Принципы
создания автоматизированного лабораторного оборудования сетевого доступа
В основу разработки и применения
лабораторного оборудования нового поколения положено несколько основополагающих
принципов:
1 Принцип единства и комплексности объекта
изучения
Процесс изучения объекта должен быть единым
во времени и пространстве и комплексным (функционально полным) по
содержанию. Все этапы изучения должны быть реализованы на одном рабочем
месте, в составе единого автоматизированного программно-технического и
учебно-методического комплекса по соответствующей учебной дисциплине,
обеспечивающего полную совокупность образовательных услуг (организационных,
методических, теоретических, практических, экспериментальных, консультационных и
пр.), необходимых и достаточных для самостоятельного изучения учебной дисциплины
при минимальной консультационной поддержке преподавателя.
Единый по своей сути объект изучения не должен искусственно делиться на
составные части (теоретическую, практическую, модельную, экспериментальную,
расчетную), которые реализуются в различных местах (лекционных залах, групповых
аудиториях, учебных лабораториях, дома, в библиотеке и т.д.) и часто не
согласованно во времени. Например, в силу ограниченности пропускной способности
учебных лабораторий иногда вынужденно практикуется проведение лабораторных
занятий до прослушивания курса лекций и проведения практических занятий. На
практике возможна и такая ситуация, когда, например, курс лекций и практические
занятия проводятся в одном семестре, а лабораторные работы – в другом, когда
материал уже изрядно забыт. Все это не способствует эффективности усвоения
изучаемого материала, но отражает сложившуюся практику и примитивный уровень
используемых средств обучения.
2 Принцип коллективного доступа удаленных пользователей к единичным
комплектам лабораторного оборудования
Данный принцип обеспечивается за счет оснащения
лабораторного оборудования программно-техническими средствами сетевого обмена
данными, в результате чего каждый объект изучения становится полностью
автономным и принципиально доступным напрямую в компьютерной сети Интернет.
Такой подход позволяет значительно экономить капитальные и эксплуатационные
затраты на разработку, массовое тиражирование и обслуживание лабораторного
оборудования, сосредоточив его единичные комплекты в региональных ресурсных
центрах и обеспечив к нему доступ многих пользователей по компьютерной сети
Интернет. Открывается возможность использования лучших из существующих в
различных учебных заведениях образовательных ресурсов, не повторяя их
многократно в каждом учебном заведении, а лишь обеспечив к ним устойчивый и
надежный коллективный доступ всех участников образовательного процесса. При этом
обеспечивается единый и высокий уровень подготовки специалистов, который
практически не зависит от удаленности учебного заведения от ведущих
образовательных центров и наличия в нем преподавателей высшей квалификации.
3 Принцип масштабного преобразования объектов
изучения
В качестве объектов изучения в составе АЛПУД
рекомендуется рассматривать специально разработанные физические
модели-аналоги, а не промышленные образцы, поскольку промышленный образец
всегда проектируется на эффективное выполнение узкой прикладной задачи, не
содержит дополнительных информационных каналов и каналов управления и поэтому
очень плохо соответствует задачам изучения.
Лишь физическая модель-аналог, выполненная с
соблюдением критериев подобия, снабженная многочисленными, физически
разнородными информационными каналами и каналами управления, способна дать
критериальные соотношения фундаментальных закономерностей изучаемых процессов,
что в наибольшей степени соответствует концепции фундаментализации
образования.
Масштабные преобразования физической модели
должны быть такими, чтобы изучаемый объект был удобен для размещения в учебной
лаборатории, обслуживании и эксплуатации и при этом не должен искажать изучаемые
физические процессы.
Для основных прикладных направлений (электротехника, теплотехника, гидродинамика
и пр.) уже существуют многократно проверенные критерии подобия, а для других
направлений существуют общие рекомендации по их выявлению.
При изучении любого объекта или процесса на физической модели
обязательным является соблюдение необходимых условий подобия:
- Подобные процессы должны быть
качественно одинаковыми, т.е. они должны иметь одинаковую физическую природу и
описываться одинаковыми по форме дифференциальными уравнениями;
- Условия однозначности
(геометрические, физические, граничные) должны быть одинаковыми во всем, кроме
численных значений постоянных, содержащихся в этих условиях;
- Одноименные определяющие критерии
должны иметь одинаковую численную величину.
