Информатизация инженерного образования (выпуск 1)

Гл а в а 12. Лабораторный практикум

•портал как централизованная среда разработки и поддержки образовательных ресурсов:

-формирование требований к автоматизированному лабораторному практикуму с доступом по сети Интернет, в том числе требований к сертификации образовательного ресурса на право его широкого применения в системе образования;

-накопление рекомендуемых инструментальных программно-аппаратных средств разработки образовательных ресурсов и предоставление их разработчикам на оговоренных условиях;

- формирование единых форматов данных (модели данных) по созданию и представлению образовательных ресурсов в соответствии с рекомендациями международных стандартов (например, спецификации IMS, GEM и др.);

-централизованный заказ на конкурсной основе образовательных ресурсов по наиболее актуальным направлениям подготовки и дисциплинам;

-оценка лицензионной чистоты (использованных инструментальных про-

граммно-аппаратных средств) предлагаемых образовательных ресурсов и авторских прав разработчиков;

-обязательное требование представления разработчиком демонстрационной версии разработанного образовательного ресурса с возможностью доступа в реальном времени к реальному лабораторному оборудованию;

-самостоятельное развитие (изменение) каждым разработчиком установленного образовательного ресурса с обязательной фиксацией в электронном журнале внесения изменений за счет гибкой системы управления правами разработчиков и пользователей.

•портал как координирующая среда сопровождения образовательного процесса:

-обеспечение и поддержание высокой технологичности учебного процесса, продвижение новейших информационных технологий в сферу образования за счет организации отбора и сертификации лучших образовательных ресурсов в целях их рекомендации для широкого применения в системе электронного обучения;

-коллективное обсуждение проблем образовательного процесса в результате организации на портале электронных семинаров и форумов;

-учебно-методическое сопровождение образовательного процесса; профессиональные консультации по работе с ресурсами;

-статистическая обработка данных о пользователях и их запросах, прогнозирование на этой основе перспектив развития системы электронного обучения в различных регионах страны.

Технологии создания портала

Из анализа технологий построения аналогичных порталов в основу организации портала положены следующие принципы:

•отделение самих данных от их представления и логики обработки;

•использование открытых стандартов на основе расширяемого языка разметки XML (Extensible Markup Language) и реляционных баз данных для хранения информации об образовательных ресурсах;

•модульность построения портала, позволяющая легко наращивать его функции.

483

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

Первый принцип основан на многолетнем опыте развития информационных технологий в мире. Механизм разделения содержания и представления позволяет разработчику работать только с данными, не тратя время на проработку графического отображения информации, тогда как дизайнер может сконцентрироваться на визуальной проработке, создании дизайна, подборе цветов и шрифтов для текста.

Второй принцип основан на том, что к настоящему времени расширяемые языки разметки стали стандартом де-факто для обмена данными и структурированной информацией в современных образовательных порталах и других информационных системах.

Язык XML является открытым стандартом и предоставляет универсальные средства структурирования документа на логическом уровне. Простота структуры XML позволяет очень легко настроить язык на соответствующую предметную область. Это означает, что XML может использоваться людьми далекими от компьютерных технологий.

Существенной положительной чертой XML является резкое повышение эффективности работы с документами. Созданный XML-документ заранее не ограничен в вариантах его визуального представления. Поэтому, имея в качестве источника XML-документ, возможно автоматически конвертировать этот источник в разнообразные графические представления, например в HTML-формат, формат редактора Microsoft Word, pdf-формат и др.

Кроме того, документ в формате XML может легко переноситься в реляционные базы данных и наоборот. Большинство существующих систем управления базами данных уже имеют интегрированную поддержку стандарта XML, и в будущем эта поддержка будет только расширяться.

Таким образом, соблюдение принципов разделения данных и их представления, а также использование расширяемого языка разметки XML в информационной системе дает ряд преимуществ:

•содержательная разметка структуры документа позволяет легко сгенерировать систему навигации по документу, причем это можно сделать автоматически;

•содержательная разметка структуры документа позволяет автоматически создавать полиграфическое представление документа, причем в разных форматах. Таким образом, облегчаются преобразование документов из одного электронного формата в другой и получение печатной копии;

•получение реферативной информации о документе (содержание, предметный указатель, список рисунков, таблиц) может быть автоматизировано на основе содержательной разметки;

•содержательная разметка структуры документов расширяет возможности для реализации мощных средств поиска, каталогизации, автоматической обработки текста.

