Разработка средств дистанционного обучения на основе космических средств Текст научной статьи по специальности «Науки об образовании»

УДК 37.018.43:004.9+629.7

В. И. ТРУШЛЯКОВ, д-р техн. наук, проф. НОУ ВПО «ОмГА»;

В. Н. САЮТИН, аспирант, ст. преп. НОУ ВПО «ОмГА»

РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ ДИСТАНЦИОННОГО ОБУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ

КОСМИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

Автор рассматривает широкие возможности, открывающиеся перед образованием, при внедрении информационных космических технологий. Возможности международного сотрудничества в области образования. По мнению автора, электронные космические технологии могут способствовать формированию междисциплинарного мышления школь-ников и помогут сделать осознанный выбор будущей профессии, связанной с наукоемкими технологиями. Предпринята попытка разработки лабораторных работ по классической физике с использованием аппаратуры спутника и даются методические рекомендации по их выполнению. Статья адресована школьным и вузовским преподавателям физики, математики, информатики, географии, экологии, основам безопасности жизнедеятельности.

Электронные космические технологии. Дистанционное обучение.

Development of the distance training means on a base of cosmic means

The author examines the ample opportunities opening before education, at introduction of information cosmic technologies. Opportunities of the international cooperation in the field of education. In opinion of the author, electronic cosmic technologies can promote to the formation of interdisciplinary schoolchildren thinking and will help to make the realized choice of the future profession connected to the high technologies. An attempt to development of laboratory works on classical physics with the use of the equipment of the satellite is undertaken and methodical recommendations on their performance are given. The article is addressed to school and high school teachers of physics, mathematics, computer science, geography, ecology, bases of safety in ability to live.

Electronic cosmic technologies. Distance training.

Применение технологий e-learning, электронных образовательных технологий и электронной педагогики, в том числе и дистанционных технологий обучения, позволяет достичь ряда преимуществ по сравнению с традиционными образовательными технологиями. Среди них, с педагогической точки зрения, важным является повышение качества обучения за счет индивидуализации работы студента при прохождении лабораторных практикумов, являющихся неотъемлемой частью программы подготовки специалистов.

Возможность перевода общетехнических и специальных дисциплин, а именно лабораторных практикумов, на дистанционную технологию появляется при условии обеспечения возможности выполнения реальных измерений дистанционно.

В ряде московских школ установлена уникальная российская разработка, не имеющая аналогов в мире по критерию «цена - качество»: портативные программно-технические комплексы приема и обработки космических изображений Земли в режиме реального времени. Подготовлены первые версии учебно-методических материалов по внедрению указанных выше технологий в образовательную и проектную деятельность московских общеобразовательных учреждений.

Проведенные обсуждения первых результатов реализации проекта на заседаниях круглых столов и в средствах массовой информации показали, что информационные космические образовательные технологии, внедренные в образовательный процесс, значительно повышают качество образования по ряду предметов (география, информатика, физика, основы безопасности жизнедеятельности и др.), развивают у

учащихся творческие начала, умение формировать исследовательские гипотезы и проверять их достоверность, формировать активную жизненную позицию.

Данный проект, по мнению ряда высококвалифицированных педагогов, можно рассматривать как открытие новой космической эры в образовательном процессе, через 50 лет после запуска первого искусственного спутника Земли.

Космические технологии, а именно дистанционное зондирование Земли из космоса, имеют колоссальное значение в учебном процессе средней школы в связи с проблемой осознанного выбора будущей профессии, проблемой выбора поступления в тот или иной вуз. В этом смысле внедрение в учебный процесс технологии приема и обработки космической информации дает уникальный шанс знакомства на практике с возможностями множества различных будущих профессий. Так, с помощью технологии космического мониторинга можно получить вполне ясное представление о наукоемких информационных технологиях, используемых в строительстве, гидрометеорологии, географии, геологии, лесном хозяйстве, водном хозяйстве, сельском хозяйстве, экологии, картографии, сейсмологии, океанологии и др., и сделать вполне осознанный выбор будущей профессии, связанной с наукоемкими технологиями.

