Информатизация инженерного образования (выпуск 1)

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

Таким образом, в составе АРМ—МПК необходим пакет программных средств для разработки и отладки управляющих программ, а также дополнительные электронные модули (поставляются вместе с вышеприведенными пакетами), подключаемые к последовательному или параллельному порту компьютера.

Для подготовки технической документации можно пользоваться стандартными средствами редактирования документов либо использовать специальные пакеты, позволяющие оформлять документацию в соответствии с требованиями ГОСТ.

Автоматизированное рабочее место для отладки интерфейсных устройств сопряжения лабораторного сервера с объектной подсистемой УМК.

Существует множество конкретных интерфейсных систем сопряжения объекта исследования с персональным компьютером (сервером удаленного доступа), среди которых можно выделить следующие основные виды:

•приборный интерфейс — совокупность цифровых измерительных приборов, объединенных общей международной магистралью GPIB;

•магистрально-модульный интерфейс (например, PXI), представляющий собой набор измерительных и управляющих модулей, объединенных общей магистралью, связанной с компьютером (сервером);

•измерительные карты (LabCard) — это измерительно-управляющие устройства, непосредственно устанавливаемые на шину компьютера (сервера);

Рис. 12.22. Автоматизированное рабочее место для отладки интерфейсных устройств сопряжения лабораторного сервера с объектной подсистемой

473

ЧА С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

•микроконтроллерные системы является компактными устройствами, непосредственно встраиваемыми в объектные модули и связанными с компьютером (сервером) одним из возможных способов (RS-232, RS-485, USB, Ethernet).

Для отладки такого разнообразного набора интерфейсных устройств требуется специально оснащенное рабочее место (рис. 12.22), в основе которого лежит персональный компьютер с расширенными средствами внешнего сопряжения: RS-232, RS-485, USB, Ethernet, средства расширения шины сервера.

12.2.8. Политехническая Интернет-лаборатория как концентратор образовательных ресурсов в системе открытого образования

Исторически сложилось так, что в традиционной системе образования каждое учебное заведение преимущественно пользуется собственными образовательными ресурсами (учебниками, конспектами лекций, методическими рекомендациями, учебными лабораториями и пр.), сосредоточенными в этом учебном заведении, где они разрабатываются, развиваются и поддерживаются, что требует значительных финансовых вложений и квалифицированного персонала. В определенной степени это оправдано на этапе специальной подготовки выпускников конкретного учебного заведения, например, с отраслевой ориентацией. Здесь образовательные ресурсы могут быть уникальными как по исполнению, так и по ограниченной области применения для узкого круга учащихся. Их создание, поддержка и развитие не вызывают технических и финансовых трудностей.

Иной подход напрашивается на этапе общепрофессиональной подготовки, для которого ГОС ВПО диктует единые требования для большинства направлений подготовки в области техники и технологий. В силу ограниченности финансирования образовательные ресурсы этого этапа не могут оперативно обновляться и пополняться новыми, наиболее эффективными средствами обучения, поскольку требуется их широкомасштабное тиражирование и распределение по сотням учебных заведений.

Поэтому при переходе к новым формам обучения, использующим сетевые технологии, возникает тенденция — ориентироваться на сеть распределенных образовательных ресурсов нового поколения с коллективным доступом многих учебных заведений к единым сертифицированным образовательным ресурсам по сети Интернет.

Этот путь предполагает ряд неоспоримых преимуществ:

•создаются предпосылки для обеспечения единой базовой подготовки учащихся независимо от территориального расположения учебного заведения, наличия собственных высокопрофессиональных педагогических кадров, образовательных ресурсов за счет использования доступа к лучшим отечественным и мировым образовательным ресурсам по выбранной учебной дисциплине;

•повышаются наукоемкость, результативность и дидактическая эффективность образовательных ресурсов за счет активного использования современных средств вычислительной техники;

•значительно сокращаются затраты на создание, поддержку и развитие образовательных ресурсов за счет исключения их массового тиражирования;

•становятся принципиально доступными многим образовательным учреждениям или отдельным учащимся (практически в реальном времени) уникальные образовательные ресурсы, например в виде современного дорогостоящего программного обеспечения, научного оборудования или даже промышленных установок.

