него могут возникнуть проблемы с информационно-технологическими дисциплинами в силу отсутствия требуемого программного обеспечения.
Вторая проблема часто заключается в методе проверки правильности выполнения практических заданий. При очном обучении преподаватель в рамках лабораторного практикума занимается с несколькими группами студентов (15-30 человек в каждой). При дистанционном сетевом обучении число студентов может быть на порядок или порядки выше, что делает ручную проверку лабораторных и курсовых работ затруднительной, если не невозможной. Очевидно, что для решения этой проблемы требуется полная или частичная автоматизация процессов проверки практических заданий.
В последние годы было предложено несколько методов, частично решающих одну из двух или обе указанные проблемы. Рассмотрим два фундаментальных решения: эмуляцию программного обеспечения на
Об организации лабораторных практикумов по информационно-технологическим дисциплинам в сети Интернет
Н962006
сервере обучающей организации и передачу программного обеспечения на удаленный компьютер обучаемого.
«Виртуальная лаборатория»
По мнению авторов проекта «виртуальной лаборатории», организация лабораторных практикумов и для инженерных дисциплин, и для дисциплин, связанных с программированием, имеет схожие черты. В обоих случаях «виртуальная лаборатория» подразумевает, что выполняемые работы реальны, а оборудование — виртуальное. Рассмотрим, что представляет собой лабораторная работа.
Как правило, суть лабораторной работы состоит в следующем:
1. Из набора заданных компонентов следует составить лабораторную установку.
2. Лабораторная установка состоит из двух частей: измерительного оборудования и объекта исследования. Измерительное оборудование должно иметь строго детерминированное поведение, в то время как объект исследования формально имеет неизвестное поведение, которое и необходимо определить.
3. Обучаемый по заданной методике собирает лабораторную установку и приступает к измерениям. Суть измерений заключается в том, что необходимо «настроить среду», в условиях которой производятся наблюдения, т. е. изучается поведение заданного объекта.
4. Изучение поведения состоит в том, что последовательно снимаются измерения изучаемого параметра. Следует отметить, что такие измерения являются реакцией изучаемого объекта на внешнее воздействие, т. е. воздействие среды лабораторной установки.
Таким образом, схему лабораторной работы можно представить в следующем виде: имеется среда, в которую помещается некоторый объект, вступающий с ней во взаимодействие. Среда задает определен-
ное воздействие известное достаточно точно (точность в данном случае понятие физических измерений). Набор реакций на воздействия среды определяет поведение изучаемого объекта.
Как саму среду, так и изучаемый объект можно заменить их компьютерной моделью. С точки зрения обучения такая замена адекватна, если реакция модели изучаемого объекта будет адекватной заданию лабораторной работы [1].
Процесс проведения лабораторной работы для инженерной дисциплины с компьютерной моделью по сути совпадает с проведением лабораторной работы для дисциплин, связанных с программированием. Хотя есть и существенные различия.
Студенты, изучающие дисциплины, связанные с программированием (например, Программирование в средах различных операционных систем, Программирование в распределенных средах, Операционные системы и оболочки), собирают не измерительный стенд, а непосредственно создают объект с требуемыми свойствами, который затем будет подвергнут тестированию с целью убедиться, что созданный объект имеет заданные правила (алгоритмы) поведения.
В отличие от модели физического объекта, поведение которого подлежит исследованию, программа должна обладать заданным поведением. Последнее обстоятельство и подлежит исследованию.
Операционная среда или операционная система является объектом важным, но достаточно понятным и рассматривать его поведение нет необходимости.
Измерительная система или инструментальная среда — это набор программных компонентов, поведение которых известно. В случае работы по программированию инструментальная среда задается изначально. Кроме того, она может быть настроена (заданием значений параметров).
Важным элементом является анализатор результатов. Назначение этого элемента — преобразование реакции исследуемого
Нвб 2006
объекта в форму понятную для анализа результатов.
На исследуемый объект осуществляется воздействие со стороны инструментальной среды, которое выбирается из некоторого набора возможных (репозитория) воздействий и одновременно передается на объект и на анализатор реакций.
