УЧЕБНЫЙ КОМПЬЮТЕРНЫЙ МОДУЛЬ

1. Область техники
Предлагаемая полезная модель относится к устройствам компьютерной техники, используемой в учебном процессе.
2. Уровень техники
Современная компьютерная техника в целом отвечает потребностям обученных индивидуальных пользователей, которые размещают в своих персональных компьютерах необходимую информацию, обрабатывают ее и извлекают по мере необходимости. Широко используемые в настоящее время компьютерные сети выполняют те же задачи в более крупном масштабе. Однако, эффективность использования учебных компьютерных классов, оснащенных персональными компьютерами, достаточно низкая, так как преподаватель не может дистанционно управлять процессом обучения и большую часть учебного времени обучаемые работают самостоятельно. 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. Создавать учебные классы для начального этапа обучения на основе одноранговых или серверных компьютерных сетей технически сложно и экономически нецелесообразно из-за их высокой стоимости. Поэтому разработка устройств учебных компьютерных модулей, позволяющих педагогически эффективно на различных этапах осуществлять индивидуальное и групповое обучение под руководством преподавателя с минимальными затратами без создания сети, является актуальной технической задачей.
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.
Известно так же схемное устройство модульного учебного компьютера [2], предназначенное для обучения на начальной стадии и состоящее из типового персонального компьютера IBM PC. В нем к системному блоку компьютера по линейно-звездной схеме подключены учебные модули, каждый из которых состоит из монитора и комплекта управляющих устройств. Для подключения мониторов в этом устройстве использованы разветвители видеосигнала, а для подключения управляющих устройств - концентраторы.
Учебный компьютерный модуль по патенту [2] достаточно эффективен на начальной стадии обучения, когда у обучаемых еще не сформированы умения и навыки самостоятельной работы на компьютере. При обучении на второй стадии доля самостоятельной деятельности учащихся должна возрасти, что является непременным условием успешного формирования их готовности к самостоятельной работе на персональном компьютере. Однако, модульный учебный компьютер по патенту [2] поставленную педагогическую задачу не решает, так как во время занятий все обучаемые работают последовательно с одним учебным объектом. Открытая архитектура и полная взаимозаменяемость внешних компьютерных устройств позволяет модифицировать устройства компьютеров и формировать из них модули применительно к поставленной педагогической задаче, что, несомненно, повысит эффективность использования компьютерной техники как средства обучения.
По количеству общих признаков и достигаемому результату наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является модульный учебный компьютер [2], который выбран в качестве прототипа.
3. Сущность полезной модели
Технической задачей является разработка учебного компьютерного модуля для второй стадии обучения, когда учащиеся получили начальные знания и приобрели умения самостоятельной работы на компьютере и решения задач по изучаемой дисциплине. Для создания условий эффективного обучения на второй стадии предлагаемое устройство должно с минимальными затратами обеспечить возможность самостоятельной работы обучаемых по решению индивидуальной учебной задачи и, в то же время, при необходимости доступ преподавателя к учебному объекту с целью контроля и(или) управления. Технической предпосылкой создания специализированных устройств учебных компьютерных модулей является высокая совместимость аппаратурного и программного обеспечения компьютеров и их внешних устройств, что относится не только к моделям IBM PC компьютеров, но и к более новым версиям IBM HC XT, IBM AT и др.
Для достижения указанного результата разработан и испытан учебный компьютерный модуль, в котором индивидуальные учебные блоки оснащены персональными компьютерами стандартной комплектации, а блок преподавателя, в отличие от прототипа, имеет усеченную комплектацию, в которую входят: монитор, клавиатура и мышь. Функциональная связь блока преподавателя с индивидуальными учебными блоками осуществляется через блок управления с использованием линейно-звездной топологии, как по видео, так и по управляющим сигналам. Для этого в цепях видеосигналов установлены разветвители, а в цепях управления - концентраторы. Дистанционное переключение линий связи может осуществляться преподавателем как ручным способом с использованием разъемов концентраторов и разветвителей видеосигнала, так и аппаратно, когда вместо блока управления, состоящего из концентраторов и разветвителей, в схему подключается управляемый переключатель портов, например типа КВМ.
Способы переключения линий связи определяют только различные стоимости и удобство пользования учебным компьютерным модулем, а на его функционирование существенного влияния не оказывают.
Описанный вариант учебного компьютерного модуля, в котором индивидуальные учебные блоки оснащены персональными компьютерами полной комплектации, предназначен для проведения занятий методом индивидуальных проектов. Для реализации метода группового проектирования, когда над проектом работает рабочая группа состоящая из нескольких обучаемых, разработан вариант устройства учебного компьютерного модуля с групповыми блоками, в котором каждый групповой учебный блок оснащен одним системным компьютерным блоком, а так же мониторами и комплектами управляющих устройств в соответствии с количеством обучаемых в рабочей группе. Подключение внешних устройств к групповому системному блоку осуществляется, как и в первом варианте, по линейно-звездной топологии с использованием разветвителей и концентраторов, которые объединены в блок управления. Блок преподавателя так же имеет усеченную комплектацию, а преподаватель через блок управления может подключаться к учебным блокам рабочих групп ручным способом или аппаратно с целью контроля и(или) управления учебным объектом. В этом варианте переключатель портов включается в схему дополнительно между блоком управления и блоком преподавателя.