Модульный принцип построения портала позволяет проводить параллельную разработку портала несколькими людьми, постепенное наращивание функциональных возможностей без остановки работы всего портала. Модульный принцип подразумевает разработку законченных функциональных блоков, которые могут работать независимо в составе портала. Например, для реализации модуля новостей необходимо создать таблицу в базе данных, в которой будут храниться сами новости. Затем процедуры выборки и вставки новостей, а также две HTML-формы (отображения и добавления новостей).

484

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

На основе изложенных принципов целесообразно строить портал из трех уровней.

•Уровень данных обеспечивает хранение как самих данных, так и метаданных (данных о структуре). Вся информация, размещенная на портале, содержится в базе данных. Шаблоны документов хранятся в формате XML. Структуры (модели) данных и единых форматов представления информации согласованы с форматами данных создаваемой системы Интернет-порталов и единого каталога объектов управления сферы образования.

•Уровень бизнес-логики. Необходимые алгоритмы обработки информации, статистического сбора данных размещены в виде хранимых процедур на сервере базы данных или в модулях приложения. В целях упрощения ввода информации разработаны электронные шаблоны аннотаций образовательных ресурсов, доступные для заполнения самим пользователем. Разработаны автоматизированная подсистема ввода информации в базу данных, аналитическая подсистема портала для

оценки качества и эффективности работы, анализа информации о гражданах и организациях, участвующих в работе портала, статистического анализа динамики посещаемости отдельных разделов портала за заданное время. Подсистема поиска информации обеспечивает поиск в базе данных по содержимому определенных полей и их совокупности.

• Уровень визуального представления. Визуальное представление информации осуществляется с помощью HTML-форм, отображающихся в любом стандартном браузере (Internet Explorer, Netscape Navigator и др.).

Пользовательский интерфейс удобен и понятен широкому кругу пользователей с различной степенью владения информационными технологиями, для чего он содержит систему раскрывающихся меню и подсказок. Предусмотрена возможность просмотра демо-версий образовательных ресурсов, а также возможность их заказа.

Структура портала

Глобальная структура портала (рис. 12.24) содержит:

•Центральное ядро в виде трех взаимосвязанных подсистем со своими функциями:

-подсистема управления информационными ресурсами: ввод, редактирование и поиск ресурсов,

управление правами доступа разработчиков и пользователей;

-аналитическая подсистема статистической обработки информации: статистическая обработка ресурсов, статистическая обработка запросов,

оперативная оценка динамики использования ресурсов (рейтинг ресурсов);

-административная подсистема поддержки портала: поддержка и развитие портала, аутентификация пользователей,

генерация стандартных форм представления информации.

•Оболочку централизованных ресурсов, предназначенную для обслуживания разработчиков и пользователей:

-электронная библиотека образовательных ресурсов: учебники, задачники, методики;

485

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

Рис. 12.24. Структура специализированного портала «Политехническая Интернет-лаборатория»

-инструментальные средства разработки образовательных ресурсов: аппаратные средства, лицензионные программные продукты,

программные средства открытого доступа.

•Децентрализованную систему распределенных лабораторий удаленного доступа:

-лаборатории на базе физических стендов,

-виртуальные лаборатории на базе математических моделей,

-учебные тренажеры технологических процессов.

486

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

Работа портала происходит в рамках его тематических разделов, отражающих особенности представления образовательных ресурсов:

•главная страница, на которой размещена информация о работе портала,

атакже доступ к основным его подсистемам;

•полезные ссылки предназначены для быстрого перехода к важным ресурсам и документам по различным аспектам образования;

• лента новостей позволяет оперативно информировать общественность

опоследних событиях, новых разработках, предстоящих выставках и т.п.;

•окно поиска позволяет быстро отыскать нужный ресурс в базе данных портала по ключевому слову или словосочетанию;

•рейтинг популярных ресурсов и последние обсуждения на конференции портала;

• карта портала позволяет просмотреть структуру портала и перейти

клюбому из его разделов;

•о портале, где размещается информация о целях и задачах портала, указаны контактные адреса администраторов и руководителей работы портала.

