Современные информационные технологии в создании виртуальной информационно-образовательной среды удаленного доступа в инженерной подготовке и научной деятельности



Скачать 78.46 Kb.
Дата30.04.2016
Размер78.46 Kb.
Современные информационные технологии в создании виртуальной информационно-образовательной среды удаленного доступа в инженерной подготовке и научной деятельности

Ю.Ф. Гортышов, С.А. Михайлов, kai@kstu-kai.ru

Казанский государственный технический университет (КАИ) им. А.Н. Туполева
MODERN INFORMATION TECHNOLOGY IN CREATION OF THE VIRTUAL INFORMATION-EDUCATIONAL REMOTE ACCESS ENVIRONMENT IN ENGINEERING PREPARATION

AND SCIENTIFIC ACTIVITY

Y.F. Gortyshov, S.A. Mikhaylov
Одним из важнейших направлений развития современных образовательных технологий является разработка систем дистанционного обучения и научных исследований и внедрения на их основе стандартов открытого образования [1].

Эффективная реализация данных технологий возможна на пути создания виртуальной информационно-образовательной среды вуза, объединяющей в едином информационном пространстве различные корпоративные системы управления вузом, электронные библиотеки, системы дистанционного обучения и тренинга, корпоративные системы тестирования, автоматизации научных исследований и др. В совокупности данные системы образуют виртуальные представительства учебных заведений [1], доступ к ресурсам которого осуществляется через Интернет. Виртуальное представительство обеспечивает централизованное управление обучением, используя корпоративные системы вуза, одновременно реализуя распределенный дистанционный процесс обучения.

Важной характерной чертой инженерного образования является большой объем лабораторных практикумов в учебном плане подготовки. В ходе выполнения лабораторных работ студенты используют дорогостоящие и уникальные стенды, установки (испытательные стенды, аэродинамические трубы, двигательные установки, пилотажные стенды, установки полунатурного моделирования, нанотехнологические установки и приборы и т.д.). В условиях дистанционного обучения реальные экспериментальные стенды заменяются моделями установок, создавая систему виртуальных лабораторий [2]. Виртуальные лаборатории являются важнейшей составной частью виртуального представительства технического вуза, обеспечивая, наряду с другими системами, все функции обучения и управления учебным процессом.

При реализации идеологии виртуального информационно-образовательного пространства и создания системы дистанционного обучения встает задача интеграции в единой информационной среде различных компонент виртуального представительства. Эффективным подходом к решению данной задачи является создание образовательного интернет-портала вуза как единой точки входа для персонифицированного доступа к информационным ресурсам КГТУ [3].

Рассмотрим архитектуру построения системы виртуальных лабораторий, интегрированных в структуру университетского интернет-портала и обеспечивающих удаленный доступ к выполнению виртуальных лабораторных практикумов и научных исследований.

Концепция и информационные технологии дистанционного управления уникальным оборудованием и автоматизированных учебных лабораторий

Перевод на дистанционную форму обучения возможен при условии обеспечения удаленных реальных измерений и управление физическим экспериментом, уникальной установкой или стендом и их аппаратной и программной поддержки. Таким образом, основой дистанционных лабораторий является система дистанционного управления экспериментом (СДУЭ). СДУЭ должна обеспечивать возможность доступа к уникальным установкам и лабораторным ресурсам вуза из любой географической точки в многопользовательском режиме и в реальном масштабе времени.

Дорогостоящие уникальные экспериментальные установки и стенды в вузе, в основном, предназначены для научно-исследовательских работ, а также использования в учебном процессе при подготовке и переподготовке специалистов высшей квалификации. Степень использования таких установок в учебном процессе сильно ограничено сложностью и большими материальными затратами, а также малой пропускной способностью (не более 5-10 обучающихся в течение дня).

