CC BY
35
базе МИРЭА;
- итоговая межвузовская научно-методическая конференция МКР ИТО на базе МГУПБ. На базе МГУПБ, МГУПИ, МИРЭА и МЭИ и были проведены 4 заседания руководящего
совета по МКР ИТО.
Для достижения целей и решения задач МКР ИТО на базе ведущих вузов - участников МКР были созданы Центры по МКР ИТО:
- Центр трансфера инновационных технологий в образовании в МГУПБ;
- Центр высоких интеллектуальных технологий в образовании и науке в СПбГПУ;
- Координационный центр МКР ИТО «Интернет- технологии в образовании» в МГУПИ;
- Межвузовский центр «ИТО в научных исследованиях» в МФТИ;
- Межвузовский центр «Центр интеллектуальных ресурсов и систем» в МИРЭА;
- Центр ИТО по созданию и эксплуатации образовательных виртуальных миров в СПбГУ-
АП;
- Центр инновационных технологий в образовании «Межвузовская политехническая Интернет- лаборатория» (ЦИТО МПИЛ) в МЭИ;
- Центр по разработке программных средств и систем тестирования в РХТУ. На 2009 год МКР ИТО определены следующие основные задачи и приоритеты:
- Анализ качества, эффективности и масштабов использования ИТО;
- Систематизация и интеграция основных результатов по МКР ИТО;
- Внедрение и распространение в учебном процессе вузов высокоэффективных ИТО;
- Создание БД разработок по МКР ИТО;
- Структурирование учебного материала инженерных дисциплин с использованием ИТО;
- Встраивание ИТО в образовательные программы и дисциплины на всем периоде подготовки бакалавров и специалистов;
- Объединение усилий ведущих ученых и тесное взаимодействие с РАН, РАМН, РАСХН, профильными организациями, программами, вузами Рособразования.
Начальник Управления учреждений образования и реализации приоритетного национального проекта «Образование», Председатель руководящего совета МКР ИТО
П. Ф.Анисимов
Заместитель Председателя МКР ИТО, заслуженный деятель науки РФ, проректор, зав. каф. МГУПБ, доктор технических наук, профессор
М.М.Благовещенская
УДК 004.055
СОЧЕТАНИЕ РЕАЛЬНОГО И ВИРТУАЛЬНОГО В ПОДГОТОВКЕ БАКАЛАВРОВ, СПЕЦИАЛИСТОВ И МАГИСТРОВ ПО НАПРАВЛЕНИЮ «РАДИОТЕХНИКА»
В.П. Федосов, проф., зав. каф.
(8634) 37-16-32; E-mail: [email protected] Ф.А. Цветков, доц. Кафедра теоретических основ радиотехники (8634) 37-16-32; E-mail: [email protected] Технологический институт Южного федерального университета (г. Таганрог)
http://www.fre.tsure.ru
Problems and modern requirements for the organization and carrying out educational process, by preparation of bachelors, experts and masters in the field of «Radio engineering» are discussed. The necessity of a reasonable combination of the real (physical) and virtual approach to such training is underlined. The experience of such organization of educational process on faculty of theoretical bases of a radio engineering of the Institute of technology of Southern federal university in Taganrog is shown.
Обсуждаются характер, проблемы и современные требования к организации и проведению учебного процесса при подготовке бакалавров, специалистов и магистров по направлению «Радиотехника». Отстаивается позиция необходимости разумного сочетания реального (физического) и виртуального подхода в учебных занятиях. Приведен опыт такой организации учебного процесса на кафедре Теоретических основ радиотехники Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге.
Ключевые слова: образование, виртуальность, физичность, профессионализм, лекция, практическое занятие, лабораторное занятие, программно-аппаратный комплекс, LabVIEW, MultiSIM.
Keywords: Education, virtuality, reality, professionalism, lecture, practical lesson, laboratory research, software-hardware complex, LabVIEW, MultiSIM
вующей политике государства в области образования, включая и его финансирование.
Авторы работают в Технологическом институте Южного федерального университета, который в рамках национального проекта «Образование» получил возможность модернизировать процесс обучения. Направления модернизации и перспективы, какими они видятся авторам, в рамках одной из кафедр института - кафедры Теоретических основ радиотехники радиотехнического факультета - обсуждаются ниже с учетом того, что эта кафедра является одновременно и выпускающей, и общетехнической, что позволяет синхронно изменять методику обучения на всех курсах при ведении дисциплин направления «Радиотехника».
