Постановка задачи.

Дистанционное обучение определено как комплекс образовательных услуг, который предоставляется широким прослойкам населения в стране и за границей с помощью специализированной образовательной среды. Эта среда базируется на использовании новейших информационных технологий, которые обеспечивают обмен учебной информацией на расстоянии.

Очевидно, что потребности современного потребителя образовательных услуг значительно изменились. Общество требует уважения к статусу студента. Все больше студентов работают, поэтому график их обучения должен быть гибким, а нагрузка - меньшей. Преподавателю отведена роль руководителя в обучении и планировании карьеры студента. Обучение становится прозрачным, личностно ориентированным процессом.

Парадигма виртуального учебного заведения базируется на радикальной переоценке эффективности традиционных средств обучения. Наименее эффективными признаны лекции и семинары, наиболее эффективными -использование информационно-телекоммуникационных технологий, проверка собственных знаний и уровня знаний других. Виртуальный колледж использует эффективные средства обучения благодаря информационным технологиям и создает новую инфраструктуру, приближая образовательные услуги к потребителю.

Как известно, высшие учебные заведения 1-М уровня аккредитации предоставляют образовательные услуги, которые носят практический характер. Все приобретенные знания студенты закрепляют во время практики на предприятиях и организациях. Безусловно, это является большим преимуществом этих образовательных учреждений. Учитывая это, актуальным видится поиск средств формирования практических умений и привычек на качественно новом уровне.

Несмотря на определенное количество проведенных исследований разных аспектов использования виртуальных средств обучения, остаются мало изученными вопросы, которые касаются практического использования такого рода приборов во время изучения специальных дисциплин в колледжах технического профиля. Это и обусловило заинтересованность именно этим направлением использования виртуальных приборов.

Описание решения.

Автор разработал ряд дистанционных курсов по дисциплинам: «Вычислительная и микропроцессорная техника»,

«Микропроцессорные системы», «Микропроцессоры и их программирование», которые с успехом используются на отделении «Автоматики и ВТ» в Винницком колледже национального университета пищевых технологий. На данное время завершена разработка виртуального стенда на базе микроконтроллера Atmel ATmega 8535.

Описание передней панели стенда

Виртуальный лабораторный стенд представляет собой программу-модель рабочего стенда. Передняя панель виртуального стенда представлена на рисунке 1.

Рис. 1 - Общий вид передней панели виртуального лабораторного стенда

На переднюю панель вынесены элементы управления и индикации лабораторного стенда. Принципиальная схема лабораторного стенда показана на рисунке 5.

Основным управляющим-элементом является микроконтроллер фирмы Atmel ATMEGA8535. К нему подключаются следующие устройства:

1) Четырех разрядный семисегментный индикатор с последовательным интерфейсом для загрузки данных.

2) Четыре тумблера с фиксацией, задающие логические уровни на входах микроконтроллера РА1-РА4

3) Матричная клавиатура размером 4x4 кнопки

4) Два индикатора состояния портов, которые представляют собой набор из 8 светодиодов, отображающих логический уровень на соответствующем выводе микроконтроллера. Каждый индикатор может подключаться к одному из портов микроконтроллера. При этом подключением управляет сам микроконтроллер.

5) Два переменных сопротивления: R1 - для задания напряжения на неинвертирующем входе компаратора, R2 - для изменения напряжения на входе АЦП.

На рисунке 2 показано расположение на передней панели подключаемых к микроконтроллеру модулей и вспомогательных элементов:

1 - четырех разрядный семисегментный индикатор

2 - Тумблеры с фиксацией для переключения каких-либо режимов в программе

3 - Панель индикаторов состояния портов. Название порта изменяется при различных комбинациях логических уровней на их вход (см. схему на рисунке 5).

4 - Блок управления питанием и сбросом. При отключении питания в микроконтроллера очищаются все регистры и SRAM. Если же нажать кнопку сброса (RESET), то выполняется только инициализация микроконтроллера, а память SRAM не изменяет состояния.

5 - Два переменных резистора. R1 - для задания напряжения на неинвертирующем входе компаратора, R2 - для задания напряжения на входе АЦП (см. рисунок 5).

6 - Матричная клавиатура.

7 - Индикатор комментариев к программе.

8 - панель главного меню

9 - кнопки минимизации ( _ ) и закрытия ( × ) программы

Рис. 2 - Расположение элементов управления и индикации

Работа с виртуальным стендом

Для выполнения лабораторной работы выдается задание для написания и отладки программы для стенда. Программа пишется в среде AVR Studio. Для загрузки программы в стенд необходим скомпилировать программу в файл.деп (файл формата Generic).

По умолчанию AVR Studio создает файл с расширением.hex. Для того, чтобы создавался файл.деп, необходим выбрать команду меню Project>AVR Assembler setup. В появившемся окне в списке HEX Output format необходимо выбрать значение Generic.

