CC BY
60
Литература
1. Каптерев А.И. Образование: реальное, виртуальное, мнимое. http://www.autorun. e-rej.ru /ОшМосЫ_2.Йт.
2. Мединский В.Р. О русском рабстве, грязи и «тюрьме народов». - М.: ОЛМА Медиа Групп, 2009. - 544 с.
3. Смольский С.М., Филиппов Л.И. Три шага к профессии: наука, диссертация, педагогика. - Одесса: Нептун-Технология, 2005. - 128 с.
4. Демчук А., Артамонова Ю. Виртуальное образование: реальность и перспективы. http://www.prof.msu.ru/publ/book6/c66_01.htm.
5. Хуторской А.В. О виртуальном образовании // Интернет-журнал «Эйдос». - 1999. - 30 марта. http://www.eidos.ru/journal/1999/0330-06.htm. - В надзаг: Центр дистанционного образования «Эйдос», е-таЛ: list@eidos.ru.
6. Стриженко А.А. Глобализация образования и международное сотрудничество. http://elib.altstu.ru/elib/books/Files/2000-04/3/Pap3.html.
7. Федосов В.П., Нестеренко А.К. Цифровая обработка сигналов в LabVIEW / Под ред. В.П. Федосова. - М.: ДМКПресс, 2007. - 472 с.
УДК 004.055
СЕТЕВОЙ УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР КОЛЛЕКТИВНОГО ПОЛЬЗОВАНИЯ УНИКАЛЬНЫМ ЛАБОРАТОРНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ НА БАЗЕ ВЕБ-ПОРТАЛА КАК ЭЛЕМЕНТ СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО
ОБРАЗОВАНИЯ
А.С. Глинченко, к.т.н., проф. Тел. (8-391) 291-20-40; E-mail: AGlinchenko@sfu-kras.ru М.Л. Дектерев, директор Регионального инновационного центра «Центр технологий National Instruments» Тел. (8-391) 291-20-40; E-mail: MDekterev@sfu-kras.ru К.Н. Захарьин, директор Центра технологий электронного обучения ИнТК СФУ Тел. (8-391) 291-21-38; E-mail: KZakharyin@sfu-kras.ru В.А. Комаров, программист Регионального инновационного центра « Центр технологий National Instruments» Тел. (8-391) 291-20-40; E-mail: vladimir@ire.krgtu.ru А.В. Сарафанов, д. т.н., проф, проректор СФУ по информатизации и ДО Тел. (8-391) 291-21-20; E-mail: IAD@sfu-kras.ru ФГОУ ВПО Сибирский федеральный университет (СФУ) http://www.sfu-kras.ru
The article is devoted to the problems of the organization on a system basis of the network educational-research centre of the collective using, functioning on the basis of web-technologies. Principles of construction of the distributed measuring-operating systems providing remote control and the control over laboratory stands, installations, devices are considered.
В статье рассмотрены вопросы организации на системной основе сетевого учебно-исследовательского центра коллективного пользования, функционирующего на базе веб-технологий. Приведены принципы построения распределенных измерительно-управляющих систем, обеспечивающих дистанционное управление и контроль над лабораторными стендами, установками, приборами.
Ключевые слова: автоматизированный лабораторный практикум с удаленным доступом, удаленный доступ, Интернет, Интранет, сетевой центр коллективного пользования.
Keywords: the automated laboratory practical work with remote access, remote access, Internet, Intranet, the network centre of collective using.
Введение
Постоянное усложнение и повышающаяся стоимость используемого в качестве объекта экспериментальных исследований оборудования, территориальная распределенность корпусов учебных заведений и их филиалов, большой поток обучаемых (особенно использующих дистанционные образовательные технологии) обусловили необходимость разработки распределенных измерительно-управляющих систем (РИУС) - систем, обеспечивающих дистанционный контроль и управление лабораторными стендами и установками. Применение компьютерных измерительных технологий (КИТ) позволило унифицировать и систематизировать основные подходы в их проектировании, например модульное построение на основе обобщенной структурной схемы, сквозное применение унифицированных измерительных приборов и т. д. [1, 2].
Современные РИУС получили новый виток развития за счет применения многопользовательского режима функционирования, обеспечивающего коллективный доступ к уникальным установкам, стендам, приборам, с возможностью изменения и задания индивидуальных конфигураций, параметров и траекторий проводимых исследований. Разработкой таких систем занимаются ряд ведущих вузов РФ: Московский энергетический университет, Новосибирский государственный технический университет, Московский государственный институт радиотехники, электроники и математики, Казанский государственный технический университет им. А. Н. Туполева, Сибирский федеральный университет и др. [3], известны также зарубежные разработки [4].
Качественная подготовка специалистов в области техники и технологий, особенно при реализации дистанционных образова-
тельных технологий, возможна только при наличии современной лабораторной базы экспериментальных исследований. В связи с тем, что некоторые образцы установок и стендов имеют довольно высокую стоимость (например, стоимость комплекса исследования и мониторинга характеристик приемо-передающих устройств на базе промышленной системы РХ1 составляет порядка $60000), полноценное оснащение учебных лабораторий современным оборудованием является непосильной задачей для образовательного учреждения. Поэтому применение многопользовательских РИУС как средств автоматизации научного и учебного эксперимента является весьма актуальным и перспективным направлением. Организация работы таких многопользовательских РИУС в настоящее время ведется по пути создания сетевых учебно-исследовательских центров коллективного пользования (ЦКП). Последние достижения в области информационно-телекоммуникационных технологий позволяют создавать такие ЦКП на основе распределенной структуры.