Испытываемый объект вырабатывает реакцию, фиксируемую анализатором. Сравнивая предполагаемую и фактическую реакции, анализатор вырабатывает набор выходных данных эксперимента, которые записываются в репозиторий результатов.
Студент, проводящий эксперимент, получает запись регистрируемого результата в удобной для восприятия форме и принимает решения по управлению экспериментом. Это решение передается инструментальной системе для выработки управляющего решения исследуемому объекту. Так замыкается цепочка передачи сигнала от экспериментатора к исследуемому объекту, и обратно.
В качестве примера реализации описанной концепции рассмотрим процесс обучения программированию трехмерной компьютерной графики средствами специализированной библиотеки OpenGL (Open Graphic Library), предложенный к реализации в рамках программ профессиональной переподготовки в Московской финансовопромышленной академии.
В процессе обучения в качестве практических заданий студенты должны реализовывать программы, выводящие на экран некоторые трехмерные графические объекты или целые композиции. Эти программы, как правило, реализуются на языке C++, что требует наличия транслятора с этого языка, например одной из версий Microsoft Visual C++. Данное программное обеспечение является довольно-таки дорогим, что затрудняет его доставку на компьютеры обучаемых в случае, когда обучение ведется с помощью Интернет. Кроме того, при изучении OpenGL студентам не нужна вся мощь указанного транслятора, так как OpenGL включает всего порядка 150 команд.
В соответствии с описанной концепцией «виртуальной лаборатории» проблема может быть решена намного более дешевым образом. Для этого на сервере образовательной организации следует реализовать виртуальную среду, которая будет способна принимать от удаленных пользователей текст с командами OpenGL, транслировать их в код C++, выполнять этот код опять-таки на серверной стороне, считывать получившееся изображение и отсылать его пользователю, например, в виде картинки, вставленной в HTML-файл (или рапортовать ему об ошибке, если таковая была обнаружена в коде). Число пользователей такой системы практически не ограничено, в то время как необходима только одна копия транслятора, что значительно удешевляет весь процесс обучения. Кроме того, копии получившихся изображений могут быть сохранены на сервере, в этом случае их может просматривать преподаватель. Обучаемый же может работать со средой с помощью обычного web-браузера, вставляя нужный текст в окошко на странице и просматривая получившееся изображение.
Технология «виртуальной лаборатории» в различных вариантах применяется многими российскими организациями, ведущими дистанционное обучение с помощью Интернет, например, Центром дистанционного обучения Санкт-Петербургского государ-ствнного университета информационных технологий, механики и оптики; кафедрой Математической кибернетики Московского авиационного института; Центром дистанционного обучения Московского энергетического института; Центром дистанционного обучения при Московском государственном техническом университете имени Баумана и др.
Программное обеспечение на персональном компьютере обучаемого
Другим распространенным подходом к организации практической деятельности обу-
В.В. Артюхин
Об организации лабораторных практикумов по информационно-технологическим дисциплинам в сети Интернет
НвВ 2006
чаемого по Интернет в процессе изучения дисциплины является предварительная передача требуемого для этого программного обеспечения непосредственно на его компьютер. Выгоды и недостатки данного подхода тесно связаны со спецификой конкретной дисциплины, т.е. с характером необходимого программного обеспечения. Выделим два основных варианта.
К первому варианту относятся дисциплины, посвященные изучению одного из языков программирования (или тесно связанные с одним из них). Очевидно, что в этом случае необходимым программным обеспечением является, как минимум, транслятор с этого языка и среда разработки если таковая присутствует (язык Ассемблера часто используется только с помощью транслятора). Среды же разработки, как правило, являются дорогими коммерческими продуктами (например, Microsoft Visual C++), и их массовое лицензирование для последующей передачи на удаленные рабочие места обучаемых однозначно не является экономически выгодным. Часто, но не всегда, эту проблему можно решить за счет использования бесплатных бета-версий новых программных продуктов (хотя в подавляющем большинстве случаев такие версии являются нестабильными в работе), а также бесплатных средств разработки или заключения договоров с компаниями — производителями нужного программного обеспечения на покупку групповых лицензий или более дешевых учебных версий продуктов (справедливости ради стоит отметить, что в последние годы интерес производителей программного обеспечения к вузам значительно вырос).