Для того, чтобы на передней панели стенда отображался комментарий в программе, необходимо в одной папке с загружаемым файлом.gen создать файл с тем же именем, только с расширением.комм. Такой файл автоматически загружается как текстовый файл. В этот файл необходимо записать комментарии к программе. Например, если файл с компилированным кодом называется «programma.gen», то в этой же папке должен находится текстовый файл с комментариями с именем «programma.комм».

Рис. 3 - Меню загрузки файлов

Для загрузки программы в стенд необходим выбрать команду главного меню «Файл>3агрузить GEN» (см. рис. 3).

В появившемся файловом диалоге необходимо выбрать загружаемый файл.gen и нажать кнопку «Открыть». После этого появится окно процесса загрузки команд в микроконтроллер (рис. 4).

Рис. 4 - Окно загрузки программы

После загрузки программы она сразу запускается в исполнение. При выходе из программы-стенда загруженная программа в микроконтроллере, а также положение выключателей на стенде сохраняется. Сохраняется также и память EEPROM. Таким образом закрытие программы лабораторной работы равносильно выключению питания стенда.

Если программа управления микроконтроллером использует память EEPROM, то необходим записать в нее начальные значения. При компиляции программ AVR Studio создает файлы с начальным состоянием памяти EEPROM. Эти файлы имеют расширение «.еер». Для их загрузки используется команда меню «Файл>3агрузить ЕЕР» (см. рис. 3). Необходимо отметить, что микроконтроллер ATMEGA8535 имеет лишь 512 байт памяти EEPROM, поэтому если файл.еер будет содержать большее количество байт для записи, то лишняя информация будет игнорирована.

Особенности виртуального микроконтроллера

Виртуальный микроконтроллер, разумеется, имеет некоторые ограничения и отличия от реального, что обусловлено ограничениями модели.

Основными отличиями от реального микроконтроллера является отсутствие обработчика прерываний и небольшая тактовая частота.

В виртуальном микроконтроллере не реализован аппарат вызова и обработки прерывания. Поэтому, если программа будет использовать прерывания, она может работать неверно.

В связи с большими затратами системных ресурсов компьютера программа виртуального стенда работает на частоте, приблизительно равной тактовой частоте 1 Кгц реального микроконтроллера. Кроме того, на медленных компьютерах эта частота может быть меньше.

Важным этапом учебного процесса является эксперимент, который стимулирует познавательную деятельность и творческий подход для получения знаний. Однако при дистанционном обучении подобная активизация творческой деятельности ограничена.

Рис.5 Принципиальная схема лабораторного стенда

Одним из путей решения данной проблемы может иметь возможность активного дистанционного эксперимента в единой информационно-коммуникативной учебной среде. Другим фактором, который обуславливает актуальность проблемы дистанционного эксперимента, есть ограничена возможность доступа студентов к наиболее интересным и уникальным приборам, техническим объектам, научным и технологическим экспериментам, которые представляют наибольший интерес и стимулируют получение знаний.[4, с.32]

Основной особенностью, которая отличает физический эксперимент от других способов получения знаний, есть процесс получения и обработки экспериментальных данных - количественных характеристик реальных физических величин, которые определяют поведение исследуемого объекта, процесс или явление, которые подтверждают или опровергают сформулированные целевые функции проведения эксперимента. В условиях дистанционного обучения традиционные формы лабораторного практикума дополняются виртуальной лабораторией, которая использует технологию имитационного математического моделирования физического эксперимента с применением аппаратно-программных средств визуализации, компьютерной графики и анимации для достижения эффективного интерактивного взаимодействия пользователя со средой моделирования.

Составной частью виртуальной лаборатории есть понятия «виртуальный инструмент», т.е. набор аппаратных и программных средств, которые совместно с персональным компьютером дают возможность студенту выполнять лабораторные работы. Одна из главнейших частей виртуального инструмента - это эффективный графический интерфейс пользователя. Программный инструментарий с разветвленной системой графического меню в виде наглядных графических образов, который обеспечивает интерактивный режим работы пользователя с компьютером. Работая с виртуальным инструментом через графический интерфейс, студент видит на экране обычную переднюю панель прибора, которая максимально похожая к действующим приборам. С помощью манипулятора можно имитировать действие на органы управления виртуальных приборов - кнопки, переключатели, регуляторы, и т.п. Большая библиотека виртуальных приборов имитирует действие любого нужного измерительного прибора, максимально приспособленных для решения конкретной задачи. Передняя панель или система панелей разрешает оптимально планировать проведение эксперимента. Ограничение в выборе функциональных возможностей виртуальной лаборатории есть лишь характеристики компьютера, существующая библиотека математических функций и фантазия разработчика.

