Организация лабораторного практикума с применением информационно-коммуникационных технологий Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

файлового хранилища можно использовать решение на базе облачного сервиса OwnCloud. Это решение может быть с легкостью развернуто на собственных серверах организации и, тем самым, обеспечивать безопасность хранения данных ввиду их локального размещения. Сервис позволяет использовать клиенты синхронизации под различные операционные системы, а также мобильные платформы, что делает его применение весьма удачным с точки зрения доступности преподавателями и студентами.

Таким образом, предложенная инфраструктура организации информационно-телекоммуникационной среды позволяет в качестве базовых элементов использовать свободное программное обеспечение, минимизируя затраты на приобретение лицензий. Построение вычислительной сети фрагментированной на виртуальные подсети и организация сетевой загрузки операционных систем с централизованным управлением позволяет повысить безопасность и значительно снизить расходы на сопровождение программного обеспечения в рамках всей инфраструктуры, применение систем виртуализации позволяет осуществлять гибкую организацию доступа к коммерческому программному обеспечению, а использование для этого решения на базе организации виртуальных рабочих столов (Ulteo OVD) обеспечить кроссплатформенный доступ к такому программному обеспечению посредством веб-браузера. Построение корпоративных ин-

формационных систем на базе единой модульной платформы (Odoo) позволяет достичь комплексной автоматизации с применением современных подходов проектирования и разработки. Использование в качестве платформы для веб-конференций BigBlueButton, совместно с платформой Moodle предоставляют сервисы дистанционного обучения и повышают доступность образовательной среды для широкого круга заинтересованных в процессе обучения людей.

Библиографическая ссылка

1. Горошкин А. Н., Фисков М. М., Дербень А. М. Концепция и технологии построения сетевого университета // Информационные технологии на базе свободного программного обеспечения : материалы Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием. Елец : ЕГУ им. И. А. Бунина, 2010. С. 49-55.

Reference

1. Goroshkin A. N., Fiskov M. M., Derben A. M. Koncepcija I tehnologii postroenija setevogo universiteta // Informacionnye tehnologii na baze svobodnogo programmnogo obespechenija : materiafy Vserossijskoy nauchno-prakticheskoy konferencii s mezhdunarodnym uchastiem. Elec : EGU im. I. A. Bunina, 2010, р. 49-55.

© Горошкин А. Н., 2014

УДК 378.147.88

ОРГАНИЗАЦИЯ ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА С ПРИМЕНЕНИЕМ ИНФОРМАЦИОННО-КОММУНИКАЦИОННЫХ

ТЕХНОЛОГИЙ

Г. М. Гринберг1, Д. В. Романов2

1 Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Е-шаП: [email protected]

2Красноярский государственный педагогический университет имени В. П. Астафьева Российская Федерация, 660049, г. Красноярск, ул. Ады Лебедевой 89 Е-шаП: [email protected]

Рассмотрены требования Федерального государственного образовательного стандарта к организации лабораторного практикума в вузе и возможность выполнения этих требований путем комплексирования лабораторного практикума на базе различных лабораторий. Показано место информационных технологий при организации лабораторного практикума в инженерном образовании. Описаны компьютерная программа обучения студентов работе на автоматизированной установке проверки правильности электрического монтажа «Лиана» и интерактивная компьютерная модель шагового двигателя.

Ключевые слова: информационно-коммуникационные технологии, лабораторный практикум, организация лабораторного практикума.

ORGANIZATION OF THE LABORATORY WORKSHOP USING IT AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES

G. M. Grinberg1, D. V. Romanov 2

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation Е-mail: [email protected] ^Krasnoyarsk State Pedagogical University named after V. P. Astafyev 89, Ada Lebedeva str., Krasnoyarsk, 660049, Russian Federation Е-mail: [email protected]

The requirements of the Federal state educational standard for the organization of a workshop at the university and the ability to meet these requirements by integrating laboratory practical work on the basis of different laboratories are discussed. The place of information technology in the organization of the laboratory practical work in engineering education is shown. We describe interactive computer model of stepper motor and a computer program to train students to work with software «Liana» designed for automated verification of electrical assemblages.

