Перспективы и возможности использования виртуальных лабораторных установок в учебном процессе кафедры АТСиВТ ДОНИЖТ

УДК 378.147

РАДКОВСКИЙ С.А., к.т.н., доцент (Донецкий институт железнодорожного

транспорта)

ТРУНАЕВ А.М., старший преподаватель

Перспективы и возможности использования виртуальных лабораторных установок в учебном процессе кафедры АТСиВТ ДОНИЖТ

RADKOVSKIY S.A., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Prospects and possibilities of using virtual laboratory facilities in the educational process of the department ATSiVT of the DRTI

Введение

Образовательный процесс

представляет собой постоянно изменяющуюся систему, направленную на повышение уровня, качества и полноты преподаваемого материала. Наука, техника и технологии постоянно развиваются, появляются новые направления, совершенствуются

существующие. Вследствие этого, для стремительно развивающихся областей науки и техники, необходимо постоянно подстраивать материал лекционных, практических и лабораторных занятий под текущий уровень развития.

Однако образование не всегда идет в ногу со временем, выстраивая модели обучения в традиционной форме, и не обеспечивая, тем самым, получение необходимых и актуальных знаний, умений и навыков. Исходя из этого, становится, очевидно, что система высшего профессионального образования сегодня требует новых форм и методов преподавания. Инновации в образовательной деятельности, комплексная

модернизация системы образования -

это, пожалуй, наиболее актуальные вопросы, которым в последнее десятилетие уделено немало внимания [1].

Анализ последних исследований и публикаций

Анализируя публикации по данной теме можно прийти к выводу, что целый ряд авторов считают основным направлением модернизации образования применение новых информационных технологий,

компьютеризацию учебных заведений и инновационную деятельность

профессорско-преподавательского состава высших учебных заведений [14]. Кроме этого в работах отчетливо прослеживается мысль, что внедрение информационных технологий в образовательный процесс должно эффективно дополнять существующие технологии обучения или иметь дополнительные преимущества по сравнению с традиционными формами обучения.

Основным способом

модернизации и повышения

эффективности занятий лекционного типа является увеличение объема визуальной информации в основном за счет применения мультимедийных технологий. Тогда как, внедрение новых или обновление существующих лабораторных и практических работ, в большинстве случаев требует затрат на приобретение и/или изготовление необходимых материалов и

оборудования, а также организации испытаний. В то же время, как показывает практика, далеко не всегда студенты могут с первого раза, после теоретической подготовки, правильно выполнить лабораторную работу. Часто для удачного исхода нужно провести эксперимент несколько раз, тогда затраты могут существенно возрасти [3]. Кроме этого, иногда эксперимент происходит в неудобном масштабе пространства и времени, невозможен, неповторим, ненагляден и т. д. В этих случаях на помощь могут прийти виртуальные лаборатории, чтобы с гораздо меньшими затратами реализовать учебный процесс, или же экономить средства, обучая студентов сначала на специальных виртуальных тренажерах, для последующего перехода их на реальные дорогостоящие лабораторные стенды [4].

Цель работы

В связи с вышесказанным, целью данной работы является обзор видов и возможностей существующих

виртуальных лабораторий с целью их применение в учебном процессе Донецкого института

железнодорожного транспорта.

Основной материал

По определению [5], виртуальная лаборатория «представляет собой

программно-аппаратный комплекс, позволяющий проводить опыты без непосредственного контакта с реальной установкой или при полном отсутствии таковой. В первом случае мы имеем дело с так называемой лабораторной установкой с удаленным доступом, в состав которой входит реальная лаборатория, программно-аппаратное обеспечение для управления установкой и оцифровки полученных данных, а также средства коммуникации. Во втором случае все процессы моделируются при помощи

компьютера».

Вариант компьютерного

моделирования является наиболее простым и относительно быстро реализуемым, так как не требует реальной физической лабораторной установки. Однако в данном случае требуется специальное программное обеспечение, которое бы позволило моделировать процессы, протекающие в предметной области.

По мнению ряда авторов [6-9], составной частью виртуальной лаборатории является понятие виртуального инструмента - набора аппаратных и программных средств, добавленных к персональной ЭВМ. С помощью такого инструмента пользователь получает возможность взаимодействовать с компьютером как со специально разработанным для него обычным электронным прибором. Одной из основных частей виртуального инструмента и

виртуальной лаборатории является 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, устройства или системы.

В работе [6] произведен анализ существующих на данный момент виртуальных лабораторий,

применяющихся в учебном процессе. Анализ показал, что их количество незначительно и многие из них посвящены школьной программе. Из оставшихся вариантов наиболее интересными являются виртуальные работы, созданные с помощью специальных сред программирования, однако, во многих случаях, стоимость использования таких сред довольно высока.