Учебная виртуальная лаборатория - это законченный программный продукт, характерной особенностью которого являются использования современных концепций проектирования больших программных систем. [3, с. 467]

В общем случае виртуальная лаборатория представляет собой некоторую информационную среду, которая позволяет проводить эксперименты без непосредственного взаимодействия над объектом исследования. При этом эксперименты могут проводиться как с математическими моделями, так и с использованием отдаленного доступа к объекту. Отдаленный эксперимент в общем случае выполняется следующим образом: студент устанавливает соединение с сервером лабораторной установки и передает серверу начальные данные для проведения эксперимента. Со временем под управлением серверного программного обеспечения проходит эксперимент, и пользователь получает результаты в виде графиков, таблиц, диаграмм и т.п.[1, с.45]

Важной составляющей подготовки современного специалиста в колледже технического профиля есть широкое применение виртуальных компьютерных систем, предназначенных для автоматизации профессиональной деятельности. Анализ многолетнего опыта внедрения виртуальных систем автоматизированного проектирования в Винницком колледже национального университета пищевых технологий разрешает сделать следующие выводы. Виртуализация учебных работ профессионального характера создает, предпосылки для более глубокого познания свойств исследуемых объектов и процессов на математических моделях, проведение параметрических исследований и оптимизации. [1, с.69] Однако, осмысленное применение систем виртуальных лабораторий требует довольно высокой квалификации. Нередко студенты успешно овладевают лишь аппаратными и программными компонентами автоматизированных систем. Профессиональная же квалификация в предметной области, связанная с вопросами построения математических моделей и анализа компьютерных расчетов, возрастает медленно или совсем отсутствующая. Студенты временами не получают в полном объеме даже тех знаний, которые им давало традиционное обучение. И вдобавок относительная легкость получения результата с применением виртуальных приборов снижает любопытство к самому результату. Так, целенаправленный поиск путем нескольких попыток оптимального или рационального решения в проектных задачах намного интереснее и поучительнее для будущего специалиста, чем получение только одного виртуального проекта, который нельзя улучшить и нет с чем сравнить.

Характер использования виртуальных лабораторий в профессиональной подготовки будущих специалистов по вычислительной техники требует от преподавателя призадуматься над усовершенствованием методики применения в учебном процессе виртуальных приборов, рациональным использованием с другими средствами поддержки обучения.

Итак, виртуальную лабораторию можно рассматривать как аппаратно-программный инструментарий, который используется в качестве объектно-ориентированной информационной среды для эффективного интерактивного взаимодействия студента со средой моделирования. Это разрешает пользователям, которые могут находиться на значительном расстоянии от объекта, в интерактивном режиме исследовать разнообразные приборы и установки.

Внедрение и развитие решения.

Обобщая выше сказанное можно с уверенностью утверждать, что важным преимуществом виртуальной лаборатории есть возможность наглядной имитации реального физического эксперимента, путем использования полученных прежде реальных экспериментальных данных, которые сохраняются в соответствующих файлах данных.

Широкое использование виртуальных компьютерных технологий в учебном процессе - современная мировая тенденция в высшем учебном заведении. Создание виртуальных приборов распространяет эту тенденцию и на лабораторный практикум. Особенно актуально это для будущих специалистов по вычислительной технике, где лабораторные работы занимают до 40% времени от общей продолжительности аудиторных занятий.

Создание лабораторного практикума, который опирается на виртуальные измерительные приборы, среда визуального программирования, результаты схемотехнического моделирование, фиксация практикума в электронном виде, допускает создание электронного образовательного ресурса (ЭОР). Возможность повторного и регулярного использования ЭОР в учебном процессе, а также тиражирование разрешает повышать его эффективность, адаптированность к разным технологиям обучения, в том числе с учетом степени подготовленности студента. Такой подход характерный для открытых систем (ОС). ЭОР ОС эффективно используется и за пределами колледжа.

Использование LabVIEW-технологий позволило значительно сократить время на разработку виртуальных приборов, вывести учебный процесс на качественно новый уровень. В данное время проводится работа над увеличением количества виртуальных приборов и их дальнейшее использование в дистанционных курсах в процессе подготовке будущих специалистов по вычислительной техники Винницкого колледжа НУПТ.

Список литературы

1. Батоврин В.К., Бессонов А.С., Мошкин В.В., LabVIEW: практикум по электронике и микропроцессорной технике: Учебное пособие для Вузов. - М.: ДМК Пресс, 2005.-182с.

2. Гуревич Р.С, Кадемия М.Ю. Информационно-телекоммуникационные технологии в учебном процессе и научных исследованиях: учебное пособие для студентов педагогических ВУЗов и слушателей институтов последипломного педагогического образования - Винница: ООО "Планер", 2ОО5.-366с.

3. Образцов П.И. Дидактические аспекты эффективного применения компьютерных средств обучения в Вузе. Сб. научн. трудов ученых Орловской области. Выпуск №2 - Орел: Орелгту, 1996. - С. 468-475.

4. Петрович С.Д., Левицкий СМ. Моделирование в системе MatLab. Учебное пособие. - Винница.: Оюаюр, 2005. - 144с.

5. Петрович С.Д., Петрович Я.М. Построение графиков функций в системе MatLab // Компьютер в школе и семье. - 2006. - № 6(54). - С. 18-20.