CC BY
69
ТЕХНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАЗРАБОТКИ ВИРТУАЛЬНЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ТЕХНИЧЕСКИМ ДИСЦИПЛИНАМ
О.Г. Аврунин, к.т.н., доц. каф. Биомедицинских электронных устройств и систем Тел.: (057) 702-13-64; E-mail: [email protected] О.Я. Крук, н.с. каф. Биомедицинских электронных устройств и систем Тел.: (057) 702-13-64; E-mail: [email protected] Т. В. Носова, к.т.н., н.с. каф. Биомедицинских электронных устройств и систем Тел.: (057) 702-13-64; E-mail: [email protected] В.В. Семенец, д.т.н., проф., первый проектор Тел.: (057) 702-18-07; E-mail: [email protected] Харьковский национальный университет радиоэлектроники http://www.kture.kharkov.ua
Principles for design of virtual laboratory works for technical disciplines are described. Technical aspects of development virtual laboratory works for technical disciplines are proposed.
Проблема дистанционного обучения в последнее время привлекает к себе все большее внимание [1, 2]. При этом одними
из важных направлений являются постановка и организация проведения дистанционных лабораторных практикумов по техническим дисциплинам. Лабораторный практикум является важнейшим базовым компонентом процесса обучения при подготовке инженерных кадров. Цели практикума во всех случаях примерно одинаковы - это помощь в усвоении теоретического материала, изучение экспериментальных методик и методов обработки измерений, знакомство с конкретными приборами, установками, электрическими схемами. При этом лабораторная работа - это не просто разглядывание установки и работы приборов, а активно выполняемая работа.
На сегодняшний день в учебном процессе применяются различные технологии проведения лабораторных работ. Наиболее распространенными из них являются метод натурного эксперимента и виртуальный лабораторный практикум.
При традиционном методе проведения лабораторных работ - на стандартных лабораторных стендах - студент проводит эксперимент на реальном оборудовании, имеет
возможность увидеть, «почувствовать» данное оборудование. Получаемые в ходе выполнения данные имеют естественную физическую природу.
Важным является и тот факт, что применение традиционного лабораторного практикума не представляется возможным при дистанционной форме обучения.
Применение виртуального лабораторного практикума открыло дорогу для использования технологий дистанционного обучения при подготовке инженерных кадров, в особенности в условиях заочной формы обучения.
Сегодня применение виртуального лабораторного практикума стало неотъемлемой частью образовательного процесса при подготовке инженерных кадров. Вопросы разработки и применения виртуальных лабораторных работ широко освещены в научных статьях и публикациях [3-7].
Существует несколько подходов к созданию виртуальных лабораторных работ:
1. Виртуальный лабораторный практикум разрабатывается с применением различных языков программирования высокого уровня (Visual C, Visual Basic, Delphi и т.д.). Преимуществом данного подхода является максимальная конкретизация конечного
продукта применительно к изучаемой дисциплине. Отрицательными сторонами являются большая трудоемкость разработки программного продукта и «закрытость» полученного программного продукта.
2. Виртуальный лабораторный практикум разрабатывается с применением современных инструментальных средств (Labview, Demoshield, Stratum и т.д.). Это наиболее эффективный и перспективный подход, позволяющий в сжатые сроки разработать комплекс виртуальных лабораторных работ. Оперативность разработки обусловлена наличием большого количества готовых средств для моделирования, интерфейсного и информационного наполнения.
3. Виртуальный лабораторный практикум разрабатывается с применением моделирующих программ (Electronics Workbench, MatLAB, MicroCAP, Multisim и т.д.). Сложность данного подхода заключается в проблематичности качественного интерфейсного оформления работ и в необходимости владения специализированными языками программирования.
Использование для образовательных целей компьютерных телекоммуникационных технологий вызвало интерес к дистанционной форме обучения, среди достоинств которой можно назвать сочетание эффективности личностно-ориентированной модели обучения с возможностью получения образования независимо от местонахождения обучающегося и без отрыва от его основной профессиональной деятельности.