Построение и функционирование сетевого учебно-исследовательского ЦКП определяются, прежде всего, необходимостью полнофункциональной организационной, технической и методической поддержки многопользовательского принципа проведения учебного эксперимента на базе РИУС, являющихся основой ЦКП.
Таким образом, ЦКП, с одной стороны, обеспечивает информационное сопровождение лабораторных исследований при помощи веб-технологий, а с другой стороны, представляет собой сложный имущественный комплекс с развитой информационно-телекомму-никацонной инфраструктурой и специализированным программным обеспе-
чением (ПО).
Проблема разработки и эксплуатации РИУС в составе ЦКП связана с решением следующих задач:
1. Унификация подходов к построению и проектированию многопользовательских РИУС.
2. Синтез многопользовательских РИУС с требуемыми показателями функционирования, такими как максимальное число одновременно работающих пользователей, время ожидания результатов измерения.
3. Обеспечение регламентированного доступа к ресурсам РИУС, организация и сопровождение учебного процесса на их основе.
Обобщенная схема построения многопользовательских РИУС на основе технологий National Instruments
Необходимость создания гибких, универсальных, быстродействующих РИУС, обеспечивающих дистанционный контроль и управление, обусловила применение КИТ, использующих ПЭВМ на этапах формирования управляющих сигналов, сбора, обработки и отображения измерительной информации. В соответствии с данной технологией измерительная и управляющая части приборов и систем реализуются на аппаратной основе, а их функциональная часть и интерфейс пользователя - программно. Универсальность РИУС, построенных на основе КИТ, обусловливается применением стандартных интерфейсов PCI, PCI-E, PXI, USB, RS-232, ISA, GPIB и др., стандартных серийно выпускаемых средств измерений общего применения (приборов-модулей) со встроенными интерфейсными функциями. Высокая точность и быстродействие РИУС, построенных на основе КИТ, достигаются за счет применения последних разработок и достижений в области проектирования аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП). Гибкость РИУС реализуется посредством предоставления пользователю возможности строить системы автоматизации, оперируя графическими представлениями органов управления и отображения процессов, составляющих работу комплекса, стенда или установки в целом. В результате на экране дисплея синтезируются панели, в соответствие которыми ставятся программы управления исполнительными устройствами измерительно-управляющей системы (виртуальные приборы и стенды).
Многопользовательское функционирование РИУС осуществляется при помощи специализированного ПО серверного уровня, которое обеспечивает буферизацию и
очередность доступа к объекту исследования в порядке поступления заданий на измерение. Подготовка эксперимента (выбор структуры объекта исследования, настройка параметров конфигурации, задание параметров тестирующих сигналов) производится на уровне клиентского ПО. Подготовленное задание на измерение передается на сервер-измеритель лабораторного стенда и в случае занятости лабораторного стенда измерением ставится в очередь. После освобождения измерителя происходят реконфигурация объекта исследования, формирование тестовых сигналов, съем исследуемых сигналов в соответствии с новым заданием, передача массива результатов измерения обратно пользователю, и начинается обработка следующего задания.
В целях унификации основных подходов к выбору аппаратного обеспечения, разработке измерительного и сетевого ПО в Региональном инновационном центре «Центр технологий National Instruments», входящем в состав Красноярского регионального центра новых информационных технологий при ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» (http: //www. sfu-kras.ru/studies/sdo /ni), разработана, апробирована и внедрена в практику унифицированная схема организации учебного процесса на базе сетевого ЦКП с использованием РИУС на основе технологий National Instruments (http://www .ni.com), реализующая возможность выполнения лабораторных экспериментальных исследований в режиме многопользовательского удаленного доступа (рис. 1) в сетях Ethernet, Intranet, Internet.
Устройство сбора данных подключается к ПЭВМ-измерителю, на котором располагается серверное измерительное программное обеспечение, реализуемое в среде графического программирования LabVIEW [5]. Под его управлением происходят реконфигурация объекта исследования, а также ввод-вывод измерительных аналоговых и цифровых управляющих сигналов через устройство сбора данных. Программная и аппаратная части взаимодействуют при помощи комплекса драйверов NI-DAQmx, представляю-
щего собой набор типовых подпрограмм, с использованием которых осуществляются программирование и конфигурация устройства.
Дистанционное управление в представленной схеме построения РИУС реализуется на основе технологии сетевого обмена Data-Socket корпорации National Instruments [5]. В соответствии с данной технологией на центральном сервере устанавливается приложение DataSocket server, которое обеспечивает по протоколу DataSocket стека TCP/IP обмен потоками данных, а также буферизацию и очередность поступающих запросов на измерения между ПЭВМ-измерителями и ПЭВМ-клиентами по сетям Ethernet, Intranet, Internet.
Измерительное ПО, устанавливаемое на ПЭВМ клиента, обеспечивает удаленное управление объектом исследования через визуальный интерфейс, реализованный в виде комплекса виртуальных измерительных приборов и/или виртуальных стендов, посредством сетевого взаимодействия по протоколу dstp. Путем настройки стендов и приборов формируется траектория измерения, задается конфигурация объекта исследования и соответствующий ей пакет заданий, передаваемых на ПЭВМ-измеритель. На рис. 2 приведены примеры виртуальных стендов управления, реализованных в среде LabVIEW.