Keywords: informational technologies, communication technologies, workshop, organization of university workshop.

Создание и развитие информационного общества предполагает широкое применение информационно-коммуникационных технологий (ИКТ) в образовании, что определяется рядом факторов. Во-первых, внедрение ИКТ в образование существенным образом ускоряет передачу знаний и накопленного технологического и социального опыта человечества не только от поколения к поколению, но и от одного человека другому.

Во-вторых, современные ИКТ, повышая качество обучения и образования, позволяют человеку успешнее и быстрее адаптироваться к окружающей среде и происходящим социальным изменениям. Это дает каждому человеку возможность получать необходимые знания как сегодня, так и в будущем постиндустриальном обществе.

В-третьих, активное и эффективное внедрение этих технологий в образование является важным фактором создания системы образования, отвечающей требованиям информационного общества и процессу реформирования традиционной системы образования в свете требований современного индустриального общества [1].

Включение студентов технического вуза в систему профессиональной подготовки, основанной на использования современных ИКТ, влечёт за собой активизацию их познавательной деятельности, раскрывает их творческий потенциал, способствует повышению уровня и качества обучения.

Важным звеном образовательного процесса в техническом вузе является физический и технический эксперимент, осуществляемый студентами во время лабораторных занятий. Лабораторные занятия проводятся в виде фронтальных опытов, лабораторных работ, практикумов, как по общим, так и по специальным дисциплинам.

Лабораторное занятие - форма организации обучения, когда студенты по заданию и под руководством преподавателя выполняют одну или несколько лабораторных работ. Основные дидактические цели лабораторных работ - экспериментальное подтвер-

ждение изученных теоретических положений: экспериментальная проверка формул, расчетов: ознакомление с методикой проведения экспериментов, исследований. В ходе работы у студентов формируются умения наблюдать, сравнивать, сопоставлять, анализировать, делать выводы и обобщения, самостоятельно вести исследования, пользоваться различными приемами измерений, оформлять результаты в виде таблиц, схем, графиков и т. д. Одновременно у студентов формируются профессиональные умения и навыки обращаться с различными приборами, аппаратурой, установками и другими техническими средствами при проведении опытов. Однако ведущей дидактической целью лабораторных работ является овладение техникой эксперимента, умением решать практические задачи путем постановки опыта [2].

Согласно Федеральному государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования высшее учебное заведение, реализующее основную образовательную программу (ООП) подготовки специалистов, для организации лабораторных занятий должно располагать необходимой материально-технической базой.

Минимально необходимый для реализации образовательной программы подготовки специалистов перечень материально-технического обеспечения включает в себя:

- специализированные лаборатории для обеспечения практикума по общеобразовательным, специальным учебным дисциплинам и дисциплинам специализации;

- лаборатории, оснащенные современной измерительной аппаратурой, средствами вычислительной техники, промышленными образцами приборов и систем и специализированными установками исследовательского назначения, обеспечивающими изучение процессов, устройств и систем в соответствии с содержанием ООП подготовки специалиста;

- базу для выполнения научных исследований со специализированными объектами, оборудованными в соответствии с видом выполняемых работ.

В условиях конкретного высшего учебного заведения возможно комплексирование лабораторного практикума на базе различных лабораторий с учетом требований специальности и специализации. Потенциальная для этого случая схема организации лабораторного практикума в вузе показана на рис. 1.

Средства комплексирования лабораторного практикума в этой схеме разбиты на три группы:

1. Лаборатория с традиционным доступом (ЛТД) к экспериментальному оборудованию, установкам. Под такой лабораторией будем понимать подразделение в составе учебного заведения, проводящее научные эксперименты или учебные занятия. Научные эксперименты и учебные занятия в такой лаборатории студентами выполняются непосредственно в соответствии с учебным планом и расписанием проведения занятий.

Организация ЛТД осуществляется в двух вариантах:

- приобретение готовых лабораторных установок, оборудования;

- разработка и изготовление лабораторных установок, оборудования специалистами учебного заведения.

