Информатизация инженерного образования (выпуск 1)

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

Первый и основной вопрос состоит в том, можно ли использовать ВЛП при преподавании данной дисциплины. Ответ на этот вопрос для электротехнического материаловедения дается в пп. 12.3.2 и 12.3.3. Если ответ на данный вопрос отрицательный, то можно сразу перейти к следующей главе.

Следующей по порядку необходимо решить задачу о том, каким образом применять виртуальный лабораторный практикум.

После этого встает вопрос о том, где и как приобрести ВЛП по дисциплине. Если ВЛП по дисциплине отсутствуют на рынке или по каким-либо причинам

не могут быть применены в учебном процессе, встает вопрос о разработке ВЛП, о том, можно ли, исходя из имеющихся сил и средств, за разумное время разработать виртуальный лабораторный практикум.

Если ответ на предыдущий вопрос положительный, требуется разработать внешний облик ВЛП, решив перечисленные ниже вопросы:

•будет ли ВЛП воспроизводить внешний вид и функциональность имеющегося реального лабораторного практикума;

•каким образом ВЛП будет применяться в учебном процессе;

•как будет доставляться пользователю;

•как организовать взаимодействие между обучаемыми и преподавателями, проводящими лабораторные занятия.

Затем следует:

•решить экономические и организационные вопросы разработки ВЛП;

•распределить работы по созданию виртуального лабораторного практикума желательно с привлечением не только сотрудников и преподавателей, но и студентов, и аспирантов;

•разработать документацию по применению виртуального лабораторного практикума, включая описания лабораторных работ, методические указания по проведению лабораторных работ, инструкции по развертыванию и эксплуатации ВЛП;

•развернуть виртуальный лабораторный практикум в дисплейных классах и/или корпоративной сети вуза;

•организовать применение ВЛП в учебном процессе.

12.3.2. Краткая характеристика предметной области электротехнического материаловедения

Продолжим рассмотрение вопросов, связанных с разработкой виртуальных лабораторных практикумов на модельном примере — ВЛП ЭТМ. Разработка виртуального лабораторного практикума начинается с анализа предметной области для создания моделей изучаемых явлений.

Электротехническое материаловедение представляет собой в основном описательную дисциплину. Связано это с тем, что электротехнические материалы — сложные, многокомпонентные объекты; количественные физико-математические модели, описывающие их электрофизические свойства в зависимости от внешних воздействий, как правило, отсутствуют. Исключением являются элементарные полупроводники, включая германий и кремний. Для этих материалов имеются физико-математические модели, позволяющие с высокой степенью точности описывать, например, зависимость удельного объемного сопротивления от температуры.

503

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

Для других видов электротехнических материалов модели позволяют в лучшем случае предсказать качественный вид зависимости электрофизических свойств.

Трудность представляет даже описание электротехнического материала в системе состав—структура—технология—свойства из-за невозможности точного определения точки, соответствующей состоянию материала в многомерном пространстве системы состав—структура—технология—свойства (часть внутренних параметров остается либо совсем неопределенной, либо определенной с точностью до интервала значений).

12.3.3. Реальный лабораторный практикум по электротехническому материаловедению

Реальный лабораторный практикум по электротехническому материаловедению сложился в конце пятидесятых годов прошлого века и с тех пор кардинально не менялся. Он основывается на изучении электрофизических процессов, протекающих в различных электротехнических материалах. Традиционно лабораторный практикум включает в себя исследование:

•проводимости твердых диэлектриков;

•диэлектрической проницаемости и потерь в твердых диэлектриках;

•пробоя твердых диэлектриков;

•проводимости полупроводниковых материалов и эффекта выпрямления на контакте металл—полупроводник или полупроводник—полупроводник;

•проводимости проводниковых материалов;

•свойств магнитных материалов (намагничивания, температурных зависимостей магнитной проницаемости магнитомягких и магнитотвердых материалов).

Состав лабораторных работ лабораторного практикума и заданий на их выполнение варьируется в зависимости от специальности обучаемых. Так, для студен- тов-энергетиков проводятся лабораторные работы, связанные с исследованием проводимости и электрической прочности газов, а задания на исследование свойств электротехнических материалов на высоких частотах не предлагаются. Для студентов слаботочных специальностей могут быть предложены лабораторные работы, связанные с исследованием, например, активных диэлектриков (в частности, сегнетоэлектриков), возможно проведение исследований проводимости проводящих и диэлектрических материалов при низких температурах [12.9].

Практически все лабораторные работы реального практикума сводятся к исследованию зависимостей электрофизических параметров исследуемых электротехнических материалов от внешних воздействий: прилагаемого напряжения, его частоты, температуры образца исследуемого материала, влажности и других факторов. Некоторые эксперименты могут быть достаточно длительными, например исследование температурных зависимостей электрофизических свойств материалов может занимать десятки минут.

Обычно методика проведения лабораторных работ реального практикума включает следующую последовательность действий:

•изучение разделов учебника по теме лабораторной работы и описания лабораторной работы (подготовка к лабораторной работе);

•краткий коллоквиум перед началом выполнения лабораторной работы;

504

Гл а в а 12. Лабораторный практикум

•сборка электрической схемы эксперимента (в состав лабораторного задания обычно входят несколько экспериментов, например по исследованию потерь в твердых диэлектриках от температуры, величины и частоты прилагаемого напряжения);

•проведение экспериментов с фиксацией результатов в лабораторном журнале;

•переход к следующему эксперименту;

•предварительная расчетная обработка результатов экспериментов (результаты косвенных измерений пересчитываются в значения электрофизических параметров) с последующей проверкой преподавателем;

•оформление отчета по лабораторной работе с полным проведением обработки результатов экспериментов, интерпретацией полученных экспериментальных зависимостей и сравнением их с теорией;

•защита лабораторной работы, на которой студенту предлагаются как вопросы по выполнению лабораторной работы, так и теоретические вопросы по явлениям и процессам, изучаемым при проведении лабораторной работы.

Ограниченное число лабораторных стендов реального лабораторного практикума не позволяет проводить лабораторные работы фронтальным методом: группа разбивается на бригады по три-четыре человека (в зависимости от численности группы), каждая бригада выполняет одну из лабораторных работ. В учебной лаборатории имеется не более одного-двух стендов для проведения каждой лабораторной работы. Это приводит к некоторым издержкам, так как студентам в начале семестра приходится выполнять лабораторные работы по учебному материалу, который еще не рассматривался на лекциях. Это также увеличивает нагрузку и на преподавателей, проводящих занятия, — лабораторные стенды установлены в разных помещениях, к тому же проведение лабораторных работ связано с использованием высокого напряжения.

Возможность дистанционного применения реальных лабораторных стендов, используемых в настоящее время в учебном процессе, практически отсутствует по следующими причинам:

•во-первых, все лабораторные стенды лишены средств удаленного управления, так как они нуждаются в постоянном обслуживании при проведении лабораторных работ (в настоящее время этим занимаются учебно-вспомогательный персонал и сами обучаемые; например, при исследовании пробивных напряжений твердых диэлектриков после каждого эксперимента нужно заменить пробитый образец);

•во-вторых, лабораторные стенды не позволяют мультиплексировать работу

сними, т.е. каждому обучаемому должен быть сопоставлен лабораторный стенд, что невозможно по очевидным экономическим соображениям, а осуществить удаленную бригадную работу со стендами вряд ли возможно;

•в-третьих, большинство лабораторных работ реального практикума предполагают длительное время ожидания, например, при исследовании температурных зависимостей электрофизических параметров электротехнических материалов, которое может достигать десятков минут; это неприемлемо в условиях дистанционного обучения — непонятно, чем занять обучаемых в такие периоды ожидания.

Перечисленные факторы обусловили решение о создании виртуального лабораторного практикума по дисциплине.

505

ЧА С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

12.3.4.Требования к виртуальному лабораторному практикуму по электротехническому материаловедению

При планировании создания виртуального лабораторного практикума желательно продумать его многоцелевое применение в условиях различных форм обучения. Для виртуального лабораторного практикума по электротехническому материаловедению (ВЛП ЭТМ) это, во-первых, совместное и параллельное его использование с реальным лабораторным практикумом в целях разгрузки последнего на больших потоках обучаемых. Вторым назначением ВЛП ЭТМ является его самостоятельное дистанционное использование в составе учебно-методического комплекса по электротехническому материаловедению (УМК ЭТМ).

Учебно-методический комплекс ЭТМ включает в себя кроме ВЛП электронный учебник, подсистему проверки знаний и административное приложение для управления комплексом.

В свою очередь, параллельное использование реального и виртуального практикумов требует их идентичности в рамках внешнего вида, используемого реального и виртуального оборудования, приемов работы. Это связано с тем, что применение новых информационных систем учебного назначения на кафедрах технологического профиля зачастую встречает настороженное отношение, и возможность использования наработанных на реальном практикуме методических приемов позволяет преподавателям плавно начать внедрение таких систем в информационный процесс.