В настоящее время в мире действуют много образовательных учреждений, использующих дистанционные технологии обучения. Это свидетельствует о быстром росте спроса на образовательные услуги, предоставляемые учреждениями дистанционного обучения. Однако анализ специальностей, которые можно получить в рамках дистанционного обучения, показывает, что это в основном специальности гуманитарного цикла. В преподавании естественнонаучных дисциплин дистанционными методами могут возникнуть (и уже зафиксированы) такие
проблемы, с которыми преподавание гуманитарных дисциплин не сталкивается.
Основная проблема видится в различии способов подачи информации, преобладающих в системе естественнонаучного и гуманитарного образования.
В соответствии с одной из существующих концепций, информация воспринимается человеком, проходя следующие этапы: сенсорно-моторный, символьный, логический и лингвистический. На первом этапе происходит чувственное восприятие информации, на втором - ее преобразование в образы, на третьем - ее осмысление, на четвертом - фиксирование в сознании через «слово-образ».
В преподавании гуманитарных дисциплин, как правило, учебная информация представляется лишь на лексическом уровне (с некоторым обращением к символьному этапу). Проблема дистанционной передачи такой информации не является особенно сложной задачей. В преподавании же естественнонаучных дисциплин всегда присутствовал сенсорно-моторный этап. В этом большую роль играют лабораторные практикумы и учебные эксперименты.
Учебный эксперимент является одним из важнейших методов обучения, источником знаний и средством наглядности одновременно. Он может использоваться в качестве введения к той или иной теме курса (мотивация), как иллюстрация к объяснению нового материала (восприятие и осмысление), как повторение или обобщение пройденного (интериориза-ция) или как контроль приобретенных знаний, умений, навыков, - т.е. на всех этапах процесса обучения.
Методически грамотно организованный эксперимент способствует как формированию практических умений, так и активизации теоретических знаний, полученных ранее. В процесс обучения вовлекаются различные каналы восприятия (слух, зрение, осязание, обоняние и т.д.). Это позволяет организовать полученную информацию как систему ярких образов и заложить ее в долговременную память.
Подготовка и проведение лабораторных работ требуют от преподавателя знания некоторых методических особенностей, в значительной степени зависящих от наличия тех или иных приборов и инструментов.
Таким образом, одной из основных проблем дистанционного преподавания предметов естественнонаучного цикла является отсутствие возможности реальной постановки учебного и лабораторного эксперимента.
В силу вышесказанного проблемы лабораторного практикума на данный момент остаются неразрешенными.
В ХНУРЭ разработана технология дистанционного выполнения лабораторного практикума, использующая натурный эксперимент. Структурная схема системы дистанционного лабораторного практикума приведена на рис. 1. Основой системы является запатентованный способ дистанционного управления измерительными приборами, входящими в состав системы [8]. Вход в систему осуществляется из любой точки, подключенной к сети Интернет. С помощью специально разработанного программного обеспечения осуществляется настройка системы, а также выполняется мониторинг за ходом и результатами выполнения работы.
В основе системы лежит принцип дистанционного программирования микропроцессорных систем управления.
Рис. 1. Структурная схема системы дистанционного лабораторного практикума
За счет наличия цифровой видеокамеры и блока имитации действий пользователя расширяются функциональные и дидактические характеристики существующих систем дистанционного образования и обеспечиваются дистанционное изучение и выполнение практических и лабораторных заданий по удаленному программированию и контролю параметров с помощью разработанного измерительного оборудования.
Для использования системы дистанционного образования разработан лабораторный практикум, состоящий из цикла работ, направленных на изучение и исследование принципов программирования микроконтроллеров, практической реализации взаимодействия с датчиками, организация работы с устройствами ввода/вывода информации и разработки интерфейсных устройств сопряжения. Меняя датчики, которые подсоединяются к лабораторным макетам или реальному оборудованию, и перепрограммируя микроконтроллерную систему, можно выполнять лабораторные работы практически по всем курсам инженерного профиля.
Имея такие технические характеристики, предлагаемые лабораторные макеты серии МЛ [9] могут применяться в различных отраслях жизнедеятельности человека. При наличии внешних датчиков приборы могут использоваться для разработки автоматизированных систем управления, систем контроля параметров и качества на производстве. При наличии специализированных медицинских датчиков макеты могут использоваться для измерения и отображения данных, характеризующих процессы жизнедеятельности человеческого организма.
