Дистанційне навчання — теорія і практика  →  Разработка компьютерных средств обучения. Учебное пособие  →  2. Когнитивные возможности современных информационных технологий  →  2.2.3. Прикладные программы

2.2.3.4. Виртуальные лаборатории

Важным этапом эффективного образовательного процесса является физический эксперимент, стимулирующий активную познавательную деятельность и творческий подход к получению знаний. При традиционных формах образовательного процесса такая возможность реализуется в ходе выполнения необходимого комплекса лабораторных работ.

Ключевой особенностью, отличающей физический эксперимент от других способов получения знаний, является процесс получения и обработки экспериментальных данных – количественных характеристик реальных физических величин, определяющих поведение исследуемого объекта, процесса или явления, подтверждающих или опровергающих сформулированные целевые функции проведения эксперимента. Как разновидность физического эксперимента можно выделить обучающий физический эксперимент, ставящий целью отработку основных приемов и технологий планирования и проведения эксперимента, включая его основные этапы: формулировка цели и задач исследований, определение способов и методов достижения цели, используемое оборудование и технологии.

На лабораторный практикум возлагаются следующие важные задачи:

1. Практическое закрепление полученных теоретических знаний Одно дело понять физический процесс через его математическое описание и совсем другое – увидеть его проявление в реальном техническом устройстве. Только такое единство должно способствовать наиболее полному и целостному представлению об объекте изучения. Опыт всегда был критерием истины.
2. Приобретение навыков самостоятельной работы с реальным оборудованием При систематической работе с реальным оборудованием постепенно вырабатывается ощущение профессионального проникновения в выбранную предметную область, исчезает боязнь «железа».
3. Планирование и постановка инженерного эксперимента С чего начинать? Какого результата следует ожидать? Какие параметры варьировать и в каких пределах? Какие выходные показатели контролировать и с какой точностью и быстродействием? – вот те основные вопросы, которые придется самостоятельно решать в практической деятельности и подсказать будет некому, если не научился этому в процессе обучения.
4. Выбор оборудования для проведения эксперимента Далеко не всегда доступно то оборудование, которое необходимо. Чем заменить его и будет ли замена корректной? Когда выбор обширен, начинаются вопросы экономической целесообразности выбора и т.д. Выбирать нужно уметь и этому тоже следует учиться.
5. Обработка и объяснение результатов эксперимента Провести эксперимент – это только половина дела. Истина «прячется» за шумами и помехами, за нее можно принять случайную точку выброса. Чтобы этого не случилось, нужно научиться современным математическим методам статистической обработки результатов эксперимента.
6. Сопоставление результатов теоретического анализа с экспериментальными данными Это, пожалуй, самое главное и сложное в инженерном эксперименте, для чего он, собственно, и предназначен. У экспериментатора всегда должно быть исходное представление об исследуемом физическом процессе – исходная математическая модель. Насколько она была верна? Если не очень, то можно ли по результатам эксперимента ее уточнить? Тогда цель и затраты на эксперимент будут оправданы.

Виртуальный лабораторный практикум (ВЛП) — вид проведения лабораторных занятий, суть которого заключается в замене реального лабораторного исследования на математическое моделирование изучаемых физических процессов с виртуальным взаимодействием учащегося с лабораторным оборудованием. Возможности современных имитационных компьютерных моделей создают полную иллюзию работы с реальным оборудованием, провести все необходимые измерения. Это отличает ВЛП от компьютерных моделей исследуемого явления.

Составной частью понятия «виртуальная лаборатория» является понятие виртуального инструмента — набора аппаратных и программных средств, добавленных к обычному компьютеру таким образом, что пользователь получает возможность взаимодействовать с компьютером как со специально разработанным для него обычным электронным прибором. Существенная часть виртуального инструмента и виртуальной лаборатории — эффективный графический интерфейс пользователя, обеспечивающий удобный интерактивный режим взаимодействия с компьютером в виде наглядных графических образов предметной области. Работая с виртуальным инструментом через графический интерфейс, пользователь на экране монитора видит привычную переднюю панель, имитирующую реальную панель управления нужного прибора. С помощью «мыши» можно имитировать воздействия на понятные «органы управления» — кнопки, переключатели, регуляторы и т.д., «нарисованные» на экране монитора в виде передней панели имитируемого прибора.