Рассмотренная выше унифицированная схема построения РИУС позволяет производить подключение дополнительных ПЭВМ-измерителей, сопряженных с лабораторными установками. Для этого необходимо в приложении DataSocket server указать дополнительные точки подключения, через которые будет осуществляться сетевой обмен между ПЭВМ-измерителем лабораторного стенда и его программой управления, расположенной на ПЭВМ клиента. Таким образом, разработанная унифицированная схема построения предусматривает возможность быстрого и независимого подключения к ресурсам DataSocket server дополнительных РИУС и реализации их дистанционного управления и контроля.
Проектирование многопользовательских РИУС с требуемыми показателями функционирования
В процессе внедрения и эксплуатации в учебном процессе многопользовательских РИУС возникают проблемы, решение которых становится все более актуальным: ограниченные сведения о показателях функцио-
нирования систем, таких как максимальное число одновременно работающих пользователей, время ожидания результатов измерения. Кроме этого, практически никто из разработчиков не приводит эксплуатационные затраты функционирования РИУС - объем передаваемого трафика. Поэтому практически невозможно быстро, качественно и обоснованно выбрать и обеспечить необходимый режим эксплуатации РИУС и, как следствие, спланировать и организовать научный эксперимент или учебный процесс, что может привести к возможным сбоям в работе. Малая распространенность многопользовательских РИУС связана с отсутствием общеизвестного метода их проектирования, поэтому заранее невозможно оценить характеристики создаваемой системы, следовательно, невозможно оценить целесообразность и эффективность разрабатываемой РИУС.
Вследствие этого в процессе проектирования многопользовательских РИУС с заданными качественными показателями функционирования становится актуальным решение следующих задач: выявление взаимосвязей показателей функционирования многопользовательских РИУС, их параметров и режима эксплуатации; определение требований к функциональным узлам на этапе проектирования. Выявление зависимости показателей функционирования многопользовательской РИУС от ее параметров и режима эксплуатации может осуществляться экспериментальным и теоретическим путем.
Экспериментальное решение заключается в проведении серии экспериментов с целью определения и построения соответствующих необходимых зависимостей для каждой РИУС [6], что достаточно трудоемко и не может быть применимо на этапе проектирования. Теоретическое решение основывается на построении математической модели распределенной многопользовательской измерительно-управляющей системы, что позволяет наиболее полно решить возникающие при проектировании задачи [7].
Обобщенная структура модели функционирования многопользовательской РИУС как системы массового обслуживания приведена на рис. 3.
Представление функционирования многопользовательской РИУС в виде системы массового обслуживания позволило получить аналитические выражения, описывающие зависимости максимально возможного числа одновременно работающих пользователей (Чпах) и времени ожидания результа-
тов измерения (ож) от параметров системы (длительности операций, выполняемых основными функциональными узлами) и условий ее эксплуатации (число пользователей, число измерений, выполняемое пользователями, временной интервал функционирования и т.д.). Среднее время ожидания результатов измерения многопользовательской РИУС, полученное на основе представленной на рис. 3 модели, определяется следующим выражением [9, 10]:
t
ож_ср
= M (
св + ^оч + ^рек + ^изм
) =
^ев_ср + N ^обсл_ср
1 ~П0
А
, (1)
где tсв_ср - среднее время прохождения пакета данных по каналу связи; 4бсл_ср - среднее время обслуживания одного требования, равное ^ек_ср+
4зм_ср; п0 - вероятность того, что очередь и обслуживающее устройство будут пусты после завершения обслуживания запроса; X - интенсивность поступления запросов от каждого пользо-
Поток входящих Накопитель
треоованин - требований I
запросы на измерение
вателя.
Более подробно выражение (1), а также ряд других, описывающих различные режимы функционирования многопользовательских РИУС, рассмотрены в [7-9]. Выявленные аналитические соотношения используются на этапе эскизного проектирования. С учетом особенностей объекта исследования (время изменения конфигурации, параметров, характеристик объекта исследования и длительность последующих переходных процессов) осуществляется предварительное математическое моделирование режима функционирования РИУС, по результатам которого дается предварительная оценка предельных показателей функционирования системы, формулируются требования к длительности операций (выполняемых основными функциональными узлами) и принимается решение о целесообразности разработки РИУС.
Выходящий поток требований -результаты измерения
N
7Y
Л V
к
\
¿04
5
4> *
к
1
Г0Х
Задержка прохо;кдения данных по каналу связи
О б с л у жнваюш е е устройство
С
:
Рис. 3. Обобщенная структура модели многопользовательской распределенной измерительно-управляющей системы: N - число пользователей; ¿св - время прохождения пакета данных по каналу связи; *оч - время пребывания запроса в очереди; ^рек - время реконфигурации объекта исследования; ^изм - время измерения задаваемых параметров и/или характеристик; ^ож - время ожидания результатов измерения
На основе сформулированных требований к длительности операций, требований к автоматизации процесса управления и сопряжения по уровням сигналов осуществляются проектирование функциональных узлов системы, разработка алгоритмов измерения, обработки результатов измерения, сетевого обмена и взаимодействия, а также распределение выполняемых ими функций между клиентским и серверным ПО. На основе результатов эскизного проектирования функциональных узлов и ПО с применением разработанной математической модели многопользовательской РИУС осуществляется поведенческое моделирование системы. В результате определяются значения качественных показателей функционирования (Дпах, ^ж_ср) и допустимые условия эксплуа-
тации, при которых показатели функционирования РИУС будут удовлетворять требованиям технического задания.
