CC BY
4ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
ВЕСТНИК ТОГУ. 2022 № 1 (64)
УДК 004.056:004.3
И.Г. Румановский, К.А. Драчёв
ТЕХНОЛОГИЯ ИНТЕГРАЦИИ ВИРТУАЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРИИ В LMS MOODLE
Румановский И. Г. - к.т.н., доцент, ассистент кафедры «Инженерные системы техно-сферной безопасности», [email protected]; Драчёв К. А. - к.т.н., доцент кафедры «Физика», [email protected] (ТОГУ)
В статье представлено описание технологии интеграции кроссплатформен-ной графической среды разработки приложений LabVIEW в электронную образовательную среду (ЭОС) университета. Выполнен анализ технологий организации сетевого доступа из электронного учебного курса, созданного в среде LMS Moodle к виртуальному лабораторному прибору. Рассмотрена технология создания виртуальной web-лаборатории для дистанционного обучения. Представлены результаты разработки виртуального измерительного прибора для применения в ЭОС университета применительно к задачам электротехники. Предложен механизм для интеграции виртуальной web-лаборатории, разработанной в среде LabVIEW, в электронный учебный курс в LMS Moodle. Применение данной технологии позволит преподавателям создавать виртуальные лабораторные работы, сопряженные с действующим реальным лабораторным оборудованием и использовать их в своих сетевых электронных учебных курсах.
Ключевые слова: электронная образовательная среда; программный интерфейс, сервер, web - лаборатория; LabVIEW, виртуальный прибор, программная среда, блок-диаграмма, измерительная схема, клиент.
Введение
В современном образовательном процессе находят широкое применение системы дистанционного обучения. В нашем университете на протяжении ряда лет применяется в учебном процессе электронная образовательная среда на основе LMS Moodle v3.9. Необходимо отметить, что вопрос организации дистанционного обучения по дисциплинам естественно-научного характера стоит намного острее, чем для дисциплин социально-гуманитарного блока. Несмотря на наличие встроенного конструктора курса с набором эле-
© Румановский И. Г., Драчёв К. А., 2022
ВЕСТНИК ТОГУ. 2022. № 1 (64)
ментов для организации интерактивного образовательного процесса, в том числе с встроенными системами видеоконференцсвязи остаётся открытым вопрос о способе проведения в таких условиях практических и лабораторных занятий по таким дисциплинам, как физика, химия, материаловедение и другим техническим дисциплинам. Этим обусловлена востребованность создания виртуальных лабораторных работ, программных продуктов, способных создавать цифровые модели различных физических явлений.
Тенденция развития виртуальных лабораторных комплексов предполагает применение программных продуктов, которые могли бы настраиваться под требования различных предметных областей [1-4,6,7,8]. Механизм работы такой лаборатории следующий, один объект с комплектом оборудования находится в сетевом доступе, сервер измеряет и контролирует реакции объекта, принимает и обслуживает задания от сетевых клиентов - рабочих мест лаборатории. 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. Структура web-лаборатории с удаленным доступом представлена на рис. 1[1]
Рис. 1. Структура web-лаборатории с удаленным доступом
При реализации данного подхода возможно получение принципиально новых преимуществ:
- один сервер круглосуточно работающей виртуальной лаборатории обслуживает большое число учебных групп университета;
- создаются уникальные условия для активизации самостоятельной работы студентов с дорогостоящим оборудованием, поскольку выполнять задания можно в любое удобное время и в любом месте в том числе дистанционно;
- может быть применена индивидуальная траектория обучения - студенты тратят на выполнение заданий столько времени, сколько каждому необхо-
ТЕХНОЛОГИЯ ИНТЕГРАЦИИ ВИРТУАЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРИИ В LMS MOODLE
ВЕСТНИК ТОГУ. 2022 № 1 (64)
димо 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, создании авторских учебных курсов.