474

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

Концепция политехнической Интернет-лаборатории

Развиваемую различными учебными заведениями сеть территориально распределенных образовательных ресурсов политехнической подготовки целесообразно (с точки зрения организационных процедур их использования) представить в виде единой политехнической Интернет-лаборатории (Polytechnic Internet Laboratory — Pilab). В отличие от уже существующих библиотек электронных ресурсов, объединяющих текстовые ресурсы гуманитарных и естественнонаучных направлений подготовки, здесь прежде всего должны быть сосредоточены и систематизированы технические ресурсы нового поколения с возможностью коллективного доступа по сети Интернет.

Телекоммуникационные возможности современных компьютерных технологий принципиально не создают каких-либо ограничений по отраслевым и территориальным признакам объединения образовательных ресурсов. В этом отношении можно говорить о региональной, отраслевой, Российской и даже Всемирной политехнической Интернет-лаборатории. Однако технические и организационные сложности создания образовательных ресурсов и их применения в образовательном процессе требуют разумных ограничений.

В основе разработки и объединения образовательных ресурсов предлагаются следующие концептуальные положения:

•в целях стандартизации и унификации необходима разработка пакета нормативных документов, регламентирующих требования на создание, сертификацию

иприменение образовательных ресурсов в системе распределенного электронного обучения;

•для своевременного информирования учебной и научной общественности о существующих образовательных ресурсах целесообразно активно развивать Интернет-экспозицию «Образовательные ресурсы политехнической Интернетлаборатории», желательно с демо-версиями работы реального лабораторного оборудования;

•целесообразно выделить перечень учебных дисциплин общепрофессиональной подготовки для первоочередного государственного заказа (на конкурсной основе) на создание электронных ресурсов: автоматика, безопасность жизнедеятельности, информатика, материаловедение, метрология, механика, теплотехника, физика, химия, электроника, электротехника;

•в качестве базовой компоненты совокупности образовательных ресурсов политехнической подготовки рекомендуется использовать учебно-методический комплекс, представляющий собой объединение программно-технических и учебно-методических средств, обеспечивающих полную совокупность образовательных услуг (организационных, методических, теоретических, практических, экспериментальных, консультационных и пр.), необходимых и достаточных для самостоятельного изучения конкретной учебной дисциплины в системе технического образования;

•каждое конкретное учебное заведение в зависимости от целей, задач и уровней подготовки специалистов выбирает из общего перечня ресурсов PiLab и формирует на договорной основе собственную совокупность сертифицированных образовательных ресурсов.

Центральное место в предлагаемой концепции политехнической Интернетлаборатории принадлежит идее интеграции средств обеспечения учебного процесса

475

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

на базе применения технических и программно-методических средств, реально находящихся в составе различных образовательных учреждений. Эти средства могут объединяться в произвольном порядке по усмотрению конкретного образовательного учреждения или даже конкретного учащегося.

Структура средств обеспечения политехнической Интернет-лаборатории в данном случае должна включать следующие основные компоненты:

•программно-методическое обеспечение персональных компьютеров, на которых размещаются рабочие места учащихся;

•серверы-концентраторы, обрабатывающие задания территориально распределенных учащихся, определяющие права учащегося на использование средств обеспечения учебного процесса, направляющих части получаемых заданий на соответствующие источники образовательных ресурсов;

•серверы-администраторы учебных заведений, которые содержат данные учащихся, включая результаты их обучения, и сообщают необходимую информацию серверам-концентраторам;

•территориально распределенные источники образовательных ресурсов, которые объединяют в своем составе полный комплект средств информационного, про- граммно-методического и технического обеспечения, необходимых для изучения конкретных объектов.