1. Информационные технологии в учебном процессе по направлению «Радиотехника»
Радиотехника как наука всегда считалась сложной для восприятия, т.к. процессы в радиотехнических устройствах, за редкими исключениями, не воспринимаются непосредственно органами чувств человека, и для их формирования и контроля приходится применять специальные технические средства - измерительные приборы. Эти приборы, в свою очередь, часто характеризуют только некоторую часть свойств контролируемой физической величины (тока, напряжения, сопротивления). Поэтому исследование какого-либо узла радиотехнического устройства всегда связано с формированием в сознании исследователя некоторой модели этого узла и некоторой модели процесса в нем, причем уровень адекватности и сложности этих моделей часто диктуется характером решаемой задачи. По существу,
Введение
В настоящее время в России назрела острая необходимость в модернизации высшего технического образовательного процесса, вызванная потребностью в подготовке выпускников вузов, способных решать на инновационном уровне научные и производственные задачи для обеспечения конкурентоспособности российской продукции на мировом уровне. Особенно это актуально с учетом имевшегося в недавнем прошлом ослабления государственной финансовой поддержки вузов, которая, впрочем, и сейчас, по нашему мнению, не является достаточной. Для выведения российского высшего технического образования на передовой уровень необходимы усилия, как минимум, в следующих направлениях: модернизация технической базы, обновление кадрового состава, обновление методики преподавания, развитие социальной инфраструктуры вузов, повышение мотивации в получении образования у обучающихся.
В рамках этой статьи обсуждаются только некоторые аспекты обновления методики преподавания. Следует заметить, что все названные выше направления преобразования тесно связаны и существенно влияют друг на друга: без модернизации технической базы, в том числе технических средств обучения, нельзя выйти на современный мировой уровень; естественный уход преподавателей старшего поколения, которые, в свое время, являлись частью технической элиты страны, должен компенсироваться притоком талантливой молодежи, которая должна успеть перенять знания, опыт и творческую смелость предшественников и затем добиться новых результатов. Все это возможно только при соответст-
исследователь оперирует с виртуальным узлом и виртуальными процессами в нем, и этого оказывается достаточно, пока реальный узел «ведет себя», в целом, так же, как и виртуальный.
Двадцать-тридцать лет назад компьютерная техника еще не имела массового распространения, а математические модели радиотехнических элементов и устройств были достаточно абстрактными (без массового распространения мощных компьютеров могли широко применяться только не очень сложные или даже простые модели). И специалистам-радиотехникам приходилось оперировать непосредственно с реальными узлами устройств и определять их свойства путем воздействия на них сигналами, сформированными измерительными генераторами, и наблюдения осциллографами или другими измерительными приборами соответствующих откликов. Поэтому очень велика была роль эксперимента как на этапе разработки узла и устройства в целом, так и при его производстве, а от специалиста-радиотехника требовалось умение проводить экспериментальные работы. В связи с этим в вузах, готовивших этих специалистов, большое внимание уделялось лабораторным занятиям, при выполнении которых, кроме углубления знаний о свойствах радиотехнических узлов, формировались навыки и умения работать с измерительной техникой, планировать эксперименты. Меньший объем лабораторных занятий имело обучение по вечерней и, особенно, заочной форме образования, но от обучающихся там требовалась работа на предприятии родственного характера. Кстати, не так уж редко специалисты, заканчивавшие заочное и, особенно, вечернее обучение, имели более высокий уровень знаний, чем обучавшиеся по очной форме. В целом же, ни о каком виртуальном образовании, в современном смысле, тогда не могло быть и речи.
В нынешних условиях, когда развитие микроэлектроники привело к появлению мощных малогабаритных цифровых процессоров, мощных доступных компьютеров в портфеле или в кармане и специализированных цифровых устройств обработки сигналов, в том числе и радиосигналов, положение в корне изменилось. Большинство радиотехнических устройств используют цифровую обработку сигналов и содержат, наряду с аналоговыми, сложные цифровые компоненты. Изменился и характер радиотехнического эксперимента - он все в боль-
шей мере (но не в полной!) заменяется математическим моделированием на компьютере. Изменились и требования к специалистам-радиотехникам.
Например, современные радиотехнические устройства насыщены цифровыми специализированными устройствами формирования, обработки и преобразования сигналов. Все чаще они реализуются на программируемых логических интегральных схемах, цифровых сигнальных процессорах. Интенсивно внедряются программируемые аналоговые интегральные схемы.
Вся эта элементная база содержит в себе, как правило, огромное количество функциональных узлов, отличается большим количеством параметров и характеристик, приводимых в их технических описаниях, имеющих вид объемных (в сотни килобайт, а то и мегабайты) файлов. Разработчик должен достаточно глубоко освоить эту информацию, чтобы грамотно спроектировать необходимое устройство. Без компьютерной техники быстро оперировать этими данными, находить нужные параметры, уточнять их значения уже невозможно.
Собственно проектирование устройств на такой элементной базе без компьютерной техники вообще невозможно, так как многие компании - разработчики и производители этих микросхем - вынуждены также разрабатывать и постоянно совершенствовать программные средства проектирования на этих микросхемах, необходимых пользователю функциональных узлов.
Все это приводит к тому, что разработчик конкретного устройства оказывается один на один с компьютером, программными средствами проектирования и массой информации, необходимой для достижения заданного результата.