Таким образом, при разработке проекта виртуальной лаборатории удаленного доступа необходимо решить несколько взаимосвязанных задач:
- выбор комплекта программно-аппаратных средств для создания виртуальной лабораторной работы;
- реализация программного управления лабораторным оборудованием с компьютера (сервера);
- реализация сетевого взаимодействия с указанным программным обеспечением в пределах локальной вычислительной сети лаборатории;
- обеспечение удаленного сетевого подключения к сети лаборатории -это необходимо для интегрирования лабораторной работы в электронный учебный курс, разработанный в среде LMS Moodle
Аппаратно-программные средства создания виртуальных лабораторных работ
Для виртуализации лабораторных работ используются специализированные программные комплексы. Одной из известных инструментальных систем для создания виртуальных лабораторий является среда для конструирования виртуальных приборов компании National Instruments. Мощная среда графического программирования этой технологии позволяет реализовать требуемые модели объектов исследования, а также использовать широкий ряд аппаратного обеспечения и набор средств, идеально подходящий для создания серьезных лабораторных комплексов при изучении различных дисциплин. При использовании среды программирования 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 поддержкиудаленных баз данных;
- создание Common Gateway Interface (CGI) и использование web-сервера и многое другое;
4) возможность включения разрабатываемых приложений в программ-
ВЕСТНИК ТОГУ. 2022. № 1 (64)
ные модули, написанные на других языках (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 [1].
Применение технологии виртуальных инструментов позволяет создать для лабораторий коллективного пользования единый набор программных модулей, открывающий возможность гибкой настройки на каждом рабочем месте [3,4]. 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.
Программное управление лабораторным оборудованием
Рассмотрим вторую из обозначенных выше задач. При ее реализации необходимо предусмотреть, что помимо управления натурным экспериментом (т. е. реальной лабораторной установкой, подключенной к компьютеру с помощью некоторого интерфейса) может быть реализовано и управление вычислительным (имитационным) экспериментом с программной моделью. Технология компьютерных измерительных приборов на базе программного комплекса LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) объединяет аппаратные средства и программное обеспечение с промышленными компьютерными технологиями для решения измерительных задач, причем свойства этих решений в значительной степени определяются пользователями. Компьютерная измерительная система может быть собрана из различных аппаратных и программных компонентов. Для контроля и управления каким - либо процессом или тестирования того или иного устройства могут быть использованы разнообразные технические средства измерений. При известном физическом принципе действия этих устройств, после подключения их к компьютеру они могут стать составной частью компьютерной измерительной системы (рис. 2) [2].
QLabVEW
Рис. 2. Схема компьютерной измерительной системы
Аппаратные средства могут быть как отечественного, так и импортного производства. Наилучшая совместимость в режиме работы "из коробки" до-
ТЕХНОЛОГИЯ ИНТЕГРАЦИИ ВИРТУАЛЬНОИ -
ЛАБОРАТОРИИ В LMS MC>ODLE НИШИПОУ. 2022 № 1 (64)
стигается при использовании аппаратуры, изготовленной компанией National Instruments. Компания National Instruments специализируется в области разработки встраиваемых и распределенных технических устройств средств сбора данных (DAQ, Data Acquisition) и драйверов к ним, а также является разработчиком программного комплекса LabVIEW. Очевидно, программирование в случае использование среды LabVIEW и "родных" для нее аппаратных средств упрощается.
Распространенные методы сбора данных реализуются с помощью встраиваемых в компьютер устройств и автономных измерительных приборов, приборов, поддерживающих интерфейс GPIB, систем стандарта PXI (расширение шины PCI для измерительной техники) и даже приборов с портом RS-232. Обработка экспериментальных данных облегчается встроенными средствами математического анализа среды LabVI EW.
Виртуальный прибор в LabVIEW представлен лицевой панелью, на которой отображается интерфейс пользователя, и блок-схемой, содержащей код программы (рис. 3).