Особенности реализации предлагаемой концепции

Данная концепция, несомненно, может быть реализована при современном уровне развития глобальной компьютерной сети. Однако объем работ, который необходимо произвести, оказывается слишком большим для единовременного выполнения. Поэтому следует наметить пути наиболее рационального и поэтапного решения проблем создания и организации применения образовательных ресурсов нового поколения, доступных учащимся по компьютерным сетям. Важно также разработать программу действий, которая бы обеспечивала высокое качество создаваемых средств поддержки учебного процесса и предотвращала бы дублирование проводимых работ.

Прежде всего необходимо определить сферу действия разрабатываемых образовательных ресурсов PiLab. Действующие в Российской Федерации государственные образовательные стандарты высшего профессионального образования (ГОС ВПО) охватывают 79 направлений подготовки дипломированных специалистов в области техники и технологий, включающих почти 300 образовательных специальностей (http://www.informika.ru).

Применение данных стандартов позволяет в значительной степени унифицировать содержание общей части подготовки бакалавров техники и технологии и дипломированных специалистов по соответствующим направлениям. Положительным моментом является четкое выделение в стандартах федеральных компонентов подготовки, что, несомненно, должно способствовать укреплению единого образовательного пространства Российской Федерации, а также отвечать современным тенденциям повышения социальной, территориальной и академической мобильности учащихся.

Важной особенностью действующего образовательного стандарта является установление перечней дисциплин, в процессе изучения которых высшие учебные заведения должны предоставить возможности для выполнения студентами лабораторных практикумов и проведения практических занятий. При этом конкретизируются качественные показатели применяемого лабораторного оборудования.

476

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

Содержание ГОС ВПО было проанализировано для того, чтобы определить целесообразные пути разработки образовательных ресурсов распределенного электронного обучения и, прежде всего, средств обеспечения лабораторных практикумов. При этом объектами анализа были ГОС ВПО по всем 79 направлениям подготовки в области техники и технологий и рассматривались перечни естественнонаучных и общих профессиональных дисциплин, по которым стандарты регламентируют выполнение лабораторных практикумов.

В целом, в две названные группы входит более 240 учебных дисциплин. При этом государственный образовательный стандарт предусматривает изучение ряда учебных дисциплин с выполнением лабораторных практикумов по нескольким направлениям подготовки специалистов. Изучение физики, сопровождаемое лабораторным практикумом, предусматривается в 65-ти направлениях подготовки, электротехники и электроники — 63-х, материаловедения и технологии материалов — в 59-ти, механики и сопротивления материалов — в 56-ти, химии — в 54-х, безопасности жизнедеятельности — в 53-х, информатики — в 52-х, метрологии, стандартизации и сертификации — в 32-х, теплотехники и термодинамики —

в21-м, экологии — в 15-ти, теории механизмов и машин — в 15-ти, гидравлики —

в10-ти. Остальные учебные дисциплины изучаются менее чем в 10-ти направлениях подготовки. Изучение более двухсот дисциплин предусматривается в рамках только одного направления.

Очевидно, что основное внимание на первом этапе разработки образовательных ресурсов нового поколения необходимо сосредоточить на учебных дисциплинах, которые имеют наибольшую сферу применения в учебном процессе. Затраты на подготовку ресурсов приблизительно одинаковы при одинаковом объеме учебного материала, но воспользоваться ими может многократно большее число студентов, если учебная дисциплина изучается в нескольких десятках направлений подготовки специалистов.

При этом во многом отпадает необходимость многократного дублирования учебной информации, программных средств учебного назначения, учебного лабораторного оборудования. Эти образовательные ресурсы могут оставаться в распоряжении их разработчиков или владельцев, которые обеспечивают доступ образовательных учреждений или отдельных пользователей к имеющимся в их распоряжении средствам на оговоренных условиях.

Тот факт, что образовательные ресурсы в распределенном электронном обучении могут не отчуждаться от собственных разработчиков или тиражироваться только в ограниченных масштабах и в то же время применяться одновременно многими территориально распределенными пользователями, влечет за собой следующие положительные последствия:

•существенно снижаются общие затраты на разработку, тиражирование, обслуживание и актуализацию образовательных ресурсов;

•упрощаются процедуры сопровождения и развития средств обеспечения учебного процесса;

•учащиеся и преподаватели в перспективе получают многообразные возможности выбора средств обучения, в наибольшей степени отвечающих их индивидуальным предпочтениям или корпоративным интересам учебных заведений;

•появляются возможности гибкой индивидуальной компоновки учебно-мето- дических комплексов различных уровней сложности и направленности из территориально распределенных компонентов.