Тиражирование образовательных технологий приема и обработки космических изображений Земли в режиме реального времени в субъектах Российской Федерации позволит школьникам различных регионов России наладить регулярный обмен между собой постоянно обновляемыми космическими изображениями различных участков территории Российской Федерации и в конечном итоге создать регулярно обновляемую космическую карту России для повышения качества российского образования по целому ряду учебных дисциплин (география, информатика, математика, физика, основы безопасности жизнедеятельности и др.). Стоимость предлагаемого учебно-методического оборудования в серийном исполнении вполне доступна для учебных заведений (не превышает 30-40 тыс. руб.). При этом необходимо отметить, что одного комплекта оборудования вполне достаточно, чтобы обеспечить наглядными материалами в режиме реального времени учебный процесс одновременно несколько дисциплин (география, информатика, математика, физика, экология, основы безопасности жизнедеятельности и др.). Это способствует развитию междисциплинарного мышления и формированию важности изучения школьных предметов в едином взаимодействии.

Данный проект может заложить хорошую основу для развития международного сотрудничества в области внедрения новых образовательных технологий в различных странах мира, в частности, российско-американского сотрудничества, с учетом того, что прием и обработка космических изображений Земли на бесплатной основе производится с американского спутника КОЛА. Школьники из различных стран могут обмениваться получаемыми данными и наблюдать за глобальными процессами изменения климата Земли.

Таким образом, для интенсификации учебного процесса, повышения его качества необходимо создание средств дистанционного обучения, в том числе системы дистанционного управления экспериментом (СДУЭ), являющейся основой дистанционных лабораторных работ [1, 6, 7]. СДУЭ должна обеспечивать возможность доступа студентов к лабораторным ресурсам (ЛР) вуза из любой географической точки в многопользовательском режиме в реальном масштабе времени и, следовательно, обеспечивать необходимую пропускную способность.

Идея дистанционного обучения обсуждается уже довольно длительное время, но разработка имеющихся концепций заканчивается, в основном, созданием либо обучающих программ по методу электронного учебника, либо систем моделирования с возможностью проводить численные расчеты и исследования моделей с использованием удаленного доступа: локальных сетей или глобальной сети интернет.

Для проведения лабораторных работ по физике в ряде случаев лучше всего создавать удаленный лабораторий практикум, который позволит производить необходимые физические измерения на реальном оборудовании с использованием реальных опытных образцов (пример работы рассмотрен в [2]), а также проводить моделирование

исследуемых физических процессов на удаленных высокопроизводительных системах, например спутнике, находящемся на орбите [7].

Выше была рассмотрена концепция работы с данными дистанционного зондирования Земли при их использовании в учебном процессе. Рассмотрим следующую концепцию, суть которой заключается в использовании приборов, установленных непосредственно на борту КА и измеряющих проявления фундаментальных законов классической физики, например механики, теплообмена, кибернетики и т.д.

Предлагаемая концепция разработки удаленных лабораторных установок продолжает идею использования космических средств в образовании и включает в себя создание следующих элементов средств дистанционного обучения:

• математической модели проводимого эксперимента;

• макета лабораторной установки;

• удаленной лабораторной установки на основе научно-образовательного спутника и выведение ее на орбиту;

• схемы взаимодействия с Центом управления полетом и совместной разработки аппаратных и программных средств управления научно-образовательным спутником (управляющие программы, устройства и специализированные контроллеры для обработки телеметрических измерений с борта спутника), позволяющих проводить соответствующие лабораторные работы;

• организацию взаимодействия с Центром управления полетом научно-образовательного спутника через интернет.

Применение предлагаемой концепции позволит создавать лабораторные практикумы удаленного доступа с возможностью проводить дистанционные измерения в реальных условиях эксперимента, непосредственно контролировать и изменять параметры эксперимента с удаленных рабочих мест и в перспективе, с учетом возникших у вузов в настоящее время трудностей с модернизацией технической базы экспериментальных исследований, позволит осуществить создание межвузовских центров проведения лабораторных практикумов с использованием доступа к лабораторным установкам посредством сети интернет.

Кроме того, существенным моментом при разработке дистанционных средств обучения является возможность обеспечения сохранности дорогостоящего оборудования путем ограничения при одновременном обеспечении доступа к научно-технической информации, снимаемых с реальных приборов. Это позволяет существенно увеличить количество студентов, участвующих в проведении лабораторных работ, исключив риск порчи дорогостоящей аппаратуры.