Аппаратная часть системы дистанционного обучения
В настоящее время электронные технологии прочно вошли в нашу жизнь. Практически не осталось областей, в которых не применялись бы устройства и системы с цифровым микропроцессорным управлением. Это сложнейшие промышленные системы, медицинские устройства и комплексы, широчайший спектр бытовой техники и даже детские игрушки.
Цены на микропроцессорную технику неуклонно падают. Так, еще несколько лет назад микропроцессорные устройства и промышленные платы в зависимости от быстродействия и уровня сложности выполняемых функций стоили от 1000 до 5000 у.е. На сегодняшний день цены на данную про-
дукцию упали практически на порядок, и эта тенденция во всем мире устойчива.
Такая ситуация на рынке Hi-end технологий вызвала волну вопросов, связанных с подготовкой специалистов, в полной мере владеющих современными технологиями, основными методами проектирования, ориентирующихся в современной элементной базе и программном обеспечении, способных проводить разработку аппаратуры с микроконтроллерными системами управления, выполнять цифровую обработку сигналов и проектировать устройства на основе передовых технологий. Для подготовки таких специалистов необходима современная лабораторная база, обладающая широчайшей функциональностью и большими возможностями при модернизации и модификации под конкретную специализацию.
Идя навстречу многочисленным пожеланиям предприятий, заинтересованных в подготовке молодых специалистов, владеющих современными технологиями, в Харьковском национальном университете радиоэлектроники на кафедре Биомедицинских электронных приборов и систем под руководством доктора технических наук проф. В.В. Семенца разработан комплекс лабораторного оборудования, состоящий из четырех лабораторных макетов и измерительного комплекса. Данные приборы могут быть использованы (и уже используются) в качестве лабораторной базы как для базовых дисциплин, связанных с изучением цифровой и микропроцессорной техники, так и в курсах специальных технических дисциплин, направленных на изучение принципов работы и разработку реальных устройств с микропроцессорным управлением. Разрабатываются принципы для реализации проведения дистанционных лабораторных работ.
Основными дисциплинами, в которых уже используется данная лабораторная база, являются: Цифровые устройства и микропроцессоры, Микропроцессорная техника, Схемотехническое проектирование микроэлектронных устройств, Автоматизация проектирования электронных устройств и систем, Проектирование специализированных устройств на микросхемах программируемой логики, Применение микропроцессорных систем в медицинской аппаратуре, Применение микропроцессорных систем в бытовой аппаратуре, Сопряжение микропроцессорных систем с внешними устройствами и т. д.
Кроме того, использование данной ла-
бораторной базы позволяет перевести дипломное проектирование на качественно новый уровень, создавать реальные дипломные проекты, выходом которых является не только пояснительная записка с теоретическим изложением материала, но и действующие устройства и макеты. Так, в 2006/07 учебном году разработаны реальные дипломные проекты, в результате которых создан аппарат для термориноманометрии (измерения параметров температуры, влажности и давления в верхних дыхательных путях) [10], устройство для диагностики желудочно-кишечного тракта по данным элек-трогастрографии [11], микроконтроллерная система для комплексной диагностики опорно-двигательного аппарата, микроконтроллерная система для электрокардиографии высокого разрешения, связанные с необходимостью проектирования медицинских микроконтроллерных устройств.
Проблема внедрения таких лабораторных макетов требует соответствующей подготовки учебно-методических материалов (лекционных курсов, указаний к проведению практических занятий и лабораторных практикумов, а также мультимедийных курсов и электронных учебных пособий для заочного и дистанционного обучения). В связи с этим возникает необходимость в организации подготовки преподавательского состава, курсов переподготовки и повышения квалификации специалистов, работающих в промышленности. Широкая потребность в специалистах данного профиля привела к разработке курсов переподготовки для Центра занятости, пилотный проект которых был реализован в 2005 году.