477

ЧА С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

Вто же время реализация этих потенциальных возможностей сопряжена с необ-

ходимостью решения ряда научных и практических задач, среди которых:

• выделение в составе каждого учебно-методического комплекса типовых объектных модулей, которые должны быть снабжены полной совокупностью средств информационного, программно-методического и аппаратного обеспечения учеб-

ного процесса;

• создание перечисленных средств обеспечения для изучения каждого объекта (средства, даже относящиеся к одному объекту изучения, принципиально могут

находиться в составе различных учебных заведений);

• организация доступа территориально распределенных учащихся к средствам изучения множества объектов, включенных в состав конкретного учебно-методи- ческого комплекса, для чего необходимо применить серверы-концентраторы, которые получают и интерпретируют запросы учащихся, передают задания или их части на соответствующие объектные модули в порядке очередности, а результаты выполнения этих заданий — на рабочие места учащихся.

Реализация предлагаемой схемы взаимодействия учащихся с образовательными ресурсами с неизбежностью должна основываться на целесообразном применении различных способов доступа учащихся к этим ресурсам.

Фактическая информация, содержание которой не изменяется во время обучения, должна быть передана каждому учащемуся наиболее оперативным, дешевым

инадежным способом, например созданием копии соответствующего файла на персональном компьютере учащегося с применением компьютерной сети. После однократного выполнения этой процедуры учащийся может работать с полученной учебной информацией в автономном режиме, избегая затрат на оплату своей работы в компьютерной сети.

Если речь идет о применении в процессе обучения прикладных программных средств, например систем моделирования, автоматизированного проектирования, то появляется возможность выбора из нескольких альтернатив.

Принципиально возможно снабдить каждого учащегося необходимыми ему в обучении программными средствами. Однако практическая реализация этой возможности может оказаться весьма затруднительной, так как программные средства могут оказаться очень большими по объему занимаемой памяти компьютера и/или потребовать очень большой его производительности. Стоимость лицензий на применение программного обеспечения также может оказаться непомерно большой для учащихся или для учебных заведений, которые их приобретают.

Другой подход к организации работы территориально распределенных учащихся с образовательными ресурсами может состоять в следующем:

•централизованным или инициативным образом создается распределенная сеть образовательных ресурсов, информация о которых размещается в специализированной базе данных Минобразования (Интернет-экспозиция «Образовательные ресурсы политехнической Интернет-лаборатории»);

•соответствующее программное обеспечение инсталлируется на одном из компьютеров учебного заведения, подключенных к компьютерной сети Интернет;

•учащиеся формируют задания на своих персональных компьютерах, переда-

ют эти задания на серверы-концентраторы, которые, в свою очередь, переправляют их на выполнение по соответствующему адресу;

• результаты выполнения задания передаются на рабочее место учащегося, которое должно быть снабжено соответствующими программами обработки и отображения полученных данных.

478

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

Особое место в создании среды распределенного электронного обучения занимают вопросы организации лабораторных практикумов с применением реального оборудования. Очевидно, что такое оборудование в подавляющем большинстве случаев не может быть предоставлено каждому учащемуся, поскольку его тиражирование неизмеримо сложнее, чем получение необходимого количества копий файлов данных. Поэтому с неизбежностью возникает задача организации коллективного пользования ограниченным числом лабораторных установок, которая усугубляется тем обстоятельством, что учащиеся реально могут быть территориально распределены и при этом должны иметь возможности свободного доступа к образовательным ресурсам, которыми обладают учебные лаборатории.