Существенным требованием является возможность внесения дополнений, по крайней мере, в части сценариев и заданий на выполнение лабораторных работ без необходимости перепрограммирования виртуальных лабораторных стендов. В противном случае система, как показывает опыт, остается без изменений неопределенное время, изменения могут вноситься только ее разработчиками с минимальным участием преподавателей, проводящих занятия.

Не последним по важности фактором является высокая готовность виртуального лабораторного практикума, а в идеале возможность проводить лабораторные работы в любое время суток и в праздничные дни. Это автоматически влечет за собой требование организации проведения лабораторных работ. Лабораторные занятия по возможности должны проводиться в асинхронном режиме, т.е. без непосредственного участия в них преподавателя. Преподаватель должен в определенное время, регламентируемое администрацией подразделения, отвечать на запросы студентов, например, проводя коллоквиумы, проверяя предварительные и окончательные отчеты по выполнению лабораторных работ.

Кроме высокой готовности важным требованием является простота эксплуатации лабораторного практикума. Если практикум эксплуатируется в условиях технологической кафедры, выделение квалифицированного системного администратора является проблематичным.

При эксплуатации виртуальных лабораторных практикумов в условиях дисплейных классов вуза или корпоративной сети системным администраторам приходится обслуживать большое число различных учебных программных средств. Поэтому желательно, чтобы обслуживание было максимально простым, например, сводилось к восстановлению системы с резервной копии и, возможно, перезагрузке сервера. Последнее не является желательным в том случае, если на сервере развернуто большое число одновременно эксплуатируемых учебных систем.

506

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

Лабораторные работы, входящие в состав виртуальных лабораторных практикумов, должны быть обеспечены большим числом индивидуальных заданий, в противном случае преподаватели уже через год эксплуатации ВЛП начнут получать отчеты по лабораторным работам, изготовленные методом копирования и вставки. Именно поэтому возможность разработки и развертывания новых заданий должна быть максимально упрощена, осуществляться на уровне ввода данных без перепрограммирования ВЛП и по возможности без привлечения разработчиков виртуального лабораторного практикума.

Желательно, чтобы работа с виртуальным лабораторным практикумом могла осуществляться не только внутри вуза, но и по месту жительства студентов, обеспечивая возможность дистанционного доступа к ВЛП. Это накладывает серьезные ограничения на размеры исполняемых модулей и данных ВЛП с тем, чтобы виртуальные лабораторные работы можно было выполнять, используя коммутируемое соединение.

Выполнение лабораторных работ представляет собой достаточно длительный процесс (от двух до четырех академических часов), при реализации ВЛП в виде сетевого приложения в настоящее время затруднительно требовать, чтобы в условиях современной российской инфраструктуры связи обучаемый все время выполнения лабораторной работы находился в оперативном режиме, т.е. подключенным к сети. Именно поэтому виртуальный лабораторный практикум должен обладать возможностью быть выполненным в отсоединенном режиме, т.е. подключение к сети осуществляется только для получения исполняемых модулей, задания на выполнение работы и для отправки результатов. Собственно выполнение виртуальной лабораторной работы должно быть возможным в автономном режиме без подключения к сети.

Наконец, виртуальный лабораторный практикум должен быть полностью создан имеющимися силами, т.е. сотрудниками, аспирантами и студентами кафедры.

Подробно остановимся на требованиях к виртуальному лабораторному практикуму, так как аналогичные требования с некоторыми вариациями выдвигаются к большинству ВЛП по инженерным дисциплинам.

12.3.5. Принцип расщепленного эксперимента

Отсутствие удовлетворительных математических моделей физических процессов, протекающих в электротехнических материалах, привело к необходимости формулировки принципа расщепленного эксперимента для виртуального лабораторного практикума по электротехническому материаловедению.

Используемые в ВЛП ЭТМ модели основываются на двух источниках: экспериментальных данных, полученных при исследовании электрофизических свойств реальных электротехнических материалов в лабораториях кафедры, и литературных данных, извлекаемых из справочных и научных публикаций.

Публикуемые данные представляют собой значения электрофизических параметров, определенные в пространстве параметров системы состав—структура— технология—свойства. Из-за многомерности пространства параметров эти данные обычно не являются полностью определенными, что влечет за собой существенные различия в значениях электрофизических свойств для одних и тех же электротехнических материалов в различных источниках. Связано это не с погрешностями

507

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

эксперимента или недобросовестностью экспериментаторов, а с неполным заданием точки, соответствующей эксперименту в пространстве параметров (часть значений параметров задается по умолчанию, а часть иногда намеренно скрывается, например в описаниях резистивных композиций часть параметров, касающихся их состава и технологии приготовления, является коммерческой тайной).