Аппаратно-программные комплексы с удаленным доступом, функционирующие на базе сетевого учебно-исследовательского центра коллективного пользования СФУ
На основе разработанных унифицированной схемы построения, модели и методики проектирования РИУС в Региональном инновационном центре «Центр технологий National Instruments» (http://www.sfu-kras.ru /studies/sdo/ni) был создан ряд многопользовательских РИУС автоматизации учебного эксперимента - аппаратно-программные комплексы с удаленным доступом (АПК УД), функционирующие в составе сетевого
учебно-исследовательского центра коллективного пользования (ЦКП) уникальным лабораторным оборудованием на базе веб-портала (www.lab.sfu-kras.ru), развернутого в Сибирском федеральном университете (СФУ).
В настоящий момент в составе сетевого учебно-исследовательского ЦКП выделены следующие сегменты:
• образовательный сегмент, выполненный на базе веб-технологий (портал АЛП/ВЛП СФУ - www.lab.sfu-kras.ru, включающий комплекс специализированных сетевых лабораторий, информационных модулей, специализированные интерфейсы студента, преподавателя, администратора, а также сетевую версию системы проверки знаний тестированием UniTest (http://unitest .lab.sfu-kras.ru), функционирующую во взаимосвязи со специализированным сервером банков тестовых заданий);
• система управления базами данных с набором управляющих инструкций (обеспечивает внутренний обмен данными для целей организации учебного процесса);
• образовательный контент (методическое обеспечение лабораторных исследований, электронные образовательные ресурсы, инновационные учебно-методические комплексы дисциплин (УМКД);
• имущественный комплекс (уникальные приборы, стенды, лабораторные установки, центральный сервер, ПЭВМ-измерители, устройства сбора данных, телекоммуникационная инфраструктура);
• специализированное и дополнительное программное обеспечение (графическая среда программирования и приложения LabView, системы математического моделирования, интерактивные электронные технические руководства и др.).
На базе сегментов сетевого учебно-исследовательского ЦКП обеспечивается работа многопользовательских АПК УД (www.lab.sfu-kras.ru/apk.aspx), которые позволяют выполнять комплексные лабораторные исследования по широкому спектру дисциплин: «Электроника»; «Общая электротехника и электроника»; «Полупроводниковые приборы»; «Схемотехника аналоговых электронных устройств»; «Электротехника и микроэлектроника»; «Устройства приема и обработки сигналов»; «Методы и устройства приема сигналов»; «Диагностика и надежность радиоэлектронной аппаратуры»; «Цифровая схемотехника»; «Приводы роботов»; «Электропривод и автоматизация промышленных установок»; «Физика» и др.
Ключевой сегмент сетевого учебно-исследовательского ЦКП - образовательная среда, выполненная на базе портала АЛП/ВЛП (www.lab.sfu-kras.ru). Посредством комплекса сетевых лабораторий, АПК УД, интерфейсов и интерактивных форм обеспечивается организация учебного про-
цесса с использованием дистанционных образовательных технологий (ДОТ), в рамках которого осуществляются автоматизированные лабораторные исследования. Структура портала показана на рис. 4. Образовательная составляющая портала (рис. 5) реализуется с помощью специализированных интерфейсов студента и преподавателя. Интерфейс студента - виртуальный рабочий стол, а интерфейс преподавателя - электронный журнал.
Совокупность инструментов портала обеспечивает функционирование специализированных сетевых лабораторий, ориентированных на использование ДОТ в системах школьного, начального профессионального, среднего профессионального, высшего профессионального и дополнительного профессионального образования.
Основным управляющим сегментом сетевого учебно-исследовательского ЦКП является система управления ресурсами (СУР) - хранилище данных различных форматов в системе баз данных с возможностью регламентированного доступа. Все категории пользователей посредством тех или иных интерфейсов имеют доступ к СУР, которая обеспечивает структурированное представление и хранение ресурсов с помощью процедур каталогизации.
Управление функциональными компонентами осуществляет административный персонал портала, который наделяется необходимыми правами по их созданию, регистрации, а также установке всех внутренних взаимосвязей с другими функциональными компонентами.
Разработка образовательного контента (наполнения) сетевого учебно-исследовательского ЦКП производится на системной основе. Так, для всех лабораторных исследований разработано электронное методическое обеспечение в соответствии со следующей структурой: название лабораторной работы; цель и задачи лабораторной работы; краткие теоретические сведения; описание аппаратно-программного комплекса; задание на лабораторную работу; ход выполнения работы; контрольные вопросы; требования к оформлению отчета; список литературы и Интернет-ресурсов.
Методическое обеспечение каждого лабораторного исследования дополняется тематическими мультимедийными электронными образовательными ресурсами, интерактивными электронными техническими руководствами (ИЭТР) и системой компьютерной проверки знаний тестированием
UniTest (www.unitest.lab.sfu-kras.ru).
ИЭТР позволяет получить подробную информацию об АПК УД, включающую описание структурной схемы, функциональные возможности, перечень лабораторных исследований, описание принципов работы с комплексом виртуальных стендов, комплект электронной конструкторской документации, а также дает возможность обучаемому получить общее представление о структуре самого ИЭТРа как составного элемента технологий информационной поддержки жизненного цикла изделия (CAZS-технологий) [13].
Система компьютерной проверки знаний UniTest позволяет организовать процесс персонального автоматизированного контроля знаний в сети с использованием транспортного протокола TCP/IP, программно реализована с применением новейших технологий Microsoft.NET 3.0, уникальных алгоритмов параллельной обработки информации и передовых средств криптографической защиты информации. В системе формируется тематический банк тестовых заданий, который связывается с конкретным лабораторным исследованием, и на его основе создаются гибкие сценарии тестирования. Персональные результаты проверки знаний сохраняются в базе данных портала и становятся доступны преподавателю. Посредством сценариев тестирования обеспечивается возможность организации проверок знаний на различных этапах лабораторных исследований (предварительное, промежуточное и итоговое тестирование).
Основными разработчиками образовательного контента для систем автоматизированных лабораторных исследований выступают творческие коллективы университета.
В СФУ отработана технология создания и внедрения на системной основе учебно-методических комплексов дисциплин (УМКД) инновационного типа как в твердом, так и в электронном видах с возможностью их каталогизации и размещения в централизованном электронном хранилище научной библиотеки СФУ, а также реализации технологии «Книга (электронный ресурс) по требованию». Каталог разработанных УМКД доступен по адресу http://www.sfu-kras.ru/files/ catalog_.pdf.
Интеграция учебных материалов, разработанных ведущими преподавателями СФУ, в образовательное пространство сетевого учебно-исследовательского ЦКП позволяет предложить студентам и преподавателям ряд за-
конченных решений для полноценной организации лабораторных исследований.
Если говорить об имущественном комплексе, то основная и наиболее дорогостоящая его часть - уникальные приборы, стенды, лабораторные установки и вспомогательное оборудование - компактно сосредоточена в специализированных помещениях, которые образуют центральный узел (ЦУ) аппаратно-программных комплексов с удаленным доступом (рис. 6). Сосредоточенные в ЦУ АПК УД централизованно обслуживаются группой квалифицированных специалистов. Для консультационной поддержки и постоянной работы с пользователями функционирует телефон горячей линии.
Каждый АПК УД спроектирован по модульному принципу, обеспечивает определенный набор лабораторных исследований и закрепляется за определенной сетевой лабораторией или группой лабораторий в составе сетевого учебно-исследовательского ЦКП. Все АПК УД имеют унифицированную схему построения, в соответствии с которой выделяются специализированные объектные модули, платы сбора данных, цифровые и аналоговые кроссы, модули питания и др.
В качестве примера рассмотрим АПК УД «Основы теории цепей» (ОТЦ) и частично «Устройства приема и обработки сигналов» (УПиОС), которые входят в состав сетевых лабораторий «Радиоэлектроника», «Электротехника» (для АПК УД ОТЦ) и «Центров коллективного пользования с удаленным доступом Сибирского федерального округа».
Так, АПК УД ОТЦ обеспечивает выполнение 12 лабораторных исследований в многопользовательском режиме (одновременная работа 100 и более пользователей) с удаленным доступом по сети Интернет/Интранет по дисциплинам «Основы теории цепей», «Теоретические основы электротехники», «Общая электротехника», «Общая электротехника и электроника» и другим дисциплинам, направленным на изучение законов электричества и характеристик электрических цепей.
Обобщенная структурная схема АПК
Для проведения лабораторных исследований в АПК УД ОТЦ входят 6 исследуемых объектных модулей (модуль 1 - модуль 6, рис. 7а), состоящих из трех однотипных функциональных субмодулей: («Электрические КЬС-цепи», «Колебательные контуры» и «Электрические фильтры») с различающимися значениями параметров их элементов в каждом из объектных модулей для обеспечения параметрической многовариантности выполнения ла-
бораторных работ. В свою очередь, в АПК УД УПиОС входят модули «Входная цепь», «Усилитель радиосигнала», «Частотный де-
тектор», «Частотная автоподстройка частоты», «Фазовая автоподстройка частоты», «Автоматическая регулировка усиления» (см. рис. 76).
Л&ЛЩм. сччи. пгЗсоа'эоье ^сгшш щавючм»** > детршыкы уу» М* УД СОУ
Инн о изци DnHt.it уч«6нс-чвт-однчвс кие каыппйкСк! дисциплин (УМКД)
Ж
ДрпопччцмвПС* дас ■ вн шп виа нннжр 5
¡Ойлй ДЛия | Дл^паг ШТивгцр)
I ПП111СЯЫ |
ррмадепя |
[ 5 Гкщкгю^еиие АПК УД ! 5 Ршмеи^ений мнгапичвсого обеспечения I н тепронны* о«<иомтвпьных ресурсе» | Э Организаций рзботи АПГ УД | - Реализация функции* управлений \ учебным прфиосотч
I 5 Снстин? компц;тврнйН Провам ЗНАНИИ
I тестировали СЛиТмГ
НОчлпвюс драйверов. с*5еспичныющщ совместную рлбету грлфич<к;к1лл среды праграиииревйння и аппаратной часта
Рис. 1. >'|шфиштн|Циин:ш шЦ1 н>рп 1ян»1р11 учебного иртмссш на сегешл) ЦКII с псшпьишишк'Ч РИУ С Ил <к.|([||и' ■ ила 1Ек_ни Х:|[[:>|]у| 1пМ т-тсп!«, пгАнни^н еии^кшин и. вы ни ¡наши , ¡лГюр;)тар:ш,1\ жакричип-альны! нсьт^шниииИ н режпш1 нншонаи.юпап'.чьлшги
удаленного *ОСТ)т« От ирннсрс ЦК'II СФУ)
,111 Ш1| ШШШм
|' 1 ,,.Л1п|| тг щ 'II [ш 11 п 1 РР
И)
Л
1" ■ - ■ - : V'-
г)
Рие. 2. Ннлнчцня виртуальны! етншж управления щ среде ¡0 ннргуалмшн украи ПЧ1Ш1 микст Л ПК" УД «Цнфрпнчн««раГнтткч! сш ¡¡хит»; ви|УП'11;мый сг<нд .1.11! 1кх[^.1»1!з»1|1н аишоговых лккгрнчссми кеней; II) ифпццыЛ стещ |щг1кпии1 еопмишя ишими;! Зшилч'ц; I) виртуальный ленд управления ммгих ЛПК УД «Осипы I сорим ц(1ий>
ы
С\
О
Js
О
то
о ^
8 о съ £
st съ
о.