При создании СДУЭ уникальной установкой на первом его этапе необходимым условием является ее локальная автоматизация, т.е. создание автоматизированной информационно-измерительной и управляющей системы для установки, стенда или лабораторного макета. На втором этапе локальная автоматизированная система установки сопрягается с сетевыми и телекоммуникационными ресурсами (локальные, мобильные, глобальные сети), обеспечивающими дистанционный доступ к установке исследователю или студенту.

При обучении студента ввиду сложности установки и опасности некорректных действий нами предлагается вести физический эксперимент на уникальных установках в режиме виртуальной реальности. Под этим термином понимается экспериментальное исследование на виртуальной модели, полностью имитирующей работу реальной установки. Для создания такой виртуальной модели предлагается использовать экспериментальные файлы и базу данных, полученные с различных датчиков при различных режимах работы реальной физической установки. Экспериментальные файлы также дополняются мультимедийной информацией, записанной в режиме реального времени (видеофильмы и звуковые файлы работающей установки в различных режимах).

При дистанционном обучении студент задает режимы работы установки, в соответствии с которыми виртуальная модель установки генерирует измерительную информацию с датчиков, а также ауди- и видеоинформацию в реальном масштабе времени, соответствующие реальным данным. Таким способом достигается полная эквивалентность эксперимента на виртуальной модели и на действительной установке.



Принципы построения и структура системы дистанционного измерения и управления экспериментом

В Казанском государственном техническом университете (КАИ) им. А.Н. Туполева для построения системы дистанционного измерения и управления и создания на ее основе системы виртуальных лабораторных практикумов используются технологии LabView (National Instruments, США). Структурная схема системы приведена на рис.1, функциональная схема представлена на рис.2. Основными компонентами системы являются:



  • удаленные пользователи;

  • главный сервер;

  • дистанционные автоматизированные учебные лаборатории (ДАУЛ);

  • вычислительные центры и компьютерные классы ВУЗа.

Основу дистанционной лаборатории составляет лабораторный сервер, подключение лабораторных установок к которому осуществляется посредством устройств ввода-вывода, устанавливаемых либо на его системных шинах, либо подключаемых посредством соответствующих портов (COM, USB).

Функционирование ДАУЛ осуществляется по принципу клиент-сервер. Доступ удаленных пользователей (студентов или преподавателей) к лабораторным ресурсам (ЛР) осуществляется через глобальную сеть Интернет. Таким образом, для реализации СДУЭ необходимо обеспечить передачу данных между удаленными пользователями и ЛР, а так же управление распределенными ЛР. Для управления учебным процессом в рамках СДЭУ необходима интеграция системы с корпоративной системой управления учебным процессом КГТУ.

Передача данных должна быть обеспечена по двум участкам:

1. Глобальная сеть Интернет (удаленный пользователь – главный сервер системы);

2. Локальная вычислительная сеть ВУЗа (главный сервер системы – лабораторный ресурс).

Идентификация и аутентификация пользователей производится на основе информации, хранящейся в базе данных и доступной через СУБД MySQL. При такой реализации, регистрационные данные пользователей из базы данных можно получать как посредством приложений, разработанных при помощи скриптового языка PHP, так и посредством LabVIEW-приложений, использующих Database Connectivity Tools.

Измерительный сервер, получив запрос на измерение от главного сервера, конфигурирует устройство ввода-вывода, к которому подключен требуемая лабораторная установка и запускает процесс измерения. Результаты измерений возвращаются на главный сервер и отправляются пользователю.

Организация передачи данных

Передача данных между дистанционными пользователями и главным сервером СДУЭ в случае функционирования СДУЭ как независимой компоненты организован следующим образом:

Пользователь обращается к СДУЭ со своего компьютера через Интернет, используя стандартный браузер. Пользовательский интерфейс лабораторной работы публикуется в глобальной сети, в то время как сама программа, его реализующая, запущена на главном сервере системы, где так же работает LabView Web сервер, обслуживающий запросы пользователей. По запросу пользователя происходит выдача web страницы со встроенным в нее ActiveX объектом, обеспечивающим взаимодействие с сервером. В качестве протокола передачи данных используется протокол http. Получив запрос на выполнение работы, система проводит аутентификацию пользователя и осуществляет допуск его к выполнению работы.