Разработанное лабораторное оборудование
Лабораторный макет МЛ-1 для изучения микроконтроллерных систем управления позволяет создавать гибкие технические решения при разработке цифровых устройств со встроенными системами управления низкого и среднего уровней сложности и может применяться в широком спектре бытовых и медицинских приборов, охранных системах и т.д. В состав макета входят: наиболее распространенный в Украине широкофункциональный 8-разрядный микроконтроллер фирмы ATMEL АУЯ ATMEGA-128, блок 8-разрядной светодиодной индикации, программируемые пользователем клавиши и матричная клавиатура 4х3, дополнительные модули внешней памяти 32 Mbit Flash-RAM,
DATA RAM 32К, 10-позиционный цифровой индикатор Holtek HT-10, монохромный графический дисплей 240х128 LCD EPSON, последовательный интерфейс RS-232, 12-разрядные модули АЦП и ЦАП, внешний разъем, позволяющий подключать нестандартные устройства, исполнительные механизмы и датчики. Программирование микроконтроллера выполняется через ISP- программатор, JTAGICE интерфейс с отладчиком. Внешний вид лабораторного макета приведен на рис. 2 (см. цв.вставку).
Лабораторный макет МЛ-2 предназначен для изучения принципов разработки цифровых устройств на основе микросхем программируемой логики. Данный макет применяется в дисциплинах, в которых изучается цифровая схемотехника и рассматриваются вопросы, связанные с разработкой законченных полнофункциональных цифровых приборов и систем высокой сложности, таких как аудио/видео процессоры, модули для цифровой обработки сигналов. В состав макета входят: ПЛИС (программируемая логическая интегральная схема) типа FPGA фирмы Altera ACEX EP1K100QC208, работающая на тактовой частоте 50 МГц, вспомогательный микроконтроллер ATMega-128, дополнительный блок памяти размером 32 Mбайта Flash RAM, дисплей LCD EPSON 320х240, видео ЦАП 80 МГц, программируемые пользователем модули светодиодов, внешние выводы и клавиатура; поддерживает интерфейсы USB 2.0, RS-232 и PS/2. Выполняется поддержка нескольких режимов конфигурирования ПЛИС: загрузка при помощи USB интерфейса, загрузка при помощи Byte-Blaster, загрузка при помощи Flash RAM, загрузка при помощи микроконтроллера AVR. Внешний вид печатной платы лабораторного макета МЛ-2 приведен на рис. 3 (см. цв. вставку).
Лабораторный макет МЛ-3 предназначен для изучения архитектур высокопроизводительных ARM микроконтроллеров. В состав МЛ-3 входят: ARM микроконтроллер фирмы PHILIPS LPC-2106, работающий на частоте 50 МГц, LCD дисплей с разрешающей способностью 320х240, программируемые пользователем модули светодиодов, внешние выводы и клавиатура; поддерживает интерфейсы USB 2.0 и RS-232.
Выполняется поддержка нескольких режимов прошивки и отладки ARM микроконтроллера. Внешний вид печатной платы
лабораторного макета МЛ-3 представлен на рис. 4 (см. цв. вставку).
Лабораторный макет МЛ-4 предназначен для изучения принципов обработки сигналов с помощью сигнальных процессоров. Данный макет применяется в дисциплинах, в которых рассматриваются вопросы, связанные с цифровой обработкой сигналов. В состав МЛ-4 входят: сигнальный процессор ADSP-BF532 Blackf^® Processor, блок динамической памяти 32 MБайт (16M x 16-bit) SDRAM, 2 MБайт (512K x 16-bit x 2) FLASH, AD 1836 96 кГц аудио кодек, ADV7183 видео декодер, ADV7171 видео энкодер, ADM3202 для RS-232, USB 2.0, программируемые пользователем светодио-ды и кнопки, программируемые пользователем выводы. Внешний вид печатной платы лабораторного макета МЛ-4 представлен на рис. 5 (см. цв. вставку).
При проведении учебного процесса в системе среднего специального, технического и высшего образования, в научных подразделениях, НИИ актуальным является модернизация лабораторного оборудования и измерительной техники. Существующая устаревшая техника не обеспечивает требования по точности и достоверности измерений, морально и физически устарела, многократно выработав свой ресурс. Зачастую в учебном процессе используются приборы, которые были изготовлены в 50-60-х годах ХХ столетия. Большая часть измерительных приборов не проходит метрологические испытания, и полученные с их помощью измерения содержат большую долю ошибок и погрешностей, соответственно требуют обновления и замены.