Использование виртуальных лабораторных практикумов дает ряд преимуществ по сравнению с реальными лабораторными практикумами:

• программные модели позволяют имитировать работу с объектами, процессами и оборудованием, применение которых в вузах проблематично или невозможно по соображениям безопасности, например, для исследования воздействия радиационных объектов на объект изучения и др.;
• возможность доступа обучающихся к уникальному оборудованию, техническим объектам, научным и технологическим экспериментам, массовый доступ к которому представляет определенную проблему (паровая турбина, технологическая линия и т.п.);
• программные модели позволяют произвольно менять временные масштабы изучаемых процессов, делая возможным проведение за разумное время лабораторных работ, моделирующих длительные процессы, например, роста кристаллов, когда процесс может длиться несколько дней или даже недель;
• позволяют решить проблему загрузки лабораторного оборудования – программную модель можно выполнить в любое время, в любом месте, на любом числе рабочих мест;
• позволяют проводить исследования с критическими и закритическими параметрами, что не возможно на реальном оборудовании;
• стоимость разработки (а, следовательно, приобретения) и эксплуатации ВЛП обычно существенно ниже по сравнению с реальными лабораторными практикумами.

Недостаток ВЛП состоит в том, что обучаемый теряет связь с реальным объектом обучения, подменяемым программной моделью.

Основным требованием к лабораторному практикуму является полнота: его содержание должно соответствовать образовательному стандарту и воспроизводить внешний вид и функциональность имеющегося реального лабораторного практикума. Использование реального и виртуального практикума накладывают требование их идентичности в рамках внешнего вида, используемого реального и виртуального оборудования, приемов работы.

Лабораторный практикум должен обеспечивать учебный процесс для следующих форм обучения:

• очное обучение;
• очное обучение с повышенным объемом самостоятельной работы, когда студенты занимаются в университете один – два дня в неделю;
• заочное обучение, когда студенты приезжают в университет только для сдачи зачетов и экзаменов.

Для очной формы обучение характерно проведение лабораторных занятий в лабораториях университета, с непосредственным общением с преподавателями при проведении опроса перед лабораторными занятиями, очной защитой лабораторных работ. Использование виртуального лабораторного практикума позволяет улучшить подготовку студентов и сократить время выполнения реального практикума.

При заочной форме обучения лабораторные занятия выполняются, как правило, либо дистанционно, либо локально (на компьютерах обучаемых) с использованием дистанционного доступа к лабораторному оборудованию университета и/или программным моделям изучаемых процессов и явлений. Допуск к лабораторной работе, выдача заданий на проведение лабораторных работ, выполнение лабораторных работ и их защиты должны выполняться без непосредственного контакта с преподавателем.

Очное обучение с увеличенным объемом самостоятельной работы студентов носит промежуточный характер между перечисленными выше формами обучения и позволяет часть лабораторных работ выполнять на оборудовании университета.

Состав виртуального лабораторного практикума:

1.  Описание (методические указания):

• Цель работы;
• Теоретические основы работы;
• Описание лабораторной установки (с фотографиями реальной установки для соответствия с моделью);
• Порядок выполнения работы;
• Обработка результатов эксперимента (ов);
• Вопросы к защите (контрольные вопросы)
• Блок работ может сопровождаться дополнительными материалами:
  •  Основы теории погрешностей;
  •  Методы и средства статистической обработки результатов измерений.

Комплект документации должен обеспечивать возможность студентам самостоятельно выполнять лабораторные работы, а преподавателям, не являющимся разработчиками лабораторного практикума, освоить их проведение.

2.  Модель лабораторного стенда:

• Оборудование
• Измерительные приборы
• Бланки протокола и таблицы

3.  Модуль проведения допуска к лабораторной работе – при необходимости:

• Проверка теоретической части эксперимента (знаний по тематике лабораторной работы)
• Проверка знания установки и методики проведения эксперимента
• Проверка домашней подготовки (расчетная часть)

4.  Модуль защиты результатов лабораторной работы (по каждой работе или по циклу работ) – при необходимости

ВЛП должен обеспечивать все этапы проведения физического эксперимента:

• Регистрация обучаемого
• Проведения допуска к лабораторной работе *
• Ввод или генерация данных установки
• Сборка и настройка (ввод параметров) лабораторной установки, в том числе измерительных приборов;
• Проведение эксперимента (ов);
• Заполнение протокола работы; *
• Обработка результатов эксперимента (в том числе и с использованием специальных пакетов прикладных программ); *
• Вывод на печать (или в файл) протоколов работы. *

* отмечены не обязательные этапы, выполняются вручную.

