CC BY
13Научный вестник НГТУ. - 2010. - № 3(40)
ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ
УДК 681.518.3
Сетевые информационно-измерительные компоненты обучающих систем*
Е.Д. БАРАН, В.Л. ПОЛУБИНСКИЙ, С.В. ЧЕРКАШИН
Рассмотрены проблемы виртуальных обучающих систем и проведена их классификация по информационному наполнению и способам построения. Дан краткий анализ возможных инструментов для проектирования обучающих комплексов. Для решения задачи создания универсального виртуального практикума, способного к перепрофилированию для работы в рамках различных дисциплин, предложена структура унифицированных программных модулей для сетевой лаборатории коллективного пользования, позволяющей проводить обучение на реальных экспериментах с применением универсального измерительного блока. В качестве примера описан лабораторный комплекс для изучения ряда технических дисциплин.
Ключевые слова: виртуальный прибор, виртуальная лаборатория, системы обучения, измерительная система, модуль ввода/вывода, N1 ЬаЪУ1Е"^ информационные сети
ВВЕДЕНИЕ
В процесс обучения активно внедряются системы на базе различных лабораторий. Подобные лаборатории, как правило, состоят из нескольких рабочих мест, каждое из которых оборудовано объектом исследования, набором измерительных управляющих устройств и персональным компьютером. Однако разработка данного направления требует постоянного обслуживания обучающих систем и больших материальных затрат на их поддержку в рабочем состоянии. Немаловажно, что предметом изучения или исследований может стать уникальный физический, механический или иной объект, оснащение которым каждого рабочего места невозможно в принципе или неприемлемо по экономическим причинам. Учитывая недостаточное финансирование образования, следует отметить, что проблема обновления лабораторной базы технических университетов стоит особенно остро [1].
Анализ существующих разработок также выявил ряд проблем, связанных с методикой проектирования подобных лабораторий. Как правило, большая часть таких обучающих комплексов строится на информационном обмене посредством технологии «клиент-сервер» через локальные и глобальные сети. Подобные решения занимают нишу систем для дистанционного обучения, концепция которого обсуждается и разрабатывается уже довольно длительное время, но ее внедрение 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. Недостатки подготовки будущих специалистов при таком подходе очевидны. Будущие инженеры, не имея возможности познакомиться с интересным и порой уникальным оборудованием, техническими объектами, научными и технологическими экспериментами, впоследствии не могут применить знания для работы в условиях современного производства [2]. Те же обучающие системы, что представляют собой лаборатории коллективного пользования или виртуальные лаборатории с предоставлением удаленного доступа к реальному оборудованию, зачастую тоже характеризуются рядом недоработок и недостатков. Одним из наиболее очевидных недостатков является неэкономичный и неполноценный сетевой обмен при подключении рабо-
* Получена 19 мая 2010 г.
чего места обучающегося к оборудованию дистанционной лаборатории. И если за рубежом данная проблема решается как для серверной части (современные сетевые протоколы и программные технологии), так и для клиентов (предоставление недорогой скоростной информационной линии), то для России она по-прежнему актуальна. Однако самый главный недостаток практически любой из лабораторий - отсутствие универсальности, что не позволяет перепрофилировать их под другие дисциплины и новые объекты исследования. Кроме того, во многих комплексах отсутствуют системы контроля успеваемости и функции, автоматизирующие деятельность преподавателя.
Тенденция развития подобных комплексов предполагает появление таких продуктов, которые могли бы настраиваться под требования различных предметных областей. Пока это преобладает в информационно-справочных системах для обучения, где отдельно под каждую дисциплину можно настроить модуль теоретических сведений, модуль тестирования знаний, модуль, автоматизирующий деятельность преподавателя, и др. Как правило, такие системы выполняются в виде web-сайтов с возможностью конфигурирования каждого из разделов и для изучения технических дисциплин, где немаловажным является получение практических навыков работы с объектами исследования, они подходят не очень хорошо. Именно поэтому необходима разработка средств для универсальной лаборатории с возможностью переконфигурирования, способной устранить выявленные недостатки существующих лабораторий коллективного пользования [3, 6]. Основная идея такой лаборатории заключается в том, что один объект с комплектом оборудования находится в распоряжении всех рабочих мест. Сервер измеряет и контролирует реакции объекта, принимает и обслуживает задания от клиентов - рабочих мест лаборатории. На каждом рабочем месте устанавливается только компьютер с программным обеспечением для управления объектом и лабораторным оборудованием сервера, а также обработки, визуализации и регистрации экспериментальных данных. Один из модулей подобной лаборатории обеспечивает обмен информацией между оборудованием, подключенным к серверной части, и удаленным рабочим местом через сеть Internet. При этом от клиентской части требуется лишь наличие программы-браузера и ряда заранее установленных специализированных библиотек.