Более того, полученное в результате проектирования решение «вживую» может быть проверено очень не скоро, так как до изготовления и тестирования всего устройства в целом может потребоваться проведение аналогичной по сложности разработки узлов на других микросхемах, входящих в это устройство, проектирование конструкции в целом и, в частности, печатных плат, как правило, многослойных. И только после изготовления устройства можно провести реальные испытания и убедиться в его работоспособности. С высокой вероятностью изготовленное устройство оказалось бы неработоспособным, если бы разработчики и производители сложной элементной базы не
разрабатывали еще и программные средства моделирования функционирования разработанного на их микросхемах узла.
Таким образом, разработчик конкретного устройства вынужден, по существу, действовать в виртуальной среде, объединяющей в себе и базы данных, и программные средства проектирования, и программные средства тестирования. Исходными для его работы являются некоторые файлы данных, а результатом, как правило, является также набор файлов данных (определенная стадия всего проекта в целом), которые он передает следующим за ним по технологической цепочке проектировщикам.
В принципе, вполне можно представить себе успешного проектировщика конкретных устройств, не видевшего свое детище в составе реального устройства, или мало что получающего для своего профессионального роста от рассматривания этого реального устройства.
Важно также и то, что тестирование готового устройства теперь производится с помощью компьютеризированных установок, объединяющих в себе средства измерений, средства обработки данных и принятия решений, т.е. изменились и суть, и характер экспериментальных исследований. В этом один из авторов имел возможность лично убедиться при посещении в ноябре 2007 года производственного предприятия корпорации National Instruments (США, штат Техас, г. Остин), выпускающего большой набор унифицированных устройств для сбора и обработки данных в широком спектре частот.
Становится очевидным, что современный специалист-радиотехник, кроме «традиционных» знаний о радиосигналах и помехах, преобразовании их свойств в радиотехнических узлах, должен иметь высокую компьютерную грамотность, уметь работать на компьютерных средствах проектирования, создавать и эксплуатировать радиотехнические информационно-измерительные комплексы. Готовить таких специалистов на лабораторной базе и методических разработках 10...20-летней давности невозможно. Модернизация же учебного процесса требует существенных финансовых затрат.
Наш институт получил возможность осуществить такие затраты, самостоятельно выиграв грант на инновационное развитие, а также войдя в состав Южного федерального университета (ЮФУ) и получив часть средств, отпущенных на развитие ЮФУ. В
частности, все лекционные аудитории института были оснащены компьютерными проекторами и звукоусилительной аппаратурой, коренным образом была модифицирована внутренняя компьютерная сеть, вводятся информационные технологии в управленческую деятельность.
Если говорить о кафедре Теоретических основ радиотехники, на которой работают авторы, то ее особенностью является то, что она является и общетехнической, и выпускающей. Для всех студентов радиотехнического факультета на кафедре преподаются такие дисциплины, как основы теории цепей, радиотехнические цепи и сигналы, метрология и радиоизмерения, а для «своих» студентов - еще и ряд специализированных дисциплин с подготовкой диссертаций бакалавров и магистров и дипломных проектов специалистов. Так что занятия на кафедре проводятся для студентов всех курсов - с 1-го по 6-й. В связи с этим она может являться своеобразным полигоном для отработки методик преподавания на разных курсах.
За несколько последних лет в соответствии с выделенными объемами финансирования удалось оснастить все лаборатории кафедры персональными компьютерами с лицензионным программным обеспечением, компьютерными проекторами, каждый преподаватель получил в пользование портативный компьютер (ноутбук). Дополнительно к этому в каждую лабораторию было приобретено специализированное оборудование, соответствующее ее направленности. После этого выявилась очередная проблема: новое специализированное оборудование и программное обеспечение потребовали и нового уровня знаний и компетенций от преподавателей и сотрудников кафедры. Преодоление этой проблемы происходило и еще происходит достаточно трудно. В немалой степени это обусловлено имеющимися противоречиями в системе нашего высшего образования [1].
Модернизация аппаратно-программной базы кафедры проводилась неразрывно с обновлением методик преподавания. Естественно, что процесс этот был и остается эволюционным, а не революционным, чтобы максимально использовать положительные стороны накопленного ранее опыта и не противоречить утвержденным учебным планам. Поэтому при сохранении прежнего спектра занятий - лекции, практические и лабораторные занятия, курсовые проекты и работы, самостоятельная работа студентов -
проводилась и проводится работа по повышению их эффективности. Авторы придерживаются мнения, что не от всего, что выработали наши учителя-предшественники, следует отказываться. В то же время необходимо учитывать, что они работали в других условиях и имели другие возможности. Об этом см. также [2].
Влияние компьютеризации всех сторон деятельности человеческого сообщества на образовательные процессы широко обсуждается с момента появления персональных компьютеров и будет анализироваться и далее [3-5]. Основной вопрос при этом - виртуализация образования и дистанционное образование. В [5], например, имеется утверждение, что дистанционное (с помощью компьютерных технологий) образование эффективнее традиционного (надо полагать, очного). На наш взгляд, это утверждение не корректно, т.к., по-видимому, традиционным образованием при этом считалось устаревшее образование, без компьютерных технологий. Если же этими технологиями оснастить процесс очного образования, сохранив регулярность общения обучаемого с преподавателем, обеспечив ему доступ к лабораторным установкам с реальными исследуемыми объектами и задав определенные временные ограничения, то такое образование, несомненно, будет эффективнее. Нет также сомнения в том, что дистанционное образование необходимо, когда у обучаемого, например, нет возможности обучаться очно, но этот случай здесь не обсуждается. Что касается виртуального образования при очном обучении, то авторы склонны считать, что существенной его частью будет изучение свойств моделей объектов и явлений. Новым здесь будет только то, насколько корректны будут эти модели и как эффективно будут использоваться возможности компьютерных технологий.
