Примеры реализации сетевых виртуальных лабораторий в среде системы дистанционного обучения

ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗАЦИИ СЕТЕВЫХ ВИРТУАЛЬНЫХ ЛАБОРАТОРИЙ В СРЕДЕ СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО

ОБУЧЕНИЯ

О.Е. Вашенков, А.А. Волкова, А.В. Лямин

В работе рассмотрены примеры реализации интерактивных аттестующих элементов с автоматической проверкой ответов - виртуальных лабораторных работ. Доступ к таким элементам и их функционирование обеспечивается средствами системы дистанционного обучения. Рассмотрены два примера реализации виртуальных лабораторных работ по дисциплинам «Когерентная оптика» и «Теоретическая механика», особенности взаимодействия лабораторных установок с системой дистанционного обучения, принципы формирования эталонных данных для проверки и интерфейс пользователя.

Введение

В системе дистанционного обучения АсаёешюКТ, разработанной в (СПбГУ ИТМО), определено два типа элементов, которые могут использоваться как для обучения, так и для аттестации с проверкой ответов в автоматическом режиме: электронные тесты и виртуальные лабораторные работы [1-3]. Электронные тесты состоят из информационных кадров и заданий. Множество правильных ответов каждого тестового задания является разрешимым, т.е. задача определения принадлежности ответа данному множеству является алгоритмически разрешимой. К подобным заданиям относятся все известные формы тестовых заданий - открытой формы, закрытой формы, на установление правильной последовательности и на установление соответствия [4]. Из перечисленных форм самой сложной является открытая форма. Эта форма требует тщательного согласования формулировки задания с возможностями, разрабатываемого автором, анализатора ответа. В большинстве случаев анализатор ответов строится на основе регулярных выражений [5], ограничения которых хорошо известны [6]. Поэтому задача проверки заданий даже со счетным множеством, имеющим достаточно большое количество элементов, становится трудоемкой. Примерами подобных заданий могут служить:

• разработка электронной схемы, осуществляющей выделение амплитуды гармонического сигнала;

• построение механической системы, осуществляющей преобразование поступательного движения во вращательное;

• написание компьютерной программы, которая реализует заданный алгоритм.

В случае, когда множество правильных ответов на задание является бесконечным или неразрешимым, можно использовать элемент системы, который называется «Виртуальная лаборатория». В виртуальных лабораторных работах правильный ответ задается множеством прецедентов «вход-выход». Ответ на каждое задание рассматривается как система, которая имеет вход и выход. На вход системы подается эталонный входной сигнал, снимается выходной сигнал, который сверяется с эталонным выходным сигналом. Если выходной сигнал совпадает с эталонным выходным сигналом с заданной точностью, то ответ признается верным.

Схема проверки результатов выполнения виртуальных лабораторных работ

Программный инструментарий виртуальных лабораторий хранится в базе данных системы дистанционного обучения. Пользователи системы получают доступ к виртуальным лабораторным работам в соответствии с регламентом, установленным в системе. Доступом к системе управляет Web-сервер на основе информации, хранящейся в базе данных. Проверка результатов лабораторных работ осуществляется автономными

серверами, на которых установлено специальное программное обеспечение. Модули, обеспечивающие функционирование виртуальных лабораторий, показаны на рис. 1.

Рис. 1 Общая схема доступа к виртуальным лабораториям

I I

Рис. 2. Схема проверки ответа

На рис. 2 показана последовательность, которая выполняется во время проверки ответа. Ответ клиента - пользователя системы поступает на Web-сервер системы, который фиксирует его в базе данных, получает из базы данных прецеденты «вход-выход»

и вместе с ответом передает их на проверяющий сервер данной лаборатории. После получения ответа от проверяющего сервера инициализируется алгоритм вычисления оценки.