При всех достоинствах первого варианта, он, в силу сложившихся экономических условий работы учебных заведений, слабо реализуется. К тому же предлагаемые на рынке учебного оборудования лабораторные установки обладают, как правило, определенной степенью универсальности, избыточности выполняемых функций, что неизменно сопровождается его усложнением, а, следовательно, удорожанием. Поэтому компромиссом в данной ситуации может послужить разработка лабораторных установок специалистами вуза. К описанному оснащению ЛТД следует добавить экспериментальные установки, разработанные и изготовленные специалистами вуза в ходе выполнения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, если эти установки используются для целей обучения.

2. Лаборатория с удаленным доступом (ЛУД) к экспериментальному оборудованию, установкам.

Под такой лабораторией будем понимать подразделение производственной или учебной организации, оснащенное реальным производственным или учебно-исследовательским оборудованием с дистанционным доступом к нему по телекоммуникационным каналам связи.

Новые методы организации лабораторного практикума, основанные на использовании ресурсов ИКТ, сформулированы в Федеральном проекте «Создание межвузовской системы коллективного пользования уникальным оборудованием (Российская студенческая лаборатория)». Эти методы предусматривают организацию удаленного доступа к реальному эксперименту в двух вариантах: к результатам эксперимента; к управлению самим экспериментом.

Наиболее простой вариант - удаленный доступ к результатам эксперимента. При такой организации лабораторная работа проводится обычным образом, а полученные экспериментальные данные передаются с помощью информационно-коммуникационных технологий студентам для последующего анализа и обработки. Например, эксперимент проводится на борту космического аппарата, а результаты передаются на Землю.

Более активное участие студентов в эксперименте достигается при удаленном доступе к эксперименту, когда обеспечивается возможность удаленного управления этим экспериментом. Например, созданная на базе кафедры физики МГТУ распределенная физическая лаборатория удаленного доступа объединяет через сеть Интернет базы данных и лабораторные установки, которые используются как научными, так и учебными учреждениями России. Диапазон изменения задаваемых пользователями параметров ограничен лишь техническими особенностями конкретной установки и является достаточно широким, что обеспечивает выполнение лабораторной работы в полном объеме [3].

Дистанционный эксперимент имеет следующие преимущества:

- расширяется круг пользователей экспериментальной установкой;

Рис. 1. Схема организации лабораторного практикума в вузе

- достигается более полное использование ресурсов экспериментальной аппаратуры;

- обеспечивается работа с аппаратурой, к которой пользователи не имеют непосредственного доступа;

- беспечивается работа с уникальной (дорогостоящей) аппаратурой или проведение экспериментов по изучению уникальных объектов;

- появляется возможность масштабирования по времени экспериментов, процессы в которых протекают или очень быстро или очень медленно.

В условиях ЛУД большое значение приобретает организация на основе использования средств ИКТ автоматизированного лабораторного практикума (АЛП), структура которого и основные требования к его подсистемам регламентируются отраслевым стандартом ОСТ 9.2-98 [4]. В соответствии с этим стандартом автоматизированная система лабораторного практикума представляет комплекс технических, программных и методических средств, обеспечивающих автоматизированное проведение лабораторных работ на физических объектах и (или) математических моделях. В качестве физического объекта рассматривается лабораторный стенд или промышленная установка, используемая для целей обучения. Создание АЛП требует специальных технических средств для автоматизации лабораторной установки, разработки специализированного программного обеспечения, а также методического обеспечения практикума.

3. Лаборатория с ограничениями доступа (ЛОД) к экспериментальному оборудованию. Под такой лабораторией понимаются подразделения базовых предприятий и / или учебных учреждений (владельцы оборудования), оснащенные соответствующим реальным промышленным или учебно-исследовательским оборудованием. Вуз, для того, чтобы иметь возможность использовать такое оборудование в целях обучения своих студентов, заключает с владельцем оборудования надлежащий договор. Но даже при появлении в этих условиях доступа к необходимому, позволяющему осуществить лабораторный эксперимент оборудованию, имеются временные ограничения: а) для проведения его в подходящее для целей обучения время; б) с достаточной полнотой. То есть ограничения, как по моменту проведения учебного занятий, так и по количеству времени, отводимого на лабораторный эксперимент.