Ьо
so
АПК УД
- характеристика;
- обобщенная структурная схема
- функциональные возможности;
- организация лабораторных исследований;
- сетевая лаборатория;
- интерактивное электронное техническое руководство
t Выбор необходимых ресурсов
Лабораторные работы Математические модели
- цели и задачи работы;
- краткие теоретические
- описание АПК УД;
- задание на работу;
- ход выполнения работы;
- требования к отчету;
- контрольные вопросы;
- список литературы и интернет-ресурсов
Выбор необходимых
Администраторы-*-и преподаватели
- краткие теоретические сведения;
- описание модели;
- ресурсы для моделирования;
- ресурсы проектов моделей;
- графические данные
Студент
Работа с методическим обеспечением лабораторных работ
Выполнение экспериментальных исследований
Прохождение тестирования
ресурсов
АдминистраторыJ
Выбор необходимых ресурсов
Отчеты по лабораторным работам Банки тестовых заданий""""" ад Результаты |
тестирования
Интерфейсы, реализующие регистрацию объектов по модульному принципу в портале: аппаратно-программные комплексы с удаленным доступом, лабораторные работы, электронные образовательные ресурсы, центры коллективного пользования с удаленным доступом, структурные подразделения, обмен ресурсами между пользователями
Пользователи портала
- администраторы портала;
- администраторы структурных подразделений;
- администраторы центров коллективного пользования с удаленным доступом;
- преподаватели
- графических ресурсов;
- звуковых ресурсов;
- документов в текстовых форматах;
- документов pdf;
- ресурсов;
- анимационных ресурсов (управляемых и неуправляемых);
- видеоресурсов;
- ресурсов прочих форматов
Выполнение математического моделирования
Клиент АПК УД
Аппаратно-программные комплексы с удаленным доступом
Преподаватель
Разработка
методического обеспечения лабораторного практикума
Разработка контрольно-измерительных материалов
Проверка результатов тестирования
Рецензирование отчетов по выполнению лабораторных работ
Мультимедийное
метод, обеспеч Банки тестовых
Центр технологий электронного обучения СФУ
методического обеспечения как электронного ресурса
i Создание и подключение й электронных банков g- тестовых заданий
Общее администрирование
Рис. 5. Организация учебного процесса с использованием ДОТ на базе портала АЛГОВЛП (www.lab.sfu-kras.ru)
Рис. 4. Структура портала АЛП/ВЛП Сибирского федерального университета (www.lab. sfu-kras. ru)
Рис. 6. Фрагмент центрального узла аппаратно-программных комплексов с удаленным доступом, расположенного на территории Сибирского федерального университета
Модуль интерфейса
Модуль интерфейса
со
о
П.
Объектный модуль 1
Субмодули:
«Электрические Я/.С-цепи» «Колебательные контуры» «Электрические фильтры»
Модуль «Входная цепь»
О с
Модуль «Усилитель радиосигнала»
Объектный модуль 2
d
Модуль «Частотный детектор»
Объектный модуль 6
Модуль «Частотная
з частоты»
Модуль «Фазовая автоподстройка частоты»
Модуль «Автоматическая регулировка усиления»
а)
Модуль питания
б)
Модуль питания
Рис. 9. Примеры фрагментов ИЭТР фрагмент ИЭТР на АПК УДОТЦ; б) фрагмент ИЭТР на АПК УД УПиОС
а)
Рис. 7. Обобщенная структурная схема АПК: «Основы теории цепей»; б) «Устройства приема и обработки сигналов»
Рис. 8. Пример моделирования работы электрических цепей средствами системы схемотехннче-ского проектирования Altium Designer 6
I
Л
s
о
SS -с
то
ТО
О
то
О 0\ то то а
ТО
-с
то а: ss то
Функциональные возможности АПК
Набор объектных модулей АПК УД ОТЦ и его измерительных средств предоставляет возможности исследования переходных процессов в RC-, RL- и RLC-цепях, исследования частотных характеристик RC-, RL- и RLC-цепей, исследования частотных характеристик и избирательных свойств последовательного, параллельного и связанного колебательных контуров, исследования частотных характеристик и фильтрующих свойств электрических фильтров нижних, верхних частот, полосовых и заграждающих фильтров, фильтров га-типа, работающих в диапазоне частот 10 Гц - 50 кГц
Комплекс виртуальных инструментов
Экспериментальное исследование электрических цепей осуществляется с помощью комплекса виртуальных стендов и виртуальных измерительных приборов, разработанных в среде LabVIEW (см. пример на рис. 2): генератора сигналов различной формы, цифрового осциллографа, цифрового вольтметра, анализатора спектра, измерителя АЧХ и ФЧХ. Измерения АЧХ и ФЧХ могут проводиться в ручном режиме (по точкам) и в автоматическом с помощью тестовых полигармонических сигналов. Процесс измерения предусматривает экранные (курсорные) измерения по экспериментально полученным графикам. Посредством виртуальных стендов выполняются взаимодействие пользователя с измерительными приборами и конфигурирование электрических цепей из набора базовых элементов.
