CC BY
67
УДК.004.94
ПРАКТИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА СПЕЦИАЛИСТОВ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ УДАЛЕННОГО ДОСТУПА К ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ СТЕНДАМ ЧЕРЕЗ ГЛОБАЛЬНУЮ СЕТЬ
А.М. Зимин, проф., доц., Тел. (499)263-64-15, 263-65-70; E-mail: lud2002@bmstu.ru, zimin@power.bmstu.ru Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
http://lud.bmstu.ru С.И. Маслов, проф., проректор Тел. (495)362-70-53; E-mail: MaslovSI@mpei.ru, Московский энергетический институт (технический университет)
http://www.mpei.ru
The article is devoted to the description of the scientific-methodological bases of remote educational experiments, the review of software and hardware for creation of network-based practical works. Methodological support of carrying out of remote experiment is analyzed. It is shown that the presented technology allows to expand the possibilities of practical training of the specialists of ХХ1 century.
В статье изложены научно-методические основы выполнения удаленных учебных экспериментов, проанализированы программно-технические средства для создания сетевых практикумов, дан обзор методического обеспечения для поддержки проведения дистанционного эксперимента. Показано, что представленная технология позволяет существенно расширить возможности практической подготовки специалистов ХХI века.
Ключевые слова: удаленный учебный эксперимент, сетевой лабораторный практикум, практическая подготовка специалистов.
Keywords: remote educational experiment, network-based laboratory work, practical training of specialists.
Введение
Традиционная система профессионального образования в области техники и технологии, основанная на узких отраслевых принципах, не в полной мере удовлетворяет потребности государства и общества в специалистах, способных к инновационной деятельности при создании и продвижении на рынок конкурентоспособных разработок, а также потребностей граждан, желающих получить современные профессиональные компетенции.
В XXI веке все большее значение в совершенствовании подготовки инженерных и
научных кадров по наукоемким направлениям и специальностям высшего образования приобретает широкое использование современных информационных и телекоммуникационных технологий [1,2]. Техническую основу новой образовательной среды составляют ап-
паратные и программные средства, с помощью которых осуществляется дистанционный доступ к распределенным интеллектуальным, информационным и техническим ресурсам российской системы профессионального образования.
Уникальные возможности доступа к базам знаний предоставляет глобальная сеть Интернет. Наполнение и развитие этих баз основано на быстро развивающихся веб-технологиях, а эффективному освоению знаний способствует использование интеллектуальных обучающих систем, современных мультимедиа-технологий, лабораторий удаленного доступа к уникальному оборудованию [3-6].
Одними из важнейших составляющих подготовки студентов в университетах естественнонаучного и технического профиля, способствующих выработке необходимых практических навыков, являются лабораторные практикумы и учебно-исследовательская работа. В то же время - это и самая дорогостоящая составляющая образовательного процесса [3,4], которая в современных условиях оказывается все менее доступной многим российским вузам.
В дополнение к традиционному «фронтальному» способу проведения лабораторных работ интенсивно развивается принципиально новый подход к организации и проведению лабораторных практикумов, основанный на коллективном дистанционном доступе студентов к автоматизированному, в том числе - уникальному, лабораторному оборудованию [3-7]. При этом важную роль играет органичное включение лабораторного практикума в состав учебных курсов фундаментальной и специальной подготовки, которые изучаются студентами традиционным способом или самостоятельно при консультационной поддержке, организуемой образовательными учреждениями. Обеспечение удаленного доступа к лабораторному оборудованию через Интернет представляется весьма актуальным, так как позволяет организовать эффективное коллективное использование учебно-научного оборудования [4-7], программного и методического обеспечения ведущих вузов, доступ к уникальным стендам академических и отраслевых научных организаций, что предоставляет широкие возможности для включения их в учебный процесс.
Целью использования технологии удаленного учебного эксперимента является повышение эффективности и качества подготовки специалистов при одновременном снижении затрат за счет принципиально нового подхода к формированию аппаратно-программного обеспечения, организации и проведению лабораторных практикумов, а также создания интегрированной информационной среды их функционирования и развития.