Дидактические требования:

• Постоянная доступность описания работы
• Выдача сообщений при попытке некорректного или опасного управления экспериментом
• При автоматической обработке результатов эксперимента должны быть указаны использованные методы и средства статистической обработки. Желательно иметь возможность обработки результатов реального эксперимента.

Требования к программному обеспечению:

• Программное обеспечение (и Web-страницы) лабораторного практикума должны включать логотип и копирайт разработчика.
• Программное обеспечение лабораторного практикума должно корректно функционировать, по крайней мере, под управлением следующих операционных системе Windows 98SE/Me, 2000/XP, Vista, W7 в стандартной комплектации на компьютерах с процессором с тактовой частотой не менее 300 МГц, оперативной памятью не менее 64 Мбайт, CD-ROM, пространственным разрешением экрана не менее 800*600, цветовым разрешением не менее 65000 цветов (16 бит). Наличие средств мультимедиа должно оговариваться в каждом отдельном случае.
• Программное обеспечение, устанавливаемое на компьютерах студентов и в дисплейных классах, в обязательном порядке должно включать в себя в средства установки на компьютер и удаления с компьютера, все дополнительные компоненты программного обеспечения должны устанавливаться при установке программы. Установочный комплект программного обеспечения должен включать в себя инструкцию по установке.
• Программное и информационное обеспечение лабораторного практикума, особенно в части программного интерфейса, должно соответствовать стандартным соглашениям, принятым для Windows.

При Интернет-доступе к ВЛП:

• Компьютер студента должен обеспечивать выход в Интернет.
• Необходимо разработать методики проведения занятий лабораторного практикума, а также организацию взаимодействия между преподавателями, проводящими лабораторные занятия и студентами (а если необходимо, то и между студентами, выполняющими лабораторные работы). Необходимо установить максимальное время реакции на вопрос студента преподавателем.
• Дистанционное программное обеспечение должно удовлетворительно функционировать при скорости соединения 14 Кбит/с.
• Желательно обеспечить отсоединенный режим работы, когда подключение к Интернет требуется для загрузки виртуальной лабораторной работы и вариантов задания и отправки результатов выполнения лабораторной работы. Выполнение лабораторной работы желательно осуществлять в локальном режиме без подключения к Интернет.
• При использовании Web-приложений для лабораторного практикума необходимо оговаривать, какие браузеры при этом можно использовать, какие дополнительные встраиваемые модули (plug-in) необходимо загрузить по сети. При использовании удаленных средств обучения, для которых невозможно обеспечить круглосуточный доступ, необходимо регулярно публиковать расписание доступа к этим средствам, обеспечивающее выполнение лабораторного практикума студентами.
• Методические указания по выполнению заданий лабораторного практикума необходимо либо опубликовать на Web-сайте, либо рассылать по электронной почте, либо поставлять в комплекте программного и информационного обеспечения лабораторного практикума на CD-ROM.
• При использовании в лабораторном практикуме программных и информационных средств большого объема необходимо продумать способы тиражирования и доставки этих средств обучаемым (загрузка по сети, на CD-ROM, где и как публикуются эти средства, нужно ли использование средств защиты от копирования, какие средства защиты будут использованы).

Общие положения

При оформлении документации, схем, таблиц должны выполняться требования соответствующих ГОСТов РФ.

Существенным требованием является возможность внесения дополнений, по крайней мере, в части сценариев и заданий на выполнение лабораторных работ без необходимости перепрограммирования виртуальных лабораторных стендов.

Данные требования не определяют каких-либо ограничений на технологии реализации лабораторного практикума. Компоненты лабораторного практикума могут быть реализованы в виде модулей, локально выполняющихся в дисплейных классах университета, на компьютерах студентов у них дома или на работе. Компоненты практикума могут представлять собой Web-приложения, требующие подключения к серверу разработчика, наконец, это могут быть средства для удаленного взаимодействия с лабораторным оборудованием университета.

Уже на этапе составления технического задания необходимо продумать вопрос о лицензионной чистоте программного, аппаратного и методического обеспечения лабораторного практикума. В техническом отчете необходимо перечислить инструментальные программные средства, библиотеки, аппаратное обеспечение и другие использованные средства, а также указать права разработчиков на использование этих средств.

Зверніть увагу на додаткові посилання

Головний розділ

2.2.3. Прикладные программы

Сторінки, близькі за змістом

2.2.3. Прикладные программы

2. Когнитивные возможности современных информационных технологий