Программное обеспечение виртуального стенда позволяет сохранять результаты измерений в формате MS Word для формирования отчетов и загрузки их в базу данных для дальнейшего рецензирования преподавателем.
Математическое моделирование
Лабораторные экспериментальные исследования электрических цепей осуществляются совместно с моделированием их работы на ПЭВМ средствами системы Altium Designer 6 (рис. 8), а для экспериментальных исследований на базе АПК УД УПиОС совместно с моделированием средствами системы Cadence OrCAD 9.1. Моделирование электронных устройств и электрических цепей на ПЭВМ основывается на математических моделях образующих их компонентов. Моделирование включает весь комплекс исследований, выполняемых экспериментально, а также обеспечивает дополнительно
возможности изучения температурных зависимостей и влияния технологического разброса параметров элементов на характеристики исследуемых электрических цепей и устройств.
Интерактивное электронное техническое руководство
Интерактивное электронное техническое руководство, подготовленное в системе TG Builder (Technical Guide Builder), позволяет получить студенту подробную информацию об АПК уД (рис. 9):
•описание структурной схемы АПК УД; •описание функциональных возможностей, включая перечень выполняемых на основе АПК лабораторных исследований;
•описание принципов работы с комплексом виртуальных стендов и измерительных приборов;
•комплект электронной конструкторской документации (схемы электрические принципиальные модулей; чертежи и 3D-модели конструктивных узлов АПК; 3D-модель конструкции АПК УД в целом с реализацией функций ее декомпозиции, видеоролик и др.).
Таким образом, функционирование сетевого учебно-исследовательского ЦКП на качественно ином уровне решает задачи подготовки специалистов в системе дистанционного образования за счет обеспечения распределенного доступа к уникальному лабораторному оборудованию.
Эффективность
Организация системы лабораторных исследований на основе сетевого учебно-исследовательского ЦКП позволяет значительно повысить эффективность образовательного процесса в системе дистанционного образования.
Так, при классической организации лабораторного практикума одна единица обычного лабораторного оборудования имеет в настоящее время среднюю стоимость в диапазоне 150-200 тыс. руб. Оснащение учебной лаборатории на 15 рабочих мест, таким образом, требует финансовых затрат в объеме 2,25-3,00 млн руб. (не считая затрат на приобретение 15 ПЭВМ). Приобретение же уникального лабораторного оборудования (стоимостью свыше 1,5 млн руб.), как правило, целесообразно только в единичном экземпляре.
Применение сетевого ЦКП позволяет обеспечить распределенный многопользовательский доступ как к обычным, так и к уникальным лабораторным установкам. Даже с учетом дополнительных затрат на теле-
коммуникационную инфраструктуру и разработку специального программного обеспечения удается достичь, как минимум, 5070% экономии затрат на модернизацию учебного процесса. При этом закупается по количеству рабочих мест только ПЭВМ с обеспечением выхода в сеть Интер-нет/Интранет, а лабораторное оборудование, как обыкновенное, так и уникальное, приобретается в единственном экземпляре. Объем затрат на оснащение типовой учебной лаборатории с применением сетевого ЦКП находится в пределах от 0,9 до 1,5 млн руб.
Развертывание каждой последующей учебной лаборатории заключается в обеспечении обучаемых компьютерами, подключенными к сетям Интернет/Интранет, а также в предоставлении доступа к АПК УД. В настоящий момент в СФУ разработаны два варианта коммерческого сотрудничества по обеспечению доступа к АПК УД: вариант 1 - поставка заказчику «под ключ» специализированных сетевых лабораторий, включающих в свой состав от одного до нескольких АПК УД; вариант 2 - предоставление заказчику удаленного доступа, в том числе на основе системы абонементов, по сети Интернет к специализированной сетевой лаборатории, отдельному АПК УД или комплексу АПК УД, расположенным в ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет». Более подробное описание форм сотрудничества приведено по адресу http://lab.sfu-kras.ru/purchase.aspx.
Таким образом, организация лабораторных исследований позволяет обеспечить параллельную работу нескольких учебных групп с одним и тем же лабораторным оборудованием. При использовании удаленных подключений это приводит к минимальной загрузке аудиторного фонда.
В целом, эффективность использования предлагаемых в рамках сетевого ЦКП решений в системе дистанционного образования достигается за счет:
•повышения загрузки лабораторного оборудования и его производительности (оборудование может функционировать 24 часа в сутки);
• экономии фонда оплаты труда инженерного и учебно-вспомогательного персонала, обслуживающего оборудование (вместо нескольких десятков или сотен единиц оборудования группой технических специалистов оперативно обслуживается порядка 10 АПК УД, которые компактно сосредоточены в специализированных помещениях);
• снижения накладных расходов образовательного учреждения (в той части расходов, ко-
торая зависит от эксплуатации площадей, отводимых под лабораторное оборудование);
• снижения рисков выхода из строя оборудования вследствие его неправильной эксплуатации или задания заведомо неверных режимов работы за счет применения специализированных аппаратно-програм-мных средств;
• использования унифицированных решений корпорации National Instruments в части программного обеспечения, что позволяет обеспечить автоматическую совместимость как с основным программным обеспечением, так и с используемым оборудованием;
• облегчения процесса настройки и технического обслуживания лабораторного оборудования и сопровождения программного обеспечения за счет использования централизованных схем организации обслуживающих процессов;
• наличия возможности оперативного реагирования при возникновении проблем (телефон горячей линии и система технической поддержки на портале);
• наличия единой базы данных по управлению подключениями, системой абонементов и доступом;
• аккумуляции методического и информационного обеспечения на едином сервере с возможностью его оперативного обновления.