2. Компьютерные технологии в лекциях
Лекции еще долго будут важным элементом процесса обучения, при котором «передача знаний идет «от разума к разуму», без посредников. ... лектор, если он мастер своего дела, не только учит, но и воспитывает. Воспитывает не только информацией, но и своим поведением, ответами на вопросы, даже ошибками и стилем их исправления» [6].
При традиционном проведении лекций обычно никаких презентационных мероприятий по общепрофессиональным дисци-
плинам не делалось из-за громоздкости необходимого оборудования и большого времени на их подготовку. Основными инструментами при проведении лекционных и практических занятий были мел и доска (иногда - раздаточный материал по теме лекции). Эти инструменты, по нашему мнению, имеют право на жизнь и далее, так как процесс появления формулы на доске с сопутствующими пояснениями прививает студентам способность к последовательным и логичным рассуждениям.
Одному из авторов в том же ноябре 2007 года довелось в иТ (Университете штата Техас, г. Остин, США) наблюдать фрагмент лекции по электродинамике, которая велась в оборудованной компьютерами и двумя проекторами аудитории, но использовались при этом доска и цветные мелки. Далеко идущие выводы делать, по-видимому, не следует, но...
В современных условиях на лекциях по техническим дисциплинам очень большую помощь как преподавателю, так и студентам могут оказать презентации - изобразительный материал, демонстрируемый с помощью проектора, подключенного к персональному компьютеру. Компьютерные технологии обучения позволяют при достаточной оснащенности аудиторий мультимедийными средствами повысить информационную емкость материалов лекций и практических занятий при доступности для понимания.
Наиболее очевидным примером применения лекционной презентации является показ в аудитории «картинок» по теме обсуждаемого вопроса. В простейшем случае это набор формул, графиков, фотоизображений исследуемых физических объектов. Достигаемая при этом «наглядность» исследуемых объектов делает изложение материала менее абстрактным, у студентов более прочно связываются теоретические выкладки с «физикой» изучаемых процессов и явлений.
Имеется, по нашему мнению, и отрицательная сторона у лекционных презентаций, которую, впрочем, при умелом их использовании можно свести к минимуму. Лекционные презентации «провоцируют» лектора на существенное увеличение объема передаваемой студентам информации за единицу времени. При этом студенты переходят в «режим наблюдения» и перестают делать какие-либо заметки в своих конспектах. В результате у них «на будущее» остаются не стройные, логичные по структуре и мате-
риалу конспекты, а лишь обрывочные записи, которые без материала демонстрировавшихся презентаций не представляют для них заметной ценности.
Положение можно улучшить, если методикой преподавания дисциплины предусмотреть после лекции самостоятельную работу студента с материалом этой же презентации, например, в виде домашнего задания, при выполнении которого ему необходимо сформулировать частный вывод или решить частную задачу на основе имеющихся в презентации общих выводов и соотношений. Читатели могут и сами предложить другие варианты активизации послелекционной проработки презентационного материала.
Следует, однако, иметь в виду, что подготовка такого методического комплекса может потребовать серьезных материальных и временных затрат и породить объекты интеллектуальной собственности, что в нынешних экономических условиях может, например, ограничить свободу в распространении методических материалов и, тем самым, усложнить внелекционное использование презентаций. Однако имеются программные средства для ограниченного копирования материалов в пределах локальной сети вуза.
Наиболее предпочтителен вариант, когда в лекционной аудитории имеется компьютерное проекционное оборудование, лектор имеет в персональном распоряжении портативный компьютер (ноутбук), владеет некоторым набором программ подготовки презентаций и ему доступно подключение этого портативного компьютера к проекционной аппаратуре. В этом случае он может подготовить презентацию не в виде набора «статических картинок», а включать в нее анимационные модули. И дело не в большей привлекательности «мультиков» по сравнению со статическими изображениями, а в понимании динамических процессов в исследуемой цепи или устройстве.
Авторы преподают дисциплины радиотехнического цикла, связанные с изучением свойств и принципов действия радиотехнических устройств и преобразований в них параметров и характеристик сигналов. При этом материал иллюстрируется большим количеством временных и спектральных диаграмм, и очень важно «увидеть», как изменение, например, временных параметров сигнала сказывается на его спектральных характеристиках. Наиболее наглядно это выражено, когда на лекции преподаватель
включает заранее написанную программу формирования сигнала и вычисления его спектра с выводом их в графической форме на экран компьютера (на экран в лекционной аудитории), причем эта программа должна допускать изменение параметров сигнала по желанию лектора (с участием студентов) в процессе демонстрации с соответствующим изменением спектра.