Например, среда разработки LabVIEW представляет собой программное обеспечение для системного проектирования в отраслях, где требуется проведение испытаний, измерений и осуществление

управления, а также быстрый доступ к оборудованию и результатам анализа данных [10]. Данная среда позволяет создавать приложения для задач сбора, обработки, визуализации информации от различных приборов, лабораторных установок и т.п., а также управлять технологическими процессами и устройствами. Кроме этого, по информации производителя, LabVIEW может использоваться для обучения студентов технических специальностей [10].

Модульная объектно-

ориентированная динамическая учебная среда Moodle, является неплохим вариантом реализации виртуальных лабораторий. Она представляет собой свободную систему управления обучением, ориентированную, прежде всего на организацию взаимодействия между преподавателем и учениками, хотя подходит и для организации

традиционных дистанционных курсов, а также поддержки очного обучения [11]. Среда Moodle позволяет преподавателю создавать курсы, наполняя их содержимым в виде текстов, вспомогательных файлов, презентаций, опросников и т.п. Для применения Moodle достаточно иметь любой web-браузер, что делает использование этой учебной среды удобной как для преподавателя, так и для обучаемых. По результатам выполнения учениками заданий, преподаватель может выставлять оценки и давать комментарии. Таким образом, Moodle является и центром создания учебного материала и обеспечения

интерактивного взаимодействия между участниками учебного процесса.

Одним из способов реализации виртуальных лабораторных стендов является использование

мультимедийной платформы Adobe Flash разных версий [6]. Последняя версия Adobe Flash Professional CS6 позволяет создавать выразительные интерактивные проекты, которые будут отображаться в превосходном качестве на различных устройствах.

Определенный интерес вызывают виртуальные лабораторные установки, построенные на базе промышленных SCADA-систем [12]. При этом сама SCADA выступает в роли графического инструмента пользователя, а модель процесса и интерпретация информации о нем осуществляются с помощью математической среды MATLAB и среды программирования контроллеров UnimodPro. По мнению авторов, лаборатории, созданные предлагаемым методом, имеют возможность более точного отображения динамики объекта за счет использования математической модели, полностью описывающей динамику системы.

На сегодняшний день на кафедре АТС и ВТ применяется ряд виртуальных лабораторных установок, реализованных как программным, так и программно-аппаратным способами. Например, при преподавании дисциплины «Электропитание и электроснабжение нетяговых

потребителей» лабораторные работы имитируются с помощью программы Simulink (пакет расширения

SimPowerSystem), являющейся

приложением к пакету MATLAB. Лабораторные занятия по дисциплине «Микропроцессорные информационно-управляющие системы» проводятся с применением программ моделирования: компьютерных сетей - NetCracker и программируемых контроллеров (ПЛК) - ISaGRAF и CoDeSys (при этом перечисленные системы

программирования можно подключить к реальным ПЛК). По дисциплинам «Теоретические основы

электротехники», «Электроника»,

«Теория передачи сигналов» на лабораторных работах используется программная среда Electronics Workbench, в которой моделируются электрические схемы узлов и устройств. По дисциплинам «Электрические машины», «Теория линейных электрических цепей», «Линии связи», «Электромагнитная совместимость и средства защиты» ряд лабораторных работ проводятся в пакете MATLAB (и программе Simulink).

Критический анализ состояния реальной лабораторной базы по читаемым дисциплинам кафедры показал небольшой процент

использования программных или программно-аппаратных средств в учебном процессе. Ряд дисциплин ввиду наличия устаревшего оборудования требует внедрения как минимум программных моделей для имитации

отсутствующих современных

технических средств. Для этого следует использовать современное программное обеспечение, и существующие наработки в области создания виртуальных лабораторных установок.

В ближайшей перспективе на кафедре планируется внедрение в учебный процесс по программе дисциплины «Микропроцессорные информационно-управляющие системы» лабораторной работы «Современные SCADA-системы» по которой планируется создание виртуальной лабораторной установки на базе SCADA и SoftLogic системы MasterSCADA с применением ОВЕН OPC-сервера подключенного к ПЛК-63 (ОВЕН). Подобные лабораторные комплексы, внедряемые на кафедре, способствуют повышению уровня образовательного процесса, однако на данный момент они не позволяют организовать дистанционное обучение.

Как показал анализ публикаций и выводы авторов ряда статей [2-4], в настоящее время существует проблема в создании специализированного программного обеспечения

(конструкторов), встраиваемого в системы дистанционного обучения, которое было бы направлено на определенные (интересующие

пользователей) области знаний. Наличие таких конструкторов позволило бы разрабатывать виртуальные лаборатории на основе существующих сред создания дистанционного контента. Это способствовало бы более оперативному внедрению виртуальных лабораторий в образовательный процесс.