1. КЛАССИФИКАЦИЯ ОБУЧАЮЩИХ СИСТЕМ ПО ИНФОРМАЦИОННОМУ НАПОЛНЕНИЮ
Если рассматривать систему обучения как виртуальный практикум, позволяющий на базе персонального компьютера получать сведения и навыки в рамках определенной дисциплины, то представленные в этом направлении разработки можно классифицировать по информационному наполнению и содержанию. Ориентируясь на схему, представленную на рис. 1, в первом приближении можно выделить теоретическую и практическую составляющие системы обучения. Основой теоретической составляющей в данном случае является «электронный учебник», который включает в себя информационные сведения по дисциплине. В ряде предлагаемых к использованию разработок создание обучающего комплекса сводится лишь к формированию электронного учебника.
Безусловно, хорошо выполненная, содержательно наполненная теоретическая информация в виде форматированных и структурированных для легкого чтения текстов, мультимедиа материалов с видео, звуковыми и графическими вставками - залог успешного усвоения материала. Продуманная навигация (на данной схеме это можно отнести к данным в формате html), цветовая палитра, быстрая загрузка и организованный поиск наиболее важного содержимого играют далеко не последнюю роль [4]. Однако все это лишь вспомогательные элементы получения знаний. Даже очень хорошая анимация и структуризация данных никогда не смогут объяснить поведение изучаемого объекта в разных условиях. Поэтому практическая составляющая системы обучения, позволяющая проводить «электронные эксперименты», несет смысловую нагрузку не меньшую, чем теоретическая часть, а подчас и более важную (особенно в процессе инженерной подготовки). Поэтому при разработке виртуальных лабораторий, само названии которых подразумевает наличие эксперимента, процесс создания не должен ограни-
чиваться электронным учебником, пусть и подготовленным по современным правилам оформления.
^--' __^
Практическая составляющая Рис. 1. Схема информационного наполнения виртуальных практикумов
В свою очередь, «электронный эксперимент» условно можно разделить на две содержательные подкатегории: моделирование и проведение реального эксперимента. В первом случае осуществляется имитация работы лабораторного оборудования, либо поведения исследуемого объекта с применением математических, физических и других моделей. В качестве инструмента для практической работы может выступать готовая среда моделирования, либо собственноручно созданное приложение с заранее заданным для изменений набором параметров и алгоритмом проведения экспериментов. Ограничения моделей вынуждают разработчиков обучающих систем прикладывать все больше усилий для реализации реальных экспериментов на базе реального лабораторного или промышленного оборудования с возможностью удаленного доступа (например, по каналам сети Интернет) к исследуемому объекту. В данном случае эксперимент проводится в реальном режиме времени на лабораторной установке. Обучающийся получает возможность устанавливать режимные характеристики, включать/отключать соответствующие механизмы, снимать данные с контролируемых приборов и сохранять их на компьютере для последующей обработки [4]. Независимо от того, организована виртуальная лаборатория для локального использования, либо представляет собой сетевой вариант, в ее структуре можно четко выделить две главные составляющие: измерительное управляющее оборудование для взаимодействия с объектом исследования и написанное для работы с ним программное обеспечение с комплектом драйверов.
Несомненно, создание только теоретической, либо только практической системы обучения приводит к неполноценности разработки. Ввиду этого некоторую часть готовых систем можно причислить к так называемым гибридным решениям, находящимся на стыке категорий (на схеме это отмечено пунктирными линиями) и сочетающим в себе эксперимент и теоретическую составляющую. Такие системы приемлемы, поскольку закрепление полученной информации навыками практической работы давно применяются в рамках традиционного обучения [5]. Однако на этапе даже такой простейшей классификации для уже созданных и внедряемых «гибридных решений» можно выделить один существенный недостаток - отсутствие универсальности, что влияет на жизнеспособность подобных систем обучения. И в модели, и в реальном эксперименте важна универсальность, возможность применения для разных предметных областей. При формировании теоретической составляющей важно сохранить методы удобной навигации, структуризации и содержательности материалов и для других дисциплин. Поэтому и инструмент создания обучающей системы должен быть универсаль-
ным, так как при проектировании нового виртуального практикума, в первую очередь, стоит задуматься о его способности к перепрофилированию, чтобы не тратить время и ресурсы на создание аналогичной по структуре обучающей системы, только с разным информационным содержанием.