Подсистема регистрации предназначена для учета и классификации потенциальных пользователей коллективными образовательными ресурсами и организаций, принимающих участие в создании и распространении образовательных ресурсов с удаленным доступом:

•регистрация пользователя,

•регистрация организации,

•изменение настроек пользователя.

База данных инструментальных средств, которая включает аппаратные и программные средства, рекомендуемые к использованию для разработки различных образовательных ресурсов:

•технические средства разработки образовательных ресурсов, в том числе средства создания лабораторий с удаленным доступом по сети Интернет;

•лицензионные программные продукты, используемые при разработке образовательных ресурсов, например пакет моделирования электрических схем PSpice или комплексная среда сбора, анализа и представления информации LabView;

•программные средства открытого доступа в виде библиотеки свободно распространяемых открытых программных кодов, которая содержит программные коды образовательных ресурсов и инструментальных средств их разработки, доступные пользователям в режиме открытого доступа, а также техническую документацию (техническое описание и инструкцию пользователя), позволяющие их использовать для собственных разработок, в целях сокращения сроков разработки, исключения параллелизма разработок и снижения затрат.

Библиотека электронных образовательных ресурсов коллективного пользования, разработанных различными учебными заведениями, классифицированных по их основным видам:

•статьи,

•учебники,

•задачники,

•справочники,

•тесты,

•нормативные документы,

•лаборатория.

487

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

База данных образовательных ресурсов коллективного пользования для выполнения практических и лабораторных заданий:

•реальные лаборатории,

•виртуальные лаборатории,

•учебные тренажеры технологических процессов,

•конференция.

Раздел включает несколько актуальных тематик для организации коллективного обсуждения:

•образовательные ресурсы,

•публикации,

•программное обеспечение,

•технические средства,

•работа портала.

Ввод в эксплуатацию и активное использование специализированного портала «Политехническая Интернет-лаборатория» будет способствовать своевременному информированию разработчиков и пользователей о существующих образовательных ресурсах, сокращению параллелизма разработок однотипных образовательных ресурсов, более широкому внедрению в образовательный процесс наиболее эффективных образовательных ресурсов, интеграции в международные образовательные программы.

Портал отмечен Дипломом ВВЦ № 686 (Постановление от 23.10.2003 г. № 55) за специализированный портал «Политехническая Интернет-лаборатория» на Пятой выставке-ярмарке «Современная образовательная среда» (г. Москва, ВВЦ, 29 октября — 1 ноября 2003 г.).

Авторские права защищены Свидетельством об официальной регистрации базы данных для ЭВМ «Специализированная база данных «Политехническая Интернетлаборатория» [12.3].

12.2.10. Пример реализации портативной Интернет-лаборатории «Основы электроники»

Удаленный доступ к лабораторному оборудованию по сети Интернет

Экспериментальные исследования в составе данной лаборатории осуществляются в режиме удаленного доступа многих пользователей к единичному комплекту лабораторного оборудования по компьютерной сети Интернет (или локальной сети Ethernet). Такой режим проведения лабораторных работ осуществляется следующим образом:

•на персональном рабочем месте удаленного пользователя загружается клиентское программное обеспечение (ПО), которое, в частности, позволяет:

-выбрать конкретный объект изучения из общего списка,

-настроить параметры объекта изучения в соответствии с требованиями индивидуального задания,

-задать алгоритмы и параметры управления,

-задать алгоритмы и параметры каналов измерения;

•сформированный таким образом программный блок задания передается по сети Интернет на сервер лабораторного стенда, где он проверяется на наличие прав

488

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

доступа у конкретного пользователя к лабораторному оборудованию и ставится

вочередь на исполнение;

•при получении разрешения на право доступа программный блок задания передается с сервера лабораторного стенда на микропроцессорный контроллер объектного модуля для исполнения задания;

•выполненное задание с микроконтроллера передается на сервер лабораторного стенда и далее, по каналу Интернет, конкретному пользователю, на компьютере которого происходит дальнейшая обработка результатов экспериментального исследования.

