CC BY
74
УДК 378.147:004.4
СЕТЕВАЯ ВИРТУАЛЬНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ УДАЛЕННОГО ДОСТУПА ПО ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ
П. Ф. Баранов, аспирант, заведующий лабораторией Тел.: (3822) 42-04-49, e-mail: bpf@tpu.ru В. Н. Бориков, к. т. н., доцент Тел.: (3822) 42-04-49, e-mail: borikov@tpu.ru С. А. Горисев, к. т. н., доцент, начальник отдела информатизации образования Тел.: (3822) 42-13-70, e-mail: gorisevsa@tpu.ru И. В. Ряшенцев, заведующий лабораторией Тел.: (3822) 42-13-70, e-mail: riv@lcg.tpu.ru Э. И. Цимбалист, к. т. н., доцент Тел.: (3822) 42-04-49, e-mail: tsibalist@tpu.ru Национальный исследовательский Томский политехнический университет
www.tpu.ru
The paper presents a network virtual laboratory of the remote access on electrical engineering. The virtual laboratory is based on the National Instruments technologies with the competent approach using.
В статье рассматривается сетевая виртуальная лаборатория удаленного доступа по электротехнике, построенная на основе технологий National Instruments с применением компетентностного подхода.
Ключевые слова: виртуальная лаборатория, лабораторный практикум, среда графического программирования LabVIEW, e-learning, электротехника.
Keywords: virtual laboratory, laboratory works, graphical programming environment LabVIEW, elearning, electrical engineering
Введение
Принципы всеобщего управления качеством образовательного процесса и его результата поясняют, что философия TQM такова, что все проблемы в менеджменте обучения студентов рассматриваются с точки зрения системы.
В качество образовательного процесса обычно включают качество следующих видов деятельности [1]:
- изучение рынка (маркетинг);
- проектирование процесса обучения;
- проектирование методического и материально-технического обеспечения;
- подготовка учебного процесса;
- процесс обучения;
- оценка (контроль) качества образовательного процесса;
- трудоустройство выпускника;
- анализ реальных успехов выпускника.
В несколько более сжатом виде качество
образования определяется качеством ценностей, целей и норм, определяемых современной концепцией образования, и качеством основных участников образовательного процесса - студентов и преподавателей. Далее, чтобы гарантировать качество конечного результата, необходимо обеспечивать качество условий процесса (информационная, учебнометодическая, материально-техническая и управленческая среда) и качество учебного, научно-исследовательского и воспитательного процессов.
Вышеперечисленное означает, что при проектировании любой деятельности в системе образования, и в том числе при разработке образовательных технологий, нужно руководствоваться системным подходом.
Главной отличительной особенностью
такого подхода является сосредоточение внимания на целях систем верхнего уровня, на которые работает образовательное учреждение и где, возможно, проявляются проблемы его работы, а также учет всех существенных связей и ограничений в ресурсах системы университета.
Ссылаясь на Концепцию модернизации российского образования [2], отметим, что основная цель профессионального образования - подготовка компетентного работника. Работника, конкурентного на рынке труда, квалифицированного, ответственного, свободно владеющего своей профессией и ориентированного в смежных областях деятельности. Человека, способного к эффективной работе по специальности на уровне мировых стандартов, готового к постоянному профессиональному росту, социальной и профессиональной мобильности в современных условиях.
Непрерывное и открытое образование, которое может привести к ожидаемому результату, должно базироваться на формировании в университете электронной информационно-образовательной среды (об этом неоднократно и настоятельно упоминает президент РФ Д. А. Медведев для страны в целом) и соответствующих поставленным целям образовательных технологий.
Трудно не согласиться с мнением специалистов из МГТУ им. Н. Э. Баумана [3] о том, что широкое внедрение в практику инженерного образования современных информационных образовательных технологий сдерживается необеспеченностью большинства инженерных специальностей программными продуктами, отсутствием окончательно проработанных дидактических и методических рекомендаций и т. п.
В свою очередь, образовательные технологии должны базироваться на результатах процесса целеполагания при планировании реализации основной образовательной программы (ООП) направления или специальности, т. е. на определении ожидаемых результатов обучения на основе общих и специальных компетенций [4, 5].
К сожалению, при формировании планируемых результатов обучения (своего рода эталонов) в большинстве случаев слабо учитываются требования вышестоящих систем, связанных с организацией инновационного развивающего обучения (в отличие от сохраняющего), четко не прослеживаются мероприятия по поддержке элитного образования. Практически не заметны изменения в образовательных технологиях, направ-
ленные на переход от квалификационной модели выпускника к компе-тентностной модели, необходи-
мость опоры на которую давно обозначена в нормативных доку-
ментах федерального агентства и университета [6].
Современный период развития общества характеризуется сильным влиянием на него компьютерных технологий, среди которых не последнее место занимает разработка и производство аппаратно-программных средств автоматизации измерений, диагностики, управления и моделирования в широком спектре приложений.
Ученые и инженеры во всем мире широко используют такие средства на всех стадиях разработки изделий и процессов, добиваясь при этом более высокого качества и сокращая время выхода продукции на рынок.
Поэтому среди ожидаемых результатов обучения студентов важно предусмотреть компетенции в виде знаний, умений и навыков работы с современными аппаратнопрограммными средствами, в том числе с использованием технологии виртуальных приборов в лабораторных циклах различных дисциплин и организации учебного процесса на основе современных интернет-технологий.
Чтобы подтвердить свои силы и возможности, университет, в частности, должен будет представить соответствующую техническую базу: как компьютерную и программную, так и специализированную для обеспечения лабораторных циклов дисциплин.
Лабораторная и экспериментальная база вузов, как правило, в силу финансовых и материальных ограничений морально устаревает. Бурное же развитие современной техники и быстро изменяющиеся условия, в которых
должен ориентироваться и разбираться выпускник, заставляет вузы непрерывно адаптироваться к запросам промышленности. Реальная лабораторная и экспериментальная база не в состоянии поддерживать учебный процесс на должном уровне. Следует отметить, что отставание материальной базы от требований жизни является не только вузовской проблемой, но и общей проблемой в промышленности и для различных организаций и фирм, занимающихся разработками
новой техники.
В силу вышесказанного для технического университета актуальным направлением является развитие технологий e-
leammg/moЫle-leammg, обеспечивающих проведение лабораторнопрактических занятий, связанных с экспериментальными исследованиями, в том числе и на реальном физическом оборудовании - создание виртуальных лабораторий по различным дисциплинам. Под виртуальной лабораторией следует понимать совокупность имитационного математического моделирования, аппаратнопрограммных технических средств, компьютерной графики, анимации, мультимедийных технологий, предназначенных для реализации дистанционного физического эксперимента и достижения эффективного интерактивного взаимодействия обучаемого со средой обучения.
Перевод части образовательного процесса в виртуальную лабораторию создает следующие преимущества:
- непрерывная работа удаленной виртуальной лаборатории без постоянного курирования со стороны преподавателя и лаборанта;
- индивидуализация процесса обучения. Студент самостоятельно выполняет лабораторный практикум. Но при этом всегда имеет под рукой сервисы для дистанционного синхронного или асинхронного взаимодействия с преподавателем. Появляются качественно новые возможности для самостоятельной работы студентов за счет выбора модулей и последовательности выполнения работ лабораторного цикла;
- длительность выполнения лабораторного практикума не ограничена и может корректироваться преподавателем для каждого студента в отдельности;
- доступность виртуальной лаборатории из
любой географической точки мира и в любое время позволяет практически неограниченно расширять образовательное пространство вуза. Вуз «работает» 24 часа в день семь дней в неделю.
В статье рассматривается сетевая виртуальная лаборатория удаленного доступа по электротехнике, построенная на основе технологий National Instruments с применением компетентностного подхода. Технологии
National Instruments фактически являются одним из международных промышленных стандартов в области разработки современных программно-аппаратных комплексов математического и физического моделирования, построения автоматизированных измерительных систем.
1. Аппаратное обеспечение
В качестве аппаратной основы для лабораторных практикумов используется учебная лабораторная станция NI ELVIS (National Instruments Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite) со специальной макетной платой по электротехнике (рис. 1).
Следует отметить, что пользователь, выполняя лабораторную работу с помощью NI ELVIS:
- оперирует не виртуальными, а реальными физически существующими объектами электротехники - различными элементами и схемами;
- имеет дело с реальными процессами, происходящими в электрических цепях разной конфигурации, в том числе и за счет воздействия на элементы и схемы физически сформированных сигналов;
- позволяет осуществлять наблюдение и измерение параметров сигналов и построение на этой основе различных характеристик.
Все действия осуществляются за счет преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму реально существующими аналого-цифровыми преобразователями с дальнейшим использованием программного обеспечения для их обработки.
Интеграция экспериментального оборудования в полном объеме для реализации описываемого цикла работ на базе технологий e-learning представлена на рис. 1.
2. Программное обеспечение
Программной основой технологий NI является среда графического программирования LabVIEW. С помощью LabVIEW можно создавать программы, называемые также виртуальными инструментами (VI - Virtual Instrument).
Данные технологии успешно используются для построения лабораторно-
исследовательских комплексов в ведущих
университетах России, в том числе и с возможностью удаленного доступа к образовательным ресурсам [7].