Виртуальная лаборатория по дисциплине «Когерентная и нелинейная оптика»

Виртуальная лабораторная работа по дисциплине «Когерентная и нелинейная оптика» была разработана профессором кафедры лазерной техники и биомедицинской оптики СПбГУ ИТМО В. А. Тарлыковым. Для дисциплины «Когерентная и нелинейная оптика» центром дистанционного обучения СПбГУ ИТМО было реализовано три виртуальные лабораторные работы на языке программирования Java [7]:

• «Исследование степени когерентности лазерного излучения»;

• «Исследование степени когерентности некогерентного источника»;

• «Исследование влияния размеров апертуры на контраст спекл-картины».

Для трех виртуальных лабораторных работ был реализован один проверяющий сервер, выполняющий расчеты в зависимости от типа работы. Исходными данными для проверяющего сервера служат:

• ответ студента;

• допустимая погрешность;

• интервал значений, для которого требовалось построить график;

• минимально-допустимое количество точек.

Интерфейс пользователя для работы «Исследование степени когерентности лазерного излучения» приведен на рис. 3 и 4. Интерфейс построения графиков, представленный на рис. 3, использовался во всех трех работах.

Рис. 3. Лабораторная работа «Исследование когерентности лазерного излучения»

Для построения графической зависимости в этой работе, студент измеряет значение интенсивности 1(х) на дифракционной картине для заданного расстояния между отверстиями Ь. Изменение координаты х в плоскости дифракционной картины происходит при перемещении слайдера.

Рис. 4. Оформление ответа в графической форме

Интерфейс пользователя лабораторной работы «Исследование степени когерентности некогерентного источника» представлен на рис. 5.

Рис. 5. Лабораторная работа "Исследование когерентности некогерентного источника"

В данной работе пользователю требуется измерить значение функции когерентности на различном расстоянии от центра дифракционной картины. Ответом служит ряд измерений для трех различных расстояний до плоскости наблюдения.

Интерфейс пользователя лабораторной работы «Исследование влияния размеров апертуры на контраст спекл-картины» представлен на рис. 6 и 7.

Рис. 6. Представление исходных данных для лабораторной работы

Рис. 7. Лабораторная работа «Исследование влияния размеров апертуры на контраст

спекл-картины»

В данной работе студенту требуется определить размер апертуры для уменьшения контраста спекл-картины в заданное число раз. Расчет требуется провести для нескольких значений контраста. По завершению расчетов выводится график зависимости контраста от указанных значений размеров апертуры. Затем ответ передается на проверяющий сервер.

Виртуальная лаборатория по дисциплине «Теоретическая механика»

Виртуальная лабораторная работа по дисциплине «Теоретическая механика» разработана заведующим кафедрой теоретической и прикладной механики СПбГУ ИТМО В.Г. Мельниковым. Визуальная часть виртуального лабораторного комплекса реализована центром дистанционного обучения СПбГУ ИТМО в виде аплета, выполненного

при помощи языка программирования Java 2 [8]. Виртуальная установка представляет собой сложную двухстепенную механическую систему, разработанную на кафедре теоретической механики, анимация движения которой осуществляется по законам механики. Математическая модель нелинейных колебаний системы выражается через систему нелинейных дифференциальных уравнений с заданными начальными условиями, которая решалась при помощи метода Рунге-Кутты четвертого порядка точности.

Общая схема установки приведена на рис. 8. Это механическая система с двумя степенями свободы. Тело массой m12 катится вдоль рельса при помощи трех колес подвеса радиусом r1 и массой mn, совершая вынужденные колебания. Положение тела в каждый момент времени относительно точки отсчета 0 определяет координата х, линейная скорость тела обозначается V. Коэффициент трения между колесом подвеса и рельсом равен K4. Пружина с коэффициентом жесткости K1 разгоняет тело к положению равновесия. Справа к установке присоединен демпфер, создающий силу сопротивления, пропорциональную скорости поршня. Коэффициент трения демпфера равен K3. К левой вертикальной стенке прикреплен электромотор. На валу мотора под прямым углом к оси вращения закреплен однородный стержень длиной r3, к концу которого прикреплена пружина с коэффициентом жесткости K2. Другой конец пружины закреплена на теле массой m12. Вал электромотора равномерно вращается с угловой скоростью в = pt, где p - частота вращения ротора двигателя.