Профессиональная измерительная аппаратура, например, выпускаемая под маркой Tectronics и Agilent, очень дорога и не приобретается даже крупными фирмами. В то же время появление новых микроконтроллеров с богатым набором периферии и поддержкой высокоскоростного канала обмена данными с компьютером, не требующих дополнительных источников питания, позволило создать компактное устройство, сочетающее в себе все вышеперечисленные функции, по цене значительно более низкой по отношению к фирменным аналогам. Исходя из вышеперечисленного, был разработан и изготовлен измерительный комплекс, который содержит в одном корпусе 10 измерительных приборов:
- 2-канальный осциллограф, самописец;
- мультиметр, включающий в себя
вольтметр, амперметр, частотометр, фазометр;
- функциональный генератор;
- логический анализатор;
- логический генератор;
- анализатор спектра, -
что позволяет проводить полный цикл работ при наличии на рабочем месте одного такого прибора. Он имеет небольшие габаритные размеры и в несколько раз дешевле соответствующих зарубежных аналогов.
Согласно письму Министерства образования и науки Украины от 25.01.06 №1/9-42 разработанный измерительный комплекс ИК-1 рекомендован для применения в учебном процессе технических вузов. Измерительный комплекс обеспечивает следующие режимы работы:
- 2-канальный осциллограф;
- 2-канальный спектр анализатор;
- 2-канальный самописец;
- логический анализатор;
- мультиметр, включающий в себя вольтметр, амперметр, частотомер, фазометр;
- функциональный генератор.
На сегодняшний день существует два варианта исполнения измерительного комплекса. В первом случае это комплекс, ориентированный на работу с программным обеспечением, которое устанавливается на компьютер, во втором - независимый комплекс со своим ЖКИ дисплеем, полноценно функционирующий без компьютера. Внешний вид конструктивного исполнения показан на рис. 6 (см. цв. вставку).
В нашем университете в учебном процессе используются более 200 таких комплексов для следующих специальностей и направлений подготовки: информационные управляющие системы и технологии; информационные технологии проектирования; компьютерные системы и сети; системное программирование; специализированные компьютерные системы; системы управления; микроэлектроника и полупроводниковые приборы; физическая и биомедицинская электроника; электронные приборы и системы; радиоэлектронные приборы, системы и комплексы; аппаратура радиосвязи и телевиденья; электронная бытовая аппаратура; системы защиты информации; метрология и измерительная техника.
Данная аппаратура внедрена в учебный процесс следующих вузов Украины: Харьковский национальный политехнический университет; Киевский университет экономики и технологии транспорта; Украинская государственная академия железнодорожного транспорта; Черкасский государственный технический университет; Ивано-франковский национальный технический университет.
В завершение можно сделать вывод, что на основе принципа дистанционного программирования микроконтроллеров можно реализовывать курсы дистанционных лабораторных работ по изучению микропроцессорных систем управления различной степени сложности. Перспективами работы является совершенствование программно-аппаратной части для расширения функциональных и учебно-методических возможностей дистанционного лабораторного практикума.
Литература
1. Швец Ю.А. Организация научно-методической работы в вузе с учетом требований дистанционной формы обучения // Сб. научн. тр. 9-й Международной конференции «Образование и виртуальность-2005». - Харьков. - УАДО, ХНУРЕ. -2005. - С. 43-47.
2. Соколовский В.В. Современные средства формализации данных в системах дистанционного образования // Открытое образование. - 2007. - № 5 (64). - С. 33-35.
3. Аврунин О.Г., Аверьянова Л.А., Бых А.И., Головенко В.М., Скляр О.И. Методика создания виртуальных средств имитации работы рентгеновского компьютерного томографа // Техническая электродинамика. - Киев, 2007. - Т. 5. - С.105-110.
4. Avrunin O. , Aver'yanova L., Golovenko V., Sklyar O. E-Learning of Functioning Principles Medical In-trascopy Systems//2-th International Conference "Modern (e-) Learning", July, 2007, Varna,Bulgaria. - ITHEA SOFIA. -P.134 -137.