Время, необходимое для проведения лабораторного эксперимента, складывается:

1) из времени подготовки к эксперименту;

2) из времени выполнения эксперимента, которое при работе с реальным оборудованием зачастую бывает значительным:

3) из времени, затрачиваемого на обработку и осмысление полученных результатов.

В условиях накладываемых временных ограничений доступа к экспериментальному оборудованию представляется целесообразным все время нахождения в ЛОД посвятить непосредственно эксперименту, а подготовку к нему и обработку его результатов проводить вне ЛОД. Эффективным учебным средством являются компьютерная обучающая программа (КОПР), представляющая собой электронный обу-

чающий ресурс, предназначенный для самостоятельной работы студентов с учебным материалом. Для рассматриваемого случая КОПР может позволить студенту активно самостоятельно подготовиться к эксперименту, а после его проведения подготовить отчет.

На кафедре Систем автоматического управления (САУ) СибГАУ используется компьютерная программа обучения студентов работе на автоматизированной установке проверки правильности электрического монтажа «Лиана». Компьютерная программа как программное средство учебного назначения организовано в виде системы, состоящей из двух подсистем: информационной (содержательная часть) и программной (программная реализация).

В содержательную часть входят:

- структурированные, конспективно изложенные учебные материалы по назначению, классификации и методам проведения электрических испытаний;

- техническое описание и инструкция по эксплуатации установки «Лиана»;

- инструкции по охране труда при выполнении электромонтажных и испытательных работ;

- варианты заданий с электрическими схемами соединительных кабелей для написания программ их испытаний;

- рафические иллюстрации и необходимый дополнительный и поясняющий материал.

Программная часть содержит:

- программную оболочку, которая включает в себя программное обеспечение установки «Лиана», позволяющее написать файл проверки соответствия электрического монтажа соединительного кабеля его электрической схеме и техническим условиям (правильность соединений, испытание на пробой, измерение сопротивления изоляции), проверить файл на наличие синтаксических ошибок и выполнить редактирование файла проверки;

- обучающую программу, которая включает в себя адаптированный для простоты обучения интерфейс и основные правила работы с программным обеспечением установки «Лиана»;

- тест достижений, содержащий тестовые задания и позволяющий проводить оперативный контроль преподавателем степени усвоения студентами учебного материала, а также самоконтроль усвоения учебного материала самими студентами.

Изучение установки «Лиана» и написание файла проверки для заданной схемы кабеля является первым этапом обучения студентов работе на установке «Лиана». Вторым этапом является организованный лабораторный практикум, когда с помощью разработанного файла проверки производятся испытания на установке «Лиана» реального кабеля. Заключительным этапом является оформление отчета по выполненной работе и защита его.

Кроме натурного эксперимента, проводимого с применением реального объекта, в настоящее время широкое распространение получил компьютерный (называемый также численным или виртуальным) эксперимент, проводимый с применением модели реального объекта. Каждый из названных экспериментов имеет

свои преимущества и недостатки, дидактические и технические особенности организации, область применения, описание которых приведены в [5].

В высокоточных измеряющих и следящих системах, в которых регулируются параметры углового и линейного перемещения, в качестве исполнительных элементов используются шаговые двигатели (ШД). На кафедре САУ для организации учебного процесса используется интерактивная компьютерная модель ШД [6]. Интерфейс программы (рис. 2) показывает модель ШД и путем подачи напряжений на обмотки 1, 2, 3, 4 статора позволяет управлять работой ШД.