К этому же варианту организации практической деятельности обучаемых склоняются разработчики курсов, направленных на изучение возможностей и технологии работы с конкретными программными продуктами (например, Adobe Photoshop, Microsoft FrontPage, Descreet 3D Studio MAX и т.д.).
Во втором варианте дисциплина непосредственно не связана с конкретным программным обеспечением, т.е. изучением техники работы с ним дисциплина не исчерпывается. Оно используется лишь для поддержки дисциплины и выполнения обучаемым практических заданий.
В качестве примера можно рассматривать большинство естественно-научных дисциплин: практические задания по дисциплинам Линейная алгебра и Вычислительная математика можно выполнять с помощью Microsoft Excel, задания по дисциплине Уравнения математической физики — с помощью пакетов Mathematica или MathCAD, а задания по Имитационному моделированию экономических процессов — с помощью пакетов Pilgrim или ReThink. Следует однако отметить, что для разных дисциплин в качестве отклика от обучаемого требуется рассматривать информацию различающуюся как по объему, так и по характеру.
Анализируя приведенные варианты, можно выделить следующие методы организации практической деятельности обучаемого по информационно-технологическим или естественно-научным дисциплинам для тех случаев, когда все функции требуемого для дисциплины программного обеспечения нельзя эмулировать на стороне сервера обучающей организации, предоставив пользователю удаленный доступ.
1. Образовательная организация тем или иным путем приобретает программное обеспечение и передает его на компьютер обучаемого в качестве приложения к дисциплине. Обучаемый выполняет практические задания на своем компьютере, затем передает результат на сервер обучающей организации, где в зависимости от специфики результата выполняется его ручной, автоматический или полуавтоматический контроль.
Этот вариант наименее привлекателен для обучающей организации по экономическим соображениям, поэтому в Российской
Нвб 2006
Федерации практически не применяется, однако частично реализуется, например, Центром дистанционного обучения Московского государственного института электроники и математики.
2. Оставить всю ответственность за приобретение нужного программного обеспечения на обучаемом. Методы проверки такие же, как и в предыдущем варианте.
Этот вариант наименее привлекателен для обучаемого, поскольку он вынужден нести не только затраты по оплате за обучение, но еще и затраты на самостоятельное приобретение требуемого программного обеспечения. Например, такой вариант обучения предлагается Центром дистанционного обучения 1С, Центром обучения и тестирования «САМАН-МАТИ» и др.
3. В том случае, если дисциплина тесно связана с определенным программным обеспечением, но для выполнения практических заданий обучаемому необходимо использовать только некоторое подмножество его функций, обучающая организация может самостоятельно разработать свое программное обеспечение, выполняющее (эмулирующее) нужную часть функций исходного.
Хотя в этом случае образовательная организация несет затраты на разработку нового программного обеспечения, она избавлена от проблем с покупкой существующего. Кроме того, при разработке своего программного обеспечения организация может добавить в него функции для предварительной проверки результатов практической деятельности обучаемого на месте с тем, чтобы облегчить его работу, а также упростить последующий автоматический или полуавтоматический контроль на своей стороне.
Этот вариант вполне приемлем и для образовательной организации и для обучаемого, однако не кажется логичным и носит характер «изобретения велосипеда», поскольку приходится дублировать существующую функциональность. Такой ва-
риант применяется, например, в Центре дистанционного обучения Всероссийского заочного финансово-экономического института.
4. Образовательная организация использует на своей стороне полную и единственную версию необходимого программного обеспечения (возможно с некоторыми надстройками) для выполнения автоматического или полуавтоматического контроля результатов работы обучаемого. Обучаемый, в свою очередь, использует у себя на компьютере программное обеспечение, разработанное образовательной организацией и предназначенное для создания промежуточного результата в виде, который является пригодным для обработки на ее стороне.