Ядро политехнической Интернет-лаборатории

Действующее в составе Центра системной интеграции ГосНИИСИ в МЭИ (ЦСИ) ядро PiLab показано на рис. 12.23 (http://www.pilab.ru). В его основе нахо-

Рис. 12.23. Ядро политехнической Интернет-лаборатории

479

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

дится несколько разработанных учебно-методических комплексов по основам электротехники, электроники и автоматики. Каждый такой комплекс выполнен в полном соответствии с изложенными концептуальными положениями, на основе современных международных стандартов, с возможностью свободного наращивания образовательных ресурсов. Разработка отмечена Дипломом ВВЦ на выставке «Современная образовательная среда—2001».

Интернет-экспозиция «Образовательные ресурсы политехнической Интернет-лаборатории» как информационная среда регистрации и распространения образовательных ресурсов

Средства информационных и коммуникационных технологий (ИКТ) находят все более широкое применение в организации и проведении учебного процесса

вобразовательных учреждениях различных уровней. Расширяющиеся масштабы применения ИКТ в образовании приводят к лавинообразному нарастанию числа электронных образовательных ресурсов, размещаемых на электронных носителях информации, в том числе доступных в компьютерных сетях. Значительная часть таких ресурсов формируется на инициативной основе, не включена в определенные рамки системы подготовки специалистов и может рассматриваться только

вкачестве вспомогательного материала при изучении отдельно взятых учебных дисциплин. Примером таких ресурсов являются размещаемые на сайтах различных учебных заведений подборки рефератов по самым разнообразным тематикам, электронные копии учебной литературы, учебных курсов, различные описания, инструкции по эксплуатации и многие другие материалы.

Вто же время остро необходима целенаправленная и результативная работа по созданию научного, научно-методического, материально-технического и информационного обеспечения системы образования, переход этой системы на новую технологическую базу. Проведение этой работы невозможно без оперативного информирования руководителей и участников разработок, а также потенциальных пользователей о создаваемых образовательных ресурсах. Другими словами, необходимо создание информационных баз данных разработанных электронных образовательных ресурсов, доступных широкому кругу пользователей.

Концентрированное представление верифицированной информации о доступных образовательных ресурсах позволяет облегчить перспективное планирование и координацию работ по развитию средств обеспечения учебного процесса на уровне всей системы образования, существенно снизить дублирование разработок, облегчить контроль их качества. Заинтересованные пользователи образовательных ресурсов, среди которых могут быть как учебные заведения, так и отдельные граждане, получают возможности выбора необходимых им средств обеспечения учебного процесса и оперативной связи с разработчиками или владельцами образовательных ресурсов.

Таким образом может быть сформирован рынок образовательных ресурсов, который позволит существенно снизить затраты на их создание, а также преодолеть разобщенность учебных заведений в решении вопросов обеспечения учебного процесса необходимыми методическими, программными, техническими и организационными средствами.

Конечной целью создания Интернет-экспозиции является формирование развиваемой автоматизированной базы данных по полной совокупности образовательных ресурсов, которые могут применяться учащимися в режиме многопользовательского удаленного доступа по компьютерным сетям. Эта база данных должна

480

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

быть доступна в оперативном режиме наиболее широкому кругу пользователей, специализирующихся в создании и применении образовательных ресурсов в области техники и технологий.

Конкретизируя поставленную цель, следует отметить, что пользователи Интер- нет-экспозиции должны получать не только некоторый объем аннотированной информации о доступных образовательных ресурсах, но и непосредственный доступ к демонстрационным версиям этих ресурсов для того, чтобы наиболее полно оценить их потребительские свойства. Реализация этой возможности позволяет сделать кардинальный шаг в развитии цели создания Интернет-экспозиции: она может рассматриваться как прообраз специализированного портала знаний, который фокусирует интересы и потребности разработчиков и потребителей образовательных ресурсов, а также организаторов учебного процесса в системе распределенного электронного обучения.

В основу создания структуры Интернет-экспозиции легли результаты анализа содержания Государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по 79 направлениям подготовки в области техники и технологий. При этом рассматривались группы естественно-научных и общих профессиональных дисциплин. В эти группы входит более 240 учебных дисциплин. При этом изучение более 200 дисциплин предусматривается в составе только какого-то одного направления подготовки. Очевидно, что названия направлений подготовки и наименования учебных дисциплин не могут быть положены в основу структуры автоматизированной базы данных, представляющей обобщенную информацию о существующих образовательных ресурсах. Такая структура будет излишне подробной и трудной для поиска действительно нужной информации.