Рис. 3. Интерфейс и блок диаграмма виртуального прибора в LabVIEW
ВЕСТНИК ТОГУ. 2022. № 1 (64)
Управление лабораторным оборудованием по сети
Разработанные программные средства изначально ориентированы на локальное применение, т. е. пользователь должен в интерактивном режиме работать непосредственно за компьютером, к которому подключен лабораторный стенд. Для организации доступа с другого компьютера необходимо задействовать сетевые технологии. Наиболее простым способом является включение терминального доступа к лабораторному компьютеру, примером которого является подключение к удаленному рабочему столу (Remote Desktop) в операционных системах семейства Microsoft Windows. Однако использование удаленного рабочего стола даже для пользователей с ограниченными правами доступа к системе все равно является нежелательным фактором с точки зрения безопасности. В связи с этим более перспективным видится предоставление доступа к программному обеспечению управления лабораторным оборудованием в соответствии с архитектурой "клиент-сервер". Это дает возможность четко регламентировать все сценарии, реализовав их на программном уровне. Рассмотренная выше система LabVIEW позволяет реализовать такой режим, причем встраивание интерфейса виртуальных приборов осуществляется в WEB—страницы, что дает возможность использовать в качестве клиента обычный браузер (однако для этого на клиентском компьютере должен быть установлен бесплатный плагин LabVIEW Runtime Engine) [2].
Средой LabVIEW предоставлены большие возможности для реализации обмена данными через TCP/IP сети. Основой для передачи данных служит WEB-cepвep LabVIEW и инструмент WEB Publishing Tool, которые входят в любой из вариантов поставки среды LabVIEW — Basic, Full Development System или Professional. LabVIEW обладает рядом встроенных возможностей для организации связи через Интернет, в том числе:
- функции TCP/IP и UDP;
- WEB-cepвep;
- сервер виртуальных приборов;
- протокол DataSocket для обмена данными через LAN и Интернет;
- Jаvа-приложения;
- элементы управления ActiveX;
- E-mail, ftp и telnet.
WEB - cepвep LabVIEW в режиме диалога с разработчиком генерирует HTML—документ и публикует изображения передней панели компьютерного прибора в Сети путем встраивания его в WEB-страничку. Для доступа к WEB—cepвepy через браузер необходимо проинсталлировать на клиентской машине бесплатный компонент LabVIEW Run-Time Engine. Если WEB -cepвep запущен, то, запустив браузер и набрав строку адреса HTML-документа (URL), пользователи получат удаленный доступ к исполняемой на серверной машине программе LabVIEW. Строка должна содержать 1Р-адрес компьютера сервера и имя HTML - файла.
Для подготовки работы программного обеспечения — компьютерного прибора в режиме удаленного доступа — пользователю достаточно использовать встроенные средства LabVIEW и на основе ранее использованного в режиме локального доступа программного решения получить компьютерный
ТЕХНОЛОГИЯ ИНТЕГРАЦИИ ВИРТУАЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРИИ В LMS MOODLE
ВЕСТНИК ТОГУ. 2022 № 1 (64)
прибор в Сети путем встраивания его в WEB-страничку. [2, 5]
Также в клиент-серверном режиме на лабораторном компьютере могут быть развернуты другие приложения, реализующие вспомогательные функции. Например, HTTP-сервер с методическими материалами, FTP-сервер для доступа к результатам эксперимента, сохраняемым в виде файлов, и т. д. Технологии встраивания виртуальных лабораторий в LMS Moodle рассмотрены в работах [4,8]. Практика реализации электронных учебных курсов в нашем университете показывает, что одним из эффективных приемов интеграции является интеграция удаленной виртуальной лаборатории в электронный учебный курс посредством применения элемента «гиперссылка» в качестве адреса указывается 1Р-адрес компьютера web-сервера LabVIEW и имя HTML - файла, в котором опубликована передняя модель виртуального прибора.
