Избранные главы теории и практики дистанционного обучения

Применение компьютерных лабораторных работ с использованием указанных выше стандартных программ в системе Интернет-обучения наталкивается на определенные трудности. Как показывает анализ состояния компьютерного лабораторного практикума в любом учебном заведении, разные его кафедры, создавая свои собственные электронные учебные комплексы, предлагают студентам выполнять лабораторные работы с применением не менее десяти стандартных программ. Это означает, что студент для того, чтобы приступить к выполнению лабораторных работ по разным дисциплинам, должен прежде научиться работать с достаточно большим количеством компьютерных программ. Помимо этого, на разных кафедрах используются разные версии программного продукта одного и того же наименования, существенно отличающиеся друг от друга, что еще больше увеличивает число используемых в учебном процессе компьютерных программ, на освоение которых в учебном плане не отведено времени. Большинство из стандартных программ выполнено на английском языке, что требует создания более подробных инструкций для студентов дистанционного обучения, имеющих ограниченные возможности общения с преподавателями и другими студентами. Наконец, очень часто на разных кафедрах используются одни и те же программы, но каждая кафедра при этом разрабатывает собственные инструкции по освоению этих компьютерных программ.

На рис.1.3 приведен пример интерфейса виртуальной лабораторной работы по измерению ослабления корректора с применением программы Electronics Workbench. Студенты сами собирают виртуальную схему корректора, подключают измерительный прибор и видят на его экране график зависимости ослабления корректора от частоты.

Рис. 1. 3. Интерфейс виртуальной лабораторной работы

с использованием программы Electronics Workbench

Несмотря на несомненные удобства использования стандартных компьютерных программ в лабораторном практикуме, у них есть определенные недостатки. Один из них заключается в том, что эти программы являются лицензированными разработками. Поскольку дистанционное обучение требует тиражирования этих программ, то это повлечет за собой рост стоимости обучения, особенно если предполагается использовать несколько стандартных программ. Кроме того, не все обучающиеся имеют самые современные компьютеры, которые нужны для таких мощных программных продуктов, какими являются стандартные универсальные программы. И, наконец, все эти программы не являются учебными по своей структуре, т. к. в них отсутствует важный компонент любого учебного процесса – контроль полученных навыков. Многие преподаватели считают, что студент, как бы самостоятельно он не выполнял компьютерные лабораторные работы, должен обязательно пройти так называемую процедуру их защиты. Такую процедуру можно выполнить с помощью тестирования, но это потребует разработки дополнительной программы компьютерного контроля, которую можно было бы использовать в режимах on-line или off-line и которая отсутствует в стандартной моделирующей программе.

Перечисленными недостатками стандартных моделирующих компьютерных программ объясняется тот факт, что многие учебные заведения создают виртуальные лаборатории на базе компьютерных программ собственной разработки. Эти программы не так универсальны, как стандартные исследовательские программы, но обычно в них есть все необходимое для целей изучения конкретной дисциплины, включая программы контроля знаний как на этапе допуска студента к выполнению лабораторной работы, так и на этапе защиты выполненной работы.

Лаборатории с удаленным доступом. Организация удаленного доступа от компьютера учащегося через сеть Интернет к реальному оборудованию дает возможность решать целый комплекс качественно новых учебных задач: осуществлять оперативный многоканальный мониторинг динамических процессов в сложных системах; проводить диагностику технического состояния исследуемых объектов; реализовать многоканальное и функционально сложное управление объектами и обеспечить, тем самым, их качественное функционирование. Для выполнения лабораторных работ с удаленным доступом нужно иметь экспериментальный стенд, оснащенный современным оборудованием и управляемый компьютером через сеть Интернет. Этот стенд может находиться в учебной лаборатории университета, в научно-исследовательском институте или на предприятии, что позволяет изучать самые современные устройства, системы и сети, доступ к которым ограничен даже при очной форме обучения.

Возможны два режима удаленного доступа. Первый – это удаленный доступ к результатам, полученным при выполнении эксперимента, и второй – удаленный доступ непосредственно к проведению эксперимента.

При работе в режиме удаленного доступа к результатам эксперимента студент не работает с экспериментальной установкой, он только наблюдает за экспериментом. Все полученные результаты эксперимента отображаются на лабораторном сервере и становятся доступными для студента, который перегружает их на свой персональный компьютер. Задача студента – обработать результаты эксперимента по предлагаемой в лабораторной работе методике, оформить и прислать на проверку электронный отчет, содержащий таблицы, графики, диаграммы, а также основные выводы по результатам анализа экспериментальных данных, и защитить работу, выполнив тест. Такие лабораторные работы организуются для обработки результатов статистических испытаний и результатов экспериментальных исследований многопараметрических или быстроизменяющихся во времени процессов.