В последние годы ХХ века в нескольких ведущих образовательных учреждениях Российской Федерации технического и естественнонаучного профиля была осознана острая необходимость в создании Центров коллективного пользования уникальным учебно-научным оборудованием и впервые сформулирована концепция лабораторий удаленного доступа. Для этого потребовалась разработка фундаментальных основ управления сложными техническими объектами через глобальную сеть. Совершенно
неясными были, например, проблемы защиты систем от несанкционированного использования и безопасной осуществимости сценария, составляемого удаленным пользователем, на уникальном стенде, который исключил бы выход дорогостоящего оборудования из строя. Аналогов таких комплексов в нашей стране, да и за рубежом, в то время не было, поэтому все компоненты системы должны были создаваться заново.
В результате проведения серии научных исследований были предложены и доведены до практического исполнения и применения в учебном процессе несколько основополагающих принципов, каждый из которых имеет конечной целью существенное повышение эффективности учебных экспериментальных исследований. К этим принципам, которые совместно со структурой автоматизированного практикума и требованиями к его компонентам составили основу впервые созданного в нашей стране отраслевого стандарта ОСТ 9.2-98, относятся [2,3]:
•принцип коллективного доступа удаленных пользователей к единичным лабораторным комплексам - оснащение комплекса программно-техническими средствами автоматизации управления и сетевого обмена данными, в результате чего каждый объект изучения становится полностью автономным и доступным по компьютерной сети;
• принцип интеллектуализации объектов и средств изучения - внедрение вычислительных средств непосредственно в объекты изучения (интеллектуальные датчики, исполнительные механизмы, программно-управляемые источники электропитания и т.д.). Это позволяет достигать предельной гибкости конфигурирования и управления сложными техническими системами в режиме удаленного коллективного доступа, ставя перед студентами более сложные индивидуальные задания поискового характера;
• принцип децентрализации и иерархического распределения вычислительных ресурсов - использование множества распределенных, но информационно связанных между собой цифровых сигнальных процессоров и микроконтроллеров. Реализация данного принципа позволяет значительно увеличить пропускную способность лабораторного оборудования при коллективном доступе пользователей к ресурсам;
• принцип использования открытых стандартов - преимущественное использование международных и отечественных общедоступных стандартов, как на конструктивные решения, так и на программные продукты;
• принцип информационной открытости -обеспечение доступа к удаленному лабораторному оборудованию 24 часа в сутки и семь дней в неделю.
Приведенные принципы реализованы в лабораторных практикумах с удаленным доступом, тиражируемых и широко применяемых в учебном процессе ряда российских вузов.
Схема учебного удаленного эксперимента представлена на рис. 1. В соответствии с основными принципами новой образовательной технологии удаленный пользователь самостоятельно задает режимы работы стенда и формирует сценарий эксперимента, который отсылается на веб-сервер практикума и после проверки осуществимости вы-
полняется на лабораторном стенде. После окончания опыта его результаты публикуются в сети Интернет.
Создание автоматизированных практикумов с удаленным доступом требует, таким образом, применения специальных технических средств как для автоматизации экспериментального стенда (рис. 2 на 3-й стр. обл.), так и для связи с удаленным пользователем, а также разработки прикладного программного обеспечения и средств методической поддержки, которые публикуются на сайтах практикумов.
Рис. 1. Схема удаленного эксперимента
Учитывая необходимость существенного повышения уровня практической подготовки специалистов, в рамках ряда научно-технических программ Министерства образования и науки Российской Федерации (в частности, в отраслевых программах «Научное, научно-методическое, материально-техническое и информационное обеспечение системы образования» и «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», федеральных целевых программах «Развитие единой образовательной информационной среды», «Интеграция», «Развитие образования») было предусмотрено выполнение научных и образовательных проектов, имеющих целью создание автоматизированных установок и стендов, используемых в лабораторных практикумах и учебно-исследовательской работе студентов, а также всероссийского специализированного сервера, содержащего сведения о разработанных учебно-лабораторных ресурсах.