В результате анализа предлагается при создании структуры данных выделить следующие группы учебных дисциплин, дав им обобщенные названия: физика, химия, материаловедение, механика, теплоэнергетика, электротехника, электроника, метрология, автоматика, безопасность жизнедеятельности, информационные технологии.

12.2.9. Специализированный портал «Политехническая Интернетлаборатория» как среда формирования сетевых электронных образовательных ресурсов технических университетов

Специализированный портал «Политехническая Интернет-лаборатория» (http://www.pilab.ru/portal) представляет собой информационную базу данных, предназначенную для централизованного размещения и представления структурированной информации об электронных ресурсах, применяемых при подготовке бакалавров, инженеров, магистров и аспирантов по всем направлениям подготовки

вобласти техники и технологий.

Втехническом образовании значительное место отводится лабораторным практикумам. Это особая область образовательных ресурсов, которую трудно свести к стандартным технологиям накопления и использования в образовательных целях фактографической информации, составляющей основу гуманитарной и естест- венно-научной подготовки. В то же время технически и организационно невозможно создать какой-то единый центр, где физически будет собрано все необходимое

481

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

лабораторное оборудование сетевого доступа. Экономически наиболее целесообразен путь не физического, а информационного объединения в единую политехническую Интернет-лабораторию лучших лабораторных ресурсов, принадлежащих различным территориально распределенным учебным заведениям. Портал призван стать организационным ядром такой лаборатории.

Электронные образовательные ресурсы для современной системы электронного обучения принято сосредотачивать в электронных библиотеках по месту их разработки (на сайтах конкретных образовательных учреждений) или в централизованных информационных базах данных (специализированных порталах) Минобразования. В большинстве случаев эти информационные Интернет-ресурсы выполняют чисто справочные функции, сообщая пользователям только краткую информацию об имеющихся образовательных ресурсах, их разработчиках и условиях их возможного использования. Конкретному пользователю найти и обоснованно выбрать необходимый ему образовательный ресурс бывает чрезвычайно сложно, поскольку поиск приходится вести по многим учебным заведениям, где образовательные ресурсы не обязательно находятся на главной странице сайта, они, как правило, «скрыты» в различных подразделениях учебного заведения, а форматы данных настолько различны, что невозможно их сопоставить.

Основные задачи портала

Главная отличительная особенность портала состоит в последовательном развитии информационно-справочных функций портала традиционного типа до функций централизованной среды создания и поддержки образовательных ресурсов, а также координирующей среды сопровождения образовательного процесса. В связи с этим в портале эффективно развиты аналитическая и административная подсистемы, подсистема управления информационными ресурсами, а также пользовательский интерфейс поиска, заказа и использования образовательных ресурсов, в результате чего портал может выполнять следующие важные задачи:

•портал как справочно-информационная среда:

-интеграция сведений об образовательных ресурсах из различных источников в едином месте с возможностью динамического добавления и изменения содержимого портала, структурного представления и поиска информации, для чего разработаны единые формы (шаблоны) аннотаций образовательных ресурсов, содержащих необходимые сведения о назначении и содержании данного ресурса;

-обеспечение возможности индивидуальной настройки интерфейса в целях эффективного поиска необходимой информации. Это требование обусловлено тем, что портал предоставляет единую среду доступа к большому объему данных для разных категорий пользователей. Для того чтобы отсеять ненужную информацию и в то же время не пропустить ничего важного, необходимо предусмотреть механизмы фильтрации образовательных ресурсов, например выбор направления подготовки (по коду ГРНТИ) или уровня подготовки (бакалавр, инженер, магистр, аспирант);

-обеспечение развитой, многоступенчатой системы поиска необходимого образовательного ресурса по названию, разработчику, учебной дисциплине, направлению подготовки, а также произвольному сочетанию ключевых слов;

482