Модель учитывает зависимость вращающего момента обмоток статора от угла поворота ротора, инерцию подвижных элементов, внутреннее трение, внешнюю нагрузку на вал двигателя. Модель интерактивно реагирует на изменения состояния ШД, что позволяет пояснить ключевые принципы, положенные в основу устройства ШД. Развёртки 5 и 6 напряжения на обмотках и угла поворота 7 ротора как функции от времени визуально представляются на экране компьютера в виде осциллограмм.

Интерактивность и привычная форма представления данных облегчают переход на работу с реальным оборудованием. С помощью графического курсора можно быстро выбрать на осциллограмме интере-

сующий момент времени и посмотреть соответствующее состояние двигателя. Секторными диаграммами визуализируются ключевые физические параметры двигателя (угловая скорость вращения, вращающие моменты обмоток и нагрузки). Синхронизация выбранного на осциллограмме момента времени и изменений в состоянии двигателя способствует пониманию логики работы и физических процессов, положенных в основу работы двигателя.

Возможно, как хранить и сравнивать осциллограммы для двух и более экспериментов, так и быстро пересчитывать результаты моделирования при изменении входных параметров (добротность двигателя, частота собственных колебаний, нагрузка на вал, частота следования управляющих импульсов). Это позволяет изолировать вклад отдельных процессов и наглядно обрисовать их физическую природу.

Программа написана на языке Питон и использует интерфейс gtk, благодаря чему переносима на платформы Windows, Linux, и многие другие. Для комфортной работы достаточно компьютера следующей конфигурации: процессор уровня AMD 1.6 ГГц, 512 Мб RAM, интегрированный графический адаптер. Все используемые библиотеки и инструменты доступны, распространяются бесплатно с открытыми исходными текстами.

¿30

©

flHIaHUu tomiHHJun

» i+1■" + I3Y

о о s n

•J -T2uf G gfaftjr

схщичиимутм»*

EH*

Ьт.пьч1Ги IiiJ IV.',

CdbCTB rwpH&A ¡-5 11 Hü»*. ТрвИ1Я|оЭ Нлргдоа iii ил jo vr

_

Z_

■ 5 6

7

а б

Рис. 2. Интерфейс программы: а - переходный режим работы ШД; б - установившийся режим работы ШД 1, 2, 3, 4 - фазы статора; 5 - напряжение на включенных фазах статора; 6 - напряжение на выключенных фазах статора; 7 - зависимость угла поворота ротора от времени

Библиографические ссылки

1. Яковлев А. И. Информационно-коммуника- | ционные технологии в образовании [Электронный ] ресурс]. URL: http://emag.iis.ru/arc/infosoc/emag.nsf/ ] BPA/bce6d4452de1cad0c3256c4d005253d0 (дата обращения: 1.02.2014).

2. Антипова М. В. Формы организации обучения. [Электронный ресурс]. URL: http://mpfmargtu.ucoz.ru/ metod/ metodicheskoe_posobie-oktjabr.pdf (дата обращения: 06.012014).

3. Распределенная физическая лаборатория удаленного доступа МГТУ им. Н. Э. Баумана [Электрон-

ный ресурс] / А. М. Афонин, В. С. Горелик, В. Н. Корниенко и др. URL: www.ict.edu.ru/vconf/ files/tm00_023.doc (дата обращения: 11.01.2014).

4. ОСТ 9.2-98. Система разработки и постановки продукции на производство. Учебная техника для образовательных учреждений. Системы автоматизированного лабораторного практикума [Электронный ресурс] / Утвержден приказом Минобразования России от 14.10.98 № 2610. URL: http://cati.ru/library/ normativy/standart-ost-9-2-98/ (дата обращения: 29.12.2013).

5. Гринберг Г. М., Романов Д. В., Исаев В. А. Организация лабораторного практикума с помощью современных информационных технологий // Инфо-коммуникационные технологии в науке, производстве и образовании : материалы IV Междунар. науч.-техн. конф. (28-30 июня 2010 г., Ставрополь) // СевероКавказский гос. техн. ун-т. С. 48-52.

6. Гринберг Г. М., Романов Д. В. Интерактивная компьютерная модель шагового двигателя // Решет -невские чтения : материалы Х^ Междунар. науч. конф., (10-12 ноября 2010 г., Красноярск) : в 2 ч./ под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. унт. Красноярск, 2010. Ч. 2. С. 485-486.