В ведущих вузах РФ для методического обоснования технологии и всесторонней поддержки проведения удаленного эксперимента созданы специальные программные среды, рассчитанные на использование различных подходов к организации распределенных лабораторных практикумов. Один из вариантов такого подхода, использующего технологию «клиент - сервер», сформули-
рован в Интерактивной диалоговой удаленной системе ИНДУС [5] (рис. 3). Эта система позволяет организовать обучение студентов теоретическим основам данной дисциплины, новейшим методикам проведения эксперимента, устройству и характеристикам оборудования, а также протестировать усвоение ими этих методических материалов (рис. 4).
После контроля студенты допускаются к непосредственному проведению эксперимента в целях изучения физических процессов и получения практических навыков работы на современном оборудовании (рис. 5 на 3-й стр. обл.).
Современное состояние разработок лабораторий удаленного доступа
С учетом высокой актуальности проблемы и тенденции роста доли использования в учебном процессе технологий дистанционного обучения к настоящему времени:
- проведено научно-методическое обоснование создания лабораторий удаленного доступа;
- проанализированы возможности технического обеспечения удаленного доступа, как с точки зрения оснащенности стендов высокоскоростными устройствами связи с управляющими компьютерами, так и в смысле реализации эффективного и безопасного управления сложными автоматизированными физическими стендами через сеть Интернет с высокими, и низкими скоростями обмена данными;
- создана концепция использования лабора-
торий удаленного доступа в учебном процессе, сформулировано их место в практической подготовке будущих специалистов с учетом активного
участия студентов в формировании условий эксперимента, индивидуально задаваемых самими обучающимися;
Подсистема Обучающая Подсистема Справочная Подсистема идентификации
телекоммуникации подсистема тестирования пользователя
Автоматизированный лабораторный практикум в системе ИНДУС
Подсистема программирования условий эксперимента
Подсистема управления
Рис. 3. Структура автоматизир
- сформулированы принципы и пути реализации обеспечения безопасности функционирования сложных и уникальных экспериментальных стендов в лабораториях удаленного доступа (реализация условий эксперимента, исключающих повреждение установок или нештатные режимы их работы; неквалифицированный и несанкционированный доступ к управлению параметрами стендов и др.);
- созданы типовые лаборатории удаленного доступа различного профиля, проведена их опытная эксплуатация, разработана унифицированная система для поддержки всех этапов проведения удаленного учебно-научного эксперимента, и на этой основе разработана серия сетевых образовательных электронных ресурсов для практической подготовки студентов;
- разработанные автоматизированные лабораторные практикумы в своем большинстве внедрены на территории Российской Федерации - к ним предоставлен сетевой доступ для студентов не только своих университетов, но и других родственных образовательных учреждений высшего профессионального образования;
- на базе автоматизированных лабораторных практикумов удаленного доступа (в том числе, с использованием уникальных стендов [6,7]) созданы интегрированные учебные Интернет-лаборатории по различным направлениям подготовки со своими специализированными вебсерверами, реализованы системы мультимедийной поддержки проведения удаленных экспериментов и аудиовизуального контакта с персоналом Интернет-лабораторий;
- разработаны и внедрены образцы лабораторного оборудования нового поколения [4,8], оснащенного техническими и программными средствами для создания лабораторий удаленного доступа;
юго практикума в системе ИНДУС
- создан и поддерживается Всероссийский сервер автоматизированных лабораторных практикумов удаленного доступа, на котором опубликованы методические материалы, библиотеки программных средств, сведения и демо-версии более чем по 60 автоматизированным лабораторным практикумам, разработанным университетами РФ.
Выполнению работ по лабораториям удаленного доступа было уделено особое внимание в Приоритетном национальном проекте «Образование». Это связано с тем, что приобретенные в ходе его выполнения крупные уникальные установки потребовали весьма больших капиталовложений и созданы в единичных экземплярах. Основные результаты по созданию Интернет-лабораторий на основе уникального оборудования, приобретенного по проекту «Образование», были достигнуты в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана и Московском энергетическом институте (техническом университете), однако использование технологии удаленного доступа позволило получить выигрыш в практической подготовке за счет существенного расширения перечня лабораторных стендов не только участникам инновационной программы, но и другим родственным вузам Российской Федерации. Задача создания и последующего коллективного использования лабораторий удаленного доступа также тесно связана с разработкой концепции Национального исследовательского университета.