Соблюдение этих условий позволяет реализовать следующие возможности:
Уменьшить
(или увеличить) объект изучения. Масштабные преобразования делают объекты
удобными для изучения. Например, для изучения многих объектов тяжелого
машиностроения потребовались бы учебные лаборатории немыслимых размеров;
Ускорить
(или замедлить) исследуемый процесс. Меняя масштаб времени можно в
ограниченные для проведения лабораторной работы сроки изучать процессы, которые
на самом деле занимают дни, месяцы, годы;
Упростить
(или расширить) функциональные возможности изучения. Упрощение объектов
изучения позволяет сосредоточить внимание на его наиболее существенных сторонах,
а расширение функциональных возможностей позволяет углубить процесс изучения.
4 Принцип интеллектуализации объекта и
средств обучения
Суть данного принципа заключается во внедрении
(интегрировании) вычислительных средств непосредственно в структуры объектов
изучения (интеллектуальные датчики, исполнительные механизмы,
программно-управляемые источники электропитания и т.д.).
Такой подход позволяет
обеспечить «информационную прозрачность» изучаемых объектов, т.е. любой значимый
для изучения параметр может быть замерен с требуемой точностью и
быстродействием. Вся необходимая информация об объекте становится доступной, а
сам объект – более понятным.
Кроме того, достигается
предельная гибкость конфигурирования и управления сложными
техническими системами в режиме удаленного коллективного доступа, что позволяет
ставить перед учащимися более сложные индивидуальные задания творческого,
поискового характера, что, в конечном итоге, и обеспечивает декларируемое
повышение качества образования за счет использования более эффективных
методов обучения.
5 Принцип иерархического распределения вычислительных ресурсов
Суть принципа состоит в предпочтительном
использовании множества распределенных, но связанных между собой по сети
вычислительных средств простейшей конфигурации (например, цифровых сигнальных
процессоров и микроконтроллеров) вместо единого вычислительного средства с
большими вычислительными ресурсами.
Использование данного
принципа позволит значительно увеличить пропускную способность лабораторного
оборудования при коллективном доступе к его ресурсам. В самом деле, если в
состав лабораторного стенда будет входить несколько десятков объектов изучения,
то произвольный доступ к ним различных пользователей значительно проще
организовать, когда каждый из объектов обслуживается собственным
специализированным микроконтроллером. При этом микроконтроллер объектного уровня
реализует настройку объекта изучения и его управление, а также съем и
предварительную обработку контролируемых параметров. Вычислительные средства
более высокого уровня иерархии обеспечивают все процедуры внутреннего и внешнего
обмена информацией и при этом могут быть сравнительно скромными.
6 Блочно-модульный принцип построения программных и технических подсистем
Суть принципа заключается в том, что единый
лабораторный комплекс создается в виде развиваемого набора функционально
завершенных блоков и модулей.
Такой подход позволяет
легко конфигурировать и настраивать образовательные ресурсы под любые уровни
подготовки специалистов. При этом легко наращиваются новые разделы, темы и
объекты изучения, модернизируются старые в соответствии с требованиями обучения
или требованиями технического уровня.
7 Принцип использования открытых стандартов
Данный принцип предполагает преимущественное
использование отечественных и международных общедоступных стандартов, как на
конструктивные решения, так и на программные продукты.
Такой подход исключает зависимость от конкретных разработчиков и изготовителей
продукции, значительно удешевляет и ускоряет процесс производства, упрощает
процесс интеграции в международные образовательные программы.
8 Принцип
индивидуализации, практической направленности и активизации самостоятельной
работы учащихся
Данный принцип подразумевает, что в
основе учебной работы должно находиться самостоятельное выполнение
индивидуальных практических заданий, которое обеспечивается необходимым
теоретическим материалом, аппаратными и программными средствами,
консультационной поддержкой преподавателей и взаимодействием с другими
учащимися.
Необходимо ввести в состав средств
обучения подсистемы, обеспечивающие вариативность заданий на проведение работ.
Варианты индивидуальных заданий должны разрабатываться ведущим преподавателем по
конкретной учебной дисциплине, храниться в соответствующей базе данных и
выдаваться каждому учащемуся, например, с использованием программы «Датчик
случайных чисел».