Интеграция СДУЭ с системой управления учебным процессом КГТУ на основе портальных технологий

Система управления учебным процессом КГТУ им. А.Н.Туполева (ИИСУ) [4] построена как корпоративный ресурс университета, обеспечивающий все функции управления учебным процессом.

Образовательный портал КГТУ строится на основе решения IBM WebSphere Portal. Одной из функций портала является обеспечение точки доступа к СДУЭ. Общая логика удаленного доступа в рамках виртуальной образовательной среды к СДУЭ является следующей.


  1. Пользователь обращается к порталу через Интернет и входит в среду дистанционного обучения вуза.

  2. Соответствующий сервис портала обращается к ИИСУ с запросом на авторизацию пользователя.

  3. Приложение сервера ИИСУ формируют SQL-запрос по проверке полномочий пользователя (студент, преподаватель, курс обучения, оплата, учебный план обучения и т.п.).

  4. Сервер базы данных ИИСУ выполняет SQL-запрос и возвращает результат соответствующему приложению ИИСУ.

  5. Приложение ИИСУ преобразует результат в формат XML и возвращает данные соответствующему сервису портала.

  6. Сервис портала обрабатывает полученные данные. В случае успешной авторизации сервис обращается через Интернет к СДУЭ, запуская приложение LabView.

В настоящее время в КГТУ им. А.Н. Туполева создан комплекс виртуальных лабораторных практикумов для радиотехнических специальностей [2]. В испытательной лаборатории прочности и надежности конструкций летательных аппаратов и Центра дистанционных автоматизированных учебных лабораторий Казанского государственного технического университета ведется работа по автоматизации экспериментов на уникальных установках и организации дистанционного доступа к ним (аэродинамическая труба, стенды для прочностных испытаний опытного вертолета «АНСАТ» и т.д.) [5]. Интеграция на основе образовательного интернет-портала университета разработанных виртуальных лабораторий с корпоративными системами вуза позволит создать современную информационно-образовательную среду КГТУ.


Рис.1. Структурная схема системы дистанционного измерения и управления экспериментом



Рис.2. Функциональная схема системы дистанционного измерения и управления экспериментальной установкой
Литература:

1. Основы открытого образования. / А.А.Андреев, С.Л. Каплан, Г.А.Краснова и др.; Отв. Ред. В.И.Солдаткин. – Т.1. – Российский государственный институт открытого образования. – М.: НИИЦ РАО, 2002. – 676 с.

2. Ю.К. Евдокимов, В.Р. Линдваль, Г.И. Щербаков. LabView для радиоинженера: от виртуальной модели до реального прибора. М.: ДМК Пресс, 2007, 400с.

3. В.В. Крюков, К.И. Шахгельдян. Вопросы создания университетского образовательного портала как части информационной среды вуза. В сб. Интернет-порталы: содержание и технологии. Сб. науч. ст. Вып.4/[редкол.: А.Н. Тихонов (пред.) и др.]; ФГУ ГНИИ ИТТ “Информика” – М.: Просвещение, 2007. – 606 с.



4. Н.Н. Маливанов, В.М. Трегубов, Ю.А. Богомолов, Б.А. Старостин, Р.Н. Файзутдинов. Архитектура и принципы построения интегрированной информационной системы управления учебным процессом КГТУ им. А.Н. Туполева. Информатизация образования в Республике Татарстан: опыт, проблемы, перспективы. Материалы Республиканской научно-практической конференции 21 марта 2006 г. Часть 2. – с. 100-104.

5. В.П. Наумов, С.А. Михайлов и др. Автоматизация прочностных испытаний несущей системы вертолетов. Современные технологии автоматизации, N4, 1999.


База данных защищена авторским правом ©refedu.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница