Кривошапка Е.А. ЛАБОРАТОРІЯ З ВІДДАЛЕНИМ ДОСТУПОМ ЯК АЛЬТЕРНАТИВА ТРАДИЦІЙНИМ МЕТОДАМ ПРОВЕДЕННЯ ЛАБОРАТОРНИХ ЗАНЯТЬ

ЛАБОРАТОРІЯ З ВІДДАЛЕНИМ ДОСТУПОМ ЯК АЛЬТЕРНАТИВА ТРАДИЦІЙНИМ МЕ

ТОДАМ ПРОВЕДЕННЯ ЛАБОРАТОРНИХ ЗАНЯТЬ

Інноваційні методи навчання, які основані на використанні останніх досягнень науково-технічної думки, на даному етапі розвитку сучасної освіти є вагомою силою на шляху удосконалення сучасних методів навчання.
Подальший розвиток комп’ютеризації навчальних закладів та їх технічне оснащення, а також доступ до Інтернету дає можливість викладачу використовувати в повному обсязі його ресурси.
Одним із прикладів використання Інтернету є можливість проводити лабораторні заняття з дисципліні «Основи електроніки і мікросхемотехніки» за допомогою лабораторії з віддаленим доступом, які вже створені в навчальних закладах нашого північного сусіда – Росії. Прикладом є лабораторія віддаленого доступу Сибірського державного університету телекомунікації і інформатики, основним завданням якої є розробка лабораторних робіт з електротехнічних дисциплін для потреб дистанційної освіти, яка на даному етапі є актуальною для нашої країни. Крім того, можливість проведення лабораторних робіт можна використовувати і в звичайному навчальному процесі при наявності комп’ютерних класів з доступом до ресурсів Інтернету, відсутності або застарілому обладнанні лабораторій з даній дисципліні.
На поточний момент у вищевказаному навчальному закладі в освітній процес впроваджено два комплекси лабораторного практикуму з курсів «Електроніка» і «Мікросхемотехніка». Студент, який навчається за програмою дистанційної освіти, може, перебуваючи в будь-якій точці планети, через глобальну мережу Інтернет, отримати доступ до реального обладнання та виконати лабораторну роботу. Необхідність створення таких лабораторій обумовлена тим, що інженерна освіта передбачає підготовку фахівців-практиків, які мають навички роботи з приладами, а також для експериментального закріплення пройденого матеріалу. Лабораторії з віддаленим доступом покликані не тільки дублювати лабораторний практикум очного навчання, але і дозволити працювати з унікальним дорогим обладнанням, ставити реальні експерименти з будь-якої точки земної кулі.
На жаль, думки багатьох викладачів зводяться до того, що в системі освіти доцільно скрізь, де це можливо, переходити в лабораторних практикумах від використання реального фізичного обладнання до математичного моделювання, тобто до використання віртуальних лабораторій, оснащених відповідним прикладним програмним забезпеченням. Викликано це тим, що економічно більш ефективно оснастити аудиторію комп'ютерами, ніж специфічним, як правило,
дорогим обладнанням. З цим складно посперечатися, але парадокс ситуації полягає в тому, що метод використання лабораторій з віддаленим доступом дозволяє відразу декільком студентом працювати за однією установкою. У цьому випадку робочим місцем є ЕОМ з мережевим підключенням, на яке працює
відповідне програмне забезпечення. На екрані студент бачить різні індикатори, стрілки приладів, органи управління і навіть зображення досліджуваної системи, отримане з веб-камери. Тут виникає дилема: чи можна вважати зображення на дисплеї комп'ютера «реальним» обладнанням і чим воно відрізняється від імітації? Чи важливий для інженерної освіти експеримент з цим обладнанням, або чи достатньо дослідження систем, змодельованих програмно? Адже деколи модель надає набагато більші можливості маневрування параметрами системи, ніж реальне обладнання, що важливо для комплексного вивчення дисципліни.
Як зазвичай відбувається робота в лабораторії? У звичайній лабораторії перед нами перебуває сам об'єкт, що вивчається, забезпечений різними вимірювальними приладами. По ходу експерименту ми можемо змінювати параметри системи, що вивчається: крутити ручки, робити настроювання вимірювальних приладів, встановлювати певний режим роботи і т.д. У результаті роботи у викладачів і студентів виникають специфічні відчуття певного таїнства присутності в лабораторії, можливості безпосередньо впливати на хід роботи, у свідомості закріплюється образ реального фізичного експерименту. Однак подібна вистава експериментальної практики є скоріше стереотипом і має місце лише в не багатьох випадках. Справа в тому, що існують науки, і їх більшість, у яких близький контакт людини і системи, який вивчається, неможливий. Так, при роботі з шкідливими для здоров'я людини речовинами, при вивченні віддалених об'єктів або, наприклад, дослідженнями Землі з близького космосу, присутність дослідника поруч з об'єктами і вимірювальними приладами утруднено. Для вирішення подібних завдань, а вони вирішувалися ще й у докомпютерну епоху, створювалося спеціальне обладнання для дистанційного керування та збору експериментальних даних. Команди у вигляді електричних сигналів по дротах прямували з пультів керування на відповідні виконуючі пристрої (маніпулятори), а дані з вимірювальних приладів виводилися на пульти контролю, згодом замінені комп'ютерами. Радіозв'язок використовувався для передачі команд і отримання даних з устаткування, встановленого на висотних аеростатах, штучних супутниках Землі.
Ситуація різко змінилася з бурхливим розвитком мережі Інтернет. Канали зв'язку між комп'ютерами стали доступні, надійні і дешеві. І, як наслідок, віддалений доступ до досліджуваного об'єкта став застосовуватися в педагогічній практиці у вигляді лабораторій з віддаленим доступом для інженерної освіти. Тепер досліджуваний стенд може перебувати в стінах навчального закладу, а студент за допомогою ручок, важелів і індикаторів на екрані персонального комп'ютера може повною мірою виконувати експериментальні завдання.
Утруднення викликає нібито відсутнє відчуття фізичного експерименту, і більшість викладачів знаходять таку роботу дуже схожою до імітації. В результаті
виникає менш ресурсномістка альтернатива - вивчення предмета за допомогою моделюючих програм. Імітаційне моделювання дозволяє з мінімальними витратами на обладнання змоделювати практично будь-який лабораторний експеримент. Може навіть виявитися, що комп'ютерна реалізація досліджуваного на лабораторному стенді процесу в методичному сенсі буде найбільш вдалою і повною. Але не можна забувати, що мова йде про підготовку молодших спеціалістів, адже сутність інженерної кваліфікації полягає не тільки і навіть не стільки у володінні формалізованими методами вирішення інженерних завдань, скільки в розвиненій інтуїції, так званому інженерному чутті, спирається на знання фундаментальних фізичних властивостей технічних об'єктів і процесів та вміння глибоко аналізувати ці властивості.
Що являє собою модель?
Модель - це штучно створений об'єкт у вигляді схеми, фізичних конструкцій, знакових форм або формул, який, будучи подібний досліджуваного об'єкта (або явища), відображає і відтворює в більш простішому вигляді структуру, властивості, взаємозв'язки і відносини між елементами цього об'єкта. Таким чином, модель апроксимує вже відомі правила і закони, тоді як у реальній системі завжди залишається база для виявлення нових залежностей і якостей системи. При виконанні лабораторної роботи на «живому» обладнанні студент не завжди отримує повне підтвердження теоретичним висновкам, іноді мають місце якісь непередбачуваності. Зосереджуючи увагу на цьому, якому-небудь відхиленні від теоретичної основи, яке могло б залишитися не поміченим іншими дослідниками, формуються нові знання. Але модель як плід роботи іншого спеціаліста, по суті, позбавлена можливості мати цю ключову непередбачуваність, а будь-які відхилення від теорії викликані неточністю моделі. Таким чином, модель у своїй основі не несе нового знання, а лише розширює його і конкретизує. Як сказав Ян Хакінг: «Моделі - посередники, які покривають деякі аспекти реальних явищ, поєднуючи їх з допомогою спрощення математичного апарату в теорії, управляючі явищами».