5. Кудинов Д.Н. Создание виртуального предприятия дл решения учебных задач / Матер. IV Все-росс. конф. «Прогрессивные технологии в обучении и производстве», г. Камышин, 2006. - Волгоград, 2006. - Т.2. - С. 133-134.
6. Курганская Г.С., Пескова Л.А. Новые возможности Интернет-обучения. Методы и средства интерактивного взаимодействия // Байкальский психологический и педагогический журнал. - 2004. - №1-2. - С. 127-130.
7. Тимофеев А.В. Интеллектуальное и мульти-агентное управление робототехническими системами с использованием моделей виртуальной реальности // Мехатроника. - 2000. - № 3. - С. 26-31.
8. Заявка на патент Украины № 200711992. Лабораторный стенд для дистанционного изучения микропроцессорных систем управления / Аврунин О.Г., Семенец В.В., Байбаков М.Н., Вечур А.В., Крук О.Я., Носова Т.В., Семенец Р.В., Якимович П.В.
9. Патент Украины №79652 МПК 009Б23/18 Лабораторний стенд для изучения микроконтроллерных систем управления / О.Г. Аврунин, О.Я. Крук, В.В. Семене // Пр. Власшсть, 2007. - Бюлл. № 10.
10. Харитонова К.Ю. Разработка системы для риноманометрии // Сб. матер. 11-го Междунар. молодежи. форума «Радиоэлектроника и молодежь в ХХ1 веке». - Харьков: ХНУРЕ, 2007. - Ч.1. - С.318.
11. Биотехническая микроконтроллерная система для гастроэнтерологических исследований // Прикладная радиоэлектроника. - 2007. - Т. 6. - № 1. - С. 72-77.
ЭФФЕКТИВНАЯ ПРОЦЕДУРА ОБУЧЕНИЯ МОДЕЛИ ПРЕДПОЧТЕНИЯМ ЛПР
В.Я. Вилисов, к.т.н., доц., директор департамента разработок Тел.: (495) 519-35-17; E-mail: [email protected] ООО «Энергия ИТ»
Propose the procedure of quick data receive about decision maker's preference for the industrial control system by present him choice situation as active or halfactive experiment. This model is the tool for accumulate expert's knowledge about choice situation.
Введение
Экспертные системы (ЭС) являются одной из бурно развивающихся отраслей науки и практики в последние десятилетия. Это развитие не только обусловлено заинтересованностью прикладных отраслей экономики, но и вызвано достижениями компьютерных технологий последнего времени. Возможности современных компьютеров становятся настолько значительными, что теоретические разработки в области искусственного интеллекта и гибридных систем все чаще отстают от них [1]. Тем не менее, это направление востребовано практикой, и его развитие находит отражение в исследованиях и разработках.
Важной группой задач, решаемых в рамках данного направления, является работа со знаниями. С практической точки зрения важными представляются вопросы:
• извлечения знаний из субъектов, обладающих этими знаниями;
• хранение знаний в виде, удобном для их использования по назначению.
В традиционных экспертных системах, построенных на правилах продукции или нейлоровского типа [2], знания обычно «за-
качиваются» в систему при ее создании, а затем лишь используются для генерации решений. Подобные системы не нашли сколько-нибудь широкого применения в практике автоматизированного управления организационно-экономическими объектами.
Для преодоления недостатков традиционных ЭС с целью привлечения знаний экспертов в практику управления очень динамичными современными экономическими объектами автором разработана методология и ряд технологий [3], позволяющих (в предметной области управления производственными процессами на оперативном горизонте планирования) более гибко извлекать знания из лица, принимающего решения (ЛПР), и компактно хранить их в виде структурных и параметрических элементов экономико-математических моделей. При этом построенные модели оказываются хорошо согласованными с целевыми установками ЛПР, что вызывает доверительное отношение ЛПР (менеджеров, собственников, экспертов и т.п.) к решениям, принимаемым в системе. Предлагаемая методология позволяет подстраивать такие модели в условиях изменчивости среды и/или предпочтений ЛПР.
Построенные таким образом модели представляют собой экспертные знания опытных ЛПР в соответствующей предметной области. Поскольку такие модели работают на некотором поле исходных ситуаций,