В принципе, такую программу, реализующую вычисления по формулам и графическое отображение результатов, можно разработать на разных языках программирования. Но наименьшие требования к уровню специальных знаний по языку программирования, по мнению авторов, имеет язык графического программирования LabVIEW корпорации National Instruments (NI), с которым они имели возможность работать в течение нескольких лет, а до этого использовали языки Basic, ALGOL, Fortran, С,...
Язык LabVIEW позволяет достаточно быстро освоить его на начальном уровне, обеспечивающем, тем не менее, создание программ с очень хорошим графическим интерфейсом. Это позволяет разрабатывать программы самому лектору, т.е. в одном лице объединить и технического специалиста, и программиста (пусть и не профессионала в программировании). Но это объединение резко ускоряет разработку программ, т.к. отпадает необходимость в согласовании «нестыковок» в представлениях технического специалиста и профессионального программиста [7].
При определенном опыте программирования на языке LabVIEW авторам удавалось проводить модификацию разработанных ими же программ непосредственно перед лекцией. Были ситуации, когда на лекции при обсуждении со студентами демонстрируемого материала возникала необходимость (по реакции студентов) в модификации программы здесь же, в «реальном времени», что и делалось. Студенты, изучающие в нашем институте основы программирования на языке LabVIEW, становились активными участниками такой модификации программы и последующего обсуждения получаемого результата. Конечно, на лекции можно это делать, если модификация незначительна и отнимает не более одной-двух минут, так как основная цель - изложение материала специальной дисциплины, а не обучение программированию. Естественно, в портативном компьютере преподавателя должна быть установлена система програм-
мирования на языке LabVIEW, для чего экономичнее всего приобрести соответствующую кафедральную или вузовскую лицензию на право ее использования.
В качестве примера на рис. 1 приведена часть последовательных кадров, создаваемых программой синтеза ряда Фурье для прямоугольного импульса. Программа предусматривает наращивание в цикле количества учитываемых в ряде Фурье гармонических составляющих от одной до двухсот(!) -добавление по одной гармонике каждые 0,1 с (можно и замедлить). Вся демонстра-
ция занимает около 20 с, но сколько информации предоставляется студентам!
Она позволяет, например, обсудить скорость и характер сходимости ряда Фурье, явление Гиббса и др. После демонстрации можно обратить внимание студентов на необходимый для уяснения эффект и повторно запустить демонстрацию. Студенты при этом более внимательно ее воспринимают, обычно появляются вопросы, замечания, т.е. усвоение изучаемого материала становится более глубоким.
Рис. 1. Демонстрация изменения вида сигнала при его синтезе на основе гармонического ряда Фурье в зависимости от числа гармонических составляющих
Анализ и синтез сигналов в заданной
системе базисных функций можно продемонстрировать в динамике при изменении параметров и формы сигналов, показать, например, зависимость ошибки при синтезе сигналов от числа базисных функций. При синтезе пачки прямоугольных импульсов было трудно за короткое время с помощью доски и мела показать изменения спектра при увеличении числа импульсов в пачке, что важно для изучения последующих специальных дисциплин радиотехнического направления. На рис. 2 показаны изменения спектральной плотности при числе импульсов, равном 5 (рис. 2а) и 20 (рис. 2б).
Другим примером использования презентации по теме лекции являются разработанные лектором при подготовке к лекции демонстрации работы электронных моделей в пакете МиШ81М. Такие презентации позволяют продемонстрировать работу устройств и систем в динамике на основе принципиальных электрических схем устройств, упростить понимание материала лекции, обеспечить сравнительный анализ различных вариантов решения изучаемого явления.
Например, при изучении темы «ЯС-генераторы» в дисциплине «Радиотехниче-
ские цепи и сигналы» можно проиллюстрировать работу различных вариантов генератора, показать процессы в разных точках генераторов, измерить частоту, нелинейные искажения, сделать выводы из сравнительного анализа. На рис. 3а и рис. 3б показаны два варианта принципиальных электрических схем ЯС-генераторов с подключенными виртуальными измерительными приборами: ХММ1 - мультиметр; ХБС1 - частотомер; Х8С1 - осциллограф; ХБЛ1 - измеритель коэффициента гармоник.
При изучении ЬС-генераторов с внутренней обратной связью непосредственно на лекции моделируется работа генератора на туннельном диоде (рис. 4). При этом легко показать зависимость напряжений в различных точках схемы от положения рабочей точки на вольтамперной характеристике туннельного диода, зависимость от времени тока диода в стационарном режиме работы генератора.
В целом опыт авторов и других коллег-лекторов показывает, что лекционные компьютерные презентации - это мощное средство повышения качества усвоения материала.