2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЛАБОРАТОРИЙ КОЛЛЕКТИВНОГО ПОЛЬЗОВАНИЯ ПО СПОСОБАМ ПОСТРОЕНИЯ
При работе с системой обучения, предоставляющей развитую практическую составляющую (к примеру, продуманный реальный эксперимент) с активным применением персонального компьютера, стоит использовать понятие виртуальной лаборатории, либо лаборатории коллективного пользования, если подразумевается одновременное ее использование несколькими обучающимися.
Любой лабораторный стенд состоит из двух основных компонентов - объекта изучения или проектирования и комплекта измерительных и управляющих устройств. Современный лабораторный стенд должен содержать компьютер с соответствующим программным обеспечением для обработки получаемых данных и автоматизации процесса исследований, а также некоторое вспомогательное оборудование и доступные учебно-методические материалы (рис. 2). В зависимости от изучаемой дисциплины может изменяться объект исследования или приборное обеспечение стенда. При этом в общей стоимости технических средств лабораторного стенда стоимость измерительного оборудования обычно является определяющей, а обслуживание парка измерительных приборов и изучаемых объектов весьма трудоемко. Для эффективного решения подобных проблем реализуют различные способы построения лабораторий коллективного пользования. Стенды в таких лабораториях могут быть автономными, либо построенными на базе структуры «клиент-сервер», либо представлять собой web-лабораторию с удаленным доступом [1]. Все способы направлены, в первую очередь, на снижение затрат и более рациональное использование имеющихся объектов обучения.
Учебно-методические материалы
Объект ►+++++++++
Вспомогательное оборудование
А
Персональный компьютер
Контрольно-измерительные приборы
Рис. 2. Структурная схема лабораторного стенда
Автономные лабораторные стенды. Первый вариант построения лабораторий организуется на основе однотипных рабочих мест, объединяющих объект исследований и компьютер со встроенным многофункциональным модулем ввода-вывода, на основе которого создаются разнообразные измерительные и управляющие устройства, моделируются различные объекты и процессы. Подобные автономные рабочие места могут быть реализованы, например, на основе лабораторной станции ELVIS компании National Instruments или комплекта измерительных приборов. Такое исполнение целесообразно, если эксперименты с объектом требуют длительных и непрерывных наблюдений. Структура автономной лаборатории представлена на рис. 3.
Рис. 3. Структура автономной лаборатории
Лабораторный сервер с компьютерами-клиентами. Нередко предметом изучения или исследований становится уникальный физический, механический или иной объект, оснащение которым каждого рабочего места невозможно в принципе или неприемлемо по экономическим причинам. В подобных случаях в лаборатории используется один экземпляр объекта и сервер с модулем ввода-вывода. Программное обеспечение сервера организует формирование необходимых воздействий на объект, измеряет и контролирует его реакции, принимает и обслуживает задания от клиентов - рабочих мест лаборатории. На каждом рабочем месте устанавливается только компьютер с программным обеспечением для управления объектом и лабораторным оборудованием сервера, а также получения соответствующих экспериментальных данных, их обработки, визуализации и регистрации. Такой подход к созданию лабораторий эффективен и при работе со сравнительно простыми объектами, поскольку при этом:
- значительно уменьшаются затраты на создание лабораторной базы - одного объекта, одного сервера с одним комплектом технических средств достаточно для функционирования лаборатории, состоящей из десятка рабочих мест;
- дополнительно снижаются затраты на обслуживание;
- появляется возможность создания лабораторных практикумов с уникальным по техническим характеристикам оборудованием, предназначенным для проведения экспериментов со сложными, практически нереальными для тиражирования объектами.
Структура лаборатории с сервером и компьютерами-клиентами представлена на рис. 4.
Web-лаборатория с удаленным доступом. Интерес представляет также третий вариант - web-лаборатории с удаленным доступом. Они реализуются путем доработки программного обеспечения лаборатории с одним лабораторным сервером. В этом случае студенты получают доступ к оборудованию с помощью любого персонального компьютера, имеющего выход в Internet. Для начала выполнения работы обычно необходимо: зарегистрироваться на сайте лаборатории; скачать методическое обеспечение; скачать клиентское приложение.
При таком подходе возможно получение принципиально новых преимуществ:
- один сервер круглосуточно работающей виртуальной лаборатории обслуживает большое число учебных групп факультета вуза и даже нескольких вузов, в том числе находящихся в разных городах;
- появляется возможность исключить дублирование в разработке учебно-методических материалов на разных кафедрах, факультетах и в университетах;
Рис. 4. Структура лаборатории с сервером и компьютерами-клиентами
- создаются уникальные условия для активизации самостоятельной работы студентов с дорогостоящим оборудованием, поскольку выполнять задания можно в любое удобное время и в любом месте;
- может быть изменена форма проведения лабораторных занятий - студенты тратят на выполнение заданий столько времени, сколько каждому необходимо в зависимости от уровня знаний и навыков;
- преподаватели освобождаются от рутинной работы, могут сосредоточиться на творческой интерпретации методик, индивидуализации заданий с учетом способностей и навыков студентов.
Структура web-лаборатории с удаленным доступом представлена на рис. 5.
+++++++
Объект
f
Персональный компьютер 1
Контрольно-измерительные приборы
Учебно-методические материалы
ф_ф
Сервер
Ф
Интернет
£
Персональный компьютер 2
Персональный компьютер N
Рис. 5. Структура web-лаборатории с удаленным доступом
3. КРАТКИЙ ОБЗОР ИНСТРУМЕНТОВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ВИРТУАЛЬНЫХ ПРАКТИКУМОВ
Как и любой другой программный продукт, система обучения в виде виртуального практикума представляет собой набор различных модулей, реализуемых с помощью соответствующих сред программирования, редакторов и множества вспомогательных инструментов и утилит. Ранее было отмечено, что при создании обучающей системы желательно использовать универсальные инструменты проектирования. Описывать все многообразие потенциально полезных средств не представляется возможным, поскольку любая программа, так или иначе, будет полезна при создании виртуального практикума. Например, из множества предлагаемых сред программирования разработчик может использовать продукцию компании Microsoft. Это набор Visual Studio, содержащий несколько сред разработки приложений, к примеру Microsoft Visual Basic или Microsoft Visual C++, а также различное ПО для отладки созданных программ. Предлагаемые средства подойдут для создания ядра системы, модулей, взаимодействующих с аппаратным обеспечением. Для формирования информационно-справочной составляющей лаборатории разработчик может применить различные редакторы текстов и таблиц (Star Office, Microsoft Office); редакторы графики (Adobe Photoshop, Corel Draw, 3d studio MAX); для хранения материалов - различные СУБД (Microsoft Access, MySQL, Microsoft SQL Server); для реализации интерфейса в глобальной сети Internet, независимого от программной платформы конечного пользователя - средства для создания сайтов (Microsoft FrontPage и другие html-редакторы, Microsoft Dreamviewer и другие flash-редакторы, скриптовые средства JavaScript, PHP, готовые CMS); для обеспечения работы web-ресурса - различные web-серверы (Microsoft IIS, Apache).
Все названные в примере программные пакеты широко распространены, и квалифицированный специалист всегда найдет им правильное применение, в том числе и для проектирования обучающей системы. Такие инструменты универсальны, поскольку позволяют создавать те или иные составляющие лабораторных комплексов с нуля. Вместе с тем время на реализацию проекта существенно возрастает. Поэтому для ускорения процесса разработки используются специализированные средства, например готовые инструменты для тестирования знаний или программы, заявленные разработчиками как среды, специально направленные на создание лабораторий коллективного пользования. Ряд разработок (в том числе и российских) отличается удобством, простой в работе. Множество полезных функций позволяет сэкономить время при создании соответствующего раздела лабораторий коллективного пользования. С помощью набора предоставляемых в этих программах инструментов можно проектировать практикумы на основе моделей объектов для организации процесса изучения различных дисциплин.
Однако для проектирования комплексов, использующих определенное оборудование, такие решения встречают ограничения. Поэтому отдельно в категории инструментов для разработки стоит технология виртуальных приборов компании National Instruments. Мощная среда графического программирования этой технологии позволяет реализовать требуемые модели объектов исследования, а также использовать широчайший ряд аппаратного обеспечения (причем различных производителей) и набор средств, идеально подходящий для создания серьезных лабораторных комплексов при изучения различных дисциплин. При использовании среды программирования NI LabVIEW разработчик получает следующие преимущества:
1) гибкость создаваемых приложений при построении измерительных систем, которая достигается в зависимости от требований решаемой задачи, используемой компьютерной платформы, необходимости насыщения системы дополнительными средствами анализа и отображения данных.
2) высокие эргономические показатели создаваемых виртуальных приборов с точки зрения разрабатываемого человеко-машинного интерфейса измерительных систем.
3) широкий набор инструментов, предусматривающий:
- разработку интерфейса пользователя, работающего с измерительным и управляющим оборудованием;
- обработку результатов эксперимента;
- разработку сетевых приложений;
- обработку SQL-запросов и поддержки удаленных баз данных;
- создание Common Gateway Interface (CGI) и использование web-сервера и многое другое;
4) возможность включения разрабатываемых приложений в программные модули, написанные на других языках (Pascal, C, C++).
Согласно ОСТ 9.2-98 программная продукция компании National Instruments (LabVIEW, LabWindows, LabWindows/CVI и др.) - это сертифицированное инструментальное средство разработки программного обеспечения для универсальных систем общего назначения. Аппаратура компании полностью соответствует международным стандартам измерительных управляющих устройств и систем [5].
Применение технологии виртуальных инструментов позволяет создать для лабораторий коллективного пользования единый набор программных модулей, открывающий возможность гибкой настройки на каждом рабочем месте. Аппаратное обеспечение и программное ядро от National Instruments, закладываемые в основу измерительного компонента лаборатории, делают его универсальным в отношении физического подключения объектов исследования из различных предметных областей.
4. ОПИСАНИЕ УНИФИЦИРОВАННЫХ ПРОГРАММНЫХ МОДУЛЕЙ ДЛЯ ЛАБОРАТОРИИ КОЛЛЕКТИВНОГО ПОЛЬЗОВАНИЯ
В ходе анализа ряда обучающих систем и виртуальных практикумов, а также инструментов для их создания авторами данной статьи было решено спроектировать такое программное обеспечение, которое позволило бы из готовых модулей формировать лаборатории коллективного пользования для изучения различных дисциплин. В состав таких модулей должен входить универсальный измерительный блок. С подключенными к блоку объектами можно работать через информационную сеть. Разрабатываемое программное обеспечение должно быть достаточно гибким и поддаваться реконфигурированию, модернизации и перепрофилированию в соответствии с изучаемой предметной областью.
В основу структуры создаваемого программного обеспечения авторами заложен принцип модульности, позволяющий применять один и тот же блок для нескольких различных дисциплин. Предполагается, что изначально предоставляемый комплект программ будет одинаково устанавливаться на все рабочие места лаборатории и уже в зависимости от типа рабочего места (например, «рабочее место студента», «рабочее место преподавателя») и изучаемой дисциплины будет производиться настройка. Исключение составляет программное обеспечение для сервера сбора данных, поскольку к данному компьютеру подключается комплект объектов исследования и доступ к его настройкам разрешен только специалистам.
Пример структуры для создаваемых программных модулей лаборатории приведен на рис. 6.
В первом приближении из структуры можно выделить два крупных программных блока. Первый блок - сервер сбора данных. Этот отдельный большой модуль включает в себе основной механизм выполнения операций измерения физических величин на заданном объекте исследования и операций, связанных с оказанием определенных воздействий на данный объект. В нем используется функционал драйверов NI-DAQ, который позволяет организовать измерения напряжения, деформации, тока, длительности импульсов и цифровых сигналов по настраиваемым виртуальным каналам. Результаты измерений легко передать для последующей обработки. К преимуществам драйверов NI-DAQ можно отнести:
- оптимизацию низкоуровневого управления приборами и операционными системами.
- упрощение процесса синхронизации нескольких измерительных приборов.
- максимальную пропускную способность каналов ввода/вывода для параллельных и многопотоковых задач.
- высокоскоростной программно тактируемый поточечный ввод/вывод при выполнении параллельных задач [7].
Рис. 6. Общая структурная схема предлагаемой организации программного обеспечения лаборатории коллективного пользования
Внутри модуля сбора данных реализуются подмодули, отвечающие за тип ввода/вывода (аналоговый и цифровой). Это сделано с учетом того, что для разных типов операций ввода/вывода принципы работы с устройством сбора данных несколько отличаются. При создании и отладке описываемого модуля это позволяет сосредоточиться на реализации операций конкретного типа ввода/вывода, не отвлекаясь на другие этапы разработки. Такое разделение предполагает использование программы с различными моделями устройств. Например, в качестве объекта исследования используется цифровая микросхема, а аппаратное обеспечение может и не включать плату ввода/вывода с аналоговыми каналами. Достаточно приобрести недорогой цифровой модуль. Для разработчика программного обеспечения это упрощает формирование комплекта комплекса и создает предпосылки для более тонкой настройки под конкретное устройство. Все это позволяет создать такое приложение для сервера сбора данных, которое способно работать на базе различных моделей модулей ввода/вывода и параллельно выполнять измерения с нескольких объектов исследования.
Второй большой блок сосредоточивает в себе все подмодули, отвечающие за выполнение лабораторных работ и формирование практических навыков по определенным дисциплинам, автоматизацию функций контроля, получение справочно-информационных сведений. Для каждой дисциплины предполагается универсальный комплект программных модулей, состав которого может меняться в связи с особенностями изучаемой предметной области. В структуре, изображенной на рис. 6, можно выделить следующий общий состав программ.
1. «Модуль регистрации» позволяет подгруппе обучающихся зарегистрироваться для выполнения выбранной лабораторной работы, получить от преподавателя допуск и текст с вариантом задания.
2. «Модули проведения экспериментов» (Ы зависит от количества дисциплины). В подобных блоках сосредоточена рабочая область с графическим изображением объекта исследования, элементами для управления объектом и индикации его состояний. Также реализуется
система последовательного представления методических указаний в соответствии с заданным вариантом лабораторной работы.
3. «Комплект приборов» связан с блоками проведения экспериментов и подразумевает набор подмодулей, реализующих функции реальных устройств, которые используют в практике данной предметной области (например, измерительные приборы и генераторы сигналов для технических дисциплин).
4. «Модуль отчетов» тоже тесно связан с блоками проведения экспериментов. Он предоставляет обучающимся средства для вставки и редактирования в электронном отчете информации, полученной в ходе экспериментов. Предполагается, что электронный отчет можно отправлять преподавателю для проверки и последующей процедуры защиты по выполняемой лабораторной работе. Использование готовых форм и автоматизация их заполнения позволяют освободить студентов от рутинных и архаичных способов подготовки отчетов по результатам экспериментальных исследований, а преподавателя от таких же способов фиксации результатов обучения.
5. «Модуль справочных данных» позволяет получать справочные данные и теоретические сведения по курсу изучаемой дисциплины из соответствующего раздела базы данных «Справочные материалы». Это может быть полезно для улучшения понимания смысла выполняемой работы и для подготовки к защите.
В состав автоматизированного рабочего места преподавателя тоже входит несколько программ. Среди них основной модуль преподавателя, реализующий функции регистрации студентов, предоставления допуска к выполнению работы, контроля над ходом выполнения заданий на всех рабочих местах студентов (например, учет времени, затрачиваемого на выполнение каждого пункта задания). Предполагается, что информация войдет в базу данных «Журнал» и по окончании занятия автоматически будет создан отчет, объединяющий сведения, обычные для журналов учебных лабораторий - наименование дисциплины, лабораторной работы, список студентов, выполнявших работу, их оценки. По окончании курса возможна организация обработки собранной информации - формирование сводной ведомости, в которую предполагается включить и статистические данные по каждой лабораторной работе и/или о каждом студенте - прежде всего, затраты времени для выполнения определенной лабораторной работы или задания. Такие сведения полезны при совершенствовании практикума. Таким образом, практически полностью исключается необходимость в использовании бумажных носителей информации - все учебно-методические материалы, включая указания к выполнению заданий, отчетные данные, составляемые студентами, журналы и ведомости, которые должен вести преподаватель, становятся электронными документами. Более того, использование баз данных и соответствующих запросов позволяет организовать статистическую обработку ранее не учитываемой информации, которая полезна не только преподавателю, но и различным централизованным службам мониторинга качества учебного процесса. Для преподавателя кроме основного модуля предусмотрен модуль формирования заданий, позволяющий создавать и редактировать варианты для различных курсов и дисциплин. Модуль связан с базой данных, в которой хранятся сведения об изучаемых объектах исследования. Преподавателю предоставляется возможность выбирать требуемый объект, описывать последовательность действий над ним и, тем самым, формировать вариант, по которому обучающиеся будут выполнять лабораторную работу. Базы данных, приведенные в структурной схеме, могут составить единую базу данных лабораторного комплекса. Такое решение удобно с точки зрения поддержки проекта со стороны разработчика, когда информационные обновления поступают к потенциальному заказчику в виде исполняемого модуля, обновляющего единую базу данных с учетом всех ее разделов.
Комплект программ одинаково устанавливается на все рабочие места лаборатории. Все описанные модули могут быть вызваны из главного загрузочного модуля, содержащего процедуры запуска оболочек для заданных дисциплин, в рамках которых ведется обучение. Предусмотрена возможность перенастройки параметров главного загрузочного модуля и запускаемых оболочек, осуществляемой с помощью подмодуля «Конфигуратор комплекса». В конфигураторе можно выделить такие настройки, как список доступных дисциплин, парамет-
ры запуска и отображения главного загрузочного модуля, баз данных настройки сетевой идентификации и взаимодействия с оценочными модулями и др.
Весь информационный обмен по сети в предлагаемом решении строится на базе технологии переменных общего доступа. Shared Variables позволяет передавать данные между виртуальными приборами, компьютерами, соединенными в сеть, и различным оборудованием при помощи механизма Shared Variable Engine. Данный механизм использует транспортный протокол NI Publish-Subscribe. Особенностью этой технологии является то что, редактировать свойства переменной общего доступа можно, не внося изменения в код виртуального прибора [8].
5. ПРИМЕР РАЗРАБОТКИ ЛАБОРАТОРНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ РЯДА ТЕХНИЧЕСКИХ ДИСЦИПЛИН
Пример организации программного обеспечения лаборатории коллективного пользования по рассмотреной схеме приведен на рис. 7. Описанный практикум позволяет проводить занятия по таким техническим дисциплинам, как «Электроника», «Аналоговая схемотехника», «Цифровая схемотехника». Все дисциплины комплектуются стандартным набором программного обеспечения (модуль регистрации, комплект приборов, модуль проведения экспериментов, модуль отчетов). Некоторые разделы содержат специализированные модули справочных данных (например, экспертная система «Поиск микроконтроллеров») [8].
Рис. 7. Общая структурная схема организации программного обеспечения лаборатории по изучению
ряда технических дисциплин
Аппаратная часть лаборатории включает в себя реальные объекты исследования в виде оценочных модулей с программируемыми аналоговыми интегральными схемами (ПАИС) и программируемыми логическими интегральными схемами (ПЛИС). Часть объектов подключается к макетной плате NT-ES1. Измерительным управляющим ядром комплекса является многофункциональный модуль ввода/вывода № PCI-6259M, встраиваемый в сервер сбора данных. Программный модуль сервера сбора данных (рис. 8) выполняет следующие функции:
- прием информации от клиентских рабочих мест, включающей в себя данные о входных воздействиях на объект по аналоговым и цифровым каналам и номера этих каналов;
- непосредственное управление каналами ввода/вывода модуля N1РС1-6259;
- обмен данными между всеми узлами сети;
- возвращение информации о состоянии объекта исследования клиентам.
Рис. 8. Передняя панель программного модуля «Сервер сбора данных»
Построенный при помощи механизма Shared Variable Engine информационный обмен по сети в предлагаемом лабораторном комплексе обеспечивает устойчивое сетевое подключение до восьми клиентских рабочих мест, которые в активном режиме управляют серверным оборудованием и воздействуют на объект исследования. Все это в совокупности с современными аппаратными характеристиками модуля ввода/вывода и его показателями точности делает измерительный блок лаборатории достаточно универсальным.
В начале занятий каждый студент должен зарегистрироваться, получить от преподавателя разрешение на выполнение работы и вариант задания. Для этого предназначен модуль «Регистрация» (рис. 9). В нем предусматриваются следующие функции:
- отправка заполненных персональных данных о подгруппе студентов преподавателю;
- выбор требуемого практикума и лабораторной работы;
- ограничение допуска при отсутствии разрешения на выполнение работы;
- запуск соответствующего блока проведения экспериментов в случае успешного прохождения регистрации.
Рис. 9. Передняя панель программного модуля «Регистрация»
После прохождения процедуры регистрации и получения подгруппой студентов допуска управление вновь передается заданному блоку проведения экспериментов (рис.10). В функции каждого такого блока входит:
- чтение варианта лабораторной работы и методических указаний к ее выполнению;
- предоставление возможности работы с заданным объектом исследования, включая вывод его схематического изображения и обеспечение вызова всех необходимых управляющих и измерительных устройств;
предоставление форм для регистрации результатов экспериментов, а также служебных органов управления и индикации, включая механизм пошаговой загрузки описания заданий.
Рис. 10. Передние панели блоков проведения экспериментов
Блоки проведения экспериментов тесно взаимодействуют с комплектом измерительных и управляющих приборов В данном лабораторном комплексе этот комплект представлен логическим анализатором, генератором аналоговых сигналов, осциллографом и мультиметром (рис. 11).
Рис. 11. Передние панели измерительных и управляющих приборов
Комплект измерительных виртуальных приборов достаточно универсален и может использоваться для проведения экспериментов с объектами исследования из различных технических дисциплин. Ведется работа по расширению состава.
Для рабочего места преподавателя (рис. 12) с помощью созданного программного обеспечения реализованы функции, позволяющие проводить регистрацию студентов, предоставлять допуски, выдавать варианты заданий и контролировать ход выполнения работы.
Программно-аппаратный комплекс проходит доработку и впоследствии будет использоваться для обучения студентов технических специальностей.
Рис. 12. Передняя панель программного модуля «Рабочее место преподавателя»
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенной работы:
- рассмотрены существующие решения в области виртуальных обучающих систем и проведена классификация по их информационному наполнению и способам построения;
- сделан краткий анализ возможных инструментов для проектирования обучающих комплексов;
- предложена структура унифицированных программных модулей для сетевой лаборатории коллективного пользования, позволяющей проводить обучение на реальных экспериментах с применением универсального измерительного блока;
- разработан лабораторный комплекс для изучения ряда технических дисциплин, отражающий универсальность предложенной структуры для обучающих систем.