Поясним данную ситуацию на примере. Предположим, что студент дистанционно изучает дисциплину Имитационное моделирование экономических процессов. Для построения моделей ему требуется пакет имитационного моделирования Pilgrim и транслятор с языка C++ (обычно это Microsoft Visual C++). Оба продукта являются коммерческими. Образовательная организация устанавливает это программное обеспечение на своей стороне и предоставляет всем обучаемым графический конструктор имитационных моделей Pilgrim (на текущий момент имеется два таких конструктора: Gem и Arcitect). В процессе выполнения практических заданий студент строит модели в конструкторе, запускает генератор, создающий из графического представления модели текстовое на языке C++ и отсылает этот промежуточный результат на сервер. Сервер создает из полученного файла проект, компонует исполняемый файл модели, выполняет его (если необходимо делая экранные снимки) и отсылает конечный результат (экранные снимки графиков и итоговую таблицу) обратно обучаемому (сохранив его также для преподавательского контроля).
Такой вариант организации практической деятельности обучаемого является
В.В. Артюхин
Об организации лабораторных практикумов по информационно-технологическим дисциплинам в сети Интернет
Н962006
наиболее разумным из четырех перечисленных, поскольку:
• ни организация, ни обучаемые не несут затрат на закупку большого числа копий дорогостоящего программного обеспечения;
• хотя организация и вынуждена разрабатывать свое программное обеспечение, оно несет в себе новую функциональность, не дублируя имеющуюся, т. е. такие продукты могут оказаться полезными не только в образовательных целях, но и как самостоятельные коммерческие продукты.
Выводы
Все вышесказанное относительно организации практической деятельности обучаемого можно кратко записать в виде соотношения
Fsw = ft + fs,
где — суммарная функциональность программного обеспечения, необходимого обучаемому для эффективного изучения курса;
ft — часть функциональности, реализуемая в программном обеспечении на стороне обучающей организации (например, на ее web-сайте); fs — часть функциональности, реализуемая в программном обеспечении, тем или иным путем передаваемом непосредственно на компьютер обучаемого.
Таким образом, чем больше ft, тем большую подготовительную работу должна провести обучающая организация и тем меньшее количество программного обеспечение должно передаваться на компьютер обучаемого. Верно и обратное. Например, при использовании технологии «виртуальной лаборатории» ft = , а fs = 0.
Следует заметить, что приведенное соотношение не несет в себе чистого экономического смысла, поскольку при ft = 0 и fs = неясно, передает ли обучающая
организация полный набор программно-
го обеспечения пользователю (и несет при этом максимальные затраты) или оставляет заботы по приобретению этого программного обеспечения самому обучаемому.
Безусловно, в каждом конкретном случае обучающая сторона должна обоснованно подходить к выбору метода организации практической деятельности обучаемых. Следует учитывать такие факторы, как специфика дисциплины или курса, тип и объем информации, составляющей отклик обучаемого, возможности программного обеспечения, используемого при выполнении практических заданий, и затраты, которые организация готова понести.
Тема математического моделирования и анализа процессов взаимодействия обучаемых и преподавателей посредством сети Интернет в условиях различных вариантов ее применения для обучения является настолько же интересной и актуальной, как и масштабной, поэтому раскрыть ее в небольшой обзорной статье не представляется возможным. Однако данной тематике целиком посвящена другая работа автора [2].
Список литературы
1. Епифанский А. Г, Кондратьев В. К. Виртуальная учебная лаборатория программирования в системе открытого образования // Реинжиниринг бизнес-процессов на основе современных информационных технологий. Системы управления знаниями. М., 2002.
2. Артюхин В.В. Моделирование технологий образовательных процессов. М.: МАКС Пресс, 2005.
3. Берн Э. Игры, в которые играют люди. Люди, которые играют в игры / Пер. с англ. М.: Университетская книга, 1996.
4. Емельянов А.А., Власова Е.А., Дума Р.В. Имитационное моделирование экономических процессов: Учебное пособие. М.: Финансы и статистика, 2002.
5. Нейлор Т. Машинные имитационные эксперименты с моделями экономических систем. М.: Мир, 1975.