ии
1_1_1
;рШЕШЕШНП]
а) б)
Рис. 2. Спектр пачки прямоугольных видеоимпульсов при числе импульсов в пачке 5 (а) и 20 (б)
Необходимо еще раз отметить, что создание компьютерных демонстраций является трудоемким делом, требующим высокой квалификации преподавателя как методиста, т.к. необходимо выделить ключевые сюжеты излагаемого материала, придумать для них сценарии демонстраций, решить вопросы компоновки изображений и, наконец, написать и отладить программу. Т.е., некоторые презентации могут быть подготовлены преподавателями-энтузиастами как «проба пера», но серьезное изменение методики чтения лекций с насыщением их техническими мультимедийными презентациями требует существенного времени и, соответственно, финансирования. Но нынешний уровень оплаты труда преподавателей высшей школы не привлекателен для молодых и талантливых людей. И это одна из важных причин трудного и медленного проникновения современных технологий в сферу образования. Необходимы также и заметные затраты на оснащение аудиторий и преподавателей соответствующей техникой, на организацию мест для самостоятельной работы студентов.
3. Сочетание реального и виртуального в лабораторных занятиях
В лаборатории кафедры по общепрофессиональным дисциплинам на каждом студенческом рабочем месте, кроме компьютеров, имеется электронно-лучевой осциллограф, функциональный генератор, набор электронных вольтметров, а также рабочая станция NI ELVIS, подключенная к компьютеру. В компьютеры установлены программная среда NI LabVIEW и программа моделирования NI MultiSIM.
Рабочая станция NI ELVIS представляет собой стенд с источниками питания, функциональным генератором, цепями защиты и узлами связи с установленной в системном блоке компьютера платой аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП), выполняющих до 1,25 млн преобразований в секунду. При написании соответствующей программы на LabVIEW комплекс «компьютер-рабочая станция» превращается в многофункциональную исследовательскую установку, которую можно гибко перестраивать даже в процессе эксперимента. Еще одно рабочее место с таким же набором устройств является рабочим местом преподавателя, к компьютеру которого подключен проектор. Сравнение этой лаборатории с родственной лабораторией Университета штата Техас (UT), (г. Остин, США, август 2008 г.) показывает, что они
практически идентичны, но в UT лабораторные работы уже проработаны достаточно хорошо, а у нас еще есть над чем работать.
Имеющиеся ресурсы позволяют проводить лабораторные работы по разным методикам.
1. Проведение моделирования исследуемых явлений и устройств с помощью программы LabVIEW или программы MultiSIM без использования рабочей станции и измерительных приборов. Каждому студенту задается свой вариант параметров устройства, которые легко изменить, и он должен получить результат, обдумать его и сделать вывод. При необходимости преподаватель со своего рабочего места через проектор может показать всем студентам пример выполнения задания, а потом контролировать ход работ на каждом студенческом рабочем месте. Опыт такого проведения лабораторных работ показывает высокую эффективность этой методики: на языке LabVIEW легко программируются математические формулы типа формирования массива отсчетов сигнала, вычисления по ним спектра; в Multi-SIM встроены достаточно совершенные модели транзисторов, микросхем и др., простые исследуемые схемы студенты довольно быстро готовят сами, сложные - готовятся преподавателем заранее; результаты получаются часто даже более корректными, чем на установках с реальными приборами.
Например, на рис. 5 показаны этапы выполнения лабораторного задания: исследование параметров и характеристик входного случайного сигнала (рис. 5а); параметров и характеристик сигнала на выходе фильтра нижних частот (рис. 5 б); исследование явления нормализации случайного сигнала узкополосной линейной цепью (рис. 5в).
В работе исследуются зависимости общего вида реализации, корреляционной функции, плотности вероятности от параметров линейных цепей: полосы, центральной частоты амплитудно-частотной характеристики, порядка фильтра, определяются взаимозависимости всех характеристик и параметров. При исследовании явления нормализации случайного процесса, отличающегося от нормального, находятся зависимости параметров плотности вероятности процесса на выходе нормализующей линейной цепи от ширины ее полосы пропускания.
Такие исследования сложно обеспечить с использованием измерительной аппаратуры, которая, к тому же, достаточно специфична и поэтому дорога. Кроме того, иссле-
дуемые явления изучаются в форме, близкой к идеальной, без искажения результатов методическими и аппаратурными погрешностями, в которых может утонуть их сущность.
В целом эта методика проведения лабораторных работ очень хороша для изучения сути явлений. Она не требует подготовки макетов исследуемых устройств, нет необходимости прорабатывать выполнение физического эксперимента для получения приемлемых погрешностей. Новую лабораторную работу можно поставить очень быстро и также быстро ее модифицировать. Но имеется у нее и недостаток - студенты не приобретают опыта работы с реальными приборами, не знакомятся с реальными компонентами радиотехнических устройств. При доминировании такой методики обучения можно получить виртуального специалиста, боящегося практических работ и исследований, что мы считаем не приемлемым.
2. Проведение исследований физических устройств, размещаемых на рабочей станции NI ELVIS. При таком подходе лабораторная работа требует значительного времени на подготовку: разработку сценария работы, разработку принципиальных электрических схем исследуемых узлов, изготовление исследуемых узлов на макетных платах рабочих станций, написание и отладку программ на языке LabVIEW, подготовку методических материалов.