Опыт работы в рамках приоритетного национального проекта «Образование» выявил в части использования дорогостоящего, как правило, зарубежного учебно-научного оборудования ряд таких проблем, как:

• необходимость его периодического обслуживания и содержания, в среднем ежегодно это составляет до 10% от его стоимости, на что в программе средства не выделяются;

• необходимость присутствия квалифицированного персонала при его использовании во время проведения ЛР во избежание поломок обучающимися;

• повышенные требования к студентам по сохранности оборудования, что на практике очень сложно реализовать и т.д.

Разумеется, затраты на разработку, изготовление, выведение на орбиту, поддержание функционирования научно-образовательного спутника на орбите также значительны, однако проведение лабораторных работ на удаленной лабораторной установке на основе малоразмерного спутника, как правило, осуществляется параллельно выполнению другой целевой функции. Использование ракетно-космических технологий в образовании в соответствии с [8] является составным элементом космического образования, которое в свою очередь является показателем достижения любого государства в сфере применения высоких прорывных технологий в любой сфере деятельности.

На сегодня разработан ряд удаленных ЛР для различных сфер обучения (но в основном для проведения ЛР по электродинамике), например программный продукт LabVIEW (компания National Instruments). Примеры таких работ можно посмотреть на

[3].

Российский партнер National Instruments фирма «Эликс» [4] также разрабатывает виртуальные приборы. Виртуальные приборы этих компаний созданы по принципу внешнего подключения устройства (или просто платы): подключается к персональному компьютеру, обрабатывает входные данные и выдает выходные данные. Либо как в случае с LabVIEW: после подключения внешнего устройства программа считывает параметры прибора и создает на его основе виртуальный прибор, после чего его можно использовать в программе для составлений схем и проведения ЛР.

В рассматриваемой работе предлагается дальнейшее развитие идей, предложенных в работах [2, 7] для изучения законов механики на основе удаленной лабораторной установки в виде спутника, находящегося на орбите. Использование научно-образовательного спутника, находящегося на орбите в околоземном космическом пространстве, позволяет моделировать значительное число ЛР на одном спутнике и получать доступ к данным через сеть интернет, не подключая какие-либо внешние, дополнительные устройства.

Научно-образовательные спутники имеют в своем составе широкий спектр оборудования, которое позволяет моделировать (проводить) на его основе удаленные ЛР, используя в качестве удаленной лабораторной установки как сам спутник, находящийся на орбите, так и показания его отдельных приборов.

При разработке технологий обучения с использованием средств дистанционного обучения возможен многоуровневый подход, то есть использование:

математических моделей объектов с различной степенью учета воздействующих факторов и точностью описания;

• наиболее простейших физических макетов лабораторного оборудования, с соответствующим математическим описанием;

• реального оборудования на научно-образовательном спутнике, находящемся на орбите с соответствующим математическим описанием и проведением ЛР в реальном масштабе времени;

• архива измерительных материалов, полученных с борта научно-образова-тельного спутника при проведении ЛР.

Ниже представлена таблица 1 соответствия аппаратуры спутника и законов физики, по которым предлагается проводить удаленные лабораторные работы по классической физике с использованием научно-образовательных спутников, находящихся на орбите.

Таблица 1

Традиционный состав бортовых систем спутника и основные фундаментальные законы, используемые соответствующими бортовыми приборами

Бортовое оборудование Законы

Система ориентации и стабилизации Классическая механика: • закон всемирного тяготения, • гравитационное поле, • законы Кеплера, • динамика вращательного движения, • системы отсчета Электродинамика: • электрические заряды, • напряженность электростатического поля, • магнитное поле, • электромагнитная индукция

Бортовой комплекс управления Теория информации'. • обработка информации, • кибернетика

Система электропитания Законы электрического тока

Система обеспечения теплового режима тепло и массообмен в газах и твердых телах, •явления капиллярности в пористых структурах

Антенно-фидерные устройства • законы Максвелла; распространение электромагнитных волн; • отражающие и излучающие характеристики

Целевая аппаратура Определяется целевым назначением КА, например, транслятор радио- и телесигналов, радиолокационная и оптическая аппаратура и т.д.