В описаниях электротехнических материалов часто встречаются зависимости одного электрофизического параметра от внешнего воздействия, например температуры, частоты, приложенного напряжения, при фиксации других параметров. Обычно приводится одноили двухпараметрическое семейство зависимостей.

Данная особенность предметной области потребовала анализа, отбора экспериментальных и литературных данных, а в ряде случаев их перепроверки, а также создания специальных процедур сглаживания и интерполяции при неопределенности задания некоторых параметров.

В виртуальном лабораторном практикуме по электротехническому материаловедению обучаемому предъявляется набор стендов, на котором он/она проводят виртуальные эксперименты, в которых используются данные, полученные на первом этапе расщепленного эксперимента. Виртуальные стенды представляют собой имитаторы реальных лабораторных стендов практикума по электротехническому материаловедению, т.е. виртуальный эксперимент практически полностью имитирует действия обучаемого при выполнении лабораторных работ реального практикума.

Потоки данных при выполнении виртуальных лабораторных работ по электротехническому материаловедению представлены на рис. 12.35. Сбор данных осуществляется постепенно в автономном режиме, собранные данные подвергаются статистической обработке, отбору, на их основе создаются описания вариантов выполнения лабораторных работ, представляющие собой текстовые XML-файлы.

Рис. 12.35. Потоки данных в виртуальном лабораторном практикуме по электротехническому материаловедению

508

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

После тестирования на автономных виртуальных лабораторных стендах вновь созданные файлы заданий загружаются в базу данных учебно-методического комплекса по электротехническому материаловедению и с этого момента становятся доступными ВЛП. Это единственная операция, реализуемая системным администратором. Подготовка данных осуществляется преподавателями. Для каждой виртуальной лабораторной работы имеются файлы-шаблоны, облегчающие заполнение и проверку XML-описаний виртуальных лабораторных работ.

12.3.6. Архитектура виртуальных лабораторных практикумов

На данном этапе определены требования к виртуальному лабораторному практикуму и требуется ответить на вопросы: как он будет выглядеть, какие технологии и средства будут использованы для его создания, как будет ВЛП доставляться обучаемым, как организовано проведение занятий?

Идеальной является ситуация, когда ВЛП имеется на рынке, его можно приобрести, развернуть и применить в учебном процессе. К сожалению, в отличие от электронных изданий рынок ВЛП еще только начинает складываться и рассмотренная ситуация является скорее исключением, чем правилом.

Далее рассмотрим использование различных инструментальных средств для построения ВЛП, зависящих от способа применения ВЛП.

В настоящее время для сопряжения с экспериментальным оборудованием, сбора данных и моделирования широко применяется инструментальная среда LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) фирмы National Instruments. LabVIEW — среда разработки лабораторных виртуальных приборов

— предоставляет средства графического программирования для создания виртуальных приборов и устройств, обладает обширными библиотеками виртуальных устройств. Виртуальные приборы LabVIEW способны работать как с реальными объектами, так и с их программными моделями.

На сайте российского представительства National Instruments (http://labview.ru/) имеются специальные предложения для вузов по приобретению Labview, на русском языке имеются по крайней мере две книги по работе с системой [12.10, 12.11].

Среда LabVIEW позволяет распространять приложения двух типов. В простейшем случае допустимо сохранять и распространять подготовленную модель в виде виртуального прибора LabVIEW, совместимого с проигрывателем LabVIEW Player. Для использования такого виртуального прибора пользователю достаточно установить на компьютере свободно распространяемый проигрыватель LabVIEW Player. Файлы виртуальных приборов имеют небольшой объем (десятки килобайт) и легко могут распространяться через Интернет. Однако объем проигрывателя составляет около 150 Мб, и загрузка такого объема данных по коммутируемым соединениям представляет собой серьезную проблему.

Другим подходом является создание полноценных исполняемых модулей (exeфайлов), содержащих в себе все необходимое для выполнения лабораторной работы. К сожалению, такие файлы также получаются достаточно объемными (несколько мегабайт).

Рассмотрим использование LabVIEW для создания виртуального лабораторного практикума на примере виртуального лабораторного комплекса по дисциплине

509

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

«Электрические машины». Практикум опубликован на сайте кафедры электрических машин МЭИ (ТУ) (http://elmech.mpei.ac.ru).