На рис. 6. показан общий вид рабочего места студента при выполнении лабораторной работы с использованием рабочей станции NI ELVIS: исследуются частотные характеристики электрической цепи второго порядка. При исследовании в автоматизированном режиме проводится большое количество измерений, результаты получаются в виде цифровых данных, сохраняемых в файлах. Эти данные, в дальнейшем, студент может подвергнуть обработке на своем домашнем компьютере в целях определения необходимых численных параметров.
В процессе выполнения работы достаточно просто делается сравнительный анализ свойств цепи по семейству графиков, получаемых при различных параметрах ее элементов, определение зависимости между временными и частотными характеристиками и др. Важно также то, что, например, замена студентом конденсатора одной емкости на конденсатор другой емкости немедленно сказывается на получаемых результа-
тах, т.е. студент воочию убеждается в том, что получаемые результаты соответствуют именно этой исследуемой цепи. Дополнительно к этому к исследуемой цепи можно подключить осциллограф и контролировать ход процесса по его экрану. 3. Проведение исследований физических устройств, размещаемых на рабочей станции NI ELVIS, но источником тестовых сигналов является отдельный прибор - функциональный генератор, а контроль процессов осуществляется осциллографом. Это позволяет проводить исследования на более высоких частотах - до десятка мегагерц. Рабочая станция при этом используется как основа стенда, источник напряжений питания. От встроенного в нее функционального генератора на исследуемое устройство можно также подать еще одно переменное напряжение гармонической, треугольной или импульсной формы с частотой до одного мегагерца. При необходимости, можно с помощью LabVIEW и АЦП и ЦАП на плате ввода-вывода формировать для исследуемого устройства низкочастотные управляющие напряжения и вводить в компьютер низкочастотные отклики. Таким способом можно осуществить довольно сложные эксперименты, в частности, при выполнении дипломных проектов и квалификационных работ на степень бакалавра и магистра.
В другой лаборатории кафедры проводятся занятия по изучению измерительных приборов и получению навыков их использования. В ней же размещен Учебный центр технологий National Instruments Южного федерального округа, созданный в 2004 году и дооснащенный комплексами NI PXI со встроенным персональным компьютером и предустановленной программой LabVIEW, NI CompactRIO, NI Speedy-33 и др. Это позволяет не только изучать «обычные» средства измерений, в большинстве своем тоже содержащие микропроцессорные средства обработки данных, но и знакомиться с принципами создания исследовательских аппаратно-программных комплексов.
Например, на рис. 7 показана установка с комплексом NI PXI для исследования нестабильности частоты высокостабильных генераторов, применяемых в системах синхронизации цифровых систем связи. Комплекс позволяет исследовать аналоговые сигналы, оцифровывая их с частотами дискретизации до 100 МГц и количеством отсчетов до 16 млн. Имеются также PXI-устройства ввода с частотами дискретизации
до 2 ГГц. Программа, задающая алгоритм функционирования установки, пишется на языке LabVIEW. Установка позволяет провести очень сложные исследования, не доступные при «обычных» средствах измерения.
На рис. 8 показана еще одна установка с комплексом NI PXI, оснащенным устройствами формирования и приема радиочастотных сигналов с разнообразными видами модуляции и частотами несущего колебания до 2,7 ГГц.
Все это, в целом, дает возможность привить навыки работы с реальными устройствами и программами, используемыми в научных организациях и производственных коллективах, о чем давно мечтали работодатели.
В этой же лаборатории можно проводить занятия только с использованием моделирования на компьютерах.
Еще одной методикой выполнения лабораторных работ, заслуживающей, с нашей точки зрения, внимания, является проведение исследований на программных моделях лабораторных установок с последующим повторным выполнением некоторых пунктов лабораторного задания на реальной установке. Для реализации этой методики преподавателем, например на языке LabVIEW, пишется программа - модель имеющейся в лаборатории установки, отображающая с высокой точностью вид установки, изображения на экранах приборов и компьютера, входящего в установку. При этом достаточно корректно должно моделироваться изучаемое явление или свойства исследуемого объекта. Эта программа-модель выдается студенту для самостоятельной (домашней) работы с нею. После «виртуального» выполнения лабораторной работы студент обязательно должен обсудить с преподавателем получившиеся результаты и, по усмотрению преподавателя, выполнить какое-то из виртуально выполненных исследований самостоятельно на реальной установке. Такая методика повышает уровень и значимость самостоятельной работы студента, особенно в связи с неотвратимостью демонстрации достигнутых результатов на реальной установке. Уменьшается также загрузка лаборатории рутинной работой.
В то же время реализация этой методики требует от преподавателя высокой квалификации и больших временных затрат по подготовке программ-моделей установок. По существу, внедрение ее требует дополнительного финансирования специализированной методической работы, что, обычно, не укладывается в существующую в вузах систему и уровень
оплаты труда преподавателей.