Вивчення матеріалу за допомогою моделюючої програми можливо, але при цьому відбувається просте «натаскування» студента. Інша справа якщо в процесі навчання студент після засвоєння теоретичного матеріалу самостійно будує свою власну модель, тоді йому буде доступно міняти не тільки параметри, але й основні принципи і закони. Але ж щоб будувати адекватні математичні моделі, необхідно глибоко розуміти фізичну природу об'єктів моделювання. Щоб вибрати технічно грамотні рішення при роботі з системами автоматичного проектування (САПР) або іншими людино-комп'ютерними комплексами, необхідно вміти правильно сприймати і осмислювати результати обчислень, враховувати важко формалізовані фактори, завжди наявні в інженерній діяльності. Таким чином,
осмислена робота з моделями вимагає певної інженерної кваліфікації і не припустима на початковому рівні інженерної освіти.
У педагогічній практиці експеримент ставиться в основному для перевірки теорії. Лабораторні практики для студентів покликані проілюструвати теоретичний матеріал, викладений на лекціях, довести його на практиці. Але модель не може служити критерієм істини. Експеримент над моделлю ілюструє лише те, що її автор добре розібрався в теоретичному матеріалі і вміє проілюструвати це у віртуальному середовищі, але вміння пояснити не дає гарантії точного результату. Інакше справа йде з лабораторіями з віддаленим доступом: незважаючи на те, що при виконанні лабораторних робіт дистанційно нібито присутнє відчуття нереальності того, що відбувається, результат роботи може бути критерієм істини, тому що він є об'єктивним.
На користь використання моделюючих програм у лабораторному практикумі можна віднести те, що студент паралельно освоєння основного курсу отримує навички використання спеціалізованого програмного забезпечення, що особливо важливо в умовах невпинного зростання комп'ютеризації виробництва. Перевагою таких програм, а зокрема САПР, є звільнення студента від складних обчислень, заміна повсякденної роботи творчою.
Студенти інколи не отримують у повному обсязі навіть тих знань властивостей технічних пристроїв, які їм давало традиційне «докомп'ютерне» навчання. До того ж відносна легкість отримання результату із застосуванням ЕОМ знижує інтерес до самого результату. Так, пошук шляхом ряду проб оптимального та раціонального рішення в проектних завданнях набагато цікавий і повчальний для майбутнього інженера, ніж отримання тільки одного оптимального проекту, який не можна поліпшити і нема з чим порівняти. Погану послугу інженерної підготовки спеціалістів іноді робить і прихованість обчислювальних процесів, виконуваних на ЕОМ. Багато обчислення, які ми нерідко оголошуємо повсякденною роботою, володіють великим навчальним ефектом, тому що дозволяють простежити і зрозуміти зв'язок значень варійованих змінних технічного об'єкта з його характеристиками.
Фізичний експеримент дозволяє органічно зв'язати практичні та теоретичні проблеми технічних курсів в єдине ціле. Складне економічне становище в країні змусило перевести багато навчальні лабораторії на комп'ютерне моделювання, але сьогодні з'явилася альтернатива - лабораторії з віддаленим доступом.
Розглянемо взаємодії елементів лабораторії на прикладі виміру характеристик напівпровідникового діода. Студент повинен запустити на своєму комп'ютері вільно розповсюджену програму LabView Run-Time 7.1 і клієнтську програму El_client.exe, яку можна безкоштовно скачати. У результаті на екрані з'явиться меню:




У цьому меню студент вводить ім'я сервера (www.leso.sibsutis.ru), до якого підключена віддалена лабораторія, прізвище та ім'я, номер навчальної групи. Далі вибирається лабораторна робота № 1. У результаті з'явиться вікно зі схемою дослідження діода.



За допомогою тумблера до схеми вимірювання підключається один з діодів (кремнієвий або германієвий). У цьому випадку на віддаленому стенді відбудеться підключення відповідного реального діода. Далі за допомогою миші повертаючи ручку регулятора напруги, студент спостерігає за показаннями вольтметра і міліамперметра. При цьому в реальному масштабі часу (в режимі online) будується графік вольтамперной характеристики діода. Для порівняння характеристик різних діодів їх графіки можна побудувати на одному екрані. Результати експерименту студент копіює у свій звіт про виконану роботу.
На наступному малюнку зображено вікно лабораторної роботи з дослідження біполярного транзистора. У цій схемі використовується два регульованих джерела напруги. Джерело Еб служить для завдання фіксованого струму бази. При зміні джерела Ек відбувається побудова однієї характеристики. Для вимірювання сімейства характеристик слід послідовно задати декілька фіксованих значень струмів бази.

Згідно з розробленим протоколом передачі клієнт-сервер, клієнт спочатку посилає будь-яку команду, потім очікує, у цей час сервер обробляє команду і посилає відповідь (включаючи, якщо того вимагав запит, виміряні дані). Прийняті дані відображуються на екрані користувача. При розробці протоколу особливу увагу приділено мінімізації трафіку через Інтернет, так як багато студентів до цих пір працюють на повільних модемних лініях. Для зменшення затримок між прийомом команди і відправкою даних вимірювань алгоритм Нагла протоколу TCP / IP був відключений на стороні сервера.
Одним із завдань, поставлених перед лабораторією, була реалізація можливості паралельної роботи декількох студентів над різними пунктами лабораторних робіт. Рішення полягає в розподілі запитів від клієнтів за часом, наприклад, за рахунок використання неблокуючого сокета, у такому випадку черга запитів створюється засобами операційної системи. Завдяки цьому забезпечується загальна кількість одночасно працюючих за стендом студентів, але не менше десяти осіб. Для зручності контролю якості виконання лабораторної роботи студентом, сервер зберігає в спеціальну базу даних інформацію про те, хто, коли і які пункти лабораторних робіт виконав і скільки у нього пішло на це часу. Викладачеві ця інформація доступна через web-інтерфейс.
Результати тестів показали, що навіть при самому інтенсивному використанні каналу Internet клієнтською програмою (наприклад, при виконанні пункту «Випрямляч»), його завантаженість не перевищує 3 кб / сек, а затримки між відправленням вихідних даних і отриманням результатів вимірювань практично повністю визначаються затримками самого каналу . Це дозволяє ефективно виконувати лабораторні роботи через низькошвидкісні модемні з'єднання і навіть отримати якісну роботу при використанні мобільної інтернет-технології GPRS .
Отже, на мою думку, мережа Інтернет, якою постійно користується велика кількість наших студентів, може служити не тільки джерелом теоретичних відомостей, але й могутнім помічником викладачеві при проведенні лабораторних занять, а також для самостійної дослідницької діяльності студентів.

Список використаних джерел
1.Borisov A.A., Popov N.V., and Shauerman A.A., “Foundations of making virtual laboratories in engineering education,” International Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM, 2006.
2.A.V. Borisov, Member, B.I. Krouk, Member, N.V. Popov, A.A. Shauerman. Remote Access Laboratory for Electronic Course.THE IEEE REGION 8 SIBIRCON 2008 International Conference on "Computational Technologies in Electrical and Electronics Engineering" Novosibirsk Scientific Centre, Novosibirsk.
3.Жариков М.С.,Шауэрман А.А.,Попов Н.В. "Комплекс лабораторных стендов для дистанционного обучения" // Сборник тезисов докладов Всероссийской студенческой научно-практической конференции "Информационные технологии в мире коммуникаций"-М.:МТУСИ,2007.
4.Журавлева О.Б., Крук Б.И. Соломина Е.Г. Управление Интернет-обучением в высшей школе// под ред. Б.И. Крука. – Новосибирск: «Веди», 2005.
5.Соловов Александр Васильевич. Виртуальные учебные лаборатории в инженерном образовании. Статья опубликована в сборнике статей "Индустрия образования". Выпуск 2. - М.: МГИУ, 2002.
6.Ян Хакинг. Представление и вмешательство. Cambridge University Press. 1983 (web)