Web-страница практикума представлена на рис. 12.36.

Лабораторная работа включает в себя описание (рис. 12.37) и лабораторный стенд (рис. 12.38).

Отметим здесь, как выбор инструментальных средств влияет на методику развертывания и проведения ВЛП. Хотя виртуальный лабораторный практикум развернут на web-сервере кафедры электрических машин МЭИ (ТУ), из-за большого объема исполняемых модулей виртуальных лабораторных работ приходится обеспечивать доставку ВЛП обучаемым не через сеть, а на CD-ROM. Лабораторные работы комплекса должны переписываться на жесткий диск и запускаться с него.

Общение между преподавателем, проводящим занятия, и студентами осуществляется либо лично, либо по электронной почте. При подготовке к лабораторным занятиям возможно использование электронного учебника по дисциплине и подсистемы проверки знаний учебно-методического комплекса по электрическим машинам.

Как видно из сказанного, виртуальные лабораторные работы по электрическим машинам исполняются локально на компьютерах обучаемых. Преимущество данного подхода состоит в том, что при выполнении виртуальных лабораторных работ практикума студент, находясь в автономном режиме, не зависит ни от состояния серверов учебного заведения, ни от инфраструктуры связи. Недостатком данного подхода является необходимость изготовления тиража ВЛП на CD-ROM и распространения его среди обучаемых.

Перейдем к рассмотрению следующей среды для построения виртуальных лабораторных практикумов — Mathсad Application Server фирмы MathSoft (http://www.mathsoft.com/). Кратко остановимся на этом инструментальном средстве, так как ему посвящена гл. 15, отметим только, что Mathcad является прекрасным средством для построения ВЛП в том случае, если процессы, моделируемые с его помощью, описываются математическими формулами, обыкновенными дифференциальными уравнениями и в меньшей степени уравнениями в частных производных. Mathcad обладает разнообразными средствами для отображения графических зависимостей. До недавнего времени работа с Mathcad требовала установки на каждом компьютере обучаемого достаточно дорогого и объемного программного обеспечения. Появление Mathcad Application Server позволило публиковать наработанные модели на web-сервере учебного заведения, используя для доступа к ним обычный браузер. Достоинством системы является то, что имеющиеся приложения Mathcad могут легко быть доработаны для установки на Mathcad Application Server — изменений требуют только средства ввода данных пользователем.

В данном случае вся функциональность сосредоточена на стороне сервера приложений, а клиентская часть ВЛП — браузер — используется только для ввода данных и представления результатов. Достоинствами такого чисто серверного подхода являются высокая готовность, минимальные усилия по развертыванию виртуального лабораторного практикума на стороне обучаемых. Недостатки также существуют: во время проведения лабораторных работ обучаемый должен быть подключен к сети, между вводом пользователем данных и получением ответа от сервера может пройти некоторое время, требуемое для проведения расчетов сервером и передачи результатов расчетов пользователю через сеть.

510

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

Рис. 12.36. Web-страница практикума по электрическим машинам

Рис. 12.37. Оглавление описания виртуальной лабораторной работы «Исследование трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором»

511

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

Рис. 12.38. Стенд виртуальной лабораторной работы «Исследование трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором»

Кроме того, средства браузера, используемые для построения графических пользовательских интерфейсов, существенно беднее графических пользовательских интерфейсов современных операционных систем.

Другим, во многом аналогичным средством для проведения инженерных расчетов является система MATLAB фирмы MathWorks (http://www.mathworks.com). Функции сервера приложений в MATLAB выполняет MATLAB Web Server. Mathcad и MATLAB — конкурирующие системы, MATLAB обладает лучшими по сравнению с MathLab языком описания задач, средствами для проведения матричных расчетов, уникальными возможностями моделирования систем управления, нейронных сетей, в то же время уступая Mathcad наглядностью и встроенными графическими возможностями. Локальные приложения MATLAB для использования совместно с MATLAB Web Server требуют более серьезной доработки.

Для решения специальных классов задач при создании ВЛП могут быть использованы системы ANSYS (http://www.ansys.com/), Elcut (http://www.tor.ru/elcut/) для решения задач, описываемых дифференциальными уравнениями в частных производных, Femlab (http://www.comsol.com/) для решения уравнений в частных производных методом конечных элементов, SPICE (http://bwrc.eecs.berkeley.edu/Classes/IcBook/SPICE/) для расчета электрических и электронных цепей. Естественно,

512