Предложенный способ построения аппаратного и программного обеспечения в обучающих системах с применением технологии виртуальных приборов должен составить конкуренцию продуктам, предоставляющих возможности лишь одного моделирования. Моделирование не дает полного представления об изучаемом объекте или явлении, которое можно получить, работая с реальным оборудованием. Созданные модули в комплексе обладают большей функциональностью, чем предлагаемые разработки лабораторий, в которых зачастую не хватает отдельных, но очень важных элементов, например, учета посещаемости или контроля со стороны преподавателя. Ситуацию на рынке программного обеспечения, направленного на изучение различных дисциплин, можно исправить, вводя понятие универсальных программных комплексов, функциональность которых определяется конечным пользователем.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1] Черкашин С.В., Любенко А.Ю., Баран Е.Д. и др. Автоматизированные учебные практикумы и лаборатории // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments: сб. тр. конф. - М.: Издательство РУДН, 2006.
[2] Кревский И.Г. Виртуальные практикумы для открытого образования / Телематика'2002: Тр. Всерос. науч.-метод. конф. - СПб.: СПбГИТМО, Москва: ГосНИИ ИТТ «Информика», 2002. - С. 299-300.
[3] Батоврин В.К., Бессонов А.С., Мошкин В.В. и др. Виртуальная измерительная лаборатория как составной элемент системы открытого образования // www.opensys.mirea.ru
[4] Жарков Ф.П., Каратаев В.В., Никифоров В.Ф. Использование виртуальных инструментов LabVIEW. -М.: Солон-Р, Радио и связь, Горячая линия-Телеком, 1999.
[5] Соловов А.В. Виртуальные учебные лаборатории в инженерном образовании // Индустрия образования: сб. ст. - М.: МГИУ, 2002. - Вып. 2. - С. 386-392.
[6] Малыгин Е.Н., Краснянский М.Н., Карпушкин С.В. Новые информационные технологии в открытом инженерном образовании: учеб. пособие. - М.: Машиностроение-1, 2003.
[7] DAQ M Series. M Series User Manual. NI 622x, NI 625x, and NI 628x Devices. - National Instruments Corporation, 2006.
[8] Черкашин С.В., Марченко И.О., Кухто А.В. и др. Автоматизированная учебная лаборатория «Электроника и схемотехника» Виртуальные и интеллектуальные системы - 2007 // Ползуновский альманах. - Барнаул: Изд-во АлГТУ, 2007. - № 3.
Баран Ефим Давидович, преподаватель кафедры систем сбора и обработки данных. Руководитель учебного центра «Центр технологий National Instruments» Новосибирского государственного технического университета. Основные направления научных исследований - измерительная техника, микроконтроллеры и сигнальные процессоры, виртуальные учебные лаборатории. Имеет более 50 публикаций.
E-mail: avtf@cs.nstu.ru Тел. 8(383) 346-08-46
Полубинский Владимир Львович, кандидат технических наук, заместитель заведующего кафедрой систем сбора и обработки данных Новосибирского государственного технического университета. Основные направления научных исследований - биомедицинская инженерия, измерительная техника. Имеет более 50 публикаций.
Черкашин Сергей Владимирович, аспирант кафедры систем сбора и обработки данных Новосибирского государственного технического университета. Основное направление научных исследований - виртуальные лабораторные комплексы на основе сетевых информационно-измерительных и управляющих компонент. Имеет 11 публикаций.
E.D. Baran, V.L. Polubinsky, S.V. Cherkashin
Network distributed information and measurement components for educational systems.
This article describes the problem of radical upgrade for laboratory bases at different educational centers and institutions. A new method of creating laboratories based on the virtual instrumentation techniques and computer hardware application is suggested. It founded on the architecture of educational laboratory built on the network with multiple workspaces, input/output server; one set of the test subject for all workspaces connected to this server. The method like this is more efficient; flexible, unified, simplest and attractive. At the same time the ability of full-value experiments on each workspace appeared. All these advantages are possible with National Instruments technologies of virtual instrumentation to develop this type of laboratories and to replace stand-alone measurement instrumentation with rigid functionality by reconfigurable virtual instruments easily combined into networks. The example cited in the article fully reveals the targeted architecture of modern educational laboratories. Realized structure of software and interaction principles between software modules allow to append new or change available techniques in laboratory practical work without program correction.
Key words: virtual instrument, virtual laboratory, educational systems, measurement system, input/output device, NI LabVIEW, information networks