References

1. Jakovlev A. I. Informacionno-kommunikacionnye tehnologii v obrazovanii [Jelektronnyj resurs]. Rezhim dostupa: http://emag.iis.ru/arc/infosoc/emag.nsf/BPA/ bce6d4452de1cad0c3256c4d005253d0 (data obrasche-niya: 1.02.2014).

2. Antipova M. V. Formy organizacii obuchenija [Jelektronnyj resurs]. Rezhim dostupa: http://mpfmargtu.

ucoz.ru/metod/metodicheskoe_posobie-oktjabr.pdf (data obrascheniya: 06.01.2014).

3. Raspredelennaja fizicheskaja laboratorija udalennogo dostupa MGTU im. N.Je. Baumana [Jelektronnyj resurs] / A. M. Afonin, V. S. Gorelik, V. N. Kornienko i dr. Rezhim dostupa: www.ict.edu.ru/ vconf/files/tm00_023.doc (data obrascheniya: 11.01.2014).

4. OST 9.2-98. Sistema razrabotki i postanovki produkcii na proizvodstvo. Uchebnaja tehnika dlja obrazovatel'nyh uchrezhdenij. Sistemy avtomatiziro-vannogo laboratornogo praktikuma [Jelektronnyj resurs] / Utverzhden prikazom Minobrazovanija Rossii ot 14.10.98 № 2610. Rezhim dostupa: http://cati.ru/library/normativy/ standart-o st-9-2-98/ (data obrascheniya: 29.12.2013).

5. Grinberg G. M., Romanov D. V., Isaev V. A. Organizacija laboratornogo praktikuma s pomoshh'ju sovremennyh informacionnyh tehnologij. Infokommunika-cionnye tehnologii v nauke, proizvodstve i obrazovanii: Chetvertaja mezhdunarodnaja nauchno-tehnicheskaja konferencija, g. Stavropol', 28-30 ijunja 2010 g. Severo-Kavkazskij gosudarstvennyj tehnicheskij universitet. S. 48-52.

6. Grinberg G. M., Romanov D. V. Interaktivnaja komp'juternaja model' shagovogo dvigatelja. Reshetnevskie chtenija: materialy HIV Mezhdunarodnoj nauch. konf., posvjashh. pamjati general. konstruktora raket.-kosmich. sistem akademika M. F. Reshetneva (1012 nojabrja 2010, g. Krasnojarsk) : v 2 ch. / pod obshhej redakciej Ju. Ju. Loginova; Sib. gos. ajerokosmich. un-t. Krasnojarsk, 2010. Ch. 2. S. 485-486.

© Гринберг Г. М., Романов Д. В, 2014

УДК 378.14:004

АДАПТИВНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ РЕСУРСЫ ДЛЯ ИНДИВИДУАЛИЗАЦИИ ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ СТУДЕНТОВ

А. Г. Зотин

Красноярский государственный медицинский университет имени профессора В. Ф. Войно-Ясенецкого Минздрава России Российская Федерация, 660022, г. Красноярск, Партизана Железняка 1. E-mail: [email protected]

Рассматривается проблема индивидуализации фундаментальной подготовки студентов. Приводятся примеры применения информационных технологий в процессе обучения иностранному языку в медицинском вузе. Одним из способов индивидуализации предлагается внедрение адаптивных электронных ресурсов.

Ключевые слова: фундаментальная подготовка, индивидуализация, информационные технологии, адаптивные электронные ресурсы.

THE USE OF ADAPTIVE ELECTRONIC RESOURCES FOR INDIVIDUALIZATION OF STUDENTS' FUNDAMENTAL EDUCATION

A. G. Zotin

Krasnoyarsk State Medical University named after professor C. F. Voyno-Yasenetsky

Ministry of health of Russia 1, Partizana Zheleznyaka, Krasnoyarsk, 660022, Russian Federation. E-mail: [email protected]