Ведущими техническими университе-
Рис. 4. Страницы сайта автоматизированного практикума с обучающей подсистемой
и подсистемой тестирования
тами созданы более 30 автоматизированных лабораторных практикумов с удаленным доступом, большая часть которых объединена в интегрированные Интернет- лаборатории.
Физическую основу этих практикумов составляют как уникальные стенды (на рис. 6 на 3-й стр. обл.) показан управляемый че-
рез глобальную сеть крупнейший в Российской Федерации полноповоротный радиотелескоп миллиметрового диапазона, созданный учеными МГТУ им. Н.Э. Баумана и расположенный в 90 км от Москвы), так и разработанное и серийно выпускаемое в МЭИ(ТУ) специализированное лабораторное оборудование нового поколения с сис-
темой удаленного доступа для практикумов по основам электротехники и электроники (рис. 7 на 3-й стр. обл.).
Эксплуатация разработанного оборудования подтверждает его высокую надежность, производительность и точность. Программное и методическое обеспечение позволяют осуществлять всестороннее и комплексное изучение объектов как в дистанционном, так и в традиционном обучении.
На сайтах, посвященных практикумам удаленного доступа, отражены разработки как по общефизическим и общетехническим, так и по специальным дисциплинам: практикумы по общей физике; исследованию теплообмена при течении газового теплоносителя; исследованию гидродинамики ламинарного, переходного и турбулентного режимов течения с помощью термоанемометра; исследованию теплообмена при свободной конвекции воздуха; исследованию гидродинамики и теплообмена при течении воды в вертикальной трубе. Представлены интегрированные Интернет-лаборатории: «Основы электротехники» и «Основы электроники» (более 20 автоматизированных лабораторных практикумов), «Объединенный экспериментальный МГД-комплекс МЭИ- ИВТ РАН для исследования гидродинамики и теплообмена при течении жидких металлов в продольном и поперечном магнитном поле»; «Испытания материалов», «Радиотелескоп МГТУ им. Н.Э. Баумана», «Спектрометрия плазмы», «Робототехника».
Коллективный доступ к уникальному оборудованию и экспериментальным стендам вузов, поддержка работы распределенных сетевых лабораторий, передача больших объемов данных, получаемых в результате экспериментов, использование мультимедиа технологий требуют обеспечения эффективного и качественного доступа к современным информационным образовательным ресурсам и расширения масштабов сетевого взаимодействия учреждений высшего профессионального образования. Это подразумевает создание и поддержку бесперебойного функционирования сетевой инфраструктуры и ее интеграцию в единое инфокоммуникационное пространство, что позволило по сравнению с этапами рубежа ХХ-ХХ1 веков, в частности, организовать качественно новые возможности визуализации и обмена данными при проведении удаленных экспериментов.
Выполненная на современном уровне мультимедийная поддержка удаленного эксперимента позволила существенно усилить эффект присутствия на уникальной установке.
Студент получил возможность наблюдать в прямом эфире выполнение на уникальном стенде заданных им операций, управляя перемещением веб-камеры, а также пользоваться прямой аудиовизуальной связью с оператором установки (рис. 8, 9 на 3-ей стр. обл.).
Всероссийский сервер автоматизированных лабораторных практикумов с удаленным доступом
В классических и технических университетах Российской Федерации в соответствии со сформулированной авторами настоящей разработки концепцией созданы несколько десятков практикумов с удаленным доступом по различным дисциплинам. Однако информация по ним была разобщена и поэтому в полном объеме недоступна для других образовательных учреждений. В условиях недостаточного количества учебников и учебных пособий по соответствующей проблеме в 2005 году в рамках федеральной целевой программы «Развитие единой образовательной информационной среды» создан Всероссийский сервер автоматизированных лабораторных практикумов с удаленным доступом (http://www.alpud.ru) (рис. 10 на 3 стр. обл.), который стал существенным помощником профессорско-преподавательскому корпусу в освоении новых информационных технологий.
Отличительной особенностью сервера является последовательное развитие информационно-справочных функций существующих Интернет-порталов и сайтов традиционного типа до функций централизованной среды создания и поддержки лабораторных образовательных ресурсов, а также координирующей среды сопровождения учебного процесса в части практической подготовки будущих специалистов.