К телу прикреплен маятник массой m21 с грузом массой m22. Маятник длиной l вращается в подшипнике с коэффициентом вязкого трения K5. Груз, имеющий радиус инерции i22, неподвижно прикреплен к маятнику на расстоянии r от оси вращения.

Рис. 8. Схема лабораторной установки дисциплине «Теоретическая механика»

Интерфейс аплета виртуального лабораторного стенда как ключевой элемент человеко-машинного взаимодействия можно мысленно разделить на три основных части:

• область управления;

• область определения начальных условий;

• графическое представление установки.

На области управления расположены кнопки запуска и остановки лабораторной установки, текстовое поле для изменения шага дискретизации, кнопка вызова окна настроек, кнопка возвращения результата эксперимента, а также элементы управления показом окон выводимых графиков. После щелчка на кнопе «Пуск» установка начинает движение, и все элементы для изменения параметров оказываются заблокированы. Разблокировка происходит только после щелчка на кнопке «Стоп». Программой предусмотрено вывод пяти графиков.

Окно настроек предназначено для управления анимацией и временем проведения эксперимента, изменения масштаба осей выводимых графиков, а также для выбора используемых степеней свободы при проведении эксперимента - вращательной и поступательной, только вращательной, только поступательной и нестационарной.

На области определения начальных условий расположены элементы для изменения начальных условий и изменяемых параметров.

Интерфейс виртуального лабораторного стенда предусматривает следующие шаги сценария поведения пользователя при работе с ресурсом:

• корректировка начальных параметров модели;

• выбор просматриваемых графиков;

• запуск установки;

• остановка остановки;

• анализ полученных результатов;

• при необходимости корректировка начальных параметров и повторный запуск установки;

При повторном запуске время начинает отсчитываться с нуля, а предыдущие графики стираются.

Заключение

В данной статье была продемонстрирована возможность использования широко распространенного в программировании способа контроля качества, основанного на тестировании. В случае, когда множества правильных ответов является бесконечным или неразрешимым, данный способ проверки ответов представляется единственным физически реализуемым. Описанные в статье примеры использования подхода иллюстрируют его эффективность при построении виртуальных лабораторий для двух дисциплин - «Когерентная и нелинейная оптика» и «Теоретическая механика».

Литература

1. Лямин А.В., Чежин М.С. Организация учебного процесса университета на базе использования современных компьютерных технологий // Учебно-методический сборник. Выпуск 1. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2005. С. 63-77.

2. Лямин А.В., Чежин М.С. Модульное построение электронных учебно-методических комплексов для системы дистанционного обучения // Труды XII Всероссийской научно-методической конференции «Телематика'2005». - Санкт-Петербург, 2005. - Т. 2.- С. 511-512.

3. Лямин А.В., Чежин М.С. Система дистанционного обучения СПбГУ ИТМО // Труды II Международной конференции «Информационные системы для ИЯМ и обучения». - Санкт-Петербург, 2005. - С. 80-83.

4. Аванесов В.С. Композиция тестовых заданий. - М.: Центр тестирования, 2002. - 240 с.

5. Агапонов С. В. и др. Средства дистанционного обучения. Методика, технология, инструментарий. Серия «Мастер решений». - СПб.: БХВ-Петербург, 2003. - 336 с.

6. Альфред Ахо, Рави Сети, Джеффри Ульман. Компиляторы. Принципы, технологии, инструменты. - М.: Вильямс, 2003. - 768 с.

7. Вашенков О.Е., Лямин А.В., Тарлыков В.А. Оценивание результатов обучения в среде электронного учебно-методического комплекса по дисциплине «Когерентная оптика» // Сб. трудов конф. «Оптика и образование - 2006». Под общ. редакцией проф. А. А. Шехонина. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2006. - С.70-71.

8. Волкова А.А. Технология построения виртуальных лабораторных работ / Сборник материалов Всероссийского конкурса инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетному направлению развития науки и техники «Информационно-телекоммуникационные системы» / Под. ред. А.О. Сергеева. - М.: ГНИИ ИТТ «Информика», 2005. - С. 98.