Портативная Интернет-лаборатория — это эффективное применение современных сетевых информационно-коммуникационных технологий для создания тиражируемого учебного лабораторного оборудования, содержащего все необходимые компоненты (объектная, информационно-измерительная, программно-методиче- ская и энергетическая подсистемы), компактно размещаемые в стандартных конструктивах и способные автономно работать в сети Интернет при минимальных требованиях к внешним подключениям (типовые электрические и коммуникационные сети).

Портативное исполнение учебного лабораторного оборудования обеспечивает его мобильность, т.е. свободу перемещения на значительные расстояния без потери функциональных свойств, что открывает возможности коллективного использования лабораторного оборудования многими территориально распределенными пользователям, например, посредством договоров аренды с региональными ресурсными центрами.

Оснащение подобным стандартным и тиражируемым лабораторным оборудованием региональных ресурсных центров и учебных заведений разного уровня (школ, ПТУ, вузов) обеспечит единый уровень практической подготовки учащихся при одновременном сокращении капитальных и эксплуатационных затрат за счет значительного сокращения количества требуемого лабораторного оборудования, площадей, обслуживающего персонала.

Состав портативной Интернет-лаборатории «Основы электроники»

В состав портативной Интернет-лаборатории «Основы электроники» входят следующие блоки и модули (рис. 12.25).

Корпус в стандарте «Евромеханика» с общим блоком электропитания (+/–5 В, +/–12 В, 200 Вт), магистралью развода электропитания, направляющими для установки и крепления не менее восьми сменных объектных модулей (рис. 12.26).

Переключатель компьютерной сети на восемь каналов (Ethernet Switch-8), предназначенный для связи каждого объектного модуля с компьютерной сетью Ethernet (рис. 12.27).

Типовой набор объектных модулей, каждый из которых содержит высокопроизводительный цифровой сигнальный процессор типа TMS320F243 производства фирмы Texas Instruments, специальный Ethernet-чип для выхода в сеть, а также несколько объектов изучения, образующих раздел или тему учебной дисциплины (рис. 12.28).

Серверное программное обеспечение, созданное для определения прав и очередности доступа пользователей, обмена информацией между удаленными пользователями и лабораторным оборудованием.

489

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

Рис. 12.25. Общий вид портативной Интернет-лаборатории «Основы электроники»

Рис. 12.26. Корпус в стандарте «Евромеханика»

490

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

Рис. 12.27. Переключатель компьютерной сети

Рис. 12.28. Типовой набор объектных модулей

491

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

Объектное программное обеспечение, предназначенное для автоматизированного выполнения средствами микроконтроллера TMS320F243 индивидуального задания каждого пользователя (выбор объекта изучения, настройка его параметров, задание тестовых сигналов, многоканальный контроль параметров и т.п.).

Клиентское программно-методическое обеспечение, используемое для теоретического изучения объекта, контроля знаний, моделирования заданных режимов работы, экспериментального исследования в режиме удаленного доступа, математической обработки результатов.

Функциональные возможности

Портативная Интернет-лаборатория «Основы электроники» содержит более 65 объектов экспериментального изучения, охватывающих базовые элементы, типовые интегральные микросхемы, основные устройства электроники, находящиеся в составе следующих сменных объектных модулей.

1. Модуль «Электрические цепи» (PIL001). Объектами изучения являются разветвленные электрические цепи постоянного и переменного (одно- и трехфазного) тока. Возможно изучение фундаментальных законов электротехники, переходных процессов в RLC-цепях различных конфигураций, явлений резонанса (всего не менее 20 лабораторных работ).

Модуль выполнен в виде двух стандартных плат 100×200 мм (рис. 12.29). Плата микроконтроллера включает полный набор компонентов высокопроиз-

водительного микроконтроллера типа TMS320F243 и предназначена для связи объектного модуля с внешним пользователем по каналу Ethernet, выполнения всех необходимых коммутаций и измерений параметров на объектной плате.

Рис. 12.29. Функциональная блок-схема модуля «Электрические цепи»

492