СХЕМНОЕ УСТРОЙСТВО МОДУЛЬНОГО УЧЕБНОГО КОМПЬЮТЕРА

1. Область техники
Предлагаемая полезная модель относится к схемным устройствам компьютерной техники, используемой в учебном процессе.
2. Уровень техники
В настоящее время состояние компьютерной техники таково, что обученные индивидуальные пользователи могут накапливать в персональных компьютерах необходимую информацию, обрабатывать и извлекать ее по мере необходимости. Практически те же задачи в глобальном масштабе решают компьютерные сети. С учетом компьютерного всеобуча, охватившего в настоящее время всю Россию, разработка схемных компьютерных устройств, позволяющих эффективно осуществлять групповое и индивидуальное обучение под руководством преподавателя с минимальными затратами, является актуальной технической задачей.
Анализ научной, учебной и патентной литературы по компьютерной технике показывает, что она развивается по двум направлениям: совершенствование существующего и разработка нового аппаратурного обеспечения персональных компьютеров, а также разработка компьютерных сетей различного уровня и назначения. Известно схемное устройство для передачи данных между компьютером и периферийным устройством [1], выполненное в виде универсальной последовательной шины, в котором для увеличения расстояния связи без отражения сигнала между передающим и приемным устройствами дополнительно установлены микросхемы-ретрансляторы. Это устройство может быть использовано как вспомогательное для подключения к компьютеру пользователей, находящихся от него на значительном удалении, например, при больших размерах учебного класса, но принципиальную схему подключения внешних устройств оно не изменяет.
Наиболее широко распространенный в настоящее время персональный компьютер IBM PC [2, с.29] состоит из четырех автономных устройств: системного блока, монитора, клавиатуры и мыши. Несомненным достоинством персональных компьютеров является их программная и аппаратурная совместимости, что относится не только к моделям IBM PC компьютеров, но и к более новым версиям IBM PC XT, IBM PC AT и др.
Открытая архитектура и полная взаимозаменяемость внешних устройств позволяет модифицировать компьютеры, применительно к поставленным задачам, в частности, для группового и индивидуального обучения. В настоящее время учебные компьютерные классы обычно оснащаются достаточно дорогими автономными персональными компьютерами в стоимости которых, системные блоки составляют основную часть. Для демонстрации учебного объекта, к персональному компьютеру преподавателя в этих классах дополнительно подключается мультимедийный проектор с экраном. Такие классы требуют больших затрат, но с методической точки зрения малоэффективны, так как не предусматривают возможность управления учебным объектом с рабочих мест обучаемых. По формальным признакам, групповое обучение может осуществляться на основе одноранговых и серверных компьютерных сетей, но такое обучение еще более затратно и технически нецелесообразно, особенно на начальных стадиях обучения.
По количеству общих признаков и достигаемому результату наиболее близок к заявляемому схемному устройству персональный компьютер IBM PC с мультимедийным проектором [2], который выбран в качестве прототипа.
3. Сущность полезной модели
Технической задачей является разработка схемного устройства модульного учебного компьютера для группового и индивидуального обучения под руководством преподавателя. В сравнении с учебными классами, оборудованными типовыми персональными компьютерами или локальными компьютерными сетями, разрабатываемое устройство должно быть простым и иметь более низкую себестоимость. Для достижения технического результата разработано и испытано схемное устройство модульного учебного компьютера, в котором к системному блоку типового персонального компьютера IBM PC по линейно-звездной схеме подключены учебные модули, причем каждый из модулей состоит из монитора и комплекта управляющих устройств (клавиатуры и мыши). Для подключения мониторов в схеме используются разветвители видеосигалов, которые между собой соединены последовательно, что позволяет комплектовать схемное устройство достаточно большим количеством учебных модулей (портов). Комплекты управляющих устройств подключаются к разъему универсальной последовательной шины USB системного блока через концентраторы или переключатели портов в зависимости от примера конкретного выполнения. В общем случае подключение управляющих устройств осуществляется одним из следующих способов:
- через концентраторы с постоянно подключенными всеми учебными модулями;
- через концентраторы с выборочным ручным подключением учебных модулей при работающем компьютере;
- через переключатели портов с выборочным дистанционным подключением учебных модулей при работающем компьютере.
Необходимо отметить, что принципиальные отличия рассмотренных схем подключения управляющих устройств определяют их различные стоимости и удобство пользования, а на функционирование предлагаемого схемного устройства существенного влияния не оказывают. Так, использование переключателей портов вместо концентраторов обеспечивает дистанционное переключение, но значительно увеличивает стоимость схемного устройства. Высокий уровень унификации современной компьютерной техники, использование универсальной последовательной шины USB и линейно-звездная топология цепи управляющих сигналов обеспечивают достаточно высокую для учебных целей степень расширяемости предлагаемого схемного устройства (до 127 портов) при сравнительно небольших дополнительных затратах (см. пример 2 конкретного выполнения).