Перечень и состав ЛР, методические рекомендации по их выполнению разрабатываются с привлечением как преподавателей, так и специалистов, проектирующих и эксплуатирующих научно-образовательные спутники.

В таблице 2 приведена структурно-логическая матрица при реализации перспективного проекта удаленной лабораторной установки.

Таблица 2

Основные цели проекта, индикаторы прогресса и способы их измерения. _Предположения и риски ^ при реализации проекта_

Общая цель проекта Индикаторы прогресса Способ измерения индикаторов

Совершенствование содержания и технологий образования Применение информационных и коммуникационных технологий, средств дистанционного обучения Перечни разработанных лабораторных работ (ЛР), количество заинтересованных в проекте студентов, преподавателей, вузов, кафедр, предприятий

Специфические цели проекта Индикаторы прогресса Способ измерения индикаторов Предположения и риски

1. Разработка новых образовательных технологий с использованием удаленных лабораторных установок на основе малоразмерных научно- образовательных спутников (НОС) 1. Использование информационно-коммуникационных технологий 2. Использование средств дистанционного обучения 3. Повышение фундаментализации образования 1. Оценка информационных потоков при проведении одной ЛР 2. Наличие НОС на орбите, количество удаленных участников при проведении ЛР 3. Количество фундаментальных законов, для которых разработаны ЛР 1. Риски отсутствуют 2. Хорошо бы подключение к проекту УГАТУ, разрабатывающему свой НОС

2. Разработка схемы организации учебного процесса при наличии удалённых лабораторных установок на основе НОС на орбитах 1. Взаимодействие с предприятиями ракетно-космической отрасли 2. Использование в учебном процессе реальной информации с борта НОС 1. Схемы согласования графика учебного процесса с центром управления полетом НОС 2. Объемы информации с борта НОС 1. При отсутствии средств возникает проблема получения адаптированной информации от предприятий, управляющих НОС на орбите

3. Разработка методических указаний для выбранных лабораторных работ 1. Использование средств дистанционного обучения 1. Количество ЛР для использования в системе дистанционного обучения 1. Привлечение к разработке ЛР специалистов предприятий, которые проектируют и эксплуатируют НОС 2. Риски, связанные с взаимодействием вуза с предприятиями из-за финансирования

4. Апробация результатов проекта 1. Внедрение современных образовательных технологий в учебный процесс 1. Количество сеансов связи с НОС, количество ЛР, выполненных с использованием НОС 1. Взаимодействие с соответствующим предприятием. 2. Риски - оплата работ по связи с НОС, управление НОС, адаптация

информации, получаемой с НОС для студентов

Результаты Индикаторы прогресса Способ измерения индикаторов Предположения и риски

1. Повышение фундаментализации образования Создание современной лабораторной базы для изучения фундаментальных законов физики 1. Количество НОС на орбите 2. Количество законов, для изучения которых разработаны ЛР на НОС 1. Необходимость поддержки всей инфраструктуры как орбитальной, так и наземной 2. Риски взаимодействия с предприятиями -разработчиками НОС

2. Повышение качества образования 1 Данные тестирования студентов по дисциплине 2. Участие студентов в научно-исследовательской работе 3. Проведение ЛР с использованием сетевых технологий (дистанционное обучение 1. Успеваемость по фундаментальным наукам 2. Число студентов, участвующих в научно- исследовательской работе 3. Уровень знаний по изучаемой дисциплине 1. Предположение - преимущественно для элитной подготовки студентов, магистрантов

3. Повышение информатизации образования 1. Работа в интернете 2. Использование сетевых технологий 1. Количество сеансов связей 2. Количество информации, переработанной при проведении ЛР 1. Необходимость большой пропускной способности каналов связи

4. Создание средств дистанционного обучения Обеспечение доступа обучающихся к современной лабораторно базе 1. Количество проведенных ЛР на основе НОС 1. Риски - создание общей системы управления НОС для использования широким кругом вузов при проведении ЛР

Мероприятия Требуемые ресурсы Предположения, риски и предварительные условия

1. Анализ состояния вопроса использования НОС в образовательном процессе Интернет, патентно-информационный поиск по данной тематике Условия: наличие финансирования в объеме