Для полноценной организации учебного
fSSSXn
процесса интернет-обучения, сопоставимой с очной/дневной формой обучения при реализации лабораторно-практических занятий (изучение теории, программы и особенностей
Рис. 1. Экспериментальное оборудование NIELVIS
проведения экспериментальных исследований, тестирование - допуск с выполнению лабораторной работы, выполнение эксперимента на стенде и фиксация результатов, их обработка при формировании отчета, мониторинг и управление учебной деятельностью студента, а также предоставление синхронной и асинхронной коммуникации студент/преподаватель), используется программно-технический комплекс сетевых лабораторных практикумов удаленного доступа, реализованный на программном уровне как интеграция системы управления интернет-обучением - Moodle (Modular Object-Oriented Dynamic Learning Environment) и среды графического программирования инженерных приложений - LabVIEW (рис. 2).
Результаты
выполнения
I ■
ш
Клиенты сети Интернет
Требоммм и клиенту:
1.Н|лачм сети Интернет
2. Ус танов леимое программно* обеспечение RunTime
MOODLE
Э лек трон ное методическое пособие
LabVIEW
Реальные физические Модели
Рис. 2. Схема программно-технического комплекса сетевых лабораторных практикумов удаленного доступа
Система управления интернет-
обучением Moodle предназначена для идентификации пользователей различной категории (студентов/преподавателей), формирова-
ния учебно-методических материалов по курсам/лабораторным работам (включая тестирующие материалы), мониторинга и управления учебной деятельностью студентов, формирования отчетов и др.
Система LabVIEW является программнотехнологической основой создания, функционирования и проведения собственно процесса экспериментальных исследований на моделях различного уровня (математическое моделирование на основе технологии виртуальных приборов (ВП), а также интеграции ВП с реальными физическими объектами).
3. Состав лаборатории
В виртуальную лабораторию входит четыре лабораторных работы:
- экспериментальная проверка законов Кирхгофа;
- исследование активного двухполюсника;
- катушка индуктивности и конденсатор в цепи синусоидального тока;
- нелинейные цепи постоянного тока.
Каждая лабораторная работа осуществляется в три этапа.
Первый этап - подготовка к лабораторной работе. Он предполагает изучение теоретических положений изучаемой дисциплины или предшествующих дисциплин, на которые опирается проведение эксперимента. Этап завершается, когда у студента сформируется ясное понимание технологии процесса эксперимента (что и как делать?) и ожидаемых результатов по каждому пункту лабораторной работы (что должно получиться?). При прохождении первого этапа студент изучает лекционный материал, размещенный в виртуальной лаборатории, и отвечает на вопросы
самоконтроля.
Второй этап - выполнение лабораторной работы. Он включает в себя оценку подготовки студента к лабораторной работе и допуск его к лабораторному эксперименту, проведение исследований над заданным объектом и формирование массива результатов эксперимента. Этап завершается, если в заданный отрезок времени, отпущенный на ее выполнение, экспериментальные данные
совпали с ожидаемым результатом. Второй этап начинается с тестирования студента на предмет усвоения основных знаний и умений, требуемых для выполнения лабораторной работы. Если тестирование завершено успешно, то студент допускается непосредственно к лабораторному эксперименту путем запуска виртуального прибора. Во время проведения лабораторного эксперимента происходит постоянное сравнение полученных экспериментальных данных с ожидаемым результатом, если ожидаемый результат не совпадает с экспериментальными данными, эксперимент или его часть предлагается повторять до тех пор, пока не будет достигнуто совпадение результатов эксперимента с ожидаемым результатом или не истечет время, отведенное на лабораторный эксперимент.
Третий этап - обработка данных эксперимента, оформление и защита отчета о лабораторной работе. Работа считается засчитанной, если ее качество и правильность, отраженные в отчете, подтверждены преподавателем (не более двух обращений).
На рис. 3 приведена лицевая панель виртуального прибора для выполнения работы «Катушка индуктивности и конденсатор в цепи синусоидального тока».
4. Востребованные компетенции
Имея регистрацию в среде интернет-обучения e-Learning Labs Technologies (e-LLT: http://e-llt.lcg.tpu.ru), студент входит в среду конкретной лабораторной работы и последовательно выполняет программу работы.
Для реализации положительной мотивации к обучению, постановке и организации процесса самообразования студента в виртуальную лабораторию внедрены элементы проблемно-поисковой технологии обучения, когда студенты обязаны:
- узнавать схему с целью определения того, какие характеристики и параметры ее необходимо анализировать;
- демонстрировать действия алгоритмов анализа и синтеза различных объектов электротехники по изложенным на лекциях алгоритмам и
приведенным примерам.