Модульный принцип построения схемного устройства позволяет подбирать необходимое количество модулей и степень их оснащенности в зависимости от количества обучаемых и требуемого уровня комфорта. Так единичный модуль, рассчитанный на одного обучаемого, состоит из монитора, клавиатуры и мыши, а групповой, кроме монитора, содержит несколько, например, два комплекта управляющих устройств. Предлагаемое схемное устройство модульного учебного компьютера достаточно простое по составу, имеет низкую себестоимость и позволяет преподавателю демонстрировать на мониторах учебных модулей элементы компьютерных технологий, передавать управление компьютером любому обучаемому, а при необходимости корректировать его действия. Таким образом, в процессе группового обучения осуществляется совместное решение задачи, что особенно важно на начальной стадии обучения, когда обучаемые еще не имеют навыков самостоятельной работы.
В целом, совокупность признаков ограничительной и отличительной частей формулы полезной модели необходима и достаточна для решения поставленной задачи или других эквивалентных задач. Следовательно, предлагаемое техническое решение отвечает критериям новизны и полезности.
Схемное устройство модульного учебного компьютера иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1,2.
Фиг.1. Схемное устройство модульного учебного компьютера с единичными модулями.
Фиг.2. Схемное устройство модульного учебного компьютера с групповыми модулями.
4. Примеры конкретного выполнения
Пример 1 конкретного выполнения
В состав схемного устройства модульного учебного компьютера по примеру 1 входят персональный компьютер преподавателя ПК и учебные модули 1,2,3 и т.д. (фиг.1). Персональный компьютер преподавателя имеет стандартную комплектацию, включающую системный блок СБ, монитор МН, клавиатуру КЛ и мышь М, а каждый учебный модуль составлен по усеченной комплектации, в которую входят монитор, клавиатура и мышь. Мониторы учебных модулей МН1, МН2, МНЗ... подключены к системному блоку персонального компьютера ПК при помощи разветвителей видеосигнала РВ1, СВ2..., соединенных между собой по последовательной схеме. Управляющие устройства учебных модулей клавиатуры КЛ1, КЛ2, КЛ3... и мыши Ml, М2, М3... подключены к разъему универсальной последовательной шине USB системного блок персонального компьютера через концентраторы КН1, КН2... (фиг.1).
Описанное схемное устройство по примеру 1 позволяет демонстрировать на мониторах учебных модулей элементы компьютерных технологий и осуществлять управление учебным объектом не только преподавателю, но и любому обучаемому. Управление учебным объектом может осуществляться при работающем компьютере как по команде преподавателя в случае постоянного подключения управляющих устройств учебных модулей, так и ручным выборочным подключением отключенных управляющих устройств с использованием разъемов шины USB.
Комбинированная линейно-звездная топология описанного схемного устройства позволяет подключать к персональному компьютеру достаточно большое количество учебных модулей с учетом того, что максимально допустимая наполняемость учебной группы составляет 25 человек.
Пример 2 конкретного выполнения
В схемном устройстве модульного учебного компьютера по примеру 2 вместо единичных учебных модулей подключены групповые модули, каждый из которых состоит из одного монитора и нескольких, например, двух комплектов управляющих устройств (фиг.2), что несколько ухудшает условия работы, но значительно уменьшает удельные затраты.
Пример 3 конкретного выполнения
В схемном устройстве модульного учебного компьютера по примеру 3 для осуществления возможности дистанционного переключения управляющие устройства учебных модулей клавиатуры КЛ1, КЛ2, КЛ3... и мыши M1, M2, М3... подключены к системному блоку персонального компьютера через переключатели портов (на фиг.1,2 не показаны).
5. Практическая применимость
Опытный образец схемного устройства модульного учебного компьютера с шестью групповыми модулями (фиг.2) смонтирован и испытан в эксперементальной лаборатории НОУ ОЦ «Альфатех». В результате испытаний установлено, что все каналы передачи видео и управляющих сигналов работают без сбоев и с высоким качеством изображения на экранах мониторов, а наличие в схеме разъемов шины USB позволяет переключать порты при работающем компьютере.
В 2008-2009 учебном году НОУ ОЦ «Альфатех» планирует завершить программное обеспечение и осуществить коммерциализацию схемного устройства модульного учебного компьютера среди региональных образовательных учреждений. При необходимости возможны и другие формы реализации заявленного технического решения не выходящие по своей сущности за пределы совокупности признаков отличительной и ограничительной частей формулы полезной модели.
Источники информации
1. Патент PU №2275682, класс G06G 7/04,2006.
2. Ляхович В.Ф. Основы информатики: Ростов-на-Дону, изд. Феникс, 2001, 603 с.