Удаленный доступ к управлению экспериментом предполагает работу с лабораторным стендом в режиме «on-line». Студент в реальном времени управляет автоматизированным экспериментом со своего персонального компьютера по предложенной методике. Доступ к эксперименту осуществляется в соответствии с расписанием работы лабораторного стенда по заявке студента, прошедшего предварительную проверку знания инструкции по работе с изучаемым оборудованием. Обработка результатов исследования и заполнение форм отчета могут быть осуществлены студентом также в режиме реального времени или после выполнения эксперимента в зависимости от методики выполнения лабораторной работы. Защита лабораторной работы – это, как правило, ответы на вопросы теста в режиме «on-line».

В любом случае, прежде чем приступить к лабораторной работе, студент должен получить допуск на ее выполнение. Для этого на Web-сервере учебного заведения должны быть размещены теоретические материалы, инструкции по работе с экспериментальной установкой (техническая документация), описание методики эксперимента, а также тест входного контроля для проверки теоретической и практической готовности студента к выполнению лабораторной работы.

Существует много способов создания лабораторных стендов, управляемых на расстоянии с помощью средств удаленного доступа. Компания National Instruments разработала специальную программную среду для организации управления реальным лабораторным оборудованием, которая получила название LabVIEW, что означает «Лаборатория виртуальных приборов». На самом деле речь идет о современных реальных приборах, выполненных на базе компьютера и не только не уступающих традиционным приборам, а во многих случаях превосходящих их.

Программа LabVIEW позволяет создать на экране лабораторного сервера приборную панель, на которой расположены все необходимые измерительные приборы (стрелочные приборы и индикаторы, осциллографы, измерители частоты и частотных характеристик и т.п.), а также пульт с органами управления лабораторной установкой: переключателями, кнопками, вращающимися ручками и т. д.

Приборная панель и пульт управления лабораторной установкой позволяют проводить на ней реальный лабораторный эксперимент. Важно отметить, что применение пакета LabVIEW не требует знания алгоритмических языков и владения сложными методиками программирования. Программирование ведется на уровне блок-схем и диаграмм. Помимо программного обеспечения компания National Instruments выпускает сотни измерительных плат, на базе которых могут быть разработаны различные лабораторные стенды и установки.

Важнейшим свойством программного пакета LabView является то, что он ориентирован на работу в сети Интернет. Запуск пульта управления лабораторной установкой, связанной с лабораторным сервером, осуществляется дистанционно через Интернет-браузер обучающегося. При этом в браузере обучающегося отображается копия пульта управления и приборной панели. Передача управляющих воздействий на лабораторную установку осуществляется с помощью мышки нажатием кнопок, изменением положений переключателей и ручек.

В качестве примера использования программного пакета LabVIEW опишем лабораторную установку с удаленным доступом, предназначенную для измерения характеристик полупроводниковых приборов и разработанную в Сибирском государственном университете телекоммуникаций и информатики. Лабораторная установка выполнена на однокристальном микроконтроллере AD и C812 со встроенными аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями фирмы Analog Devices. Этот микроконтроллер является полной системой сбора и обработки информации возможностью непосредственного подключения ее к последовательному COM-порту лабораторного сервера. Через этот порт и происходит обмен информацией между микроконтроллером и лабораторным сервером, на котором сформированы приборная панель с органами управления лабораторной установкой.

Другой частью лабораторной установки является измерительная плата с собранной схемой исследования полупроводниковых приборов. К этой плате подключаются с помощью кабеля аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи, входящие в состав микроконтроллера. С помощью этих преобразователей на исследуемые приборы подаются заданные напряжения и токи и снимаются с них измеренные значения напряжений и токов.

Рис. 1. 4. Интерфейс лабораторной установки с удаленным доступом для измерения характеристик полупроводниковых приборов

На приборной панели расположены пять приборов: стрелочные вольтметр и миллиамперметр, характериограф, измеритель температуры и регулятор напряжения (рис.1. 4).

Лабораторная установка работает следующим образом. При повороте с помощью мышки ручки регулятора напряжения происходит изменение воздействующего на полупроводниковый прибор напряжения. Измеренные напряжение и ток прибора отображаются показаниями вольтметра и миллиамперметра. На характериографе строится вольтамперная характеристика прибора. Контроль температурного режима работы полупроводникового прибора осуществляется датчиком DS 1820 компании Dallas Semiconductor, его показания фиксируются на панели измерителем температуры.

1. 4. Тренажерные технологии

Компьютерный тренажер – это обучающая программа, предназначенная для привития обучаемому навыков в конкретной области знаний [12—16]. Если различные разделы электронного учебника могут быть предназначены также для достижения других целей – накопления знаний, формирования умений, то тренажер служит только для отработки навыков. Многие знают, наверное, о компьютерных тренажерах для подготовки летчиков, изучения реакции человека и т. д. Подобных тренажеров в учебной практике много. Они позволяют человеку успешно отрабатывать практические навыки в условиях, когда это невозможно или нецелесообразно делать в реальных условиях.

На рис. 1. 5 изображен обучающий кадр динамического учебного элемента «Прохождение периодических сигналов через цепь». Данный элемент позволяет организовать самоуправляемую учебную деятельность при изучении спектра и формы сигнала на выходе цепи, когда на ее вход воздействует периодический сигнал стандартной формы. На выбор предлагается десять различных схем электрической цепи и шесть типов сигналов.

На экране учащийся видит шесть окон для графических изображений, окно для ввода параметров сигнала и элементов цепи, а также окно с управляющими кнопками.

Сразу же после ввода параметров входного сигнала и элементов цепи учащийся увидит слева сам входной сигнал и его спектр, цепь и ее характеристику, сигнал на выходе цепи и его спектр.

Рис. 1. 5. Обучающий кадр в динамическом учебном элементе

«Прохождение периодических сигналов через цепь»

У обучаемого имеется возможность, с одной стороны, изменять параметры сигнала (период, длительность импульсов) и наблюдать, как этот сигнал проходит через данную цепь, т.е. как изменяются его форма и спектр. С другой стороны, учащийся может оставить сигнал неизменным, а изменять элементы цепи и видеть, что эта цепь делает с сигналом и его спектром. Чтобы перейти к другому сигналу или другой цепи, нужно нажать кнопку «Закончить» и выйти с ее помощью на меню режимов, где вновь можно выбрать сигнал или цепь.

Довольно часто в учебном тренажере, в том числе и в приведенном в качестве примера, используется несколько режимов работы: обучающий режим, подробно описанный выше и предназначенный для активного приобретения учащимся навыков анализа и управления работой реальных устройств; демонстрационный режим, в котором учащемуся отведена роль наблюдателя за экспериментом, сопровождающимся письменными комментариями к происходящим на экране монитора изменениям; режим самоконтроля, позволяющий учащемуся самостоятельно оценить степень достижения поставленной цели.

1.5. Технологии создания видео лекций

Чтобы создавать студийные видеолекции, нужно, как минимум, иметь видеостудию. Как всем известно, построить видео или телестудию – это далеко не дешевое занятие: ведь простой телесуфлер для диктора, или, в нашем случае, для лектора, стоит около полумиллиона рублей. Естественно, каждый вуз хотел бы минимизировать затраты на создание такой студии, сохранив при этом ее функциональные возможности. Любая студия состоит из двух частей [18]:

– студийного павильона, где собственно и читаются лекции;

– центральной аппаратной, где происходит запись, а затем монтаж видеолекции.

Основными функциями видеостудии являются, если изложить кратко:

– запись видео;

– запись звука;

– редактирование видеоматериала;

– монтаж видеоматериала;

– хранение видеоматериала;

– запись видеоматериала на различные носители.

На рис. 1.6 показан один из вариантов оборудования

полнокомплектной видеостудии.

Основным элементом видеостудии является видеокамера. Чем более профессиональная камера, тем выше качество видеоматериала. Профессиональная камера стоит очень дорого, но можно обойтись более доступной по цене и приемлемой по качеству камерой, например, камерой Panasonic AG-HVX200 со штативом Libec TH-950DV. Главное, чтобы камера позволяла записывать в формате высокого разрешения, который обозначается буквами HD. Было бы замечательно, если бы камера в студийном павильоне была оборудована специальным телесуфлером с TFT монитором, например марки TLW-LCD150. Такой телесуфлер способен воспроизводить текст лекции, который будет виден лектору, но «не заметен» для видеокамеры.

Лектор для своей лекции может использовать какой-либо видеоматериал, например слайд-презентацию, которая предварительно записывается на специальный компьютер (обычно ноутбук) и выдается «в эфир» в нужные моменты преподавателем. Поэтому в студии нужно объединить два видеопотока: один – от камеры и другой – от преподавательского ноутбука. Объединяются эти видеопотоки с помощью устройства, которое носит название «видеомикшер» (например, видеомикшер SE-500 компании Data Video).

Рис. 1. 6. Оборудование полнокомплектной университетской видеостудии

Для обеспечения записи звука обычно используют петличный микрофон (например, марки SENNHEISER EW 122-G2), который потому так и называется, что он вставляется в петличку преподавателю. Чтобы звук был качественным, параллельно используется конденсаторный микрофон, например, AKG C 3000 B.

Для микширования (смешивания) звука можно применить микшерский пульт Yamaha MGC-124 CX. Контроль звука обычно осуществляют с помощью аудиомониторов Yamaha MSP-3 или наушников Beyerdynamics DT990 PRO.

Как правило, преподаватель хочет видеть то, что, как говорят, «идет в эфир». Для этого в студии необходимо предусмотреть контрольный монитор.

Сформированный в студии общий информационный поток передается из нее в центральную аппаратную. Поскольку современная аппаратура в студии формирует и видео и аудио сигналы в цифровой форме, то для передачи цифрового потока информации из студии в аппаратную используется специальное интернет-оборудование, которое называется интернет-шлюз (например, оборудование D-Link DIR-655).

Говоря о создании видеостудии, нельзя обойти такие важные моменты, как освещение студии, отделка стен, пола и потолка, кондиционирование и электропитание.