2. Анализ состояния современной лабораторной базы в вузах Интернет, патентно-информационный поиск по данной тематике Условия: наличие финансирования в объеме

3. Анализ компьютерных моделей по изучению фундаментальных законов физики. Составление компьютерных ЛР по фундаментальным законам физики._

Интернет, патентно-информационный поиск по данной тематике. Привлечение ППС

Условия: наличие финансирования в объеме

4. Определение состава

фундаментальных законов для их моделирования на удаленных орбитальных установках_

Профессорско-преподавательский состав

Условия: наличие финансирования в объеме

5. Разработка методических указаний по проведению лабораторных работ на основе НОС

Привлечение специалистов предприятий, проектирующих НОС и управляющими ими на орбитах

Условия: наличие финансирования в объеме

6. Согласование лабораторных работ с разработчиком НОС

Проведение совместных исследований возможностей бортовых систем НОС для проведения выбранных лабораторных работ

Риски - взаимодействие с

предприятиями. Условия: наличие финансирования в объеме

7. Корректировка УМК по дисциплинам, использующим НОС при проведении ЛР

Изменение состава УМК, методических указаний и методических рекомендаций, учебного процесса, расписаний с учетом проведения ЛР на основе НОС, введение дополнительных курсов по основам НОС

Условия: наличие финансирования в объеме:

Риски- взаимодействие с

предприятиями

8. Изготовление

наземных макетов

лабораторных

установок,

аналогичных

установкам на НОС.

Дооборудование

кафедральных

лабораторий

соответствующими

макетами

Привлечение ППС и специалистов предприятий, разрабатывающих НОС, для создания макетов лабораторных установок

Условия: наличие финансирования в объеме

Риски взаимодействия с

предприятиями

9. Отработка системы взаимодействия с предприятиями-разработчиками НОС при проведении ЛР

Привлечение ППС и сотрудников предприятий для составления протоколов взаимодействия при проведении ЛР

Условия: наличие финансирования в объеме

Риски взаимодействие с

предприятиями

10. Проведение демонстрационных

Привлечение студентов, бакалавров, магистров, аспирантов, 1ШС, специалистов

Условия: наличие финансирования в

лабораторных работ предприятий для проведения объеме

на основе демонстрационных испытаний

существующих НОС

Библиографический список

1. Евдокимов, Ю. К. Организация типовой дистанционной автоматизированной лаборатории с использованием LabVIEW-технологий в техническом вузе / Ю.К. Евдокимов, А.Ю. Кирсанов. // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments : сб. тр. Междунар. науч.-практ. конф. - Москва. - 2003. - 14-15 ноября. - 15-17 с.

2. Трушляков, В. И. Разработка лабораторного практикума по изучению закона всемирного тяготения на основе использования измерений с борта научно-образовательного спутника, находящегося на орбите / В.И. Трушляков, В.Н. Саютин. // Открытое и дистанционное образование. - 2007. - № 4(28). - С. 63-68.

3. http : // digital. ni. ^m / worldwide / russia. nsf / sb /

4. http : // www. eliks. ru

5. Кирсанов, А. Ю. Разработка системы передачи данных для инженерного дистанционного образования в техническом вузе / А.Ю. Кирсанов, А.В. Трибунских. // Информационно-телекоммуникационные технологии : всерос. науч.-техн. конф. : тез. докл. Сочи, 19-26 сентября 2004 г. - М. : Изд-во МЭИ, 2004. - С. 223-225.

6. Борисов, Н. А. Интенсификация учебного процесса с использованием средств дистанционного обучения / Н. А. Борисов, П. А. Рогов. // Дистанционное и виртуальное обучение. - 2008. - № 2. - С. 7-14.

7. Трушляков, В. И. Лабораторная работа в космосе / В.И. Трушляков. // Высшее образование в России. - 2004. - Вып. 9. - С. 168-169.

8. Алифанов, О. М. Роль космического образования в XXI веке / О.М. Алифанов, В.С. Хохулин. // Наука о человеке : гуманитарные исследования : науч. журн. - 2007. - № 1. - С. 121-127.