Наиболее ценным являлось бы использование в учебной лаборатории не лабораторных стендов, а реальных объектов и устройств, используемых вне вуза. Работа с ними уменьшает адаптационный период, необходимый для «вхождения» молодого специалиста в процесс разработки или эксплуатации такого же или подобного оборудования на предприятиях и в научных организациях. Понятно, что создание таких лабораторий требует больших финансовых затрат и больших усилий по освоению оборудования и введению его в учебный процесс.
На нашей кафедре такая лаборатория создана - лаборатория телекоммуникации. Она содержит восемь рабочих мест студентов (рис.
9) и одно рабочее место преподавателя (рис.
10). На каждом рабочем месте установлены персональный компьютер, цифровая телефонная станция «Протон-ССС» и комплект оконечных устройств, подключенных к ней. Станции на разных рабочих местах объединены в локальную цифровую сеть связи с применением проводных и оптоволоконных линий. Эта лаборатория является базовой для обучения студентов по специальности «Сети связи и системы коммутации». В ней доступны и методы моделирования телекоммуникационных устройств, и реальное их исследование.
Заключение
Подводя итог, следует отметить, что современные средства радио- и телекоммуникационной связи насыщены вычислительной техникой, и в будущем эта тенденция будет только усиливаться. Высшая школа всегда работает на будущее, так как поступившие учиться выйдут из нее только через 4-6 лет. За это время технический мир успевает заметно измениться.
Поэтому процесс обучения должен быть высокоадаптивным. Реализовать это можно, только насыщая учебный процесс компьютерами и вводя в него компьютерные технологии. Но нельзя и оборвать связи с реальными устройствами, чтобы не получить в конце обучения виртуальных специалистов.
Таким образом, лишь сочетание виртуального и реального в инженерном образовательном процессе позволит обеспечить инновационный подход в подготовке кадров на современном уровне для сохранения и развития интеллектуального потенциала России и повысит мотивацию и интерес студентов в получении достойного образования.
Литература
1. Каптерев А.И. Образование: реальное, виртуальное, мнимое. http://www.autorun. e-rej.ru /ОшМосЫ_2.Йт.
2. Мединский В.Р. О русском рабстве, грязи и «тюрьме народов». - М.: ОЛМА Медиа Групп, 2009. - 544 с.
3. Смольский С.М., Филиппов Л.И. Три шага к профессии: наука, диссертация, педагогика. - Одесса: Нептун-Технология, 2005. - 128 с.
4. Демчук А., Артамонова Ю. Виртуальное образование: реальность и перспективы. http://www.prof.msu.ru/publ/book6/c66_01.htm.
5. Хуторской А.В. О виртуальном образовании // Интернет-журнал «Эйдос». - 1999. - 30 марта. http://www.eidos.ru/journal/1999/0330-06.htm. - В надзаг: Центр дистанционного образования «Эйдос», е-таЛ: [email protected].
6. Стриженко А.А. Глобализация образования и международное сотрудничество. http://elib.altstu.ru/elib/books/Files/2000-04/3/Pap3.html.
7. Федосов В.П., Нестеренко А.К. Цифровая обработка сигналов в LabVIEW / Под ред. В.П. Федосова. - М.: ДМКПресс, 2007. - 472 с.
УДК 004.055
СЕТЕВОЙ УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР КОЛЛЕКТИВНОГО ПОЛЬЗОВАНИЯ УНИКАЛЬНЫМ ЛАБОРАТОРНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ НА БАЗЕ ВЕБ-ПОРТАЛА КАК ЭЛЕМЕНТ СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО
ОБРАЗОВАНИЯ
А.С. Глинченко, к.т.н., проф. Тел. (8-391) 291-20-40; E-mail: [email protected] М.Л. Дектерев, директор Регионального инновационного центра «Центр технологий National Instruments» Тел. (8-391) 291-20-40; E-mail: [email protected] К.Н. Захарьин, директор Центра технологий электронного обучения ИнТК СФУ Тел. (8-391) 291-21-38; E-mail: [email protected] В.А. Комаров, программист Регионального инновационного центра «Центр технологий National Instruments» Тел. (8-391) 291-20-40; E-mail: [email protected] А.В. Сарафанов, д. т.н., проф, проректор СФУ по информатизации и ДО Тел. (8-391) 291-21-20; E-mail: [email protected] ФГОУ ВПО Сибирский федеральный университет (СФУ) http://www.sfu-kras.ru
The article is devoted to the problems of the organization on a system basis of the network educational-research centre of the collective using, functioning on the basis of web-technologies. Principles of construction of the distributed measuring-operating systems providing remote control and the control over laboratory stands, installations, devices are considered.
В статье рассмотрены вопросы организации на системной основе сетевого учебно-исследовательского центра коллективного пользования, функционирующего на базе веб-технологий. Приведены принципы построения распределенных измерительно-управляющих систем, обеспечивающих дистанционное управление и контроль над лабораторными стендами, установками, приборами.
Ключевые слова: автоматизированный лабораторный практикум с удаленным доступом, удаленный доступ, Интернет, Интранет, сетевой центр коллективного пользования.
Keywords: the automated laboratory practical work with remote access, remote access, Internet, Intranet, the network centre of collective using.