Выводы

Проанализировав все возможные способы организации виртуальных

лабораторных установок, был сделан вывод, что наиболее оптимальным вариантом является система -«Moodle». Однако данная среда предназначена в основном для создания обучающих и контролирующих тестов и требует включить в свой состав специальный программный

конструктив, ориентированный на реализацию виртуальных лабораторных работ в конкретной предметной области. В качестве такого конструктива целесообразно

использовать плагин EJSApp - Easy Java(script), который встраивается непосредственно в систему Moodle. К тому же, последние варианты EJS поддерживают соединения с внешними приложениями, такими как LabView и Matlab / Simulink.

Список литературы:

1. Черемисина Е.Н., Антипов О.Е., Белов М.А. Роль виртуальной компьютерной лаборатории на основе технологии облачных вычислений в современном компьютерном образовании. Дистанционное и виртуальное обучение, 2012. - № 1. -С. 50-65.

2.Rittinghouse J., Ransome J., Cloud Computing: Implementation, Management, and Security. - CRC Press, 2010.

3.Савкина А.В., Савкина А.В, Федосин С.А. Виртуальные лаборатории в дистанционном обучении. Образовательные технологии и общество (iSSN 1436-4522). - Том 17. - № 4, 2014. - С. 507-517.

4. Виртуальные лаборатории как средство обучения студентов. Савинов И.А., Савкина А.В. В сборнике: Проблемы и достижения в науке и технике сборник научных трудов по итогам III международной

научно-практической конференции, 2016. - С. 14-16.

5. Трухин А.В. «Об использовании виртуальных лабораторий в образовании» // Открытое и дистанционное образование. - 2002. -№ 4 (8).

6. Шайкина Т.А. Разработка интерактивных компонентов для виртуальных лабораторных практикумов: Выпускная квалификационная работа бакалавра. Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева. -Москва, 2017. - 124 с.

7. Тищенко A.B. Информационные технологии для электроразрядных процессов. Комп'ютерш засоби, мережi та системи, 2014. - № 13. - С. 141-147.

8. Чернышов М.О. Архитектура и программное обеспечение систем автоматизированного лабораторного практикума / М.О. Чернышов, В.П. Довгун, ВВ. Новиков, М.А. Надымов // I Международная научная конференция в рамках IV Международного научно-образовательного форума «Человек, семья и общество: история и перспективы развития» «Информатизация образования и методика электронного обучения», сборник материалов [Электронный ресурс]. - Красноярск: Сибирский федеральный ун-т, 2016. - Режим доступа: http://elib.sfu-kras.ru/handle/2311/30692 (дата обращения: 05.11.2018).

9. Коннова А.А., Зубченко Е.С. Виртуальные информационно-измерительные приборы // Успехи современного естествознания. - 2011. -№ 7. - С. 126-127; URL: http://www.natural-

sciences.ru/ru/article/view?id=27136 (дата обращения: 05.11.2018).

10. LabVIEW [Электронный ресурс]. - Режим доступа http://www.ni.com/ru-ru/shop/labview/select-edition.html

11. Обзор принципа работы приложения Moodle [Электронный ресурс]. - Режим доступа https://canvas.instructure.com/courses/929 362/pages /obzor-printsipa-raboty-prilozhieniia-moodle

12. Проектирование виртуальных лабораторий на базе промышленных SCADA-систем / А.А. Абакумов, Д.В. Артамонов, А.Д. Семенов // Вестник Пензенского государственного университета. - 2016. - № 1 (13). -C. 51-54.

Аннотации:

Обучение в современном мире, реализуемое высшими учебными заведениями, должно состоять как из теоретической, так и практической частей. В то же время, не каждая образовательная организация может реализовать своевременную закупку всего необходимого оборудования, требующего затрат на техническое обслуживание, приобретение расходных материалов и ремонт. Оптимальными в данном отношении являются виртуальные лабораторные установки, позволяющие как, экспериментировать на

оборудовании и материалах, соответствующих реальной лаборатории, так и - разобраться с компьютерной моделью по наработке практических навыков и умений в конкретной области деятельности. Дистанционная виртуальная лабораторная установка позволит обучающемуся самостоятельно нарабатывать практические умения и навыки, в удобное для него время, не ограничивая себя в требуемом для освоения времени, и на любом расстоянии от образовательной организации.

Ключевые слова: виртуальные лаборатории, дистанционное обучение, лабораторная база, динамическая учебная среда, компьютерное моделирование, программное обеспечение.

The modern teaching in the higher educational institutions should consist of theoretical as well as practical parts. However not every educational establishment is able to provide with punctual purchase of all necessary equipment, which requires maintenance costs, purchase of expandable materials and repairs. In this case the virtual laboratory facilities are suitable. They allow to carry out experiments on equipment and materials, corresponding to the real laboratory, as well as to learn a computer model for developing practical skills and abilities in a particular field of activity. The remote virtual laboratory facility allow the student to develop practical skills independently at a time convenient to him, without limiting the time required for knowledge deepening and at any distance from the educational establishment.

Keywords: virtual laboratories, distance learning/teaching, laboratory facilities, dynamic learning/teaching environment, computer modeling, software.