Рис. 3. Лицевая панель лабораторной работы «катушка индуктивности и конденсатор в цепи синусоидального тока»
Указанная технология, когда студенту не приходится воспроизводить то, что он слышал на занятиях или видел в книгах, принципиально ведет к его самообразованию и воспитанию творческой личности.
На всех видах контроля студенту как минимум придется демонстрировать стандартные профессиональные действия за счет самостоятельного добывания необходимых знаний, умений и компетенций для конкретного и ранее не известного объекта электротехники.
Для выполнения лабораторных работ студент должен обладать набором компетенций в виде способности проявить знания и умения.
Примерный перечень компетенций, востребованных при подготовке, выполнении и защите работ:
• знание терминов и определений основных понятий по лабораторной работе в соответствии с ГОСТ Р 52002-2003;
• знание способов регулирования и измерения токов и напряжений в исследуемых цепях;
• знание методов расчета токов и напряжений в цепях постоянного тока для определения ожидаемого результата будущих лабораторных исследований;
• умение сделать выбор и установку в схемах средств измерения (СИ) напряжений и токов;
• знание способов расчета ЭДС и внутреннего сопротивления эквивалентного генератора, замещающего выделенный участок в электрических цепях;
• умение применять метод эквивалентного генератора при расчете токов и напряжений в це-
пях для определения ожидаемого результата в лабораторных исследованиях;
• умение оперировать законами Ома и Кирхгофа в комплексной форме при расчете цепей, находящихся под гармоническим воздействием;
• умение правильно собрать схему эксперимента;
• умение осуществить обработку результатов эксперимента для определения значений статических и дифференциальных сопротивлений в рабочих точках ВАХ нелинейного элемента и получения законов их изменения;
• умение на основе данных эксперимента получать ВАХ нелинейных элементов, включенных последовательно или параллельно с сопротивлением;
• умение провести теоретические и экспериментальные исследования параметрического стабилизатора напряжения, использующего кремниевый стабилитрон;
• умение регистрировать показания СИ и формировать массивы данных исследования;
• умение осуществить обработку результатов эксперимента с целью подтверждения ожидаемого результата исследований;
• умение представить проделанную работу в виде отчета и сформулировать выводы по эксперименту.
Заключение
Литература
1. Зонис М. Качество образовательных услуг - главное условие успеха // Новые знания, 2001. № 2.
2. Концепция модернизации российского образования на период до 2010 года. Распоряжение Правительства Российской Федерации от 29 декабря 2001 г. № 1756-Р.
3. Волков А. А., Гастев С. Интегративно-аксиологический подход к конструированию учебных материалов, программ и курсов с применением новых информационных технологий в инженерном образовании. 1. Теоретические предпосылки. - http://technomag.edu.ru/doc/86287.html.
4. Зимняя И. А. Ключевые компетенции - новая парадигма результата образования // Высшее образование сегодня, 2003. № 5. С. 34-42.
5. Компетентностный подход // Управление двухуровневой системы подготовки и качества образования: Реферативный бюллетень. - М.: РГГУ, 2005. 28 с.
6. Стандарт основной образовательной программы Томского политехнического университета / Под ред. проф. А. И. Чучалина. - Томск: ТПУ, 2008. 60 с.
7 Баранов П. Ф., Горисев С. А., Кириченко Е. М., Ряшенцев И. В., Соловьев М. А. Среда лабораторных практикумов удаленного доступа на основе интеграции программно-аппаратных комплексов на базе LabVIEW и системы управления интернет-обучением MOODLE // Moscow Education Online 2010: Сборник тезисов докладов 4-й Международной конференции по вопросам обучения с применением технологий e-learning (Москва, 29 сентября - 1 октября 2010). - М.: Global Conferences, 2010. С. 105-111. -http://e-llt.lcg.tpu.ru/
Качество обучения в виртуальной лаборатории повышается за счет введения следующих мероприятий:
- использование современных технологий проведения работ лабораторного цикла, в частности технологий e-learning и технологии виртуальных инструментов в среде NI ELVIS, которая объединяет технические средства измерения и управления, прикладное программное обеспечение и стандартные промышленные компьютерные технологии;
- возможностью выбора тематики лабораторной работы из цикла работ;
- уходом от технологии «бригадного подряда» и переходом к индивидуальному обучению;
- организацией входного и текущего контроля работы студентов.
Накопленный в ходе применения описанных выше лабораторных практикумов положительный опыт подтверждает существенное повышение эффективности обучения и позволяет довести качество подготовки студентов до уровня международных стандартов.
Работа публикуется при поддержке федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. в рамках государственного контракта № П487.