Одним из технических показателей оборудования учебных компьютерных классов является его максимально возможная расширяемость, которая для предлагаемого устройства составляет 127 портов, что обеспечивается высоком уровнем унификации современной компьютерной техники, линейно-звездной топологией цепей видео и управляющих сигналов и использованием универсальной последовательной шины USB.
Предлагаемое устройство учебного компьютерного модуля достаточно простое по составу, имеет низкую себестоимость в сравнении с компьютерными сетями и может быть эффективно использовано на второй стадии обучения как средство обеспечения самостоятельной работы обучаемых под руководством преподавателя при выполнении индивидуальных и групповых проектов.
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.
Устройство учебного компьютерного модуля иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1, 2.
Фиг.1. Учебный компьютерный модуль с единичными блоками.
Фиг.2. Учебный компьютерный модуль с групповыми блоками.
4. Примеры конкретного выполнения
Пример 1 конкретного выполнения
В состав учебного компьютерного модуля по примеру 1 входят: блок преподавателя П, содержащий монитор МН, клавиатуру КЛ и мышь М и индивидуальные блоки обучаемых У, оснащенные персональными компьютерами типа ПК стандартной комплектации (фиг.1). К системным блокам СБ1, СБ2, СБ3… обучаемых через разветвители видеосигналов РВ1, РВ2, РВ3… подключены мониторы МН1, МН2, МН3… индивидуальных блоков, концентраторы КН1, КН2, КН3… и управляющие устройства в виде клавиатур КЛ1, КЛ2, КЛ3… и мышей M1, М2, М3…. Разветвители видеосигналов и концентраторы объединены в блок управления БУ, который находятся в рабочей зоне преподавателя. На фиг.1 показан учебный компьютерный модуль с четырьмя индивидуальными учебными блоками.
Модуль по примеру 1 позволяет эффективно решать педагогические задачи на второй стадии обучения благодаря тому, что на занятиях обучаемые самостоятельно выполняют индивидуальные задания, а преподаватель имеет возможность выборочно осуществлять контроль за их работой путем подключения своего монитора к индивидуальным учебным блокам через разветвители видеосигналов РВ1, РВ2, РВ3… и при необходимости управлять персональными компьютерами обучаемых, подключаясь через концентраторы КН1, КН2, КН3… блока управления к их системным блокам. Наличие в учебном компьютерном модуле разветвителей видеосигналов и концентраторов обеспечивает высокое качество передачи сигналов в пределах размеров учебного компьютерного класса.
Пример 2 конкретного выполнения
В учебном компьютерном модуле по примеру 2 (фиг.2) вместо индивидуальных учебных блоков включены групповые блоки У1, У2, У3,… каждый из которых содержит по одному системному блоку СБ1, СБ2, СБ3…, комплекту мониторов МН1, МН2, МН3…, клавиатур КЛ1, КЛ2, КЛ3… и мышей M1, М2, М3…. В каждом групповом учебном блоке мониторы и управляющие устройства подсоединены к системному блоку по линейно-звездным схемам с использованием разветвителей РВ1, РВ2, РВ3… и концентраторов КН1, КН2, КН3… блока управления. Блок преподавателя П представляет собой отдельный порт, который последовательно подключается к разъемам разветвителей и концентраторов блока управления БУ. Учебный компьютерный модуль по примеру 2 дает возможность группе обучаемых совместно и самостоятельно выполнять учебные задания, а преподавателю осуществлять контроль за их работой, а при необходимости принимать участие в ее выполнении, что способствует успешному формированию готовности обучаемых к самостоятельной работе на персональных компьютерах.
5. Практическая применимость
Опытный образец учебного компьютерного модуля с шестью ивидуальными блоками (фиг.1) смонтирован и испытан на занятиях в экспериментально-технологической лаборатории ФТП ТГПУ. В результате испытаний установлено, что схемы передачи видео и управляющих сигналов работоспособны, качество изображений на экранах мониторов достаточно высокое, а наличие в схеме разъемов шины USB позволяет подключать блок преподавателя к любому учебному блоку при работающих компьютерах.
В 2009-2010 учебном году заявитель планирует завершить программно-методическое обеспечение и осуществить коммерциализацию учебного компьютерного модуля среди образовательных учреждений региона. 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 RU №2275682, класс G06G 7/04, 2006
2. Патент RU №76484, класс G06F 15/00, 2008