Основу сервера составляет информационная база данных, предназначенная для централизованного размещения и представления структурированной информации о лабораторных практикумах удаленного доступа, применяемых при подготовке бакалавров, инженеров, магистров и аспирантов прежде всего по направлениям в области техники и технологий. С учетом специфики проведения лабораторных практикумов с удаленным доступом разработаны структура (модель) данных и единый формат представления информации для сервера, что обеспечивает его совместимость с информационными ресурсами всероссийского уровня.
На сервере размещены данные и демо-версии более чем по 60 сетевым лабораторным практикумам (в том числе - комплексно-
го характера, с использованием методов математического моделирования), предусмотрена возможность их дальнейшего накопления, классификации и расширения сферы их использования.
Заключение
К настоящему времени применительно к автоматизированным лабораторным практикумам получены следующие основные результаты:
- предложена и научно-методически обоснована технология проведения учебного процесса с использованием удаленного лабораторного практикума для студентов технических университетов;
- разработана концепция создания единой системы удаленного доступа к экспериментальным стендам высших учебных заведений Российской Федерации;
- разработаны более 60 автоматизированных лабораторных практикумов удаленного доступа по естественнонаучным, общетехническим и специальным дисциплинам высшего профессионального образования;
- создан Всероссийский специализированный сервер автоматизированных лабораторных практикумов с размещением на нем имеющихся в Российской Федерации сетевых информационных образовательных ресурсов для практической подготовки специалистов;
- проведена апробация и введены в эксплуатацию разработанные учебные лабораторные
Литература
практикумы с удаленным доступом, предназначенные для информационной поддержки обучения студентов и обеспечения доступа к уникальным лабораторным работам для студентов Российской Федерации.
Удаленный доступ к учебным экспериментальным стендам может быть использован студентами вузов Российской Федерации независимо от их местонахождения. Создание большого числа лабораторий удаленного доступа, разработка методического и программного обеспечения выполнения учебных лабораторных работ позволили существенно расширить возможности организации учебного процесса в вузах, не имеющих достаточного технического и методического обеспечения учебного процесса. Выполнение лабораторных работ удаленного доступа обеспечивает существенное повышения качества практической подготовки специалистов за счет реализации информационной поддержки образовательного процесса с использованием лабораторных ресурсов инновационных образовательных учреждений.
Таким образом, за последние 10 лет создана и реализована новая эффективная образовательная технология, оказывающая заметное влияние на развитие системы профессионального образования Российской Федерации.
1. Образование и XXI век: Информационные и коммуникационные технологии / Под ред. В.Г. Ки-нелева. - М.: Наука, 1999. - 191 с.
2. Соловов А.В. Электронное обучение: проблематика, дидактика, технология. - Самара: Новая техника, 2006. - 464 с.
3. Новый подход к инженерному образованию: теория и практика открытого доступа к распределенным информационным и техническим ресурсам / Ю.В. Арбузов, В.Н. Леньшин, С.И. Маслов и др. -М.: Центр-Пресс, 2000. - 238 с.
4. Информатизация образования: направления, средства, технологии: Уч. пособие / Ю.В. Арбузов, С.И. Маслов, А.И. Тихонов и др: / Под общ. Ред. С.И. Маслова. - М.: Изд-во МЭИ, 2004. - 868 с.
5. Норенков И.П., Зимин А.М. Информационные технологии в образовании. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004. - 352 с.
6. Зимин А.М. Лаборатории удаленного доступа в практической подготовке инженеров XXI века.-М.: Изд-во МГТУ им.Н. Э.Баумана, 2007. - 64 с.
7. Уникальные экспериментальные стенды в режиме удаленного доступа как эффективная возможность развития учебных лабораторий вузов / В.Г. Свиридов, Л.Г. Генин, Я.И. Листратов и др. // Индустрия образования. - М.: МГИУ, 2001.- Вып. 1.- С. 165-173.
8. Информатизация инженерного образования: электронные образовательные ресурсы МЭИ / Под ред. С.И. Маслова. - Вып. 2. - М.: Изд. дом МЭИ, 2008. - 424 с.