Заключение
Полученные результаты позволяют сделать следующее заключение. Повышение качества образовательного процесса и снижение затрат на проведение лабораторных работ с уникальным оборудованием с соблюдением требований современного поколения Федеральных государственных образовательных стандартов возможно при использовании технологии автоматизации экспериментальных исследований на платформе LabVIEW и сочетании локального и удаленного сетевого доступа к оборудованию. Управление натурным экспериментов и реализация имитационного эксперимента на платформе LabVIEW позволяет преподавателю создавать легко реконфигурируемые лабораторные стенды. Лабораторные компьютеры с подключенным к ним оборудованием размещаются во внутренней локальной сети, где и обеспечивается подключение клиентов из других сетей к приложениям, развернутым на этих компьютерах. Использование механизма развертывания VPN-сервера при реализации поставленной задачи имеет некоторые особенности, которые указаны выше. Такое решение совместно с использованием WEB-сервера LabVIEW позволяет реализовать безопасность работы уникального оборудования и доступ к нему пользователя — студента. Использование возможностей конструктора LMS Moodle позволяет совместно с интеграцией виртуальных лабораторий так же применять различные инструменты для создания интерактивного образовательного контента в рамках создания авторского электронного учебного курса. Применение встроенной системы тестирования, элементов обратной связи, таких как видеоконференция, чат, форум значительно повышает качество учебного процесса и способствует приобретению профессиональных компетенций в предметных областях знаний.
Библиографические ссылки
1. Остроух А.В., Николаев А.Б. Проект разработки виртуальных лабораторных работ в среде ILABS // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2013. № 11-1. URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=4304 (дата обращения: 01.03.2022).
ВЕСТНИК ТОГУ. 2022. № 1 (64)
2. Берчун Ю. В., Загидуллин Р. Ш. Комплексный подход к организации удаленного доступа к лабораторному оборудованию в учебном процессе // Информационные технологии. 2015. Т. 21, № 3. С. 210-217.
3. Загидуллин Р. Ш., Черников А. С. Опыт построения лабораторного практикума удаленного доступа в среде LabVIEW // Цифровые технологии в инженерном образовании: новые тренды и опыт внедрения: сб. тр.междунар. форума, Москва, 28 -29 нояб. 2019 г. / МГТУ им. Н. Э. Баумана. М., 2020. С. 42-45.
4. Загидуллин Р. Ш., Черников А. С. Актуализация данных в среде MOODLE в режиме удаленного доступа по дистанционному лабораторному практикуму LabVIEW - Multisim // Нанотехнологии. Разработка. Применение. XXI век. 2017. Т. 9, № 1. С. 40-49.
5. Видьманов Д. А., Попов В. С., Локтев Д. А. Организация доступа через браузер к виртуальному прибору LabVIEW // Наука и Образование. 2016. № 7. URL: http://technomag.edu.ru/doc/845237.html (дата обращения: 01.03.2022).
6. Трухин А. В. Виды виртуальных компьютерных лабораторий // Информационные технологии в высшем образовании. 2005. https://docplayer.com/213140927-Vidy-virtualnyh-kompyuternyh-laboratoriy-a-v-truhinhtml (дата обращения: 01.03.2022).
7. Никулина Т. В, Стариченко Е. Б. Виртуальные образовательные лаборатории: принципы и возможности // Педагогическое образование в России. 2016. № 7. С. 6266.
8. The remote DSP experiment integrated with Moodle online learning environment / Mirjana Brkovic, Radojka Krneta, Djordje Damnjanovic, Danijela Milosevic // 11th International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation, February 2014. p. 391-392
Title: Technology of Integration of Virtual Laboratory into LMS Moodle Authors' affiliation:
Rumanovski I. G. - Pacific National University, Khabarovsk, Russian Federation Drachev K. A. - Pacific National University, Khabarovsk, Russian Federation
Abstract: The authors of the article present a description of the technology of a large cross-platform graphical development environment for LabVIEW applications in the electronic educational environment (EEE) of the university. The analysis of technologies to organize network access from a training course created within the LMS Moodle framework to a virtual laboratory instrument has been performed. The technology of creating a virtual web-laboratory for distance learning is considered. The results of the development of a virtual measuring device for use in the university EEE in relation to the problems of electrical engineering are presented. A mechanism is proposed for integrating a virtual web-laboratory developed in the LabVIEW environment into an electronic training course in LMS Moodle. The use of this technology will allow teachers to create virtual laboratory work associated with existing real laboratory equipment and use them in their online e-learning courses.
Keywords: electronic educational environment; software interface, server, web-laboratory; LabVIEW, virtual instrument, software environment, block diagram, measurement circuit, client.