Направления развития
В 2009-2010 гг. в техническом и методическом планах планируется следующее развитие ЦКП:
• выделение в сетевом учебно-исследовательском ЦКП специализированных сегментов сгруппированных АПК, которые будут в методическом аспекте курироваться по линии профильных учебно-методических объединений;
• организация мобильных автономно функционирующих ЦКП, включающих необходимое специализированное программное обеспечение (ПО) и клиентское оборудование, предоставляющие распределенный доступ к лабораторным исследованиям с возможностью оперативного развертывания на базе любой образовательной площадки в России и других странах;
• ввод в эксплуатацию АПК УД «Физика», технически и методически ориентированного на систему школьного, среднего и начального профессионального образования, а также систему высшего профессионального образования;
• ввод в эксплуатацию автоматизированных систем проведения различных испытаний, в том числе системы виброиспытаний печатных узлов РЭА на основе вибростенда К-5201;
• ввод в эксплуатацию специализированной сетевой лаборатории по выполнению расчетных исследований по социально-экономическому направлению, обеспечивающей выполнение практикумов по ценообразованию на транспорте и в области управления проектами.
Выводы
Описанный в данной статье подход к организации лабораторных и научных исследований на базе сетевых ЦКП позволяет:
- во-первых, достаточно эффективно осуществлять организацию учебного процесса, в том числе с применением дистанционных образовательных технологий;
- во-вторых, получить высокий экономический эффект в части модернизации лабораторной базы;
Литература
- в-третьих, достаточно просто и с высокой оперативностью организовать межфакультетские и межвузовские учебные лаборатории, интегрирующие в себе весь спектр возможностей уникального дорогостоящего оборудования вуза или нескольких вузов;
- в-четвертых, привить студентам на системной основе элементы информационной культуры.
1. Подлесный С. А. Концепция типовых решений при построении автоматизированных лабораторных практикумов с удаленным доступом (на примере дисциплин радиотехнических специальностей) / С. А. Подлесный, А. В. Сарафанов, В. А. Комаров. - Красноярск : ИПЦ КГТУ, 2005. - 40 с.
2. Норенков И. П. Информационные технологии в образовании / И. П. Норенков, А. М. Зимин. - М. : Изд-во МГТУ им. Баумана, 2004. - 352 с.
3. Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab VIEW и технологии National Instruments^^. V Междунар. научн.-практич. конф. - М. : РУДН, 2006. - 465 с.
4. Tor. A. Fjeldly. Michael S. Shur. Lab on the web. Running real electronics experiments via the Internet. Wiley-Interscience, 2003.
5. Суранов А. Я. LabVIEW 8.20: Справочник по функциям. - М. : ДМК Пресс, 2007. - 536 с.
6. Евдокимов Ю. К. Экспериментальное исследование и статистическая модель системы дистанционного управления / Ю. К. Евдокимов, А. Ю. Кирсанов // Вестник КГТУ им. А. Н. Туполева. - 2006. - № 3. - С. 31-36.
7. Сарафанов А. В. Разработка математической модели многопользовательского режима функционирования аппаратно-программных комплексов с удаленным доступом/ А. В. Сарафанов, В. А. Комаров // Информационные технологии : Науч.-техн. журнал. - 2009. - № 3. - С. 67-74.
8. Takagi, H. Queueing analysis. A foundation of performance evaluation. - Vol. II. Finite Systems. North-Holland, Amsterdam, 1993. - 560 P.
9. Комаров В. А. Повышение эффективности эксплуатации многопользовательских распределенных измерительно-управляющих систем / В. А. Комаров, А. С. Глинченко, А. В. Сарафанов // Вестник Воронежского ГТУ. - 2008. - № 10. - С. 186-189.
10. Захарьин К. Н. Опыт организации автоматизированного лабораторного практикума с удаленным доступом в Сибирском федеральном университете на базе Интернет-портала / К. Н. Захарьин, В. А. Комаров, А. В. Сарафанов и др. // 20 лет Учебно-методическому объединению в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации : Сб. науч.-метод. матер. - СПб. : СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2008. - С. 33-44.
11. Исследование параметров и характеристик полупроводниковых приборов с применением Интернет-технологий : Уч. пособие / А. С. Глинченко, Н. М. Егоров, В. А. Комаров, А. В. Сарафанов. - М.: ДМК Пресс, 2008. - 352 с.
12. Зандер Ф. В. Устройства приема и обработки сигналов : автоматизированный лабораторный практикум с применением Интернет-технологий / Ф. В. Зандер, В. И. Коваленок, Д. Ю. Худоногов ; Под ред. С. А. Подлесного. - Красноярск : ИПК СФУ, 2008. - 147 с. - (Устройства приема и обработки сигналов : УМКД № 45-2007 / рук. творч. коллектива Ф. В. Зандер).
13. Основы применения CALS-технологий в электронном приборостроении: Уч. пособие / Э. А. Долгих, А. В. Сарафанов, С. И. Трегубов. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2005. - 137 с.
* *
*
